KR101709198B1 - 염료 감응형 태양 전지의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
염료 감응형 태양 전지의 제조 방법은 제1 전극이 각각 형성된 복수의 제1 기판을 준비하는 단계와, 어느 하나의 제1 전극 위에 금속 산화물 미립자들을 포함하는 페이스트를 도포 후 건조시키는 단계와, 한 쌍의 제1 전극이 페이스트를 사이에 두고 마주하도록 페이스트 위에 다른 제1 전극이 형성된 제1 기판을 적층하는 단계와, 페이스트를 압착 후 한 쌍의 제1 기판을 분리시켜 한 쌍의 제1 전극 위 각각에 금속 산화물 미립자층을 형성하는 단계와, 금속 산화물 미립자층에 염료를 흡착시켜 광 흡수층을 형성하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 염료 감응형 태양 전지의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광 흡수층의 형성 과정을 간소화한 염료 감응형 태양 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지는 태양광 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 장치로서 친환경적이고 에너지원이 무한하며 수명이 긴 장점이 있다. 염료 감응형 태양 전지는 한 쌍의 전극 사이에 배치된 염료 분자가 태양광을 흡수하여 전자로 전환시키는 형태의 태양 전지이다. 염료 감응형 태양 전지에서 광 흡수층은 금속 산화물 미립자층과 여기에 흡착된 염료로 구성된다.
기존 염료 감응형 태양 전지의 제조 과정에서 금속 산화물 미립자층을 형성하고 그 위에 염료를 흡착시키는데 대략 2일 정도가 소요된다. 그리고 기존 방법에서는 금속 산화물 미립자층 형성에 500℃ 이상의 고온 처리가 필요하므로 플라스틱과 같이 열에 약한 기판은 사용이 불가능하다. 따라서 공정을 간소화하여 공정 시간을 줄이고, 100℃ 이하의 저온 공정이 가능한 기술 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 광 흡수층 형성에 소요되는 시간을 단축시키고, 공정을 간소화하며, 기판으로서 플라스틱을 적용할 수 있는 염료 감응형 태양 전지의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 염료 감응형 태양 전지의 제조 방법은 제1 전극이 각각 형성된 복수의 제1 기판을 준비하는 단계와, 어느 하나의 제1 전극 위에 금속 산화물 미립자들을 포함하는 페이스트를 도포 후 건조시키는 단계와, 한 쌍의 제1 전극이 페이스트를 사이에 두고 마주하도록 페이스트 위에 다른 제1 전극이 형성된 제1 기판을 적층하는 단계와, 페이스트를 압착 후 한 쌍의 제1 전극 사이의 압착된 페이스트를 제1 기판 별로 분리시켜 한 쌍의 제1 전극 위 각각에 금속 산화물 미립자층을 형성하는 단계와, 금속 산화물 미립자층에 염료를 흡착시켜 광 흡수층을 형성하는 단계를 포함한다.
금속 산화물 미립자들은 티타늄 산화물(TiO2), 아연 산화물(ZnO), 마그네슘 산화물(MgO), 알루미늄 산화물(Al2O3), 주석 산화물(SnO2), 및 니오븀 산화물(Nb2O5)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
페이스트는 용매로서 에탄올, 메탄올, 프로판올, 부탄올, 4-터셔리-부탄올, 물, 및 아세트산으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
페이스트를 압착할 때 1MPa 내지 10GPa의 범위에 속하는 압력이 1초 내지 30분 인가될 수 있다. 페이스트를 압착할 때 30℃ 내지 150℃의 범위에 속하는 온도로 페이스트를 가열할 수 있다.
광 흡수층을 형성하는 단계에서, 금속 산화물 미립자층을 가열하고, 가열된 금속 산화물 미립자층의 표면에 염료 용액을 분사 또는 분무하여 염료를 흡착시킬 수 있다. 금속 산화물 미립자층의 가열 온도는 80℃ 내지 90℃의 범위에 속할 수 있다.
염료 용액은 염료로서 카르복실산 계열, 인산 계열, 붕산 계열, 헥살릭산 계열, 히드로키삼산 계열, 실란 계열, 아마이드 계열, 및 에테르 계열로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
염료 용액은 용매로서 에탄올, 물, 톨루엔, 테트라하이드로퓨란, 디메틸폼 아마이드, 트리메틸시릴 브로마이드, 브롬산, 프로판올, 4-터셔리-부탄올, 황산, 페놀, 이염화탄소, 및 삼염화탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 한 번의 페이스트 코팅으로 두 개의 금속 산화물 미립자층을 동시에 형성할 수 있으므로, 재료 낭비를 줄이고 공정을 간소화하여 생산성을 높일 수 있다. 또한, 본 실시예의 제조 방법은 제1 기판의 소재에 제약을 주지 않는 저온 공정이므로 플라스틱 기판을 적용하여 가요성 태양 전지를 용이하게 제조할 수 있다.
도 1과 도 2a 내지 도 2e 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료 감응형 태양 전지의 제조 과정을 나타낸 단면도들이다.
도 4a는 본 실시예의 방법으로 제조된 금속 산화물 미립자층의 주사전자현미경 사진이다.
도 4b는 금속 산화물 미립자층에 담금법을 이용하여 염료를 흡착시킨 광 흡수층의 주사전자현미경 사진이다.
도 4c는 금속 산화물 미립자층을 가열 후 염료 용액을 분사하여 염료를 흡착시킨 광 흡수층의 주사전자현미경 사진이다.
도 4a는 본 실시예의 방법으로 제조된 금속 산화물 미립자층의 주사전자현미경 사진이다.
도 4b는 금속 산화물 미립자층에 담금법을 이용하여 염료를 흡착시킨 광 흡수층의 주사전자현미경 사진이다.
도 4c는 금속 산화물 미립자층을 가열 후 염료 용액을 분사하여 염료를 흡착시킨 광 흡수층의 주사전자현미경 사진이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1과 도 2a 내지 도 2e 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료 감응형 태양 전지의 제조 과정을 나타낸 단면도들이다.
본 실시예에 따른 염료 감응형 태양 전지의 제조 과정은 크게 제1 전극(11)이 각각 형성된 복수의 제1 기판(10)을 준비하는 제1 단계(도 1 참조)와, 제1 전극(11) 위에 광 흡수층(15)을 형성하는 제2 단계(도 2a 내지 도 2e 참조)와, 제2 전극(21)이 형성된 제2 기판(20)을 준비하고 제1 기판(10)과 제2 기판(20)을 조립하는 제3 단계(도 3 참조)를 포함한다.
도 1을 참고하면, 제1 단계에서 제1 전극(11)이 각각 형성된 복수의 제1 기판(10)을 준비한다. 도 1에서는 두 개의 제1 기판(10)을 도시하였다.
제1 기판(10)은 투명 기판으로서 유리 또는 플라스틱으로 제조된다. 플라스틱의 경우 제1 기판(10)은 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리아크릴레이트(PA), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리스타이렌(PS), 폴리에틸렌(polyethylene), 및 폴리프로필렌(polypropylene) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 플라스틱으로 제조된 제1 기판(10)은 휘어지는 성질을 가질 수 있다.
제1 전극(11)은 투명한 전도성 금속 산화막으로 이루어진다. 제1 전극(11)은 인듐 주석 산화물(ITO), 불소 도핑 주석 산화물(FTO), 아연 산화물(ZnO), 및 알루미늄 도핑 아연 산화물(AZO) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제1 전극(11)은 다음에 설명하는 광 흡수층(15)으로 빛을 투과시키고, 광 흡수층(15)에서 발생한 전자를 외부 회로로 전달하는 도선으로 기능한다.
제1 기판(10)은 제2 단계로 투입되기 전 세정 과정을 거칠 수 있다. 세정 과정은 유리 세정제를 이용한 초음파 세정 단계와, 증류수를 이용한 세정 단계와, 에탄올을 이용한 세정 단계를 포함할 수 있다. 이러한 세정 과정을 거쳐 제1 전극(11) 표면의 유기 오염 물질을 제거할 수 있다.
도 2a를 참고하면, 제2 단계에서 어느 하나의 제1 전극(11) 위에 금속 산화물 미립자들을 포함하는 페이스트(12)를 도포한다. 페이스트(12)는 금속 산화물 미립자들과 용매를 포함하며, 일정 두께로 도포 후 공기 중에서 건조된다.
금속 산화물 미립자들은 티타늄 산화물(TiO2), 아연 산화물(ZnO), 마그네슘 산화물(MgO), 알루미늄 산화물(Al2O3), 주석 산화물(SnO2), 및 니오븀 산화물(Nb2O5) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 용매는 에탄올, 메탄올, 프로판올, 부탄올, 4-터셔리-부탄올, 물, 및 아세트산 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 금속 산화물 미립자들과 용매의 종류는 전술한 예들에 한정되지 않으며 다양하게 변경될 수 있다.
도 2b를 참고하면, 한 쌍의 제1 전극(11)이 페이스트(12)를 사이에 두고 상하로 마주하도록 페이스트(12) 위에 다른 제1 기판(10)과 제1 전극(11)을 적층한다. 이로써 두 개의 제1 전극(11)이 페이스트(12)와 접촉하면서 두 개의 제1 기판(10)이 상하로 적층된다. 상호 적층된 두 개의 제1 기판(10)과 두 개의 제1 전극(11)은 같은 공정에서 제조된 동일 제품이다.
도 2c와 도 2d를 참고하면, 상부의 제1 기판(10)을 가압하여 페이스트(12)를 압착시킨 후 두 개의 제1 전극(11) 사이의 압착된 페이스트(12)를 제1 기판(10) 별로 분리시켜 두 개의 제1 전극(11) 위에 금속 산화물 미립자층(13)을 각각 형성한다. 이로써 한번의 코팅 공정으로 두 개의 금속 산화물 미립자층(13)을 동시에 형성할 수 있으므로 공정을 간소화하고, 금속 산화물 미립자층(13)의 공정 시간을 효과적으로 단축시킬 수 있다.
압착 공정을 통해 내부 조직이 매우 치밀하고 제1 전극(11)에 대한 밀착성이 우수한 금속 산화물 미립자층(13)을 형성할 수 있다. 압착 과정에서 도시하지 않은 프레스 장치가 사용되며, 페이스트(12)의 건조를 촉진시키기 위해 페이스트(12)에 열이 가해질 수 있다. 이때 페이스트(12)에 가해지는 열은 150℃ 이하로서 종래 500℃ 이상의 고온 열처리와 다른 저온 열처리 방법이 적용된다.
페이스트(12)의 압착 과정에서 가열 온도는 30℃ 내지 150℃의 범위에 속할 수 있다. 가열 온도가 30℃ 미만이면 가열에 의한 용매 제거 효과가 미비할 수 있고, 150℃를 초과하면 저온 공정이 아닌 고온 열처리 공정에 속하므로 제1 기판(10)으로 플라스틱과 같은 가요성 기판을 사용하는데 어려움이 생길 수 있다.
압착 과정에서 페이스트(12)에 가해지는 압력은 1MPa 내지 10GPa의 범위에 속할 수 있다. 제1 기판(10)이 유리와 같이 깨지기 쉬운 소재로 제조되거나 페이스트(12)에 포함된 금속 산화물 미립자들이 제1 전극(11)과의 반응성이 좋고 무른 편에 속하면 1MPa 정도의 작은 압력으로도 작업이 가능하다. 한편, 제1 기판(10)이 압력에 강한 소재로 제조되고 페이스트(12)에 포함된 금속 산화물 미립자들이 제1 전극(11)과의 반응성이 낮고 입자가 단단한 편에 속하는 경우 10GPa 정도의 큰 압력이 필요하다.
전술한 범위의 압력이 가해지는 시간은 1초 내지 30분의 범위에 속할 수 있다. 페이스트(12)에 포함된 금속 산화물 미립자들이 제1 전극(11)과의 반응성이 좋고 무른 편에 속할수록 짧은 압착 시간으로 코팅이 가능하며, 제1 전극(11)과의 반응성이 낮고 입자가 단단한 편에 속할수록 30분 정도의 긴 압착 시간이 필요하다.
전술한 페이스트(12) 압착 후 분리 과정을 거쳐 두 개의 제1 전극(11) 위에 금속 산화물 미립자층(13)을 동시에 형성한다. 이러한 공정은 수십분 이내의 짧은 시간에 금속 산화물 미립자층(13)의 형성을 가능하게 하며, 제1 기판(10)의 소재에 제약을 주지 않는 저온 공정이다. 또한, 재료 낭비가 적고 간소화된 공정이므로 생산성을 높일 수 있다.
만일 제1 전극 위에 페이스트를 도포한 후 통상의 프레스 장치로 페이스트를 압착하여 금속 산화물 미립자층을 형성하는 경우를 가정하면, 페이스트의 일부는 프레스 장치에 묻게 된다. 따라서 페이스트가 낭비되므로 재료 비용이 높아지고, 프레스 장치에 묻은 페이스트를 제거한 다음 프레스 장치를 재사용할 수 있으므로 공정이 복잡해진다. 그러나 본 실시예의 방법에서는 페이스트가 프레스 장치에 묻지 않으므로 전술한 문제점을 모두 해소할 수 있다.
제2 단계에서 어느 하나의 제1 기판(10)을 컨베이어 벨트와 같은 이송 수단에 의해 연속으로 이동시키면서 제1 전극(11) 위에 페이스트(12)를 도포하고, 다른 제1 기판(10)을 페이스트(12) 위에 적층한 다음 압착하는 과정을 연속으로 진행할 수 있다.
도 2e를 참고하면, 금속 산화물 미립자층(13)에 염료(14)를 흡착시켜 광 흡수층(15)을 형성한다. 광 흡수층(15)은 금속 산화물 미립자층(13)과 여기에 흡착된 염료(14)로 이루어진다. 염료(14)의 흡착은 염료 용액에 금속 산화물 미립자층(13)을 담그는 방법으로 진행되거나 금속 산화물 미립자층(13)을 고온으로 가열 후 염료 용액을 분사 또는 분무하는 방법으로 진행될 수 있다.
염료(14) 흡착을 위한 첫 번째 방법은 염료와 용매를 포함한 염료 용액에 금속 산화물 미립자층(13)이 형성된 제1 기판(10)을 담궈 금속 산화물 미립자층(13)에 염료를 흡착시키는 과정으로 이루어진다. 염료(14) 흡착이 완료된 제1 기판(10)은 염료 용액에서 분리된 후 에탄올 등으로 세정되고 건조 과정을 거친다.
염료(14) 흡착을 위한 두 번째 방법은 금속 산화물 미립자층(13)을 일정 온도로 가열하고, 가열된 금속 산화물 미립자층(13)에 염료 용액을 분사 또는 분무하여 금속 산화물 미립자층(13)에 염료(14)를 흡착시키는 과정으로 이루어진다. 이 방법에서는 염료 용액이 가열된 금속 산화물 미립자층(13)에 충돌하면서 용매가 빠르게 증발함과 동시에 염료 분자가 금속 산화물 미립자들 표면에 바로 흡착된다.
두 번째 방법에서는 낮은 농도의 염료 용액을 사용하여도 염료(14) 흡착에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있고, 금속 산화물 미립자층(13) 이외의 다른 부분에 염료가 흡착되지 않으므로 재료 손실이 적으며, 다른 부분에 묻은 염료를 제거하는 공정을 생략할 수 있으므로 공정을 간소화하는 효과가 있다.
두 번째 방법에서 금속 산화물 미립자층(13)의 가열 온도는 80℃ 내지 90℃의 범위에 속할 수 있다. 가열 온도가 80℃ 미만이면 용매의 증발 시간이 길어질 수 있고, 90℃를 초과하면 염료 용액이 금속 산화물 미립자층(13)을 충분히 적시기 전에 용매가 증발되므로 염료(14)가 원활하게 흡착되지 않을 수 있다. 또한, 인화성이 강한 유기 용매의 경우 용매 증기에 불이 붙는 위험도 발생할 수 있다.
첫 번째 및 두 번째 방법 모두에서 염료 용액에 포함되는 염료는 카르복실산 계열(카르복실산염 또는 루테늄 계열 포함), 인산 계열(인산염 포함), 붕산 계열, 헥살릭산 계열, 히드로키삼산 계열, 실란 계열, 아마이드 계열, 및 에테르 계열 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고 염료 용액에 포함되는 용매는 에탄올, 물, 톨루엔, 테트라하이드로퓨란, 디메틸폼 아마이드, 트리메틸시릴 브로마이드, 브롬산, 프로판올, 4-터셔리-부탄올, 황산, 페놀, 이염화탄소, 및 삼염화탄소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 3을 참고하면, 제1 전극(11) 및 광 흡수층(15)이 형성된 제1 기판(10)과 제2 전극(21)이 형성된 제2 기판(20)을 준비하고, 밀봉재(30)를 이용하여 제1 기판(10)과 제2 기판(20)을 접합시킨다. 그 후 광 흡수층(15)과 제2 전극(21) 사이에 전해질(31)을 주입하여 염료 감응형 태양 전지(100)를 완성한다.
전해질(31)은 산화-환원 커플(redux couple)로 이루어진 전해질로서 할로겐 화합물과 할로겐 분자로 구성된 할로겐 산화 환원계 전해질(Br3 -/Br-, I3 -/I-), 셀레늄 산화 환원계 전해질((SeCN)2/SeCN-), 사이아노황 산화 환원계 전해질((SCN)2/SCN-), 코발트 산화 환원계 전해질(Co(Ⅱ)/Co(Ⅲ)) 등을 사용할 수 있다. 전해질(31)의 용매는 아세토니트릴, 메톡시프로피오니트릴, 부티로니트릴, 및 메톡시아세토니트릴 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제2 전극(21)은 촉매 전극으로서 산화-환원 쌍을 활성화시키는 역할을 한다. 제2 전극(21)은 백금, 금, 루테늄, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 및 탄소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 염료 감응형 태양 전지(100)에서 광 흡수층(15)을 구비한 제1 기판(10)은 태양광이 입사하는 쪽에 배치되고, 제2 기판(20)은 그 반대편에 배치된다.
염료 감응형 태양 전지(100)로 태양광이 입사하면, 광 흡수층(15)의 염료(14)가 광자에 의해 기저 상태에서 여기 상태로 전이하여 전자-홀 쌍을 만들고, 여기 상태의 전자는 금속 산화물 미립자 계면의 전도띠로 주입되며, 제1 전극(11)과 외부 회로를 거쳐 제2 전극(21)으로 이동한다. 전자 전이 결과로 산화된 염료는 전해질(31) 내의 산화-환원 커플의 이온에 의해 환원되고, 산화된 이온은 전하 중성을 이루기 위해 제2 전극(21)의 계면에 도달한 전자와 환원 반응을 일으킨다. 이러한 과정으로 염료 감응형 태양 전지(100)가 작동한다.
이하, 비교예의 염료 감응형 태양 전지 및 실시예의 염료 감응형 태양 전지의 제작 과정과 효율 측정 결과에 대해 설명한다.
(비교예 1)
제1 전극으로서 불소 도핑 주석 산화물(FTO)이 형성된 유리 기판(제1 기판)을 유리 세정제에 10분, 증류수에 10분, 에탄올에 10분간 초음파 분해 세척을 하고, 질소 블로잉(blowing)을 통해 기판 표면에 묻은 세척액을 제거하였다.
스크린 프린터를 이용하여 솔라로닉스(SOLARONIX) 사의 티타늄 산화물 페이스트를 세척이 완료된 불소 도핑 주석 산화물(FTO) 유리 기판의 중심부에 코팅하였다. 코팅한 직후 티타늄 산화물 페이스트 내의 공기를 제거하기 위해 3분간 공기 중에 방치한 후 120℃ 오븐에서 7분간 열처리하였으며, 이 과정을 3회 반복 후에 500℃ 오븐에서 30분간 열처리하여 티타늄 산화물 미립자층을 형성하였다.
솔라로닉스 사의 루테늄 염료인 N-719 염료와 아세토니트릴 4-터셔리-부탄올 용매를 이용하여 제조한 0.3mM 염료 용액에 티타늄 산화물 미립자층이 코팅된 기판을 24시간 담가 염료를 흡착시켜 광 흡수층을 형성하였다. 염료 흡착 후 기판을 에탄올로 세정한 후 공기 중에서 건조시켰다.
불소 도핑 주석 산화물(FTO)이 형성된 유리 기판(제2 기판)에 전해질 용액이 들어갈 구멍을 2개 형성하고, 제1 기판과 동일한 방식으로 세정하였다. 솔라로닉스 사의 Platisol 용액을 불소 도핑 주석 산화물(FTO) 위에 코팅하고 용매를 공기 중에서 건조시킨 후 400℃ 오븐에서 5분간 열처리하여 백금으로 이루어진 제2 전극을 형성하였다.
제1 기판과 제2 기판 사이에 솔라로닉스 사의 설린(Surlyn)을 위치시키고, 130℃로 가열한 핫 플레이트 위에 배치한 후 가열시켜 밀봉재를 형성하였다. 0.6M BMII, 0.03M 아이오다이드, 0.1M 구아니디늄 티오사이아네이트, 0.5M 터셔리-부틸피리딘과 아세토니트릴 및 발러니트릴의 혼합 용매 전해질 용액을 제조하고, 제2 전극에 형성된 2개의 구멍을 통해 전해질 용액을 주입하여 염료 감응형 태양 전지를 제조하였다.
(비교예 2)
염료 흡착법을 변경한 것을 제외하고 비교예 1과 같은 공정으로 염료 감응형 태양 전지를 제조하였다.
솔라로닉스 사의 루테늄 염료인 N-719 염료에 아세토니트릴과 4-터셔리-부탄올 용매를 이용하여 0.3mM 염료 용액을 제조하고, 티타늄 산화물 미립자층 위에 마스크를 부착하여 티타늄 산화물 미립자층만 염료 용액과 닿을 수 있게 한 뒤 100℃로 가열된 핫 플레이트 위에 제1 기판을 배치하였다. 티타늄 산화물 미립자층을 80℃로 가열한 후 염료 용액을 마이크로 피펫을 이용하여 티타늄 산화물 미립자층 표면에 200㎕부터 350㎕까지의 양으로 4분부터 7분 동안 적셔주었다.
(실시예 1)
티타늄 산화물 미립자층 형성 및 염료 흡착법을 변경한 것을 제외하고 비교예 1과 같은 공정으로 염료 감응형 태양 전지를 제조하였다.
세척이 완료된 불소 도핑 주석 산화물(FTO) 유리 기판에 직경이 5.8mm인 둥근 마스크를 붙이고, 데거사(Degussa)에서 구매한 "P25" 티타늄 산화물 나노입자와 에탄올을 섞어 만든 티타늄 산화물 페이스트를 마스크 안에 코팅하였다. 코팅 직후 마스크를 제거하여 공기 중에서 약 10초간 건조시킨 후 페이스트 위에 불소 도핑 주석 산화물(FTO)이 형성된 다른 유리 기판을 적층하고, 열을 가하지 않으면서 프레스로 압착 후 분리시켜 두 개의 불소 도핑 주석 산화물(FTO) 위에 티타늄 산화물 미립자층을 각각 형성하였다. 프레스의 압착 압력은 600MPa이다.
솔라로닉스 사의 루테늄 염료인 N-719 염료에 아세토니트릴과 4-터셔리-부탄올 용매를 이용하여 0.3mM 염료 용액을 제조하고, 티타늄 산화물 미립자층 위에 마스크를 부착하여 티타늄 산화물 미립자층만 염료 용액과 닿을 수 있게 한 뒤 100℃로 가열된 핫 플레이트 위에 제1 기판을 배치하였다. 티타늄 산화물 미립자층을 80℃로 가열한 후 염료 용액을 마이크로 피펫을 이용하여 티타늄 산화물 미립자층 표면에 300㎕까지의 양으로 6분간 적셔주었다.
(실시예 2)
티타늄 페이스트 압착 과정에서 50℃로 열을 가한 것을 제외하고 실시예 1과 같은 공정으로 티타늄 산화물 미립자층을 형성하고, 비교예 1과 같은 방법으로 티타늄 산화물 미립자층에 염료를 흡착시켜 광 흡수층을 형성하였다. 광 흡수층을 제외한 나머지 부재들은 비교예 1과 같은 공정을 적용하였다.
(실시예 3)
티타늄 산화물 반도체층 형성을 위한 티타늄 페이스트 압착 과정에서 50℃로 열을 가하고, 압착 시간을 1분부터 10분까지 조절하였으며, 염료 흡착 과정에서 염료 용액을 티타늄 산화물 반도체층 표면에 200㎕부터 50㎕의 양으로 350㎕까지 각각 4분부터 7분 동안 적셔준 것을 제외하고 실시예 1과 같은 공정으로 염료 감응형 태양 전지를 제조하였다.
염료 감응형 태양 전지의 효율을 측정하기 위하여, 비교예들 및 실시예들의염료 감응형 태양 전지들을 뉴포트(Newport) 사의 솔라 시뮬레이터와 Keithley 사의 Model 2400 source meter를 이용하여 전류-전압 곡선을 얻었으며, 면적은 25㎟, 빛의 세기는 100mW/㎠으로 설정하였다. 이때 측정된 단락 전류(Jsc, short-circuit photocurrent density), 개방 전압(Voc, open circuit volate), 필팩터(FF, fill factor), 및 광전 변환 효율(IPCE, incident photon-to-current conversion efficiency) 값을 하기 표 1에 나타내었다.
표 1을 참고하면, 비교예 2가 가장 높은 광전 변환 효율을 보이고 있으나, 비교예 1, 2는 통상의 스크린 프린터를 이용하여 금속 산화물 미립자층을 형성한 것으로서 고온 처리 공정이면서 공정이 복잡한 문제가 있다. 이러한 문제를 해소한 실시예 1, 2, 3에 따른 태양 전지는 비교예 1, 2 대비 유사한 광전 변환 효율을 확보하면서 재료 낭비를 줄이고 생산성을 높이는 효과를 구현하고 있다.
또한, 금속 산화물 미립자층을 가열하고 염료 용액을 분사 또는 분무하는 염료 흡착 방법 적용시 광 흡수층 제작 시간은 24시간에서 7분 이내로 단축된다. 따라서 공정 시간을 효과적으로 줄이고, 광전 변환 효율이 더 높은 염료 감응형 태양 전지를 제조할 수 있다.
도 4a는 본 실시예의 방법으로 제조된 금속 산화물 미립자층의 주사전자현미경 사진이고, 도 4b는 금속 산화물 미립자층에 담금법을 이용하여 염료를 흡착시킨 광 흡수층의 주사전자현미경 사진이며, 도 4c는 금속 산화물 미립자층을 가열 후 염료 용액을 분사하여 염료를 흡착시킨 광 흡수층의 주사전자현미경 사진이다.
도 4a 내지 도 4c를 참고하면, 금속 산화물 미립자층이 압착되어 견고한 단면 구조를 가지고 있음을 할 수 있다. 다만 도 4b의 경우 염료 용액에 24시간 동안 담가 두었기 때문에 염료 용액이 금속 산화물 미립자층의 접촉성이 약한 부분에 침투하여 미립자들 사이의 전기 전도성을 저하시킬 수 우려가 있으나 도 4c의 경우에는 염료 흡착이 6분 만에 이루어지기 때문에 그러한 우려가 없으며, 광 흡수층의 전기 전도성과 견고성을 높이는데 보다 유리하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 염료 감응형 태양 전지 10: 제1 기판
11: 제1 전극 12: 페이스트
13: 금속 산화물 미립자층 14: 염료
15: 광 흡수층 20: 제2 기판
21: 제2 전극 30: 밀봉재
31: 전해질
11: 제1 전극 12: 페이스트
13: 금속 산화물 미립자층 14: 염료
15: 광 흡수층 20: 제2 기판
21: 제2 전극 30: 밀봉재
31: 전해질
Claims (9)
- 제1 전극이 각각 형성된 복수의 제1 기판을 준비하는 단계;
어느 하나의 제1 전극 위에 금속 산화물 미립자들을 포함하는 페이스트를 도포 후 건조시키는 단계;
한 쌍의 제1 전극이 상기 페이스트를 사이에 두고 마주하도록 상기 페이스트 위에 다른 제1 전극이 형성된 제1 기판을 적층하는 단계;
상기 페이스트를 압착 후 상기 한 쌍의 제1 전극 사이의 압착된 페이스트를 상기 제1 기판 별로 분리시켜 상기 한 쌍의 제1 전극 위 각각에 금속 산화물 미립자층을 형성하는 단계; 및
상기 금속 산화물 미립자층에 염료를 흡착시켜 광 흡수층을 형성하는 단계
를 포함하는 염료 감응형 태양 전지의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 금속 산화물 미립자들은 티타늄 산화물(TiO2), 아연 산화물(ZnO), 마그네슘 산화물(MgO), 알루미늄 산화물(Al2O3), 주석 산화물(SnO2), 및 니오븀 산화물(Nb2O5)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 염료 감응형 태양 전지의 제조 방법. - 제2항에 있어서,
상기 페이스트는 용매로서 에탄올, 메탄올, 프로판올, 부탄올, 4-터셔리-부탄올, 물, 및 아세트산으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 염료 감응형 태양 전지의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 페이스트를 압착할 때 1MPa 내지 10GPa의 범위에 속하는 압력이 1초 내지 30분 인가되는 염료 감응형 태양 전지의 제조 방법. - 제4항에 있어서,
상기 페이스트를 압착할 때 30℃ 내지 150℃의 범위에 속하는 온도로 상기 페이스트를 가열하는 염료 감응형 태양 전지의 제조 방법. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광 흡수층을 형성하는 단계에서, 상기 금속 산화물 미립자층을 가열하고, 가열된 상기 금속 산화물 미립자층의 표면에 염료 용액을 분사 또는 분무하여 상기 염료를 흡착시키는 염료 감응형 태양 전지의 제조 방법. - 제6항에 있어서,
상기 금속 산화물 미립자층의 가열 온도는 80℃ 내지 90℃의 범위에 속하는 염료 감응형 태양 전지의 제조 방법. - 제6항에 있어서,
상기 염료 용액은 염료로서 카르복실산 계열, 인산 계열, 붕산 계열, 헥살릭산 계열, 히드로키삼산 계열, 실란 계열, 아마이드 계열, 및 에테르 계열로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 염료 감응형 태양 전지의 제조 방법. - 제8항에 있어서,
상기 염료 용액은 용매로서 에탄올, 물, 톨루엔, 테트라하이드로퓨란, 디메틸폼 아마이드, 트리메틸시릴 브로마이드, 브롬산, 프로판올, 4-터셔리-부탄올, 황산, 페놀, 이염화탄소, 및 삼염화탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 염료 감응형 태양 전지의 제조 방법.
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| KR1020110036824A KR101709198B1 (ko) | 2011-04-20 | 2011-04-20 | 염료 감응형 태양 전지의 제조 방법 |
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| KR101410061B1 (ko) * | 2012-12-24 | 2014-06-30 | 국민대학교산학협력단 | 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법 |
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