KR20140007112A - 패턴화된 금속 상대전극을 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 패턴화된 금속 상대전극을 포함하는 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 30 나노미터의 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼 상에 금속을 스퍼터링하여 간단하게 표면적이 증가되는 것을 특징으로 하여 제조되는 패턴화된 금속 상대전극을 포함하는 염료감응 태양전지 및 이의 제조하는 방법을 제공하였다.
본 발명에 따르면, 염료감응 태양전지용 상대전극은 금속 촉매층의 표면적이 증가됨에 따라 전극과 전해질간의 충분한 접촉 면적을 제공해 주어 이온 교환이 원활해짐에 따라 종래의 염료감응형 태양전지의 광전변환 효율보다 높은 광전변환 효율을 나타낼 수 있다는 장점이 있다. 더욱이, 패턴이 형성되어 있는 실리콘 웨이퍼 상에 간단히 금속을 스퍼터링하면 30 나노미터의 미세한 금속 패턴을 형성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 염료감응 태양전지용 상대전극은 금속 촉매층의 표면적이 증가됨에 따라 전극과 전해질간의 충분한 접촉 면적을 제공해 주어 이온 교환이 원활해짐에 따라 종래의 염료감응형 태양전지의 광전변환 효율보다 높은 광전변환 효율을 나타낼 수 있다는 장점이 있다. 더욱이, 패턴이 형성되어 있는 실리콘 웨이퍼 상에 간단히 금속을 스퍼터링하면 30 나노미터의 미세한 금속 패턴을 형성할 수 있다.
Description
본 발명은 패턴화된 금속 상대전극을 포함하는 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼 상에 금속을 스퍼터링하여 제조되는 패턴화된 금속 상대전극을 포함하는 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
염료감응 태양전지(dye-sensitized photovoltaic cell)는 1991년 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의하여 발표관 광전기화학 태양전지로 대표되는 것으로서, 광전극(photo electrode), 상대전극(counter electrode), 및 전해질로 구성되어 있다. 그 중 광전극은 투명전도성 기판 위에 넓은 밴드갭 에너지를 갖는 금속산화물 나노입자 및 감광성 염료를 흡착시켜 사용하고, 상대전극으로는 투명전도성 기판위에 백금(Pt)을 코팅하여 사용한다.
염료감응 태양전지에 태양광이 입사되면 태양광을 흡수하여 여기상태(excited state)가 된 감광성 염료는 전자를 금속산화물의 전도대로 보낸다. 전도된 전자는 금속산화물에서 전극으로 이동하여 외부 회로로 흘러가서 상대전극에 전기에너지를 전달한다. 여기상태가 된 감광성 염료는 전해질 용액으로부터 전자를 공급받아 원래의 상태로 돌아가게 되는데, 이 때 사용되는 전해질은 산화-환원 반응에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 감광성 염료에 전달하는 역할을 한다.
현재까지는 태양전지의 효율 향상을 위해 광전극 및 전해질에 관한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 상대전극에 관한 연구는 최근 들어 시작되었으며, 주로 백금(Pt)을 코팅하여 사용하고 있다. 백금 촉매층을 투명기판 위에 증착시키는 방법으로 상대전극을 제조하는 것이 일반적인데, 이러한 금속 촉매는 전기 전도도 및 촉매 특성이 우수한 장점이 있으나 표면적을 높이는데에는 한계가 있어왔다. 전극 재료의 넓은 표면적은 전극과 전해질간의 충분한 접촉 면적을 제공해주는 요인이므로, 태양 전지 및 리튬-이온 전지 등의 에너지 소자 내부에서 이루어지는 전극과 전해질 간의 원활한 이온 교환을 위한 필수적인 요소이다.
이에, 금속 촉매층의 표면적을 넓히기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있는데 그 중 백금 나노입자를 다양한 형태로 제조하여 상대전극에 적용하는 연구가 보고되었다. (S.Jeon et al., J. Phys. Chem. C 2011, 115, 44) (S.Kim et al, Solar Energy Materials and Solar Cells 2006, 90, 3) 그러나 상기와 같은 종래의 방법은 백금 나노입자를 제조 후 상대전극에 적용해야 하기 때문에 제조 단계가 복잡하다는 단점이 있다.
따라서, 염료감응 태양전지의 상대전극 재료로 사용하기 위한 금속 촉매층의 표면적을 간단한 방법으로 넓힐 수 있는 새로운 제조 방법이 강력히 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 이러한 종래기술의 문제점을 일거에 해결하고자 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼 상에 금속을 스퍼터링하여 간단하게 제조되는 패턴화된 표면적이 넓은 금속 상대전극을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 상대전극을 포함하는 염료감응 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명은 30 나노미터의 폭으로 식각된 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼에 금속을 스퍼터링 방법으로 증착시켜 상대전극을 제조하고, 이를 포함하는 염료감응 태양전지를 제공하는 것을 내용으로 한다.
본 발명에 따른 백금 상대전극의 제조 방법은
(A) 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼 상에 금속을 스퍼터링으로 증착하는 단계; 및
(B) 상기 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼에 금속을 스퍼터링으로 증착시킨 것을 상대전극으로 적용하여 염료감응형 태양전지를 제조하는 단계로 구성되어 있다.
본 발명에 따른 패턴화된 금속 상대전극을 포함한 염료감응 태양전지의 제조방법은 이제껏 보고된 바가 없는 전혀 새로운 방법으로서, 종래의 방법에서 야기되던 금속 촉매층의 표면적 증가의 한계점을 극복하고 염료감응 태양전지의 효율을 증가시킨다. 또한 스퍼터링 이라는 간편한 공정으로 제조되는 패턴화된 금속 상대전극을 이용하여 염료감응 태양전지가 제조되기 때문에 이전의 접근법과는 달리 매우 간단한 방법으로 균일한 패턴을 가지는 금속 상대전극을 제조할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 패턴화된 금속 상대전극을 포함하는 상대전극의 제조과정을 도식화 한 것이며;
도 2는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 패턴화된 금속 상대전극의 주사전자현미경 사진이며;
도 3은 본 발명의 태양전지 특성 평가 결과 (photocurrent 측정 결과)를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 패턴화된 금속 상대전극의 주사전자현미경 사진이며;
도 3은 본 발명의 태양전지 특성 평가 결과 (photocurrent 측정 결과)를 도시한 것이다.
본 발명은 작동전극 및 상대전극을 포함하는 염료감응형 태양전지로서, 상기 패턴화된 금속 상대전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지를 제공한다.
단계 (A) 에서 사용되는 실리콘 웨이퍼의 경우, 30 나노미터의 폭을 가지는 패턴을 포함하고 있으며, 패턴의 폭은 특별히 제한적이지 않지만, 30 나노미터의 폭이 바람직하다.
상기 사용되는 금속은 특별히 제한적이지 않으며, 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 등이 패턴화된 금속 상대전극을 제조하는데 사용될 수 있다. 스퍼터링 방법을 이용하여 실리콘 웨이퍼 상에 증착된 금속층의 두께는 특별히 제한적이지 않으나, 10 나노미터에서 20 나노미터인 것이 바람직하다. 증착된 금속층의 두께가 10 나노미터 이하가 되면 금속 촉매층의 표면저항값이 충분히 낮지 않아 전기전도도가 감소한다. 증착된 금속층의 두께가 20 나노미터 이상이면 패턴이 잘 형성되지 않을 뿐 아니라 표면 저항값이 더 이상 낮아지지 않는다. 증착 시간은 3 분에서 15 분인 것이 바람직하다. 증착 시간이 3분 이하이면 증착된 금속층의 두께가 10 나노미터 이하가 되고, 증착 시간이 15 분 이상이면 증착된 금속층의 두께가 20 나노미터 이상이 되어 바람직하지 않다. 금속을 스퍼터링할 때의 가압 전류는 10 mA에서 40 mA가 바람직하나, 이에 국한되는 것은 아니며, 증착 시간에 따라서 상기 범위보다 높거나 낮아질 수 있다. 상기 폭이 30 나노미터인 패턴을 가지는 실리콘 웨이퍼에 증착된 금속층을 포함하는 상대전극은 30 나노미터의 금속 패턴을 형성하고 있으며, 금속 패턴의 폭은 실리콘 웨이퍼의 패턴의 폭에 따라 달라진다.
단계 (B) 에서는 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명은 광전극, 상기 광전극과 마주보도록 배치된 상대전극, 및 상기 두 전극 사이의 공간에 충진된 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지에 있어서, 전술한 방법에 의해 제조된 상대전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지를 제공한다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 금속 촉매가 증착된 상대전극을 포함하는 것에 특징이 있으므로, 이를 제외한 광전극 및 전해질 등은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 구성을 포함할 수 있으며, 그 제조방법 또한 통상적인 방법을 이용하여 제조할 수 있으므로 특별히 제한하지 않는다. 예를 들면, 상기 광전극은 전도성 기판의 일면에 금속산화물 나노입자 페이스트를 도포한 후 열처리를 실하고 감광성 염료에 염색된 것을 사용할 수 있으며, 상기 전해질은 iodied/triodied 쌍으로서 산화-환원에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 광전극의 염료에 전달하는 역할을 할 수 있는 것을 사용할 수 있다.
이하 실시예를 참조하여 본 발명의 구체적인 예를 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 한정되는 것은 아니다.
상대전극용 기판으로 30 나노미터의 폭을 가지는 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼를 준비하였고, 상기 기판의 패턴이 있는 쪽을 위쪽으로 하여 스퍼터링 장치를 이용해 40 mA 에서 15 분 동안 백금 촉매를 증착시켰다. 패턴화된 백금 전극을 주사전자현미경(FE-SEM)을 사용하여 분석한 결과, 30 나노미터의 폭을 가지는 패턴이 생성된 것을 확인할 수 있었고, (도 2) 4 탐침 면저항 측정장치로 측정된 표면저항은 0.5Ω/□ 로 확인되었다. (표 1) 또한 이 때 증착된 금속층의 두께는 20 나노미터로 관찰되었다.
| 전류(mA)/시간(분) |
0 |
3 |
6 |
10 |
15 |
20 |
| 20 |
1*106 |
5*104 |
1*104 |
2*103 |
- |
- |
| 40 |
1*106 |
1.4 |
0.5 |
0.5 |
0.5 |
0.5 |
광전극용 기판으로 FTO가 코팅된 유리기판을 준비하였고, 상기 기판의 전도성면 쪽에 스크린프린터를 이용하여 0.25cm2의 면적으로 p25 페이스트를 10 마이크로미터의 두께로 도포하였다. 이어서, 기판을 450 도에서 30 분간 소결한후, 감광성 염료(N719)를 포함하는 에탄올 용액에 24 시간동안 담구어 염료를 흡착시켜 광전극을 제조하였다.
그 후, 제조한 상기 상대전극과 광전극 사이에 아세토니트릴(acetonitrile) 전해질을 주입하고 봉합하여 염료감응 태양전지를 제조하였다. 상기의 제조된 연료감응형 태양전지의 개방전압, 광전류밀도, 에너지 변환효율(energy conversion efficiency) 및 충진계수(fill factor)를 측정하였으며 그 결과를 표 2 및 도 3에 나타내었다.
| Jsc (mA/cm2) |
Voc (mV) |
FF |
η(%) |
|
| H2PtCl6 용액 코팅 (실시예 7) |
12.32 |
695 |
0.72 |
6.03 |
| 10 분 (실시예 2) |
11.62 |
703 |
0.71 |
5.81 |
| 15 분 (실시예 1) |
13.08 |
691 |
0.73 |
6.57 |
| 20 분 (실시예 3) |
12.81 |
697 |
0.73 |
6.55 |
상대전극용 기판으로 30 나노미터의 폭을 가지는 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼를 준비하였고, 상기 기판의 패턴이 있는 쪽을 위쪽으로 하여 스퍼터링 장치를 이용해 40 mA 에서 10 분 동안 백금 촉매를 증착시켰다. 패턴화된 백금 전극을 주사전자현미경(FE-SEM)을 사용하여 분석한 결과, 30 나노미터의 폭을 가지는 패턴이 생성된 것을 확인할 수 있었고, 4 탐침 면저항 측정장치로 측정된 표면저항은 0.5Ω/□ 로 확인되었다. (표 1) 또한 이 때 증착된 금속층의 두께는 16 나노미터로 관찰되었다.
그 후, 제조한 상기 상대전극과 실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여 제조한 광전극 사이에 아세토니트릴(acetonitrile) 전해질을 주입하고 봉합하여 염료감응 태양전지를 제조하였다. 상기의 제조된 연료감응형 태양전지의 개방전압, 광전류밀도, 에너지 변환효율(energy conversion efficiency) 및 충진계수(fill factor)를 측정하였으며 그 결과를 표 2 및 도 3에 나타내었다.
상대전극용 기판으로 30 나노미터의 폭을 가지는 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼를 준비하였고, 상기 기판의 패턴이 있는 쪽을 위쪽으로 하여 스퍼터링 장치를 이용해 40 mA 에서 20 분 동안 백금 촉매를 증착시켰다. 패턴화된 백금 전극을 주사전자현미경(FE-SEM)을 사용하여 분석한 결과, 증착된 금속층의 두께가 20 나노미터 이상으로 증가하여 패턴의 모양이 잘 형성되지 않은 것을 확인할 수 있었고, 4 탐침 면저항 측정장치로 측정된 표면저항은 0.5Ω/□ 로 확인되었다. (표 1)
그 후, 제조한 상기 상대전극과 실시예 1과 마찬가지의 방법을 이용하여 제조한 광전극 사이에 아세토니트릴(acetonitrile) 전해질을 주입하고 봉합하여 염료감응 태양전지를 제조하였다. 상기의 제조된 연료감응형 태양전지의 개방전압, 광전류밀도, 에너지 변환효율(energy conversion efficiency) 및 충진계수(fill factor)를 측정하였으며 그 결과를 표 2 및 도 3에 나타내었다. 백금의 증착시간이 15 분보다 길었지만 에너지 변환효율이 낮아지는 것을 확인하였다. 이에 15 분의 증착시간이 가장 바람직하다.
상대전극용 기판으로 30 나노미터의 폭을 가지는 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼를 준비하였고, 상기 기판의 패턴이 있는 쪽을 위쪽으로 하여 스퍼터링 장치를 이용해 40 mA 에서 3 분 동안 백금 촉매를 증착시켰다. 패터닝된 백금 전극을 주사전자현미경(FE-SEM)을 사용하여 분석한 결과, 30 나노미터의 폭을 가지는 패턴이 생성된 것을 확인할 수 있었고, 4 탐침 면저항 측정장치로 측정된 표면저항은 1.4Ω/□ 로, 실시예 1에서 제조한 백금 전극과 비교하여 증가하는 결과를 확인하였다. 이는 금속층의 두께가 10 나노미터 이하가 되어 전기전도도가 낮아졌기 때문이며, (표 1) 이에 40 mA 의 전류에서 10 분 이상 백금 촉매를 증착시키는 것이 요구된다.
상대전극용 기판으로 30 나노미터의 폭을 가지는 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼를 준비하였고, 상기 기판의 패턴이 있는 쪽을 위쪽으로 하여 스퍼터링 장치를 이용해 20 mA 에서 6 분 동안 백금 촉매를 증착시켰다. 패터닝된 백금 전극을 주사전자현미경(FE-SEM)을 사용하여 분석한 결과, 30 나노미터의 폭을 가지는 패턴이 생성된 것을 확인할 수 있었고, 4 탐침 면저항 측정장치로 측정된 표면저항은 10*103Ω/□ 로 확인되었다. (표 1) 증착된 금속층의 두께는 10 나노미터 이하로 낮은 전기전도도를 가지는 것이 관찰되었다.
상대전극용 기판으로 30 나노미터의 폭을 가지는 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼를 준비하였고, 상기 기판의 패턴이 있는 쪽을 위쪽으로 하여 스퍼터링 장치를 이용해 20 mA 에서 10 분 동안 백금 촉매를 증착시켰다. 패터닝된 백금 전극을 주사전자현미경(FE-SEM)을 사용하여 분석한 결과, 30 나노미터의 폭을 가지는 패턴이 생성된 것을 확인할 수 있었고, 4 탐침 면저항 측정장치로 측정된 표면저항은 2*103Ω/□ 로 확인되었다. (표 1) 증착된 금속층의 두께는 10 나노미터 이하로 낮은 전기전도도를 가지는 것이 관찰되었다. 이에 증착시킬 때의 가압 전류 조건은 40 mA 이상인 것이 요구된다.
실시예 1의 상대전극의 제조과정에서 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼 상에 백금 촉매를 증착시킨 전극 대신 FTO가 코팅된 유리기판 상에 H2PtCl6 용액을 코팅한 후 400 ℃에서 30 분간 열처리한 전극을 사용한 것을 제외하고 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였다. 상기의 제조된 연료감응형 태양전지의 개방전압, 광전류밀도, 에너지 변환효율(energy conversion efficiency) 및 충진계수(fill factor)를 측정하였으며 그 결과를 표 2 및 도 3에 나타내었다.
Claims (3)
- (A) 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼 상에 금속을 스퍼터링 방법으로 증착하는 단계; 및
(B) 상기 금속이 증착된 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼를 상대전극으로 적용하여 염료감응 태양전지를 제조하는 단계 - 제 1항에 있어서 증착된 금속의 두께가 10 나노미터에서 20 나노미터인 것을 특징으로 하는 패턴화된 금속 상대전극을 포함하는 염료감응 태양전지의 제조 방법
- 제 1항에 있어서, 실리콘 웨이퍼 상에 증착시키는 금속 물질이 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 및 팔라듐(Pd) 인 것을 특징으로 하는 패턴화된 금속 상대전극을 포함하는 염료감응 태양전지의 제조 방법
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120073761A KR20140007112A (ko) | 2012-07-06 | 2012-07-06 | 패턴화된 금속 상대전극을 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020120073761A KR20140007112A (ko) | 2012-07-06 | 2012-07-06 | 패턴화된 금속 상대전극을 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20140007112A true KR20140007112A (ko) | 2014-01-17 |
Family
ID=50141687
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020120073761A KR20140007112A (ko) | 2012-07-06 | 2012-07-06 | 패턴화된 금속 상대전극을 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20140007112A (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101500181B1 (ko) * | 2013-10-30 | 2015-03-06 | 주식회사 포스코 | 염료감응 태양전지용 상대전극 및 그 제조방법 |
| KR101528776B1 (ko) * | 2014-08-27 | 2015-06-15 | 서울시립대학교 산학협력단 | 전극체 제조방법 |
-
2012
- 2012-07-06 KR KR1020120073761A patent/KR20140007112A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101500181B1 (ko) * | 2013-10-30 | 2015-03-06 | 주식회사 포스코 | 염료감응 태양전지용 상대전극 및 그 제조방법 |
| KR101528776B1 (ko) * | 2014-08-27 | 2015-06-15 | 서울시립대학교 산학협력단 | 전극체 제조방법 |
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