KR100821524B1 - 염료 감응 태양전지용 산화물 전극의 제조방법 및 이를이용한 염료 감응 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 분쇄기를 이용하여 제조된 금속산화물 나노입자를 포함하는 염료 감응 태양전지용 산화물 전극의 제조방법 및 이를 이용한 염료 감응 태양전지에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 (a)　나노입자를 갖는 금속산화물, 바인더 수지 및 용매를 혼합하여 금속 산화물의 페이스트를 준비하고, (b) 상기 금속 산화물 페이스트를 분쇄기에 투입하고 금속산화물 나노입자를 분쇄하여 금속 산화물의 나노입자가 균일하게 분산된 페이스트를 제조하고, 및 (c) 상기 금속 산화물의 나노입자가 분산된 페이스트를 전도성 투명 기판에 코팅하고 열처리한 후 염료를 흡착하여 전도성 전극을 제조하는 단계를 포함하는, 염료감응 태양전지 산화물 전극의 제조방법을 제공한다.
염료 감응 태양전지, 3-롤 분쇄기, 금속산화물 나노입자

Description

염료 감응 태양전지용 산화물 전극의 제조방법 및 이를 이용한 염료 감응 태양전지{A PREPARATION METHOD OF OXIDE ELECTRODE FOR SENSITIZED SOLAR CELL AND SENSITIZED SOLAR CELL USING THE SAME}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른, 3롤 분쇄기의 단면도를 간략히 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른, 3-롤 분쇄기를 사용하여 금속산화물 나노입자 페이스트를 분산시키는 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시형태에 따른 염료감응 태양전지의 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 금속산화물 나노입자를 포함하는 염료감응형 태양전지의 구조를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 금속산화물 나노입자를 포함하는 염료감응형 태양전지와 종래 염료감응형 태양전지의 광전류밀도-전압특성을 비교하여 도시한 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 11, 12: 3개의 롤로 구성된 분산장치
13: 스크래퍼 나이프(Scraper Knife)
14: 분산전의 금속산화물 나노입자 페이스트
15: 균일하게 분산된 금속산화물 나노입자 페이스트
20: 전도성 전극(제1전극) 21: 기판
22: 전도성 필름 23: 금속산화물 나노입자층
24: 염료 30: 상대전극(제2전극)
31: 기판 32: 전도성 필름
40: 전해질 50: 접착제
본 발명은 금속산화물 나노입자 페이스트를 이용한 염료감응 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 염료감응형 태양전지의 핵심소재 중 하나인 나노입자 형태의 금속산화물을 분쇄후 페이스트내에 고르게 분산시켜 이용함으로써, 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 방법에 관한 것이다.
염료감응 태양전지는 1991년 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의하여 발표된 광전기화학 태양전지로서 그 생산단가가 저렴하기 때문에, 기존 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 염료감응 태양전지는 염료분자가 흡착된 금속산화물 나노 입자 (metal oxide nanoparticle)로 이루어진 전도성 전극(제1전극)과, 백금 또는 탄소 등이 코팅된 상대전극(제2전극), 및 요오드계의 산화 및 환원 전해질로 구성된다.
일반적으로, 상기 염료감응 태양 전지의 전도성 전극은 나노 입자 티타늄 산화물을 이용하여 유리 기판 상에 다음과 같이 형성된다.
보다 상세하게, 나노 입자의 티타늄 산화물의 콜로이드 용액을 준비한 후, 상기 티타늄 산화물 콜로이드 용액에 고분자를 혼합하여 점도가 높은 티타늄 산화물 페이스트를 만든다. 이어서, 투명 전도성 유리 기판 상에 상기 점도가 높은 티타늄 산화물 페이스트를 코팅한 후, 공기 중 또는 산소 중에서 450 내지 500 ℃의 고온에서 약 30분간 열처리하여 나노 입자 티타늄산화물 전극을 형성한다.
상기의 열처리과정 중 금속산화물 나노입자는 부분적으로 서로 접합이 되어 나노 기공을 가지는 구조를 가지게 되는데, 이러한 나노구조의 형태는 금속 산화물 페이스트의 분산정도에 영향을 많이 받으며, 최종적으로 염료감응형 태양전지의 특성에 영향을 주게 된다.
상기 금속산화물 나노입자 페이스트는 분산된 금속산화물 콜로이드 용액과 바인더 역할을 하는 고분자물질을 혼합하여 만든 다음, 용매를 제거하여 얻을 수 있다. 금속산화물 콜로이드 용액의 분산 방법은 초음파 분산법, 비드 밀(bead mill) 분산 방법 등 여러 방법들이 알려져 있다. 그러나, 상기 방법들을 이용하는 경우, 페이스트를 제작한 후 금속산화물 나노입자들이 페이스트내에서 서로 뭉치는 경우가 있는데, 이를 다시 분산시키는 방법은 개발되지 않은 상태이다.
상기와 같은 종래 기술에서의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 금속산화물 나노입자 페이스트를 제조한 후, 이를 페이스트 내에 포함된 나노입자 를 다시 한번 고르게 재분산시킬 수 있는 분쇄기를 이용한 분쇄방법으로 고르게 분산시켜, 균일한 나노기공을 가지는 금속산화물 나노입자 구조의 형성을 유도함으로써, 염료감응형 태양전지에 사용시 효율을 향상시킬 수 있는 3-롤 분쇄기를 이용하여 제조된 금속산화물 나노입자를 포함하는 염료 감응 태양전지용 산화물 전극의 제조방법 및 이를 이용한 염료 감응 태양전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a)　나노입자를 갖는 금속산화물, 바인더 수지 및 용매를 혼합하여 금속 산화물의 페이스트를 준비하고,
(b) 상기 금속 산화물 페이스트를 분쇄기에 투입하고 금속산화물 나노입자를 분쇄하여 금속 산화물의 나노입자가 균일하게 분산된 페이스트를 제조하고, 및
(c) 상기 금속 산화물의 나노입자가 분산된 페이스트를 전도성 투명 기판에 코팅하고 열처리한 후 염료를 흡착하여 전도성 전극을 제조하는 단계
를 포함하는, 염료감응 태양전지 산화물 전극의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기의 방법으로 제조되며 염료가 흡착된 1 nm 내지 500 nm의 금속 산화물의 나노입자를 포함하는 전도성 전극(제1전극);
상기 제 1전극에 서로 대향하여 배치된 전도성 투명기판을 포함하는 상대전극(제2전극); 및
상기 전도성 전극(제1전극)과 상대전극(제2전극) 사이의 공간에 충진하는 전해질을 포함하는, 염료감응 태양전지를 제공한다.
이하에서, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명은 염료감응 태양전지의 제조에 있어서, 태양전지의 효율을 향상시키고, 금속산화물 나노입자들이 페이스트내에서 서로 뭉치는 현상을 방지하고자, 상기 페이스트를 고르게 분산시킬 수 있는 분쇄기를 이용하여 염료 감응 태양전지에 사용되는 금속 산화물의 나노입자 페이스트를 더욱 균일하고 고르게 분산하는 방법에 관한 것이다.
상기 페이스트를 고르게 분산시킬 수 있는 분쇄기로는 기본적으로 페이스트를 고르게 분산시킬 수 있는 것이면, 어느 것이든 사용 가능하며, 예를 들면, 3-롤 분쇄기, 비드(bead) 분쇄기 등이 사용될 수 있고, 바람직하게는 3-롤 분쇄기를 사용한다. 즉, 본 발명에서 사용하는 분쇄기는 페이스트내의 작은 입자들이 뭉쳐있는 것을 분산시키는 역할을 하는 것으로서, 분쇄기를 통과하여도 금속산화물 입자 크기는 크게 달라지지는 않는다.
따라서, 본 발명은 금속산화물 나노입자, 바인더 수지, 용매를 포함하는 금속 산화물 나노입자 페이스트(paste)를 준비한 후, 상기 페이스트를 고르게 분산시킬 수 있는 분쇄기에 투입하고, 상기 금속산화물 나노입자를 일정크기로 고르고 균일하게 분쇄함으로써, 금속산화물 나노입자가 페이스트 내에 균일하게 분산된 금속산화물 나노입자 페이스트를 제조할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여, 바람직한 일실시예에 따른 본원발명의 금속산화물 나노입자 페이스트의 제조방법을 보다 구체적으로 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른, 3롤 분쇄기의 바람직한 일실시예의 구조를 간략히 나타낸 것이다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른, 3-롤 분쇄기를 사 용하여 금속산화물 나노입자 페이스트를 분산시키는 방법을 개략적으로 나타낸 것이다. 이때, 도 1에서 도면부호 10 내지 12는 3개의 롤로 구성된 분산장치이고, 13은 스크래퍼 나이프(Scraper Knife)이고, 14는 분산되기 전의 준비된 금속산화물 나노입자 페이스트이고, 15는 금속산화물 나노입자가 분쇄되어 균일하게 분산된 금속산화물 나노입자 페이스트이다.
본 발명은 상기와 같이 용매로 구성된 금속 산화물 나노입자 페이스트를 준비한 후, 준비된 금속 산화물 나노입자 페이스트(도 1, 2의 14)를 일정한 간격을 유지하며 일정한 속도로 회전하고 있는 3롤 분쇄기(도 1, 2의 10 내지 12)에 투입한다. 분쇄기에 투입된 산화물 나노입자 페이스트는 좁은 간격을 유지하고 있는 롤사이를 통과하면서, 산화물 나노입자 페이스트 내에 뭉쳐서 존재하는 TiO2 나노입자 덩어리가 분쇄되어, 롤 표면에 금속산화물 나노입자들이 고르게 분산되어 도포되게 된다. 롤 표면에 도포된 페이스트는 마지막 롤(도 1, 2의 12)을 통과하여 스크래퍼 나이프(Scraper Knife) (도 1, 2의 13)에 모아지게 되며, 이러한 과정을 여러 번 반복함으로써, 금속산화물 나노입자가 균일하게 분산된 페이스트(도 1, 2의 15)를 얻을 수 있다.
이때, 3-롤 분쇄기에서 롤과 롤사이의 간격이 나노입자 덩어리의 크기 보다 너무 크다면 3롤 분쇄기에 의한 분산 효과를 기대 하기 어렵다. 또한, 분쇄시간을 너무 길게 하면 페이스트내에 존재하는 용매가 증발되어 최종 페이스트의 농도가 달라질 수 있다.
따라서, 본 발명에서 사용하는 3롤 분쇄기의 롤 간의 간격은 1 마이크론 내지 5 밀리미터인 것이 바람직하다. 또한, 상기 3롤 분쇄기의 분쇄시간은 1분 내지 2시간인 것이 바람직하다. 또한, 상기 3롤 분쇄기의 롤의 회전속도는 분당 10 내지 10000 rpm으로 실시하여야 효과적으로 나노입자를 분산시킬 수 있다.
상기 3-롤 분쇄기에 투입되는 금속 산화물 페이스트는 통상의 방법에 의해 나노입자를 갖는 금속산화물과 용매를 혼합하여 금속산화물이 분산된 점도 5×104 내지 5×105 cps의 콜로이드 용액을 제조한 후, 바인더 수지를 혼합하고 용매를 제거하여 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 분산방법으로 얻어진 금속산화물의 나노입자가 분산된 페이스트를, 전도성 투명 기판에 코팅하고 건조한 후, 염료를 흡착하여 금속산화물 전도성 전극을 제조한다.
본 발명에 있어서, 상기 나노입자를 갖는 금속산화물(21)은 Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, 및 Ga로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속 산화물 또는 이들의 복합 산화물이 사용될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 나노입자를 갖는 금속산화물은 티타늄 산화물(TiO2), 아연 산화물(ZnO), 주석산화물(SnO2) 및 텅스텐 산화물(WO3)로 이루어진 군에서 선택하여 사용될 수 있다. 상기 금속산화물의 입자 크기는 평균입경 500 nm 이하인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1 nm 내지 500 nm인 것이 좋다. 또한, 상기 바인더 수 지의 종류는 특별히 한정되지는 않으며, 통상의 바인더 역할을 하는 고분자를 사용할 수 있다. 예를 들면, 바인더 수지로는 에틸셀룰로오스, 폴리에틸렌글리콜 등이 있다. 상기 용매 또한 콜로이드 용액의 제조에 사용되는 것이면 특별히 한정되지 않게 사용할 수 있고, 예를 들면 에탄올, 메탄올, 터피네올(terpineol), 라우르산(Lauric Acid), THF, 물 등이 있다.
본 발명에 있어서, 금속산화물 나노입자 페이스트 조성의 일례를 들면, 산화티타늄, 터피네올, 에틸셀룰로오스 및 라우르산을 포함하는 조성 또는 산화티타늄, 에탄올 및 에틸셀룰로오스의 조성일 수 있다.
또한, 상기 전도성 투명 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 및 트리아세틸셀룰로오스(TAC)로 이루어진 군에서 선택되는 투명 플라스틱 기판 또는 유리 기판을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 전도성 투명 기판의 어느 일면에는 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), 및 SnO2-Sb2O3로 이루어진 군에서 선택된 전도성 필름이 코팅되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 염료 감응 태양 전지에서 태양 전지가 구동되는 첫 단계는 광에너지로부터 광전하를 생성하는 과정이다. 통상적으로 광전하 생성을 위하여 염료 물질을 사용하는데, 상기 염료 물질은 전도성 투명기판을 투과한 빛을 흡수하여 여기된다. 따라서, 상기 염료는 상기 금속산화물 나노입자 또는 다공질막 형성시 사용되는 도 전성 미립자 및 광산란자를 흡착할 수 있으며, 가시광 흡수로 전자가 여기되도록 하는 염료이면, 그 종류가 특별히 한정되지 않는다. 상기 염료의 예를 들면, Ru 복합체 또는 유기물질를 포함하여 가시광을 흡수할 수 있는 물질을 포함하는 것이 바람직하며, 예를 들면 Ru(4,4'-다이카르복시-2,2'-바이피리딘)2(NCS)2를 사용할 수 있다. 염료의 흡착 방법은, 일반적인 염료 감응 태양전지에서 사용되는 방법이 이용될 수 있고, 예를 들면 염료를 포함하는 분산액에 금속산화물 나노입자가 형성된 제1전극을 침지시킨 후, 적어도 12시간 정도 지나게 하여 자연 흡착시키는 방법을 이용할 수 있다. 상기 염료를 분산시키는 용매는 특별히 한정되지 않으나, 바람직하게는 아세토나이트릴, 디클로로메탄, 또는 알코올계 용매 등을 사용할 수 있다. 상기 염료를 흡착시킨 후에는, 용매 세척 등의 방법으로 흡착되지 않은 염료를 세척하는 과정을 포함할 수 있다.
상기에서 3-롤 분쇄기에 의해 고르게 분산된 금속산화물 나노입자를 전도성 투명기판에 코팅시, 닥터 블레이드 또는 스크린 프린트 등의 방법을 실시할 수 있으며, 투명막 형성을 위해 스핀코팅 또는 스프레이 코팅을 이용할 수도 있다. 상기에서 코팅후의 열처리는 공기중 또는 산소 중에서 450 내지 500 ℃의 고온에서 약 30분간 실시하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기 염료가 흡착된 금속산화물의 나노입자를 포함하는 전도성 전극을 이용하여 염료 감응 태양전지를 제공한다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 염료감응 태양전지의 구성을 개략적으 로 나타낸 단면도이다. 또한, 도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 금속산화물 나노입자를 포함하는 염료감응형 태양전지의 구조를 나타낸 것이다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 염료 감응 태양전지는 전도성 기판(21), 전도성 필름(22), 및 금속산화물 나노입자층(23)이 아래로부터 순차적으로 적층된 전도성 전극(20), 및 상기 전도성 전극(20)과 마주보도록 배치된 전도성 기판(31) 및 전도성 필름(32)이 적층된 상대전극(30)을 포함하고, 전도성 전극(20)과 상대전극(30) 사이에는 전해질(40)을 포함하고, 전도성전극과 상대전극은 접착제에 의해 접합된다.
보다 상세하게는, 도 4를 참조하여, 본 발명의 염료 감응 태양전지 구조의 바람직한 일실시예는, 상기의 방법으로 제조되며 염료(24)가 흡착된 금속 산화물의 나노입자층(23)를 포함하는 전도성 전극(제1전극)(20); 상기 제1전극(20)에 서로 대향하여 배치된 전도성 투명기판을 포함하는 상대전극(제2전극)(30); 및 상기 제1전극(20)과 제2전극(30) 사이의 공간에 충진하는 전해질(40)을 포함하며, 이들은 접착제(50)에 의해 접합되고, 상기 금속산화물 나노입자는 3롤 분쇄기에 의해 분산되어 전도성 투명 기판상에도 균일하게 고르게 분산 코팅되어 있다. 이때, 도 3에서 도면부호 30은 상대전극을 나타내는 것으로서, 편의상 기판(31)과 전도성 필름(32)은 도시하지 않는다.
또한, 본 발명은 상기 제1전극의 어느 일면에 다공질막을 형성할 수도 있으며, 이러한 경우에는 도전성 미립자를 첨가하거나, 다공질막과 동일한 물질이고 평균입경이 150 nm 이상인 광산란자를 첨가하거나, 또는 도전성 미립자 및 광산란자 모두를 첨가할 수 있다.
상기 제1전극 및 제2전극의 전도성 투명 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 및 트리아세틸셀룰로오스(TAC)로 이루어진 군에서 선택되는 투명 플라스틱 기판 또는 유리 기판을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제1전극(20)은 상기 전도성 투명 기판의 어느 일면에 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), 및 SnO2-Sb2O3로 이루어진 군에서 선택된 전도성 필름이 코팅되어 있는 것이 바람직하다.
상기 제2전극(23)은 상기 전도성 투명 기판의 어느 일면에 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), 및 SnO2-Sb2O3로 이루어진 군에서 선택된 제1전도성 필름이 코팅되고; 및 상기 제1전도성 필름 상에는 Pt 또는 귀금속 물질을 포함하는 제2전도성 필름이 코팅되어 있는 것이 바람직하다. 상기 제2전도성 필름에 코팅되는 금속으로는 Pt, Au, Ni, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, 전도성 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 물질을 사용할 수 있다.
상기 전해질(24)은 통상의 요오드계 산화 및 환원 전해질을 사용할 수 있으며, 요오드를 아세토나이트릴에 용해시킨 용액 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 홀 전도 기능이 있는 것이라면 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들면 아이오다이드(iodide)/트리오다이드(triodide)를 사용하여 산화, 환원에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 염료에 전달하는 역할을 수행하도록 하며, 이때 개방회로 전압은 염료의 에너지 준위와 전해질의 산환, 환원 준위의 차이에 의해 결정된다. 상기 전해액은 제1전극 및 제2전극 사이에 균일하게 분산되어 있으며, 금속산화물 나노입자에 침윤될 수도 있다.
상기의 구조를 갖는 본 발명의 일 실시형태에 따른 염료 감응 태양전지의 제조방법은, 상기 금속 산화물 나노입자 페이스트(도 1, 2의 14)를 도 1의 3롤 분쇄기(도 1, 2의 10 내지 12)에 투입하여 균일하게 분산된 페이스트(도 1, 2의 15)를 제조하는 단계, 상기 균일하게 분산된 페이스트를 전도성 투명 기판(21)에 코팅된 다수의 전도성 필름(22)의 일면에 코팅하고 높은 온도에서의 소결과정을 거친 후 염료(24)를 흡착하여 나노 입자 산화물(23)을 포함하는 전도성 전극 (제1전극판)(20)을 제조하는 단계, 또 다른 투명 전도성 기판(31)에 나노입자 금속 전도성 필름(32)을 코팅한 후, 열처리하여 상대전극(제2전극판)(30)을 제조하고, 상기 제2 전극판 위에 접착제(50)를 이용하여 상기 제1전극판이 마주보도록 정렬시키며 접합하고, 상기 제2전극판과 제1전극판의 접합에 의해 서로 마주보는 상기 나노결정 산화물 필름과 나노입자 금속 필름 사이에 전해액(40)을 주입하는 단계를 포함하는 방법으로 제조될 수 있다. 또한, 본 발명은 상기 마주보는 나노결정 산화물 필름과 나노입자 금속 필름으로 이루어지는 단위 셀들의 음극과 양극을 배선으로 연결하는 단계를 추가로 포함한다.
상기 제1전극 및 제2전극의 투명기판에서 전도성 물질을 형성하는 방법은 스퍼터링, 전자빔 증착 등의 물리 기상 증착법을 이용할 수 있다.
상기에서 사용되는 접착제 또한, 당해 분야에 널리 알려져 있는 것을 사용할 수 있으며, 예를 들면 열가소성 고분자 필름, 에폭시 수지 등을 사용할 수 있다.
이하, 실시예와 비교예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이지 이들만으로 한정하는 것이 아니다.
실시예 1
금속 산화물 나노입자가 균일하고 고르게 분산된 페이스트의 제조
티타늄 산화물 나노입자 페이스트를 도 1의 3롤 분쇄기를 사용하여 균일하게 분산시켰다.
구체적으로, 20 nm의 입자크기를 갖는 티타늄 산화물인 TiO2 페이스트 3 g을 제조한 후, 도 1의 독일 EXAKT사의 EXAKT50 3롤 분쇄기를 사용하여 롤 사이의 간격을 20 ㎛로 유지하면서 20분 동안 페이스트를 분산시켜 금속산화물 페이스트를 제조하였다. 이때, 롤의 회전속도는 분당 450 rpm으로 하였다. 상기 TiO2 페이스트는 상기 20 nm의 입자크기를 갖는 TiO2와 용매로 에탄올을 혼합하여 금속산화물이 분산된 콜로이드 용액을 제조한 후, 바인더 수지로 에틸셀룰로오스를 혼합하고 용매를 제거하여 통상의 방법으로 제조하였다.
염료 감응 태양전지의 제조
제1 투명전극인 FTO 위에, 상기에서 제조된 금속산화물 나노 입자 페이스트를 닥터블레이드 방법으로 도포하고, 500 ℃에서 15분 동안 열처리 과정을 거쳐서 제1 투명전극에 차단층과 산화티타늄 나노구조를 형성하였다. 형성된 나노 구조를 에탄올에 용해된 0.3 mM의 Ru(4,4'-다이카르복시-2,2'-바이피리딘)2(NCS)2 염료용액에 12시간 이상 담구어 염료를 흡착시켜 제 1전극층을 형성하였다.
제2전극층은 FTO가 코팅된 투명 전극 위에 H2PtCl6를 스핀 코팅으로 도포한 다음, 500 ℃에서 30분 동안 열처리하여 제조하였다. 25 ㎛ 두께의 열가소성 고분자 필름을 제1전극과 제2전극 사이에 두고, 100 ℃에서 15초 정도 압착시켜 두 전극을 접합시켰다. 그런 다음, 전해질로서 아이오다이드(iodide)/트리오다이드(triodide)을 주입하여 태양전지 제조를 완성한 후, 전지특성을 측정하였다. 이때, 상기 태양전지의 면적은 0.1 - 0.3 ㎠ 이었다.
비교예 1
페이스트를 분산시키지 않은 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전지를 제조한 후, 전지특성을 측정하였다.
실험예
실시예 1 및 비교예 1의 태양전지에 대해 광전류밀도-전압특성을 비교하여 도시한 그래프를 도 6에 나타내었다. 또한, 태양전지에 있어서의 중요한 특성인 광전류밀도(Jsc), 개방회로(open circuit) 전압(Voc), 충진계수(FF) 및 에너지 변환효율(Eff)을 측정한 결과는 표 1에 나타내었다.
[표 1]
Jsc (mA/㎠) Voc (V) FF(%) Eff (%)
비교예 1 (3롤 분쇄기 사용전) 13.8 0.788 0.711 7.74
실시예 1 (3롤 분쇄기 사용후) 15.2 0.768 0.707 8.15
상기 표 1 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 3롤 분쇄기를 사용하여 제작된 페이스트를 포함하는 태양전지의 광전류밀도가 증가하였고, 이에 따라 에너지 변환효율이 증가한 것을 알 수 있다.
본 발명에 의해서 제조된 금속 산화물 페이스트는 금속 산화물 나노입자가 일정크기로 고르게 분산되어 있어 염료감응형 태양전지의 효율을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (15)

  1. (a)　금속산화물의 나노입자, 바인더 수지, 및 용매를 혼합하여 제조된 금속 산화물의 페이스트를 준비하고,
    (b) 상기 금속 산화물 페이스트를 분쇄기에 투입하고 금속산화물 나노입자를 분쇄하여 금속 산화물의 나노입자가 균일하게 분산된 페이스트를 제조하고, 및
    (c) 상기 금속 산화물의 나노입자가 분산된 페이스트를 전도성 투명 기판에 코팅하고 열처리한 후 염료를 흡착하여 전도성 전극을 제조하는 단계
    를 포함하며, 상기 분쇄기가 3-롤 분쇄기 및 비드 분쇄기로 이루어진 군에서 선택되는 것인, 염료 감응 태양전지용 산화물 전극의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 3롤 분쇄기의 롤간의 간격은 1 마이크론 내지 5 밀리미터인, 염료 감응 태양전지용 산화물 전극의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 3롤 분쇄기의 롤의 회전속도는 분당 10 내지 10000 rpm인, 염료 감응 태양전지용 산화물 전극의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 3롤 분쇄기의 분쇄시간이 1분 내지 2시간인, 염료 감응 태양전지용 산화물 전극의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 나노입자를 갖는 금속산화물이 Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, 및 Ga로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속 산화물 또는 이들의 복합 산화물인, 염료 감응 태양전지용 산화물 전극의 제조방법.
  7. 제 1항 또는 제 6항에 있어서, 상기 금속산화물 나노입자의 크기가 1 nm 내지 500 nm인, 염료 감응 태양전지용 산화물 전극의 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 바인더 수지가 에틸셀룰로오스 및 폴리에틸렌글리콜로 이루어진 군에서 선택된 것인, 염료 감응 태양전지용 산화물 전극의 제조방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 용매가 에탄올, 메탄올, THF 및 물로 이루어진 군에서 선택된 것인, 염료 감응 태양전지용 산화물 전극의 제조방법.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 전도성 투명 기판이 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 및 트리아세틸셀룰로오스(TAC)로 이루어진 군에서 선택되는 투명 플라스틱 기판 또는 유리 기판을 포함하는 것인, 염료 감응 태양전지용 산화물 전극의 제조 방법.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 전도성 투명 기판의 어느 일면에 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), 및 SnO2-Sb2O3로 이루어진 군에서 선택된 전도성 필름이 코팅되어 있는 것인, 염료 감응 태양전지용 산화물 전극의 제조방법.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 염료가 Ru 복합체 또는 유기물질를 포함하여 가시광을 흡수할 수 있는 물질을 포함하는 것인, 염료 감응 태양전지용 산화물 전극의 제조방법.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 코팅후의 열처리는 공기중 또는 산소 중에서 450 내지 500 ℃의 고온으로 약 30분간 이루어지는 것인, 염료 감응 태양전지용 산화물 전극의 제조방법.
  14. 제1항의 방법으로 제조되며 염료가 흡착된 1 nm 내지 500 nm의 금속 산화물의 나노입자를 포함하는 전도성 전극(제1전극);
    상기 제 1전극에 서로 대향하여 배치된 전도성 투명기판을 포함하는 상대전극(제2전극); 및
    상기 전도성 전극(제1전극)과 상대전극(제2전극) 사이의 공간에 충진하는 전해질
    을 포함하는, 염료 감응 태양전지.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 상대전극은 상기 전도성 투명 기판의 어느 일면에 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), 및 SnO2-Sb2O3로 이루어진 군에서 선택된 제1전도성 필름이 코팅되고; 및 상기 제1전도성 필름 상에는 Pt 또는 귀금속 물질을 포함하는 제2전도성 필름이 코팅되어 있는 것인, 염료 감응 태양 전지.
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