KR20110132926A - 염료감응 태양전지 및 그의 제조방법 - Google Patents

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KR20110132926A
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Abstract

본 발명은, 소자의 신뢰성이 향상될 수 있는 염료감응 태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 광전영역이 형성되도록 서로 대향하는 제1 기판과 제2 기판; 상기 제1 기판과 제2 기판 사이의 상기 광전영역 외곽에 형성되어, 상기 제1 기판과 제2 기판 사이의 광전영역을 밀봉하고, 상기 제1 기판과 제2 기판을 합착하는 실링층; 상기 제1 기판 상의 상기 광전영역 안에 형성되고, 상기 제1 기판을 통해 상기 광전영역으로 입사된 광에너지를 흡수하여 여기자를 생성하는 염료활성층; 및 상기 염료활성층을 포함한 상기 광전영역 내에, 소정 시간동안 자체적으로 형태를 유지할 수 있을 정도의 점도를 갖고 산화-환원 이온 종을 포함하는 전해질로 형성되는 전해질층을 포함하는 염료감응 태양전지를 제공한다. 이때, 상기 전해질층은, 상기 제1 기판과 제2 기판을 합착하기 위한 압력에 의해, 상기 염료활성층 상의 광전영역 내에 떨어진 방울형태의 전해질이 상기 광전영역 내에 확산되어 형성된다.

Description

염료감응 태양전지 및 그의 제조방법{DYE-SENSITIZED SOLAR CELL and MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 염료감응 태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 소자의 신뢰성이 향상될 수 있는 염료감응 태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
최근들어, 석탄, 석유, 천연가스 등의 화석연료는 고가로 치솟는 추세이고, 이산화탄소 배출로 인한 지구온난화의 주범으로 지목되고 있다. 이러한 이유로, 화석연료를 대체하기 위하여, 풍력에너지, 태양에너지와 같은 친환경 재생에너지 개발을 위한 관심과 노력이 지속되고 있다. 태양에너지는 태양열에 의해 발생된 증기를 이용하여 터빈을 회전시키는 태양열 전지와, 태양광에 의해 발생된 광전효과(Photoelectric effect)를 이용하여 광에너지를 전기에너지로 변환하는 태양광 전지(이하, "태양전지"로 지칭함)로 구분될 수 있다. 이때, 광전효과란, 물질 내의 전자가 광에너지에 의해 들뜬 상태가 되어, 전자-정공쌍(electron hole pairs)이 발생되고, 이때의 전자와 정공이 내부 전기장에 의해 각자 반대방향으로 이동함으로써, 광기전력이 발생되는 현상을 의미한다.
이러한 태양전지는 광에너지를 전기에너지로 변환하는 광전층을 형성하는 물질에 따라, 실리콘 태양전지, CdTe 태양전지(CdTe: Cadmium Telluride, 카드뮴, 텔루라이드 화합물), CIGS/CIS 태양전지(CIGS: Copper-Indium-Gallum-Selenide, 구리-인듐-갈륨-셀레늄 화합물, CIS: Copper-Indium-Selenide), 염료감응 태양전지로 구분된다. 이 중 실리콘 태양전지는 비정질 실리콘(Amorphous Silicon)으로 광전층을 형성한 것으로, 용이하게 취득될 수 있고 인체유해성이 없는 실리콘을 기반으로 하고 있어, 차세대 태양전지로 각광받고 있다. CIGS/CIS 태양전지는 구리, 인듐, (갈륨), 셀레늄 화합물로 광전층을 형성한 것으로, 최근 공급 부족에 따라 가격이 급등한 인듐을 포함하고 있어 생산원가에 의해 수율이 감소되는 문제점이 있다. CdTe 태양전지는 카드뮴, 텔루라이드 화합물로 광전층을 형성한 것으로, 희소 원료이면서 공해를 유발하는 카드뮴을 포함하고 있어 대량생산에 용이하지 않고 공해성을 갖는 문제점이 있다. 마지막으로, 염료감응 태양전지는 나노스케일의 입자 표면에 결합된 염료(DYE) 및 전해질(electrolyte)을 이용하여 광전층을 형성한 것이다.
염료감응 태양전지는 1991년 스위스 국립 로잔 고등기술원의 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 연구팀에 의해 처음 개발되었다. 염료감응 태양전지는 실리콘 태양전지에 비교하여 용이하게 취득될 수 있고 원가의 재료가 낮은 물질로 이루어져서 제조원가가 낮고, 용이하게 유연성을 갖는 구조로 제작될 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 염료감응 태양전지를 나타낸 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 종래의 염료감응 태양전지에 있어서, 주입홀을 통해 광전영역 내에 전해질을 주입하는 과정을 나타낸 공정도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 염료감응 태양전지(10)는, 서로 대향하는 애노드(anode) 기판(11)과 캐소드(cathode) 기판(12), 애노드 기판(11)상의 광전영역(AZ: Active Zone) 내에 형성되는 염료활성층(13), 애노드 기판(11)과 캐소드 기판(12) 사이의 광전영역(AZ) 내에 산화-환원쌍을 포함하는 전해질이 충진되어 형성되는 전해질층(14), 애노드 기판(11)과 캐소드 기판(12)을 합착하는 제1 실링층(15), 캐소드 기판(12)의 일부 영역을 관통하여, 애노드 기판(11)과 캐소드 기판(12) 및 제1 실링층(15)에 의해 밀봉되는 광전영역(AZ)에 전해질이 주입되는 통로로 형성되는 주입홀(16) 및 광전영역(AZ) 내에 충진된 전해질이 주입홀(16)을 통해 누수되는 것을 방지하기 위하여 주입홀(16)을 봉지하는 제2 실링층(17)을 포함한다.
애노드 기판(11)은 광전영역(AZ) 내에서 여기된 전자를 외부 로드로 인가하는 애노드 전극을 포함하고, 캐소드 기판(12)은 외부 로드에서 광전영역(AZ)로 전자를 인가하는 캐소드 전극(12a) 및 캐소드 기판(12) 상에 산화-환원 촉매로 형성되는 가속층(12b)을 포함한다. 가속층(12b)은 외부로드로부터 인가된 전자에 의해 광전영역(AZ)내의 전해질층(14)에서 발생되는 산화-환원 반응의 반응속도를 가속하는 촉매로 형성된다.
그리고, 염료활성층(13)은 표면에 염료(13b)가 흡착되는 나노스케일(nano scale)의 나노입자(13a)가 애노드 기판(11) 상의 광전영역(AZ) 내에 나란히 적층되는 형태로 형성된다.
이와 같이 구성되는 염료감응 태양전지는, 애노드기판(11)과 캐소드기판(12)과 외부 로드(미도시)가 폐회로를 형성한 상태에서, 애노드 기판(11)을 통해 광전영역(AZ)으로 입사된 광에너지에 의해 발생된 여기자에 의해 폐회로에 전류가 발생된다. 이때, 외부로드에서 캐소드기판(12)을 통해 전해질층(14)에 인가되는 전자는 전해질층(14)에 산화-환원 반응을 일으켜서 전자-정공쌍을 형성하고, 이때 전자는 광에너지에 의해 여기자를 생성하면서 산화된 염료와 결합한다. 즉, 염료감응 태양전지는, 광에너지에 의한 염료활성층(13)에서의 여기자 생성, 여기자의 주입에 따른 전류 발생, 외부에서 주입된 전자에 의한 전해질층(14)에서의 산화-환원 반응, 산화-환원반응에 의한 전자와 산화된 염료와 결합의 과정을 반복하면서, 광에너지를 전기에너지로 변환한다.
이러한 종래의 염료감응 태양전지를 제조하는 방법은, 염료활성층(13)과 제1 실링층(15)을 포함하는 애노드 기판(11)을 마련하는 단계, 일부영역을 관통하는 주입홀(16)을 포함하는 캐소드 기판(12)을 마련하는 단계, 애노드 기판(11)과 캐소드 기판(12)을 합착하는 단계, 주입홀(16)을 통해 애노드 기판(11)과 캐소드 기판(12) 사이의 광전영역(AZ) 내에 전해질을 주입하여 전해질층(14)을 형성하는 단계 및 주입홀(16)을 봉지하는 제2 실링층(17)을 형성하는 단계를 포함한다. 즉, 종래의 염료감응 태양전지의 제조방법에 따르면, 캐소드 기판(12)을 관통하는 주입홀(16)을 형성한 후에, 애노드 기판(11)과 캐소드 기판(12)을 합착하고, 주입홀(16)을 통해 광전영역(AZ)내에 전해질을 주입함으로써, 전해질층(14)을 형성한다.
이때, 전해질층(14)의 전해질이 나노입자(13a) 사이로 완전히 확산되지 못하면, 일부 산화된 염료(13b)는 전자와 결합될 수 없으므로, 광전변환 효율이 낮아지는 원인이 되며, 소자의 신뢰도 및 소자 특성의 균일도가 낮아지는 원인이 된다.
이에 따라, 전해질을 광전영역(AZ) 내에 완전히 확산시키기 위하여, 도 2에 도시된 바와 같이, 두 개의 주입홀(16) 중 하나를 통해 광전영역(AZ) 내부에 존재하는 물질을 배출하면서, 나머지 다른 하나를 통해 전해질을 주입한다. 또는, 주입홀(16)이 한 개인 경우에는, 미리 광전영역(AZ) 내부를 진공 상태에 가깝도록 형성한 후, 전해질을 주입한다.
또한, 광전영역(AZ)내에 전해질이 완전히 확산된 형태로 전해질층(14)을 형성하기 위하여, 종래의 염료감응 태양전지는 점성이 낮은 액상 타입의 전해질로 이루어진 전해질층(14)을 포함하는 것이 일반적이다. 그런데, 액상 타입의 전해질은 주입시에 용이하게 확산되는 장점이 있는 반면, 휘발성이 높은 유기용매를 포함하여, 광에너지에 의해 휘발되어 쉽게 누출될 수 있는 단점과, 점성이 낮아 자체적으로 형태를 유지하지 못하므로 기계적 물성이 약한 단점이 있다.
또한, 액상 타입의 전해질은 자체적으로 형태를 유지할 수 없어, 주입방식에 의해서만 광전영역(AZ) 내에 형성될 수 있으므로, 종래의 염료감응 태양전지는, 도 1에 도시된 바와 같이, 광전영역(AZ) 내에 액상 타입의 전해질을 주입하기 위한 주입홀(16)을 포함해야 한다. 이때, 주입홀(16)은 제2 실링층(17)에 의해 봉지되긴 하지만, 높은 휘발성과 낮은 점도를 갖는 액상 타입의 전해질의 누출이 제2 실링층(17)에 의해 완벽히 방지되는 것은 사실상 어려우므로, 주입홀(16)을 통해 전해질이 누출될 수 있는 단점이 있다.
이상과 같이, 종래의 염료감응 태양전지는, 점도가 낮은 액상 타입의 전해질로 형성되는 전해질층(14)을 포함하여, 전해질이 염료활성층(13)을 포함한 광전영역(AZ) 전체에 확산될 수 있는 반면, 낮은 점도를 갖는 액상 타입의 전해질을 광전영역(AZ) 내에 주입하기 위한 주입홀(16)을 포함하여, 광전영역(AZ)이 외부로부터 완벽히 밀폐되기 어렵고, 액상 타입의 전해질이 광에너지에 의해 쉽게 휘발될 수 있어, 소자의 수명, 신뢰도 및 소자 특성 균일도 등이 낮아지는 문제점이 있다.
이에 따라, 본 발명은, 점도가 높은 이온성 액체 전해질 또는 고분자 전해질로 형성되는 전해질층을 포함함으로써, 용매의 휘발로 인한 전해질의 누액을 방지할 수 있고, 주입 방식으로 전해질층이 형성될 필요가 없어 주입홀이 불필요하므로, 용매의 휘발 및 전해질을 주입하는 주입홀 등에 의해 전해질이 누수되는 것을 방지할 수 있어, 소자의 수명, 신뢰도 및 소자 특성의 균일도가 향상될 수 있는 염료감응 태양전지 및 그의 제조방법을 제공한다.
이와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은, 광전영역이 형성되도록 서로 대향하는 제1 기판과 제2 기판; 상기 제1 기판과 제2 기판 사이의 상기 광전영역 외곽에 형성되어, 상기 제1 기판과 제2 기판 사이의 광전영역을 밀봉하고, 상기 제1 기판과 제2 기판을 합착하는 실링층; 상기 제1 기판 상의 상기 광전영역 안에 형성되고, 상기 제1 기판을 통해 상기 광전영역으로 입사된 광에너지를 흡수하여 여기자를 생성하는 염료활성층; 및 상기 염료활성층을 포함한 상기 광전영역 내에, 소정 시간동안 자체적으로 형태를 유지할 수 있을 정도의 점도를 갖고 산화-환원 이온 종을 포함하는 전해질로 형성되는 전해질층을 포함하는 염료감응 태양전지를 제공한다. 이때, 상기 전해질층은, 상기 제1 기판과 제2 기판을 합착하기 위한 압력에 의해, 상기 염료활성층 상의 광전영역 내에 떨어진 방울형태의 전해질이 상기 광전영역 내에 확산되어 형성된다.
그리고, 본 발명은 제1 기판과 제2 기판을 각각 형성하는 단계; 상기 제1 기판 상의 광전영역 내에, 상기 제1 기판을 통해 상기 광전영역으로 입사된 광에너지를 흡수하여 여기자를 생성하는 염료활성층을 형성하는 단계; 상기 제1 기판의 광전영역 외곽에, 실링층을 형성하는 단계; 상기 염료활성층 상의 광전영역 내에, 산화-환원 이온 종을 포함하고, 소정 시간동안 자체적으로 형태를 유지할 수 있을 정도의 점도를 갖는 전해질을 방울 형태로 떨어뜨리는 단계; 및 상기 실링층을 이용하여 상기 제1 기판과 제2 기판을 합착하는 단계를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법을 제공한다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는, 소정 시간동안 자체적으로 형태를 유지할 수 있을 정도로 높은 점도를 갖는 전해질을 방울형태로 광전영역에 투하한 후, 제1 기판과 제2 기판을 합착하는 힘에 의해 방울 형태의 전해질이 광전영역에 확산되어 형성되는 전해질층을 포함한다. 이에 따라, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는, 종래와 같이, 전해질을 주입하기 위한 주입홀 및 주입홀을 봉지하는 별도의 실링층을 포함할 필요가 없으므로, 전해질의 누수가 원천적으로 방지되어, 전해질의 누수에 따른 소자의 신뢰도 저하, 소자의 수명 감소, 소자 특성의 균일도 하락 등이 방지될 수 있다. 또한, 전해질층은 소정의 압력을 받아 전해질이 광전영역에 확산되어 형성되므로, 점도가 높은 전해질로 이루어지더라도, 계면특성이 향상될 수 있어, 광전변환 효율이 향상될 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 염료감응 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 종래의 염료감응 태양전지에 있어서, 주입홀을 통해 광전영역 내에 전해질을 주입하는 과정을 나타낸 공정도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지와 종래의 염료감응 태양전지의 전기적특성을 비교한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 제조하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6a 내지 도 6f는 도 5에 도시된 염료감응 태양전지의 제조방법에 있어서, 각 과정을 나타낸 공정도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지 및 그 제조방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도 3을 참고하여, 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 나타낸 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지(100)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 광전영역(AZ)이 형성되도록 서로 대향하는 애노드(anode)기판(110)과 캐소드(cathod)기판(120), 애노드기판(110) 상의 광전영역(AZ) 안에 형성되고, 애노드기판(110)을 통해 광전영역(AZ) 내로 입사된 광에너지를 흡수하여 여기자(exciton, "여기된 전자"로도 지칭함)를 생성하는 염료활성층(130), 염료활성층(130)을 포함한 광전영역(AZ) 내에 형성되는 전해질층(140), 애노드기판(110)과 캐소드기판(120) 사이의 광전영역(AZ) 외곽에 형성되어, 애노드기판(110)과 캐소드기판(120) 사이의 광전영역(AZ)을 밀봉하고, 애노드기판(110)과 캐소드기판(120)을 합착하는 실링층(150)을 포함한다.
애노드기판(110)은 외부에서 광전영역(AZ) 안으로 입사되는 광(이하, "외부광"으로 지칭함)을 투과하고, 광에너지에 의해 염료활성층(130)에서 생성된 여기자(exciton)를 외부 로드로 인가하는 애노드전극(110)을 포함한다. 여기서, 애노드전극(110)은, 외부광이 저손실로 투과되어 광전영역 측에 입사될 수 있도록 투과성을 갖고, 광에너지에 의해 여기된 전자가 소정 시간 이상 유지될 수 있고 여기된 전자가 인가될 수 있도록 도전성을 가지며, 전자의 소실을 최소화하도록 낮은 저항을 갖고, 애노드전극(110) 상의 광전영역(130) 내에 코팅되어 형성되는 나노입자(131, 차후에 설명함)가 용이하게 접착될 수 있도록, 적절한 헤이즈(haze)를 포함하며, 전해질층(140, 차후에 설명함)을 형성하는 전해질에 의해 산화되지 않도록 내산성을 갖는 물질로 형성된다.
애노드기판(110)은 애노드전극(110)만을 포함하여 이루어질 수 있다. 또는, 별도로 도시하진 않았으나, 애노드기판(110)은 애노드전극(110)이 그 자체만으로 형태유지에 충분한 정도의 강성 및 내열성을 갖지 못하는 경우, 투과성과 절연성을 갖는 물질로 형성되어 애노드전극을 지지하는 제1 지지기판을 더 포함하여 이루어질 수 있다.
캐소드기판(120)은 외부로드로부터 전자를 인가받아 광전영역(AZ)으로 인가하는 캐소드전극(121) 및 외부 로드로부터 인가된 전자에 의하여 전해질층(140)에서 발생되는 산화-환원 반응을 촉진하는 가속층(122)을 포함한다. 여기서, 캐소드전극(121)은 외부 로드로부터 인가된 전자를 광전영역(130)으로 인가하고 외부로부터 인가된 전자가 소정 시간 이상 유지될 수 있도록 도전성을 갖고, 전자의 소실을 최소화하도록 낮은 저항을 가지며, 전해질에 의한 산화가 방지될 수 있도록 내산성을 갖는 물질로 형성된다. 그리고, 가속층(122)은, 백금(Pt)과 같이, 전해질로 인한 부식이 방지되도록 강한 내산성을 갖는 산화-환원반응 촉매(catalyst)로 형성된다.
캐소드기판(120)은 캐소드전극(121)과 가속층(122)만을 포함하여 이루어질 수 있다. 또는, 별도로 도시되진 않았으나, 캐소드기판(120)은 캐소드전극(121)이 그 자체만으로 형태유지에 충분한 정도의 강성 및 내열성을 갖지 못하는 경우에 투과성과 절연성을 갖는 물질로 형성되어 캐소드전극을 지지하는 제2 지지기판을 더 포함하여 이루어질 수 있다.
한편, 애노드전극(110)과 캐소드전극(121)은 도전성 및 내산성을 갖는 물질로 형성되는데, 예를들어, 불소(F: Fluorine)가 도핑된 주석산화물(SnO2)(F-doped SnO2: FTO), 주석(Tin, Sn)이 도핑된 인듐산화물(In2O3)(ITO) 및 아연산화물(ZnO) 중 하나로 각각 형성될 수 있다.
염료활성층(130)은 애노드기판(110) 상의 광전영역(AZ) 안에 코팅되어 형성되고, 나노스케일(nano scale)의 산화물로 형성되는 나노입자(131) 및 나노입자(131)의 표면에 흡착되는 염료(132, DYE)를 포함한다. 즉, 염료활성층(130)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 염료(132)가 흡착된 나노입자(131)가 애노드기판(110) 상에 나란히 적층되어 형성된다.
나노입자(131)는 밴드갭(band-gap)에너지가 크고 나노스케일의 산화물로 형성된다. 이때, 나노입자(131)는 주로 실리콘산화물(SiO2) 또는 주석산화물(SnO2) 또는 카본블랙(carbon black)보다 도전성이 더 높고, 전자의 유지시간이 더 긴 장점이 있는 것으로 알려져 있는 티타늄산화물(TiO2)로 형성된다. 또한, 나노입자(131)는 10 내지 20㎚의 직경으로 형성된다. 이는, 나노입자(131)가 20㎚ 초과의 직경을 갖는 경우, 나노입자(131)의 염료흡착량이 감소되어, 광에너지에 의해 여기될 수 있는 전자의 개수가 감소되는 단점이 있고, 이와 반대로, 나노입자(131)가 15㎚ 미만의 직경을 갖는 경우, 나노입자(131)의 염료흡착량이 증가하여, 여기될 수 있는 전자의 개수는 증가되지만, 표면상태 수가 증가하여 여기된 전자(excited electron)가 재결합될 수 있는 염료(132)의 정공(hole)이 증가되는 단점이 있어, 두 경우 모두 광전변환 효율이 감소되기 때문이다. 이 뿐만 아니라, 나노입자(131)는 여기자가 애노드전극(110)으로 이동되는 경로를 제공하고, 나노입자(131)의 크기에 따라 전자를 제공하는 염료 흡착율이 달라지므로, 나노입자(131)의 형태, 배치 및 크기 등은 광전변환 효율에 영향을 미치는 변수가 된다.
염료(132)는 가시광선 영역의 광에 반응하여 여기된 전자를 생성하고, 나노입자(131)와 화학적으로 견고하게 결합될 수 있으며, 열적 및 광학적으로 안정적인 물질로 형성된다. 즉, 염료(132)는 비교적 작은 밴드갭 에너지를 갖는 물질로 이루어져서, 염료(132) 자체의 밴드갭 에너지(Eg)를 극복할 수 있을 정도의 광에너지를 흡수하면, 가전자대(valence band)의 전자를 여기상태로 전환하고, 여기된 전자가 전자 전도대(conduction band)로 천이한다. 이때, 여기된 전자는 나노입자(131)의 표면을 이동경로로 하여, 애노드기판(110)으로 이동하고, 애노드기판(110)을 통해 외부로드로 이동한다. 이러한 염료(132)는 루테늄계 유기금속화합물, 유기화합물, InP(Indium Phospide, 인듐인), CdSe(Cadmium selenide, 셀레늄화카드뮴) 중 하나로 형성되고, 주로 루테늄계 유기금속화합물(N719, cis-di(thiocyanato)-bis(2,2'-bipyridyl-4-carboxylate-4'-carboxylic acid)-ruthenium(II))로 형성된다.
이러한 염료활성층(130)은, 애노드전극(110) 상의 광전영역 내에 나노입자(131)을 코팅하고, 염료(132) 용액에 담가 나노입자(131)에 염료(132)를 흡착한 후, 건조됨으로써, 형성된다.
전해질층(140)은, 염료활성층(130)을 포함한 광전영역(AZ) 내에, 소정 시간동안 자체적으로 형태를 유지할 수 있을 정도의 점도를 갖고 산화-환원 이온 종을 포함하는 전해질로 형성된다. 즉, 전해질층(140)은 산화-환원 이온 종을 포함하는 전해질로 형성되어, 외부로드로부터 캐소드전극(121)을 통해 인가된 전자에 반응하여 산화-환원 반응을 일으켜서, 전자를 생성하고, 이와 같이 전해질층(140)에서 생성된 전자는, 광에너지에 의해 여기된 전자를 생성하면서 산화된 염료(132)의 정공(hole)과 결합한다. 그리고, 전해질층(140)을 형성하는 전해질은 소정 시간동안 자체적으로 형태를 유지할 수 있을 정도의 점도, 즉, 섭씨 20도의 온도분위기에서 10cP(centi-Poise, 1cP=0.01g/㎝·s) 이상의 점도를 갖는다. 이에 따라, 전해질층(140)은, 애노드기판(110)과 캐소드기판(120)을 합착하기 위한 압력에 의해, 염료활성층(130) 상의 광전영역(AZ) 내에 떨어진 방울 형태의 전해질이 광전영역(AZ) 내에 충진되도록 확산됨으로써, 형성될 수 있다. 즉, 전해질이 소정 시간동안 자체적으로 형태를 유지할 수 있을 정도의 점도를 가지므로, 애노드기판(110)과 캐소드기판(120)이 합착되기 전까지, 염료활성층(130) 상에 떨어진 방울 형태를 그대로 유지할 수 있어, 실링층(150)을 넘어서 광전영역(AZ) 외곽으로 전해질이 빠져나가서 광전영역(AZ)에서 전해질이 충진되지 않는 영역이 발생되는 것이 방지될 수 있다. 이때, 광전영역(AZ) 내에 떨어지는 방울 형태의 전해질은 광전영역(AZ)에 대응하는 부피를 갖는다.
또한, 전해질층(140)은, 높은 전기화학적 안정성(high electrochemical stability), 높은 자외선 안정성(high UV stability), 높은 열적 안정성(high thermal stability), 낮은 증기압(low vapour pressure) 및 낮은 유독성(low toxicity)를 갖는 전해질로 이루어지는 것이 바람직하다. 이는, 염료감응 태양전지가 광에너지를 흡수하여 전기에너지로 변환하는 동안, 전해질층(140)이 염료활성층(130) 또는 애노드전극(110) 또는 캐소드전극(120)과 전기적으로 또는 화학적으로 반응하여 특성이 변동하거나, 광에너지에 포함된 자외선에 의해 특성이 변동하거나, 태양광에 포함된 열 또는 구동시에 발생되는 고온의 열에 의해 특성이 변동하는 전해질로 형성되면, 소자의 신뢰도가 낮아지기 때문이다. 또한, 전해질층(140)을 형성하는 전해질이 높은 증기압을 갖는다면, 광전영역(AZ) 내에 소정의 증기압이 발생되어, 실링층(150)이 손상될 우려가 있으므로, 소자의 수명이 낮아질 수 있고, 높은 유독성을 갖는다면, 사용자 또는 환경에 유해하여 활용도가 낮아지기 때문이다.
이러한 전해질층(140)을 형성하는 전해질은 이온성 액체(ionic liquid) 전해질 및 고분자 전해질 중 하나로 선택된다.
이온성 액체 전해질은 이온의 결합으로 이루어지는 전해질로써, 특정 양이온 또는 음이온의 선택에 따라 격자의 대칭(symmetry)구조가 파괴되어, 섭씨 100도 이하에서의 상온에서도 액상으로 존재할 수 있다. 또한, 이온성 액체 전해질은, 이온으로 구성되어 있으므로, 이온전도도가 높고, 열적 안정성 및 전기화학적 안정성이 높으며, 유기용매와 같이 분자성 용매를 함유하지 않기 때문에, 휘발성이 없는 장점이 있다.
아래의 표 1은 일반적인 이온성 액체 전해질의 특성을 나타내는 표이다.
Figure pat00001
특히, 전해질층(140)은, 이온성 액체 전해질 중에서, 이미다졸리움 염(immidazolium salt)으로 선택될 수 있다. 아래의 화학식 1은 이미다졸리움 염(immidazolium salt)의 구조를 나타낸 것이다.
Figure pat00002
고분자 전해질은, 낮은 유리전이 온도를 갖고 극성그룹을 포함하는 고분자(macromolecule)를 기본 골격으로 하고, 산화-환원 쌍의 첨가제를 포함한다.
고분자는 폴리에틸렌옥사이드(poly ethylene oxide), 폴리프로필렌옥사이드(poly propylene oxide), 폴리메타크릴산염(poly methacrylate)계열, 폴리비닐이미다졸(poly vinyl imidazole)유도체, 폴리아크릴로니트릴(poly acrylonitrile) 중 하나로 선택되고, 첨가제는 요오드분자(I2), 리튬요오드화물(LiI), 칼륨요오드화물(KI), 피리딘(pyridine)유도체, 이미다졸리움(imidazolium)유도체 중 하나로 선택될 수 있다.
아래의 화학식 2 내지 화학식 6은 상기 고분자의 구조를 나타낸 것으로써, 화학식 2는 폴리에틸렌옥사이드(poly ethylene oxide)의 구조를 나타내고, 화학식 3은 폴리프로필렌옥사이드(poly propylene oxide)의 구조를 나타내며, 화학식 4는 폴리메타크릴산염(poly methacrylate)계열의 구조를 나타내고, 화학식 5는 폴리비닐이미다졸(poly vinyl imidazole)유도체의 구조를 나타내고, 화학식 6은 폴리아크릴로니트릴(poly acrylonitrile)의 구조를 나타낸다.
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
Figure pat00007
그리고, 고분자 전해질은 가소제(plasticizer)를 더 포함하여 겔(gel) 형태를 가질 수도 있다. 이때, 가소제는 에틸렌탄산염(ethylene carbonate), 프로필렌탄산염(propylene carbonate), γ-부티로락톤(butyrolactone), 디메틸포름아미드(dimethyl formamide), 디메틸술폭시드(dimethyl sulfoxide) 중 하나의 유기용매로 선택된다.
실링층(150)은 애노드기판(110)과 캐소드기판(120)을 합착하기 위한 점착물질로 이루어진다. 이러한 실링층(150)은, 애노드기판(110)과 캐소드기판(120) 사이의 광전영역(AZ)의 외곽에 형성되어, 애노드기판(110)과 캐소드기판(120)을 합착할 뿐만 아니라, 광전영역(AZ)을 밀봉한다. 이때, 실링층(150)은 스페이서로써, 애노드기판(110)과 캐소드기판(120) 사이의 소정 간격을 유지한다.
그리고, 실링층(150)은, 애노드기판(110)과 캐소드기판(120)이 합착되기 전에, 애노드기판(110) 또는 캐소드기판(120) 상의 광전영역(AZ) 외곽에 형성된다. 이때, 실링층(150)이 애노드기판(110) 상의 광전영역(AZ) 외곽에 형성되는 경우, 실링층(150)은 방울 형태의 전해질에 대한 장벽으로써, 염료활성층(130) 상의 광전영역(AZ) 내에 떨어진 방울 형태의 전해질이 광전영역(AZ)의 외곽으로 퍼지는 것을 방지한다.
또한, 실링층(150)은, 장벽 및 스페이서의 역할에 맞추어, 비교적 높은 온도에서 고체 형태를 유지하는 점착물질로 형성되는 것이 바람직하며, 특히, 애노드기판(110)과 캐소드기판(120)을 합착하기 위한 온도 분위기에서도 고체형태를 그대로 유지할 수 있도록 애노드기판(110)과 캐소드기판(120)을 합착하기 위한 온도보다 높은 녹는 점을 갖는 점착물질로 형성되는 것이 바람직하다.
이러한 실링층(150)은 필름형태로 이루어진 열가소성수지(대표적으로, 듀퐁사에서 제조되는 설린(Surlyn)이 있음)로 형성될 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지(100)는, 소정 시간동안 자체적으로 형태를 유지할 수 있을 정도로 높은 점도를 갖는 전해질이 방울 형태로 염료활성층(130) 상의 광전영역(AZ) 내에 떨어지고, 방울 형태의 전해질이 애노드기판(110)과 캐소드기판(120)을 합착하기 위한 압력에 의해 광전영역(AZ) 전체에 확산되어 형성되는 전해질층(140)을 포함한다. 이에 따라, 액체 전해질을 주입홀을 통해 광전영역(AZ) 내에 주입해야 하는 종래기술과 달리, 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지(100)는 주입홀 및 주입홀을 봉지하는 별도의 실링층을 필요로 하지 않으므로, 주입홀에 의해 전해질이 누수되는 것이 원천적으로 방지된다. 또한, 휘발성이 높은 유기용매를 포함하는 액체전해질을 이용하여 전해질층을 형성하는 종래기술과 달리, 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지(100)는 휘발성이 높은 유기용매 없이도, 상온에서 액체상태를 유지하는 이온성 액체 전해질 또는 고분자 전해질을 이용하여 전해질층(140)을 형성하므로, 유기용매의 휘발에 따른 전해질의 누수가 원천적으로 방지된다.
이뿐만 아니라, 점도가 높은 이온성 액체 전해질 또는 고분자 전해질은 광전영역(AZ) 내에 떨어진 방울 형태를 소정 시간동안 유지할 수 있어, 광전영역(AZ)이 실링층(150)에 의해 밀봉되기 전에, 전해질이 광전영역(AZ) 밖으로 퍼지는 것이 방지될 수 있다. 또한, 애노드기판(110)과 캐소드기판(120)을 합착하기 위한 압력에 의해, 방울 형태로 떨어진 전해질이 광전영역(AZ) 전체에 고르게 확산될 수 있으므로, 점도가 높은 이온성 액체 전해질 또는 고분자 전해질을 이용하면서도, 전해질층(140)이 전극(110, 120) 및 염료활성층(130)과 넓게 접촉할 수 있다. 즉, 전해질층(140)의 계면특성이 향상되어, 전해질층(140)에서 생성된 전자의 이동범위가 확장될 수 있고, 이에, 산화된 염료(132)의 정공과 전자의 결합이 효율적으로 이루어질 수 있으므로, 광전변환 효율이 향상될 수 있다.
이하에서는, 표 2 및 도 4를 참고하여, 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 광전변환 효율이 종래기술보다 향상되는 것에 대해 실험한 결과를 설명한다.
아래의 표 2는 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지와 종래의 염료감응 태양전지의 전기적 특성을 비교한 표이다. 그리고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지와 종래의 염료감응 태양전지의 전기적 특성을 비교한 그래프이다.
Figure pat00008
표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지는, 최대 11.12 ㎃/㎠, 평균 9.94 ㎃/㎠의 광전류를 나타내고, 최대 0.58V, 평균 0.54V의 광전압을 나타내어, 최대 0.65, 평균 0.62의 충전계수(Fill-Factor)를 갖고, 이에 따라, 최대 4.18%, 평균 3.37%의 광전변환 효율을 갖는다. 반면, 종래기술에 따른 염료감응 태양전지는, 최대 8.12 ㎃/㎠, 평균 6.42 ㎃/㎠의 광전류를 나타내고, 최대 및 평균 0.54V의 광전압을 나타내어, 최대 0.59, 평균 0.56의 충전계수(Fill-Factor)를 갖고, 이에 따라, 최대 2.57%, 평균 1.97%의 광전변환 효율을 갖는다.
또한, 도 4는, 종래기술과 본 발명의 실시예에 있어서, 광전류에 대한 광전압의 그래프를 각각 나타낸 것으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 그래프가 종래기술에 따른 그래프보다 상위에 형성되는 것을 볼 수 있다.
이상과 같이, 종래기술과 본 발명의 실시예를 비교해보면, 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지(100)는, 종래의 염료감응 태양전지보다, 향상된 전기적 특성을 갖는 것을 알 수 있다. 이는, 앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 애노드기판(110)과 캐소드기판(120)이 합착되기 위한 압력에 의해, 전해질이 광전영역(AZ)에 넓게 확산될 수 있어, 전해질층(140)의 계면특성이 향상되기 때문이다.
다음, 도 5 및 도 6a 내지 도 6f를 참고하여, 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 제조하는 방법에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 제조하는 방법을 나타낸 순서도이고, 도 6a 내지 도 6f는 도 5에 도시된 염료감응 태양전지의 제조방법에 있어서, 각 과정을 나타낸 공정도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법은, 애노드기판(110)을 형성하는 단계(S100), 캐소드기판(120)을 형성하는 단계(S120), 애노드기판(110) 상의 광전영역(AZ) 안에 염료활성층(130)을 형성하는 단계(S130), 애노드기판(110) 상의 광전영역(AZ) 외곽에 실링층(150)을 형성하는 단계(S140), 염료활성층(130) 상의 광전영역(AZ) 안에 소정 시간동안 자체적으로 형태를 유지할 수 있을 정도의 점도를 갖고 산화-환원 이온 종을 포함하는 전해질을 방울 형태로 투하(drop)하는 단계(S150) 및 실링층(150)을 이용하여 애노드기판(110)과 캐소드기판(120)을 합착하는 단계(S160)를 포함한다.
애노드기판(110)을 형성하는 단계(S100)에서, 투과성, 도전성 및 내산성을 갖고, 염료활성층(130)에서 생성된 여기자를 외부로드로 인가하는 애노드전극(110)을 형성한다. 이때, 애노드전극(110)은 제1 지지기판(미도시) 위에 코팅되어 형성될 수도 있다.
캐소드기판(120)을 형성하는 단계(S120)는, 도전성 및 내산성을 갖고 전해질층(140)에 전자를 인가하는 캐소드전극(121)을 형성하는 단계와 캐소드전극(121) 상에, 내산성을 갖고, 캐소드전극(121)을 통해 외부로드로부터 인가된 전자에 의해 전해질층(140)에서 발생되는 산화-환원 반응을 촉진하는 촉매제로 가속층(122)을 형성하는 단계를 포함한다. 이때, 캐소드 전극(121)과 가속층(122)은 제2 지지기판(미도시) 위에 순차적으로 적층되어 형성될 수도 있다.
그리고, 애노드전극(110)과 캐소드전극(121)을 형성하는 도전성물질은 불소(F: Fluorine)가 도핑된 주석산화물(SnO2)(F-doped SnO2: FTO), 주석(Tin, Sn)이 도핑된 인듐산화물(In2O3)(ITO) 및 아연산화물(ZnO) 중 하나로 선택될 수 있다.
염료활성층(130)을 형성하는 단계(S130)는, 애노드기판(110) 상의 광전영역(AZ)을 나노스케일(nano scale)의 산화물로 이루어진 나노입자(131)로 코팅하는 단계와, 나노입자(131)의 표면에 염료(132)를 흡착하는 단계를 포함한다. 이때, 애노드기판(110) 상의 광전영역(AZ)을 나노입자(131)로 코팅하는 단계에서, 도 6a에 도시된 바와 같이, 애노드기판(110) 상의 광전영역(AZ)에 대응하는 부분에, 나노입자용액(131)을 코팅, 건조하여, 나노입자(131)를 적층시킨다. 그리고, 나노입자(131)의 표면에 염료(132)를 흡착하는 단계에서, 도 6b에 도시된 바와 같이, 애노드기판(110) 상에 코팅된 나노입자(131)를 염료용액에 담가서, 나노입자(131)의 표면에 염료(132)를 흡착시킨다.
애노드기판(110) 상의 광전영역(AZ) 외곽에 실링층(150)을 형성하는 단계(S140)에서, 도 6c에 도시된 바와 같이, 염료활성층(130)이 형성되지 않은 애노드기판(110) 상의 광전영역(AZ) 외곽 부분에, 고체형의 점착물질을 부착하여, 실링층(150)을 형성한다. 다만, 별도로 도시하지 않았으나, 실링층(150)은 애노드기판(110)이 아닌 캐소드기판(120) 상의 광전영역(AZ) 외곽에 형성될 수도 있다.
염료활성층(130) 상의 광전영역(AZ) 안에 전해질을 방울 형태로 투하(drop)하는 단계(S150)에서, 도 6d에 도시된 바와 같이, 전해질을 저장하는 디스펜서(200, dispenser)는, 애노드기판(110) 상의 광전영역(AZ) 내에 형성된 염료활성층(130) 위에 방울 형태의 전해질(210)을 떨어뜨린다. 이에, 도 6e에 도시된 바와 같이, 염료활성층(130) 상에 응집된 형태의 전해질(210)이 형성된다. 이때, 전해질(210)은 소정 시간동안 자체적으로 형태를 유지할 수 있을 정도의 점도에 의해 응집된 형태를 유지할 수 있고, 실링층(150)에 의해 막혀서 광전영역(AZ) 외곽으로 퍼지지 않게 된다. 이에 따라 광전영역(AZ)이 밀봉되기 전에, 전해질이 광전영역(AZ) 밖으로 누출되는 것이 방지될 수 있다.
실링층(150)을 이용하여 애노드기판(110)과 캐소드기판(120)을 합착하는 단계(S160)에서, 도 6e에 도시된 바와 같이, 애노드기판(110)과 캐소드기판(120) 사이에 염료활성층(130), 방울 형태의 전해질(210) 및 실링층(150)이 위치하도록, 애노드기판(110)과 캐소드기판(120)을 정렬한 후, 도 6f에 도시된 바와 같이, 애노드기판(110)과 캐소드기판(120)을 서로 마주보는 방향으로 눌러서 합착시킨다. 여기서, 애노드기판(110)과 캐소드기판(120)의 합착은, 실링층(150)이 점착성을 갖도록 하는 온도 이상, 전해질(210)이 변질되는 온도 미만의 범위에 해당되는 온도 분위기에서, 실링층(150)이 점착성을 갖도록 하는 압력 이상, 애노드기판(110) 또는 캐소드기판(120)이 파손되는 압력 미만에 해당되는 힘을 애노드기판(110)과 캐소드기판(120)이 마주하는 방향으로 가하여 실시된다.
이때, 애노드기판(110)과 캐소드기판(120)이 마주하는 방향으로 가해지는 힘에 의하여, 염료활성층(130) 상의 광전영역(AZ) 안에 떨어진 방울 형태의 전해질(210)이 광전영역(AZ) 전체에 확산되어, 광전영역(AZ) 내에 충진되는 전해질층(140)이 형성된다. 즉, 애노드기판(110)과 캐소드기판(120)이 합착되면서, 광전영역(AZ)이 밀봉되고, 이때, 광전영역(AZ) 안의 방울 형태를 갖는 전해질(210)이 광전영역(AZ)에서 확산되어, 광전영역(AZ)에 충진됨으로써, 전해질층(140)이 형성된다.
이상과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법은, 높은 점도를 갖는 전해질(210)을 방울 형태로 광전영역(AZ) 내에 떨어뜨린 후, 애노드기판(110)과 캐소드기판(120)을 합착하는 힘에 의해 전해질(210)이 광전영역(AZ)에 확산되어, 전해질층(140)을 형성한다. 이에 따라, 주입홀을 통해 전해질을 주입하여 전해질층을 형성한 종래기술과는 달리, 본 발명의 실시예에 따르면, 주입홀을 형성하는 과정, 주입홀을 봉지하는 과정과 같이, 주입홀에 관한 복잡한 과정을 배제할 수 있다. 그러므로, 제조과정이 줄어들어, 제조시간이 단축될 수 있고, 수율이 향상될 수 있다.
또한, 광전영역(AZ)의 부피에 맞추어 염료활성층(130) 상에 떨어뜨릴 전해질 양을 조절할 수 있으므로, 제조공정 중에 전해질이 불필요하게 낭비되는 것을 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다.
100: 염료감응 태양전지 110: 제1 기판(애노드 기판)
120: 제2 기판(캐소드 기판) 121: 캐소드 전극
122: 가속층 AZ: 광전영역
130: 염료활성층 131: 나노입자
132: 염료 140: 전해질층
150: 실링층

Claims (23)

  1. 광전영역이 형성되도록 서로 대향하는 제1 기판과 제2 기판;
    상기 제1 기판과 제2 기판 사이의 상기 광전영역 외곽에 형성되어, 상기 제1 기판과 제2 기판 사이의 광전영역을 밀봉하고, 상기 제1 기판과 제2 기판을 합착하는 실링층;
    상기 제1 기판 상의 상기 광전영역 안에 형성되고, 상기 제1 기판을 통해 상기 광전영역으로 입사된 광에너지를 흡수하여 여기자를 생성하는 염료활성층; 및
    상기 염료활성층을 포함한 상기 광전영역 내에, 소정 시간동안 자체적으로 형태를 유지할 수 있을 정도의 점도를 갖고 산화-환원 이온 종을 포함하는 전해질로 형성되는 전해질층을 포함하고,
    상기 전해질층은, 상기 제1 기판과 제2 기판을 합착하기 위한 압력에 의해, 상기 염료활성층 상의 광전영역 내에 떨어진 방울형태의 전해질이 상기 광전영역 내에 확산되어 형성되는 염료감응 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전해질층은, 섭씨 20도의 온도분위기에서 10cP 이상의 점도를 갖는 전해질로 형성되는 염료감응 태양전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전해질층은, 격자구조를 벗어난 음이온과 양이온으로 이루어져서, 섭씨100도 이하에서 액체 상태를 유지하는 이온성 액체 전해질로 형성되는 염료감응 태양전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전해질층은 이미다졸리움 염(Immidazolium salt)으로 형성되는 염료감응 태양전지.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 전해질층은,
    낮은 유리전이 온도를 갖고 극성그룹을 포함하는 고분자와, 산화-환원 쌍의 첨가제를 포함하는 고분자 전해질로 형성되는 염료감응 태양전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 고분자는, 폴리에틸렌옥사이드(poly ethylene oxide), 폴리프로필렌옥사이드(poly propylene oxide), 폴리메타크릴산염(poly methacrylate)계열, 폴리비닐이미다졸(poly vinyl imidazole)유도체, 폴리아크릴로니트릴(poly acrylonitrile) 중 하나이고,
    상기 첨가제는, 요오드분자(I2), 리튬요오드화물(LiI), 칼륨요오드화물(KI), 피리딘(pyridine)유도체, 이미다졸리움(imidazolium)유도체 중 하나인 염료감응 태양전지.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 전해질층은, 가소제를 더 포함하는 겔(gel)형의 고분자 전해질로 형성되는 염료감응 태양전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가소제는, 에틸렌탄산염(ethylene carbonate), 프로필렌탄산염(propylene carbonate), γ-부티로락톤(butyrolactone), 디메틸포름아미드(dimethyl formamide), 디메틸술폭시드(dimethyl sulfoxide) 중 하나의 유기용매인 염료감응 태양전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 염료활성층은, 나노스케일의 산화물로 형성되는 나노입자와, 상기 나노입자의 표면에 흡착되어 형성되고, 상기 광에너지에 반응하여 여기된 전자를 생성하는 염료를 포함하는 염료감응 태양전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전해질층과 상기 제2 기판 사이에, 내산성을 갖는 산화-환원반응촉매로 형성되어, 상기 전해질층에서 발생되는 산화-환원 반응을 촉진하는 가속층을 더 포함하는 염료감응 태양전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기판은, 투과성, 도전성 및 내산성을 갖는 물질로 형성되어, 상기 염료활성층에서 생성된 여기자를 외부로 인가하는 제1 전극을 포함하고,
    상기 제2 기판은, 도전성 및 내산성을 갖는 물질로 형성되어, 상기 제2 전해질층에 전자를 인가하는 제2 전극을 포함하는 염료감응 태양전지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 실링층은 상기 제1 기판과 제2 기판을 합착하기 위한 온도 분위기에서 고체 형태를 유지하는 점착물질로 형성되는 염료감응 태양전지.
  13. 제1 기판과 제2 기판을 각각 형성하는 단계;
    상기 제1 기판 상의 광전영역 내에, 상기 제1 기판을 통해 상기 광전영역으로 입사된 광에너지를 흡수하여 여기자를 생성하는 염료활성층을 형성하는 단계;
    상기 제1 기판의 광전영역 외곽에, 실링층을 형성하는 단계;
    상기 염료활성층 상의 광전영역 내에, 산화-환원 이온 종을 포함하고, 소정 시간동안 자체적으로 형태를 유지할 수 있을 정도의 점도를 갖는 전해질을 방울 형태로 떨어뜨리는 단계; 및
    상기 실링층을 이용하여 상기 제1 기판과 제2 기판을 합착하는 단계를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 기판과 제2 기판을 합착하는 단계에서,
    상기 염료활성층 상의 광전영역 내에 떨어진 상기 방울형태의 전해질이, 상기 제1 기판과 제2 기판을 합착하는 압력에 의해 상기 광전영역 내에 확산되어, 광전영역 내에 충진되는 전해질층이 형성되는 염료감응 태양전지의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 기판과 제2 기판을 합착하는 단계는,
    상기 실링층이 점착성을 갖도록 하는 온도 이상, 상기 전해질이 변질되는 온도 미만의 범위에 해당되는 온도 분위기에서, 상기 실링층이 점착성을 갖도록 하는 압력 이상, 상기 제1 기판 또는 제2 기판이 파손되는 압력 미만의 범위에 해당되는 힘을 제1 기판과 제2 기판이 마주하는 방향으로 가하여 실시되는 염료감응 태양전지의 제조방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 전해질을 방울 형태로 떨어뜨리는 단계에서,
    상기 전해질은 섭씨 20도의 온도에서 10cP이상의 점도를 갖는 염료감응 태양전지의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 전해질은, 격자구조를 벗어난 음이온과 양이온으로 이루어지는 이온성 액체 전해질로 선택되는 염료감응 태양전지의 제조방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 전해질은, 낮은 유리전이 온도를 갖고 극성그룹을 포함하는 고분자 및 산화-환원 쌍의 첨가제를 포함하는 고분자 전해질로 선택되는 염료감응 태양전지의 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 고분자는, 폴리에틸렌옥사이드(poly ethylene oxide), 폴리프로필렌옥사이드(poly propylene oxide), 폴리메타크릴산염(poly methacrylate)계열, 폴리비닐이미다졸(poly vinyl imidazole)유도체, 폴리아크릴로니트릴(poly acrylonitrile) 중 하나이고,
    상기 첨가제는, 요오드분자(I2), 리튬요오드화물(LiI), 칼륨요오드화물(KI), 피리딘(pyridine)유도체, 이미다졸리움(imidazolium)유도체 중 하나인 염료감응 태양전지의 제조방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 고분자 전해질은 가소제를 더 포함하여 겔(gel)형태를 갖고,
    상기 가소제는, 에틸렌탄산염(ethylene carbonate), 프로필렌탄산염(propylene carbonate), γ-부티로락톤(butyrolactone), 디메틸포름아미드(dimethyl formamide), 디메틸술폭시드(dimethyl sulfoxide) 중 하나의 유기용매인 염료감응 태양전지의 제조방법.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 염료활성층을 형성하는 단계는,
    상기 제1 기판 상의 광전영역을 나노스케일의 산화물로 이루어진 나노입자로 코팅하는 단계; 및
    상기 나노입자의 표면에 염료를 흡착하는 단계를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
  22. 제14항에 있어서,
    상기 제1 기판과 제2 기판을 각각 형성하는 단계는,
    투과성, 도전성 및 내산성을 갖고, 상기 염료활성층에서 생성된 여기자를 외부로 인가하는 제1 전극을 포함하는 상기 제1 기판을 형성하는 단계; 및
    도전성 및 내산성을 갖고, 상기 전해질층에 전자를 인가하는 제2 전극을 포함하는 제2 기판을 형성하는 단계를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
  23. 제14항에 있어서,
    상기 제1 기판과 제2 기판을 각각 형성하는 단계는,
    상기 제2 전극과 상기 전해질층 사이에, 내산성을 갖고, 상기 전해질층에서 발생되는 산화-환원 반응을 촉진하는 가속층을 형성하는 단계를 더 포함하는 염료감응 태양전지.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101256473B1 (ko) * 2011-09-26 2013-04-19 국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단 염료감응형 태양전지용 일전극과 이를 구비하는 염료감응형 태양전지 및 그 제조 방법
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KR101462356B1 (ko) * 2013-11-25 2014-11-17 한양대학교 에리카산학협력단 염료감응형 태양 전지 및 그 제조 방법

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