WO2015076512A1 - 염료감응 태양전지 - Google Patents

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WO2015076512A1
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light
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light transmitting
oxide semiconductor
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PCT/KR2014/010608
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김영미
김용주
김종복
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Dongjin Semichem Co Ltd
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Dongjin Semichem Co Ltd
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/20—Light-sensitive devices
    • H01G9/209—Light trapping arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F10/00—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/542—Dye sensitized solar cells

Definitions

  • the present invention relates to a dye-sensitized solar cell, and more particularly, to a dye-sensitized solar cell having a structure of a photoelectrode having multiple layers to improve the light utilization efficiency of the short wavelength and long wavelength wavelength fields of incident light.
  • Dye-sensitized solar cells have been studied in this field since the dye-sensitized nanoparticle titanium oxide solar cell was developed by Michael Gratzel of the Swiss National Institute of Advanced Technology (EPFL) in 1991.
  • a light scattering layer is introduced to the photoelectrode in order to efficiently use the light irradiated to the photoelectrode to which the dye is adsorbed, and the long-wavelength light that is not used through the scattering is scattered to the photoelectrode side. And by reflecting light efficiently.
  • the prior art has been investigated by mixing the particles of several hundred nanometers size in a transparent photoelectrode consisting of metal oxide nanoparticles of several nanometers to several tens of nanometers, thereby increasing the light scattering effect and reflectance There is a method of increasing light source use efficiency and increasing current density in a long wavelength region.
  • the prior art is a method of efficiently using long wavelength light by simply scattering and reflecting light entering the photoelectrode by mixing a large metal oxide particle having the same material or a large reflectivity with a photoelectrode composed of small particles.
  • Photoelectrode prepared in this way has the advantage of increasing the photocurrent by using a large wavelength of light by introducing large metal oxide particles, but there is a problem that significantly reduces the transparency, which is an advantage of the dye-sensitized solar cell module.
  • the prior art still has a problem that the light utilization efficiency is very low due to the characteristics of the electrolyte and the dye in the short wavelength region.
  • the present invention forms a light transmitting layer between the transparent electrode and the oxide semiconductor layer as the main electrode light for dye-sensitized solar cell that improves the light utilization efficiency of the short wavelength and long wavelength wavelength field of the incident light
  • the purpose is to provide an electrode.
  • the present invention provides a dye-sensitized solar cell using a photoelectrode for a dye-sensitized solar cell that forms a light transmitting layer between a transparent electrode and an oxide semiconductor layer as a main electrode, thereby improving light utilization efficiency of short-wavelength and long-wavelength wavelength fields of incident light.
  • the purpose is to provide.
  • the dye-sensitized solar cell includes a light passing layer (Light Passing Layer) formed on the conductive substrate, and an oxide semiconductor layer formed on the light transmitting layer and representing the main electrode layer
  • the light transmitting layer is characterized by having the same or higher transmittance than the conductive substrate.
  • Dye-sensitized solar cell is a light passing layer (Light Passing Layer) formed on the first conductive substrate, the oxide semiconductor layer which is a main electrode layer to which the dye is adsorbed, and to scatter and reflect light to the oxide semiconductor layer
  • a photoelectrode including a scattering layer A counter electrode including a catalyst electrode on a second conductive substrate so as to face the photo electrode; And an electrolyte filled between the photoelectrode and the counter electrode, wherein the light transmitting layer has the same or higher transmittance than the conductive substrate.
  • the present invention forms a light transmitting layer on the transparent electrode to suppress the scattering action of the incident light through the planarization operation of the transparent electrode, thereby increasing the effective transmission distance of the incident light in the wavelength region of 300-500nm There is an effect that the light utilization efficiency is improved.
  • a light transmitting layer is formed between the transparent electrode and the oxide semiconductor layer as the main electrode, thereby improving the light conversion efficiency by dye adsorption on the light transmitting layer.
  • the absorption region band according to the dye characteristics can be maximized.
  • the light transmitting layer when the light transmitting layer is applied between the transparent electrode and the oxide semiconductor layer as the main electrode, transparency of the dye-sensitized solar cell is secured, thereby maximizing visibility due to transparency.
  • the present invention has an effect of applying a light transmitting layer between the transparent electrode and the oxide semiconductor layer as the main electrode to block the blocking layer that prevents the light transmitting layer from contacting the substrate and the electrolyte.
  • FIG. 1 is a view showing a dye-sensitized solar cell using a multilayer photoelectrode according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing the reflectance and transmittance of the light transmitting layer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view showing the evaluation according to the application sequence of the light transmitting layer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing the performance evaluation of the unit cell according to the thickness of the light transmitting layer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing the performance evaluation of the unit cell according to the application of the light transmitting layer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating performance evaluation when titanium dioxide is formed into a nanorod structure according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing the transmission evaluation of the light transmitting layer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a view showing a dye-sensitized solar cell using a multilayer photoelectrode according to an embodiment of the present invention.
  • a dye-sensitized solar cell laminates a working electrode (photoelectrode) substrate on which a first transparent electrode is formed and a counter electrode substrate on which a second transparent electrode is disposed opposite to each other by an encapsulant, The electrolyte is injected into the structure.
  • a dye-sensitized solar cell using a multilayer photoelectrode includes a first transparent electrode 100 on a first transparent substrate and a light passing layer (LPL) thereon. 210 and an oxide semiconductor layer 220 to which dye is adsorbed, an electrolyte, a catalyst electrode, a second transparent electrode, and a second transparent substrate.
  • the light scattering layer (Scattering Layer) 230 may further include a selectively.
  • the photoelectrode 200 includes a light transmitting layer 210, an oxide semiconductor layer 220, and a light scattering layer 230.
  • the main feature of the present invention is a multilayer photoelectrode structure including a light transmitting layer 210 and an oxide semiconductor layer 220.
  • the first transparent substrate serving as a support for supporting the first transparent electrode 100 should be formed to be transparent to allow incidence of external light, and may be made of, for example, transparent glass or plastic.
  • plastics include polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate (PC), polypropylene (PP), polyimide (PET). Poly-imide (PI), Tri Acetyl Cellulose (TAC), and the like.
  • an opaque electrode may be used in some cases.
  • the first transparent electrode 100 formed on the first transparent substrate may be formed of indium tin oxide (ITO), fluorine tin oxide (FTO), antimony tin oxide (ATO), or zinc. It may be made of a transparent material such as oxide (Tinc Oxide), tin oxide (Tin Oxide), ZnOGa 2 O 3 , ZnO-Al 2 O 3 .
  • the first transparent electrode 100 may be formed of a single film or a laminated film of a transparent material.
  • the light transmitting layer 210 is formed on the first transparent electrode 100, and the oxide semiconductor layer 220 is formed on the light transmitting layer 210.
  • a dye that absorbs external light and generates electrons is adsorbed on a surface thereof.
  • the dye may be formed of a metal complex or organic dye including aluminum (Al), platinum (Pt), palladium (Pd), europium (Eu), lead (Pb), iridium (Ir), ruthenium (Ru), and the like.
  • the second transparent substrate disposed to face the first transparent substrate serves as a support for supporting the second transparent electrode and the catalyst electrode, and may be made of transparent glass, plastic, or metal foil as the first transparent substrate. Can be done.
  • the second transparent electrode and the catalyst electrode formed on the second transparent substrate are formed to face the first transparent electrode 100.
  • the second transparent electrode may be made of a transparent material such as indium tin oxide, fluorine oxide, antimony tin oxide, zinc oxide, tin oxide, ZnOGa 2 O 3 , ZnO-Al 2 O 3
  • the catalytic electrode is an oxidation-reduction pair It serves to activate the Redox couple, and may be made of platinum, ruthenium, palladium, iridium, rhodium (Rh), osmium (Os), carbon (C), WO 3 , TiO 2 , and the like.
  • the light transmitting layer 210 has a thickness of 0.1-10 ⁇ m and has a nanoparticle structure as titanium dioxide (TiO 2 ) having a particle size of 10-30 nm.
  • TiO 2 titanium dioxide
  • the light transmitting layer 210 of the present invention illustrates, but not limited to, titanium dioxide, oxides including ZnO, SnO 2 , WO 3 , ZrO 2 , SiO 2, and the like, and Mg-TiO 2 , Zr-TiO 2 , Zn- It may include a multi-component oxide including SnO 2 , Si / TiO 2 and the like.
  • the thickness of the light transmitting layer 210 and the oxide semiconductor layer 220 is changed according to the dye properties, in particular, in the case of the oxide semiconductor layer 220, the thickness is changed a lot depending on the dye properties, and in the case of the light transmitting layer 210
  • the thickness is set at (0.1-10 ⁇ ).
  • the thickness of the light transmission layer 210 is different for each dye and may increase the thickness of the light transmission layer 210 to maximize the current density.
  • the thickness of the light transmitting layer 210 is not used because the characteristics of the light transmitting layer 210 is less than 0.1 ⁇ m or less, and do not use because the voltage drop is greater than 10 ⁇ m.
  • the light transmitting layer 210 and the oxide semiconductor layer 220 may use an optimized thickness in consideration of the correlation between the current density and the voltage.
  • Nanoparticle structure of the light transmitting layer 210 of the present invention includes all shapes having a nanometer size consisting of a general spherical, aggregated form, etc., nanocube (Nanocube), nanotube (Nanotube), nanorod (Nanorod) In addition to the shape of the nanowire (Nanowire) and the like, one or more mixed forms of meso-porous (Meso-Porous) having a nanometer size pores.
  • the light transmitting layer 210 has nanorod-type titanium dioxide (TiO 2 ) and has excellent transparency and electron transfer capability.
  • an improvement in light conversion efficiency due to dye adsorption may appear in the light transmitting layer 210 having a nanorod structure.
  • the absorption region band according to the dye characteristics can be maximized, and accordingly, the Ru dye
  • the light utilization property can be improved in organic dyes and inorganic dyes.
  • a blocking layer having a thickness of 100 nm or less using a solution or paste may be added between the first transparent electrode 100 and the light transmitting layer 210.
  • the block layer is composed of a thin TiO 2 layer using a solution or paste using a Ti precursor (Precursor).
  • the TiO 2 layer prevents contact between the substrate and the electrolyte and reduces electron recombination.
  • the block layer decreases haze of the first transparent electrode 100, increases adhesion between the first transparent electrode 100 and the oxide semiconductor layer 220, and serves as blocking.
  • the oxide semiconductor layer 220 is titanium dioxide (TiO 2 ) having nanoparticles of 15-25 nm, and is a main electrode layer.
  • the light scattering layer 230 scatters and reflects long-wavelength light, which cannot be used by being transmitted through the oxide semiconductor layer 220, to the oxide semiconductor layer 220 to enhance light utilization efficiency.
  • the light scattering layer 230 is made of titanium dioxide (TiO 2 ) having a particle size of 200 nm-1 ⁇ m.
  • TiO 2 titanium dioxide
  • the present invention is not limited thereto, and the light scattering layer 230, the oxide semiconductor layer 220, and the light transmitting layer 210 may be selected from the group consisting of zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ), and tungsten oxide (WO 3 ). It may be used, and may be any one metal oxide selected from the group consisting of Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Mg, Ga or the like or a composite oxide thereof.
  • the light scattering layer 230 may not be used as a component of a dye-sensitized solar cell in a field where high transparency solar cells are utilized, such as a building integrated photovoltaic system (BIPV).
  • BIPV building integrated photovoltaic system
  • the light transmitting layer 210, the oxide semiconductor layer 220, and the light scattering layer 230 may be coated with a coating method such as a screen printing method, a doctor blade method, an electron spray method, or the like. Can be.
  • Synthesis was performed using a Sol-Gel method using Ti alkoxide and acetic acid as precursors, and particles were grown using an autoclave according to the Oswald particle growth theory.
  • the light-transmitting layer 210 of the synthesized TiO 2 nanorod structure has a thickness of 0.1-10 ⁇ m, and includes titanium dioxide (TiO 2 ) -long rod-shaped particles and rectangular particles having a particle size of 20 nm.
  • an oxide semiconductor layer 220 is formed thereon.
  • the oxide semiconductor layer 220 is prepared by preparing a paste containing a transition metal oxide powder and an organic vehicle, applying an oxide semiconductor paste on the light transmitting layer 210, and then firing the oxide semiconductor layer 220. . Thereafter, the oxide semiconductor layer 220 is immersed in the photosensitive dye solution to adsorb the dye.
  • FIG. 2 is a view showing the reflectance and transmittance of the light transmitting layer according to an embodiment of the present invention.
  • the light transmitting layer 210 having the nanorod structure when the light transmitting layer 210 having the nanorod structure is stacked on the first transparent electrode 100, the light transmitting layer 210 may planarize the surface of the first transparent electrode 100 to provide incident light. It is possible to suppress the scattering effect and to use the incident light efficiently.
  • No. 1 is a comparative example of the oxide semiconductor layer 220 as a main electrode
  • No. 2 is an embodiment of the light transmitting layer 210
  • No. 3 is a comparative example of forming the light transmission layer 210 on the oxide semiconductor layer 220, and shows a reflectance of light of the comparative example of forming the oxide semiconductor layer 220 on the light transmission layer 210. Giving.
  • the increase in reflectance means that the light incident on the photoelectrode is not used and reflects, and the amount of light actually used is reduced.
  • the low reflectance means that the incident light can be used efficiently.
  • No. 2 has the lowest reflectance than No. 1, No. 3, and No. 4, and thus it can be seen that the incident light can be efficiently used.
  • the effective light transmission efficiency of the incident light increases in the wavelength region of 300 to 500 nm as the effective transmission distance of the incident light increases. It is shown.
  • the transmittances of the transparent conducting oxide (TCO) 100, the oxide semiconductor layer 220, and the light transmitting layer 210 are compared with those of the TiO 2 IPCE (Incident-Photon-to). -electron conversion efficiency (light utilization efficiency of the main electrode layer).
  • the transmittance of the light transmitting layer 210 may be seen that the transmittance of the transparent conductive oxide 100 is the same or higher.
  • the light transmitting layer 210 is formed between the first transparent electrode 100 and the oxide semiconductor layer 220 to increase the light utilization efficiency in the short wavelength region of 300-500 nm, and the light transmitting layer 210 and the oxide.
  • the semiconductor layer 220 and the light scattering layer 230 may be used to increase the light utilization efficiency in the long wavelength region.
  • the present invention improves the light utilization efficiency over the entire wavelength range of short wavelength and long wavelength, as compared with the dye-sensitized solar cell using the electrode without introducing the light transmitting layer 210.
  • FIG 3 is a view showing the evaluation according to the application sequence of the light transmitting layer according to an embodiment of the present invention.
  • 3 shows the characteristics of the light transmitting layer 210 by changing the order of forming electrodes.
  • No. 1 (Comparative Example 1) is the oxide semiconductor layer 220 as the main electrode layer
  • No. 2 (Comparative Example 2) forms the light transmitting layer 210 on the main electrode layer 220
  • No. 3 (Example 3) ) Is a main electrode layer 220 formed on the light transmitting layer (210).
  • the first step is to form a block layer on the substrate and then fired at 450 ° C. and the TiO 2 paste is coated with 11 ⁇ m thickness by a doctor blade method and then fired at 450 ° C.
  • the layer of the particle structure is more densely stacked.
  • the dense light transmitting layer 210 is formed under the main electrode layer 220, the diffuse reflection is reduced to more effectively utilize the incident light and improve the light utilization efficiency over the entire wavelength range.
  • the arrow direction of FIG. 3 indicates that the characteristics of the short wavelength and the long wavelength are maximized.
  • the light transmitting layer 210 is formed under the third main electrode layer 220, the short wavelength and the long wavelength The light utilization efficiency is improved over the entire wavelength range.
  • FIG 4 is a view showing the performance evaluation of the unit cell according to the thickness of the light transmitting layer according to an embodiment of the present invention
  • Figure 5 is a performance evaluation of the unit cell according to the application of the light transmitting layer according to an embodiment of the present invention. The figure shown.
  • Comparative Example 1 after forming a block layer on a substrate, the substrate was baked at 450 ° C., the TiO 2 paste was coated with a thickness of 12 ⁇ m by a doctor blade method, and then fired at 450 ° C., and the light scattering layer 230 was 5 ⁇ m thick with a doctor blade method. Coated with.
  • the oxide semiconductor layer 220 is formed without forming the light transmitting layer 210 after forming the block layer on the substrate.
  • the thickness of the light transmitting layer 210 As shown in FIG. 4, as the thickness of the light transmitting layer 210 is increased from 1.5 ⁇ m to 7 ⁇ m, the current density increases, the open voltage decreases, and the light conversion efficiency increases.
  • the light scattering layer 230 is applied on the oxide semiconductor layer 220.
  • the oxide is formed on the light transmitting layer 210.
  • the semiconductor layer 220 and the light scattering layer 230 are applied thereto.
  • the solid gray line except for 1 and 2 of the right graph of FIG. 5 shows the transmittance of the FTO.
  • the gray solid line shows the critical transmittance of the FTO at a short wavelength, and is shown together to indicate that the use of the light transmitting layer 210 can maximize the optical conversion efficiency by increasing the critical transmittance of the FTO.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating performance evaluation when titanium dioxide is formed into a nanorod structure according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • No. 1 (Comparative Example 1) shows an oxide semiconductor layer 220 having a thickness of 11.5 ⁇ m on the block layer
  • No. 2 (Comparative Example 2) shows an oxide semiconductor layer having a thickness of 4.9 ⁇ m on the block layer.
  • Numeral 220 is used
  • No. 3 (Example 3) shows the light transmitting layer 210 having a thickness of 3.7 mu m on the block layer.
  • the thickness (4.9 ⁇ m) of No. 2 oxide semiconductor layer 220 is No. 3 of the light transmitting layer 210. Although thicker than 3.7 ⁇ m, the efficiency is lower.
  • the thickness of the oxide semiconductor layer 220 (11.5 ⁇ m) was the thickness (3.7 ⁇ m) of the third light transmitting layer 210.
  • the efficiency is only about 1% higher. As such, it can be seen that the three light transmitting layers 210 have excellent light conversion efficiency despite the low thickness.
  • the nanorod structure was found to be able to increase the current density while lowering the high transparency and opening voltage while taking a thin thickness.
  • FIG. 7 is a view showing the transmission evaluation of the light transmitting layer according to an embodiment of the present invention.
  • Example 1 is the transparent electrode 100
  • No. 2 is the oxide semiconductor layer 220 on the transparent electrode 100
  • No. 3 is the embeddance of the light transmitting layer 210 on the transparent electrode (100).
  • the transmittance of the light transmitting layer 210 represents a measure of transparency, and the transparent means that light can be easily utilized.
  • the transmittance in the short wavelength region of 500 nm or less, preferably in the short wavelength region of 300-500 nm, is higher than that of the transparent electrode 100 and the oxide semiconductor layer 220.
  • the light transmitting layer 210 can be seen to be much higher in the short wavelength region and similar in the long wavelength region when compared with the transparent electrode 100 and the oxide semiconductor layer 220.
  • a high transparency solar cell may be utilized, such as BIPV, and the light utilization efficiency may be maximized when the light scattering layer 230 is added.
  • the light transmitting layer 210 of the nanorod structure has been confirmed that light can be efficiently utilized in the full wavelength region of short wavelength and long wavelength.
  • the present invention forms a light transmitting layer on the transparent electrode to suppress the scattering action of the incident light through the planarization operation of the transparent electrode, thereby increasing the effective transmission distance of the incident light in the wavelength region of 300-500nm There is an effect that the light utilization efficiency is improved.
  • a light transmitting layer is formed between the transparent electrode and the oxide semiconductor layer as the main electrode, thereby improving the light conversion efficiency by dye adsorption on the light transmitting layer.
  • the absorption region band according to the dye characteristics can be maximized.
  • the light transmitting layer when the light transmitting layer is applied between the transparent electrode and the oxide semiconductor layer as the main electrode, transparency of the dye-sensitized solar cell is secured, thereby maximizing visibility due to transparency.
  • the present invention has an effect of applying a light transmitting layer between the transparent electrode and the oxide semiconductor layer as the main electrode to block the blocking layer that prevents the light transmitting layer from contacting the substrate and the electrolyte.

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Abstract

염료감응 태양전지는 제1 전도성 기판 위에 형성되는 광투과층(Light Passing Layer)과, 염료가 흡착되는 주전극층인 산화물 반도체층, 산화물 반도체층으로 빛을 산란 및 반사시키는 광산란층(Scattering Layer)을 포함하는 광전극; 광전극에 대향 배치되도록 제2 전도성 기판 위에 촉매전극을 포함하는 상대전극; 및 광전극과 상대전극 사이를 충진되는 전해질을 포함하며, 광투과층은 전도성 기판보다 투과도가 같거나 높은 것을 특징으로 한다. 본 발명은 투명전극의 위에 광투과층을 형성하여 투명전극의 평탄화 작업을 통한 입사광의 산란 작용을 억제하고 이에 따라 입사광의 유효 투과 거리가 증가하여 300-500nm의 파장 영역에서 광 이용 효율이 향상되는 효과가 있다.

Description

염료감응 태양전지
본 발명은 염료감응 태양전지로서, 특히 광전극의 구조를 다중층으로 구성하여 입사된 광의 단파장 및 장파장의 전파장 영역의 광 이용 효율을 향상하는 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
염료감응 태양전지는 1991년도 스위스 국립 로잔 고등 기술원(EPFL)의 마이크 그라첼(Michael Gratzel) 연구팀에 의해 염료감응 나노입자 산화 타타늄 태양전지가 개발된 이후 이 분야에 관한 많은 연구가 진행되고 있다.
염료감응 태양전지 모듈의 효율을 증가시키는 방법은 염료가 흡착되어 있는 광전극으로 조사되는 빛을 효율적으로 사용하기 위하여 광산란층을 광전극에 도입하고 투과되어 사용되지 못하는 장파장의 빛을 광전극 측으로 산란 및 반사시켜 빛을 효율적으로 재사용하는 방법이 있다.
또한, 다른 실시예로서, 종래 기술은 수나노 내지 수십 나노미터 크기로 구성된 금속 산화물 나노 입자로 이루어진 투명한 광전극에 수백나노미터 크기의 입자를 혼합하고 이로 인하여 빛 산란 효과 및 반사도를 증가시켜 조사된 광원 사용 효율을 증대하며 장파장 영역에서의 전류 밀도를 높이는 방법이 있다.
이러한 종래 기술은 작은 입자로 구성되는 광전극에 동일 소재나 반사도가 큰 대형의 금속 산화물 입자를 혼합하여 광전극으로 들어오는 빛을 단순히 산란 및 반사시켜 장파장의 빛을 효율적으로 사용하는 방법이다.
이러한 방법으로 제조된 광전극은 대형의 금속 산화물 입자를 도입하여 장파장의 빛을 효율적으로 사용하여 광전류를 증가시키는 장점이 있으나 염료감응 태양전지 모듈의 장점인 투명성을 현저히 감소시키는 문제점이 발생한다.
그러나 종래 기술은 단파장 영역에서 전해질 및 염료의 특성으로 인하여 광 이용 효율이 현저히 낮은 문제점이 여전히 존재하고 있다.
요오드계 전해질을 사용하는 염료감응 태양전지의 경우, 300-500nm 영역은 요오드의 흡광 파장대로 염료와의 경쟁 반응이 일어나며 단파장에서의 입사광의 활용이 저하되는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 투명전극과 주전극인 산화물 반도체층 사이에 광투과층을 형성하여 입사된 광의 단파장 및 장파장의 전파장 영역의 광 이용 효율을 향상하는 염료감응 태양전지용 광전극을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 투명전극과 주전극인 산화물 반도체층 사이에 광투과층을 형성하여 입사된 광의 단파장 및 장파장의 전파장 영역의 광 이용 효율을 향상하는 염료감응 태양전지용 광전극을 이용한 염료감응 태양전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 특징에 따른 염료감응 태양전지는 전도성 기판 위에 형성되는 광투과층(Light Passing Layer)과, 상기 광투과층의 위에 형성되고 주전극층을 나타내는 산화물 반도체층을 포함하며, 상기 광투과층은 상기 전도성 기판보다 투과도가 같거나 높은 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징에 따른 염료감응 태양전지는 제1 전도성 기판 위에 형성되는 광투과층(Light Passing Layer)과, 염료가 흡착되는 주전극층인 산화물 반도체층, 상기 산화물 반도체층으로 빛을 산란 및 반사시키는 광산란층(Scattering Layer)을 포함하는 광전극; 상기 광전극에 대향 배치되도록 제2 전도성 기판 위에 촉매전극을 포함하는 상대전극; 및 상기 광전극과 상대전극 사이를 충진되는 전해질을 포함하며, 상기 광투과층은 상기 전도성 기판보다 투과도가 같거나 높은 것을 특징으로 한다.
전술한 구성에 의하여, 본 발명은 투명전극의 위에 광투과층을 형성하여 투명전극의 평탄화 작업을 통해 입사광의 산란 작용을 억제하고 이에 따라 입사광의 유효 투과 거리가 증가하여 300-500nm의 파장 영역에서 광 이용 효율이 향상되는 효과가 있다.
본 발명은 투명전극과 주전극인 산화물 반도체층 사이에 광투과층을 형성하여 광투과층에도 염료 흡착에 의한 광 전환 효율의 향상이 가능한 효과가 있다.
본 발명은 투명전극과 주전극인 산화물 반도체층 사이에 광투과층을 적용하는 경우, 염료 특성에 따른 흡수 영역대를 극대화 시킬 수 있다.
본 발명은 투명전극과 주전극인 산화물 반도체층 사이에 광투과층을 적용하는 경우, 염료감응 태양전지의 투명성이 확보되어 투명성에 기인한 시인성을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 투명전극과 주전극인 산화물 반도체층 사이에 광투과층을 적용하여 광투과층이 기판과 전해질과의 접촉을 막아주는 블로킹 레이어의 블로킹 역할을 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중층 광전극을 이용한 염료감응 태양전지를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광투과층의 반사율 및 투과도를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광투과층의 적용 순서에 따른 평가를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광투과층의 두께에 따른 Unit Cell의 성능 평가를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광투과층의 적용에 따른 Unit Cell의 성능 평가를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이산화티타늄을 나노로드 구조로 형성한 경우의 성능 평가를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 광투과층의 투과도 평가를 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.
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 본 발명의 실시예에 따른 다중층 광전극을 이용한 염료감응 태양전지를 나타낸 도면이다.
일반적인 염료감응 태양전지는 제1 투명전극이 형성된 작동전극(광전극) 기판과 이에 대향하여 배치된 제2 투명전극이 형성된 상대전극 기판을 봉지재에 의해 합지하고, 작동전극 기판과 상대전극 기판 사이에 전해질이 주입된 구조로 되어 있다.
도 1를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다중층 광전극을 이용한 염료감응 태양전지는 제1 투명기판 위에 제1 투명전극(100)과 그 위에 광투과층(Light Passing Layer, LPL)(210)과 염료가 흡착되는 산화물 반도체층(220), 전해질, 촉매전극, 제2 투명전극, 제2 투명기판으로 구성되어 있다. 이외에 광산란층(Scattering Layer)(230)을 선택적으로 더 포함할 수 있다.
광전극(200)은 광투과층(210), 산화물 반도체층(220) 및 광산란층(230)을 포함한다.
본 발명의 주요한 특징은 광투과층(210)과 산화물 반도체층(220)를 포함한 다중층 광전극 구조이다.
제1 투명전극(100)을 지지하는 지지체 역할을 하는 제1 투명기판은 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.
본 발명은 제1 투명전극(100)을 투명한 재질을 사용하고 있지만 경우에 따라 불투명한 전극을 사용할 수도 있다.
제1 투명기판에 형성되는 제1 투명전극(100)은 인듐 틴 산화물(Indium Tin Oxide: ITO), 플루오르 틴 산화물(Fluorine Doped 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. 제1 투명전극(100)은 투명 물질의 단일막 또는 적층막으로 이루어질 수 있다.
제1 투명전극(100)의 위에 광투과층(210)이 형성되고 광투과층(210)의 위에 형성되는 산화물 반도체층(220)이 형성된다.
산화물 반도체층(220)은 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 복합체 또는 유기염료로 이루어질 수 있다.
한편, 제1 투명기판에 대향 배치되는 제2 투명기판은 제2 투명전극 및 촉매전극을 지지하는 지지체 역할을 하는 것으로, 제1 투명기판과 같이 투명한 유리 또는 플라스틱 또는 메탈 포일(Metal Foil) 등으로 이루어질 수 있다.
제2 투명기판에 형성되는 제2 투명전극 및 촉매전극은 제1 투명전극(100)과 대향 배치되도록 형성된다. 제2 투명전극은 인듐 틴 산화물, 플루오르 틴 산화물, 안티몬 틴 산화물, 징크 산화물, 틴 산화물, ZnOGa2O3, ZnO-Al2O3 등의 투명 물질로 이루어질 수 있고, 촉매전극은 산화-환원 쌍(Redox couple)을 활성화시키는 역할을 하는 것으로, 백금, 루테늄, 팔라듐, 이리듐, 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 탄소(C), WO3, TiO2 등으로 이루질 수 있다.
광투과층(210)은 0.1-10㎛의 두께를 가지고, 10-30nm 입자 크기를 갖는 이산화티타늄(TiO2)으로서 나노 입자 구조를 가지고 있다. 본 발명의 광투과층(210)은 이산화티타늄을 예시하고 있지만 이에 한정하지 않고 ZnO, SnO2, WO3, ZrO2, SiO2 등을 포함한 산화물 및 Mg-TiO2, Zr-TiO2, Zn-SnO2, Si/TiO2 등을 포함한 다성분계 산화물을 포함할 수 있다.
광투과층(210)과 산화물 반도체층(220)의 두께는 염료 특성에 따라 변경되고 특히 산화물 반도체층(220)의 경우 염료 특성에 따라 두께가 많이 변화되며 광투과층(210)의 경우 일정한 범위(0.1-10㎛)에서 두께가 설정된다.
광투과층(210)의 두께는 염료마다 차이가 있고 전류 밀도를 극대화시키기 위해서 광투과층(210)의 두께를 증가시킬 수 있다.
광투과층(210)의 두께는 0.1㎛ 이하의 경우 광투과층(210)의 특성이 작아져 사용하지 않으며 10㎛ 이하의 경우 전압 강하가 커지므로 사용하지 않는다.
광투과층(210)과 산화물 반도체층(220)은 전류 밀도와 전압 간의 상관 관계를 고려하여 최적화된 두께를 사용하게 된다.
본 발명의 광투과층(210)의 나노 입자 구조는 일반적인 구형, 응집체 형태 등으로 구성된 나노미터 크기를 가지는 모든 형태를 포함하며, 나노큐브(Nanocube), 나노튜브(Nanotube), 나노로드(Nanorod), 나노와이어(Nanowire) 등의 형태는 물론이고, 나노미터 크기의 기공을 갖는 메조포러스(Meso-Porous) 형태를 하나 또는 하나 이상의 혼합된 형태를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 광투과층(210)은 나노로드(Nanorod) 타입의 이산화티타늄(TiO2)으로 투명성 및 전자 전달 능력이 우수한 특성을 갖는다.
산화물 반도체층(220)의 염료 흡착뿐만 아니라 나노로드 구조의 광투과층(210)에도 염료 흡착에 의한 광 전환 효율의 향상이 나타날 수 있다.
본 발명은 제1 투명전극(100)과 주전극인 산화물 반도체층(220) 사이에 광투과층(210)을 적용하는 경우, 염료 특성에 따른 흡수 영역대를 극대화 시킬 수 있고 이에 따라 Ru계 염료, 유기 염료, 무기 염료에서도 광 이용 특성이 향상될 수 있다.
제1 투명전극(100)과 광투과층(210) 사이에는 Solution 또는 Paste 등을 이용한 100nm 두께 이하의 블록층(Blocking Layer)이 첨가될 수 있다.
블록층은 Ti 전구체(Precursor)를 이용한 Solution 또는 Paste로 얇은 TiO2 레이어(Layer)를 구성한다. 이러한 TiO2 레이어(Layer)는 기판과 전해질의 접촉을 막아주어 전자의 재결합을 감소시킨다.
블록층은 제1 투명전극(100)의 헤이즈 감소, 제1 투명전극(100)과 산화물 반도체층(220) 사이의 부착력 및 블록킹 역할을 수행하여 투과도가 증가한다.
산화물 반도체층(220)은 15-25nm의 나노 입자를 갖는 이산화티타늄(TiO2)으로 주전극층이다.
광산란층(230)은 산화물 반도체층(220)을 투과되어 사용되지 못하는 장파장의 빛을 산화물 반도체층(220)으로 산란 및 반사시켜 광 이용 효율을 높이는 역할을 한다.
광산란층(230)은 200nm-1㎛의 입자 크기를 갖는 이산화티타늄(TiO2)으로 이루어져 있다. 그러나 이에 한정하지 않고 광산란층(230), 산화물 반도체층(220)과 광투과층(210)은 아연 산화물(ZnO), 주석 산화물(SnO2), 텅스텐 산화물(WO3)로 이루어진 군에서 선택하여 사용할 수 있고, Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Mg, Ga 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속 산화물 또는 이들의 복합 산화물일 수 있다.
광산란층(230)은 BIPV(Building Integrated Photovoltaic System)와 같이 고투명 태양전지가 활용되는 분야의 경우, 염료감응 태양전지의 구성요소로 사용되지 않을 수 있다.
광투과층(210), 산화물 반도체층(220) 및 광산란층(230)은 스크린 프린팅법(Screen Printing), 독터 블레이드법(Doctor Blade), 일렉트론 스프레이법(Electron Spray) 등과 같은 코팅법을 적용할 수 있다.
본 발명의 염료감응 태양전지용 광전극을 제조하는 방법을 간략하게 설명하면 다음과 같다.
Ti 알콕사이드를 전구체로 이를 초산 또는 질산 등을 가하여 가수 분해하여 얻어지는 솔 용액을 수열 반응하면 나노 입자의 콜로이드를 얻게 된다
합성은 전구체인 Ti 알콕사이드와 아세트산을 이용한 솔-젤(Sol-Gel)법을 이용하였고, 오스왈드 입자 성장 이론에 따라 오토클레이브(Autoclave)를 사용하여 입자를 성장시켰다.
합성된 TiO2 나노로드 구조의 광투과층(210)은 0.1-10㎛의 두께를 가지고, 20nm 입자 크기를 갖는 이산화티타늄(TiO2)이 긴 막대 형태의 입자들과 사각형의 입자들이 존재한다.
제1 투명전극(100)의 위에 광투과층(210)을 형성한 후, 그 위에 산화물 반도체층(220)을 형성한다.
산화물 반도체층(220)은 전이금속 산화물 분말 및 유기 비히클(Vehicle)을 함유하는 페이스트를 준비하고 광투과층(210)의 위에 산화물 반도체 페이스트를 도포한 후 소성시켜 산화물 반도체층(220)을 형성한다. 이후에, 산화물 반도체층(220)은 감광성 염료 용액에 침지시켜 염료를 흡착시킨다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광투과층의 반사율 및 투과도를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 제1 투명전극(100) 위에 나노로드 구조의 광투과층(210)을 적층하게 되면, 광투과층(210)은 제1 투명전극(100)의 표면을 평탄화하여 입사광의 산란 효과를 억제하고 입사광의 효율적인 사용이 가능하게 된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 1번(TiO2)은 주전극인 산화물 반도체층(220)의 비교예이고, 2번(LPL)은 광투과층(210)의 실시예이고, 3번(TiO2/LPL)은 산화물 반도체층(220)의 위에 광투과층(210)을 형성하는 비교예이며, 광투과층(210)의 위에 산화물 반도체층(220)을 형성하는 비교예의 빛의 반사율을 보여주고 있다.
즉, 반사율이 증가한다는 것은 광전극으로 입사한 빛을 사용하지 못하고 반사한다는 의미이고, 실제로 사용되는 빛 사용량이 줄어든다는 것이다.
반사율이 적다는 것은 입사한 빛의 효율적인 사용이 가능하다는 의미이다.
따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 2번은 1번, 3번, 4번보다 반사율이 가장 적음을 알 수 있으며 이에 따라 입사광의 효율적으로 사용할 수 있음을 알 수 있다.
이 중 2번의 광투과층(210)의 빛의 반사율은 1번, 3번, 4번의 구조의 반사율보다 작기 때문에 입사광의 유효 투과 거리가 증가함에 따라 300-500nm의 파장 영역에서 효율적인 광 이용 효율을 나타내고 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 투명 전도성 산화물(Transparent Conducting Oxide, TCO)(100), 산화물 반도체층(220), 광투과층(210)의 투과도를 비교한 것과 TiO2 IPCE(Incident-Photon-to-electron Conversion Effieciency)(주전극층의 광 이용 효율)을 나타낸다.
광투과층(210)의 투과도는 투명 전도성 산화물(100)의 투과도가 같거나 높은 것을 볼 수 있다.
기존의 염료감응 태양전지는 제1 투명전극(100)의 위에 산화물 반도체층(220)만 형성된 경우, 300-500nm의 단파장 영역에서 광 이용 효율이 저하되는 문제점이 있었다.
그러나 본 발명은 제1 투명전극(100)과 산화물 반도체층(220) 사이에 광투과층(210)을 형성하여 300-500nm의 단파장 영역에서 광 이용 효율을 높이고, 광투과층(210), 산화물 반도체층(220)과 광산란층(230)을 이용하여 장파장 영역에서 광 이용 효율을 높이는 효과가 있다.
따라서, 본 발명은 광투과층(210)을 도입하지 않은 전극을 사용한 염료감응 태양전지와 비교하여 단파장 및 장파장의 전 파장 영역에 걸쳐 광 이용 효율이 향상되는 것이다.
다음으로, 이하의 도 3 내지 도 8를 참조하여 광투과층(210)의 적용에 따른 성능 평가를 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광투과층의 적용 순서에 따른 평가를 나타낸 도면이다.
도 3은 전극 형성 순서를 다르게 하여 광투과층(210)의 특성을 확인하였다.
1번(비교예1)은 주전극층인 산화물 반도체층(220)이고, 2번(비교예2)은 주전극층(220)의 위에 광투과층(210)을 형성하며, 3번(실시예3)은 광투과층(210)의 위에 주전극층(220)을 형성한 것이다.
1번은 기판 위에 블록층을 형성한 후 450℃로 소성하고 닥터 블레이드 방식으로 TiO2 페이스트를 11㎛ 두께로 코팅한 후 450℃로 소성한다.
2번은 기판 위에 블록층을 형성한 후 450℃로 소성하고 닥터 블레이드 방식으로 TiO2 페이스트를 10㎛ 두께로 코팅한 후 450℃로 소성하며 광투과층(210)을 1㎛ 두께로 코팅한 후 450℃로 소성한다.
2번의 경우, 주전극층(220)의 위에 조밀한(Dense) 레이어(광투과층(210))가 형성되므로 전해질의 침투가 용이하지 않아 파장의 영역에 걸쳐 광 이용 효율(개방 전압(Voc:V), 단락 전류 밀도(Jsc:mA/㎠), 광 변환 효율(η:%))의 저하가 나타났다.
본 발명에서의 광투과층(210)은 나노로드 구조의 TiO2를 사용하므로 입자 구조상 레이어가 더 조밀하게 적층된다.
3번은 기판 위에 블록층을 형성한 후 450℃로 소성하고 광투과층(210)을 1㎛ 두께로 코팅한 후 450℃로 소성하며, 닥터 블레이드 방식으로 TiO2 페이스트를 10㎛ 두께로 코팅한 후 450℃로 소성한다.
3번의 경우, 주전극층(220)의 하부에 조밀한 광투과층(210)이 형성되므로 난반사를 줄여 입사광을 더 효율적으로 활용하고 전 파장 영역에 걸쳐 광 이용 효율의 향상을 나타내었다.
도 3에 도시된 바와 같이, 도 3의 화살표 방향은 단파장과 장파장의 특성이 극대화 된다는 것을 나타내는 것으로서, 특히 3번의 주전극층(220)의 하부에 광투과층(210)이 형성된 경우 단파장 및 장파장의 전 파장 영역에 걸쳐 광 이용 효율의 향상된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광투과층의 두께에 따른 Unit Cell의 성능 평가를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광투과층의 적용에 따른 Unit Cell의 성능 평가를 나타낸 도면이다.
도 4는 광투과층(210)의 두께에 따른 염료감응 태양전지의 성능을 평가한 것이다.
비교예 1은 기판 위에 블록층을 형성한 후 450℃로 소성하고 닥터 블레이드 방식으로 TiO2 페이스트를 12㎛ 두께로 코팅한 후 450℃로 소성하며 광산란층(230)을 닥터 블레이드 방식으로 5㎛ 두께로 코팅한다.
즉, 비교예 1은 기판 위에 블록층을 형성한 후 광투과층(210)을 형성하지 않고 산화물 반도체층(220)을 형성한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 광투과층(210)의 두께가 1.5㎛에서 7㎛로 두꺼워짐에 따라 전류 밀도가 높아지고 개방 전압이 낮아지며 광 변환 효율이 증가함을 확인하였다.
도 5의 1번(비교예)의 경우, 산화물 반도체층(220)의 위에 광산란층(230)을 적용한 것이고, 도 5의 2번(실시예)의 경우, 광투과층(210)의 위에 산화물 반도체층(220)과 그 위에 광산란층(230)을 적용한 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 광투과층(210)을 광전극에 적용한 결과, 전류 밀도가 향상되고 단파장 및 장파장에서 광 이용 효율이 증가함을 확인하였다.
도 5의 오른쪽 그래프 중 1번과 2번을 제외한 회색 실선은 FTO의 투과도를 나타낸 것이다. 이러한 회색 실선은 단파장에서 FTO가 가지는 임계 투과도가 있는데 광투과층(210)을 사용하면 FTO의 임계 투과도를 증가시켜 광전환 효율을 극대화시킬 수 있음 나타내기 위하여 함께 나타내었다.
전술한 도 3, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 개방 전압, 단락 전류 밀도, 광 변환 효율 등의 모든 레퍼런스를 비교했을 때 광투과층(210)을 사용한 경우 300-500nm 단파장 영역에서 투과도가 증가하거나 광전환 효율이 극대화되는 등 레퍼런스의 특성이 더 높은 것을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이산화티타늄을 나노로드 구조로 형성한 경우의 성능 평가를 나타낸 도면이다.
도 6에서 1번(비교예1)은 블록층의 위에 11.5㎛의 두께의 산화물 반도체층(220)을 나타낸 것이고, 2번(비교예2)은 블록층의 위에 4.9㎛의 두께의 산화물 반도체층(220)을 나타낸 것이며, 3번(실시예3)은 블록층의 위에 3.7㎛의 두께의 광투과층(210)을 나타낸 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 2번(비교예2)과 3번(실시예3)을 비교해 보면, 2번의 산화물 반도체층(220)의 두께(4.9㎛)가 3번의 광투과층(210)의 두께(3.7㎛)보다 두꺼운데도 불구하고 효율이 더 낮게 나온다.
또한, 1번(비교예1)과 3번(실시예3)과 비교해 보면, 1번의 산화물 반도체층(220)의 두께(11.5㎛)가 3번의 광투과층(210)의 두께(3.7㎛)보다 3배가 더 두꺼운데도 불구하고 효율이 1% 정도만 더 높게 나온다. 이와 같이 3번의 광투과층(210)은 낮은 두께임에도 불구하고 우수한 광변환 효율이 나온다는 것을 알 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 나노로드 구조는 두께를 얇게 가지고 가면서 고투명성과 개방 전압을 낮추며, 전류 밀도를 높일 수 있음을 확인하였다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 광투과층의 투과도 평가를 나타낸 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 1번(비교예1)은 투명전극(100)과, 2번(비교예2)은 투명전극(100)의 위에 산화물 반도체층(220)이고, 3번(실시예3)은 투명전극(100)의 위에 광투과층(210)의 투과도를 나타낸 것이다.
광투과층(210)의 투과도는 투명성의 척도를 나타낸 것으로서 투명하다는 것은 빛의 활용이 용이할 수 있음을 나타낸다.
나노로드 구조의 광투과층(210)의 경우, 500nm 이하의 단파장 영역, 바람직하게 300-500nm의 단파장 영역에서의 투과도가 투명전극(100)과 산화물 반도체층(220)보다 높게 나타난다.
이와 같이 광투과층(210)은 투명전극(100)과 산화물 반도체층(220)과 비교할 때 단파장의 영역에서 빛의 투과율이 휠씬 더 높아지며 장파장의 영역에서 유사해지는 것을 볼 수 있다.
따라서, 나노로드 구조의 광투과층(210)과 같이 투과도가 높아지면 BIPV와 같이 고투명 태양전지가 활용될 수 있고, 광산란층(230)을 추가하는 경우 광 이용 효율이 극대화할 수 있다.
따라서, 전술한 도 2 내지 도 6에서 언급한 바와 같이, 나노로드 구조의 광투과층(210)은 단파장 및 장파장의 전 파장 영역에서 빛을 효율적으로 활용할 수 있음을 확인하였다.
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.
[부호의 설명]
100: 제1 투명전극
200: 광전극
210: 광투과층
220: 산화물 반도체층
230: 광산란층
전술한 구성에 의하여, 본 발명은 투명전극의 위에 광투과층을 형성하여 투명전극의 평탄화 작업을 통해 입사광의 산란 작용을 억제하고 이에 따라 입사광의 유효 투과 거리가 증가하여 300-500nm의 파장 영역에서 광 이용 효율이 향상되는 효과가 있다.
본 발명은 투명전극과 주전극인 산화물 반도체층 사이에 광투과층을 형성하여 광투과층에도 염료 흡착에 의한 광 전환 효율의 향상이 가능한 효과가 있다.
본 발명은 투명전극과 주전극인 산화물 반도체층 사이에 광투과층을 적용하는 경우, 염료 특성에 따른 흡수 영역대를 극대화 시킬 수 있다.
본 발명은 투명전극과 주전극인 산화물 반도체층 사이에 광투과층을 적용하는 경우, 염료감응 태양전지의 투명성이 확보되어 투명성에 기인한 시인성을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 투명전극과 주전극인 산화물 반도체층 사이에 광투과층을 적용하여 광투과층이 기판과 전해질과의 접촉을 막아주는 블로킹 레이어의 블로킹 역할을 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 전도성 기판 위에 형성되는 광투과층(Light Passing Layer)과, 상기 광투과층의 위에 형성되고 주전극층을 나타내는 산화물 반도체층을 포함하며,
    상기 광투과층은 상기 전도성 기판보다 투과도가 같거나 높은 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  2. 제1 전도성 기판 위에 형성되는 광투과층(Light Passing Layer)과, 염료가 흡착되는 주전극층인 산화물 반도체층, 상기 산화물 반도체층으로 빛을 산란 및 반사시키는 광산란층(Scattering Layer)을 포함하는 광전극;
    상기 광전극에 대향 배치되도록 제2 전도성 기판 위에 촉매전극을 포함하는 상대전극; 및
    상기 광전극과 상대전극 사이를 충진되는 전해질을 포함하며,
    상기 광투과층은 상기 전도성 기판보다 투과도가 같거나 높은 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 산화물 반도체층의 위에 형성되고, 상기 산화물 반도체층으로 빛을 산란 및 반사시키는 광산란층(Scattering Layer)
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광투과층의 두께는 염료 특성에 따라 0.1-10㎛의 범위 내에서 두께가 설정되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광투과층의 두께는 전류 밀도와 전압 간의 상관 관계를 고려하여 0.1-10㎛의 범위 내에서 설정되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광투과층은 0.1-10㎛의 두께를 갖는 나노큐브(Nanocube), 나노로드(Nanorod), 나노와이어(Nanowire), 나노튜브(Nanotube), 나노미터 크기의 기공을 갖는 메조포러스(Meso-Porous) 형태 중 하나 또는 하나 이상의 혼합된 타입의 이산화티타늄(TiO2)인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
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