KR101860231B1 - 자화를 이용한 반도체 코팅막 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 강자성체가 포함된 반도체를 자화시키는 공정을 이용하여 자화 전에 비하여 반도체의 전자이동도를 높여주고 밴드갭 에너지를 낮추어 주어 반도체 성능을 향상시킬 수 있는 자화를 이용한 반도체 코팅막 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 자화를 이용한 반도체 코팅막 제조방법에 관한 것으로서, 제조된 코팅막은 자화단계를 거치지 않은 코팅막에 비해 밴드갭 에너지가 낮아져 반도체 성능 및 광촉매 성능이 개선되며, 이를 이용하여 태양전지용 전극을 제조할 경우 태양전지의 발전 효율의 개선을 기대할 수 있다.
Description
본 발명은 강자성체가 포함된 반도체를 자화시키는 공정을 이용하여 자화 전에 비하여 반도체의 전자 이동도를 높여주고 밴드갭 에너지를 낮추어 주어 반도체 성능을 향상시킬 수 있는 자화를 이용한 반도체 코팅막 제조방법에 관한 것이다.
최근 석유에너지의 사용으로 인한 지구의 온난화, 기상이변, 그리고 일본 후쿠시마 원자력 발전소에서 발생된 사고를 통해 보여지는 원자력 에너지처럼 환경적 재앙을 일으키지 않는 새로운 에너지에 대하여 전 세계적으로 주목을 하고 있으며 또한 이에 대해 활발한 연구가 진행되고 있다. 특히 청정에너지 중 태양의 빛 에너지를 이용하는 태양광 발전은 연료가 필요 없어 환경적 공해를 발생시키지 않고 또한 소음을 발생시키지 않으며 작동이 간편하고 무인화가 용이하며 에너지 생산에 따른 부산물이 나오지 않는 장점을 가지고 있어서 청정에너지 중 가장 주목받는 에너지라고 할 수 있다.
태양전지는 연구개발을 통해 지속적으로 발전하였고 최근에는 유기물 태양전지, 화합물 태양전지, 박막형 태양전지, 실리콘 태양전지, 염료형 태양전지 등 다양한 태양전지가 개발되었다. 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 것으로 실리콘 태양전지가 현재 대부분을 차지한다. 그러나 실리콘 태양전지를 활용한 전기에너지는 수력, 원자력, 화력 등 다른 발전에너지원에 비해 발전 단가가 높다는 문제점이 있다. 따라서 기존 실리콘 태양전지의 가격 문제점을 해결하고자 최근 들어 박막 태양전지에 대한 관심이 급증하고 있으며 미래의 태양전지 기술로 가격 경쟁력이 있는 박막 태양전지 연구가 집중되고 있다. 이 중 특히 염료 감응 태양전지는 값싼 유기 염료와 나노 기술을 이용하여 저렴하면서도 다른 종류의 박막 태양전지들 보다 고도의 에너지 효율을 낼 수 있기 때문에 좀 더 관심을 갖게 되었다.
염료감응 태양전지의 장점으로는 첫째, TiO2와 염료의 사용으로 제작비용이 저렴(실리콘 태양전지 대비 예상단가 최대 1/5)하고 제조공정이 간편하여 차세대 태양전지로 범용화가 되어 시장선점과 활성화를 기대할 수 있다. 둘째, 무독성 소재를 사용하여 이산화탄소 배출이 감소한다는 것이다. 셋째, 광 투과성이 높고 다양한 색상을 나타낼 뿐만 아니라 가볍고 유연성이 있어 SEV(Sunrise Energy Ventures), BIPV(Building Integrated Photovoltaic) System 등과 같은 건물 외장형 태양광 발전시스템의 적용이 가능하다는 것이다. 넷째, 빛이 약하거나 흐린 날에도 사용할 수 있어 실내발전이 가능하고 북향에서도 성능이 우수하여 환경제약을 크게 받지 않는다는 것이다. 입사각 변화에 따라 효율감소가 적으며, 온도가 상승할수록 효율 또한 증가한다.
이러한 장점을 가지고 있는 반면에 염료감응 태양전지의 상업용 효율이 4~7%로 실리콘 태양전지의 상업용 효율 약 14~17%에 비해 낮은 효율로 인해 상용화가 어려우며, 안정성이 부족한 문제가 있었다..
본 발명의 목적은, 강자성체가 포함된 반도체 혼합물의 반도체 성능을 개선시키기 위한 물질 제조하기 위한 방법을 제공하기 위한 것이며, 또 다른 목적은 개선된 성능의 반도체 혼합물을 이용하여 염료감응 태양전지 등의 태양전지의 전자 이동 물질의 성능을 개선시키기 위한 태양전지용 전자이동 물질을 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 반도체를 포함하는 반도체조성물을 마련하는 단계, 상기 반도체조성물에 강자성체를 혼합하여 반도체-강자성체 복합물을 만드는 단계, 상기 반도체-강자성체 복합물을 이용하여 기재 상에 반도체-강자성체 코팅막을 형성하는 단계, 상기 반도체-강자성체 코팅층을 자화시키는 단계를 포함하는 전자이동도가 향상된 자화를 이용한 반도체 코팅막 제조방법으로 달성된다.
상기 반도체는 광촉매 물질일 수 있다.
상기 코팅층을 자화시키는 단계와 상기 코팅막을 형성하는 단계 사이에는 상기 코팅막 상에 다른 물질층을 형성하거나 결합하는 단계를 포함하지 않을 수 있다.
상기 광촉매 물질은 TiO2, ZnO, CdS, ZrO2, V2O3, WO3, 및 페로브스카이트 중 선택되는 적어도 하나이거나 또는 둘 이상의 복합체일 수 있다.
상기 강자성체는 Fe3O4, Mn, Co, 및 Si의 원소가 포함된 화합물 중 선택되는 적어도 하나이거나 또는 둘 이상의 복합체일 수 있다.
상기 반도체-강자성체 복합물의 형상은 페이스트, 혼합용액, 슬러리, 솔 및 겔 중 선택되는 적어도 하나일 수 있다.
상기 자화는 0.5 테슬라(T) 이상의 자력을 가하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 자화는 진동 샘플 자력계(VSM)를 이용하여 수행할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 또 다른 해결수단으로서, 상기의 전자이동도가 향상된 자화를 이용한 반도체 코팅막 제조방법에 의해 제조된 코팅막을 포함하는 전극층에 의해 달성된다.
상기 목적을 달성하기 위한 또 다른 해결수단으로서, 상기의 전자이동도가 향상된 자화를 이용한 반도체 코팅막 제조방법에 의해 제조된 코팅막을 포함하는 염료감응 태양전지에 의해 달성된다.
본 발명은 자화를 이용한 반도체 코팅막 제조방법에 관한 것으로서, 제조된 코팅막은 자화단계를 거치지 않은 코팅막에 비해 밴드갭 에너지가 낮아져 반도체 성능 및 광촉매 성능이 개선되며, 이를 이용하여 태양전지용 전극을 제조할 경우 태양전지의 발전 효율의 개선을 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 자화 전후의 전류량 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 밴드갭 에너지 그래프이다.
도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지 전극을 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 밴드갭 에너지 그래프이다.
도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지 전극을 나타낸 사진이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일 예에 불과하므로 본 발명의 사상이 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예에 따른 자화를 이용한 반도체 코팅막 제조방법은 다음과 같다:
a) 반도체를 포함하는 반도체조성물을 마련하는 단계;
b) 상기 반도체조성물에 강자성체를 혼합하여 반도체-강자성체 복합물을 만드는 단계;
c) 상기 제2단계의 반도체-강자성체 복합물을 이용하여 기재 상에 반도체-강자성체 코팅막을 형성하는 단계;
d) 상기 반도체-강자성체 코팅층을 자화시키는 단계.
상기 반도체를 포함하는 반도체조성물에서의 반도체는 일반적인 반도체 물질을 의미하나, 더욱 바람직하게는 염료감응 태양전지 전극에 활용될 수 있는 반도체 물질이면 더욱 좋다. 또한, 광촉매 특성을 나타내는 반도체 물질일 수도 있다. 대표적으로는 TiO2가 있으며, TiO2는 광촉매 특성으로 잘 알려져 있으나, 염료감응 태양전지의 전극재료에서도 많이 활용되며, 반도체 성능에 대해서도 잘 알려진 광촉매 특성 반도체 물질이다. 이외에도 각종 광촉매나 반도체 등의 용도로도 본 발명의 제조방법에 의한 재료로 활용 가능하다. 상기 광촉매 물질은 TiO2를 비롯하여 ZnO, CdS, ZrO2, V2O3, WO3, 및 페로브스카이트 중 선택되는 적어도 하나이거나 또는 둘 이상의 복합체도 가능하다.
상기 반도체조성물에 강자성체를 혼합하여 반도체-강자성체 복합물을 만드는 단계에서의 강자성체는 일반적인 강자성체 물질이면 특별히 제한되지는 않으나, 반도체 물질에 고용체를 형성하거나 도핑되는 물질이 바람직하다. 본 발명에서는 Fe3O4를 이용하여 실험을 진행하였으나 특별히 한정되지는 않으며, Fe2O3, Ni, 및 Fe 등의 물질도 유사한 결과를 나타낼 것으로 기대된다.
상기 반도체-강자성체 복합물의 형상은 이후 단계에서 코팅막을 만들기 위한 형상이면 특별히 제한되지는 않는다. 전극 제조 등을 위해서는 전극물질과 혼합한 페이스트 상이 바람직하며, 슬러리나 솔, 젤 등도 가능하다. 혼합물질에 따라서 혼합용액 형태가 좋을 수도 있다. 오염물 분해, 수소 제조 등의 광촉매 특성을 이용하기 위한 용도의 코팅막을 제조하기 위해서는 솔 및 젤 등의 형태가 바람직하며 도료 등의 조성물에 포함될 수도 있다.
본 발명에서의 가장 중요한 단계인 자화 단계는, 종래의 기술들이 강자성체 혼합물을 형성한 후에도 별다른 처리에 대해 기술하지 않는 것과 크게 차별화되며, MRAM 등의 기술 등에서 자화물질을 이용한 반도체에서 디바이스 형성 이후에 자화 단계를 거치는 것과도 차별화된다. 본 발명에서의 자화단계는 상기 코팅층을 자화시키는 단계와 상기 코팅막을 형성하는 단계 사이에 상기 코팅막 상에 다른 물질층을 형성하거나 결합하는 단계를 포함하지 않는 것을 특징으로 한다. 즉 코팅층 형성 후 다른 층과의 결합 또는 다른 물질로 코팅층을 커버하기 전에 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 자화 단계에서 자화는 0.5 테슬라(T) 이상의 자력을 가하는 것이 바람직하다. 0.5 테슬라보다 작게 자화시키게 되면, 강자성체를 포함한 반도체의 전자 이동도 향상이 약하게 이루어져 자화 단계 전후의 차이가 크지 않게 된다. 본 실험에서는 2 테슬라 범위까지 자력을 증가시키며 자화를 하였으며, 자력이 강할수록 전자이동도가 증가함을 확인하였다. 따라서 본 발명의 실험을 통해서 0.5 테슬라 내지 2 테슬라 범위에서의 전자이동도 증가를 확인하였고, 이를 통해 밴드갭 에너지가 낮아져 반도체 성능의 개선을 기대할 수 있었다. 디바이스나 다른 장치에 무리가 가지 않는 한은 더 높은 테슬라 범위에서도 전자 이동도 개선의 효과가 있을 것으로 예상된다.
본 발명에서 코팅막에 자화를 한 장비는 진동 샘플 자력계(VSM)였다. 이는 샘플의 자력을 측정하는 장비로 사용되는 것이 일반적이지만, 자력의 측정을 위해 샘플에 자력을 부여하게 되므로, 본 발명에서는 종래의 진동 샘플 자력계의 용도를 변화시켜 코팅막에 자력을 부여하는 장비로 활용하였다. 하지만, 진동 샘플 자력계와 유사한 원리로 샘플에 자력을 부여할 수 있는 장비라면 특별히 제한되지 않는다.
본 발명에서는 상기 자화를 이용한 반도체 코팅막 제조방법에 의해 제조된 코팅막을 이용하여 태양전지용 전극층을 형성하였으며, 이렇게 형성된 전극층을 이용하여 염료감응 태양전지를 제조하여 태양전지의 전기변환 효율을 측정하여 종래의 염료감응 태양전지에 비해 전기변화 효율이 개선됨을 확인하였다.
실험예
일반적인 TiO2 페이스트 제조방법에 따라 전극용 TiO2 페이스트를 제조한다. TiO2 페이스트에 5~30 wt% Fe3O4 를 혼합하여 Fe3O4/TiO2 페이스트를 제조한다. 상기 페이스트를 코팅하기 위해 FTO Glass를 준비하며, 준비된 FTO Glass 상에 상기 페이스트를 코팅한다. 코팅된 페이스트는 450℃의 소성기에서 1시간 동안 하소하며, 하소 후 자연 건조를 추가적으로 더 수행하여 일 전극을 형성한다. N719dye 0.03g을 에탄올 100ml에 24시간 혼합하여 염료용액을 준비한다. 상기 형성된 일전극과 염료용액을 같은 용기에 담고 빛을 차단한 상태에서 24시간 흡착시킨다. 흡착시킨 일 전극을 VSM 장비를 활용하여 1.5T(Tesla)로 조립 전 자화를 시킨다. 자화된 일 전극과 결합시킬 상대전극을 Pt 페이스트를 코팅한 후 450℃ 소성기에서 1시간 하소하여 자연건조 시켜 제조한다. 자화된 일 전극과 상대전극을 100℃에서 5분간 설린 접합시킨다. 이후 전해질 주입 후 설린으로 마감작업을 하여 염료감응 태양전지를 제조한다.
도 1은 자화를 수행하기 전후의 10 wt%의 Fe3O4가 함침된 TiO2 코팅막을 이용하여 전류량 측정을 한 결과를 나타낸 그래프이다. 자화를 수행하기 전 전류는 약 1.3mA를 나타냈으나, 자화를 수행한 이후에는 약 2.7에서 3.0 mA 사이의 값을 나타내어 전류량이 개선된 것을 확인하였다.
도 2는 자화 전후의 밴드갭 에너지의 변화를 나타낸 그래프로서, 도 2의 (a)는 TiO2 광촉매 만을 이용한 코팅막의 밴드갭 에너지를 측정한 그래프이고, 도 2의 (b)는 10 wt%의 Fe3O4가 함침된 TiO2 코팅막의 자화 이후 밴드갭 에너지를 측정한 그래프이다.
이와 같이 자화를 통한 전극제조 방법으로 제조된 반도체는 밴드갭 에너지가 감소하였고, 이를 통해 태양전지의 광전변환효율을 측정한 결과 개선되었음을 확인할 수 있었다.
전술한 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 예시로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형하여 본 발명을 실시하는 것이 가능할 것이므로, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
Claims (10)
- 반도체를 포함하는 반도체조성물을 마련하는 단계;
상기 반도체조성물에 강자성체를 혼합하여 반도체-강자성체 복합물을 만드는 단계;
상기 반도체-강자성체 복합물을 이용하여 기재 상에 반도체-강자성체 코팅막을 형성하는 단계;
상기 반도체-강자성체 코팅막을 자화시키는 단계; 를 포함하며,
상기 반도체는 광촉매 물질이며, 상기 광촉매 물질은 TiO2, ZnO, CdS, ZrO2, V2O3, WO3, 및 페로브스카이트 중 선택되는 적어도 하나이거나 또는 둘 이상의 복합체이고,
상기 강자성체는 Fe3O4, Mn, Co, 및 Ni의 원소가 포함된 화합물 중 선택되는 적어도 하나이거나 또는 둘 이상의 복합체인 것; 을 특징으로 하는 밴드갭 에너지가 감소하고 전자이동도가 향상되어 광전변환효율이 개선된 자화를 이용한 반도체 코팅막 제조방법. - 삭제
- 제1항에서,
상기 코팅막을 자화시키는 단계와 상기 코팅막을 형성하는 단계 사이에는 상기 코팅막 상에 다른 물질층을 형성하거나 결합하는 단계를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 밴드갭 에너지가 감소하고 전자이동도가 향상되어 광전변환효율이 개선된 자화를 이용한 반도체 코팅막 제조방법. - 삭제
- 삭제
- 제1항에서,
상기 반도체-강자성체 복합물의 형상은 페이스트, 혼합용액, 슬러리, 솔 및 겔 중 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 밴드갭 에너지가 감소하고 전자이동도가 향상되어 광전변환효율이 개선된 자화를 이용한 반도체 코팅막 제조방법. - 제1항에서,
상기 자화는 0.5 테슬라(T) 이상의 자력을 가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 밴드갭 에너지가 감소하고 전자이동도가 향상되어 광전변환효율이 개선된 자화를 이용한 반도체 코팅막 제조방법. - 삭제
- 제1항의 방법에 의해 제조된 코팅막을 포함하는 전극층.
- 제1항의 방법에 의해 제조된 코팅막을 포함하는 염료감응 태양전지.
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