KR20090039454A

KR20090039454A - 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20090039454A
Application number: KR1020070105116A
Authority: KR
Inventors: 박정원; 이지원; 이화섭; 최재만; 강문성; 신병철; 권문석; 문수진
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2007-10-18
Filing date: 2007-10-18
Publication date: 2009-04-22
Also published as: KR101408888B1

Abstract

본 발명은 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상기 태양전지는 제1전극, 상기 제1전극의 어느 한 일면에 형성되는 광 흡수층, 상기 광 흡수층이 형성된 제1전극에 대향하여 배치되는 제2전극, 상기 광흡수층과 제2전극 사이에 위치하는 다공성 세퍼레이터, 및 상기 제1전극과 제2전극 사이의 공간에 매립된 전해질을 포함한다.

본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 전해액 주입이 용이한 동시에 전해액 주입량이 증가되어 우수한 광전 변환 효율 및 수명특성을 나타낼 수 있다.

태양전지, 염료감응, 세퍼레이터, 다공성, 전해질, 광전 효율.

Description

염료감응 태양전지 및 이의 제조방법{DYE-SENSITIZED SOLAR CELL AND PREPARING METHOD THEREOF}

본 발명은 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전해액의 주입이 용이한 동시에 전해액 주입량이 증가되어 우수한 광전 변화 효율 및 수명특성을 나타낼 수 있는 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

최근 들어 직면하는 에너지 문제를 해결하기 위하여 기존의 화석 연료를 대체할 수 있는 다양한 연구가 진행되어 오고 있다. 특히 수십년 이내에 고갈될 석유 자원을 대체하기 위하여 풍력, 원자력, 태양력 등의 자연 에너지를 활용하기 위한 광범위한 연구가 진행되어 오고 있다. 이들 중 태양에너지를 이용한 태양전지는 기타 다른 에너지원과는 달리 자원이 무한하고 환경 친화적이므로 1983년 Se 태양전지를 개발한 이후로 최근에는 실리콘 태양전지가 각광을 받고 있다.

그러나 이와 같은 실리콘 태양전지는 제작 비용이 상당히 고가이기 때문에 실용화가 곤란하고, 전지효율을 개선하는데도 많은 어려움이 따르고 있다. 이러한 문제를 극복하기 위하여 제작 비용이 현저히 저렴한 염료감응 태양전지의 개발이 적극 검토되어 오고 있다.

염료감응 태양전지는 실리콘 태양전지와는 달리 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료 분자, 및 생성된 전자를 전달하는 전이 금속 산화물을 주된 구성 재료로 하는 광 전기 화학적 태양전지이다. 종래의 염료감응 태양전지 중에서 대표적인 연구 개발로는 나노입자 산화티탄늄(아나타제)을 이용한 염료감응 태양전지가 있다.

이 염료감응 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 제조 단가가 저렴하고 투명한 전극으로 인해 건물 외벽 유리창이나 유리 온실 등에 응용이 가능하다는 이점이 있으나, 광전변환 효율이 낮아서 실제 적용에는 제한이 있는 상황이다.

태양전지의 광전변환 효율은 태양빛의 흡수에 의해 생성된 전자의 양에 비례하므로, 효율을 증가시키기 위해서는 태양빛의 흡수를 증가시키거나 염료의 흡착량을 높여 전자의 생성량을 늘일 수도 있고, 또는 생성된 여기전자가 전자-홀 재결합에 의해 소멸되는 것을 막아줄 수도 있다.

단위면적당 염료의 흡착량을 늘이기 위해서는 산화물 반도체의 입자를 나노미터 수준의 크기로 제조하여야 하며 태양빛의 흡수를 높이기 위해 백금전극의 반사율을 높이거나, 수 마이크로 크기의 산화물 반도체에 광산란자를 섞어서 제조하는 방법 등이 개발되어 있다. 그러나 이러한 종래 방법으로는 태양전지의 광전변환 효율 향상에 한계가 있으며, 따라서 효율 향상을 위한 새로운 기술 개발이 절실히 요청되고 있는 실정이다.

본 발명의 목적은 우수한 광전 변환 효율 및 수명특성을 갖는 염료감응 태양전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 염료감응 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제1전극, 상기 제1전극의 어느 한 일면에 형성되는 광 흡수층, 상기 광 흡수층이 형성된 제1전극에 대향하여 배치되는 제2전극, 상기 광흡수층과 제2전극 사이에 위치하는 다공성 세퍼레이터, 상기 제1전극과 제2전극 사이의 공간에 매립된 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지를 제공한다.

본 발명은 또한 제1 전극 상에 광흡수층을 형성하는 단계; 상기 광흡수층 위에 다공성 세퍼레이터를 형성하는 단계; 및 상기 다공성 세퍼레이터를 덮도록 제2전극을 위치시킨 후 전해액을 주입하는 단계를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 전해액 주입이 용이한 동시에 전해액 주입량이 증가되어 태양전지의 광전 변환 효율 및 수명특성을 개선시킬 수 있다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

염료감응 태양전지는 나노 입자의 다공질막, 태양광의 가시광을 흡수하여 전자를 여기하는 염료, 전해질, 및 투명전극 등으로 구성되는, 자연상태의 광합성 원리를 응용한 전지이다.

염료감응 태양전지 내로 태양광이 입사되면 태양광중의 광양자는 먼저 염료분자에 흡수된다. 광양자를 흡수한 염료분자는 기저상태에서 여기상태로 전자 전이하여 전자-홀 쌍을 만들고, 여기상태의 전자는 염료와 다공질막의 계면을 거쳐 다공질막을 이루는 전이금속 산화물의 전도대로 주입된다. 주입된 전자는 다공질막과 반도체 전극의 계면을 거쳐 외부 회로로 흘러간 후 상대 전극으로 이동한다. 한편, 전자 전이의 결과로 산화된 염료는 전해질 내 산화-환원쌍(redox couple)인 요오드 이온(I^-)에 의해 환원되고, 이때 전해질내의 산화 요오드 이온(I₃ ^-)은 전하중성(charge neutrality)을 이루기 위해 상대전극의 계면에 도달한 전자와 환원 반응을 함으로써 상기 염료감응 태양전지가 작동하게 된다.

이와 같이 염료감응 태양전지에서는 기존의 p-n 접합형 실리콘 태양전지와는 달리 계면 반응을 통해 작동하는 전기 화학적 원리를 가지고 있다. 따라서 계면 특성을 개선하는 것이 매우 중요한 기술적 과제이다.

염료감응 태양전지는 태양전지의 작동을 위한 계면뿐만 아니라 태양전지 특성을 열화시키는 계면들을 포함하고 있다. 그 중에서 환원반응이 일어나는 전해질과 상대전극 간의 계면은 생성된 전자의 재결합(recombination)을 방지하는 중요한 역할을 한다.

광 여기된 염료에 의해 산화된 전해질 내의 산화 요오드 이온(I₃ ^-)이, 외부회로를 통해 상대전극으로 돌아온 전자와의 환원반응에 의해 요오드 이온(I^-)으로 환원되지 않으면, 염료에 의해 생성된 전자와 다시 재결합을 하게 된다. 이로인해 다공질막의 전이금속 산화물로 전달될 전자농도가 줄어들게 되고, 그 결과 태양전지의 개방회로전압(open circuit voltage, Voc), 단락회로전류(short circuit current, Jsc), 충밀도(fill factor, FF) 특성을 열화시킨다.

그러므로 상대전극의 촉매로부터 충분한 요오드 이온의 환원을 유도하기 위해서는 전극 구조 개선을 통하여 가능한 다량의 전해질이 포함될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

이에 대해 본 발명은 염료감응 태양전지 제조시 광흡수층과 제2전극 사이에 우수한 기계적 강도를 갖는 다공성 세퍼레이터를 형성함으로써 전해액 주입이 용이한 동시에 전해액 주입량이 증가되어 우수한 광전 변환 효율 및 수명특성을 나타낼 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 도시한 단면도이 다.

도 1을 참조하여 보다 상세히 설명하면, 염료감응 태양전지(100)는 두 개의 판상 전극(제1전극(1) 및 제2전극(7))이 서로 면 접합된 샌드위치 구조로, 상기 전극중 어느 한 전극(1)은 투명 기판(1a)의 대향 전극(7)과 마주보는 면에 광흡수층(3)이 형성되어 있고, 상기 광흡수층(3)과 제2전극(7) 사이에는 상기 광흡수층(3)을 덮도록 다공성 세퍼레이터(5)가 형성되어 있다. 또한 이 두 전극 사이의 공간은 산화환원용 전해질(13)로 채워져 있다. 상기 광흡수층(3)은 반도체 미립자를 포함하는 다공성 막(미도시)과 상기 다공성 막에 흡착된 염료분자를 포함한다.

상기 제1전극(working electrode, 반도체 전극)(1)은 투명 기판(1a) 및 상기 투명 기판상에 형성되는 도전층(1b)을 포함한다.

상기 투명 기판(1a)으로는 외부광의 입사가 가능하도록 투명성을 갖는 물질이라면 특별히 한정됨 없이 사용할 수 있다. 이에 따라 상기 투명 기판(1a)은 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 상기 플라스틱의 구체적인 예로는 폴리에틸렌테레프탈레이트(poly ethylene terephthalate, PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(poly ethylene naphthalate, PEN), 폴리카보네이트(poly carbonate, PC), 폴리프로필렌(poly propylene, PP), 폴리이미드(poly imide, PI), 트리아세틸 셀룰로오스(tri acetyl cellulose, TAC), 또는 이들의 공중합체 등을 들 수 있다.

또한 상기 투명 기판(1a)은 Ti, In, Ga 및 Al로 이루어진 군에서 선택된 물질로 도핑될 수 있다.

상기 투명 기판(1a) 위에는 도전층(1b)이 위치한다.

상기 도전층(1b)은 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide: ITO), 플루오린 틴 옥사이드(fluorine tin oxide: FTO), 안티몬 틴 옥사이드(antimony tin oxide, ATO), 산화아연(zinc oxide), 산화주석, ZnO-(Ga₂O₃ 또는 Al₂O₃), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 전도성 금속 산화물을 포함하며, 보다 바람직하게는 전도성, 투명성 및 내열성이 우수한 SnO₂ 또는 비용면에서 저렴한 ITO를 포함할 수 있다.

상기 도전층(1b)은 상기 전도성 금속 산화물의 단일막 또는 다층막으로 이루어질 수 있다.

상기와 같은 제1전극(1) 위에는 반도체 미립자를 포함하는 다공성 막(미도시), 및 상기 다공성 막의 반도체 미립자 표면에 흡착되어 가시광 흡수시 전자가 여기되는 광 감응 염료를 포함하는 광흡수층(3)이 형성된다.

상기 다공성 막은 매우 미세하고 균일한 나노 사이즈의 평균 입경을 가지는 반도체 미립자들이 균일하게 분포하며 다공성을 유지하면서 표면에 적당한 거칠기를 갖는 것이 바람직하다.

상기 반도체 미립자로는 실리콘으로 대표되는 단체 반도체 외에, 화합물 반도체 또는 페로브스카이트 구조를 갖는 화합물 등을 사용할 수 있다. 상기 반도체로는 광 여기하에서 전도대 전자가 캐리어로 되어 애노드 전류를 제공하는 n형 반도체인 것이 바람직하고, 상기 화합물 반도체로는 Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga, In, 및 TiSr로 이루어진 군에서 선택되는 금속의 산화물을 사용할 수 있다. 바람직하게는 TiO₂, SnO₂, ZnO, WO₃, Nb₂O₅, TiSrO₃ 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 아나타제형의 TiO₂를 사용할 수 있다. 상기 반도체의 종류는 이들에 한정되는 것은 아니며, 이들을 단독 또는 두 가지 이상 혼합하여 사용할 수 있다.

또한 상기 반도체 미립자는 표면에 흡착된 염료가 보다 많은 빛을 흡수하도록 하기 위하여 표면적을 크게 하는 것이 바람직하다. 이에 따라 상기 반도체 미립자로는 5 내지 500nm의 평균 입자 직경을 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 반도체 미립자의 평균 입경이 5nm 미만인 경우에는 성막후 열처리시 기재와의 밀착성이 떨어져 박리될 우려가 있고 또한 염료로부터 생성된 전자가 넥킹된 TiO₂를 거쳐 외부전극으로 가는 동안 손실이 크게 발생할 우려가 있어 바람직하지 않다. 또한 500nm를 초과하는 경우에는 표면적의 감소로 염료의 흡착량이 적어서 바람직하지 않다. 따라서, 공정성과 효율을 동시에 고려한 결과 10 내지 50nm의 평균 입자 직경을 갖는 것이 보다 바람직하다.

상기 다공성 막의 반도체 미립자 표면에는 외부광을 흡수하여 여기 전자를 생성하는 염료가 흡착된다.

상기 염료는 알루미늄(Al), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 유로퓸(Eu), 납(Pb), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 등을 포함하는 금속 복합체로 이루어질 수 있다. 여기서, 루테늄은 백금족에 속하는 원소로서 많은 유기 금속 복합체를 형성할 수 있어, 루테늄을 포함하는 염료가 많이 사용된다. 일례로, Ru(etc bpy)₂(NCS)₂·CH₃CN 타입이 많이 사용되고 있다. 여기서 etc는 (COOEt)₂ 또는 (COOH)₂로서 다공질막(일 예로 TiO₂) 표면과 결합 가능한 반응기이다. 또한, 유기 색소 등을 포함하는 염료가 사용될 수도 있는데, 이러한 유기 색소로는 쿠마린(coumarin), 포피린(porphyrin), 키산틴(xanthene), 리보플라빈(riboflavin), 트리페닐메탄(triphenylmethan) 등이 있다. 이들은 단독 또는 Ru 복합체와 혼합 사용하여 장파장의 가시광 흡수를 개선함으로써 광전 변환 효율을 보다 향상시킬 수 있다.

상기 광흡수층(3) 위에 다공성 세퍼레이터(5)가 위치한다.

상기 세퍼레이터(5)는 염료감응 태양전지의 제조시 광흡수층의 눌림을 방지하는 역할과 함께 광흡수층(3)과 제2전극(7)사이에 위치하여 전해질 함침 공간을 제공하는 역할을 한다.

이에 따라 상기 세퍼레이터(5)는 적절한 기계적 강도와 함께 다공성인 것이 바람직하다. 구체적으로는 상기 세퍼레이터(5)는 세퍼레이터 총 부피에 대하여 20 내지 95부피%의 기공도를 갖는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 30 내지 50부피%의 기공도를 갖는 것이 좋다. 세퍼레이터의 기공도가 20부피% 미만이면 전해질 함침 공간이 감소하게 되어 광전 변환 효율이 감소될 우려가 있어 바람직하지 않고, 또한 기공도가 95부피%를 초과하면 기계적 강도가 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다.

상기 세퍼레이터(5)에 포함되는 기공은 0.001 내지 0.05㎛의 평균 기공 직경을 갖는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.002 내지 0.035㎛ 갖는 것이 좋다. 평균기공직경이 0.001㎛ 미만이면 전해질내의 이온이 원활히 통과할 수 없기에 바람직하지 않고, 0.05㎛를 초과하면 기계적 강도 저하 등으로 바람직하지 않다.

상기 기공의 형태는 특별히 한정되지는 않으나, 구형, 타원형, 사각형, 직사각형 등의 형상을 갖는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 직사각형인 것이 좋다. 또한 세퍼레이터(5)내 포함된 기공이 균일하고 일정의 형태를 갖는 것이 보다 바람직하다.

상기 세퍼레이터(5)는 ASTM D882으로 측정한 파단시 500 내지 1200kg/㎠의 파단 강도를 갖는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 700 내지 1000kg/㎠의 파단 강도를 갖는 것이 좋다. 파단 강도가 500kg/㎠ 미만이면 제조과정중 찢어질 우려가 있어 바람직하지 않고, 1200kg/㎠를 초과할 경우에는 전해질의 침투가 용이하지 않아 바람직하지 않다.

또한 상기 세퍼레이터(5)는 전해질 함습에 의한 스웰링으로 전지의 체적 변화에 대해 완충작용을 나타낼 수 있도록 적절한 탄성을 갖는 것이 바람직하다. 구체적으로는 상기 세퍼레이터(5)는 2.0kgf/㎟이하의 탄성계수(elastic modulus)를 갖는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.1 내지 2.0 kgf/㎟인 것이 좋다. 탄성계수가 2.0kgf/㎟를 초과하면 초기 두께를 얇게 유지하는 것이 어렵고 스웰링시 전극들의 팽창을 흡수하지 못하여 전지가 변형될 우려가 있어 바람직하지 못하다.

상기 세퍼레이터(5)는 열가소성 수지를 포함하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등과 같은 폴리올레핀; 폴리스티렌; 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트 등과 같은 폴리에스테르; 폴리메틸메타크 릴레이트 등과 같은 아크릴 수지; 폴리카보네이트; 폴리비닐리덴 플루오라이드; 폴리아세트산비닐; 폴리염화비닐; 폴리아미드(polyamide; nylon); 스티렌-아크릴로니트릴의 공중합체; 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌수지; 에틸렌-비닐알코올의 공중합체; 이들의 공중합체; 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 열가소성 수지를 포함할 수 있다.

상기 세퍼레이터(5)는 상기와 같은 열가소성 수지의 단일층 또는 2층 이상의 다층막 구조를 가질 수 있으며, 바람직하게는 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터, 또는 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터일 수 있다.

상기 세퍼레이터(5)는 5 내지 200㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10 내지 100㎛의 두께를, 보다 더 바람직하게는 10 내지 30㎛의 두께를 갖는 것이 좋다. 세퍼레이터의 두께가 5㎛ 미만이면 전해액 함침 공간이 작아 바람직하지 않고, 200㎛를 초과하면 전지의 크기가 증가되어 바람직하지 않다.

상기 광흡수층(3)이 형성된 제1전극(1)에 대향하여 제2전극(counter electrode, 상대전극)(7)이 위치한다. 상기 제2전극(7)은 투명 기판(7a)과, 상기 제1 전극(1)과 대향 배치되도록 상기 투명 기판(7a) 위에 형성되며, 투명 전극 및 촉매 전극(미도시)을 포함는 전극층(7b)를 포함한다.

상기 투명 기판(7a)은 제1전극에서와 동일하게 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다.

상기 투명 기판(7a) 위에는 투명 전극이 형성되며, 상기 투명 전극은 인듐 틴 옥사이드, 플루오린 틴 옥사이드, 안티몬 틴 옥사이드, 산화아연, 산화주석, ZnO-Ga₂O₃, ZnO-Al₂O₃ 등의 투명 물질로 이루어질 수 있다. 이 때 투명 전극은 상기 투명 물질의 단일막 또는 다층막으로 이루어질 수 있다.

또한 상기 투명 전극의 표면에는 광 산란 효과를 증가시킬수 있도록 요철이 형성될 수도 있다. 요철은 계단 형상, 침상, 메쉬(mesh) 형상, 스크래치(scratch) 형상, 및 스카(scar) 형상을 포함하는 구조를 가질 수 있으며, 이러한 요철을 형성하기 위해서는 투명 전극에 연마포를 마찰시켜 스크래치를 형성하는 방법을 포함하여 기계적 또는 화학적으로 식각하는 방법을 수행할 수 있다.

상기 투명 전극 위에는 촉매 전극이 형성된다.

상기 촉매 전극은 산화-환원 쌍(redox couple)을 활성화시키는 역할을 하는 것으로, 백금(Pt), 금(Au), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 탄소(C), WO₃, TiO₂ 및 전도성 고분자 등의 전도성 물질을 포함한다.

또한 산화 환원의 촉매 효과를 향상시킬 목적으로 제1전극과 마주보고 있는 촉매 전극측은 미세구조를 가져 표면적을 증가시킬 수 있는 것이 바람직하다. 예를 들면 Pt 또는 Au의 경우 블랙 상태(본 발명에서의 "블랙 상태"란 담지체에 담지되지 않은 상태를 의미한다.)로, 카본의 경우 다공질 상태인 것인 바람직하다. 특히 블랙상태의 백금의 경우 백금의 양극 산화법, 염화 백금산 처리 등에 의해, 또한 다공질 상태의 카본은, 카본 미립자의 소결이나 유기 폴리머의 소성 등의 방법에 의해 형성할 수 있다.

상기와 같은 제1전극(1)과 제2전극(7)은 접착제(9)에 의해 서로 면 접합될 수 있다.

이때 상기 접착제(9)로는 열가소성 고분자 필름을 사용할 수 있는데 일 예로 상품명 surlyn(듀폰사제)이 있다. 이러한 열가소성 고분자 필름을 두 전극 사이에 위치시킨 후 가열 압착하여 밀폐시킨다. 접착제(9)의 또 다른 종류로는 에폭시 수지 또는 자외선(UV) 경화제를 사용할 수 있으며, 이 경우 열처리 또는 UV 처리후에 경화시킬 수도 있다.

상기 접착제(9)에 의해 서로 면 접합된 제1전극(1)과 제2전극(7)사이 공간으로 전해질(13)이 함침되며, 함침된 전해질(13)은 광흡수층(3)내 다공성 막의 내부로 균일하게 분산된다.

상기 전해질(13)은 전해액으로 이루어지며, 상기 전해액은 아이오다이드(iodide)/트리오다이드(triodide) 쌍으로서 산화, 환원에 의해 제2 전극(7)으로부터 전자를 받아 염료 분자에 전달하는 역할을 수행한다. 구체적으로는 상기 전해액으로서는 요오드를 아세토니트릴에 용해시킨 용액 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 홀 전도 기능이 있는 것이라면 어느 것이나 제한 없이 사용할 수 있다.

본 발명에서는 전해질(13)이 액상으로 이루어진 것을 설명하였으나, 고상의 전해질 또한 적용될 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.

상기 제1전극과 제2전극 사이의 공간에는 스페이서(11)가 더 포함될 수도 있다.

상기 스페이서(11)는 세퍼레이터(5)와 동일한 역할을 하는 것으로 세퍼레이터(5)에서 설명한 바와 같은 열가소성 수지를 포함하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구조를 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지(100)는 제1 전극(1) 상에 광흡수층(3)을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층(3) 상에 다공성 세퍼레이터(5)를 형성하는 단계; 및 상기 다공성 세퍼레이터(5)를 덮도록 제2전극(7)을 형성한 후 전해질(13)을 주입하는 단계를 포함하는 제조방법에 의하여 제조될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법을 나타낸 공정도이다. 도 2를 참조하여 보다 상세히 설명하면, 먼저 제1전극을 준비한다(S1).

상기 제1전극(1)은 앞서 설명한 바와 동일하며, 그 제조방법은 통상의 제조방법에 따라 제조할 수 있다. 일례로 상기 제1전극(1)은 투명 기판상에 전해도금 또는 스퍼터링, 전자빔증착 등과 같은 물리기상증착(PVD) 방법을 이용하여 도전성 물질을 포함하는 도전층을 형성함으로써 제조될 수 있다.

상기 제조된 제1 전극(1) 상에 광흡수층(3)을 형성한다(S2).

상기 광흡수층(3)은 먼저 다공성 막 형성용 조성물을 도포한 후 열처리 또는 메케니컬 네킹 처리하여 다공성 막을 형성한다.

상기 다공성 막 형성용 조성물은 반도체 미립자, 선택적으로 바인더, 기공형성용 고분자를 용매중에 분산시켜 제조될 수 있다. 상기 반도체 미립자는 앞서 설명한 바와 동일하다.

상기 바인더로는 폴리비닐리덴 플로라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌-폴리비닐리덴플로라이드의 공중합체, 폴리(비닐아세테이트), 알킬레이티드폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐에테르, 폴리알킬(메타)아크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피리딘, 스티렌-부타디엔 고무, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.

상기 기공 형성용 고분자로는 열처리 후 유기물이 잔존하지 않는 고분자를 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 폴리에틸렌글리콜, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐알코올, 폴리비닐피롤리돈 등을 들 수 있다. 이들 기공 형성용 고분자는 다공성 막내 다공성 향상 이외에도 분산성 향상, 점도 증가로 성막성 및 기판과의 부착력도 향상시킬 수 있다.

상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸설폭사이드, N-메틸피롤리돈 등이 바람직하게 사용될 수 있다.

상기 다공성 막 형성용 조성물의 제1전극(1)으로의 도포 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 그라비어 코팅법, 딥코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법, 슬릿다이(slit die)를 이용한 코팅법, 스핀 코팅법, 롤 코팅법, 전사(decalomania) 코팅법 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 방법으로 실시될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 보다 바람직하게는 다공성 막을 균일한 두께로 도포할 수 있는 닥터 블레이드법을 사용할 수 있다.

상기 제1전극(1) 위에 도포된 다공성 막 형성용 조성물에 대하여 열처리 또는 메케니컬 네킹 처리를 실시한다.

열처리는 다공성 막 형성용 조성물중에 바인더를 첨가한 경우 400 내지 600℃에서 30분 정도 실시하고, 바인더를 첨가하지 않은 경우 200℃이하의 온도에서 실시하는 것이 바람직하다. 또한 다공성 막 형성용 조성물중에 기공 형성용 고분자를 첨가한 경우에는 기공 형성용 고분자가 잔류하지 않도록 400 내지 600℃에서 실시하는 것이 바람직하다.

또한 상기 메케니컬 네킹 처리법으로는 가압 프레스법이 효과적이다. 구체적으로는 롤 프레스법, 단축 프레스법, 다축 프레스법, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 방법을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 입자간 네킹을 용이하게 할 수 있는 롤 프레스법을 이용하는 것이 좋다.

상기 제조된 다공성 막에 염료를 포함하는 분산액을 분사 또는 도포하거나 또는 다공성 막을 염료에 침지하여 다공성 막에 염료를 흡착시킨다.

염료의 흡착은 염료를 포함하는 분산액에 다공성 막이 형성된 제1전극을 침지시킨 후 12 시간 정도 지나면 자연 흡착이 될 수 있으며, 가열을 하는 것으로 흡착시간을 크게 줄일 수 있다. 이때 상기 염료로는 앞서 설명된 것과 동일한 것을 사용할 수 있으며, 또한 염료를 분산시키는 용매로는 특별히 한정되는 것은 아니며, 아세토나이트릴, 디클로로메탄, 알코올계 용매 등을 사용할 수 있다.

또한, 상기 염료를 포함하는 분산액은, 장파장의 가시광 흡수를 개선하여 효 율을 향상시키기 위하여 다양한 칼라의 유기 색소를 더 포함할 수 있다.

상기 염료층 형성 후, 용매 세척 등의 방법으로 세척함으로써 광흡수층을 단일층으로 제조할 수 있다.

상기 광흡수층(3) 위에 다공성 세퍼레이터(5)를 형성한다(S3).

상기 세퍼레이터(5)는 앞서 설명한 바와 동일하다.

상기 세퍼레이터(5)는 열가소성 수지의 다공성 필름 형태로 광흡수층(3)위에 적층될 수도 있고, 또는 열가소성 수지를 포함하는 슬러리 형태로 광흡수층(3) 위에 도포된 후 건조되어 형성될 수도 있다.

이어서 별도로 제2전극(7)을 준비한 후, 상기 염료가 흡착된 제1전극(1)과 접합한다(S4).

상기 제2전극(7)은 앞서 설명한 바와 같이 투명 기판, 투명 전극, 및 촉매 전극을 포함하며, 상기와 같은 구조를 갖는 제2전극(7)은 통상의 제조방법으로 제조될 수 있다.

촉매 전극의 경우 투명 전극 위에 알코올 등과 같은 유기용매에 용해된 촉매 전구체 용액(예를 들면 H₂PtCl₆ 용액)의 도포 후 공기 중 또는 산소 분위기에서 400℃ 이상의 고온 열처리로 형성될 수도 있고, 또는 전해도금, 또는 스퍼터링, 전자빔증착 등과 같은 물리기상증착(PVD) 방법으로 형성될 수도 있다.

광흡수층(3)이 형성된 제1전극(1)과 제2전극(7)과의 접합은 통상의 방법에 의해 실시될 수 있다. 구체적으로는 열가소성 고분자 필름, 에폭시 수지 또는 자외 선(UV) 경화제 등의 접착제; 또는 초음파, 열, 적외선, 진동 등에 의한 용착 또는 용접법에 의해 서로 면 접합할 수 있다.

이어 제2전극(7)을 관통하는 미세 홀을 형성하고 이 홀을 통해 두 전극 사이의 공간에 전해질(13)을 주입한다(S5).

상기 전해질(13)은 앞서 설명한 바와 동일하다.

전해질(13) 주입후 제2전극(7)에서의 홀의 외부를 접착제로 밀봉하여 본 발명에 따른 염료감응 태양전지(100)를 제조할 수 있다(S6).

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 내지 6

가로 1cm, 세로 1cm인 폴리에틸렌테레프탈레이트의 고분자로 이루어지는 투명 기판에 산화주석으로 이루어지는 도전층을 10Ω의 표면 저항을 가지도록 형성하여 제1전극을 제조하였다.

알코올 혼합용액 10 ml에 20nm의 평균 입경을 갖는 TiO₂ 반도체 미립자를 30중량% 분산시켜 제조한 다공성 막 형성용 조성물을 상기 제1전극 위에 닥터 블레이드법을 이용하여 도포하였다. 150℃에서 15분간 소성 공정을 통해 0.020mm의 TiO₂를 포함하는 다공성막을 형성하였다.

다음으로 상기 다공성 막이 형성된 제1 전극을 0.3mM의 루테늄(4,4-디카르복 시-2,2'-바이피리딘)₂(NCS)₂ 용액에 상온에서 12시간 침지시켜, 다공성막에 염료를 흡착시켰다. 그리고, 염료가 흡착된 다공성막을 에탄올로 세척하고 상온 건조하여 제1전극위에 광흡수층을 형성하였다.

상기 광흡수층 위에 하기 표 1에 나타난 바와 같은 특성을 갖는 폴리에틸렌의 다공성 세퍼레이터를 위치시켰다.

가로 1cm, 세로 1cm인 폴리에틸렌테레프탈레이트의 고분자로 이루어지는 투명 기판에 산화주석으로 이루어지며 표면 저항인 10Ω인 투명 전극과, 백금으로 이루어지며 표면 저항이 0.5Ω인 촉매 전극을 형성하여, 제2 전극을 형성하였다. 드릴을 이용하여 제2 전극을 관통하는 홀을 형성하였다.

제1 전극 위에 형성된 다공성막이 제2 전극에 대향하도록 제1 전극과 제2전극을 배치시킨 후, 제1 전극의 투명 기판과 제2 전극의 투명 기판 사이에 60㎛ 두께의 surlyn^®(듀폰사제) 열가소성 고분자 필름을 위치시키고 100℃에서 9초 동안 압착하여 제1 전극과 제2 전극을 접합시켰다.

제2 전극을 관통하는 홀을 통하여 전해질을 주입시키고 열가소성 수지를 이용하여 홀을 막음으로써 태양전지를 제조하였다. 이 때 전해질은 80부피%의 에틸렌카보네이트와 20부피%의 아세토니트릴로 이루어진 혼합 용매 100ml에 21.928g의 테트라프로필암모늄 아이오다이드(tetrapropylammonium iodide)와 1.931g의 요오드(I₂)를 용해시킨 용액이었다.

	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	실시예 6
평균기공직경(㎛)	0.002	0.032	0.030	0.025	0.005	0.011
두께 (㎛)	20	30	16	15.5	25	25
기공 모양	무정형				사각형	직사각형

비교예 1

세퍼레이터를 형성하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.

상기 실시예 1 내지 6, 및 비교예 1에서 제조된 태양전지에 대하여 광전류 전압을 측정하고, 측정된 광전류 곡선으로부터 단락회로전류(Jsc), 개방회로전압(Voc), 충진 계수(fill factor: FF) 및 효율을 계산하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.

이때, 광원으로는 제논 램프(xenon lamp, Oriel, 01193)을 사용하였으며, 상기 제논 램프의 광 조사 조건(분광분포: AM 1.5)은 표준 태양전지(Frunhofer Institute Solare Engeriessysteme, Certificate No. C-ISE369, Type of material: Mono-Si + KG 필터)를 사용하여 보정하였다.

상기 충진 계수는 최대전력점에서의 전류밀도와 전압값의 곱(Vmp×Jmp) 을 Voc와 Jsc의 곱으로 나눈 값이며, 태양전지의 광전 변환 효율(η)은 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 효율로서 하기 수학식 1에서와 같이 단위 면적당 입사된 에너지(P_inc)에 대하여 전지에 의해 발생된 전기 에너지(전류×전압×충진 계수)의 비로 계산하였다.

η=(Voc·Jsc·FF)/(P_inc)

상기 P_inc는 100mW/cm²(1sun)을 나타낸다.

	Jsc(mA/cm²)	Voc(mV)	F.F	효율(%)
실시예 1	7.02	761	0.72	3.87
실시예 2	6.88	751	0.69	3.55
실시예 3	7.15	754	0.72	3.89
실시예 4	7.90	721	0.68	3.89
실시예 5	8.59	742	0.70	4.48
실시예 6	7.40	768	0.72	4.10
비교예 1	6.19	693	0.68	2.19

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 다공성의 세퍼레이터를 포함하는 실시예 1 내지 6의 태양전지에서의 개방회로전압(Voc)은 모두 720mV 이상인 반면, 비교예 1의 태양전지의 개방회로전압은 693mV 이었다. 또한, 단락회로전류 또한 실시예 1 내지 6의 태양전지가 비교예 1의 염료감응 태양전지에 비해 현저히 높았다. 또한, 비교예 1의 태양전지와 동등 수준의 충진계수를 나타낸 실시예 4의 태양전지를 제외하고는 다공성 세퍼레이터를 포함하는 실시예 1 내지 3, 5 및 6의 태양전지는 비교예 1의 태양전지에 비해 우수한 충진 계수를 나타내었다. 그 결과 실시예 1 내지 6의 염료감응 태양전지가 비교예 1의 염료감응 태양전지에 비해 현저히 우수한 광전 효율을 나타내었으며, 이로부터 다공성 세퍼레이터를 포함하는 실시예 1 내지 6의 염료감응 태양전지가 비교예 1의 태양전지에 비해 우수한 효과를 나타냄을 확인할 수 있었다.

또한 세퍼레이터내 포함된 기공이 특별한 형상을 갖지 않는 경우인 실시예 1 내지 4에 비해 기공이 직사각형 등의 소정의 형상을 갖는 경우인 실시예 5 및 6의 태양전지가 보다 우수한 광전 효율을 나타내었다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 염료감응 태양전지를 개략적으로 나타낸 모식도.

도 2는 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법을 나타내는 공정도.

[도면 주요 부분에 대한 설명]

1: 제1전극 3: 광흡수층

5: 다공성 세퍼레이터 7:제2전극

9:접착제 11: 스페이서

13: 전해질 100: 염료감응 태양전지

Claims

제1전극;

상기 제1전극의 어느 한 일면에 형성되는 광 흡수층;

상기 광 흡수층이 형성된 제1전극에 대향하여 배치되는 제2전극;

상기 광흡수층과 제2전극 사이에 위치하는 다공성 세퍼레이터; 및

상기 제1전극과 제2전극 사이의 공간에 매립된 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지.
제1항에 있어서,

상기 세퍼레이터는 0.001 내지 0.05㎛의 평균 기공 직경을 갖는 기공을 포함하는 것인 염료감응 태양전지.
제1항에 있어서,

상기 세퍼레이터는 구형, 타원형, 사각형, 직사각형, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 형태를 갖는 기공을 포함하는 것인 염료감응 태양전지.
제1항에 있어서,

상기 세퍼레이터는 20 내지 95부피%의 기공도를 갖는 것인 염료감응 태양전지.
제1항에 있어서,

상기 세퍼레이터는 500 내지 1200kg/㎠의 파단 강도를 갖는 것인 염료감응 태양전지.
제1항에 있어서,

상기 세퍼레이터는 2.0kgf/㎟ 이하의 탄성계수를 갖는 것인 염료감응 태양전지.
제1항에 있어서,

상기 세퍼페이터는 열가소성 수지를 포함하는 것인 염료감응 태양전지.
제7항에 있어서,

상기 열가소성 수지는 폴리올레핀, 폴리스티렌, 폴리에스테르, 아크릴수지, 폴리카보네이트, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아세트산비닐, 폴리염화비닐, 폴리아미드, 스티렌-아크릴로니트릴의 공중합체, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌수지, 에틸렌-비닐알코올의 공중합체, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 염료감응 태양전지.
제1항에 있어서,

상기 세퍼레이터는 다층 구조를 갖는 것인 염료감응 태양전지.
제9항에 있어서,

상기 세퍼레이터는 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터, 및 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터로 이루어진 군에서 선택되는 것인 염료감응 태양전지.
제1항에 있어서,

상기 세퍼레이터는 5 내지 200㎛의 두께를 갖는 것인 염료감응 태양전지.
제1항에 있어서,

상기 태양전지는 제1 전극과 제2전극 사이 공간에 스페이서를 더 포함하는 것인 염료감응 태양전지.
제12항에 있어서,

상기 스페이서는 열가소성 수지를 포함하는 것인 염료감응 태양전지.
제1 전극 상에 광흡수층을 형성하는 단계;

상기 광흡수층 위에 다공성 세퍼레이터를 형성하는 단계; 및

상기 다공성 세퍼레이터를 덮도록 제2전극을 위치시킨 후 전해액을 주입하는 단계를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
제14항에 있어서,

상기 세퍼레이터는 0.001 내지 0.05㎛의 평균 기공 직경을 갖는 기공을 포함하는 것인 염료감응 태양전지의 제조방법.
제14항에 있어서,

상기 세퍼레이터는 구형, 타원형, 사각형, 직사각형 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 형태를 갖는 기공을 포함하는 것인 염료감응 태양전지의 제조방법.
제14항에 있어서,

상기 세퍼레이터는 20 내지 95부피%의 기공도를 갖는 것인 염료감응 태양전지의 제조방법.
제14항에 있어서,

상기 세퍼레이터는 500 내지 1200kg/㎠의 파단 강도를 갖는 것인 염료감응 태양전지의 제조방법.
제14항에 있어서,

상기 세퍼레이터는 2.0kgf/㎟ 이하의 탄성계수(elastic modulus)를 갖는 것인 염료감응 태양전지의 제조방법.
제14항에 있어서,

상기 세퍼레이터는 열가소성 수지를 포함하는 것인 염료감응 태양전지의 제조방법.
제14항에 있어서,

상기 세퍼레이터는 다층 구조를 갖는 것인 염료감응 태양전지의 제조방법.
제21항에 있어서,

상기 세퍼레이터는 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터 및 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터로 이루어진 군에서 선택되는 것인 염료감응 태양전지의 제조방법.
제14항에 있어서,

상기 세퍼레이터는 5 내지 200㎛의 두께를 갖는 것인 염료감응 태양전지의 제조방법.