KR101776141B1 - 염료감응형 태양전지용 광전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 염료감응형 태양전지 - Google Patents
염료감응형 태양전지용 광전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 염료감응형 태양전지 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101776141B1 KR101776141B1 KR1020160042465A KR20160042465A KR101776141B1 KR 101776141 B1 KR101776141 B1 KR 101776141B1 KR 1020160042465 A KR1020160042465 A KR 1020160042465A KR 20160042465 A KR20160042465 A KR 20160042465A KR 101776141 B1 KR101776141 B1 KR 101776141B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- dye
- solar cell
- sensitized solar
- silica
- precursor
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 77
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 126
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 112
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims abstract description 100
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 76
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 63
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 39
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 claims abstract description 36
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 32
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 25
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 22
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 69
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 41
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 31
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 28
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 25
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 24
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims description 23
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 claims description 21
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 18
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 18
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 claims description 17
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 17
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 15
- XJDNKRIXUMDJCW-UHFFFAOYSA-J titanium tetrachloride Chemical compound Cl[Ti](Cl)(Cl)Cl XJDNKRIXUMDJCW-UHFFFAOYSA-J 0.000 claims description 13
- VXUYXOFXAQZZMF-UHFFFAOYSA-N titanium(IV) isopropoxide Chemical compound CC(C)O[Ti](OC(C)C)(OC(C)C)OC(C)C VXUYXOFXAQZZMF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 claims description 10
- RLGQACBPNDBWTB-UHFFFAOYSA-N cetyltrimethylammonium ion Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCC[N+](C)(C)C RLGQACBPNDBWTB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 238000010304 firing Methods 0.000 claims description 10
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 9
- 239000002202 Polyethylene glycol Substances 0.000 claims description 8
- 229920001223 polyethylene glycol Polymers 0.000 claims description 8
- 239000001856 Ethyl cellulose Substances 0.000 claims description 7
- ZZSNKZQZMQGXPY-UHFFFAOYSA-N Ethyl cellulose Chemical compound CCOCC1OC(OC)C(OCC)C(OCC)C1OC1C(O)C(O)C(OC)C(CO)O1 ZZSNKZQZMQGXPY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 238000000157 electrochemical-induced impedance spectroscopy Methods 0.000 claims description 7
- 229920001249 ethyl cellulose Polymers 0.000 claims description 7
- 235000019325 ethyl cellulose Nutrition 0.000 claims description 7
- RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N silicic acid Chemical compound O[Si](O)(O)O RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 6
- 229940116411 terpineol Drugs 0.000 claims description 6
- WUOACPNHFRMFPN-UHFFFAOYSA-N alpha-terpineol Chemical compound CC1=CCC(C(C)(C)O)CC1 WUOACPNHFRMFPN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- SQIFACVGCPWBQZ-UHFFFAOYSA-N delta-terpineol Natural products CC(C)(O)C1CCC(=C)CC1 SQIFACVGCPWBQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N Urea Chemical compound NC(N)=O XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000004202 carbamide Substances 0.000 claims description 3
- 229920005830 Polyurethane Foam Polymers 0.000 claims 1
- 239000011496 polyurethane foam Substances 0.000 claims 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 abstract description 20
- 238000005215 recombination Methods 0.000 abstract description 20
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 abstract description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 abstract 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 abstract 1
- 239000000975 dye Substances 0.000 description 58
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 53
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 22
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 16
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 13
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 10
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 9
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 8
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 8
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- -1 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 8
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 7
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 6
- 238000013019 agitation Methods 0.000 description 6
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 6
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 239000011941 photocatalyst Substances 0.000 description 6
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 6
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 6
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 6
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 6
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 6
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 5
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 5
- 238000002371 ultraviolet--visible spectrum Methods 0.000 description 5
- AZQWKYJCGOJGHM-UHFFFAOYSA-N 1,4-benzoquinone Chemical compound O=C1C=CC(=O)C=C1 AZQWKYJCGOJGHM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 7553-56-2 Chemical compound [I] ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- LRFVTYWOQMYALW-UHFFFAOYSA-N 9H-xanthine Chemical compound O=C1NC(=O)NC2=C1NC=N2 LRFVTYWOQMYALW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N N-Butanol Chemical compound CCCCO LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 4
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011630 iodine Substances 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 4
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 4
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 4
- 239000011112 polyethylene naphthalate Substances 0.000 description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 4
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 3
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 description 3
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 description 3
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 3
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 3
- 238000007606 doctor blade method Methods 0.000 description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 3
- 239000010408 film Substances 0.000 description 3
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 229920005597 polymer membrane Polymers 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 3
- QGKMIGUHVLGJBR-UHFFFAOYSA-M (4z)-1-(3-methylbutyl)-4-[[1-(3-methylbutyl)quinolin-1-ium-4-yl]methylidene]quinoline;iodide Chemical compound [I-].C12=CC=CC=C2N(CCC(C)C)C=CC1=CC1=CC=[N+](CCC(C)C)C2=CC=CC=C12 QGKMIGUHVLGJBR-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- RBTBFTRPCNLSDE-UHFFFAOYSA-N 3,7-bis(dimethylamino)phenothiazin-5-ium Chemical compound C1=CC(N(C)C)=CC2=[S+]C3=CC(N(C)C)=CC=C3N=C21 RBTBFTRPCNLSDE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IICCLYANAQEHCI-UHFFFAOYSA-N 4,5,6,7-tetrachloro-3',6'-dihydroxy-2',4',5',7'-tetraiodospiro[2-benzofuran-3,9'-xanthene]-1-one Chemical compound O1C(=O)C(C(=C(Cl)C(Cl)=C2Cl)Cl)=C2C21C1=CC(I)=C(O)C(I)=C1OC1=C(I)C(O)=C(I)C=C21 IICCLYANAQEHCI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920002284 Cellulose triacetate Polymers 0.000 description 2
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GHSJKUNUIHUPDF-BYPYZUCNSA-N L-thialysine Chemical compound NCCSC[C@H](N)C(O)=O GHSJKUNUIHUPDF-BYPYZUCNSA-N 0.000 description 2
- 229910006694 SnO2—Sb2O3 Inorganic materials 0.000 description 2
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- NNLVGZFZQQXQNW-ADJNRHBOSA-N [(2r,3r,4s,5r,6s)-4,5-diacetyloxy-3-[(2s,3r,4s,5r,6r)-3,4,5-triacetyloxy-6-(acetyloxymethyl)oxan-2-yl]oxy-6-[(2r,3r,4s,5r,6s)-4,5,6-triacetyloxy-2-(acetyloxymethyl)oxan-3-yl]oxyoxan-2-yl]methyl acetate Chemical compound O([C@@H]1O[C@@H]([C@H]([C@H](OC(C)=O)[C@H]1OC(C)=O)O[C@H]1[C@@H]([C@@H](OC(C)=O)[C@H](OC(C)=O)[C@@H](COC(C)=O)O1)OC(C)=O)COC(=O)C)[C@@H]1[C@@H](COC(C)=O)O[C@@H](OC(C)=O)[C@H](OC(C)=O)[C@H]1OC(C)=O NNLVGZFZQQXQNW-ADJNRHBOSA-N 0.000 description 2
- QQOPAWAPLFHEEP-UHFFFAOYSA-M [7-(dimethylamino)-2-methylphenoxazin-3-ylidene]-diethylazanium;chloride Chemical compound [Cl-].O1C2=CC(N(C)C)=CC=C2N=C2C1=CC(=[N+](CC)CC)C(C)=C2 QQOPAWAPLFHEEP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- YIYFFLYGSHJWFF-UHFFFAOYSA-N [Zn].N1C(C=C2N=C(C=C3NC(=C4)C=C3)C=C2)=CC=C1C=C1C=CC4=N1 Chemical compound [Zn].N1C(C=C2N=C(C=C3NC(=C4)C=C3)C=C2)=CC=C1C=C1C=CC4=N1 YIYFFLYGSHJWFF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 2
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 2
- PYKYMHQGRFAEBM-UHFFFAOYSA-N anthraquinone Natural products CCC(=O)c1c(O)c2C(=O)C3C(C=CC=C3O)C(=O)c2cc1CC(=O)OC PYKYMHQGRFAEBM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000004056 anthraquinones Chemical class 0.000 description 2
- 239000000987 azo dye Substances 0.000 description 2
- 239000000981 basic dye Substances 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 229930002875 chlorophyll Natural products 0.000 description 2
- 235000019804 chlorophyll Nutrition 0.000 description 2
- ATNHDLDRLWWWCB-AENOIHSZSA-M chlorophyll a Chemical compound C1([C@@H](C(=O)OC)C(=O)C2=C3C)=C2N2C3=CC(C(CC)=C3C)=[N+]4C3=CC3=C(C=C)C(C)=C5N3[Mg-2]42[N+]2=C1[C@@H](CCC(=O)OC\C=C(/C)CCC[C@H](C)CCC[C@H](C)CCCC(C)C)[C@H](C)C2=C5 ATNHDLDRLWWWCB-AENOIHSZSA-M 0.000 description 2
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 2
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 2
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- YQGOJNYOYNNSMM-UHFFFAOYSA-N eosin Chemical compound [Na+].OC(=O)C1=CC=CC=C1C1=C2C=C(Br)C(=O)C(Br)=C2OC2=C(Br)C(O)=C(Br)C=C21 YQGOJNYOYNNSMM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 2
- IINNWAYUJNWZRM-UHFFFAOYSA-L erythrosin B Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]C(=O)C1=CC=CC=C1C1=C2C=C(I)C(=O)C(I)=C2OC2=C(I)C([O-])=C(I)C=C21 IINNWAYUJNWZRM-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 229940011411 erythrosine Drugs 0.000 description 2
- 239000004174 erythrosine Substances 0.000 description 2
- 235000012732 erythrosine Nutrition 0.000 description 2
- 239000012065 filter cake Substances 0.000 description 2
- IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N hcl hcl Chemical compound Cl.Cl IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BHEPBYXIRTUNPN-UHFFFAOYSA-N hydridophosphorus(.) (triplet) Chemical compound [PH] BHEPBYXIRTUNPN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 2
- KIQQAJNFBLKFPO-UHFFFAOYSA-N magnesium;porphyrin-22,23-diide Chemical compound [Mg+2].[N-]1C(C=C2[N-]C(=CC3=NC(=C4)C=C3)C=C2)=CC=C1C=C1C=CC4=N1 KIQQAJNFBLKFPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229960000907 methylthioninium chloride Drugs 0.000 description 2
- IEQIEDJGQAUEQZ-UHFFFAOYSA-N phthalocyanine Chemical class N1C(N=C2C3=CC=CC=C3C(N=C3C4=CC=CC=C4C(=N4)N3)=N2)=C(C=CC=C2)C2=C1N=C1C2=CC=CC=C2C4=N1 IEQIEDJGQAUEQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000049 pigment Substances 0.000 description 2
- 229920003207 poly(ethylene-2,6-naphthalate) Polymers 0.000 description 2
- 125000003367 polycyclic group Chemical group 0.000 description 2
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 2
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 2
- 239000012286 potassium permanganate Substances 0.000 description 2
- USHAGKDGDHPEEY-UHFFFAOYSA-L potassium persulfate Chemical compound [K+].[K+].[O-]S(=O)(=O)OOS([O-])(=O)=O USHAGKDGDHPEEY-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 235000019394 potassium persulphate Nutrition 0.000 description 2
- 230000027756 respiratory electron transport chain Effects 0.000 description 2
- PYWVYCXTNDRMGF-UHFFFAOYSA-N rhodamine B Chemical compound [Cl-].C=12C=CC(=[N+](CC)CC)C=C2OC2=CC(N(CC)CC)=CC=C2C=1C1=CC=CC=C1C(O)=O PYWVYCXTNDRMGF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229940043267 rhodamine b Drugs 0.000 description 2
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 2
- 229930187593 rose bengal Natural products 0.000 description 2
- 229940081623 rose bengal Drugs 0.000 description 2
- STRXNPAVPKGJQR-UHFFFAOYSA-N rose bengal A Natural products O1C(=O)C(C(=CC=C2Cl)Cl)=C2C21C1=CC(I)=C(O)C(I)=C1OC1=C(I)C(O)=C(I)C=C21 STRXNPAVPKGJQR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000006228 supernatant Substances 0.000 description 2
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229940075420 xanthine Drugs 0.000 description 2
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 2
- JJWJFWRFHDYQCN-UHFFFAOYSA-J 2-(4-carboxypyridin-2-yl)pyridine-4-carboxylate;ruthenium(2+);tetrabutylazanium;dithiocyanate Chemical compound [Ru+2].[S-]C#N.[S-]C#N.CCCC[N+](CCCC)(CCCC)CCCC.CCCC[N+](CCCC)(CCCC)CCCC.OC(=O)C1=CC=NC(C=2N=CC=C(C=2)C([O-])=O)=C1.OC(=O)C1=CC=NC(C=2N=CC=C(C=2)C([O-])=O)=C1 JJWJFWRFHDYQCN-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 1
- LTNAYKNIZNSHQA-UHFFFAOYSA-L 2-(4-carboxypyridin-2-yl)pyridine-4-carboxylic acid;ruthenium(2+);dithiocyanate Chemical compound N#CS[Ru]SC#N.OC(=O)C1=CC=NC(C=2N=CC=C(C=2)C(O)=O)=C1.OC(=O)C1=CC=NC(C=2N=CC=C(C=2)C(O)=O)=C1 LTNAYKNIZNSHQA-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 241000238558 Eucarida Species 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920003182 Surlyn® Polymers 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 229940107816 ammonium iodide Drugs 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 1
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 1
- 230000015271 coagulation Effects 0.000 description 1
- 238000005345 coagulation Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000004132 cross linking Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 230000003203 everyday effect Effects 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 238000007429 general method Methods 0.000 description 1
- 230000005283 ground state Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 150000004693 imidazolium salts Chemical class 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000006192 iodination reaction Methods 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 239000002159 nanocrystal Substances 0.000 description 1
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 230000033116 oxidation-reduction process Effects 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000029553 photosynthesis Effects 0.000 description 1
- 238000010672 photosynthesis Methods 0.000 description 1
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000000779 smoke Substances 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 125000005207 tetraalkylammonium group Chemical group 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000002525 ultrasonication Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
- H01G9/20—Light-sensitive devices
- H01G9/2027—Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
- H01G9/20—Light-sensitive devices
- H01G9/2027—Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode
- H01G9/2031—Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode comprising titanium oxide, e.g. TiO2
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
- H01G9/20—Light-sensitive devices
- H01G9/2027—Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode
- H01G9/2036—Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode comprising mixed oxides, e.g. ZnO covered TiO2 particles
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0216—Coatings
- H01L31/02161—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
- H01L31/02167—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0224—Electrodes
- H01L31/022466—Electrodes made of transparent conductive layers, e.g. TCO, ITO layers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
- H01L31/1884—Manufacture of transparent electrodes, e.g. TCO, ITO
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/542—Dye sensitized solar cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Hybrid Cells (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
본 발명은 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다상세하게는 염료흡착율 및 전자이동도를 향상시켜서 광변환효율이 우수한 동시에 전자 재결합비율이 감소하여 전자의 수명이 증가된 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다상세하게는 염료흡착율 및 전자이동도를 향상시켜서 광변환효율이 우수한 동시에 전자 재결합비율이 감소하여 전자의 수명이 증가된 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
현재 갈수록 발전해가는 산업화와 공업화로 인하여 자원고갈 문제가 심화되고 있다. 이 문제를 해결하기 위한 신재생 에너지개발은 전세계적으로 주목하고 있는 분야이며, 이와 관련하여 새로운 에너지원과 환경기술에 관한 연구의 필요성이 강조되고 있다. 이에 기존 화석연료 기반의 에너지 대신 태양, 바람, 물 등의 청정자연을 이용한 에너지원에 대한 가치 기준이 높아지고 있는 실정이다.
태양전지는 광기전 효과에 의하여 태양빛을 전기로 직접 변환시키는 전기발생 장치이다. 이미 우리생활의 중요한 부분을 차지하고 있는 태양전지는 간단하게는 시계, 계산기 등의 전원으로 이용되며, 크게는 위성통신과 같은 항공우주분야와 대규모 전기발전소에 사용된다. 태양전지의 종류는 실리콘(Si)태양전지, 무기태양전지, 염료감응형 태양전지, 유기태양전지, 반도체 pn접합형과 반도체/액체 광전기화학형 태양전지가 있으며, 환경오염을 유발하지 않기 때문에 청정 재생에너지원으로 분류된다.
염료감응형 태양전지는 일반적인 반도체 태양전지와는 달리 광합성의 원리를 이용하여 전기를 공급하는 태양전지로써 1991년 Gratzel에 의하여 처음 고안되었으며, 제작이 간단하고, 가격이 저렴하며, 일상생활에서 다방면으로 접근이 가능하기 때문에 향후 많은 발전 가능성을 내포하고 있다.
염료감응형 태양전지는 태양광이 태양전지 셀에 입사되면 나노 결정 필름표면에 단일 층으로 흡착되어 있는 염료 고분자에 의해서 광자가 흡수되고, 이로 인하여 염료 고분자가 여기된 상태가 된다. 여기된 염료분자는 전자를 방출함으로써 산화되고, 방출된 전자는 광촉매 전극의 전도대로 이동하게 된다. 전자는 투명전극 셀을 통하여 빠져나가 외부 부하에 전기에너지를 전달한 후, 상대전극으로 이동하게 된다. 상대전극으로 가장 많이 사용하는 물질인 백금전극에서 요오드화반응을 통하여 산화-환원쌍의 전해질로부터 전자를 받아 원래의 기저상태로 돌아가게 된다. 현재 염료 감응형 태양전지용 광전극으로 가장 많이 사용하는 TiO2 광촉매는 염료감응형 태양전지에 있어서 가장 높은 효율을 자랑하나, 실리콘태양전지를 포함한 기타 태양전지에 비하여 매우 낮은 효율에 속하기 때문에 효율개선을 개선할 필요가 있다.
따라서, 이와 같이 염료감응형 태양전지의 낮은 효율을 개선하기 위하여 종래에 다양한 방법들이 시도되고 있으나, 염료감응형 태양전지의 광전 변환 효율 향상에 한계가 있었으며, 따라서 효율 향상을 위한 새로운 기술 개발이 절실히 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 해결하려는 과제는 염료흡착율 및 전자이동도를 향상시켜서 광변환효율이 우수한 동시에 전자 재결합비율이 감소하여 전자의 수명이 증가된 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 티타늄산화물 전구체 용액, 실리카/질소 전구체 용액 및 폴리에틸렌글리콜(poly ethylene glycol)을 혼합, 반응 및 소성시켜서 실리카 및 질소가 도핑된 이산화티탄 반도체를 제조하는 1단계, 상기 이산화티탄 반도체, 용매 및 산(acid)을 포함하는 제1혼합액을 제조하는 2단계, 상기 제1혼합액에 그래핀 옥사이드(grapheme oxide)를 첨가하여 제2혼합액을 제조하는 3단계, 상기 제2혼합액을 초음파 처리하는 4단계, 초음파 처리된 제2혼합액에 테르피네올 및 에틸셀룰로오스를 첨가하여 교반 및 건조시켜 페이스트를 제조하는 5단계, 투명전극에 상기 페이스트를 도포하는 6단계 및 페이스트가 도포된 투명전극을 건조한 후, 소성시켜 광전극을 제조하는 7단계를 포함하는 염료감응형 태양전지용 광전극의 제조방법을 제공한다
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 티타늄산화물 전구체 용액은 티타늄산화물 전구체 및 용매를 포함할 수 있고, 상기 실리카/질소 전구체 용액은 질소 전구체, 실리카 전구체 및 증류수를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 1단계는 티타늄산화물 전구체 및 용매를 45 ~ 75℃에서, 10 ~ 50분 동안 교반시켜서 티타늄산화물 전구체 용액을 제조하는 1-1단계, 질소 전구체, 실리카 전구체 및 증류수를 15 ~ 45분 동안 교반시켜서 실리카/질소 전구체 용액을 제조하는 1-2단계, 상기 티타늄산화물 전구체 용액 및 실리카/질소 전구체 용액을 혼합하여 15 ~ 45 분 동안 교반시키고, 중량평균분자량 1000 ~ 3000인 폴리에틸렌글리콜을 첨가하여 15 ~ 45분 동안 교반시켜서 전구체 용액을 제조하는 1-3단계 및 상기 전구체 용액을 400 ~ 600℃에서 1 ~ 3시간 동안 소성시켜서 실리카 및 질소가 도핑된 이산화티탄 반도체를 제조하는 1-4단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 티타늄산화물 전구체는 티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide)를 포함할 수 있고, 상기 질소 전구체는 HDTMA(Hexadecyltrimethylammonium), 요소(Urea) 및 함수암모니아(NH3·H2O) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 상기 실리카 전구체는 실리카 졸을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 그래핀 옥사이드(graphene oxide)는 0.001㎎/㎖ ~ 0.01㎎/㎖의 농도로 첨가될 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 건조는 50 ~ 70℃에서 10 ~ 30 분간 수행할 수 있고, 상기 소성은 300 ~ 600℃에서 1 ~ 3 시간 동안 수행할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 7단계의 광전극을 사염화티타늄(TiCl4) 용액에 담지시킨 후, 50 ~ 90℃에서 15 ~ 45 분간 건조하고, 300 ~ 600℃에서 15 ~ 45 분 동안 열처리하는 8단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 열처리한 광전극에 염료를 흡착시키는 9단계를 더 포함할 수 있다.
한편 상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 실리카 및 질소가 도핑된 이산화티탄 반도체를 포함하고,
상기 실리카 및 질소가 도핑된 이산화티탄 반도체는 이산화티탄 입자 사이에 그래핀(grapheme)을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 광전극을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 염료감응형 태양전지용 광전극은 X-선 회절 패턴(x-ray diffraction patterns) 측정시, 24.0˚ ~ 26.0˚에서 1200 ~ 2000 a.u의 피크를 가질 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 염료감응형 태양전지용 광전극은 UV-vis 분광광도계(UV-vis spectrophotometer)로 측정시, 485 ~ 510㎚ 파장에서 염료흡착량은 0.330 ~ 0.480 a.u일 수 있다.
한편 상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 투명전극, 상기 투명전극의 일면에 형성된 상기 상술한 광전극 중 어느 하나의 광전극, 상기 광전극에 이격되어 대항하도록 배치된 상대전극 및 상기 광전극 및 상대전극 사이의 이격공간에 개재된 전해질을 포함하는 염료감응형 태양전지를 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 염료감응형 태양전지는 광전류밀도(Jsc)가 20.5 ~ 27mA/㎠ 일 수 있고, 광변환효율(η)이 6 ~ 10% 일 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 염료감응형 태양전지는 전기화학적 임피던스 분광(electrochemical impedance spectroscopy) 측정 시, 직렬저항(series resistance, Rs)이 30 ~ 40 Ω/㎠ 일 수 있다.
본 발명의 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법은 염료흡착율 및 전자이동도를 향상시켜서 광변환효율이 우수한 동시에 전자 재결합비율이 감소하여 전자의 수명이 증가되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 광전극의 XRP 패턴을 측정한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 광전극의 TEM 이미지이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 광전극의 UV-vis 스펙트라 및 염료흡착 측정 그래프이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 태양전지의 화학 커패시턴스 및 재결합 저항 측정 그래프이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 태양전지의 J-V Curve 측정 그래프이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 태양전지의 전자전달시간 측정 그래프이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 태양전지의 TEM-EDS 측정 그래프이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 태양전지의 EIS 측정 그래프이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 광전극의 TEM 이미지이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 광전극의 UV-vis 스펙트라 및 염료흡착 측정 그래프이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 태양전지의 화학 커패시턴스 및 재결합 저항 측정 그래프이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 태양전지의 J-V Curve 측정 그래프이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 태양전지의 전자전달시간 측정 그래프이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 태양전지의 TEM-EDS 측정 그래프이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 태양전지의 EIS 측정 그래프이다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
상술한 바와 같이 현재 염료감응형 태양전지용 광전극으로 가장 많이 사용하는 TiO2 광촉매는 염료감응형 태양전지에 있어서 가장 높은 효율을 자랑하나, 실리콘태양전지를 포함한 기타 태양전지에 비하여 매우 낮은 효율에 속하기 때문에 효율개선을 개선할 필요가 있었다.
따라서, 이와 같이 염료감응형 태양전지의 낮은 효율을 개선하기 위하여 종래에 다양한 방법들이 시도되고 있으나, 염료감응형 태양전지의 광전 변환 효율 향상에 한계가 있었으며, 따라서 효율 향상을 위한 새로운 기술 개발이 절실히 요구되고 있다.
이에 본 발명은 티타늄산화물 전구체 용액, 실리카/질소 전구체 용액 및 폴리에틸렌글리콜(poly ethylene glycol)을 혼합, 반응 및 소성시켜서 실리카 및 질소가 도핑된 이산화티탄 반도체를 제조하는 1단계, 상기 이산화티탄 반도체, 용매 및 산(acid)을 포함하는 제1혼합액을 제조하는 2단계, 상기 제1혼합액에 그래핀 옥사이드(grapheme oxide)를 첨가하여 제2혼합액을 제조하는 3단계, 상기 제2혼합액을 초음파 처리하는 4단계, 초음파 처리된 제2혼합액에 테르피네올 및 에틸셀룰로오스를 첨가하여 교반 및 건조시켜 페이스트를 제조하는 5단계, 투명전극에 상기 페이스트를 도포하는 6단계 및 페이스트가 도포된 투명전극을 건조한 후, 소성시켜 광전극을 제조하는 7단계를 포함하는 염료감응형 태양전지용 광전극의 제조방법을 제공하여 상술한 문제의 해결을 모색하였다.
이를 통해 종래의 발명과는 달리 염료흡착율 및 전자이동도를 향상시켜서 광변환효율이 우수한 동시에 전자 재결합비율이 감소하여 전자의 수명이 증가하는 효과를 달성할 수 있다.
먼저, 염료감응형 태양전지용 광전극의 제조방법의 1단계로서, 티타늄산화물 전구체 용액, 실리카/질소 전구체 용액 및 폴리에틸렌글리콜(poly ethylene glycol)을 혼합, 반응 및 소성시켜서 실리카 및 질소가 도핑된 이산화티탄 반도체를 제조하는 단계를 설명한다.
상기 티타늄산화물 전구체 용액은 티타늄산화물 전구체 및 용매를 포함할수 있고, 상기 실리카/질소 전구체 용액은 질소 전구체, 실리카 전구체 및 증류수를 포함할 수 있다.
상기 티타늄산화물 전구체는 통상적으로 사용되는 티타늄산화물 전구체라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide)를 포함할 수 있고, 상기 질소 전구체는 통상적으로 사용되는 질소 전구체라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 HDTMA(Hexadecyltrimethylammonium), 요소(Urea) 및 함수암모니아(NH3·H2O) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 상기 실리카 전구체는 통상적으로 사용되는 실리카 전구체라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 실리카 졸을 포함할 수 있다.
한편, 상기 1단계는 1-1단계로서 티타늄산화물 전구체 및 용매를 45 ~ 75℃에서 10 ~ 50분 동안, 바람직하게는 50 ~ 70℃에서 20 ~ 40 분 동안 교반시켜서 티타늄산화물 전구체 용액을 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 만일 상기 교반온도가 45℃ 미만이면 티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide) 응집의 문제점이 있을 수 있고, 75℃를 초과하면 용매의 휘발이 촉진되어 백연이 발생할 수 있다. 또한, 만일 상기 교반시간이 10 분 미만이면 티타늄산화물 전구체 및 용매가 충분히 교반되지 않기 때문에 잘 혼합되지 않는 문제가 발생할 수 있고, 50 분을 초과하면 티타늄산화물 전구체 및 용매의 과도한 응집현상이 발생할 수 있다.
한편, 상기 1-1단계의 용매는 통상적으로 티타늄산화물 전구체를 용해시킬 수 있는 용매라면 제한되지 않으며, 바람직하게는 이소프로필알코올을 포함할 수 있다.
다음으로, 상기 1단계는 1-2단계로서 질소 전구체, 실리카 전구체 및 증류수를 15 ~ 45분 동안, 바람직하게는 20 ~ 40분 동안 교반시켜서 실리카/질소 전구체 용액을 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 만일 상기 교반 시간이 15 분 미만이면 질소 전구체, 실리카 전구체 및 증류수가 충분히 교반되지 않기 때문에 잘 혼합되지 않는 문제가 발생할 수 있고, 45분을 초과하면 용매의 과도한 응집현상 및 용액이 끓어넘치는 문제가 발생할 수 있다.
다음으로, 상기 1단계는 1-3단계로서 상기 티타늄산화물 전구체 용액 및 실리카/질소 전구체 용액을 혼합하여 15 ~ 45 분 동안, 바람직하게는 20 ~ 40 분 동안 교반시키고, 중량평균분자량 1000 ~ 3000인, 바람직하게는 1200 ~ 2800인 폴리에틸렌글리콜을 첨가하여 15 ~ 45 분 동안, 바람직하게는 20 ~ 40 분 동안 교반시켜서 전구체 용액을 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 만일 상기 티타늄산화물 전구체 용액 및 실리카/질소 전구체 용액을 혼합하는 시간이 15 분 미만이면 충분히 교반되지 않기 때문에 잘 혼합되지 않는 문제가 발생할 수 있고, 45 분을 초과하면 실리카 전구체, 질소 전구체 및 티타늄산화물 전구체의 과도한 혼합으로 인하여 과응집되는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 만일 상기 폴리에틸렌글리콜의 중량평균분자량이 1000 미만이면 티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide)와 HDTMA(Hexadecyltrimethylammonium, Aldrich)가 원활하게 섞이지 않는 문제가 있을 수 있고, 3000을 초과하면 입자간의 과도한 응집 현상이 발생할 수 있다. 또한, 상기 폴리에틸렌글리콜 첨가 후 교반시간이 15 분 미만이면 충분히 교반되지 않기 때문에 잘 혼합되지 않는 문제가 발생할 수 있고, 45 분을 초과하면 입자 간에 과응집되는 문제가 발생할 수 있다.
다음으로. 상기 1단계는 1-4단계로서 상기 전구체 용액을 400 ~ 600℃에서 1 ~ 3시간 동안, 바람직하게는 450 ~ 550℃에서 1.5 ~ 2.5 시간 동안 소성시켜서 실리카 및 질소가 도핑된 이산화티탄 반도체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 만일 상기 소성온도가 400℃ 미만이면, 용액이 포함한 수분이 전부 증발하지 못하는 문제가 발생할 수 있고, 600℃를 초과하면 실리카 및 질소가 도핑된 이산화티탄 반도체가 타는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 상기 소성 시간이 1 시간 미만이면 용액이 포함한 수분이 전부 증발하지 못하는 문제가 발생할 수 있고, 3 시간을 초과하면 실리카 및 질소가 도핑된 이산화티탄 반도체가 타는 문제가 발생할 수 있다.
다음, 염료감응형 태양전지용 광전극의 제조방법의 2단계로서, 상기 이산화티탄 반도체, 용매 및 산(acid)을 포함하는 제1혼합액을 제조하는 단계를 설명한다.
상기 2단계에서 사용되는 용매는 물, 에탄올, 메탄올 중에서 선택된 1종이상을 포함할 수 있으며, 상기 산은 질산 및 아세트산 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
다음, 염료감응형 태양전지용 광전극의 제조방법의 3단계로서, 상기 제1혼합액에 그래핀 옥사이드(grapheme oxide)를 첨가하여 제2혼합액을 제조하는 단계를 설명한다.
이 때, 상기 그래핀 옥사이드는 단층 또는 다층을 가질 수 있다. 또한, 상기 그래핀 옥사이드는 구입한 것을 사용할 수 있으며, 직접 제조한 것을 사용할 수 있는데, 직접 제조하여 사용하는 경우에는 흑연(graphite)을 휴머스 방법(hummer's method)으로 다층의 그래핀 옥사이드를 제조한 다음, 상기 다층의 그래핀 옥사이드를 초음파 처리하여 단층 및/또는 다층의 그래핀 옥사이드를 제조할 수 있다. 그리고, 제조한 단층 및/또는 다층의 그래핀 옥사이드를 원심분리 등 당업계에서 사용하는 일반적인 방법으로 분리하여 단층 그래핀 옥사이드만을 사용할 수 있다.
한편, 휴머스 방법(hummer's method)으로 그래핀 옥사이드를 제조하는 방법을 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
먼저, 오산화인(phosphorous (V) oxide, P2O5) 및 과산화이중황산칼륨(potassium peroxydisulfate, K2S2O8)을 황산(H2SO4)에 넣고, 기름중탕(Oil bath)에서 70 ~ 90℃를 유지하여 10 ~ 30분간 용해시킨 후, 흑연(graphite)와 황산을 넣고, 유리캡(glass cap)으로 덮어 3 ~ 6시간 동안 교반시킬 수 있다. 교반후 반응시킨 용액을 큰 삼각 플라스크(flask)에 옮겨 담고 증류수로 희석하여 종이필터로 여과한 후, 증류수로 pH 4.5 ~ pH 5.5까지 맞추고 18 ~ 30시간 건조하여 흑연(graphite) 분말을 전처리 할 수 있다.
다음으로, 삼각 플라스크(flask)에 황산을 투입 후 아이스 배스(ice bath)에서 10℃ 보다 낮은 온도로 교반하면서, 전처리한 흑연 분말을 소량씩 넣었고, 산화제인 과망간산칼륨(KMnO4)를 주입 후 유리캡(glass cap)으로 감싸 1 ~ 5시간 동안 방치하여 반응이 완료된 용액을 제조할 수 있다.
다음으로, 반응이 완료된 용액을 20 ~ 40℃ 욕조(bath)로 옮겨 다시 5 ~ 7시간 동안 반응시킨 후, 냉욕조(ice bath)에서 증류수를 주입하고, 과산화수소(H2O2)를 소량씩 투입하여 1 ~ 3시간 동안 침강시킬 수 있다. 이 후, 용액의 상등액은 버리고 침전물을 취하여 종이필터에 여과하고, 10% 염산(HCl) 수용액을 필터 케이크(filter cake) 위로 넣어 불순물을 제거한 후, 진공데시케이터에서 건조시킬 수 있다. 건조된 케이트(cake)는 아세톤(acetone)에 분산시켜 테프론 필터로 여과하여 건조하여 다시 한번 불순물을 제거할 수 있다.
마지막으로, 불순물이 제거된 케이크(cake)를 아세톤에 분산시킨 후 1 ~ 5시간동안 초음파 처리하고 2500 ~ 3500 rpm에서 10 ~ 20 분동안 원심분리 후, 침전물을 회수하는 과정을 3 ~ 5회 반복하며, 테플론 필터로 여과, 건조과정을 거치고, 증류수에 분산시킨 후, 1 ~ 3 시간 동안 초음파 처리하여 그래핀 옥사이드를 제조할 수 있다.
한편, 상기 3단계에서 상기 제1혼합액에 첨가되는 그래핀 옥사이드는 0.001mg/mL ~ 0.01mg/mL, 바람직하게는 0.005mg/mL ~ 0.01mg/mL 농도로 첨가될 수 있으며, 상기 농도 범위로 첨가될 때, 가장 우수한 염료흡착율을 보일 수 있다.
다음, 염료감응형 태양전지용 광전극의 제조방법의 4단계로서, 상기 제2혼합액을 초음파 처리하는 단계를 설명한다.
상기 4단계는 상기 제2혼합액을 28 ~ 40 kHz의 초음파 처리를 1 ~ 3분 동안, 바람직하게는 30 ~ 38 kHz의 초음파 처리를 1.5 ~ 2.5 분 동안 수행할 수 있으며, 이를 통해 제2혼합액의 분산을 활발히 할 수 있다. 만일 상기 초음파 처리가 28 kHz 미만이면 용액의 분산히 완전히 이루어지지 않는 문제가 발생할 수 있고, 40 kHz를 초과하면 입자가 파쇄될 수 있는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 만일 초음파 처리 시간이 1분 미만이면 용액의 분산히 완전히 이루어지지 않는 문제가 발생할 수 있고, 3분을 초과하면 입자가 파쇄될 수 있는 문제가 발생할 수 있다.
다음, 염료감응형 태양전지용 광전극의 제조방법의 5단계로서, 초음파 처리된 제2혼합액에 테르피네올 및 에틸셀룰로오스를 첨가하여 교반 및 건조시켜 페이스트를 제조하는 단계를 설명한다.
상기 테르피네올은 제2혼합액 100 중량부에 대하여 10 ~ 15중량부, 바람직하게는 11 ~ 14 중량부가 첨가될 수 있는데, 만일 10 중량부 미만으로 첨가되면, 용액이 페이스트화가 되지 않을 수 있는 문제가 발생할 수 있고, 15중량부를 초과하면, 제조하려는 페이스트의 성분이 변할 수 있는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 에틸셀룰로오스는 제2혼합액 100 중량부에 대하여 1.5 ~ 3 중량부, 바람직하게는 1.7 ~ 2.8 중량부가 첨가될 수 있는데, 만약 1.5 중량부 미만으로 첨가되면, 첨가되는 물질끼리 잘 섞이지 않는 문제가 발생할 수 있고, 3 중량부를 초과하면 교반 시 에틸셀룰로오스가 용액에 잘 용해되지 않는 문제가 발생할 수 있다.
다음, 염료감응형 태양전지용 광전극의 제조방법의 6단계로서, 투명전극에 상기 페이스트를 도포하는 단계를 설명한다.
구체적으로 상기 제6단계는 투명전극에 스핀 코팅법, 스크린 프린팅법, 스프레이 도장법, 닥터 블레이드 방법 및 스퀴즈(squeeze)방법 중에서 선택된 어느 하나의 방법으로 상기 페이스트를 도포하는 할 수 있으며, 바람직하게는 투명전극에 닥터 블레이드 방법을 통해 상기 페이스트를 도포할 수 있다.
상기 투명전극은 통상적으로 염료감응형 태양전지의 전도성 투명전극으로 사용되는 것이라면 특별한 제한이 없으나, 보다 바람직하게는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 및 트리아세틸셀룰로오스(TAC) 중 1종 이상을 포함하는 투명한 플라스틱 기판 또는 유리 기판 등의 투명 기판 상에 SnO2, ITO(indium tinoxide) 또는 FTO(fluoine-doped tin oxide)의 도전층 물질이 코팅된 것을 사용할 수 있다.
투명전극에 상기 페이스트는 10 ~ 25㎛ 두께로, 바람직하게는 15 ~ 20㎛의 두께로 도포될 수 있다. 만일 두께가 10㎛ 미만이면 염료흡착이 원활히 이루어지지 않는 문제가 발생할 수 있고, 25㎛를 초과하면 두께로 인해 전극 내 전자전달이 어려워 전류밀도가 감소하는 문제가 발생할 수 있다.
다음, 염료감응형 태양전지용 광전극의 제조방법의 7단계로서, 페이스트가 도포된 투명전극을 건조한 후, 소성시켜 광전극을 제조하는 단계를 설명한다.
구체적으로, 상기 건조는 50 ~ 70℃에서 10 ~ 30 분간, 바람직하게는 55 ~ 65℃에서 15 ~ 25 분간 수행할 수 있다. 만일 상기 건조온도가 50℃ 미만이면 소성 중 페이스트에 크랙(Crack)이 생성되는 문제가 발생할 수 있고, 70℃를 초과하면 입자간에 반응이 일어나는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 만일 상기 건조시간이 10분 미만이면 페이스트가 충분히 건조가 되지 않아서 크랙(Crack)이 생성되는 문제가 발생할 수 있고, 30 분을 초과하면 입자간에 반응이 일어나는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 상기 소성은 300 ~ 600℃에서 1 ~ 3 시간 동안, 바람직하게는 450 ~ 550℃에서 1.5 ~ 2.5 시간 동안 수행할 수 있다. 만일 상기 소성 온도가 300℃ 미만이면 페이스트가 투명전극 위에 제대로 고정되지 못하는 문제가 발생할 수 있고, 온도가 600℃를 초과하면 고온으로 인하여 TiO2의 아나타아제상이 줄어들고 루타일상이 증가하는 문제가 발생할 수 있다. 또한 말일 상기 소성 시간이 1시간 미만이면 페이스트가 투명전극 위에 제대로 고정되지 못하는 문제가 발생할 수 있고, 소성 시간이 3시간을 초과하면 TiO2의 아나타아제상이 줄어들고 루타일상이 증가하는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 상기 소성 시 온도상승속도는 3 ~ 7℃/min일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 염료감응형 태양전지용 광전극의 제조방법은 8단계로서, 상기 광전극을 사염화티타늄(TiCl4) 용액에 담지시킨 후, 50 ~ 90℃에서 15 ~ 45 분간, 바람직하게는 55 ~ 85℃에서 25 ~ 25 분간 건조하고, 300 ~ 600℃에서 15 ~ 45 분 동안, 바람직하게는 350 ~ 550℃에서 20 ~ 40 분 동안 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
만일 상기 건조하는 온도가 50℃ 미만이면 사염화티타늄(TiCl4)의 박막처리가 충분히 이루어 지지 않아 TiO2 입자들이 전극 표면에 반응하지 않는 문제가 발생할 수 있고, 90℃를 초과하면 사염화티타늄(TiCl4)용액의 증발로 인해 반응이 충분히 이루어지지 않는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 만일 상기 건조하는 시간이 15분 미만이면 사염화티타늄(TiCl4)의 TiO2입자들이 전극 표면에 반응하지 않는 문제가 발생할 수 있고, 45분을 초과하면 사염화티타늄(TiCl4)용액의 증발 인해 반응이 충분히 이루어지지 않는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 만일 상기 열처리하는 온도가 300℃ 미만이면 페이스트가 투명전극 위에 제대로 고정되지 못하는 문제가 발생할 수 있고, 600℃를 초과하면 고온으로 인하여 TiO2의 아나타아제상이 줄어들고 루타일상이 증가하는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 만일 상기 열처리하는 시간이 15분 미만이면 페이스트가 투명전극 위에 제대로 고정되지 못하는 문제가 발생할 수 있고, 45분을 초과하면 TiO2의 아나타아제상이 줄어들고 루타일상이 증가하는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 상기 소성시 온도상승속도는 3 ~ 7℃/min일 수 있다.
상기 8단계를 통해 광전극의 표면 상에 산화티타늄막을 형성할 수 있으며, 이를 통해 금속 산화물 입자와 염료 사이에 가교를 형성활 수 있는 역할을 함으로서 전자 이동도를 향상시키고, 전자-홀 재결합을 방지하여 광변환 효율을 현저히 향상시킬 수 있다.
상기 사염화티타늄(TiCl4) 용액의 용매는 이소프로필 알코올(Isopropyl alcohol), 메탄올(Methanol), 에탄올(Ethanol), 부틸 알코올(Butyl alcohol), 증류수 중 1종 이상을 포함할 수 있으며, 사염화티타늄 용액의 농도는 10 ~ 150 Mm, 바람직하게는 20 ~ 130 Mm 일 수 있다. 상기 사염화티타늄 용액의 농도가 10mM 미만일 경우 산화티타늄막이 제대로 형성되지 않아 전자의 재결합을 줄일 수 없는 문제가 발생할 수 있으며, 150 mM을 초과하는 경우 사염화티타늄의 강한 산성이 제조한 입자를 파괴하는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 염료감응형 태양전지용 광전극의 제조방법은 9단계로서, 상기 광전극에 염료를 흡착시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제9단계는 상기 광전극을 상온의 염료용액에 담지할 수 있고, 바람직하게는 40 ~ 60℃의 염료용액에 20 ~ 28 시간 동안, 바람직하게는 45 ~ 55℃의 염료용액에 22 ~ 26 시간 동안 담지시켜서 광전극에 염료를 흡착시킬 수 있다. 이 때, 온도가 40℃ 미만이거나, 시간이 20 시간 미만이면 염료분자의 흡착률이 감소하는 문제가 발생할 수 있고, 60℃를 초과하거나 시간이 28 시간을 초과하면 염료가 증발하는 문제가 발생할 수 있다.
상기 염료는 통상적으로 염료감응형 태양전지의 광전극에 흡착시켜 태양광을 흡수하여 전자를 제공하는 역할을 하는 것이라면 특별한 제한 없이 포함될 수 있으나, 바람직하게는 루테늄 착물; 로다민 B, 로즈벤갈, 에오신, 에리스로신 등의 크산틴계 색소; 퀴노시아닌, 크립토시아닌 등의 시아닌계 색소; 페노사프라닌, 카프리블루, 티오신, 메틸렌블루 등의 염기성 염료; 클로로필, 아연포르피린, 마그네슘 포르피린 등의 포르피린계 화합물; 기타 아조 색소; 프탈로시아닌 화합물; 안트라퀴논계 색소; 및 다환 퀴논계 색소 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 염료는 N3염료, N719염료, N749염료 및 N886염료 중 1종 이상을 포할 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 제조방법 중에서 어느 하나의 제조방법으로 제조한 염료감응형 태양전지용 광전극을 제조하고, 상기 염료감응형 태양전지용 광전극과 이격되어 대향하도록 상대전극을 배치하는 10단계 및 상기 광정극 및 상대전극 사이의 이격공간에 전해질을 주입하는 11단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법을 제공한다.
먼저, 앞서 언급한 본 발명의 염료감응형 태양전지용 광전극의 제조방법을 통해 광전극을 제조하고, 본 발명의 염료감응형 태양전지의 제조방법의 10단계로서 상기 광전극과 이격되어 대향하도록 상대전극을 배치한다.
상기 상대전극은 산화-환원 쌍(redox couple)을 활성화시키는 역할을 하며, 통상적으로 염료감응형 태양전지용 상대전극을 구성하는 것이라면 특별한 제한이 없으나, 본 발명의 상대전극에는 PET, PEN, PC, PP, PI 및 TAC 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 투명 플라스틱 기판 또는 유리 기판 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 기판을 포함할 수 있다. 그리고 상기 기판 상에는 ITO, FTO, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3 및 SnO2-Sb2O3중에서 선택되는 어느 하나 이상의 도전물질 코팅층을 포함할 수 있으며, 상기 도전물질 코팅층 상에 형성되는 금속층은 백금(Pt), 그래핀(Graphene) 및 탄소나노튜브(CNT,carbon nanotube) 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 그리고 상기 금속층은 전해질에 포함되어 있는 요오드와 화학적 반응성이 없는 전기 화학적으로 안정한 금속, 탄소, 전도성 고분자와 이들 간의 혼합물 등도 포함할 수 있다.
한편, 상대전극을 광전극과 이격되어 대향하도록 배치시킨 후 그 사이에 고분자막을 형성하여 고정시킬 수 있다. 고분자막은 열 또는 자외선에 의하여 경화되는 열가소성 고분자물질을 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 에폭시 수지를 포함할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 염료감응형 태양전지의 제조방법의 11단계로서 상기 광전극 및 상대전극 사이의 이격공간에 전해질을 주입한다.
상기 전해질은 통상적으로 염료감응형 태양전지에서 산화, 환원에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 염료에 전달하는 역할을 수행하는 것이라면 특별한 제한은 없으나, 보다 바람직하게는 통상의 요오드계 산화 및 환원 전해질을 사용할 수 있으며, 요오드를 아세토나이트릴에 용해시킨 용액 등을 사용할 수 있다.
한편, 본 발명은 실리카 및 질소가 도핑된 이산화티탄 반도체를 포함하고, 상기 실리카 및 질소가 도핑된 이산화티탄 반도체는 이산화티탄 입자 사이에 그래핀(grapheme)을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 광전극을 제공한다.
구체적으로, 도 2는 본 발명의 실리카 전구체 용액의 농도에 따른 염료감응형 태양전지용 광전극의 TEM 이미지인데, 이산화티탄 입자 사이에 그래핀(graphene)이 포함되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 염료감응형 태양전지용 광전극에 포함된 그래핀은 이산화티탄 입자 사이에서 가교역할을 함으로서, 비표면적을 상승시켜 염료흡착량을 증가시키는 역할을 할 수 있다. 광전극에 흡착되는 염료의 양은 전류 밀도와 밀접한 관계가 있으며, 이를 통해 광변환효율의 향상을 가져올 수 있는 것이다.
또한, 본 발명의 염료감응형 태양전지용 광전극은 X-선 회절 패턴(x-ray diffraction patterns) 측정시, 24.0˚ ~ 26.0˚에서 피크 강도(intensity) 1200 ~ 2000 a.u의, 바람직하게는 24.5˚ ~ 25.5˚에서 피크 강도(intensity) 1300 ~ 1800 a.u의 XRD 패턴(XRD pattern)이 관찰될 수 있다.
구체적으로 본 발명의 염료감응형 태양전지용 광전지는 scanning range 2θ = 10˚ to 60˚, scanning speed : 5˚/min에서, X-선 회절 패턴(x-ray diffraction patterns) 측정시, 24.0˚ ~ 26.0˚에서 XRD 패턴(XRD pattern)이 관찰될 수 있으며, 바람직하게는 24.5˚ ~ 25.5˚에서 XRD 패턴(XRD pattern)이 관찰될 수 있으며, 이를 통해, 앞서 언급한 제조방법에서 언급한 그래핀 옥사이드는 그래핀으로 환원됨을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 염료감응형 태양전지용 광전극은 도 3b를 참조하면, 485 ~ 510㎚ 파장에서 염료흡착율은 0.330 ~ 0.480 a.u, 바람직하게는 0.350 ~ 0.470 a.u일 수 있다.
한편, 본 발명은 투명전극, 상기 투명전극의 일면에 형성된 상기 상술한 광전극 중 어느 하나의 광전극, 상기 광전극에 이격되어 대항하도록 배치된 상대전극 및 상기 광전극 및 상대전극 사이의 이격공간에 개재된 전해질을 포함하는 염료감응형 태양전지를 제공한다. 이 때, 상기 광전극은 상술한 바와 같이 염료가 흡착되어 있다.
상기 투명전극은 통상적으로 염료감응형 태양전지의 전도성 투명전극으로 사용되는 것이라면 특별한 제한이 없으나, 보다 바람직하게는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 및 트리아세틸셀룰로오스(TAC) 중 1종 이상을 포함하는 투명한 플라스틱 기판 또는 유리 기판 등의 투명 기판 상에 SnO2, ITO(indium tinoxide) 또는 FTO(fluoine-doped tin oxide)의 도전층 물질이 코팅된 것을 사용할 수 있다.
상기 염료는 통상적으로 염료감응형 태양전지의 광전극에 흡착시켜 태양광을 흡수하여 전자를 제공하는 역할을 하는 것이라면 특별한 제한 없이 포함될 수 있으나, 바람직하게는 루테늄 착물; 로다민 B, 로즈벤갈, 에오신, 에리스로신 등의 크산틴계 색소; 퀴노시아닌, 크립토시아닌 등의 시아닌계 색소; 페노사프라닌, 카프리블루, 티오신, 메틸렌블루 등의 염기성 염료; 클로로필, 아연포르피린, 마그네슘 포르피린 등의 포르피린계 화합물; 기타 아조 색소; 프탈로시아닌 화합물; 안트라퀴논계 색소; 및 다환 퀴논계 색소 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 염료는 N3염료, N719염료, N749염료 및 N886염료 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 상대전극은 산화-환원 쌍(redox couple)을 활성화시키는 역할을 하며, 통상적으로 염료감응형 태양전지용 상대전극을 구성하는 것이라면 특별한 제한이 없으나, 본 발명의 상대전극에는 PET, PEN, PC, PP, PI 및 TAC 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 투명 플라스틱 기판 또는 유리 기판 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 기판을 포함할 수 있다. 그리고 상기 기판 상에는 ITO, FTO, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3 및 SnO2-Sb2O3중에서 선택되는 어느 하나 이상의 도전물질 코팅층을 포함할 수 있으며, 상기 도전물질 코팅층 상에 형성되는 금속층은 백금(Pt), 그래핀(Graphene) 및 탄소나노튜브(CNT,carbon nanotube) 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 그리고 상기 금속층은 전해질에 포함되어 있는 요오드와 화학적 반응성이 없는 전기 화학적으로 안정한 금속, 탄소, 전도성 고분자와 이들 간의 혼합물 등도 포함할 수 있다.
본 발명의 염료감응형 태양전지는 광전극 및 광전극에 대향되도록 배치된 상대전극은 고분자막으로 고정시킬 수 있다. 상기 고분자막은 열 또는 자외선에 의하여 경화되는 열가소성 고분자물질을 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 에폭시 수지를 포함할 수 있다.
상기 전해질은 통상적으로 염료감응형 태양전지에서 산화, 환원에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 염료에 전달하는 역할을 수행하는 홀전도 기능이 있는 유기반도체 소재라면 특별한 제한을 없으나, 보다 바람직하게는 통상의 요오드계 산화 및 환원 전해질을 사용할 수 있으며, 본 발명에서의 전해질은 LiI, NaI, KI, I2, 테트라-알킬 암모늄 아이오다이드(Tetra-alkyl ammonium iodide) 및 이미다졸리움 유도체 아이오다이드(Imidazolium derivative iodidies) 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 요오드계 화합물이 바람직할 수 있으며, 가장 바람직하게는 0.05 ~ 0.1 M I2 또는 0.1 ~ 0.5 M 이미다졸리움 유도체 아이오다이드(Imidazolium derivative iodidies)를 포함할 수 있다.
나아가, 본 발명의 염료감응형 태양전지는 광전류밀도(JSC)가 20.5 ~ 27mA/cm2이고, 광변환효율(η)이 6% ~ 10%, 바람직하게는 광전류밀도(JSC)가 21 ~ 26mA/cm2 이고, 광변환효율(η)이 6.2% ~ 9%일 수 있다.
또한, 본 발명의 염료감응형 태양전지는 전기화학적 임피던스 분광(electrochemical impedance spectroscopy) 측정 시, 직렬저항(siries resistance, Rs)이 30 ~ 40 Ω/㎠, 바람직하게는 31 ~ 38 Ω/㎠일 수 있다.
이하, 본 발명을 하기 실시예들을 통해 설명한다. 이때, 하기 실시예들은 발명을 예시하기 위하여 제시된 것일 뿐, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예들에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
준비예 1 : 실리카 및 질소가 도핑된 이산화티탄 반도체 제조
(1) 티타늄산화물 전구체인 0.1M의 티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide)을 용매인 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol, iPrOH, Daejung Chemical, 99%) 100ml에 첨가하여 60℃에서 30분 동안 교반시켜 티타늄(Ti)산화물 전구체 용액을 제조하였다.
(2) 질소 전구체인 HDTMA(Hexadecyltrimethylammonium, Aldrich) 3.64g을 증류수 100ml에 첨가하고, 실리카 전구체인 0.1mM의 실리카 졸을 투입하고 30분 동안 교반하여 실리카/질소 전구체 용액을 제조하였다.
(3) 상기 티타늄산화물 전구체 용액 및 실리카/질소 전구체 용액을 혼합하여 30분 동안 교반시키고, 중량평균분자량이 2000인 폴리에틸렌글리콜(poly ethylene glycol) 2g를 첨가하여 30분간 교반하여 전구체 용액을 제조하였다.
(4) 상기 전구체 용액을 500℃에서, 2시간 동안 소성(승온속도 : 5℃/min)시켜 실리카 및 질소가 도핑된 이산화티탄 반도체를 제조하였다.
준비예 2 : 그래핀 옥사이드 제조
(1) 오산화인(phosphorous (V) oxide, P2O5, ACS, 98% Alfa Aesar FW 141.94) 3.75g과 과산화이중황산칼륨(potassium peroxydisulfate, K2S2O8, ACS, 98% Alfa Aesar) 3.75g을 황산(H2SO4) 10ml에 넣고, 기름중탕(Oil bath)에서 80 ℃를 유지하여 20분간 용해시킨 후, 흑연(graphite, Bay carbon SP-1) 5g과 황산 9ml를 넣고, 유리캡(glass cap)으로 덮어 4.5시간 동안 교반시켰다. 교반 후 반응시킨 용액을 큰 삼각 플라스크(flask)에 옮겨 담고 1L의 증류수로 희석하여 종이필터 2장(GF/F 110mmØ)으로 여과한 후, 증류수로 pH 5.0까지 맞추고 24시간 건조하여 흑연(graphite) 분말을 전처리하였다.
(2) 삼각 플라스크(flask)에 황산 187.5ml를 투입 후 아이스 배스(ice bath)에서 10℃ 보다 낮은 온도로 교반하면서, 전처리한 흑연 분말을 소량씩 넣었고, 산화제인 과망간산칼륨(KMnO4)를 소량씩 주입 후 유리캡(glass cap)으로 감싸 3시간 동안 방치하여 반응이 완료된 용액을 제조하였다.
(3) 반응이 완료된 용액을 30℃ 배스(bath)로 옮겨 다시 6시간 동안 반응시킨 후, 아이스 배스(ice bath)에서 증류수를 천천히 주입하였다. 이 후, 과산화수소(H2O2)를 소량씩 투입하여, 색깔이 갈색으로 바뀌는 것을 확인하면서 2시간 동안 침강시킨다. 이 후, 이 용액의 상등액은 버리고 침전물을 취하여 종이필터 2장으로 여과하고, 10% 염산(HCl) 수용액을 필터 케이크(filter cake) 위로 넣어 불순물을 제거한 후, 진공데시케이터에서 건조시킨다. 건조된 케이트(cake)는 아세톤(acetone) 500ml에 분산시켜 테프론 필터로 여과하여 건조하여 다시 한번 불순물을 제거하였다.
(4) 2g의 불순물이 제거된 케이크(cake)를 아세톤 200ml에 분산시킨 후 3시간 동안 초음파 처리하고 3000 rpm에서 15 분 동안 원심분리 후, 침전물을 회수하는 과정을 4회 반복하여 실시하였으며, 테플론 필터로 여과, 건조과정을 거치고, 증류수 200ml에 분산시킨 후, 2시간 동안 초음파 처리하여 그래핀 옥사이드를 제조하였다.
실시예 1 : 염료감응형 태양전지용 광전극의 제조
(1)
페이스트
제조
1) 준비예 1에서 제조된 실리카 및 질소가 도핑된 이산화티탄 반도체 0.6g을 아세트산(acetic acid) 0.1ml에 첨가하여 교반시키면서, 증류수를 1분에 0.1ml씩 총 5회에 걸쳐 첨가시켰다. 그 후, 에탄올을 1분에 0.1ml씩 15회 첨가하고, 다시 0.25ml씩 6회 첨가하여 제1혼합액을 제조하였다.
2) 제조된 제1혼합액에 준비예 2에서 제조된 그래핀 옥사이드를 0.01mg/ml의 농도로 첨가 및 교반하여 제2혼합액을 제조하였다.
3) 울트라소닉혼(Ultrasonic horn)을 이용하여 상기 제2혼합액을 2분 동안 20kHz의 초음파 처리하였다.
4) 초음파 처리된 제2혼합액에 α-테르피네올 2g, 에틸셀루로오스 0.3g를 첨가하여 교반 및 건조시켜서 페이스트를 제조하였다.
(2)
광전극
제조
1) 에탄올에 담지시켜 25분간 초음파 세척한 FTO 투명기판에 닥터 블레이드(doctor blade)법을 이용하여 상기 페이스트를 도포하였다.
2) 페이스트가 도포된 투명전극을 60℃에서 15분 동안 건조시키고, 450℃에서 2시간 동안 소성(승온속도 : 5℃/min)하여 광전극을 제조하였다.
3) 제조된 광전극은 사염화티타늄(TiCl4) 용액에 담지시킨 후, 70℃에서 30분간 건조하고, 450℃에서 30분간 열처리(승온속도 : 5℃/min)하였다.
실시예 2
실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하되, 준비예 1의 실리카 전구체로 1mM 의 실리카 졸을 투입하여 광전극을 제조하였다.
실시예
3
실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하되, 준비예 1의 실리카 전구체로 10mM 의 실리카 졸을 투입하여 광전극을 제조하였다.
실시예
4
실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하되, 준비예 1의 실리카 전구체로 100mM 의 실리카 졸을 투입하여 광전극을 제조하였다.
비교예
1
실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하되, 준비예 1에서 실리카 전구체를 투입하지 않고 광전극을 제조하였다.
비교예
2
실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하되, 준비예 1에서 실리카 및 질소를 도핑하지 않고 광전극을 제조하였다.
실험예 1 :
X-선 회절 패턴 측정
실시예 1 ~ 4, 비교예 1 및 비교예 2의 전극의 크리스탈 구조를 분석하기 위해 XRD (RTP 300 RC, Rigaku)를 이용하였으며, 2θ = 10° to 60°에서 스캐닝 속도(scanning speed)를 5°/min으로 측정하였다.
도 1은 실시예 1 ~ 4, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 광전극의 XRP 패턴을 측정한 그래프이다. 25°에서 이산화티탄의 고유의 위상(phase)인 아나타아제 위상이 나타났다. 또한, 실시예 1 ~ 4, 비교예 1 및 비교예 2에서 실리카 전구체의 농도가 증가함에 따라 아나타아제 위상의 감도가 감소하게 되는데 이는 과도한 실리카 전구체 입자가 이산화티탄의 입자를 덮었기 때문이다. 각 샘플의 크리스탈사이즈는 Scherrer's equation에 의해 구할 수 있으며, 결과는 하기 표 1과 같았다.
| 구분 | 크리스탈사이즈(nm) |
| 실시예1 | 3.87 |
| 실시예2 | 4.38 |
| 실시예3 | 4.67 |
| 실시예4 | 5.02 |
| 비교예1 | 4.10 |
| 비교예2 | 4.32 |
이는 적정량의 실리카 전구체 첨가가 크리스탈 사이즈를 감소시켜 높은 염료흡착률을 가지게 됨을 의미한다.
한편, 실시예 1의 성분확인을 위해 TEM-EDS를 측정하였으며 결과는 도 7과 같다. 실시예 1의 TEM-EDS 결과, N, Ti, O 및 Si 피크가 나타났으며 이를 통해 각 물질의 존재를 확인할 수 있었다.
실험예 2 :
입자 크기 측정
실시예 1 ~ 4, 비교예 1 및 비교예 2의 입자 크기를 측정하기 위해 TEM (JEM-2010, EOL)을 이용하였으며, 비표면적 측정은 BET방식(Quadrasorb SI, Quantachrome, USA)을 이용하여 계산하였다.
도 2는 실시예 1 ~ 4, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 광전극의 TEM 이미지이며, 입자 크기의 측정 결과 및 비표면적 측정결과는 하기 표 2와 같았다.
| 구분 | 입자사이즈(nm) | 비표면적(g/m2) |
| 실시예1 | 25 | 72 |
| 실시예2 | 22 | 94 |
| 실시예3 | 20 | 124 |
| 실시예4 | 16 | 171 |
| 비교예1 | 30 | 63 |
| 비교예2 | 35 | 58 |
표 2에서 볼 수 있듯이 입자크기가 감소함에 따라 높은 비표면적을 형성하는 것을 알 수 있다. 이는 입자크기가 감소함에 따라 염료흡착률이 더욱 증가함을 의미한다.
또한, 실리카 전구체의 농도가 높아짐에 따라 비표면적이 증가했는데, 이는 이산화티탄 입자보다 실리카 전구체의 입자가 작기 때문에 실리카 전구체의 첨가로 인하여 비표면적이 증가했음을 의미한다. 특히 10 mM 이상의 실리카 전구체가 첨가된 실시예 3 및 4는 입자끼리의 뭉침현상이 일어나며 실리카 전구체 입자의 증가로 이산화티탄 표면을 덮게 됨으로써 염료흡착률이 감소하게 된다. 이는 N719가 이산화티탄의 카르복시기에만 반응하기 때문이다.
실험예 3 :
UV-vis 스펙트라 및 염료흡착 측정
실시예 1 ~ 4, 비교예 1 및 비교예 2의 UV-vis 스펙트라 및 염료흡착을 측정하기 위해 UV-vis spectrophotometer (S-400, Sinco)를 이용하여 측정하였다.
도 3은 실시예 1 ~ 4, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 광전극의 UV-vis 스펙트라 및 염료흡착을 측정한 그래프이다. 도 3a는 UV-vis 스펙트라를 측정한 그래프인데, 비교예 1의 경우 이산화티탄에 질소가 첨가됨으로써 반응영역이 가시광영역으로 증가하였으며, 실시예 1의 경우 빛의 산란 효과로 인해 가장 넓은 반응영역을 나타내었다. 하지만 실시예 3 및 실시예 4는 자외선 영역에서만 반응하였으며, 이는 과도한 실리카 전구체 첨가로 인해 입자가 용이하게 분산되지 않기 때문이라고 판단된다. 밴드갭 에너지 측정 결과는 하기 표 3과 같다.
| 구분 | 밴드갭 에너지(eV) |
| 실시예1 | 3.03 |
| 실시예2 | 3.08 |
| 실시예3 | 3.10 |
| 실시예4 | 3.20 |
| 비교예1 | 3.05 |
| 비교예2 | 3.13 |
상기 표 3에서 알 수 있듯이, 실시예 1은 가장 작은 밴드갭 에너지를 나타내었다. 이는 컨덕션 밴드(conduction band)와 벨런스 밴드(valence band)의 준위차가 작음을 의미하며, 전자가 빠르게 움직일 수 있음을 뜻한다. 이는 염료감응형 태양전지의 광변환효율에 영향을 준다.
염료흡착율은 실시예 1 ~ 4 및 비교예 1 ~ 2의 광전극에 각각 염료(N719)을 24시간 동안 흡착시키고, 1 mM KOH 수용액으로 탈착시켜 UV-vis 분광광도계(UV-vis spectrophotometer)로 측정하였다.
측정 결과, 염료흡착률은 실시예1 > 실시예 2 > 비교예 1 > 실시예 3 > 실시예 4 > 비교예 2 순으로 나타났으며, 실시예 1이 가장 높은 염료흡착을 보였는데 이는 적절한 실리카 전구체와 질소의 첨가가 입자의 크기 감소에 기인했기 때문이라고 판단된다.
제조예
1 : 염료감응형 태양전지의 제조
(1) 실시예 1에서 제조된 광전극을 염료(N719)에 침지하고, 24시간 동안 방치하여 염료가 흡착된 광전극을 제조하였다.
(2) 그리고, 상대전극을 제작하기 위해서 FTO 투명기판에 전해질을 주입하기 위한 구멍을 샌드블라스트(sand-blaste)로 뚫고 스핀코더(1200rpm/sec)를 사용하여 10mM 백금 용액을 균일하게 도포하고, 350℃에서 1시간 동안 소성시켜 상대전극을 완성하였다.
(3) 다음 FTO 투명기판과 상대전극을 접합시키기 위해 접착지인 썰린(surlyn)지를 일정한 크기로 자르고, 두 전극을 압착시켜 오븐에 90℃ 건조시켰다. 최종적으로 조립한 기판의 상대전극 홀(hole)에 전해질(Solaronix, Iodolyte AN-50) 을 주입하고, 3M 테이프로 구멍을 막아 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
제조예
2
제조예 1과 동일하게 실시하여 제조하되, 실시예 1에서 제조된 광전극 대신 실시예 2에서 제조된 광전극을 사용하여 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
제조예
3
제조예 1과 동일하게 실시하여 제조하되, 실시예 1에서 제조된 광전극 대신 실시예 3에서 제조된 광전극을 사용하여 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
제조예
4
제조예 1과 동일하게 실시하여 제조하되, 실시예 1에서 제조된 광전극 대신 실시예 4에서 제조된 광전극을 사용하여 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
비교제조예
1
제조예 1과 동일하게 실시하여 제조하되, 실시예 1에서 제조된 광전극 대신 비교예 1에서 제조된 광전극을 사용하여 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
비교제조예
2
제조예 1과 동일하게 실시하여 제조하되, 실시예 1에서 제조된 광전극 대신 비교예 2에서 제조된 광전극을 사용하여 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
실험예 4 : 염료감응형 태양전지의
저항 평가
제조예 1, 비교제조예 1 및 비교제조예 2의 염료감응형 태양전지를 전기화학적 임피던스 분광(electrochemical impedance spectroscopy, EIS, 1.5 AM illumination, 0.1 Hz to 100 kHz, AC 0.1V )을 이용하여 저항을 측정하였으며, 이를 도 8에 나타내었다. 도 8은 0.65V에서 0.8V까지 전압 별로 EIS를 측정을 했다. 첫 번째 반원 RFTO는 FTO 기판의 저항과 두 번째 반원 Rtn은 TiO2 전자 수송에 대한 저항과 세 번째 반원 Rd는 전해질의 정공에 대한 확산저항을 나타냈다. 전체적인 셀의 직렬(series) 저항 Rs,total 은 하기 수학식 1로 구할 수 있다.
[수학식 1]
제조예 1, 비교제조예 1 및 비교제조예 2에 대하여 전기전도도차(Ec), 초기전류밀도(Joc), 초기저항(Ro) 및 직렬저항(Rs)을 측정하여 하기 표 4에 나타내었다.
| 구분 | △Ec(eV) | Joc(mA/cm2) | Ro(Ω·cm2) | Rs(Ω·cm2) |
| 제조예1 | 0.00 | 9.17×10-5 | 1.40×10-9 | 33.07 |
| 비교제조예1 | 0.03 | 7.38×10-5 | 8.70×10-8 | 36.85 |
| 비교제조예2 | 0.07 | 2.17×10-5 | 6.76×10-8 | 46.18 |
상기 표 4에서 제조예 1은 비교제조예 1 및 비교제조예 2에 비하여 직렬저항이 작음에 따라 전자 재결합 감소로 인한 전자의 수명 증가로, 염료감응형 태양전지의 광전류에 영향을 미친다.
도 4는 제조예 1, 비교제조예 1 및 비교제조예 2의 화학 커패시턴스 (Cμ) 및 재결합 저항(Rr)을 나타낸다. 도 4a는 화학 커패시턴스 (Cμ) 및 재결합 저항(Rr)을 나타낸 것이고, 도 4b는 직렬 저항의 효과 없이 페르미 레벨 전압에서 화학 커패시턴스 (Cμ) 및 재결합 저항(Rr)을 나타낸 것이고, 도 4c 및 도 4d는 모든 동일 셀의 모든 컨덕션 밴드를 만들기 위한 동등한 컨덕션 밴드 전압에서 얻어진 화학 커패시턴스 (Cμ)의 보정값 및 재결합 저항(Rr)의 보정값을 나타낸다.
Bisquert와 그의 팀에서 소개한 방법으로, 하기 수학식 2 ~ 7로 계산한 값을 도 4에 나타내었다.
[수학식 2]
[수학식 3]
[수학식 4]
[수학식 5]
[수학식 6]
상기 수학식 2 ~ 6에 따른 설명 및 계산 방법은 이미 이전에 공지된 방법(Seong-Bum Kim, Jun-Yong Park ,Chan-Soo Kim, Kikuo Okuyama, ,Sung-Eun Lee ,Hee-Dong Jang ,Tae-Oh Kim, Effects of Graphene in Dye-Sensitized Solar Cells Based on Nitrogen-Doped TiO2 Composite, J. Phys. Chem. C 2015, 119, 1655216559) 인 바, 구체적인 설명은 생략한다.
도 4a는 Cμ 및 VF 분석으로부터 실리카전구체 및/또는 질소의 첨가로 제조예 1 및 비교제조예 1의 컨덕션 밴드 엣지(Ec)가 하향천이(downward shift) 된 것을 확인할 수 있다. 낮은 위치의 컨덕션 밴드는 염료에서 이산화티탄으로의 전자 주입을 용이하게 하고 염료감응형 태양전지의 광전류를 증가시킨다. 도 4a 및 도 4b에서 제조예 1은 컨덕션 밴드의 이동과 재결합 저항이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 전자 재결합의 감소로 인하여 전자의 수명과 광전류가 증가될 수 있음을 판단할 수 있다.
도 4c와 도 4d는 VF 와는 대조적으로 동등한 일반 컨덕션 밴드(equivalent common conduction band, Vech)에서 Cμ와 Rr 을 산출한 결과이다. Vech는 하기 수학식 7로 계산하였다.
[수학식 7]
도 4d에서 Rr의 산출결과, 동일한 Ec level에서 비교제조예 2의 Rr 수치가 제조예 1 및 비교제조예 1에 비하여 낮게 산출되었으며 이는 비교제조예 2에서의 전자 재결합 비율이 가장 높다는 것을 의미한다.
실험예
5 : 염료감응형 태양전지의 성능평가
제조예 1 ~ 4, 비교제조예 1 및 비교제조예 2의 염료감응형 태양전지를 1.5AM 100 mW/㎠의 솔라 시뮬레이터(Xe 램프[300W, Oriel], AM1.5 filter 및 Keithley SMU2400으로 구성됨)를 이용하여 에너지 변환효율의 측정하였으며 J - V curve 측정 결과는 도 5에 나타내었고, 인자 값은 하기 표 5에 나타내었다.
| 구분 | Jsc(mA/cm2) | Voc(V) | FF(%) | η(%) |
| 제조예1 | 24.05 | 0.63 | 56.47 | 8.68 |
| 제조예2 | 21.90 | 0.64 | 55.75 | 7.88 |
| 제조예3 | 15.96 | 0.63 | 53.81 | 5.41 |
| 제조예4 | 8.68 | 0.66 | 59.25 | 3.42 |
| 비교제조예1 | 20.35 | 0.60 | 46.47 | 5.80 |
| 비교제조예2 | - | - | - | - |
측정결과, 제조예 1은 비교제조예 2에 비하여 약 49.7%, 비교제조예 1에 비하여 약 34.6% 향상된 효율인 8.68%의 효율을 나타내었다. 이는 적정량의 실리카 전구체 및 질소의 첨가로 인해 높은 염료흡착률 및 전자이동도를 형성하였고, Jsc가 향상되었기 때문이라고 판단된다. 하지만 농도 10mM 이상의 실리카 전구체를 첨가한 제조예 3 및 제조예 4는 급격한 효율저하를 나타내었는데, 이는 과도한 실리카 전구체가 광촉매인 이산화티탄을 덮어 염료와 반응하지 못했기 때문이다.
실험예 6 : 전자이동속도 평가
제조예 1, 비교제조예 1 및 비교제조예 2의 염료감응형 태양전지를 460nm 파장, 1.0 ~ 2.5 V 전압에서 IMPS(intensity modulated photocurrent spectroscopy, Modulight-module)를 이용하여 전자전달시간(electron transport time)을 측정하였으며, 그 측정값을 도 6에 나타내었다.
IMPS는 여기된 전자가 광전극을 통하여 FTO 기판에 도달하는 평균시간을 의미하며 전자 전달 시간(electron transport time)이라고 한다. IMVS는 여기된 전자가 재결합되는 평균 시간을 의미하며 전자 재결합 시간(electron recombination time)이라고 한다. 이는 하기 수학식 8 및 9에 의해 계산된다.
[수학식 8]
[수학식 9]
도 6a는 IMPS 결과 그래프로써, 도 6a에서 제조예 1의 평균 전달 시간은 0.0013sec, 비교제조예 1의 평균 전달 시간은 0.0025sec 및 비교제조예 2의 평균 전달 시간은 0.0033sec로 측정되었으며, 제조예 1의 전달 시간이 가장 작을 값을 나타내었다.
도 6b는 IMVS 결과 그래프로써, 도 6b에서 제조예 1의 재결합 시간은 0.0813sec, 비교제조예 1의 재결합 시간은 0.0667sec 및 비교제조예 2의 재결합 시간은 0.0505sec로 측정되었다. 이러한 결과는 실리카 전구체의 첨가로 인해 전자이동성이 증가하고 전하 수송시간이 빨라졌으면 재결합비율이 감소했지 때문이라고 판단된다.
Claims (14)
- 티타늄산화물 전구체 및 용매를 45 ~ 75에서, 10 ~ 50분 동안 교반시켜서 티타늄산화물 전구체 용액을 제조하는 1-1단계;
질소 전구체, 농도 0.1 ~ 1 mM의 실리카 전구체 및 증류수를 15 ~ 45분 동안 교반시켜서 실리카/질소 전구체 용액을 제조하는 1-2단계;
상기 티타늄산화물 전구체 용액 및 실리카/질소 전구체 용액을 혼합하여 15 ~ 45 분 동안 교반시키고, 중량평균분자량 1000 ~ 3000인 폴리에틸렌글리콜을 첨가하여 15 ~ 45분 동안 교반시켜서 전구체 용액을 제조하는 1-3단계; 및
상기 전구체 용액을 400 ~ 600에서 1 ~ 3시간 동안 소성시켜서 실리카 및 질소가 도핑된 이산화티탄 반도체를 제조하는 1-4단계;
상기 이산화티탄 반도체, 용매 및 산(acid)을 포함하는 제1혼합액을 제조하는 2단계;
상기 제1혼합액에 그래핀 옥사이드(graphene oxide)를 첨가하여 제2혼합액을 제조하는 3단계;
상기 제2혼합액을 초음파 처리하는 4단계;
초음파 처리된 제2혼합액에 테르피네올 및 에틸셀룰로오스를 첨가하여 교반 및 건조시켜 페이스트를 제조하는 5단계;
투명전극에 상기 페이스트를 도포하는 6단계; 및
페이스트가 도포된 투명전극을 건조한 후, 소성시켜 광전극을 제조하는 7단계;를 포함하는 염료감응형 태양전지용 광전극의 제조방법. - 제1항에 있어서, 상기 티타늄산화물 전구체 용액은 티타늄산화물 전구체 및 용매를 포함하고,
상기 실리카/질소 전구체 용액은 질소 전구체, 실리카 전구체 및 증류수를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 광전극의 제조방법. - 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 티타늄산화물 전구체는 티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide)를 포함하고,
상기 질소 전구체는 HDTMA(Hexadecyltrimethylammonium), 요소(Urea) 및 함수암모니아(NH3·H2O) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하며,
상기 실리카 전구체는 실리카 졸을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 광전극의 제조방법. - 제1항에 있어서, 상기 그래핀 옥사이드(graphene oxide)는 0.001㎎/㎖ ~ 0.01㎎/㎖의 농도로 첨가되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 건조는 50 ~ 70℃에서 10 ~ 30 분간 수행하고,
상기 소성은 300 ~ 600℃에서 1 ~ 3 시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 광전극의 제조방법. - 제1항에 있어서, 상기 7단계의 광전극을 사염화티타늄(TiCl4) 용액에 담지시킨 후, 50 ~ 90℃에서 15 ~ 45 분간 건조하고, 300 ~ 600℃에서 15 ~ 45 분 동안 열처리하는 8단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제7항에 있어서, 열처리한 광전극에 염료를 흡착시키는 9단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 광전극의 제조방법.
- 제1항, 제2항, 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 제조방법으로 제조되며,
실리카 및 질소가 도핑된 이산화티탄 반도체를 포함하고,
상기 실리카 및 질소가 도핑된 이산화티탄 반도체는 이산화티탄 입자 사이에 그래핀(grapheme)을 포함하며,
UV-vis 분광광도계(UV-vis spectrophotometer)로 측정시, 485 ~ 510㎚ 파장에서 염료흡착량은 0.330 ~ 0.480 a.u인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 광전극. - 제9항에 있어서, 상기 염료감응형 태양전지용 광전극은 X-선 회절 패턴(x-ray diffraction patterns) 측정시, 24.0˚ ~ 26.0˚에서 1200 ~ 2000 a.u의 피크를 가지는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 광전극.
- 삭제
- 투명전극;
상기 투명전극의 일면에 형성된 제9항의 광전극;
상기 광전극에 이격되어 대항하도록 배치된 상대전극; 및
상기 광전극 및 상대전극 사이의 이격공간에 개재된 전해질;을 포함하고,
광전류밀도(Jsc)가 20.5 ~ 27mA/㎠ 이고, 광변환효율(η)이 6 ~ 10%인 염료감응형 태양전지. - 삭제
- 제12항에 있어서, 상기 염료감응형 태양전지는 전기화학적 임피던스 분광(electrochemical impedance spectroscopy) 측정 시, 직렬저항(series resistance, Rs)이 30 ~ 40 Ω/㎠인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160042465A KR101776141B1 (ko) | 2016-04-06 | 2016-04-06 | 염료감응형 태양전지용 광전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 염료감응형 태양전지 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160042465A KR101776141B1 (ko) | 2016-04-06 | 2016-04-06 | 염료감응형 태양전지용 광전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 염료감응형 태양전지 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101776141B1 true KR101776141B1 (ko) | 2017-09-07 |
Family
ID=59925655
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020160042465A KR101776141B1 (ko) | 2016-04-06 | 2016-04-06 | 염료감응형 태양전지용 광전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 염료감응형 태양전지 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101776141B1 (ko) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101296173B1 (ko) * | 2010-11-19 | 2013-08-13 | 서울대학교산학협력단 | 이산화티탄 나노입자를 주입한 이산화티탄 나노튜브 막에 기초한 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법 |
| KR101409067B1 (ko) * | 2013-03-25 | 2014-06-19 | 금오공과대학교 산학협력단 | 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법 |
-
2016
- 2016-04-06 KR KR1020160042465A patent/KR101776141B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101296173B1 (ko) * | 2010-11-19 | 2013-08-13 | 서울대학교산학협력단 | 이산화티탄 나노입자를 주입한 이산화티탄 나노튜브 막에 기초한 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법 |
| KR101409067B1 (ko) * | 2013-03-25 | 2014-06-19 | 금오공과대학교 산학협력단 | 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Aboulouard et al. | Dye sensitized solar cells based on titanium dioxide nanoparticles synthesized by flame spray pyrolysis and hydrothermal sol-gel methods: a comparative study on photovoltaic performances | |
| Dong et al. | Insight into perovskite solar cells based on SnO2 compact electron-selective layer | |
| Park et al. | Copper and nitrogen doping on TiO2 photoelectrodes and their functions in dye-sensitized solar cells | |
| Lim et al. | Reduced graphene oxide–titania nanocomposite‐modified photoanode for efficient dye‐sensitized solar cells | |
| Sun et al. | Hydrothermal synthesis of TiO 2 nanotubes and their application as an over-layer for dye-sensitized solar cells | |
| Chang et al. | Optimization of dye adsorption time and film thickness for efficient ZnO dye-sensitized solar cells with high at-rest stability | |
| Liu et al. | Enhanced performance for dye-sensitized solar cells based on spherical TiO2 nanorod-aggregate light-scattering layer | |
| Lee et al. | Preparations of TiO2 pastes and its application to light-scattering layer for dye-sensitized solar cells | |
| Kumar et al. | Role of chenodeoxycholic acid as co-additive in improving the efficiency of DSSCs | |
| Lei et al. | A novel hierarchical homogeneous nanoarchitecture of TiO2 nanosheets branched TiO2 nanosheet arrays for high efficiency dye-sensitized solar cells | |
| Momeni | Dye-sensitized solar cells based on Cr-doped TiO2 nanotube photoanodes | |
| Pan et al. | TiO2-B nanobelt/anatase TiO2 nanoparticle heterophase nanostructure fabricated by layer-by-layer assembly for high-efficiency dye-sensitized solar cells | |
| Khannam et al. | An efficient quasi-solid state dye sensitized solar cells based on graphene oxide/gelatin gel electrolyte with NiO supported TiO2 photoanode | |
| TWI396778B (zh) | 鐵酸鋅薄膜及其製備方法與運用 | |
| Chang et al. | Polyimide-based covalent organic framework as a photocurrent enhancer for efficient dye-sensitized solar cells | |
| Alavi et al. | Improvement of power conversion efficiency of quantum dot-sensitized solar cells by doping of manganese into a ZnS passivation layer and cosensitization of zinc-porphyrin on a modified graphene oxide/nitrogen-doped TiO2 photoanode | |
| Teh et al. | Nanoporous tin oxide photoelectrode prepared by electrochemical anodization in aqueous ammonia to improve performance of dye sensitized solar cell | |
| Irannejad et al. | Enhanced efficiency of dye-sensitized solar cell by using a novel modified photoanode with platinum C3N4 nanotubes incorporated Ag/TiO2 nanoparticles | |
| Hamadanian et al. | Dependence of energy conversion efficiency of dye-sensitized solar cells on the annealing temperature of TiO2 nanoparticles | |
| JP2011236104A (ja) | 酸化チタン構造体及びその製造方法、並びに酸化チタン構造体を用いた光電変換装置 | |
| Liu et al. | Improved performance of dye-sensitized solar cells: an TiO2–nano-SiO2 hybrid photoanode with post-treatment of TiCl4 aqueous solution | |
| Nursam et al. | Analysis of Catalytic Material Effect on the Photovoltaic Properties of Monolithic Dye-sensitized Solar Cells | |
| Huang et al. | Bilayer TiO2 photoanode consisting of microspheres and pyramids with reinforced interface connection and light utilization for dye-sensitized solar cells | |
| Nakayama et al. | Electrophoretically deposited TiO2 nanotube light-scattering layers of dye-sensitized solar cells | |
| Huo et al. | Fabrication a thin nickel oxide layer on photoanodes for control of charge recombination in dye-sensitized solar cells |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |