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KR20090123197A - 에르븀 이온 및 이테르븀 이온이 도핑된 이산화티탄 분말의제조방법 및 이를 산란층으로 적용한 염료감응 태양전지 - Google Patents

에르븀 이온 및 이테르븀 이온이 도핑된 이산화티탄 분말의제조방법 및 이를 산란층으로 적용한 염료감응 태양전지 Download PDF

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KR20090123197A
KR20090123197A KR1020080049165A KR20080049165A KR20090123197A KR 20090123197 A KR20090123197 A KR 20090123197A KR 1020080049165 A KR1020080049165 A KR 1020080049165A KR 20080049165 A KR20080049165 A KR 20080049165A KR 20090123197 A KR20090123197 A KR 20090123197A
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KR
South Korea
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dye
titanium dioxide
dioxide powder
solar cell
oxide layer
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Application number
KR1020080049165A
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Inventor
한치환
한상도
전명석
전일수
곽지혜
이학수
Original Assignee
한국에너지기술연구원
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.)
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Publication date
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Abstract

본 발명은 Er3+와 Yb3+가 도핑된 이산화티탄 분말의 제조방법 및 이와 같은 방법으로 제조된 이산화티탄 분말을 산란층으로 적용한 염료감응 태양전지에 관한 것이다. 본 발명의 이산화티탄 분말의 제조방법은, (S1) 용매에 티타늄 이소프로폭사이드, 에르븀(III) 나이트레이트(Er(NO3)3)와 이테르븀(Ⅲ) 나이트레이트(Yb(NO3)3) 및 카본 블랙을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; (S2) 상기 혼합물에 물을 첨가하면서 교반하여 젤을 형성하는 단계; (S3) 상기 젤을 건조시켜 전구체를 제조하는 단계; 및 (S4) 상기 전구체를 열처리하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, Er3+와 Yb3+가 도핑된 이산화티탄 분말을 산란층으로 이용함으로써, 염료감응 태양전지의 광전환효율을 크게 향상시킬 수 있다.
염료감응형 태양전지, 산란층, 에르븀, 이테르븀, 이산화티탄

Description

에르븀 이온 및 이테르븀 이온이 도핑된 이산화티탄 분말의 제조방법 및 이를 산란층으로 적용한 염료감응 태양전지{PREPARATION METHOD OF TITANIUM DIOXIDE POWDER DOPED WITH ERBIUM ION AND YTTERBIUM ION AND ITS APPLICATION TO DYE-SENSITIZED SOLAR CELL AS SCATTERING LAYER}
본 발명은 이산화티탄 분말의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Er3+와 Yb3+가 도핑된 이산화티탄 분말의 제조방법 및 이와 같은 방법으로 제조된 이산화티탄 분말을 산란층으로 적용한 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
1991년 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의해 개발된 염료감응 태양전지는 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료분자와 생성된 전자를 전달하는 나노결정성 산화티타늄입자로 이루어진 산화물 반도체 전극을 이용한 광전기화학적 태양전지로서, 색소증감형 태양전지 또는 습식 태양전지라고도 불린다. 이와 같은 태양전지는 실리콘형 태양전지와 비교하여 제 조공정이 간단하고 제조비용이 저렴하며 실용적으로 사용가능한 광전변환 효율을 갖는 특징이 있어, 이에 관하여 많은 연구가 진행되고 있다.
도 1은 일반적인 염료감응 태양전지의 단면도로서, 음전극(100), 양전극(200), 액체 전해액(300)으로 구분된다. 음전극(100)은 투명기판(110)과 상기 투명기판 상부에 형성된 투명전도성 산화물층(예를들어, 불소가 도핑된 틴 옥사이드(FTO) 또는 인듐 틴 옥사이드(ITO), 120)을 포함하는 전도성 투명기재 상에 다공질의 염료가 흡착된 나노 산화물층(130)으로 이루어지는 구조를 갖는다. 양전극(200)은 투명기판(210)과 상기 투명기판 상부에 형성된 투명전도성 산화물층(220)을 포함하는 전도성 투명기재 상에 액체 전해액 중의 전해질의 환원반응을 촉진시키는 역할을 하는 백금촉매로부터 형성된 백금층(230)으로 이루어지는 구조를 갖는다. 액체 전해액(300)은 일반적으로 전해질을 용해시킨 용액이 사용되고 있으며, 음전극(100)과 양전극(200) 사이에 공간을 형성하도록 넣어준 열가소성 고분자층(400) 내에 게재되어 양 전극과 전기화학적으로 접하고 있다. 이와같은 구조의 염료감응 태양전지는 광을 음전극(100)으로부터 조사하여 음전극(100)으로부터 전자를 외부회로를 통하고 양전극(200)으로 다시 통하도록 하고 있다.
염료감응 태양전지에 있어서, 광전환 과정은 조사된 광에너지가 음전극(100)의 염료에 흡수되고, 이때 염료가 활성화되어 정공과 전자를 발생하게 된다. 발생된 전자는 나노 산화물층(130)을 통해 다시 투명전도성 산화물층(120)으로 전달되고, 투명전도성 산화물층(120)에 연결된 회로를 통하여 양전극(200)과 연결된 회로로 이동하게 되며, 양전극(200)을 통하여 다시 액체 전해액(300)으로 전달된다. 한편, 전자와 함께 발생된 정공은 액체 전해액(300)으로 통하게 되어 양전극(200)을 통해 되돌아온 전자와 재결합하는 과정으로 이루어진다.
태양전지의 광전환효율은 태양빛의 흡수에 의해 생성된 전자의 양에 비례하므로, 효율을 증가시키기 위해서는 태양빛의 흡수를 증가시키거나 염료의 흡착량을 높여 전자의 생성량을 늘일 수도 있고, 또는 생성된 여기전자가 전자-홀 재결합에 의해 소멸되는 것을 막아줄 수도 있다.
단위면적당 염료의 흡착량을 늘이기 위해서는 산화물 반도체의 입자를 나노미터 수준의 크기로 제조하여야 하며 태양빛의 흡수를 높이기 위해 백금전극의 반사율을 높이는 방법 등이 개발되어 있다. 그러나 이러한 종래 방법으로는 태양전지의 광전환효율 향상에 한계가 있으며, 따라서 효율 향상을 위한 새로운 기술 개발이 절실히 요청되고 있는 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 염료감응 태양전지의 산란층에 사용되어 광전환효율을 향상시킬 수 있는 Er3+와 Yb3+가 도핑된 이산화티탄 분말의 제조방법 및 이와 같은 방법을 이용하여 제조된 이산화티탄 분말로부터 형성된 산란층을 포함하는 염료감응 태양전지를 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, (S1) 용매에 티타늄 이소프로폭사이드, 에르븀(III) 나이트레이트(Er(NO3)3)와 이테르븀(Ⅲ) 나이트레이트(Yb(NO3)3) 및 카본 블랙을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; (S2) 상기 혼합물에 물을 첨가하면서 교반하여 젤을 형성하는 단계; (S3) 상기 젤을 건조시켜 전구체를 제조하는 단계; 및 (S4) 상기 전구체를 열처리하는 단계를 포함하는 Er3+와 Yb3+가 도핑된 이산화티탄 분말의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, (A) 투명기판; 상기 투명기판의 상부에 형성된 투명전도성 산화물층; 및 상기 투명전도성 산화물층의 상부에 형성되며, 염료가 흡착되어 있는 나노 산화물층을 포함하는 음전극; (B) 투명기판; 상기 투명기판의 상부에 형성된 투명전도성 산화물층; 및 상기 투명전도성 산화물층의 상부에 형성된 백금층을 포함하는 양전극; (C) 상기 음전극의 나노 산화물층의 상부에 형성되며, Er3+와 Yb3+가 도핑된 이산화티탄 분말을 포함하여 이루어지는 산란층; 및 (D) 상기 음전극 및 양전극 사이에 개재되는 전해질을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지를 제공한다.
본 발명에 따른 방법으로 Er3+와 Yb3+가 도핑된 이산화티탄 분말을 제조하여 산란층에 적용하면 분말 표면에 엠보싱 형태의 돌기가 형성되어 산란이 보다 효율적으로 이루어져 염료감응 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 Er3 +와 Yb3 +가 도핑된 이산화티탄 분말의 제조방법의 공정 흐름도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 이산화티탄 분말의 제조방법은 (S1) 용매에 티타늄 이소프로폭사이드, 에르븀(III) 나이트레이트(Er(NO3)3)와 이테르븀(Ⅲ) 나이트레이트(Yb(NO3)3) 및 카본 블랙을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; (S2) 상기 혼합물에 물을 첨가하면서 교반하여 젤을 형성하는 단계; (S3) 상기 젤을 건조시켜 전구체를 제조하는 단계; 및 (S4) 상기 전구체를 열처리하는 단계를 포함한다. 이를 통해 제조된 이산화티탄 분말은 Er3+와 Yb3+가 도핑되며, 염료감응 태양전지의 산란층 제조에 사용되어 염료감응 태양전지의 광전환효율을 향상시킬 수 있다.
상기 용매는 예를 들어 아세트산 및 에탄올을 포함하는 혼합 용매가 사용될 수 있다. 상기 혼합 용매에서 아세트산 및 에탄올의 함량은 특별히 제한되지 않으나, 각 첨가 물질의 용해도를 고려할 때 상기 혼합 용매 총 부피 기준으로 각각 1~20 부피%, 80~99 부피%인 것이 바람직하다.
상기 혼합물에서 각 첨가 물질의 함량은 특별히 제한되지 않으나, 에르븀(III) 나이트레이트(Er(NO3)3)와 이테르븀(Ⅲ) 나이트레이트(Yb(NO3)3)는 각각 티타늄 이소프로폭사이드 몰 수 기준으로 5 내지 20 몰%을 첨가하고, 카본 블랙은 티타늄 이소프로폭사이드 100 중량부 대비 10 내지 200 중량부 첨가할 때 가장 우수한 물성을 나타낸다.
상기 카본 블랙으로는 예를 들어 아세틸렌 블랙, 퍼니스 블랙 및 수퍼P로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상이 사용될 수 있다.
상기 (S3) 단계에서 건조 온도는 100~130℃인 것이 바람직하다. 건조 온도가 상기 범위의 하한에 미달하는 경우 젤의 수분 제거가 용이하지 않고, 상기 상한을 초과하면 다루기가 어렵고 위험할 수 있으므로 바람직하지 못하다.
상기 (S4) 단계에서 열처리 온도 600~800℃인 것이 바람직하다. 열처리 온도가 상기 범위의 하한에 미달하는 경우 입자의 크기가 지나치게 작아질 수 있고, 상기 상한을 초과하는 경우 결정성 입자가 지나치게 크게 형성되어 산란층으로서 제 기능을 발휘하기 어렵다.
도 2에 본 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지의 단면도를 나타내었다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지는 (A) 음전극(100), (B) 양전극(200), (C) 상기 음전극의 나노 산화물층의 상부에 형성되는 산란층(500) 및 (D) 상기 음전극 및 양전극 사이에 게재된 전해질(400)을 포함하여 이루어진다.
(A) 음전극(100)은 투명기판(110); 상기 투명기판의 상부에 형성된 투명전도성 산화물층(120); 및 상기 투명전도성 산화물층의 상부에 형성되며, 염료가 흡착되어 있는 나노 산화물층을 포함한다.
상기 투명기판(110)은 폴리에테르술폰, 폴리아크릴레이트, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리아릴레이트, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 셀룰로오스 트리아세테이트 및 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 플라스틱재 또는 유리재일 수 있다.
상기 투명전도성 산화물층(120)은 불소가 도핑된 인듐 틴 옥사이드(FTO) 또는 인듐 틴 옥사이드(ITO)로부터 형성된 층이다.
상기 나노 산화물층(130)은 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2) 및 산화아연(SnO)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속 산화물을 포함하는 조성물로부터 형성되며, 염료가 흡착되어 있는 층이다. 나노 산화물층(130)은 두께가 5 내지 30 ㎛인 것이 바람직하다.
상기 염료는 루테늄(Ru) 착물 또는 유기염료가 담지된 용액을 이용하여 흡착시킬 수 있다. 염료로는 루테늄 복합체를 포함하여 가시광을 흡수할 수 있는 루테 늄 착물과, 이외에도 가시광 내의 장파장 흡수를 개선하여 효율을 향상시키는 특성 및 전자 방출을 효율적으로 할 수 있는 염료라면 어떠한 것이든 사용할 수 있음은 물론이다. 구체적으로, 로다민B, 로즈벤갈, 에오신, 에리스로신 등의 크산틴계 염료; 퀴노시아닌, 크립토시아닌 등의 시아닌계 염료; 페노사프라닌, 카브리블루, 티오신, 메틸렌블루 등의 염기성 염료; 클로로필, 아연 포르피린, 마그네슘 포르피린 등의 포르피린계 화합물; 기타 아조계 염료; 프탈로시아닌 화합물; 안트라퀴논계 염료; 또는 다환 퀴논계 염료 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
(B) 양전극(200)은 투명기판(210); 상기 투명기판의 상부에 형성된 투명전도성 산화물층(220); 및 상기 투명전도성 산화물층의 상부에 형성된 백금층(230)을 포함한다.
상기 투명기판(210), 투명전도성 산화물층(220)은 상기 음전극에서 언급된 바와 동일하며, 상기 백금층(230)은 전해질의 환원 반응을 촉진시키는 역할을 하는 백금촉매로부터 형성된 층이다.
(C) 상기 음전극의 나노 산화물층의 상부에 형성되는 산란층(500)은 Er3+와 Yb3+가 도핑된 이산화티탄 분말을 포함하여 이루어진다. 산란층은 음전극을 투과한 빛을 반사하여 다시 음전극층으로 빛을 공급함으로써 태양전지의 효율을 증가시키는 층으로, 이산화티탄 분말에 Er3+와 Yb3+가 도핑됨으로써 비결정성 분말이 형성되고 분말 표면에 엠보싱 형태의 돌기가 형성되어 산란이 보다 효율적으로 이루어지므로 광전환효율을 향상시킬 수 있다.
(D) 전해질은 상기 음전극 및 양전극 사이에 개재되며, 액체 전해액, 무기 고체 전해질, 고분자 고체 전해질, 겔형 고분자 전해질 등이 제한 없이 사용될 수 있다. 대표적인 예로 요오드화물과 삼요오드화물의 쌍으로 이루어진 액체 전해질이 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 염료감응 태양전지의 제조방법을 설명한다. 다만, 이는 예시적인 것으로 본 발명의 염료감응 태양전지의 제조방법이 이하의 설명에만 한정되는 것은 아니다.
먼저, 음전극을 제조한다.
음전극을 제조하는 단계는, 투명기판을 준비하는 단계; 준비된 투명 기판의 상부에 투명전도성 산화물층을 형성하는 단계; 형성된 투명전도성 산화물층의 상부에 금속 산화물을 포함하는 조성물을 적용하여 나노 산화물층을 형성하는 단계; 및 형성된 나노 산화물층에 염료가 용해된 용액을 적용하여 염료를 흡착시키는 단계를 포함하여 이루어진다.
구체적으로, 먼저 투명기판을 준비한 후, 상기 투명기판의 상부에 투명전도성 산화물인 불소가 도핑된 인듐 틴 옥사이드 또는 인듐 틴 옥사이드를 접착제를 이용하여 접착시키거나 또는 스퍼터링 방법으로 도막을 코팅하여 투명전도성 산화물층을 형성할 수 있다. 다음으로, 나노 산화물층을 형성하기 위하여 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2) 및 산화아연(SnO)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1 종 이상의 금속 산화물을 포함하는 코팅 조성물을 제조한 후, 상기 형성된 투명전도성 금속층의 상부에 코팅 조성물을 닥터블레이드 방법으로 도포하고, 400 내지 500 ℃의 온도에서 10 내지 60분 동안 열처리하여 두께가 5 내지 30 ㎛인 나노 산화물층을 형성할 수 있다. 이때, 나노 산화물층을 형성하는 단계를 1회 이상 더 반복하여 원하는 두께의 나노 산화물층을 형성할 수 있다. 그 다음으로, 상기 형성된 나노 산화물층의 금속 산화물에 염료를 흡착시키기 위하여 염료를 용매에 용해시켜 농도가 0.01 내지 5 μM인 염료 용액을 제조한 후, 여기에 상기 나노 산화물층이 형성된 기판을 5 내지 72시간 동안 담지시킨 후 건조하여 염료를 흡착시킬 수 있다.
다음으로, 양전극을 제조한다.
양전극을 제조하는 단계는, 투명기판을 준비하는 단계; 준비된 투명 기판의 상부에 투명전도성 산화물층을 형성하는 단계; 및 형성된 투명전도성 산화물층의 상부에 백금층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
구체적으로, 먼저 투명기판을 준비한 후, 상기 투명기판의 상부에 투명전도성 산화물인 불소가 도핑된 인듐 틴 옥사이드 또는 인듐 틴 옥사이드를 접착제를 이용하여 접착시키거나 또는 스퍼터링 방법으로 도막을 코팅하여 투명전도성 산화물층을 형성할 수 있다. 다음으로, 상기 투명전도성 산화물층의 상부에 백금이 녹아있는 용액을 떨어뜨린 후, 400 내지 600 ℃에서 10 내지 60분 동안 열처리하여 백금층을 형성할 수 있다. 이때, 백금층은 스퍼터링 방법, 화학기상증착 방법, 증기증착 방법, 열산화 방법, 전기화학적 증착 방법 등을 사용하여 형성할 수도 있 다.
다음으로, 상기 음전극의 나노 산화물층의 상부에 산란층을 형성한다.
산란층을 형성하는 단계는 이산화티탄 분말을 제조하는 단계; 상기 이산화티탄 분말을 이용하여 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬러리를 음전극의 나노 산화물층 상부에 도포하는 단계를 포함한다.
구체적으로, 앞서 설명한 바와 같은 방법으로 Er3+와 Yb3+가 도핑된 이산화티탄 분말을 제조한다. 제조된 이산화티탄 분말에 에탄올 등의 용매를 첨가하고 초음파 처리하여 분산시킨다. 여기에 에틸셀룰로오스를 첨가하고 초음파 처리하여 분산시킨 후 터피놀을 첨가하고 용매를 증발시켜 산란층 형성을 위한 슬러리를 제조한다. 다음으로, 제조된 슬러리를 음전극의 나노 산화물층 상부에 닥터 블레이드법 등으로 도포하고 열처리하여 산란층을 형성할 수 있다.
다음으로, 음전극과 양전극을 부착한다.
구체적으로, 음전극과 양전극의 전도성 표면이 안쪽으로 오도록 하여, 이들이 서로 대향되도록 부착한다. 음전극과 양전극 사이에 20 내지 100 ㎛ 두께의 열가소성 고분자층을 형성하고, 이를 이용하여 두 전극을 밀봉할 수 있다. 열가소성 고분자층으로는 예를 들어 SURLYN(Du Pont사 제조)이 사용될 수 있다.
다음으로, 음전극과 양전극 사이에 전해질을 주입한다.
전해질로는 액체 전해액, 무기 고체 전해질, 고분자 고체 전해질, 겔형 고분자 전해질 등이 제한 없이 사용될 수 있다. 대표적인 예로 요오드화물과 삼요오드 화물의 쌍으로 이루어진 액체 전해질이 사용될 수 있다. 전해질 주입 후에는 전해질 주입을 위해 형성한 미세 홀을 밀봉한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
<실시예>
실시예 1
2ml 아세트산에 16ml 에탄올과 3.4ml 티타니움 이소프로폭사이드를 혼합하고, 여기에 에르븀(Ⅲ) 나이트레이트(Er(NO3)3)와 이테르븀(Ⅲ) 나이트레이트(Yb(NO3)3)를 각각 10mol%(티타늄 이소프로폭사이드 기준), 아세틸렌 블랙을 0.2g 첨가하여 혼합하였다. 이와 같이 제조된 혼합 용액을 교반하면서 1.0ml의 순수를 30 분간에 걸쳐 떨어뜨리면서 혼합하였다. 그 후, 이 혼합 용액을 120℃에서 진공건조시키고, 건조된 물질을 700℃의 온도에서 4시간 동안 열처리 하여 Er3+와 Yb3+가 도핑된 이산화티탄 분말을 얻었다.
이어서 제조된 이산화티탄 분말을 이용하여 작업 전극에 도포하기 위한 슬러리를 제조하였다. 상기 분말 2.5g에 에탄올 50ml를 첨가하여 60분간 초음파 처리하여 분산시켰다. 여기에 에틸셀룰로오스 0.75g을 첨가한 후 35℃에서 60분간 초음파 처리하여 분산시킨 후 터피놀(Terpineol) 5ml 첨가 후 증발기에서 용매를 증발시켜 산란층 제조를 위한 슬러리를 얻었다.
이와는 별도로 플루오린 틴 옥사이드(FTO)가 코팅되어 있는 투명 전도성 기판(TCO) 위에 이산화티탄 코팅용 슬러리를 닥터 블레이드법으로 코팅한 후 약 500℃의 온도에서 30분 동안 열처리하여 유기 고분자를 제외하고 나노 입자 산화물들간의 접촉 및 충진이 이루어지도록 하여 약 8미크론 두께의 이산화티탄층이 형성된 전도성 투명기판을 얻었다.
상기 이산화티탄층이 형성된 전도성 투명기판 위에 산란층으로 사용하기 위하여 제조한 슬러리를 닥터 블레이드법으로 코팅한 후 약 500℃의 온도에서 30분 동안 열처리하였다. 이렇게 형성된 전도성 투명 기판을 0.2mM 농도를 갖는 루테늄 디티오시아네이트 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복실레이트 염료 용액에 24시간 동안 침지시켜 음전극 및 산란층을 제조하였다.
이와는 별도로 플루오린 틴 옥사이드(FTO)가 코팅되어 있는 투명 전도성 기판(TCO) 위에 육염화백금산(H2PtCl6)이 녹아있는 2-프로판올 용액을 떨어뜨린 후 400℃에서 30분간 열처리하여 양전극을 제조하였다.
이어서 양전극과 음전극인 염료가 흡착된 이산화티탄층과 산란층이 코팅된 투명기판을 조립하였다. 양 전극을 조립할 경우에는 양전극 및 음전극에서 전도성 표면이 전지 내부로 오도록 하여 상기 고분자 전해질 코팅층과 염료가 흡착된 이산화티탄층이 서로 대향하도록 하였다. 이때 양극 및 음극 사이에 SURLYN(Du Pont사 제조)으로 이루어지는 약 60미크론 두께의 고분자를 액체 전해액을 주입할 수 있는 공간을 남겨 놓고 클립으로 고정하여 130℃ 오븐 안에 넣어 1~2분 동안 유지하여 두 전극을 밀착시켰다.
이어서 전해질을 제조하였다. 0.1M LiI, 0.05M I2, 0.3M DMPII, 0.5M 2-(디메틸아미노)-피리딘, 0.5M 5-클로로-1-에틸-2-메틸이미다졸을 에틸렌카보네이트 3ml와 감마부티로락톤 7ml 혼합 용액에 첨가하여 액체 전해질을 제조하였다. 상기 조립된 양전극 사이에 액체 전해질을 주입하고 밀봉하여 염료감응형 태양전지를 완성하였다.
비교예 1
상기 실시예 1에서 산란층에 사용하기 위한 분말 제조 시 에르븀(Ⅲ) 나이트레이트(Er(NO3)3)와 이테르븀(Ⅲ) 나이트레이트(Yb(NO3)3)를 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정을 수행하여 목적하는 산란층 슬러리를 제조하고 이를 이용하여 산란층을 코팅한 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
비교예 2
상기 실시예 1에서 음극 제조 시 플루오린 틴 옥사이드(FTO)가 코팅되어 있는 투명 전도성 기판(TCO) 위에 산란층 슬러리를 코팅하지 않고 이산화티탄층만 1번 코팅한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 과정을 수행하여 목적하는 염 료감응형 태양전지를 완성하였다.
시험예
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 염료감응 태양전지의 광전환 효율을 평가하기 위하여 하기와 같은 방법으로 광전압 및 광전류를 측정하여 광전기적 특성을 관찰하고, 이를 통하여 얻어진 전류밀도(Isc), 전압(Voc) 및 충진계수(fillfactor, ff)를 이용하여 광전환 효율(ηe)를 하기 수학식 1에 따라 계산하였다.
이때, 광원으로는 제논 램프(Xenon lamp, Oriel)를 사용하였으며, 상기 제논 램프의 태양조건(AM 1.5)은 표준 태양전지를 사용하여 보정하였다.
ηe = (Voc × Isc × ff) / (Pine)
상기 수학식 1에서, (Pine)는 100 ㎽/㎠(1 sun)을 나타낸다.
상기와 같이 측정된 값들을 하기 표 1에 나타내었다.
구 분 전류 밀도(mA) 전압(V) 충진계수 광전환 효율(%)
실시예 1 18.9 0.773 0.615 8.98
비교예 1 18.4 0.773 0.614 8.72
비교예 2 17.1 0.743 0.613 7.80
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 Er3+와 Yb3+가 도핑된 이산화티탄 분말을 이용하여 형성된 산란층을 포함하는 염료감응형 태양전지는 종래 사용되었던 Er3+와 Yb3+가 도핑되지 않은 이산화티탄 분말을 이용하여 산란층을 형성한 염료감응형 태양전지(비교예 1) 및 산란층을 형성하지 않는 연료감응형 태양전지(비교예 2)와 비교하여 전류밀도가 높아지고, 광전환효율이 향상된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 전압에 있어서도 종래의 연료감응형 태양전지에 비해 향상되었음을 확인할 수 있었다.
도 4은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 이산화티탄 분말의 주사전자현미경 사진이고, 도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 이산화티탄 분말의 X선 회절분석 패턴도이다. 도 4의 주사전자현미경 사진을 통하여 엠보싱 형태의 표면을 형성하는 분말이 합성되었음을 확인할 수 있었으며, 상기 X선 회절분석 패턴도를 통하여 비결정성 분말이 합성되었음을 확인할 수 있었다.
도 1은 일반적인 염료감응 태양전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 Er3+와 Yb3+가 도핑된 이산화티탄 분말의 제조방법의 공정 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지의 단면도이다.
도 4은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 이산화티탄 분말의 주사전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 이산화티탄 분말의 X선 회절분석 패턴도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 음전극 110, 210 : 투명기판
120, 220 : 투명전도성 산화물층 130 : 나노 산화물층
200 : 양전극 230 : 백금층
300 : 전해질 400 : 열가소성 고분자층
500 : 산란층

Claims (12)

  1. (S1) 용매에 티타늄 이소프로폭사이드, 에르븀(III) 나이트레이트(Er(NO3)3)와 이테르븀(Ⅲ) 나이트레이트(Yb(NO3)3) 및 카본 블랙을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;
    (S2) 상기 혼합물에 물을 첨가하면서 교반하여 젤을 형성하는 단계;
    (S3) 상기 젤을 건조시켜 전구체를 제조하는 단계; 및
    (S4) 상기 전구체를 열처리 단계를 포함하는 Er3+와 Yb3+가 도핑된 이산화티탄 분말의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 용매는 아세트산 및 에탄올을 포함하는 혼합 용매인 것을 특징으로 하는 Er3+와 Yb3+가 도핑된 이산화티탄 분말의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 혼합 용매에서 아세트산 및 에탄올의 함량은 상기 혼합 용매 총 부피 기준으로 각각 1~20 부피%, 80~99 부피%인 것을 특징으로 하는 Er3+와 Yb3+가 도핑된 이산화티탄 분말의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (S4) 단계에서 열처리 온도 600~800℃인 것을 특징으로 하는 Er3+와 Yb3+가 도핑된 이산화티탄 분말의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (S3) 단계에서 건조 온도 100~130℃인 것을 특징으로 하는 Er3+와 Yb3+가 도핑된 이산화티탄 분말의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 혼합물에는 상기 에르븀(III) 나이트레이트(Er(NO3)3)와 이테르븀(Ⅲ) 나이트레이트(Yb(NO3)3)가 각각 상기 티타늄 이소프로폭사이드 몰 수 기준으로 5~20 몰% 첨가되고,
    상기 카본 블랙은 상기 티타늄 이소프로폭사이드 100 중량부 대비 10~200 중량부 첨가되는 것을 특징으로 하는 Er3+와 Yb3+가 도핑된 이산화티탄 분말의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 카본 블랙은 아세틸렌 블랙, 퍼니스 블랙 및 수퍼P로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 Er3+와 Yb3+가 도핑된 이산화티탄 분말의 제조방법.
  8. (A) 투명기판; 상기 투명기판의 상부에 형성된 투명전도성 산화물층; 및 상기 투명전도성 산화물층의 상부에 형성되며, 염료가 흡착되어 있는 나노 산화물층을 포함하는 음전극;
    (B) 투명기판; 상기 투명기판의 상부에 형성된 투명전도성 산화물층; 및 상기 투명전도성 산화물층의 상부에 형성된 백금층을 포함하는 양전극;
    (C) 상기 음전극의 나노 산화물층의 상부에 형성되며, Er3+와 Yb3+가 도핑된 이산화티탄 분말을 포함하여 이루어지는 산란층; 및
    (D) 상기 음전극 및 양전극 사이에 개재되는 전해질을 포함하여 이루어진 것 을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 음전극 및 양전극에 포함되는 투명전도성 산화물층은 불소가 도핑된 인듐 틴 옥사이드 또는 인듐 틴 옥사이드를 포함하여 이루어진 층인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 나노 산화물층은 이산화티탄, 이산화주석 및 산화아연으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하여 이루어진 층인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 나노 산화물층에 흡착된 염료는 루테늄 착물, 크산틴계 염료, 시아닌계 염료, 염기성 염료, 포르피린계 화합물, 아조계 염료, 프탈로시아닌 화합물, 안트라퀴논계 염료 및 다환 퀴논계 염료로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 전해질은 요오드화물과 삼요오화물의 쌍으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011102966A3 (en) * 2010-02-22 2011-12-08 Brite Hellas Ae Quasi-solid-state photoelectrochemical solar cell formed using inkjet printing and nanocomposite organic-inorganic material
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