KR20080054971A - 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
염료감응형 태양전지가 제공된다. 상기 태양전지는 제1 전극 상에 염료가 흡착된 반도체 입자를 포함하여 형성되는 광흡수층 및 광산란층을 포함한다. 상기 광 산란층은 2개 이상의 층으로 형성되어 광흡수층 내 및 광흡수층과 전해질 계면에 각각 위치할 수 있다. 제1 전극과 대향하여 전해질층 및 제2전극이 형성된다. 상기 염료 감응형 태양전지의 제조방법 역시 제공된다.
염료감응, 태양전지, 광흡수층, 광산란층, 반도체 입자
Description
도 1 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 나타낸 단면도이고,
도 6은 실시예 및 비교예에서 수득된 염료감응형 태양전지의 광전류 전압 곡선을 나타낸 그래프이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100: 광전극 110: 투명기판
120: 제1 전극층 130a: 제1 광흡수층
140a: 제1 광산란층 130b: 제2 광흡수층
140b: 제2 광산란층 200: 전해질층
300: 대향전극 310: 기판
320: 제2 전극층
본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 염료가 흡착된 반도체 입자를 포함하여 형성되는 광흡수층 및 광산란층을 포함하는 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 광자 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 역할을 하는 장치로 20세기 중반에 Si계를 사용하여 만들어진 후 꾸준히 연구되어 왔다. 광자 에너지를 얼마나 효율적으로 전기 에너지로 변환하느냐에 따라 그 효율이 결정되는데, 우선 태양전지로 입사하는 광을 얼마나 완벽하게 장치 내에 가두고, 흡수하느냐가 중요한 인자 중의 하나이다. 이렇게 흡수한 광을 광 흡수층에서 효율적으로 전자와 정공으로 분리하고(charge separation), 분리된 전하(electron, hole)를 상대전극까지 빠르게 이동시켜 외부 회로로 방출함으로써 효율을 극대화 할 수 있다.
염료 감응형 태양전지에서는 반도체 입자를 광 흡수층으로 사용하고 있으며, 반도체 입자의 표면에 흡착된 염료를 통하여 전자와 정공을 분리하고 있다. 상기 반도체 입자의 표면에 흡착되어 있는 염료에 의해 흡수되지 않은 빛은 광전극을 투과하여 손실되어 버린다. 빛의 손실을 막기 위해 반도체 입자로 이루어지는 광흡수층의 두께를 두껍게 할 수 있지만, 일정 두께 이상으로 두꺼워지면 발생된 전하의 흐름이 용이하지 못하여 오히려 효율이 떨어지는 현상이 발생한다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 광산란층 도입에 의해 광흡수율을 증가시킨 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 광산란층 도입에 의해 광흡수율을 증가시킨 태양전지 의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 몇몇 구현예에 따르면 제1 전극 상에 염료가 흡착된 반도체 입자를 포함하여 제1 광흡수층 및 제1 광산란층이 순차적으로 형성된다. 상기 제1 광산란층 상에 염료가 흡착된 반도체 입자를 포함하여 제2 광흡수층 및 제2 광산란층이 순차적으로 형성되어 광전극을 형성한다. 광전극과 전해질층을 사이에 두고 제2전극이 형성된다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 제1 광흡수층 또는 제2 광흡수층을 구성하는 상기 반도체 입자는 각각 입도가 5~50nm인 금속산화물 입자이다. 상기 금속산화물 입자는 티타늄 산화물, 니오븀 산화물, 하프늄 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물 및 아연 산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어진다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 제1 광흡수층 또는 제2 광흡층의 두께는 각각 5~15㎛이다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 제1 광산란층 또는 제2 광산란층이 각각 입도가 100~600nm인 금속산화물 입자로 이루어진다. 상기 금속산화물 입자들은 TiO2, In2O3, SnO2, VO, VO2, V2O3 및 V2O5로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 물질로 이루어진다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 제1 전극 상에 제1 광흡수층 및 제1 광 산란층을 순차적으로 형성한 후, 다시 제2광흡수층 및 제2 광산란층을 순차적으로 형성하여 광전극을 형성하고, 이를 열처리 한다. 다음으로, 광전극 상에 전해질층 및 제2 전극을 형성한다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면 상기 제1 광흡수층 및 제1 광산란층 형성 후, 제2 광흡수층 및 제2 광산란층을 형성하기 이전에 열처리하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
이하에서 첨부 도면을 참고하여 본 발명에 관하여 더욱 상세하게 설명한다.
먼저 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 태양전지를 설명한다.
도 5를 참조하면, 투명기판(110) 상에 전도성 물질이 코팅되어 제 1 전극층(120)이 형성된다. 상기 기판으로는 투명성을 갖고 있는 것이면 특별히 한정되지 않으며 석영 및 유리와 같은 투명 무기 기판 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET;polyethylene terephthalate), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN; polyethylene naphathalate), 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 폴리프로필렌 등의 투명 플라스틱 기판을 사용할 수 있다. 또한, 상기 제1전극층을 형성하는 전도성 물질로는 ITO, FTO, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 등이 예시된다.
상기 제1 전극층(120) 상에는 제1 광흡수층(130a), 제1 광산란층(140a), 제2 광흡수층(130b) 및 제2 광산란층(140b)이 순차적으로 형성되어 광전극(100)을 형성한다.
상기 제1 및 제2 광흡수층(130a, 130b)은 표면에 염료가 흡착된 반도체 입자로 이루어진다. 상기 반도체 입자는 입도크기 5∼50nm의 금속산화물 입자일 수 있다. 상기 제1 및 제2 광흡수층(130a, 130b)의 두께는 바람직하게는 5~15㎛의 범위이다.
상기 금속산화물은 구체적으로 티타늄 산화물, 니오븀 산화물, 하프늄 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물 및 아연 산화물로 이루어진 군에서 선택된 일종 이상의 물질로 이루어질 수 있다. 상기 제 1 광흡수층(130a) 및 제 2 광흡수층(130b)을 이루는 금속 산화물은 표면에 흡착된 염료가 보다 많은 빛을 흡수하고, 전해질층(200)과의 흡착 정도를 향상시키기 위하여 표면적을 크게 하는 것이 바람직하다. 따라서 광흡수층의 금속산화물들은 나노튜브, 나노와이어, 나노벨트 또는 나노입자와 같은 나노구조를 가질 수 있다.
상기 제1 및 제2 광산란층(140a,140b)은 입도크기 100∼600nm의 금속 산화물 입자로 이루어진다. 광산란층을 구성하는 금속 산화물 입자는 TiO2, In2O3, SnO2, VO, VO2, V2O3, 및 V2O5로 이루어진 군에서 선택된 일종 이상의 물질로 이루어질 수 있다.
상기 제1 및 제2 광산란층(140a, 140b)의 두께는 바람직하게는 0.5~2㎛의 범위이다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면 상기 제2 광산란층 상에 제3 광흡수층 및 제3 광산란층을 복수로 추가하여 광전극을 형성하는 것도 가능하다.
상기와 같이 형성된 광전극(100) 상에 전해질층(200) 및 대향전극(300)을 형성한다. 상기 대향전극(300)은 기판(320) 상에 전도성 물질이 코팅되어 형성된 제2전극층(310)이 형성된 구조이다. 제2 전극층을 형성하는 물질로는 제1 전극층과 동일한 ITO, FTO, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 등이 사용될 수 있으며, 그 이외에도 전기화학적으로 안정한 백금, 금, 카본, 카본나노튜브(CNT) 등을 사용할 수 있다
다음으로 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조방법을 설명한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 전극(120)이 형성된 투명기판(110) 상에 반도체 입자 페이스트를 코팅하여 제1 광흡수층(130a)을 형성한다. 다음으로 금속산화물 입자 페이스트를 코팅하여 제1 광산란층(140a)을 형성한다. 이 때, 상기 코팅 방법으로는 스프레잉, 스핀 코팅, 딥핑, 프린팅, 닥터블레이딩, 스퍼터링 등과 같은 일반적인 코팅방법을 이용할 수 있다. 상기 코팅이 끝난 후 건조 및 소성과정을 거치게 되며, 상기 건조 단계는 약 50 내지 150℃에서 1 내지 10분, 상기 소성 단계는 약 400 내지 600℃에서 10분 내지 2시간 동안 수행될 수 있다.
다음으로 도 3 및 도 4를 참조하면 상기 제1 광산란층(140a) 상에 반도체 입자 페이스트를 코팅하여 제2 광흡수층(130b)을 형성한 후, 금속산화물 입자 페이스트를 코팅하여 제2 광산란층(140b)를 형성한다. 이 때 상기 제2 광흡수층(130b) 및 제2 광산란층(140b)의 건조 및 소성 공정은 상기 제1 광흡수층(130a) 및 제1 광산란층(140a)의 경우와 동일하다.
미세 입자에 의한 광전극을 준비하는 과정에서 유기물 제거와 입자와 입자 및 기판과의 접착력 향상을 위해 열처리를 실시한다. 이 과정에서 광 전극 막의 수축이 발생하게 되는데, 기판과의 접촉부와 막 최외곽층 간에는 수축되는 정도와 속도에서 차이가 발생하게 되고, 이로 인해 막의 깨짐이나 벗겨지는 현상이 발생하게 된다. 이런 현상을 막기 위해 제1 광흡수층 및 제1 광산란층을 적층한 상태에서 열처리를 실시하고, 열처리된 막위에 제2 광흡수층 및 제2 광산란층을 형성한 후 같은 방법으로 열처리를 실시하여 안정적으로 막을 형성할 수 있다.
다음으로 종래 기술분야에서 널리 알려져 있는 방법에 따라 제 1 광흡수층 및 제 2 광흡수층에 염료를 흡착시킨다. 구체적으로는 염료를 함유하는 용액에 광흡수층을 12시간 이상 함침하는 방법 등을 이용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
다음으로 도 5를 참조하면 종래 기술분야에서 널리 알려져 있는 방법에 따라 상기 광전극(100)과 대향하여 대향전극(300)을 배치함과 동시에 소정의 밀봉부재를 사용하여 전해질층이 밀봉되는 공간을 형성한 후, 이 공간에 전해액을 주입함에 의해 전해질층(200)을 형성하여 태양전지(10)을 제조한다. 이 때 대향전극(300)으로는 기판(310) 상에 제2 전극층(320)이 형성된 구조를 사용할 수 있다. 한편 전해액을 밀봉하는 방법은 여러 가지가 있을 수 있는데, 예를 들어 접착제를 사용하여 서로 면 접합시킨 후, 상기 제 1 투명전극과 제 1 대향전극을 관통하는 미세 홀을 형성하고 이 홀을 통해 두 전극 사이의 공간에 전해질 용액을 주입한 다음, 다시 홀의 외부를 접착제로 밀봉할 수 있다.
이하에서 실시예를 들어 본 발명에 관하여 더욱 상세하게 설명하나, 이들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로, 본 발명의 보호범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
실시예
FTO가 코팅된 유리 기판 상에 평균 입경 20nm 크기의 TiO2 입자 페이스트를 스크린 프린팅법으로 3회 코팅한 후, 평균 입경 400nm의 TiO2 입자 페이스트를 스크린 프린팅법으로 1회 코팅하여 125℃에서 5분 동안 건조시켰다. 건조 완료 후 전기로에 투입하여 대기 중에서 서서히 승온시켜 500℃에서 30분간 열처리하여 약 10㎛ 두께의 제1 광흡수층 및 제1 광산란층을 형성하였다. 이어서 동일한 과정을 거쳐 제2 광흡수층 및 제2 광산란층을 형성하였다. 다음으로 금속산화물층이 형성된 유리기판을 0.3mM 농도의 cis -bis(isothiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato)- ruthenium(II) bis-tetrabutylammonium(N719) 용액에 24시간 침지한 후 건조시켜 상기 염료를 TiO2 층 표면에 흡착시켰다. 염료의 흡착이 완료된 후 흡착되지 않고 광흡수층 위에 올라가 있는 염료를 씻어내기 위해 아세토니트릴(acetonitrile)을 막에 뿌린 후 건조하여 광전극을 형성하였다. 그 다음으로 인 듐틴 옥사이드(ITO)가 코팅된 유리 기판에 Pt를 증착한 대향전극과 상기에서 제조된 광전극을 SURLYN(Du Pont사 제조)으로 이루어지는 약 40미크론 두께의 고분자 격벽을 사이에 두고 배치한 후 약 110℃ 의 가열판 상에서 약 2 기압으로 압착시켜 광전극과 대향전극 사이에 밀폐된 공간을 형성하였다. 이어서 전해질 주입을 위해 0.75 mm 직경의 드릴을 이용하여 미세 구멍을 만들어 0.6M의 1,2-디메틸-3-옥틸-이미다졸륨 아이오다이드, 0.2M LiI, 0.04M I2 및 0.2M 4-tert-부틸-피리딘(TBP)을 아세토나이트릴에 용해시킨 I3/I 의 전해질 용액을 주입하여 태양전지를 제조하였다.
비교예
상기 실시예에서 제1 광흡수층, 제1 광산란층, 제2 광흡수층 및 제2 광산란층을 순차적으로 형성하는 대신에, 20nm 크기의 TiO2 입자 페이스트를 스크린 프린팅법으로 6회 코팅한 후, 400nm의 TiO2 입자 페이스트를 스크린 프린팅법으로 2회 코팅하여 광흡수층 및 광산란층을 형성하였다. 그 외의 조건은 실시예와 동일하게 실시하였다.
[광전변환소자의 특성 평가]
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 광전변환소자의 광전압 및 광전류를 측정하여 광전환효율을 산출하였다. 이때, 광원으로는 제논 램프(Xenon lamp, Oriel, 01193)을 사용하였으며, 상기 제논 램프의 태양 조건(AM 1.5, 1sun)은 표준 태양전 지(Furnhofer Institute Solare Engeriessysteme, Certificate No. C-ISE369, Type of material: Mono-Si+ KG 필터)를 사용하여 보정하였다. 도 6은 상기 실시예 및 비교예의 태양전지로부터 측정된 광전류 전압 곡선을 나타낸다. 이로부터 계산된 전류밀도(Isc), 전압(Voc) 및 충진계수(fill factor, FF)를 하기 수학식 1에 대입하여 산출한 광전변환효율(ηe)을 하기 표 1에 나타내었다.
상기 식에서, Pinc는 100mW/cm2(1sun)을 나타낸다.
이상에서 바람직한 구현예를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 본 발명의 보호범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있으므로, 이러한 다양한 변형예도 본 발명의 보호 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명에서는 염료가 흡착된 반도체 입자로 이루어지는 광흡수층에 광산란 층을 복수개로 형성함에 의해 광흡수 효율을 높인 태양전지를 제공한다.
Claims (13)
- 제1 전극;염료가 흡착된 반도체 입자를 포함하여 상기 제1 전극 상에 형성되는 제1 광흡수층;상기 제1 광흡수층 상에 형성되는 제1 광산란층;염료가 흡착된 반도체 입자를 포함하여 상기 제1 광산란층 상의 제2 광흡수층;상기 제2 광흡수층 상에 형성되는 제2 광산란층;상기 제2 광산란층 상의 전해질층; 및상기 전해질층 상의 제2 전극을 포함하는 태양전지.
- 제 1항에 있어서, 상기 제1 광흡수층 또는 제2 광흡수층을 구성하는 상기 반도체 입자가 각각 입도가 5~50nm인 금속산화물 입자인 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 2항에 있어서, 상기 반도체 입자가 티타늄 산화물, 니오븀 산화물, 하프늄 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물 및 아연 산화물로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1항에 있어서, 상기 제1 광흡수층 또는 제2 광흡층의 두께가 각각 5~15㎛인 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1항에 있어서, 상기 제1 광산란층 또는 제2 광산란층이 각각 입도가 100~600nm인 금속산화물 입자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 5항에 있어서, 상기 광산란층을 구성하는 금속산화물 입자가 TiO2, In2O3, SnO2, VO, VO2, V2O3 및 V2O5로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1항에 있어서, 상기 제1 광산란층 또는 제2 광산란층의 두께가 각각 0.5~2㎛인 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제1 전극 상에 제1 광흡수층 및 제1 광산란층을 순차적으로 형성하는 단계;상기 제1 광산란층 상에 제2광흡수층 및 제2 광산란층을 순차적으로 형성하여 광전극을 형성하는 단계;상기 광전극을 열처리하는 단계; 및상기 광전극 상에 전해질층 및 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법.
- 제 8항에 있어서, 상기 제1 광흡수층 및 제1 광산란층 형성 후, 제2 광흡수층 및 제2 광산란층을 형성하기 이전에 열처리하는 단계를 추가로 포함하는 태양전지 제조방법.
- 제 8항에 있어서, 상기 제1 광흡수층 또는 제2 광흡수층은 각각 입도가 5~50nm인 금속산화물 입자 페이스트를 코팅하여 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
- 제 10항에 있어서, 상기 반도체 입자가 티타늄 산화물, 니오븀 산화물, 하프 늄 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물 및 아연 산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 8항에 있어서, 상기 제1 광산란층 또는 제2 광산란층은 각각 입도가 100~600nm인 금속산화물 입자 페이스트를 코팅하여 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
- 제 12항에 있어서, 상기 금속산화물 입자가 TiO2, In2O3, SnO2, VO, VO2, V2O3 및 V2O5로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지.
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