KR101706125B1 - 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제1 기판; 상기 제1 기판과 대향하는 제2 기판; 상기 제1 기판상 형성된 작업전극; 상기 제2 기판상 형성된 상대전극; 및 상기 작업전극과 상기 상대전극 사이의 공간을 충진하는 전해질;을 포함하고, 상기 상대전극은 복수 개의 중공으로 형성된 인버스 오팔 구조(inverse opal structure)를 갖는 전도성 고분자층을 포함하며, 상기 복수 개의 중공은 육방밀집형(hexagonal type)으로 배열된 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 상기 염료감응형 태양전지는 대면적 인버스 오팔 구조를 갖는 전도성 고분자층을 상대전극으로 도입하여 상대전극의 표면적을 극대화할 수 있고, 이로써 전기화학적 활성 및 집광효과(light harvesting)가 우수하며, 종래 상대전극 재료로 사용하던 백금 등을 대체하여 전도성 고분자를 사용함으로서 경제성 및 요오드계 전해질에 대한 내부식성이 우수한 효과를 갖는다.
Description
본 발명은 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 상대전극의 표면적을 극대화하여 전기화학적 활성과 집광효과(light harvesting)가 우수한 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
염료감응형 태양전지(DSSC, Dye-Sensitized Solar Cell)의 상대전극은 외부전극을 통해 전자를 전달받아서, 전해질과 접촉하고 있는 계면에서의 산화-환원 반응을 통해 전해질내의 요오드 이온에 전자를 전달하는 역할을 한다. 따라서, 상대전극은 산화-환원 반응에 대한 촉매 물성을 지녀야 하며, 전해질과 반응하여 열화(劣化)되지 않아야 한다. 또한 산화-환원 커플의 환원시 낮은 전압을 유지해 주고 높은 전기전도도를 지니고 있어야 한다. 이러한 상대전극으로 사용되고 있는 재료로서는 백금(Pt), 은(Ag) 등의 귀금속이 있고, 이 중 가장 널리 이용되는 것이 백금이다. 백금은 전해질을 환원시키는 전기화학적 촉매로서 매우 뛰어난 성능을 보일 뿐만 아니라 내구성이 우수하여, 부식성의 전해질과 함께 사용하는 것이 가능하다. 하지만 상대전극의 촉매작용을 위한 표면적을 증가시키는데 한계가 있어 염료감응형 태양전지의 상용화에 어려움이 있다. 또한, 가격이 비싸다는 단점으로 인해 저가의 안정한 촉매 재료의 개발이 필요하다.
한편, 염료감응형 태양전지를 실용적인 목적으로 생산하는 경우 수명이 매우 중요한 요소가 되기 때문에 이미 안정성 면에서 공인된 바 있는 루테늄계 염료가 주로 사용된다. 전해질의 역할은 상대전극으로부터 전자를 받아 염료를 환원시키는 것인데, 요오드계 전해질이 루테늄계 염료를 환원시키는 능력이 가장 뛰어난 것으로 알려져 있다. 하지만 탄소나 전도성 고분자 등 백금을 대체할 수 있을 것이라고 생각되는 여러 물질들이 요오드 전해질과 접촉했을때 쉽게 부식되어 염료감응형 태양전지의 성능이 저하되게 된다. 하지만 상기 탄소소재 상대전극 적용된 염료감응형 태양전지에서는 일반적으로 사용되는 요오드계 전해질이 아닌 코발트계 전해질이 사용되었다. 물론 전기화학적 촉매작용도 백금에 비해 많이 부족하다. 따라서 이를 개선하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
본 발명의 목적은 대면적 인버스 오팔 구조를 갖는 전도성 고분자층을 도입하여 상대전극의 표면적을 극대하고, 이로써 전기화학적 활성이 우수한 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법을 제공하기 위함이다.
본 발명의 다른 목적은 광 결정(photonic crystal) 구조를 갖는 인버스 오팔 구조를 도입하여 집광효과(light harvesting)가 우수한 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법을 제공하기 위함이다.
본 발명의 또 다른 목적은 종래 상대전극 재료로 사용하던 백금 등을 대체하여 전도성 고분자를 사용함으로서 경제성이 우수하고, 요오드계 전해질에 내부식성을 갖는 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법을 제공하기 위함이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
본 발명의 하나의 관점은 복수 개의 중공으로 형성된 인버스 오팔 구조(inverse opal structure)를 갖는 전도성 고분자층을 포함하고, 상기 복수 개의 중공은 육방밀집형(hexagonal type)으로 배열된 염료감응형 태양전지용 상대전극에 관한 것이다.
상기 전도성 고분자층은 기판의 일면에 형성된 FTO(F-doped SnO2: SnO2:F), ITO, 금속 질화물, 금속 산화물, 또는 탄소화합물을 포함하는 도전층 위에 형성될 수 있다.
상기 전도성 고분자층은 PEDOT(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜))을 포함할 수 있다.
상기 중공의 평균 직경은 200 내지 1000nm일 수 있다.
상기 전도성 고분자층의 공극률은 25 내지 75%일 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 제1 기판; 상기 제1 기판과 대향하는 제2 기판; 상기 제1 기판상 형성된 작업전극; 상기 제2 기판상 형성된 상대전극; 및 상기 작업전극와 상기 상대전극 사이의 공간을 충진하는 전해질;을 포함하고, 상기 상대전극은 복수 개의 중공으로 형성된 인버스 오팔 구조(inverse opal structure)를 갖는 전도성 고분자층을 포함하며, 상기 복수 개의 중공은 육방밀집형(hexagonal type)으로 배열된 염료감응형 태양전지에 관한 것이다.
상기 작업전극은 상기 제1 기판의 일 면에 형성된 제1 도전층; 및 상기 제1 도전층의 일 면에 형성된 광흡수층;을 포함하며, 상기 광흡수층은 금속 산화물 및 상기 금속 산화물에 흡착된 감광성 염료를 포함할 수 있다.
상기 금속 산화물은 TiO2, ZnO, ZrO2, MgO, WO3, Nb2O5 및 SnO 으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 금속산화물을 포함할 수 있다.
상기 감광성 염료는 유-무기 복합염료, 유기 염료 또는 이들의 혼합물이고, 상기 유-무기 복합염료는 알루미늄(Al), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 유로퓸(Eu), 납(Pb), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 및 이들의 복합체로 이루어지는 군에서 선택된 원소를 포함하며, 상기 유기염료는 쿠마린계 염료, 인돌계 염료 및 포피린계 염료로 이루어지는 군에서 선택된 염료를 포함할 수 있다.
상기 상대전극은 상기 제2 기판의 일면에 형성된 제2 도전층; 및 상기 제2 도전층 일 면에 형성된 전도성 고분자층을 포함할 수 있다.
상기 제1 도전층 및 제2 도전층은 FTO (F-doped SnO2: SnO2:F), ITO, 금속 질화물, 금속 산화물 또는 탄소화합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점은 폴리스티렌 템플레이트를 제조하는 단계; 상기 폴리스티렌 템플레이트에 PEDOT을 형성하는 단계; 및 상기 폴리스티렌 템플레이트를 제거하는 단계;를 포함하는 염료감응형 태양전지의 상대전극의 제조방법에 관한 것으로, 상기 폴리스티렌 템플레이트는 도전성 기판상에 PEDOT:PSS로 표면 처리된 폴리스티렌 입자들이 자가 배열되어 제조될 수 있다.
상기 폴리스티렌 템플레이트는 PEDOT:PSS를 1 내지 30 중량% 포함하는 수용액에 폴리스티렌 입자 0.01 내지 10 중량%를 투입하여 분산시킨 후, 도전성 기판을 침지시켜 제조될 수 있다.
상기 폴리스티렌 입자는 평균입경(D50)이 200 내지 1000nm일 수 있다.
상기 폴리스티렌 템플레이트상에 PEDOT을 형성하는 단계는, 상기 폴리스티렌 템플레이트상에 EDOT(3,4-에틸렌디옥시티오펜)을 중합하여, 상기 폴리스티렌 템플레이트상에 PEDOT이 침적될 수 있다.
상기 폴리스티렌 템플레이트를 제거하는 단계는, 상기 PEDOT이 형성된 폴리스티렌 템플레이트를 유기용매에 침지시켜 폴리스티렌 템플레이트를 제거하는 것 일 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점은 제1 기판상에 작업전극을 형성하는 단계; 제2 기판상에 상대전극을 형성하는 단계; 및 상기 상대전극과 상기 작업전극 사이의 공간을 전해질로 충진하는 단계;를 포함하는 염료감응형 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 염료감응형 태양전지는 대면적 인버스 오팔 구조를 갖는 전도성 고분자층을 상대전극으로 도입하여 상대전극의 표면적을 극대화할 수 있고, 이로써 전기 화학적 활성 및 집광효과(light harvesting)가 우수하며, 종래 상대전극 재료로 사용하던 백금 등을 대체하여 전도성 고분자를 사용함으로서 경제성 및 요오드계 전해질에 대한 내부식성이 우수한 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 염료감응형 태양전지 개념도를 나타낸 것이다.
도 2 (a) 내지 (c)는 본 발명의 일 구체예에 따른 상대전극의 제조단계 (S1) 내지 (S3)를 각각 나타낸 것이다.
도 3 (a)는 실시예 1에 따른 폴리스티렌 템플레이트의 제조단계 및 PEDOT 침적 단계를 개략적으로 나타낸 개념도이며, (b)는 비교예 1에 따라 폴리스티렌 템플레이트를 사용하지 않고 EDOT을 전기 침적하는 과정을 나타낸 개념도이다.
도 4는 실시예 1 및 비교예 1의 반사율 측정한 후 그 결과를 그래프로 나타낸 것이다.
도 2 (a) 내지 (c)는 본 발명의 일 구체예에 따른 상대전극의 제조단계 (S1) 내지 (S3)를 각각 나타낸 것이다.
도 3 (a)는 실시예 1에 따른 폴리스티렌 템플레이트의 제조단계 및 PEDOT 침적 단계를 개략적으로 나타낸 개념도이며, (b)는 비교예 1에 따라 폴리스티렌 템플레이트를 사용하지 않고 EDOT을 전기 침적하는 과정을 나타낸 개념도이다.
도 4는 실시예 1 및 비교예 1의 반사율 측정한 후 그 결과를 그래프로 나타낸 것이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 출원의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 본 출원에 개시된 기술은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 출원의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 각 장치의 구성요소를 명확하게 표현하기 위하여 상기 구성요소의 폭이나 두께 등의 크기를 다소 확대하여 나타내었다. 또한, 설명의 편의를 위하여 구성요소의 일부만을 도시하기도 하였으나, 당업자라면 구성요소의 나머지 부분에 대하여도 용이하게 파악할 수 있을 것이다. 전체적으로 도면 설명시 관찰자 시점에서 설명하였고, 일 요소가 다른 요소 위 또는 아래에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 이는 상기 일 요소가 다른 요소 위 또는 아래에 바로 위치하거나 또는 그들 요소들 사이에 추가적인 요소가 개재될 수 있다는 의미를 모두 포함한다. 또한, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 출원의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원의 사상을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그리고, 복수의 도면들 상에서 동일 부호는 실질적으로 서로 동일한 요소를 지칭한다.
염료감응형 태양전지
도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 염료감응형 태양전지 개념도를 나타낸 것으로, 이를 참고하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지는 제1 기판(110); 제1 기판(110)과 대향하는 제2 기판(170); 제1 기판(110)에 형성된 작업전극(180); 제2 기판(170)에 형성된 상대전극(190); 및 작업전극(180)과 상대전극(190) 사이의 공간을 충진하는 전해질(140);을 포함하고, 상기 상대전극(190)은 복수 개의 중공(hollow)으로 형성된 인버스 오팔 구조(inverse opal structure)를 갖는 전도성 고분자층(150)을 포함할 수 있다.
전도성 고분자층(150)은 대면적 인버스 오팔 구조를 가질 수 있으며, 이로 인하여 상대전극의 표면적을 극대화할 수 있고, 이로써 전기화학적 활성 및 집광효과(light havesting)를 개선할 수 있다.
본 발명에서 상기 인버스 오팔 구조는 후술될 폴리스티렌 템플레이트에 의하여 형성된 복수 개의 중공이 일정한 규칙성을 가지고 배열된 구조를 의미한다.
일 구체예로서, 상기 복수 개의 중공은 인접하는 중공들의 육방밀집형(hexagonal type)으로 배열될 수 있다. 본 발명에서 육방밀집형(hexagonal type) 배열이란 하나의 중공을 에워싸는 인접한 6개의 중공들이 육각 구조로 배열된 구조를 의미한다.
상기 전도성 고분자층은 PEDOT(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜))을 포함할 수 있다.
상기 전도성 고분자층은 도전층 위에 복수 개의 중공이 육방밀집형으로 배열된 층이 다층(multi-layer)으로 적층된 구조를 포함할 수 있다.
상기 중공의 평균 직경은 200 내지 1000nm일 수 있으며, 상기 전도성 고분자층의 두께는 1 내지 50㎛일 수 있다.
상기 전도성 고분자층의 공극률은 25 내지 75%일 수 있다. 상기 전도성 고분자층의 공극률 = (전도성 고분자층의 부피-중공이 차지하는 부피)/전도성 고분자층의 부피로 정의할 수 있다.
작업전극(180)은 제1 기판(110)의 일 면에 형성된 제1 도전층(120); 및 제1 도전층(120)의 일 면에 형성된 광흡수층(130)을 포함할 수 있다.
광흡수층(130)은 전자를 발생시키는 층으로서, 복수 개의 금속 산화물 입자(131) 및 금속 산화물 입자(131)에 흡착된 감광성 염료(133)를 포함할 수 있다. 상기 광흡수층의 두께는 1 내지 50㎛일 수 있다.
금속 산화물(131)은 TiO2, ZnO, ZrO2, MgO, WO3, Nb2O5 및 SnO 으로 이루어지는 군에서 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다. 상기 금속산화물 입자의 형상은 구형, 선형, 로드(rod)형 또는 튜브형일 수 있다. 바람직하게, 상기 금속산화물 입자의 직경은 1㎚ 내지 300 ㎚일 수 있다.
감광성 염료(133)는 가시광선을 흡수할 수 있는 염료를 사용할 수 있으며, 예를 들면 금속 또는 금속 복합체를 포함하는 유-무기 복합염료, 유기 염료 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 유-무기 복합염료는 예로서 알루미늄(Al), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 유로퓸(Eu), 납(Pb), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 및 이들의 복합체로 이루어지는 군에서 선택된 원소를 포함하는 유-무기 복합염료일 수 있고, 상기 유기염료는 예로서 쿠마린계 염료, 인돌계 염료 및 포피린계 염료 등으로 이루어 지는 군에서 선택된 염료일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 감광성 염료를 TiO2 등과 같은 금속산화물 입자의 표면에 흡착시켜 광흡수층을 형성한 후에, 상기 광흡수층에 가시광선 파장 영역의 외부광원이 조사될 수 있는 환경을 만들어 주면, 상기 감광성 염료는 광흡수에 의해 여기상태로 되고 전자들을 발생시킬 수 있다.
본 발명에서 상대전극(190)은 제2 기판(170)의 일면에 형성된 제2 도전층(160) 및 제2 도전층(160) 상에 형성된 전도성 고분자층(150)로 정의할 수 있다.
제1 기판(110) 및 제2 기판(170)은 유리 또는 석영판일 수 있으며, 이외에 PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthelate), PP(polyperopylene), PI(polyimide), PC(polycarbornate), PS(polystyrene), PMMA(poly(methylmethacrylate)), POM(polyoxyethylene), AS 수지, ABS 수지 및 TAC(Triacetyl cellulose) 등을 포함하는 플라스틱과 같은 유연하고 투명한 물질로 제조될 수 있다.
제1 도전층(120) 및 제2 도전층(160)은 FTO (F-doped SnO2: SnO2:F), ITO, 금속 질화물, 금속 산화물 또는 탄소화합물과 같은 투명 전도성 물질을 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 공정, PECVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) 공정, 스퍼터링(Sputtering) 공정, 이빔(e-beam) 공정, 열 증착 공정, 스핀코팅 공정, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 닥터 블레이드 또는 그라비아 프린팅법을 사용하여 기판의 일면에 도포하거나 필름형태로 코팅하여 형성될 수 있다.
전해질(140)은 통상의 염료감응 태양전지에 사용 가능한 산화-환원 유도체라면 특히 한정되지 않는다. 구체적으로, 산화-환원 유도체는 요오드(I)계, 브롬(Br)계, 코발트(Co)계, 황화시안(SCN - )계, 셀레늄화시안(SeCN - )계를 함유하는 전해질로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 인버스 오팔 구조를 갖는 전도성 고분자층을 포함하는 상대 전극은 표면적이 극대화될 수 있고, 이로 인하여 전기화학적 활성을 향상시킬 수 있다.
또한, 작업전극으로 입사된 광은 전해질을 통과하여 상대전극에 도달하게 되는데, 상대전극에서 도달된 광이 반사된다면(back reflector), 반사된 광이 전자를 발생시키는 작업전극으로 회귀하여 재이용될 수 있으므로 보다 효율적으로 입사광을 이용할 수 있으며, 작업전극이 흡수할 수 있는 광량을 높여줄 수 있다.
또한, 인버스 오팔 구조를 형성하는 중공의 입경을 조절하여 반사되는 파장의 범위를 제어할 수 있으므로 광량을 컨트롤할 수 있다는 이점을 가질 수 있다.
결론적으로, 상술한 인버스 오팔 구조는 상대전극의 표면적을 증가시키며, 이로 인하여 전류 밀도가 향상되고 변환효율이 증대될 수 있다. 또한 상기 인버스 오팔 구조는 단파장의 반사율을 증가시켜 작업전극의 집광효과(light harvesting)를 보다 증대시킬 수 있다.
염료감응형 태양전지의 제조방법
본 발명의 일 구체예에 따른 염료감응형 태양전지의 제조방법은 제1 기판상 작업전극을 형성하는 단계; 제2 기판상 상대전극을 형성하는 단계; 및 상기 상대전극과 상기 작업전극 사이의 공간을 전해질로 충진하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 상대전극은 폴리스티렌 템플레이트를 제조하는 단계(S1); 상기 폴리스티렌 템플레이트에 PEDOT을 형성하는 단계(S2); 및 상기 폴리스티렌 템플레이트를 제거하는 단계(S3);를 포함하여 제조될 수 있다.
도 2 (a) 내지 (c)는 본 발명의 일 구체예에 따른 상대전극의 제조단계 (S1) 내지 (S3)를 각각 나타낸 것이다. 도 2 (a)는 (S1) 단계에 따라 제조된 폴리스티렌 템플레이트를 나타낸 것으로, PEDOT:PSS로 표면처리된 폴리스티렌 입자들(151)이 도전층(160)이 형성된 기판(170) 상에 자가 배열되어 폴리스티렌 템플레이트(155)가 형성된 것을 나타낸 것이다. 이하, 기판 및 상기 기판상에 형성된 도전층을 도전성 기판으로 정의하기로 한다.
일 구체예로서, 상기 (S1) 단계는 PEDOT:PSS를 1 내지 30 중량% 포함하는 용매에 폴리스티렌 입자 0.01 내지 10 중량%를 투입하여 분산시킨 후, 도전성 기판을 침지시켜 제조될 수 있다. 상기 용매는 증류수 및 메탄올, 에탄올 등의 알코올류를 사용할 수 있다.
폴리스티렌 입자(151)는 평균입경(D50)은 200 내지 1000nm일 수 있으며, 폴리스티렌 템플레이트(155)의 층 두께는 1 내지 50㎛일 수 있다.
상기와 같이 폴리스티렌 입자를 PEDOT:PSS로 표면처리시, 상기 표면처리된 폴리스티렌 입자들이 일정한 규칙성을 가지고 도전성 기판상에 배열될 수 있다. 만약, PEDOT:PSS로 표면 처리하지 않은 폴리스티렌 입자를 이용하여 폴리스티렌 템플레이트를 제조하는 경우에는 비전도성 폴리스티렌 템플레이트가 EDOT의 전기 중합을 막기 때문에 템플레이트가 들리면서 기판과 PEDOT의 계면 접촉성이 저하될 수 있다. 또한, 폴리스티렌 템플레이트없이 EDOT을 도전성 기판에 전기 침적 등으로 중합하는 경우, 도전성 기판에 PEDOT이 뭉쳐서 형성될 수 있으며 인버스 오팔 구조와 같이 규칙적인 구조를 갖는 전도성 고분자층의 제조가 불가하다.
도 2(b)는 (S2) 단계에 따라 폴리스티렌 템플레이트 상에 형성된 PEDOT(157)을 나타낸 것이다. PEDOT(157)은 폴리스티렌 템플레이트상에 EDOT(3,4-에틸렌디옥시티오펜)을 중합하여 형성할 수 있다.
도 2(c)는 (S3) 단계에 따라 폴리스티렌 템플레이트가 제거된 것을 나타낸 것으로, 폴리스티렌 입자(151)를 제거함으로써 복수 개의 중공(153)이 생성되고, 이로써 인버스 오팔 구조를 갖는 전도성 고분자층(150)이 형성된 것을 나타낸 것이다.
상기 폴리스티렌 템플레이트는 (S2) 단계에 의하여 PEDOT이 형성된 폴리스티렌 템플레이트를 톨루엔 등의 유기용매에 침지시켜 폴리스티렌 템플레이트만을 선택적으로 제거할 수 있으며, 저온 열처리 후 방치하여 잔류하는 유기용매를 제거함으로서 인버스 오팔 구조가 형성된 상대전극을 제조할 수 있다.
상기 작업전극이 형성된 기판은 도전성 기판 상에 금속 산화물을 포함하는 페이스트를 코팅 후 열처리 하고, 감광성 염료를 증착시켜 광흡수층을 형성함으로써 제조될 수 있다.
이후, 상기 제조된 작업전극과 상대전극 사이의 공간을 전해질로 충진함으로써 염료감응형 태양전지의 제조가 완료될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실시예 1
상대전극의 제조
폴리스티렌 템플레이트의 제조 : 0.5 중량%의 비이온성 계면활성제(Igepal® Co-30, 시그마 알드리치社) 0.36g과 10 중량% PEDOT:PSS(시그마 알드리치社) 80 mL가 혼합된 수용액에 폴리스티렌(Alfa Aeser社) 0.5g을 투입한 후 30 분 동안 초음파(ultra-sonication) 분산시켰다. 상기 분산 용액에 FTO 유리기판(Perkington社, USA)을 수직으로 세워 넣고, 65℃ 오븐(Daihan Scientific, 한국)에서 건조시킨 후 FTO 기판에 PEDOT:PSS가 표면 코팅된 폴리스티렌 입자가 자가 배열된 폴리스티렌 템플레이트를 수득하였다.
PEDOT의 침적 : 상기 제조된 템플레이트는 작업전극으로 사용하고, 백금(Pt) 플레이트와 Ag/AgCl (sat. KOH)전극을 각각 상대전극과 기준전극으로 사용하였다. 상기 3 전극과 EDOT (3,4-ethylenedioxythiophene, Sigma Aldrich社) 0.05 M, sodium dodecyl sulfate(99%, Fluka社) 0.007 M, 및 LiClO 4 (99.5%, Sigma Aldrich) 0.1 M이 용해된 증류수를 전해질로 사용하여 3전극 셀을 구성하였다.
상기 3전극 셀에 Cyclic Voltammetry(Autolab potentiostat PGSTAT128N)을 구동하여 EDOT을 전기 중합하여 PEDOT을 상기 폴리스티렌 템플레이트 기판상에 침적시켰다.
폴리스티렌 템플레이트 제거 : PEDOT이 침적된 템플레이트 기판을 톨루엔(99.8%, 시그마 알드리치社)에 12시간 침지하여 폴리스티렌 템플레이트를 녹여낸 뒤, 65℃ 오븐에서 24시간 방치 후 잔류하는 톨루엔을 제거하여 인버스 오팔 구조가 형성된 상대전극을 제조하였다.
작업전극의 제조
TiO2 페이스트(Ti-nanoxide D/SP, Solaronix Co.)를 FTO 기판(Perkington社, USA)에 인쇄하고, 450℃에서 열처리한 후 24시간 동안 염료(N719 dye (Ru[LL’-(NCS)2], L=2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylic acid, L’=2,2’-bipyridyl-4,4'-ditetrabutylammonium carboxylate, 0.5 mM, Solaronix Co.)를 흡착시켜 작업전극을 제조하였다.
전해질의 충진
상기 제조된 상대전극과 작업전극 사이에 1-methyl-3-propylimidazolium iodide(시그마 알드리치社) 0.6 M, LiI(시그마 알드리치社) 0.1 M , I 2 (시그마 알드리치社) 0.05 M, 및 tert-butyl pyridine(시그마 알드리치社) 0.5 M이 용해된 Methoxypropionitrile(시그마 알드리치社)을 전해질로 충진시켜 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
도 3 (a)는 실시예 1에 따른 폴리스티렌 템플레이트의 제조단계 및 PEDOT의 침적 단계를 개략적으로 나타낸 개념도이며, 도 4는 실시예 1의 반사율을 측정한 후 그 결과를 그래프로 나타낸 것이다.
비교예 1
실시예 1에서 상대전극 제조시 템플레이트 없이 EDOT 전기 침적만으로 제조된 PEDOT 전극을 작업전극으로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
도 3 (b)는 비교예 1에 따라 폴리스티렌 템플레이트를 사용하지 않고 EDOT을 전기 침적하는 과정을 나타낸 개념도이며, 도 4는 비교예 1의 반사율을 측정한 후 그 결과를 그래프로 나타낸 것이다.
물성 측정 방법
개방전압 V oc (V), 전류밀도 J s c (mA·cm-2), Fill Factor 및 변환효율 η (%) 은 염료감응형 태양전지 소자를 만든 뒤, 솔라 시뮬레이터로 빛을 조사하면서 500 W 제논 램프(Xenon lamp)(XIL model 05A50KS source units, JAPAN)로 측정하였다.
반사율은 UV/Vis/NIR spectrometer(JASCO V-670, 일본)를 이용하여 상대전극의 200 내지 900nm 파장 영역에서 측정하였으며, 측정 결과를 도 4의 그래프로 나타내었다.
폴리스티렌 템플레이트 및 상대전극 인버스 오팔 구조 : 전계방사형 전자현미경(FE-SEM, SUPRA 55VP(Carl Zeiss, Germany))을 이용하여 촬영하였다.
| 실시예 1 | 비교예 1 | |
| 폴리스티렌 템플레이트 |
 |
- |
| 상대전극 |
 |
 |
| V oc (V) | 0.75 | 0.83 |
| J sc (mA·cm-2) | 10.59 | 4.18 |
| FF | 0.74 | 0.70 |
| η (%) | 5.9 | 2.4 |
상기 표 1의 결과에서 보듯이, 폴리스티렌 템플레이트를 사용하여 대면적 인버스 오팔 구조를 갖는 전도성 고분자층으로 형성된 상대전극을 포함하는 실시예 1의 염료감응형 태양전지는 폴리스티렌 템플레이트없이 EDOT 전기 침적만으로 제조된 비교예 2의 염료감응형 태양전지에 비하여 개방전압(Voc)이 낮고 전류밀도(Jsc)가 높으며, Fill Factor 및 변환효율이 우수한 것을 알 수 있다.
또한, 도 4의 그래프에서 보듯이, 실시예 1의 상대전극은 인버스 오팔 구조를 가지므로 비교예 1에 비하여 특정 파장 영역, 예를 들면 200 내지 400nm에서 반사율이 우수하며 집광효과(light harvesting)가 우수한 것을 알 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
Claims (18)
- 복수 개의 중공으로 형성된 인버스 오팔 구조(inverse opal structure)를 갖는 전도성 고분자층을 포함하고,
상기 복수 개의 중공은 육방밀집형(hexagonal type)으로 배열되고,
상기 전도성 고분자층은 PEDOT(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜))을 포함하며,
상기 전도성 고분자층의 공극률은 25 내지 75%인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 상대전극.
- 제1항에 있어서,
상기 전도성 고분자층은
기판의 일면에 형성된 FTO(F-doped SnO2: SnO2:F), ITO, 금속 질화물, 금속 산화물, 또는 탄소화합물을 포함하는 도전층 위에 형성된 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 상대전극.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 중공의 평균 직경은 200 내지 1000nm인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 상대전극.
- 삭제
- 제1 기판;
상기 제1 기판과 대향하는 제2 기판;
상기 제1 기판상 형성된 작업전극;
상기 제2 기판상 형성된 제1항의 상대전극; 및
상기 작업전극과 상기 상대전극 사이의 공간을 충진하는 전해질;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
- 제6항에 있어서,
상기 작업전극은
상기 제1 기판의 일 면에 형성된 제1 도전층; 및
상기 제1 도전층의 일 면에 형성된 광흡수층;을 포함하며,
상기 광흡수층은 금속 산화물 및 상기 금속 산화물에 흡착된 감광성 염료를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
- 제7항에 있어서,
상기 금속 산화물은 TiO2, ZnO, ZrO2, MgO, WO3, Nb2O5 및 SnO 으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 금속산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
- 제7항에 있어서,
상기 감광성 염료는 유-무기 복합염료, 유기 염료 또는 이들의 혼합물이고,
상기 유-무기 복합염료는 알루미늄(Al), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 유로퓸(Eu), 납(Pb), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 및 이들의 복합체로 이루어지는 군에서 선택된 원소를 포함하며,
상기 유기염료는 쿠마린계 염료, 인돌계 염료 및 포피린계 염료로 이루어지는 군에서 선택된 염료를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
- 제6항에 있어서,
상기 상대전극은 상기 제2 기판의 일면에 형성된 제2 도전층; 및 상기 제2 도전층 일면에 형성된 전도성 고분자층을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
- 제7항에 있어서,
상기 제1 도전층은 FTO(F-doped SnO2: SnO2:F), ITO, 금속 질화물, 금속 산화물 또는 탄소화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
- 폴리스티렌 템플레이트를 제조하는 단계; 상기 폴리스티렌 템플레이트상 PEDOT을 형성하는 단계; 및 상기 폴리스티렌 템플레이트를 제거하는 단계;를 포함하여 전도성 고분자층을 형성하는 염료감응형 태양전지 상대전극의 제조방법이고,
상기 폴리스티렌 템플레이트는 PEDOT(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)):PSS(폴리(스티렌설포네이트)) 1 내지 30 중량% 포함하는 수용액에 폴리스티렌 입자 0.01 내지 10 중량%를 투입하여 분산시킨 후, 도전성 기판을 침지시켜, 도전성 기판상에 PEDOT(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)):PSS(폴리(스티렌설포네이트))으로 표면처리된 폴리스티렌 입자들이 자가 배열되도록 제조되며,
상기 전도성 고분자층의 공극률은 25% 내지 75%인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 상대전극의 제조방법.
- 삭제
- 제12항에 있어서,
상기 폴리스티렌 입자는 평균입경(D50)이 200 내지 1000nm인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 상대전극의 제조방법.
- 제12항에 있어서,
상기 폴리스티렌 템플레이트상에 PEDOT을 형성하는 단계는,
상기 폴리스티렌 템플레이트상에 EDOT(3,4-에틸렌디옥시티오펜)을 중합하여, 상기 폴리스티렌 템플레이트상에 PEDOT이 침적되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 상대전극의 제조방법.
- 제12항에 있어서,
상기 폴리스티렌 템플레이트를 제거하는 단계는,
상기 PEDOT이 형성된 폴리스티렌 템플레이트를 유기용매에 침지시켜 폴리스티렌 템플레이트를 제거하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 상대전극의 제조방법.
- 제1 기판상에 작업전극을 형성하는 단계; 제2 기판상에 상대전극을 형성하는 단계; 및 상기 상대전극과 상기 작업전극 사이의 공간을 전해질로 충진하는 단계;를 포함하고,
상기 상대전극은 제12항, 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항의 제조방법에 의하여 제조된 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법. - 제10항에 있어서,
상기 제2도전층은 FTO(F-doped SnO2: SnO2:F), ITO, 금속 질화물, 금속 산화물 또는 탄소화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
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-
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