KR100994584B1 - 티타늄 튜브와 와이어 메쉬 구조물이 포함되는 염료 감응형태양전지 - Google Patents

티타늄 튜브와 와이어 메쉬 구조물이 포함되는 염료 감응형태양전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 투명한 유리기판에 금속산화물과 염료가 포함된 광전극(음극부), 전해질, 그리고 상대전극(양극부) 등으로 구성되는 염료형 태양전지에 관한 것으로서, 종래의 태양전지를 구성함에 있어서 투명 전도성 산화막(TCO:Transparent Conducting Oxide)인 FTO(Fluoride doped Tin Oxide, Sn(F)O2)를 대체하는 기술을 제안함으로써, 높은 변환 효율과 저비용으로 제조할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 티타늄 튜브와 와이어 메쉬 구조물이 포함되는 염료 감응형 태양전지는, 투명유리기판과, 염료가 흡착되어 있는 이산화 티타늄(TiO2) 나노튜브(Nanotube)층과 상기 이산화 티타늄 나노튜브층에 접하며 티타늄(Ti) 금속세선(wire)의 짜임으로 구성되는 박막의 티타늄 와이어 메쉬(Ti-Mesh) 구조물로 구성되어 상기 투명유리기판의 면에 근접하는 제 1전극부와, 상기 제 1전극부와 대향되며 백금을 증착시킨 촉매층을 포함하는 제 2전극부와, 상기 두 전극부 사이에 충진되는 전해질층으로 구성된다.
태양 전지, 솔라셀, 염료형 전지, 티탄, 나노분말, 나노튜브, 메쉬

Description

티타늄 튜브와 와이어 메쉬 구조물이 포함되는 염료 감응형 태양전지{Photovoltaic cell with Ti-mesh/TiO2 nano tube}
본 발명은 염료 감응형 태양전지에 관한 것으로서, 높은 변환 효율과 저비용으로 제조할 수 있는 것을 특징으로 한다.
일반적으로, 염료 감응형 태양전지는 염료의 태양광 흡수 능력을 이용하여 화학적으로 발전을 일으키는 태양전지의 일종으로서, 300nm 내지 2500nm 범위의 파장을 가지는 태양광 중 400nm 내지 800nm 범위의 파장만을 흡수하여 발전한다.
도 1은 종래의 염료 감응형 태양전지의 개략적 구조를 보여주는 단면 구성도로서, 통상의 염료 감응형 태양전지는 크게, 투명한 유리기판(10)에 금속산화물과 염료가 포함된 광전극(음극부)(100), 전해질(400), 그리고 상대전극(양극부)(200) 등으로 구성되어 있다.
상기 다공질 막의 형태로 존재하는 광 전극(100)은, TiO2, ZnO, SnO2와 같은 넓은 밴드갭을 가진 n형 전이금속산화물 반도체(40)로 구성되고, 이 표면에 단 분 자 층의 염료(30)가 흡착되어 있다. 태양광이 태양 전지에 입사되면 염료(30) 속의 페르미 에너지 부근의 전자가 태양에너지를 흡수하여 전자가 채워지지 않은 상위 준위로 여기된다. 이때, 전자가 빠져나간 하위 준위의 빈자리는 전해질(400) 속의 이온이 전자를 제공함으로써 다시 채워진다. 염료(30)에 전자를 제공한 이온은 상대전극(200)으로 이동하여 전자를 제공받게 된다.
양극의 상대전극은 전해질 속에 있는 이온의 산화환원 반응의 촉매로 작용하여 표면에서의 산화 환원 반응을 통하여 전해질 속의 이온에 전자를 제공하는 역할을 한다.
염료 감응형 태양전지에서는 에너지 변환 효율을 개선시키기 위하여 촉매 작용이 우수한 백금 박막을 주로 사용하고 있으며 백금과 특성이 비슷한 팔라듐, 은, 금 등의 귀금속과 카본 블랙, 그라파이트와 같은 탄소계 전극을 사용하기도 한다.
한편, 상술한 투명한 유리기판은 태양에너지 흡수를 가능케 하면서 외부회로로 전자를 전달하는 것으로 통상적으로 투명 전도성 산화막(투명 도전성막)(Transparent Conducting Oxide, TCO)(110)으로 마련된다. 이는 태양광이 입사하여 전자와 정공(hole)을 내는 광흡수층위에 전극을 덮어 주어야 하기 때문에 전극이 빛을 차단하면 기능을 발휘할 수 없거나 효율이 떨어지기 때문에 상기의 투명 전도성 산화막(TCO)을 사용하는 것이다.
특히, 투명 전도성 산화막(TCO)으로는 FTO(Fluoride doped Tin Oxide, Sn(F)O2) 전극을 주로 사용한다. 하지만, 이러한 FTO 박막을 증착하기 위하여 대형 스퍼터링 장치와 같은 고가 장비에 의해 제조되어, 복잡한 공정과 이에 따른 제작 비용의 증가에 대한 문제점이 있었다.
또한, FTO 박막 위에 스크린 프린팅 방법으로 도포된 TiO2 나노(nano) 입자로 구성된 다공질 막은 나노입자 특성상 입자내부 및 표면에 많은 결함을 포함하여 전자의 산란과 전자-공공의 재합에 의한 전자 이동도 및 전자수명이 감소하여 전자전도도가 낮아 효율이 떨어지는 단점이 있다. 이에, FTO를 대체하고 동시에 TiO2 나노(nano) 다공질 막을 대체할 수 있는 신형의 음극전극이 필요성이 대두되고 있는 실정이다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 종래의 FTO와 같은 투명 전도성 산화막(TCO)의 구성요소를 대체하되, 투명한 유리기판에 금속산화물과 염료가 포함된 광전극(음극부), 전해질, 그리고 상대전극(양극부) 등으로 구성되는 염료형 태양전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은 염료 감응형 태양전지를 구성함에 있어서, 투명유리기판과; 염료가 흡착되어 있는 이산화 티타늄(TiO2) 나노튜브(Nanotube)층과, 상기 이산화 티타늄 나노튜브층에 접하며 티타늄(Ti) 금속세선(wire)의 짜임으로 구성되는 박막의 티타늄 와이어 메쉬(Ti-Mesh) 구조물로 구성되어, 상기 투명유리기판의 면에 근접하는 제 1전극부와; 상기 제 1전극부와 대향되며 백금을 증착시킨 촉매층을 포함하는 제 2전극부와; 상기 두 전극부 사이에 충진되는 전해질층;으로 구성되고, 상기 이산화 티타늄 나노튜브층은, 상기 티타늄 와이어 메쉬 구조물을 부분 양극산화(anodizing)시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 티타늄 튜브와 와이어 메쉬 구조물이 포함되는 염료 감응형 태양전지를 제공한다.
또한, 상기 티타늄 와이어 메쉬 구조물은, 50㎛ 내지 100㎛의 직경을 가지는 와이어로 구성되고, 이에 형성되는 각 기공의 직경은 300㎛ 내지 400㎛ 및 전체면적의 기공율은 70%로 이루어지는 것을 특징으로 하는티타늄 튜브와 와이어 메쉬 구조물이 포함되는 염료 감응형 태양전지를 제공한다.
또한, 상기 이산화 티타늄 나노튜브층은, 상기 티타늄 와이어 메쉬 구조물의 일면측에 100㎛ 내지 200㎛의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 티타늄 튜브와 와이어 메쉬 구조물이 포함되는 염료 감응형 태양전지를 제공한다.
본 발명에 따른 염료형 태양전지는 종래의 전극(FTO를 포함하는)과 광흡수층을 일체로 구성한 제 1전극을 제공함으로써, 보다 나은 전자전도성과 염료흡착성이 증가하여 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 종래의 고가의 투명도전성막인 FTO를 우수한 전기전도도를 가지는 티타늄 와이어 메쉬 구조물로 대체하고, 이로 인한 낮은 제조단가를 기대할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 각 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 살펴보면 다음과 같은데, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
먼저, 첨부된 도면을 살펴보면, 도 2는 본 발명에 의한 염료 감응형 태양전지의 개략적 구조를 보여주는 단면 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 티타늄 와이어 메쉬 구조물의 구성도이다. 그리고 도 4 내지 도 6 각각은 본 발명에 따른 티타늄 와이어 메쉬 구조물의 일 실시예를 보여주는 사진도이다.
도 7은 본 발명에 따른 이산화 티타늄 나노튜브층의 일 실시예를 보여주는 사진도 및 도 8은 본 발명에 따른 태양전지의 효율을 보여주는 그래프이다.
한편, 도 2 와 도 3에 보여지는 도면은 그 구성요소의 주요 특징을 보여주기 위한 개략 구성도의 성격을 가지므로, 도시된 각 구성요소간의 크기는 실제와 다를 수 있다.
본 발명은 투명한 유리기판에 금속산화물과 염료가 포함된 광전극(음극부), 전해질, 그리고 상대전극(양극부) 등으로 구성되는 염료형 태양전지에 관한 것으로서, 종래의 태양전지를 구성함에 있어서 투명 전도성 산화막(TCO)인 FTO(Fluoride doped Tin Oxide, Sn(F)O2)를 대체하는 기술을 제안하는 것을 그 특징으로 한다.
이에, 본 발명은 도 2에서와 같이, 크게 투명유리기판(10)과, 상기 투명유리기판(10)의 일면에 근접하는 제 1전극부(100)와, 제 1전극부(100)와 대향되는 일정 간극을 가지도록 형성되는 제 2전극부(200) 그리고 상기 두 전극부(100, 200) 사이에 충진되어 있는 전해질층(400)으로 구성된다.
도 2에서와 같이, 상기 제 1전극부(100)는, 염료(30)가 흡착되어 있는 이산화 티타늄(TiO2) 나노튜브(Nanotube)층(40)과, 상기 이산화 티타늄 나노튜브층(40)에 접하며 티타늄(Ti) 금속세선(wire)의 짜임으로 구성되는 박막의 티타늄 와이어 메쉬(Ti-Mesh) 구조물(20)로 구성된다.
먼저, 상기 티타늄 와이어 메쉬 구조물(20)은, 도 2의 부분확대도 및 도 3에 서와 같이, 다수의 와이어(21)가 서로 교차되도록 짜여 형성되되 교차하는 다수의 와이어(21)로 인하여 전해질이 통과할 수 있는 기공이 형성되는 그물망상(Net type)의 구조이면 충분하다.
특히, 도 3과 도 4 내지 도 6에서 보이는 것과 같이, 상기 티타늄 와이어 메쉬 구조물(20)은 150㎛ 내지 200㎛의 직경을 가지는 와이어(21)들로 구성되도록 하고, 이에 형성되는 각 기공의 직경은 300㎛ 내지 400㎛로 이루어지도록 하여 기공율은 70%로 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 이산화 티타늄 나노튜브층(40)은, 티타늄 와이어 메쉬 구조물(20)의 일면(상기 투명유리기판(10)의 내측향으로)에 접하도록 형성되도록 한다. 특히, 본 발명에서는 상기 이산화 티타늄 나노튜브층(40)을 티타늄 와이어 메쉬 구조물(20)의 일면에서 생성(형성)되도록 구성한다.
이를 위하여 티타늄 와이어 메쉬 구조물(20)을 부분 양극산화(anodizing)법을 사용하여, 그 일면측에 100㎛ 내지 200㎛의 두께로 상기 이산화 티타늄 나노튜브층(40)을 형성시키는 것이 바람직하다. 상기 양극산화(anodizing)법은 공지된 기술을 사용하면 충분하되, 사용되는 전해질 용액은 ethylene glycol(EG) 용액에 미량의 H2O, NH4F를 첨가하여 제조된 용액을 사용하도록 한다.
따라서, 도 7에서 보이는 것과 같은 본 발명에서의 상기 이산화 티타늄 나노튜브층(40)은 종래의 염료형 태양전지를 구성하는 구성요소 중 'n형 반도체'를 대체하도록 구성된다.
다음으로, 상기 제 1전극부(100)와 대향되며 백금을 증착시킨 촉매층(210)을 포함하는 제 2전극부(200)가 형성되며, 상기 두 전극부 사이(100, 200)에 충진되는 전해질층(400)으로 구성되도록 한다.
상기의 제 2전극부(200) 및 전해질층(400)은 공지된 관련 기술에 의한 구성이면 충분하므로, 보다 나은 에너지 변환 효율을 위하여 촉매 작용이 우수한 백금 박막을 사용하는 것이 바람직하되 상기 백금과 특성이 비슷한 팔라듐, 은, 금 등의 귀금속과 카본 블랙, 그라파이트와 같은 탄소계 전극도 사용할 수 있음은 물론이다. 그리고 상기 전해질층(400)은 통상의 레독스 쌍(I-/I3 -)을 포함하는 전해액으로 구성되면 충분하다.
한편, 도 2에서 보이는 도번 a는 통상의 태양전지에 마련되는 실링 및 패킹징을 위한 구성을 도시한 것이다.
본 발명 따른 염료 감응형 태양전지는, 종래의 전극(음극)과 광흡수층(FTO)을 일체로 구성한 제 1전극(100)을 제공함으로 보다 나은 광전변환 효율을 기대할 수 있다. 그리고 종래의 고가의 투명도전성막인 FTO를 우수한 전기전도도를 가지는 티타늄 와이어 메쉬 구조물(20)로 대체하되 낮은 제조단가로 인한 효과 또한 기대할 수 있다.
이에, 도 4 내지 도 6에서와 같이, 본 발명에 마련되는 티타늄 와이어 메쉬 구조물(20)은 순 티탄(Ti) 분말을 폴리머 결합재와 혼합한 후 3차원 적층조형장비를 이용하여 섬유상 형태로 적층하여 제작하는 것이 바람직하다. 이에 따라 티타늄 와이어 메쉬 구조물(20)에 마련되는 기공도 및 기공크기는 섬유(와이어)상의 적층간격, 섬유 직경 및 적층 방식을 달리하여 조절할 수 있다.
또한, 상기 적층조형장비를 이용하여 그물상이 형성된 티타늄 와이어 메쉬 구조물(20)는 건조 후 약 5.0 x 10-6torr의 진공도, 1200℃에서 소결하도록 하여 도 5에서 보이는 것과 같이, 티탄 입자간의 확산에 의한 견고한 결합을 얻을 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 첨부된 도 8은 본 발명에 따른 태양전지의 효율을 보여주는 것으로서, 공지된 것과 같이 태양전지의 효율을 특징 지워주는 주요 변수로는 open-circuit voltage(Voc), short-circuit current(Jsc), 그리고 fill factor(FF) 등이 있다. 태양전지의 효율값(η)은 ImaxVmax/Pin 또는 IscVocFF/Pin로 표시되므로 도 8의 그래프에 보여지는 주요 변수들의 의하여 효율값을 구하면 2.27%임을 알 수 있다.
상기에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시한 예를 위주로 상술하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명의 각 구성요소는 동일한 목적 및 효과의 달성을 위하여 본 발명의 기술적 범위 내에서 변경 또는 수정될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 염료 감응형 태양전지의 개략적 구조를 보여주는 단면 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 염료 감응형 태양전지의 개략적 구조를 보여주는 단면 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 티타늄 와이어 메쉬 구조물의 구성도.
도 4 내지 도 6 각각은 본 발명에 따른 티타늄 와이어 메쉬 구조물의 일 실시예를 보여주는 사진도.
도 7은 본 발명에 따른 이산화 티타늄 나노튜브층의 일 실시예를 보여주는 사진도이다.
도 8은 본 발명에 따른 태양전지의 효율을 보여주는 그래프.
*도면의 주요부분에 대한 부호*
10 : 투명유리기판 20 : 티타늄 와이어 메쉬 구조물
30 : 염료 40 : 이산화 티타늄 나노튜브층
100 : 제 1전극부 200 : 제 2전극부
110 : 투명 전도성 산화막 210 : 백금의 촉매층
400 : 전해질층

Claims (3)

  1. 염료 감응형 태양전지를 구성함에 있어서,
    투명유리기판과;
    염료가 흡착되어 있는 이산화 티타늄(TiO2) 나노튜브(Nanotube)층과, 상기 이산화 티타늄 나노튜브층에 접하며 티타늄(Ti) 금속세선(wire)의 짜임으로 구성되는 박막의 티타늄 와이어 메쉬(Ti-Mesh) 구조물로 구성되어, 상기 투명유리기판의 면에 근접하는 제 1전극부와;
    상기 제 1전극부와 대향되며 백금을 증착시킨 촉매층을 포함하는 제 2전극부와;
    상기 두 전극부 사이에 충진되는 전해질층;으로 구성되고,
    상기 이산화 티타늄 나노튜브층은, 상기 티타늄 와이어 메쉬 구조물을 부분 양극산화(anodizing)시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 티타늄 와이어 메쉬 구조물은,
    50㎛ 내지 100㎛의 직경을 가지는 와이어로 구성되고, 이에 형성되는 각 기공의 직경은 300㎛ 내지 400㎛ 및 전체면적의 기공율은 70%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 이산화 티타늄 나노튜브층은, 상기 티타늄 와이어 메쉬 구조물의 일면측에 100㎛ 내지 200㎛의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지.
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