KR20110040153A - 염료 감응 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제 1 전극을 포함하는 제 1 기판, 상기 제 1 기판 상에 위치하는 광흡수층 및 상기 광흡수층 상에 위치하며, 제 2 전극을 포함하는 제 2 기판을 포함하며, 상기 광흡수층은 염료를 포함하는 복수의 반도체 미립자, 상기 복수의 반도체 미립자 상에 위치하는 스캐터링층 및 상기 스캐터링층 상에 위치하는 복수의 촉매 입자를 포함하는 염료 감응 태양전지에 관한 것이다.
염료감응, 태양전지

Description

염료 감응 태양전지 및 그 제조방법{Dye-Sensitized Solar Cells And Manufacturing Method For Thereof}
본 발명은 염료 감응 태양전지에 관한 것으로, 보다 자세하게는 효율이 우수한 염료 감응 태양전지 및 그 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 다양한 연구가 진행되어 오고 있다.
이 중 태양전지는 기타 다른 에너지원과는 달리 태양이라는 무한한 자원을 바탕으로 환경 친화적이며, 1983년 Si 태양전지를 개발한 이후로 최근에는 전 세계적인 에너지난으로 인해 각광을 받고 있다.
그러나 이와 같은 실리콘 태양전지는 Si 원재료 수급문제에 따른 국가간 경쟁이 치열하고 이로 인해 제작 단가가 고가이다. 이를 해결하기 위해 국외, 국내의 많은 연구기관에서 자구책을 제시하고 있지만 어려움이 따르는 것이 현실이다. 이러한 심각한 에너지난을 해결할 수 있는 대안 중 한가지가 바로 염료 감응 태양전지이며, 1991년 스위스 국립 로잔 고등기술원(EPFL)의 마이클 그라첼 박사(Dr. Micheal Graetzel) 연구팀에 의해 염료 감응 태양전지가 개발된 이후 학계에 주목을 받으며 많은 연구기관에서 연구가 진행되어 왔다.
염료 감응 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 광전기화학적 태양전지이다. 종래의 염료 감응 태양전지 중에서 대표적인 연구 개발로는 나노입자 산화티타늄을 이용한 염료 감응 태양전지가 있다.
이 염료 감응 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 제조 단가가 저렴하고 투명한 전극으로 인해 건물 외벽 유리창이나 유리 온실 등에 응용이 가능하다는 이점이 있으나, 광전변환효율이 낮아서 연구가 더 진행되어야 하는 상황이다.
태양전지의 광전변환효율은 태양빛의 흡수에 의해 생성된 전자의 양에 비례하므로, 효율을 증가시키기 위해서는 산화티타늄 나노입자에 염료의 흡착량을 높여 전자의 생성량을 증가시키고, 태양 빛의 흡수를 증가시키며, 생성된 여기전자가 전자-홀 재결합에 의해 소멸되는 것도 방지해야 한다.
단위면적당 염료의 흡착량을 늘이기 위해서는 산화물 반도체의 입자를 나노미터 수준의 크기로 제조하여야 하며 태양빛의 흡수를 높이기 위해 백금전극의 반사율을 높이거나, 수 마이크로 크기의 반도체 산화물 광산란자를 섞어서 제조하는 방법 등이 개발되어 있다.
그러나, 이러한 종래 방법으로는 태양전지의 광전변환효율의 향상에 한계가 있으며, 이에 따라 효율 향상을 위한 새로운 기술 개발이 시급히 요구 되고 있다.
따라서, 본 발명은 우수한 광전변환효율을 갖는 염료 감응 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 염료 감응 태양전지는 제 1 전극을 포함하는 제 1 기판, 상기 제 1 기판 상에 위치하는 광흡수층 및 상기 광흡수층 상에 위치하며, 제 2 전극을 포함하는 제 2 기판을 포함하며, 상기 광흡수층은 염료를 포함하는 복수의 반도체 미립자, 상기 복수의 반도체 미립자 상에 위치하는 스캐터링층 및 상기 스캐터링층 상에 위치하는 복수의 촉매 입자를 포함할 수 있다.
상기 촉매 입자는 백금(Pt), 금(Au), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 탄소(C), 산화티탄(TiO2) 및 전도성 고분자로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 촉매 입자의 직경은 5 내지 10nm일 수 있다.
상기 복수의 촉매 입자는 상기 스캐터링층 상에 분산되어 접촉될 수 있다.
상기 광흡수층은 전해질을 더 포함할 수 있다.
상기 스캐터링층은 복수의 도전성 입자를 포함할 수 있다.
상기 도전성 입자는 티탄(Ti), 주석(Sn), 아연(Zn), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 갈륨(Ga), 인듐(In), 이트륨(Yr), 니오브(Nb), 탄탈(Ta), 바나듐(V)으로 이루어진 군에서 선택되는 금속 산화물일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 염료 감응 태양전지의 제조방법은 제 1 기판 상에 제 1 전극을 형성하는 단계, 상기 제 1 전극 상에 염료를 포함하는 복수의 반도체 미립자를 형성하고, 상기 복수의 반도체 미립자 상에 스캐터링층을 형성하고, 상기 스캐터링층 상에 복수의 촉매 입자를 형성하여 광흡수층을 형성하는 단계, 제 2 기판 상에 제 2 전극을 형성하는 단계 및 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판을 합착하고, 상기 광흡수층에 전해질을 주입하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 복수의 촉매 입자는 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드법, 그라비아 코팅법, 딥 코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법, 슬릿다이 코팅법, 스핀 코팅법, 롤 코팅법 및 전사 코팅법으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 형성할 수 있다.
본 발명의 염료 감응 태양전지 및 그 제조방법은 스캐터링층 및 촉매 입자를 포함하는 광흡수층을 형성함으로써, 전자의 이동효율을 향상시켜 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예들을 자세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 염료 감응 태양전지를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 염료 감응 태양전지(100)는 제 1 전극(120)을 포함하는 제 1 기판(110), 상기 제 1 기판(110) 상에 위치하는 광흡수층(130) 및 상기 광흡수층(130) 상에 위치하며, 제 2 전극(140)을 포함하는 제 2 기판(150)을 포함하며, 상기 광흡수층(130)은 염료(132)를 포함하는 복수의 반도체 미립자(131), 상기 복수의 반도체 미립자(131) 상에 위치하는 스캐터링층(133) 및 상기 스캐터링층(133) 상에 위치하는 복수의 촉매 입자(134)를 포함할 수 있다.
염료 감응 태양전지(100)는 제 1 전극(120) 및 제 2 전극(140)이 서로 면 접합된 샌드위치 구조로, 보다 자세하게는 제 1 기판(110) 상에 제 1 전극(120)이 위치하고, 상기 제 1 전극(120)과 대향하는 제 2 기판(150) 상에 제 2 전극(140)이 서로 마주보는 구조일 수 있다.
상기 제 1 전극(120)과 상기 제 2 전극(140) 사이에는 반도체 미립자(131), 반도체 미립자(131)에 흡착된 염료(132) 및 전해질(135)을 포함하는 광흡수층(130)이 위치할 수 있다.
상기 제 1 기판(110)은 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있으며, 외부광의 입사가 가능하도록 투명성을 갖는 물질이라면 특별히 한정되지 않는다.
여기서, 플라스틱의 구체적인 예로는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미 드(PI), 트라아세틸셀룰로오스(TAC) 또는 이들의 공중합체일 수 있다.
상기 제 1 전극(120)은 전도성 금속 산화막을 포함할 수 있다.
여기서, 전도성 금속 산화막은 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), 주석계 산화물, 안티몬 틴 옥사이드(ATO), 산화아연(ZnO) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 바람직하게는 F:SnO2를 사용할 수 있다.
광흡수층(130)은 반도체 미립자(131), 반도체 미립자(131)에 흡착된 염료(132) 및 전해질(135)을 포함할 수 있다.
상기 반도체 미립자(131)는 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 반도체일 수 있고, 상기 화합물 반도체로는 티탄(Ti), 주석(Sn), 아연(Zn), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 갈륨(Ga), 인듐(In), 이트륨(Yr), 니오브(Nb), 탄탈(Ta), 바나듐(V)으로 이루어진 군에서 선택되는 금속 산화물을 사용할 수 있다. 바람직하게는 산화티탄(TiO2), 산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO), 산화니오브(Nb2O5), 산화티탄스트론튬(TiSrO3) 또는 이들의 혼합물을 들 수 있으며, 보다 바람직하게는 아나타제형의 산화티탄(TiO2)을 사용할 수 있다. 상기 반도체의 종류는 이들에 한정되는 것은 아니며, 이들을 단독 또는 두 가지 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다.
또한, 반도체 미립자(131)의 입경은 평균 입경 1 내지 500nm인 것일 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 100nm일 수 있다. 또한, 반도체 미립자(131)는 큰 입경의 것과 작은 입경의 것을 혼합하거나 다층으로 사용할 수도 있다.
반도체 미립자(131)는 반도체 미립자(131)를 스프레이 분무 등으로 직접 기판 상에 박막으로 형성거나, 기판을 전극으로 하여 전기적으로 반도체 미립자 박막을 석출하거나, 반도체 미립자의 슬러리 또는 반도체 미립자의 전구체를 가수분해함으로써 얻을 수 있는 미립자를 함유하는 페이스트를 기판 상에 도포한 후, 건조, 경화 또는 소성하는 방법 등에 의해 제조할 수 있다.
상기 반도체 미립자(131)의 표면에는 외부광을 흡수하여 여기 전자를 생성하는 염료(132)가 흡착될 수 있다.
상기 염료(132)는 알루미늄(Al), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 유로퓸(Eu), 납(Pb), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 등을 포함하는 금속 복합체로 이루어질 수 있다. 특히, 루테늄(Ru)은 백금족에 속하는 워소로서 많은 유기 금속 복합체를 형성할 수 있기 때문에 루테늄(Ru)을 포함하는 염료(132)를 사용하는 것이 바람직하다.
루테늄(Ru)을 포함하는 염료(132)의 예로는, Ru(etc bpy)2(NCS)2·CH3CN 타입이 많이 사용되고 있다. 여기서 etc는 (COOEt)2 또는 (COOH)2로서 다공질막 표면과 결합 가능한 반응기이다.
한편, 유기 색소를 포함하는 염료가 사용될 수도 있다. 유기 색소로는 쿠마린(coumarin), 포피린(porphyrin), 키산린(xanthene), 리보플라빈(riboflavin), 트 리페닐메탄(triphenylmethan) 등을 사용할 수 있으며, 단독 또는 다른 복합체와 혼합 사용할 수도 있다.
상기 전해질(135)은 레독스 전해질을 사용할 수 있으며, 구체적으로는 할로겐 이온을 대이온으로 하는 할로겐 화합물 및 할로겐 분자로 구성되는 할로겐 산화 환원계 전해질, 페로시안산염-페로시안산염이나 페로센-페리시늄 이온, 코발트 착체 등의 금속착체 등의 금속산화 환원계 전해질, 알킬티올-알킬디설피드, 비올로겐 염료, 하이드로퀴논-퀴논 등의 유기산화 환원계 전해질 등을 사용할 수 있으며, 할로겐 산화 환원계 전해질이 바람직하다.
할로겐 화합물-할로겐 분자로 구성되는 할로겐 산화 환원계 전해질에 있어서의 할로겐 분자로서는 요오드 분자가 바람직하다. 또한, 할로겐 이온을 대이온으로 하는 할로겐 화합물로서는 LiI, NaI, CaI2, MgI2, CuI 등의 할로겐화 금속염, 또는 테트라알킬암모늄요오드, 이미다졸리움요오드, 피리디움요오드 등의 할로겐의 유기 암모늄염, 또는 I2를 사용할 수 있다.
또한, 레독스 전해질은 이를 포함하는 용액의 형태로 구성되어 있는 경우, 그 용매로는 전지 화학적으로 불활성인 것을 사용할 수 있다. 구체적인 예로서 아세토니트릴, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 3-메톡시프로피오니트릴, 메톡시아세토니트릴, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 부틸로락톤, 디메톡시에탄, 디메틸카보네이트, 1,3-디옥소란, 메틸포르메이트, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 3-메톡시-옥사졸리딘-2-온, 설포란, 테트라하이드 로퓨란, 물 등을 들 수 있으며, 특히 아세토니트릴, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 3-메톡시프로피오니트릴, 에틸렌글리콜, 3-메톡시-옥사졸리딘-2-온, 부틸로락톤 등이 바람직하다. 이러한 용매들은 1종 또는 혼합해서 사용할 수 있다.
상기 광흡수층(130)은 스캐터링층(133)을 포함할 수 있다.
스캐터링층(133)은 전자가 전해질을 통해 이동하는 것보다 더 용이하게 이동할 수 있는 이동경로로 작용할 수 있다.
이를 위해, 스캐터링층(133)은 제 2 전극(140)과 인접하게 위치할 수 있으며, 복수의 도전성 입자를 포함할 수 있다.
여기서, 도전성 입자는 티탄(Ti), 주석(Sn), 아연(Zn), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 갈륨(Ga), 인듐(In), 이트륨(Yr), 니오브(Nb), 탄탈(Ta), 바나듐(V)으로 이루어진 군에서 선택되는 금속 산화물로 이루어질 수 있다. 또한, 도전성 입자는 입경이 100 내지 1000nm 일 수 있다.
그리고, 광흡수층(130)은 스캐터링층(133) 상에 위치하는 복수의 촉매 입자(134)를 포함할 수 있다.
복수의 촉매 입자(134)는 전자가 전해질을 통해 이동하는 것보다 더 용이하게 이동할 수 있는 이동경로로 작용하는 역할을 한다.
촉매 입자(134)는 전자의 이동이 용이한 재료로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 백금(Pt), 금(Au), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 탄소(C), 산화티탄(TiO2) 및 전도성 고분자로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다. 이러한 촉매 입자(134)는 제 2 전극(140)의 촉매 전 극(142)과 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 이러한 촉매 입자(134)는 입경이 5 내지 10nm일 수 있다. 여기서, 촉매 입자(134)의 입경이 5nm 이상이면, 촉매 입자(134)의 입경이 너무 작아 스캐터링층(133)의 틈을 통해 제 1 전극(120) 또는 반도체 미립자(131)에 형성되는 것을 방지할 수 있는 이점이 있고, 촉매 입자(134)의 입경이 10nm 이하이면, 촉매 입자(134)가 스캐터링층(133)에 접촉되는 접촉 면적을 증가시켜 전자의 이동 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
복수의 촉매 입자(134)는 스캐터링층(133)에 고르게 분산되어 접촉될 수 있다. 이는 전술한 바와 같이, 스캐터링층(133)에 접촉된 촉매 입자(134)의 접촉 면적을 실질적으로 증가시킬 수 있다. 따라서, 제 2 전극(140)으로부터 전해질(135) 및 촉매 입자(134)를 통해 스캐터링층(133)으로 이동되는 전자의 이동 효율을 향상시킬 수 있다.
태양전지는 외부 광이 염료에 흡수되면서 전자가 여기되고, 여기된 전자가 반도체 미립자를 통해 제 1 전극으로 주입되어 전류가 생성되는 원리로 작동한다. 그러나, 태양전지에서 전자의 주입 및 이동이 각 접촉되어 있는 구성요소의 계면, 특히 각 전극과 전해질 사이에서 전자 이동 효율이 차이가 나기 때문에 광전변환효율이 저하되었다.
따라서, 본 발명은 스캐터링층(133)과 촉매 입자(134)를 구비하여 전자가 전해질을 통해 이동하는 것보다 더 용이하게 이동할 수 있는 이동경로를 제공함으로써, 제 2 전극(140)에서 전해질을 통해 반도체 미립자로의 재생성(regeneration)되 는 전자의 이동 효율를 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 따라서, 염료 감응 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
한편, 광흡수층(130) 상에 제 2 전극(140)을 포함하는 제 2 기판(150)이 위치할 수 있다.
제 2 전극(140)은 투명 전극(141) 및 촉매 전극(142)을 포함할 수 있다. 투명 전극(141)은 인듐 틴 옥사이드, 플루오르 틴 옥사이드, 안티몬 틴 옥사이드, 산화아연, 산화주석, ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3) 등의 투명 물질로 이루어질 수 있다.
촉매 전극(142)은 산화-환원 쌍(redox couple)을 활성화 시키는 역할을 하는 것으로, 백금(Pt), 금(Au), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 탄소(C), 산화티탄(TiO2) 및 전도성 고분자로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
또한, 산화 환원의 촉매 효과를 향상시킬 목적으로 제 1 전극(120)과 마주보고 있는 촉매 전극(142)은 미세구조를 가져 표면적을 증가시킬 수 있는 것이 바람직하다. 예를 들면, 납 또는 금의 경우 블랙 상태로, 카본의 경우 다공질 상태인 것이 바람직하다. 특히 백금흑 상태는 백금의 양극 산화법, 염화 백금산 처리 등에 의해, 또한 다공질 상태의 카본은 카본 미립자의 소결이나 유기몰리머의 소성 등의 방법에 의해 형성할 수 있다.
상기 제 2 기판(150)은 전술한 제 1 기판(110)과 동일하게 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 상기 플라스틱의 구체적인 예로 폴리에틸렌 테레프탈레 이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 트리아세틸셀룰로오스 등을 들 수 있다.
이와 같은 구조를 갖는 염료 감응 태양전지(100) 내로 태양광이 입사되면 광양자는 먼저 광흡수층(130) 내의 염료(132)에 흡수되고, 이에 따라 염료(132)는 기저상태에서 여기상태로 전자전이하여 전자-홀쌍을 만들고, 여기상태의 전자는 반도체 미립자(131) 계면의 전도띠(conduction band)로 주입되며, 주입된 전자는 계면을 통해 제 1 전극(120)으로 전달 되고, 이후 외부 회로를 통해 대향전극인 제 2 전극(140)으로 이동한다.
한편, 전자 전이 결과로 산화된 염료(132)는 전해질(135) 내의 산화-환원 커플의 이온에 의해 환원되고, 산화된 상기 이온은 전하중성(charge neutrality)을 이루기 위해 제 2 전극(140), 전해질(135), 촉매 입자(134) 및 스캐터링층(133)을 통해 도달한 전자와 환원 반응을 함으로써 상기 염료 감응 태양전지(100)가 작동하게 된다.
이하, 전술한 본 발명의 일 실시 예에 따른 염료 감응 태양전지의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시 예에 따른 염료 감응 태양전지의 제조방법을 도시한 공정별 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 제 1 기판(210) 상에 제 1 전극(220)을 형성한다. 제 1 기판(210)은 전술한 바와 같이, 유리 또는 플라스틱을 사용할 수 있으며, 제 1 전 극(220)도 전술한 물질을 사용할 수 있다. 일 예로, 투명한 유리 기판 상에 전해도금, 스퍼터링, 전자빔증착 등과 같은 물리기상증착(PVD)법을 이용하여 도전성 물질을 포함하는 도전층을 형성하고 플루오린(F) 원소를 도핑함으로써 제조될 수 있다.
이어, 상기 제조된 제 1 전극(220) 상에 복수의 반도체 미립자(231)를 형성한다.
보다 자세하게는, 반도체 미립자(231), 바인더, 기공형성용 고분자를 용매에 분산시킨 반도체 미립자 페이스트를 제 1 전극(220) 상에 도포하여 형성할 수 있다.
여기서, 반도체 미립자(231)는 전술한 바와 동일한 물질을 사용할 수 있고, 바인더는 폴리비닐리덴 폴로라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌-폴리비닐리덴플로라이드 공중합체, 폴리비닐아세테이트, 알킬레이티드폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐에테르, 폴리알킬메타아크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐피리딘, 스티렌-부타디엔 고무, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다.
상기 기공형성용 고분자는 열처리 후 유기물이 잔존하지 않는 고분자를 사용할 수 있으며, 예를 들어, 폴리에틸렌글리콜, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐알코올, 폴리비닐피롤리돈 등을 사용할 수 있다.
상기 용매는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸설폭사이드, N-메틸피롤리돈 등을 사용할 수 있다.
그리고, 반도체 미립자 페이스트 도포 방법으로는, 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드법, 그라비아 코팅법, 딥 코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법, 슬릿다이 코팅법, 스핀 코팅법, 롤 코팅법, 전사 코팅법 등을 사용할 수 있다.
상기 반도체 미립자 페이스트를 도포한 후에 열처리를 수행한다. 열처리 공정은 페이스트 중에 바인더를 첨가한 경우 400 내지 600℃에서 30분 정도 수행하고, 바인더를 첨가하지 않은 경우에는 200℃ 이하의 온도에서 수행될 수 있다.
그 후, 열처리되어 형성된 복수의 반도체 미립자(231) 상에 스캐터링층(232)을 형성한다.
보다 자세하게는, 금속 산화물로 이루어진 복수의 도전성 입자, 바인더, 기공형성용 고분자 및 용매에 혼합 분산시켜 페이스트를 형성한다. 여기서, 도전성 입자는 티탄(Ti), 주석(Sn), 아연(Zn), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 갈륨(Ga), 인듐(In), 이트륨(Yr), 니오브(Nb), 탄탈(Ta), 바나듐(V)으로 이루어진 군에서 선택되는 금속 산화물로 이루어질 수 있으며, 바인더, 기공형성용 고분자 및 용매는 전술한 반도체 미립자 페이스트와 동일한 물질을 사용할 수 있다.
그리고, 상기 제조된 페이스트를 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드법, 그라비아 코팅법, 딥 코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법, 슬릿다이 코팅법, 스핀 코팅법, 롤 코팅법 및 전사 코팅법으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용하여 코팅함으로써 스캐터링층(232)을 형성한다.
그리고, 스캐터링층(232)을 형성한 후에 열처리를 수행한다. 열처리 공정은 바인더가 첨가한 경우 400 내지 600℃에서 30분 정도 수행하고, 바인더를 첨가하지 않은 경우에는 200℃ 이하의 온도에서 수행될 수 있다.
다음, 도 2b를 참조하면, 스캐터링층(232) 상에 복수의 촉매 입자(233)를 형성한다.
보다 자세하게, 복수의 촉매 입자(233), 바인더, 기공형성용 고분자 및 용매에 혼합 분산시켜 페이스트를 형성한다. 여기서, 촉매 입자(233)는 백금(Pt), 금(Au), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 탄소(C), 산화티탄(TiO2) 및 전도성 고분자로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있으며, 바인더, 기공형성용 고분자 및 용매는 전술한 반도체 미립자 페이스트와 동일한 물질을 사용할 수 있다.
그리고, 상기 제조된 페이스트를 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드법, 그라비아 코팅법, 딥 코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법, 슬릿다이 코팅법, 스핀 코팅법, 롤 코팅법 및 전사 코팅법으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용하여 코팅함으로써 촉매 입자층을 형성한다.
그리고, 촉매 입자층을 형성한 후에 열처리를 수행하여 복수의 촉매 입자(233)를 형성한다. 열처리 공정은 바인더가 첨가한 경우 400 내지 600℃에서 30분 정도 수행하고, 바인더를 첨가하지 않은 경우에는 200℃ 이하의 온도에서 수행될 수 있다.
다음 도 2c를 참조하면, 이전 공정에서 형성된 반도체 미립자(231)에 염료(234)를 흡착시킨다. 즉, 촉매 입자(233)까지 형성된 제 1 기판(210) 상에 염료(234)를 포함하는 분산액을 분사, 도포 또는 침지액에 침지하여 반도체 미립 자(231)에 염료(234)를 흡착시킨다.
염료(234)의 흡착은 염료(234)를 포함하는 분산액에 반도체 미립자(231)가 형성된 제 1 기판(210)을 침지시킨 후 12 시간 정도 지나면 흡착될 수 있으며, 열을 가해 흡착 시간을 줄일 수도 있다. 여기서, 염료는 전술한 물질을 사용할 수 있으며, 염료를 분산시키는 용매는 아세토나이트릴, 디클로로메탄, 알코올계 용매 등을 사용할 수 있다. 그리고, 염료(234)의 입경이 매우 작아 스캐터링층(232) 사이의 틈으로 빠져나가 반도체 미립자(231)에 흡착될 수 있다.
상기 염료 흡착 공정 이후에 용매 세척 등의 방법으로 세척하여 염료 흡착 공정이 종결될 수 있다.
이어, 도 2d를 참조하면, 제 2 전극(240)을 포함하는 제 2 기판(250)을 형성한다.
보다 자세하게는, 유리 또는 플라스틱으로 이루어진 투명한 제 2 기판(250) 상에 전해도금, 스퍼터링, 전자빔증착 등과 같은 물리기상증착(PVD)법을 이용하여 도전성 물질을 포함하는 도전층을 형성하고 플루오린(F) 원소를 도핑하여 투명 전극(241)을 형성한다.
이어, 투명 전극(241) 상에 알코올과 같은 용매에 용해된 촉매 전구체 용액을 도포한 후, 공기 또는 산소 분위기에서 400℃ 이상의 고온 열처리를 하여 촉매 전극(242)을 형성한다.
다음, 도 2e를 참조하면, 앞서 형성된 제 1 기판(210) 및 제 2 기판(250)을 접합한다. 보다 자세하게는, 열가소성 고분자 필름, 에폭시 수지 또는 자외선 경화 제 등의 접착제를 이용하여 서로 면 접합하여 형성할 수 있다.
그리고, 제 2 기판(250)을 관통하는 미세 홀을 형성하고 이 홀을 통해 양 전극 사이의 공간에 전해질(235)을 주입하여 반도체 미립자(231), 스캐터링층(232), 촉매 입자(233) 및 염료(234)를 포함하는 광흡수층(230)을 완성한다. 이때, 전해질(235)은 전술한 물질을 사용할 수 있다.
마지막으로, 전해질(235)이 주입된 후 제 2 기판(250)에 형성된 홀을 접착제로 밀봉하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 염료 감응 태양전지(200)를 완성한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 개시한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 : 염료 감응 태양전지의 제조
(1) 작업 전극 제작
FTO 글라스(Florine-doped tin oxide coated conduction glass, Pilkington, TEC7)를 1.5㎝×1.5㎝ 크기로 잘라 글라스 세정 세제로 초음파 분해 세척을 10분간 한 후 증류수를 사용하여 비눗물을 완전히 제거하였다. 그 후에 에탄올로 초음파 분해 세척을 15분간 2회 반복하였다. 그 후에 무수 에탄올로 완전히 헹군 후에 100℃ 오븐에서 건조시켰다. 이렇게 준비한 FTO 글라스 위에 TiO2와의 접촉력을 향상시키기 위하여 70℃의 40mM 티타늄(Ⅳ)클로라이드 용액에 40분간 담근 후 증류수로 세정한 후, 100℃오븐에서 수분을 완전히 건조시켰다. 그 후에 CCIC사의 titania(TiO2)paste(18-NR)를 FTO 글라스 위에 스크린 프린터로 9mm×9mm 마스크(200mesh)를 이용하여 코팅하였다. 코팅된 필름을 100℃오븐에서 20분 동안 말린 후 이 과정을 3회 반복하였다. 얻어진 TiO2 필름 위에 CCIC사의 titania(TiO2)paste(400C)를 스크린 프린터를 이용하여 1회 코팅하고, 100℃ 오븐에서 20분 동안 말렸다. 이후에, 450℃로 60분 간 소성함으로써, 약 13㎛ 두께의 TiO2 필름인 스캐터링층을 얻었다. 그 후, 하이드로겐 헥사클로로플래티네이트(H2PtCl6) 2-프로판올(hydrogen hexachloroplatinate (H2PtCl6) 2-propanol) 용액을 TiO2 스캐터링층에 입힌 후 450℃에서 60분간 소성하여 촉매 입자를 형성하였다. 소성 공정이 끝난 TiO2 필름을 0.5mM 농도의 염료(N719)의 무수 에탄올 용액에 24시간 담궈 놓음으로써 염료를 흡착시킬 수 있다. 흡착이 끝난 후에 무수 에탄올로 흡착되지 않은 염료를 완전히 워싱해준 후 히트 건을 이용하여 건조시켰다.
(2) 상대 전극 제작
1.5㎝×1.5㎝ 크기의 FTO 글라스에 Φ0.7mm 다이아몬드 드릴(Dremel multipro395)을 이용해서 전해질이 들어갈 구멍을 두 개 뚫었다. 그 후에 작업 전극에서 제시했던 세척 방법과 동일한 방법으로 세척한 후 건조시켰다. 그 후 하이드로겐 헥사클로로플래티네이트(H2PtCl6) 2-프로판올(hydrogen hexachloroplatinate (H2PtCl6) 2-propanol) 용액을 FTO 글라스에 입힌 후 450℃에서 60분간 소성하였다.
(3) 샌드위치 셀 제작
작업 전극과 상대 전극 사이에 사각형 띠 모양으로 자른 슈린(Surlyn, SX1170-25 Hot Melt)을 놓고 클립과 오븐을 이용하여 두 전극을 서로 붙인 후에 상대 전극에 있는 2개의 작은 구멍을 통해 전해질을 주입한 후, 슈린 스티립과 커버 글라스로 실링하여 샌드위치 셀을 제작하였다. 이때, 전해질 용액으로는 0.1M Lil, 0.05M l2, 0.6M 1-헥실-2,3-디메틸이미드아졸륨 아이오다이드와 0.5M 4-터셔리-부틸피리딘을 3-메톡시프로피오니트릴 용매로하여 제조하였다.
(4) 포토커런트-전압(Photocurrent-voltage) 측정
상기에서 제작한 샌드위치 셀에서 AM 1.5 solar simulating filter를 장착한 Xe 램프(Oriel, 300W Xe arc lamp)로 빛을 조사하여 M236 source measure unit(SMU, Keithley)를 사용하여 전류-전압 곡선을 얻었다. 전위의 범위는 -0.8V에서 0.2V까지이고, 빛의 세기는 100W/㎠으로 하였다.
비교예
전술한 실시예에서 작업 전극에서 수행한 CCIC사의 titania(TiO2)paste(400C)를 스크린 프링팅하여 TiO2 필름인 스캐터링층 및 촉매 입 자를 형성하는 공정을 제외하고, 나머지 공정 조건을 동일하게 하여 도 3의 염료 감응 태양전지를 제조하였다. (도 3은 도 1과 동일한 구성 요소에 대해 동일한 도면 부호로 도시하여 그 설명을 생략한다.)
상기 실시예와 비교예에 따라 제조된 염료 감응 태양전지의 단락 전류 Jsc(short-circuit photocurrent density), 개방 전압 Voc(open circuit voltage), 충밀 계수 FF(fill factor), 광전변환효율(PCE)을 측정하여 하기의 표 1 및 도 4에 나타내었다. 이때, 상기 실험예들 및 비교예는 각각 동일한 조건 하에 2번씩 측정하였다.
# Area(㎠) Jsc(mA) Voc(V) FF(%) PCE(%)
실시예
 1 0.25 13.0015 0.7250 0.6377 6.0113
2 0.25 13.0736 0.7474 0.6172 6.0307
비교예
 1 0.25 11.57382 0.7018 0.6743 5.4782
2 0.25 11.53216 0.7018 0.6740 5.4559
상기 표 1 및 도 4에 나타나는 바와 같이, 본원 발명의 실시예에 따라 제조된 염료 감응 태양전지는 비교예보다 우수한 광전변환효율(PCE)을 나타내는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 염료 감응 태양전지는 스캐터링층 및 촉매 입자를 포함하는 광흡수층을 형성함으로써, 광전변환효율(PCE)이 우수한 이점이 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 염료 감응 태양전지를 나타낸 도면.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시 예에 따른 염료 감응 태양전의 제조방법을 공정별로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 비교예에 따라 제작된 염료 감응 태양전지를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 염료 감응 태양전지의 전류-전압 곡선을 나타낸 그래프.

Claims (9)

  1. 제 1 전극을 포함하는 제 1 기판;
    상기 제 1 기판 상에 위치하는 광흡수층; 및
    상기 광흡수층 상에 위치하며, 제 2 전극을 포함하는 제 2 기판을 포함하며,
    상기 광흡수층은 염료를 포함하는 복수의 반도체 미립자, 상기 복수의 반도체 미립자 상에 위치하는 스캐터링층 및 상기 스캐터링층 상에 위치하는 복수의 촉매 입자를 포함하는 염료 감응 태양전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 촉매 입자는 백금(Pt), 금(Au), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 탄소(C), 산화티탄(TiO2) 및 전도성 고분자로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 염료 감응 태양전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 촉매 입자의 입경은 5 내지 10nm인 염료 감응 태양전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 촉매 입자는 상기 스캐터링층 상에 분산되어 접촉된 염료 감응 태양전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 광흡수층은 전해질을 더 포함하는 염료 감응 태양전지.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 스캐터링층은 복수의 도전성 입자를 포함하는 염료 감응 태양전지.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 도전성 입자는 티탄(Ti), 주석(Sn), 아연(Zn), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 갈륨(Ga), 인듐(In), 이트륨(Yr), 니오브(Nb), 탄탈(Ta), 바나듐(V)으로 이루어진 군에서 선택되는 금속 산화물인 염료 감응 태양전지.
  8. 제 1 기판 상에 제 1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제 1 전극 상에 복수의 반도체 미립자를 형성하고, 상기 복수의 반도체 미립자 상에 스캐터링층을 형성하고, 상기 스캐터링층 상에 복수의 촉매 입자를 형성하고, 상기 복수의 반도체 미립자에 염료를 흡착시켜 광흡수층을 형성하는 단계;
    제 2 기판 상에 제 2 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판을 합착하고, 상기 광흡수층에 전해질을 주입하는 단계를 포함하는 염료 감응 태양전지의 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 복수의 촉매 입자는 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드법, 그라비아 코팅법, 딥 코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법, 슬릿다이 코팅법, 스핀 코팅법, 롤 코팅법 및 전사 코팅법으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 형성하는 염료 감응 태양전지의 제조방법.
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