KR102455164B1 - 페이스트, 이의 제조방법 및 이를 이용한 태양전지 광전극용 차단층 제조방법 - Google Patents

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Abstract

금속 산화물을 생성시키는 금속 산화물 전구체, 페이스트의 점도를 조절하는 바인더, 상기 금속 산화물 전구체와 혼합되는 제1 유기 용매 및 상기 바인더를 용해시키는 제2 유기 용매를 포함하고, 상기 바인더의 점도가 200~500cp 인 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트가 개시된다. 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트는 균일한 두께의 대면적 기판의 코팅에 적합한 페이스트일 수 있으며, 종래의 차단층이 구비된 태양전지 광전극보다 광 투과도 및 전류 밀도가 향상된다.

Description

페이스트, 이의 제조방법 및 이를 이용한 태양전지 광전극용 차단층 제조방법{Paste, a method of manufacturing the same, and a solar cell photoelectrode using the same}
본 발명은 태양전지 광전극에 관한 것으로, 구체적으로 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트 및 그 제조방법에 관한 것이다.
감응형 태양전지(dye-sensitized photovoltaic cell)는 1991년 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의하여 발표된 광전기화학 태양전지이다. 감응형 태양전지는 가시광선을 흡수하는 감광성 염료, 넓은 밴드갭 에너지를 갖는 금속 산화물 나노입자, 백금(Pt)에 의해 촉매작용을 하는 상대전극(counter electrode), 그리고 그 사이에 채워진 전해질로 구성되어 있다. 감응형 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지나 화합물 반도체 태양전지에 비해 그 제작비용이 저렴하고, 유기 태양전지에 비하여 그 효율이 높으며 이 외에도 친환경적이고 여러가지 색을 구현할 수 있다는 장점을 가진다.
한국공개특허 제2008-0038651호에서는 염료감응 태양전지용 광전극(photo electode)을 개시한다. 상기 광전극은 차단층 및 다공질막을 가진다. 특히, 차단층은 금속 산화물로 구성된다. 또한, 다공질막은 금속 산화물 나노입자 및 염료가 흡착된다.
한편, 페로브스카이트 태양전지는 차세대 태양전지로서 고효율 저비용의 용액공정이 가능하다는 장점이 있고, 단일 소자의 전력 변환 효율이 15% 이상 될 정도이며 단가 또한 매우 저렴하다. 일반적인 페로브스카이트 태양전지의 구조는 기판/투명 전극층/나노 산화물 차단층/다공성 무기산화물층/광활성층/ 정공전달층/금속 전극층으로 구성되어 있다.
이러한 감응형 태양전지 및 페로브 스카이트 태양전지에 사용되는 차단층은 금속 산화물 용액을 제조하여 스핀코팅 혹은 용액을 이용한 코팅방법을 사용하고 있다.
그러나 이러한 방법들은 4 cm2 이상의 대면적 기판에의 적용이 어려우며 차단층의 균일한 두께 및 고투과성 확보하지 못하는 문제점 등이 발생하게 된다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해소하기 위하여, 본 발명은 대면적 코팅에 적용할 수 있고, 균일한 두께의 고투과성의 차단층 코팅을 위한 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
또한 대면적 코팅에 적용할 수 있고, 균일한 두께의 고투과성의 차단층 코팅을 위한 상기 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트를 이용한 태양전지 광전극의 제조방법을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명의 일 태양은 금속 산화물을 생성시키는 금속 산화물 전구체; 페이스트의 점도를 조절하는 바인더; 상기 금속 산화물 전구체와 혼합되는 제1 유기 용매; 및 상기 바인더를 용해시키는 제2 유기 용매를 포함하고, 상기 바인더의 점도가 200~500cp 인 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트를 제공한다.
또한, 상기 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트는 10~30 중량%의 상기 금속 산화물 전구체를 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속 산화물 전구체는 티타늄 디이소프로폭사이드 비스(아세틸아세토네이트)(Titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate))일 수 있다.
또한, 상기 바인더는 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 프로필셀룰로오스, 니트로셀룰로오스, 아세트산셀룰로오스, 프로피온산셀룰로오스, 히드록시에틸 셀룰로오스, 히드록시프로필 셀룰로오스, 히드록시에틸히드록시프로필 셀룰로오스 및 이들의 2종 이상의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 셀룰로오스계 바인더일 수 있다.
또한, 상기 제1 유기 용매 및 제2 유기 용매는 동일할 수 있다.
또한, 상기 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트는 분산제로서 카프르산, 라우르산, 팔미트산, 스테아르산, 미리스톨레산, 팔미톨레산, 올레산, 스테아리돈산, 리놀렌산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
한편 본 발명의 다른 태양은 금속 산화물을 생성시키는 금속 산화물 전구체 및 제1 유기 용매를 혼합하여 전구체 용액을 형성하는 단계; 점도가 200~500cp 인 바인더를 제2 유기 용매에 용해시켜 유기 비히클을 형성하는 단계; 및 상기 전구체 용액과 상기 유기 비히클을 혼합 및 교반하여 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트를 제조하는 단계를 포함하는 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트 제조방법를 제공한다.
또한, 상기 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트는 10~30 중량%의 상기 금속 산화물 전구체를 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속 산화물 전구체은 티타늄 디이소프로폭사이드 비스(아세틸아세토네이트)(Titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate))일 수 있다.
또한, 상기 바인더는 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 프로필셀룰로오스, 니트로셀룰로오스, 아세트산셀룰로오스, 프로피온산셀룰로오스, 히드록시에틸 셀룰로오스, 히드록시프로필 셀룰로오스, 히드록시에틸히드록시프로필 셀룰로오스 및 이들의 2종 이상의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 셀룰로오스계 바인더일 수 있다.
또한, 상기 제1 유기 용매 및 제2 유기 용매는 동일할 수 있다.
또한, 상기 유기 비히클 형성단계에서 분산제로서 카프르산, 라우르산, 팔미트산, 스테아르산, 미리스톨레산, 팔미톨레산, 올레산, 스테아리돈산, 리놀렌산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 더 혼합할 수 있다.
한편 본 발명의 또 다른 태양은 광전극용 전도성 기판을 준비하는 단계; 및
상기 기판의 일면에 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트를 스크린 프린팅한 후 열처리하여 차단층을 형성시키는 차단층 형성 단계를 포함하는 태양전지 광전극의 차단층 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트는 금속 산화물을 생성시키는 금속 산화물 전구체, 페이스트의 점도를 조절하는 바인더, 상기 금속 산화물 전구체와 혼합되는 제1 유기 용매 및 상기 바인더를 용해시키는 제2 유기 용매를 포함하고, 상기 바인더의 점도가 200~500cp 일 수 있다.
또한, 상기 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트는 10~30 중량%의 상기 금속 산화물 전구체를 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속 산화물 전구체는 티타늄 디이소프로폭사이드 비스(아세틸아세토네이트)(Titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate))일 수 있다.
또한, 상기 바인더는 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 프로필셀룰로오스, 니트로셀룰로오스, 아세트산셀룰로오스, 프로피온산셀룰로오스, 히드록시에틸 셀룰로오스, 히드록시프로필 셀룰로오스, 히드록시에틸히드록시프로필 셀룰로오스 및 이들의 2종 이상의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 셀룰로오스계 바인더일 수 있다.
또한, 상기 제1 유기 용매 및 제2 유기 용매는 동일할 수 있다.
또한, 상기 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트는 분산제로서 카프르산, 라우르산, 팔미트산, 스테아르산, 미리스톨레산, 팔미톨레산, 올레산, 스테아리돈산, 리놀렌산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트는 균일한 두께의 대면적 기판의 코팅에 적합한 페이스트일 수 있으며, 종래의 차단층이 구비된 태양전지 광전극보다 본 발명의 페이스트로 제조된 차단층을 구비한 광전극은 광 투과도 및 전류 밀도가 향상될 수 있다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 페이스트 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 페로브스카이트 태양전지를 나타내는 도면이다.
도 3은 태양전지 광전극의 차단층 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 페이스트의 점도를 나타내는 그래프이다.
도 5는 염료감응형 태양전지를 나타내는 도면이다.
도 6은 차단층의 표면 및 단면을 나타내는 SEM 사진 및 스핀 코팅한 차단층의 표면 및 단면을 나타내는 SEM 사진이다.
도 7은 광전극의 400~800nm 영역의 파장에서 평균 투과도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 페이스트 제조예　1, 4 및 7의 페이스트로 소면적 기판에 차단층을 형성한 태양전지의 전압에 따른 전류밀도 나타낸 그래프이다.
도 9는 페이스트 제조예　2, 5 및 8의 페이스트로 소면적 기판에 차단층을 형성한 태양전지의 전압에 따른 전류밀도 나타낸 그래프이다.
도 10은 페이스트 제조예　3, 6 및 9의 페이스트로 소면적 기판에 차단층을 형성한 태양전지의 전압에 따른 전류밀도 나타낸 그래프이다.
도 11은 표 3의 내용을 나타낸 그래프이다.
도 12는 표 4의 내용을 나타낸 그래프이다.
도 13은 페이스트 제조예　3, 6 및 9의 페이스트로 대면적 기판에 차단층을 형성한 태양전지의 전압에 따른 전류밀도 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실험예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 제조예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 제조예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
실시예 1 : 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트 제조방법
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 페이스트 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 먼저 전구체 용액이 형성된다(S11). 상기 전구체 용액은 금속 산화물 전구체와 제1 유기 용매의 혼합에 의해 형성된다. 상기 금속 산화물 전구체는 금속 산화물을 생성시킬 수 있는 물질이다. 금속 산화물을 제1 유기 용매와 혼합한 경우에는 분산이 고르게 일어나지 않을 수 있는 반면, 상기 금속 산화물 전구체를 제1 유기 용매와 혼합하는 경우에는 분산이 고르게 일어날 수 있다.
금속 산화물 전구체는 전체 페이스트에 대해 10~30 중량%일 수 있다.
상기 금속 산화물 전구체가 전체 페이스트에서 10중량%보다 적으면 페이스트의 점도가 낮아져서 대면적 코팅 후 균일한 두께의 차단층이 형성되지 않을 수 있고, 30중량%보다 크면 금속 산화물의 점도가 높아져 차단층이 형성된 광전극의 투과도가 떨어질 수 있다.
상기 금속 산화물 전구체는 구체적으로 TiO2 전구체일 수 있다. 상기 TiO2 전구체로 티타늄(Ⅳ) 이소프로폭사이드(Titanium(Ⅳ) isopropoxide)를 사용하여 차단층을 형성하는 경우, 차단층이 형성된 광전극이 불투명하거나, 대면적 코팅시 사용되는 스크린 마스크의 기공을 막아 재사용이 불가능해지는 문제점이 있을 수 있다. 이러한 문제점은 티타늄 디이소프로폭사이드 비스(아세틸아세토네이트)(Titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate))를 사용하여 해소할 수 있다.
상기 제1 유기 용매는 테르피네올, 부틸카비톨아세테이트, 부틸카비톨, 에틸렌 글리콜, 에틸렌 글리콜 모노부틸에테르, 에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르 아세테이트, 부틸렌글리콜 모노메틸에테르, 프로필렌 글리콜 메틸에테르, 프로필렌글리콜 모노메틸에테르 프로피오네이트, 프로필렌 글리콜 메틸에테르 아세테이트, 디프로필렌글리콜 메틸에테르, 디프로필렌글리콜 모노메틸에테르, 디프로필렌글리콜 메틸에테르 아세테이트, 프로필렌글리콜모노메틸에테르 프로피오네이트, 에틸에테르 프로피오네이트, 프로필렌글리콜 모노메틸에테르 아세테이트, 디메틸아미노 포름알데히드, 메틸에틸케톤, 감마부티로락톤, 에틸락테이트, 2,2,4-트리메틸-1,3-펜타네디올 모노이소부틸레이트(텍사놀), 톨루엔, 1-메톡시-2-프로파놀 또는 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다. 상기 유기 용매 중 바람직하게는 테르피네올을 사용할 수 있다.
상기 전구체 용액이 제조된 후, 유기 비히클이 형성된다(S12). 유기 비히클은 추후 형성되는 페이스트의 점도를 조절 또는 상승시키기 위해 사용된다. 유기 비히클은 바인더 및 상기 바인더가 용해된 제2 유기 용매를 포함한다. 상기 바인더의 함량 비율가 높아지면 상기 유기 비히클의 점도가 높아지고 상기 페이스트의 점도도 높아진다. 상기 바인더의 함량 비율가 낮아지면 상기 유기 비히클의 점도가 낮아지고 상기 페이스트의 점도도 낮아진다.
상기 바인더는 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 프로필셀룰로오스, 니트로셀룰로오스, 아세트산셀룰로오스, 프로피온산셀룰로오스, 히드록시에틸 셀룰로오스, 히드록시프로필 셀룰로오스, 히드록시에틸히드록시프로필 셀룰로오스 및 이들의 2종 이상의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 셀룰로오스계 바인더일 수 있다.
상기 셀룰로오스계 바인더를 사용함으로써 페이스트의 점도를 높일 수 있으며, 점도 조절은 셀롤로오스계 바인더의 분자량 조절로 할 수 있다. 구체적으로 셀롤로오스계 바인더의 분자량이 클수록 점도가 커지고, 분자량이 작을수록 점도가 작아진다. 상기 셀룰로오스계　바인더 중 바람직하게는 에틸셀로오스를 사용할 수 있으며, 상기 바인더로서 에틸셀로오스를 사용하는 경우 형성된 차단층의 투명도가 향상될 수 있다.
상기 제2 유기 용매는 테르피네올, 부틸카비톨아세테이트, 부틸카비톨, 에틸렌 글리콜, 에틸렌 글리콜 모노부틸에테르, 에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르 아세테이트, 부틸렌글리콜 모노메틸에테르, 프로필렌 글리콜 메틸에테르, 프로필렌글리콜 모노메틸에테르 프로피오네이트, 프로필렌 글리콜 메틸에테르 아세테이트, 디프로필렌글리콜 메틸에테르, 디프로필렌글리콜 모노메틸에테르, 디프로필렌글리콜 메틸에테르 아세테이트, 프로필렌글리콜모노메틸에테르 프로피오네이트, 에틸에테르 프로피오네이트, 프로필렌글리콜 모노메틸에테르 아세테이트, 디메틸아미노 포름알데히드, 메틸에틸케톤, 감마부티로락톤, 에틸락테이트, 2,2,4-트리메틸-1,3-펜타네디올 모노이소부틸레이트(텍사놀), 톨루엔, 1-메톡시-2-프로파놀 또는 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다. 상기 유기 용매 중 바람직하게는 테르피네올을 사용할 수 있다.
상기 제2 유기 용매의 함량이 많으면 상기 페이스트의 점도가 낮고, 상기 제2 유기 용매의 함량이 적으면 상기 페이스트의 점도가 높다. 이러한 제2 유기 용매와 바인더 양을 조절하여 상기 페이스트의 점도를 조절할 수 있다.
제2 유기 용매는 제1 유기 용매와 혼화성을 고려하여 동일 물질임이 바람직하다. 제2 유기 용매가 제1 유기 용매와 동일 물질인 경우 점도의 예측이 용이할 수 있다.
또한, 상기 유기 비히클 형성단계에서 분산제로서 카프르산, 라우르산, 팔미트산, 스테아르산, 미리스톨레산, 팔미톨레산, 올레산, 스테아리돈산, 리놀렌산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 더 혼합할 수 있다. 상기 분산제를 사용하여 페이스트에 포함된 금속 산화물 전구체를 고르게 분산시킬 수 있으며, 이로 인해 광 투과도가 향상될 수 있다. 상기 분산제 중 바람직하게는 라우르산을 사용할 수 있다.
상기 제조된 전구체 용액과 상기 유기 비히클이 제조되고 난 후, 이 둘을 혼합 및 교반하여 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트가 제조된다(S13).
상기 제조된 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트는 금속 산화물을 생성시키는 금속 산화물 전구체, 페이스트의 점도를 조절하는 바인더 및 유기 용매를 포함하고, 상기 바인더의 점도가 200~500cp 일 수 있다.
상기 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트는 상기 감응형 태양전지 광전극 및 상기 페로브스카이트형 태양전지 광전극의 차단층의 형성을 위한 것으로, 구체적으로 대면적의 기판에 균일하게 코팅하기 위한 것이며, 상기 대면적 기판의 크기는 4 cm2 이상일 수 있다. 상기 페이스트에 포함된 바인더의 점도가 200cp보다 작은 경우에는 균일한 두께의 차단층이 형성되지 않을 수 있으며, 500cp보다 큰 경우에는 차단층 형성 후 전류의 흐름을 막아 전력 변환 효율을 떨어뜨릴 수 있다.
이하, 본 발명 실시예 1에 대한 제조예를 기재한다. 다만, 하기 제조예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 권리범위가 이들 제조예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[제조예] 페이스트 제조예
티타늄 전구체로 티타늄 디이소프로폭사이드 비스(아세틸아세토네이트)(Titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate)) 5~15 중량%, 바인더로 에틸셀룰로오스 5.6 중량%, 분산제로 라우르산 1.8 중량% 및 잔량의 용매로 테르피네올(Terpineol)를 포함하는 금속 산화물 페이스트를 제조하였다.
하기 표 1에 페이스트 제조예 1 내지 9에 따른 각 성분의 함량 비율을 표시하였으며, 바인더용 고분자의 경우는 점도도 표시하였다. 하기 표 2에 제조예에 따라 제조된 차단층용 페이스트의 점도를 표시하였다.
페이스트 제조예 티타늄 디이소프로폭사이드 비스(아세틸아세토네이트) (wt%) 에틸셀룰로오스 함량 비율 (wt%) 에틸셀룰로오스 점도 (cp) 라우르산 함량 비율 (wt%) 용매(Terpineol) (wt%)
제조예 1 5 5.6 46 1.8 87.6
제조예 2 10 5.6 46 1.8 82.6
제조예 3 15 5.6 46 1.8 77.6
제조예 4 5 5.6 100 1.8 87.6
제조예 5 10 5.6 100 1.8 82.6
제조예 6 15 5.6 100 1.8 77.6
제조예 7 5 5.6 300 1.8 87.6
제조예 8 10 5.6 300 1.8 82.6
제조예 9 15 5.6 300 1.8 77.6
제조예 점도 (cP)
5wt% 46cP 1 1,772
100cP 4 3,276
300cP 7 5,520
10wt% 46cP 2 1,948
100cP 5 3,150
300cP 8 11,280
15wt% 46cP 3 2,044
100cP 6 3,752
300cP 9 18,640
도 2는 하기 표 2의 내용을 표시한 그래프로, 제조예에 따라 제조된 페이스트의 점도를 나타내는 그래프이다.
상기 표 2 및 도 2을 참조하면 티타늄 전구체인 티타늄 디이소프로폭사이드 비스(아세틸아세토네이트)이 증가할수록 페이스트의 점도가 커지고, 바인더인 에틸셀룰로오스의 점도가 커질수록 페이스트의 점도가 커지는 것을 알 수 있다. 이러한 페이스트의 점도의 향상은 4 cm2 이상인 대면적의 기판의 코팅에 적합할 수 있고 특히 4 cm2 이상인 대면적 기판의 코팅에 사용할 수 있는 스크린 프린팅에 사용할 수 있다. 따라서 4 cm2 이상인 대면적의 기판에 균일한 두께의 차단층을 형성시킬 수 있다.
실시예 2 : 태양전지 광전극의 차단층 제조방법
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 태양전지 광전극의 차단층 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
상기 도 3을 참조하면, 본 발명은 태양전지 광전극의 차단층 제조방법을 제공한다. 상기 태양전지 광전극의 차단층 제조방법은 광전극용 전도성 기판을 준비한다(S21). 기판이 준비된 후, 상기 기판의 일면에 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트를 스크린 프린팅한 후 열처리하여 차단층을 형성한다(S22). 상기 차단층 위에 다공질층이 형성될 수 있다.
종래의 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 드롭 캐스팅(drop casting) 등은 4 cm2 보다 작은 면적 코팅에 이용되는 방법으로 본 발명의 페이스트를 이용한 코팅이 아닌 용액을 이용한 코팅에 적합한 방법일 수 있다. 이에 본 발명은 상기 차단층 형성 단계(S22)에서 상기 스크린 프린팅을 실시하여 기판의 면적이 4 cm2 이상인 대면적 코팅에 적합한 태양전지 광전극의 차단층 제조방법을 제공할 수 있다.
상기 차단층 형성 단계에서 상기 열처리 온도는 400 내지 550 ℃에서 10 내지 120 분 동안 수행할 수 있다. 온도가 400 ℃보다 낮을 경우에는 페이스트가 경화되지 않을 수 있고, 550 ℃보다 높을 경우에는 차단층의 손상이 발생할 수 있다.
상기 광전극용 전도성 기판은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 것에서 선택하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 PET, PEN, PC, PP, PI, TAC 중의 어느 하나를 포함하는 투명한 플라스틱 기판 또는 유리 기판 상에, ITO, FTO, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 중의 어느 하나를 포함하는 전도성 필름이 코팅된 것을 사용할 수 있고, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트에 대한 내용은 상기 개시한 바와 동일할 수 있다.
이하, 본 발명 실시예 2에 대한 제조예를 기재한다. 다만, 하기 제조예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 권리범위가 이들 제조예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[제조예] 차단층 제조예
광전극용 기판으로서 전도성을 가지는 유리 기판(Philkington 회사, 재질: FTO, 두께 2.2cm, 8Ω/sq)을 준비하였다. 이어서, 상기 페이스트 제조예 1 내지 9에서 제조된 페이스트를 상기 유리 기판 위에 도포(스크린 프린트법 이용)한 후, 기판을 500 ℃에서 30 분간 열처리하여 산화티타늄 나노입자를 포함하는 차단층 (두께: 100~200㎚)을 형성시켰다.
실시예 3 : 태양전지 제조
도 4는 염료감응형 태양전지를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 감응형 태양전지 광전극의 차단층(112)은 전도성 기판 상에 형성되는 층으로서, 기판(101)과 다공질막(111)의 접합성을 향상시킴과 동시에, 기판(101)과 전해질(120)의 직접적인 접촉을 차단하여 전자 전이를 막아 에너지 전환효율을 향상시키며, 기판(101)의 거친 표면에 의한 빛의 산란을 방지하는 역할을 할 수 있다.
도 5는 페로브스카이트 태양전지를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 페로브스카이트형 태양전지 광전극의 차단층(212)은 전도성 기판(201) 상에 형성되는 층으로서, 기판(201)과 다공질막(211)의 접합성을 향상시킴과 동시에, 기판(201)과 다공질막 사이에서 정공과 전자의 재결합을 차단하여 에너지 전환효율을 향상시키며, 기판(201)의 거친 표면에 의한 빛의 산란을 방지하여 투과율을 증가시키는 역할을 할 수 있다.
상기 실시예 2의 본 발명의 페이스트를 사용하여 형성한 차단층은 염료감응형 태양전지 또는 페로브스카이트 태양전지의 광전극 기판에 사용될 수 있다.
이하, 본 발명 실시예 3에 대한 제조예를 기재한다. 다만, 하기 제조예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 권리범위가 이들 제조예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[제조예] 태양전지 제조예
1. 광전극의 제조
(1) 다공질막 코팅
상기 차단층 제조예에서 제조된 차단층 위에, 산화티타늄 나노입자(평균입경: 20 nm) 18.5 중량%, 바인더용 고분자(에틸셀룰로오스) 5 중량%, 라우르산 1.8 중량% 및 잔량의 용매(Terpineol)를 포함하는 페이스트를 도포(닥터블레이드(doctor blade)법 이용)한 후, 기판을 500 ℃에서 30 분간 열처리하여 나노입자를 포함하는 다공질막(두께: 7㎛)을 형성시켰다.
(2) 감광성 염료 흡착
이어서, 상기 기판을 감광성 염료[Ru(4,4'-dicarboxy-2,2'-bipyridine)2(NCS)2] 0.5 mM을 포함하는 에탄올 용액에 12 시간 동안 침지하여 다공질막의 표면에 감광성 염료를 흡착시켜 광전극을 제조하였다.
2. 상대전극의 제조
상대전극용 기판으로서 전도성을 가지는 유리 기판(Philkington 회사, 재질: FTO, 두께 2.2cm, 8Ω/sq)을 준비하였다. 이어서, 50mM Pt 용액을 스핀코팅 한 후, 기판을 500 ℃에서 30 분간 열처리하여 백금 나노입자 포함하는 박막을 형성시켰다.
3. 전해질 주입 및 봉합
앞서 제조한 광전극과 상대전극 사이의 공간에 PMII(1-methyl-3-propylimidazolium iodide, 0.7M) 및 I2(0.03M)를 포함하는 아세토니트릴(acetonitrile) 전해질을 주입하고 통상의 고분자 수지로 봉합하여 도 2의 구조의 염료감응 태양전지를 제조하였다.
[비교예 1] TiCl 4 딥 코팅으로 형성된 차단층을 구비한 염료감응 태양전지 제조
광전극용 기판으로서 전도성을 가지는 유리 기판(Philkington 회사, 재질: FTO, 두께 2.2cm, 8Ω/sq)을 준비하였다. 이어서, 이어서, TiCl4 40mM 및 잔량의 용매(물)를 포함하는 수용액에 상기 유리 기판을 70 ℃에서 30 분간 침지한 후, 기판을 500 ℃에서 30 분간 열처리하여 산화티타늄 나노입자를 포함하는 차단층 (두께: 100㎚)을 형성시킨 것 외는 태양전지 제조예과 동일하다.
[비교예 2] 스핀 코팅으로 형성된 차단층을 구비한 염료감응 태양전지 제조
0.15M의 티타늄 디이소프로폭사이드 비스(아세틸아세토네이트)(Titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate))가 혼합된 부탄올 용액을 스핀코팅 장비를 이용하여 200rpm 30초 동안 용액을 코팅한 후 500℃에서 10분간 소성하여 차단층을 형성했다.
[실험예 1]
태양전지 제조예 및 비교예 2에서 제조한 광전극에 대하여 각각의 표면 상태를 SEM을 이용하여 관찰하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6은 본 발명의 페이스트 제조예에 따른 금속 산화물 전구체의 함량 비율에 따른 차단층의 표면 및 단면을 나타내는 SEM 사진 및 스핀 코팅한 차단층의 표면 및 단면을 나타내는 SEM 사진이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 페이스트 제조예에 따라 제조된 페이스트로 코팅되어 제조된 차단층의 표면이 스핀코팅에 의해 제조된 비교예 2의 차단층보다 균일함을 할 수 있다.
[실험예 2]
태양전지 제조예 및 비교예 1에서 제조한 각각의 염료감응 태양전지에 대하여 하기와 같은 방법으로 개방전압(VOC), 광전류밀도(JSC), 에너지 변환효율(energy conversion efficiency, η ), 및 충진계수(FF, fill factor)를 측정하였으며, 측정 방법은 다음과 같다.
(1) 개방전압(V) 및 광전류밀도(㎃/㎠)
: 개방전압과 광전류 밀도는 Keithley SMU2400 을 이용하여 측정하였다.
(2) 에너지 변환효율(%) 및 충진계수(%)
: 에너지 변환효율의 측정은 1.5AM 100mW/cm2의 솔라 시뮬레이터(Xe 램프[1600W, YAMASHITA DENSO], AM1.5 filter, 및 Keithley SMU2400으로 구성됨)를 이용하였고, 충진계수는 앞서 얻은 변환효율 및 하기 계산식을 이용하여 계산하였다.
[계산식]
Figure 112020026913096-pat00001
상기 계산식에서, J는 변환효율 곡선의 Y축 값이고, V는 변환효율 곡선의 X축 값이며, Jsc및 Voc는 각 축의 절편 값이다.
상기 측정 결과를 하기 표 3 및 표 4에 나타내었다. 표 3은 면적이 0.25 cm2보다 작은 기판에 차단층을 형성한 후 상기 결과를 나타낸 표이고, 표 4는 면적이 8 cm2 인 기판에 차단층을 형성한 후 상기 결과를 나타낸 표이다.
페이스트제조예 J SC
(mA/cm 2 ) 		V OC
(V) 		FF
(%) 		η
(%) 		area
(cm 2 ) 		400~800nm
투과도
제조예1 7.90 0.84 79.03 5.23 0.223 71.61
제조예2 7.28 0.83 78.56 4.76 0.238 72.23
제조예3 7.46 0.82 79.47 4.86 0.220 73.98
제조예4 7.61 0.82 79.48 4.95 0.215 71.63
제조예5 8.75 0.82 79.12 5.68 0.195 72.74
제조예6 8.15 0.83 78.74 5.29 0.225 75.23
제조예7 8.86 0.83 78.08 5.72 0.170 69.84
제조예8 9.05 0.83 78.61 5.87 0.203 71.75
제조예9 9.52 0.82 78.48 6.11 0.209 77.59
비교예1 7.59 0.83 79.29 4.98 0.246 75.15
도 7은 광전극의 400~800nm 영역의 파장에서 평균 투과도를 바인더의 점도 및 금속 산화물 전구체의 함량 비율별로 나타낸 그래프이다.
상기 표3 및 도 7을 참조하면 바인더의 점도 및 티타늄 전구체의 함량 비율가 증가할수록 상기 평균 투과도가 증가함을 알 수 있으며, 또한 티타늄 전구체가 15%이고 바인더의 점도가 300 cp인 경우 TiCl4 딥코팅의 경우 평균 투과도(75.15%), 스핀 코팅의 경우 평균 투과도(74.79%)를 초과하는 우수한 투과도를 보이는 것을 알 수 있다.
도 8 내지 도 10은 면적이 0.25 cm2 이하인 기판에 차단층을 형성한 후 전류 밀도를 바인더의 점도 및 금속 산화물 전구체의 함량 비율별로 나타낸 그래프이다. 도 11은 표 3의 내용을 나타낸 그래프이다.
상기 표 3 및 도 8 내지 도 11을 참조하면, 본 발명의 페이스트의 티타늄 전구체의 함량 비율가 증가할수록 전류밀도가 커지는 것을 알 수 있다. 즉 본 발명의 페이스트를 사용하여 면적이 0.25 cm2보다 작은 기판에 차단층을 형성하는 경우에도 종래의 용액 코팅의 결과와 큰 차이를 보이지 않고, 전류밀도는 오히려 증가함을 알 수 있다.
J SC
(mA/cm 2 ) 		V OC
(V) 		FF
(%) 		η
(%) 		area
(cm 2 ) 		Thickness
(μm)
차단층이 없는 경우 11.76 0.80 58.63 5.48 8.000 5~6
TiCl 4 dip coat 12.11 0.80 60.68 5.86 8.000 5~7
15wt%(46cP) (제조예 3) 12.81 0.80 58.10 5.94 8.000 5~7
15wt% (100cP) (제조예 6) 12.37 0.80 58.94 5.80 8.000 5~6
15wt% (300cP) (제조예 9) 12.53 0.79 60.21 5.96 8.000 5~6
도 12는 표 4의 내용을 나타낸 그래프이다. 도 13은 면적이 8 cm2 인 기판에 차단층을 형성한 후 전류 밀도를 금속 산화물 전구체 15 wt%에서 바인더의 점도별로 나타낸 그래프이다.
상기 표 4, 도 12 및 도 13을 참조하면, 본 발명의 페이스트의 티타늄 전구체의 함량 비율가 15 wt% 인 경우는 바인더의 점도가 46 cp로 낮아도 전류밀도가 차단층이 없는 경우 또는 TiCl4 딥코팅의 경우보다 큰 것을 알 수 있고, 나머지 측정치는 단층이 없는 경우 또는 TiCl4 딥코팅의 경우와 큰 차이가 보이지 않음을 알 수 있다.
상술한 바에 의해 본 발명은, 금속 산화물을 생성시키는 금속 산화물 전구체, 페이스트의 점도를 조절하는 바인더, 상기 금속 산화물 전구체와 혼합되는 제1 유기 용매 및 상기 바인더를 용해시키는 제2 유기 용매를 포함하고, 상기 바인더의 점도가 200~500cp 인 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트를 개시한다. 상기 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트는 균일한 두께의 대면적 기판의 코팅에 적합한 페이스트일 수 있으며, 종래의 차단층이 구비된 태양전지 광전극보다 광 투과도 및 전류 밀도가 향상시킬 수 있다.
100: 상대전극 101: 전도성 전극
102: 촉매 전극 103: 금속전극
110 : 광전극 101: 전도성 전극
111: 다공질막 112: 차단층
120: 전해질 130: 접착제층
201: 전도성 전극 211: 다공질막
212: 차단층 213: 감광성 염료 흡착 다공질막
214: 광활성층 215: 정공전달체

Claims (19)

  1. 금속 산화물을 생성시키는 금속 산화물 전구체;
    페이스트의 점도를 조절하는 바인더;
    상기 금속 산화물 전구체와 혼합되는 제1 유기 용매; 및
    상기 바인더를 용해시키는 제2 유기 용매를 포함하는 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트이며,
    상기 금속 산화물 전구체는 티타늄 디이소프로폭사이드 비스(아세틸아세토네이트)로서 상기 페이스트 대비 10 중량% 내지 15 중량%로 함유되고,
    상기 바인더는 점도가 100cp 내지 300cp이며,
    상기 바인더는 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 프로필셀룰로오스, 니트로셀룰로오스, 아세트산셀룰로오스, 프로피온산셀룰로오스, 히드록시에틸 셀룰로오스, 히드록시프로필 셀룰로오스, 히드록시에틸히드록시프로필 셀룰로오스 및 이들의 2종 이상의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 셀룰로오스계 바인더이고,
    상기 차단층용 페이스트는 분산제로서 카프르산, 라우르산, 팔미트산, 스테아르산, 미리스톨레산, 팔미톨레산, 올레산, 스테아리돈산 및 리놀렌산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유기 용매 및 제2 유기 용매는 동일한 것을 특징으로 하는 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속 산화물 전구체의 중량비 및 상기 바인더의 점도가 증가하면 단락전류밀도가 증가하는 것을 특징으로 하는 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트.
  7. 금속 산화물을 생성시키는 금속 산화물 전구체 및 제1 유기 용매를 혼합하여 전구체 용액을 형성하는 단계;
    분산제 및 점도가 100cp 내지 300cp 인 바인더를 제2 유기 용매에 용해시켜 유기 비히클을 형성하는 단계; 및
    상기 전구체 용액과 상기 유기 비히클을 혼합 및 교반하여 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트를 제조하는 단계를 포함하고,
    상기 금속 산화물 전구체는 티타늄 디이소프로폭사이드 비스(아세틸아세토네이트)로서 상기 차단층용 페이스트 대비 10 중량% 내지 15 중량%로 함유되고,
    상기 바인더는 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 프로필셀룰로오스, 니트로셀룰로오스, 아세트산셀룰로오스, 프로피온산셀룰로오스, 히드록시에틸 셀룰로오스, 히드록시프로필 셀룰로오스, 히드록시에틸히드록시프로필 셀룰로오스 및 이들의 2종 이상의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 셀룰로오스계 바인더이고,
    상기 분산제는 카프르산, 라우르산, 팔미트산, 스테아르산, 미리스톨레산, 팔미톨레산, 올레산, 스테아리돈산 및 리놀렌산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트 제조방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제1 유기 용매 및 제2 유기 용매는 동일한 것을 특징으로 하는 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트 제조방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 금속 산화물 전구체의 중량비 및 상기 바인더의 점도가 증가하면 단락전류밀도가 증가하는 것을 특징으로 하는 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트 제조방법.
  13. 광전극용 전도성 기판을 준비하는 단계; 및
    상기 기판의 일면에 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트를 스크린 프린팅한 후 열처리하여 차단층을 형성시키는 차단층 형성 단계를 포함하고,
    상기 태양전지 광전극의 차단층용 페이스트는 금속 산화물을 생성시키는 금속 산화물 전구체, 페이스트의 점도를 조절하는 바인더, 분산제, 상기 금속 산화물 전구체와 혼합되는 제1 유기 용매 및 상기 바인더를 용해시키는 제2 유기 용매를 포함하고,
    상기 금속 산화물 전구체는 티타늄 디이소프로폭사이드 비스(아세틸아세토네이트)로서 상기 차단층용 페이스트 대비 10 중량% 내지 15 중량%로 함유되고,
    상기 바인더는 점도가 100cp 내지 300cp이며,
    상기 바인더는 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 프로필셀룰로오스, 니트로셀룰로오스, 아세트산셀룰로오스, 프로피온산셀룰로오스, 히드록시에틸 셀룰로오스, 히드록시프로필 셀룰로오스, 히드록시에틸히드록시프로필 셀룰로오스 및 이들의 2종 이상의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 셀룰로오스계 바인더이고,
    상기 분산제는 카프르산, 라우르산, 팔미트산, 스테아르산, 미리스톨레산, 팔미톨레산, 올레산, 스테아리돈산 및 리놀렌산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지 광전극의 차단층 제조방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제13항에 있어서,
    상기 제1 유기 용매 및 제2 유기 용매는 동일한 것을 특징으로 하는 태양전지 광전극의 차단층 제조방법.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 금속 산화물 전구체의 중량비 및 상기 바인더의 점도가 증가하면 단락전류밀도가 증가하는 것을 특징으로 하는 태양전지 광전극의 차단층 제조방법.
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