KR20120073837A - 광전소자 및 그의 제조방법 - Google Patents

광전소자 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주입홀에 의한 신뢰도 저하, 특성 균일도 저하 및 수명 저하를 방지할 수 있고, 전극의 면적 감소를 방지하여 전극의 전기적특성 저하를 방지할 수 있는 광전소자에 관한 것으로, 제1 전극을 포함하고 투과성을 갖는 제1 기판; 상기 제1 전극에 대향하는 제2 전극을 포함하는 제2 기판; 상기 제1 기판과 제2 기판 사이 영역의 가장자리 중 일측에 대응하는 개구부; 상기 제1 기판과 제2 기판 사이의 광전영역의 외곽 중에서 상기 개구부를 제외한 나머지 부분에 형성되어, 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 상기 광전영역을 정의하고, 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 합착하는 제1 실링층; 상기 제1 전극 상의 상기 광전영역에 형성되고, 상기 제1 전극을 투과한 광에너지를 흡수하여 전자를 생성하는 염료활성층; 상기 개구부를 통해 상기 광전영역 내에 충진되는 전해질; 및 상기 전해질로 충진된 광전영역이 봉지되도록, 상기 제1 실링층에 의해 합착된 상기 제1 기판과 제2 기판의 일측면에 상기 개구부를 가로막는 형태로 형성되는 제2 실링층을 포함하는 광전소자를 제공한다.

Description

광전소자 및 그의 제조방법{PHOTOELECTRIC ELEMENT AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 산화-환원 반응을 이용하여 광에너지를 전기에너지로 변환하는 광전소자 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
광전소자는 p-n 접합으로 이루어진 반도체소자의 일종으로, 전기에너지를 광에너지로 변환하는 발광 다이오드와, 광을 흡수하여 전기에너지로 변환하는 태양전지 등을 포함한다. 특히 태양전지는 전기에너지를 생성함에 있어서 공해를 일으키지 않으므로, 지구온난화의 원인인 이산화탄소를 발생시키는 석탄, 석유, 천연가스 등의 화석연료를 대체할 차세대 친환경 재생에너지 중 하나로 지목되고 있다.
태양전지는 광전효과를 이용하여 광에너지를 전기에너지로 변환하는 소자이다. 여기서, 광전효과는 밴드갭에너지 이상으로 흡수된 광에너지에 의해 전자-정공쌍(electron hole pairs)이 발생되고, 이때 전자와 정공이 서로 반대방향으로 이동함에 따라 광기전력이 발생되는 효과(이하, 광전효과라 지칭함)를 의미한다.
이러한 태양전지는 광전층으로 선택되는 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 CIGS/CIS 태양전지는 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄 화합물/구리, 인듐, 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. 실리콘 태양전지는, 실리콘 태양전지는 비정질 실리콘(Amorphous Silicon)으로 광전층을 형성한 것으로, 용이하게 취득될 수 있고 인체유해성이 없는 실리콘을 기반으로 하고 있어, 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 그리고, 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.
일반적으로 염료감응 태양전지는 서로 대향하는 제1 전극과 제2 전극, 제1 전극과 제2 전극 사이에 광전영역을 정의하고 제1 전극과 제2 전극 사이를 합착하는 실링층, 제1 전극 상의 광전영역에 형성되는 염료활성층 및 광전영역 내에 충진되는 전해질을 포함한다. 여기서, 염료활성층은 광을 투과하는 제1 전극 상에 나란하게 적층된 복수의 나노입자 및 복수의 나노입자 각각의 표면에 흡착된 염료(DYE)로 형성된다.
이러한 염료감응 태양전지는, 제1 전극을 투과한 광에너지를 밴드갭에너지 이상으로 흡수한 나노입자 표면의 염료가 산화하여 전자가 발생되는 과정, 이때의 전자가 제1 전극 및 외부로드를 거쳐 제2 전극 측으로 이동하는 과정, 제2 전극에 도달된 전자에 의해 전해질의 산화-환원반응이 유발되어 전자가 발생되는 과정 및 전해질에서 발생된 전자가 산화된 염료와 결합하여 염료를 환원시키는 과정을 포함하는 일련의 과정들이 반복되면서 광전영역 내에 광기전력이 발생됨으로써, 광에너지를 전기에너지로 변환하게 된다.
그런데, 전해질에서 발생된 전자가 산화된 염료와 결합하여 염료를 환원시키는 과정이 원활히 실시되려면, 염료활성층의 모든 염료가 전해질과 접할 수 있어야 한다. 이를 위하여, 전해질은 염료활성층의 복수의 나노입자 사이를 채울 정도까지 광전영역 내에 완전히 확산되어야 한다.
다시 말하면, 전해질이 광전영역 내에 확산된 정도(이하, "전해질의 확산도"로 지칭함)가 낮을수록, 전해질에서 발생된 전자와 만날 수 없어 산화된 상태를 유지하는 염료가 증가하게 된다. 그로 인해, 광에너지에 의해 염료활성층에서 발생되는 전자수가 감소됨으로써, 소자의 광전변환효율(여기서, "광전변환효율"은 광에너지가 전기에너지로 변환되는 비율을 의미함)이 감소하게 될 뿐만 아니라, 소자의 신뢰도 및 수명이 저하된다.
이에 따라, 종래의 염료감응 태양전지는 제2 전극을 관통하도록 형성되어 광전영역 내에 전해질을 주입하기 위한 통로로 이용되는 적어도 두 개의 주입홀 및 전해질로 충진된 광전영역이 봉지되도록 주입홀을 막는 마개를 더 포함한다.
즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 염료감응 태양전지는, 제1 전극(11)과 제2 전극(12), 실링층(13), 염료활성층(14) 및 제2 전극(12)을 관통하도록 형성되어 제1 전극(11)과 제2 전극(12)과 실링층(13)에 의해 밀봉된 광전영역(AZ: Active Zone)을 개구하는 적어도 두 개의 주입홀(15a, 15b)을 포함하는 중간구조물(10)을 마련하는 과정과, 광전영역(AZ) 내에 전해질(16)을 충진하는 과정과, 전해질(16)로 충진된 광전영역(AZ)이 봉지되도록 주입홀(15a, 15b)을 봉하는 마개(미도시)를 제2 전극(12)의 외부면에 형성하는 과정(미도시)을 포함하는 제조방법으로 제조된다.
여기서, 전해질을 충진하는 과정은, 제2 전극(12)을 관통하는 두 개의 주입홀(15a, 15b) 중 제1 주입홀(15a)을 열어둔 상태에서, 제2 주입홀(15b)에 연결된 전해질 주입기(20)를 작동시킴으로써 실시된다. 이때, 제2 주입홀(15b)을 통해 전해질(16)이 광전영역(AZ) 내에 주입되는 동시에, 광전영역 내부에 존재하고 있던 물질 (예를 들어, 공기)들이 외부로 방출된다. 그리고, 제1 주입홀(15a)에서 전해질(16)이 토출되기까지 제2 주입홀(15b)을 통해 전해질(16)을 주입하면, 전해질이 광전영역(AZ) 내에 충진된다.
이상과 같이, 종래의 염료감응 태양전지는 광전영역(AZ) 내에 전해질(16)을 주입하기 위하여, 제2 전극(12)을 관통하는 적어도 두 개의 주입홀(15a, 15b)을 포함해야만 한다.
이에, 주입홀(15a, 15b)이 형성되는 영역만큼 제2 전극(12)의 면적이 감소됨에 따라, 제2 전극(12)의 전기적특성이 저하되므로, 광전변환 효율이 향상되는 데에 한계가 있는 문제점이 있다.
그리고, 전해질(16)의 주입 및 광전영역(AZ)의 밀봉을 위하여, 제2 전극(12)을 관통하는 주입홀(15a, 15b) 및 주입홀(15a, 15b)을 봉하는 마개(미도시)를 포함하여야 하므로, 제조공정이 복잡해져서, 수율이 향상되기 어려운 문제점이 있다.
또한, 제2 전극(12)을 관통하는 주입홀(15)을 완벽하게 봉하는 마개(미도시)를 일괄적으로 균일하게 형성하는 것은 사실상 어려운 공정에 해당한다. 이에 따라, 주입홀(15)을 통한 전해질(16)의 누출 가능성이 높으므로, 주입홀(15)을 포함함에 따른 소자의 신뢰도 저하, 특성 균일도 저하 및 수명 저하가 유발되는 문제점이 있다.
본 발명은, 주입홀을 이용하지 않고서도 전해질을 광전영역 내에 주입할 수 있어, 주입홀에 의한 신뢰도 저하, 특성 균일도 저하 및 수명 저하를 방지할 수 있고, 전극의 면적 감소를 방지하여 전극의 전기적특성 저하를 방지할 수 있는 광전소자 및 그의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
이와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은, 제1 전극을 포함하고 투과성을 갖는 제1 기판; 상기 제1 전극에 대향하는 제2 전극을 포함하는 제2 기판; 상기 제1 기판과 제2 기판 사이 영역의 가장자리 중 일측에 대응하는 개구부; 상기 제1 기판과 제2 기판 사이의 광전영역의 외곽 중에서 상기 개구부를 제외한 나머지 부분에 형성되어, 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 상기 광전영역을 정의하고, 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 합착하는 제1 실링층; 상기 제1 전극 상의 상기 광전영역에 형성되고, 상기 제1 전극을 투과한 광에너지를 흡수하여 전자를 생성하는 염료활성층; 상기 개구부를 통해 상기 광전영역 내에 충진되는 전해질; 및 상기 전해질로 충진된 광전영역이 봉지되도록, 상기 제1 실링층에 의해 합착된 상기 제1 기판과 제2 기판의 일측면에 상기 개구부를 가로막는 형태로 형성되는 제2 실링층을 포함하는 광전소자를 제공한다.
그리고 본 발명은 투과성을 갖는 제1 전극을 포함하는 제1 기판과, 제2 전극을 포함하는 제2 기판을 각각 마련하는 단계; 상기 제1 전극 상에 광전영역과 대응하는 염료활성층을 형성하는 단계; 상기 제1 기판과 제2 기판의 가장자리 중 일측에 대응하는 개구부를 제외하고, 상기 제1 기판과 제2 기판 중 어느 하나의 상기 광전영역의 외곽에 제1 실링층을 형성하는 단계; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 상기 광전영역이 발생되도록, 상기 제1 실링층을 이용하여 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 합착하는 단계; 상기 개구부를 이용하여 상기 광전영역 내에 전해질을 충진하는 단계; 및 상기 전해질로 충진된 광전영역이 봉지되도록, 상기 합착된 제1 기판과 제2 기판의 일측면에 상기 개구부를 가로막는 제2 실링층을 형성하는 단계를 포함하는 광전소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 광전소자는 서로 대향하는 제1 기판과 제2 기판 사이 영역의 가장자리 일측에 대응하여 제1 실링층을 형성하지 않는 개구부 및 개구부를 통해 광전영역 내에 충진되는 전해질을 포함한다. 이에 따라, 광전영역을 개구하기 위하여 전극을 관통하여 형성되는 주입홀을 이용하지 않으므로, 주입홀에 의한 신뢰도 저하, 특성 균일도 저하 및 수명 저하를 방지할 수 있고, 전극의 면적 감소를 방지하여 광전변환 효율의 저하를 방지할 수 있다.
그리고, 광전영역 내부와 외부 사이의 기압 차이를 이용하여 전해질을 확산시킴에 따라, 전해질이 광전영역 내에 확산된 정도가 증가될 수 있으므로, 광전변환 효율이 더욱 향상될 수 있다.
도 1은 종래의 염료감응 태양전지에 있어서, 두 개의 주입홀을 이용하여 광전영역 내에 전해질을 주입하는 과정을 나타낸 공정도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광전소자를 나타낸 분해사시도이다.
도 3은 도 2의 A-A'를 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 2의 B-B'를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광전소자의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 6a 내지 도 6l는 도 5에 도시된 광전소자의 제조방법을 나타낸 공정도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 광전소자의 광특성을 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 광전소자 및 그의 제조방법에 대하여, 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도 2 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 광전소자에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광전소자를 나타낸 분해사시도이다. 그리고, 도 3은 도 2의 A-A'를 나타낸 단면도이고, 도 4는 도 2의 B-B'를 나타낸 단면도이다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광전소자(100)는 투과성을 갖는 제1 기판(110), 제1 기판(110)에 대향하는 제2 기판(120), 제1 기판(110)과 제2 기판(120) 사이 영역의 가장자리 중 일측에 대응하는 개구부(130), 제1 기판(110)과 제2 기판(120) 사이의 광전영역(AZ: Active Zone)의 외곽 중에서 개구부(130)를 제외한 나머지 부분에 형성되는 제1 실링층(140), 제1 기판(110) 상의 광전영역(AZ)에 형성되는 염료활성층(150), 광전영역(AZ) 내에 충진되는 전해질(160) 및 개구부를 가로막는 형태로 제1 기판(110)과 제2 기판(120)의 일측면에 형성되는 제2 실링층(141)을 포함한다.
제1 기판(110)은 투과성을 갖는 제1 지지기판(111) 및 광전영역(AZ)에 대응하여 제1 지지기판(111) 상에 투과성과 도전성을 갖도록 형성되는 제1 전극(112)을 포함한다. 여기서, 제1 전극(112)은 광에너지에 반응하여 염료활성층(150)에서 생성된 전자를 외부로드(미도시)로 이동시키는 애노드(Anode)이다. 그리고, 제1 전극(112) 상에 염료활성층(150)이 적절히 형성될 수 있도록, 제1 전극(112)의 상면은 적절한 수준의 헤이즈(haze)를 갖는다.
제2 기판(120)은 제2 지지기판(121) 및 광전영역(AZ)에 대응하여 제2 지지기판(122) 상에 도전성을 갖도록 형성되는 제2 전극(122)을 포함한다. 여기서, 제2 전극(122)은 외부로드(미도시)로부터 전자가 인가되는 캐소드(Cathode)이다. 그리고, 제2 전극(122)은 반사성을 갖는 재료로 형성되어, 광전영역(AZ)을 투과한 광이 다시 광전영역(AZ) 내부로 반사시켜서, 광전영역(AZ)에서의 광흡수율을 증가시킬 수 있다.
또한, 제2 기판(120)은 제2 전극(122) 상에 형성되는 가속층(123)을 더 포함할 수 있다. 가속층(123)은 외부로드(미도시)로부터 인가된 전자에 의한 전해질(160)의 산화-환원반응 속도를 증가시키는 산화-환원 반응 촉매(catalyst)로 형성된다. 이러한 가속층(123)은 백금(Pt)으로 선택될 수 있다.
그리고, 제1 전극(112)과 제2 전극(122)은 광전영역(AZ) 내에 충진되는 전해질과 접하게 되므로, 전해질에 의해 산화되는 것이 최소화되도록, 높은 내산성을 갖는 재료로 선택된다. 또한, 제1 전극(112)과 제2 전극(122)을 이동하는 전하의 손실이 최소화되도록, 제1 전극(112)과 제2 전극(122)은 낮은 저항 및 높은 전하이동도에 해당하는 우수한 전기적특징을 갖는 도전성 재료로 선택된다. 예를 들어, 제1 전극(112)과 제2 전극(122) 각각은 불소(F: Fluorine)가 도핑된 주석산화물(SnO2)(F-doped SnO2: FTO), 주석(Tin, Sn)이 도핑된 인듐산화물(In2O3)(ITO) 및 아연산화물(ZnO) 중 어느 하나로 선택될 수 있다.
한편, 별도로 도시하고 있지 않으나, 제1 기판(110)과 제2 기판(120) 각각은 형태를 유지할 수 있을 정도의 충분한 강성 및 내열성을 갖는 제1 전극(112)과 제2 전극(122)만으로 이루어질 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광전소자(100)는 광전영역(AZ)을 각각 포함하는 적어도 하나의 셀로 이루어진다. 즉, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 광전소자(100)는 복수의 셀(C1-C4)로 이루어지고, 복수의 셀(C1-C4)은 각각의 광전영역(AZ)을 갖는다. 이에, 제1 기판(110)과 제2 기판(120) 사이의 소정 영역은 적어도 하나의 광전영역(AZ)을 포함한다.
그리고, 광전소자(100)는 복수의 셀(C1-C4) 각각의 제1 실링층(140) 사이에, 각 셀의 제1 전극(112)과 제2 전극(122) 중 어느 하나와 연결되도록 형성되어, 복수의 셀(C1-C4)을 직렬 연결하는 내부커넥터(170)를 더 포함한다. 예를 들어, 제1 셀(C1)과 제2 셀(C2) 각각의 제1 실링층(140) 사이에 형성되는 내부커넥터(170)는 제1 셀(C1)의 제2 전극(122)과 제2 셀(C2)의 제1 전극(112)에 전기적으로 연결되고, 제2 셀(C2)과 제3 셀(C3) 각각의 제1 실링층(140) 사이에 형성되는 내부커넥터(170)는 제2 셀(C2)의 제2 전극(122)과 제3 셀(C3)의 제1 전극(112)에 전기적으로 연결되고, 제3 셀(C3)과 제4 셀(C4) 각각의 제1 실링층(140) 사이에 형성되는 내부커넥터(170)는 제3 셀(C3)의 제2 전극(122)과 제4 셀(C4)의 제1 전극(112)에 전기적으로 연결된다.
이러한 내부커넥터(170)는 은(Ag)으로 선택될 수 있다.
제1 실링층(140)은 제1 기판(110)과 제2 기판(120) 사이의 광전영역(AZ) 외곽에 형성되어, 광전영역(AZ)을 정의하고, 제1 기판(110)과 제2 기판(120)을 합착한다. 이때, 제1 기판(110)과 제2 기판(120) 사이 영역의 가장자리 중 일측은 제1 실링층(140)이 형성되지 않는 개구부(130)에 해당된다.
즉, 제1 실링층(140)에 의해 합착된 제1 기판(110)과 제2 기판(120) 사이에서, 복수의 셀(C1-C4)에 대응하는 복수의 광전영역(AZ) 각각은 상, 하부가 제1 전극(112)과 제2 전극(122)으로 둘러싸여지고 일측의 개구부(130)를 제외한 나머지 측부가 제1 실링층(140)으로 둘러싸여짐으로써, 정의될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 염료활성층(150)은 제1 전극(112) 상의 광전영역(AZ)에 나란하게 배열되는 복수의 나노입자(151) 및 복수의 나노입자(151) 각각의 표면에 흡착되어 형성되는 염료(152, DYE)를 포함한다.
복수의 나노입자(151) 각각은 나노크기(nano scale)의 입체 형상을 띄고, 밴드갭(band-gap)에너지가 큰 산화물로 형성된다. 예를 들어, 나노입자(151)는 주로 실리콘산화물(SiO2), 주석산화물(SnO2) 및 티타늄산화물(TiO2) 중 하나로 선택될 수 있고, 특히 카본블랙(carbon black)보다 도전성이 높고 전자의 유지시간이 긴 것으로 알려져 있는 티타늄산화물(TiO2)로 선택될 수 있다.
그리고, 나노입자(151)는 10 내지 20nm의 직경을 갖는 구 형상을 가질 수 있다. 만약, 나노입자(151)가 20nm를 초과하는 직경으로 형성되는 경우, 나노입자(151) 표면에 흡착되는 염료(152)의 수가 감소되므로, 광에너지에 의해 염료활성층(150)에서 생성되는 전자가 감소되어, 소자의 광전변환효율이 저하될 수 있다. 그리고, 나노입자(151)가 10nm 미만의 직경으로 형성되는 경우, 나노입자(151) 표면에 흡착되는 염료(152)의 수가 증가하여, 광에너지에 의해 염료활성층(150)에서 생성되는 전자가 증가될 수 있는 동시에, 표면상태 수가 증가하여 광에너지에 의해 발생된 전자(excited electron)가 재결합할 수 있는 산화된 염료(151)도 증가되므로, 결국 제1 전극(112)을 탈출하는 전자수가 감소됨으로써, 소자의 광전변환효율이 저하될 수 있다.
이 뿐만 아니라, 나노입자(151)는 제1 전극(112)으로 이동하는 전자의 경로를 제공하고, 나노입자(151)의 크기에 따라 염료(152)의 양이 달라지므로, 나노입자(151)의 형태, 배치 및 크기 등은 광전변환 효율에 영향을 미치는 변수가 된다.
염료(152)는 광에너지에 반응하면 산화되어 전자를 방출하고, 복수의 나노입자(151) 표면에 화학적으로 견고하게 결합될 수 있으며, 열적 및 광학적으로 안정적인 물질로 형성된다. 즉, 염료(152)는 비교적 작은 밴드갭 에너지를 갖는 재료로 이루어져서, 염료(152) 자체의 밴드갭 에너지(Eg)를 극복할 수 있을 정도의 광에너지를 흡수하면, 가전자대(valence band)의 전자가 여기상태로 전환되고 여기된 전자가 전자 전도대(conduction band)로 천이한다. 이와 같이 산화된 염료(152)로부터 발생된 전자는 나노입자(151)의 표면을 따라 제1 전극(112)으로 이동한다.
이러한 염료(152)는 루테늄계 유기금속화합물, 유기화합물, InP(Indium Phospide, 인듐인), CdSe(Cadmium selenide, 셀레늄화카드뮴) 중 하나로 선택될 수 있고, 주로 루테늄계 유기금속화합물(N719, cis-di(thiocyanato)-bis(2,2'-bipyridyl-4-carboxylate-4'-carboxylic acid)-ruthenium(II))로 선택된다.
이러한 염료활성층(150)은 제1 전극(112) 상에 나노입자(151)을 함유한 액상재료를 도포한 후, 이를 경화하여, 제1 전극(112) 상의 광전영역(AZ)에 나란하게 배열되는 복수의 나노입자(151)를 형성하는 과정과, 복수의 나노입자(151)를 염료(152) 재료에 담가, 복수의 나노입자(151) 각각의 표면에 염료(152)를 흡착시킨 후, 이를 건조시키는 과정을 통해 형성된다.
전해질(160)은 개구부(130)를 통해 염료활성층(150)을 포함한 광전영역(AZ) 내에 충진된다. 이때, 액상의 전해질(160) 및 광전영역(AZ) 내부와 외부 사이의 기압 차이를 이용함으로써, 광전영역(AZ) 내의 전해질 확산도가 향상되도록 한다. 즉, 광전영역(AZ)의 내부가 광전영역(AZ)의 외부보다 낮은 기압을 갖도록 한 상태에서, 광전영역(AZ) 내에 액상의 전해질(160)을 주입함으로써, 전해질(160)이 종래보다 높은 확산도로 광전영역(AZ) 내부에 충진되도록 한다.
그리고, 전해질(160)은 제2 전극(122)으로 이동한 전자에 반응하여, 산화-환원 반응이 일어나는 산화-환원 이온종을 포함하는 재료로 이루어진다. 즉, 산화-환원 이온 종을 포함하는 전해질(160)은 외부로드(미도시)에서 제2 전극(122)으로 인가된 전자에 반응하여, 산화-환원 반응으로 전자를 생성하고, 이때 전해질(160)에서 생성된 전자는 염료활성층(150) 측으로 이동하여 광에너지에 의해 산화된 염료(152)와 만나서, 산화된 염료(152)를 환원시킨다.
한편, 전해질(160)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 것이 바람직하다. 이는, 광전소자가 광에너지를 전기에너지로 변환하는 동안, 전해질(160)이 염료활성층(150), 제1 전극(112) 및 제2 전극(122) 중 적어도 하나와 전기 또는 화학적으로 반응하여 변동되는 특성을 갖거나, 자외선 또는 고온의 열에 의해 변동되 특성을 갖는 재료로 선택된다면, 소자의 신뢰도 및 수명이 낮아지기 때문이다. 그리고, 전해질(160)이 높은 증기압을 갖는 재료로 선택되면, 광전영역(AZ) 내에 소정의 증기압이 발생되어, 제1 및 제2 실링층(140, 141)이 손상되면서, 전해질(160)이 누출됨에 따라, 소자의 수명 및 신뢰도가 저하되기 때문이다. 또한, 전해질(160)이 높은 유독성을 갖는다면, 사용자 또는 환경에 유해하여, 활용도가 낮아지기 때문이다.
제2 실링층(141)은 전해질(160)이 충진된 광전영역(AZ)을 봉지하기 위한 것으로, 제1 실링층(130)에 의해 합착된 제1 기판(110)과 제2 기판(120)의 일측면에 개구부(130)를 가로막는 형태로 형성된다.
여기서, 제1 및 제2 실링층(140, 141)은 전해질(160)과 접하므로, 소자의 수명을 고려하여 내산성을 갖는 재료로 선택될 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광전소자(100)는 합착된 제1 기판(110)과 제2 기판(120) 사이 영역의 가장자리 일측에 대응하여 제1 실링층(130)이 형성되지 않는 개구부(130) 및 개구부(130)를 가로막도록 제1 기판(110)과 제2 기판(120)의 일측면에 형성되는 제2 실링층(141)을 포함한다. 이에, 광전영역(AZ) 내부를 외부와 연결하기 위하여 제2 기판을 관통하는 주입홀 대신, 개구부(130)를 이용하여 액상의 전해질(160)을 광전영역(AZ) 내에 충진할 수 있다. 그러므로, 주입홀에 의한 전극의 전기적특성 저하 및 그로 인한 광전변환효율의 저하를 방지할 수 있고, 주입홀을 형성하는 과정을 포함함에 따른 복잡한 제조공정이 배제되어 수율이 향상될 수 있고, 주입홀을 통한 전해질의 누출이 방지되어, 소자의 신뢰도 저하, 특성 균일도 저하 및 수명 저하를 방지할 수 있다.
이어서, 본 발명의 실시예에 따른 광전소자의 제조방법에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광전소자의 제조방법을 나타낸 순서도이고, 도 6a 내지 도 6l는 도 5에 도시된 광전소자의 제조방법을 나타낸 공정도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광전소자의 제조방법은 투과성을 갖는 제1 전극을 포함하는 제1 기판과 제2 전극을 포함하는 제2 기판을 각각 마련하는 단계(S100), 제1 전극 상의 광전영역에 염료활성층을 형성하는 단계(S110), 제1 기판과 제2 기판의 가장자리 중 일측에 대응하는 개구부를 제외하고, 제1 기판과 제2 기판 중 어느 하나의 광전영역 외곽에 제1 실링층을 형성하는 단계(S120), 제1 전극과 제2 전극 사이에 광전영역이 정의되도록, 제1 실링층을 이용하여 제1 기판과 제2 기판을 합착하는 단계(S130), 개구부를 이용하여 광전영역 내에 전해질을 충진하는 단계(S140) 및 전해질로 충진된 광전영역이 봉지되도록 개구부를 가로막는 제2 실링층을 형성하는 단계(S150)를 포함한다.
제1 기판과 제2 기판을 각각 마련하는 단계(S110)는 제1 기판을 마련하는 단계와 제2 기판을 마련하는 단계를 포함한다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 제1 기판(110)을 마련하는 단계에서, 투과성을 갖는 제1 지지기판(111) 상에 적어도 하나의 광전영역(AZ)에 각각 대응하는 적어도 하나의 제1 전극(112)을 형성하여, 제1 기판(110)이 마련된다. 여기서, 적어도 하나의 제1 전극(112)은 적어도 하나의 셀(C1-C4)에 각각 구비되는 것으로, 서로 절연된다.
도 6b에 도시된 바와 같이, 제2 기판(120)을 마련하는 단계에서, 제2 지지기판(121) 상에 적어도 하나의 광전영역(AZ)에 각각 대응하는 적어도 하나의 제2 전극(122)을 형성하여, 제2 기판(120)을 마련한다. 이때, 적어도 하나의 제2 전극(122) 상에 Pt 등의 산화-환원 촉매제로 이루어진 가속층(123)이 더 형성될 수 있다. 그리고, 적어도 하나의 제2 전극(122)은 적어도 하나의 셀(C1-C4)에 각각 구비되는 것으로, 서로 절연된다.
다음, 도 6c에 도시된 바와 같이, 제1 전극(112) 상의 광전영역(AZ) 각각에 염료활성층(150)을 형성한다.(S110) 여기서 염료활성층(150)을 형성하는 단계(S110)는 제1 전극(112) 상의 광전영역(AZ)에 복수의 나노입자(151)를 나란하게 배열하는 단계와, 복수의 나노입자(151)를 액상의 염료재료에 담가서 복수의 나노입자(151) 각각의 표면에 염료(152)를 흡착시키는 단계를 포함한다.
도 6d에 도시된 바와 같이, 제1 기판(110) 또는 제2 기판(120) 상의 광전영역(AZ)의 외곽에 제1 실링층(140)을 형성한다. 이때, 도 6e에 도시된 바와 같이, 제1 기판(110)과 제2 기판(120)의 일측(도 6e에서는 제2 기판(120)의 하측인 것으로 도시됨)에 대응하는 개구부(130)에는 제1 실링층(140)이 형성되지 않는다.
그리고, 제1 실링층(140) 사이에 내부커넥터(170)를 형성한다.
도 6f에 도시된 바와 같이, 제1 전극(112)과 제2 전극(122)이 서로 대향하도록, 제1 실링층(140)을 이용하여 제1 기판(110)과 제2 기판(120)을 합착한다. (S130) 이때, 제1 기판(110)과 제2 기판(120) 사이에 적어도 하나의 광전영역(AZ)이 발생된다. 도 6g에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 광전영역(AZ) 각각은 상, 하부의 제1 전극(112)과 제2 전극(122) 및 측부의 제1 실링층(140)과 개구부(130)로 정의된다. 이하에서는, "제1 실링층(140)으로 합착된 제1 기판(110)과 제2 기판(120)"을 중간구조물(101)이라 지칭한다.
다음, 개구부를 이용하여 광전영역 내에 전해질을 충진하는 단계(S140)는 광전영역(AZ)의 내부와 외부 사이의 기압차이를 이용하여 개구부(130)를 통해 전해질을 광전영역으로 주입함으로써 실시된다.
도 6h에 도시된 바와 같이, 챔버(200) 내에 중간구조물(101)을 배치한다. 이때, 챔버(200)는 케이스(210), 케이스(210) 내부에 배치되고 액상의 전해질(221)이 수용되는 수조(220), 중간구조물(101)을 잡아 케이스(210) 내부에서 수직방향으로 이동시키는 고정슬라이더(230), 케이스 내부의 기압을 상승시키는 주입밸브(240) 및 케이스 내부의 기압을 하강시키는 배출밸브(241)를 포함한다.
그리고, 개구부(130)와 수조(220)의 전해질(221)이 서로 마주하는 방향으로 케이스(210) 내부에 중간구조물(101)을 배치한 상태에서, 배출밸브(240)를 열어 케이스 내부의 기압을 하강시킨다. 이때 광전영역(AZ) 내부의 기압도 함께 하강된다.
광전영역(AZ) 내부의 기압이 충분히 하강되어 제1 기압이 되면, 도 6i에 도시된 바와 같이, 개구부(130)가 수조(220)의 전해질(221) 속에 잠기도록, 고정슬라이더(230)을 이용하여 중간구조물(101)을 이동시킨다. 이때, 전해질(221)에 의해 광전영역(AZ) 내부는 외부로부터 차단된다.
이어서, 도 6j에 도시된 바와 같이, 주입밸브(240)를 열어서 케이스(210) 내부의 기압을 상승시켜 제1 기압보다 높은 제2 기압 분위기를 조성한다. 이때, 광전영역(AZ) 내부는 외부보다 낮은 기압 분위기이므로, 제1 기압과 제2 기압 사이의 기압 차이로 인하여, 수조(220)의 전해질(221)이 광전영역(AZ) 내부로 주입된다. 이때, 기압 차이로 인한 압력을 받아, 전해질이 광전영역(AZ) 내부에 충분히 높은 확산도로 확산될 수 있다. 이로써, 도 6k에 도시된 바와 같이, 광전영역(AZ) 내에 전해질(160)이 충진된다.
이후, 도 6l에 도시된 바와 같이, 제1 기판(110)과 제2 기판(120)의 측면에 제2 실링층(141)을 형성하여, 개구부(130)를 봉하여, 전해질(160)로 충진된 광전영역(AZ)을 봉지한다. (S150)
이상과 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 광전영역(AZ) 내부와 외부 사이의 기압 차이에 따른 압력으로 전해질이 광전영역(AZ) 내에 종래보다 높은 확산도로 확산될 수 있으므로, 소자의 광전변환효율이 향상될 수 있다.
아래의 표 1 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 광전소자의 광특성을 비교예의 광특성과 비교하여 나타낸 것이다.
Figure pat00001
표 1에서, JSC는 광에너지에 의해 소자 내에 발생된 단위 면적당 전류밀도(도 7에서 세로축에 해당됨)이고, VOC는 소자의 두 전극 사이의 전압(도 7에서 가로축에 해당됨)이다. 그리고 Efficiency는 단위 면적당 전류밀도 및 전압에 따른 소자의 광전변환효율이다.
표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광전소자는 비교예보다 높은 단위면적당 전류밀도 및 전압을 발생시킴에 따라, 광전변환효율이 0.06%만큼 향상된 것을 알 수 있다. 이는, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광특성그래프(도 7에서 적색으로 표시됨)는 대부분의 전압에서 비교예(도 7에서 흑색으로 표시됨)보다 높은 전류밀도를 나타내는 것으로도 확인할 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: 광전소자 110: 제1 기판
112: 제1 전극 120: 제2 기판
122: 제2 전극 123: 가속층
130: 개구부 140: 제1 실링층
141: 제2 실링층 150: 염료활성층
151: 나노입자 152: 염료
160: 전해질 170: 내부커넥터
AZ: 광전영역 200: 챔버

Claims (10)

  1. 제1 전극을 포함하고 투과성을 갖는 제1 기판;
    상기 제1 전극에 대향하는 제2 전극을 포함하는 제2 기판;
    상기 제1 기판과 제2 기판 사이 영역의 가장자리 중 일측에 대응하는 개구부;
    상기 제1 기판과 제2 기판 사이의 광전영역의 외곽 중에서 상기 개구부를 제외한 나머지 부분에 형성되어, 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 상기 광전영역을 정의하고, 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 합착하는 제1 실링층;
    상기 제1 전극 상의 상기 광전영역에 형성되고, 상기 제1 전극을 투과한 광에너지를 흡수하여 전자를 생성하는 염료활성층;
    상기 개구부를 통해 상기 광전영역 내에 충진되는 전해질; 및
    상기 전해질로 충진된 광전영역이 봉지되도록, 상기 제1 실링층에 의해 합착된 상기 제1 기판과 제2 기판의 일측면에 상기 개구부를 가로막는 형태로 형성되는 제2 실링층을 포함하는 광전소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 염료활성층은
    상기 제1 전극 상에 나란하게 배열되는 복수의 나노입자; 및
    상기 복수의 나노입자 각각의 표면에 흡착되어 형성되고, 상기 광에너지에 반응하면 산화되어 전자를 방출하는 염료를 포함하는 광전소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 나노입자는 산화물로 형성되는 광전소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 실링층은 상기 개구부에 의해 개구된 상기 제1 실링층과 접하는 광전소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전해질은 상기 광전영역의 내부와 외부 사이의 기압 차이를 이용하여 상기 광전영역 내에 확산되는 광전소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기판과 제2 기판 사이에 상기 광전영역이 복수 개로 정의되어, 복수의 셀을 포함하여 이루어지는 광전소자.
  7. 투과성을 갖는 제1 전극을 포함하는 제1 기판과, 제2 전극을 포함하는 제2 기판을 각각 마련하는 단계;
    상기 제1 전극 상의 광전영역에 염료활성층을 형성하는 단계;
    상기 제1 기판과 제2 기판의 가장자리 중 일측에 대응하는 개구부를 제외하고, 상기 제1 기판과 제2 기판 중 어느 하나의 상기 광전영역의 외곽에 제1 실링층을 형성하는 단계;
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 상기 광전영역이 발생되도록, 상기 제1 실링층을 이용하여 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 합착하는 단계;
    상기 개구부를 이용하여 상기 광전영역 내에 전해질을 충진하는 단계; 및
    상기 전해질로 충진된 광전영역이 봉지되도록, 상기 합착된 제1 기판과 제2 기판의 일측면에 상기 개구부를 가로막는 제2 실링층을 형성하는 단계를 포함하는 광전소자의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 광전영역 내에 전해질을 충진하는 단계는,
    액상의 전해질이 수용된 수조를 포함하는 챔버에, 상기 개구부가 상기 수조의 전해질과 마주하도록 상기 합착된 제1 기판과 제2 기판을 배치하는 단계;
    상기 광전영역 내부가 제1 기압을 갖도록, 상기 챔버 내부를 진공상태로 전환하는 단계;
    상기 광전영역을 상기 제1 기압으로 유지한 상태에서, 상기 개구부를 상기 수조의 전해질에 담그는 단계; 및
    상기 챔버 내부가 상기 제1 기압보다 높은 제2 기압을 갖도록 상기 챔버 내부의 진공상태를 해제하여, 상기 제1 기압과 제2 기압 사이의 차이에 따른 압력으로, 상기 개구부를 통해 상기 수조의 전해질을 상기 광전영역 내에 주입하는 단계를 포함하는 광전소자의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 염료활성층을 형성하는 단계는
    상기 제1 전극 상의 상기 광전영역에 산화물로 이루어진 복수의 나노입자를 나란하게 배열하는 단계; 및
    상기 복수의 나노입자 각각의 표면에 염료를 흡착하는 단계를 포함하는 광전소자의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제2 실링층을 형성하는 단계에서, 상기 제2 실링층은 상기 개구부에 의해 개구된 상기 제1 실링층과 접하는 광전소자의 제조방법.
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