KR101617583B1 - 내식성 및 역누설전류 차단 효과가 우수한 금속기판을 이용한 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
내식성 및 역누설전류 차단 효과가 우수한 금속기판을 이용한 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 형성되며, 염료가 흡착된 반도체 전극; 상기 제1 기판에 대향하는 제2 기판; 상기 제2 기판 상에 형성된 상대 전극; 및 상기 반도체 전극과 상기 상대 전극 사이에 형성된 전해질;을 포함하고, 상기 제1 기판은, 금속 기판, 역누설전류 차단층 및 티타늄층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 형성되며, 염료가 흡착된 반도체 전극; 상기 제1 기판에 대향하는 제2 기판; 상기 제2 기판 상에 형성된 상대 전극; 및 상기 반도체 전극과 상기 상대 전극 사이에 형성된 전해질;을 포함하고, 상기 제1 기판은, 금속 기판, 역누설전류 차단층 및 티타늄층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 염료감응 태양전지 제조 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내식성 및 역누설전류 차단 효과가 우수한 금속기판을 이용한 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
도 1은 일반적인 염료감응 태양전지를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 염료감응 태양전지는 한 쌍의 유리기판(110, 130) 사이에 형성된다. 보다 상세하게, 염료감응 태양전지는 빛을 받아 전자를 발생시키는 염료(dye)가 흡착된 반도체 전극(120), 상기 반도체 전극에 대향되는 상대 전극(140) 및 이들 사이에 개재된 전해질(150)을 포함한다.
상기 한 쌍의 유리기판(110, 130)은 표면에 도전성 투명전극이 코팅되어 있다. 이 도전성 투명전극은 주로 FTO(fluorine doped tin oxide)로 형성된다. FTO의 경우, 전해질과의 반응성이 낮아 장시간의 사용에도 안정한 장점이 있다.
그러나, FTO가 코팅된 유리기판은 매우 고가이며, 금속에 비하여 저항이 크다. 나아가, FTO가 코팅된 유리기판은 깨지기 쉬운 단점이 있으며, 쉽게 휘어지지 않기 때문에, 플렉서블한 태양전지로의 응용이 어렵다.
플렉서블한 염료감응 태양전지는 유리 기판을 대신하여 금속 기판이나 고분자 기판을 이용하고 있다. 그러나, 금속 기판의 경우, 전해질에 의한 부식 문제가 있다. 고분자 기판의 경우 열에 취약한 고분자 특성상 반도체 전극 열처리가 어려운 문제가 있다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-1449301호(2014.10.17. 공고)에 개시된 누설전류 차단형 염료감응 태양전지 어레이가 있다.
본 발명의 하나의 목적은 내식성이 우수하며, 역누설전류(Back Leakage Current) 차단 효과가 우수한 염료감응 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기의 염료감응 태양전지를 제조하는데 적합한 방법을 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지는 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 형성되며, 염료가 흡착된 반도체 전극; 상기 제1 기판에 대향하는 제2 기판; 상기 제2 기판 상에 형성된 상대 전극; 및 상기 반도체 전극과 상기 상대 전극 사이에 형성된 전해질;을 포함하고, 상기 제1 기판은, 금속 기판과, 상기 금속 기판 상에 형성되는 티타늄층을 포함하고, 상기 금속 기판과 티타늄층 사이에, 상기 반도체 전극에서 생성되는 전자가 상기 티타늄층에서 상기 금속 기판 쪽으로 이동하여 발생하는 역누설전류(Back Leakage Current)를 차단하는 역누설전류 차단층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 금속 기판은 스테인리스 스틸, 티타늄, 알루미늄, 백금, 니켈 중에서 1종 이상을 포함하는 재질로 단층 또는 다층으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 역누설전류 차단층은 티타늄 및 크롬 중 1종 이상을 포함하는 금속질화물로 형성될 수 있다.
또한, 상기 역누설전류 차단층은 20~50nm 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 티타늄층은 0.5~1㎛ 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지 제조 방법은 염료가 흡착된 반도체 전극을 포함하는 제1 기판 및 상대 전극을 포함하는 제2 기판을 각각 마련하는 단계; 및 상기 반도체 전극과 상대 전극이 서로 마주보도록 한 상태에서 전해질을 주입하는 단계;를 포함하고, 상기 제1 기판은 금속 기판과, 상기 금속 기판 상에 형성되는 역누설전류 차단층과, 상기 역누설전류차단층 상에 형성된 티타늄층을 포함하되, 상기 역누설전류차단층을 PVD(Physical Vapor Deposition) 방식으로 형성하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 역누설전류 차단층은 티타늄 및 크롬 중 1종 이상을 포함하는 금속질화물로 형성될 수 있다.
또한, 상기 역누설전류 차단층은 20~50nm 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 박판 형태의 금속 기판을 사용함으로써 FTO 코팅 유리 기판에 비하여 저가이고, 보다 높은 전도성과 함께 플렉서블 특성을 발휘할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 제 1 기판으로 저가의 금속 기판 및 내식성이 우수한 티타늄층을 복합 적용함으로써 가격 및 내식성 확보가 용이하다.
특히, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 금속 기판과 티타늄층 사이에 역누설전류 차단층이 형성되어 있다. 이를 통하여, 전해질에 대한 내식성을 향상시킬 수 있음과 더불어, 전자가 티타늄층을 통과하여 금속 기판으로 이동하여 발생하는 역누설전류 현상(Back Leakage Current)을 억제할 수 있어, 광전변환 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 염료감응 태양전지를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 적용되는 제1 기판의 예를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 적용되는 제1 기판의 예를 개략적으로 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내식성 및 역누설전류 차단 효과가 우수한 금속 기판을 이용한 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 도시된 염료감응 태양전지는 제1 기판(210), 반도체 전극(220), 제2 기판(230), 상대 전극(240) 및 전해질(250)을 포함한다.
제1 기판(210)은 반도체 전극이 형성되는 기판으로, 본 발명에서는 플렉서블 특성 부여를 위하여 금속 재질의 기판이 이용된다.
제1 기판(210)으로 플렉서블 특성이 보다 우수한 고분자 재질의 기판을 이용할 수도 있다. 그러나, 이 경우, 반도체 전극을 형성할 때 열처리 온도를 높게 할 수 없는 바, 태양전지 구동시 광전 효율 저하가 문제될 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 제1 기판(210)으로 금속 재질의 기판을 이용하였다.
제1 기판(210)의 세부적인 설명은 도 3에서 후술하기로 한다.
반도체 전극(220)은 제1 기판(210) 상, 보다 구체적으로는 제1 기판(210)의 티타늄층(212) 상에 형성된다. 반도체 전극(220)은 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2), 이산화지르코늄(ZrO2), 이산화규소(SiO2), 산화마그네슘(MgO), 오산화니오븀(Nb2O5), 산화아연(ZnO) 등으로 형성될 수 있으며, 보다 바람직하게는 이산화티탄 재질의 반도체 전극을 제시할 수 있다.
반도체 전극(220)에는 Ruthenium 535-bisTBA(N719) 또는 Ruthenium 620-1H3TBA(Black dye) 등과 같은 루테늄계 염료나, 유기 염료(organic dye), 양자점(quantum-dot) 또는 자연 염료(natural dye) 등과 같은 염료가 흡착된다.
반도체 전극(220)을 형성하는 방법은, 예를 들면 다음과 같다.
우선, 스크린 인쇄법, 닥터 블레이드법, 스프레이 코팅법 등을 이용하여, TiO2 페이스트를 제1 기판(210) 상에 인쇄한다. 이후, 400~500℃에서 대략 20~60분동안 열처리를 수행한다. 이후, 루테늄계 염료용액과 같은 염료용액에 6~24시간 정도 함침하여 염료를 흡착한다.
제2 기판(230)은 제1 기판에 대향한다. 제2 기판(230)은 유리로 형성될 수 있으나, 수광을 위한 투명성, 그리고 플렉서블 특성이 우수한 고분자 재질로 형성되는 것이 보다 바람직하다. 이러한 예로, 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리이미드(PI) 등이 이용될 수 있다. 제2 기판에는 ITO, FTO 등의 투명 전도성 물질이 코팅된다.
상대 전극(240)은 제2 기판 상에, 보다 구체적으로는 제2 기판에 코팅된 전도성 물질 상에 형성된다. 상대 전극(240)은 전해질(250)의 환원 과정에 참여할 수 있도록 전해질(250) 과 접촉된다. 상대 전극(240)은 백금(Pt), 은(Ag), 카본블랙 등으로 형성될 수 있다
전해질(250)은 반도체 전극(220)과 상대 전극(240) 사이에 형성된다. 전해질의 예로, 3-프로필-1,2-디메틸 이미다졸륨 아이오다이드(3-propyl-1,2-dimethyl imidazolium iodide; DMPImI), 요오드화리튬(LiI) 및 I2를 아세토니트릴(acetonitrile) 에 용해시킨 I3 -/I-의 전해액을 제시할 수 있다. 전해질은 산화-환원(예를 들어, I3 - ↔ 3I-)을 통하여 염료에 전자를 공급한다.
도 3은 본 발명에 적용되는 제1 기판의 예를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 도시된 제1 기판은 금속 기판(211) 및 티타늄층(212)을 포함한다. 특히, 본 발명에 적용되는 제1 기판은 금속 기판(211) 및 티타늄층(212) 사이에 역전류누설(Back Leakage Current) 차단층(213)을 더 포함한다.
금속 기판(211, 212)은 스테인리스 스틸, 티타늄, 알루미늄, 백금, 니켈 중에서 1종 이상을 포함하는 재질로 형성될 수 있다. 금속 기판은 단층으로 형성될 수 있다. 그러나, 예를 들어, 스테인리스 스틸 재질의 기판의 경우 가격적인 측면에 장점이 있으나, 내식성 측면에서 취약하다. 아울러, 티타늄 재질의 기판의 경우 내식성 측면은 우수하나 가격적인 측면에서 취약하다.
따라서, 이러한 가격적인 측면 및 내식성 측면을 모두 고려할 때, 도 3에 도시된 예와 같이 스테인리스 스틸과 같은 금속 기판(211) 상에 티타늄층(212)이 형성되어 있는 형태의 금속 기판을 이용하는 것이 바람직하다. 도 3에는 스테인리스 스틸 기판(211) 상에 티타늄층(212)이 형성된 예를 나타내었다.
다만, 금속 기판(211) 상에 티타늄층(212)이 형성되어 있는 경우, 역전류누설 문제가 발생할 수 있다. 즉, 반도체 전극(220)에서 생성된 전자는 티타늄층(212)을 통하여 외부로 제공되는 것이 바람직하나, 일부는 금속 기판(211) 쪽으로 이동하게 되어 광전 효율을 저하시킬 수 있다.
이에 본 발명의 발명자들은 오랜 연구 결과, 티타늄층(212)과 금속 기판(211) 사이에 수십 나노미터(nm) 정도의 기능층을 형성한 결과, 역전류누설 문제가 현저히 감소하고 아울러 금속 기판의 내식성이 보다 향상되는 것을 알아내었다.
이러한 역전류누설 차단층(213)은 TiN, CrN, TiAlN 등과 같은 티타늄(Ti) 및 크롬(Cr) 중 1종 이상을 포함하는 금속질화물층으로 형성될 수 있다. 이들 질화물층의 경우, 전기 전도도가 티타늄층 및 금속 기판의 전기 전도도보다 상대적으로 낮으며, 전해질에 대한 내식성이 우수한 특징이 있다.
또한, 역전류누설 차단층(213)은 20~50nm 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 역전류누설 차단층의 두께가 20nm 미만일 경우 역전류누설 차단 효과가 불충분하다. 반대로, 역전류누설 차단층의 두께가 50nm를 초과하는 경우 전기전도성이 감소하며 코팅 비용이 크게 증가할 수 있다.
이러한 역전류누설 차단층(213)은 스퍼터링과 같은 PVD(Physical Vapor Deposition) 방식으로 형성될 수 있다.
티타늄층(212)은 0.5~1㎛ 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 티타늄층의 두께가 0.5㎛ 미만일 경우 내식성 보강 효과가 불충분하고, 티타늄층의 두께가 1㎛를 초과하는 경우 더 이상의 내식성 향상없이 기판 제조 비용만 증가할 수 있다.
티타늄층(212)은 PVD와 같은 증착 방법으로 형성할 수 있으며, 이외에도 공지된 다양한 방법으로 형성할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 통상의 방법과 같이 제1 기판, 제2 기판 마련 단계, 접합 단계 및 전해질 주입 단계를 포함한다.
금속 기판 상에 반도체 전극을 형성한 후 염료를 흡착하는 과정을 통하여 제1 기판을 마련할 수 있다.
고분자나 글래스 기판 상에 백금 등으로 상대 전극을 형성하는 과정을 통하여 제2 기판을 마련할 수 있다.
전해질 주입 과정은, 반도체 전극과 상대 전극이 서로 마주보도록 하여 제1 기판과 제2 기판을 접합한 상태에서 전해질을 주입하는 방법으로 실시될 수 있다. 이후, 전해질 주입구를 밀봉하는 등의 과정이 포함될 수 있다.
이때, 본 발명에서는 전술한 바와 같이, 제1 기판이 금속 기판과, 금속 기판 상에 형성되는 역누설전류 차단층과, 역누설전류차단층 상에 형성된 티타늄층을 포함한다. 그리고, 역누설전류차단층은 PVD(Physical Vapor Deposition) 방식으로 형성될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
210 : 제1 기판 211 : 금속 기판
212 : 티타늄층 213 : 역누설전류 차단층
220 : 반도체 전극 230 : 제2 기판
240 : 상대 전극 250 : 전해질
212 : 티타늄층 213 : 역누설전류 차단층
220 : 반도체 전극 230 : 제2 기판
240 : 상대 전극 250 : 전해질
Claims (8)
- 제1 기판;
상기 제1 기판 상에 형성되며, 염료가 흡착된 반도체 전극;
상기 제1 기판에 대향하는 제2 기판;
상기 제2 기판 상에 형성된 상대 전극; 및
상기 반도체 전극과 상기 상대 전극 사이에 형성된 전해질;을 포함하고,
상기 제1 기판은, 금속 기판과, 상기 금속 기판 상에 형성되는 티타늄층을 포함하고, 상기 금속 기판과 티타늄층 사이에, 상기 반도체 전극에서 생성되는 전자가 상기 티타늄층에서 상기 금속 기판 쪽으로 이동하여 발생하는 역누설전류(Back Leakage Current)를 차단하는 역누설전류 차단층이 형성되어 있되, 상기 역누설전류 차단층은 상기 금속 기판 및 상기 티타늄층보다 전기전도도가 낮은 물질로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 금속 기판은 스테인리스 스틸, 티타늄, 알루미늄, 백금, 니켈 중에서 1종 이상을 포함하는 재질로 단층 또는 다층으로 형성된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 역누설전류 차단층은
티타늄 및 크롬 중 1종 이상을 포함하는 금속질화물로 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 역누설전류 차단층은 20~50nm 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 티타늄층은 0.5~1㎛ 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 염료가 흡착된 반도체 전극을 포함하는 제1 기판 및 상대 전극을 포함하는 제2 기판을 각각 마련하는 단계; 및
상기 반도체 전극과 상대 전극이 서로 마주보도록 한 상태에서 전해질을 주입하는 단계;를 포함하고,
상기 제1 기판은 금속 기판 상에 역누설전류 차단층을 형성하고, 상기 역누설전류차단층 상에 티타늄층을 형성하여 마련하되, 상기 역누설전류차단층을 상기 금속 기판 및 상기 티타늄층보다 전기전도도가 낮은 물질로 PVD(Physical Vapor Deposition) 방식으로 형성하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 제조 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 역누설전류 차단층은
티타늄 및 크롬 중 1종 이상을 포함하는 금속질화물로 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 제조 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 역누설전류 차단층은 20~50nm 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 제조 방법.
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