KR101039907B1 - 요오드 전기환원용 비백금계 전이금속 매크로사이클 촉매 - Google Patents

요오드 전기환원용 비백금계 전이금속 매크로사이클 촉매 Download PDF

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Abstract

본 발명은 염료 감응형 태양전지의 캐소드 전극의 형성방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비백금계 전이금속 매크로사이클 촉매 물질이 전도성 담체의 표면에 흡착되어 있는 고체상의 촉매를 이용하여 물리화학 증착을 통한 불소 함유 산화주석(FTO) 투명전도막 유리의 표면에 피막을 형성시킬 수 있도록 하는 염료감응형 태양전지의 전극판의 비백금 촉매피막 형성에 관한 것이다. 촉매 담지체에 고 분산된 비백금계 전이금속 매크로사이클 촉매 물질을 전극 촉매의 소재로 적용함에 있어서 종래의 백금 소재를 사용할 때와 비교하여 태양전지의 제조원가를 낮출 수 있는 염료 감응형 태양전지용 비백금 전극 촉매 소재의 제조방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 투명도전성 유리의 표면에 비백금계 전이금속 매크로사이클 촉매 피막을 형성하는 염료감응형 태양전지용 전극판에 있어서, 비백금계 전이금속과 매크로사이클 전구체를 유기성 용매에 용해시켜 물리적으로 촉매 담지체에 담지하는 단계, 상기 단계 후 비백금계 전이금속과 매크로사이클 전구체가 담지된 촉매 담지체를 700℃에서 약 2시간 동안 열처리하는 단계, 상기 고체상의 촉매를 에탄올 용매에 분산하여 잉크상으로 제조하는 단계, 상기 전극판의 촉매피막을 형성하고자 하는 특정부분을 제외한 나머지 부분에 상기 촉매 잉크를 도포하여 촉매피막을 형성하는 단계, 상기 단계 후 전극판을 400 ℃에서 약 30분 동안 열처리하는 단계, 상기 단계 후 전극판을 염료감응형 단위 전지에 적용하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.
비백금계 전극, 전이금속 매크로사이클 촉매, 요오드 전기환원, 염료감응형 태양전지, 전도성 담체

Description

요오드 전기환원용 비백금계 전이금속 매크로사이클 촉매{Non-platinum transition metal-based macrocycle catalysts for iodide electroreduction}
본 발명은 비백금계 전이금속 매크로사이클 촉매 물질이 전도성 담체의 표면에 분산되어 있는 고체상의 촉매를 제조하여 열처리를 통한 물리화학적 증착으로 투명도전성 유리의 표면에 비백금 촉매피막을 형성시킴으로서 종래 대비 생산 전력 당 제조 원가가 감소하고 촉매 작용이 일어나는 표면적이 증가하는 염료감응형 태양전지의 전극판의 비백금 촉매피막 형성에 관한 것이다.
일반적으로 염료감응형 태양전지는 염료물질의 태양광 에너지 흡수 능력을 이용하여 광전기화학적으로 발전을 일으키는 태양전지의 일종으로, 도 1에서 보는 바와 같이, 상부유리 기판 및 상부 도전성 투명 전극(101), 상대전극(102), 전해질(103), 염료가 흡착된 다공질 음극전극(104), 전해질(104), 상대전극(105), 하부 도전성 투명 전극 및 하부 유리기판(106) 등을 구비하고 있다.
다공질 음극전극(104)은 나노다공질막의 형태의 넒은 밴드갭을 가진 n형 산화물 반도체로 구성되어 있고, 이 표면에 단분자 층의 염료가 흡착되어 있다. 태양광이 태양전지에 입사되면, 염료 물질 속의 페르미 에너지 부근의 전자가 태양광의 태양에너지를 흡수하여 전자가 채워지지 않은 상태의 상위 준위로 여기된다. 이때 전자가 빠져나간 하위 준위의 전자 빈자리는 전해질 속의 요오드 이온이 전자를 제공함으로써 다시 채워진다. 염료에 전자를 제공한 이온은 상대전극인 백금 전극으로 이동하여 전자를 제공받게 된다. 이때 상대전극은 전해질 속에 존재하는 요오드 이온의 산화환원반응의 촉매로 작용하여 표면에서의 산화환원 반응을 통하여 전해질 속의 이온에 전자를 제공하는 역할을 한다.
이러한 상대전극의 작용을 만족시키기 위하여 종래의 염료감응형 태양전지에서의 상대전극으로는 촉매작용이 우수한 백금촉매를 주로 사용하고 있으며, 백금과 촉매 특성이 비슷한 팔라듐, 금, 은 등의 귀금속계 물질과 카본블랙, 그래파이트, v탄소나노튜브와 같은 탄소계 전극을 사용하기도 한다.
본 발명은 비백금계 전이금속 매크로사이클 촉매 물질이 다공성의 전도성 지지체의 표면에 분산되어 있는 고체상의 촉매를 이용하여 열처리를 통한 물리화학적 증착으로 투명도전성 유리의 표면에 비백금 촉매피막을 형성시킴으로서 종래 대비 생산 전력 당 제조 원가가 감소하고 촉매 작용이 일어나는 표면적이 증가하는 염료감응형 태양전지의 전극판의 비백금계 전이금속 매크로사이클 촉매피막 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
투명도전성 유리의 표면에 비백금계 전이금속 매크로사이클 촉매를 형성하는 염료감응형 태양전지용 전극판에 있어서, 상기 비백금계 전이금속 매크로사이클 촉매를 전도성 담체에 담지하여 고체상의 촉매로 회수하는 단계, 상기 고체상의 촉매를 700℃에서 약 2시간 동안 열처리하는 단계, 상기 고체상의 촉매를 에탄올 용매에 분산하여 잉크상으로 제조하는 단계, 상기 전극판의 촉매피막을 형성하고자 하는 특정부분을 제외한 나머지 부분에 상기 촉매 잉크를 도포하여 촉매피막을 형성하는 단계, 상기 단계 후 전극판을 400℃에서 약 30분 동안 열처리하는 단계, 상기 단계 후 전극판을 염료감응형 단위 전지에 적용하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.
본 발명은 비백금계 전이금속 매크로사이클 촉매 물질이 전도성 담체의 표면 에 분산되어 있는 고체상의 촉매를 이용하여 닥터블레이드 방법을 포함하는 막을 제조하는 방법에 의해 투명도전성 유리의 표면에 비백금 촉매피막을 형성시킴으로서 종래 대비 생산 전력 당 제조 원가가 감소함은 물론, 촉매 작용이 일어나는 표면적이 증가할 수 있다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1에는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전이금속 매크로사이클 촉매 물질이 전도성 담체 전극을 이용한 염료감응형 태양전지가 제공되는바, 상부 도전성 투명 전극(101)의 내측 표면에 상대전극(105)을 형성하였다.
도 1에의 상부 도전성 투명 전극 내측 표면의 상대전극에 있어서, 상대전극의 물질의 종류는, 종래의 염료감응형 태양전지 상대전극 물질의 경우 백금 전극과 같이 비교적 고가의 종류를 사용할 수 있음에 반하여, 본 발명에 채용되는 상대전극은 비백금계 전이금속 매크로사이클 촉매 전극으며, 이는 전기화학적으로 우수하면서 저가의 종류를 사용할 수 있는 것이다.
상기 나노입자 산화물층은 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2) 또는 산화아연(ZnO)층일 수 있으며, 상기 전해질 용액은 0.1 M의 과염소산리튬(LiClO4)과 10 mM의 요오드화리튬(LiI)와 1 mM의 요오드(I2)를 아세토나이트릴(CH3CN)에 용해시킨 I3 -/I-의 전해질 용액일 수 있다. 또한, 상하부 도전성 투명 전극으로는 주로 불소가 도핑된 산화주석(FTO) 또는 인듐이 도핑된 산화주석(ITO)를 사용할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 비백금계 전이금속 매크로사이클 촉매 촉매 물질이 전도성 담체의 표면에 분산되어 있는 고체상의 촉매 제조방법에서는, 용질로서 전이금속 염과, 매크로싸이클 염과, 전도성 담체와, 용매로서 아세톤 및 아세트산을 혼합하여 나노입자 염화물 콜로이드 용액을 마련한 후, 상온에서 약 2시간 동안 교반 후, 진공건조기를 이용하여 60℃온도에서 상기 용매를 제거하고 고체상의 촉매를 회수한다.
상기 단계 후, 상기 고체상의 촉매를 질소 분위기 하에 700℃온도에서 약 2시간 동안 가열한다.
상기 단계 후, 상기 코발트 질화물 촉매를 에탄올 용매에 분산하여 콜로이드 용액을 마련하고, 상기 콜로이드 용액 중의 비백금계 전이금속 매크로사이클 촉매의 함량은 3%가 되도록 혼합한 것을 이용함이 바람직하다.
상기 콜로이드 용액을 닥터블레이드법, 스크린프린팅법, 스프레이법, 스핀코팅법, 페인팅법을 포함하는 피막을 제조하는 방법에 의해 상기 하부 도전성 투명 전극 기판위에 도포한다.
상기 콜로이드 용액이 도포된 상기 전극 기판에서 상기 용매를 제거할 때에는 400℃온도에서 약 30분 동안 상기 기판을 건조시키는 것이 바람직하다.
이상과 같이, 본 발명은 염료감응 태양전지의 상대전극을 구성하고 있는 비백금계 전이금속 매크로사이클 촉매 층을 구성하는 것으로, 종래의 고가의 백금전극을 대체할 수 있어, 제조된 태양전지의 생산 전력 당 제조 원가의 감소가 가능한 것이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다. 그러나 다음과 같이 예시하는 본 발명의 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로의 적용이 가능하며, 본 발명의 권리 범위가 다음에 상술하는 실시 예들에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 염료감응형 태양전지의 구조를 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 도 1의 염료감응형 태양전지 모듈에서 코발트 질화물이 도포된 카본촉매의 전자현미경 사진.
도 3은 코발트 질화물이 도포된 카본촉매의 XPS 스펙트라.
도 4는 백금 단일상 전극, 코발트 질화물 전극 및 카본블랙 단일상 전극의 순환전류전압곡선.
도 5는 백금 단일상 전극, 코발트 질화물 전극 및 카본블랙 단일상 전극을 이용한 태양전지의 I-V곡선.

Claims (4)

  1. 다음의 단계를 포함하는 비백금계 전이금속 매크로사이클(macrocycle) 촉매가 도포된 태양전지용 전극의 제조방법:
    (a) 전이금속 염, 매크로사이클 염 및 전도성 담체를 아세톤 및 아세트산 용매에 혼합하여 콜로이드 용액을 제조하는 단계;
    (b) 상기 콜로이드 용액을 교반하는 단계;
    (c) 상기 교반한 콜로이드 용액을 건조하여 고체상의 촉매를 회수하는 단계;
    (d) 상기 회수한 고체상의 촉매를 질소분위기 하에서 열처리하는 단계;
    (e) 상기 열처리한 촉매를 에탄올 용매에 분산하여 잉크 형태의 용액으로 제조하는 단계; 및
    (f) 전극판에 상기 (e) 단계에서 제조한 잉크 형태의 용액을 도포하여 촉매 피막을 형성하는 단계.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전이금속은 코발트(Co), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 바나듐(V), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo) 및 탄탈륨(Ta)으로 구성된 군으로부터 선택되는 전이금속인 것을 특징으로 하는 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전도성 담체는 카본블랙, 탄소나노튜브, 탄소나노파이버 및 탄소그래파이트로 구성된 군으로부터 선택되는 전도성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 태양전지용 전극.
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