KR20120113213A - 색소증감 태양전지에 있어서의 버퍼층의 형성방법 - Google Patents
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Abstract
투명전극(1)과, 대향전극(2)과, 이들 양 전극(1)(2) 사이에 배치되는 전해질층(3)과, 양 전극(1)(2) 사이이면서 투명전극(1)측으로 배치되는 광촉매막(4)을 구비하는 색소증감 태양전지에 있어서의 상기 투명전극(1)과 광촉매막(4)의 사이에 배치되는 버퍼층(5)의 형성방법으로서, 회전대(52)에 의하여 회전되는 투명전극(1)의 표면에, 알코올 용액에 금속 알콕시드를 0.03?5질량% 포함시켜서 이루어지는 혼합용액을 공급해서 스핀코트법에 의하여 도포한 후에, 레이저광의 조사에 의하여 소결시킴으로써 버퍼층을 형성하는 방법이다.
Description
본 발명은 색소증감 태양전지(色素增感 太陽電池)에 있어서의 버퍼층(buffer層)의 형성방법에 관한 것이다.
일반적으로 색소증감형 태양전지는, 글래스판 등의 투명기판(透明基板)상에 투명도전막(透明導電膜)이 형성되어 이루어지는 투명전극(透明電極)과, 마찬가지로 투명기판의 표면에 투명도전막이 형성되어 이루어지는 대향전극(對向電極)과, 이들 양 전극간에 배치되는 요오드계의 전해질층(電解質層)과, 상기 양 전극간이면서 상기 투명전극의 표면에 배치되는 광촉매막(光觸媒膜)으로 구성되고, 또한 이 광촉매막으로서는 산화티탄(TiO2) 등의 금속산화물을 형성한 후에 루테늄(ruthenium) 등의 광증감 색소(光增感 色素)를 염색한 것이 알려져 있다.
그리고 이 구성에 의하면 투명전극과 전해질층이 접촉되어 있기 때문에, 전해질로 액체를 사용한 경우에는 투명전극으로부터 전해질층으로 전자(電子)가 새어나가 버려서 역전류(逆電流)가 발생해 발전효율이 저하한다는 문제가 있었다.
이 문제를 해결하는 것으로서 투명전극과 광촉매막(금속산화물)의 사이에 산화티탄, 산화아연 등의 반도체로 이루어지는 치밀한 막, 소위 버퍼층을 형성함으로써 상기 역전류를 방지하는 방법이 알려져 있다(예를 들면 특허문헌1 참조).
그런데 상기 특허문헌1의 구성에 의하면 반도체막을 형성할 때에 500도 정도의 고온에서 소결(燒結)시킬 필요가 있기 때문에, 투명전극의 기판으로서 경량(輕量)이면서 저렴한 합성수지를 사용할 수 없다는 문제가 있었다.
또 저온에서 버퍼층을 형성하는 방법도 개시되어 있지만, 스퍼터법(sputter法)이나 진공증착(眞空蒸着)을 사용하고 있기 때문에 장치가 대규모이고 고가(高價)가 된다는 문제가 있었다.
그래서 본 발명은, 기판으로서 예를 들면 합성수지 등 고온에 약한 재료를 사용할 수 있는 색소증감 태양전지에 있어서의 버퍼층의 형성방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서 본 발명의 제1측면은, 투명전극과, 대향전극과, 이들 양 전극간에 배치되는 전해질층과, 양 전극간이면서 투명전극측으로 배치되는 광촉매막을 구비하는 색소증감 태양전지에 있어서의 상기 투명전극과 광촉매막 사이에 배치되는 버퍼층의 형성방법으로서,
회전(回轉)되는 투명전극의 표면에, 알코올 용액에 금속 알콕시드(金屬 alkoxide)를 0.03?5질량% 포함시켜서 이루어지는 혼합용액을 공급해서 스핀코트법(spin coat法)에 의하여 도포함과 아울러 또는 도포한 후에, 레이저광의 조사(照射)에 의하여 소결(燒結)시킴으로써 버퍼층을 형성하는 방법이며 또 상기 형성방법에 있어서 투명전극에 기체를 분사하는 방법이다.
또한 본 발명의 제2측면은, 투명전극과, 대향전극과, 이들 양 전극간에 배치되는 전해질층과, 양 전극간이면서 투명전극측으로 배치되는 광촉매막을 구비하는 색소증감 태양전지에 있어서의 상기 투명전극과 광촉매막 사이에 배치되는 버퍼층의 형성방법으로서,
회전되는 투명전극의 표면에, 알코올 용액에 금속 알콕시드를 0.03?5질량% 포함시켜서 이루어지는 혼합용액을 정전 스프레이법(靜電 Spray法) 또는 스프레이법에 의하여 도포함과 아울러 또는 도포한 후에, 레이저광의 조사에 의하여 소결시킴으로써 버퍼층을 형성하는 방법이다.
또한 본 발명의 제3측면은 상기 각 버퍼층의 형성방법에 있어서, 알코올 용액에 금속 알콕시드를 0.03?5질량% 포함시켜서 이루어지는 혼합용액을 투명전극의 표면에 도포할 때에 또는 그 도포막에 레이저광을 조사해서 소결할 때에 환원 가스의 분위기하에서 하는 방법이다.
또한 본 발명의 제4측면은 상기 각 버퍼층의 형성방법에 있어서 레이저광(laser光)의 조사시에 물을 분무(噴霧)하는 방법이다.
상기 버퍼층의 형성방법에 의하면 버퍼층을 투명전극에 형성할 때에, 알코올 용액에 금속 알콕시드를 0.03?5질량% 포함시켜서 이루어지는 혼합용액을 투명전극의 표면에 도포함과 아울러 또는 도포한 후에 이 도포막에 레이저광을 조사해서 순간적으로 소결시키도록 했으므로, 즉 전극 전체를 가열할 필요가 없기 때문에 투명전극의 기판 재료로서 합성수지 등의 내열성이 낮은 재료를 사용할 수 있다. 따라서 태양전지 그 자체의 경량화 및 저가격화를 도모할 수 있고, 게다가 기판 전체를 가열할 필요가 없으므로 대규모의 가열장치를 필요로 하지 않아서 제조설비 비용의 절감화도 도모할 수 있다.
또한 알코올 용액에 금속 알콕시드를 0.03?5질량% 포함시켜서 이루어지는 혼합용액을 투명전극의 표면에 도포할 때에 또는 그 도포막에 레이저광을 조사해서 소결할 때에, 환원 가스의 분위기하에서 함으로써 버퍼층의 전기적 특성(도전성)이 좋아져 발전효율이 향상한다.
도1은 본 발명의 실시형태1에 관한 색소증감 태양전지의 기본구성을 나타내는 단면도다.
도2는 동(同) 실시형태1에 관한 버퍼층의 형성방법의 실시예를 설명하는 측면도다.
도3은 동 실시형태1에 관한 색소증감 태양전지의 제조방법을 설명하는 개략적인 단면도다.
도4는 동 실시형태1에 관한 버퍼층의 형성방법의 실시예를 설명하는 측면도다.
도5는 본 발명의 실시형태2에 관한 버퍼층의 형성방법을 설명하는 단면도다.
도2는 동(同) 실시형태1에 관한 버퍼층의 형성방법의 실시예를 설명하는 측면도다.
도3은 동 실시형태1에 관한 색소증감 태양전지의 제조방법을 설명하는 개략적인 단면도다.
도4는 동 실시형태1에 관한 버퍼층의 형성방법의 실시예를 설명하는 측면도다.
도5는 본 발명의 실시형태2에 관한 버퍼층의 형성방법을 설명하는 단면도다.
[실시형태1]
이하에 본 발명의 실시형태1에 관한 색소증감 태양전지에 있어서의 버퍼층의 형성방법을 도면에 의거하여 설명한다.
우선 본 실시형태1에 관한 색소증감 태양전지의 개략적인 구성을 도1에 의거하여 설명한다.
이 색소증감 태양전지는 도1에 나타나 있는 바와 같이 부극(負極)으로서의 투명전극(1)과, 정극(正極)으로서의 대향전극(2)과, 이들 양 전극(1, 2) 사이에 배치되는 전해질층(3)과, 양 전극(1, 2) 사이이면서 투명전극(1)측으로 배치되는 광촉매막(광촉매층이기도 하다)(4)이 구비되고, 또한 상기 투명전극(1)과 광촉매막(4)의 사이에 산화티탄, 산화아연 등으로 이루어지는 두께 수nm?수십nm 정도의 버퍼층(5)이 설치되어 전자의 역류가 방지되어 있다.
상기 투명전극(1)은 투명기판(11) 및 이 투명기판(11)의 표면에 형성된 투명도전막(12)으로 구성되어 있다. 상기 대향전극(2)은 투명기판(21) 및 이 투명기판(21)의 표면에 형성된 투명도전막(22)으로 구성되어 있다.
상기 각 투명기판(11, 21)으로서는 합성수지판, 글래스판 등이 적절하게 사용되지만, 경량화 및 저가격화의 점에서 폴리에틸렌?나프탈레이트(PEN)필름 등의 열가소성 수지(熱可塑性 樹脂)가 바람직하다. 또 폴리에틸렌?나프탈레이트 이외에 폴리에틸렌?테레프탈레이트(polyethylene?terephthalate), 폴리에스테르(polyester), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리올레핀(polyolefin) 등을 사용할 수도 있다.
또한 투명도전막(12, 22)으로서 바람직하게는 주석첨가 산화인듐(ITO)이 사용되고, 이밖에 불소첨가 산화주석(FTO), 산화주석(SnO2), 인듐아연산화물(IZO), 산화아연(ZnO) 등의 도전성 금속산화물(導電性 金屬酸化物)을 포함하는 박막(薄膜)을 사용할 수 있다.
상기 전해질층(3)으로서는 예를 들면 요오드계 전해액이 사용된다. 구체적으로는 요오드, 요오드화물 이온, 터셔리부틸피리딘(tert-butylpyridine) 등의 전해질성분이, 에틸렌카보네이트(ethylenecarbonate)나 메톡시아세토니트릴(methoxyacetonitrile) 등의 유기용매에 용해된 것이 사용된다. 또 전해질층(3)은 전해액에 한정되는 것은 아니고 고체 전해질(固體 電解質)이더라도 좋다.
상기 고체 전해질로서는 예를 들면 DMPImI(디메틸프로필이미다조리움요오드화물(dimethylpropylimidazoliumiodide)이 예시되고, 이 외에 LiI, NaI, KI, CsI, CaI2 등의 금속 요오드화물, 테트라알킬암모늄요오드화물(tetraalkylammoniumiodide) 등 4급 암모늄화합물의 요오드염 등의 요오드화물과 I2를 조합시킨 것, LiBr, NaBr, KBr, CsBr, CaBr2 등의 금속취화물(金屬臭化物) 및 테트라알킬암모늄브로마이드(tetraalkylammoniumbromide) 등 4급 암모늄화합물의 브롬염 등의 취화물과 Br2를 조합시킨 것 등을 적절하게 사용할 수 있다.
상기 광촉매막(4)은 광증감 색소(42)가 흡착(吸着)된 산화물 반도체층(酸化物 半導體層)(41)에 의하여 형성되어 있다. 그 제조에 있어서는 광촉매 미립자(光觸媒 微粒子)인 산화물반도체를 포함하는 페이스트를 투명전극(1)의 표면에 도포하고 건조시킨 후에 광증감 색소를 산화물반도체에 흡착시킴으로써 얻어진다.
또한 상기 산화물반도체로서는 산화티탄(TiO2), 산화주석(SnO2), 산화텅스텐(WO3), 산화아연(ZnO), 산화니오브(Nb2O5) 등의 금속산화물이 사용된다. 상기 광증감 색소로서는, 비피리딘 구조(bipyridine 構造) 또는 터피리딘 구조(terpyridine 構造)를 포함하는 리간드(Ligand;配位子)를 구비하는 루테늄착물(ruthenium 錯物)이나 철착물(鐵錯物), 포르피린계(porphyrin系)나 프탈로시아닌계(phthalocyanine系)의 금속착물(金屬錯物) 또는 에오신(eosin), 로다민(rhodamine), 메로시아닌(merocyanine), 쿠마린(coumarin) 등의 유기색소 등이 사용된다.
또한 상기 대향전극(2)에 대해서는 투명기판(21)의 표면에 투명도전막(22)을 형성한 것으로서 설명했지만 알루미늄, 구리, 주석 등의 금속시트를 사용할 수도 있다. 이밖에 알루미늄, 구리, 주석 등의 금속 또는 카본제의 메쉬모양 전극에 겔모양 고체 전해질을 지지시킴으로써 상기 대향전극을 구성하더라도 좋다. 또한 투명기판(21)의 한 면에 도전성 접착제층으로 상기 투명기판(21)을 덮도록 형성하고, 접착제층을 사이에 두고, 별도로 형성된 브러시모양 카본나노튜브군(carbon nanotubes群)을 상기 투명기판(21)측에 전사(轉寫)함으로써 대향전극(2)을 구성하더라도 좋다.
여기에서 상기 투명전극(1)의 표면에 버퍼층(5)을 형성하는 방법에 대해서 설명한다.
도2에 나타나 있는 바와 같이 우선 투명전극(1)을 예를 들면 전동기(51)에 의하여 회전되는 회전대(52)상에 재치(載置)한 후에, 전동기(51)에 의하여 회전대(52)를 회전시켜서 상기 투명전극(1)을 수평면내에서 소정의 회전속도로 회전시킨다. 다음에 회전되고 있는 투명전극(1)의 표면(정확하게는 투명도전막의 표면)의 중심부에, 알코올 용액에 금속 알콕시드를 0.03?5질량% 포함시켜서 이루어지는 혼합용액을 액체 공급노즐(53)로부터 공급해서 스핀코트법에 의하여 도포해서 얇은 막(이하, 도포막이라고 한다)을 형성한다. 이 투명전극(1)의 회전속도는 50?5000rpm의 범위가 됨과 아울러 회전시간에 대해서는 5?300초의 범위에서 이루어진다.
그리고 도포막의 형성후에 레이저광을 조사해 투명전극(1)의 표면을 소결시켜서 버퍼층(5)을 형성한다.
이와 같이 버퍼층(5)을 형성할 때에 레이저광을 사용해서 순간적으로 소결을 하므로 투명전극(1)이 전체적으로 고온이 되는 것이 방지된다. 즉 기판 전체가 가열되는 일이 없으므로 내열성이 낮은 재료 예를 들면 합성수지(소위 플라스틱)를 사용할 수 있다.
다음에 상기 투명전극(1)의 표면에 정확하게는 버퍼층(5)의 표면에 광도전막(光導電膜)(4)을 형성하는 방법에 대해서 설명해 둔다.
즉 광촉매 미립자인 산화티탄을 그 전구체(前驅體)인 금속 알콕시드(티탄 알콕시드다)용액에 혼합해서 이루어지는 혼합용액을, 버퍼층(5)의 표면에 균일하게 스프레이에 의하여 도포한 후에, 이 도포막에 레이저광을 조사해(즉 도포면측으로부터 조사해) 소결시켜서 산화물 반도체층(41)을 형성한다. 그리고 이 산화물 반도체층(41)을 광증감 색소(42)를 포함하는 침지액(浸漬液)에 담그고 동(同) 색소를 흡착시킨 후에 건조시킨다. 이 후에 소성을 하는 것이 바람직하다. 또 광증감 색소로서는 예를 들면 비피리딘 구조, 터피리딘 구조 등을 포함하는 리간드를 구비하는 루테늄착물이나 철착물, 포르피린계나 프탈로시아닌계의 금속착물, 또한 에오신, 로다민, 메로시아닌, 쿠마린 등의 유기색소를 사용할 수 있다.
상기의 설명에서는 광촉매 미립자인 산화티탄과 그 전구체의 혼합용액으로 했지만, 그 외에 광촉매 미립자와, 용매(예를 들면 알코올 용액)나 증점제(增粘劑) 등으로 이루어지는 것, 또한 광촉매 미립자와, 저급 알코올(低級 alcohol)이나 소량의 물로 이루어지는 것이라도 좋고, 또한 광촉매 미립자와, 폴리에틸렌글리콜(polyethyleneglycol)이나 증류수 또는 산성수용액으로 이루어지는 것이더라도 좋다.
또 광도전막(4)의 형성에 있어서도 레이저광을 사용해서 순간적으로 소결을 하므로, 버퍼층의 형성시와 같이 투명전극(1)이 전체적으로 고온이 되는 것이 방지된다.
여기에서 상기 색소증감 태양전지의 개략적인 조립작업을 도3에 의거하여 설명한다. 우선 상기한 바와 같이 투명전극(1)의 표면에 알코올 용액에 금속 알콕시드를 0.03?5질량% 포함시켜서 이루어지는 혼합용액을 스핀코트법에 의하여 공급해 도포한 후에 레이저광에 의하여 소결시켜서 버퍼층(5)을 형성한다. 다음에 이 버퍼층(5)이 형성된 투명전극(1)의 버퍼층(5)측 표면에 광촉매막(4)을 형성한다. 또한 이 광촉매막(4)이 형성된 투명전극(1)과 대향전극(2)을 얼라인먼트(alignment) 한 후에 양 전극(1, 2) 사이를 열융착필름 등의 봉지재(封止材;encapsulant)(6)에 의하여 밀봉한다. 그리고 투명전극(1) 또는 대향전극(2)에 미리 형성해 둔 구멍이나 간극으로부터, 액체의 전해질을 양 전극(1, 2) 사이에 주입함으로써 전해질층(3)을 형성하면 좋다.
또 고체 전해질을 사용하는 경우에는, 양 전극(1, 2) 사이에 광촉매막(4) 및 전해질층(3)이 삽입되도록 포갠 후에 그 가장자리 부분 상호간을 가열해 접착하면 좋다. 이 가열은 금형에 의하여 해도 좋고, 플라즈마(파장이 긴 것), 마이크로파, 가시광선(600nm 이상)이나 적외선 등의 에너지빔의 조사에 의하여 이루어져도 좋다.
또한 상기의 설명에 있어서는 투명전극의 표면에 도포막을 형성한 후에 레이저광을 조사하도록 했지만 혼합용액을 도포하면서 레이저광을 조사하더라도 좋다.
상기한 버퍼층의 형성방법에 의하면 버퍼층을 투명전극의 표면에 형성할 때에, 알코올 용액에 금속 알콕시드를 0.03?5질량% 포함시켜서 이루어지는 혼합용액을 투명전극의 표면에 도포한 후에 또는 도포함과 아울러 이 도포막에 레이저광을 조사해서 순간적으로 소결시키도록 했으므로, 즉 전극 전체를 가열할 필요가 없기 때문에 투명전극의 기판 재료로서 합성수지 등의 내열성이 낮은 재료를 사용할 수 있다. 따라서 태양전지 그 자체의 경량화 및 저가격화를 도모할 수 있고, 게다가 기판 전체를 가열할 필요가 없으므로 대규모의 가열장치를 필요로 하지 않기 때문에 제조설비 비용의 절감화도 도모할 수 있다.
(실시예1)
이하 상기 실시형태1을 더 구체적으로 나타낸 실시예1에 관한 색소증감 태양전지에 있어서의 버퍼층의 형성방법에 대해서 설명한다.
본 실시예1에서는 우선 시판되는 PEN-ITO필름에, 알코올 용액에 금속 알콕시드를 포함시켜서 이루어지는 혼합용액을 스핀코트법에 의하여 소정의 막두께로 도포했다.
이 도포해야 할 혼합용액(이하, 도포용액이 라고도 한다)으로서는, 티탄(IV)이소프로폭시드(TTIP) 0.20g을 프로판올(propanol) 37.50g에 용해시킨 것이다.
또한 스핀코트의 회전에 대해서는, 초속(初速)을 500rpm으로 5분간 하고 종속(終速)을 4000rpm으로 60초간 함으로써 막두께가 약5nm인 도포막을 얻었다. 그리고 이 도포막에 레이저광을 조사해서 소결을 함으로써 버퍼층을 얻었다.
단지 도포용액에 대해서는 이들에 한정되는 것이 아니고, 예를 들면 티탄테트라에톡시드(titaniumtetraethoxide)나, 사염화 티탄(四鹽化 titanium), 수산화티탄(titaniumhydroxide) 등을 사용할 수 있다.
또한 금속 알콕시드에 있어서의 금속종(金屬種)에 관해서도, 산화티탄에 한정되는 것이 아니라 산화아연, 산화니오브, 산화텅스텐 등을 사용할 수 있다.
또한 금속 알콕시드를 용해시키는 알코올에 관해서도, 프로판올에 한정되는 것이 아니고, t-부틸알코올, 에톡시에탄올(ethoxyethanol)이나 에탄올(ethanol) 등을 사용할 수 있다.
또한 상기 혼합용액은 대기 중에서 방치하면 저절로 가수분해가 진행되므로, 안정된 성능을 유지하기 위해서 가수분해를 억제하는 목적에서 디에탄올아민(diethanolamine)이나 아세틸아세톤(acetylacetone) 등을 가하여도 좋다.
여기에서, 사용되는 레이저광에 대해서 설명한다.
이 레이저광으로서는 가시광선 영역(可視光線 領域)?근적외선영역(近赤外線 領域)(700nm?1100nm)의 것이 사용되고, 구체적으로는 Nd:YAG레이저(1064nm)나 Nd:YVO4레이저(1064nm) 또는 Ti:사파이어 레이저(650-1100nm), Cr:LiSAF레이저(780-1010nm), 알렉산드라이트 레이저(700-820nm)와 같은 파장가변 레이저(波長可變 laser)를 적용할 수 있다.
또 상기 레이저광의 조사장치(도면에는 나타내지 않는다)에는 갈바노 스캐너(galvano scanner)가 구비되어 있어, 레이저 조사위치를 자유롭게 변경할 수 있는 것이다.
(실시예2)
다음에 실시예2에 관한 색소증감 태양전지에 있어서의 버퍼층의 형성방법에 대해서 설명한다.
본 실시예2에 관한 버퍼층의 형성방법은 상기한 실시예1과 마찬가지로 스핀코트법을 사용하고, 도4에 나타나 있는 바와 같이 기체공급 노즐(54)로부터 투명전극(1)의 표면에 기체로서 공기를 분사하도록 한 것이다. 구체적으로는 회전중심으로부터 그 가장자리 부분으로 순차적으로 이동하면서 공기를 분사할 수 있다. 이 공기의 분사에 의하여 투명전극(1)의 주변부에 도포액이 고이는 것을 방지할 수 있음과 아울러 투명전극 표면이 거친 것(특히 합성수지판)이더라도 혼합용액을 얇으면서 균일하게 도포할 수 있기 때문에 전체에 걸쳐서 균일하고 두께가 얇은 버퍼층(5)을 형성할 수 있다. 또 상기 기체는 공기에 한정되지 않고, 도포하는 혼합용액과 반응하지 않는 것이면 좋다.
그리고 이 도포막에 레이저광을 조사해서 금속 알콕시드를 소결시켜서 버퍼층을 형성하면 좋다.
상기한 실시예의 방법으로 버퍼층을 형성한 것을 사용하여 막두께가 수μm 정도인 6mm×6mm의 색소증감 태양전지를 제작하면, AM이 1.5, 100mW/cm2의 표준광원조사(標準光源照射)에 의하여 전력변환효율을 계측한 결과, 버퍼층을 형성하지 않은 경우에는 전류밀도가 5.64mA/cm2, 개방전압이 0.71V, 필팩터가 0.69, 변환효율이 2.77%이었던 것에 대해서, 버퍼층을 부가하고 또한 레이저광을 조사하지 않은 경우에는 전류밀도는 7.18mA/cm2, 개방전압은 0.74V, 필팩터는 0.60, 변환효율은 3.23%였고, 버퍼층을 부가하고 또한 레이저광을 조사하였을 경우에는 전류밀도는 7.82mA/cm2, 개방전압은 0.75V, 필팩터는 0.69, 변환효율은 3.93%이었다.
[실시형태2]
다음에 본 발명의 실시형태2에 관한 색소증감 태양전지에 있어서의 버퍼층의 형성방법을 도5에 의거하여 설명한다.
상기한 실시형태1에 관한 버퍼층의 형성방법에 있어서는 혼합용액을 투명전극의 표면에 도포할 때에 스핀코트법을 사용한 것에 대해서, 본 실시형태2에 관한 버퍼층의 형성방법에 의하여 정전 스프레이법을 사용한 것이므로 실시형태1과 동일한 구성부재에 대해서는 동일한 부재번호를 붙여서 간단하게 설명한다.
즉 이 정전 스프레이법은 도5에 나타나 있는 바와 같이 투명전극(1)을 향해서 용액을 분무하는 분무 노즐(61)의 중심에 바늘모양전극(62)을 배치함과 아울러, 이 바늘모양전극(62)과, 투명전극(1)을 재치하는 인가용 전극(63)의 사이에 소정의 전압의 직류전원(64)을 접속하고, 분무시에 바늘모양전극(62)측에 정의 전압을 인가함으로써 분무액을 대전(帶電)시켜서 부의 인가용 전극(63)상에 배치된 투명전극(1)의 표면에 분무해서 부착되게 하는 방법이다. 상기 투명전극(1)은 평면이동장치(65)상에 재치되어서 임의의 위치로 이동할 수 있도록 구성되어 있다.
또 본 실시형태2에서는 시판되는 PEN-ITO필름에, 알코올 용액에 금속 알콕시드를 포함시켜서 이루어지는 혼합용액이 정전 스프레이법에 의하여 소정의 막두께로 도포된다. 이 도포해야 할 혼합용액으로서, 티탄(IV)이소프로폭시드(TTIP) 0.05g을 프로판올 99.95g에 용해시킨 것이 사용된다.
상기 정전 스프레이법에 의한 도포조건으로서는, 분무 노즐의 종류, 도포용액의 점도, 무화공기압(霧化空氣壓), 패턴폭(pattern幅), 토출량(吐出量), 토출압(吐出壓), 노즐 이동속도, 중첩폭(重疊幅), 분무 노즐과 투명전극의 거리, 인가전압(印加電壓) 등을 들 수 있지만 이들의 조건은 사용하는 기기에 의하여 달라지기 때문에 원하는 막두께가 얻어지도록 적절하게 도포조건이 선택된다.
본 실시형태2에서는 예를 들면 2류체 분무 노즐(二流體 噴霧 nozzle)을 사용하고, 무화공기압을 0.2MPa, 토출량을 10g/min, 분무 노즐과 투명전극의 거리를 20cm, 인가전압을 20kV, 노즐 이동속도를 300m/min으로 했다.
그리고 분무 스프레이법에 의한 도포막의 형성후에 레이저광을 조사해서 소결을 하고 두께가 6?7nm 정도의 버퍼층(5)을 얻었다.
상기한 실시형태2의 형성방법에 의하여 버퍼층을 형성한 것을 사용하여 막두께가 수μm 정도인 6mm×6mm의 색소증감 태양전지를 제작하면, AM이 1.5, 100mW/cm2의 표준광원조사에 의하여 전력변환효율을 계측한 결과, 전류밀도는 7.27mA/cm2, 개방전압은 0.76V, 필팩터는 0.74, 변환효율은 3.96%이었다. 또 버퍼층을 형성하지 않은 경우에는 실시형태1의 실시예2에서 설명한 바와 같다.
또한 본 실시형태2에 있어서는 정전 스프레이법을 사용했지만, 정전기를 사용하지 않는 단순한 스프레이법을 사용하여 혼합용액을 도포할 수도 있다.
그런데 상기 각 실시형태에 있어서는 버퍼층을 형성할 때에 투명전극의 표면에 혼합용액을 도포한 후에, 레이저광을 조사해서 소결시키는 것으로서 설명했지만 혼합용액을 도포하면서 레이저광을 조사하도록 하더라도 좋다. 이렇게 함으로써 용액의 도포, 건조, 소결을 동시에 할 수 있고 또 산화티탄의 결정화(結晶化)도 일어나기 쉬워진다.
또 본 실시형태2에 관한 버퍼층의 형성방법을 간단하게 설명하면 이하와 같다.
즉 이 버퍼층의 형성방법은, 투명전극과, 대향전극과, 이들 양 전극간에 배치되는 전해질층과, 양 전극간이면서 투명전극측으로 배치되는 광촉매막을 구비하는 색소증감 태양전지에 있어서의 상기 투명전극과 광촉매막 사이에 배치되는 버퍼층의 형성방법으로서,
평면이동장치(平面移動裝置)에 의하여 임의의 위치로 이동할 수 있는 투명전극의 표면에, 알코올 용액에 금속 알콕시드를 0.03?5질량% 포함시켜서 이루어지는 혼합용액을 스프레이법 또는 정전 도포법에 의하여 도포함과 아울러 또는 도포한 후에, 레이저광의 조사에 의하여 소결시킴으로써 버퍼층을 형성하는 방법이다.
또 상기한 설명에서는 투명전극을 평면이동장치에 의하여 임의의 위치로 이동할 수 있는 구성으로 했지만, 투명전극을 전동기에 의하여 회전되는 회전대의 상에 재치하고 회전시키도록 한 구성이더라도 좋다.
또한 상기한 방법에 있어서 레이저광에 의한 소결을 할 때에, 정전 스프레이법에 의하여 형성한 버퍼층의 표면에, 다른 분무 노즐로부터 물을 분무하는 동시에 이 분무된 장소에 레이저광을 조사하도록 하더라도 좋다.
이 버퍼층의 형성방법에 의하면 버퍼층을 형성하지 않은 경우에는, 전류밀도가 6.64mA/cm2, 개방전압이 0.71V, 필팩터가 0.69, 변환효율이 2.77%이었던 것에 대해서, 전류밀도는 6.45mA/cm2, 개방전압은 0.72V, 필팩터는 0.72, 변환효율은 3.34%이었다.
이와 같이 함으로써 광촉매 미립자와 그 전구체(금속 알콕시드)로 이루어지는 혼합용액의 가수분해가 촉진되어, 버퍼층의 결정성이 높아지고 발전효율을 향상시킬 수 있다.
[실시형태3]
다음에 본 발명의 실시형태3에 관한 색소증감 태양전지에 있어서의 버퍼층의 형성방법에 대해서 설명한다.
상기한 각 실시형태에 관한 버퍼층의 형성방법에 있어서는, 혼합용액을 투명전극의 표면에 도포할 때에 스핀코트법 또는 정전 스프레이법을 사용하도록 설명했지만, 본 실시형태3에 관한 버퍼층의 형성방법에 의하여 버퍼층의 형성시 즉 도장시 또는 레이저광에 의한 소결시에, 투명전극의 표면에 질소 가스, 아르곤 가스 등 버퍼층과 반응하지 않는 환원 가스를 분사하거나 또는 그 주위를 환원 가스 분위기하에 두도록 한 것이다.
상기한 바와 같이 혼합용액의 도포시에 환원 가스 분위기하에 두도록 했으므로 보통 버퍼층을 대기 중에서 레이저 소결하면 산화막(酸化膜)(예를 들면 TiO2막)이 되지만, 환원 가스 분위기하에 둠으로써 TiO나 TiOx막과 같은 조성막(造成膜)이 존재함으로써 전기적 특성(도전성)이 좋아져 발전효율이 향상된다. 또 혼합용액의 도포후에 환원 가스 분위기하에서 레이저 소결을 하는 경우에서도 마찬가지이다.
또한 본 실시형태3에서는 시판되는 PEN-ITO필름에, 알코올 용액에 금속 알콕시드를 포함시켜서 이루어지는 혼합용액이 정전 스프레이법에 의하여 소정의 막두께로 도포된다. 이 도포해야 할 혼합용액으로서, 티탄(IV)이소프로폭시드(TTIP) 0.03g을 프로판올 99.95g에 용해시킨 것이 사용된다.
이 형성방법에 의하여 형성된 버퍼층을 사용하여 막두께가 수μm 정도의 6mm×6mm의 색소증감 태양전지를 제작하면, AM이 1.5, 100mW/cm2의 표준광원조사에 의하여 전력변환효율을 계측한 결과, 전류밀도는 8.51mA/cm2, 개방전압은 0.71V, 필팩터는 0.66, 변환효율은 4.03%이었다. 또 버퍼층을 형성하지 않은 경우에는 실시형태1의 실시예2에서 설명한 바와 같다.
또한 본 실시형태3에 관한 버퍼층의 형성방법을 간단하게 설명하면 이하와 같다.
이 버퍼층의 형성방법은 투명전극과, 대향전극과, 이들 양 전극간에 배치되는 전해질층과, 양 전극간이면서 투명전극측으로 배치되는 광촉매막을 구비하는 색소증감 태양전지에 있어서의 상기 투명전극과 광촉매막 사이에 배치되는 버퍼층의 형성방법으로서,
평면이동장치에 의하여 임의의 위치로 이동할 수 있는 투명전극의 표면에, 알코올 용액에 금속 알콕시드를 0.03?5질량% 포함시켜서 이루어지는 혼합용액을 스프레이법 또는 정전 도포법에 의하여 도포함과 아울러 또는 도포한 후에, 레이저광의 조사에 의하여 소결시킴으로써 버퍼층을 형성하고,
또한 상기 혼합용액을 투명전극의 표면에 도포할 때에 또는 그 도포막에 레이저광을 조사해서 소결할 때에, 질소 가스의 분위기하에 두도록 하는 방법이다.
또 상기한 설명에서는 투명전극을 평면이동장치에 의하여 임의의 위치로 이동할 수 있는 구성으로 했지만, 투명전극을 전동기에 의하여 회전되는 회전대의 상에 재치하고, 회전시키도록 한 구성이더라도 좋다.
1 : 투명전극
2 : 대향전극
3 : 전해질층
4 : 광촉매막
5 : 버퍼층
11, 21 : 투명기판
12, 22 : 투명도전막
41 : 산화물 반도체층
42 : 광증감 색소
51 : 전동기
52 : 회전대
53 : 액체 공급노즐
2 : 대향전극
3 : 전해질층
4 : 광촉매막
5 : 버퍼층
11, 21 : 투명기판
12, 22 : 투명도전막
41 : 산화물 반도체층
42 : 광증감 색소
51 : 전동기
52 : 회전대
53 : 액체 공급노즐
Claims (6)
- 투명전극(透明電極)과, 대향전극(對向電極)과, 이들 양 전극간에 배치되는 전해질층(電解質層)과, 양 전극간이면서 투명전극측으로 배치되는 광촉매막(光觸媒膜)을 구비하는 색소증감 태양전지(色素增感 太陽電池)에 있어서의 상기 투명전극과 광촉매막 사이에 배치되는 버퍼층(buffer層)의 형성방법으로서,
회전(回轉)되는 투명전극의 표면에, 알코올 용액(alcohol 溶液)에 금속 알콕시드(金屬 alkoxide)를 0.03?5질량% 포함시켜서 이루어지는 혼합용액을 공급해서 스핀코트법(spin coat法)에 의하여 도포함과 아울러 또는 도포한 후에, 레이저광의 조사에 의하여 소결시킴으로써 버퍼층을 형성하는 것을 특징으로 하는 색소증감 태양전지에 있어서의 버퍼층의 형성방법.
- 제1항에 있어서,
투명전극에 기체를 분사하는 것을 특징으로 하는 색소증감 태양전지에 있어서의 버퍼층의 형성방법.
- 투명전극과, 대향전극과, 이들 양 전극간에 배치되는 전해질층과, 양 전극간이면서 투명전극측으로 배치되는 광촉매막을 구비하는 색소증감 태양전지에 있어서의 상기 투명전극과 광촉매막 사이에 배치되는 버퍼층의 형성방법으로서,
회전되는 투명전극의 표면에, 알코올 용액에 금속 알콕시드를 0.03?5질량% 포함시켜서 이루어지는 혼합용액을 정전 스프레이법(靜電 spray法) 또는 스프레이법에 의하여 도포함과 아울러 또는 도포한 후에, 레이저광의 조사에 의하여 소결시킴으로써 버퍼층을 형성하는 것을 특징으로 하는 색소증감 태양전지에 있어서의 버퍼층의 형성방법.
- 제1항 또는 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
알코올 용액에 금속 알콕시드를 0.03?5질량% 포함시켜서 이루어지는 혼합용액을 투명전극의 표면에 도포할 때에 또는 그 도포막에 레이저광을 조사해서 소결할 때에, 환원 가스의 분위기하에서 하는 것을 특징으로 하는 색소증감 태양전지에 있어서의 버퍼층의 형성방법.
- 제1항 또는 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
레이저광의 조사시에 물을 분무하는 것을 특징으로 하는 색소증감 태양전지에 있어서의 버퍼층의 형성방법.
- 제4항에 있어서,
레이저광의 조사시에 물을 분무하는 것을 특징으로 하는 색소증감 태양전지에 있어서의 버퍼층의 형성방법.
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