KR20180130171A - 투명전극의 제조방법 - Google Patents

투명전극의 제조방법 Download PDF

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KR20180130171A
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Abstract

본 발명은, 투명전극의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 기판을 준비하는 단계; 및 초음파 분무 열분해에 의해 기판 상에 불소 도핑된 산화주석(FTO) 막을 형성하는 단계; 를 포함하고, 상기 불소 도핑된 산화주석(FTO) 막을 형성하는 단계는: 상기 기판을 가열하는 단계 및 상기 가열된 기판에 대해 수평 방향으로 고농도의 산소를 포함하는 캐리어 가스를 이용하여 초음파 분무된 전구체 용액을 도입하는 단계를 포함하는 것인, 투명전극의 제조방법에 관한 것이다.

Description

투명전극의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING TRANSPARENT CONDUCTING ELECTRODES}
본 발명은, 투명전극의 제조방법에 관한 것이다.
투명전도성 전극(transparent conducting electrode)은, 낮은 저항 (< 10- 4Ωcm) 및 높은 광투과성으로 인하여 터치 스크린, 스마트 윈도우, 액정 디스플레이 (LCD), 유기 발광 다이오드 디스플레이 및 태양 전지와 같은 다양한 광전자 응용 분야에 적용되고 있다.
투명 전도성 전극은, 밴드갭 (> 3 eV)의 도핑된 금속 산화물을 적용하고 있고, 예를 들어, ITO (tin-doped indium oxide), AZO (aluminium-doped zinc oxide), FTO (fluorine-doped tin oxide) 등이 있다.
FTO는 우수한 면저항 및 투과율 특성과 고온 내열성, 내화학석 및 내부식성이 뛰어난 투명전극 재료이며, 태양전지, 스마트 창문, 전기변색 및 발열히터 등과 같은 광전소자의 핵심 구성으로 활용되고 있다.
FTO의 면저항과 투과율 특성은, 광전소자의 효율과 직접적인 영향을 끼치므로 고전도 및 고투과율 특성을 확보하는 것이 중요하고, RF 마그네트론 스퍼터링, 화학 기상 증착, 펄스 레이저 증착, 스핀 코팅 등과 같은 다양한 합성 방법을 통해 고성능 FTO 투명전극의 성능을 개선시키기 위한 연구가 진행되었다.
FTO 투명전극에서 면저항과 투과율은 서로 반비례 관계에 있고, 고전도 및 고투과율 특성을 동시에 확보하는 것이 기술적으로 어렵다. 현재 보고되는 FTO 투명전극의 면저항은 6 내지 20 Ω/□이고 투과율은 78 % 내지 84 %로 매우 제한적인 특정 범위를 가지고 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고전도 및 고투과율을 동시에 갖는 불소 도핑된 산화주석(FTO) 투명전극을 제조할 수 있는 투명전극의 제조방법을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 양상은,
기판을 준비하는 단계; 및 초음파 분무 열분해에 의해 기판 상에 불소 도핑된 산화주석(FTO) 막을 형성하는 단계; 를 포함하고, 상기 불소 도핑된 산화주석(FTO) 막을 형성하는 단계는: 상기 기판을 가열하는 단계 및 상기 가열된 기판에 대해 수평 방향으로 초음파 분무된 전구체 용액을 도입하는 단계를 포함하는 것인, 투명전극의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 기판을 가열하는 단계는, 300 ℃ 내지 500 ℃ 온도로 가열될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 기판은 4 rpm 내지 20 rpm의 속도로 회전할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 초음파 분무된 전구체 용액의 도입은, 50% 이상의 산소를 포함하는 캐리어 가스를 이용하는 것이고, 상기 캐리어 가스의 흐름 속도는 5 내지 50 L/min일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 불소 도핑된 산화주석(FTO) 막은, 5.0 Ω/□ 이하의 면저항값 및 85 % 이상의 광투과율값을 가질 수 있다.
본 발명은, 저저항 및 고투과율을 동시에 갖고, 성능이 우수한 투명전극을 제공할 수 있다.
본 발명은, 빠른 전자 이동 특성과 가시광선 영역에서 향상된 입사광 포집 특성을 가지므로, 광전소자의 효율 향상뿐만 아니라 이물감 없이 다양한 소자에 활용이 가능한 투명전극을 제공할 수 있다.
특히, 산화주석 막의 두께의 변화 없이도 불소 도핑된 산화주석 막을 형성하는 단계에서 전구체 캐리어 가스 중 산소 농도의 조절만으로 면저항값 및 광투과율의 조절이 가능한 투명전극 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 의한 투명전극의 제조방법의 공정 흐름도를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 의한 투명전극의 제조방법에 적용가능한 수평형 초음파 분무 열분해 증착(horizontal ultrasonic spray pyrolysis deposition, HUSPD)을 위한 시스템 및 수평형 초음파 분무 열분해 증착에 대한 개념도를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 실시예에서 제조된 FTO 투명전극의 XRD 패턴(X-ray diffraction pattern)을 나타낸 것이다.
도 4는, 본 발명의 실시예에서 제조된 FTO 투명전극의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 5는, 본 발명의 실시예에서 제조된 FTO 투명전극의 (a-c) Sn 3d의 XPS 코어-레벨 스펙트럼 및 (d) FTO 투명전극에서 O, Sn 및 F의 원자 퍼센트를 나타낸 것이다.
도 6은, 본 발명의 실시예에서 제조된 투명전극의 (a) 전기적 특성, (b) 가시광선 영역에서 광 투과율 스펙트럼 및 (c) O2 비율 (0 %, 20 %, 및 50%)에 따른 FOM(figure of merit) 수치를 나타낸 것이다.
도 7은, 본 발명의 실시예에서 제조된 투명전극을 작업 전극 및 상대 전극으로 조립된 DSSCs로부터 획득한 (a) 광전류-전압 커브 (Photocurrent-voltage, J-V) 및 (b) EIS의 나이퀴스트 선도(Nyquist plot)을 나타낸 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명은, 투명전극의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 투명전극의 제조방법은, 수평형 초음파 분무 열분해법을 이용하여 FTO의 구조적 및 표면 특성의 제어를 통해 고투명성 및 고전도성을 동시에 갖는 불소 도핑된 산화주석(FTO) 투명전극을 제공할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 의한 투명전극의 제조방법의 공정 흐름도를 예시적으로 나타낸 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 도 1을 참조하면, 상기 제조방법은, 기판을 준비하는 단계(110) 및 기판 상에 불소 도핑된 산화주석(FTO) 막을 형성하는 단계 (120)를 포함할 수 있다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명에 의한 투명전극의 제조방법에 적용가능한 수평형 초음파 분무 열분해 증착(horizontal ultrasonic spray pyrolysis deposition, HUSPD) 시스템 및 수평형 초음파 분무 열분해 증착에 대한 개념도를 예시적으로 나타낸 것이다. 상기 시스템은, 질량유량계(MFC), 초음파 분무기가 장착된 분사 배스, 반응로 및 잔류 입자 필터를 포함할 수 있다. 이하, 도 2를 참조하여 본 발명에 의한 투명전극의 제조방법을 설명한다.
본 발명의 일 예로, 기판을 준비하는 단계(110)는, 투명전극의 베이스 기판을 상기 반응로의 히터 상에 도입하는 단계이다. 예를 들어, 상기 베이스 기판은, 투명전극 및 초음파 분무 열분해법에 적용 가능한 투명 기판이라면 제한 없이 적용될 수 있으며, 폴리머 기판, 유리(Glass) 기판, 실리콘 웨이퍼 등일 수 있다. 예를 들어, 기판은, 셀롤로오스계 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate; PEN), 폴리에틸렌 수지, 염화 폴리비닐 수지, 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC), 폴리에테르 술폰(polyethersulfone; PES), 폴리에테르 에테르케톤(polyetherether ketone; PEEK), 황화 폴리페닐렌(polyphenylene sulfide; PPS), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate; PMMA), 셀룰로스트리-아세테이트(cellulosetri-acetate; TCA), 테트라플루오로에틸렌 (tetrafluoroethylene; Teflon), 폴리올레핀 등의 폴리머 기판; Si 기판; 웨이퍼, 유리(Glass) 기판; 반도체 기판; 등일 수 있다.
본 발명의 일 예로, 기판 상에 불소 도핑된 산화주석(FTO) 막을 형성하는 단계(120)는, 초음파 분무 열분해법에 의해 기판 상에 불소 도핑된 산화주석(FTO) 막을 형성하는 단계이며, 기판을 가열하는 단계(121) 및 가열된 기판에 대해 수평 방향으로 초음파 분무된 전구체 용액을 도입하는 단계(122)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 기판을 가열하는 단계(121)는, 하단의 히터에 의해서 300 ℃ 내지 500 ℃ 온도; 또는 400 ℃ 내지 500 ℃ 온도로 기판을 가열할 수 있다. 또한 상기 반응로는, 상단의 히터에 의해서 300 ℃ 내지 500 ℃ 온도; 또는 400 ℃ 내지 500 ℃ 온도로 유지되고, 상단 및 하단의 히터는 함께 기판을 가열할 수 있다.
예를 들어, 전구체 용액을 도입하는 단계(122)는, 수평형 초음파 분무 열분해 법을 이용하여 불소 도핑된 산화주석(FTO) 막을 형성하는 단계이다. 예를 들어, 상기 가열된 기판에 대해 수평 방향으로 전구체 용액을 초음파 분무하여 반응로 내로 도입하고, 가열된 기판 상에 불소 도핑된 산화주석(FTO) 막을 형성할 수 있다. 즉, 도 2의 (b)를 참조하면, 수평형 초음파 분무에 의해 형성된 전구체 액적은, 상기 반응로 내에 도입되어 가열된 기판 상 또는 주변 영역에서 용매 증발; 용질의 농축; 및 열분해 공정을 거쳐 불소 도핑된 산화주석(FTO) 또는 막을 형성할 수 있다. 또한, 상기 수평형 초음파 분무 열분해법은, 상기 기판의 수평 방향으로 흐르는 캐리어 가스의 흐름에 따라 전구체 액적이 이동되므로, 기판 전체에 걸쳐 전구체 액적을 균일하게 분포시킬 수 있다. 또한, 수평형 초음파 분무는, 수직형 초음파 분무에 비하여 더 균일한 막을 형성하고, 투명전극의 성능을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 전구체 용액을 도입하는 단계(122)에서 상기 가열된 기판은, 4 rpm 내지 20 rpm; 또는 5 rpm 내지 15 rpm의 속도로 회전할 수 있다. 이는 초음파 분무 시 전구체 액적을 기판 전체를 걸쳐 균일한 코팅막을 형성시킬 수 있다.
예를 들어, 전구체 용액을 도입하는 단계(122)는, 상기 초음파 분무된 전구체 용액의 도입 및 분산을 위해서 캐리어 가스를 이용할 수 있다. 상기 캐리어 가스는, 반응로 내에서 분사된 전구체 액적의 이동 속도(또는, 흐름 속도)를 제어하여 상기 기판 상에 균일한 막 형성을 유도할 수 있다. 또한, 상기 캐리어 가스는, 질량유량계(MFC)에 의해 흐름 속도가 제어되고, 상기 캐리어 가스는, 초음파 분무기가 장착된 분사 배스를 통해 상기 분사된 전구체 액적과 같이 기판의 수평 방향으로 도입되므로, 상기 캐리어 가스의 균일한 흐름에 따라 상기 전구체 액적이 이동되므로, 전구체 액적의 균일한 분산을 유도할 수 있다.
예를 들어, 상기 캐리어 가스의 흐름 속도는, 5 L/min 내지 50 L/min; 또는 10 L/min 내지 30 L/min일 수 있으며, 상기 흐름 속도는 전구체 용액의 농도, 코팅막의 두께, 투명전극의 용도 등에 따라 적절하게 선택될 수 있으며, 상기 범위 내에 포함되면 반응로 내에서 전구체 액적의 균일한 분산을 유도할 수 있다.
예를 들어, 상기 캐리어 가스는, 산소를 포함할 수 있으며, 상기 캐리어 가스 중 산소의 농도는, 50 % 이상; 60 %; 또는 80 % 이상일 수 있다. 상기 캐리어 가스는, 산소를 도입하여 기판 상에 불소 도핑된 산화주석(FTO) 막의 형성 시 또는 후에 산소활성화를 유도하여 불소 도핑된 산화주석(FTO) 막의 전도성 및 투명성을 개선시킬 수 있다. 또한, 상기 캐리어 가스는, 산소 외에 질소, 아르곤, 수소, 공기 등과 같은 가스와 혼합될 수 있다. 이러한 산소활성화는, FTO 투명전극 내에서 산소 자리로 F(FO)의 치환농도를 증가시키고, 산소결함(oxygen vacancy, VO)을 감소시켜 FTO 격자의 왜곡을 완화하고, 면저항 등과 같은 전기적 특성을 개선시킬 수 있다.
특히, 본 발명에 의하면, 산화주석 막의 두께의 변화 없이도 불소 도핑된 산화주석 막을 형성하는 단계에서 전구체 캐리어 가스 중 산소 농도의 조절만으로 면저항값 및 광투과율의 조절이 가능한 투명전극 제조방법을 제공할 수 있다.
예를 들어, 전구체 용액을 도입하는 단계(122)에서 전구체 용액은, 5 L/min 내지 50 L/min; 또는 10 L/min 내지 30 L/min의 속도로 분무되고, 1분 이상; 10 분 내지 1 시간; 20 분 내지 30 분 동안 반응기 내에 도입될 수 있다.
예를 들어, 전구체 용액을 도입하는 단계(122)에서 전구체 용액 및 캐리어 가스는 상기 반응로를 거쳐 브로우에 의해서 외부로 배출될 수 있다.
예를 들어, 전구체 용액을 도입하는 단계(122)에서 전구체 용액의 흐름 속도는, 상기 전구체 용액의 분무 속도, 캐리어 가스의 흐름 속도, 반응로에서 캐리어 가스와 전구체 용액 등의 배출 속도 등에 의해서 조절될 수 있다.
본 발명의 일 예로, 불소 도핑된 산화주석(FTO) 막을 형성하는 단계는, 상기 초음파 분무하는 단계 이후에 캐리어 가스를 반응기 내로 흘려주는 단계를 더 포함할 수 있다. 이는 기판 상에 형성된 상기 불소 도핑된 산화주석 막의 산소활성화를 더 증가시키기 위한 것이다.
예를 들어, 상기 캐리어 가스를 반응기 내로 흘려주는 단계는, 전구체 용액을 도입하는 단계(122)와 동일하거나 또는 상이한 농도의 산소를 포함하는 캐리어 가스를 반응기 내로 흘려줄 수 있다. 예를 들어, 상기 산소 농도는, 시간당 동일한 농도 또는 농도 기울기를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 캐리어 가스를 반응기 내로 흘려주는 단계는, 기판 및/또는 반응기 온도가 전구체 용액을 도입하는 단계(122)와 동일하거나 또는 상이할 수 있으며, 전구체 용액을 도입하는 단계(122)의 온도에서 상온으로 냉각하면서 상기 캐리어 가스를 흘려줄 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 제조방법에 의해 제조된 불소 도핑된 산화주석(FTO) 막의 투명전극은, 5.0 Ω/□ 이하의 면저항값 및 85% 이상의 광투과율값을 가질 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 제조방법에 의해 제조된 불소 도핑된 산화주석(FTO) 막의 투명전극은, 태양전지의 작업전극 및 상대전극으로 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 불소 도핑된 산화주석(FTO) 막을 형성하는 단계는, 상기 초음파 분무하는 단계 이후에 상기 초음파 분무하는 단계와 상이한 농도의 산소를 포함하는 캐리어 가스를 흘려주는 단계; 를 더 포함하고, 상기 캐리어 가스 흘려주는 단계에서 상기 캐리어 가스는 시간당 동일한 농도 또는 농도 기울기를 갖고, 상기 불소 도핑된 산화주석 막의 산소활성화를 더 증가시킬 수 있다.
실시예
(1) FTO 투명전극의 제조
도 2에 나타낸 HUSPD를 이용하여 전도성 FTO 투명전극을 다음과 같은 공정으로 제조하였다. 초음파 분무용 전구체 용액은, 5 vol % 에틸알콜 (C2H5OH, 덕산) 및 탈이온수 (DI) 용액에 0.68 M 염화주석 5수화물 (SnCl4.5H2O, SAMCHUN)과 불화암모늄 (NH4F, Aldrich)을 용해시켜 제조하였다. 상기 전구체 용액에서 F/Sn의 몰비는 1.765이다. 다음으로, 회전속도가 5 rpm이고, 420 ℃ 온도에서 유지되는 유리 기판(Corning EAGLE XGTM) 상에 전구체 용액을 초음파 분무기(1.6 MHz)를 사용하여 분무하였다. 캐리어 가스의 유속 및 용액의 분사 시간은, 각각 15 L/min 및 23 분으로 적용하였다. 상기 캐리어 가스는 FTO 전극 제작시 산소 활성화 효과를 평가하기 위해서, 각각, 캐리어 가스 중 O2 대 (O2+ N2)의 비율을 0 %, 20 %, 50 %로 조절하여 3 종류의 FTO 투명전극을 제조하였다(도면에서, 각각, FTO-0 % O2, FTO-20 % O2 및 FTO-50 % O2 로 표시하였다).
(2) XRD 패턴 분석
제조된 FTO 투명전극의 XRD 패턴을 측정하여 도 3에 나타내었다. 캐리어 가스의 산소 비율이 달라도 제조된 FTO 투명전극은, 모두 SnO2 (tetragonal rutile, space group P42/mnm [136], JCPDS no. 88-0287)의 회절 패턴을 가지면서, (200) 면이 우선성장 결정방향이고, 약간의 회절 피크의 이동이 관찰되었다. 이러한 이동은, 불소 도핑에 의한 것으로, FTO가 형성된 것을 의미한다. 또한, 산소활성화의 결과로 캐리어 가스의 산소 비율이 증가할 수록 (200) 면과 (110) 면의 회절 강도 비율이 증가된 것으로 확인할 수 있다. 즉, FTO-0% O2는, 2.5, FTO-20% O2는, 11.4이고, FTO-50% O2는, 14.6의 강도 비율을 갖는다.
(3) FESEM 이미지 분석
제조된 FTO 투명전극의 상단 및 측면의 FESEM 이미지를 측정하여 도 4에 나타내었다. 도 4를 살펴보면, (a,d) FTO-0% O2, (b,e) FTO-20% O2, 및 (c,f) FTO-50% O2는 전극의 전체 표면 상에 고르게 결정이 형성되고, 결정의 그레인 형태 및 크기는 산소 농도에 다르고, 산소의 농도가 증가할 수도록 로드 형태의 결정이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 즉, FTO-0% O2 는 로드 형태의 결정(~423.5-585.9 nm)이 대부분 분포되고, FTO-50% O2는 피라미드 형태의 결정(~197.8-311.9 nm)이 대부분 분포된다. 이는 캐리어 가스 내의 높은 산소 농도에 의해서 낮은 표면 에너지에 따른 결정의 성장을 억제하기 때문이다.
(4) XPS 스펙트럼 분석
제조된 FTO 투명전극의 XPS를 측정하여 도 5에 나타내었다. 도 5의 (a-c)에서 FTO 전극은, XPS Sn 3d 5 /2 및 Sn 3d 3/코어 레벨 스펙트럼이 두 개의 피크로 관찰되었고, 이는 SnO2 상에서 Sn4 + 결합 에너지에 관련된 것으로 ~486.6 eV(Sn 3d 5 /2) 및 ~495.1 eV (Sn 3d 3 /2) 이고, SnO2 상에서 F-치환의 영향을 나타내는 Sn-F 사이의 화학적 결합을 의미하는 것으로, ~487.7 eV(Sn 3d 5 /2) 및 ~496.3 eV Sn 3d 3 / 2)이다.
즉, XPS 스펙트럼에서 각 FTO 전극은, Sn-F 결합 에너지 영역이 상이하고, 이는 O, Sn, 및 F 원자의 표면 농도에 관련된다. 도 5의 (d)에서 F 원소의 원자 농도는, 각각 ~2.1%(FTO-0% O2) ~2.5(FTO-20% O2) 및 ~3.0(FTO-50% O2)이며, 이는 캐리어 가스 내에서 O2의 농도 증가는 SnO2 내로 F-치환 농도를 높이고, 캐리어로 작용하는 자유 전자의 생성을 증가시켜 FTO 전극의 전도성을 증가시킬 수 있다.
(5) 전기적 및 광학적 특성 분석
제조된 FTO 투명전극의 캐리어 농도, 홀이동도(hall mobility), 저항률(resisitivity) 및 FOM(figure of merit)를 측정하여 표 1 및 도 6에 나타내었다.
표 1 및 도 6 (a)를 살펴보면, 캐리어 가스 내의 산소 농도가 증가할수록 캐리어 농도 및 홀이동도가 증가하고, 저항률 및 면저항 값이 감소하고, FOM (FTO-50% O2, 5.09 ×10- 2Ω-1) 및 투과도가 증가되는 것을 확인할 수 있다.
이러한 우수한 전기적 및 광학적 특성은, 캐리어 가스 내의 산소활성화와 수평형 초음파 분사에 의한 균일한 막의 형성으로 인하여, 높은 캐리어 농도의 공급에 기여하는 FO 농도의 증가, 효과적인 홀이동도를 위한 FTO 격자 왜곡의 완화 및 전극에서 광산란의 완화에 기인한 것이다.
FTO-0% O2 FTO-20% O2 FTO-50% O2
Carrier concentration (cm-3) 2.60 × 1020 4.65 × 1020 6.62 × 1020
Hall mobility (cm2/(V s) 27.1 34.8 40.7
Resistivity (Ω.cm) 8.84 × 10-4 3.85 × 10-4 2.31 × 10-4
Sheet resistance
(Ω/□)		 15.8 7.0 4.0
Transmittance (%) 83.9 85.1 85.3
제조예 1
(1) DSSCs(dye-sensitized solar cells)의 제조
실시예에서 준비된 FTO 전극은, DSSCs(dye-sensitized solar cells)에서 작업 전극과 상대 전극의 투명전도성 전극으로 사용하여 DSSCs를 제조하였다. 작업 전극을 제조하기 위해, P25(DEGUSSA), 히드록시프로필 셀룰로오스 (HCP, Mw = 80,000 g/mol, Aldrich) 및 아세틸 아세톤 (C5H8O2, Aldrich)을 탈이온수에서 혼합하여 TiO2 페이스트를 제조하였다. 다음으로, 혼합된 TiO2 페이스트를 FTO 전극에 스퀴즈 인쇄하고, 500 ℃에서 소성한 이후, TiO2 페이스트 코팅된 FTO 전극을 0.5 mM N719 (Ru(dcbpy)2(NCS)2, Solaronix) 및 에탄올 (C2H6O, Aldrich)의 염료 용액 내에 암실에서 24 시간 동안 침시시켰다.
상대 전극을 제조하기 위해서, 2-프로판올((CH3)2CHOH, Aldrich) 내에서 5 mM Pt 용액이 용해된 염화백금산 헥사하이드레이트(chloroplatinic acid hexahydrate, H2PtCl6.6H2O, Aldrich)를 FTO 상에 스핀-코팅한 이후 30 분동안 450 °C에서 소성시켰다.
상기 작업 전극과 상대 전극을 샌드위치 형태 셀로 접합하여 DSSC를 제조하고, 상기 두 개의 전극 사이의 공간에 전해질로서 0.6 M BMII(1-Butyl-3-methylimidazolium iodide)-based iodine solution)을 주입하였다.
(2) 광전지 성능
DSSCs의 광전지 성능은 100 mA/cm2의 광세기 하에서 150 W 크세논 아크 램프 (Peccell Technologies, PEC-L01)가 장착된 솔라 시뮬레이터(solar simulator)를 이용하여 측정하였다. 셀의 전기화학적 임피던스 측정은, 100 kHz 내지 0.1 Hz의 주파수 범위에서 10 mV의 AC 신호를 갖는 전기화학 계측 장비(Potentiostat/ Galvanostat)(PGST302N, Eco chemie)을 사용하여 수행되었다. 그 결과는 표 2 및 도 7에 나타내었다.
표 2 및 도 7을 살펴보면, 캐리어 가스에서 산소의 농도가 증가할 수록 J SC 값이 증가하고, 높은 광변환율(photoconversion efficiency, ~7.03%)을 획득한 것으로 확인할 수 있다. 이러한 우수한 광전지 성능은, 투명전극으로 사용된 FTO의 캐리어 농도와 홀이동도의 증가에 따른 면저항의 감소에 기인한 것이다.
V OC (V) J SC (mA/cm 2 ) ff ( % ) η (%) R S (Ω) Z 1 (Ω) Z 2 (Ω)
Commercial FTO (8.0 Ω/□) 0.69 15.9 57.7 6.37 - - -
FTO-0% O2 0.69 13.6 57.6 5.40 41.5 29.4 30.7
FTO-20% O2 0.69 15.8 58.0 6.33 26.9 33.0 32.5
FTO-50% O2 0.69 17.0 59.2 7.03 19.5 31.3 25.9
본 발명은, 수평형 초음파 분사 열분해 증착법 및 산소활성화에 의해 (200)면의 우선 배향을 갖는 피라미드형 결정으로 성장되고, 균일한 표면 구조를 갖는 FTO 투명전극 제조하고, 상기 FTO 투명전극은, 우수한 전기적 및 광학적 특성을 나타낼 수 있다.
또한, 상기 FTO 투명전극을 적용한 태양전지는, 개선된 단락회로전류밀도의 결과로 우수한 광변환율(~7.03%)를 나타낼 수 있다. 이러한 광전지 성능의 향상은, 감소된 VO 농도에 의한 FTO 격자 왜곡의 완화 및 균일한 FTO 표면 구조의 형성에 의한 빠른 홀이동도와, FTO 전극에서 개선된 FO 농도에 의한 높은 캐리어 농도의 조합에 따른 것이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (5)

  1. 기판을 준비하는 단계; 및
    초음파 분무 열분해에 의해 기판 상에 불소 도핑된 산화주석(FTO) 막을 형성하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 불소 도핑된 산화주석(FTO) 막을 형성하는 단계는:
    상기 기판을 가열하는 단계 및
    상기 가열된 기판에 대해 수평 방향으로 초음파 분무된 전구체 용액을 도입하는 단계를 포함하는 것인, 투명전극의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판을 가열하는 단계는, 300 ℃ 내지 500 ℃ 온도로 가열되는 것인, 투명전극의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 4 rpm 내지 20 rpm의 속도로 회전하는 것인, 투명전극의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 분무된 전구체 용액의 도입은, 50 % 이상의 산소를 포함하는 캐리어 가스를 이용하는 것이고,
    상기 캐리어 가스의 흐름 속도는 5 L/min 내지 50 L/min인 것인, 투명전극의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 불소 도핑된 산화주석(FTO) 막은, 5.0 Ω/□ 이하의 면저항값 및 85% 이상의 광투과율값을 가지는 것인, 투명전극의 제조방법.
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