KR20120036655A - 차단층을 포함하는 염료감응태양전지 - Google Patents

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Abstract

차단층을 포함하는 염료감응태양전지는 제1 기판과, 제1 투명도전막과, 다공질막과, 전해질층과, 도전층과, 제2 투명도전막과, 제2 기판으로 실링되어 형성되는 염료감응태양전지에 있어서, 상기 제1 투명도전막과 다공질막 사이에 형성되고, 상기 제1 투명도전막상에 금속산화물을 증착한 후 결정화시켜 형성되는 차단층을 포함함으로써, 산화마그네슘을 이-빔 이바퍼레이터(E-BEAM Evaporater)장비를 이용하여 증착되고 결정화시킴으로써 광전환 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

차단층을 포함하는 염료감응태양전지{DYE-SENSITIZED SOLAR CELL INCLUDING BLOCKING LAYER}
본 발명은 염료감응 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차단층을 포함하는 염료감응태양전지에 관한 것이다.
기후변화위기에 대한 세계적 공감대가 형성되고 있는 가운데 기존 화석연료 기반의 에너지 대신 태양, 바람, 물 등 청정자연을 이용한 재생에너지에 대한 수요가 갈수록 높아지고 있다. 특히 태양광에너지에 대한 세계 각국의 기술개발과 상업화가 최근 몇 년 사이 몰라보게 발전하고 있으며, 한 시간 동안 지구에 전달되는 태양에너지를 손실없이 100% 이용할 수 있다면, 이는 인류가 1년동안 사용할 수 있는 전기를 만들어낼 수 있는 양이라고 할 만큼 태양은 막대한 에너지를 보유하고 있다. 태양광을 전기로 바꿔주는 태양전지는 지금까지 대부분 실리콘반도체를 이용한 것이었지만, 최근 실리콘을 전혀 사용하지 않고 특정 천연염료를 사용해 햇빛을 전기로 바꿔주는 '염료감응형 태양전지'에 대한 관심이 높아지고 있다.
염료감응 태양전지는 비록 태양광을 전기로 바꿔주는 효율이 결정질 실리콘계 태양전지보다는 절반 수준에 불과하지만, 제조비용을 5분의1 이하 수준으로 낮출 수 있다는 장점이 있고, 계절의 변화에 상관없이 작동할 수 있다는 점에서 주목을 받고 있다. 현재 염료감응태양전지의 효율은 약 11%에 도달하는 것으로 알려져 있다. 향후 이 전지는 상용화 효율이 20%이고 다양한 응용가능성을 지니고 있어, 세계적으로 많은 연구자들과 기업들의 집중적인 연구가 수행되고 있다.
염료감응 태양전지는 1991년 스위스 로잔공대(EPFL) 화학과의 미카엘 그라첼(Michael Gratzel) 교수가 처음 개발에 성공, 미국 네이처지에 소개되면서 알려졌습니다. 염료감응 태양전지는 간단한 구조로 인해 기존 실리콘계 태양전지보다 제조공정이 간편한 편이다. 보통 결정질 실리콘 태양전지의 가격은 와트당 2.5달러 선인데, 염료감응 태양전지는 와트당 1달러 이하로 제작할 수 있다고 산업계 전문가들은 말하고 있다. 다만 태양광에너지를 전기로 얼마나 많이 바꿔주느냐는 효율면에선 상업용 결정질 실리콘 태양전지가 약 14~17% 수준인 반면, 상업용 염료감응 태양전지는 아직 약 4~7% 수준에 그치고 있다.
통상의 염료감응 태양전지의 작동 원리는 다음과 같다.
태양빛에 의해 여기된 염료들이 전자를 나노입자 이산화티탄의 전도대에 주입한다. 그 주입된 전자들은 나노입자 이산화티탄을 통과하여 전도성 기판에 도달하여 외부회로로 전달된다. 여기서, 상기 반도체 기판을 구성하는 이산화티탄 나노입자들과 전도성 기판과의 사이에 접촉면적에 따라 나노입자 이산화티탄으로부터 전도성 기판까지 전달된 전자의 에너지 변환 효율이 큰 영향을 받게 된다. 즉, 나노입자 이산화티탄으로부터 전도성 기판까지 전달된 전자들중 일부는 상기 전도성 기판중 상기 나노입자 이산화티탄과 접촉되어 있지 않고 전해질 용액에 노출되어 있는 부분을 통해 전해질로 다시 사라지게 된다.
그러나, 통상의 염료감응 태양전지에서는 반도체 전극을 구성하는 이산화티탄의 입자 형태가 구형(球形), 타원형, 또는 그와 유사한 입자 형태를 가지므로 이산화티탄과 전도성 기판과의 사이의 접촉 면적을 확보하는 데 제한이 있다. 그 결과, 반도체 전극의 전도성 기판에서 전해질에 노출된 표면을 통한 전자 손실로 인하여 원하는 에너지 변환 효율을 확보하는 데 한계가 있었다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 산화마그네슘을 이-빔 이바퍼레이터(E-BEAM Evaporater)장비를 이용하여 증착되고 결정화시킴으로써 광전환 효율을 향상시키기 위한 차단층을 포함하는 염료감응태양전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차단층을 포함하는 염료감응태양전지는, 제1 기판과, 제1 투명도전막과, 다공질막과, 전해질층과, 도전층과, 제2 투명도전막과, 제2 기판으로 실링되어 형성되는 염료감응태양전지에 있어서, 상기 제1 투명도전막과 다공질막 사이에 형성되고, 상기 제1 투명도전막상에 금속산화물을 증착한 후 결정화시켜 형성되는 차단층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 금속산화물이, 산화마그네슘(MgO)인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 차단층이, 500Å ~ 5,000Å의 두께로 증착되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 차단층을 포함하는 염료감응태양전지는 산화마그네슘을 이-빔 이바퍼레이터(E-BEAM Evaporater)장비를 이용하여 증착되고 결정화시킴으로써 광전환 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도1은 본 발명에 따른 차단층을 포함하는 염료감응태양전지의 일실시예를 나타낸 도면
도2는 본 발명에 따른 차단층을 포함하는 염료감응태양전지의 차단층을 형성하기 위한 이-빔 이바퍼레이터(E-BEAM Evaporater)장비의 일실시예를 나타낸 도면
도3은 종래기술에 따른 염료감응태양전지에서 CVD를 이용하여 증착한 FTO 표면과 측면 사진
도4는 본 발명에 따른 차단층을 포함하는 염료감응태양전지의 이-빔 이바퍼레이터(E-BEAM Evaporater)장비를 이용하여 증착한 차단층 표면과 측면 사진
도5는 도3 및 도4의 AFM 사진
도6은 도3 및 도4의 투과율 비교분석 데이터를 나타낸 도면
도7은 본 발명에 따른 차단층 유무에 따른 효율 차이를 나타낸 도면
본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
이하, 본 발명에 따른 차단층을 포함하는 염료감응태양전지에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도1은 본 발명에 따른 차단층을 포함하는 염료감응태양전지의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도1에 도시된 바와 같이, 차단층을 포함하는 염료감응태양전지는 제1 기판(110)과, 제1 투명도전막(120)과, 차단층(130)과, 다공질막(140)과, 전해질층(150)과, 도전층(160)과, 제2 투명도전막(170)과, 제2 기판(180)을 구비한다.
상기 제1 기판(110)과, 상기 제1 투명도전막(120)과, 상기 다공질막(140)과, 상기 전해질층(150)과, 상기 도전층(160)과, 상기 제2 투명도전막(170)과, 상기 제2 기판(180)은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 것을 선택하여 사용할 수 있으며, 하기한 예에 의해 제한되지 않는다.
상기 제1 기판(110) 및 제2 기판(180)은 플라스틱 기판 또는 유리 기판이다.
상기 제1 투명도전막(120) 또는 상기 제2 투명도전막(170)은 상기 제1 또는 제2 기판(110)(180) 상에, ITO(Indium Tin Oxide) 또는 FTO(Fluorine-doped Tin Oxide)로 형성된다.
상기 차단층(130)은 금속산화물을 이-빔 이바퍼레이터(E-BEAM Evaporater)장비에 의해 증착한 후 결정화시켜 형성되고, 상기 금속산화물은 산화마그네슘(MgO) 박막이며, 상기 차단층이, 500Å ~ 5,000Å의 두께로 증착되는 층으로서, 상기 제1 기판(110)과 상기 다공질막(140)의 접합성을 향상시킴과 동시에, 상기 제1 기판(110)과 상기 전해질층(150)의 직접적인 접촉을 차단하여 전자 전이를 막아 에너지 전환효율을 향상시키며, 상기 제1 기판(110)의 거친 표면에 의한 빛의 산란을 방지하는 역할을 하는 층으로, 상기 차단층(130)의 성분으로는 상기 기판(110)과 전해질(30) 간의 전자 전이를 차단시키는 데 필요한 충분한 차단력을 가지면서 염료감응 태양전지의 성능에 영향을 미치지 않는 성분들을 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 다공질막(140)은 상기 차단층(130)상에 형성되고, 태양광을 흡수하여 촉매작용(산화-환원 반응) 및 전기전도의 역할을 수행하고, 상기 다공질막(140)에 포함되는 금속산화물 나노입자는 타이타늄(Ti) 산화물 또는 지르코늄(Zr) 산화물이며, 상기 다공질막(140)의 표면에는 태양광을 흡수하기 위한 감광성 염료가 흡착되는데, 상기 감광성 염료로는 루테늄(Ru) 또는 루테늄 복합체를 포함하여 가시광선을 흡수할 수 있는 것을 사용할 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 사용되는 감광성 염료를 선택하여 사용할 수 있으므로 특별히 한정하지 않는다.
상기 전해질층(150)은 상기 제1 기판(110)과 제2 기판(180)과의 사이에 격벽(미도시)에 의해 밀봉되어 있고, 요오드계 산화-환원 액체 전해질로 이루어진다.
상기 도전층(160)은 카본블랙, 탄소 나노튜브와 같은 탄소 재료, 또는 백금으로 이루어진다.
도2는 본 발명에 따른 차단층을 포함하는 염료감응태양전지의 차단층을 형성하기 위한 이-빔 이바퍼레이터(E-BEAM Evaporater)장비의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도2에 도시된 바와 같이, 이-빔 이바퍼레이터(E-BEAM Evaporater)장비(200)는 웨이퍼 카루셀(wafer carousel)(210)과, 기판(220)과, 도가니(230)와, 진공펌프밸브(240)와, 필라멘트(250)를 구비한다.
도3은 종래기술에 따른 염료감응태양전지에서 CVD를 이용하여 증착한 FTO 표면과 측면 사진이고, 도4는 본 발명에 따른 차단층을 포함하는 염료감응태양전지의 이-빔 이바퍼레이터(E-BEAM Evaporater) 장비를 이용하여 증착한 차단층 표면과 측면 사진이며, 도5는 도3 및 도4의 AFM 사진이고, 도6은 도3 및 도4의 투과율 비교분석 데이터를 나타낸 도면이고, 도7은 본 발명에 따른 차단층 유무에 따른 효율 차이를 나타낸 도면이다.
이와 같은 본 발명에 따른 차단층을 포함하는 염료감응태양전지에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도1에 도시된 바와 같이, 제1 투명도전막(120)이 형성된 제1 기판(110)을 도2에 도시된 바와 같이, 상기 웨이퍼 카루셀(220)에 기판(220)으로 장착하고, 도가니(230)상의 홈(미부호)에 상기 제1 기판(110)에 증착되는 금속산화물을 넣은 후 진공펌프밸브(210)를 통해 산소분위기를 만든 후 상기 제1 기판(110)에 장착된 상기 웨이퍼 카루셀(220)을 회전시킴과 동시에 매우 높은 전압을 가하여 필라멘트(250)에서 열전자를 방출하여 상기 금속산화물과 충돌시킴으로써 발생되는 열에 의하여 상기 금속산화물을 상기 제1 기판(110)에 500Å ~ 5,000Å의 두께로 증착시켜 차단층(130)을 형성시킨다. 상기 금속산화물은 산화마그네슘(MgO)이다.
이하, 다공질막(140)과, 전해질층(150)과, 도전층(160)과, 제2 투명도전막(170)과, 제2 기판(180)을 실링하여 염료감응 태양전지를 형성하는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 과정을 수행하게 되므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
이와 같이 형성된 본 발명에 따른 차단층이 형성된 염료감응 태양전지에 대하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 외부로부터 제1 기판(110)과 상기 제1 투명도전막(120)을 통과한 태양 빛은 상기 다공질막(140)의 금속 산화물 입자의 표면에 흡착되어 있는 염료분자층에 의해 흡수된다.
이때, 차단층(130)의 상면에 각각 흡착되어 있는 염료분자층에서도 빛이 흡수될 수 있다. 빛을 흡수한 상기 염료분자층의 각 염료 분자들은 여기되어 전자를 다공질막(140)의 전도대로 주입하게 된다. 상기 다공질막(140)으로 주입된 전자는 상기 다공질막(140) 내의 입자간 계면을 통해 상기 차단층(130) 및 제1 투명도전막(120)에 전달되고, 외부 전선(미도시)을 통하여 전기적 작업을 수행한 후 제2 투명도전막(170)으로 이동된다. 상기 제2 투명도전막(170)에 도달된 전자는 도전층(160)을 통과하여, 전해질층(150)에 있는 요오드계 전해질의 산화 환원 작용 (3I-→ I3-+ 2e-)에 의하여 상기 다공질막(140)에 전자가 주입된다. 상기 제1 투명도전막(120)에서 전자 전이의 결과로 산화된 염료분자층에 있는 각 염료 분자들은 상기 전해질층(150)에서의 산화 환원 작용에 의해 제공되는 전자를 받아 다시 환원되며, 산화된 요오드 이온(I3-)은 상기 제2 투명도전막(170)에 도달한 전자에 의해 다시 환원되어 염료감응 태양전지의 작동 과정이 완성된다. 이 과정에 있어서, 상기 제1 투명도전막(120)에서 상기 제1 기판(110)과 상기 다공질막(140)과의 사이에 상기 차단층(130)이 형성되어 있으므로, 상기 다공질막(140)의 공극을 통해 상기 제1 기판(110)에 인접한 영역까지 유입되어 있는 상기 전해질층(150)의 전해질 용액이 상기 제1 기판(110)에 접촉되는 것이 상기 차단층(130)에 의해 방지되어, 상기 제1 기판(110) 표면에서의 전자 손실이 차단됨으로써 에너지 변환 효율이 향상될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 여기서, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
(실시예)
염료감응태양전지의 차단층(blocking-layer)을 형성하기 위하여 이-빔 이바퍼레이터(e-beam evaporator) 장비를 이용하여 산화마그네슘(MgO) 박막을 유리기판상의 FTO, 또는 ITO 코팅된 투명도전막(1000Å~6000Å)상에 500Å~5000Å의 범위로 증착한다. 기판온도는 결정질화된 박막을 구현하기 위하여 300℃, 기본 진공(Base Vacuum)은 약 3×10-6 토르(Torr)이고, 작업 압력(Working pressure)은 1,6×10-4 토르(Torr)이다. 기판은 회전시키면서 300℃의 온도로 고정하고, 증착속도는 5Å/sec 레인지(range) 범위이며, 분위기는 산소분압이다.
상기와 같은 실험조건은 상세히 나타내면 하기와 같다.
Backgroundpressure : 3*10-6 Torr
Operatingpressure : 1.6*10-4 Torr
MgSource : 99.99%
MgsourceDepositionrate : 0.5Å/sec
Oxygengasratio : 2sccm
Substratetemperature : 300℃
k-CellImpingingAngle : 35°
Coolingcondition : Water
Ionbeampowersupplycondition Plasmadischargecurrent : 200㎃~1,000㎃
일반적으로 산화막의 경우 박막의 내부 결정성과 내부구조뿐만 아니라 차단층인 산화마그네슘(MgO) 박막의 표면의 특성에 따라 투과율 및 효율에 영향을 미친다. 종래의 FTO 박막은 CVD 법으로 증착이 되어, 도3에 도시된 바와 같이, 표면의 거칠기에 나쁜 영향을 미친다. 따라서 산화마그네슘(MgO) 박막을 TCO(Transparent Conductive Oxide) 기판상에 증착하여 도4에 도시된 바와 같이, 표면 거칠기 제어 및 투과율의 향상에 기여한다. 본 발명에서는 AFM과 SEM을 통하여 이-빔 이바퍼레이터(e-beam evaporator) 장비에 의한 증착에 따른 차단층인 산화마그네슘(MgO) 박막의 특성을 분석한다.
도5에 도시된 바와 같이, FTO 표면사진과 측면사진을 보면, 표면의 거칠기가 상당히 나쁜 것으로 보인다. 이것은 표면의 난반사로 인해 빛의 투과율이 감소가 되어 효율 저하의 원인으로 보인다. 본 발명에 따라 차단층인 산화마그네슘(MgO)이 1500Å코팅된 박막의 표면 및 측면의 사진을 보면, 표면 거칠기가 상당히 제어되었고, 투과율의 향상을 보여주었다. 이러한 원인은 이-빔 이바퍼레이터(e-beam evaporator) 장비를 사용하지 않은 FTO 기판의 입자 그레인은 균일하지 않으나, 이-빔 이바퍼레이터(e-beam evaporator) 장비를 이용한 차단층인 산화마그네슘(MgO) 박막은 그레인 사이즈가 커지고, 원형모양의 형태를 가진다.
상기 이-빔 이바퍼레이터(e-beam evaporator) 장비에 의해 증착된 산화마그네슘(MgO) 박막을 이용하여, 염료감응태양전지의 차단층(blocking-layer)의 특성을 살펴보기 위하여, 발광 휘도 및 광학적 투과율을 측정하면, 도6에 도시된 바와 같다.
상기 광학적 투과율은 유-비쥬얼(u-visible)로 측정을 하였으며, 차단층인 산화마그네슘(MgO) 박막이 순수한 FTO 박막보다 투과율의 향상을 가져왔다. 이는 표면 거칠기 제어로 빛의 산란이 억제되었고, 그레인 사이즈(grain size)의 성장으로 인하여 투과율의 향상이 이루어진 것으로 보인다.
또한, 염료감응태양전지의 차단층(blocking-layer)(MgO) 박막이 효율의 향상을 시키는 원인인지를 확인하기 위하여, 휘도의 값을 (BM-7) 휘도계를 이용하여 측정하였고, 휘도의 값을 데이터화하여 비교하였다.
상기 비교 값은 로우 글래스(Raw glass), 로우(Raw)+ITO, ITO+MgO의 값을 비교하여 측정하면, 하기한 표1과 같다.
휘도값
로우(raw) 유리 1.629
로우(raw) + ITO 1,000Å(ITO) 1.618
로우(raw) + ITO + MgO(1,500Å) 1,000Å(ITO)+1,500Å(MgO) 1.686
로우(raw) + ITO + MgO(2,500Å) 1,000Å(ITO)+2,500Å(MgO) 1.656
상기 휘도의 측정결과 차단층인 산화마그네슘(MgO)을 코팅한 것과 코팅하지 않은 박막은 하기한 표2와 같은 차이가 났다. 이는 차단층인 산화마그네슘(MgO) 브리지(bridge)의 길이에 따라서, 면적의 두께에 따라서 휘도의 값이 증대되는 것을 볼 수 있다. 이러한 원인으로 인해 차단층(blocking layer)을 포함하는 염료감응태양전지의 효율향상을 기대할 수가 있다.
Jsc(㎃/㎝) Voc(V) Fillfactor(%) Efficiency(η%)
1. 차단층이 없는 층 8.69 0.516 54.5 3.56
2. 차단층있는 층 9.93 0.619 69.7 5.52
이러한 차단(Blocking) 네트워크를 구조를 가진 차단층인 산화마그네슘(MgO) 박막을 사용한 태양전지의 시스템이 기존의 이산화티타니아를 소결시킨 전지시스템보다 동일한 산화물 두께에서 더 우수한 효율 및 태양의 광전자 효율을 높일 수 있다.
또한, 차단층(blocking layer)을 가진 막과 아닌 막의 차이를 보는 비교테스트 실험결과 도7에 도시된 바와 같이, 차단층(blocking layer)을 가진 산화마그네슘(MgO) 박막 염료감응태양전지가 효율이 높음을 알 수 있다
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위 및 그와 균등한 것들에 의하여 정해져야 한다.
110 : 제1 기판 120 : 제1 투명도전막
130 : 차단층 140 : 다공질막
150 : 전해질층 160 : 도전층
170 : 제2 투명도전막 180 : 제2 기판
200: 이-빔 이바퍼레이터(E-BEAM Evaporater)장비
210 : 웨이퍼 카루셀(wafer carousel) 220 : 기판
230 : 도가니 240 : 진공펌프밸브
250 : 필라멘트

Claims (4)

  1. 제1 기판과, 제1 투명도전막과, 다공질막과, 전해질층과, 도전층과, 제2 투명도전막과, 제2 기판으로 실링되어 형성되는 염료감응태양전지에 있어서,
    상기 제1 투명도전막과 다공질막 사이에 형성되고, 상기 제1 투명도전막상에 금속산화물을 증착한 후 결정화시켜 형성되는 차단층을 포함하는 것을 특징으로 하는 차단층을 포함하는 염료감응태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속산화물은 산화마그네슘(MgO)인 것을 특징으로 하는 차단층을 포함하는 염료감응태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 차단층은 500Å ~ 5,000Å의 두께로 증착되는 것을 특징으로 하는 차단층을 포함하는 염료감응태양전지.
  4. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 차단층은 상기 금속산화물을 이-빔 이바퍼레이터(E-BEAM Evaporater) 장비에 의해 하기한 조건에서 증착한 후 결정화시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 차단층을 포함하는 염료감응태양전지.
    Backgroundpressure : 3*10-6 Torr
    Operatingpressure : 1.6*10-4 Torr
    MgSource : 99.99%
    MgsourceDepositionrate : 0.5Å/sec
    Oxygengasratio : 2sccm
    Substratetemperature : 300℃
    k-CellImpingingAngle : 35°
    Coolingcondition : Water
    Ionbeampowersupplycondition Plasmadischargecurrent : 200㎃~1,000㎃
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