KR102064879B1 - 양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
작업 전극; 상대 전극; 상기 상대 전극과 대향하는 상기 작업 전극의 일면 상에 위치하는 전기변색층; 상기 상대 전극과 대향하는 상기 전기변색층의 일면의 적어도 일부에 배치된 광흡수 나노 와이어; 상기 작업 전극과 대향하는 상기 상대 전극의 일면 상에 위치하는 카운터 물질층; 및 전해질;을 포함하는 양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자가 제공된다.
Description
양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
전기변색 소자 (Electrochromic Device: ECD)는 전압 인가 시 전기적인 산화 환원 반응에 의해 착색되는 물질을 이용하여 광 투과도를 변화시키는 전기변색 현상을 이용한 장치이다. 상기 전기변색 소자를 활용한 응용 제품 중 가장 성공적인 제품으로는 야간에 후면에서의 빛의 눈부심을 자동으로 조절해 주는 자동차용 후사경, 빛의 강도에 따라 자동적으로 조절될 수 있는 창문인 스마트 윈도우(smart window)가 있다. 스마트 윈도우는 일사량이 많을 경우 빛의 양을 줄이기 위해서 더 어두운 색조로 변하게 되며, 흐린 날에는 밝은 색조로 변화함으로써 에너지 절약 효율이 뛰어난 특성이 있다. 또한 전광판 또는 전자북 (e-book) 등의 디스플레이 등에 응용하고자 하는 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.
본 발명의 일 구현예는 추가 전력 공급원을 필요로 하지 않는 간단한 구조이면서, 에너지 저장 시스템으로 사용 가능한 양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예는 상기 양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 작업 전극; 상대 전극; 상기 상대 전극과 대향하는 상기 작업 전극의 일면 상에 위치하는 전기변색층; 상기 상대 전극과 대향하는 상기 전기변색층의 일면의 적어도 일부에 배치된 광흡수 나노 와이어; 상기 작업 전극과 대향하는 상기 상대 전극의 일면 상에 위치하는 카운터 물질층; 및 전해질;을 포함하는 양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 작업 전극으로서 준비된 제1 투명 전도성 금속 산화물 기판 상에 전기변색 물질을 증착하여 전기변색층을 형성하는 단계; 상기 전기변색층 상에 광흡수 물질로 광흡수 나노 와이어를 성장시키는 단계; 상대 전극으로서 준비된 제2 투명 전도성 금속 산화물 기판 상에 카운터 물질을 증착하여 카운터 물질층을 형성하는 단계; 및 상기 광흡수 나노 와이어 및 상기 전기변색층이 형성된 상기 작업 전극과 상기 카운터 물질층이 형성된 상기 상대 전극 사이에 전해질을 개재하는 단계;를 포함하는 양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자를 제조하는 방법을 제공한다.
상기 양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자는 추가 전력 공급원을 필요로 하지 않는 간단한 구조이면서, 에너지 저장 시스템으로 사용 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자의 단면을 모식적으로 나타낸다.
도 2는 양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자의 변색 시 작동 매커니즘을 도식화한 단면도이다.
도 3은 양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자의 탈색 시 작동 매커니즘을 도식화한 단면도이다.
도 2는 양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자의 변색 시 작동 매커니즘을 도식화한 단면도이다.
도 3은 양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자의 탈색 시 작동 매커니즘을 도식화한 단면도이다.
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.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
이하에서 기재의 “상부 (또는 하부)” 또는 기재의 “상 (또는 하)”에 임의의 구성이 형성된다는 것은, 임의의 구성이 상기 기재의 상면 (또는 하면)에 접하여 형성되는 것을 의미할 뿐만 아니라, 상기 기재와 기재 상에 (또는 하에) 형성된 임의의 구성 사이에 다른 구성을 포함하지 않는 것으로 한정하는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에서,
작업 전극;
상대 전극;
상기 상대 전극과 대향하는 상기 작업 전극의 일면 상에 위치하는 전기변색층;
상기 상대 전극과 대향하는 상기 전기변색층의 일면의 적어도 일부에 배치된 광흡수 나노 와이어;
상기 작업 전극과 대향하는 상기 상대 전극의 일면 상에 위치하는 카운터 물질층; 및
전해질;
을 포함하는 양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자를 제공한다.
상기 전기변색 소자는 양자점 태양전지의 구조가 통합된 구조로서, 양자점 태양전지의 구조에 의해 발생되는 전력을 전기변색 소자의 작동에 이용할 수 있다. 즉, 상기 전기변색 소자는 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환시킨 후, 이를 이용해 전기변색 소자를 작동시켜 광 투과율을 변화시킨다.
상기 전기변색 소자는 통합된 양자점 태양전지의 구조에 의해 전력 공급을 충족하기 때문에 별도의 추가적인 전력 공급원이 필요하지 않을 수 있다.
상기 전기변색 소자는 별도의 추가적인 전력 공급원 장착시에 함께 요구되는 전기 배선 또한 필요로 하지 않는다. 따라서, 상기 전기변색 소자는 복잡한 전기 배선을 제거할 수 있는 잇점이 있다.
상기 전기변색 소자는 양자점 태양전지의 구조를 이용한 에너지 저장이 가능하다.
도 1은 상기 전기변색 소자(100)의 단면을 모식적으로 나타낸다. 도 1에서, 상기 전기변색 소자(100)은 작업 전극(10); 전기변색층(30), 광흡수 나노 와이어(40), 카운터 물질층(50), 전해질(60) 및 상대 전극(20)을 포함한다.
상기 작업 전극(10) 및 상기 상대 전극(20)은 각각 독립적으로 투명 전도성 금속 산화물일 수 있다.
구체적으로, 상기 투명 전도성 금속 산화물이 인듐 틴 옥사이드(ITO), 인듐 아연 옥사이드(IZO), 플로린 도핑된 틴 옥사이드(FTO), 알루미늄 도핑된 아연 옥사이드(AZO) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나일 수 있다.
상기 전기변색층(30)은 WO3, Nb2O5, V2O5 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 전기변색 물질을 포함할 수 있다.
상기 전기변색층(30)의 두께가 10㎛ 내지 50㎛일 수 있다. 상기 전기변색층(30)의 두께에 따라 변색되는 색 조절이 가능하다. 예를 들어, 상기 전기변색층(30)의 두께가 두꺼워질수록 어두운 청색을 얻을 수 있으나 너무 두꺼우면 탈색 시 투명도를 유지하기 어렵다. 상기 범위의 두께에서는 상기 전기변색층(30)이 탈색 시 투명도를 잘 유지할 수 있다.
상기 광흡수 나노 와이어(40)는 광을 흡수하여 전자와 정공을 생성하는 광흡수 물질을 포함한다.
상기 광흡수 나노 와이어(40)는 코어, 내층 및 외층을 포함하는 다층 구조로 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 코어는 ZnO, TiO2 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하고, 상기 내층은 CdS, ZnS 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하고, 외층은 CdSe, CdTe, PbS 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.
상기 광흡수 나노 와이어(40)의 코어는 수열합성법으로 나노 와이어를 합성하여 형성될 수 있고, 다층 구조의 광흡수 나노 와이어의 기본적인 뼈대 역할을 할 수 있다. 상기 전기변색 소자(100)는 나노 와이어 구조를 가짐으로써 평평한 구조에 비해 넓은 표면적을 갖기 때문에 더 많은 양자점을 코팅할 수 있다. 또한, 수 nm 내지 수십 nm 정도의 짧은 나노 와이어는 굴절율의 구배를 주어 빛의 투과율을 높일 수 있어서 투명한 상태에서 더 높은 투과율을 부여할 수 있다.
상기 광흡수 나노 와이어(40)의 내층은 코어층 위에 형성되고, 외층에 대하여 시드층으로 작용하여 외층이 코팅되는 양을 늘릴 수 있으며, 외층과 코어층 간의 밴드갭 위치 (Band gap position)의 차이가 크기 때문에 계단구조의 밴드 (band) 구조를 만드는 역할을 한다. 또한, 내층 자체도 빛을 흡수하여 전자를 생성하는 역할을 하나 밴드갭이 커 자외선 영역대의 빛만 흡수 할 수 있어 전자 생성량이 부족할 수 있으므로 외층의 도움이 필요하다.
상기 광흡수 나노 와이어(40)의 외층은 앞서 설명한 바와 같이 내층 만으로는 전자 생성량이 작기 때문에, 외층을 함께 형성하여 전자 생성량을 증가시킨다. 즉, 외층은 자외선 영역뿐만 아니라 가시광선 영역대의 빛을 흡수하여 전자를 생성하는 역할을 한다.
상기 광흡수 나노 와이어(40)의 길이는 1㎛ 내지 10㎛ 일 수 있다. 상기 광흡수 나노 와이어(40)의 길이가 길어지면 광투과율이 낮아지기 때문에 적절한 길이의 나노와이어 생성이 중요하다. 상기 광흡수 나노 와이어(40)는 상기 범위의 길이를 가지는 경우, 태양광 조사 시 효율적으로 전자와 정공을 생성할 수 있으면서도 투과율이 광투과율을 적절한 수준으로 확보할 수 있다.
전술한 다층 구조의 상기 광흡수 나노 와이어에서, 상기 코어의 직경은 50nm 내지 150nm 일 수 있고, 상기 내층의 두께는 1nm 내지 10nm 일 수 있고, 상기 외층의 두께는 1nm 내지 10nm 일 수 있다. 상기 광흡수 나노 와이어(40)는 상기 범위의 코어의 직경, 내층 및 외층의 두께를 가지는 경우, 태양광 조사 시 효율적으로 전자와 정공을 생성할 수 있으면서도 투과율이 광투과율을 적절한 수준으로 확보할 수 있다.
상기 전해질(40)은 액체형, 용융염 형 또는 고체형일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 전해질(40)은 리튬폴리설파이드 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는 수용액일 수 있다.
상기 카운터 물질층(50)은 상기 작업 전극(10)과 대향하는 상대 전극(20)의 일면 상에 형성된다. 상기 카운터 물질층(50)에 포함되는 상기 카운터 물질은 전자의 전달이 보다 원활하게 이루어질 수 있도록 도와주고, 전기화학적으로 산화, 환원 반응이 보다 효율적으로 수행되게 하며, 그에 따라 광 투과율 변화율을 더욱 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 카운터 물질은 금, 백금 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 작업 전극(10)과 상기 상대 전극(20)을 전기적으로 연결하는 연결 수단 및 개폐 스위치를 더 구비할 수 있다. 구체적으로, 상기 연결 수단은 도선이고, 상기 개폐 스위치를 연결하거나 분리하여 상기 작업 전극(10)과 상기 상대 전극(20)은 전기적으로 연결되거나 분리될 수 있다.
도 2는 상기 양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자가 변색하는 작동 매커니즘을 나타낸다.
도 3은 상기 양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자가 탈색하는 작동 매커니즘을 나타낸다.
도 2를 참고하면, 상기 양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자 (200)에서, 상기 개폐 스위치(70)를 분리하고(off) 태양광 조사 시, 태양광에 의해 상기 광흡수 나노 와이어(40)가 전자와 정공을 생성하고, 생성된 전자는 상기 전기변색층(30)으로 이동하여 전기변색 물질이 음전하로 대전되어 전하를 저장한다. 생성된 정공은 전해질과 산화환원 반응한다. 전해질의 양이온은 음전하로 대전된 전기변색층(30)으로 확산 이동하고, 상기 전기변색 물질과 반응하여, 상기 전기변색 물질이 변색된다. 예를 들어, 전해액이 리튬폴리설파이드 수용액이고, 전기변색층(30)이 WO3 박막인 경우, 리튬 이온이 WO3 박막으로 확산 이동하여 WO3 와 반응하여 진한 푸른 색의 LixW(V) yW(IV)1- yO3 를 생성하여 변색된다.
도 3을 참고하면, 상기 양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자 (200)에서, 상기 개폐 스위치(70)를 연결하고(on) 암전되면, 전기변색층(30)에 저장된 전자가 도선(연결 수단, 80)을 타고 상대 전극(20)으로 이동하게 되고, 전해질 양이온과 전기변색 물질의 반응의 역반응이 일어나, 전해질 양이온이 다시 전해질로 분리되고 전기변색 물질은 탈색된다. 예를 들어, 상기 생성된 LixW(V) yW(IV)1- yO3은 다시 WO3가 되면서 탈색된다. 상대 전극(20)으로 이동해 온 전자는 전해질과 다시 산화환원 반응한다.
본 발명의 다른 구현예에서,
작업 전극으로서 준비된 제1 투명 전도성 금속 산화물 기판 상에 전기변색 물질을 증착하여 전기변색층을 형성하는 단계;
상기 전기변색층 상에 광흡수 물질로 광흡수 나노 와이어를 성장시키는 단계;
상대 전극으로서 준비된 제2 투명 전도성 금속 산화물 기판 상에 카운터 물질을 증착하여 카운터 물질층을 형성하는 단계;
상기 광흡수 나노 와이어 및 상기 전기변색층이 형성된 상기 작업 전극과 상기 카운터 물질층이 형성된 상기 상대 전극 사이에 전해질을 개재하는 단계;
를 포함하는 양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자를 제조하는 방법을 제공한다.
상기 양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자를 제조하는 방법에 의해서 전술한 양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자를 제조할 수 있다. 따라서, 상기 양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자의 각 구성 요소에 관한 상세한 설명은 전술한 바와 같다.
상기 전기변색층은 상기 전기변색 물질을 스퍼터링법, 화학증기증착법, 원자층증착법에 의해 증착할 수 있다.
상기 광흡수 나노 와이어는 수열합성법, 화학증기증착법 등에 의해 형성될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 구현예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
10: 작업 전극
20: 상대 전극
30: 전기변색층
40: 광흡수 나노 와이어
50: 카운터 물질층
60: 전해질
70: 연결 수단
80: 개폐 스위치
100, 200: 양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자
20: 상대 전극
30: 전기변색층
40: 광흡수 나노 와이어
50: 카운터 물질층
60: 전해질
70: 연결 수단
80: 개폐 스위치
100, 200: 양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자
Claims (19)
- 작업 전극;
상대 전극;
상기 상대 전극과 대향하는 상기 작업 전극의 일면 상에 위치하는 전기변색층;
상기 상대 전극과 대향하는 상기 전기변색층의 일면의 적어도 일부에 배치된 광흡수 나노 와이어;
상기 작업 전극과 대향하는 상기 상대 전극의 일면 상에 위치하는 카운터 물질층; 및
전해질;
을 포함하고,
상기 광흡수 나노 와이어는 코어, 내층 및 외층을 포함하는 다층 구조이고, 상기 코어는 ZnO, TiO2 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하고, 상기 내층은 CdS, ZnS 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하고, 상기 외층은 CdSe, CdTe, PbS 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하며,
상기 코어의 직경은 50nm 내지 150nm 이고, 상기 내층의 두께는 1nm 내지 10nm 이고, 상기 외층의 두께는 1nm 내지 10nm인
양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 전기변색층은 WO3, Nb2O5, V2O5 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 전기변색 물질을 포함하는
양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 광흡수 나노 와이어는 광을 흡수하여 전자와 정공을 생성하는 광흡수 물질을 포함하는
양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 카운터 물질층은 금, 백금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 카운터 물질을 포함하는
양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 전해질은 리튬폴리설파이드를 포함하는 수용액인
양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 작업 전극과 상기 상대 전극을 전기적으로 연결하는 연결 수단 및 개폐 스위치를 더 구비한
양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자.
- 제12항에 있어서,
상기 개폐 스위치를 분리하고 태양광 조사시 상기 전기변색층이 변색되는
양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자.
- 제12항에 있어서,
상기 개폐 스위치가 연결시, 상기 전기변색층이 탈색되는
양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자.
- 작업 전극으로서 준비된 제1 투명 전도성 금속 산화물 기판 상에 전기변색 물질을 증착하여 전기변색층을 형성하는 단계;
상기 전기변색층 상에 광흡수 물질로 광흡수 나노 와이어를 성장시키는 단계;
상대 전극으로서 준비된 제2 투명 전도성 금속 산화물 기판 상에 카운터 물질을 증착하여 카운터 물질층을 형성하는 단계; 및
상기 광흡수 나노 와이어 및 상기 전기변색층이 형성된 상기 작업 전극과 상기 카운터 물질층이 형성된 상기 상대 전극 사이에 전해질을 개재하는 단계;
를 포함하고,
상기 광흡수 나노 와이어는 코어, 내층 및 외층을 포함하는 다층 구조이고, 상기 코어는 ZnO, TiO2 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하고, 상기 내층은 CdS, ZnS 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하고, 상기 외층은 CdSe, CdTe, PbS 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하며,
상기 코어의 직경은 50nm 내지 150nm 이고, 상기 내층의 두께는 1nm 내지 10nm 이고, 상기 외층의 두께는 1nm 내지 10nm인
양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자를 제조하는 방법.
- 제15항에 있어서,
상기 전기변색층은 상기 전기변색 물질을 스퍼터링법, 화학증기증착법, 원자층증착법에 의해 증착하는
양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자를 제조하는 방법.
- 제15항에 있어서,
상기 전기변색 물질은 WO3, Nb2O5, V2O5 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는
양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자를 제조하는 방법.
- 제15항에 있어서,
상기 광흡수 나노 와이어는 수열합성법에 의해 형성되는
양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자를 제조하는 방법.
- 제15항에 있어서,
상기 광흡수 나노 와이어는 광을 흡수하여 전자와 정공을 생성하는 광흡수 물질을 포함하는
양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자를 제조하는 방법.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020170019479A KR102064879B1 (ko) | 2017-02-13 | 2017-02-13 | 양자점 감응형 태양전지가 통합된 전기변색 소자 및 그 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
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| KR102051780B1 (ko) | 2019-06-12 | 2020-01-08 | 주식회사 일성 | 이중바닥구조물 결속작업용 안전작업도구 |
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| KR101507300B1 (ko) * | 2013-10-10 | 2015-04-08 | 재단법인대구경북과학기술원 | 태양전지-전기변색부 일체형 소자 및 이의 제조방법 |
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