KR20090039340A - 염료 감응 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
염료 감응 태양전지 및 그 제조 방법을 제공한다. 이 염료감응 태양전지는 서로 이격된 하부 기판 및 상부 기판, 하부 기판 상에 배치된 반도체 전극층, 반도체 전극층의 표면에 흡착된 염료층 및 하부 및 상부 기판들 사이에 배치되는 전해질 용액을 포함한다. 이때, 반도체 전극층에 인접한 하부 기판의 상부 표면은 반도체 전극층과의 접촉 면적을 증가시킬 수 있는 적어도 하나의 홈을 갖도록 형성된다.
Description
본 발명은 염료감응 태양전지 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].
태양 전지는 태양으로부터 방출되는 빛 에너지를 전기 에너지로 전환하는 광전 에너지 변환 시스템(photovoltaic energy conversion system)이다. 현재 주로 사용되는 실리콘 태양 전지는 상기 광전 에너지 변환을 위해 실리콘 내에 형성되는 p-n 접합 다이오드(p-n junction diode)를 이용하지만, 전자 및 홀의 때이른 재결합(premature recombination)을 방지하기 위해서는, 사용되는 실리콘은 높은 순도 및 낮은 결함을 가져야 한다. 이러한 기술적 요구는 사용되는 재료 비용의 증가를 가져오기 때문에, 실리콘 태양 전지의 경우, 전력당 제조 비용이 높다.
이에 더하여, 밴드 갭 이상의 에너지를 갖는 광자들(photons) 만이 전류를 생성하는데 기여하기 때문에, 실리콘 태양 전지의 실리콘은 가능한 낮은 밴드 갭(bandgap)을 갖도록 도핑된다. 하지만, 이처럼 낮춰진 밴드갭 때문에, 청색광 또는 자외선에 의해 여기된 전자들(excited electrons)은 과도한 에너지를 갖게 되어, 전류 생산에 기여하기 보다는 열로써 소모된다. 또한, 광자(photon)가 캡쳐링(capturing)될 가능성을 증가시키기 위해서는, p형층(p-type layer)은 충분히 두꺼워야 하지만, 이러한 두꺼운 p형층은 여기된 전자가 p-n 접합에 도달하기 전에 정공과 재결합할 가능성을 증가시키기 때문에, 실리콘 태양 전지의 효율은 대략 7 내지 15% 근방에서 머무른다.
한편, 마이클 그라첼(Michael Gratzel), 모하메드 나질루딘(Mohammad K. Nazeeruddin) 및 브리안 올레간(Brian O'Regan)은, 1991년에 그라첼 셀(Gratzel cell)로 알려진, 광합성 반응의 원리에 기초한 염료감응 태양전지(Dye-sensitized Solar Cell; DSC)를 제안하였다. (미국특허번호 4,927,721호 및 미국특허번호 5,350,644호 참조.) 그라첼 셀을 원형(prototype)으로 한 염료감응 태양전지는, 광전 에너지 변환을 위해, p-n 접합 다이오드가 아니라 염료 및 전이 금속 산화막을 이용하는 광전기화학 시스템(photoelectrochemical system)이다. 이러한 염료감응 태양전지는 사용되는 재료가 저렴하고 그 제조 방법이 단순하기 때문에, 실리콘 태양 전지에 비해 생산 비용이 저렴하다. 이에 더하여, 염료감응 태양전지의 에너지 변환 효율은 상기 실리콘 태양 전지의 효율과 비슷하기 때문에, 실리콘 태양 전지에 비해 전력당 제조 비용이 낮다. 이에 따라, 에너지 변환 효율 및 출력을 증가시킬 수 있는 기술이 개발된다면, 염료감응 태양전지는 곧 상용화될 수 있을 것으로 기대되고 있다.
도 1은 종래의 염료감응 태양전지를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 염료감응 태양전지는 도전성 하부 기판(1), 상기 하부 기판(1) 상에 적층된 산화물 반도체 입자들(2), 상기 산화물 반도체 입자들(2)의 표면에 흡착된 염료 분자들(3), 상기 하부 기판(1)으로부터 이격되어 이와 대향하는 상부 기판 구조체(5), 및 상기 하부 기판(1)과 상기 상부 기판 구조체(5) 사이에 개재된 전해질 용액(electrolyte)을 포함한다. 태양광이 조사될 경우, 염료 분자(3)의 전자들은 빛 에너지에 의한 여기(excited)되어 상기 산화물 반도체 입자들(2)의 전도대로 주입된 후, 상기 하부 기판(1), 소정의 부하(load)(미도시) 및 상기 상부 기판 구조체(5)를 경유하여 상기 전해질 용액(4)에서 환원된다. 이러한 과정은 염료감응 태양전지의 전자 순환 체계라고 불리어진다.
한편, 종래의 염료 감응 태양전지의 경우, 상기 산화물 반도체 입자들(2) 및 상기 하부 기판(1)은 상기 전해질 용액(4)에 접촉하기 때문에, 전자들의 일부는 부하에서 일을 하는 과정에 참여하지 못하고 상기 하부 기판(1)으로부터 상기 전해질 용액(4)으로 곧장 주입될 수 있다. 염료 감응 태양 전지의 전자 순환 체계로부터의 이러한 전자 이탈은 염료감응 태양전지의 에너지 변환 효율 및 출력을 감소시키는 결과를 가져오기 때문에, 전자 순환 체계로부터 이탈되는 전자들의 수를 줄이는 것이 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 증가된 에너지 변환 효율을 제공할 수 있는 염료감응 태양전지를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 증가된 에너지 변환 효율을 제공할 수 있는 염료감응 태양전지의 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기 일 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 적어도 하나의 홈이 형성된 하부 기판을 갖는 염료 감응 태양 전지를 제공한다. 보다 구체적으로, 이러한 염료감응 태양전지는 서로 이격된 하부 기판 및 상부 기판, 상기 하부 기판 상에 배치된 반도체 전극층, 상기 반도체 전극층의 표면에 흡착된 염료층 및 상기 하부 및 상부 기판들 사이에 배치되는 전해질 용액을 포함하되, 상기 반도체 전극층에 인접한 상기 하부 기판의 상부 표면은 상기 반도체 전극층과의 접촉 면적을 증가시킬 수 있는 적어도 하나의 홈을 갖도록 형성된다.
이때, 상기 하부 기판은 금속들 및 금속 합금들 중의 적어도 한가지로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 반도체 전극층은 복수개의 산화물 반도체 입자들을 포함하되, 상기 홈의 크기는 적어도 상기 산화물 반도체 입자의 직경보다 클 수 있다. 하지만, 상기 홈의 크기가 상기 산화물 반도체 입자의 직경보다 작은 경우에도, 상기 반도체 전극층과의 접촉 면적을 증가시키는 기술적 효과를 얻을 수 있음은 자명하다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 적어도 하나의 홈을 하부 기판에 형성하는 단계를 포함하는 염료 감응 태양 전지의 제조 방법을 제공한다. 이 방법은 하부 기판의 상부 표면에 적어도 하나의 홈을 형성하고, 상기 적어도 하나의 홈이 형성된 하부 기판 상에 반도체 전극층을 형성하고, 상기 반도체 전극층의 표면에 염료층을 흡착시키고, 상기 염료층이 형성된 결과물 상부에 상기 하부 기판과 대향하는 상부 기판을 배치한 후, 상기 하부 및 상부 기판 사이에 전해질 용액을 주입하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 하부 기판은 금속들 및 금속 합금들 중의 적어도 한가지로 형성될 수 있다. 또한, 상기 하부 기판의 상부 표면에 적어도 하나의 홈을 형성하는 단계는 상기 하부 기판과 화학적으로 반응할 수 있는 화학 물질을 사용하여 상기 하부 기판의 상부면을 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 하부 기판의 상부 표면에 적어도 하나의 홈을 형성하는 단계는 상기 하부 기판의 상부면을 산성 용액을 이용하여 화학적 또는 전기화학적인 방법으로 부식시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 전기화학적인 방법은 사용되는 산성용액에 전압을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 반도체 전극층을 형성하기 전에, 상기 적어도 하나의 홈이 형성된 상기 하부 기판의 표면에 차단막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 차단막을 형성하는 단계는 전기 영동 기술, 전기 도금 기술, 스핀 코팅 기술 및 딥 코팅 기술 중의 적어도 한가지를 사용하여, 상기 적어도 하나의 홈이 형성된 상기 하부 기판의 표면에 상기 차단막을 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 차단막을 형성하는 단계는 상기 적어도 하나의 홈이 형성된 상기 하부 기판의 표면에 금속 또는 금속 전구체를 코팅한 후, 상기 코팅된 금속 또는 금속 전구체를 애노다이징 기술 또는 열산화 기술을 사용하여 산화시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 반도체 전극층이 형성될, 도전성 하부 기판의 표면에는 적어도 하나의 홈이 형성된다. 상기 적어도 하나의 홈에 의해, 상기 하부 기판은 증가된 표면적을 가질 수 있기 때문에, 상기 반도체 전극층과 상기 하부 기판 사이의 유효 접촉 면적이 증가된다. 이에 더하여, 상기 반도체 전극층과 상기 하부 기판 사이의 접착 특성 역시 이러한 유효 접촉 면적의 증가에 의해 개선된다. 이에 따라, 염료 분자들로부터 상기 반도체 전극층으로 주입된 전자들이 용이하게 상기 하부 기판으로 전달될 수 있다. 그 결과, 본 발명에 따른 염료 감응 태양전지는 증가된 에너지 변화 효율을 가질 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 하부 기판과 상기 반도체 전극층 사이에는, 상기 하부 기판으로 전달된 전자들이 전해질과 재결합하는 것을 방지하는 차단막이 배치된다. 이에 따라, 전자 순환 체계로부터 이탈하는 전자들의 수를 줄일 수 있기 때문에, 이 실시예에 따른 염료 감응 태양 전지는 더욱 증가된 에너지 변환 효율을 가질 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명 할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 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.
본 명세서에서, 어떤 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 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 또한, 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막을 다른 영역 또는 막과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에의 제1막질로 언급된 막질이 다른 실시예에서는 제2막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 도시하는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 이 실시예에 따른 염료감응 태양전지(100)는 하부 기판(10), 상기 하부 기판(10)으로부터 이격되어 이와 대향하는 상부 기판 구조체(50) 및 이들 사이에 개재되되 상기 하부 기판(10)에 부착되는 반도체 전극층을 구비한다. 상기 하부 기판(10)과 상기 상부 기판 구조체(50) 사이에는 전해질 용액(40)이 개재되고, 상기 반도체 전극층의 표면에는 염료층(30)이 흡착된다.
상기 하부 기판(10)은 도전성을 갖는 물질들 중의 적어도 한가지일 수 있다. 예를 들면, 상기 하부 기판(10)은 금속들 및 금속 합금들 중의 적어도 한가지를 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 하부 기판(10)은 박막(또는 호일)의 형태로 형성될 수 있다. 한편, 상기 하부 기판(10)은 전도층이 코팅된 유리 또는 전도층이 코팅된 고분자 필름일 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 반도체 전극층과 접하는 상기 하부 기판(10)의 상부 표면은 적어도 하나의 홈을 갖도록 형성된다. 상기 홈(15)의 크기(또는 직경 d)는 대략 수nm 내지 수십um일 수 있다. 한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하부 기판(10)의 상부 표면의 전면에는, 상기 홈들(15)이 균일한 밀도로 형성될 수 있다. (이때, 홈의 밀도는 단위 면적당 상기 홈(15)의 개수로 정의될 수 있다.) 하지만, 상기 홈들(15)이 균일한 밀도를 가질지라도, 이들이 규칙적으로 형성될 필요는 없다. 즉, 상기 홈들(15)의 밀도는 국소적(locally)으로는 차이를 가질지라도, 전역적(globally)으로는 균일할 수 있다. 결과적으로, 상기 하부 기판(10)의 상부 표면은, 그 면적을 증가시킬 수 있는 다공성 구조일 수 있다. 한편, 상기 하부 기판(10)의 상부면의 표면적은 다양한 방식으로 증가될 수 있다. 예를 들면, 상기 하부 기판(10)의 상부면은 튜브, 와이어, 브러쉬, fur, rod, branch 등과 같은 표면적을 증대시킬 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다.
상기 반도체 전극층은 반도체 입자들(semiconductor particles)(20)을 포함 할 수 있다. 이때, 상기 반도체 전극층은 전이 금속 산화물을 포함하는 금속 산화물들 중의 한가지로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 반도체 입자들(20)은 티타늄 산화물(TiO2), 주석 산화물 (SnO2), 지르코늄 산화물(ZrO2), 실리콘 산화물(SiO2), 마그네슘 산화물(MgO), 니오븀 산화물(Nb2O5) 및 아연 산화물(ZnO) 중의 한가지일 수 있다.
또한, 상기 반도체 입자들(20)은, 도시된 것처럼, 상기 홈(15)이 형성된 상기 하부 기판(10)의 표면에 부착되는 반도체 입자들 및 이들 상에 적층되는 반도체 입자들을 포함할 수 있다. 즉, 상기 반도체 전극층을 구성하는 반도체 입자들은 다층 구조일 수 있다. 본 발명에 따르면, 상기 반도체 입자들(20)은 상기 홈들(15)의 내부에 배치될 수 있도록, 상기 홈들(15)보다 작은 크기를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 반도체 입자들(20) 각각의 크기는 대략 수nm 내지 수십nm일 수 있으며, 따라서 하나의 홈(15) 내에는 도시된 것처럼 복수개의 반도체 입자들(20)이 배치될 수 있다.
상기 하부 기판(10)이 이처럼 증가된 표면적을 갖도록 형성될 경우, 상기 반도체 전극층과의 접촉 면적이 증대되어, 상기 반도체 전극층과의 접합 특성이 향상될 수 있다. 이에 더하여, 상술한 것처럼, 상기 반도체 입자들(20)이 상기 홈(15) 내에 배치될 경우, 전자들의 이동 경로의 길이가 짧아지게 되어 염료 감응 태양전지의 효율이 증대될 수 있다.
상기 염료층(30)은 빛 에너지를 전기적 에너지로 전환시킬 수 있는 염료 분 자들을 포함한다. 이러한 염료 물질로는, 루테늄 착체가 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 염료는 N719 (Ru(dcbpy)2(NCS)2 containing 2 protons)일 수 있다. 하지만, N712, Z907, Z910 및 K19 등과 같은 알려진 다양한 염료들 중의 적어도 한가지가 본 발명에 따른 염료감응 태양전지를 위해 사용될 수 있다.
상기 전해질 용액(40)은 요오드계 산화환원 전해질(redox iodide electrolyte)일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전해질 용액(40)은 0.7M의 1-비닐-3-메칠옥틸-이미다졸륨 아이오다이드(1-vinyl-3-hexyl-imidazolium iodide)와 0.1M LiI 그리고 40mM의 I2(Iodine)를 3-메톡시프로피오니트릴(3-Methoxypropionitrile)에 용해시킨 I3 -/I-의 전해질 용액일 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 전해질 용액(40)은 0.6M butylmethylimidazolium, 0.02M I2, 0.1M Guanidinium thiocyanate, 0.5M 4-tert-butylpyridine를 포함하는 아세토 니트릴(acetonitrile) 용액일 수 있다. 하지만, 예시되지 않은 다양한 전해액들 중의 한가지가 본 발명에 따른 염료감응 태양전지를 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 전해질 용액(40)은 alkylimidazolium iodides 또는 tetra-alkyl ammoniumiodides을 포함할 수 있으며, tert-butylpyridin (TBP), benzimidazole(BI) 및 N-Methylbenzimidazole (NMBI)를 표면 첨가제(surface additives)로 더 포함할 수 있으며, acetonitrile, propionitrile 또는 acetonitrile과 valeronitrile의 혼합액이 용매로서 사용될 수 있다.
상기 상부 기판 구조체(50)는 상부 투명 기판(56) 및 상기 상부 투명 기 판(56)의 일면에 코팅된 상부 전극층(54)을 구비한다. 이때, 상기 상부 기판 구조체(50)는 상기 상부 전극층(54)이 상기 하부 기판(10)과 마주보도록 배치된다. 상기 상부 전극층(54)은 ITO, FTO, ATO, SnO2, ZnO 및 탄소 나노 튜브 중의 적어도 한가지로 형성될 수 있다. 이에 더하여, 상기 상부 기판 구조체(50)는 상기 상부 전극층(54) 상에 배치되어 상기 전해질 용액(40)과 접하는 촉매층(52)을 더 구비할 수 있다. 상기 촉매층(52)은 상기 전해질 용액(40) 내의 삼요오드화물을 요오드화물로 환원시키는 과정을 촉진시키는데 기여하며, 본 발명의 일 실시예에 따르면 대략 5-10 ㎍/cm2의 양으로 상기 상부 전극층(54) 상에 도포되는 백금(Pt)일 수 있다.
한편, 상기 반도체 전극층을 통해 상기 하부 기판(10)으로 전달된 여기된 전자들(excited electrons)은, 상기 상부 전극층(54) 및 상기 전해질 용액(40)을 통해 상기 염료 분자들로 전달된다. 염료감응 태양전지는 이러한 전자 순환 체계를 통해 지속적으로 전류를 생산하며, 이러한 전자 순환 체계를 위해, 상기 상부 전극층(54)과 상기 하부 기판(10)은 소정의 배선 구조체(미도시)를 통해 연결되고, 상기 배선 구조체 상에는 상기 전자들의 에너지가 소모되는 부하(미도시)가 배치될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 염료감응 태양전지(110)를 도시하는 단면도이다. 이 실시예에 따른 염료감응 태양전지(110)는 차단막을 더 구비한다는 점을 제외하면, 도 2를 참조하여 설명된 앞선 실시예의 그것과 유사하다. 따라서, 설명의 간결함을 위해, 중복되는 기술적 특징에 대한 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면, 이 실시예에 따르면, 상기 하부 기판(10)의 상부 표면을 덮는 차단막(60)이 형성된다. 이때, 상기 차단막(60)은 상기 하부 기판(10)의 상부면에 형성된 홈들(15)의 내벽을 덮도록 형성된다. 결과적으로, 상기 차단막(60)은 상기 하부 기판(10)과 상기 반도체 전극층 사이에 개재된다. 이에 따라, 상기 하부 기판(10)과 상기 전해질 용액(40) 사이의 직접적인 접촉이 방지되기 때문에, 상기 하부 기판(10)으로부터 상기 전해질 용액(40)으로 직접 주입되는 전자들의 수를 줄일 수 있으며, 전자 및 정공 사이의 재결합을 방지할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 광전 변환 효율은 도 1을 참조하여 설명된 그것에 비해 증가될 수 있다. 이에 더하여, 상기 차단막(60)은 상기 반도체 전극층과 상기 하부 기판(10)의 접착 특성을 개선하는데 기여한다.
한편, 이러한 효과의 극대화를 위해, 상기 차단막(60)은 상기 하부 기판(10)의 상부면을 콘포말한 두께로 덮도록 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 차단막(60)은 상기 반도체 전극층을 구성하는 반도체 입자들보다 더 작은 크기를 갖는 산화물 반도체 입자들을 포함할 수 있다. 또한, 알려진 산화물 반도체 물질들 모두가 상기 차단막(60)로 사용될 수 있다. 바람직하게는, 상기 차단막(60)은 티타늄 산화물(TiO2), 주석 산화물 (SnO2), 지르코늄 산화물(ZrO2), 실리콘 산화물(SiO2), 마그네슘 산화물(MgO), 니오븀 산화물(Nb2O5) 및 아연 산화물(ZnO) 등과 같은 금속 원소의 산화물들 중의 적어도 한가지로 형성될 수 있다. 이에 더하여, 상기 차단막(60)은 Ti, Sn, Zr, Si, Mg, Nb, Zn 등의 금속 또는 이러 한 금속의 전구체를 산화시키는 방법을 통해 형성할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료 감응 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 순서도이다.
도 4를 참조하면, 하부 기판(10)의 상부 표면에 적어도 하나의 홈(15)을 형성한다(S10). 상기 하부 기판(10)은 도전성을 갖는 물질들(예를 들면, 금속들 및 금속 합금들) 중의 적어도 한가지를 포함하는 박막(또는 호일)의 형태일 수 있으며, 전도체가 코팅된 유리 또는 고분자 필름일 수도 있다.
상기 홈(15)은 상기 하부 기판(10)과 반응할 수 있는 화학 물질을 사용하여 상기 하부 기판(10)을 처리하는 단계를 통해 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 하부 기판(10)이 금속 또는 금속 합금으로 형성될 경우, 소정의 산성 용액을 사용하여 그 표면을 화학적으로 부식시키는 방법 또는 산성 용액에 소정의 전압을 인가하여 전기화학적으로 부식시키는 방법이 사용될 수 있다. 이 경우, 상기 하부 기판(10) 표면의 거칠기(roughness)를 제어하기 위해, 처리 시간, 처리 온도, 사용되는 산(acid)/첨가물의 종류 및 농도, 그리고 인가되는 전류의 밀도 등과 같은 공정 조건들이 제어될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하부 기판(10)은 스테인레스 스틸로 형성될 수 있으며, 이 경우 그 표면을 상기 홈(15)을 갖는 다공성 구조로 만드는 단계는 화학적으로 처리하는 방법의 경우 0.1 ~ 수M의 산이 포함된 수용액을 사용하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 전기화학적으로 처리하는 방법을 사용하는 경우, 0.01 ~ 수 Vol %의 산이 포함된 수용액이 사용될 수 있다.
이어서, 상기 홈(15)이 형성된 하부 기판(10) 상에 반도체 전극층을 형성한 다(S12). 상기 반도체 전극층은 전이 금속 산화물을 포함하는 금속 산화물들 중의 한가지일 수 있다. 예를 들면, 상기 반도체 전극층은 티타늄 산화물(TiO2), 지르코늄 산화물(ZrO2), 실리콘 산화물(SiO2) 마그네슘 산화물(MgO), 니오븀 산화물(Nb2O5) 및 아연 산화물(ZnO) 중의 한가지일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 반도체 전극층은 대략 3nm 내지 30nm의 크기를 갖는 티타늄 산화물 입자들로 형성될 수 있으며, 상기 하부 기판(10) 상에 대략 5mm 내지 30mm의 두께로 코팅된다. 이때, 상기 반도체 전극층을 형성하는 단계는 이산화티탄 나노입자들을 포함하는 점성의 콜로이드(viscous colloid having nano particles TiO2)를 상기 하부 기판(10) 상에 코팅한 후, 소정의 열처리 단계를 통해 상기 티타늄 산화물 입자들 만을 상기 하부 기판(10) 상에 남기는 단계를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 이산화티탄 나노입자들을 포함하는 점성의 콜로이드를 준비하는 단계는 액상의 이산화티탄 콜로이드를 준비하고, 상기 액상의 이산화티탄 콜로이드로부터 용매를 증발시킨 후, 폴리에틸렌글리콜 및 폴레에틸렌옥사이드 중의 적어도 하나를 첨가하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 액상의 이산화티탄 콜로이드는, 대략 220℃의 유지되는 오토클레이브(autoclave) 내에서, 티타늄 이소프로폭사이드(Titanium isopropoxide) 및 아세트산을 수열 합성(hydrothermal synthesis)함으로써 얻어질 수 있다. 또한, 상기 용매를 증발시키는 단계는 이산화티탄의 함량이 대략 10 내지 15 중량%가 될 때까지 실시되며, 본 발명의 반도체 전극층을 구성하는 이산화티탄 나노입자들은 이 과정을 통해 상기 액상의 이산화티탄 콜로이드 안에서 생성된다. 상기 이산화티탄 나노입자들이 포함된 용액이 점성을 갖도록, 상기 폴리에틸렌글리콜 및 폴레에틸렌옥사이드이 첨가될 수 있으며, 첨가된 폴리에틸렌글리콜 및 폴레에틸렌옥사이드는 상기 열처리 단계를 통해 제거될 수 있다. 이러한 열처리 단계는 대략 450℃ 내지 550℃의 온도 조건에서 실시될 수 있으며, 그 결과로, 상기 하부 기판(10) 상에는 상기 티타늄 산화물 입자들이 남는다.
상기 반도체 전극층의 표면에, 염료 분자들을 포함하는 염료층(30)을 형성한다(S14). 상기 염료층(30)을 형성하는 단계는 상기 반도체 전극층이 형성된 상기 하부 기판(10)을 염료(dye)를 포함하는 알코올 용액 내에 대략 24시간 동안 담그는 단계를 포함한다. 이후, 이를 알코올 용액으로부터 건져낸 후, 알코올로 세척하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 염료는 루테늄 착체일 수 있다. 예를 들면, 상기 염료는 N719 (Ru(dcbpy)2(NCS)2 containing 2 protons)일 수 있다. 하지만, N712, Z907, Z910 및 K19 등과 같은 알려진 염료들 중의 적어도 한가지가 본 발명에 따른 염료감응 태양전지를 위해 사용될 수 있다.
상기 하부 기판(10) 상부에, 이에 대향하는 상부 기판 구조체(50)를 배치한다(S16). 상기 상부 기판 구조체(50)는 상부 기판(56) 및 상기 상부 기판(56)의 일면에 코팅된 상부 전극층(54)을 구비한다. 상기 상부 기판(56)은 유리 또는 구부릴 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 이러한 구부릴 수 있는 물질은, 상술한 것처럼, 스테인레스 스틸 또는 알루미늄과 같은 금속성 물질들 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 상부 전극층(54)은 ITO, SnO2, FTO, ZnO 및 탄소 나노 튜브 중의 적어도 한가지일 수 있다. 이에 더하여, 상기 상부 전극층(54) 상에는 촉매층(52)이 더 형성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 촉매층(52)은 상기 상부 전극층(54) 상에 대략 5-10 ㎍/cm2의 양으로 도포되는 백금일 수 있다.
한편, 상기 상부 기판 구조체(50)는 상기 하부 기판(10) 상에 부착된다. 이러한 부착 단계는 상기 하부 기판(10)와 상기 상부 기판 구조체(50) 사이에 소정의 고분자막(미도시)을 형성한 후, 대략 100? 내지 140?의 온도에서 대략 1 내지 3기압의 압력으로 상기 하부 및 상부 기판들(10, 56)을 압착시키는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 고분자막으로는, SURLYN이라는 상품명으로 듀폰이 판매하는 물질이 사용될 수도 있다.
상기 하부 기판(10)과 상기 상부 기판 구조체(50) 사이에 전해질 용액을 주입한다(S18). 상기 전해질 용액은 요오드계 산화환원 전해질(redox iodide electrolyte)일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전해질 용액은 0.6M butylmethylimidazolium, 0.02M I2, 0.1M Guanidinium thiocyanate, 0.5M 4-tert-butylpyridine를 포함하는 아세토 니트릴(acetonitrile) 용액일 수 있다. 하지만, 예시되지 않은 다양한 전해액들 중의 한가지가 본 발명에 따른 염료감응 태양전지를 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 전해질 용액은 alkylimidazolium iodides 또는 tetra-alkyl ammoniumiodides을 포함할 수 있으며, tert-butylpyridin (TBP), benzimidazole(BI) 및 N-Methylbenzimidazole (NMBI)를 표면 첨가제(surface additives)로 더 포함할 수 있으며, acetonitrile, propionitrile 또는 acetonitrile과 valeronitrile의 혼합액이 용매로서 사용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 염료 감응 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 순서도이다. 이 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법은 차단막을 형성하는 단계를 더 포함한다는 점을 제외하면, 도 4를 참조하여 설명된 앞선 실시예의 그것과 유사하다. 따라서, 설명의 간결함을 위해, 중복되는 기술적 특징에 대한 설명은 생략한다.
도 5를 참조하면, 상기 반도체 전극층을 형성하기 전에, 상기 하부 기판(10)의 상에 차단막(60)을 형성한다(S11). 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 차단막(60)은 상기 하부 기판(10)의 상부면에 형성된 홈들(15)의 내벽을 콘포말하게 덮도록 형성된다.
상기 차단막(60)은 전기영동(electrophoresis), 전기도금(electroplating), 스핀코팅(spin-coating) 및 딥 코팅(dip-coating) 등의 방법들 중의 한가지를 사용하여 형성될 수 있다. 이때, 상기 전기 영동법 또는 전기 도금법은 도전성의 물질로 형성되는 상기 하부 기판(10)을 전극으로 사용하기 때문에, 상기 차단막(60)을 콘포말한 두께로 형성할 수 있는 방법들이다. 따라서, 상기 홈들(15)의 내벽을 콘포말한 두께로 형성하는 것이 요구되는 경우, 상기 전기 영동법 또는 전기 도금법이 바람직하다.
보다 구체적으로, 상기 전기 영동법은 용액 속의 포함된 입자가 직류 전압이 인가되는 전극을 향해 이동하는 전기 영동 현상을 이용하여 상기 하부 기판(10) 상에 산화물 반도체를 코팅하는 방법이다. 이 방법은 상기 차단막을 상기 하부 기판(10) 상에 곧장 형성할 수 있는 장점이 있다. 또한, TiO2, SnO2, ZnO 및 MgO 등의 알려진 대부분의 산화물 반도체들이 이 방법을 통해 형성될 수 있다.
상기 전기 도금법은 전해액(electrolyte) 속에 함유된 금속 이온들을 환원시키는 방법을 통해 상기 하부 기판(10) 상에 금속막을 형성하는 단계를 포함한다. 이 경우, 상기 금속막은 이어지는 열 산화 또는 애노다이징 단계를 통해 산화됨으로써, 상기 차단막(60)을 형성한다. 이 방법은 대부분의 금속들, 대부분의 귀금속들 및 이들을 포함하는 전구체들에 대해 적용할 수 있는 기술이다.
이후, 상기 반도체 전극층을 형성하는 단계(S12) 내지 상기 전해액을 주입하는 단계(S18)는 앞서 설명한 실시예의 그것과 동일한 방법으로 실시될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 개선된 효율 특성을 보여주는 전류-전압 그래프이다. 비교를 위해, 이 실험에서는, 종래의 방법을 통해 제작된 평탄한 하부 기판을 갖는 염료감응 태양전지 및 본 발명의 방법을 통해 제작된 다공성 구조의 하부 기판(10)을 갖는 염료감응 태양전지가 사용되었다. 상기 하부 기판(10) 상부면의 이러한 구조적 차이를 제외하면, 비교된 두 염료감응 태양전지들은 동일한 구조였다.
실험에서는, 광원으로 제논 램프(xenon lamp, Oriel, 91193)를 사용하였다. 이때, 도 6에 도시된 그래프의 가로축 및 세로축에 각각 도시된 광전압 및 광전류는 상기 제논 램프의 태양 조건을 표준 태양전지(standard solar cell)를 사용하여 보정된 결과이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지(실선-Scratched cell)는 대략 3.4%의 광전환 효율을 갖는 것으로 측정되었고, 종래의 염료감응 태양전지(점선-bare cell)는 대략 2.5%의 광전환 효율을 갖는 것으로 측정되었다. 즉, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 종래의 염료감응 태양전지에 비해 대략 36% 가량 향상된 광전환 효율을 가졌다. 이런 점에서, 하부 기판에 그 표면적을 증대시키는 홈들이 형성될 경우, 염료감응 태양전지의 효율이 향상됨을 알 수 있다.
도 1은 종래의 염료감응 태양전지를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 도시하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 도시하는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료 감응 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 순서도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 염료 감응 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 순서도이다.
도 6은 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 개선된 효율 특성을 보여주는 전류-전압 그래프이다.
Claims (11)
- 서로 이격된 하부 기판 및 상부 기판;상기 하부 기판 상에 배치된 반도체 전극층;상기 반도체 전극층의 표면에 흡착된 염료층; 및상기 하부 및 상부 기판들 사이에 배치되는 전해질 용액을 포함하되,상기 반도체 전극층에 인접한 상기 하부 기판의 상부 표면은 상기 반도체 전극층과의 접촉 면적을 증가시킬 수 있는 적어도 하나의 홈을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 하부 기판은 금속들 및 금속 합금들 중의 적어도 한가지 또는 전도체층이 코팅된 유리나 고분자 필름으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 하부 기판과 상기 반도체 전극층 사이에 개재되어, 상기 하부 기판의 상부 표면에 형성된 홈의 내벽을 덮는 차단막을 더 포함하는 염료 감응 태양전지.
- 제 3 항에 있어서,상기 차단막은 산화물 반도체 물질들 중의 적어도 한가지인 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 반도체 전극층은 복수개의 산화물 반도체 입자들을 포함하되,상기 홈의 크기는 적어도 상기 산화물 반도체 입자의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양전지.
- 하부 기판의 상부 표면에 적어도 하나의 홈을 형성하는 단계;상기 적어도 하나의 홈이 형성된 하부 기판 상에 반도체 전극층을 형성하는 단계;상기 반도체 전극층의 표면에 염료층을 흡착시키는 단계;상기 염료층이 형성된 결과물 상부에 상기 하부 기판과 대향하는 상부 기판을 배치하는 단계; 및상기 하부 및 상부 기판 사이에 전해질 용액을 주입하는 단계를 포함하는 염료 감응 태양전지의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 하부 기판은 금속들 및 금속 합금들 중의 적어도 한가지로 형성되고,상기 하부 기판의 상부 표면에 적어도 하나의 홈을 형성하는 단계는 상기 하부 기판과 화학적으로 반응할 수 있는 화학 물질을 사용하여 상기 하부 기판의 상부면을 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양전지의 제조 방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 하부 기판의 상부 표면에 적어도 하나의 홈을 형성하는 단계는 상기 하부 기판의 상부면을 산성 용액으로 부식시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양전지의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 반도체 전극층을 형성하기 전에, 상기 적어도 하나의 홈이 형성된 상기 하부 기판의 표면에 차단막을 형성하는 단계를 더 포함하는 염료 감응 태양전지의 제조 방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 차단막을 형성하는 단계는 전기 영동 기술 및 전기 도금 기술 중의 적어도 한가지를 사용하여, 상기 적어도 하나의 홈이 형성된 상기 하부 기판의 표면에 상기 차단막을 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양전지의 제조 방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 차단막을 형성하는 단계는상기 적어도 하나의 홈이 형성된 상기 하부 기판의 표면에 금속 또는 금속 전구체를 코팅하는 단계; 및상기 코팅된 금속 또는 금속 전구체를 애노다이징 기술 또는 열산화 기술을 사용하여 산화시킴으로써, 상기 차단막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양전지의 제조 방법.
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