KR100722085B1 - 전기영동법으로 형성된 탄소나노튜브를 포함하는 태양 전지및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기영동법으로 형성된 탄소나노튜브를 포함하는 태양 전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기영동법을 이용하여 탄소나노튜브층을 반도체층 상에 따로 적층하거나 또는 탄소나노튜브를 반도체층과 혼합된 형태로 형성함으로써 탄소나노튜브의 손상을 방지한 태양 전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 태양 전지는 탄소나노튜브의 뛰어난 전기 전도 특성이 그대로 유지됨으로써 전자 전달 성능이 개선되고 전자의 축적 및 역반응이 억제되어 우수한 광전효율을 나타낸다.
전기영동법, 탄소나노튜브, 태양전지, 염료감응형, 전자 전달 성능, 광전효율
Description
도 1은 종래 기술에 따른 태양 전지의 단면 개략도이고,
도 2는 질소 분위기 하에서의 탄소나노튜브의 열중량 분석(TGA) 결과를 나타낸 그래프이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 단면 개략도이고,
도 4는 반도체층이 평면(a) 또는 요철(b) 구조로 형성된 본 발명의 태양 전지의 단면 개략도이고,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 단면 개략도이고,
도 6(a) 및 6(b)는 본 발명의 일 양상에 따른 태양 전지의 제조공정 개략도이고,
도 7은 본 발명의 다른 양상에 따른 태양 전지의 제조공정 개략도이고,
도 8은 본 발명의 실시예 1에서 제조한 태양 전지의 탄소나노튜브층이 적층된 반도체층의 표면을 촬영한 주사 전자 현미경(SEM) 사진이고,
도 9는 본 발명의 실시예 2에서 제조한 태양 전지의 단면을 촬영한 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
101, 201: 투명 전극 102, 202: 전해질 103, 203: 대향전극
104: 광흡수층 105: 금속 산화물 205: 반도체층
206: 탄소나노튜브 107, 207: 염료 108: 반도체 전극
본 발명은 전기영동법으로 형성된 탄소나노튜브를 포함하는 태양 전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기영동법을 이용하여 탄소나노튜브층을 반도체층 상에 따로 적층하거나 또는 탄소나노튜브를 반도체층과 혼합된 형태로 형성함으로써 개선된 전자 전달 성능 및 광전효율을 나타내는 태양 전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 들어 직면하는 에너지 문제를 해결하기 위하여 기존의 화석연료를 대체할 수 있는 대체 에너지원에 대한 다양한 연구가 진행되어 오고 있다. 특히 수십년 이내에 고갈될 석유 자원을 대체하기 위하여 풍력, 원자력, 태양력 등의 자연 에너지를 활용하기 위한 광범위한 연구가 진행되어 오고 있다. 이들 중 태양 에너지를 이용한 태양 전지는 기타 다른 에너지원과 달리 무한하고 환경 친화적이므로 1983년 Se 태양 전지가 개발된 이후로 최근에는 실리콘 태양 전지가 각광을 받고 있다.
그러나 이와 같은 실리콘 태양 전지는 제작 비용이 상당히 고가이기 때문에 실용화가 곤란하고, 전지효율을 개선하는데도 많은 어려움이 따르고 있다. 이러한 문제를 극복하기 위하여 제작 비용이 현저히 저렴한 염료감응형 태양 전지의 개발이 적극 검토되어 오고 있다.
염료감응 태양 전지는 실리콘 태양 전지와는 달리 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료 분자, 생성된 전자를 전달하는 전이 금속 산화물을 주된 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양 전지이다. 지금까지 알려진 염료감응 태양 전지 중 대표적인 예로는 1991년 스위스의 그라첼 등에 의해 발표된 것이 있다. 그라첼 등에 의한 태양 전지는 염료 분자가 입혀진 나노입자 이산화티탄으로 이루어지는 반도체 전극, 대향전극(백금 전극) 및 그 사이에 채워진 전해질로 구성되어 있다. 이 전지는 기존의 실리콘 전지에 비하여 전력당 제조원가가 저렴하기 때문에 기존의 태양 전지를 대체할 수 있는 가능성이 있다는 점에서 주목을 받아왔다.
이와 같은 기존의 염료감응 태양 전지의 구조를 도 1에 나타낸다. 도 1을 참조하면, 염료감응 태양 전지는 투명 전극(101) 및 광흡수층(104)으로 이루어지는 반도체 전극(108), 전해질(102) 및 대향전극(103)을 포함하며, 상기 광흡수층(104)은 일반적으로 금속산화물(105) 및 염료(107)를 포함하여 형성된다.
상기 광흡수층(104)에서, 상기 염료(107)는 각각 중성(S), 전이 상태(S*) 및 이온 상태(S+)를 나타내고, 태양빛이 흡수되면 염료 분자는 기저 상태(S/S+)에서 여기 상태(S*/S+)로 전자 전이하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 이루며, 여기 상태의 전자는 상기 금속산화물(105)의 전도대(Conduction Band: CB)로 주입되어 기전력을 발생하게 된다.
그러나, 여기 상태의 전자가 모두 상기 금속산화물(105)의 전도대로 이동하는 것은 아니고, 다시 염료 분자와 결합하여 기저 상태로 돌아가거나, 전도대로 이동한 전자가 다시 전해질 내의 산화 환원 커플링과 결합하는 등의 역반응(recombination reaction)이 발생하여 광전효율을 저하시킴으로써 기전력을 감소시키는 원인이 되고 있다. 따라서, 이와 같은 전자의 역반응을 억제함으로써 전극의 전기전도도를 향상시켜 태양전지의 광전효율을 개선하는 것이 주요한 문제로서 대두되고 있다.
이와 관련하여 전극의 전기전도도 및 광전효율을 향상시키기 위해 전자전달촉진자의 역할을 하는 단일벽 탄소나노튜브(SWCNTs)를 TiO2 와 혼합하여 반도체층을 형성시킨 태양 전지가 제안된 바 있다(Song-Rim Jang, R. Vittal, and Kang-Jin Kim. 2004. Incorporation of Functionalized Single-Wall Carbon Nanotubes in Dye-Sensitized TiO2 Solar Cells. Langnuir. 20. 9807-9810). 그러나, 상기 태양 전지는 질소 분위기 하에서 탄소나노튜브를 TiO2와 함께, 탄소나노튜브의 붕괴가 일어나는 온도(280~430℃, 도 2 참조) 그 이상의 높은 온도에서 장시간 동안 소성과정을 거쳐 반도체층을 형성하기 때문에, 탄소나노튜브가 크게 손상되어 목적하는 효과를 얻을 수 없는 문제점이 있으며, 균일한 탄소나노튜브의 분산이 어려울 뿐만 아니라 플라스틱 등의 플렉서블한 기판에는 적용할 수 없다는 단점이 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 반도체층 상에 탄소나노튜브층을 따로 적층하여 탄소나노튜브의 특성이 그대로 유지될 수 있도록 함으로써 전자 전달 성능 및 광전효율을 향상시킨 태양 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전기영동법을 이용하여 탄소나노튜브층을 반도체층 상에 따로 적층하거나 또는 탄소나노튜브를 반도체층과 함께 혼합된 형태로 형성함으로써 개선된 전자 전달 성능 및 광전효율을 나타내는 태양 전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은 투명 전극, 반도체층, 염료, 대향 전극 및 전해질을 포함하는 태양 전지에 있어서, 상기 반도체층 상에 형성된 탄소나노튜브층을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지에 관계한다.
상기 다른 목적을 해결하기 위한 본 발명의 다른 양상은 태양 전지의 제조방법에 있어서, 투명 전극의 일면 상에 반도체층을 형성한 후 상기 반도체층 상에 탄소나노튜브층을 전기영동법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조방법에 관계한다.
상기 다른 목적을 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 양상은 태양 전지의 제조방법에 있어서, 투명 전극의 일면 상에 전기영동법으로 반도체층과 탄소나노튜브를 혼합된 형태로 형성하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조방법에 관계한다.
이하에서 첨부 도면을 참고하여 본 발명에 관하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 태양 전지는, 탄소나노튜브의 우수한 전기 전도 특성이 그대로 유지되도록 하여 전자 전달 성능을 개선함으로써 향상된 광전효율을 나타내도록 반도체층 상에 전기영동법으로 형성된 탄소나노튜브층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 태양 전지의 단면 개략도이다. 도 3을 참고하면, 본 발명의 태양 전지는 기판 위에 전도성 물질이 코팅된 투명 전극(201); 상기 투명 전극 상에 형성된 반도체층(205); 상기 반도체층 상에 적층된 탄소나노튜브(206); 상기 반도체층 표면에 흡착된 염료(207); 상기 투명 전극과 마주보도록 배치된 대향전극(203); 및 상기 투명 전극 및 대향전극 사이의 공간에 매립된 전해질(202)을 포함하여 형성된다.
본 발명에 따른 태양 전지는 반도체층 상에 전자전달촉진자로서의 역할을 하는 탄소나노튜브층을 따로 포함함으로써 염료에서 발생된 전자가 금속산화물의 반도체로 더욱 원활하게 전달될 수 있도록 하고, 상기 반도체층(205) 내에서의 전자의 이동 또한 더욱 용이해지도록 하며, 결국 전자의 축적 및 역반응(recombination reaction)을 억제하여 향상된 광전효율을 나타낸다.
본 발명의 태양 전지에 포함되는 탄소나노튜브(206)는 전기영동법(electrophoretic deposition)을 이용하여 반도체층 위에 형성됨을 특징으로 한다. 이와 같이 전기영동법을 이용하여 탄소나노튜브를 반도체층 위에 따로 적층하게 되면 고온에서의 소성 과정을 거칠 필요가 없기 때문에 탄소나노튜브가 손상될 염려가 없어 탄소나노튜브의 우수한 전기 전도 특성을 그대로 유지할 수 있다.
구체적으로, 상기 탄소나노튜브(206)는 0.001 내지 0.02 V/㎛ 의 전압을 10 내지 180초 동안 인가하는 전기영동처리를 통해 다공성의 금속 산화물 반도체층 위에 직접 부착된다.
상기 탄소나노튜브로는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
한편, 본 발명의 태양 전지에서 반도체층(205)은 다공성의 금속 산화물로 이루어진 것을 사용할 수 있으며, 구체적으로는 티타늄 산화물, 니오븀 산화물, 하프늄 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물 및 아연 산화물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 상기 금속 산화물들은 단독 또는 2가지 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 티타늄 산화물(TiO2)을 사용할 수 있다.
상기 반도체층(205)을 이루는 금속 산화물은 표면에 흡착된 염료가 보다 많은 빛을 흡수하고 전해질층과의 흡착 정도를 향상시키기 위하여 표면적을 크게 하는 것이 바람직하므로, 나노튜브, 나노와이어, 나노벨트 또는 나노입자와 같은 나노구조를 가지는 것이 바람직하다.
또한 상기 반도체층(205)은 도 4에 도시한 바와 같이 그 표면을 평면 구조 또는 요철 구조로 형성할 수 있다. 특히 요철 구조로 형성할 경우에는 표면적이 증가함으로써 염료, 탄소나노튜브 및 전해질과의 충분한 흡착이 이루어질 수 있다. 상기 요철 구조로는 계단 형상, 침상, 메쉬 형상, 스카 형상 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 반도체층(205)은 입자 크기가 다른 2종류의 금속 산화물을 이용하여 이층으로 형성하거나 또는 단층으로 형성할 수 있다. 바람직하게는 9~20nm 크기의 금속 산화물을 10~20㎛, 200~400nm 크기의 금속 산화물을 3~5㎛ 두께의 이층으로 형성한다. 이 때, 보다 큰 입자 크기의 금속 산화물층은 작은 입자 크기의 금속 산화물층을 투과하여 통과한 빛을 산란하여 다시 작은 입자 크기의 금속 산화물층으로 되돌림으로써, 광의 투과도를 개선하는 역할을 한다.
한편, 본 발명의 태양 전지는 도 5에 도시된 바와 같이 상기 반도체층(205)과 탄소나노튜브층(206)이 교대로 반복되는 다층 구조로 형성될 수도 있다.
본 발명의 태양 전지에서 투명 전극(201)은 기판 위에 전도성 물질이 코팅되어 형성되는데, 상기 기판으로는 투명성을 갖고 있는 것이면 특별히 한정되지 않으며, 구체적으로는 플라스틱 또는 유리를 사용할 수 있다. 또한, 상기 기판 상에 코팅되는 전도성 물질로는 인듐틴 옥사이드(ITO), 플로린 도핑된 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 등을 예로 들 수 있다.
본 발명의 태양 전지는 상기 반도체층 표면에 염료(207)가 흡착되어 형성된다. 이와 같은 염료(207)는 광을 흡수함으로써 기저상태에서 여기상태로 전자 전이하여 전자-홀 쌍을 이루게 되며, 여기상태의 전자는 상기 금속 산화물의 반도체층 전도대로 주입된 후 전극으로 이동하여 기전력을 발생하게 된다.
이와 같은 염료(207)로서는 태양 전지 분야에서 일반적으로 사용되는 것이라면 아무 제한 없이 사용할 수 있으나, 루테늄 착물이 바람직하다. 그러나 전하 분리기능을 갖고 감응 작용을 나타내는 것이면 특별히 한정되지 않으며, 루테늄 착물 이외에도 로다민 B, 로즈벤갈, 에오신, 에리스로신 등의 크산틴계 색소, 퀴노시아닌, 크립토시아닌 등의 시아닌계 색소, 페노사프라닌, 카프리블루, 티오신, 메틸렌블루 등의 염기성 염료, 클로로필, 아연 포르피린, 마그네슘 포르피린 등의 포르피린계 화합물, 기타 아조 색소, 프탈로시아닌 화합물, Ru 트리스비피리딜 등의 착화합물, 안트라퀴논계 색소, 다환퀴논계 색소 등을 들 수 있으며, 이들을 단독 또는 두가지 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 루테늄 착물로서는 RuL2(SCN)2, RuL2(H2O)2, RuL3, RuL2 등을 사용할 수 있다(식 중, L은 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복실레이트 등을 나타낸다).
본 발명의 태양 전지에서 전해질(202)은 전해액으로 이루어지고, 예를 들면 요오드의 아세토나이트릴 용액, NMP(N-Metyl-2-Pyrrolidone) 용액, 3-메톡시프로피오나이트릴 용액 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 홀 전도 기능이 있는 것이라면 어느 것이나 제한 없이 사용할 수 있다.
본 발명의 태양 전지에서 대향전극(203)은 도전성 물질이면 어느 것이나 제한 없이 사용가능하나, 절연성 물질이라도 투명 전극에 마주보고 있는 측에 도전층이 설치되어 있으면 이것도 사용가능하다. 단, 전기화학적으로 안정한 재료를 전극으로서 사용하는 것이 바람직하며, 구체적으로는 백금, 금 및 카본 등을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 산화환원의 촉매 효과를 향상시킬 목적으로 투명 전극과 마주보고 있 는 측은 미세구조로 표면적이 증대하고 있는 것이 바람직하며, 예를 들어 백금이면 백금흑 상태로, 카본이며 다공질 상태로 되어 있는 것이 바람직하다. 백금흑 상태는 백금의 양극 산화법, 염화백금산 처리 등에 의해, 또한 다공질 상태의 카본은 카본 미립자의 소결이나 유기 폴리머의 소성 등의 방법에 의해 형성할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 태양 전지의 일 제조방법은 종래 태양 전지를 제조하는 방법에 있어서, 투명 전극의 일면 상에 반도체층을 형성한 후 상기 반도체층 상에 탄소나노튜브층을 전기영동법으로 따로 형성함을 특징으로 한다.
보다 구체적으로, 상기 본 발명의 태양 전지의 제조방법은 하기의 단계를 포함하여 이루어진다:
(a) 투명 전극의 일면 상에 반도체층을 형성하는 단계;
(b) 상기 반도체층 상에 탄소나노튜브층을 전기영동법으로 형성하는 단계;
(c) 상기 반도체층 표면에 염료를 흡착시키는 단계; 및
(d) 상기 전도성 투명전극과 마주보도록 대향전극을 배치시킨 후 상기 전도성 투명전극과 상기 대향전극 사이에 전해질을 매립하는 단계.
도 6(a) 및 6(b)는 이러한 본 발명의 태양 전지의 제조공정을 간략히 도시하고 있다. 상기 본 발명의 태양 전지의 제조방법은 우수한 전기 전도 특성을 갖는 탄소나노튜브를 반도체층 위에 전기영동법을 이용하여 따로 적층하기 때문에 탄소나노튜브가 소성 과정을 거칠 필요가 없어 그 특성이 저하되지 않고 그대로 유지되 는 커다란 이점이 있다.
이하, 상기 본 발명의 태양 전지의 제조방법의 각 단계에 대하여 자세히 설명한다.
(a) 단계;
먼저 전도성 물질이 코팅된 투명 전극을 준비한 다음, 금속 산화물의 반도체층을 상기 투명 전극의 일면 상에 형성한다.
이 때, 상기 반도체층을 형성하는 방법으로는 일반적인 코팅 방법, 예를 들어 스프레잉, 스핀 코팅, 딥핑, 프린팅, 닥터블레이딩, 스퍼터링 등의 방법을 이용하거나 또는 전기영동법을 이용할 수 있다.
일반적인 코팅 방법을 이용하여 반도체층을 형성하는 경우에는, 종래 잘 알려져 있는 바와 같이 상기 코팅이 끝난 후 건조 및 소성과정을 거치게 되며, 상기 건조 단계는 약 50 내지 150 ℃에서, 상기 소성 단계는 약 400 내지 500 ℃에서 수행될 수 있다.
반면 전기영동법을 이용하여 반도체층을 형성하는 경우에는, 특별히 소성 과정을 거칠 필요가 없으며, 상기 전기영동 처리조건은 0.001 내지 0.02 V/㎛ 의 전압을 10 내지 180초 동안 인가하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 태양 전지의 제조방법에서, 상기 반도체층은 표면적을 증가시켜 염료, 탄소나노튜브 및 전해질과의 흡착 정도를 향상시키기 위해 그 표면을 평면 구조 또는 요철 구조로 형성할 수 있다. 상기 요철 구조로는 계단 형상, 침상, 메쉬 형상, 스카 형상 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 반도체층은 광의 투과도를 개선하기 위하여, 입자 크기가 다른 2종류의 금속 산화물을 이용하여 2층으로 형성하거나 또는 단층으로 형성할 수 있다. 바람직하게는 9~100nm 크기의 금속 산화물을 10~20㎛, 200~400nm 크기의 금속 산화물을 3~5㎛ 두께의 2층으로 형성한다.
(b) 단계;
이 단계에서는 투명 전극의 일면 상에 형성된 반도체층 위에 전기영동법으로 탄소나노튜브를 적층한다. 이 때, 탄소나노튜브층을 반도체층 상에 형성하기 위한 구체적인 전기영동 처리조건은, 0.001 내지 0.02 V/㎛ 의 전압을 10 내지 180초 동안 인가하는 것이다.
이 때, 탄소나노튜브는 전기영동시 상기 반도체층 표면에 잘 부착될 수 있도록 이를 산처리한 후 증류수 또는 소정의 용매 내에서 분산시켜 금속 양이온과 결합된 이온 상태로 만들어 사용하는 것이 바람직하다. 상기 탄소나노튜브를 이온 상태로 만드는 방법으로는 본 기술분야에서 통상적으로 사용되는 방법을 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 탄소나노튜브를 산처리하여 음전하를 갖게 한 다음 이를 MgO·H2O 용매에서 일정시간 분산시켜 양전하를 띠는 마그네슘 이온과 결합(CNT-Mg+)시키는 방법을 사용할 수 있다.
한편, 본 발명의 태양 전지의 제조방법은 상기 (a) 반도체층을 형성하는 단계 및 상기 (b) 반도체층 상에 탄소나노튜브층을 전기영동법으로 형성하는 단계를 교대로 반복하는 단계를 추가로 포함할 수도 있다. 바람직하게는 2회 내지 10회 정도 반복할 수 있다. 상기 방법에 의해 제조되는 태양 전지는 반도체층과 탄소나노튜브층이 교대로 반복되는 다층 구조를 갖게 된다.
(c) 단계;
이 단계는 종래 기술분야에서 널리 알려져 있는 방법에 따라 그 상부에 탄소나노튜브층이 적층된 반도체층을 광감응성 염료를 함유하는 용액에 12시간 이상 함침함으로써 수행될 수 있다. 광감응성 염료를 함유하는 용액에 사용되는 용매로서는, 터셔리부틸알콜, 아세토니트릴, 이들의 혼합물 등을 예로 들 수 있다.
(d) 단계;
이 단계는 종래 기술분야에서 널리 알려져 있는 방법에 따라 전도성 투명 전극과 대향전극을 접착제를 사용하여 서로 면 접합시킨 후, 상기 대향전극을 관통하는 미세 구멍을 형성하고 이 구멍을 통해 두 전극 사이의 공간에 전해질 용액을 주입한 다음, 다시 구멍의 외부를 접착제로 밀봉함으로써 수행될 수 있다. 이 때, 접착제로는 열가소성 고분자 필름(예: SURLYN(Du Pont 사 제조)), 에폭시 수지 또는 자외선(UV) 경화제 등을 사용할 수 있으며, 이러한 열가소성 고분자 필름 등을 두 전극 사이에 위치시킨 후 가열 압착하여 밀폐시킨다.
또한, 본 발명은 상술한 바와 같이 탄소나노튜브층이 반도체층 상에 전기영동법을 이용하여 따로 적층된 구조의 태양 전지를 제조하는 방법 뿐만 아니라, 전기영동법을 이용하여 탄소나노튜브와 반도체층이 혼합된 형태로 투명 전극 상에 형성되는 구조의 태양 전지를 제조하는 방법 또한 제공한다.
즉, 본 발명에 따른 태양 전지의 다른 제조방법은 종래 태양 전지를 제조하는 방법에 있어서, 투명 전극의 일면 상에 전기영동법으로 반도체층과 탄소나노튜브를 혼합된 형태로 형성하는 것을 특징으로 한다.
보다 구체적으로 상기 본 발명의 태양 전지의 제조방법은 하기의 단계를 포함하여 이루어진다:
(a) 투명 전극의 일면 상에 전기영동법으로 반도체층과 탄소나노튜브를 혼합된 형태로 형성하는 단계;
(b) 상기 반도체층 표면에 염료를 흡착시키는 단계; 및
(c) 상기 전도성 투명전극과 마주보도록 대향전극을 배치시킨 후 상기 전도성 투명전극과 상기 대향전극 사이에 전해질을 매립하는 단계.
상기 본 발명의 태양 전지의 제조방법은 도 7에 나타낸 바와 같이, 앞서 기술한 본 발명의 태양 전지의 제조방법(도 6 참조)과 달리 반도체층과 탄소나노튜브를 함께 혼합하여 전기영동법으로 투명 전극의 일면 상에 형성함을 특징으로 한다. 다만, 마찬가지로 소성의 과정을 거칠 필요가 없기 때문에 탄소나노튜브의 우수한 전기 전도 특성이 그대로 유지되어 상기 방법에 의해 제조된 본 발명의 태양 전지 또한 개선된 전자 전달 성능 및 광전효율을 나타낸다.
상기 (a) 단계에서는 투명 전극의 일면 상에 전기영동법으로 반도체층과 탄소나노튜브를 혼합된 형태로 형성한다. 상기의 구체적인 전기영동 처리조건은, 0.001 내지 0.02 V/㎛ 의 전압을 10 내지 180초 동안 인가하는 것이다.
보다 구체적으로는 전기영동상에 반도체층을 이루는 금속산화물과 이온상태로 만든 탄소나노튜브를 함께 배치한 후 0.001 내지 0.02 V/㎛ 의 전압을 10 내지 180초 동안 인가하여 투명 전극의 일면 상에 상기 반도체층과 탄소나노튜브가 함께 혼합된 형태로 형성되도록 한다. 이 때, 탄소나노튜브를 이온상태로 만드는 방법은 앞서 기술한 내용과 동일하다.
상기 본 발명의 태양 전지의 제조방법에서, 투명 전극의 일면 상에 전기영동법으로 반도체층과 탄소나노튜브를 혼합된 형태로 형성하는 단계를 제외하고는 나머지 (b) 및 (c) 단계는 앞서 기술한 바와 같이 종래 기술분야에 알려져 있는 통상의 방법을 제한 없이 사용할 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 태양 전지의 제조방법들에서, 투명 전극, 반도체층, 탄소나노튜브, 염료, 전해질 및 대향전극의 구체적인 종류, 형태 등에 관한 내용은 상술한 상기 본 발명의 태양 전지에 대하여 설명한 내용과 동일하다.
이하에서 실시예를 들어 본 발명에 관하여 더욱 상세하게 설명하나, 이들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로, 본 발명의 보호범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
실시예
1
유리 기판 상에 스퍼터를 사용하여 플로린 도핑된 틴 옥사이드(FTO)를 도포한 후, 입경 13nm 크기의 TiO2 입자 페이스트를 스크린 프린팅법을 이용하여 도포하고 450 ℃에서 30분간 소성하여 약 15㎛ 두께의 다공성 TiO2 막을 제작하였다. 이어서 탄소나노튜브를 HCl, HNO3 등의 산으로 처리한 후 MgO·H2O 용매에서 0.5 시간 동안 분산시켜 이온 상태로 만든 다음, 전기영동 상에서 0.006 V/㎛ 의 전압을 30초 동안 인가하여 상기 TiO2 막 위에 부착하였다. 이와 같이 탄소나노튜브가 적층된 TiO2 층의 표면을 주사 전자 현미경(SEM)으로 촬영하여 도 8에 도시하였다. 도 8에서 확인되는 바와 같이 TiO2 층의 표면에 탄소나노튜브가 형성되어 있음을 알 수 있다. 이어서, 0.3mM 농도의 루테늄 디티오시아네이트 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복실레이트 용액에 24시간 침지한 후 건조시켜 상기 염료를 TiO2 층 표면에 흡착시킴으로써 반도체 전극을 제조하였다.
그 다음 플로린 도핑된 틴 옥사이드(FTO)가 코팅된 유리 기판 상에 스퍼터를 이용하여 백금 막을 증착하고, 전해질 주입을 위해 1 mm 직경의 드릴을 이용하여 미세 구멍을 만들어 대향전극을 제조하였다. 이어서 상기 대향전극(양극)과 반도체 전극(음극) 사이에 SURLYN(Du Pont사 제조)으로 이루어지는 약 40미크론 두께의 고분자를 놓고 약 100 내지 140℃ 의 가열판 상에서 약 1 내지 3 기압으로 상기 두 전극을 밀착시켰다. 다음으로 상기 대향전극의 표면에 형성된 미세 구멍을 통하여 상기 두 전극 사이의 공간에 전해질 용액을 충진하여 본 발명에 따른 태양 전지를 완성하였다. 이 때, 상기 전해질 용액으로는 0.6M의 1,2-디메틸-3-옥틸-이미다졸륨 아이오다이드, 0.2M LiIl, 0.04M I2 및 0.2M 4-tert-부틸-피리딘(TBP)을 아세토나이트릴에 용해시킨 I3 -/I- 의 전해질 용액을 사용하였다.
실시예
2
상기 실시예 1에서 TiO2 층을 입경 13nm 크기의 TiO2 입자 페이스트로 3㎛, 입경 300nm 크기의 TiO2 입자 페이스트로 12㎛ 적층하여 2층으로 형성시킨 것을 제외하고는 동일한 과정을 수행하여 태양 전지를 제조하였다.
실시예
3
상기 실시예 1에서 전기영동 처리조건을 0.006 V/㎛ 의 전압, 60초로 하여 탄소나노튜브층을 형성한 것을 제외하고는 동일한 과정을 수행하여 태양 전지를 제조하였다.
실시예
4
상기 실시예 2에서 전기영동 처리조건을 0.006 V/㎛ 의 전압, 60초로 하여 탄소나노튜브층을 형성한 것을 제외하고는 동일한 과정을 수행하여 태양 전지를 제 조하였다.
비교예
1
상기 실시예 1에서 탄소나노튜브를 형성하지 않은 것을 제외하고는 동일한 과정을 수행하여 태양 전지를 제조하였다.
[태양 전지의 특성 평가]
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에서 제조한 소자의 광전효율을 측정하기 위하여 광전압 및 광전류를 측정하였다.
광원으로는 제논 램프(Xenon lamp, Oriel, 01193)를 사용하였으며, 상기 제논 램프의 태양 조건(AM 1.5)은 표준 태양 전지(Furnhofer Institute Solare Engeriessysteme, Certificate No. C-ISE369, Type of material: Mono-Si + KG 필터)를 사용하여 보정하였다. 측정된 광전류 전압 곡선으로부터 계산된 전류밀도(Isc), 전압(Voc) 및 충진 계수(fill factor, FF)를 하기 광전환 효율 계산식을 통해 계산한 광전환 효율(ηe)을 하기 표 1에 나타내었다.
ηe = (Voc·Isc·FF)/(Pinc)
상기 식에서, Pinc는 100mw/cm2(1sun)을 나타낸다.
| 구분 | Isc(mA/cm2) | Voc(mV) | FF | 광전효율(%) |
| 실시예 1 | 4.7 | 719.25 | 0.721 | 2.373 |
| 실시예 2 | 5.87 | 740.25 | 0.667 | 2.82 |
| 실시예 3 | 4.346 | 720.656 | 0.719 | 2.191 |
| 실시예 4 | 5.107 | 733.942 | 0.651 | 2.375 |
| 비교예 1 | 4.034 | 684.446 | 0.617 | 1.563 |
상기 표 1의 결과로부터, 전기영동법으로 형성된 탄소나노튜브를 포함하는 본 발명의 태양 전지가 전류밀도(Isc), 전압(Voc), 충진 계수(fill factor, FF) 및 광전효율의 모든 면에서 비교예의 태양 전지 보다 훨씬 우수한 성능을 나타냄을 확인할 수 있다.
이상에서 바람직한 구현예를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 본 발명의 보호범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있으므로, 이러한 다양한 변형예도 본 발명의 보호 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 태양 전지는 전기영동법을 이용하여 우수한 전기 전도 특성이 그대로 유지되는 탄소나노튜브를 포함함으로써 전자의 이동이 보다 용이하게 되고 전자의 축적 및 역반응이 억제되어 개선된 광전효율을 나타낸다.
Claims (19)
- 투명 전극, 반도체층, 염료, 대향 전극 및 전해질을 포함하는 태양 전지에 있어서, 상기 반도체층 상에 전기영동법을 이용하여 형성된 탄소나노튜브층을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제 1항에 있어서, 상기 태양 전지가기판 상에 전도성 물질이 코팅된 투명 전극;상기 투명 전극 상에 형성된 반도체층;상기 반도체층 상에 전기영동법을 이용하여 형성된 탄소나노튜브층;상기 반도체층 표면에 흡착된 염료;상기 투명 전극과 마주보도록 배치된 대향전극; 및상기 투명 전극 및 대향전극 사이의 공간에 매립된 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 삭제
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 전기영동 처리조건은 0.001 내지 0.02 V/㎛ 의 전압을 10 내지 180초 동안 인가하는 것임을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제 1항에 있어서, 상기 반도체층은 그 표면이 평면 또는 요철 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제 1항에 있어서, 상기 반도체층과 상기 탄소나노튜브층이 교대로 반복되는 다층 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제 2항에 있어서, 상기 기판에 코팅되는 전도성 물질은 인듐틴 옥사이드(ITO), 플로린 도핑된 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3 및 SnO2-Sb2O3로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제 1항에 있어서, 상기 반도체층은 다공성의 금속 산화물로서, 티타늄 산화물, 니오븀 산화물, 하프늄 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물 및 아연 산화물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제 1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 태양 전지의 제조방법에 있어서, 투명 전극의 일면 상에 반도체층을 형성한 후, 상기 반도체층 상에 탄소나노튜브층을 전기영동법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조방법.
- 제 10항에 있어서, 상기 태양 전지의 제조방법이(a) 투명 전극의 일면 상에 반도체층을 형성하는 단계;(b) 상기 반도체층 상에 탄소나노튜브층을 전기영동법으로 형성하는 단계;(c) 상기 반도체층 표면에 염료를 흡착시키는 단계; 및(d) 상기 전도성 투명전극과 마주보도록 대향전극을 배치시킨 후 상기 전도성 투명전극과 상기 대향전극 사이에 전해질을 매립하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조방법.
- 제 10항에 있어서, 상기 반도체층은 스프레잉, 스핀 코팅, 딥핑, 프린팅, 닥터블레이딩, 스퍼터링을 포함하는 코팅법을 이용하여 형성하거나 또는 전기영동법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조방법.
- 제 10항에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 전기영동 처리조건은 0.001 내지 0.02 V/㎛ 의 전압을 10 내지 180초 동안 인가하는 것임을 특징으로 하는 태양 전지의 제조방법.
- 제 12항에 있어서, 상기 반도체층의 전기영동 처리조건은 0.001 내지 0.02 V/㎛ 의 전압을 10 내지 180초 동안 인가하는 것임을 특징으로 하는 태양 전지의 제조방법.
- 제 10항에 있어서, 상기 반도체층을 형성하는 단계 및 상기 반도체층 상에 탄소나노튜브층을 전기영동법으로 형성하는 단계를 교대로 반복하여 다층 구조로 형성하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조방법.
- 태양 전지의 제조방법에 있어서, 투명 전극의 일면 상에 전기영동법으로 반도체층과 탄소나노튜브를 혼합된 형태로 형성하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조방법.
- 제 16항에 있어서, 상기 태양 전지의 제조방법이(a) 투명 전극의 일면 상에 전기영동법으로 반도체층과 탄소나노튜브를 혼합된 형태로 형성하는 단계;(b) 상기 반도체층 표면에 염료를 흡착시키는 단계; 및(c) 상기 전도성 투명전극과 마주보도록 대향전극을 배치시킨 후 상기 전도성 투명전극과 상기 대향전극 사이에 전해질을 매립하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조방법.
- 제 16항에 있어서, 상기 전기영동 처리조건은 0.001 내지 0.02 V/㎛ 의 전압을 10 내지 180초 동안 인가 하는 것임을 특징으로 하는 태양 전지의 제조방법.
- 제 10항 또는 제 16항에 있어서, 상기 투명 전극의 기판은 전도성 물질이 코팅된 유리 또는 플라스틱 기판인 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조방법.
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