KR20090038631A - 염료 감응 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
염료 감응 태양 전지가 제공된다. 이 태양 전지는 규칙적으로 배열된 세공들을 갖는 전도체층, 전도체층의 표면에 배치된 산화물 반도체층 및 산화물 반도체층 표면에 배치된 염료층을 갖는 전극 구조체를 포함한다.
염료 감응, 태양 전지, 규칙 배열, 템플릿, 산화물 반도체
Description
본 발명은 염료 감응 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더 구체적으로 템플릿을 이용하여 제작된 규칙적인 다공성 전도체를 포함하는 전극 구조체를 갖는 염료 감응 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-006-02, 과제명: 유비쿼터스 단말용 부품 모듈].
염료 감응 태양 전지(dye sensitized solar cell)는 p-n 접합(p-n junction)을 이용하는 웨이퍼(wafer) 형태의 실리콘(silicon) 태양 전지 또는 화합물 태양 전지와는 달리, 가시광선의 파장을 가지는 빛이 입사되면 이를 받아 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 형성할 수 있는 염료 분자와 여기된 전자를 받아들일 수 있는 산화물 반도체 및 일을 하고 태양 전지로 돌아오는 전자와 반응하는 전해질을 주된 구성 성분으로 가지고 있다.
현재까지 가장 잘 알려진 염료 감응 태양 전지는 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 등에 의해 발표되었다. (미국특허번호 4,927,721호 참조) 마이클 그라첼 등에 의해 발표된 광 전기화학적 태양 전지는 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성할 수 있는 감광성 염료 분자, 염료 분자가 흡착되어 있는 나노 입자(nano particle) 티타늄 산화물(TiO2)로 이루어지는 산화물 반도체인 전극 구조체, 백금 또는 탄소가 코팅된 상대 전극, 및 산화물 반도체 전극과 상대 전극 사이에 채워진 전해질 용액으로 구성되어 있다. 이 광 전기화학적 태양 전지는 p-n 접합을 이용하는 웨이퍼 형태의 실리콘 태양 전지에 비하여 전력당 제조 원가가 저렴하여 주목받고 있다.
도 1은 종래기술에 따른 염료 감응 태양 전지에서 태양광에 의해 발생한 전자의 흐름을 설명하기 위한 부분 단면도이다.
도 1을 참조하면, 염료 감응 태양 전지의 작동 원리는 태양으로부터 방출되는 빛(Light)에 의해 들뜬 염료 분자들(24)이 전자(e-)를 나노 입자 티타늄 산화물로 구성된 산화물 반도체층(20)의 전도대(conduction band)에 주입한다. 이러한 전도대에 주입된 전자는 나노 입자 티타늄 산화물을 통과하여 불소가 도핑된 주석 산화물(Fluorine doped SnO2 : FTO)이 코팅된 유리로 구성된 전도성 기판(10)에 도달한 후 외부 회로(미도시)로 전달된다. 외부 회로에 전기적 일을 하고 돌아온 전자는 상대 전극(미도시, 백금 또는 탄소 전극)을 통하여 산화/환원 전해질(30)의 전자 전달 역할에 의하여 전자를 나노 입자 티타늄 산화물인 산화물 반도체층(20)에 주입하여 전자가 부족한 염료 분자(24)를 환원시켜 염료 감응 태양 전지의 작동을 완성하게 된다.
그러나 염료 분자(24)로부터 나노 입자 티타늄 산화물인 산화물 반도체층(20)으로 주입된 전자가 외부 회로에 전달되어 일을 수행하기 전에, 나노 입자 티타늄 산화물인 산화물 반도체층(20)과 전도성 기판(10)을 통과하는 과정에서 전도대에 주입된 전자들 중 일부는 염료 분자(24)가 흡착되어 있지 않은 나노 입자 티타늄 산화물인 산화물 반도체층(20)의 비어 있는 표면 에너지 준위에 머물게 된다. 이때, 전자와 전해질(30)의 재결합이 발생함으로써, 전자는 회로를 따라 돌지 못하고 비효율적으로 사라지게 된다. 이에 따라, 광전 에너지 변환 효율(photovoltaic energy conversion efficiency)에 손실이 발생하게 된다.
또한, 마이크 그라첼 등이 제안한 산화물 반도체층을 전극 구조체로 가지는 염료 감응 태양 전지에서는 염료 분자들로부터 산화물 반도체층으로 주입된 전자가 전도성 기판까지 이동하는 경로로 사용되는 부분이 또한 나노 입자 티타늄 산화물이기 때문에, 전자가 3차원 구조의 산화물 반도체층을 이동하는 중에 큰 전기적인 저항을 가지게 되어 단락 회로 전류 밀도(short-circuit current : Jsc)의 저하를 발생시킨다. 결과적으로, 광전 에너지 변환 효율은 태양 전지의 전류값, 전압값 및 충진 계수(fill factor)의 곱에 의하여 결정되기 때문에, 광전 에너지 변환 효율을 증대시키기 위해서는 전류값, 전압값 및 충진 계수를 향상시켜야 한다. 이들 중에서 전압값을 크게 상승시킬 수 있는 방법이 전자와 재결합을 극소화하여 나노 입자 산화물 반도체의 전자 밀도를 높이는 방법이다.
이와 같이, 산화물 반도체인 티타늄 산화물에서 발생하는 광전 에너지 변환 효율의 저하를 최소화하기 위한 기존의 방법들에 대한 예는 다음과 같은 것들이 있다. 먼저, 산화물 반도체인 티타늄 산화물을 전극 구조체로 사용하면서 이의 표면을 니오븀 산화물(Nb2O5)과 같은 밴드갭(bandgap) 에너지가 높은 산화물 반도체 물질로 코팅하여 산화물 반도체층과 전해질 사이에 에너지 장벽을 형성하여 재결합을 방지하는 방법이다. 이 방법의 경우 어느 정도 광전 에너지 변환 효율이 향상되었다. 그러나 전극 구조체로 사용된 물질이 기본적으로 산화물 반도체인 티타늄 산화물이기 때문에, 전자의 이동에 있어 한계가 있어 광전 에너지 변환 효율의 향상이 제한적이었다. 그리고 염료 분자가 니오븀 산화물에 흡착되는 정도가 티타늄 산화물에 비해 떨어지는 단점이 있었다.
또한, 산화물 반도체를 나노 와이어(nano wire) 형태로 성장시켜 전극 구조체로 사용하려고 하는 시도도 역시 있어왔으나, 나노 와이어 자체가 단결정이므로 전자 확산에 유리한 형태여서 높은 광전 에너지 변환 효율이 예상되었던 것과 달리 나노 와이어, 나노 막대(nano lod) 및 나도 튜브(nano tube) 형태의 산화물 반도체를 전극 구조체로 사용한 경우에는 나노 입자 산화물 반도체를 전극 구조체로 사용한 경우에 비해 낮은 광전 에너지 변환 특성을 보였다. 이는 나노 입자 산화물 반도체와는 달리 낮은 표면적으로 형성될 수밖에 없는 나노 와이어, 나노 막대 및 나노 튜브 형태의 산화물 반도체 전극 구조체의 한계인 것으로 보인다. 이 외에도, 아연 산화물(ZnO) 또는 주석 산화물 등 티타늄 산화물이 아닌 산화물 반도체를 전극 구조체로 사용하려고 하는 시도들도 있었으나 티타늄 산화물을 전극 구조체로 사용한 것과 비교하여 현저히 떨어지는 광전 에너지 변환 효율을 보였다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 광전 에너지 변환 효율을 극대화할 수 있는 염료 감응 태양 전지를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 광전 에너지 변환 효율을 극대화할 수 있는 염료 감응 태양 전지의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 염료 감응 태양 전지를 제공한다. 이 태양 전지는 규칙적으로 배열된 세공들을 갖는 전도체층, 전도체층의 표면에 배치된 산화물 반도체층 및 산화물 반도체층 표면에 배치된 염료층을 갖는 전극 구조체를 포함한다.
전도체층은 주석 산화물, 인듐, 안티몬 또는/및 불소가 도핑된 주석 산화물, 금속, 전도성 폴리머, 및 나노 탄소물질 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
산화물 반도체층은 아연 산화물, 주석 산화물 및 티타늄 산화물 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전극 구조체의 일면 상에 배치되어 전극 구조체에 접촉하는 하부 전극 구조체, 전극 구조체의 타면 상에 배치된 상부 전극 구조체 및 전극 구조체와 상부 전극 구조체 사이에 개재되면서 전극 구조체의 세공들을 채우는 전해질층을 더 포함할 수 있다.
상부 전극 구조체와 전해질층 사이에 개재된 촉매층을 더 포함할 수 있다. 촉매층은 백금 또는 탄소를 포함할 수 있다.
전해질층은 액체 형태, 고체 형태 및 겔 형태 중에서 선택된 하나의 형태를 포함할 수 있다.
또한, 상기한 다른 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 염료 감응 태양 전지의 제조 방법을 제공한다. 이 방법은 규칙적으로 배열된 세공들을 갖는 템플릿을 준비하는 단계, 템플릿의 표면에 전도체층을 형성하는 단계, 전도체층의 표면에 산화물 반도체층을 형성하는 단계 및 산화물 반도체층의 표면에 염료층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
템플릿을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
템플릿은 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트 및 블록 혼성중합체 중에서 선택된 적어도 하나로 형성될 수 있다. 템플릿은 전극 구조체를 형성하기 위한 열 처리 과정에서 소진되어 제거될 수 있다.
템플릿은 알루미나로 형성될 수 있다. 템플릿은 전극 구조체의 형성 후에 제거될 수 있다.
전도체층은 주석 산화물, 인듐, 안티몬 또는/및 불소가 도핑된 주석 산화물, 금속, 전도성 폴리머, 및 나도 탄소물질 중에서 선택된 적어도 하나의 물질로 형성될 수 있다.
산화물 반도체층을 형성하는 단계는 산화물 반도체를 딥코팅 방식, 전기영동 방식 및 전기도금 방식 중에서 선택된 하나의 방식을 사용하여 형성하는 것일 수 있다.
산화물 반도체층을 형성하는 단계는 금속 또는 금속 전구체를 양극 산화 방식 또는 열 산화 방식을 사용하는 산화 공정으로 형성하는 것일 수 있다.
산화물 반도체층은 아연 산화물, 주석 산화물 및 티타늄 산화물 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 과제 해결 수단에 따르면 염료 감응 태양 전지가 규칙적으로 배열된 세공들을 갖는 전극 구조체를 포함함으로써, 전극 구조체와 전해질 사이의 경계면에서 산화/환원 반응에 의해 발생하는 재결합을 최소화할 수 있다. 또한, 전극 구조체에서의 전자의 이동 경로를 최소화할 수 있다. 이에 따라, 극대화된 광전 에너지 변환 효율을 갖는 염료 감응 태양 전지가 제공될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한, 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 염료 감응 태양 전지의 전극 구조체 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 평면도이다.
도 2를 참조하면, 염료 감응 태양 전지의 전극 구조체는 전도체층(120), 산화물 반도체층(122) 및 염료층(124)을 포함할 수 있다.
전도체층(120)은 규칙적으로 배열된 세공들(pores)을 가질 수 있다. 전도체층(120)을 형성하는 것은 규칙적으로 배열된 세공들을 갖는 템플릿(templet, 미도시)의 표면에 투명하고 전도성을 가지는 전도성 물질을 도포하는 것일 수 있다. 전도체층(120)을 구성하는 전도성 물질은 주석 산화물, 인듐이 도핑된 주석 산화물(Indium doped SnO2 : ITO), 안티몬이 도핑된 주석 산화물(Antimony doped SnO2 : ATO), 불소가 도핑된 주석 산화물, 금속, 전도성 폴리머 및 나노 탄소물질 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 전도체층(120)은 주석 산화물로 형성될 수 있다.
규칙적으로 배열된 세공들을 갖는 전도체층(120)을 형성하기 위해 사용되는 템플릿은 벌집 형태, 나노 와이어, 나노 막대 및 나노 튜브 등과 같이 전극 구조체의 표면적을 극대화할 수 있는 모든 형태를 포함할 수 있다. 템플릿은 폴리스티렌(polystyrene), 폴리메틸메타크릴레이트(Poly Methyl MethAcrylate : PMMA), 블록 혼성중합체(block co-polymer) 및 알루미나(alumina) 중에서 선택된 적어도 하 나의 물질을 포함할 수 있다.
산화물 반도체층(122)은 전도체층(120)의 표면에 형성될 수 있다. 산화물 반도체층(122)을 형성하는 것은 산화물 반도체를 딥코팅(deep coating) 방식, 전기영동(electrophoretic) 방식 및 전기도금(electroplating) 방식 중에서 선택된 하나의 방식을 사용하여 형성하는 것일 수 있다. 또한, 산화물 반도체층(122)을 형성하는 것은 금속 또는 금속 전구체(precursor)를 양극 산화(anodize) 방식 또는 열 산화 방식을 사용하는 산화 공정으로 형성하는 것일 수 있다. 산화물 반도체층(122)은 아연 산화물, 주석 산화물 및 티타늄 산화물 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 산화물 반도체층(122)은 티타늄 산화물을 포함할 수 있다.
염료층(124)은 산화물 반도체층(122)의 표면에 형성될 수 있다. 염료층(124)을 형성하는 것은 산화물 반도체층(122)에 염료 분자를 흡착시키는 것일 수 있다. 이에 따라, 규칙적으로 배열된 세공들을 갖는 전극 구조체를 형성할 수 있다.
폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트 또는 블록 혼성중합체 등의 유기계 템플릿을 사용하는 경우에는 전극 구조체를 형성하기 위한 열 처리 공정에서 소진(burn-out)되어 제거될 수 있다. 반면에, 알루미나 등의 무기계 템플릿을 사용하는 경우에는 전극 구조체를 형성한 후에 제거될 수 있다. 이는 무기계 템플릿은 전극 구조체를 형성하기 위한 열 처리 공정에서 소결되지 않기 때문이다.
전도체층(120)이 높은 기공률을 특징으로 하는 규칙적으로 배열된 세공들을 가짐으로써, 전도체층(120)의 표면에 산화물 반도체층(122)의 두꺼운 코팅이 용이 할 수 있다. 전도체층(120)이 산화물 반도체층(122)과 불과 수 nm 정도의 거리에 위치해 있기 때문에, 전극 구조체의 두께는 빛이 미칠 수 있는 거리만큼 두꺼워질 수 있다. 전극 구조체의 두께가 두꺼워질수록 단락 회로 전류 밀도가 높아질 수 있다. 즉, 전해질층(130)과 전도체층(120) 사이에서 산화물 반도체층(122)이 전자-홀의 재결합을 방지하는 일종의 장벽이 될 수 있다. 이에 따라, 염료 감응 태양 전지의 광전 에너지 변환 효율이 크게 상승할 수 있다.
상기와 같은 구조로 형성된 염료 감응 태양 전지의 전극 구조체는 규칙적으로 배열된 세공들을 가짐으로써, 염료 감응 태양 전지의 전극 구조체와 전해질층 사이의 경계면에서 산화/환원 반응에 의해 발생하는 재결합을 최소화할 수 있다. 또한, 전극 구조체에서의 전자의 이동 경로를 최소화할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 염료 감응 태양 전지 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 염료 감응 태양 전지는 하부 전극 구조체(110), 전도체층(120), 산화물 반도체층(122) 및 염료층(124)을 포함하는 전극 구조체, 전해질층(130) 및 상부 전극 구조체(140)를 포함할 수 있다.
하부 전극 구조체(110)는 전도성을 갖는 투명 기판 또는 전도성 물질이 일면에 코팅된 투명 기판일 수 있다. 하부 전극 구조체(110)의 전도성을 갖는 일면 상에 전극 구조체가 접하도록 형성될 수 있다.
전해질층(130)은 전극 구조체와 상부 전극 구조체(140) 사이에 개재되면서, 전극 구조체의 세공들을 채울 수 있다. 전해질층(130)은 액체 형태, 고체 형태 및 겔(gel) 형태 중에서 선택된 하나의 형태를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 전해질층(130)은 I3 -/I-계 전해질 용액일 수 있다.
상부 전극 구조체(140)는 전도성을 갖는 투명 기판 또는 전도성 물질이 일면에 코팅된 투명 기판일 수 있다. 상부 전극 구조체(140)의 전도성을 갖는 일면이 전해질층(130)과 접하도록 형성될 수 있다. 전해질층(130)과 상부 전극 구조체(140) 사이에 개재되는 촉매층(142)을 더 포함할 수 있다. 촉매층(142)은 백금 또는 탄소를 포함할 수 있다. 이에 따라, 규칙적으로 배열된 세공들을 갖는 전극 구조체를 포함하는 염료 감응 태양 전지를 형성할 수 있다.
상기와 같은 구조로 형성된 염료 감응 태양 전지는 규칙적으로 배열된 세공들을 갖는 전극 구조체를 포함함으로써, 전극 구조체와 전해질층 사이의 경계면에서 산화/환원 반응에 의해 발생하는 재결합을 최소화할 수 있다. 또한, 전극 구조체에서의 전자의 이동 경로를 최소화할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 염료 감응 태양 전지에서 태양광에 의해 발생한 전자의 흐름을 설명하기 위한 부분 단면도이다.
도 4를 참조하면, 염료 감응 태양 전지의 전극 구조체는 염료층(124)으로부터 전도체층(120)으로 전달된 전자(e-)가 벌집 형태의 연결된 전도체층(120)을 통해 하부 전극 구조체(110)로 이동함에 따라, 전자의 이동 경로가 수~수백 nm 정도의 길이로 최소화될 수 있다. 또한, 염료층(124)과 전도체층(120) 사이의 산화물 반도체층(122)은 전도체층(120)으로 전달된 전자가 다시 전해질층(130)과 반응할 수 없도록 에너지 장벽의 역할을 수행할 수 있다. 이에 따라, 광전 에너지 변환 효율이 극대화될 수 있다.
상기한 본 발명의 실시예에 따른 염료 감응 태양 전지는 규칙적으로 배열된 세공들 갖는 전극 구조체를 가짐으로써, 전극 구조체와 전해질층 사이의 경계면에서 산화/환원 반응에 의해 발생하는 재결합을 최소화할 수 있다. 또한, 전극 구조체에서의 전자의 이동 경로를 최소화할 수 있다. 이에 따라, 극대화된 광전 에너지 변환 효율을 갖는 염료 감응 태양 전지 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 염료 감응 태양 전지에서 태양광에 의해 발생한 전자의 흐름을 설명하기 위한 부분 단면도;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 염료 감응 태양 전지의 전극 구조체 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 평면도;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 염료 감응 태양 전지 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 단면도;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 염료 감응 태양 전지에서 태양광에 의해 발생한 전자의 흐름을 설명하기 위한 부분 단면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
110 : 하부 전극 구조체 120 : 전도체층
122 : 산화물 반도체층 124 : 염료층
130 : 전해질층 140 : 상부 전극 구조체
142 : 촉매층
Claims (12)
- 규칙적으로 배열된 세공들을 갖는 전도체층, 상기 전도체층의 표면에 배치된 산화물 반도체층 및 상기 산화물 반도체층 표면에 배치된 염료층을 갖는 전극 구조체를 포함하는 염료 감응 태양 전지.
- 제 1항에 있어서,상기 전도체층은 주석 산화물, 인듐, 안티몬 또는/및 불소가 도핑된 주석 산화물, 금속, 전도성 폴리머, 및 나노 탄소물질 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양 전지.
- 제 1항에 있어서,상기 산화물 반도체층은 아연 산화물, 주석 산화물 및 티타늄 산화물 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양 전지.
- 규칙적으로 배열된 세공들을 갖는 템플릿을 준비하는 단계;상기 템플릿의 표면에 전도체층을 형성하는 단계;상기 전도체층의 표면에 산화물 반도체층을 형성하는 단계; 및상기 산화물 반도체층의 표면에 염료층을 형성하는 단계를 포함하는 염료 감응 태양 전지의 제조 방법.
- 제 4항에 있어서,상기 템플릿을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양 전지의 제조 방법.
- 제 5항에 있어서,상기 템플릿은 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트 및 블록 혼성중합체 중에서 선택된 적어도 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양 전지의 제조 방법.
- 제 6항에 있어서,상기 템플릿은 상기 전극 구조체를 형성하기 위한 열 처리 과정에서 소진되어 제거되는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양 전지의 제조 방법.
- 제 5항에 있어서,상기 템플릿은 알루미나로 형성되는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양 전지의 제조 방법.
- 제 4항에 있어서,상기 전도체층은 주석 산화물, 인듐, 안티몬 또는/및 불소가 도핑된 주석 산 화물, 금속, 전도성 폴리머, 및 나노 탄소물질 중에서 선택된 적어도 하나의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양 전지의 제조 방법.
- 제 4항에 있어서,상기 산화물 반도체층을 형성하는 단계는 산화물 반도체를 딥코팅 방식, 전기영동 방식 및 전기도금 방식 중에서 선택된 하나의 방식을 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양 전지의 제조 방법.
- 제 4항에 있어서,상기 산화물 반도체층을 형성하는 단계는 금속 또는 금속 전구체를 양극 산화 방식 또는 열 산화 방식을 사용하는 산화 공정으로 형성하는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양 전지의 제조 방법.
- 제 10항 또는 제 11항에 있어서,상기 산화물 반도체층은 아연 산화물, 주석 산화물 및 티타늄 산화물 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양 전지의 제조 방법.
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| KR101451114B1 (ko) * | 2012-11-12 | 2014-10-17 | 서강대학교산학협력단 | 염료감응 태양전지용 광전극, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지 |
| KR101458444B1 (ko) * | 2012-02-27 | 2014-11-10 | 서강대학교산학협력단 | 다공성 전이금속 산화물 구조체, 상기의 제조 방법, 상기를 포함하는 광전극, 및 상기 광전극을 포함하는 염료감응형 태양전지 |
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| US7605327B2 (en) * | 2003-05-21 | 2009-10-20 | Nanosolar, Inc. | Photovoltaic devices fabricated from nanostructured template |
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| KR20060074233A (ko) * | 2004-12-27 | 2006-07-03 | 삼성전자주식회사 | 광전셀 및 그 제조방법 |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8441708B2 (en) | 2009-08-24 | 2013-05-14 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Electrochromic device and method of manufacturing the same |
| KR101458444B1 (ko) * | 2012-02-27 | 2014-11-10 | 서강대학교산학협력단 | 다공성 전이금속 산화물 구조체, 상기의 제조 방법, 상기를 포함하는 광전극, 및 상기 광전극을 포함하는 염료감응형 태양전지 |
| KR20150127843A (ko) * | 2012-06-29 | 2015-11-18 | 서강대학교산학협력단 | 염료감응 태양전지용 광전극, 그의 제조 방법, 및 그를 포함하는 염료감응 태양전지 |
| KR101451114B1 (ko) * | 2012-11-12 | 2014-10-17 | 서강대학교산학협력단 | 염료감응 태양전지용 광전극, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지 |
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