KR101934472B1 - 티타늄 도핑된 탄소 박막을 이용한 염료감응형 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 티타늄 도핑된 탄소 박막을 이용한 염료감응형 태양전지에 관한 것으로, 기판; 및 기판 상부 또는 하부에 형성되고, 티타늄 도핑 탄소 박막으로 구성되는 작업전극을 포함하는 염료감응형 태양전지를 제공한다.
Description
본 발명은 티타늄(Ti) 도핑된 탄소 박막을 작업전극으로 이용한 전도성 투명전극이 없는(TCO-less) 염료감응형 태양전지에 관한 것이다.
광합성 원리를 이용한 고효율 광전기화학적 태양전지로써 염료감응 태양전지(dye-sensitized solar cells, DSSCs)가 대표적이며, 일반적인 염료감응 태양전지는 TiO2 산화물 반도체 광전극, 염료, 전해질, 백금이 코팅된 상대전극으로 구성되어 있다. 염료감응 태양전지의 가장 큰 장점은 저가이며, 제작 방법이 간단하고 빛의 이용률이 매우 우수한 소자이다. 그러나, 염료감응 태양전지의 밀봉과 누액 현상 문제 등으로 장기 수명이 보장되지 않아 상품화에도 많은 어려움을 가지고 있다. 또한, 염료감응형 태양전지에서 사용되는 FTO(fluorine doped tin oxide) 전극은 가격 면에서 큰 비중을 차지하기 때문에, DSSC의 저가화를 위하여 기존 작업전극의 대체 전극이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 Ti 도핑된 탄소 박막을 작업전극으로 이용한 투명 TCO-less 염료감응형 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위해, 기판; 및 기판 상부 또는 하부에 형성되고, 티타늄 도핑 탄소 박막으로 구성되는 작업전극을 포함하는 염료감응형 태양전지를 제공한다.
본 발명에서 티타늄 도핑 탄소 박막의 두께는 50 내지 300 nm일 수 있다.
본 발명에서 티타늄 도핑 탄소 박막은 불소 도핑 주석 산화물 전극이 증착되지 않는 유리 기판 또는 실리콘 기판 위에 비대칭 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여 제작된 것일 수 있다.
본 발명에서 티타늄 도핑 탄소 박막은 타켓으로 4인치 흑연과 티타늄을 사용하고, 기판과 타겟까지의 거리는 6±1 cm로 고정하며, 기판은 15±5 rpm의 속도로 회전시키고, 증착전 챔버의 초기 진공도는 0.5×10-5 Torr를 유지하며, 순도 99 내지 99.999%의 아르곤을 스퍼터링 가스로 사용하고, 증착 공정 압력은 5×10-3 Torr로 설정하며, 흑연 타겟의 외부 전자석 파워는 2.5 A의 직류 전류로 고정하고, 내부 전자석 파워는 1.5 A의 직류 전류로 고정하며, 티타늄 타겟의 외부 전자석 파워는 1.5 A의 직류 전류로 고정하고, 내부 전자석 파워는 1.0 A의 직류 전류로 고정하여 제작된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 염료감응형 태양전지는 기판 및 작업전극 사이에 10±2 nm 두께의 패턴화된 TiC 접착층을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에서 티타늄 도핑 탄소 박막의 표면 거칠기는 2 내지 4 nm, 비저항은 1×10-4 내지 70×10-4 Ωcm, 표면저항은 1 내지 250 Ω/square일 수 있다.
본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 변환효율은 1 내지 5%, 개방전압은 0.7 내지 0.8 V, 단락전류는 7 내지 11 mA/㎠, 필 팩터는 30 내지 60%일 수 있다.
본 발명에서는 소재 비용의 절반 이상을 차지하는 FTO 등의 전도성 투명전극을 대체할 수 있는 TiC 작업전극을 제공함으로써, 염료감응형 태양전지의 저가격화를 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 태양전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 Ti 도핑 탄소 박막의 제조장치이다.
도 3은 본 발명에 따른 스퍼터링 방법에 의해 제작된 약 200 nm 두께의 TiC 필름의 FESEM 표면 및 단면 이미지를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따라 다양한 필름 두께로 제작된 TiC 필름의 Rms 표면 거칠기 및 Rp-v 값을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따라 다양한 필름 두께로 제작된 TiC 필름의 비저항 및 표면저항을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따라 다양한 필름 두께로 제작된 TiC 작업전극을 이용한 TCO-less DSSCs의 전류밀도-전압 곡선을 나타낸 것이다.
도 7은 탄소 전극 적용 TCO-less DSSC의 등가 저항을 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 Ti 도핑 탄소 박막의 제조장치이다.
도 3은 본 발명에 따른 스퍼터링 방법에 의해 제작된 약 200 nm 두께의 TiC 필름의 FESEM 표면 및 단면 이미지를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따라 다양한 필름 두께로 제작된 TiC 필름의 Rms 표면 거칠기 및 Rp-v 값을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따라 다양한 필름 두께로 제작된 TiC 필름의 비저항 및 표면저항을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따라 다양한 필름 두께로 제작된 TiC 작업전극을 이용한 TCO-less DSSCs의 전류밀도-전압 곡선을 나타낸 것이다.
도 7은 탄소 전극 적용 TCO-less DSSC의 등가 저항을 분석한 결과를 나타낸 것이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명은 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 태양전지의 단면도로서, 기판(10), 접착층(20), 광전극층(30), 염료(40), 작업전극(50), 전해질(60), 측면 실링재(70), 백금층(80), 상대전극(90), 전해질 주입공(100), 하부 실링재(110) 등을 포함할 수 있다.
기판(10)은 태양광을 투과하도록 투명할 수 있고, 예를 들어 유리 기판, 실리콘 기판 등일 수 있다.
접착층(20)은 기판(10)과 작업전극(50) 사이에 형성되고, 기판(10)과 광전극층(30) 사이의 부착력을 개선하는 역할을 하며, 작업전극(50)과 마찬가지로 티타늄 도핑 탄소 박막(TiC 접착층)으로 구성될 수 있고, 10±2 nm의 두께를 가질 수 있다. TiC 접착층(20)은 기판(10)의 전면에 코팅되는 것이 아니라, 패턴화된 층으로 형성해야 한다.
광전극층(30)은 n형 반도체 역할을 하는 넓은 밴드 갭을 갖는 반도체 산화물로 구성될 수 있고, 예를 들어 TiO2 등으로 구성될 수 있다.
염료(40)는 태양광을 흡수하기 위한 것으로, Ru계 염료 등을 사용할 수 있다.
작업전극(50)은 본 발명에 따른 티타늄 도핑 탄소 박막(TiC 필름)으로 구성될 수 있다. 본 발명은 염료감응형 태양전지의 저가격화를 위해, 소재 비용의 절반 이상을 차지하는 기존 FTO 등의 전도성 투명전극을 대체할 수 있도록, Ti 도핑된 탄소 박막을 작업전극으로 이용한 것을 특징으로 한다. Ti 도핑 탄소박막은 TiO2 접촉면에서의 높은 전기 전도성을 가지는 재료이다.
티타늄 도핑 탄소 박막의 두께는 50 내지 300 nm, 바람직하게는 100 내지 300 nm, 더욱 바람직하게는 150 내지 250 nm일 수 있다. 박막 두께에 따라 결정성, 표면 거칠기, 비저항, 표면저항 등의 물성이 달라질 수 있으며, 상술한 두께 범위에서 우수한 물성을 나타낼 수 있다. 특히, 200±20 nm의 두께에서 최대 효율을 얻을 수 있다.
티타늄 도핑 탄소 박막의 표면 거칠기(Rms)는 2 내지 4 nm, 바람직하게는 2.2 내지 4 nm, 더욱 바람직하게는 2.4 내지 4 nm일 수 있다. 티타늄 도핑 탄소 박막의 비저항은 1×10-4 내지 70×10-4 Ωcm, 바람직하게는 1×10-4 내지 30×10-4 Ωcm, 더욱 바람직하게는 1×10-4 내지 20×10-4 Ωcm일 수 있다. 티타늄 도핑 탄소 박막의 표면저항은 1 내지 250 Ω/square, 바람직하게는 1 내지 150 Ω/square, 더욱 바람직하게는 1 내지 100 Ω/square일 수 있다.
전해질(60)은 p형 반도체 역할을 하는 것으로, 예를 들어 요오드계 전해질(I-/I3-)을 사용할 수 있다.
측면 실링재(70) 및 하부 실링재(110)는 전해질(60)의 유출 방지, 태양전지 손상 방지 등을 위해 설치되는 것으로, 예를 들어 고분자 실링재, 유리계 실링재(glass frit 등) 등을 사용할 수 있다.
백금층(80)은 포괄적으로 상대전극에 포함되는 것으로, 예를 들어 PtCl4 등으로 구성될 수 있다.
상대전극(90)은 통상의 FTO 기판으로 구성될 수 있고, 내부에는 전해질을 주입하기 위한 전해질 주입공(100)이 하나 이상 형성될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 Ti 도핑 탄소 박막의 제조장치를 나타낸 것으로, 티타늄 도핑 탄소 박막은 불소 도핑 주석 산화물 전극이 증착되지 않는 유리 기판 또는 실리콘 기판(p-타입) 위에 비대칭 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여 제작할 수 있다. 도 2는 비대칭 마그네트론 스퍼터링 장치(Unbalanced magnetron sputtering device)로서, 챔버의 내부 중앙에는 기판이 기판 홀더에 장착되고, 기판 홀더는 회전 지그에 장착되며, 회전 지그는 챔버 상단에 설치된 모터에 의해 구동되고, 회전 지그의 회전에 의해 기판이 회전한다. 챔버의 내부 좌측 벽에는 티타늄 타켓이 장착되고, 티타늄 타켓은 전원과 연결된다. 챔버의 내부 우측 벽에는 흑연 타켓이 장착되고, 흑연 타켓은 전자석 코일과 연결되며, 전자석 코일은 내부 전자석 코일과 2개의 외부 전자석 코일로 구성된다. 챔버의 하단에는 메인 밸브 및 고진공용 터보 펌프가 설치되고, 터보 펌프는 포어라인(foreline)과 연결되며, 포어라인에는 포어라인 밸브가 설치된다. 챔버의 우측 하부에는 러핑(roughing)라인이 연결되고, 러핑라인에는 러핑 밸브가 설치되며, 러핑라인의 말단부에는 저진공용 로터리 펌프가 설치된다. 포어라인과 러핑라인은 로터리 펌프 부근에서 합류할 수 있다. 챔버의 좌측 상부에는 스퍼터링 가스용 가스라인이 연결된다.
구체적으로, 티타늄 도핑 탄소 박막은 타겟으로 4인치 흑연과 티타늄을 사용하고, 기판과 타겟까지의 거리는 6±1 cm로 고정하며, 기판은 15±5 rpm의 속도로 회전시키고, 증착전 챔버의 초기 진공도는 0.5×10-5 Torr를 유지하며, 순도 99 내지 99.999%의 아르곤을 스퍼터링 가스로 사용하고, 증착 공정 압력은 5×10-3 Torr로 설정하며, 흑연 타겟의 외부 전자석 파워는 2.5 A의 직류 전류로 고정하고, 내부 전자석 파워는 1.5 A의 직류 전류로 고정하며, 티타늄 타겟의 외부 전자석 파워는 1.5 A의 직류 전류로 고정하고, 내부 전자석 파워는 1.0 A의 직류 전류로 고정함으로써 제작할 수 있다. 상술한 수치범위는 우수한 물성의 티타늄 도핑 탄소 박막을 제조하기 위해 최적으로 설정된 범위이다.
본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 변환효율(CE)은 1 내지 5%, 바람직하게는 3 내지 5%, 더욱 바람직하게는 4 내지 5%일 수 있다. 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 개방전압(Voc)은 0.7 내지 0.8 V, 바람직하게는 0.72 내지 0.8 V, 더욱 바람직하게는 0.74 내지 0.8 V일 수 있다. 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 단락전류(Jsc)는 7 내지 11 mA/㎠, 바람직하게는 9 내지 11 mA/㎠, 더욱 바람직하게는 10 내지 11 mA/㎠일 수 있다. 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 필 팩터(FF)는 30 내지 60%, 바람직하게는 40 내지 60%, 더욱 바람직하게는 50 내지 60%일 수 있다.
이하, 실시예를 들어 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.
[실시예]
본 실시예에서는 금속 도핑 탄소 박막을 작업전극의 대체 전극으로 제안하였으며, 특히 TiO2 접촉면에서의 저항성과 높은 전기 전도성을 가지는 재료로써 Ti를 금속 도핑 물질로 선택하였다. 본 실시예에서는 TCO-less 염료감응형 태양전지를 제작하기 위한 Ti 도핑 탄소 박막을 비대칭 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여 제작하였으며, Ti 도핑 탄소 박막은 스퍼터 시간을 달리하여 박막의 두께를 다르게 하였다. 스퍼터 시간에 따라 제작된 Ti 도핑 탄소 박막의 전기적, 광학적, 구조적 특성들을 고찰하였으며, 박막 특성의 최적 조건들을 이용하여 TCO-less DSSC를 제작하고 소자 특성을 평가하였다.
1. 실험 방법
FTO 전극이 증착되지 않는 유리 기판과 실리콘 기판(p-type) 위에 비대칭(unbalanced) 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여 Ti 도핑 탄소(TiC) 박막을 제작하였다. 4인치 흑연(graphite)과 티타늄(Ti)의 2개의 타겟을 사용하였고, 기판과 타겟까지의 거리는 6 cm로 고정하였으며, 기판은 균일한 증착을 위해 15 rpm의 속도로 일정하게 회전시켰다. TiC 박막 증착전 챔버의 초기 진공도는 0.5×10-5 Torr를 유지하였고, 순도 99.99%의 아르곤(Ar)을 스퍼터링 가스로 사용하였으며, TiC 박막 증착 공정 압력은 5×10-3 Torr로 설정하였다. 흑연 타겟의 전자석 파워는 2.5 A의 직류 전류로 고정하고, 내부 전자석 파워는 1.5 A의 직류 전류로 고정하고, 티타늄 타겟의 외부 전자석 파워는 1.5 A의 직류 전류로 고정하고, 내부 전자석 파워는 1.0 A의 직류 전류로 고정하였으며, 상온에서 증착시간을 다르게 하면서 증착하여 TiC 박막의 두께를 100, 200, 300 nm로 제작하였고, 제작된 TiC 박막의 전기적, 광학적, 구조적 특성을 고찰하였다.
박막 특성의 최적 조건을 바탕으로 TiC 전극이 적용된 TCO-less 염료감응형 태양전지(TCO-less DSSC)를 제작하였다. TCO-less 염료감응형 태양전지의 작업전극(working electrode)을 제작하기 위해, FTO가 코팅되지 않는 순수 유리기판 위에 접착 특성을 향상하도록 스퍼터를 이용하여 TiC 접착층을 10 nm의 두께로 증착하고, 접착층 위에 10 ㎛ 두께의 나노결정형 TiO2 광전극층을 코팅하였으며, 퍼니스(furnace)를 이용하여 550℃의 온도에서 60분간 열처리를 하였다. 열처리된 TiO2 광전극 위에 스퍼터 장치를 이용하여 TiC 작업전극을 증착하였으며, 시간을 다르게 하여 50, 100, 200, 300 nm의 다양한 두께로 증착하였다. TiC 전극 증착 후 TiO2 층의 염료 흡착을 위해 N719 염료를 사용하여 24시간 동안 담가 두어 작업전극을 완성하였다. FTO 전도성 유리 면에 전해질 주입을 위한 2개의 구멍을 제작하고, PtCl4 도포 후 450℃의 온도에서 30분간 소성하여 상대전극(counter electrode)을 완성하였다. 작업전극과 상대전극을 맞댄 셀을 실링하고 홀에 전해액을 투입하여 TCO-less DSSC를 완성하였다.
스퍼터로 두께가 다르게 제작된 TiC 작업전극의 구조, 표면 및 전기적 특성들은 FESEM(field emission scanning electron microscope, XL-40aFEG, 10 kV), AFM(atomic force microscope, NITECH, SPM 400), 4-포인트 프로브(4-point probe, CMT-ST1000) 장치로 고찰하였으며, 제작된 염료감응형 태양전지 소자의 전기적 특성은 솔라 시뮬레이터(solar simulator, Abet Technologies, 30W Xelamp AM1.5) 장치로 측정하였다.
2. 결과 및 고찰
도 3은 스퍼터로 제작된 200 nm 두께의 TiC 박막의 표면이미지(도 3a)와 단면이미지(도 3b)를 나타낸다. 스퍼터로 제작된 TiC 박막은 결함이 없는 균일하고 부드러운 표면 특성을 나타내지만, 박막 두께 증가를 위한 박막 증착시간의 증가는 박막 표면에 온도를 증가시키고, 스퍼터링 효과를 증가시켜 표면에서 박막의 밀도 증가와 결정성 증가에 따른 그레인의 크기를 증가시킨다.
도 4는 다양한 두께로 제작된 TiC 박막의 Rms 표면 거칠기 특성을 나타내며, 결과에서 보듯이, 박막의 두께를 증가시키기 위한 박막 증착 시간의 증가 및 두께에 상관없이 매우 균일하고 부드러운 상태이며, TiC 박막 두께가 증가할수록 Rms 표면 거칠기 값은 2.0 nm에서 3.1 nm의 값으로 증가하였다. FESEM 결과에서 확인할 수 있듯이, 박막의 두께 증가를 위해 증가된 증착시간은 박막 표면에서 이온 충돌을 증가시키고, Ti 금속과의 결합을 증가시켜 그레인 크기의 증가를 야기한다. 다시 말해, 이온 이식과 리스퍼터링(resputtering)의 증가로 향상된 박막 밀도는 표면에서 표면 거칠기의 증가에 기여한다.
도 5는 다양한 박막 두께로 제작된 TiC 박막의 비저항(Resistivity) 및 표면저항(sheet resistance) 값의 변화를 보여준다. 결과에서 보듯이, 비저항과 표면저항 값은 탄소 박막의 두께가 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내었으며, 비저항과 표면저항의 최소값은 탄소 박막의 두께가 300 nm일 때 각각 9.8×10-4 Ωcm 및 47.1 Ω/square를 나타내었다. 이러한 결과는 박막의 두께가 증가할수록 증가된 박막의 결정성 향상과 관계된다. 다시 말해, 박막의 증가된 결정성은 박막의 전기적 전도 특성 향상에 기여한다.
표 1은 다양한 필름 두께로 제작된 TiC 작업전극을 이용한 TCO-less DSSC의 광전지 성능(Photovoltaic performance) 데이터를 나타낸 것이다.
| 두께 | CE(%) | Voc(V) | Jsc(mA/㎠) | FF(%) |
| 50 nm | 1.68 | 0.759 | 7.06 | 31.30 |
| 100 nm | 4.25 | 0.733 | 10.04 | 55.43 |
| 200 nm | 4.28 | 0.745 | 10.54 | 56.83 |
| 300 nm | 3.39 | 0.725 | 9.31 | 50.30 |
도 6은 다양한 두께로 제작된 TiC 작업전극을 적용한 TCO-less DSSC 소자의 전기적 특성을 나타낸다. TCO-less DSSC 소자의 셀 특성을 조사하기 위해, AM-1.5 조건(300W 제논 램프, 100mW/㎠)의 빛을 조사하여 전류-전압 특성을 확인하였으며, 개방전압, 단락전류, 곡선인자, 변환효율 등의 태양전지 특성을 고찰하였다. 결과는 도 6 및 표 1에서 확인할 수 있으며, TCO-less DSSC의 최대 변환효율은 200 nm 두께의 TiC 작업전극을 적용한 TCO-less DSSC임을 확인하였고, 그때의 변환 효율은 4.28%을 나타났으며, 그때의 Jsc, Voc 및 FF는 각각 10.54 mA/㎠, 0.745 V, 56.83%를 나타내었다. 결과에서 확인할 수 있듯이, Jsc와 FF의 변화에 TiC 박막의 두께가 밀접한 관련이 있음을 확인하였다. 특히 TiC 전극의 두께는 직렬 등가 저항 변화에 기여했을 것이라고 판단된다. 그러나, 300 nm TiC 박막 두께에서 TCO-less DSSC의 변환 효율은 감소하였다. 이러한 결과는 두께의 증가 때문에 광전극과 염료와의 흡착률이 감소되었을 것이라고 판단되며, 또한 광전극이 흡수한 빛의 양이 두꺼워진 전극의 두께로 인하여 감소하였기 때문에 Jsc와 관계되는 전극의 직렬 등가 저항의 감소에 영향을 미쳤을 것이라고 판단된다.
도 7은 탄소 전극 적용 TCO-less DSSC의 등가 저항을 분석한 결과를 나타낸다. 일반적으로 Rs, R1, R2, RD는 각각 작업전극 및 상대전극의 표면저항; 상대전극의 표면적과 관계된 저항 성분; TiO2, 염료, 전해질 간의 저항 성분; 그리고 전해질의 두께와 관련된 저항 성분을 의미한다. TCO-less DSSC의 등가 저항 분석 결과로부터, 전극으로 적용된 탄소 박막의 두께가 증가함에 따라 Rs, R1, R2의 저항성분들은 감소하였다. 이 저항 성분 중 전극의 두께와 가장 관계가 있는 것은 Rs 성분이며, Rs 성분의 감소는 결국 탄소 전극의 전도성의 증가와 관계된다. 결국, 탄소 전극층의 두께 증가는 표면저항과 비저항 값 감소에 기여하여 작업 전극으로써 역할을 향상시키는 것으로 판단된다.
3. 결론
본 발명에서는 염료감응형 태양전지의 저가격화를 위하여, 소재 비용의 절반 이상을 차지하는 FTO 등의 전도성 투명전극을 대체 가능한 TiC 작업전극을 제안하였으며, 이를 이용한 TCO-less DSSC를 제작하여 소자 특성을 평가하였다. 작업전극으로 스퍼터링 TiC 박막은 우수한 전도특성을 나타내며, 두께가 증가할수록 낮은 비저항과 표면저항 값을 나타내는 것을 확인하였다. 또한, TiC 박막 두께가 증가함에 따라 표면 거칠기 값은 증가하였고, 이러한 결과는 박막의 결정성 증가와 관계됨을 확인하였다. 스퍼터 TiC 작업전극을 적용한 TCO-less DSSC 소자의 경우, TiC 작업 전극 두께가 증가할수록 변환효율이 향상되었지만, 200 nm 이상의 두께부터는 DSSC 내 흡수되는 빛의 양의 감소에 따른 전극의 직렬 등가 저항 증가와 관계되었을 것이라고 판단되었다.
10: 기판
20: 접착층
30: 광전극층
40: 염료
50: 작업전극
60: 전해질
70: 측면 실링재
80: 백금층
90: 상대전극
100: 전해질 주입공
110: 하부 실링재
20: 접착층
30: 광전극층
40: 염료
50: 작업전극
60: 전해질
70: 측면 실링재
80: 백금층
90: 상대전극
100: 전해질 주입공
110: 하부 실링재
Claims (8)
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- 기판, TiC 접착층, TiO2 광전극층, 염료, 작업전극, 전해질, 측면 실링재, 백금층이 코팅된 상대전극, 및 하부 실링재를 포함하며,
상기 기판은 불소 도핑 주석 산화물 전극이 증착되지 않는 유리 기판 또는 실리콘 기판이고,
상기 작업전극은 기판의 상부 방향 또는 하부 방향에 형성되며, 상기 작업전극은 100 내지 200 nm 두께의 티타늄 도핑 탄소 박막으로 구성되며,
티타늄 도핑 탄소 박막은 표면 거칠기 2.2 내지 3.1 nm 미만, 비저항 9.8×10-4 초과 내지 70××10-4 Ωcm 및 표면 저항은 47.1 Ω/square 초과 내지 150 Ω/square이며,
상기 TiC 접착층은 기판 및 상기 작업전극 사이에 형성되며, 기판의 일면에 10±2 nm 두께로 패턴화되어 형성되어 있으며,
상기 TiO2 광전극층은 상기 TiC 접착층 및 상기 작업전극 사이에 형성되어 있고,
상기 TiO2 광전극층의 내부 및 표면에는 Ru계 염료를 포함하며,
상기 작업전극은 상기 상대전극의 백금층 방향인 상대전극의 상부방향으로 이격되어 형성되어 있고, 상대전극과 작업전극의 이격된 공간에는 전해질로 채워져 있으며,
상기 상대전극은 전해질 주입공을 포함하고,
상기 전해질은 상대전극과 작업전극 사이를 밀봉시키는 측면 실링재 및 상기 상대전극 하부의 전해질 주입공을 밀봉시키는 하부 실링재에 의해 밀봉되어 있고,
상기 티타늄 도핑 탄소 박막은 비대칭 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여 증착시켜서 형성시키며, 상기 증착은 타겟으로 4인치 흑연과 티타늄을 사용하고, 기판과 타겟까지의 거리는 6±1 cm로 고정하며, 기판은 15±5 rpm의 속도로 회전시키고, 증착전 챔버의 초기 진공도는 0.5×10-5 Torr를 유지하며, 순도 99 내지 99.999%의 아르곤을 스퍼터링 가스로 사용하고, 증착 공정 압력은 5×10-3 Torr로 설정하며, 흑연 타겟의 외부 전자석 파워는 2.5 A의 직류 전류로 고정하고, 내부 전자석 파워는 1.5 A의 직류 전류로 고정하며, 티타늄 타겟의 외부 전자석 파워는 1.5 A의 직류 전류로 고정하고, 내부 전자석 파워는 1.0 A의 직류 전류로 고정하여 수행되며,
태양전지의 변환효율은 4 내지 5%, 개방전압은 0.733 내지 0.8 V, 단락전류는 10 내지 11 mA/㎠, 필 팩터는 55.43 내지 60%인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지. - 불소 도핑 주석 산화물 전극이 증착되지 않는 유리 기판 또는 불소 도핑 주석 산화물 전극이 증착되지 않는 실리콘 기판의 일면에 TiC 접착층을 증측시킨 후, 상기 TiC 접착층 상부에 나노결정형 TiO2 광전극층을 형성시킨 다음, 550℃에서 60분간 열처리한 후, 열처리된 TiO2 광전극층 위에 TiC 작업전극을 100 내지 200 nm 두께로 증착시킨 다음, TiO2 광전극층에 염료를 흡착시킨 후, 상기 작업전극과 상대전극을 맞대어 셀을 형성 및 셀을 실링시키고, 상대전극의 전해질 주입공으로 전해질을 셀에 투입한 다음, 전해질 주입공을 실링 처리하는 공정을 수행하여 염료감응형 태양전지를 제조하며,
상기 상대전극은 FTO 전도성 유리 면에 전해질 주입공을 형성시킨 후, 상대전극 일면에 PtCl4를 도포한 다음, 450℃에서 30분간 소성하여 제조하며,
상기 TiC 작업전극의 증착은 비대칭 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여 증착시키며, 상기 증착은 타겟으로 4인치 흑연과 티타늄을 사용하고, 기판과 타겟까지의 거리는 6±1 cm로 고정하며, 기판은 15±5 rpm의 속도로 회전시키고, 증착전 챔버의 초기 진공도는 0.5×10-5 Torr를 유지하며, 순도 99 내지 99.999%의 아르곤을 스퍼터링 가스로 사용하고, 증착 공정 압력은 5×10-3 Torr로 설정하며, 흑연 타겟의 외부 전자석 파워는 2.5 A의 직류 전류로 고정하고, 내부 전자석 파워는 1.5 A의 직류 전류로 고정하며, 티타늄 타겟의 외부 전자석 파워는 1.5 A의 직류 전류로 고정하고, 내부 전자석 파워는 1.0 A의 직류 전류로 고정하여 수행하며,
상기 TiC 작업전극은 표면 거칠기 2.2 내지 3.1 nm 미만, 비저항 9.8×10-4 초과 내지 70××10-4 Ωcm 및 표면 저항은 47.1 Ω/square 초과 내지 150 Ω/square인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.
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| Yukio Nishio et. al., TCO-less DSSC with titanium nitride compact layer on back ontact Ti metal mesh, J Appl Electrochem, Vol.46; pp.551-557, (2016) (2016.03.26.)* |
| 박용섭 et al, 비대칭 마그네트론 스퍼터링 방법으로 제조된 TiC 박막의 기판온도 영향, 전기학회논문지, 62권, 2호, 페이지.284~387, (2013.01.28)* |
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