고효율의 플렉시블 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법
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고효율의 플렉시블 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법{High efficiency flexible Dye-Sensitized Solar Cells based and the method for preparing the same}
본 발명은 플렉시블 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구부림이 가능한 플라스틱 기판 위에 저온 소성이 가능한 다중층의 티타늄 산화물과 고분자 전해질을 이용한 플렉시블 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
화석 연료의 지속적인 사용으로 인한 지구 온난화와 같은 환경 문제가 대두되고 있다. 또한 우라늄의 사용은 방사능의 오염 및 핵폐기물 처리 시설과 같은 문제를 일으키고 있다. 이에 따라 대체 에너지에 대한 요구 및 연구가 진행되고 있는데, 그 중 대표적인 것이 태양 에너지를 이용하는 태양 전지이다.
태양 전지란 빛이 조사되었을 때 전자와 정공을 발생시키는 광-흡수 물질을 사용하여 직접적으로 전기를 생산하는 소자를 의미한다. 1839년 프랑스의 물리학자 Becquerel이 최초로 빛으로 유도된 화학적 반응이 전류를 발생시킨다는 광기전력을 발견하였고, 그 후 셀레늄과 같은 고체에서도 유사한 현상이 발견된 사실에 기인한 다. 그 후 1954년 Bell 연구소에서 약 6%의 효율을 보인 실리콘계열의 태양전지가 최초로 개발된 이후에 무기 실리콘을 중심으로 태양 전지의 연구가 계속되었다.
이와 같은 무기계 태양 전지 소자는 실리콘과 같은 무기물 반도체의 pn 접합으로 이루어진다. 태양 전지의 소재로 사용된 실리콘은 크게 단결정 또는 다결정 실리콘과 같은 결정 실리콘 계열과 비정질 실리콘 계열로 구분될 수 있다. 이 중 결정 실리콘계열은 태양 에너지를 전기 에너지로 전환하는 에너지 전환 효율이 비정질 실리콘계열에 비하여 우수하지만 결정을 성장시키기 위하여 소용되는 시간과 에너지로 인하여 생산성이 떨어진다. 한편, 비정질 실리콘 계열의 경우 결정 실리콘과 비교하여 광흡수성이 좋고 대면적화가 용이하고 생산성이 좋지만 진공 프로세서가 요구되는 등 설비 면에서 비효율적이다. 특히, 무기계 태양 전지 소자의 경우, 제조비용이 높고 소자가 진공 상태에서 제조되기 때문에 가공 및 성형이 어려운 문제점이 있다.
이와 같은 문제점으로 실리콘을 대신하여 유기물질의 광기전 현상을 이용한 태양전지 소자에 대한 연구가 시도된 바 있다. 유기물 광기전 현상이란 유기물질에 빛을 조사하면 광자(photon)를 흡수하여 전자(electron)-정공(hole) 쌍이 생성되어 이를 분리하여 각각 음극 및 양극으로 전달하고 이와 같은 전하의 흐름에 의하여 전류를 발생시키는 현상이다. 즉, 통상적으로 유기계 태양전지에 있어서 electron donor와 electron acceptor 물질의 접합구조로 이루어진 유기물질에 빛을 조사하였을 때 electron donor에서 전자-정공쌍이 형성되고 electron acceptor로 전자가 이동함으로써 전자-정공의 분리가 이루어진다. 이와 같은 과정을 통상 "빛에 의한 전 하 캐리어(charge carrier)의 여기"또는 "광여기 전하 이동현상(photoinduced charge transfer, PICT)"라고 하는데, 빛에 의하여 생성된 캐리어들은 전자-정공으로 분리되고 외부 회를 통하여 전력을 생산하게 된다.
그런데 통상적인 유기물질을 이용한 태양전지의 경우에 에너지 전환효율이 떨어지고 내구성에도 문제가 있었으나, 1991년 스위스의 그라첼(Grㅴtzel) 연구팀에 의하여 염료를 감광제로 이용하여 광전기화학형의 태양전지인 염료감응형 태양전지가 개발된 바 있다. 그라첼 등에 의하여 제안된 광전기화학형의 태양전지는 감광성 염료 분자와 나노 입자의 이산화티탄으로 이루어지는 산화물 반도체를 이용한 광전기화학형 태양 전지이다. 즉, 염료감응형 태양전지라 하면 투명 전극과 금속 전극 사이에 염료가 흡착된 산화티타늄과 같은 무기 산화물층에 전해질을 삽입하여 광전기화학 반응을 이용하여 제조되는 태양전지이다. 일반적으로 염료감응형 태양전지는 2가지 전극(광전극과 대향전극)과, 무기 산화물, 염료 및 전해질로 구성되어 있는데, 염료감응형 태양전지는 환경적으로 무해한 물질/재료를 사용하기 때문에 환경친화적이고, 기존의 무기 태양전지 중 비정질 실리콘 계열의 태양전지에 버금가는 10% 정도의 높은 에너지 전환효율을 가지고 있고, 제조단가가 실리콘 태양전지의 20% 정도에 불과하여 상업화의 가능성이 매우 높은 것으로 보고된 바 있다.
상술한 것과 같은 광화학 반응을 이용하여 제조되는 염료감응형 태양전지는 캐소드(cathode)와 애노드(anode) 사이에 빛을 흡수하는 염료들이 흡착되어 있는 무기 산화물층과 전자를 환원시키는 전해질층이 도입된 다층형 전지 소자 구조로 서, 종래의 염료감응형 태양전지 소자를 간단하게 설명하면 다음과 같다.
종래 다층 형태의 염료감응형 태양전지는 일례로 기판/전극/염료가 흡착된 티타늄 산화물층/전해질/전극으로 구성될 수 있는데, 보다 구체적으로 살펴보면 하층으로부터 하부기판, 애노드, 염료가 흡착된 티타늄 산화물층, 전해질층, 캐소드 및 상부기판이 순차적으로 적층된 구조를 이루고 있다. 이 때, 통상적으로 하부기판 및 상부기판은 유리 또는 플라스틱으로 제조되며, 상기 애노드는 ITO(indium-tin oxide) 또는 FTO(fluorine doped tin oxide)로 코팅되고, 캐소드는 백금으로 코팅된다.
이와 같이 구성되는 종래 염료감응형 태양전지의 구동원리를 살펴보면, 염료가 흡착된 티타늄 산화물층에 광을 조사하면 염료가 광자(전자-정공쌍)들을 흡수하여 엑시톤(exciton)을 형성하고, 형성된 엑시톤은 기저상태에서 여기상태로 변환된다. 이로 인하여 전자와 정공쌍이 각각 분리되어 전자는 티타늄 산화물층으로 주입되고, 정공은 전해질층으로 이동한다. 여기에 외부회로를 설치하면 전자들이 도선을 통하여 티타늄 산화물층을 거쳐 애노드에서 캐소드로 이동하면서 전류를 발생시킨다. 캐소드로 이동한 전자는 전해질에 의하여 환원되어 여기 상태의 전자를 계속적으로 이동시키면서 전류를 발생시킨다.
그런데, 종래의 액체 전해질을 이용한 일반적인 염료감응형 태양전자 소자는 높은 에너지 전환 효율을 보이는 반면에 전해액의 누수와 용매의 증발로 인한 특성의 저하 등 안정성의 문제가 있는데, 이는 상업화에 있어서 큰 문제점으로 인식되고 있다. 이와 같은 전해액의 누설을 방지할 수 있도록 다양한 연구가 진행되고 있 으며 특히 태양전지의 안정성과 내구성을 향상시킬 수 있는 반고체 또는 고체 전해질을 이용한 염료감응형 태양전지의 개발이 이루어지고 있다.
예를 들어 대한민국 공개특허공보 제2003-65957호에서는 N-메틸-2-피롤리돈 또는 3-메톡시프로피오니트릴과 같은 용매에 용해된 폴리비닐리덴 플로라이드를 포함한 염료 감응 태양 전지를 기술하고 있다. 이와 같이 제조된 겔형 고분자 전해질은 상온에서 액체 전해질과 비슷한 높은 이온 전도도를 나타내지만, 기계적 물성이 떨어지기 때문에 전지의 제조 공정을 어렵게 하며, 또한 고분자 전해질의 보액성이 떨어지는 단점을 갖는다.
고체 전해질을 이용한 태양전지의 경우에는 제조된 전해질 용액에서 용매에 의한 효율 저하의 결점을 보완하기 위해서 용매를 제거하여 고체상에서 정공 전도체 물질을 이용하여 애노드 전극으로 들어온 전자를 쉽게 환원하여 염료를 다시 산화시킴으로써 전류가 흐르도록 구성한다.
용매가 없는 고체 고분자 전해질을 이용한 태양전지는 2001년 브라질의 De Paoli 그룹의 연구에 의하여 최초로 시도되었다. 이 그룹에서는 poly(epichlorohydrin-co-ethylene oxide)/NaI/I 2 로 구성되는 고분자 전해질을 제조하였으며, 100 ㎽/㎠에서 약 1.6%의 에너지 전환 효율을 갖는 것으로 보고한 바 있다. 이어서 2002년 그리스의 Flaras 그룹은 결정성이 높은 polyethylene oxide에 티타늄 산화물 나노입자를 첨가하여 고분자의 결정성을 감소시킴으로써 I - /I 3 - 의 이동도를 향상시키는 연구를 수행하였다. 2004년에는 KIST의 촉진수송분리막 연구단 에서 수소결합을 이용하여 저분자량의 폴리에틸렌글리콜(PEG)을 염료감응형 태양전지에 효과적으로 응용하는 연구를 수행하여, 에너지 전환 효율이 약 3.5%라는 결과를 보고한 바 있다.
최근 2007년 Flavia Nogueira 그룹에서는 TiO 2 나노튜브 형태로 제조하고 고분자 전해질로써 에틸렌옥사이드 대 에피클로로히드린(epichlorohydrin)의 비를 84 대 16으로 하여 합성한 poly(ethylene oxide-co-epichlorohydrin)을 사용한 고체형 염료감응형 태양전지를 제조하여 4.03%의 에너지 전환 효율의 결과를 보고한 바 있다.
특히, 구부림이 가능한 전도성 플라스틱 기판을 사용하는 플렉시블 염료감응형 태양전지는 그라첼(Grㅴtzel) 연구팀에 의하여 티타늄 금속 호일 기판의 애노드와 ITO/polyethylenenaphthalate (ITO/PEN) 기판에 백금을 전기 증착시킨 캐소드를 사용하여 7.2 %의 높은 전환 효율의 결과를 보고하였다. 그러나 이 경우는 액체전해질을 사용함으로써 용매의 누수의 단점이 있으며 티타늄 금속 호일 기판의 사용으로 불투명하므로 응용성에 있어서의 제한이 있다.
고체형태 및 이온전도도를 훼손하거나 감소시키지 않으면서, 상술한 문제점을 개선할 수 있는 고체형 염료 감응 태양전지를 개발할 필요성은 여전히 당업계에서 해결하지 못한 과제로서, 이런 신소자를 개발할 필요성은 당업계에서 강하게 요구되고 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 새롭게 제안된 것으로서, 본 발명의 일 목적은 저온에서 소성하고, 다층구조를 가지는 고효율의 플랙시블 염료감응형 태양전지를 제공한다.
본 발명의 다른 목적은 투명한 다층구조의 전해질의 누수가 없는 고체 전해질을 가지는 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조방법을 제공한다.
상기 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
서로 대향되게 배치되며, 구부림이 가능하고 투명한 제1기판과 제2기판;
상기 제1기판과 제2기판의 사이에 구비된 제1 전극;
상기 제1 전극의 상부에 화학적으로 흡착되어 여기된 전자를 공급할 수 있는 염료층을 포함하고 광산란층이 구비된 다층 무기 산화물층;
상기 제1전극과 대향되고 상기 제1기판과 제2기판의 사이에 마련되어 통전되도록 구비되고 투명한 제2전극; 및
상기 제1전극과 제2전극의 사이에 개재되고, 고분자를 포함하고 산화-환원반응에 의하여 상기 염료층에 전자를 공급해줄 수 있는 고체 전해질;을 포함하는 플렉시블 염료감응 태양전지를 제공한다.
상기 다른 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
투명하고 구부림이 가능한 제1 전극이 처리된 제1 기판을 준비하는 단계;
상기 제1 전극의 상부에 나노 입자 산화물 콜로이드 용액에 티타늄 산화물 전구체 용액을 첨가하여 다층 무기 산화물층을 형성하는 단계;
상기 다층 무기 산화물층에 여기된 전자를 공급할 수 있는 염료를 흡착시키는 단계;
고분자 전해질 용액을 제조하고 상기 염료가 흡착된 다층 무기 산화물층에 도포하여 전해질층을 형성하는 단계; 및
상기 전해질층이 도포된 제1 전극 기판에 투명한 제2 전극 및 제2 기판을 접합하는 단계를 포함하는 플렉시블 염료감응태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 플렉시블 염료감응형 태양전지는 저온에서 소성이 가능한 무기 산화물 페이스트를 제조하여 다층구조의 무기 산화물을 형성할 수 있고, 고분자 전해질을 사용함으로써 용매 누수의 문제, 안정성 및 내구성의 문제를 개선하고 투명한 플랙시블 염료감응형 태양전지를 제공한다.
이하, 첨부하는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명은 서로 대향되게 배치되며, 구부림이 가능하고 투명한 제1기판과 제2기판; 상기 제1기판과 제2기판의 사이에 구비된 제1 전극; 상기 제1 전극의 상부에 화학적으로 흡착되어 여기된 전자를 공급할 수 있는 염료층을 포함하고 광산란층이 구비된 다층 무기 산화물층; 상기 제1전극과 대향되고 상기 제1기판과 제2기판의 사이에 마련되어 통전되도록 구비되고 투명한 제2전극; 및 상기 제1전극과 제2전극의 사이에 개재되고, 고분자를 포함하고 산화-환원반응에 의하여 상기 염료층 에 전자를 공급해줄 수 있는 고체 전해질;을 포함하는 플렉시블 염료감응 태양전지를 제공한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 고분자 전해질을 적용하여 제조된 플렉시블 염료감응형 태양전지의 단면도를 도시한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 염료감응형 태양전지는 2개의 투명 기판인 제 1 기판(101)과 제 2 기판(106) 사이에 각각 제 1 전극(102) 및 제 2 전극(104)이 서로 대향적으로 적층되어 있으며, 상기 제 1 전극(102) 및 제 2 전극(104)의 사이로 무기 산화물층(103)과 전해질층(104)이 개재되어 있는 다층 박막 형태를 나타내고 있다.
본 발명은 투명하고 구부림이 가능한 제1 전극이 처리된 제1 기판을 준비하는 단계; 상기 제1 전극의 상부에 나노 입자 산화물 콜로이드 용액에 무기 산화물 전구체 용액을 첨가하여 다층 무기 산화물층을 형성하는 단계; 상기 다층 무기 산화물층에 여기된 전자를 공급할 수 있는 염료를 흡착시키는 단계; 고분자 전해질 용액을 제조하고 상기 염료가 흡착된 다층 무기 산화물층에 도포하여 전해질층을 형성하는 단계; 및 상기 전해질층이 도포된 제1 전극 기판에 투명한 제2 전극 및 제2 기판을 접합하는 단계를 포함하는 플렉시블 염료감응태양전지의 제조방법을 제공한다.
상기 제 1 기판(101)은 폴리에테르술폰(PES, polyethersulphone), 폴리아크릴레이트(PAR, polyacrylate), 폴리에테르이미드(PEI, polyetherimide), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN, polyethyelenen napthalate), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET, polyethyeleneterepthalate), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide: PPS), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리아미드(PI, polyamide), 폴리이미드(polyimide), 폴리카보네이트(PC), 셀룰로오스 트리아세테이트(TAC), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propinonate: CAP) 중 적어도 하나를 포함하는 플라스틱으로 구성될 수 있다. 태양광을 투과시켜 광전환 효율을 높이기 위하여 투광도가 높아질 수 있는 범위 내에서 특별히 제한할 필요는 없다. 또한, 제2기판(106)도 역시 제1기판(101)을 구성하는 플라스틱으로 구성될 수 있다.
상기 제 1 전극(102)은 상기 제 1기판(101)이 제 2기판(106)을 향한 일면에 투명 물질에 의하여 형성되는 전극이다. 상기 제 1 전극(102)은 애노드로 기능하는 부분으로서, 상기 제 1 전극(102)으로는 상기 제 2 전극(105)에 비하여 일함수(work function)가 작은 물질로서 투명성 및 도전성을 갖는 임의의 물질이 사용될 수 있다. 본 발명에 있어서 상기 제 1 전극(102)은 스퍼터링 또는 스핀코팅 방법을 사용하여 상기 제 1 기판(101)의 이면으로 도포되거나 또는 필름 형태로 코팅될 수 있다.
상기 제 1 전극(102)으로 사용될 수 있는 물질은 인듐틴옥사이드(ITO, indium-tin oxide), 인듐진크옥사이드(IZO, indium-zinc oxide), 산화인듐(In 2 O 3 ), 이산화주석, 플로린 도핑된 인듐틴옥사이드(FTO, fluorine doped tin oxide), ZnO-(Ga 2 O 3 또는 Al 2 O 3 ), SnO 2 -Sb 2 O 3 등에서 임의로 선택될 수 있으며, 특히 바람직하게는 ITO 또는 FTO이다.
그리고 상기 무기 산화물층(103)은 바람직하게는 나노 입자 형태의 전이금속 산화물로서, 예를 들어 티타늄 산화물, 스칸듐 산화물, 바나듐 산화물, 아연 산화물, 갈륨 산화물, 이트륨 산화물, 지르코늄 산화물, 니오브 산화물, 몰리브덴 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물, 란탄족 산화물, 텅스텐 산화물, 이리듐 산화물과 같은 전이금속 산화물은 물론이고, 마그네슘 산화물, 스트론튬 산화물과 같은 알칼리토금속 산화물 및 알루미늄 산화물 등을 포함한다. 무기 산화물로 사용될 수 있는 바람직한 무기 산화물은 나노 입자 형태의 티타늄 산화물이다.
상기 유연한 플렉시블 태양전지용 무기 산화물층(103)을 형성하기 위해, 전기영동 장치, 오토 클레이브, 마이크로 웨이브 장치, 프레스 장치, 화학 증착기 등의 장치를 사용할 수 있으며, 제 1전극(102)의 이면으로 코팅처리하거나 스핀 코팅 방법, 스프레이 방법, 습식 코팅 방법 등을 사용하여 무기 산화물층을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 무기 산화물층(103)은 별도의 장비를 사용하지 않고 상기 제 1 전극(102)의 일면에 닥더블레이드법 또는 스크린 프린트 방법으로 8-15 ㎛ 두께의 단일층 혹은 이중층 무기 산화물층을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 전극 물질이 도포되어 있는 제 1 기판 상에 입경이 10 내지 100 nm인 콜로이드 상태의 무기 산화물인 티타늄 산화물을 도포하거나 캐스팅하고, 약 120 ~ 150 ℃의 온도로 소성(sintering)하여 유기물이 제거된 제 1기판-제 1전극-무기 산화물이 도포된 광전극을 형성한다. 소성온도가 120 ℃ 미만인 경우에는 소성이 원활하게 일어나지 않아 바람직하지 않고, 150 ℃를 초 과하는 경우에는 제1 전극에 영향이 발생되어 바람직하지 못하다.
광산란층을 가지는 다층구조의 무기 산화물 전극을 형성하기 위해 수백 나노 입자 크기, 바람직하게는 입경이 100 내지 500 nm인 콜로이드 상태의 티타늄 산화물을 한 번 더 도포하고 소성과정을 거치게 된다. 이때의 다층 구조의 티타늄 산화물은 약 8 ~ 12 ㎛의 두께로 도포한다.
다층의 무기 산화물층은 광산란층을 도입하여 무기 산화물층에서 투과된 빛을 광산란효과를 이용하여 많은 양을 빛을 흡수하도록 함으로써 광전류값을 개선시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 티타늄 전구체 용액을 첨가했을 때, 그렇지 않은 경우보다 더 큰 비표면적을 가지고, 형성된 무기 산화물의 비표면적(specific surface area)은 50 내지 200 m 2 /g인 것이 바람직하다.
본 발명의 플렉시블 염료감응형 태양전지를 구성하는 상기 무기 산화물층(103)에는 광감응 염료가 흡착되어 있다. 이에 따라 태양광이 조사되면 광양자는 무기 산화물층(103)에 흡착된 염료에 흡수되어 염료가 여기상태로 전자 전이하여 전자-정공쌍을 형성하고, 여기 상태의 전자는 무기 산화물층(103)의 전도대(conduction band)로 주입되면 주입된 전자는 제 1 전극(102)으로 이동한 후 외부 회로나 부하에 의하여 제 2 전극(105)으로 이동한다. 제 2 전극(105)으로 이동한 전자는 전해질층(104)에 함유되어 있는 전해질 조성에 의한 산화환원에 의하여 전해질층(104)으로 이동된다. 한편, 염료는 무기 산화물에 전자를 전이한 후 산화 되지만, 전해질층(104)으로 전달된 전자를 받아 원래의 상태로 환원된다. 이에 따라 전해질층(104)은 제 2 전극(105)으로부터 전자를 받아 이를 염료에 전달하는 역할을 수행하는 것이다.
본 발명에 따라 상기 무기 산화물층(103)에 화학적으로 흡착되는 광감응 염료는 다양한 염료로 구성될 수 있는데, 자외선 및 가시광선 영역의 광을 흡수할 수 있는 물질로서 루테늄(Ru) 복합체와 같은 염료가 사용될 수 있다. 무기 산화물층(103)에 흡착되는 광감응 염료로는 루테늄 535 염료, 루테늄 535 비스-TBA 염료, 루테늄 620-1H3TBA 염료 등의 루테늄 착체로 이루어지는 광감응 염료를 포함하며, 바람직하게는 루테늄 535 염료를 사용한다. 다만 무기 산화물층(103)에 화학 흡착될 수 있는 광감응 염료는 전하 분리 기능을 갖는 임의의 염료가 사용될 수 있는데, 크산텐계 염료, 시아닌계 염료, 포르피린계 염료, 안트라퀴논계 염료, 큐마린 등을 단독 또는 루테늄계 염료와 복합체로 사용할 수 있다.
상기 염료를 무기 산화물층(103)에 흡착시키기 위해서 통상적인 방법이 사용될 수 있으나, 바람직하게는 상기 염료를 알코올, 니트릴, 할로겐화탄화수소, 에테르, 아미드, 에스테르, 케톤, N-메틸피롤리돈 등의 용매에 용해시킨 뒤, 무기 산화물층(103)이 도포된 광전극을 상기 용매에 침지하는 방법을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 무기 산화물층에 염료를 흡착시키는 일 실시예는 미리 준비한 용매에 염료, 예를 들어 루테늄 535 염료를 첨가하여 염료 용액을 제조한 뒤, 이 염료 용액에 무기 산화물층이 도포된 투명 플라스틱 기판(예를 들어 ITO 등으로 코팅된 플라스틱 기판, 광전극)을 넣어서 무기 산화물층에 염료를 흡착한다. 염료 가 완전히 무기 산화물층에 흡착된 후 물리적으로 흡착된 염료를 제거하기 위하여 유기용매(예: 에탄올 등)으로 세척한 후 건조한다. 염료가 흡착된 무기 산화물층이 도포된 투명 플라스틱 기판을 제조한 후 고분자를 포함한 전해질을 사용하고, 투명한 금속기판 바람직하게는 백금 금속 기판 전극을 접합시킴으로써 본 발명에 따른 플렉시블 염료감응형 태양전지를 제조할 수 있다.
한편, 상기 전해질층(104)에는 통상의 태양전지의 전해질층에 포함되는 전해질 조성물에 사용되는 고분자는 바람직하게는 폴리비닐리덴플로리드(polyvinylidene fluoride: PVDF), 폴리(에틸렌글리콜)에틸에테르메타아크릴레이트 (poly(ethyleneglycol)ethylethermethacrylate), 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide): PEO), 폴리아크릴로니트릴(poly(acrylonitrile): PAN), 폴리메틸 메타아크릴레이트(poly(methyl methacrylate): PMMA) 및 폴리비닐알콜(polyvinylalcohol: PVA)를 사용할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 의하면, 고체 전해질을 제조하기 위하여 전기방사법을 이용할 수 있다. 전기방사에 의해 제조되는 나노규모의 고분자 섬유는 전기방사장치를 이용하여 제조될 수 있다. 전기방사장치는 나노섬유 형성을 위해 전압을 가해주는 전압공급부, 상기 고분자 용액을 규칙적으로 분사할 수 있게 해주는 용액이송부, 상기 용액이송부로부터 이송된 고분자 용액을 상기 전압공급부로부터 공급된 전압을 이용하여 나노규모의 섬유로 만들어주는 전기방사부, 및 상기 전기방사부로부터 방사된 나노섬유를 수집하는 수집부를 구비할 수 있다.
상기 전기방사부는 방사 팁과 컬렉터 사이의 거리를 조절할 수 있는 것이 바 람직하고, 상기 방사 팁과 컬렉터 사이의 거리는 13 내지 19cm인 것이 더욱 바람직하다. 전기방사시 사용되는 용액의 고분자량은 5 중량% ~ 19 중량%, 바람직하게는 11 중량% ~ 17 중량% 비율로 용매와 혼합된다. 이때 용매로는 디메틸아세트아미드(dimethylacetamide)와 아세톤(acetone)이 3 대 7의 중량비율로 사용되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전해질층(104)에 사용되는 전해질은 I 2 와 금속 요오드화물 또는 유기 요오드화물의 조합(금속 요오드화물 또는 유기 요오드화물/I 2 ) 또는 Br 2 와 금속 브롬화물 또는 유기 브롬화물의 조합(금속 브롬화물 또는 유기 브롬화물/Br 2 )이 산화/환원쌍으로 사용될 수 있다.
본 발명에 따라 사용되는 전해질에 있어서 금속 요오드화물 또는 금속 브롬화물을 이루는 금속 양이온으로는 Li, Na, K, Mg, Ca, Cs 등이 사용될 수 있다. 유기 요오드화물 또는 유기 브롬화물의 양이온으로는 이미다졸리움(imidazolium), 테트라알킬암모늄(tetra-alkyl ammonium), 피리디니움(pyridinium), 트리아졸리움(triazolium) 등의 암모늄 화합물이 적합하지만 이에 한정되지는 않으며, 이와 같은 화합물을 2이상 혼합하여 사용될 수 있다. 특히 바람직하게는 LiI 또는 이미다졸리움 요오드와 I 2 를 조합한 산화/환원쌍이 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 전해질 조성물에 상술한 용매가 사용되는 경우에, 금속 요오드화물 또는 금속 브롬화물이 요오드(I 2 ) 또는 브롬(Br 2 )과 조합되어 산화/환원쌍으 로 사용될 수 있는데, 이와 같은 산화/환원쌍으로 LiI/I 2 , KI/I 2 , NaI/I 2 , CsI/I 2 , Pr 4 NI (테트라프로필 암모늄 요오드)/I 2 , TBAI(테트라부틸 암모늄 요오드)/I 2 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 TBAI/I 2 이다.
본 발명에 따라 사용될 수 있는 전해질 중 이온성 액체로 사용될 수 있는 유기 할로겐화물로는 n-메틸이디다졸리움 요오드, n-에틸이미다졸리움 요오드, 1-벤질-2-메틸이미다졸리움 요오드, 1-에틸3-메틸이미다졸리움 요오드, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 요오드, 1-프로필-3-메틸이미다졸리움 요오드 등을 사용할 수 있는데, 특히 바람직한 것은 1-프로필-3-메틸이미다졸리움 요오드로서, 이들을 요오드(I 2 )와 조합하여 사용할 수 있다. 이와 같은 이온성 액체, 즉 용해염을 사용하는 경우 전해질 조성물에 용매를 사용하지 않는 고체형 전해질을 구성할 수 있다.
한편, 상기 제 2 전극(105)은 제 2 기판(106)의 이면에 도포된 전극으로서, 캐소드로서 기능한다. 이 때, 제 1 전극(102)을 제 1 기판(101)의 이면에 접착하는 방법과 동일하게 스퍼터링 또는 스핀코팅의 방법을 사용하여 제 2 전극(105)을 제 2 기판(106)의 이면으로 도포하거나 코팅할 수 있다.
제 2 전극(105)에 사용될 수 있는 물질은 상기 제 1 전극(102)에 사용된 물질보다 일함수 값이 큰 물질로서 백금(Pt), 금, 탄소 등이 사용될 수 있으며 바람직하게는 백금이 사용된다.
상기 제 2 기판(106)은 상기 제 1 기판(101)과 유사한 투명 물질로서, 폴리에테르술폰(PES, polyethersulphone), 폴리아크릴레이트(PAR, polyacrylate), 폴리 에테르이미드(PEI, polyetherimide), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN, polyethyelenen napthalate), 폴리에틸렌테레프탈레이드(PET, polyethyeleneterepthalate), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide: PPS), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리아미드(PI, polyamide), 폴리이미드(polyimide), 폴리카보네이트(PC), 셀룰로오스 트리 아세테이트(TAC), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propinonate: CAP) 중 적어도 하나를 포함하는 플라스틱으로 제조된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 전극 및 제2 기판은 투명한 백금(Pt)이 코팅된 PEN 필름을 사용하는 것이 바람직하다.
종래의 투명전도성 기판으로 사용되는 물질은 F-doped SnO 2 (FTO), Sn-doped In 2 O 3 (ITO), ZnO 등 다양하며, 특히 FTO glass가 염료감응형 태양전지에 범용적으로 사용된다. 이러한 투명전도성 기판을 사용할 경우 무겁고, 쉽게 깨지며 휘어진다는 단점이 있다. 유리 기판이 아닌 플라스틱 기판을 사용할 경우, 가볍고, 쉽게 깨지지 않은 뿐만 아니라 유연하기 때문에 roll-to-roll 제조법으로 생산이 가능하다.
약 150-180 ℃ 정도의 내열온도를 가지는 플라스틱 기판에 티타늄 산화물을 도포하기 위해서 저온에서 소성(sintering)이 가능한 다양한 입자 크기의 티타늄 산화물을 제조하여 사용하였다. 입자 크기가 큰 티타늄 산화물을 사용한 결과 빛의 산란 현상으로 인해, 무기 산화물층의 빛의 흡수가 강해져 우수한 단락회로 전류값과 광기전 효율을 얻을 수 있다.
또한 액체전해질 및 반고체전해질을 염료감응형 태양전지에 사용할 경우 누수의 문제점, 장기 안정성의 문제점, 전해질의 증발에 의한 대전극과 상대전극 간의 접촉으로 인한 문제점 등이 있었으나, 본 발명에 따른 플렉시블 염료감응형 태양전지는 종래의 액체 전해질 사용에 의한 용매 누수 및 봉합제에 의한 내구성의 문제를 극복하며 소자 제조의 공정을 단순화하여 경제성을 개선시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조되는 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조 공정을 살펴보면 다음과 같다. 도 14는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 대면적 플렉시블 염료감응형 태양전지의 실제 구동 사진을 도시하고 있다.
실시예
실시예 1 : 저온 산화티타늄 페이스트의 제조
저온 나노 산화티타늄 페이스트는 산화티타늄 페이스트 내의 나노 입자 간의 결합을 향상시키기 위해 에탄올에 분산시킨 나노 입자 산화물 콜로이드 용액에 티타늄 전구체 용액을 첨가하여 사용하였다. 상용 이산화 티탄(Degussa P-25), 에탄올(Ethanol), 아세틸아세톤(acetylacetone)을 1:0.004:0.024 몰비율로 혼합하여 분산시킨 후, 티타늄 전구체 용액은 티타늄 이소프로폭사이드(Titanium isopropoxide), 에탄올, 물(water), 아세틸아세톤을 1 : 10 : 1 : 0.8 몰 비율로 혼합하여 초음파 분산 후 48시간 동안 교반시켰다. 최적화된 티타늄 전구체 용액의 양을 찾기 위해 0.25 ml ~ 2.5 ml 사이에서 변화를 주어 저온 산화티타늄 페이스트를 제조하였다.
실시예 2 : 이중층 무기 산화물층의 제조
실시예 1에서 제조한 20 nm의 입자크기를 가지는 콜로이드 상태의 티타늄 옥사이드 페이스트를 15 ㎜ × 10 ㎜ 크기로 절단하고 세척된 ITO-PEN (Indium-tin oxide - coated polyethylene naphthalate, 13 ohm/sq) 기판 위에 닥터블레이드법(doctor-blade method)을 이용하여 두께가 8 내지 15 ㎛ 정도 되도록 얇게 도포한 후 전기도가니에 넣어 실온에서 140 ℃까지 승온하여 30 분가량 유기물을 제거한 후 다시 실온으로 하강시켰다. 온도 상승속도와 하강속도는 분당 약 5 ℃ 정도였다.
이중층 구조의 무기 산화물층을 제조하기 위해서 형성된 20nm 입경의 산화물층 위에 123 nm의 입자크기를 가지는 티타늄 옥사이드 페이스트를 도포, 건조 및 소성과정을 한번 더 거쳤다.
유기물이 제거되고 이중층의 티타늄 산화물으로만 도포된 기판을 실온의 염료 용액에 24시간 넣어 두어 티타늄 산화물층에 염료가 흡착되도록 하였다. 사용된 염료는 시스-비스(이소티오시아나토)비스(2,2'-비피리딜-4,4'-디카르보실라토) 루테늄(Ⅱ) (cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato)-ruthenium (Ⅱ), 루테늄 535 염료)로서 스위스 Solaronix 사로부터 구입하였다. 루테늄 535 염료 용액은 에탄올 100 ml에 루테늄 535 염료를 20 ㎎의 농도로 녹여서 제조하였다. 티타늄 산화물이 도포된 기판을 위 염료 용액에 24 시간 담근 후 염료가 흡착된 티타늄 산화물 기판을 꺼내고 물리적으로 흡착된 염료층을 제거하기 위 하여 에탄올로 세척한 후 60 ℃에서 건조하여 염료가 흡착된 이중층 구조의 티타늄 산화물 기판을 제조하였다.
실시예 3 : 이중층 무기 산화물층의 제조
실시예 1에서 제조한 20 nm의 입자크기를 가지는 콜로이드 상태의 티타늄 옥사이드 페이스트를 15 ㎜ × 10 ㎜ 크기로 절단하고 세척된 기판 위에 닥터블레이드법(doctor-blade method)을 이용하여 두께가 8 내지 15 ㎛ 정도 되도록 얇게 도포한 후 전기도가니에 넣어 실온에서 140 ℃까지 승온하여 30 분가량 유기물을 제거한 후 다시 실온으로 하강시켰다. 온도 상승속도와 하강속도는 분당 약 5 ℃ 정도였다. 형성된 20nm 입경의 산화물층 위에 200 nm의 입자크기를 가지는 티타늄 옥사이드 페이스트를 도포, 건조 및 소성과정을 한번 더 거쳐 이중층 구조의 티타늄 산화물 기판을 제조하였다.
이중층 구조의 티타늄 산화물 기판에 염료를 흡착시켰으며, 염료 흡착 공정은 실시예 2 공정과 동일하게 실시하였다.
실시예 4 : 고분자를 포함한 전해질 용액의 제조 및 전해질층 제조
폴리(에틸렌글리콜)에틸에테르메타아크릴레이트 (poly(ethyleneglycol)ethylethermethacrylate) 0.16 g, 0.2 몰 농도의 테트라부틸암모늄 아이오다이드(tetrabutylammonium iodide), 0.1 몰 농도의 아이오딘(iodine), 0.3 몰 농도의 1-프로필-3-메틸이미다졸리움 아이오다이드(1-propyl- 3-methylimidazolium iodide)를 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 아세토니트릴(acetonitrile)가 4:1:5의 부피비를 가지는 용매에 혼합하고, 24 시간 동안 교반시켜 고분자 전해질 용액을 제조하였다. 실시예 2에서 제조된 염료가 흡착된 티타늄 산화물 기판위에 마이크로 피펫을 이용하여 0.045 ml의 전해질 용액을 떨어뜨렸다. 이후 용매를 건조시키기 위해 오븐을 이용하여 40 ~ 50 ℃에서 2 ~ 3시간 동안 건조시켜 용매를 증발시켰다.
실시예 5 : 플라스틱 기판을 이용한 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조
실시예 2 및 실시예 3에 따른 염료가 흡착된 이중층 티타늄 산화물 위에 고분자 전해질이 도포된 전극 기판과 헥사클로로플라티늄산(H 2 PtCl 6 ㅇxH 2 O) 수용액과 나트륨보로하이드레이트(NaBH 4 ) 수용액을 처리하여 백금층을 형성함으로써 투명한 백금(Pt)이 코팅된 PEN 필름을 소자 접합하여 투명한 플렉시블 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
실시예 6 : 고분자 나노섬유 전해질을 이용한 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조
고분자 나노섬유를 전해질로 사용하여 플렉시블 염료감응형 태양전지를 제조하였다. 고분자 나노섬유는 전기방사법을 이용하였으며, 폴리비닐리덴플로우라이드 -헥사플로우르프로필렌을 아세톤과 N,N-디메틸아세트아마이드가 7:3의 중량비로 섞인 용액에 용해하여 14kV 전압을 이용하여 유량속도 2ml/h인 상태에서 제조하였다. 제조된 고분자 나노섬유는 45℃에서 24시간 동안 건조기에서 건조를 한 후 사용하였으며 그 두께는 약 20㎛ 이었다.
비교예 1
실시예 1에서 제조한 20 nm의 입자크기를 가지는 콜로이드 상태의 티타늄 옥사이드 페이스트를 15 ㎜ × 10 ㎜ 크기로 절단하고 세척된 ITO-PEN (Indium-tin oxide - coated polyethylene naphthalate, 13 ohm/sq) 기판 위에 닥터블레이드법(doctor-blade method)을 이용하여 두께가 8 내지 15 ㎛ 정도 되도록 얇게 도포한 후 전기도가니에 넣어 실온에서 140 ℃까지 승온하여 30 분가량 유기물을 제거한 후 다시 실온으로 하강시켰다. 온도 상승속도와 하강속도는 분당 약 5 ℃ 정도였다.
티타늄 산화물만 도포된 기판을 실온의 염료 용액에 24시간 넣어 두어 티타늄 산화물층에 염료가 흡착되도록 하였다. 사용된 염료는 시스-비스(이소티오시아나토)비스(2,2'-비피리딜-4,4'-디카르보실라토) 루테늄(Ⅱ) (cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato)-ruthenium (Ⅱ), 루테늄 535 염료)로서 스위스 Solaronix 사로부터 구입하였다. 루테늄 535 염료 용액은 에탄올 100 ml에 루테늄 535 염료를 20 ㎎의 농도로 녹여서 제조하였다. 티타늄 산화물이 도포된 기판을 위 염료 용액에 24 시간 담근 후 염료가 흡착된 티타늄 산 화물 기판을 꺼내고 물리적으로 흡착된 염료층을 제거하기 위하여 에탄올로 세척한 후 60 ℃에서 건조하여 염료가 흡착된 단일층 구조의 티타늄 산화물 기판을 제조하였다.
비교예 2
입경이 123 nm인 콜로이드 상태의 티타늄 옥사이드 페이스트를 사용하여 티타늄 산화물 기판을 제조한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 실시하였다.
비교예 3
입경이 200 nm인 콜로이드 상태의 티타늄 옥사이드 페이스트를 사용하여 티타늄 산화물 기판을 제조한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 실시하였다.
비교예 4
실시예 1에서 제조한 20 nm의 입자크기를 가지는 콜로이드 상태의 티타늄 옥사이드 페이스트를 이용하여 단일층 산화물 기판을 제조한 것을 제외하고는 실시예 6과 동일하게 실시하였다.
비교예 5
시판 중인 저온 산화티타늄(제조: Peccell사)을 사용하여 플렉시블 염료감응형 태양전지를 제조한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 실시하였다.
비교예 6
시판 중인 저온 산화티타늄(제조: Solaronix사)의 저온 산화티타늄을 사용하여 플렉시블 염료감응형 태양전지를 제조한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 실시하였다.
평가 및 결과
무기 산화물 페이스트 제조에 따른 염료감응형 태양전지의 전기특성
표 1은 실시예 1에 따라 티타늄 전구체 용액의 양의 변화에 따른 염료감응형 태양전지의 광기전 특성을 나타내고 있다.
티타늄 전구체 용액의 양에 따라 제조된
플렉시블
염료감응형 태양전지의
광기전
특성
| 티타늄 전구체 용액 (ml) | 개방전압 (V) | 단락전류 (mA/cm 2 ) | Fill Factor | 에너지전환효율 (%) |
| 0.25 | 0.70 | 4.49 | 0.60 | 1.88 |
| 0.50 | 0.74 | 5.76 | 0.66 | 2.79 |
| 0.70 | 0.68 | 4.84 | 0.62 | 2.06 |
| 1.00 | 0.66 | 6.54 | 0.63 | 2.74 |
| 2.00 | 0.64 | 6.07 | 0.64 | 2.51 |
| 2.50 | 0.67 | 5.44 | 0.67 | 2.44 |
표 1을 참조하면, 티타늄 전구체 용액이 0.5 ml 내지 2.5ml에서 단락전류가 높고, 에너지 전환효율이 우수한 광전기 특성을 얻을 수 있다.
도 2는 평균적으로 높은 에너지 전환효율을 얻었던 0.7 ml, 1 ml 그리고 2 ml 의 티타늄 전구체 용액을 첨가한 저온 산화티타늄 페이스트의 X선 회절 그래프를 나타낸다.
도 3(a) 내지 도 3(c)는 BET 비표면적 그래프를 나타내고 그 값을 표 2에 나타내었다.
티타늄 전구체 용액의 양에 따른 저온 산화티타늄 페이스트의
BET
비표면적
| BET surface area (m 2 /g) | Pore volume (cm 3 /g) | Pore diameter (nm) | |
| P-25 powder | 48.37 | 0.34 | 25.75 |
| 0.7 ml | 56.40 | 0.49 | 15.80 |
| 1.0 ml | 59.10 | 0.38 | 15.70 |
| 2.0 ml | 54.80 | 0.15 | 32.40 |
티타늄 전구체 용액을 첨가했을 때, 그렇지 않은 경우보다 더 큰 표면적을 가진다. 그리고 빛을 산란시켜 빛 흡수량을 증가시키기 위해, 광산란 입자로 입경이 수백 nm의 이산화티탄을 제조하였다.
도 4(a) 및 도 4(b)는 다양한 산화물 입자 크기 분포 그래프를 나타내었고, BET 비표면적 결과를 표 3에 정리하였다.
광산란
입자를 포함한 저온 산화티타늄 페이스트의
BET
비표면적
| BET surface area (m 2 /g) | Pore volume (cm 3 /g) | Pore diameter (nm) | |
| P-25 powder | 48.37 | 0.34 | 25.75 |
| 123.7 nm | 68.80 | 0.98 | 3.50 |
| 204.7 nm | 185.00 | 0.60 | 2.00 |
표 3을 참조하면, 수백나노의 이산화 티탄 입자들은 상용 이산화티탄(Degussa P-25)의 20 nm 티타늄 입자보다 증가된 표면적과 기공 부피 값을 가진다는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 실시예 2, 3 및 비교예 1 내지 3에 따른 5가지 종류의 단일층 혹은 이중층 구조로 이루어진 티타늄 산화물층을 포함하는 기판을 도시한다.
도 6과 도 7은 실시예 2, 3 및 비교예 1 내지 3에 따른 5종류의 단일층 혹은 이중층 티타늄 산화물층의 주사선전자현미경으로 측정한 표면 사진과 측정사진을 나타낸다. 상용 이산화티탄으로 제조한 20 nm 크기의 이산화 티타늄층은 비교적 기공이 잘 형성되어 있고, 입자들이 균일하게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다. 반면, 123 nm와 200 nm 크기의 광산란 입자를 가지는 이산화 티타늄층은 상대적으로 입자들이 많이 뭉쳐진 형태를 이루고 있다.
또한 도 7에서 8~15 ㎛ 두께의 단일층 혹은 이중층 무기 산화물층을 형성하고 있는 것을 확인할 수 있다.
표 4에 140 ℃까지 열처리 전과 후, 무기 산화물층 도포 후, 소성 과정을 거친 ITO-PEN 기판의 면저항 측정값을 나타내었다.
ITO
-
PEN
기판의 열처리 전과 후, 무기 산화물층 도포 후의
면저항
측정값
| ITO-PEN (13 Ω/□, 200 ㎛) | Film | Film 140℃ | TiO 2 140℃ |
| Average (Ω) | 18.76 | 18.27 | 20.95 |
무기 산화물층 형성 시 약간의 면저항 값이 증가했지만 그 변화가 크지 않다. 따라서 무기 산화물층이 도포된 플렉시블 기판의 경우에도 소성한 이후 면저항이 크게 증가하지 않아 전기적 성질에 큰 변화가 없음을 확인할 수 있다.
도 8과 도 9는 5종류의 단일층 혹은 이중층 티타늄 산화물층과 염료를 흡착시킨 티타늄 산화물층의 UV 흡수 스펙트럼을 나타내었다. 광산란 입자를 사용한 이중층 구조의 티타늄 산화물층을 가질 경우 전 파장에서 높은 흡수값을 가지는 것을 확인할 수 있고, 특히 600 nm 이상의 장파장 영역에서 광산란 입자가 빛을 산란시켜 빛 흡수량을 증가한 것을 확인할 수 있다.
또한 도 8에 비하여 염료를 흡착시킨 도 9의 흡수값이 더 크며, 이것으로 단일층 혹은 이중층 티타늄 산화물층에 흡착된 염료의 효과를 관찰할 수 있다.
도 10과 도 11은 실시예 2, 3 및 비교예 1 내지 3에 따른 5종류의 단일층 혹은 이중층 티타늄 산화물층과 염료를 흡착시킨 티타늄 산화물층의 UV 투과 스펙트럼을 나타내었다. UV 흡수 스펙트럼과 마찬가지로 광산란 입자를 사용한 이중층 구조의 티타늄 산화물층을 가질 경우(실시예 2, 3) 광산란 입자의 빛 산란 효과에 의해 전 파장에서 낮은 투과값을 가지는 것을 확인할 수 있다.
플렉시블 염료감응형 태양전지의 전기광학 특성
실시예를 통하여 제조된 각각의 플렉시블 염료감응형 태양전지에 대한 전기 광학적 특성을 측정하였다. 각각의 고분자 섬유가 포함되어 있는 전해질을 포함하는 염료감응형 태양전지의 전압-전류 밀도는 Keithley와 150W의 제논램프를 탑재하고 표준 실리콘 셀을 이용하여 보정한 Solar simulator (PEC-L11, PECCELL)를 사용하여 표준 조건 (AM 1.5, 100 ㎽/㎠, 25 ℃)으로 측정하였다.
도 12는 전류-전압 그래프를 나타내었으며, 광기전 특성을 표 5에 나타내었다.
플렉시블
염료감응형 태양전지의
광기전
특성
| 개방전압 (V) | 단락전류 (mA/cm 2 ) | Fill Factor | 에너지전환효율 (%) | |
| 실시예 1 | 0.67 | 7.58 | 0.65 | 3.29 |
| 실시예 2 | 0.73 | 9.29 | 0.65 | 4.41 |
| 비교예 1 | 0.75 | 6.03 | 0.69 | 3.12 |
| 비교예 2 | 0.70 | 3.52 | 0.67 | 1.65 |
| 비교예 3 | 0.75 | 3.65 | 0.63 | 1.72 |
표 5를 참조하면, 단일층 티타늄을 사용한 경우(비교예 1 내지 3)보다 이중층 티타늄 산화물을 사용한 경우(실시예 1, 2) 더 향상된 광기전 특성을 나타내었다. 실시예 2에 따르면, 개방 전압(V oc ), 단락 전류(J sc ), fill 계수(fill factor), 에너지 전환효율은 각각 0.73 V, 9.29 mA/cm 2 , 0.65, 및 4.41 %로 최대치를 얻었다.
실시예 6을 통하여 제조된 플렉시블 염료감응형 태양전지에 대한 전기 광학적 특성을 측정하였다. 도 13은 본 발명의 실시예 6 및 비교예 4에 따라 제조된 단일층 혹은 이중층 구조로 이루어진 티타늄 산화물에 고분자 나노섬유 전해질을 적용한 플렉시블 염료감응형 태양전지의 전류-전압 그래프이다. 도 13을 참조하면, 고분자 나노섬유를 전해질로 사용함으로써 전류값을 높이는 향상된 결과를 확인할 수 있다.
실시예 6 및 비교예 4에 따른 개방전압, 단락전류, Fill Factor, 에너지 전화효율 측정결과를 표 6에 나타내었다.
전기방사법으로 제조된 고분자 나노섬유를 전해질로 사용한
플렉시블
염료감
응형 태양전지의
광기전
특성
| 개방전압 (V) | 단락전류 (mA/cm 2 ) | Fill Factor | 에너지전환효율 (%) | |
| 실시예 6 | 0.74 | 11.3 | 0.58 | 4.81 |
| 비교예 4 | 0.77 | 8.35 | 0.60 | 3.82 |
표 6을 참조하면, 위의 실시예의 결과와 마찬가지로 단일층보다 이중층 티타늄 산화물을 사용한 경우 더 향상된 광기전 특성을 나타냈으며, 개방 전압(V oc ), 단락 전류(J sc ), fill 계수(fill factor), 에너지 전환효율은 각각 0.74 V, 11.3 mA/cm 2 , 0.58, 및 4.81 %로 최대치를 얻었다.
표 7은 본 실시예를 통해서 제조한 플렉시블 염료감응형 태양전지와 Peccell사와 Solaronix사에서 저온 산화티타늄 페이스트를 구입하여 제조한 플렉시블 염료감응형 태양전지의 광기전 특성이다.
시판 중인 저온 산화티타늄 페이스트를 사용한
플렉시블
염료감응형 태양전지의
광기전
특성
| 개방전압 (V) | 단락전류 (mA/cm 2 ) | Fill Factor | 에너지전환효율 (%) | |
| 비교예 5 | 0.51 | 0.61 | 0.59 | 0.18 |
| 비교예 6 | 0.65 | 8.04 | 0.50 | 2.61 |
표 7을 참조하면, 기존에 시판 중인 저온 산화티타늄 페이스트를 이용하여 소자를 제조하는 경우 본 발명의 소자에 비하여 개방전압, 단략전류, 에너지 전환효율이 낮음을 확인할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 플렉시블 염료감응형 태양전지는 시판 중인 저온 산화물 티타늄 페이스트를 이용하는 경우보다 개선된 광기전 특성을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따라 제조되는 플렉시블 염료감응형 태양전지의 구조를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 0.7ml, 1ml, 2ml의 티타늄 전구체 용액을 첨가한 저온 산화티타늄 페이스트의 X선 회절 그래프이다.
도 3a ~ 도 3c는 각각 본 발명의 실시예에 따라 0.7ml, 1ml, 2ml의 티타늄 전구체 용액을 첨가한 저온 산화티타늄 페이스트의 BET 비표면적 그래프이다.
도 4a ~ 도 4b는 각각 본 발명의 실시예에 따라 광산란 입자로 사용한 수백 나노 크기를 갖는 이산화티탄의 입자 크기 분포 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 5가지 종류의 단일층 혹은 이중층 구조로 이루어진 티타늄 산화물층의 구조이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 5가지 종류의 단일층 혹은 이중층 구조로 이루어진 티타늄 산화물의 표면을 측정한 SEM 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 5가지 종류의 단일층 혹은 이중층 구조로 이루어진 티타늄 산화물의 측면을 측정한 SEM 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 5가지 종류의 단일층 혹은 이중층 구조로 이루어진 티타늄 산화물의 UV 흡수 스펙트럼 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 5가지 종류의 단일층 혹은 이중층 구조로 이루어진 염료를 흡착시킨 티타늄 산화물의 UV 흡수 스펙트럼 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 5가지 종류의 단일층 혹은 이중층 구조로 이루어진 티타늄 산화물의 투과 스펙트럼 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 5가지 종류의 단일층 혹은 이중층 구조로 이루어진 염료를 흡착시킨 티타늄 산화물의 투과 스펙트럼 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 플렉시블 염료감응형 태양전지의 전류-전압 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 단일층 혹은 이중층 구조로 이루어진 티타늄 산화물에 고분자 나노섬유 전해질을 적용한 플렉시블 염료감응형 태양전지의 전류-전압 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 대면적 플렉시블 염료감응형 태양전지의 실제 구동 사진이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
101 : 제 1 기판 102 : 제 1 전극
103 : 무기 산화물층 104 : 무기산화물 산란층
105 : 고분자 전해질층 106 : 제 2 전극
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