KR101673648B1 - 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

태양 전지의 제조 방법이 제공된다. 이 방법은, 전해질 용액을 준비하는 단계, 상기 전해질 용액 내에 도전막 및 금속막을 담그는 단계, 및 상기 도전막 및 금속막을 플라즈마 전해산화 반응시켜, 상기 금속막의 표면에 결정질 상태의 다공성 금속 산화막을 형성시키는 단계를 포함한다.

Description

태양 전지 및 그 제조 방법{Solar cell and method of manufacturing the same}
본 발명은 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 구체적으로, 플라즈마 전해 산화 공정을 이용한 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양으로부터 방출되는 빛 에너지를 전기에너지로 전환하는 광전 에너지 변환 시스템(photovoltaic energy conversion system)이다.
실리콘 태양전지는 상기 광전 에너지 변환을 위해 실리콘 내에 형성되는 p-n 접합다이오드(p-n junction diode)를 이용하지만, 전자 및 홀의 때이른 재결합(premature recombination)을 방지하기 위해서는, 사용되는 실리콘은 높은 순도 및 낮은 결함을 가져야 한다. 이러한 기술적 요구는 사용되는 재료비용의 증가를 가져오기 때문에, 실리콘 태양전지의 경우, 전력당 제조비용이 높다. 이에 더하여, 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 광자들(photons) 만이 전류를 생성하는데 기여하기 때문에, 실리콘 태양전지의 실리콘은 가능한 낮은 밴드갭(bandgap)을 갖도록 도핑된다. 하지만, 이처럼 낮춰진 밴드갭 때문에, 청색광 또는 자외선에 의해 여기된 전자들(excited electrons)은 과도한 에너지를 갖게 되어, 전류생산에 기여하기 보다는 열로써 소모된다. 또한, 광자(photon)가 캡쳐링(capturing)될 가능성을 증가시키기 위해서는, p형 층(p-type layer)은 충분히 두꺼워야 하지만, 이러한 두꺼운 p형 층은 여기된 전자가 p-n 접합에 도달하기 전에 정공과 재결합 할 가능성을 증가시키기 때문에, 실리콘 태양전지의 효율은 대략 7 내지 15% 근방에서 머무른다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 공개특허공보 10-2012-0018404에 개시된 것과 같이 염료감응형 태양전지 (dye-sensitized solar cells, DSSCs) 및 양자점감응형 태양전지(Quantum dot sensitized solar cells, QDSSCs)가 제시되었다. 이러한, 염료감응형 및 양자점감응형 태양 전지의 생산성을 높이고, 생산 단가를 감소시키기 위한 많은 연구들이 진행 중이다.
본 발명의 일 기술적 과제는 제조 시간이 감소된 태양 전지의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 제조 공정이 간소화된 태양 전지의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 고 신뢰성의 태양 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 광전 변환 효율이 증가된 태양 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 태양 전지의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 태양 전지의 제조 방법은, 전해질 용액을 준비하는 단계, 상기 전해질 용액 내에 도전막 및 금속막을 담그는 단계, 및 상기 도전막 및 금속막을 플라즈마 전해산화 반응시켜, 상기 금속막의 표면에 결정질 상태의 다공성 금속 산화막을 형성시키는 단계를 포함한다.
상기 금속막은 티타늄(Ti)을 포함하고, 상기 다공성 금속 산화막은 아나타제(anatase) 결정질 상태의 이산화 티타늄을 포함할 수 있다.
상기 태양 전지의 제조 방법은, 상기 플라즈마 전해산화 반응 전에, 상기 전해질 용액 내에 탄소 구조체(carbon structure)가 포함된 첨가물을 주입하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 탄소 구조체는 탄소나노튜브 또는 그래핀(graphene) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 다공성 금속 산화막은, 상기 금속막의 일면에 형성된 제1 다공성 금속 산화막, 및 상기 일면에 대향하는 타면에 형성된 제2 다공성 금속 산화막을 포함하고, 상기 태양 전지의 제조 방법은, 상기 제2 다공성 금속 산화막을 제거하는 단계, 및 상기 제1 다공성 금속 산화막의 표면에 광 흡수 입자를 부착시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 태양 전지의 제조 방법은, 전극막이 형성된 상부 기판을 준비하는 단계, 상기 전극막과 상기 제1 다공성 금속 산화막이 서로 대향하도록 상기 상부 기판을 상기 금속막 상에 배치하는 단계, 및 상기 제1 다공성 금속 산화막 및 상기 전극막 사이에 태양전지용 전해질 용액을 주입하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 태양 전지의 제조 방법은, 전해질 용액을 준비하는 단계, 상기 전해질 용액 내에 보조 입자가 포함된 첨가물을 주입하는 단계, 상기 첨가물이 주입된 상기 전해질 용액 내에, 도전막 및 금속막을 담그는 단계, 및 상기 도전막 및 금속막을 플라즈마 전해산화 반응시켜, 상기 금속막의 표면에 다공성 금속 산화막을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 보조 입자는 상기 다공성 금속 산화막보다 높은 전도성을 갖는 것을 포함한다.
상기 첨가물에 포함된 보조 입자는 탄소 구조체를 포함할 수 있다.
상기 탄소 구조체는 탄소나노튜브 또는 그래핀(graphene) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 금속막은 티타늄(Ti)을 포함하고, 상기 다공성 금속 산화막은 아나타제(anatase) 결정질 상태의 다공성 이산화 티타늄막을 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 전해산화 공정에 의해 상기 다공성 이산화 티타늄막의 표면에 상기 보조 입자가 부착되는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지는, 금속막, 상기 금속막 상의 다공성 금속 산화막, 상기 다공성 금속 산화막의 표면에 부착된 광 흡수 입자, 상기 다공성 금속 산화막의 상기 표면에 부착되고 상기 다공성 금속 산화막보다 높은 전도성을 갖는 보조 입자, 상기 금속막에 대향하는 상부 기판, 상기 상부 기판 상의 전극막, 및 상기 전극막 및 상기 다공성 금속 산화막 사이의 태양전지용 전해질 용액을 포함한다.
상기 금속막 및 상기 다공성 금속 산화막은 일체(one body)를 이루는 것을 포함할 수 있다.
상기 보조 입자는 탄소 구조체를 포함할 수 있다.
상기 탄소 구조체는 탄소 나노 튜브 또는 그래핀 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 보조 입자의 개수는 상기 광 흡수 입자의 개수보다 적은 것을 포함할 수 있다.
상기 광 흡수 입자는 양자점 또는 염료층 중 적어도 어느 하나인 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 전해질 용액 내의 도전막 및 금속막을 플라즈마 전해산화 반응시켜, 상기 금속막이 결정질 상태의 다공성 금속 산화막으로 변환될 수 있다. 이로 인해, 생산성이 증가되고, 생산 단가가 감소된 상기 다공성 금속 산화막을 포함하는 태양 전지가 제공될 수 있다.
또한, 상기 전해질 용액에 상기 다공성 금속 산화막보다 전도도가 높은 보조 입자가 주입되어, 상기 보조 입자가 상기 다공성 금속 산화막의 표면에 부착될 수 있다. 이로 인해, 광전 변환 효율이 증가한 태양 전지가 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지에 포함된 다공성 금속 산화막의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지에 포함된 다공성 금속 산화막의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지의 제조 방법에 따라 제조된 다공성 금속 산화막을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a는 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지에 포함된 광전 변환층 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 것으로 도 3의 A부분을 확대한 도면이다.
도 6b는 본 발명의 다른 실시 예들에 따른 태양 전지에 포함된 광전 변환층을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 태양 전지에 포함된 다공성 금속 산화막을 전자 주사 현미경(scanning electron microscope)으로 촬영한 것이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 태양 전지에 포함된 다공성 금속 산화막의 엑스레이 회절 분석법(X-ray Diffraction) 결과 그래프이다.
도 9a는 본 발명의 실시 예들에 따른 태양전지를 사용하는 태양전지 어레이를 설명하기 위한 도면이다.
도 9b는 본 발명의 실시 예들에 따른 태양전지를 사용하는 태양광 발전시스템의 예를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정영역 또는 막을 다른 영역 또는 막과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 막질로 언급된 막질이 다른 실시 예에서는 제 2막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지에 포함된 다공성 금속 산화막의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지에 포함된 다공성 금속 산화막의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지의 제조 방법에 따라 제조된 다공성 금속 산화막을 설명하기 위한 도면이다.
도 1, 도 2, 및 도 3을 참조하면, 용기(110) 내에 전해질 용액(120)이 준비된다(S110). 상기 전해질 용액(120)은 알카리성일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 전해질 용액(120)은 수산화칼륨을 포함할 수 있다. 상기 수산화칼륨은 상기 전해질 용액(120)의 전기 전도도와 수소 이온 지수(pH)를 높이기 위한 것이다. 상기 전해질 용액(120)의 상기 수산화칼륨 함유량이 0.05 [mol/L] 미만인 경우 전기 전위가 낮아 후속되는 플라즈마 전해산화 공정이 원활하지 않을 수 있다. 상기 전해질 용액(120)의 상기 수산화칼륨 함유량이 0.2 [mol/L] 이상인 경우 과도한 전기 전도도에 의해 후속되는 플라즈마 전해산화 공정(plasma electrolytic oxidation process)에서 전해 부식이 발생할 수 있다. 따라서, 상기 전해질 용액(120)의 수산화칼륨 함류량은 0.05 [mol/L] 내지 0.2 [mol/L]일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 전해질 용액(120)은 불화암모늄 및 불화칼륨을 포함할 수 있다. 상기 불함암모늄 및 상기 불화칼륨은 후속되는 플라즈마 전해산화 공정에서 전기 화학적 반응이 용이하게 발생되도록 하기 위한 것이다. 상기 전해질 용액(120)의 상기 불화암모늄 및 상기 불화칼륨 함유량은 0.02 [mol/L] 이상인 경우, 후속되는 플라즈마 전해산화 공정 시간이 길어질 수 있다. 따라서, 상기 전해질 용액(120)의 상기 불화암모늄 및 상기 불화칼륨 함유량은 0.02 [mol/L]일 수 있다.
상기 전해질 용액(120) 내에 도전막(140) 및 금속막(150)이 담길 수 있다(S120). 예를 들어, 상기 도전막(140)은 스테인리스 스틸(stainless steel), 백금(Pt), 또는 카본(carbon) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 금속막(150)은 티타늄(Ti) 또는 티타늄 합금일 수 있다.
상기 도전막(140) 및 상기 금속막(150)이 전원(130)에 연결될 수 있다. 상기 도전막(140)은 상기 전원(130)이 음극(cathode)에 연결되고, 상기 금속막(150)은 상기 전원(130)의 양극(anode)에 연결될 수 있다.
상기 전원(130)에서 인가되는 전류/전압에 의해, 플라즈마 전해산화 반응으로 상기 금속막(150)의 표면에 결정질 상태의 다공성 금속 산화막(151, 152)이 형성될 수 있다(S130). 상기 다공성 금속 산화막(151, 152)은, 상기 금속막(150)의 일면에 형성된 제1 다공성 금속 산화막(151), 및 상기 일면에 대향하는 타면에 형성된 제2 다공성 금속 산화막(152)을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 전원(130)에 의해 100~200 [mA/cm2]의 전류밀도로 5~10분간 플라즈마 전해산화 공정이 수행될 수 있다. 상기 음극에 위치한 상기 도전막(140)에서는 수소 기체가 발생할 수 있다. 그리고, 상기 양극에 위치한 상기 금속막(150)에서는 산소 기체가 발생함과 동시에, 상기 금속막(150)이 산화되어 상기 금속막(150)의 표면에 결정질 상태의 상기 다공성 금속 산화막(151, 152)이 생성될 수 있다. 예를 들어, 상기 금속막(150)이 티타늄을 포함하는 경우, 상기 플라즈마 전해산화 공정에 의해 상기 티타늄막의 표면에 아나타제(anatase) 결정질 상태를 갖는 다공성 이산화 티타늄막이 제조될 수 있다.
상기 플라즈마 전해산화 공정 전에, 상기 전해질 용액(120)에 보조 입자가 포함된 첨가물이 주입될 수 있다. 상기 전해질 용액(120)에 상기 첨가물을 주입하는 단계는, 상기 보조 입자를 임의의 용액에 분산하는 단계, 및 상기 보조 입자가 분산된 용액을 상기 전해질 용액에 주입하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 보조 입자의 전도성(conductivity)은 상기 다공성 금속 산화막(151, 152)보다 높을 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 보조 입자는 탄소 구조체(carbon structure)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소 구조체는 탄소 나노 튜브(carbon nano tube) 또는 그래핀(graphene) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 전해질 용액(120)에 상기 보조 입자를 포함하는 첨가물이 주입된 후 상기 플라즈마 전해산화 공정이 진행되는 경우, 결정질 상태의 상기 다공성 금속 산화막(151, 152)의 표면에 상기 보조 입자가 부착될 수 있다. 예를 들어, 상술된 바와 같이 상기 다공성 이산화 티타늄막이 제조되는 경우, 상기 보조 입자가 상기 다공성 이산화 티타늄막의 표면에 부착될 수 있다.
계속해서, 도 4 내지 도 6a를 참조하여, 상술된 결정질 상태의 다공성 금속 산화막을 포함하는 태양 전지 및 그 제조 방법이 설명된다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 6a는 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지에 포함된 광전 변환층 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 것으로 도 5의 A부분을 확대한 도면이다.
도 4를 참조하면, 도 3을 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 플라즈마 전해 산화 공정에 의해 상기 금속막(150)의 표면에 상기 제1 및 제2 다공성 금속 산화막들(151, 152)이 형성될 수 있다.
상기 금속막(150)의 상기 타면에 형성된 상기 제2 다공성 금속 산화막(152)이 제거되고, 상기 금속막(150)의 상기 일면에 형성된 상기 제1 다공성 금속 산화막(151)이 잔존될 수 있다. 상기 제2 다공성 금속 산화막(152)은, 상기 금속막(150)의 상기 타면이 연마(polishing)되어 제거될 수 있다. 상기 제2 다공성 금속 산화막(152)의 제거되어, 상기 금속막(150)의 상기 타면이 외부로 노출될 수 있다.
도 5 및 6a를 참조하면, 상기 제1 다공성 금속 산화막(151)의 표면에 광 흡수 입자들(154)이 부착되어, 상기 금속막(150)의 상기 일면 상에 광전 변환층(155)이 형성될 수 있다.
상기 광 흡수 입자들(154)은 입사되는 태양광을 흡수하여, 여기된 전자들(exited electron)을 생산할 수 있다. 상기 제1 다공성 금속 산화막(151)은 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 금속막(150)보다 넓은 표면적을 가질 수 있다. 이로 인해, 많은 수의 광 흡수 입자들(154)이 상기 제1 다공성 금속 산화막(151)의 표면에 부착될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 광 흡수 입자들(154)은 염료층일 수 있다. 이 경우, 상기 광 흡수 입자들(154)은 루테늄 흡착체일 수 있다. 예를 들어, 상기 염료는 N719 (Ru(dcbpy)2(NCS)2 containing 2 protons)일수 있다. 또한, N712, Z907, Z910, 및 K19 등과 같은 염료들 중의 적어도 한가지일 수 있다.
이와는 달리, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 광 흡수 입자들(154)은 양자점(quantum dot)일 수 있다. 이 경우, 상기 광 흡수 입자들(154)은 CdS, CdSe, ZnS, PbS, PbSe, PbTe, SnS, SnSe, SnTe, Sb2S3, Sb2Se3, AlN, AlP, AlAs, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, Si, 또는 Ge중에서 적어도 어느 하나로 형성될 있다.
상부 기판(SUB)의 일면 상에 전극막(160)이 형성될 수 있다. 상기 상부 기판(SUB)은 투명한 전도성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 상부 기판(SUB)은 FTO 또는 ITO 일 수 있다.
상기 전극막(160)과 상기 제1 다공성 금속 산화막(151)이 대향하도록, 상기 금속막(150) 상에 상기 상부 기판(SUB)이 배치될 수 있다. 상기 전극막(160) 및 상기 제1 다공성 금속 산화막(151) 사이에 태양 전지용 전해질 용액(170)이 주입될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 태양 전지의 상기 광 흡수 입자들(154)이 부착되는 결정질 상태의 제1 다공성 금속 산화막(151)이 플라즈마 전해산화 공정으로 제조될 수 있다.
만약, 태양 전지의 광 흡수 입자들이 부착되는 다공성막이 금속 나노 분말 페이스트(paste)를 소결하여 제조되는 경우, 상기 다공성막은 전기 전도성이 낮은 비정질 상태일 수 있다. 예를 들어, 이산화 티타늄 나노 분말 페이스트(paste)를 소결하여 형성된 이산화 티타늄 코팅층은 비정질 상태일 수 있다. 이 경우, 태양 전지의 광전 변환 효율을 증가시키기 위한 목적으로, 비정질 상태의 상기 다공성막을 열처리하여 결정질 상태의 다공성막으로 변환하는 공정이 필요하다. 따라서, 공정의 스텝(step)이 증가하게 되어, 생산성이 감소하고 생산 단가가 증가할 수 있다.
하지만, 본 발명의 실시 예에 따르면, 후속적인 열처리 공정 없이 결정질 상태의 다공성 금속 산화막(예를 들어, 아나타제 결정질 상태의 다공성 이산화 티타늄막)이 제공될 수 있다. 이로 인해, 결정질 상태의 다공성 금속 산화막의 제조 공정 스텝이 감소하고 제조 공정이 간소화되어, 생산성이 증가되고 생산 단가가 감소된 태양 전지가 제공될 수 있다.
또한, 상술된 것과 같이, 금속 나노 분말 페이스트를 소결하여 기판 상에 다공성막이 제조되는 경우, 상기 다공성막과 기판의 결합력이 약해 태양 전지의 신뢰성이 저하될 수 있다. 하지만, 본 발명의 실시 예에 따르면, 도3 내지 5를 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 제2 다공성 금속 산화막(152)이 제거된 후, 잔존된 상기 금속막(150)이 하부 기판으로 사용되므로, 상기 광전 변환층(155)의 상기 제1 다공성 금속 산화막(151)과 상기 금속막(150)이 일체(one body)를 이루어, 상기 금속막(150)과 상기 광전 변환층(155)의 결합력이 우수하다. 이로 인해, 고신뢰성의 태양 전지가 제공될 수 있다.
도 6b는 본 발명의 다른 실시 예들에 따른 태양 전지에 포함된 광전 변환층을 설명하기 위한 도면이다.
도 6b를 참조하면, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 전해질 용액(120)에 보조 입자를 포함하는 첨가물이 주입될 수 있다. 이 경우, 상기 플라즈마 전해산화 공정에 의해 제조된 상기 제1 및 제2 다공성 금속 산화막(151, 152)의 표면에 상기 보조 입자들(156)이 부착될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 태양 전지에 포함된 광전 변환층(155a)은, 상기 제1 다공성 금속 산화막(151), 상기 광 흡수 입자(154), 및 상기 보조 입자들(156)을 포함할 수 있다.
상기 보조 입자들(156)의 개수는 상기 광 흡수 입자들(154)의 개수보다 적을 수 있다. 상기 보조 입자들(156)의 전도성(conductivity)은 상기 다공성 금속 산화막(152)의 전도성보다 높을 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 보조 입자들(156)은 탄소 구조체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소 구조체는 탄소 나노 튜브(carbon nano tube) 또는 그래핀(graphene) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
입사되는 태양 광에 의해 상기 광 흡수 입자(154)에서 여기된 전자들은, 전도도가 높은 상기 보조 입자들(156)을 따라 상기 금속막(150)으로 이동할 수 있다. 이로 인해, 광전 변환 효율이 증가된 태양 전지가 제공될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 태양 전지에 포함된 다공성 금속 산화막을 전자 주사 현미경(scanning electron microscope)으로 촬영한 것이다.
도 7을 참조하면, 수산화칼륨, 불화암모늄, 및 불화칼륨을 포함하는 알카리성 전해질 용액을 제조했다. 상기 전해질 용액에 스테인리스 스틸 및 티타늄막을 담근 후, 상기 스테인리 스틸을 음극(cathode)에 위치시키고 상기 티타늄막을 양극(anode)에 위치시켰다. 이후, 플라즈마 전해산화 공정이 수행되었다. 상기 티타늄막에서 산화반응이 발생하여, 상기 티타늄막이 다공성 이산화 티타늄막으로 변환된 것을 알 수 있다.
상기 다공성 이산화 티타늄막은 아나타제(anatase) 결정질 상태이다. 이를 도 8을 참조하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 태양 전지에 포함된 다공성 금속 산화막의 엑스레이 회절 분석법 (X-ray Diffraction) 결과 그래프이다.
도 8을 참조하면, 소량의 루틸(rutile) 상이 검출되었으나, 상기 다공성 이산화 티타늄막이 아나타제(anatase)의 결정질 상태인 것을 알 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 실시 예에 따른 태양 전지의 다공성 금속 산화막 제조 방법에 따르면, 후속적인 열처리 없이, 플라즈마 전해산화 공정으로 바로(directly) 아나타제(anatase) 결정질 상태의 다공성 이산화 티타늄막이 제조될 수 있다. 이로 인해, 공정 시간 및 공정 단가가 감소되어 태양전지의 생산성이 증가할 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따른 태양전지의 적용 예가 설명된다.
도 9a는 본 발명의 실시 예들에 따른 태양전지를 사용하는 태양전지 어레이를 설명하기 위한 도면이다.
도 9a를 참조하면, 태양전지 어레이(700)는 메인프레임(미도시)에 적어도 하나의 태양전지모듈들(720)을 설치하여 구성될 수 있다. 상기 태양전지 모듈들(720)은 복수의 태양전지(710)를 포함할 수 있다. 상기 태양전지(710)는 본 발명의 실시 예들에 따른 태양전지일 수 있다. 상기 태양전지 어레이(700)는 태양광을 잘 쪼이도록 남쪽을 향해서 일정한 각도를 갖도록 설치될 수 있다.
전술한 태양전지 모듈 또는 태양전지 어레이는 자동차, 주택, 건물, 배, 등대, 교통신호체계, 휴대용 전자기기 및 다양한 구조물상에 배치되어 사용될 수 있다.
도 9b는 본 발명의 실시 예들에 따른 태양전지를 사용하는 태양광 발전시스템의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9b를 참조하면, 상기 태양광 발전시스템은 상기 태양전지 어레이(700) 및 상기 태양전지 어레이(700)로부터 전력을 공급받아 외부로 송출하는 전력제어장치(800)를 포함할 수 있다. 상기 전력제어장치(800)는 출력장치(810), 축전장치(820), 충방전 제어장치(830), 시스템제어장치(840)를 포함할 수 있다. 상기 출력장치(810)는 전력변환장치(812)를 포함할 수 있다.
상기 전력변환장치(Power Conditioning System: PCS, 812)는 상기 태양전지 어레이(700)로 부터의 직류전류를 교류전류로 변환하는 인버터일 수 있다. 태양광은 밤에는 존재하지 않고 흐린 날에는 적게 비추기 때문에, 발전전력이 감소할 수 있다. 상기 축전장치(820)는 발전전력이 일기에 따라 변화되지 않도록 전기를 저장할 수 있다. 상기 충방전 제어장치(830)는 상기 태양전지 어레이(700)로 부터의 전력을 상기 축전장치(820)에 저장하거나, 상기 축전장치(820)에 저장된 전기를 상기 출력장치(810)로 출력할 수 있다. 상기 시스템제어장치(840)는 상기 출력장치(810), 상기 축전장치(820) 및 상기 충방전 제어장치(830)를 제어할 수 있다.
전술한 바와 같이, 변환된 교류전류는 자동차, 가정과 같은 다양한 AC 부하(910)로 공급되어 사용될 수 있다. 나아가, 상기 출력장치(810)는 계통연계장치(grid connect system, 814)를 더 포함할 수 있다. 상기 계통연계장치(814)는 다른 전력계통(920)과의 접속을 매개하여, 전력을 외부로 송출할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
110: 용기 120: 전해질 용액
130: 전원 140: 도전막
150: 금속막 151, 152: 다공성 금속 산화막
155, 155a: 광전 변환층 154: 광 흡수 입자
156: 보조 입자 160: 전극막
170: 태양전지용 전해질 용액 SUB: 상부 기판

Claims (17)

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  7. 전해질 용액을 준비하는 단계;
    상기 전해질 용액 내에 보조 입자가 포함된 첨가물을 주입하는 단계;
    상기 첨가물이 주입된 상기 전해질 용액 내에, 도전막 및 금속막을 담그는 단계; 및
    상기 도전막 및 금속막을 플라즈마 전해산화 반응시켜, 상기 금속막의 표면에 다공성 금속 산화막을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 플라즈마 전해산화 반응 동안, 상기 다공성 금속 산화막 형성과 동시에 상기 전해질 용액에 포함된 보조 입자가 상기 다공성 금속 산화막의 표면에 부착되고,
    상기 보조 입자는 상기 다공성 금속 산화막보다 높은 전도성을 갖는 것을 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 첨가물에 포함된 보조 입자는 탄소 구조체를 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 탄소 구조체는 탄소나노튜브 또는 그래핀(graphene) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 금속막은 티타늄(Ti)을 포함하고,
    상기 다공성 금속 산화막은 아나타제(anatase) 결정질 상태의 다공성 이산화 티타늄막을 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
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  12. 제7 항에 있어서,
    상기 보조 입자의 개수는 상기 다공성 금속 산화막 표면에 부착된 광 흡수 입자의 개수보다 적은 것을 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
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