KR20100072784A - 염료감응형 태양전지용 고효율 반도체 전극 및 그를 채용한염료감응형 태양전지 - Google Patents
염료감응형 태양전지용 고효율 반도체 전극 및 그를 채용한염료감응형 태양전지 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20100072784A KR20100072784A KR1020080131293A KR20080131293A KR20100072784A KR 20100072784 A KR20100072784 A KR 20100072784A KR 1020080131293 A KR1020080131293 A KR 1020080131293A KR 20080131293 A KR20080131293 A KR 20080131293A KR 20100072784 A KR20100072784 A KR 20100072784A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- dye
- sensitized solar
- solar cell
- semiconductor electrode
- semiconductor
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 107
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 43
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 19
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 25
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 13
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 claims description 9
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims description 6
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910005191 Ga 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- NPNMHHNXCILFEF-UHFFFAOYSA-N [F].[Sn]=O Chemical compound [F].[Sn]=O NPNMHHNXCILFEF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical group [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 3
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- SKRWFPLZQAAQSU-UHFFFAOYSA-N stibanylidynetin;hydrate Chemical compound O.[Sn].[Sb] SKRWFPLZQAAQSU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 21
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 abstract description 10
- 230000035515 penetration Effects 0.000 abstract description 5
- 229920000867 polyelectrolyte Polymers 0.000 abstract description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 2
- 239000000975 dye Substances 0.000 description 18
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 9
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 6
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 4
- VXUYXOFXAQZZMF-UHFFFAOYSA-N titanium(IV) isopropoxide Chemical compound CC(C)O[Ti](OC(C)C)(OC(C)C)OC(C)C VXUYXOFXAQZZMF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000002202 Polyethylene glycol Substances 0.000 description 3
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 3
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 3
- 229920001223 polyethylene glycol Polymers 0.000 description 3
- DRERPIJKNGUXCF-UHFFFAOYSA-N 1-(3-methyl-4-propylnonan-2-yl)-1h-imidazol-1-ium;iodide Chemical compound [I-].CCCCCC(CCC)C(C)C(C)[NH+]1C=CN=C1 DRERPIJKNGUXCF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000007606 doctor blade method Methods 0.000 description 2
- 238000001523 electrospinning Methods 0.000 description 2
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 2
- 125000001810 isothiocyanato group Chemical group *N=C=S 0.000 description 2
- 229920006316 polyvinylpyrrolidine Polymers 0.000 description 2
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- 238000009987 spinning Methods 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- ADSOSINJPNKUJK-UHFFFAOYSA-N 2-butylpyridine Chemical group CCCCC1=CC=CC=N1 ADSOSINJPNKUJK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YSHMQTRICHYLGF-UHFFFAOYSA-N 4-tert-butylpyridine Chemical compound CC(C)(C)C1=CC=NC=C1 YSHMQTRICHYLGF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WMTWCORTUZCIJR-UHFFFAOYSA-J C(CCC)[N+](CCCC)(CCCC)CCCC.C(CCC)[N+](CCCC)(CCCC)CCCC.[Ru+2].N1=C(C=C(C=C1)C(=O)[O-])C1=NC=CC(=C1)C(=O)[O-].N1=C(C=C(C=C1)C(=O)[O-])C1=NC=CC(=C1)C(=O)[O-] Chemical compound C(CCC)[N+](CCCC)(CCCC)CCCC.C(CCC)[N+](CCCC)(CCCC)CCCC.[Ru+2].N1=C(C=C(C=C1)C(=O)[O-])C1=NC=CC(=C1)C(=O)[O-].N1=C(C=C(C=C1)C(=O)[O-])C1=NC=CC(=C1)C(=O)[O-] WMTWCORTUZCIJR-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 1
- 229910006404 SnO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YKQQQHPBZLZTMJ-UHFFFAOYSA-J [Ru+2].[Ru+2].[O-]C(=O)C1=CC=NC(C=2N=CC=C(C=2)C([O-])=O)=C1.[O-]C(=O)C1=CC=NC(C=2N=CC=C(C=2)C([O-])=O)=C1 Chemical compound [Ru+2].[Ru+2].[O-]C(=O)C1=CC=NC(C=2N=CC=C(C=2)C([O-])=O)=C1.[O-]C(=O)C1=CC=NC(C=2N=CC=C(C=2)C([O-])=O)=C1 YKQQQHPBZLZTMJ-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000021615 conjugation Effects 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 1
- 239000012046 mixed solvent Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 150000002825 nitriles Chemical class 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000004083 survival effect Effects 0.000 description 1
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
- H01G9/20—Light-sensitive devices
- H01G9/2027—Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/542—Dye sensitized solar cells
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Hybrid Cells (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
본 발명은 종래 나노크기의 다공성 산화물 입자로 이루어진 반도체 전극에, 전기방사된 섬유상 산화물층을 더 형성한 구조의 염료감응형 태양전지용 반도체 전극 및 그를 채용한 염료감응형 태양전지에 관한 것이다.
본 발명의 반도체 전극은 유리기판 상에, 전도성 물질이 코팅된 투명 전도층, 나노크기의 다공성 산화물 입자로 이루어진 반도체층 및 전기방사된 섬유상 산화물층이 순차 적층된 구조로서, 상기 전기방사된 섬유상 산화물층을 형성함으로써, 산화물 반도체 전극의 표면적을 증가시켜, 염료의 흡착량을 증가시킴으로써, 염료감응형 태양전지의 광전변환효율을 개선할 수 있다. 또한, 본 발명의 반도체 전극은 나노크기의 다공성 산화물 입자로 이루어진 반도체층에 의해 투명전극과 전해질이 직접 닿는 것을 방지하고, 전기방사된 섬유상 산화물층에 의해 고분자 전해질의 침투를 용이하게 함으로써, 이를 채용한 염료감응형 태양전지의 광전변환효율을 개선할 수 있다.
반도체전극, 염료감응형 태양전지, 전기방사, 섬유, 산화물층
Description
본 발명은 염료감응형 태양전지용 고효율 반도체 전극 및 그를 채용한 염료감응형 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 본 발명은 종래 나노크기의 다공성 산화물 입자로 이루어진 반도체 전극에, 전기방사된 섬유상 산화물층을 더 형성하여 산화물 반도체 전극의 표면적을 증가시켜, 염료의 흡착량을 증가시킴으로써, 염료감응형 태양전지의 광전변환효율을 개선할 수 있는 반도체 전극 및 그를 채용한 염료감응형 태양전지에 관한 것이다.
근래에 와서 화석연료의 고갈로 인하여, 지구상의 인류의 생존이 위협받으면서 태양광 에너지에 대한 관심은 더욱 중요시되고 있다. 초기에는 실리콘 태양전지 등의 무기물 재료를 이용한 태양전지가 개발되어 왔으나, 대부분의 무기물 재료는 높은 제조단가와 대량 생산의 어려운 단점이 있다. 따라서, 저비용으로 고효율의 가능성을 지니고 있는 염료감응형 태양전지의 연구개발이 적극적으로 검토되고 있다.
지금까지 알려진 염료감응형 태양전지 중 대표적인 예로는 스위스의 그라 첼(Gratzel)등에 의하여 발표된 염료감응형 태양전지이다[미국특허 제4,927,721호 및 제5,350,644호]. 그라첼에 의해 공지된 염료감응형 태양전지들은 일반적으로 염료분자가 입혀진 나노입자 이산화티탄(TiO2)으로 이루어지는 반도체 전극, 백금 전극으로 이루어진 상대 전극 및 그 사이에 채워진 전해질 용액으로 구성되어 있다.
상기 염료감응형 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지와 비교하여 제조 단가가 저렴하고, 투명한 전극이기 때문에 건물 외벽의 유리창 등에 응용할 수 있는 장점이 있지만, 액체 전해질에 의해 장기적 안정성이 결여되는 문제점이 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 전해질을 고체화시키기 위한 다양한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그러나 고분자 전해질은 반도체 전극으로의 침투가 쉽지 않기 때문에 광전변환효율이 낮아 실제로 적용하기에는 제한이 있다.
이에, 염료감응형 태양전지의 광전변환효율을 증가시키기 위한 노력으로는 태양광의 흡수를 증가시키거나, 염료의 흡착량을 높이고 전자의 생성량을 늘리는 방법, 생성된 전자가 전자-정공 재결합에 의해 소멸되는 것을 막는 방법 등이 있다.
이에, 본 발명자들은 염료감응형 태양전지의 광전변환효율을 개선하고자 노력한 결과, 상기 종래 방법 중, 염료의 흡착량을 늘리기 위해서, 종래 염료가 입혀진 나노크기의 산화물 반도체 입자로 이루어진 반도체 전극 구조에 전기방사된 섬유상 산화물층을 형성하는 반도체 전극을 제공하여, 산화물 반도체 전극의 표면적을 증가시킨 반도체 전극 및 그를 채용한 염료감응형 태양전지를 제공함으로써, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 염료감응형 태양전지용 고효율의 반도체 전극을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 반도체 전극을 이용하여 광전변환효율을 개선한 염료감응형 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명은 유리기판 상에, 전도성 물질이 코팅된 투명 전도층, 나노크기의 다공성 산화물 입자로 이루어진 반도체층 및 전기방사된 섬유상 산화물층이 순차 적층된 염료감응형 태양전지용 반도체 전극을 제공한다.
상기 투명 전도층에서 사용되는 전도성 물질은 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), 산화주석(TiO2), 안티몬 틴 옥사이드(ATO) 및 산화아연(ZnO2)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용한다.
상기 나노크기의 다공성 산화물 입자로 이루어진 반도체층에서, 나노크기의 다공성 산화물 입자의 크기는 10nm 내지 25nm가 바람직하다.
이때, 나노크기의 다공성 산화물 입자로 이루어진 반도체층의 두께는 5 내지 25㎛이다.
상기 전기방사된 섬유상 산화물층에 있어서, 전기방사된 섬유의 직경은 100nm 내지 500nm를 가지는 것이고, 전기방사된 섬유상 산화물층의 두께는 5 내지 25㎛이다.
본 발명은 상기 유리기판 상에, 전도성 물질이 코팅된 투명 전도층, 나노크기의 다공성 산화물 입자로 이루어진 반도체층 및 전기방사된 섬유상 산화물층으로 이루어진 반도체 전극, 상대 전극 및 상기 반도체 전극과 상대 전극 사이에 충진된 전해질 용액으로 이루어진 염료감응형 태양전지를 제공한다.
본 발명의 염료감응형 태양전지는 상기 제작된 반도체 전극에, 0.1 내지 0.5mM의 루테늄계 염료가 흡착되며, 본 발명의 염료감응형 태양전지에 사용되는 전해질 용액은 0.6M의 폴리에틸렌글리콜, 0.6M의 1,2-디메틸-3-프로필옥틸-이미다졸륨 아이오다이드, 0.2M LiI, 0.04M I2 및 0.2M 3차부틸 피리딘을 아세토나이트릴에 용해시킨 I3-/I-의 고분자 전해질이다.
본 발명은 종래 염료가 흡착된 나노크기의 다공성 산화물 입자로 이루어진 반도체층에, 전기방사된 섬유상 산화물층을 더 형성함으로써, 산화물 반도체 전극의 표면적을 증가시켜, 염료의 흡착량을 증가시킴으로써, 이를 채용한 염료감응형 태양전지의 광전변환효율을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 반도체 전극에 전기방사된 섬유상 산화물층을 도입함으로써, 종래 고분자 전해질이 산화물층으로 침투가 어려운 문제점을 개선하므로, 장기적 안정성을 확보할 수 있다.
나아가, 본 발명의 반도체 전극은 상기 나노크기의 산화물 반도체 입자로 이루어진 반도체 전극에 의해 투명전극과 전해질이 직접 닿는 것을 방지하고, 전기방사된 섬유상 산화물층에 의해 고분자 전해질의 침투를 용이하게 함으로써, 이를 채용한 염료감응형 태양전지의 광전변환효율을 개선할 수 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.
본 발명은 유리기판 상에, 전도성 물질이 코팅된 투명 전도층, 나노크기의 다공성 산화물 입자로 이루어진 반도체층 및 전기방사된 섬유상 산화물층이 순차 적층된 염료감응형 태양전지용 반도체 전극을 제공한다[도 1].
상기 투명 전도층에 사용되는 바람직한 전도성 물질은 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide:ITO), 플루오린 틴 옥사이드(fluorine tin oxide:FTO), ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), 산화주석(TiO2), 안티몬 틴 옥사이드(antimony tin oxide, SnO2-Sb2O3, ATO) 및 산화아연(zinc oxide)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 전도성 물질을 사용한다.
상기 전도성 물질이 코팅된 투명 전도층상에 다공성 산화물 입자로 이루어진 반도체층이 5∼25㎛ 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
이때, 다공성 산화물 입자의 바람직한 입자크기는 10nm 내지 25nm 나노크기이며, 다공질 막을 이루는 대표적인 물질로서 TiO2의 입경별 효율을 검토해 보면, TiO2의 입경이 10nm 미만이면, 성막 후 열처리 시 기반과의 밀착성이 떨어져 박리가 일어나고, 지나치게 입경이 크면, 표면적의 감소로 염료 흡착 포인트가 감소하여 광전 변환효율이 저하된다. 따라서, 공정성과 효율을 동시에 고려한 결과, 10∼25nm 입경의 TiO2를 이용하여 다공질 막을 형성하는 것이 가장 바람직하다. 또한 다공성 산화물 입자로 이루어진 반도체층이 5∼25㎛ 두께로 형성되며, 두께가 5㎛ 이하이면 표면적이 감소해 광전변환효율이 떨어지고, 25㎛ 이상이면 다공질막의 두께가 너무 두꺼워 높은 저항으로 인해 광전변환효율이 떨어진다.
본 발명의 반도체 전극의 특징은 상기 나노크기의 다공성 산화물 입자로 이루어진 반도체층 형성 이후, 전기방사된 섬유상 산화물층을 더 형성하는 것이다.
이때, 전기방사된 섬유상 산화물층을 더 형성함으로써, 산화물 반도체 전극의 표면적을 증가시켜, 염료의 흡착량을 증가시키므로, 염료감응형 태양전지의 광전변환효율 개선에 기여할 수 있고, 고분자 전해질의 침투를 용이하게 한다.
본 발명의 섬유상 산화물층은 나노크기의 다공성 산화물 입자로 이루어진 반도체층 상에, 전기방사에 의하여 1차원적으로 배열된 10∼30nm 굵기의 미세 섬유소가 다발로 엮여 형성되는 것이다. 이때, 상기 섬유상 산화물층에 사용된 섬유 직경은 100∼500nm이 바람직하다. 섬유 직경은 100nm 미만이면, 지나치게 미세하여, 다발형태로 제작하기에 공정시간이 길어지고, 500nm를 초과하면, 산화물 반도체 전극의 표면적을 증가시켜 얻고자 하는 광전변환효율 개선 효과가 미약하다.
전기방사된 섬유로 이루어진 산화물층의 두께는 효율적으로 광전류를 생성시키기 위하여, 5∼25㎛ 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 산화물층의 두께가 5㎛ 미만이면 낮은 표면적으로 인해 광전변환효율을 개선시킬 수 없고, 25㎛ 두께를 초 과하면, 너무 두꺼워져 저항이 높아지는 문제가 있다.
본 발명은 반도체 전극, 상대 전극 및 상기 반도체 전극과 상대 전극 사이에 충진된 전해질 용액으로 이루어진 염료감응형 태양전지에 있어서, 상기 반도체 전극이 유리기판 상에, 전도성 물질이 코팅된 투명 전도층, 나노크기의 다공성 산화물 입자로 이루어진 반도체층 및 전기방사된 섬유상 산화물층으로 이루어진 염료감응형 태양전지를 제공한다.
본 발명의 반도체 전극이 종래 나노크기의 다공성 산화물 입자로 이루어진 반도체층에, 전기방사된 섬유상 산화물층을 더 형성함으로써, 산화물 반도체 전극의 표면적을 증가시켜, 염료의 흡착량을 증가시키고, 고분자 전해질의 침투를 용이하게 함으로써, 염료감응형 태양전지의 광전변환효율 개선에 기여한다.
이에, 본 발명의 반도체 전극을 채용한 염료감응형 태양전지는 전기방사된 섬유상 산화물층이 없는 형태의 반도체 전극(비교예 1) 및 유리기판 상에 나노크기의 다공성 산화물 입자로 이루어진 반도체층없이 전기방사된 섬유상 산화물층만이 형성된 형태의 반도체 전극(비교예 2)을 채용한 염료감응형 태양전지와의 성능을 비교한 결과, 높은 전류밀도 및 충진계수를 보이고, 궁극적으로는 광전변환효율이 향상된 결과를 확인할 수 있다[표 1].
따라서, 종래 나노크기의 다공성 산화물 입자로 이루어진 반도체 전극에, 전기방사된 섬유상 산화물층을 더 형성한 구조의 본 발명의 반도체 전극을 염료감응형 태양전지에 채용함으로써, 산화물 반도체 전극의 표면적을 증가시켜, 염료의 흡착량을 늘리므로, 염료감응형 태양전지의 광전변환효율을 개선할 수 있다.
본 발명의 염료감응형 태양전지는 상기 섬유상 산화물층이 효율적으로 광전류를 생성시키기 위하여, 상기 섬유상 산화물층이 형성된 본 발명의 반도체 전극에 0.1 내지 0.5mM의 루테늄(Ru)계 염료 분자를 흡착시킨다.
본 발명의 실시예에서는 0.3mM의 시스-비스(이소티오시아네이토)비스(2,2'-바이피리딜-4,4'-디카르복실레이토)-루테늄(II)비스-테트라부틸암모늄(N719) 용액을 사용하나, 이에 한정되지 않으며, 염료감응형 태양전지 분야에서 사용되는 염료에서 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다.
본 발명의 염료감응형 태양전지에서 상대전극은 투명기판, 전도성 물질이 코팅된 투명 전도층 및 백금층으로 구성되어 있다. 상기 상대 전극의 백금층은 상기 반도체 전극과 대향하도록 배치된다.
또한, 본 발명의 반도체 전극에 전기방사된 섬유상 산화물층을 도입함으로써, 종래 고분자 전해질이 산화물층으로 침투가 어려운 문제점을 개선한다. 이에, 본 발명의 염료감응형 태양전지에서 반도체 전극과 상기 상대 전극 사이의 공간에 충진되는 전해질 용액로서, 0.6M의 폴리에틸렌글리콜, 0.6M의 1,2-디메틸-3-프로필옥틸-이미다졸륨 아이오다이드, 0.2M LiI, 0.04M I2 및 0.2M 3차부틸 피리딘을 아세토나이트릴에 용해시킨 I3-/I-의 고분자 전해질을 사용하나, 이에 한정되는 것을 아니며, 염료감응형 태양전지 분야에서 통용되는 전해질용액이라면 사용될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.
본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 반도체 전극의 제조
유리기판 상에 스퍼터를 사용하여 플로린이 도핑된 틴 옥사이드(FTO)를 도포한 후, 입경 10nm 크기의 TiO2 입자 페이스트를 닥터 블레이드 기법을 이용하여 도포하고 450℃에서 30분간 소성하여 약 8㎛ 두께의 다공성 TiO2 막을 제작하였다.
섬유상 산화물층을 제작하기 위한 전구체로서, 폴리비닐 피롤리딘(Mw=1,300,000g/mol)과 티타늄 테트라이소프로폭사이드(Ti(Oipr)4)를 용매 아세트산 27중량% 및 에탄올 73중량%로 구성된 혼합용매에 용해시켰다. 7.5 중량%의 폴리비닐 피롤리딘을 준비해둔 아세트산과 에탄올의 혼합용매에 용해시키기 위하여 65 내지 70℃에서 4시간 동안 교반하였다. 상기 제조된 PVP/아세트산/에탄올 혼합용액에 티타늄 테트라이소프로폭사이드(Ti(Oipr)4) 15중량%를 첨가하여 70℃에서 6시간 동안 교반하여 방사용액을 준비하였다.
상기 다공성 TiO2 막 상에, 준비된 방사용액을 전기방사장치를 이용하여 전기방사를 수행하여, 기판을 450℃에서 30분간 소성하여 15㎛ 두께의 TiO2 섬유상 산화물층을 안정적으로 형성하여 반도체 전극을 제조하였다[도 1].
이어서 상기 제조된 반도체 전극이 형성된 기판을 0.3mM 농도의 시스-비스(이소티오시아네이토)비스(2,2'-바이피리딜-4,4'-디카르복실레이토)-루테늄(II)비스-테트 라부틸암모늄(N719) 용액에 24시간 침지한 후, 건조시켜 상기 염료를 TiO2 섬유상 산화물층 표면에 흡착시켰다. 그 뒤, 염료가 흡착된 TiO2 섬유상 산화물층을 에탄올로 씻고 상온 건조하였다.
이후, 유리기판 상에 스퍼터를 사용하여 플로린이 도핑된 틴 옥사이드(FTO)를 도포한 후, 백금 전구체를 닥터 블레이드 기법을 이용하여 도포하고, 400℃에서 30분간 소성하여 상대전극을 제작하였다.
상기 상대전극과 반도체 전극이 사로 대향하도록 배치한 뒤, 상대전극의 주변과 반도체 전극의 주변의 사이에 두께 60㎛의 열가소성 고분자 필름을 끼우고, 온도 100℃로 9초간 압착하고, 둘의 전극을 접합시켰다.
상기 두 전극의 표면에 형성된 미세 구멍을 통하여, 두 전극 사이의 공간에 전해질 용액을 충진하여 염료감응형 태양전지를 제작하였다. 이때, 전해질 용액은 0.6M의 폴리에틸렌글리콜, 0.6M의 1,2-디메틸-3-프로필옥틸-이미다졸륨 아이오다이드, 0.2M LiI, 0.04M I2 및 0.2M 4-tert-부틸 피리딘을 아세토나이트릴에 용해시킨 I3-/I-의 고분자 전해질을 사용하였다.
<비교예 1>
유리기판 상에 9nm의 크기의 TiO2 입자를 가지는 다공성 산화물 입자로 이루어진 반도체 전극 제작이후, 섬유상 산화물층을 형성하지 않는 반도체 전극을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여, 동일한 두께의 염료감응형 태양 전지를 제작하였다[도 2].
<비교예 2>
유리기판 상에 다공성 산화물 입자로 이루어진 반도체 전극이 형성되지 않고, 전기방사된 섬유상 산화물층만이 형성된 반도체 전극을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여, 동일한 두께의 염료감응형 태양전지를 제작하였다[도 3].
<실험예 1> 광전 소자의 특성 평가
상기 실시예 1에서 제조된 염료감응형 태양전지의 광전효율을 측정하기 위하여, 광원으로는 제논 램프(Xenon lamp, Oriel)를 사용하여, 광전압 및 광전류를 측정하였다. 측정된 광전류 전압 곡선으로부터 계산된 전류밀도(Isc), 전압(Voc) 및 충진계수(fill factor, FF)를 하기 수학식 1에 의해 산출하여, 광전변환효율(ηc)을 구하고, 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다.
(상기 식에서, Pinc는 100㎽/㎠ (1sun)을 나타낸다.)
상기 결과로부터, 실시예 1의 반도체 전극을 사용한 염료감응형 태양전지는 섬유상 산화물층을 형성하지 않는 반도체 전극을 사용한 비교예 1과, 유리기판 상에 다공성 산화물 입자로 이루어진 반도체 전극이 형성되지 않고, 전기방사된 섬유상 산화물층만이 형성된 반도체 전극을 사용한 비교예 2의 염료감응형 태양전지보다 우수한 광전효율측정 결과를 보였다.
따라서, 본 발명의 종래 염료가 입혀진 나노크기의 산화물 반도체 입자로 이루어진 반도체 전극에, 전기방사된 섬유상 산화물층을 형성한 구조의 반도체 전극을 채용한 염료감응형 태양전지는 높은 전류밀도 및 충진계수를 보이므로, 산화물 반도체 전극의 표면적을 증가로 인한 염료의 흡착량 증가를 예상할 수 있으며, 이로 인한 염료감응형 태양전지의 우수한 광전변환효율을 확인하였다.
또한, 종래 나노크기의 산화물 반도체 입자로 이루어진 반도체 전극 구조에, 전기방사된 섬유상 산화물층을 더 형성한 본 발명의 반도체 전극을 채용한 염료감응형 태양전지의 광전변환효율 개선 결과로부터, 종래 나노크기의 산화물 반도체 입자로 이루어진 반도체 전극에 의해 투명전극과 전해질이 직접 닿는 것을 막는 기능을 유지하면서, 전기방사된 섬유상 산화물층을 더 형성함으로써, 고분자 전해질의 침투를 용이하게 함을 알 수 있다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 종래 나노크기의 다공성 산화물 입자로 이루어진 반도체 전극 구조에, 전기방사된 섬유상 산화물층을 더 형성한 염료감응형 태양전지용 반도체 전극을 제공함으로써, 산화물 반도체 전극의 표면적을 증가시켜, 염료의 흡착량을 증가시킴으로써, 염료감응형 태양전지의 광전변환효율을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 반도체 전극에 전기방사된 섬유상 산화물층을 도입함으로써, 종래 고분자 전해질이 산화물층으로 침투가 어려운 문제점을 개선하므로, 장기적 안정성을 확보할 수 있다.
이에, 본 발명의 반도체 전극을 채용함으로써, 반도체 전극 구조 상, 나노크기의 다공성 산화물 입자로 이루어진 반도체층에 의해 투명전극과 전해질이 직접 닿는 것을 방지하고, 전기방사된 섬유상 산화물층에 의해 고분자 전해질의 침투를 용이하게 함으로써, 광전변환효율이 개선된 염료감응형 태양전지를 제공할 수 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
도 1은 본 발명의 염료감응형 태양전지용 반도체 전극의 단면도이고,
도 2는 종래 염료감응형 태양전지용 반도체 전극 일례의 단면도이고,
도 3은 종래 염료감응형 태양전지용 반도체 전극 다른 일례의 단면도이다.
<도면 부호에 대한 간단한 설명>
1, 10 : 유리기판 2, 20 : 투명 전도층
3, 30 : 나노크기의 다공성 산화물 입자로 이루어진 반도체층
4, 40 : 전기방사된 섬유상 산화물층 11: 본 발명의 반도체 전극
110, 111: 종래 반도체 전극
Claims (8)
- 유리기판 상에,전도성 물질이 코팅된 투명 전도층,나노크기의 다공성 산화물 입자로 이루어진 반도체층 및전기방사된 섬유상 산화물층이 순차 적층된 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 반도체 전극.
- 제1항에 있어서, 상기 투명 전도층이 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), 산화주석(TiO2), 안티몬 틴 옥사이드(ATO) 및 산화아연(ZnO2)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 전도성 물질이 코팅된 것을 특징으로 하는 상기 염료감응형 태양전지용 반도체 전극.
- 제1항에 있어서, 상기 나노크기의 다공성 산화물 입자가 10 내지 25nm인 것을 특징으로 하는 상기 염료감응형 태양전지용 반도체 전극.
- 제1항에 있어서, 상기 나노크기의 다공성 산화물 입자로 이루어진 반도체층의 두께가 5 내지 25㎛인 것을 특징으로 하는 상기 염료감응형 태양전지용 반도체 전극.
- 제1항에 있어서, 상기 전기방사된 섬유가 100nm 내지 500nm의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 상기 염료감응형 태양전지용 반도체 전극.
- 제1항에 있어서, 상기 전기방사된 섬유상 산화물층의 두께가 5 내지 25㎛인 것을 특징으로 하는 상기 염료감응형 태양전지용 반도체 전극.
- 제1항의 유리기판 상에, 전도성 물질이 코팅된 투명 전도층, 나노크기의 다공성 산화물 입자로 이루어진 반도체층 및 전기방사된 섬유상 산화물층으로 이루어진 반도체 전극,상대 전극 및상기 반도체 전극과 상대 전극 사이에 충진된 전해질 용액으로 이루어진 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
- 제7항에 있어서, 상기 유리기판 상에, 전도성 물질이 코팅된 투명 전도층, 나노크기의 다공성 산화물 입자로 이루어진 반도체층 및 전기방사된 섬유상 산화물층으로 이루어진 반도체 전극에, 0.1 내지 0.5mM의 루테늄계 염료가 흡착된 것을 특징으로 하는 상기 염료감응형 태양전지.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020080131293A KR20100072784A (ko) | 2008-12-22 | 2008-12-22 | 염료감응형 태양전지용 고효율 반도체 전극 및 그를 채용한염료감응형 태양전지 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020080131293A KR20100072784A (ko) | 2008-12-22 | 2008-12-22 | 염료감응형 태양전지용 고효율 반도체 전극 및 그를 채용한염료감응형 태양전지 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20100072784A true KR20100072784A (ko) | 2010-07-01 |
Family
ID=42635891
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020080131293A KR20100072784A (ko) | 2008-12-22 | 2008-12-22 | 염료감응형 태양전지용 고효율 반도체 전극 및 그를 채용한염료감응형 태양전지 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20100072784A (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101234239B1 (ko) * | 2011-01-21 | 2013-02-18 | 삼성에스디아이 주식회사 | 염료감응 태양전지 및 그 제조방법 |
| KR101431817B1 (ko) * | 2013-07-31 | 2014-08-20 | 국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단 | 이중 소자 융합형 텐덤 태양 전지 및 그 제조 방법 |
-
2008
- 2008-12-22 KR KR1020080131293A patent/KR20100072784A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101234239B1 (ko) * | 2011-01-21 | 2013-02-18 | 삼성에스디아이 주식회사 | 염료감응 태양전지 및 그 제조방법 |
| KR101431817B1 (ko) * | 2013-07-31 | 2014-08-20 | 국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단 | 이중 소자 융합형 텐덤 태양 전지 및 그 제조 방법 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Priya et al. | High-performance quasi-solid-state dye-sensitized solar cell based on an electrospun PVdF− HFP membrane electrolyte | |
| Zhu et al. | Impact of high charge-collection efficiencies and dark energy-loss processes on transport, recombination, and photovoltaic properties of dye-sensitized solar cells | |
| Magne et al. | Effects of ZnO film growth route and nanostructure on electron transport and recombination in dye-sensitized solar cells | |
| Flores et al. | Dye-sensitized solar cells based on TiO2 nanotubes and a solid-state electrolyte | |
| KR100657949B1 (ko) | 원통형 연질 태양전지 및 그의 제조방법 | |
| Dissanayake et al. | Dye-sensitized solar cells based on electrospun polyacrylonitrile (PAN) nanofibre membrane gel electrolyte | |
| JP2008218394A (ja) | 色素増感太陽電池及び色素増感太陽電池の製造方法 | |
| Wu et al. | BaCO3 modification of TiO2 electrodes in quasi-solid-state dye-sensitized solar cells: performance improvement and possible mechanism | |
| EP2530691A2 (en) | Method of manufacturing a photoelectrode structure and the resulting photoelectrode structure | |
| KR101234239B1 (ko) | 염료감응 태양전지 및 그 제조방법 | |
| KR101635758B1 (ko) | 감광성 염료 용액, 이를 이용해서 제조된 염료감응 태양전지의 광전극, 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지 | |
| KR101381705B1 (ko) | 전기 방사 및 분무 공정에 의해 제조된 하이브리드 나노 섬유 매트릭스를 고분자 전해질에 포함하는 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법 | |
| KR20080054971A (ko) | 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법 | |
| TWI455334B (zh) | 用於染料敏化太陽能電池之光陽極的製造方法 | |
| Park et al. | Fabrication of hole-patterned TiO2 photoelectrodes for solid-state dye-sensitized solar cells | |
| KR101088676B1 (ko) | 요오드화피롤리디니움계 이온성 액체를 포함한 염료감응 태양전지용 전해질 용액, 이를 포함하는 염료감응 태양전지 및 염료감응 태양전지의 제조방법 | |
| JP5191266B2 (ja) | 色素増感型太陽電池用電極及び色素増感型太陽電池 | |
| JP4050535B2 (ja) | 色素増感型太陽電池の製造方法 | |
| KR101448923B1 (ko) | 전기 방사에 의해 제조된 하이브리드 나노 섬유 매트릭스를 고분자 전해질에 포함하는 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법 | |
| KR20100072784A (ko) | 염료감응형 태양전지용 고효율 반도체 전극 및 그를 채용한염료감응형 태양전지 | |
| KR101088675B1 (ko) | 요오드화피리디니움계 이온성 액체를 포함한 염료감응 태양전지용 전해질 용액, 이를 포함하는 염료감응 태양전지 및 염료감응 태양전지의 제조방법 | |
| KR101044338B1 (ko) | 염료 및 다원자음이온이 흡착된 나노 산화물층을 포함한 음극계 전극을 포함하는 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법 | |
| KR101131055B1 (ko) | 투명기판 상에 메조포러스 탄소전극이 형성된 상대전극을 포함하는 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법 | |
| KR101369731B1 (ko) | 염료감응 태양전지용 염료의 흡착방법, 이를 이용한 광전극 및 염료감응 태양전지 | |
| Lan et al. | TiCl 4 assisted formation of nano-TiO 2 secondary structure in photoactive electrodes for high efficiency dye-sensitized solar cells |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |