KR20130110372A - 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 및 그 제조방법 - Google Patents

반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20130110372A
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이재욱
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최도영
이석호
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재단법인 서남권청정에너지기술연구원
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Abstract

본 발명은 염료 감응형 태양전지 광전극 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 TiO2+금속도핑 TiO2 나노섬유 단층구조, TiO2-TiO2 나노섬유 이층구조, TiO2-금속도핑한 나노섬유 이층구조, TiO2-TiO2+TiO2 나노섬유 이층구조, TiO2-TiO2+금속도핑 TiO2 나노섬유 이층구조와 같이 다양한 형태의 광전극을 제공하여 염료의 흡착량을 증가시키고, 발생된 광전자의 이동속도를 향상시켜 높은 전류밀도를 가져오고, 광산란 효과와 전자의 재결합현상을 막아 에너지변환 효율이 향상된 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 및 그 제조방법{DYE-SENSITIZED SOLAR CELL PHOTOELECTRODE CONTAINING SEMICONDUCTOR OXIDE FIBER AND THE MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 염료 감응형 태양전지 광전극 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 TiO2+금속도핑 TiO2 나노섬유 단층구조, TiO2-TiO2 나노섬유 이층구조, TiO2-금속도핑한 나노섬유 이층구조, TiO2-TiO2+TiO2 나노섬유 이층구조, TiO2-TiO2+금속도핑 TiO2 나노섬유 이층구조와 같이 다양한 형태의 광전극을 제공하여 염료의 흡착량을 증가시키고, 발생된 광전자의 이동속도를 향상시켜 높은 전류밀도를 가져오고, 광산란 효과와 전자의 재결합현상을 막아 에너지변환 효율이 향상된 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 및 그 제조방법에 관한 것이다.
염료 감응형 태양전지는 높은 변환 효율과 저비용으로 제조할 수 있는 새로운 타입의 태양전지로, 유기염료와 나노기술을 이용하여 고도의 에너지 효율을 갖도록 개발된 태양전지를 말한다. 염료 감응형 태양전지는 1991년 스위스의 그라첼 교수가 개발하였다. 국내에서는 한국전자통신연구원(ETRI)이 처음으로 10~20㎚ 크기의 산화물 표면에 유기 염료를 흡착해 수십 ㎛의 필름을 만들고 전극화하는데 성공하였다.
염료 감응형 태양전지는 태양빛을 받으면 전기를 생산하는 염료를 이용해 전기를 생산하는 시스템이다. 값싼 유기 염료와 나노 기술을 이용하여 저렴하면서도 고도의 에너지 효율을 갖도록 개발된 태양 전지로 실리콘을 사용하는 기존 태양전지에 비해 제조단가가 3분의1에서 최대 5분의1 수준으로 낮출 수 있다. 특히 유리에 활용했을 때 투명하고 다양한 색 구현이 가능하며, 가시광선을 투과시킬 수 있어 건물의 유리창이나 자동차 유리에 그대로 붙여 사용할 수도 있다.
일반적으로, 염료 감응형 태양전지는 염료의 태양광 흡수 능력을 이용하여 화학적으로 발전을 일으키는 태양전지의 일종으로서, 투명한 유리기판에 금속산화물과 염료가 포함된 광전극, 전해질, 그리고 상대전극 등으로 구성되어 있다. 다공질 막의 형태로 존재하는 광 전극은 TiO2, ZnO, SnO2, WO3와 같은 넓은 밴드갭을 가진 n형 전이금속산화물 반도체로 구성되고, 이 표면에 단 분자 층의 염료가 흡착되어 있다. 태양광이 태양 전지에 입사되면 염료 속의 페르미 에너지 부근의 전자가 태양에너지를 흡수하여 전자가 채워지지 않은 상위 준위로 여기 된다. 이때, 전자가 빠져나간 하위 준위의 빈자리는 전해질 속의 환원된 요오드 이온이 전자를 제공함으로써 다시 채워진다. 염료에 전자를 제공한 이온은 산화되어 광전극으로 이동하여 전자를 제공받게 된다. 이때, 상대전극은 전해질 속에 있는 이온의 산화환원 반응의 촉매로 작용하여 표면에서의 산화 환원 반응을 통하여 전해질 속의 이온에 전자를 제공하는 역할을 한다.
종래의 염료 감응형 태양전지에서는 에너지 변환 효율을 개선시키기 위하여 광전극 부분에 TiO2, ZnO, WO3, SiO2와 같은 물질을 적용하거나 그들의 입자 모양을 구형 모양이나 막대 형태를 제조하고 결정상을 바꾸는 방법을 적용하였으나 이와 같은 광전극 물질에 대한 개선 방법은 에너지 변환효율을 높이는데 한계가 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 대한민국 등록특허공보 10-1086631호(산화티타늄 나노섬유가 첨가된 염료 감응형 태양전지의 광전극 및 그 제조방법)가 개발되어 등록되었다.
상기 산화티타늄 나노섬유가 첨가된 염료 감응형 태양전지의 광전극 및 그 제조방법은 티타늄 이소프로폭시드에 아세트산과 에탄올을 첨가하여 교반한 후, 고분자 용액을 첨가하여 전기방사 용액을 제조하는 단계; 상기 전기방사용액을 전기방사하여 고분자/산화티타늄 나노섬유를 제조하는 단계; 상기 고분자/산화티타늄 나노섬유를 소성하여 산화티타늄 나노섬유를 제조하는 단계; 졸-겔 방법으로 합성된 산화티타늄 페이스트에 상기 산화티타늄 나노섬유를 첨가하여 산화티타늄 코팅액을 제조하는 단계; 및 상기 산화티타늄 코팅액을 ITO 또는 FTO 처리된 기판에 코팅한 후 열처리하여 광전극을 제조하는 단계로 이루어져 높은 비표면적을 갖게 되어 염료의 흡착량을 증진시킴으로써 많은 광전자를 발생시킬 수 있는 광전극을 제조할 수 있고, 고효율의 염료 감응형 태양전지를 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 대한민국 공개특허공보 10-2012-0010533호(TiO2 나노섬유가 포함된 무소결 TiO2 전극의 제조방법 및 이에 의해 제조된 TiO2)가 개발되어 출원되었다.
상기 TiO2 나노섬유가 포함된 무소결 TiO2 전극의 제조방법 및 이에 의해 제조된 TiO2는 TiO2 입자를 준비하는 제1단계와; 상기 TiO2 입자와 용매를 혼합 분산시켜 TiO2 분산액을 제조하는 제2단계와; 상기 TiO2 분산액에 바인더를 첨가하여 TiO2 졸겔 페이스트를 제조하는 제3단계와; 상기 TiO2 졸겔 페이스트를 기판 상에 도포하여 제1전극층을 형성하는 제4단계와; 상기 제1전극층 상층에 TiO2 나노섬유 종이를 위치시키는 제5단계와; 상기 TiO2 나노섬유 상층에 상기 TiO2 졸겔 페이스트를 재도포하여 제2전극층을 형성하고 압착하는 제6단계;를 포함하여 이루어지며, 전극 제조 공정에서 소결 과정이 포함되지 않아 비용적, 시간적으로 경제적이고, 유연 기판의 적용에도 문제가 없으며, 또한, 전극 제조시 TiO2 나노섬유 종이를 중간에 삽입함으로써 복합 재료 효과를 나타내어, 전자 이동 통로를 제공함과 동시에 기계적 강도를 증가시켜 전극의 갈라짐 현상을 방지하여 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
그러나, 이러한 종래의 염료 감응형 태양전지의 광전극 및 그 제조방법은 염료의 흡착량이 상대적으로 떨어지고, 광산란 효과와 전자의 재결합현상이 발생하여 에너지변환 효율이 상대적으로 떨어지는 문제점이 있다.
선행기술 1 대한민국 등록특허공보 10-1086631호 선행기술 2 대한민국 공개특허공보 10-2012-0010533호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, TiO2+금속도핑 TiO2 나노섬유 단층구조, TiO2-TiO2 나노섬유 이층구조, TiO2-금속도핑한 나노섬유 이층구조, TiO2-TiO2+TiO2 나노섬유 이층구조, TiO2-TiO2+금속도핑 TiO2 나노섬유 이층구조와 같이 다양한 형태의 광전극을 제공하여 염료의 흡착량을 증가시키고, 발생된 광전자의 이동속도를 향상시켜 높은 전류밀도를 가져오고, 광산란 효과와 전자의 재결합현상을 막아 에너지변환 효율이 향상된 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법에 있어서, 상면에 전도성 박막층이 형성된 투명 전도성 기판을 준비하는 제 1공정과; 상기 전도성 박막층의 상면에 기제조된 금속도핑 산화티타늄 나노섬유가 함유된 산화티타늄 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 광전극층을 형성하는 제 2공정으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 금속도핑 산화티타늄 나노섬유는 전구체 물질에 아세트산과 에탄올을 첨가하여 교반한 후, 고분자 물질을 첨가하여 균질의 합성 용액을 제조하는 합성 용액 제조 공정과; 상기 합성 용액을 전기 방사하여 산화티타늄 나노섬유를 생성하는 나노 섬유 생성 공정과; 상기 산화티타늄 나노섬유가 생성된 합성 용액에 금속도핑을 위해 금속 용액을 0.5~2%(몰비)로 혼합하는 금속도핑 공정; 및 금속도핑 산화티타늄 나노섬유를 소성하는 소성 공정을 통해 제조된다.
여기에서 또한, 상기 전구체 물질은 TIP, TiCl4, Ti(OBu)4 중 선택된 어느 하나이다.
여기에서 또, 상기 고분자 물질은 PVP, PMMA, PVA, PVAc, PS, PEO, CA중 선택된 어느 하나이다.
여기에서 또, 상기 금속은 Ag, Fe, Pt, Au, Co, Cu, V, Ni, Ce, Nd, Zn, Nb 중 선택된 어느 하나이다.
여기에서 또, 상기 금속도핑 산화티타늄 나노섬유가 함유된 산화티타늄 페이스트는 페이스트 총중량을 기준으로 상기 금속도핑 산화티타늄 나노섬유가 1~30%중량 혼합된다.
여기에서 또, 상기 산화티타늄 페이스트는 졸-겔 방법, 수열합성방법, 마이크로웨이브 방법으로 합성된다.
본 발명의 다른 특징은,
염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법에 있어서, 상면에 전도성 박막층이 형성된 투명 전도성 기판을 준비하는 제 A공정과; 상기 전도성 박막층의 상면에 산화티타늄 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 제 1광전극층을 형성하는 제 B공정; 및 상기 제 1광전극층의 상면에 금속도핑 산화티타늄 나노섬유 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 제 2광전극층을 형성하는 제 C공정으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 금속도핑 산화티타늄 나노섬유는 전구체 물질에 아세트산과 에탄올을 첨가하여 교반한 후, 고분자 물질을 첨가하여 균질의 합성 용액을 제조하는 합성 용액 제조 공정과; 상기 합성 용액을 전기 방사하여 산화티타늄 나노섬유를 생성하는 나노 섬유 생성 공정과; 상기 산화티타늄 나노섬유가 생성된 합성 용액에 금속도핑을 위해 금속 용액을 0.5~2%(몰비)로 혼합하는 금속도핑 공정; 및 금속도핑 산화티타늄 나노섬유를 소성하는 소성 공정을 통해 제조된다.
여기에서 또한, 상기 전구체 물질은 TIP, TiCl4, Ti(OBu)4중 선택된 어느 하나이다.
여기에서 또, 상기 고분자 물질은 PVP, PMMA, PVA, PVAc, PS, PEO, CA중 선택된 어느 하나이다.
여기에서 또, 상기 금속은 Ag, Fe, Pt, Au, Co, Cu, V, Ni, Ce, Nd, Zn, Nb 중 선택된 어느 하나이다.
여기에서 또, 상기 금속도핑 산화티타늄 나노섬유 페이스트는 졸-겔 방법, 수열합성방법, 마이크로웨이브 방법중 선택된 어느 하나의 방법으로 합성된다.
여기에서 또, 상기 산화티타늄 페이스트는 졸-겔 방법, 수열합성방법, 마이크로웨이브 방법으로 합성된다.
본 발명의 또 다른 특징은,
염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법에 있어서, 상면에 전도성 박막층이 형성된 투명 전도성 기판을 준비하는 제 a공정과; 상기 전도성 박막층의 상면에 산화티타늄 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 제 1광전극층을 형성하는 제 b공정; 및 상기 제 1광전극층의 상면에 금속도핑 산화티타늄 나노섬유 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 제 2광전극층을 형성하는 제 c공정으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 금속도핑 산화티타늄 나노섬유는 전구체 물질에 아세트산과 에탄올을 첨가하여 교반한 후, 고분자 물질을 첨가하여 균질의 합성 용액을 제조하는 합성 용액 제조 공정과; 상기 합성 용액을 전기 방사하여 산화티타늄 나노섬유를 생성하는 나노 섬유 생성 공정과; 상기 산화티타늄 나노섬유가 생성된 합성 용액에 금속도핑을 위해 금속 용액을 0.5~2%(몰비)로 혼합하는 금속도핑 공정; 및 금속도핑 산화티타늄 나노섬유를 소성하는 소성 공정을 통해 제조된다.
여기에서 또한, 상기 전구체 물질은 TIP, TiCl4, Ti(OBu)4중 선택된 어느 하나이다.
여기에서 또, 상기 고분자 물질은 PVP, PMMA, PVA, PVAc, PS, PEO, CA중 선택된 어느 하나이다.
여기에서 또, 상기 금속은 Ag, Fe, Pt, Au, Co, Cu, V, Ni, Ce, Nd, Zn, Nb중 선택된 어느 하나이다.
여기에서 또, 상기 금속도핑 산화티타늄 나노섬유가 함유된 산화티타늄 페이스트는 페이스트 총중량을 기준으로 상기 금속도핑 산화티타늄 나노섬유가 1~30%중량 혼합된다.
여기에서 또, 상기 산화티타늄 페이스트는 졸-겔 방법, 수열합성방법, 마이크로웨이브 방법으로 합성된다.
본 발명의 또 다른 특징은,
염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법에 있어서, 상면에 전도성 박막층이 형성된 투명 전도성 기판을 준비하는 제 Ⅰ공정과; 상기 전도성 박막층의 상면에 산화티타늄 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 제 1광전극층을 형성하는 제 Ⅱ공정; 및 상기 제 1광전극층의 상면에 산화티타늄 나노섬유 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 제 2광전극층을 형성하는 제 Ⅲ공정으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 산화티타늄 나노섬유는 전구체 물질에 아세트산과 에탄올을 첨가하여 교반한 후, 고분자 물질을 첨가하여 균질의 합성 용액을 제조하는 합성 용액 제조 공정과; 상기 합성 용액을 전기 방사하여 산화티타늄 나노섬유를 생성하는 나노 섬유 생성 공정; 및 산화티타늄 나노섬유를 소성하는 소성 공정을 통해 제조된다.
여기에서 또한, 상기 전구체 물질은 TIP, TiCl4, Ti(OBu)4중 선택된 어느 하나이다.
여기에서 또, 상기 고분자 물질은 PVP, PMMA, PVA, PVAc, PS, PEO, CA중 선택된 어느 하나이다.
여기에서 또, 상기 산화티타늄 페이스트는 졸-겔 방법, 수열합성방법, 마이크로웨이브 방법으로 합성된다.
여기에서 또, 상기 산화티타늄 나노섬유가 함유된 산화티타늄 페이스트는 페이스트 총중량을 기준으로 상기 산화티타늄 나노섬유가 1~30%중량 혼합된다.
본 발명의 또 다른 특징은,
염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법에 있어서, 상면에 전도성 박막층이 형성된 투명 전도성 기판을 준비하는 제 ⅰ공정과; 상기 전도성 박막층의 상면에 산화티타늄 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 제 1광전극층을 형성하는 제 ⅱ공정; 및 상기 제 1광전극층의 상면에 산화티타늄 나노섬유가 함유된 산화티타늄 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 제 2광전극층을 형성하는 제 ⅲ공정으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 산화티타늄 나노섬유는 전구체 물질에 아세트산과 에탄올을 첨가하여 교반한 후, 고분자 물질을 첨가하여 균질의 합성 용액을 제조하는 합성 용액 제조 공정과; 상기 합성 용액을 전기 방사하여 산화티타늄 나노섬유를 생성하는 나노 섬유 생성 공정; 및 산화티타늄 나노섬유를 소성하는 소성 공정을 통해 제조된다.
여기에서 또한, 상기 전구체 물질은 TIP, TiCl4, Ti(OBu)4중 선택된 어느 하나이다.
여기에서 또, 상기 고분자 물질은 PVP, PMMA, PVA, PVAc, PS, PEO, CA중 선택된 어느 하나이다.
여기에서 또, 상기 산화티타늄 페이스트는 졸-겔 방법, 수열합성방법, 마이크로웨이브 방법으로 합성된다.
여기에서 또, 상기 산화티타늄 나노섬유가 함유된 산화티타늄 페이스트는 페이스트 총중량을 기준으로 상기 산화티타늄 나노섬유가 1~30%중량 혼합된다.
본 발명의 또 다른 특징은,
상기의 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법에 의해 제조된 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명인 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 및 그 제조방법에 따르면, TiO2+금속도핑 TiO2 나노섬유 단층구조, TiO2-TiO2 나노섬유 이층구조, TiO2-금속도핑 나노섬유 이층구조, TiO2-TiO2+TiO2 나노섬유 이층구조, TiO2-TiO2+금속도핑 TiO2 나노섬유 이층구조와 같이 다양한 형태의 광전극을 제공하여 염료의 흡착량을 증가시키고, 발생된 광전자의 이동속도를 향상시켜 높은 전류밀도를 가져오고, 광산란 효과와 전자의 재결합현상을 막아 에너지변환 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극의 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극의 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 3실시예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극의 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 4실시예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극의 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제 5실시예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극의 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제 1실시예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 7은 본 발명의 제 2실시예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 8은 본 발명의 제 3실시예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 9는 본 발명의 제 4실시예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 10은 본 발명의 제 5실시예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 11은 본 발명에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법중 금속도핑 산화티타늄 나노섬유의 제조공정을 설명하기 위한 공정도이다.
도 12는 본 발명에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법중 금속도핑 산화티타늄 나노섬유의 제조공정을 설명하기 위한 공정도이다.
도 13 내지 도 18은 본 발명의 실험예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극의 특성을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시예들에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극의 구성 및 제조 공정을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극의 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극의 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이며, 도 3은 본 발명의 제 3실시예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극의 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 4는 본 발명의 제 4실시예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극의 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이며, 도 5는 본 발명의 제 5실시예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극의 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이며, 도 6은 본 발명의 제 1실시예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법을 설명하기 위한 공정도이고, 도 7은 본 발명의 제 2실시예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법을 설명하기 위한 공정도이며, 도 8은 본 발명의 제 3실시예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법을 설명하기 위한 공정도이고, 도 9는 본 발명의 제 4실시예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법을 설명하기 위한 공정도이며, 도 10은 본 발명의 제 5실시예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법을 설명하기 위한 공정도이며, 도 11은 본 발명에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법중 금속도핑 산화티타늄 나노섬유의 제조공정을 설명하기 위한 공정도이고, 도 12는 본 발명에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법중 금속도핑 산화티타늄 나노섬유의 제조공정을 설명하기 위한 공정도이다.
《제 1실시예》
도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1실시예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극(100)은 투명 전도성 기판(110)과, 광전극층(120)으로 이루어진다.
먼저, 투명 전도성 기판(110)은 투명한 유리기판, 투명한 플렉서블 고분자 기판이 사용되고, 상면에 전도성 박막층(111)이 형성되는데, 이러한 전도성 박막층(111)은 ITO(indium tin oxide) 또는 FTO(Fluoride doped tin oxide)로 형성된다. 또한, 기판(110)에는 통상의 구조인 캐소드 전극(미도시)이 형성된다.
그리고, 광전극층(120)은 전도성 박막층(111)의 상면에 금속도핑 산화티타늄 나노섬유가 함유된 산화티타늄 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 형성한다.
이하, 본 발명의 제 1실시예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조 방법을 도 1, 도 6 및 도 11을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상면에 전도성 박막층(111)이 형성된 투명 전도성 기판(110)을 준비한다(S1).
그런 다음, 전도성 박막층(111)의 상면에 기제조된 금속도핑 산화티타늄 나노섬유가 함유된 산화티타늄 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 광전극층(120)을 형성한다(S2).
도 11을 참조하여 광전극층(120)의 형성 과정을 보다 상세하게 설명하면 금속도핑 산화티타늄 나노섬유는 전구체 물질에 아세트산을 서서히 첨가한 후 5~15분 동안 교반하고, 여기에 에탄올을 첨가한 후 40~80분 더 교반한 후, 고분자 물질을 첨가하여 24시간 이상 교반하여 균질의 합성 용액을 제조한다(S10). 이때, 전구체 물질은 TIP, TiCl4, Ti(OBu)4중 선택된 어느 하나이고, 고분자 물질은 PVP, PMMA, PVA, PVAc, PS, PEO, CA중 선택된 어느 하나이다.
그런 다음, 합성 용액을 전기 방사하여 산화티타늄 나노섬유를 생성한다(S11). 이때, 전기 방사는 전기방사장치를 이용하여 전압 15~25kV, 방사거리 10~20㎝, 유속 45~55㎕/min 조건에서 수행될 수 있다.
그리고, 산화티타늄 나노섬유가 생성된 합성 용액에 금속도핑을 위해 금속 용액을 0.5~2%(몰비)로 혼합하여 교반한다(S12). 여기에서, 금속은 Ag, Fe, Pt, Au, Co, Cu, V, Ni, Ce, Nd, Zn, Nb 중 선택된 어느 하나이다.
계속해서, 금속도핑 산화티타늄 나노섬유를 소성하는 소성 공정을 통해 제조한다(S13). 이때, 소성은 400~800℃의 온도에서 30분~70분 동안 열처리하여 고분자 물질을 완전히 제거하고 잔류 금속도핑 산화티타늄 나노섬유를 아나타제상의 결정구조로 변환시킨다.
그런 다음, 금속도핑 산화티타늄 나노섬유를 산화티타늄 페이스트에 페이스트 총중량을 기준으로 10~30%중량 혼합한 다음, 금속도핑 산화티타늄 나노섬유가 함유된 산화티타늄 페이스트를 전도성 박막층(111)의 상면에 스크린 프린터 장비를 이용하여 코팅한 후 열처리하여 광전극층(120)을 제조한다. 이때, 열처리는 75~85℃의 온도에서 20~40분 동안 1차 열처리한 후, 450~550℃의 온도에서 50~70분 동안 2차 열처리할 수 있다.
이어서, 75~85℃까지 온도를 내린 후 광전극층(120)을 20~28시간 동안 염료액에 침지시켜 본 발명의 제 1실시예에 따른 광전극(100)을 제조한다. 여기에서, 산화티타늄 페이스트는 졸-겔 방법, 수열합성방법, 마이크로웨이브 방법으로 합성되는 것이 바람직하고, 염료액으로는 루테늄계 염료분자를 사용할 수 있으며, 예를 들어 3ㅧ10-4 M 농도의 비스(이소티오시아네이토)비스(2,2'-비피리딜-4,4'- 디카르복실산)-루테늄(II)-비스-테트라뷰틸 암모늄(N-719dye, Ruthenium 535-bis TBA)을 사용할 수 있다.
《제 2실시예》
도 2를 참조하면, 본 발명의 제 2실시예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극(100)은 투명 전도성 기판(110)과, 제 1광전극층(120a)과, 제 2광전극층(120b)으로 이루어진다.
먼저, 투명 전도성 기판(110)은 투명한 유리기판, 투명한 플렉서블 고분자 기판이 사용되고, 상면에 전도성 박막층(111)이 형성되는데, 이러한 전도성 박막층(111)은 ITO(indium tin oxide) 또는 FTO(Fluoride doped tin oxide)로 형성된다. 또한, 기판(110)에는 통상의 구조인 캐소드 전극(미도시)이 형성된다.
그리고, 제 1광전극층(120a)은 전도성 박막층(111)의 상면에 산화티타늄 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 형성한다.
또한, 제 2광전극층(120b)은 제 1광전극층(120a)의 상면에 금속도핑 산화티타늄 나노섬유 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 한다.
이하, 본 발명의 제 2실시예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조 방법을 도 2, 도 7 및 도 11을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상면에 전도성 박막층(111)이 형성된 투명 전도성 기판(110)을 준비한다.
그런 다음, 전도성 박막층(111)의 상면에 기제조된 산화티타늄 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 제 1광전극층(120a)을 형성한다.
그리고, 제 1광전극층(120a)의 상면에 기제조된 금속도핑 산화티타늄 나노섬유 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 제 2광전극층(120b)을 형성한다.
도 11을 참조하여 제 1광전극층(120a)과, 제 2광전극층(120b)의 형성 과정을 보다 상세하게 설명하면 금속도핑 산화티타늄 나노섬유는 전구체 물질에 아세트산을 서서히 첨가한 후 5~15분 동안 교반하고, 여기에 에탄올을 첨가한 후 40~80분 더 교반한 후, 고분자 물질을 첨가하여 24시간 이상 교반하여 균질의 합성 용액을 제조한다(S10). 이때, 전구체 물질은 TIP, TiCl4, Ti(OBu)4중 선택된 어느 하나이고, 고분자 물질은 PVP, PMMA, PVA, PVAc, PS, PEO, CA중 선택된 어느 하나이다.
그런 다음, 합성 용액을 전기 방사하여 산화티타늄 나노섬유를 생성한다(S11). 이때, 전기 방사는 전기방사장치를 이용하여 전압 15~25kV, 방사거리 10~20㎝, 유속 45~55㎕/min 조건에서 수행될 수 있다.
그리고, 산화티타늄 나노섬유가 생성된 합성 용액에 금속도핑을 위해 금속 용액을 0.5~2%(몰비)로 혼합하여 교반한다(S12). 여기에서, 금속은 Ag, Fe, Pt, Au, Co, Cu, V, Ni, Ce, Nd, Zn, Nb 중 선택된 어느 하나이다.
계속해서, 금속도핑 산화티타늄 나노섬유를 소성하는 소성 공정을 통해 제조한다(S13). 이때, 소성은 400~800℃의 온도에서 30분~70분 동안 열처리하여 고분자 물질을 완전히 제거하고 잔류 금속도핑 산화티타늄 나노섬유를 아나타제상의 결정구조로 변환시킨다.
그런 다음, 산화티타늄 페이스트를 전도성 박막층(111)의 상면에 스크린 프린터 장비를 이용하여 코팅한 후 열처리하여 제 1광전극층(120a)을 제조한다. 이때, 열처리는 75~85℃의 온도에서 20~40분 동안 1차 열처리한 후, 450~550℃의 온도에서 50~70분 동안 2차 열처리할 수 있다.
계속해서, 금속도핑 산화티타늄 나노섬유 페이스트를 제 1광전극층(120a)의 상면에 스크린 프린터 장비를 이용하여 코팅한 후 열처리하여 제 2광전극층(120b)을 제조한다. 이때, 열처리는 75~85℃의 온도에서 20~40분 동안 1차 열처리한 후, 450~550℃의 온도에서 50~70분 동안 2차 열처리할 수 있다.
이어서, 75~85℃까지 온도를 내린 후 제 1광전극층(120a)과, 제 2광전극층(120b)을 20~28시간 동안 염료액에 침지시켜 본 발명의 제 2실시예에 따른 광전극(100)을 제조한다. 여기에서, 산화티타늄 페이스트와 금속도핑 산화티타늄 나노섬유 페이스트는 졸-겔 방법, 수열합성방법, 마이크로웨이브 방법으로 합성되는 것이 바람직하고, 염료액으로는 루테늄계 염료분자를 사용할 수 있으며, 예를 들어 3ㅧ10-4 M 농도의 비스(이소티오시아네이토)비스(2,2'-비피리딜-4,4'- 디카르복실산)-루테늄(II)-비스-테트라뷰틸 암모늄(N-719dye, Ruthenium 535-bis TBA)을 사용할 수 있다.
《제 3실시예》
도 3을 참조하면, 본 발명의 제 3실시예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극(100)은 투명 전도성 기판(110)과, 제 1광전극층(120a)과, 제 2광전극층(120b)으로 이루어진다.
먼저, 투명 전도성 기판(110)은 투명한 유리기판, 투명한 플렉서블 고분자 기판이 사용되고, 상면에 전도성 박막층(111)이 형성되는데, 이러한 전도성 박막층(111)은 ITO(indium tin oxide) 또는 FTO(Fluoride doped tin oxide)로 형성된다. 또한, 기판(110)에는 통상의 구조인 캐소드 전극(미도시)이 형성된다.
그리고, 제 1광전극층(120a)은 전도성 박막층(111)의 상면에 산화티타늄 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 형성한다.
또한, 제 2광전극층(120b)은 제 1광전극층(120a)의 상면에 금속도핑 산화티타늄 나노섬유가 함유된 산화티타늄 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 형성한다.
이하, 본 발명의 제 3실시예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조 방법을 도 3, 도 8 및 도 11을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상면에 전도성 박막층(111)이 형성된 투명 전도성 기판(110)을 준비한다.
그런 다음, 전도성 박막층(111)의 상면에 기제조된 산화티타늄 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 제 1광전극층(120a)을 형성한다.
그리고, 제 1광전극층(120a)의 상면에 기제조된 금속도핑 산화티타늄 나노섬유가 함유된 산화티타늄 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 제 2광전극층(120b)을 형성한다.
도 11을 참조하여 제 1광전극층(120a)과, 제 2광전극층(120b)의 형성 과정을 보다 상세하게 설명하면 금속도핑 산화티타늄 나노섬유는 전구체 물질에 아세트산을 서서히 첨가한 후 5~15분 동안 교반하고, 여기에 에탄올을 첨가한 후 40~80분 더 교반한 후, 고분자 물질을 첨가하여 24시간 이상 교반하여 균질의 합성 용액을 제조한다(S10). 이때, 전구체 물질은 TIP, TiCl4, Ti(OBu)4중 선택된 어느 하나이고, 고분자 물질은 PVP, PMMA, PVA, PVAc, PS, PEO, CA중 선택된 어느 하나이다.
그런 다음, 합성 용액을 전기 방사하여 산화티타늄 나노섬유를 생성한다(S11). 이때, 전기 방사는 전기방사장치를 이용하여 전압 15~25kV, 방사거리 10~20㎝, 유속 45~55㎕/min 조건에서 수행될 수 있다.
그리고, 산화티타늄 나노섬유가 생성된 합성 용액에 금속도핑을 위해 금속 용액을 0.5~2%(몰비)로 혼합하여 교반한다(S12). 여기에서, 금속은 Ag, Fe, Pt, Au, Co, Cu, V, Ni, Ce, Nd, Zn, Nb 중 선택된 어느 하나이다.
계속해서, 금속도핑 산화티타늄 나노섬유를 소성하는 소성 공정을 통해 제조한다(S13). 이때, 소성은 400~800℃의 온도에서 30분~70분 동안 열처리하여 고분자 물질을 완전히 제거하고 잔류 금속도핑 산화티타늄 나노섬유를 아나타제상의 결정구조로 변환시킨다.
그런 다음, 산화티타늄 페이스트를 전도성 박막층(111)의 상면에 스크린 프린터 장비를 이용하여 코팅한 후 열처리하여 제 1광전극층(120a)을 제조한다. 이때, 열처리는 75~85℃의 온도에서 20~40분 동안 1차 열처리한 후, 450~550℃의 온도에서 50~70분 동안 2차 열처리할 수 있다.
계속해서, 금속도핑 산화티타늄 나노섬유를 산화티타늄 페이스트에 페이스트 총중량을 기준으로 10~30%중량 혼합한 다음, 금속도핑 산화티타늄 나노섬유가 함유된 산화티타늄 페이스트를 제 1광전극층(120a)의 상면에 스크린 프린터 장비를 이용하여 코팅한 후 열처리하여 제 2광전극층(120b)을 제조한다. 이때, 열처리는 75~85℃의 온도에서 20~40분 동안 1차 열처리한 후, 450~550℃의 온도에서 50~70분 동안 2차 열처리할 수 있다.
이어서, 75~85℃까지 온도를 내린 후 제 1광전극층(120a)과, 제 2광전극층(120b)을 20~28시간 동안 염료액에 침지시켜 본 발명의 제 3실시예에 따른 광전극(100)을 제조한다. 여기에서, 산화티타늄 페이스트는 졸-겔 방법, 수열합성방법, 마이크로웨이브 방법으로 합성되는 것이 바람직하고, 염료액으로는 루테늄계 염료분자를 사용할 수 있으며, 예를 들어 3ㅧ10-4 M 농도의 비스(이소티오시아네이토)비스(2,2'-비피리딜-4,4'- 디카르복실산)-루테늄(II)-비스-테트라뷰틸 암모늄(N-719dye, Ruthenium 535-bis TBA)을 사용할 수 있다.
《제 4실시예》
도 4를 참조하면, 본 발명의 제 4실시예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극(100)은 투명 전도성 기판(110)과, 제 1광전극층(120a)과, 제 2광전극층(120b)으로 이루어진다.
먼저, 투명 전도성 기판(110)은 투명한 유리기판, 투명한 플렉서블 고분자 기판이 사용되고, 상면에 전도성 박막층(111)이 형성되는데, 이러한 전도성 박막층(111)은 ITO(indium tin oxide) 또는 FTO(Fluoride doped tin oxide)로 형성된다. 또한, 기판(110)에는 통상의 구조인 캐소드 전극(미도시)이 형성된다.
그리고, 제 1광전극층(120a)은 전도성 박막층(111)의 상면에 산화티타늄 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 형성한다.
또한, 제 2광전극층(120b)은 제 1광전극층(120a)의 상면에 산화티타늄 나노섬유 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 형성한다.
이하, 본 발명의 제 4실시예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조 방법을 도 4, 도 9 및 도 12를 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상면에 전도성 박막층(111)이 형성된 투명 전도성 기판(110)을 준비한다.
그런 다음, 전도성 박막층(111)의 상면에 기제조된 산화티타늄 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 제 1광전극층(120a)을 형성한다.
그리고, 제 1광전극층(120a)의 상면에 기제조된 산화티타늄 나노섬유 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 제 2광전극층(120b)을 형성한다.
도 12를 참조하여 제 1광전극층(120a)과, 제 2광전극층(120b)의 형성 과정을 보다 상세하게 설명하면 산화티타늄 나노섬유는 전구체 물질에 아세트산을 서서히 첨가한 후 5~15분 동안 교반하고, 여기에 에탄올을 첨가한 후 40~80분 더 교반한 후, 고분자 물질을 첨가하여 24시간 이상 교반하여 균질의 합성 용액을 제조한다(S20). 이때, 전구체 물질은 TIP, TiCl4, Ti(OBu)4중 선택된 어느 하나이고, 고분자 물질은 PVP, PMMA, PVA, PVAc, PS, PEO, CA중 선택된 어느 하나이다.
그런 다음, 합성 용액을 전기 방사하여 산화티타늄 나노섬유를 생성한다(S21). 이때, 전기 방사는 전기방사장치를 이용하여 전압 15~25kV, 방사거리 10~20㎝, 유속 45~55㎕/min 조건에서 수행될 수 있다.
그리고, 산화티타늄 나노섬유를 소성하는 소성 공정을 통해 제조한다(S22). 이때, 소성은 400~800℃의 온도에서 30분~70분 동안 열처리하여 고분자 물질을 완전히 제거하고 잔류 산화티타늄 나노섬유를 아나타제상의 결정구조로 변환시킨다.
그런 다음, 산화티타늄 페이스트를 전도성 박막층(111)의 상면에 스크린 프린터 장비를 이용하여 코팅한 후 열처리하여 제 1광전극층(120a)을 제조한다. 이때, 열처리는 75~85℃의 온도에서 20~40분 동안 1차 열처리한 후, 450~550℃의 온도에서 50~70분 동안 2차 열처리할 수 있다.
계속해서, 산화티타늄 나노섬유 페이스트를 제 1광전극층(120a)의 상면에 스크린 프린터 장비를 이용하여 코팅한 후 열처리하여 제 2광전극층(120b)을 제조한다. 이때, 열처리는 75~85℃의 온도에서 20~40분 동안 1차 열처리한 후, 450~550℃의 온도에서 50~70분 동안 2차 열처리할 수 있다.
이어서, 75~85℃까지 온도를 내린 후 제 1광전극층(120a)과, 제 2광전극층(120b)을 20~28시간 동안 염료액에 침지시켜 본 발명의 제 4실시예에 따른 광전극(100)을 제조한다. 여기에서, 산화티타늄 나노섬유 페이스트는 졸-겔 방법, 수열합성방법, 마이크로웨이브 방법으로 합성되는 것이 바람직하고, 염료액으로는 루테늄계 염료분자를 사용할 수 있으며, 예를 들어 3ㅧ10-4 M 농도의 비스(이소티오시아네이토)비스(2,2'-비피리딜-4,4'- 디카르복실산)-루테늄(II)-비스-테트라뷰틸 암모늄(N-719dye, Ruthenium 535-bis TBA)을 사용할 수 있다.
《제 5실시예》
도 5 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 제 5실시예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극(100)은 투명 전도성 기판(110)과, 제 1광전극층(120a)과, 제 2광전극층(120b)으로 이루어진다.
먼저, 투명 전도성 기판(110)은 투명한 유리기판, 투명한 플렉서블 고분자 기판이 사용되고, 상면에 전도성 박막층(111)이 형성되는데, 이러한 전도성 박막층(111)은 ITO(indium tin oxide) 또는 FTO(Fluoride doped tin oxide)로 형성된다. 또한, 기판(110)에는 통상의 구조인 캐소드 전극(미도시)이 형성된다.
그리고, 제 1광전극층(120a)은 전도성 박막층(111)의 상면에 산화티타늄 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 형성한다.
또한, 제 2광전극층(120b)은 제 1광전극층(120a)의 상면에 산화티타늄 나노섬유가 함유된 산화티타늄 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 형성한다.
이하, 본 발명의 제 5실시예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조 방법을 도 5, 도 10 및 도 12를 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상면에 전도성 박막층(111)이 형성된 투명 전도성 기판(110)을 준비한다.
그런 다음, 전도성 박막층(111)의 상면에 기제조된 산화티타늄 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 제 1광전극층(120a)을 형성한다.
그리고, 제 1광전극층(120a)의 상면에 산화티타늄 나노섬유가 함유된 산화티타늄 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 제 2광전극층(120b)을 형성한다.
도 12를 참조하여 제 1광전극층(120a)과, 제 2광전극층(120b)의 형성 과정을 보다 상세하게 설명하면 산화티타늄 나노섬유는 전구체 물질에 아세트산을 서서히 첨가한 후 5~15분 동안 교반하고, 여기에 에탄올을 첨가한 후 40~80분 더 교반한 후, 고분자 물질을 첨가하여 24시간 이상 교반하여 균질의 합성 용액을 제조한다(S20). 이때, 전구체 물질은 TIP, TiCl4, Ti(OBu)4중 선택된 어느 하나이고, 고분자 물질은 PVP, PMMA, PVA, PVAc, PS, PEO, CA중 선택된 어느 하나이다.
그런 다음, 합성 용액을 전기 방사하여 산화티타늄 나노섬유를 생성한다(S21). 이때, 전기 방사는 전기방사장치를 이용하여 전압 15~25kV, 방사거리 10~20㎝, 유속 45~55㎕/min 조건에서 수행될 수 있다.
그리고, 산화티타늄 나노섬유를 소성하는 소성 공정을 통해 제조한다(S22). 이때, 소성은 400~800℃의 온도에서 30분~70분 동안 열처리하여 고분자 물질을 완전히 제거하고 잔류 산화티타늄 나노섬유를 아나타제상의 결정구조로 변환시킨다.
그런 다음, 산화티타늄 페이스트를 전도성 박막층(111)의 상면에 스크린 프린터 장비를 이용하여 코팅한 후 열처리하여 제 1광전극층(120a)을 제조한다. 이때, 열처리는 75~85℃의 온도에서 20~40분 동안 1차 열처리한 후, 450~550℃의 온도에서 50~70분 동안 2차 열처리할 수 있다.
계속해서, 산화티타늄 나노섬유를 산화티타늄 페이스트에 페이스트 총중량을 기준으로 10~30%중량 혼합한 다음, 산화티타늄 나노섬유가 함유된 산화티타늄 페이스트를 제 1광전극층(120a)의 상면에 스크린 프린터 장비를 이용하여 코팅한 후 열처리하여 제 2광전극층(120b)을 제조한다. 이때, 열처리는 75~85℃의 온도에서 20~40분 동안 1차 열처리한 후, 450~550℃의 온도에서 50~70분 동안 2차 열처리할 수 있다.
이어서, 75~85℃까지 온도를 내린 후 제 1광전극층(120a)과, 제 2광전극층(120b)을 20~28시간 동안 염료액에 침지시켜 본 발명의 제 5실시예에 따른 광전극(100)을 제조한다. 여기에서, 산화티타늄 페이스트는 졸-겔 방법, 수열합성방법, 마이크로웨이브 방법으로 합성되는 것이 바람직하고, 염료액으로는 루테늄계 염료분자를 사용할 수 있으며, 예를 들어 3ㅧ10-4 M 농도의 비스(이소티오시아네이토)비스(2,2'-비피리딜-4,4'- 디카르복실산)-루테늄(II)-비스-테트라뷰틸 암모늄(N-719dye, Ruthenium 535-bis TBA)을 사용할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조 방법을 실험예를 설명하면 다음과 같다.
도 13 내지 도 18은 본 발명의 실험예에 따른 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극의 특성을 나타낸 그래프이다.
《실험예》
먼저, 본 발명에 따른 산화티타늄(TiO2) 나노섬유가 첨가된 광전극을 다음과 같이 제조하였다.
우선, 산화티타늄 나노섬유의 제조를 위해 실험실에서 티타늄 0.02M의 테트라 이소프로폭시드(TTIP: titanium tetra isopropoxide, 준세이) 6㎖에 0.2M의 아세트산(acetic acid, 알드리치) 12㎖를 서서히 첨가한 후 10분동안 교반하였다. 그리고 나서, 여기에 0.12M의 에탄올 12㎖를 첨가한 후 약 1시간 더 교반하였다. 이때 용액의 색은 뿌연 흰색으로 변하게 되는데, 여기에 고분자 용액을 30g 첨가한 다음 후 24시간 이상 교반한다. 고분자용액은 폴리비닐피롤리돈(PVP: poly vinylpyrrolidone, 분자량 1,300,000, 알드리치)을 에탄올 용매에 용해시켜 10 중량%로 제조하였다. 고분자 용액을 첨가한 후 교반시킬 때 용액의 색은 뿌연 흰색에서 연한 노란색으로 변하였다. 이때, 폴리비닐피롤리돈의 함량에 따라 나노섬유의 직경이 변하는데, 일반적으로 첨가량이 증가될수록 섬유의 직경은 커진다. 본 실험에서는 100~400㎚의 직경을 갖는 나노섬유 입자를 제조하기 위하여 폴리비닐피롤리돈을 10 중량% 첨가하여 산화티타늄 나노섬유를 제조하였다.
그런 다음, 질산은(AgNO3)을 2%(몰비)로 혼합하여 교반한다.
이와 같이 제조된 전기방사 용액을 전기 방사장치를 통하여 전압 20kV, 방사거리 15㎝, 유속 50㎕/min 조건에서 전기방사시켜 금속도핑 산화티타늄 나노섬유를 제조하였다. 이렇게 제조된 금속도핑 산화티타늄 나노섬유는 500℃에서 분당 1℃로 1시간 이내로 소성하여 폴리비닐피롤리돈을 제거하였으며, 그 결과 아나타제 상을 가지는 직경 100~400㎚의 금속도핑 산화티타늄 나노섬유를 제조하였다.
계속해서, 공지의 방법에 의해 아나타제나노 입자를 갖는 이산화티타늄(TiO2)을 졸-겔 방법으로 합성하여 제조된 이산화티타늄 1.3g에 계면활성제인10%(v/v) 아세틸 아세톤(99%, 알드리치) 0.35㎖와 하이드로로프로필셀룰로스(분자량 80,000, 알드리치) 0.95g을 증류수 5.4㎖에 혼합하여 페이스트 믹서를 이용하여 기포를 제거하고 안정화한 뒤 스크린 프린터 산화티타늄 페이스트를 제조하였다.
그리고, 산화티타늄 페이스트에 페이스트 총중량 대비 금속도핑 산화티타늄 나노섬유 3중량%, 5중량%, 7중량%를 각각 첨가하여 다시 페이스트 믹서로 10분 정도 혼합하여 금속도핑 산화티타늄 나노섬유가 첨가된 산화티타늄 페이스트를 제조하였다.
이렇게 제조된 금속도핑 산화티타늄 코팅액을 스크린 프린터 장비를 이용하여 FTO층이 코팅되어 있는 투명유리기판 위에 코팅하고 1차적으로 80℃에서 30분 동안 건조 한 후 500℃로 승온하여 60분 동안 2차 열처리하였다. 그런 다음, 80℃까지 온도를 내린 전극을 24시간 동안 염료액에 침지시켜 본 발명에 따른 광전극을 제조하였다. 상기 염료액으로는 3ㅧ10-4 M 농도로 제조된 비스(이소티오시아네이토)비스(2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복실산)-루테늄(II)-비스-테트라뷰틸암모늄[bis(isothiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'- dicarboxylato)-ruthenium(II)-bis-tetrabutyl ammonium](약자: N-719 dye, 다른 약자 : Ruthenium 535-bis TBA, 제조회사:스위스 Solaronix)을 사용하였다.
그런 다음, 통상의 방식으로 상대전극의 제조하고, 상기와 같이 제조한 광전극과 상대전극 사이에 접착필름을 놓고 열을 가해 밀봉시킨 후 상대전극면의 미세구멍 사이로 액체 형태의 전해액을 주입한 다음 구멍을 밀봉하여 염료감응형 태양전지를 완성시켰다. 이때, 유효 면적은 0.5ㅧ0.5㎠로 제작하였다. 주입된 전해액으로는 0.3M의 1,2-다이메틸-3-프로필이미다졸륨 요오드화물(솔라로닉스), 0.5M의 요오드화리튬(알드리치), 0.05M의 요오드(I2) 및 0.5M의 4-3차-뷰틸피리딘(4-TBP, 알드리치)를 3-메톡시프로피오 니트릴(3-MPN, 플루카)에 혼합하여 1일 정도 교반한 용액을 사용하였다.
이러한 상태에서 순수 TiO2 광전극과 금속도핑 산화티타늄 나노섬유가 3, 5, 7중량%로 첨가된 광전극의 전류-전압 곡선을 통해 에너지 변환 효율을 측정하였으며, 그 결과를 도 13에 나타내었다.
그 결과, 5중량% 금속도핑 산화티타늄 나노섬유(Ag doping TiO2 nanofiber)를 첨가하였을 때 6.13%의 예너지전환효율을 보였으며, 순수한 TiO2 입자를 사용했을때보다 30%의 에너지전환효율이 증가하였다.
또한, 아래의 표 1 및 도 14 내지 도 18의 그래프를 통해 확인되는 바와 같이 순수 TiO2 광전극보다 금속도핑 산화티타늄 나노섬유의 특성이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
Figure pat00001
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
110 : 투명 전도성 기판 111 : 전도성 박막층
120 : 광전극층 120a :제 1광전극층
120b : 제 2광전극층

Claims (18)

  1. 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법에 있어서,
    상면에 전도성 박막층이 형성된 투명 전도성 기판을 준비하는 제 1공정과;
    상기 전도성 박막층의 상면에 기제조된 금속도핑 산화티타늄 나노섬유가 함유된 산화티타늄 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 광전극층을 형성하는 제 2공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법.
  2. 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법에 있어서,
    상면에 전도성 박막층이 형성된 투명 전도성 기판을 준비하는 제 A공정과;
    상기 전도성 박막층의 상면에 산화티타늄 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 제 1광전극층을 형성하는 제 B공정; 및
    상기 제 1광전극층의 상면에 금속도핑 산화티타늄 나노섬유 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 제 2광전극층을 형성하는 제 C공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법.
  3. 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법에 있어서,
    상면에 전도성 박막층이 형성된 투명 전도성 기판을 준비하는 제 a공정과;
    상기 전도성 박막층의 상면에 산화티타늄 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 제 1광전극층을 형성하는 제 b공정; 및
    상기 제 1광전극층의 상면에 기제조된 금속도핑 산화티타늄 나노섬유가 함유된 산화티타늄 페이스트를를 코팅한 후 열처리하여 제 2광전극층을 형성하는 제 c공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법.
  4. 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법에 있어서,
    상면에 전도성 박막층이 형성된 투명 전도성 기판을 준비하는 제 Ⅰ공정과;
    상기 전도성 박막층의 상면에 산화티타늄 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 제 1광전극층을 형성하는 제 Ⅱ공정; 및
    상기 제 1광전극층의 상면에 산화티타늄 나노섬유 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 제 2광전극층을 형성하는 제 Ⅲ공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법.
  5. 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법에 있어서,
    상면에 전도성 박막층이 형성된 투명 전도성 기판을 준비하는 제 ⅰ공정과;
    상기 전도성 박막층의 상면에 산화티타늄 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 제 1광전극층을 형성하는 제 ⅱ공정; 및
    상기 제 1광전극층의 상면에 산화티타늄 나노섬유가 함유된 산화티타늄 페이스트를 코팅한 후 열처리하여 제 2광전극층을 형성하는 제 ⅲ공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속도핑 산화티타늄 나노섬유는,
    전구체 물질에 아세트산과 에탄올을 첨가하여 교반한 후, 고분자 물질을 첨가하여 균질의 합성 용액을 제조하는 합성 용액 제조 공정과;
    상기 합성 용액을 전기 방사하여 산화티타늄 나노섬유를 생성하는 나노 섬유 생성 공정과;
    상기 산화티타늄 나노섬유가 생성된 합성 용액에 금속도핑을 위해 금속 용액을 0.5~2%(몰비)로 혼합하는 금속도핑 공정; 및
    금속도핑 산화티타늄 나노섬유를 소성하는 소성 공정을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전구체 물질은,
    TIP, TiCl4, Ti(OBu)4중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 고분자 물질은,
    PVP, PMMA, PVA, PVAc, PS, PEO, CA중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 금속은,
    Ag, Fe, Pt, Au, Co, Cu, V, Ni, Ce, Nd, Zn, Nb 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속도핑 산화티타늄 나노섬유 페이스트는,
    졸-겔 방법, 수열합성방법, 마이크로웨이브 방법중 선택된 어느 하나의 방법으로 합성되는 것을 특징으로 하는 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법.
  11. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 금속도핑 산화티타늄 나노섬유가 함유된 산화티타늄 페이스트는,
    페이스트 총중량을 기준으로 상기 금속도핑 산화티타늄 나노섬유가 1~30%중량 혼합되는 것을 특징으로 하는 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법.
  12. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 산화티타늄 나노섬유는,
    전구체 물질에 아세트산과 에탄올을 첨가하여 교반한 후, 고분자 물질을 첨가하여 균질의 합성 용액을 제조하는 합성 용액 제조 공정과;
    상기 합성 용액을 전기 방사하여 산화티타늄 나노섬유를 생성하는 나노 섬유 생성 공정; 및
    산화티타늄 나노섬유를 소성하는 소성 공정을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 전구체 물질은,
    TIP, TiCl4, Ti(OBu)4중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 고분자 물질은,
    PVP, PMMA, PVA, PVAc, PS, PEO, CA중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법.
  15. 제 2 항에 있어서,
    상기 금속도핑 산화티타늄 나노섬유 페이스트는,
    졸-겔 방법, 수열합성방법, 마이크로웨이브 방법중 선택된 어느 하나의 방법으로 합성되는 것을 특징으로 하는 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법.
  16. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산화티타늄 페이스트는,
    졸-겔 방법, 수열합성방법, 마이크로웨이브 방법중 선택된 어느 하나의 방법으로 합성되는 것을 특징으로 하는 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법.
  17. 제 5 항에 있어서,
    상기 산화티타늄 나노섬유가 함유된 산화티타늄 페이스트는,
    페이스트 총중량을 기준으로 상기 산화티타늄 나노섬유가 1~30%중량 혼합되는 것을 특징으로 하는 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법.
  18. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항의 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 반도체산화물 섬유가 포함된 염료 감응형 태양전지 광전극.
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