KR100908243B1 - 전자 재결합 차단층을 포함하는 염료감응 태양전지 및 그제조 방법 - Google Patents
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Abstract
반도체 전극에 전자 재결합 차단층이 포함되어 있는 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법에 관하여 개시한다. 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 반도체 전극은 제1 전도성 기판과, 제1 전도성 기판의 표면이 전해질층에 노출되지 않도록 제1 전도성 기판을 완전히 덮고 있는 전자 재결합 차단층과, 전자 재결합 차단층 위에 형성되어 있는 다공성 금속 산화물 반도체층과, 상기 다공성 금속 산화물 반도체층의 표면에 흡착되어 있는 염료분자층을 포함한다. 전자 재결합 차단층이 포함되어 있는 반도체 전극을 형성하기 위하여, 제1 전도성 기판 위에 금속층을 형성한다. 금속층을 산화시켜 금속 산화막을 형성한다. 금속 산화막 위에 다공성 금속 산화물 반도체층을 형성한다. 다공성 금속 산화물층의 표면에 염료분자층을 형성한다.
염료감응 태양전지, 반도체 전극, 전자 재결합 차단층, 금속 산화막
Description
본 발명은 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 염료 분자가 흡착된 금속 산화물로 이루어지는 반도체 전극을 구비하는 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 정보통신부의 IT신성장동력핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다 [과제관리번호: 2006-S-006-02, 과제명: 유비쿼터스 단말용 부품/모듈].
염료감응 태양전지는 기존의 p-n 접합에 의한 실리콘 태양전지와는 달리, 가시광선의 빛을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료 분자와, 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물을 주된 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다. 지금까지 알려진 염료감응 태양전지 중 대표적인 예로서 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의하여 발표된 것이 있다 (미국 특허공보 제4,927,721호 및 동 제5,350,644호). 그라첼 등에 의해 제안된 염료감응 태양전지는 염료 분자가 흡착된 나노입자 이산화티탄(TiO2)으로 이루어지는 반도체 전극과, 백금 또는 탄소가 코팅된 상대 전극과, 이들 전극 사이에 채워진 전해질 용액으로 구성되어 있다. 이 광화학적 전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비하여 전력당 제조 원가가 저렴하여 주목받아 왔다.
염료감응 태양전지의 작동원리를 설명하면 다음과 같다. 태양빛에 의해 들뜬 염료들이 전자를 나노입자 이산화티탄의 전도대에 주입한다. 그 주입된 전자들은 나노입자 이산화티탄을 통과하여 전도성 기판에 도달하고 외부회로로 전달된다. 외부 회로에서 전기적 일을 하고 돌아온 전자는 상대 전극을 통하여 산화/환원 전해질의 전자 전달 역할에 의하여 전자를 이산화티탄에 주입하여 전자가 부족한 염료를 환원시켜 염료감응 태양전지의 작동은 완성된다. 여기서, 염료로부터 주입된 전자가 외부 회로에 전달되기 전에, 나노입자 이산화티탄층과 전도성 기판을 통과하는 과정에서, 상기 주입된 전자가 나노입자 이산화티탄의 표면에 비어있는 표면 에너지 준위에 머물게 될 수 있다. 그런데, 상기 반도체 전극을 구성하는 기판 표면에서 상기 나노입자 이산화티탄과 접촉되지 않아 전해질 용액에 노출되어 있는 부분이 있는 경우에는, 상기 표면 에너지 준위에 있는 전자가 산화/환원 전해질과 반응하여, 회로를 따라 돌지 않고 비효율적으로 사라지게 된다.
지금까지 제안된 종래 기술에 따른 염료감응 태양전지에서는 반도체 전극을 구성하는 이산화티탄의 입자 형태가 구형(球形), 타원형, 또는 그와 유사한 입자 형태를 가지므로 이산화티탄과 전도성 기판과의 사이의 접촉 면적을 확보하는 데 제한이 있다. 그 결과, 반도체 전극의 전도성 기판에서 전해질에 노출된 표면을 통한 전자 손실로 인하여 원하는 에너지 변환 효율을 확보하는 데 한계가 있었다.
본 발명은 상기한 종래 기술에서의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 반도체 전극의 전도성 기판을 통한 전자 손실을 방지함으로써 에너지 변환 효율을 극대화할 수 있는 염료감응 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전도성 기판을 통한 전자 손실을 방지할 수 있는 구조를 가지는 반도체 전극을 간단한 공정 및 낮은 공정 단가에 의해 구현할 수 있는 염료감응 태양전지의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 반도체 전극과, 상대 전극과, 상기 반도체 전극과 상대 전극과의 사이에 개재되어 있는 전해질층을 포함한다. 상기 반도체 전극은 제1 전도성 기판과, 상기 전해질층과 상기 제1 전도성 기판과의 사이에서 상기 제1 전도성 기판의 표면이 상기 전해질층에 노출되지 않도록 상기 제1 전도성 기판을 완전히 덮고 있는 전자 재결합 차단층과, 상기 전자 재결합 차단층 위에 형성되어 있는 다공성 금속 산화물 반도체층과, 상기 다공성 금속 산화물 반도체층의 표면에 흡착되어 있는 염료분자층을 포함한다.
상기 전자 재결합 차단층은 금속 또는 금속 산화물로 이루어질 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법에서는 제1 전도성 기판 위에 상기 제1 전도성 기판의 상면을 완전히 덮는 금속층을 형성한다. 상기 금속층 위에 다공성 금속 산화물이 분산되어 있는 유기 용매로 이루어지는 페이스트 코팅층을 형성한다. 상기 페이스트 코팅층을 열처리하여 상기 페이스트 코팅층으로부터 상기 유기 용매를 제거하여 다공성 금속 산화물 반도체층을 형성한다. 상기 다공성 금속 산화물층의 표면에 염료분자층을 형성한다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법에서, 상기 금속층 위에 다공성 금속 산화물 반도체층을 형성하기 전에 상기 금속층을 산화시켜 금속 산화막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 금속 산화막을 형성하기 위하여 상기 금속층을 산소 함유 분위기 또는 대기중에서 소정 시간 동안 열처리할 수 있다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법에서, 상기 페이스트 코팅층의 열처리에 의해 상기 페이스트 코팅층으로부터 상기 유기 용매가 제거되어 상기 다공성 금속 산화물 반도체층이 형성되는 동시에 상기 금속층이 산화되어 금속 산화막이 형성될 수도 있다. 이 경우, 상기 페이스트 코팅층의 열처리는 산소 함유 분위기 또는 대기중에서 행해진다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법에서, 상기 금속층 위에 다공성 금속 산화물 반도체층을 형성하기 전에 상기 금속층을 무산소 분위기하에서 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 반도체 전극에서 제1 전도성 기판과 염료 분자가 흡착된 다공성 금속 산화물층과의 사이에는 금속막을 산화시켜 얻어진 전자 재결합 차단층이 형성되어 있다. 상기 전자 재결합 차단층은 매우 치밀한 구조를 가지는 금속 산화물 반도체층으로 구성된다. 따라서, 상기 전자 재결합 차단층에 의해 상기 제1 전도성 기판이 보호되어 상기 제1 전도성 기판이 산화/환원 전해질과 접촉되는 것을 방지함으로써 빛에 의하여 염료 분자로부터 다공성 금속 산화물층에 주입된 전자의 손실 경로를 제거할 수 있다. 또한, 상기 전자 재결합 차단층에 의해 상기 제1 전도성 기판과 상기 전자 재결합 차단층과의 접착력이 향상되고 이들 사이의 접촉 면적이 증가되어 빛에 의하여 염료 분자로부터 다공성 금속 산화물층에 주입된 전자가 제1 전도성 기판으로 이동할 수 있는 기회가 증가된다. 그리고, 상기 제1 전도성 기판이 금속으로 이루어지는 경우, 상기 전자 재결합 차단층이 금속 기판의 산화를 막아주는 역할을 함으로써 기판의 전도성을 유지시킬 수 있고 그에 따라 전지의 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면 에너지 변환 효율이 현저히 향상된 염료감응 태양전지를 제공할 수 있다.
다음에, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예들은 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 본 명세서에서 어떤 막이 다른 막 또는 기판의 "위"에 있다라고 기재된 경우, 상기 어떤 막이 상기 다른 막 또는 기판의 위에 직접 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 다 른 막이 개재될 수도 있다. 첨부 도면에서, 막들 및 영역들의 두께 및 크기는 명세서의 명확성을 위해 과장되어진 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부 도면에 도시된 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다. 첨부 도면에서 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 염료감응 태양전지(100)의 요부 구성을 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지(100)는 상호 대향하고 있는 반도체 전극(102)과 상대 전극(104)을 포함한다. 상기 반도체 전극(102)과 상대 전극(104)과의 사이에는 전해질층(106)이 개재되어 있다.
도 2는 도 1의 반도체 전극(102)의 일부를 도시한 확대 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 반도체 전극(102)은 제1 전도성 기판(110)과, 상기 제1 전도성 기판(110)의 상면을 덮고 있는 전자 재결합 차단층(112)과, 상기 전자 재결합 차단층(112) 위에 형성되어 있는 다공성 금속 산화물 반도체층(114)과, 상기 다공성 금속 산화물 반도체층(114)의 표면 및 상기 전자 재결합 차단층(112)의 상면에 각각 흡착되어 있는 염료분자층(116)을 포함한다.
상기 반도체 전극(102)의 전자 재결합 차단층(112)은 상기 전해질층(106)과 상기 제1 전도성 기판(110)과의 사이에서 상기 제1 전도성 기판(110)의 표면이 상기 전해질층(106)에 노출되지 않도록 상기 제1 전도성 기판을 완전히 덮고 있다. 상기 전자 재결합 차단층(112)은 금속층 또는 금속 산화물 반도체층으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 전자 재결합 차단층(112)은 Ti와 같은 금속층으로 이루 어질 수 있다. 또는, 상기 전자 재결합 차단층(112)은 Ti 산화물, Zn 산화물, Cr 산화물, W 산화물, Nb 산화물 등과 같은 금속 산화물 반도체층으로 이루어질 수 있다.
상기 반도체 전극(102)의 전자 재결합 차단층(112)은 필요에 따라 평탄화된 상면을 가질 수 있다. 또는, 상기 반도체 전극(102)의 전자 재결합 차단층(112)은 그 상면에서 원하는 표면적을 제공하기 위하여 평탄한 표면 보다 더 큰 거칠기를 가지는 상면을 가질 수 있다.
상기 전자 재결합 차단층(112)은 약 5 Å ∼ 1000 nm의 두께를 가질 수 있다.
상기 반도체 전극(102)의 다공성 금속 산화물 반도체층(114)은 포어 사이즈가 약 20 ∼ 2000 nm이고 공극율이 약 40 ∼ 60 %인 결정질 금속 산화물층으로 이루어질 수 있다. 상기 다공성 금속 산화물 반도체층(114)을 구성하는 복수의 금속 산화물 입자(114a)는 각각 약 15 ∼ 25 nm의 입경 (particle diameter) 사이즈를 가지며, 구형(球形), 타원형, 또는 그와 유사한 입자 형태를 가진다. 상기 다공성 금속 산화물 반도체층(114)을 구성하는 복수의 금속 산화물 입자(114a) 사이에 소정의 체적을 가지는 공극((114b)이 존재한다. 상기 다공성 금속 산화물 반도체층(114)은 예를 들면, 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2), 및 산화아연(ZnO)으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 상기 다공성 금속 산화물 반도체층(114)은 약 5 ∼ 10 ㎛의 두께로 형성될 수 있다.
상기 염료분자층(116)은 상기 다공성 금속 산화물 반도체층(114)의 복수의 금속 산화물 입자(114a)의 표면 및 상기 전자 재결합 차단층(112)의 상면에 각각 흡착되어 있다. 상기 염료분자층(116)은 루테늄 착체로 이루어질 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 상대 전극(104)은 제2 전도성 기판(160)과, 상기 제2 전도성 기판(160) 위에 형성된 도전층(170)을 포함한다. 상기 도전층(170)은 카본블랙, 탄소 나노튜브와 같은 탄소 재료, 또는 백금으로 이루어질 수 있다.
상기 전해질층(106)은 상기 제1 전도성 기판(110) 및 제2 전도성 기판(160)과의 사이에 개재되어 있는 격벽(108)에 의해 밀봉되어 있다. 상기 격벽(108)은 예를 들면 썰린(Surlyn)과 같은 열가소성 고분자막으로 이루어질 수 있으며, 약 30 ∼ 50 ㎛의 두께 및 약 1 ∼ 4 mm의 폭을 가질 수 있다.
상기 제1 전도성 기판(110) 및 제2 전도성 기판(160)은 각각 도전층(도시 생략)이 코팅된 투명 기판으로 이루어질 수 있다. 상기 투명 기판은 유리 또는 고분자로 이루어질 수 있고, 상기 투명 기판에 코팅된 도전층(도시 생략)은 ITO (indium tin oxide), FTO (fluorine-doped tin oxide), 또는 SnO2로 이루어질 수 있다. 또는, 상기 제1 전도성 기판(110) 및 제2 전도성 기판(160)은 각각 도전성 고분자 등으로 이루어지는 도전성 투명 기판, 또는 금속 기판으로 이루어질 수 있다.
상기 전해질층(106)은 요오드계 산화-환원 액체 전해질, 예를 들면 1-비닐-3-헥실-이미다졸륨 아이오다이드 (1-vinyl-3-hexyl-immidazolium iodide)와, 0.1 M의 LiI와, 40 mM의 I2 (iodine)를 아세토니트릴/발레로니트릴 (acetonitril/valeronitril) 혼합 용액에 용해시킨 I3 -/I-의 전해질 용액으로 이루어질 수 있다.
상기 반도체 전극(102)에서, 상기 제1 전도성 기판(110)과 상기 다공성 금속 산화물 반도체층(114)과의 사이에 상기 제1 전도성 기판(110)의 상면을 덮는 상기 전자 재결합 차단층(112)이 형성되어 있으므로, 상기 다공성 금속 산화물 반도체층(114)의 공극(114b)을 통해 상기 제1 전도성 기판(110)에 인접한 영역까지 유입되어 있는 전해질층(106)의 전해질 용액이 상기 제1 전도성 기판(110)에 접촉되는 것을 상기 전자 재결합 차단층(112)에 의해 방지할 수 있다.
다음에, 도 1에 예시된 본 발명에 따른 염료감응 태양전지(100)에서의 예시적인 작동 과정을 설명하면 다음과 같다.
외부로부터 반도체 전극(102)의 투명한 제1 전도성 기판(110)을 투과한 태양 빛이 상기 반도체 전극(102)의 다공성 금속 산화물 반도체층(114)의 금속 산화물 입자(114a)의 표면에 흡착되어 있는 염료분자층(116)의 염료에 의해 흡수된다. 이 때, 상기 전자 재결합 차단층(112)의 상면에 각각 흡착되어 있는 염료분자층(116)에서도 빛이 흡수될 수 있다. 빛을 흡수한 상기 염료분자층(116)의 각 염료 분자들은 여기되어 전자를 다공성 금속 산화물 반도체층(114)의 전도대로 주입하게 된다. 상기 다공성 금속 산화물 반도체층(114)으로 주입된 전자는 상기 다공성 금속 산화물 반도체층(114) 내의 입자간 계면을 통해 상기 전자 재결합 차단층(112) 및 제1 전도성 기판(110)에 전달되고, 외부 전선(미도시)을 통하여 전기적 작업을 수행한 후 상대 전극(104)으로 이동된다. 상기 상대 전극(104)에 도달된 전자는 제2 전도성 기판(160) 및 도전층(170)을 통과하여, 상기 전해질층(106)에 있는 요오드계 전해질의 산화 환원 작용 (3I- → I3 - + 2e-)에 의하여 다공성 금속 산화물 반도체층(114)에 전자가 주입된다. 상기 반도체 전극(102)에서 전자 전이의 결과로 산화된 염료분자층(116)에 있는 각 염료 분자들은 상기 전해질층(106)에서의 산화 환원 작용에 의해 제공되는 전자를 받아 다시 환원되며, 산화된 요오드 이온(I3 -)은 상대 전극(104)에 도달한 전자에 의해 다시 환원되어 염료감응 태양전지(100)의 작동 과정이 완성된다. 이 과정에 있어서, 상기 반도체 전극(102)에서 상기 제1 전도성 기판(110)과 상기 다공성 금속 산화물 반도체층(114)과의 사이에 상기 전자 재결합 차단층(112)이 형성되어 있으므로, 상기 다공성 금속 산화물 반도체층(114)의 공극(114b)을 통해 상기 제1 전도성 기판(110)에 인접한 영역까지 유입되어 있는 전해질층(106)의 전해질 용액이 상기 제1 전도성 기판(110)에 접촉되는 것이 상기 전자 재결합 차단층(112)에 의해 방지되어, 상기 제1 전도성 기판(110) 표면에서의 전자 손실이 차단됨으로써 에너지 변환 효율이 향상될 수 있다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 제1 실시에에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.
도 3a 내지 도 3d에 예시된 실시예에 있어서, 도 1 및 도 2에서와 동일한 참조 부호는 동일 부재를 나타낸다. 따라서, 본 예에서는 이들에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 3a를 참조하면, 제1 전도성 기판(110) 위에 약 5 Å ∼ 1000 nm의 두께를 가지는 금속층(111)을 형성한다.
예를 들면, 상기 금속층(111)을 형성하기 위하여, 예를 들면 열증착 (thermal evaporation), e-빔 증착 (e-beam evaporation), 전착 (electrodeposition), 금속 페이스트 증착, 또는 플라즈마 방식을 이용한 증착 공정을 이용할 수 있다.
상기 금속층(111)은 산화되었을 때 반도체를 형성하는 금속으로 이루어진다. 예를 들면, 상기 금속층(111)은 Ti, Zn, Cr, W 또는 Nb로 이루어질 수 있다.
도시하지는 않았으나, 상기 금속층(111)이 형성된 후, 상기 금속층(111)의 상면에서 원하는 표면적을 확보하기 위하여 황산, 암모니아수 및 과산화수소수의 혼합물, 불산 등과 같은 식각액을 이용하여 상기 금속층(111)의 표면을 식각하여 표면 거칠기를 변화시키거나 평탄화시키는 공정을 행할 수 있다.
도 3b를 참조하면, 상기 금속층(111)을 열처리(130)에 의해 산화시켜 전자 재결합 차단층(112)을 형성한다. 상기 열처리(130)는 예를 들면 약 400 ∼ 600 ℃의 온도 및 대기 분위기하에서 약 20 ∼ 60 분 동안 행할 수 있다. 상기 열처리(130)는 산소 함유 분위기하에서 행하거나 대기중에서 행할 수 있다. 또는, 상기 열처리(130)는 무산소 분위기하에서 행해질 수도 있다. 예를 들면, 상기 금속층(111)이 Ti로 이루어진 경우, 상기 금속층(111)을 산화시키지 않아도 상기 전자 재결합 차단층(112)을 구성할 수 있다. 따라서, 상기 전자 재결합 차단층(112)을 형성하기 위하여 상기 금속층(111)을 구성하는 금속의 종류에 따라 상기 열처리(130)를 생략할 수도 있고, 상기 열처리(130)를 무산소 분위기하에서 행할 수도 있다.
상기 열처리(130)에 의해 금속 산화물로 이루어지는 전자 재결합 차단층(112)이 형성되는 경우, 상기 전자 재결합 차단층(112)은 예를 들면 Ti 산화물, Zn 산화물, Cr 산화물, W 산화물, Nb 산화물 등과 같은 금속 산화물 반도체층으로 이루어질 수 있다.
산화되지 않은 금속으로 이루어지는 전자 재결합 차단층(112)이 형성되는 경우, 상기 전자 재결합 차단층(112)은 예를 들면 Ti로 이루어질 수 있다.
도 3c를 참조하면, 상기 전자 재결합 차단층(112) 위에 약 5 ∼ 15 ㎛의 두께를 가지는 다공성 금속 산화물 반도체층(114)을 형성한다.
상기 다공성 금속 산화물 반도체층(114)은 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2), 및 산화아연(ZnO)으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
상기 다공성 금속 산화물 반도체층(114)이 이산화티탄(TiO2)으로 이루어지는 경우, 상기 다공성 금속 산화물 반도체층(114)을 형성하기 위한 예시적인 방법에서는 먼저 이산화티탄 입자들 및 고분자 바인더(binder)가 유기 용액 내에 분산되어 있는 이산화티탄 코팅층을 상기 제1 전도성 기판(110) 위에 형성할 수 있다. 상기 이산화티탄 입자들은 약 15 ∼ 30 nm의 입경을 가지는 나노입자들로 이루어질 수 있다. 상기 고분자 바인더는 예를 들면 에틸 셀룰로오스와 테르피네올(terpineol)로 이루어질 수 있다. 상기 이산화티탄 코팅층을 370 ∼ 550 ℃의 범위 내에서 선택되는 온도로 열처리하여 상기 이산화티탄 코팅층으로부터 유기물을 제거하여 상기 다공성 금속 산화물 반도체층(114)을 형성한다. 상기 열처리는 산소 함유 분위기, 대기중, 또는 무산소 분위기하에서 행해질 수 있다. 도 3b를 참조하여 설명한 열처리(130) 과정을 생략한 경우, 상기 금속층(111)을 구성하는 금속의 종류와 상기 이산화티탄 코팅층으로부터 유기물을 제거하기 위한 열처리 온도에 따라 상기 이산화티탄 코팅층으로부터 유기물을 제거하기 위한 열처리중에 상기 금속층(111)이 산화될 수도 있다. 이에 대한 보다 상세한 사항은 도 4a 및 도 4b를 참조하여 후술한다.
도 3d를 참조하면, 상기 다공성 금속 산화물 반도체층(114)이 형성된 결과물의 온도를 약 100 ∼ 140 ℃의 온도까지 낮춘 후, 상기 다공성 금속 산화물 반도체층(114)을 구성하는 복수의 금속 산화물 입자(114a)의 표면 및 상기 전자 재결합 차단층(112)의 표면에 염료 분자를 흡착시켜 염료 분자층(116)을 형성한다. 이 때, 상기 전자 재결합 차단층(112)은 금속 또는 금속 산화물로 이루어지는 매우 치밀한 구조를 가지므로 상기 전자 재결합 차단층(112)의 상면중 상기 복수의 금속 산화물 입자(114a) 사이에서 노출되는 표면에만 상기 염료분자층(116)이 형성된다.
상기 염료분자층(116)을 형성하기 전에 상기 다공성 금속 산화물 반도체층(114)이 형성된 결과물의 온도를 약 100 ∼ 140 ℃의 비교적 높은 온도까지만 낮추는 이유는 상기 전자 재결합 차단층(112)의 표면 및 상기 다공성 금속 산화물 반 도체층(114)의 표면이 물로 오염되지 않도록 하기 위한 것이다. 물의 존재를 최대한 억제하는 조건 하에서 상기 염료분자층(116) 형성 공정을 행함으로써 상기 다공성 금속 산화물 반도체층(114)을 구성하는 금속 산화물의 결정성을 향상시킬 수 있으며, 상기 다공성 금속 산화물 반도체층(114)을 구성하는 나노 입자들간의 접촉 특성이 좋아져서 전자들의 이동이 원활하게 이루어질 수 있다.
상기 염료분자층(116)이 형성된 후, 제2 전도성 기판(160)과 상기 제2 전도성 기판(160) 위에 형성된 도전층(170)으로 이루어지는 상대 전극(104)을 준비한다. 그리고, 상기 제1 전도성 기판(110)과 제2 전도성 기판(160)과의 사이에 격벽(108)이 재개된 상태에서 상기 반도체 전극(102)과 상기 상대 전극(104)이 소정 공간을 사이에 두고 상호 대향하도록 상기 제1 전도성 기판(110)과 제2 전도성 기판(160)을 정렬한다. 그 후, 상기 반도체 전극(102)과 상대 전극(104)과의 사이의 소정 공간에 액체 전해질을 주입하여 전해질층(106)을 형성하여 도 1에 예시된 바와 같은 염료감응 태양전지(100)를 완성한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제2 실시에에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.
도 4a 및 도 4b에서 예시하는 실시예에 있어서, 도 1, 도 2, 및 도 3a 내지 도 3d에서와 동일한 참조 부호는 동일 부재를 나타낸다. 따라서, 본 예에서는 이들에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 4a를 참조하면, 도 3a를 참조하여 설명한 바와 같은 방법으로 제1 전도성 기판(110) 위에 금속층(111)을 형성한다. 그 후, 도 3c를 참조하여 설명한 바와 같 은 방법으로 상기 금속층(111) 위에 다공성 금속 산화물 반도체층(114)을 형성한다.
도 4b를 참조하면, 상기 다공성 금속 산화물 반도체층(114)이 형성된 결과물을 열처리(430)하여 상기 금속층(111)을 산화시켜 금속 산화물로 이루어지는 전자 재결합 차단층(412)을 형성한다. 여기서, 상기 열처리(430)는 산소 함유 분위기 또는 대기중에서 행해진다.
상기 전자 재결합 차단층(412)을 형성하기 위한 열처리(430) 공정은 도 3c를 참조하여 설명한 바와 같은 이산화티탄 코팅층으로부터 유기물을 제거하기 위한 열처리 공정과 동시에 이루어질 수도 있다. 즉, 상기 다공성 금속 산화물 반도체층(114)을 형성하는 과정에서 이산화티탄 코팅층으로부터 유기물을 제거하기 위한 열처리 공정을 이용하여 상기 금속층(11)을 산화시킬 수 있다.
상기 다공성 금속 산화물 반도체층(114) 및 전자 재결합 차단층(412)이 형성된 후, 도 3d를 참조하여 설명한 바와 같은 과정을 통해 도 1에 예시된 바와 같은 염료감응 태양전지(100)를 완성한다.
도 5a는 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 반도체 전극을 형성하기 위하여 제1 전도성 기판(110)으로 사용될 FTO 기판의 표면을 보여주는 SEM (scanning electron microscopy) 이미지이다.
도 5b는 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 반도체 전극을 형성하기 위하여 제1 전도성 기판(110)으로 사용될 FTO 기판 위에 Ti막을 형성한 후 산화시켜 얻어진 Ti 산화막의 표면을 보여주는 SEM 이미지이다.
상기 Ti 산화막을 형성하기 위하여, 먼저 도 5a의 FTO 기판 위에 Ti를 1 × 10-6 토르(torr)의 압력하에서 0.1 Å/sec의 증착 속도로 증착하여 약 20 nm의 Ti막을 형성한 후, 산소 분위기하에서 500 ℃의 온도로 30 분 동안 열처리하였다.
도 5b에서 확인할 수 있는 바와 같이, FTO 기판상에 Ti 산화막이 균일한 두께로 치밀하게 형성되어 있다. 상기 Ti 산화막을 전자 재결합 차단층으로 사용하여 본 발명에 따른 염료감응 태양전지를 형성함으로써, 종래의 염료감응 태양전지에서의 주된 전자 손실 경로인 산화/환원 전해질과 반도체 전극의 제1 전도성 기판 사이의 전자 손실 경로가 상기 전자 재결합 차단층에 의해 차단될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 전류 전압 특성을 평가한 결과를 대조예의 결과와 함께 나타낸 그래프이다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 전류 전압 특성을 평가하기 위하여, FTO 기판 위에 20 nm 두께의 Ti층을 형성한 후, 이를 산화시켜 Ti 산화막으로 이루어지는 전자 재결합 차단층을 형성하였다. 그 후, 상기 Ti 산화막 위에 TiO2 페이스트를 바르고 열처리하여 약 12 마이크론(micron) 두께의 다공성 금속 산화물 반도체층을 형성하고, 여기에 염료 분자를 흡착시킨 후, 이를 반도체 전극으로 하는 염료감응 태양전지를 완성하였다. 여기서, 상대 전극에는 Pt로 이루어지는 도전층을 형성하였다.
대조예의 염료감응 태양전지는 상기 Ti 산화막을 형성하지 않고 FTO 기판상의 바로 위에 TiO2 페이스트를 바르고 열처리하여 다공성 금속 산화물 반도체층을 형성한 것을 제외하고, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 제조 공정과 동일한 공정으로 제조되었다.
도 6의 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 경우, 전자 재결합 차단층을 포함함으로써 광전류가 증가되어 효율이 향상된 것을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 요부 구성을 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 염료감응 태양전지에 포함된 반도체 전극의 일부를 도시한 확대 단면도이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 제1 실시에에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제2 실시에에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.
도 5a는 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 반도체 전극을 구성하는 제1 전도성 기판의 표면을 보여주는 SEM (scanning electron microscopy) 이미지이다.
도 5b는 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 반도체 전극을 구성하는 제1 전도성 기판 위에 Ti막을 형성한 후 산화시켜 얻어진 Ti 산화막의 표면을 보여주는 SEM 이미지이다.
도 6은 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 전류 전압 특성을 평가한 결과를 대조예의 결과와 함께 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 염료감응 태양전지, 102: 반도체 전극, 104: 상대 전극, 106: 전해질층, 108: 격벽, 110: 제1 전도성 기판, 111: 금속층, 112: 전자 재결합 차단층, 114: 다공성 금속 산화물 반도체층, 114a: 금속 산화물 입자, 114b: 공극, 116: 염료분자층, 130: 열처리, 160: 제2 전도성 기판, 170: 도전층, 412: 전자 재결합 차단층, 430: 열처리.
Claims (20)
- 반도체 전극과, 상대 전극과, 상기 반도체 전극과 상대 전극과의 사이에 개재되어 있는 전해질층을 포함하고,상기 반도체 전극은제1 전도성 기판과,상기 전해질층과 상기 제1 전도성 기판과의 사이에서 상기 제1 전도성 기판의 표면이 상기 전해질층에 노출되지 않도록 상기 제1 전도성 기판을 완전히 덮고 있는 금속 산화물로 이루어지는 전자 재결합 차단층과,상기 금속 산화물과 접촉하도록 상기 전자 재결합 차단층 위에 형성되어 있는 다공성 금속 산화물 반도체층과,상기 다공성 금속 산화물 반도체층의 표면과 상기 전자 재결합 차단층의 표면에 각각 흡착되어 있는 염료분자층을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 전자 재결합 차단층은 Ti 산화물, Zn 산화물, Cr 산화물, W 산화물, 또는 Nb 산화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 전자 재결합 차단층은 5 Å ∼ 1000 nm의 두께를 가지는 것를 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 다공성 금속 산화물 반도체층은 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2), 또는 산화아연(ZnO)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 제1 전도성 기판은 도전층이 코팅된 투명 기판, 도전성 고분자, 또는 금속 기판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 상대 전극은 제2 전도성 기판과, 상기 제2 전도성 기판 위에 형성된 제1 도전층을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 제7항에 있어서,상기 제2 전도성 기판은 제2 도전층이 코팅된 투명 기판, 도전성 고분자, 또는 금속 기판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 제7항에 있어서,상기 제1 도전층은 Pt 또는 탄소로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 전해질층은 요오드계 산화-환원 액체 전해질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 제1 전도성 기판 위에 상기 제1 전도성 기판의 상면을 완전히 덮는 금속 산화물로 이루어지는 전자 재결합 차단층을 형성하는 단계와,상기 금속 산화물과 접촉하는 다공성 금속 산화물 반도체층을 상기 전자 재결합 차단층 위에 형성하는 단계와,상기 다공성 금속 산화물층의 표면과 상기 전자 재결합 차단층의 표면에 각각 염료분자층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조 방법.
- 제11항에 있어서,상기 전자 재결합 차단층은 Ti 산화물, Zn 산화물, Cr 산화물, W 산화물, 또는 Nb 산화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조 방법.
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- 제11항에 있어서,제2 전도성 기판 위에 도전층을 형성하여 상대 전극을 형성하는 단계와,상기 제1 전도성 기판상의 상기 염료 분자층과 상기 제2 전도성 기판상의 도 전층이 상호 대향하도록 상기 제1 전도성 기판 및 제2 전도성 기판을 정렬하는 단계와,상기 제1 전도성 기판과 상기 제2 전도성 기판상과의 사이에 액체 전해질을 주입하여 전해질층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조 방법.
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