WO2016171289A1 - 금속기판 표면처리를 이용한 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

금속기판 표면처리를 이용한 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
WO2016171289A1
WO2016171289A1 PCT/KR2015/003937 KR2015003937W WO2016171289A1 WO 2016171289 A1 WO2016171289 A1 WO 2016171289A1 KR 2015003937 W KR2015003937 W KR 2015003937W WO 2016171289 A1 WO2016171289 A1 WO 2016171289A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
substrate
dye
solar cell
sensitized solar
metal substrate
Prior art date
Application number
PCT/KR2015/003937
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
이재호
강정현
이동규
전유택
Original Assignee
현대제철 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대제철 주식회사 filed Critical 현대제철 주식회사
Publication of WO2016171289A1 publication Critical patent/WO2016171289A1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/036—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes
    • H01L31/0392—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes including thin films deposited on metallic or insulating substrates ; characterised by specific substrate materials or substrate features or by the presence of intermediate layers, e.g. barrier layers, on the substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • 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
    • 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
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a dye-sensitized solar cell manufacturing technology, and more particularly, to a dye-sensitized solar cell using a metal substrate surface treatment and a method of manufacturing the same.
  • FIG. 1 schematically shows a general dye-sensitized solar cell.
  • a dye-sensitized solar cell is formed between a pair of glass substrates 110 and 130.
  • the dye-sensitized solar cell includes a semiconductor electrode 120 to which a dye that receives electrons is generated, a counter electrode 140 facing the semiconductor electrode, and an electrolyte 150 interposed therebetween. It includes.
  • the pair of glass substrates 110 and 130 are coated with a conductive transparent electrode on its surface.
  • This conductive transparent electrode is mainly formed of fluorine doped tin oxide (FTO).
  • FTO fluorine doped tin oxide
  • the reactivity with the electrolyte is low, there is a stable advantage even for long time use.
  • FTO coated glass substrates are very expensive and have a higher resistance than metals. Furthermore, FTO-coated glass substrates have a disadvantage of being fragile and are not easily bent, so that application to flexible solar cells is difficult.
  • One object of the present invention is to provide a dye-sensitized solar cell using a metal substrate surface treatment, more specifically a hydrophilization treatment.
  • Another object of the present invention is to provide a method suitable for producing the dye-sensitized solar cell.
  • Dye-sensitized solar cell for achieving the above object is a first substrate; A semiconductor electrode formed on the first substrate and having dye adsorbed thereon; A second substrate facing the first substrate; A counter electrode formed on the second substrate; And an electrolyte formed between the semiconductor electrode and the counter electrode, wherein the first substrate includes a metal substrate and a hydrophilic surface modification layer formed on the metal substrate.
  • the metal substrate may be formed of a single layer or multiple layers of a material including at least one of stainless steel (SUS), titanium (Ti), aluminum (Al), platinum (Pt), and nickel (Ni).
  • SUS stainless steel
  • Ti titanium
  • Al aluminum
  • Pt platinum
  • Ni nickel
  • the metal substrate may have a structure in which a titanium layer is formed on stainless steel.
  • the titanium layer may be formed to a thickness of 0.5 ⁇ 1 ⁇ m.
  • the metal substrate may be formed of a single layer or multiple layers of a material including at least one of stainless steel, titanium, aluminum, platinum, and nickel.
  • the metal substrate may have a structure in which a titanium layer is formed on stainless steel.
  • the titanium layer may be formed to a thickness of 0.5 ⁇ 1 ⁇ m.
  • the atmospheric pressure plasma irradiation may be carried out in a nitrogen gas atmosphere, oxygen gas atmosphere and nitrogen and oxygen mixed gas atmosphere.
  • the dye-sensitized solar cell according to the present invention is inexpensive as compared to the FTO coated glass substrate by using a thin metal substrate, and can exhibit flexible characteristics with higher conductivity.
  • the dye-sensitized solar cell manufacturing method hydrophilizes the surface of the metal substrate using an atmospheric plasma.
  • a hydrophilic surface modification layer may be formed on the surface of the metal substrate, and through the formed hydrophilic surface modification layer, the adhesion of the semiconductor electrode may be improved, the dye adsorption may be improved, and the organic matter may be removed from the surface of the metal substrate.
  • FIG. 1 schematically shows a general dye-sensitized solar cell.
  • Figure 2 schematically shows a dye-sensitized solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 schematically shows an example of a first substrate applied to the present invention.
  • Figure 2 schematically shows a dye-sensitized solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • the illustrated dye-sensitized solar cell includes a first substrate 210, a semiconductor electrode 220, a second substrate 230, a counter electrode 240, and an electrolyte 250.
  • the first substrate 210 is a substrate on which a semiconductor electrode is formed.
  • a metal substrate is used to provide flexible characteristics.
  • the first substrate 210 a substrate made of a polymer material having more flexible characteristics may be used.
  • a metal substrate is used as the first substrate 210.
  • the semiconductor electrode 220 is formed on the first substrate 210.
  • the semiconductor electrode 220 includes titanium dioxide (TiO 2 ), tin dioxide (SnO 2 ), zirconium dioxide (ZrO 2 ), silicon dioxide (SiO 2 ), magnesium oxide (MgO), niobium pentoxide (Nb 2 O 5 ), and oxide It may be formed of zinc (ZnO) or the like, and more preferably a semiconductor electrode made of titanium dioxide.
  • the semiconductor electrode 220 includes a ruthenium-based dye such as Ruthenium 535-bisTBA (N719) or Ruthenium 620-1H3TBA (Black dye), an organic dye, an organic dye, a quantum dot or a natural dye. The same dye is adsorbed.
  • a ruthenium-based dye such as Ruthenium 535-bisTBA (N719) or Ruthenium 620-1H3TBA (Black dye
  • an organic dye an organic dye, a quantum dot or a natural dye. The same dye is adsorbed.
  • the method of forming the semiconductor electrode 220 is as follows, for example.
  • TiO 2 paste is printed on the first substrate 210 by using a screen printing method, a doctor blade method, a spray coating method, or the like. Thereafter, heat treatment is performed at 400 to 500 ° C. for about 20 to 60 minutes. Subsequently, the dye is adsorbed by impregnating a dye solution such as a ruthenium-based dye solution for 6 to 24 hours.
  • a dye solution such as a ruthenium-based dye solution for 6 to 24 hours.
  • the second substrate 230 may be formed of glass, it is more preferable that the second substrate 230 is formed of a polymer material having excellent transparency and flexible characteristics.
  • a polymer material having excellent transparency and flexible characteristics.
  • PEN polyethylene naphthalate
  • PET polyethylene terephthalate
  • PC polycarbonate
  • PI polyimide
  • the second substrate is coated with a transparent conductive material such as ITO and FTO.
  • the counter electrode 240 is formed on the second substrate, more specifically on the conductive material coated on the second substrate.
  • the counter electrode 240 is in contact with the electrolyte 250 to participate in the reduction process of the electrolyte 250.
  • the counter electrode 240 may be formed of platinum (Pt), silver (Ag), carbon black, or the like.
  • the electrolyte 250 is formed between the semiconductor electrode 220 and the counter electrode 240.
  • electrolytes include 3-propyl-1,2-dimethyl imidazolium iodide (DMPImI), lithium iodide (LiI) and I 2 in acetonitrile. It may be presented to the electrolyte-dissolved I 3 - / I.
  • the electrolyte is an oxidation-supplies the electron to the dye through a reduction (for example, I 3 - - ⁇ 3I) .
  • FIG. 3 schematically shows an example of a first substrate applied to the present invention.
  • the illustrated first substrate includes metal substrates 211 and 212 and a hydrophilic surface modification layer 213.
  • the metal substrates 211 and 212 may be formed of a material including at least one of stainless steel, titanium, aluminum, platinum, and nickel.
  • the metal substrate may be formed in a single layer, it may be formed in a multi-layer as shown in the example shown in FIG. 3 shows an example in which a titanium layer 212 is formed on a stainless steel substrate 211.
  • the stainless steel substrate has advantages in terms of price, but is vulnerable in corrosion resistance, and the titanium substrate is excellent in corrosion resistance but vulnerable in price. Therefore, in consideration of both of these cost and corrosion resistance aspects, it is more preferable to use a metal substrate having a titanium layer 212 formed on the stainless steel substrate 211 as shown in FIG. 3.
  • the titanium layer 213 is preferably formed to a thickness of 0.5 ⁇ 1 ⁇ m. If the thickness of the titanium layer is less than 0.5 ⁇ m insufficient corrosion resistance reinforcement effect, if the thickness of the titanium layer is more than 1 ⁇ m may increase only the substrate manufacturing cost without further corrosion resistance.
  • the titanium layer 213 may be formed by a deposition method such as physical vapor deposition (PVD), and may be formed by various known methods.
  • PVD physical vapor deposition
  • the hydrophilic surface modification layer 213 is formed on the metal substrate, and serves to improve adhesion and adsorption power of the semiconductor electrode and the dye through hydrophilic properties.
  • the hydrophilic surface modification layer may be defined as a layer having a low contact angle due to higher surface energy than the base material layer below the surface.
  • the hydrophilic surface modification layer 213 may be formed using an atmospheric pressure plasma or the like.
  • Atmospheric pressure plasma treatment is, for example, carried out in a nitrogen (N 2 ) gas atmosphere, or using an oxygen (O 2 ) gas, or under a mixed gas atmosphere of nitrogen (N 2 ) gas and oxygen (O 2 ) gas. It can be carried out.
  • the basic discharge gas uses nitrogen gas or a gas containing nitrogen.
  • oxygen gas may be used as the sole gas as long as the conditions for generating the discharge are satisfied.
  • Atmospheric pressure plasma treatment can be performed at a discharge voltage of approximately 5 kV to 20 kV. If the discharge voltage is less than 5kV, the plasma state may be unstable, whereas if it exceeds 20kV, the physical properties of the coating layer may be reduced due to the generation of arc on the surface of the coating layer deposited on the metallic substrate. .
  • the atmospheric pressure plasma treatment can be carried out by maintaining a distance between the discharge electrode and the metal substrate at approximately 2 to 15 mm. If the gap between the discharge electrode and the metal substrate is less than 2 mm, surface damage may occur, whereas if it exceeds 15 mm, the surface treatment effect may be reduced.
  • the atmospheric pressure plasma treatment may be performed approximately 1 to 20 times in consideration of the fact that the initial surface energy level increases with the surface treatment time but the surface damage increases.
  • the adhesion of the semiconductor electrode can be improved, the dye adsorption can be improved, and the organic substance on the surface of the metal substrate can be exhibited.
  • the dye-sensitized solar cell according to the present invention includes a first substrate, a second substrate preparing step, a bonding step, and an electrolyte injection step as in a conventional method.
  • the first substrate may be prepared by forming a semiconductor electrode on the metal substrate and then adsorbing the dye.
  • the second substrate may be prepared by forming a counter electrode on a polymer or a glass substrate using a transparent conductive oxide such as platinum, ITO, or FTO.
  • a transparent conductive oxide such as platinum, ITO, or FTO.
  • the electrolyte injection process may be performed by a method of injecting electrolyte in a state in which the first electrode and the second substrate are bonded to each other such that the semiconductor electrode and the counter electrode face each other. Thereafter, a process such as sealing the electrolyte injection hole may be included.
  • the first substrate has a structure in which a semiconductor electrode is formed on the metal substrate, but before the formation of the semiconductor electrode by irradiating atmospheric pressure plasma to the surface of the metal substrate, the hydrophilic surface modification layer on the metal substrate.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

금속기판 표면처리를 이용한 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다. 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 형성되며, 염료가 흡착된 반도체 전극; 상기 제1 기판에 대향하는 제2 기판; 상기 제2 기판 상에 형성된 상대 전극; 및 상기 반도체 전극과 상대 전극 사이에 형성된 전해질;을 포함하고, 상기 제1 기판은, 금속 기판과, 상기 금속 기판 상에 형성된 친수성 표면 개질층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

금속기판 표면처리를 이용한 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법
본 발명은 염료감응 태양전지 제조 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속기판 표면처리를 이용한 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
도 1은 일반적인 염료감응 태양전지를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 염료감응 태양전지는 한 쌍의 유리기판(110, 130) 사이에 형성된다. 보다 상세하게, 염료감응 태양전지는 빛을 받아 전자를 발생시키는 염료(dye)가 흡착된 반도체 전극(120), 상기 반도체 전극에 대향되는 상대 전극(140) 및 이들 사이에 개재된 전해질(150)을 포함한다.
상기 한 쌍의 유리기판(110, 130)은 표면에 도전성 투명전극이 코팅되어 있다. 이 도전성 투명전극은 주로 FTO(fluorine doped tin oxide)로 형성된다. FTO의 경우, 전해질과의 반응성이 낮아 장시간의 사용에도 안정한 장점이 있다.
그러나, FTO가 코팅된 유리기판은 매우 고가이며, 금속에 비하여 저항이 크다. 나아가, FTO가 코팅된 유리기판은 깨지기 쉬운 단점이 있으며, 쉽게 휘어지지 않기 때문에, 플렉서블한 태양전지로의 응용이 어렵다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0005698호(2012.01.17. 공개)가 있다. 상기 문헌에는 테프론 재질의 내식성 부재를 이용한 염료감응 태양전지 모듈 및 이의 제조 방법에 대하여 개시하고 있다.
본 발명의 하나의 목적은 금속기판 표면처리, 보다 구체적으로는 친수화 처리를 이용한 염료감응 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기의 염료감응 태양전지를 제조하는데 적합한 방법을 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지는 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 형성되며, 염료가 흡착된 반도체 전극; 상기 제1 기판에 대향하는 제2 기판; 상기 제2 기판 상에 형성된 상대 전극; 및 상기 반도체 전극과 상대 전극 사이에 형성된 전해질;을 포함하고, 상기 제1 기판은, 금속 기판과, 상기 금속 기판 상에 형성된 친수성 표면 개질층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 금속 기판은 스테인리스 스틸(SUS), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 니켈(Ni) 중에서 1종 이상을 포함하는 재질로 단층 또는 다층으로 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 금속 기판은 스테인리스 스틸 상에 티타늄층이 형성된 구조를 가질 수 있다. 상기 티타늄층은 0.5~1㎛ 두께로 형성될 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지 제조 방법은 염료가 흡착된 반도체 전극이 형성된 제1 기판 및 상대 전극이 형성된 제2 기판을 각각 마련하는 단계; 및 상기 반도체 전극과 상대 전극이 서로 마주보도록 한 상태에서 전해질을 주입하는 단계;를 포함하고, 상기 제1 기판은 금속 기판 상에 반도체 전극이 형성된 구조를 가지되, 상기 반도체 전극 형성 이전에 상기 금속 기판 표면에 대기압 플라즈마를 조사하여, 상기 금속 기판 상에 친수성 표면 개질층이 형성된 상태에서 반도체 전극을 형성하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 금속 기판은 스테인리스 스틸, 티타늄, 알루미늄, 백금, 니켈 중에서 1종 이상을 포함하는 재질로 단층 또는 다층으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 금속 기판은 스테인리스 스틸 상에 티타늄층이 형성된 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 티타늄층은 0.5~1㎛ 두께로 형성될 수 있다.
또한, 상기 대기압 플라즈마 조사는 질소 가스 분위기, 산소 가스 분위기 및 질소와 산소 혼합가스 분위기 하에서 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 박판 형태의 금속 기판을 사용함으로써 FTO 코팅 유리 기판에 비하여 저가이고, 보다 높은 전도성과 함께 플렉서블 특성을 발휘할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지 제조 방법은 대기압 플라즈마를 이용하여 금속 기판 표면을 친수화 처리한다. 이를 통하여 금속 기판 표면에는 친수성 표면 개질층이 형성될 수 있고, 형성된 친수성 표면 개질층을 통하여 반도체 전극의 접착력 향상, 염료 흡착력 향상 및 금속기판 표면의 유기물 제거 효과를 발휘할 수 있다.
도 1은 일반적인 염료감응 태양전지를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 적용되는 제1 기판의 예를 개략적으로 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속기판 표면처리를 이용한 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 도시된 염료감응 태양전지는 제1 기판(210), 반도체 전극(220), 제2 기판(230), 상대 전극(240) 및 전해질(250)을 포함한다.
제1 기판(210)은 반도체 전극이 형성되는 기판으로, 본 발명에서는 플렉서블 특성 부여를 위하여 금속 재질의 기판이 이용된다.
제1 기판(210)으로 플렉서블 특성이 보다 우수한 고분자 재질의 기판을 이용할 수도 있다. 그러나, 이 경우, 반도체 전극을 형성할 때 열처리 온도를 높게 할 수 없는 바, 태양전지 구동시 광전 효율 저하가 문제될 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 제1 기판(210)으로 금속 재질의 기판을 이용하였다.
제1 기판(210)의 세부적인 설명은 도 3에서 후술하기로 한다.
반도체 전극(220)은 제1 기판(210) 상에 형성된다. 반도체 전극(220)은 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2), 이산화지르코늄(ZrO2), 이산화규소(SiO2), 산화마그네슘(MgO), 오산화니오븀(Nb2O5), 산화아연(ZnO) 등으로 형성될 수 있으며, 보다 바람직하게는 이산화티탄 재질의 반도체 전극을 제시할 수 있다.
반도체 전극(220)에는 Ruthenium 535-bisTBA(N719) 또는 Ruthenium 620-1H3TBA(Black dye) 등과 같은 루테늄계 염료나, 유기 염료(organic dye), 양자점(quantum-dot) 또는 자연 염료(natural dye) 등과 같은 염료가 흡착된다.
반도체 전극(220)을 형성하는 방법은, 예를 들면 다음과 같다.
우선, 스크린 인쇄법, 닥터 블레이드법, 스프레이 코팅법 등을 이용하여, TiO2 페이스트를 제1 기판(210) 상에 인쇄한다. 이후, 400~500℃에서 대략 20~60분동안 열처리를 수행한다. 이후, 루테늄계 염료용액과 같은 염료용액에 6~24시간 정도 함침하여 염료를 흡착한다.
제2 기판(230)은 유리로 형성될 수 있으나, 수광을 위한 투명성, 그리고 플렉서블 특성이 우수한 고분자 재질로 형성되는 것이 보다 바람직하다. 이러한 예로, 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리이미드(PI) 등이 이용될 수 있다. 제2 기판에는 ITO, FTO 등의 투명 전도성 물질이 코팅된다.
상대 전극(240)은 제2 기판 상에, 보다 구체적으로는 제2 기판에 코팅된 전도성 물질 상에 형성된다. 상대 전극(240)은 전해질(250)의 환원 과정에 참여할 수 있도록 전해질(250) 과 접촉된다. 상대 전극(240)은 백금(Pt), 은(Ag), 카본블랙 등으로 형성될 수 있다
전해질(250)은 반도체 전극(220)과 상대 전극(240) 사이에 형성된다. 전해질의 예로, 3-프로필-1,2-디메틸 이미다졸륨 아이오다이드(3-propyl-1,2-dimethyl imidazolium iodide; DMPImI), 요오드화리튬(LiI) 및 I2를 아세토니트릴(acetonitrile) 에 용해시킨 I3 -/I-의 전해액을 제시할 수 있다. 전해질은 산화-환원(예를 들어, I3 - ↔ 3I-)을 통하여 염료에 전자를 공급한다.
도 3은 본 발명에 적용되는 제1 기판의 예를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 도시된 제1 기판은 금속 기판(211, 212) 및 친수성 표면 개질층(213)을 포함한다.
금속 기판(211, 212)은 스테인리스 스틸, 티타늄, 알루미늄, 백금, 니켈 중에서 1종 이상을 포함하는 재질로 형성될 수 있다. 아울러, 금속 기판은 단층으로 형성될 수 있으며, 도 3에 도시된 예와 같이 다층으로 형성될 수 있다. 도 3에는 스테인리스 스틸 기판(211) 상에 티타늄층(212)이 형성된 예를 나타내었다.
스테인리스 스틸 재질의 기판의 경우 가격적인 측면에 장점이 있으나, 내식성 측면에서 취약하며, 티타늄 재질의 기판의 경우 내식성 측면은 우수하나 가격적인 측면에서 취약하다. 따라서, 이러한 가격적인 측면 및 내식성 측면을 모두 고려할 때, 도 3에 도시된 예와 같은 스테인리스 스틸 기판(211) 상에 티타늄층(212)이 형성되어 있는 금속 기판을 이용하는 것이 보다 바람직하다.
이때, 티타늄층(213)은 0.5~1㎛ 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 티타늄층의 두께가 0.5㎛ 미만일 경우 내식성 보강 효과가 불충분하고, 티타늄층의 두께가 1㎛를 초과하는 경우 더 이상의 내식성 향상없이 기판 제조 비용만 증가할 수 있다.
티타늄층(213)은 PVD(Physical Vapor Deposition)과 같은 증착 방법으로 형성할 수 있으며, 이외에도 공지된 다양한 방법으로 형성할 수 있다.
친수성 표면 개질층(213)은 금속 기판 상에 형성되어, 친수성 특성을 통하여 반도체 전극 및 염료의 접착 및 흡착력을 향상시키는 역할을 한다.
본 발명에서 친수성 표면 개질층은 표면 아래의 모재층보다 표면 에너지가 높아 접촉각이 낮은 층으로 정의될 수 있다.
친수성 표면 개질층(213)은 대기압 플라즈마 등을 이용하여 형성될 수 있다.
대기압 플라즈마 처리는 일예로, 질소(N2) 가스 분위기 하에서 실시하거나, 또는 산소(O2) 가스를 사용하여 실시하거나, 또는 질소(N2) 가스와 산소(O2) 가스의 혼합 가스 분위기 하에서 실시할 수 있다. 대기압 플라즈마 처리에 있어서, 기본적인 방전 가스로는 질소 가스 혹은 질소를 포함하는 가스를 이용하지만, 방전을 발생시킬 수 있는 조건을 만족하는 한 산소 가스를 단독 가스로 사용할 수 있다.
대기압 플라즈마 처리는 방전 전압을 대략 5kV ~ 20kV로 하여 실시할 수 있다. 방전 전압이 5kV미만일 경우, 플라즈마 상태가 불안정할 수 있으며, 반면에, 20kV를 초과하는 경우, 금속성 기판에 증착된 코팅층 표면에서의 아크(Arc) 발생으로 인한 코팅층의 물성 저하가 발생할 수 있기 때문이다. 아울러, 대기압 플라즈마 처리는 방전 전극과 금속 기판 사이의 간격을 대략 2~15mm로 유지하여 실시할 수 있다. 방전 전극과 금속 기판 사이의 간격이 2mm 미만일 경우, 표면 데미지(damage)가 발생할 수 있고, 반면에 15mm를 초과하는 경우 표면 처리 효과가 저하될 수 있다. 또한, 대기압 플라즈마 처리는, 표면 처리 시간에 따라서 초기 표면에너지 레벨(level)이 높아지지만 표면의 데미지가 증가하는 점을 고려하여, 대략 1~20회 정도 실시할 수 있다.
이러한 친수성 표면 개질층에 의하여, 반도체 전극의 접착력 향상, 염료 흡착력 향상 및 금속기판 표면의 유기물 제거 효과를 발휘할 수 있다.
금속 기판의 경우 일반적인 상태에서는 표면 에너지가 안정화되어 있어 소수성 특징을 나타낸다. 그러나, 상기와 같은 대기압 플라즈마를 금속 기판 표면에 조사할 경우 금속 기판의 표면에는 에너지 준위가 높은 표면 개질층이 형성되고, 이러한 표면 개질층은 접촉각이 매우 낮은 친수성 특성을 발휘할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 통상의 방법과 같이 제1 기판, 제2 기판 마련 단계, 접합 단계 및 전해질 주입 단계를 포함한다.
금속 기판 상에 반도체 전극을 형성한 후 염료를 흡착하는 과정을 통하여 제1 기판을 마련할 수 있다.
고분자나 글래스 기판 상에 백금, ITO, FTO 등의 투명 전도성 산화물 등으로 상대 전극을 형성하는 과정을 통하여 제2 기판을 마련할 수 있다.
전해질 주입 과정은, 반도체 전극과 상대 전극이 서로 마주보도록 하여 제1 기판과 제2 기판을 접합한 상태에서 전해질을 주입하는 방법으로 실시될 수 있다. 이후, 전해질 주입구를 밀봉하는 등의 과정이 포함될 수 있다.
이때, 본 발명에서는 전술한 바와 같이, 제1 기판이 금속 기판 상에 반도체 전극이 형성된 구조를 가지되, 반도체 전극 형성 이전에 금속 기판 표면에 대기압 플라즈마를 조사하여, 금속 기판 상에 친수성 표면 개질층이 형성된 상태에서 반도체 전극을 형성하여, 반도체 전극 접착력 향상, 염료 흡착력 향상 등의 효과를 제공할 수 있어, 전지 특성을 향상시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
본 PCT 국제출원은 2012.06.01~2015.05.31 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다.(No. 20123010010070)

Claims (8)

  1. 제1 기판;
    상기 제1 기판 상에 형성되며, 염료가 흡착된 반도체 전극;
    상기 제1 기판에 대향하는 제2 기판;
    상기 제2 기판 상에 형성된 상대 전극; 및
    상기 반도체 전극과 상대 전극 사이에 형성된 전해질;을 포함하고,
    상기 제1 기판은, 금속 기판과, 상기 금속 기판 상에 형성된 친수성 표면 개질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 기판은 스테인리스 스틸, 티타늄, 알루미늄, 백금, 니켈 중에서 1종 이상을 포함하는 재질로 단층 또는 다층으로 형성된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속 기판은 스테인리스 스틸 상에 티타늄층이 형성된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 티타늄층은 0.5~1㎛ 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  5. 염료가 흡착된 반도체 전극이 형성된 제1 기판 및 상대 전극이 형성된 제2 기판을 각각 마련하는 단계; 및
    상기 반도체 전극과 상대 전극이 서로 마주보도록 한 상태에서 전해질을 주입하는 단계;를 포함하고,
    상기 제1 기판은 금속 기판 상에 반도체 전극이 형성된 구조를 가지되, 상기 반도체 전극 형성 이전에 상기 금속 기판 표면에 대기압 플라즈마를 조사하여, 상기 금속 기판 상에 친수성 표면 개질층이 형성된 상태에서 반도체 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 금속 기판은 스테인리스 스틸 상에 티타늄층이 형성된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 티타늄층은 0.5~1㎛ 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 제조 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 대기압 플라즈마 조사는 질소 가스 분위기, 산소 가스 분위기 및 질소와 산소 혼합가스 분위기 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 제조 방법.
PCT/KR2015/003937 2015-04-20 2015-04-20 금속기판 표면처리를 이용한 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법 WO2016171289A1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2015-0055332 2015-04-20
KR1020150055332A KR101671107B1 (ko) 2015-04-20 2015-04-20 금속기판 표면처리를 이용한 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016171289A1 true WO2016171289A1 (ko) 2016-10-27

Family

ID=57143189

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2015/003937 WO2016171289A1 (ko) 2015-04-20 2015-04-20 금속기판 표면처리를 이용한 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101671107B1 (ko)
WO (1) WO2016171289A1 (ko)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101256473B1 (ko) * 2011-09-26 2013-04-19 국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단 염료감응형 태양전지용 일전극과 이를 구비하는 염료감응형 태양전지 및 그 제조 방법
KR20130053582A (ko) * 2011-11-15 2013-05-24 현대하이스코 주식회사 기능성 코팅층을 구비한 기판을 이용한 염료감응 태양전지
KR20130106966A (ko) * 2012-03-21 2013-10-01 현대하이스코 주식회사 전자 재결합 방지 효과가 우수한 금속 기판을 이용한 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법
KR20140057435A (ko) * 2012-10-31 2014-05-13 현대하이스코 주식회사 밀봉성이 우수한 플렉서블 염료감응 태양전지의 제조 방법 및 그에 의해 제조된 플렉서블 염료감응 태양전지
KR20140139653A (ko) * 2013-05-27 2014-12-08 엘에스엠트론 주식회사 화합물 박막 태양전지

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101256473B1 (ko) * 2011-09-26 2013-04-19 국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단 염료감응형 태양전지용 일전극과 이를 구비하는 염료감응형 태양전지 및 그 제조 방법
KR20130053582A (ko) * 2011-11-15 2013-05-24 현대하이스코 주식회사 기능성 코팅층을 구비한 기판을 이용한 염료감응 태양전지
KR20130106966A (ko) * 2012-03-21 2013-10-01 현대하이스코 주식회사 전자 재결합 방지 효과가 우수한 금속 기판을 이용한 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법
KR20140057435A (ko) * 2012-10-31 2014-05-13 현대하이스코 주식회사 밀봉성이 우수한 플렉서블 염료감응 태양전지의 제조 방법 및 그에 의해 제조된 플렉서블 염료감응 태양전지
KR20140139653A (ko) * 2013-05-27 2014-12-08 엘에스엠트론 주식회사 화합물 박막 태양전지

Also Published As

Publication number Publication date
KR20160124975A (ko) 2016-10-31
KR101671107B1 (ko) 2016-11-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8354584B2 (en) Dye sensitized solar cell
EP2461419B1 (en) Method for manufacturing dye-sensitized solar cell
US20050274412A1 (en) Flexible dye-sensitized solar cell using conducting metal substrate
US20070095390A1 (en) Solar cell and manufacturing method thereof
US20120305073A1 (en) Dye-sensitized solar cell and method for manufacturing the same
JP5458271B2 (ja) 色素増感太陽電池およびその製造方法
KR20090051597A (ko) 전도성 섬유 전극을 사용하는 염료감응 태양전지
KR100656357B1 (ko) 금속 그리드를 포함하는 투명 전도성 기판 및 이를 구비한염료감응 태양전지
US10395845B2 (en) Flexible Ti—In—Zn—O transparent electrode for dye-sensitized solar cell, and metal-inserted three-layer transparent electrode with high conductivity using same and manufacturing method therefor
WO2013122285A1 (ko) 섬유를 이용한 염료 감응형 유연 태양전지
US9087938B2 (en) Electrode for dye-sensitized solar cell, production method of same and dye-sensitized solar cell
KR101693192B1 (ko) 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법
US20130026463A1 (en) Electronic device and manufacturing method for same
WO2016171289A1 (ko) 금속기판 표면처리를 이용한 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법
JP2007227260A (ja) 光電変換装置及び光発電装置
JP2004047261A (ja) 光電極、光電極の製造方法および太陽電池
WO2016171290A1 (ko) 내식성 및 역누설전류 차단 효과가 우수한 금속기판을 이용한 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법
JP2009117337A (ja) 電極基板、光電変換素子および色素増感太陽電池
JP5369353B2 (ja) 電極保護用隔壁を備えた電極及び該電極を備えた色素増感太陽電池
WO2018221776A1 (ko) 섬유기반의 직물형 염료감응 태양전지 및 상기 섬유기반의 직물형 염료감응 태양전지 제조 방법
US10290433B2 (en) Plastic solar dye cells
KR101032982B1 (ko) 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법
KR101546583B1 (ko) 내식성이 우수한 금속 기판을 이용한 플렉서블 태양전지
JP2004119129A (ja) 色素増感型太陽電池の製法およびそれによって得られた色素増感型太陽電池
WO2012124988A2 (ko) 그래핀 및 금속 하이브리드 필름을 포함하는 염료감응형 태양전지용 상대전극 및 이를 포함하는 염료감응형 태양전지

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 15889955

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 15889955

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1