KR20050045581A - 다운 컨버터가 내장된 염료 감응형 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 다운 컨버터가 내장된 염료 감응형 태양전지는, 투명전극과, 투명전극의 후방에 위치하는 염료가 침전된 반도체 산화물 전극과, 반도체 산화물 전극과 대향하는 대향전극과, 반도체 산화물 전극과 대향전극 사이에 충전되는 전해질을 구비하는 염료감응형 태양전지에 있어서, 상기 투명전극의 전방에는 태양빛의 수광효율을 증대시키기 위한 반사막이 설치되고, 상기 투명전극은 산화아연 (ZnO)막으로 형성되며, 상기 투명전극과 반도체 산화물 전극 사이에는 고에너지파를 가시광선으로 변환시켜주는 다운 컨버터가 설치된다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 다운 컨버터를 전지의 내부에 위치시킴으로써 전지의 두께를 줄일 수 있고, 투명전극으로 산화아연(ZnO)을 사용하고 그 위에 산화아연계의 다운 컨버터를 위치시킴으로써, 이산화티탄(혹은 산화아연) 전극 소성 시 나트륨(Na) 혹은 티탄(Ti)의 확산에 의한 투명 전극의 저항 증가를 현저히 감소시킬 수 있다. 따라서, 전지의 효율을 향상시키고, 전지의 두께를 감소시키며, 투명전극 및 광발전 염료의 열화정도를 줄일 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 다운 컨버터(down converter)가 내장된 염료 감응형 태양전지에 관한 것으로서, 특히 고에너지파를 가시광선으로 변환시켜주는 다운 컨버터를 태양전지의 내부에 위치시킴으로써 전지의 전체적인 두께를 감소시키면서 전지효율을 향상시킬 수 있는 다운 컨버터가 내장된 염료 감응형 태양전지에 관한 것이다.
도 1은 종래 염료감응 태양전지의 구조 및 작동원리를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 표면에 염료분자(미도시)가 화학적으로 흡착된 n-형 나노입자 반도체 산화물(예를 들면, TiO2) 전극(101)에 태양빛이 흡수되면 염료분자는 기저상태(D+/D)에서 여기상태(D+/D*)로 전자 전이하여 전자-홀 쌍을 이루며, 여기상태의 전자(e-)는 반도체 산화물의 전도대(conduction band, Ecb)로 주입된다. 그리고, 반도체 산화물 전극(101)으로 주입된 전자는 입자간 계면을 통하여 반도체 산화물 전극(101)에 접하고 있는 투명 전도성막(예컨대, ITO막)(102)으로 전달되고, 투명 전도성막 (102)에 연결된 외부 전선(103)을 통하여 백금(Pt)이 도포된 대향전극(104)으로 이동된다. 상기 대향전극(104)과 반도체 산화물 전극(101) 사이에는 산화-환원 전해질 (105)이 주입되고, 상기 투명 전도성막(102)과 대향전극(104)에는 부하(L)가 직렬 연결되어 단락전류, 개방전압, 충실도 등을 측정함으로써 전지의 효율을 알 수 있게 된다.
한편, 상기와 같이 광흡수에 의한 전자전이의 결과로 산화된 염료분자(D →D(+))는 산화-환원 전해질(105) 내의 요오드 이온의 산화(3I(-1) →I3(-1) + 2e-)에 의해 제공되는 전자를 받아 다시 환원되며, I3(-1) 이온은 대향전극(104)에 도달한 전자(e-)에 의해 다시 환원되어 염료감응 태양전지의 작동 과정이 완성된다.
이상과 같은 일련의 과정에 있어서, 광전류는 반도체 산화물 전극(101)으로 주입된 전자의 확산에 의한 결과로써 얻어지며, 광전압은 반도체 산화물의 페르미 에너지(EF)와 전해질의 산화-환원 전위의 차이에 의해 결정된다.
이상과 같은 종래 염료감응 태양전지는 이산화티탄(TiO2) 분말의 표면에 흡착된 염료에 의하여 광흡수 및 발전이 이루어지는데, 염료가 흡수할 수 있는 광파장은 가시광선 영역으로, 보다 큰 에너지를 갖는 400nm이하의 파장을 갖는 광은 발전에 이용하지 못한다. 더군다나 그 고 에너지파에 의하여 염료가 열화됨으로써 전지의 수명을 크게 감소시키는 역효과까지도 있다. 이렇게 내버려지는 에너지를 활용하여 전지의 효율을 향상시키기 위하여 염료감응형 태양전지의 앞면 혹은 뒷면에 고 에너지파를 가시광선으로 변환시켜주는 다운 컨버터를 위치시키는 구조가 개발되었다. 그러나, 다운 컨버터의 도입에 따라서 전지와의 절연, 다운 컨버터의 보호를 위하여 적어도 2개 층의 기판을 추가로 사용해야 되고, 그에 따른 기판에서의 광흡수로 전지의 효율이 저하되는 문제가 있다.
한편, 종래의 다운 컨버터는 실리콘 태양전지, 이종접합 화합물 반도체를 이용한 태양전지 등에 이용될 수 있는 구조로 설계되어 있다. 따라서, 근본적으로 고체형 전지의 전면에 위치시키는 형태를 갖는다. 또한, 지금까지 개발된 다운 컨버젼 재료의 광 투과도가 낮아 개념만 정립되고 실제 적용이 가능한 재료를 계속 탐색하고 있는 실정이다. 특히, 염료 감응형 태양전지는 고체형 태양전지에 비하여 값싸게 만들 수 있다는 장점이 있지만, 고온 소성에 따른 투명전극의 열화, 광발전 염료의 열화문제 등이 있어 종래의 기술이 가진 단점을 극복할 수 있는 다운 컨버터의 적용이 절실한 실정이다.
본 발명은 이상과 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, 고에너지파를 가시광선으로 변환시켜주는 다운 컨버터를 태양전지의 내부에 위치시킴으로써 전지의 전체적인 두께를 감소시키면서 전지효율을 향상시킬 수 있는 다운 컨버터가 내장된 염료 감응형 태양전지를 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 다운 컨버터가 내장된 염료 감응형 태양전지는, 투명전극과, 투명전극의 후방에 위치하는 염료가 침전된 반도체 산화물 전극과, 반도체 산화물 전극과 대향하는 대향전극과, 반도체 산화물 전극과 대향전극 사이에 충전되는 전해질을 구비하는 염료감응형 태양전지에 있어서,
상기 투명전극의 전방에는 태양빛의 수광효율을 증대시키기 위한 반사막이 설치되고, 상기 투명전극은 산화아연(ZnO)막으로 형성되며, 상기 투명전극과 반도체 산화물 전극 사이에는 고에너지파를 가시광선으로 변환시켜주는 다운 컨버터가 설치되는 점에 그 특징이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 다운 컨버터가 내장된 염료 감응형 태양전지의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 다운 컨버터가 내장된 염료감응형 태양전지는 종래 염료감응형 태양전지의 구성을 기본적으로 갖는다. 즉, 투명전극(202)과, 투명전극(202)의 후방에 위치하는 염료가 침전된 반도체 산화물(TiO2 혹은 ZnO) 전극(204)과, 반도체 산화물 전극(204)과 대향하는 대향전극(206)과, 반도체 산화물 전극(204)과 대향전극(206) 사이에 충전되는 전해질(205)을 기본적으로 구비한다. 그리고, 본 발명의 염료감응형 태양전지에 있어서는 상기 투명전극(202)의 전방에 태양빛의 수광효율을 증대시키기 위한 반사막(201)이 설치되고, 상기 투명전극(202)은 산화아연(ZnO)막으로 형성되며, 상기 투명전극(202)과 반도체 산화물 전극(204) 사이에는 고에너지파를 가시광선으로 변환시켜주는 다운 컨버터(203)가 설치된다.
여기서, 상기 다운 컨버터(203)는 바람직하게는 Zn1-xMxO의 조성을 가지며, 도핑 물질(M)로는 Ag, Cu, Al, Si, Ga, Ge, In, Sn, Cd 중의 어느 하나의 물질이 사용되며, x=0.1∼2.0 w/o의 값을 갖는다. 도 2에서 참조 부호 207은 염료, C.B는 전도대(conduction band), V.B는 가전자대(balance band)를 각각 나타낸다.
이상과 같은 구성을 갖는 본 발명의 염료감응형 태양전지는 다운 컨버터 (203)를 태양전지의 전면에 위치시키는 방식에 비해 전지의 두께를 30%정도 줄일 수 있고, 산화아연(ZnO) 투명전극(202)과 산화아연계 다운 컨버터(203)를 나란히 위치시킴으로써 소성 과정에서의 원소 확산에 기인하는 투명전극(202)의 열화를 현저히 감소시킬 수 있다. 또한, 구리(Cu), 은(Ag) 등의 원소를 도핑하여, 광 투과도가 상대적으로 큰 산화아연계 다운 컨버터를 적용함으로써 염료감응형 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 산화아연계 다운 컨버터(203)가 이산화티탄 혹은 산화아연이 염료감응형 태양전지에서 수행하는 역할을 일부 수행함으로써 반도체 산화물(이산화티탄 혹은 산화아연) 전극(204)층의 두께를 어느 정도 줄이는 효과도 있다.
한편, 도 3은 은(Ag)이 0.2w/o 도핑된 산화아연(ZnO) 분말의 흡수, 방출 스펙트럼을 보여주는 도면이다.
도 3에서와 같이, 이 은(Ag) 재료는 고 에너지 광을 흡수하여 428nm, 572nm의 저에너지 광을 방출하는데 이 저에너지광은, 도 4에 도시된 바와 같이, N3, 블랙 염료(black dye)의 입사광 전류변환 효율(IPCE)에서 보듯이 광 발전에 유용하게 이용되는 파의 범위에 속한다. 따라서, 이 은(Ag) 재료가 다운 컨버터용 재료로 매우 유용함을 알 수 있다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 다운 컨버터가 내장된 염료 감응형 태양전지는 다운 컨버터를 전지의 내부에 위치시킴으로써 2개층의 기판을 사용하지않아도 되므로 전지의 두께를 약 30% 감축할 수 있다. 또한, 투명전극을 ITO 대신에 산화아연(ZnO)을 사용하고 그 위에 산화아연계의 다운 컨버터를 위치시킴으로써, 이산화티탄 혹은 산화아연 전극 소성 시 나트륨(Na) 혹은 티탄(Ti)의 확산에 의한 투명 전극의 저항 증가를 현저히 감소시킬 수 있다. 통상적으로, 염료감응형 전지에서 이산화티탄층은 10㎛ 정도의 두께를 갖게 되는데, 산화아연계가 이산화티탄의 역할을 하므로 좀 더 얇게하는 것이 가능하다. 결과적으로, 산화아연계 다운 컨버터를 염료 감응형 태양전지의 내부에 위치시키고, 산화아연 투명전극을 이용함으로써 전지의 효율을 향상시키고, 전지의 두께를 감소시키며, 투명전극 및 광발전 염료의 열화정도를 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 염료감응 태양전지의 구조 및 작동원리를 보여주는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 다운 컨버터가 내장된 염료 감응형 태양전지의 구조 및 작동원리를 보여주는 도면.
도 3은 은(Ag)이 0.2 w/o 도핑된 ZnO 분말의 흡수, 방출 스펙트럼을 보여주는 도면.
도 4는 염료감응형 전지용 N3, 블랙 다이(black dye)의 입사파장에 따른 입사광 전류변환 효율(IPCE)의 변화를 보여주는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101,204...반도체 산화물 전극 102,202...투명전극
103...전선 104,206...대향전극
105,205...전해질 201...반사막
203...다운 컨버터 207...염료
Claims (2)
- 투명전극과, 투명전극의 후방에 위치하는 염료가 침전된 반도체 산화물 전극과, 반도체 산화물 전극과 대향하는 대향전극과, 반도체 산화물 전극과 대향전극 사이에 충전되는 전해질을 구비하는 염료감응형 태양전지에 있어서,상기 투명전극의 전방에는 태양빛의 수광효율을 증대시키기 위한 반사막이 설치되고, 상기 투명전극은 산화아연(ZnO)막으로 형성되며, 상기 투명전극과 반도체 산화물 전극 사이에는 고에너지파를 가시광선으로 변환시켜주는 다운 컨버터가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 다운 컨버터가 내장된 염료 감응형 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 다운 컨버터는 Zn1-xMxO의 조성을 가지며, 도핑 물질(M)로는 Ag, Cu, Al, Si, Ga, Ge, In, Sn, Cd 중의 어느 하나의 물질이 사용되며, x=0.1∼2.0 w/o의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 다운 컨버터가 내장된 염료 감응형 태양전지.
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