KR20140047244A - 염료감응 태양전지 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20140047244A
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Abstract

염료감응 태양전지 모듈의 제조 방법은,
투명기판 상에 투명전극을 적층하는 단계; 투명전극의 위에 금속 산화물 페이스트를 도포하여 다공질 산화물 반도체층을 적층하는 단계; 다공질 산화물 반도체층의 위에 산화물 반도체 페이스트를 도포하여 다공성 절연층을 적층하는 단계; 다공성 절연층의 위에 촉매 형성용 페이스트보다 고온에서 탄화되는 버퍼층을 적층하는 단계; 버퍼층의 위에 상기 촉매 형성용 페이스트를 도포하여 촉매층을 적층하는 단계; 촉매층의 위에 도전성 접합 페이스트를 도포하여 다공성 대극층을 적층하는 단계; 및 다공성 대극층의 적층 이후에 소성 공정을 수행하는 단계를 포함한다.

Description

염료감응 태양전지 모듈 및 그 제조 방법{Dye-Sensitized Solar Cell and Manufacturing Method Thereof}
본 발명은 염료감응 태양전지 모듈의 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 모노리식(Monolithic) 타입의 염료감응 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell, DSC) 모듈에서 촉매 형성용 페이스트가 소성 과정시 아래로 침투하여 광전극층과의 쇼트를 방지하는 염료감응 태양전지 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
1991년도 스위스 로잔공대(EPFL)의 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 연구팀에 의해 염료감응 나노입자 산화티타늄 태양전지가 개발된 이후, 이 분야에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. 염료감응 태양전지는 기존의 실리콘계 태양전지에 비해 제조 단가가 현저하게 낮기 때문에 기존의 비정질 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 가능성을 가지고 있으며, 또한, 염료감응 태양전지는 실리콘 태양전지와 달리 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성할 수 있는 염료분자, 및 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물을 주요 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다.
일반적인 염료감응 태양전지의 단위 셀 구조는 투명한 기판과 그 투명기판의 표면에 각각 형성되는 도전성 투명전극을 기본으로 하여, 제1 전극에 해당하는 일측의 도전성 투명전극 위에는 그 표면에 염료가 흡착된 전이금속 산화물 다공질 층이 형성되고, 제2 전극에 해당하는 타측 도전성 투명전극 위에는 촉매 박막전극이 형성되며, 상기 전이금속 산화물, 예를 들면, TiO2, 다공질 전극과 촉매박막전극 사이에는 전해질이 충진되는 구조를 갖는다. 즉, 염료감응 태양전지는 정공 전달 매개체로서 전해질을 사용하며, 이러한 염료감응 태양전지의 전해질 의존성은 전해질의 확산속도에 의존하며, 확산속도는 액체상태의 유기용매나 이온액체전해질이 반고체형이나 고체형에 비교하여 확산속도가 크기 때문에 광전변환 효율 성능이 우수하다.
이러한 염료감응 태양전지 모듈의 구조는 W 타입, Z 타입, 모노리식(Monolithic) 타입 등이 있다.
모노리식 타입의 DSC 모듈은 W 타입과 Z 타입에서의 상대전극 기판이 필요하지 않기 때문에 저비용화가 가능하고 작동전극 기판에 순차적으로 각 층을 적층하여 제조하므로 제조 공정이 비교적으로 간단하고 고생산성이 가능한 효과가 있다.
모노리식 타입의 DSC 모듈은 투명 기판 상에 투명 도전층, 광전극층, 다공성 절연층 및 촉매전극을 가지는 대극층을 포함하는 집적화된 구조로 제조된다.
다공성 절연층 위에는 촉매전극의 재료인 Pt 페이스트가 도포되고 건조, 소성 과정에서 Pt 페이스트가 녹아서 광전극층의 공극 사이로 침투하여 광전극층과 쇼트가 발생되는 문제점이 있었다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 모노리식(Monolithic) 타입의 염료감응 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell, DSC) 모듈에서 촉매 형성용 페이스트가 소성 과정시 아래로 침투하여 광전극층과의 쇼트를 방지하는 염료감응 태양전지 모듈 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 염료감응 태양전지 모듈의 제조 방법은,
투명기판 상에 투명전극을 적층하는 단계; 투명전극의 위에 금속 산화물 페이스트를 도포하여 다공질 산화물 반도체층을 적층하는 단계; 다공질 산화물 반도체층의 위에 산화물 반도체 페이스트를 도포하여 다공성 절연층을 적층하는 단계; 다공성 절연층의 위에 촉매 형성용 페이스트보다 고온에서 탄화되는 버퍼층을 적층하는 단계; 버퍼층의 위에 상기 촉매 형성용 페이스트를 도포하여 촉매층을 적층하는 단계; 촉매층의 위에 도전성 접합 페이스트를 도포하여 다공성 대극층을 적층하는 단계; 및 다공성 대극층의 적층 이후에 소성 공정을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 버퍼층을 적층하는 단계는,
소성 과정에서 상기 촉매 형성용 페이스트가 아래로 흘러내리지 않도록 바인더 또는 유기물을 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 구성에 의하여, 본 발명은 염료감응 태양전지 모듈의 제조시 촉매층과 절연층 사이에 바인더를 도포하여 모듈의 소성 과정에서 촉매층과 바인더가 시간차를 두면서 용융되게 함으로써 촉매 형성용 페이스트가 아래로 흘러내리지 않도록 하여 쇼트를 방지하는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 모노리식 타입의 염료감응 태양전지 모듈의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 모노리식 타입의 염료감응 태양전지 모듈의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 모노리식 타입의 염료감응 태양전지 모듈의 적층체 형성 방법을 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 일반적인 모노리식 타입의 염료감응 태양전지 모듈의 구조를 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 모노리식 타입의 염료감응 태양전지 모듈의 구조를 나타낸 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 모노리식 타입의 염료감응 태양전지 모듈은 투명기판(100), 투명전극(110), 다공질 산화물 반도체층(120)에 염료를 흡착한 광전극층, 다공성 절연층(130), 촉매층(140) 및 다공성 대극층(150)을 포함한다. 이외에 다공성 절연층(130)과 촉매층(140) 사이에 버퍼층(200)을 형성한다.
투명기판(100)은 외부광의 입사가 가능하도록 투명하게 형성되어야 하며, 예를 들어, 투명한 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 플라스틱의 구체적인 예로는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Poly Ethylene Terephthalate, PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(Poly Ethylene Naphthalate: PEN), 폴리카보네이트(Poly-Carbonate: PC), 폴리프로필렌(Poly-Propylene: PP), 폴리이미드(Poly- Imide: PI), 트리 아세틸 셀룰로오스(Tri Acetyl Cellulose: TAC) 등을 들 수 있다.
투명기판(100)에 복수개의 투명전극(TCO)(110)이 형성된다. 여기서, 투명전극(110)은 TCO Glass로서 인듐 틴 산화물(Indium Tin Oxide: ITO), 플루오르 틴 산화물(Fluorine Tin Oxide: FTO), 안티몬 틴 산화물(Antimony Tin Oxide: ATO), 징크 산화물(Zinc Oxide), 틴 산화물(Tin Oxide), ZnOGa2O3, ZnO-Al2O3 등의 투명 물질로 이루어질 수 있다.
투명전극(110)은 투명 물질의 단일막 또는 적층막으로 이루어질 수 있다.
투명전극(110) 위에는 투명전극(110)에 전기적으로 연결되는 광전극층이 형성된다.
광전극층은 염료가 흡착되는 결정 산화물이 형성되는데, 결정 산화물은 다공질막 형태로 존재하는 다공질 산화물 반도체층(TiO2 박막층)(120)을 주로 사용하며, 이외에 ZnO, SnO2 등 다양하게 사용할 수 있다.
광전극층은 염료가 흡착된 다공질 산화물 반도체층(120)으로 구성되며, 다공질 산화물 반도체층(120)은 금속 산화물 입자를 포함한다.
이러한 다공질 산화물 반도체층(120)은 금속 산화물 입자 표면에 외부광을 흡수하여 전자를 생성하는 염료가 흡착된다.
염료는 알루미늄(Al), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 유로퓸(Eu), 납(Pb), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 등을 포함하는 금속 복합체로 이루어질 수 있다.
다공성 절연층(130)은 광전극층의 주위를 둘러싸도록 하여 광전극층과 상대전극과의 물리적 접촉 및 전기적 접촉을 막는 기능을 한다.
다공성 절연층(130)은 굴절율이 높고 고저항 재료로 산화물 반도체가 바람직하고 산화 지르코늄, 산화 마그네슘, 산화 알루미륨, 산화 티탄 중 1 종류 또는 이들을 혼합하여 형성한다.
촉매층(140)은 다공성 대극층(150)의 표면에 접합하는 촉매전극으로서, 다공성 절연층(130)에 존재하는 전해액의 반응을 촉진하는 기능을 가진다.
촉매층(140)은 촉매 형성용 재료로서 백금, 팔라듐 등의 금속 재료, 카본 블랙, 카본 나노 튜브 등의 카본계 재료 등을 들 수 있다.
다공성 대극층(150)은 도전성 접합 재료로서 높은 도전성을 가지고 전해액의 내부식성을 있는 재료인 것이 바람직하고 구체적으로 티탄, 텅스텐, 니켈 등을 들 수 있다.
버퍼층(200)은 소성 과정에서 촉매전극이 아래로 침투하는 것을 방지하기 위해서 바인더 또는 유기물을 도포하여 고온 상태에서 촉매전극과 시간차를 두면서 용융되게 함으로써 촉매전극이 아래로 흘러내리지 않도록 방지한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 모노리식 타입의 염료감응 태양전지 모듈의 적층체 형성 방법을 나타낸 도면이다.
염료감응 태양전지 모듈의 적층체 형성은 스크린 인쇄법, 스퍼터법, 잉크젯 프린트법, 스핀 코트법 등 공지의 방법을 사용할 수 있다.
버퍼층(200)은 설명의 편의를 위해 바인더로 이루어진 바인더 층(200)으로 설명한다.
먼저, 투명기판(100) 상에 스크린 인쇄법을 이용하여 투명전극(110)을 도포한다(S102).
투명전극(110)의 막 두께는 0.02-5미크론 정도이고 막 저항이 낮을수록 좋다.
다음으로, 투명전극(110)의 위에 다공질 산화물 반도체층(120)을 형성한다(S104).
이산화티탄(TiO2)의 분말을 용매로 에탄올을 혼합하여 금속 산화물이 분산된 콜로이드 용액을 제조한 후, 바인더 수지로 에틸셀룰로오스를 혼합하고 용매를 제거하여 나노 입자의 금속 산화물 페이스트를 제조한다.
금속 산화물 페이스트를 스크린 인쇄법을 이용하여 투명전극(110)의 위에 도포하고 오븐(Oven)으로 건조시킨다. 다음으로, 다공질 산화물 반도체층(120) 위에 다공성 절연층(130)을 형성한다(S106).
산화물 반도체 입자를 포함하는 페이스트를 제조하여 스크린 인쇄법을 이용하여 다공질 산화물 반도체의 위에 도포하고 오븐으로 건조시킨다.
다공성 절연층(130)은 인접 셀 내의 다공질 산화물 반도체층(120)과 접촉하여 셀 간을 절연시켜 내부 단락을 방지한다.
다공성 절연층(130)은 2미크론(㎛)보다 얇은 경우 핀 홀 등이 발생하기 쉽기 때문에 다공질 산화물 반도체층(120)과 다공성 대극층(150)이 접촉할 우려가 있고 20미크론(㎛)보다 두꺼운 경우, 투명전극(110)과 다공성 대극층(150) 간의 거리가 너무 길고 내부 저항이 커질 수 있으므로 2-20미크론 정도의 막두께가 바람직하다.
다음으로, 다공성 절연층(130)의 위에 바인더를 도포하여 바인더 층(200)을 건조하여 형성한다(S108).
바인더 층(200)의 형성은 두께를 1-3㎛로 하고, 용매의 휘발 조건인 약 150-250℃의 건조 조건으로 바인더를 스크린 인쇄법을 이용하여 도포한다. 이때, 바인더 층(200)의 두께가 1-3㎛에서 벗어나는 경우, 과량의 바인더의 탄화로 촉매층(140)의 부착력이 떨어진다.
바인더는 촉매 형성용 페이스트보다 고온에서 탄화되는 바인더이면 어떠한 물질도 가능하다.
바인더는 에틸셀롤로오스를 촉매 형성용 바인더로 사용하고 에틸셀롤로오스의 탄화점은 약 370℃ 정도 된다.
바인더 층(200)으로 사용될 수 있는 바인더는 아크릴이나 폴리바이넬피롤리돈 같은 물질을 사용할 수 있다. 이때, 아크릴 바인더는 약 380℃이고, 폴리바이넬피롤리돈 바인더는 약 400℃ 정도에서 탄화된다.
바인더의 탄화되는 온도 범위는 약 350-450℃ 정도이고 촉매층(140)보다 높은 온도에서 탄화되어 없어지게 된다.
버퍼층(200)이 유기물(예를 들면, 유기물 수지 등)인 경우, 약 500℃ 정도로 소성하는 경우 탄화가 이루어지지만 제거되는 것이 아니라 탄소 형태로 잔존하게 된다.
버퍼층(200)은 바인더와 같이 탄화되어 제거되어도 되지만, 촉매층(140)의 주재료가 탄소로 이루어져 있기 때문에 탄소 형태로 잔존해도 상관없다.
다음으로, 본 발명은 촉매 형성용 재료와 고분자 재료를 용매에서 혼합하여 촉매 형성용 페이스트를 제조하고 촉매 형성용 페이스트를 바인더 층(200)의 위에 스크린 인쇄법을 이용하여 도포함으로써 촉매층(140)이 형성된다(S110).
촉매층(140)과 다공성 절연층(130) 사이에 바인더를 도포하여 소성 과정(고온 상태)에서 촉매층(140)과 바인더 층(200)이 시간차를 두면서 용융되게 함으로써 촉매 형성용 페이스트가 아래로 흐르는 현상을 방지한다.
또한, 바인더 층(200)의 좌우폭이 촉매층(140)의 좌우폭보다 같거나 길게 형성하여 촉매 형성용 페이스트가 흐르는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
다음으로, 본 발명은 촉매층(140) 위에 다공성 대극층(150)을 형성한다(S112).
본 발명은 도전성 접합 재료를 포함한 용액에 금속 입자를 분산 혼합하여 도전성 접합 페이스트를 제조하고 도전성 접합 페이스트를 촉매층(140) 위에 스크린 인쇄법을 이용하여 도포함으로써 다공성 대극층(150)이 형성된다. 다공성 대극층(150)의 표면에 촉매층(140)이 접합되어 있다.
다공성 대극층(150)은 막 두께가 4미크론보다 얇은 경우 저항이 커지고 20미크론보다 두꺼운 경우 내부 응력에 의하여 막 내부 또는 막 표면에 균열이 생기므로 4-20미크론 정도의 막두께가 바람직하다.
다공질 산화물 반도체층(120)에 염료를 담지시키고 다공성 절연층(130)과 다공질 산화물 반도체층(120)에 액상의 전해액을 떨어뜨려 함침시킨다.
다공성 대극층(150)으로부터 다공성 절연층(130)에 침입한 전자는 다공성 절연층(130)의 입자 간에 존재하는 구멍 내에 스며있는 전해액의 이온 전도에 의하여 다공질 산화물 반도체층(120)에 도달하고 다공질 산화물 반도체층(120)에서 전자 전도에 의하여 투명전극(110)에 도달하게 된다.
본 발명은 투명기판(100), 투명전극(110), 다공질 산화물 반도체층(120), 다공성 절연층(130), 바인더 층(200), 촉매층(140) 및 다공성 대극층(150)을 형성한 후, 오븐에서 400-500℃로 일정 시간 소성한다.
본 발명은 다공성 대극층(150)을 형성한 후 소성 과정에서 바인더가 탄화되어 제거된다(S114).
본 발명은 소성 과정에서 바인더가 탄화되어 제거됨에 따라 촉매층(140)이 소성 시간 용융되었다가 온도가 내려가면서 다시 고체화될 때까지의 시간동안 촉매 형성용 페이스트가 흘러내리지 않도록 한다.
본 발명은 촉매층(140)과 바인더의 분해 온도가 서로 다르므로 바인더가 탄화되어 제거되는 경우에도 촉매층(140)이 아래로 흘러내리지 않는다.
바인더의 제거 시점은 촉매층(140)이 소성 시간 용융되었다가 온도가 내려가면서 다시 고체화될 때까지의 시간 중 일정 시점 즉 소성 과정에서 탄화되어 제거된다.
본 발명은 바인더가 탄화되어 제거되는 형태로 구성하고 있지만, 버퍼층(200)이 유기물인 경우, 소성 과정에서 탄화가 이루어지지만 제거되는 것이 아니라 탄소 형태로 잔존하게 된다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 투명기판
110: 투명전극
120: 다공질 산화물 반도체층
130: 다공성 절연층
140: 촉매층
150: 다공성 대극층
200: 바인더 층, 버퍼층

Claims (7)

  1. 염료감응 태양전지 모듈의 제조 방법에 있어서,
    투명기판 상에 투명전극을 적층하는 단계;
    상기 투명전극의 위에 금속 산화물 페이스트를 도포하여 다공질 산화물 반도체층을 적층하는 단계;
    상기 다공질 산화물 반도체층의 위에 산화물 반도체 페이스트를 도포하여 다공성 절연층을 적층하는 단계;
    상기 다공성 절연층의 위에 촉매 형성용 페이스트보다 고온에서 탄화되는 버퍼층을 적층하는 단계;
    상기 버퍼층의 위에 상기 촉매 형성용 페이스트를 도포하여 촉매층을 적층하는 단계;
    상기 촉매층의 위에 도전성 접합 페이스트를 도포하여 다공성 대극층을 적층하는 단계; 및
    상기 다공성 대극층의 적층 이후에 소성 공정을 수행하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼층을 적층하는 단계는,
    소성 과정에서 상기 촉매 형성용 페이스트가 아래로 흘러내리지 않도록 바인더 또는 유기물을 도포하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼층의 좌우폭이 상기 촉매층의 좌우폭과 같거나 긴 것인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 소성 공정을 수행하는 단계는,
    상기 버퍼층은 상기 촉매층이 소성시 용융되었다가 온도가 내려가면서 고체화되는 시간 중 일정 시점에 탄화되는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼층을 적층하는 단계는,
    상기 버퍼층의 두께를 1-3㎛로 하고, 150-250℃의 건조 조건으로 바인더를 스크린 인쇄법을 이용하여 도포하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼층을 적층하는 단계는,
    소성 과정에서 상기 촉매 형성용 페이스트가 아래로 흘러내리지 않도록 유기물을 도포하는 단계를 포함하며,
    상기 소성 공정을 수행하는 단계는,
    상기 버퍼층이 상기 촉매층이 소성시 용융되었다가 온도가 내려가면서 고체화되는 시간 중 일정 시점에 탄화가 이루어지지만 탄소 형태로 잔존하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈의 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 염료감응 태양전지 모듈의 제조 방법에 의하여 제조되는 염료감응 태양전지 모듈.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2019132620A1 (ko) * 2017-12-29 2019-07-04 주식회사 동진쎄미켐 염료 감응 태양 전지용 버퍼층 및 염료 감응 태양 전지

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