KR101297627B1 - 이산화티타늄 잉크 제조 방법 및 그 방법에 의해 제조된 잉크를 이용한 염료감응형 태양전지 제조 방법 - Google Patents
이산화티타늄 잉크 제조 방법 및 그 방법에 의해 제조된 잉크를 이용한 염료감응형 태양전지 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
이산화티타늄 잉크 제조 방법 및 그 방법에 의해 제조된 잉크를 이용한 염료감응형 태양전지 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 TiO2 잉크 제조 방법은 Ti(IV)-Isopropoxide가 아세트산(acetic acid) 1몰에 대하여 0.8 ~ 1.2몰의 비율로 혼합된 TiO2 전구체를 마련하는 단계; 상기 TiO2 전구체를 가수분해(hydrolysis)하는 단계; 상기 가수분해 결과물을 해교(peptization)하는 단계; 상기 해교 결과물을 수열 합성(hydrothermal growth)하여 TiO2를 형성하는 단계; 상기 형성된 TiO2를 재분산(redispersion)시켜 TiO2 콜로이드를 형성하는 단계; 상기 TiO2 콜로이드를 농축하는 단계; 상기 농축된 TiO2 콜로이드를 세척하는 단계; 및 상기 세척된 TiO2 콜로이드에 물을 첨가하여 TiOL2 농도를 조절하는 단계;를 포함하고, 상기 TiO2 농도 조절은 결과물의 점도가 1 ~ 10 cps가 되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 TiO2 잉크 제조 방법은 Ti(IV)-Isopropoxide가 아세트산(acetic acid) 1몰에 대하여 0.8 ~ 1.2몰의 비율로 혼합된 TiO2 전구체를 마련하는 단계; 상기 TiO2 전구체를 가수분해(hydrolysis)하는 단계; 상기 가수분해 결과물을 해교(peptization)하는 단계; 상기 해교 결과물을 수열 합성(hydrothermal growth)하여 TiO2를 형성하는 단계; 상기 형성된 TiO2를 재분산(redispersion)시켜 TiO2 콜로이드를 형성하는 단계; 상기 TiO2 콜로이드를 농축하는 단계; 상기 농축된 TiO2 콜로이드를 세척하는 단계; 및 상기 세척된 TiO2 콜로이드에 물을 첨가하여 TiOL2 농도를 조절하는 단계;를 포함하고, 상기 TiO2 농도 조절은 결과물의 점도가 1 ~ 10 cps가 되도록 하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 염료감응형 태양전지 제조 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 염료감응형 태양전지를 제조함에 있어 TiO2 광촉매층을 잉크젯 인쇄법에 의해 형성함으로써, 기존의 스크린 프린팅 (screen printing) 기술 대비 공정과정의 단순화 및 저온 공정이 가능하여 염료감응형 태양전지 제조 비용을 절감할 수 있으며, 다양한 형태 (design)의 태양전지 제작을 평면 및 굴곡면 기판에 프린팅 가능한 기술에 관한 것이다.
염료감응형 태양전지는 TiO2의 광촉매 작용에 의하여 TiO2에 흡착되는 감광성 염료(dye)에서 전자(eletron)들이 발생하게 되고, 발생된 전자들이 TiO2를 통하여 외부 회로로 빠져나가면서 전류를 형성하는 광전기화학적 태양전지이다.
이러한 염료감응형 태양전지는 실리콘형 태양전지와 비교하여 제조 공정이 간단하고 제조비용이 저렴하면서 실용적으로 사용 가능한 광전변환 효율을 갖는 특징이 있다.
일반적인 염료감응 태양전지는 2개의 전극 기판과 이들 사이에 충진되는 전해질을 포함하여 형성된다.
2개의 전극 기판 중 하나의 전극 기판에는 TiO2 광촉매층이 형성된다. 종래에는 TiO2 광촉매층을 스크린 인쇄법을 이용하여 제조하였다.
스크린 인쇄법의 경우 고점도의 TiO2 페이스트를 사용하여 후막을 형성하고 450℃ 정도의 고온에서 열처리 함으로써 후막 내 바인더 등을 제거(burn-out)하는 과정이 필요하다.
이와 같이, 스크린 인쇄법을 이용한 TiO2 광촉매층은, 염료감응형 태양전지의 제조 비용 상승의 원인이 되고 플렉서블(flexible) 기판에 태양전지를 응용하는데 한계가 있다.
따라서, 종래의 스크린 인쇄법을 이용한 TiO2 광촉매층 형성 이외에 새로운 방식의 TiO2 광촉매층의 형성 방법이 요구된다.
본 발명의 목적은 잉크젯 인쇄법으로 염료감응형 태양전지의 TiO2 광촉매층 형성할 수 있는 TiO2 잉크 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 TiO2 잉크를 이용하여 저온 공정이 가능하며, 스크린 프린팅 대비 고충전 다공성 막을 형성할 수 있어 저비용 고효율 염료감응형 태양전지 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 TiO2 잉크로부터 TiO2 광촉매층이 형성되어 광전환 효율이 우수한 염료감응형 태양전지를 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 TiO2 잉크 제조 방법은 TiO2 전구체를 마련하는 단계; 상기 TiO2 전구체를 가수분해(hydrolysis)하는 단계; 상기 가수분해 결과물을 해교(peptization)하는 단계; 상기 해교 결과물을 수열 합성(hydrothermal growth)하여 TiO2를 형성하는 단계; 상기 형성된 TiO2를 재분산(redispersion)시켜 TiO2 콜로이드를 형성하는 단계; 상기 TiO2 콜로이드를 농축하는 단계; 상기 농축된 TiO2 콜로이드를 세척하는 단계; 및 상기 세척된 TiO2 콜로이드에 물을 첨가하여 TiO2 농도를 조절하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 TiO2 잉크 제조 방법은 TiO2 나노 입자를 마련하는 단계; 및 상기 TiO2 나노 입자를 솔벤트에 분산시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 염료감응형 태양전지 제조 방법은 글래스 기판 상에 TCO(Transparent Conductive Oxide)층을 형성하여 제1기판 및 제2기판을 형성하는 단계; 상기 제시된 TiO2 잉크를 이용하여, 상기 제1기판의 TCO층 상에 TiO2 광촉매층을 형성하는 단계; 상기 TiO2 광촉매층에 염료(dye)를 흡착하는 단계; 상기 제1기판과 제2기판을 조립하여 태양전지 셀을 형성하는 단계; 및 상기 형성된 태양전지 셀 내부에 전해질을 주입하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 염료감응형 태양전지는 글래스 기판 상부에 TCO층과, 염료가 흡착된 TiO2 광촉매층이 순차적으로 형성된 제1기판; 글래스 기판 상에 TCO층과, 백금층이 순차적으로 형성된 제2기판; 및 상기 제1기판과 제2기판 사이에 충전되는 전해질;을 포함하고, 상기 TiO2 광촉매층은 상기 제시된 TiO2 잉크로부터 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 TiO2 잉크 제조 방법은 TiO2 합성을 이용하거나 TiO2 나노분말의 직접 분산을 이용함으로써 불순물의 첨가량이 적으며, 저점도인 TiO2 잉크를 제조할 수 있다. 따라서, 제조된 TiO2 잉크를 이용하여 잉크젯 인쇄법으로 염료감응형 태양전지의 TiO2 광촉매층을 형성할 수 있다.
또한, 잉크젯 인쇄법에 의한 TiO2 광촉매층의 형성은 후속 열처리 공정을 생략하거나 상대적으로 저온에서 수행할 수 있으며, 입자 간의 컨택성이 우수한 장점을 가지고 있어 저비용 고효율 태양전지를 제작하는데 효과적이다.
또한, 잉크젯 공정의 장점을 이용하여 TiO2 광촉매층을 원하는 형상으로 자유롭게 형성할 수 있어 다양한 디자인의 태양전지를 제조할 수 있다.
또한, 기판이 플랫(flat)하지 않고 곡면을 갖는 재질로 이루어진 경우라도, 잉크젯 인쇄법에 의하여 TiO2 광촉매층을 형성할 수 있어, 염료감응형 태양전지의 소재 선택 폭을 확대할 수 있다.
또한, 잉크젯 공정은 원재료 사용 양 면에서 기존의 스크린 프린팅(screen printing) 공정보다 훨씬 적은 양을 사용함으로 원료비 절감 및 공정 잔여물 처리비용 등의 절감 효과 및 친환경적 요소가 우수한 태양전지 제조방법이라 할 수 있다.
또한, 잉크젯 공정은 불순물의 함량이 적은 저점도 잉크를 원재료로 사용함으로써 불순물이 많이 포함된 고점도 페이스트를 사용하는 스크린 프린팅(screen printing) 공정 대비 TiO2 입자간의 우수한 콘택(contact)을 유도할 수 있으며, 이를 통해 일반적으로 진행되어지는 TiCl4 처리 공정 (TiCl4 흡착 및 열처리)을 진행하지 않고도 태양전지 효율이 감소하지 않는 특징을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 TiO2 잉크 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 2는 도 1에 도시된 방법으로 제조된 5 중량% TiO2 잉크의 점토 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3 내지 도 8은 도 1에 도시된 방법으로 제조된 TiO2 잉크를 나타내는 TEM 사진들이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 TiO2 잉크 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 10은 염료감응형 태양전지의 원리를 나타내는 모식도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 염료감응형 태양전지 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 염료감응형 태양전지를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 13은 본 발명에 따른 방법으로 제조된 태양전지의 광전환 효율을 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명에 따른 방법으로 제조된 태양전지의 열처리 온도에 따른 광전환 효율을 비교한 그래프이다.
도 2는 도 1에 도시된 방법으로 제조된 5 중량% TiO2 잉크의 점토 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3 내지 도 8은 도 1에 도시된 방법으로 제조된 TiO2 잉크를 나타내는 TEM 사진들이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 TiO2 잉크 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 10은 염료감응형 태양전지의 원리를 나타내는 모식도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 염료감응형 태양전지 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 염료감응형 태양전지를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 13은 본 발명에 따른 방법으로 제조된 태양전지의 광전환 효율을 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명에 따른 방법으로 제조된 태양전지의 열처리 온도에 따른 광전환 효율을 비교한 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 이산화티타늄 잉크 제조 방법 및 그 방법에 의해 제조된 잉크를 이용한 염료감응형 태양전지 제조 방법에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 TiO2 잉크 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 1에 도시된 TiO2 잉크 제조 방법은 TiO2를 직접 합성하여 TiO2 잉크를 제조하는 예이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 TiO2 잉크 제조 방법은 TiO2 전구체 마련 단계(S110), TiO2 전구체 가수분해 단계(S120), 해교 단계(S130), 수열 합성 단계(S140), TiO2 재분산 단계(S150), TiO2 콜로이드 농축 단계(S160), TiO2 콜로이드 세척 단계(S170), TiO2 농도 조절 단계(S180)를 포함한다.
TiO2 전구체 마련 단계(S110)에서는 TiO2를 합성할 수 있는 전구체를 마련한다. TiO2 전구체는 아세트산(acetic acid) 및 Ti(IV)-Isopropoxide가 혼합된 것을 이용할 수 있다. 이때, 아세트산과 Ti(IV)-Isopropoxide는 몰 비율로 1 : 0.8 ~ 1.2의 비율로 혼합되어 있는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 몰 비율로 1 : 1을 제시할 수 있다. 아세트산 1몰에 대하여 Ti(IV)-Isopropoxide가 0.8몰 미만으로 혼합될 경우 Ti 함량이 상대적으로 부족하여 불필요한 전구체 소모가 발생하고, 아세트산 1몰에 대하여 Ti(IV)-Isopropoxide가 1.2몰을 초과할 경우 점도 상승으로 인하여 TiO2 잉크 제조 공정에 제한을 받을 우려가 있다.
다음으로, TiO2 전구체 가수분해 단계(S120)에서는 TiO2 전구체를 가수분해(hydrolysis)한다. 가수분해는 가수분해 결과물의 입자 뭉침(agglomeration)을 막아 분산성을 유지하기 위해 pH가 2~3이 되도록 할 수 있으며, 충분한 가수분해가 이루어질 수 있도록 45분 ~ 75분 동안 실시될 수 있다.
다음으로, 해교 단계(S130)에서는 가수분해 결과물을 해교(peptization)한다. 해교는 질산(nitric acid)을 첨가하여 해교 결과물의 pH가 1 ~ 2가 되도록 할 수 있으며, 70 ~ 90℃에서 60분 ~ 90분 동안 실시될 수 있다.
다음으로, 수열 합성 단계(S140)에서는 해교 결과물을 수열 합성(hydrothermal growth)하여 TiO2를 형성한다. 수열 합성은 오토클래이브(autoclave)에서 실시될 수 있으며, 구체적으로는 TiO2의 합성이 충분히 이루어질 수 있도록, 대략 200 ~ 300℃에서 10 ~ 15 시간 동안 실시될 수 있다.
다음으로, TiO2 재분산 단계(S150)에서는 수열 합성에 의하여 형성된 TiO2를 재분산(redispersion)시켜 TiO2 콜로이드를 형성한다. TiO2의 재분산은 초음파 분산법(sonication)으로 실시될 수 있다. 이때, 초음파 분산을 이용한 TiO2의 재분산은 질산 용액에서 이루어지고, 질산 용액에 포함된 질산 성분은 세척단계(S170)에서 제거될 수 있다.
다음으로, TiO2 콜로이드를 농축 단계(S160)에서는 TiO2 콜로이드를 농축한다. TiO2 콜로이드 농축은 회전농축기(Rotary Evaporator)에서 실시될 수 있으며, 40 ~ 50 ℃ 정도의 온도에서 실시될 수 있다.
또한, 상기 TiO2 콜로이드 농축은 농축 결과물의 TiO2 함량이 10 ~ 15 중량%가 되도록 할 수 있다. TiO2 잉크의 경우, 5 ~ 10 중량%의 TiO2를 포함하는 것이 저점도를 가지고, 또한 입자간 컨택성을 유지할 수 있어, 잉크젯 인쇄법 적용에 가장 적합하다. 따라서, 본 단계(S160)에서 TiO2 콜로이드를 10 중량% 이상의 고농축 상태로 유지함으로써 TiO2 농도 조절 단계(S180)에서 물을 첨가하여 목표로 하는 TiO2 농도로 쉽게 조절할 수 있다. 다만, TiO2가 15중량%를 초과하는 고농축 상태일 경우 농축에 소요되는 비용이 과다하여 바람직하지 못하다.
다음으로, 세척 단계(S170)에서는 농축된 TiO2 콜로이드를 세척하여, 질산 등의 성분을 제거한다. 질산 등의 성분의 완전한 제거를 위하여, 세척은 증류수를 이용하여 3회 이상 실시하는 것이 바람직하다.
마지막으로, TiO2 농도 조절 단계(S180)에서는 물을 첨가하여, 농도가조절된 최종 TiO2 잉크를 제조한다. TiO2 잉크의 경우, 5 ~ 10 중량%의 TiO2를 포함하는 것이 가장 바람직하다. 5 ~ 10 중량%의 TiO2의 경우 1 ~ 10 cPs 의 점도를 가져 잉크젯 인쇄에 유리하다. 한편, TiO2의 함량이 5 중량% 미만일 경우 입자간 컨택성이 저하되고, TiO2의 함량이 10 중량%를 초과하는 경우 저점도를 유지하기 어렵다.
도 2는 도 1에 도시된 방법으로 제조된 5 중량% TiO2 잉크의 점토 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 제조된 5 중량% TiO2 잉크의 경우, 전단 속도(shear rate)가 극히 낮은 경우를 제외하고는 전단 속도에 관계없이 점도(viscosity)가 매우 낮음을 알 수 있다. 즉, 제조된 TiO2 잉크의 경우 점도가 1~10 cPs 범주에 들어 잉크젯 인쇄에 적합함을 알 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 5 중량% TiO2 잉크의 경우, 유효 직경(effective diameter)이 109.9 nm로 측정되었고, 정규분포(lognormal) 사이즈가 44.1 nm로 측정되었으며, 복합모드분포(multimodal) 사이즈가 68.9 nm로 측정되었다. 이는 제조된 TiO2 잉크에 포함된 TiO2가 나노급의 사이즈를 가지고 있어, 잉크젯 공정에 유효하게 적용될 수 있음을 의미한다.
도 3 내지 도 8은 도 1에 도시된 방법으로 제조된 TiO2 잉크를 나타내는 TEM 사진들이다. 이를통해, 물에 TiO2가 고르게 분산되어 있는 것을 알 수 있다.
이상에서는 TiO2 합성을 포함하는 TiO2 잉크 제조 방법에 대하여 설명하였다. 그러나, TiO2 잉크 제조 방법은 TiO2 합성을 포함하지 않고 TiO2 나노 입자를 솔벤트에의 직접 분산을 통하여도 제조 가능하다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 TiO2 잉크 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 9를 참조하면, 도시된 TiO2 잉크 제조 방법은 TiO2 나노 입자 마련 단계(S910) 및 솔벤트에 TiO2 나노 분말 분산 단계(S920)를 포함한다.
TiO2 나노 입자 마련 단계(S910)에서는 구형 또는 비구형의 TiO2 나노 입자를 마련한다. 이때, TiO2 나노입자는 10 ~ 500nm의 평균 입경을 갖는 것을 이용할 수 있다.
TiO2 나노 분말 분산 단계(S920)에서는 TiO2 나노 입자를 솔벤트에 분산시켜 TiO2 잉크를 제조한다.
이때, 솔벤트는 유기계 솔벤트 또는 수계 솔벤트일 수 있으며, 보다 구체적으로는 물, 에탄올(ethanol), 아세톤, 디에틸렌글리콜(DiethyleneGlycol: DEG), 포름아미드(Formamide: FA), α-테르핀네올(α-terpineol: TP), γ-부티로락톤(γ-butylrolactone: BL), 메틸셀루로솔브(Methylcellosolve: MCS), 프로필메틸셀루로솔브(Propylmethylcellosolve: PM), 디메틸포름아미드(N.N dimethylformamide: DMF) 등이 이용될 수 있으며, 이들을 단독으로 혹은 2종 이상 혼합하여 이용할 수 있다.
볼 실시예에서는 TiO2 나노 입자의 첨가량을 조절함으로써, 제조되는 TiO2 잉크의 점도를 1 ~ 10 cPs로 조절할 수 있으며, TiO2 함량 역시 5 ~ 30 중량%로 쉽게 조절할 수 있다.
본 실시예에 따른 TiO2 잉크 제조 방법은 도 1에 도시된 TiO2 잉크 제조 방법에 비하여 보다 간단하게 TiO2 잉크를 제조할 수 있는 장점이 있다.
상기 도 1 및 도 9에 도시된 제조 방법으로 제조된 TiO2 잉크는 후술하는 염료감응형 태양전지 제조의 TiO2 광촉매층의 형성에 이용될 수 있다.
도 10은 염료감응형 태양전지의 원리를 나타내는 모식도이다.
도 10을 참조하면, 염료감응형 태양전지는 투명전극(transparent electrode)과 카운터 전극(counter electrode)를 포함하고, TiO2의 광촉매 작용에 의하여 TiO2에 흡착되는 감광성 염료(dye)에서 전자(eletron)들이 발생하게 되고, 발생된 전자들이 TiO2를 통하여 외부 회로로 빠져나가면서 전류를 형성하는 원리를 이용한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 염료감응형 태양전지 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 11을 참조하면, 도시된 염료감응형 태양전지 제조 방법은 제1기판, 제2기판 형성 단계(S1110), TiO2 잉크젯 인쇄 단계(S1120), 염료 흡착 단계(S1130), 제1기판, 제2기판 조립 단계(S1140) 및 전해질 주입 단계(S1150)를 포함한다.
제1기판, 제2기판 형성 단계(S1110)에서는 글래스 기판 상에 투명전도성 산화물층, 즉 TCO(Transparent Conductive Oxide)층을 형성하여 제1기판 및 제2기판을 형성한다. 이때, TCO층은 ITO(Indium Tin Oxide 또는 FTO(Fluorine-doped Tin Oxide)로 형성될 수 있다.
다음으로, TiO2 잉크젯 인쇄 단계(S1120)에서는 도 1 또는 도 9에 의하여 제조된 TiO2 잉크를 이용하여, 제1기판의 TCO층 상에 TiO2 광촉매층을 형성한다.
TiO2 잉크젯 인쇄에 의한 TiO2 광촉매층의 형성은 잉크젯 인쇄법(ink jet printing)으로 TiO2 잉크를 제1기판의 TCO층 상에 인쇄하는 단계와, 건조를 통하여 상기 TiO2 잉크에 포함된 솔벤트를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 필요에 따라서는 TiO2 광촉매층을 열처리하여 막질을 치밀하게할 수 있는데, 이때 열처리 온도는 250℃ 이하가 될 수 있다. 이를 통해 공정비용 절감의 효과를 가져올 수 있다.
다음으로, 염료 흡착 단계(S1130)에서는 TiO2 광촉매층에 염료(dye)를 흡착한다.
제1기판에는 염료가 흡착된 TiO2 광촉매층을 형성하는 반면, 제2기판에는 TCO층 상부에 백금층을 형성할 수 있다.
다음으로, 제1기판, 제2기판 조립 단계(S1140)에서는 제1기판과 제2기판을 조립하여 태양전지 셀을 형성한다.
마지막으로, 전해질 주입 단계(S1150)에서는 제1기판과 제2기판의 조립에 의하여 형성된 태양전지 셀 내부에 전해질을 주입한다. 전해질은 액상 전해질, 고상 전해질, 젤형 전해질 등이 이용될 수 있다.
이때, 전해질은 제1기판 및 제2기판 중 어느 하나의 기판에 전해질 주입 홀을 형성한 후, 형성된 전해질 주입 홀을 통하여 주입될 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 염료감응형 태양전지를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 12를 참조하면, 도시된 염료감응형 태양전지는 제1기판(1210), 제2기판(1220) 및 전해질(1230)을 포함한다.
제1기판(1210)에는 글래스 기판(1211) 상부에 TCO층(1212)과, 염료가 흡착된 TiO2 광촉매층(1213)이 순차적으로 형성된다.
이때, TiO2 광촉매층은 본 발명에 따른 방법으로 제조된 TiO2 잉크로부터 형성된다.
제2기판(1220)에는 글래스 기판 상에 TCO층과, 백금층이 순차적으로 형성된다.
전해질(1230)에는 제1기판과 제2기판 사이에 충전된다.
도 13은 본 발명에 따른 방법으로 제조된 태양전지의 광전환 효율을 기존 방식인 스크린 프린팅(Screen printing)으로 제작된 태양전지의 광효율과 비교하여 나타내는 그래프이다.
표 1은 도 13의 각각의 경우에 전류밀도, 개방전압, 필 팩터(fill factor), 전지 효율을 나타낸 것이다.
| Inkjet Printing | Screen Printing | |
| Jsc (mA/cm2) | 13.93 | 9.36 |
| Voc (V) | 0.733428 | 0.76 |
| Fill Factor (FF) | 0.643578 | 0.68 |
| Efficiency (%) | 6.57 | 4.91 |
도 13 및 표 1을 참조하면, 일반적인 스크린 프린팅 대비 태양전지 효율이 유사 및 향상되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 기존의 스크린 프린팅(Screen printing)으로 제조된 TiO2 막의 경우 입자간 콘택(contact)성을 향상시키기 위해 TiCl4를 처리를 하게 되는데, 잉크젯 공정에서는 불순물 함량이 적은 저점도 잉크를 사용함으로써 TiCl4 처리를 하지 않더라도 유사한 태양전지의 효율을 얻을 수 있게 된다.
도 14는 잉크젯 프린팅된 TiO2막에 TiCl4처리에 관련된 2가지 공정 (TiCl4 흡착 및 TiCl4처리 후 고온 열처리)을 스킵(skip)한 후 제작된 태양전지의 효율을 측정하여 나타낸 그래프이다. 또한 잉크젯 프린팅된 TiO2 막의 두께를 변화시켜가며 태양전지의 효율 변화를 관찰하였다.
표 2는 도 14에 나타내어진 각각의 경우에 대한 전류밀도, 개방전압, 필 팩터(fill factor), 전지 효율을 나타낸 것이다.
| Inkjet-printed TiO2 Thickness | 5 um | 10 um | 20 um |
| Jsc (mA/cm2) | 8.78599 | 12.89295 | 13.62842 |
| Voc (V) | 0.78937 | 0.762603 | 0.766979 |
| Fill Factor (FF) | 0.72 | 0.69 | 0.61 |
| Efficiency (%) | 5.00 | 6.84 | 6.33 |
도 14 및 표 2를 참조하면 TiCl4 처리 관련 공정을 스킵(skip)하여도 TiO2일정 두께 이상에서는 태양전지 효율의 저하가 나타나지 않는다는 결론에 도달하였다. 10um 이상의 TiO2 두께에서 TiCl4처리를 하지 않고 후속 열처리를 하지 않더라도 6.84%의 높은 태양전지 효율을 보였다.
이는 불순물의 함량이 적은 저점도 잉크를 사용하는 잉크젯 공정이 불순물 함량이 많은 고점도 페이스트를 사용하는 스크린 프린팅(screen printing)대비 우수한 TiO2 입자간 콘택(contact)을 유지하는 고밀도 다공성 TiO2막을 형성시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 기술자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 이하에 기재되는 특허청구범위에 의해서 판단되어야 할 것이다.
1210 : 제1기판
1211, 1221 : 글래스 기판
1212, 1222 : TCO층
1213 : 염료가 흡착된 TiO2 광촉매층
1220 : 제2기판
1223 : 백금층
1230 : 전해질
1211, 1221 : 글래스 기판
1212, 1222 : TCO층
1213 : 염료가 흡착된 TiO2 광촉매층
1220 : 제2기판
1223 : 백금층
1230 : 전해질
Claims (30)
- Ti(IV)-Isopropoxide가 아세트산(acetic acid) 1몰에 대하여 0.8 ~ 1.2몰의 비율로 혼합된 TiO2 전구체를 마련하는 단계;
상기 TiO2 전구체를 45분 ~ 75분 동안 가수분해(hydrolysis)하되, 가수분해 결과물의 pH가 2~3이 되도록 하는 단계;
상기 가수분해 결과물을 해교(peptization)하는 단계;
상기 해교 결과물을 수열 합성(hydrothermal growth)하여 TiO2를 형성하는 단계;
상기 형성된 TiO2를 재분산(redispersion)시켜 TiO2 콜로이드를 형성하는 단계;
상기 TiO2 콜로이드를 농축하는 단계;
상기 농축된 TiO2 콜로이드를 세척하는 단계; 및
상기 세척된 TiO2 콜로이드에 물을 첨가하여 TiO2 농도를 조절하는 단계;를 포함하고
상기 TiO2 농도 조절은 결과물의 점도가 1 ~ 10 cps가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 TiO2 잉크 제조 방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 해교는 질산(nitric acid)을 첨가하여 해교 결과물의 pH가 1 ~ 2가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 TiO2 잉크 제조 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 해교는 70 ~ 90℃에서 60분 ~ 90분 동안 실시되는 것을 특징으로 하는 TiO2 잉크 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 수열 합성은 오토클래이브(autoclave)에서 실시되는 것을 특징으로 하는 TiO2 잉크 제조 방법.
- 제8항에 있어서,
상기 수열 합성은 200 ~ 300℃에서 10 ~ 15 시간 동안 실시되는 것을 특징으로 하는 TiO2 잉크 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 TiO2의 재분산은 초음파 분산법(sonication)으로 실시되는 것을 특징으로 하는 TiO2 잉크 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 TiO2의 재분산은 질산 용액에서 이루어지고, 상기 질산 용액에 포함된 질산 성분은 상기 세척단계에서 제거되는 것을 특징으로 하는 TiO2 잉크 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 TiO2 콜로이드 농축은 Rotary Evaporator에서 실시되는 것을 특징으로 하는 TiO2 잉크 제조 방법.
- 제12항에 있어서,
상기 TiO2 콜로이드 농축은 40 ~ 50 ℃에서 실시되는 것을 특징으로 하는 TiO2 잉크 제조 방법.
- 제12항에 있어서,
상기 TiO2 콜로이드 농축은 농축 결과물의 TiO2 함량이 10 ~ 15 중량%가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 TiO2 잉크 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 세척은 증류수를 이용하여 3회 이상 실시하는 것을 특징으로 하는 TiO2 잉크 제조 방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 글래스 기판 상에 TCO(Transparent Conductive Oxide)층을 형성하여제1기판 및 제2기판을 형성하는 단계;
제1항, 제6항 내지 제15항 중 어느 하나의 항에 기재된 방법으로 제조된 TiO2 잉크를 이용하여, 상기 제1기판의 TCO층 상에 TiO2 광촉매층을 형성하는 단계;
상기 TiO2 광촉매층에 염료(dye)를 흡착하는 단계;
상기 제1기판과 제2기판을 조립하여 태양전지 셀을 형성하는 단계; 및
상기 형성된 태양전지 셀 내부에 전해질을 주입하는 단계;를 포함하여, TiCl4 처리 스킵이 가능한 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 제조 방법.
- 제23항에 있어서,
상기 TiO2 광촉매층 형성 단계는
잉크젯 인쇄법(ink jet printing)으로 상기 TiO2 잉크를 상기 제1기판의 TCO층 상에 인쇄하는 단계와,
건조를 통하여 상기 TiO2 잉크에 포함된 솔벤트를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 제조 방법.
- 제24항에 있어서,
상기 TiO2 광촉매층 형성 단계는
상기 솔벤트 제거 이후, 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 제조 방법.
- 제25항에 있어서,
상기 열처리는 200 ~ 450℃의 온도에서 실시되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 제조 방법.
- 제23항에 있어서,
상기 제2기판의 TCO층 상부에 백금층을 형성하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 제조 방법.
- 제23항에 있어서,
상기 TCO층은 ITO(Indium Tin Oxide 또는 FTO(Fluorine-doped Tin Oxide)로 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 제조 방법.
- 제23항에 있어서,
상기 전해질은 상기 제1기판 및 제2기판 중 어느 하나의 기판에 형성되는 전해질 주입 홀을 통하여 주입되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 제조 방법.
- 글래스 기판 상부에 TCO층과, 염료가 흡착된 TiO2 광촉매층이 순차적으로 형성된 제1기판; 및
글래스 기판 상에 TCO층과, 백금층이 순차적으로 형성된 제2기판;
상기 제1기판과 제2기판 사이에 충전되는 전해질;을 포함하고,
상기 TiO2 광촉매층은 제1항, 제6항 내지 제15항 중 어느 하나의 항에 기재된 방법으로 제조된 TiO2 잉크로부터 형성되어, TiCl4 처리 스킵이 가능한 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
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