KR20120066998A - 염료감응 태양 전지 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents
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Abstract
염료감응 태양 전지 및 이를 제조하는 방법을 제공한다. 염료감응 태양 전지는, 제1 전극, 제1 전극과 이격되어 마주하는 제2 전극 및 제1 및 제2 전극들 사이에 충진되는 전해질 용액을 포함한다. 제1 전극은 하기의 구조식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 염료가 흡착된 제1 나노 입자 산화물 박막을 포함한다.
[구조식 1]
(구조식 1에서, R1 내지 R4는 서로 독립적으로 암모늄 이온 또는 포스포늄 이온이고, R2 및 R3는 서로 독립적으로 수소 이온이다)
[구조식 1]
(구조식 1에서, R1 내지 R4는 서로 독립적으로 암모늄 이온 또는 포스포늄 이온이고, R2 및 R3는 서로 독립적으로 수소 이온이다)
Description
본 발명은 태양 전지 및 이를 제조하는 방법에 관련된 것으로서, 더욱 상세하게는 염료감응 태양 전지 및 이를 제조하는 방법에 관련된 것이다.
도시 근교를 시발로 사계절 고밀도 농산물 재배가 가능한 시설 농업 예를 들면 온실 또는 비닐 하우스 단지가 구축되고 있으며, 환경 재해에 강하고 다양한 고소득 작물 재배가 가능하여 빠르게 확산될 것으로 예상하고 있다. 시설 농업에서 유리 온실은 광 투과율이 약 90% 이상이어서, 약 70% 수준인 비닐 하우스에 비해 일조량이 낮은 계절의 작물 재배에 유리하고 내구성이 우수하다. 그러나, 높은 설치 비용으로 인해 사용이 제한적인 높은 가격의 작물재배에 적용되어 왔다. 또한, 사계절 시설 농업은 난방에 많은 에너지를 사용함으로 인해 에너지 비용 변동에 따른 수익성 변화가 크며, 여름철에는 강한 태양광 적외선에 의한 고온의 온실 내부로 인하여 농작물 재배에 어려움이 있다.
농작물 성장은 적외선, 가시광선, 자외선을 포함한 태양광에서 가시광선의 일부 영역의 빛으로 주로 광합성 작용하며, 약 30,000 내지 70,000Lux 정도의 빛의 양이 광합성을 위해 필요하다. 그런데 실제 한낮의 태양광은 약 12,000Lux이며, 그 중 430 내지 450nm 및 640 내지 680nm 영역의 빛만 광합성에 필요하다. 광합성에 관여하지 않는 빛을 전기 에너지로 활용하여 에너지 문제를 해결할 수 있다. 따라서, 이러한 관점에서 염료감응 태양 전지의 개발이 절실한 실정이다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 광합성에 필요한 빛만을 선택적으로 투과하고, 나머지 빛을 전기 에너지로 사용하는 염료감응 태양 전지를 제공하는 데 있다.
본 발명의 이루고자 하는 일 기술적 과제는 상기 염료감응 태양 전지의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 개념에 따른 일 실시예는 염료감응 태양 전지를 제공한다. 상기 염료감응 태양 전지는, 제1 전극, 상기 제1 전극과 이격되어 마주하는 제2 전극 및 상기 제1 및 제2 전극들 사이에 충진되는 전해질 용액을 포함한다. 상기 제1 전극은 하기의 구조식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 염료가 흡착된 제1 나노 입자 산화물 박막을 포함할 수 있다.
[구조식 1]
상기 구조식 1에서, R1 내지 R4는 서로 독립적으로 암모늄 이온 또는 포스포늄 이온이고, R2 및 R3는 서로 독립적으로 수소 이온일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전극은 하기의 구조식 2 내지 5로 표시된 화합물들로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 염료를 포함할 수 있다.
[구조식 2] [구조식 3]
[구조식 4] [구조식 5]
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 전극은, 제1 기판, 상기 제1 기판 및 제1 나노 입자 산화물 박막 사이에 배치되는 제1 도전막 및 상기 제1 나노 입자 산화막 박막 상에 배치된 제2 나노 입자 산화물 박막을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 도전막은 인듐 주석 산화물(induim tin oxide) 또는 주석 산화물(SnO2)을 포함하며, 상기 제1 나노 입자 산화물은 티탄 산화물(TiO2)을 포함하며, 상기 제2 나노 입자 산화물은 알루미늄 산화물(Al2O3), 실리콘 산화물(SiO2), 알루미늄 티탄 산화물(AlxTi1 - xO) 및 실리콘 티탄 산화물(SixTi1 - xO)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 나노 입자 산화물 박막은 2.4 내지 2.8의 굴절율을 가지며, 상기 제2 나노 입자 산화물 박막은 1.2 내지 2.8 이하의 굴절율을 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제2 전극은, 제2 기판, 상기 제2 기판 상에 순차적으로 적층되는 제2 도전막 및 제3 도전막을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제2 도전막은 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 주석 산화물(SnO2)을 포함하며, 상기 제3 도전막은 백금(Pt) 또는 탄소(C)를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 전해질 용액은 요오드 이온(I3 -/I-)을 포함하는 전해질 용액 또는 겔형(gel type) 고분자 전해질 용액일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 염료감응 태양 전지는, 상기 제1 및 제2 전극들 사이에서, 상기 제1 및 제2 전극들의 가장자리를 연결하여, 상기 전해질 용액을 밀폐하는 밀폐부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 나노 입자 산화물 박막의 제1 나노 입자는 5 내지 30nm 크기이며, 상기 제2 나노 입자 산화물 박막의 제2 나노 입자는 5 내지 10nm 크기일 수 있다.
본 발명의 개념에 따른 다른 실시예는 염료감응 태양 전지의 제조 방법을 제공한다. 상기 염료감응 태양 전지의 제조 방법은, 제1 기판 상에 예비 제1 나노 입자 산화물 박막을 형성하고, 상기 예비 제1 나노 입자 산화물 박막에 하기의 구조식 6으로 표시되는 화합물을 포함하는 염료가 흡착하여 제1 나노 입자 산화물 박막을 형성하여, 상기 제1 기판 및 제1 나노 입자 산화물 박막을 포함하는 제1 전극을 형성하고, 상기 제1 나노 입자 산화물 박막과 이격하여 마주하도록 제2 전극을 배치하고, 그리고, 상기 제1 및 제2 전극들 사이에 전해질 용액을 충진하는 것을 포함할 수 있다.
[구조식 6]
상기 구조식 6에서, R1 내지 R4는 서로 독립적으로 암모늄 이온 또는 포스포늄 이온이고, R2 및 R3는 서로 독립적으로 수소 이온일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전극을 형성하는 것은, 상기 예비 제1 나노 입자 산화물 박막 상에 예비 제2 나노 입자 산화물 박막을 형성하고, 상기 예비 제1 및 제2 나노 입자 산화물 박막들에 상기 구조식 6으로 표시되는 화합물을 포함하는 염료를 흡착하여, 상기 제1 및 제2 나노 입자 산화물 박막들을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 나노 입자 산화물 박막의 제1 나노 입자와, 상기 제2 나노 입자 산화물 박막의 제2 나노 입자는 각각 150 내지 200℃의 온도에서 수열 합성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 전극을 형성하는 것은, 상기 제1 기판 및 예비 제1 나노 입자 산화물 사이에 제1 도전막을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제2 전극을 형성하는 것은, 제2 기판에 인듐 주석 산화물 또는 주석 산화물을 포함하는 제2 도전막을 형성하고, 그리고, 상기 제2 도전막 상에 백금 또는 탄소를 포함하는 제3 도전막을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 전해질 용액을 제조하는 공정은, 1, 2-디메틸-3-옥틸-이미다졸륨 아이오다이드(1, 2-dimethyl-3-octyl-imidazolium iodide) 및 I2(iodine)을 3-메톡시프로피오니트릴(3-methoxypropionitrile)에 용해시키는 것을 포함하며, 상기 전해질 용액은 I3 -/I-전해질 용액일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 전해질 용액을 제조하는 공정은,
폴리비닐리덴 플로라이드(poly vinylidene fluoride: PVDF)계 중합체 또는 그 공중합체를 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone: NMP) 또는 3-메톡시프로피오니트릴(3-Methoxypropionitrile: MP) 용매에 용해시키는 것을 포함하며, 상기 전해질 용액은 겔형 고분자 전해질 용액일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 염료감응 태양 전지의 제조 방법은, 상기 전해질 용액을 밀폐하기 위하여 상기 제1 및 제2 전극들 사이를 연결하는 밀폐부를 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 밀폐부는 열가소성 수지, 열경화성 수지, 자외선 경화 수지 또는 유리 프리트를 이용하여 형성할 수 있다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들에 따르면, 변형된 루테늄계 염료를 나노 입자에 흡착하여, 약 440nm 내지 약 660nm 파장의광을 더욱 효율적으로 투과시킬 수 있다. 따라서, 식물 성장에 적합한 태양 전지를 이용하여 시설 농업의 에너지 효율적 관리 및 생산성을 현저히 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 염료감응 태양 전지를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 실시예들에 따른 염료감응 태양 전지를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 3은 제1 나노 입자 및 제2 나노 입자가 수열 합성 시, 온도에 따른 투과율을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 염료감응 태양 전지로 광을 조사하고, 광의 파장에 따른 투과율을 나타내는 그래프이다.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 실시예들에 따른 염료감응 태양 전지를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 3은 제1 나노 입자 및 제2 나노 입자가 수열 합성 시, 온도에 따른 투과율을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 염료감응 태양 전지로 광을 조사하고, 광의 파장에 따른 투과율을 나타내는 그래프이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다.
(염료감응 태양 전지)
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 염료감응 태양 전지를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 태양 전지는 제1 전극(110)과, 제1 전극(110)과 이격되어 마주하는 제2 전극(210)과, 제1 및 제2 전극들(110, 210) 사이를 충진하는 전해질 용액(302)을 포함할 수 있다.
제1 전극(110)은, 제1 기판(100), 제1 도전막(102), 제1 나노 입자 산화물 박막(104') 및 제2 나노 입자 산화물 박막(106')이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.
제1 기판(100)은 광이 투과할 수 있는 투명 기판일 수 있다. 예컨대, 제1 기판(100)은 유리 기판 또는 플라스틱(plastic) 기판일 수 있다. 제1 도전막(102)은 제1 기판(100)의 일 면에 배치될 수 있다. 제1 도전막(102)은 인듐 주석 산화물(indium tin oxide: ITO) 또는 주석 산화물(SnO2)을 포함할 수 있다.
제1 나노 입자 산화물 박막(104')은 제1 도전막(102)의 일 면에 배치될 수 있다. 제1 도전막(102)의 일 면은 제1 나노 입자 산화물 박막(104')과 접하며, 타 면은 제1 기판(100)과 접할 수 있다. 제1 나노 입자 산화물 박막(104')은 약 5㎛ 내지 10㎛ 정도의 두께를 가지며, 제1 나노 입자 산화물 박막(104')의 제1 나노 입자는 약 5nm 내지 약 20nm 크기를 가질 수 있다. 또한, 제1 나노 입자 산화물 박막(104') 약 2.4 내지 약 2.8의 굴절율을 가질 수 있으며, 티탄 산화물(TiO2)을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 제1 나노 입자 산화물 박막(104')은 약 430nm 내지 약 450nm 영역, 약 640nm 내지 약 680nm 영역의 광을 투과시키는 루테늄계(ruthenium) 염료의 변형 화합물을 포함할 수 있다. 제1 나노 입자 산화물 박막(104')은 하기의 구조식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 염료를 포함할 수 있다.
[구조식 1]
구조식 1에서, R1 내지 R4는 서로 독립적으로 암모늄 이온 또는 포스포늄 이온일 수 있다. 또한, 구조식에서, R2 및 R3은 서로 독립적으로 수소 이온일 수 있으며, 이 경우, R1 및 R4는 서로 독립적으로 암모늄 이온 또는 포스포늄 이온일 수 있다.
예컨대, 루테늄계 염료의 변형 화합물은 하기의 구조식 2 내지 구조식 5로 표시되는 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
[구조식 2] [구조식 3]
[구조식 4] [구조식 5]
제2 나노 입자 산화물 박막(106')은 약 1.2 내지 약 2.3 이하의 굴절율을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 제2 나노 입자 산화물 박막(106')의 산화물은 알루미늄 산화물(Al2O3), 실리콘 산화물(SiO2), 알루미늄 티탄 산화물(AlxTi1 - xO) 및 실리콘 티탄 산화물(SixTi1 - xO)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 제2 나노 입자 산화물 박막(106')은 약 1㎛ 내지 약 3㎛ 정도의 두께를 가질 수 있으며, 제2 나노 입자 산화물 박막(106')의 제2 나노 입자는 약 5nm 내지 10nm 크기를 가질 수 있다.
제2 나노 입자 산화물 박막(106')은 약 430nm 내지 약 450nm 영역, 약 640nm 내지 약 680nm 영역의 광을 투과시키는 루테늄계 염료의 변형 화합물을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 제1 나노 입자 산화물 박막(104')은 상기의 구조식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 염료를 포함할 수 있다.
구조식 1에서, R1 내지 R4는 서로 독립적으로 암모늄 이온 또는 포스포늄 이온일 수 있다. 또한, 구조식에서, R2 및 R3은 서로 독립적으로 수소 이온일 수 있으며, 이 경우, R1 및 R4는 서로 독립적으로 암모늄 이온 또는 포스포늄 이온일 수 있다. 예컨대, 루테늄계 염료의 변형 화합물은 상기의 구조식 2 내지 구조식 5로 표시되는 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 나노 산화물 박막들에 의해 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지는, 일반적인 태양 전지에 사용되는 루테늄계 염료를 변형한 것으로, 일반적인 태양 전지에서 사용되는 루테늄계 염료보다 약 20nm의 파장을 단파장으로 이동시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지는 약 430nm 내지 약 450nm 영역, 약 640nm 내지 약 680nm 영역의 광을 선택적으로 투과하고, 그 외의 광을 전기 에너지로 이용할 수 있다.
제2 전극(210)은, 제2 기판(200), 제2 도전막(202) 및 제3 도전막(204)이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.
제2 기판(200)은 광이 투과할 수 있는 투명 기판일 수 있다. 예컨대, 제1 기판(100)은 유리 기판 또는 플라스틱 기판일 수 있다. 제2 기판(200)은 제1 기판(100)과 실질적으로 동일한 물질을 포함할 수 있다.
제2 도전막(202)은 제2 기판(200)의 일 면에 배치될 수 있다. 예컨대, 제2 도전막(202)은 제1 전극(110)과 마주하도록 배치될 수 있다. 제2 도전막(202)은 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 주석 산화물(SnO2)을 포함할 수 있다.
제3 도전막(204)은 제2 도전막(202)의 일 면에 배치될 수 있다. 예컨대, 제3 도전막(204)은 제1 전극(110)과 마주하도록 배치될 수 있다. 제3 도전막(204)은 백금(Pt)과 같은 금속 또는 탄소(C)를 포함할 수 있다.
전해질 용액(302)은 제1 및 제2 전극들(110, 210) 사이를 충진할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전해질 용액(302)은 요오드 이온을 포함할 수 있다. 예컨대, 요오드 이온을 포함하는 전해질 용액(302)은 1, 2-디메틸-3-옥틸-이미다졸륨 아이오다이드(1, 2-dimethyl-3-octyl-imidazolium iodide) 및 요오드(I2)를 3-메톡시프로피오니트릴(3-methoxypropionitrile)에 용해시킨 I3 -/I- 전해질 용액일 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전해질 용액(302)은 겔형 고분자 전해질을 포함할 수 있다. 예컨대, 폴리비닐리덴 플로라이드(poly(vinylidene fluoride): PVDF)계 중합체 또는 그 공중합체를 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone: NMP) 또는 3-메톡시프로피오니트릴(3-methoxypropionitrile: MP) 용액에 녹인 용액일 수 있다.
태양 전지는, 전해질 용액(302)을 밀폐하는 밀폐부(300)를 더 포함할 수 있다. 밀폐부(300)는 제1 및 제2 전극들(110, 210)의 사이에서, 제1 및 제2 전극들(110, 210) 가장자리를 감싸며 배치될 수 있다. 밀폐부(300)는 고분자 수지 또는 유리 프리트(frit)로 이루어질 수 있다. 고분자 수지의 예로는, 열가소성 수지, 열경화성 수지 또는 자외선 경화 수지 등을 들 수 있다.
(염료감응 태양 전지의 제조 방법)
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 실시예들에 따른 염료감응 태양 전지를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2a를 참조하면, 제1 기판(100)에 제1 도전막(102)을 형성할 수 있다.
제1 기판(100) 상에 제1 도전막(102)을 형성할 수 있다. 예컨대, 제1 도전막(102)은 스핀 코팅(spin coating)을 이용하여 제1 기판(100) 상에 형성될 수 있다. 제1 도전막(102)은 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 주석 산화물(SnO2)을 포함할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 제1 도전막(102) 상에 예비 제1 나노 입자 산화물 박막(104)을 형성할 수 있다.
예비 제1 나노 입자 산화물 박막(104)을 제조하는 공정을 간략하게 설명하면, 우선, 제1 나노 입자를 포함하는 인쇄용 페이스트(paste for painting)를 제1 도전막(102) 상에 제1 두께로 코팅할 수 있다. 제1 나노 입자는 약 5nm 내지 약 30nm의 크기의 이산화티탄(TiO2)을 포함할 수 있다. 특히, 제1 나노 입자는 약 20nm의 크기를 가질 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 예비 제1 나노 입자 산화물 박막(104)의 제1 나노 입자는 약 150℃ 내지 약 200℃ 온도에서 수열(hydrothermal) 합성될 수 있다.
제1 두께로 코팅된 제1 나노 입자를 포함하는 인쇄용 페이스트를 가열하여, 제1 두께보다 실질적으로 작은 제2 두께를 갖는 예비 제1 나노 입자 산화물 박막(104)을 형성할 수 있다. 제2 두께를 제1 두께보다 약 1/10정도 작을 수 있다. 예컨대, 제1 두께는 약 100㎛이고, 제2 두께는 약 10㎛일 수 있다.
도 2c를 참조하면, 예비 제1 나노 입자 산화물 박막(104) 상에 예비 제2 나노 입자 산화물 박막(106)을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 예비 제2 나노 입자 산화물 박막(106)은 증착(deposition) 공정을 이용하여 약 1㎛ 이하의 두께로 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제2 나노 입자를 포함하는 인쇄용 페이스트를 코팅하고 가열하여 약 3㎛ 이하의 두께를 갖는 예비 제2 나노 입자 산화물 박막(106)을 형성할 수 있다.
예비 제2 나노 입자 산화물 박막(106)은 약 1.2 내지 약 2.3 이하의 굴절율을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 예비 제2 나노 입자 산화물 박막(106)은 알루미늄 산화물(Al2O3), 실리콘 산화물(SiO2), 알루미늄 티탄 산화물(AlxTi1 - xO) 및 실리콘 티탄 산화물(SixTi1 - xO)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예비 제2 나노 입자 산화물 박막(106)의 제2 나노 입자는 약 5nm 내지 약 10nm 크기를 가질 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 예비 제2 나노 입자 산화물 박막(106)의 제2 나노 입자는 약 150℃ 내지 약 200℃ 온도에서 수열 합성될 수 있다.
도 2d를 참조하면, 예비 제1 나노 입자 산화물 박막(104) 및 예비 제2 나노 입자 산화물 박막(106)에 하기의 구조식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 염료를 흡착시켜, 제1 나노 입자 산화물 박막(104') 및 제2 나노 입자 산화물 박막(106')을 형성할 수 있다.
[구조식 1]
구조식 1에서, R1 내지 R4는 서로 독립적으로 암모늄 이온 또는 포스포늄 이온일 수 있다. 또한, 구조식에서, R2 및 R3은 서로 독립적으로 수소 이온일 수 있으며, 이 경우, R1 및 R4는 서로 독립적으로 암모늄 이온 또는 포스포늄 이온일 수 있다.
예컨대, 루테늄계 염료의 변형 화합물은 상기의 구조식 2 내지 구조식 5로 표시되는 화합물으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
[구조식 2] [구조식 3]
[구조식 4] [구조식 5]
제1 및 제2 나노 산화물 박막들에 의해 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지는 약 430nm 내지 약 450nm 영역, 약 640nm 내지 약 680nm 영역의 광을 선택적으로 투과하고, 그 외의 광을 전기 에너지로 이용할 수 있다.
이로써, 제1 전극(110)을 형성할 수 있다. 제1 전극(110)은, 제1 기판(100), 제1 도전막(102), 제1 나노 입자 산화물 박막(104') 및 제2 나노 입자 산화물 박막(106')을 포함할 수 있다.
도 2e를 참조하면, 제2 기판(200)에 제2 도전막(202)을 형성할 수 있다.
제2 기판(200) 상에 제2 도전막(202)을 형성할 수 있다. 예컨대, 제2 도전막(202)은 스핀 코팅을 이용하여 형성될 수 있다. 제2 도전막(202)은 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 주석 산화물(SnO2)을 포함할 수 있다.
도 2f를 참조하면, 제2 도전막(202) 상에 제3 도전막(204)을 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 제3 도전막(204)은 제2 도전막(202) 상에 금속 이온 또는 탄소 이온을 포함하는 용액을 스핀 코팅한 후 가열하여 형성될 수 있다. 예컨대, 금속 이온은 백금 이온일 수 있다.
이로써, 제2 전극(210)을 형성할 수 있다. 제2 전극(210)은, 제2 기판(200), 제2 도전막(202) 및 제3 도전막(204)을 포함할 수 있다.
도 2g를 참조하면, 제1 전극(110) 및 제2 전극(210) 사이에 전해질 용액(302)을 충진할 수 있다.
제1 전극(110)의 제2 나노 입자 산화물 박막(106')과 제2 전극(210)의 제3 도전막(204)이 마주보도록, 제1 및 제2 전극들(110, 210)을 이격시켜 배치시킬 수 있다. 제1 및 제2 전극들(110, 210) 사이에 전해질 용액(302)을 충진할 수 있다.
전해질 용액(302)은 요오드 이온을 포함하는 전해질 용액 또는 겔형 고분자 전해질을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전해질 용액(302)은 요오드 이온을 포함하는 전해질 용액일 수 있다. 요오드 이온을 포함하는 전해질 용액은 1, 2-디메틸-3-옥틸-이미다졸륨 아이오다이드(1, 2-dimethyl-3-octyl-imidazolium iodide) 및 요오드(I2)를 3-메톡시프로피오니트릴(3-methoxypropionitrile)에 용해시킨 I3 -/I-전해질 용액일 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 전해질 용액(302)은 겔형 고분자 전해질일 수 있다. 겔형 고분자 전해질은 폴리비닐리덴 플로라이드(poly(vinylidene fluoride): PVDF)계 중합체 또는 그 공중합체를 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone: NMP) 또는 3-메톡시프로피오니트릴(3-methoxypropionitrile: MP) 용액에 녹인 용액일 수 있다.
제1 및 제2 전극들(110, 210) 사이에서, 제1 및 제2 전극들(110, 210) 가장자리에 배치되어, 전해질 용액(302)을 밀폐하는 밀폐부(300)를 형성할 수 있다. 밀폐부(300)는 전해질 용액(302)이 충진되기 전에 형성될 수 있다.
(
실험예
)
제1 기판에 ITO 또는 주석 산화물(SnO2)을 포함하는 제1 도전막을 형성하였다. 제1 도전막 상에 약 20nm 크기의 이산화티탄(TiO2, 제1 나노 입자)을 포함하는 인쇄용 페이스트를 약 100㎛ 두께로 코팅하였다. 이산화티탄을 포함하는 인쇄용 페이스트를 약 450℃ 내지 약 550℃에서 약 30분 가열하여, 약 10㎛ 두께의 이산화티탄 박막(예비 제1 나노 입자 산화물 박막)을 형성하였다.
이산화티탄 박막 상에 약 10nm 크기의 산화 알루미늄(Al2O3, 제2 나노 입자)을 포함하는 인쇄용 페이스트를 약 10㎛ 두께로 코팅하였다. 산화 알루미늄을 포함하는 인쇄용 페이스트를 약 450℃ 내지 약 550℃에서 약 30분 가열하여, 약 3㎛ 두께의 산화 알루미늄 박막(예비 제2 나노 입자 산화물 박막)을 형성하였다.
이산화티탄 박막 및 산화 알루미늄 박막이 형성된 제1 기판을 3mM의 하기의 구조식 5를 갖는 화합물이 용해된 에탄올 용액에서 약 18시간 동안 염료를 흡착하였다.
[구조식 5]
이로써, 제1 기판, 제1 도전막, 제1 나노 입자 산화물 박막 및 제2 나노 입자 산화물 박막을 포함하는 제1 전극을 형성하였다.
제2 기판에 ITO 또는 주석 산화물(SnO2)을 포함하는 제2 도전막을 형성하였다. 제2 도전막 상에 약 10mM의 백금 이온이 포함된 이소프로필알코올(isopropyl alcohol) 용액을 약 1,000RPM의 속도로 스핀 코팅한 후, 약 450℃ 내지 약 550℃에서 약 30분 가열하여, 제3 도전막을 형성하였다.
이로써, 제2 기판, 제2 도전막 및 제3 도전막을 포함하는 제2 전극을 형성하였다.
제1 전극의 제2 나노 입자 산화물 박막과, 제2 전극의 제3 도전막이 마주보도록, 제1 및 제2 전극들을 이격하여 배치하였다. 이격된 제1 및 제2 전극들 사이에 밀폐부를 설치하였다.
밀폐부, 제1 및 제2 전극들로 한정되는 공간으로 전해질 용액을 충진하였다. 전해질 용액은 I3 -/I-전해질 용액으로, 1, 2-디메틸-3-옥틸-이미다졸륨 아이오다이드(1, 2-dimethyl-3-octyl-imidazolium iodide) 및 요오드(I2)를 3-메톡시프로피오니트릴(3-methoxypropionitrile)에 용해시켜 제조하였다.
이로써, 제1 및 제2 전극, 전해질 용액으로 이루어진 염료감응 태양 전지를 완성하였다.
이하에서는, 상기 실험예에서 제작된 염료감응 태양 전지에 대한 투과율을 알아보기로 한다.
도 3은 제1 나노 입자 및 제2 나노 입자가 수열 합성 시, 온도에 따른 투과율을 나타내는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 실선은 제1 및 제2 나노 입자 산화물 박막이 형성되지 않은 태양 전지에 대한 투과율을 나타낸다. 점선은 약 180℃에서 수열 합성된 제1 나노 입자 및 제2 나노 입자를 각각 포함하는 제1 및 제2 나노 입자 산화물 박막이 포함된 태양 전지에 대한 투과율을 나타낸다. 일점쇄선은 약 230℃에서 수열 합성된 제1 나노 입자 및 제2 나노 입자를 각각 포함하는 제1 및 제2 나노 입자 산화물 박막이 포함된 태양 전지에 대한 투과율을 나타낸다.
도 3에서 볼 수 있듯이, 약 230℃에서 수열 합성된 제1 나노 입자 및 제2 나노 입자보다 약 180℃에서 수열 합성된 제1 나노 입자 및 제2 나노 입자를 포함하는 태양 전지의 투과율이 우수한 것을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 염료감응 태양 전지로 광을 조사하고, 광의 파장에 따른 투과율을 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 약 440nm 내지 약 660nm 파장에서 일반적인 염료감응 태양 전지보다 본 발명의 실시예들에 따라 제작된 염료감응 태양 전지에서 투과율이 우수한 것을 알 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징으로 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 제1 기판 102: 제1 도전막
104: 제1 나노입자 산화물 박막 106: 제2 나노입자 산화물 박막
110: 제1 전극 200: 제2 기판
202: 제2 도전막 204: 제3 도전막
210: 제2 전극 300: 밀폐부
302: 전해질 용액
104: 제1 나노입자 산화물 박막 106: 제2 나노입자 산화물 박막
110: 제1 전극 200: 제2 기판
202: 제2 도전막 204: 제3 도전막
210: 제2 전극 300: 밀폐부
302: 전해질 용액
Claims (19)
- 제1 전극;
상기 제1 전극과 이격되어 마주하는 제2 전극; 및
상기 제1 및 제2 전극들 사이에 충진되는 전해질 용액을 포함하되,
상기 제1 전극은 하기의 구조식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 염료가 흡착된 제1 나노 입자 산화물 박막을 포함하는 염료감응 태양 전지.
[구조식 1]
(상기 구조식 1에서, R1 내지 R4는 서로 독립적으로 암모늄 이온 또는 포스포늄 이온이고, R2 및 R3는 서로 독립적으로 수소 이온이다) - 제1항에 있어서,
상기 제1 전극은 하기의 구조식 2 내지 5로 표시된 화합물들로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 염료를 포함하는 염료감응 태양 전지.
[구조식 2] [구조식 3]
[구조식 4] [구조식 5]
- 제1항에 있어서,
상기 제1 전극은,
제1 기판;
상기 제1 기판 및 제1 나노 입자 산화물 박막 사이에 배치되는 제1 도전막; 및
상기 제1 나노 입자 산화막 박막 상에 배치된 제2 나노 입자 산화물 박막을 포함하는 염료감응 태양 전지. - 제3항에 있어서,
상기 제1 도전막은 인듐 주석 산화물(induim tin oxide) 또는 주석 산화물(SnO2)을 포함하며,
상기 제1 나노 입자 산화물은 티탄 산화물(TiO2)을 포함하며,
상기 제2 나노 입자 산화물은 알루미늄 산화물(Al2O3), 실리콘 산화물(SiO2), 알루미늄 티탄 산화물(AlxTi1 - xO) 및 실리콘 티탄 산화물(SixTi1 - xO)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 염료감응 태양 전지. - 제3항에 있어서,
상기 제1 나노 입자 산화물 박막은 2.4 내지 2.8의 굴절율을 가지며,
상기 제2 나노 입자 산화물 박막은 1.2 내지 2.8 이하의 굴절율을 갖는 염료감응 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 제2 전극은,
제2 기판, 상기 제2 기판 상에 순차적으로 적층되는 제2 도전막 및 제3 도전막을 포함하는 염료감응 태양 전지. - 제6항에 있어서,
상기 제2 도전막은 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 주석 산화물(SnO2)을 포함하며,
상기 제3 도전막은 백금(Pt) 또는 탄소(C)를 포함하는 염료감응 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 전해질 용액은 요오드 이온(I3 -/I-)을 포함하는 전해질 용액 또는 겔형(gel type) 고분자 전해질 용액인 염료감응 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 전극들 사이에서, 상기 제1 및 제2 전극들의 가장자리를 연결하여, 상기 전해질 용액을 밀폐하는 밀폐부를 더 포함하는 염료감응 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 제1 나노 입자 산화물 박막의 제1 나노 입자는 5 내지 30nm 크기이며,
상기 제2 나노 입자 산화물 박막의 제2 나노 입자는 5 내지 10nm 크기인 염료감응 태양전지. - 제1 기판 상에 예비 제1 나노 입자 산화물 박막을 형성하고;
상기 예비 제1 나노 입자 산화물 박막에 하기의 구조식 6으로 표시되는 화합물을 포함하는 염료가 흡착하여 제1 나노 입자 산화물 박막을 형성하여, 상기 제1 기판 및 제1 나노 입자 산화물 박막을 포함하는 제1 전극을 형성하고;
상기 제1 나노 입자 산화물 박막과 이격하여 마주하도록 제2 전극을 배치하고; 및
상기 제1 및 제2 전극들 사이에 전해질 용액을 충진하는 것을 포함하는 염료감응 태양 전지의 제조 방법.
[구조식 6]
(상기 구조식 6에서, R1 내지 R4는 서로 독립적으로 암모늄 이온 또는 포스포늄 이온이고, R2 및 R3는 서로 독립적으로 수소 이온이다) - 제11항에 있어서,
상기 제1 전극을 형성하는 것은,
상기 예비 제1 나노 입자 산화물 박막 상에 예비 제2 나노 입자 산화물 박막을 형성하고;
상기 예비 제1 및 제2 나노 입자 산화물 박막들에 상기 구조식 6으로 표시되는 화합물을 포함하는 염료를 흡착하여, 상기 제1 및 제2 나노 입자 산화물 박막들을 형성하는 것을 포함하는 염료감응 태양 전지의 제조 방법. - 제12항에 있어서,
상기 제1 나노 입자 산화물 박막의 제1 나노 입자와, 상기 제2 나노 입자 산화물 박막의 제2 나노 입자는 각각 150 내지 200℃의 온도에서 수열(hydrothermal) 합성된 염료감응 태양 전지의 제조 방법. - 제11항에 있어서,
상기 제1 전극을 형성하는 것은,
상기 제1 기판 및 예비 제1 나노 입자 산화물 사이에 제1 도전막을 형성하는 것을 포함하는 염료감응 태양 전지의 제조 방법. - 제11항에 있어서,
상기 제2 전극을 형성하는 것은,
제2 기판에 인듐 주석 산화물 또는 주석 산화물을 포함하는 제2 도전막을 형성하고; 및
상기 제2 도전막 상에 백금 또는 탄소를 포함하는 제3 도전막을 형성하는 것을 포함하는 염료감응 태양 전지의 제조 방법. - 제11항에 있어서,
상기 전해질 용액을 제조하는 공정은,
1, 2-디메틸-3-옥틸-이미다졸륨 아이오다이드(1, 2-dimethyl-3-octyl-imidazolium iodide) 및 I2(iodine)을 3-메톡시프로피오니트릴(3-methoxypropionitrile)에 용해시키는 것을 포함하며, 상기 전해질 용액은 I3 -/I-전해질 용액인 염료감응 태양 전지의 제조 방법. - 제11항에 있어서,
상기 전해질 용액을 제조하는 공정은,
폴리비닐리덴 플로라이드(poly vinylidene fluoride: PVDF)계 중합체 또는 그 공중합체를 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone: NMP) 또는 3-메톡시프로피오니트릴(3-Methoxypropionitrile: MP) 용매에 용해시키는 것을 포함하며, 상기 전해질 용액은 겔형 고분자 전해질 용액인 염료감응 태양 전지의 제조 방법. - 제11항에 있어서,
상기 전해질 용액을 밀폐하기 위하여 상기 제1 및 제2 전극들 사이를 연결하는 밀폐부를 형성하는 것을 더 포함하는 염료감응 태양 전지의 제조 방법. - 제18항에 있어서,
상기 밀폐부는 열가소성 수지, 열경화성 수지, 자외선 경화 수지 또는 유리 프리트(frit)를 이용하여 형성되는 염료감응 태양 전지의 제조 방법.
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