KR101373503B1 - 염료 감응 태양전지 모듈 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예는 선택적인 인쇄가 가능한 금속 산화물 성막용 용액을 포함하는 염료 감응 태양전지 모듈을 제공함으로써, 염료 감응 태양전지 모듈의 효율을 크게 증가시킬 수 있고, 염료 감응 태양전지의 단점인 대면적시 효율 감소 문제를 해결할 수 있다.
또한, 상기 금속 산화물 성막용 용액으로 전극의 전도도에 영향을 주지 않으며, 투명전극 간 봉지재(sealant)에 영향을 주지 않고, 금속 산화물 나노입자 표면에 선택적인 인쇄가 가능하다.
선택적 인쇄, 나노입자, 금속 산화물 필름, 금속 전도선

Description

염료 감응 태양전지 모듈 및 이의 제조방법{DYE-SENSITIZED SOLAR CELLS MODULE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
실시예는 염료 감응 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 금속 산화물 나노입자 표면에 선택적인 인쇄가 가능한 용액을 포함하는 염료 감응 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지들에 대한 개발이 진행되고 있다. 이러한 태양전지들에는 CIGS 태양전지, 실리콘 계열 태양전지, 염료감응 태양전지, 반도체 태양전지 등이 있다.
일반적으로 태양전지는, 외부에서 들어온 빛에 의해 태양전지의 반도체 내부에서 전자와 정공의 쌍이 생성되고, 이러한 전자와 정공의 쌍에서 pn 접합에서 발생한 전기장에 의해 전자는 n형 반도체로 이동하고 정공은 p형 반도체로 이동함으로써 전력을 생산한다.
태양전지는 다른 에너지원과는 달리 태양이라는 무한한 자원을 바탕으로 환경친화적이며, 1983년 Si 태양전지를 개발한 이후로 최근에는 전세계적인 에너지난으로 인해 각광을 받고 있다.
그러나, 이와 같은 실리콘 태양전지는 Si 원재료 수급 문제에 따른 국가간 경쟁이 치열하고 이로 인해 제작 단가가 고가이다. 이를 해결하기 위해 국외, 국내의 많은 연구기관에서 자구책을 제시하고 있지만, 어려움이 따르는 것이 현실이다. 이러한 심각한 에너지난을 해결할 수 있는 대안 중 한 가지로 염료 감응 태양전지가 있으며, 이는 1991년 스위스 국립 로잔 고등기술원(EPEL)의 마이클 그라첼 박사 연구팀에 의해 개발되었다.
염료 감응 태양전지는 실리콘 태양전지와는 달리 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료 분자 및 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물을 주된 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다.
이 염료 감응 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 제조 단가가 저렴하고 투명한 전극으로 인해 건물 외벽 유리창이나 유리 온실 등에 응용이 가능하다는 이점이 있다.
염료 감응 태양전지의 전자전달 체계는 빛에 의해 여기된 염료분자에서 홀-전자쌍(hole-electron pair)이 생성되고, 이 중에서 전자는 금속 산화물 나노입자 표면으로 이동하여 나노입자끼리의 투명전극까지의 접촉경로를 타고 확산에 의하여 이동한다. 투명전극에서 전자는 전극을 통하여 저항으로 가고, 남은 전자는 양극으로 이동하여 전해질의 산화환원 반응에 의해 다시 염료분자까지 도달하게 된다. 이런 일련의 반응에서 태양전지 효율에 영향을 미치는 요소는 염료분자의 들뜬 상태에서 전자-정공의 분리가 용이해야 하며, 발생된 전자는 저항 없이 금속 산화물 나노입자 사이의 경로를 통해 전극까지 이동해야 하지만, 이러한 경로 중에 결함이 있을 경우에는 전자의 손실이 발생한다. 일반적으로 쓰이는 금속 산화물 나노입자의 직경이 10 내지 20 nm이고, 금속 산화물의 총 두께가 10 내지 15 ㎛인 점을 감안하면 전자의 확산경로에 결함이 있었다.
종래에 이러한 문제를 해결하기 위해, 단위소자에서는 나노입자가 아닌 수에서 수십 나노미터인 금속산화물 막을 나노입자 표면에 성막하여 이러한 단점을 극복하고 있으나 후처리 용액으로 일반적으로 쓰이는 TiO2 수용액은 낮은 점도로 인해 선택적인 성막이 불가능하여 염료 감응 태양전지 단위소자에는 적용가능 하지만 금속 전극이 셀간 전극을 이루고 있는 모듈에서는 전극에 금속산화물이 도포되어 모듈내부 저항을 증가시켜 오히려 효율을 감소시키는 요인이 되어 모듈에서는 적용되지 못하고 있다.
따라서 선택적으로 원하는 영역에만 인쇄가 가능한 금속산화물 성막용 용액이 있다면 현재 모듈의 효율을 크게 증가시킬 수 있고, 염료감응태양전지의 치명적 단점인 대면적 시 효율 감소 문제를 해결할 수 있을 것으로 보인다.
상기와 같은 문제점을 극복하기 위해, 실시예는 선택적으로 원하는 영역에만 인쇄가 가능한 금속 산화물 성막용 용액을 포함하는 염료 감응 태양전지 모듈 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
일 실시예에 따른 염료 감응 태양전지 모듈은, 제 1 기판; 상기 제 1 기판 상에 배치되는 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 배치되는 차단막; 상기 차단막 상에 배치되는 나노입자들; 상기 나노입자들 각각을 둘러싸는 필름들; 상기 나노입자들 상에 배치되는 제 2 전극을 포함하는 제 2 기판; 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 개재되는 전해질; 및 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 연결하는 금속 전도선을 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따른 염료 감응 태양전지 모듈의 제조방법은, 제 1 기판 상에 제 1 전극을 형성하는 단계; 상기 제 1 전극 상에 금속 전도선을 형성하는 단계; 상기 제 1 전극 상에 차단막을 형성하는 단계; 상기 차단막 상에 나노입자들을 형성하는 단계; 상기 나노입자들 각각을 둘러싸는 필름들을 형성하는 단계; 상기 나노입자들 상에 배치되는 제 2 전극을 포함하는 제 2 기판을 형성하는 단계; 및 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 전해질을 주입하는 단계를 포함하고, 상기 필름들은 점성을 갖는 이산화 티타늄 유기-졸 용액의 존재하에서 형성되는 것을 특징으로 한다.
실시예에 따른 염료 감응 태양전지 모듈은 선택적인 인쇄가 가능한 금속 산화물 성막용 용액을 포함하여, 염료 감응 태양전지 모듈의 효율을 크게 증가시킬 수 있고, 염료 감응 태양전지의 단점인 대면적시 효율 감소 문제를 해결할 수 있다.
또한, 상기 금속 산화물 성막용 용액은 전극의 전도도에 영향을 주지 않으며, 투명전극 간 봉지재(sealant)에 영향을 주지 않고, 금속 산화물 나노입자 표면에 선택적인 인쇄가 가능하다.
실시예의 설명에 있어서, 각 기판, 막, 전극 또는 층 등이 각 기판, 전극, 막 또는 층 등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여(indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한, 각 구성요소의 상 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 실시예에 따른 염료 감응 태양전지 모듈의 단면도이다. 도 2는 실시예에 따른 염료 감응 태양전지 모듈에서 단위 셀을 나타낸 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 태양전지 모듈은 제 1 기판(100), 제 1 전극(200), 차단막(210), 광흡수층(300), 제 2 전극(400), 제 2 기판(500), 봉지재(600) 및 금속 전도선(700)을 포함한다. 상기 광흡수층(300)은 염료(310), 나노입자(320), 필름(350) 및 전해질(330)을 포함한다. 상기 제 2 전극(400)은 촉매전극(410) 및 투명전극(420)을 포함한다.
제 1 기판(100)은 투명하며, 절연체이다. 상기 제 1 기판(100)은, 예를 들어 유리 기판, 석영 기판 또는 플라스틱 기판일 수 있다. 여기서, 상기 플라스틱은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 트라아세틸 셀룰로오스(TAC) 또는 이들의 공중합체 등을 포함하나 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기 제 1 기판(100)은 티타늄, 인듐, 갈륨 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 도핑될 수도 있다.
제 1 전극(200)은 상기 제 1 기판(100) 상에 배치된다. 상기 제 1 전극(200)은 전도성 금속 산화막을 포함할 수 있다. 상기 전도성 금속 산화막은 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), 주석계 산화물, 안티몬 틴 옥사이드(ATO), 산화아연(ZnO) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 보다 바람직하게는 F:SnO2를 사용할 수 있다.
차단막(210)은 제 1 전극(200) 상에 배치된다. 상기 차단막(210)은 금속 산화물로 형성될 수 있다. 상기 차단막(210)은 이산화 티타늄으로 형성될 수 있다. 상기 차단막(210)은 이후에 형성될 나노입자(320)와의 접촉력을 향상시킬 수 있다.
광흡수층(300)은 상기 제 1 전극(200) 상에 배치된다. 상기 광흡수층(300)은 염료(310), 나노입자(320), 필름(350) 및 전해질(330)을 포함한다.
상기 나노입자(320)는 실리콘으로 대표되는 반도체 외에, 화합물 반도체 또는 페로브스카이트 구조를 갖는 화합물 등일 수 있다.
상기 반도체로는 광 여기하에서 전도대 전자가 캐리어로 되어 애노드 전류를 제공하는 n형 반도체일 수 있다. 또한, 상기 화합물 반도체로는 티타늄, 주석, 아연, 텅스텐, 지르코늄, 갈륨, 인듐, 이트륨, 니오브, 탄탈, 바나듐으로 이루어진 군에서 선택되는 금속 산화물을 사용할 수 있다. 바람직하게는, 그 예로 산화티타늄, 산화주석, 산화아연, 산화니오브, 산화티탄스트론튬 또는 이들의 혼합물을 들 수 있다. 보다 바람직하게는, 그 예로 아나타제형의 산화티타늄을 들 수 있다. 상기 반도체의 종류는 이들에 한정되는 것은 아니며, 이들을 단독 또는 2개 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 나노입자(320)는 금속 산화물 나노입자일 수 있으며, 상기 금속 산화물 나노입자는 이산화 티타늄 나노입자일 수 있다.
또한, 상기 나노입자(320)의 입경은 평균 입경 1 nm 내지 500 nm인 것일 수 있으며, 바람직하게는 1 nm 내지 100 nm일 수 있다. 더 바람직하게는 10 nm 내지 20 nm일 수 있다. 또한, 상기 나노입자(320)는 큰 입경의 것과 작은 입경의 것을 혼합하거나 다층으로 사용할 수도 있다.
상기 나노입자(320)가 금속 산화물 나노입자인 경우에는 금속 산화물 나노입 자를 스프레이 등으로 직접 기판상에 박막으로 형성되거나, 기판을 전극으로 하여 전기적으로 금속 산화물 나노입자 박막을 석출하거나, 금속 산화물 나노입자의 슬러리 또는 금속 산화물 나노입자의 전구체를 가수분해함으로써 얻을 수 있는 미립자를 함유하는 페이스트를 기판상에 도포한 후, 건조, 경화 또는 소성하는 방법 등에 의해 제조할 수 있다.
필름(350)은 상기 나노입자(320)의 표면상에 형성된다. 상기 필름(350)은 상기 나노입자(320)들 각각을 둘러쌀 수 있다. 상기 필름(350)은 금속 산화물로 형성될 수 있으며, 상기 금속 산화물은 이산화 티타늄일 수 있다. 따라서, 상기 금속 산화물 필름(350)은 상기 금속 산화물 나노입자(320)들 간의 계면에서 전자의 손실이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 상기 필름(350)에 대해서는 하기에서 더 상세히 설명하도록 한다.
상기 필름(350)의 표면에는 외부 광을 흡수하여 여기 전자를 생성하는 염료(310)가 흡착될 수 있다.
전해질(330)로는 산화환원(redox) 전해질을 사용할 수 있다. 구체적으로는, 상기 전해질(330)로는 할로겐 화합물 및 할로겐 분자로 구성되는 할로겐 산화 환원계 전해질, 페로시안산염-페로시안산염이나 페로센-페리시늄 이온, 코발트 착물 등의 금속착물 등의 금속산화 환원계 전해질, 알킬티올-알킬디설피드, 비올로겐 염료, 하이드로퀴논-퀴논 등의 유기산화 환원계 전해질 등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 전해질(330)로는 할로겐 산화 환원계 전해질이 바람직하다.
또한, 상기 할로겐 산화 환원계 전해질에 있어서, 할로겐 분자로는 요오드 분자가 바람직하다. 또한, 할로겐 화합물로는 LiI, NaI, CaI2, MgI2, CuI 등의 할로겐화 금속염, 또는 테트라알킬암모늄요오드, 이미다졸리움요오드, 피리디움요오드 등의 할로겐의 유기 암모늄염, 또는 I2를 사용할 수 있다.
또한, 산화환원 전해질은 이를 포함하는 용액의 형태로 구성될 수 있다. 이때, 상기 용액을 구성하는 용매로는 전지 화학적으로 불활성인 것을 사용할 수 있다. 구체적인 예는 아세토니트릴, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 3-메톡시프로피오니트릴, 메톡시아세토니트릴, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 부틸로락톤, 디메톡시에탄, 디메틸카보네이트, 1,3-디옥소란, 메틸포르메이트, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 3-메톡시-옥사졸리딘-2-온, 설포란, 테트라하이드로퓨란, 물 등을 포함할 수 있다. 특히 아세토니트릴, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 3-메톡시프로피오니트릴, 에틸렌글리콜, 3-메톡시-옥사졸리딘-2-온, 부틸로락톤 등이 바람직하다. 이러한 용매들은 1종 또는 혼합해서 사용할 수 있다.
제 2 전극(400)은 상기 광흡수층(300) 상에 배치된다. 상기 제 2 전극(400)은 촉매 전극(410) 및 투명 전극(420)을 포함할 수 있다.
촉매 전극(410)은 산화-환원 쌍(redox couple)을 활성화시키는 역할을 한다. 상기 촉매 전극(410)으로는 백금, 금, 루테늄, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 오스뮴, 탄소, 산화티탄 및 전도성 고분자 등의 전도성 물질을 사용할 수 있다.
투명 전극(420)은 인듐 틴 옥사이드, 플루오르 틴 옥사이드, 안티몬 틴 옥사 이드, 산화아연, 산화주석, ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3) 등의 투명 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 산화 환원의 촉매 효과를 향상시킬 목적으로 제 1 전극(200)과 마주보고 있는 촉매 전극(410)은 미세구조를 가져 표면적을 증가시킬 수 있는 것이 바람직하다. 예를 들면, 납 또는 금의 경우 블랙 상태로, 카본의 경우 다공질 상태인 것이 바람직하다. 특히 백금흑 상태는 백금의 양극 산화법, 염화 백금산 처리 등에 의해 형성될 수 있다. 또한 다공질 상태의 카본은 카본 미립자의 소결이나 유기폴리머의 소성 등의 방법에 의해 형성될 수 있다.
상기 제 2 기판(500)은 전술한 제 1 기판(100)과 동일하게 투명하며, 절연체이다. 상기 제 2 기판(500)은, 예를 들어 유리 기판, 석영 기판 또는 플라스틱 기판일 수 있다. 상기 플라스틱의 구체적인 예로 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 트리아세틸셀룰로오스 등을 들 수 있다.
봉지재(600)는 제 1 기판(100)과 제 2 기판(500) 사이에 배치된다. 상기 봉지재(600)는 단위 셀을 정의하도록 형성된다. 상기 봉지재(600)는 도전성일 수 있다. 상기 봉지재(600)에 의해 정의된 단위 셀에는 전해질 주입홀(미도시)에 의해 전해질(330)이 주입된다. 상기 봉지재(600)는 금속 전도선(700)의 측면에 배치된다. 따라서, 상기 봉지재(600)로 인해, 상기 전해질(330)에 의해 상기 금속 전도선(700)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
금속 전도선(700)은 제 1 전극(200)과 제 2 전극(400)을 연결시킨다. 염료 감응 태양전지의 모듈에서는 각각의 단위 셀들을 서로 연결시키기 위해 상기 금속 전도선(700)을 사용한다. 상기 금속 전도선(700)은 전도성을 가진 금속으로 이루어질 수 있다. 상기 금속 전도선(700)은 은(Ag) 전도선일 수 있다.
일 실시예에 따른 금속 산화물 필름(350)은 상기 금속 산화물 나노입자(320)들 각각을 둘러쌀 수 있다. 상기 금속 산화물 필름(350)은 이산화 티타늄 필름일 수 있다. 상기 금속 산화물 필름(350)은 상기 금속 산화물 나노입자(320)들 간의 계면에서 전자의 손실이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 즉, 상기 금속 산화물 필름(350)은 염료(310)가 빛을 흡수함으로써 생성된 여기 상태의 전자가 제 1 전극(200)으로 전달될 수 있도록 한다.
또한, 상기 금속 산화물 필름(350)은 이산화 티타늄 유기-졸 용액으로 형성된다. 따라서, 상기 금속 산화물 필름(350)은 상기 금속 산화물 나노입자(320)의 표면 중 일부에만 형성된다. 즉, 상기 이산화 티타늄 유기-졸 용액은 유기 용액인 분산매에 이산화 티타늄이 졸(sol) 상태로 있는 것을 말하며, 상기 이산화 티타늄 유기-졸 용액은 점성을 갖고 있다. 상기 이산화 티타늄 유기-졸 용액의 점도는 3 내지 5 cP(Centi Poise)일 수 있다.
따라서, 상기 이산화 티타늄 유기-졸 용액으로 형성되는 금속 산화물 필름(350)은 이산화 티타늄 나노입자(320)와의 접촉력이 우수하여, 상기 차단막(210)으로 흘러내리지 않고, 상기 금속 산화물 나노입자(320)의 표면에만 형성된다. 결국, 상기 금속 산화물 필름(350)은 상기 금속 산화물 나노입자(320)들 사이의 계면에서 형성된다. 또한, 이산화 티타늄 유기-졸 용액이 차단막(210)에 흘러내리더라 도, 상기 봉지재(600)의 옆으로 스며들어 상기 금속 전도선(700)에 접촉되지는 않는다. 이는 상기 이산화 티타늄 유기-졸 용액이 상기와 같은 점성이 있기 때문이다. 따라서, 상기 금속 산화물 필름(350)으로 인해 상기 금속 산화물 나노입자(320)들 사이의 계면에서 전자가 손실되지 않으며, 여기 상태의 전자가 제 1 전극(200)으로 효과적으로 전달될 수 있게 한다. 또한, 상기 금속 산화물 필름(350)으로 인해 여기 상태의 전자가 제 1 전극(200)까지 전달되는 확산 경로가 짧아지기 때문에, 여기 상태의 전자가 더 효과적으로 전달된다.
일 실시예에 따른 태양전지 모듈에서 상기 금속 전도선(700)과 상기 제 1 전극(200)은 직접 접촉하고 있다. 즉, 상기 금속 전도선(700)과 상기 제 1 전극(200) 사이에 상기 금속 산화물 필름(350)의 물질이 개재되지 않고, 서로 직접 접촉하고 있다. 따라서, 태양전지 모듈 내부의 저항에 영향을 주지 않기 때문에, 내부 저항에 의한 태양전지의 효율 감소를 개선시킬 수 있다. 또한, 염료 감응 태양전지의 단점인 대면적시 효율 감소 문제를 해결할 수 있다.
또한, 상기 이산화 티타늄 유기-졸 용액은 투명전극 간의 봉지재(600)에 영향을 주지 않고, 원하는 영역인 금속 산화물 나노입자 표면에만 선택적인 인쇄가 가능하다.
이하의 실시예에서는 금속 산화물로 이산화 티타늄을 예시적으로 설명하나, 이에 제한되지는 않는다.
실시예 1. 염료 감응 태양전지 모듈의 제작
(1) 이산화 티타늄 유기-졸(TiO2 organic-sol)의 합성 방법
티타늄 테트라부톡사이드(titanium tetrabutoxide) 136 mL와 디에탄올아민(diethanolamine)을 에탄올에 녹여서 약 1시간 동안 격렬히 교반시킨 후, 물(7 mL)과 에탄올(200 mL)을 혼합한 용액을 천천히 적가한 후, 1일 동안 교반하여 이산화 티타늄 유기-졸을 제조한다. 상기 결과로 생성된 이산화 티타늄 유기-졸 용액을 회전 증류기(rotary evaporator)를 사용하여 약 100 mL 용액으로 농축시킨 후 밀폐 용기에 담아 저온(약 5℃)에 보관한다.
(2) 전극 제작
작업 전극과 상대 전극으로 사용할 FTO 유리(전도 유리로 코팅된 플루오르-도핑된 틴 옥사이드, Pilkington, TEC8)를 10 ㎝ × 10 ㎝ 크기로 잘라 유리 세정제로 초음파처리 세척을 10분간 한 후 증류수를 사용하여 비눗물을 완전히 제거하였다. 그 후에 에탄올로 초음파처리 세척을 15분간 2회 반복하였다. 그 후에 무수 에탄올로 완전히 헹군 후에 100℃ 오븐에서 건조시켰다. 이렇게 준비한 FTO 유리를 태양전지 모듈 패턴에 따라 파이버 레이저(fiber laser) 식각기(1064 nm)를 이용하여 각 셀 사이의 투명전극을 60 ㎛ 선폭으로 식각한다. 이때, 레이저 이동속도는 800 mm/s이고, 출력은 12.5W를 사용하였다. 그후, 모듈에서 셀간 음극과 양극을 연결하는 연결자(interconnecter)인 두께 약 14 ㎛, 폭 0.5 mm의 은(Ag) 전도선 형성을 위해 은(Ag) 페이스트(paste)를 스크린 인쇄법을 이용하여 양극, 음극 기판에 각각 인쇄한다. 이렇게 인쇄된 은(Ag) 페이스트는 450℃에서 30분간 열처리하여 은(Ag) 전도선을 형성한다.
(3) 작업 전극(working electrode) 제작
은(Ag) 전도선이 인쇄되고, 레이저 식각된 투명전극 표면에 이산화 티타늄 나노입자와의 접촉력을 향상시키는 이산화 티타늄 차단막(blocking-layer) 형성을 위하여, 70℃의 40 mM 티타늄 클로라이드(Ⅳ) 용액에 40분간 담그고, 증류수로 세정한 후, 100℃ 오븐에서 수분을 완전히 건조시킨다. 이후에, CCIC 사의 이산화 티타늄(TiO2) 페이스트(18-NRT)를 음극 투명전극 위에 스크린 프린터로 10 ㎝ × 10 ㎝ 인쇄 영역에 셀 패턴들이 배열된 마스크(200 메쉬)를 이용하여 인쇄한다. 인쇄된 기판을 100℃ 오븐에서 20분 동안 말린 후, 이 과정을 3회 반복한다. 이어서, 480℃로 30분간 소성함으로써 약 10 ㎛ 두께의 이산화 티타늄 나노입자가 배열된 음극 기판을 얻는다.
(4) 작업 전극에 이산화 티타늄 필름(titanium dioxide film)을 형성
이산화 티타늄 차단막과 은(Ag) 전도선이 패턴된 음극 기판을 스크린 인쇄기를 이용하고, 400 메쉬(mesh)의 스테인리스 스틸 재질의 스크린에 이산화 티타늄 페이스트 사용시와 동일한 패턴을 갖는 스크린을 사용하고, 앞에서 준비한 유기-졸 용액을 사용하여 1회 인쇄 후 450℃ 오븐에서 90분간 소결시켜서, 두께 10 nm 이내의 이산화 티타늄 필름을 나노입자층에 고르게 성막한다.
열처리 과정이 끝난 음극 기판(이산화 티타늄 필름을 포함함)을 40 mM 농도의 루테늄계 유기 금속 염료(N-719)/무수 에탄올 용액에 24시간 담구어 놓음으로써 염료를 흡착시킨다. 흡착이 끝난 후에 에탄올로 흡착되지 않은 염료를 완전히 세정한 후에 60℃에서 10분간 건조시킨다.
(5) 상대 전극(counter electrode) 제작
상기에서 세정, 레이저 식각, 은(Ag) 전도선 프린팅 과정을 거친 10 ㎝ × 10 ㎝ 크기의 투명 전극 기판(FTO 유리)에 직경 0.5 mm의 다이아몬드 드릴(Dremel multipro 395)을 이용해서 각 셀마다 전해질이 주입될 구멍 2개를 뚫는다. 그후, 증류수를 이용하여 세정한 후 100℃에서 30분간 건조한다. 이후에, 하이드로겐 헥사클로로플래티네이트(hydrogen hexachloroplatinate, H2PtCl6)와 2-프로판올(2-propanol) 용액을 1:2 부피비로 30분간 교반하여 고점도의 투명한 혼합 용액을 얻는다. 이 용액을 사용하여 상기에서 이산화 티타늄 필름을 인쇄할 때와 같은 패턴을 갖는 스테인리스 스틸 스크린(325 메쉬)을 사용하여 기판에 인쇄한다. 100℃ 오븐에서 유기 용매가 제거된 기판을, 400℃ 오븐에서 30분간 소결하여 상대전극을 제작한다.
(6) 작업 전극과 상대 전극의 합착
작업 전극과 상대 전극을 1 내지 2 mm 두께로 자른 Surlyn(Solaronix, SX1170-25) 띠를 기판의 외곽 및 은(Ag) 전도선 주위에 올려놓은 후 히팅 프레스(heating press)를 사용하여 두 전극을 합착한다. 상대 전극에 있는 2개의 작은 구멍을 통해 전해질을 주입한 후 Surlyn 스트립과 커버 유리로 봉지하여 모듈을 제작한다. 전해질 용액으로는 0.1 M LiI, 0.05 M I2, 0.6 M 1-헥실-2,3-디메틸이미다조리움 요오드(1-hexyl-2,3-dimethylimidazolium iodide) 및 0.5 M 4-터트-부틸피리딘(4-tert-butylpyridine)을 3-메톡시프로피온니트릴(3-metoxypropionitrile) 용매로 하여 제조하였다.
(7) 포토 커런트 - 전압(photocurrent-voltage) 측정
상기에서 제작한 샌드위치 셀(sandwich cell)에 AM 1.5 솔라 시뮬레이팅 필터(solar simulating filter)를 장착한 후, Xe 램프(Yamashita Denso, 300 W Xe 아크 램프)로 빛을 조사하면 2400 소스 측정 유닛(source measure unit)(SMU, Keithley)을 사용하여 전류-전압 곡선을 얻었다. 전위의 범위는 -6.0 V에서 0.0 V까지이고, 빛의 세기는 100 mW/cm2으로 하였다. AM 1.5 광원 하에서 전류 보정은 NREL에서 검증된 포토 다이오드(photodiode)를 사용하였다.
비교예 1
비교예 1은 작업 전극 제작과정에서 이산화 티타늄 유기-졸을 이용한 이산화 티타늄 필름의 프린팅 및 열처리 과정을 생략하고는 상기 실시예 1과 동일한 과정을 사용하였다.
실시예 1과 비교예 1은 각각 2개의 모듈을 제작하여 평가하였다. 실시예 1과 비교예 1의 측정 결과를 표 1에 나타내었다.
# 면적(cm2) Isc(mA) Jsc(mA) Voc(V) FF(%) PCE(%)
실시예 1
 1 67 121.90 1.85 5.47 0.59 6.00
2 67 121.58 1.84 5.52 0.60 6.08
비교예 1
 1 67 96.79 1.47 5.75 0.54 4.54
2 67 88.75 1.34 5.56 0.59 4.42
여기서, Isc는 단락 전류(short-circuit current)를 나타내고, Jsc는 단위 면적 당 단락 전류를 나타낸다. 이때, Jsc는 외부 저항이 없는 상태에서 빛을 받았을 때 나타나는 전류밀도이며, 광흡수에 의해 여기된 전자와 정공이 재결합하여 손실되지 않고 얼마나 효과적으로 전지 내부에서 외부 회로로 보내지는가에 따라 결정된다. Voc는 개방-회로 전압(open-circuit voltage)를 나타내며, 태양전지에서 나오는 전류가 0일 때의 전압을 말한다. FF(fill factor)는 빛이 가해진 상태에서 전류-전압 곡선의 모양이 사각형에 얼마나 가까운가를 나타내는 지표로서, 최대 전력점에서의 전류밀도(Jsc)와 이때의 전압값의 곱을 Voc와 Jsc의 곱으로 나눈 값이다. 즉, FF는 (Vmax×Jmax)/(Voc×Jsc)이다. PCE는 전지에 의해 생산된 최대 전력과 입사광의 에너지 사이의 비율을 나타낸다.
상기의 표 1과 도 4의 그래프에서 알 수 있듯이, 이산화 티타늄 유기-졸을 이용하여 이산화 티타늄 필름을 형성한 실시예와 이를 생략한 비교예는 효율 면에서 큰 차이가 있음을 알 수 있다. 즉, 실시예에 따른 염료 감응 태양전지 모듈에서의 효율이 비교예보다 약 (6.00-4.54)×100/4.54=32.2% 내지 약 (6.08-1.42)×100/4.42=37.6% 정도 높다는 것을 알 수 있다.
또한, 실시예에 따른 이산화 티타늄 나노입자(320)에 이산화 티타늄 유기-졸을 이용하여 이산화 티타늄 필름(350)을 형성한 후에, 상기 이산화 티타늄 필름(350)의 코팅 과정을 한 번 더 수행하면, 상기 이산화 티타늄 나노입자(320)들 사이의 계면에서 전자가 손실되는 것을 더 줄일 수 있다. 이는 상기 이산화 티타늄 나노입자(320)들은 서로 응집체(aggregation)를 형성하려는 경향이 있는데, 1차적으로 상기 이산화 티타늄 필름(350)을 형성하고, 추가적으로 상기 이산화 티타늄 필름을 한 번 더 형성하게 되면 상기 이산화 티타늄 나노입자들끼리 응집하려는 경향을 더욱 더 줄일 수 있기 때문이다. 따라서, 이를 통해, 여기 상태의 전자가 제 1 전극(200)으로 더 빠르고 효과적으로 전달될 수 있다. 결국, 추가적인 이산화 티타늄 필름 코팅으로 인해, 여기 상태인 전자의 제 2 전극(200)으로 전달능력이 더 향상되어 태양전지 모듈의 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 실시예에 따른 금속 산화물 필름(350)을 형성하는 단계는, 금속 산화물 나노입자(320) 상에 스크린 인쇄 방법(screen-printing), 잉크젯(ink-jet) 인쇄, 슬릿 코팅(slit coating) 및 닥터 블레이드 방법(doctor-blade) 중 어느 한 방법을 이용하여, 선택적인 인쇄가 가능하도록 한다. 즉, 상기 방법들을 이용하고, 이산화 티타늄 유기-졸 용액을 사용하여, 상기 금속 전도선(700)에는 금속 산화물 필름(350)이 도포되지 않고, 상기 금속 산화물 나노입자(320)에만 금속 산화물 필름(350)을 형성할 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 평균적 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 실시예에 따른 염료 감응 태양전지 모듈의 단면도이다.
도 2는 실시예에 따른 염료 감응 태양전지 모듈에서 단위 셀을 나타낸 단면도이다.
도 3은 실시예에 사용되는 염료의 화학식을 나타낸 도면이다.
도 4는 실시예 및 비교예에 따른 염료 감응 태양전지 모듈의 전압-전류 곡선을 나타낸 그래프이다.

Claims (10)

  1. 제 1 기판;
    상기 제 1 기판 상에 배치되는 제 1 전극;
    상기 제 1 전극 상에 배치되는 차단막;
    상기 차단막 상에 배치되는 금속산화물 나노입자막;
    상기 금속산화물 나노입자막상에 점성을 갖는 이산화 티타늄 유기-졸 용액을 도포한 후 소결시켜 얻어지는 이산화 티타늄 포함 필름;
    상기 이산화 티타늄 포함 필름 표면에 형성되고, 외부 광을 흡수하여 여기 전자를 생성하는 염료;
    제 2 전극을 포함하며 상기 제1 기판과 대향되는 제 2 기판;
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 개재되는 전해질;
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 연결하고, 상기 제 1 전극은 직접 접촉하는 금속 전도선; 및
    상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 배치되며, 단위 셀을 정의하고, 상기 전해질과 상기 금속 전도선 사이에 형성되어 전해질에 의해 금속 전도선이 손상되는 것을 방지하는 봉지재;를 포함하며,
    상기 이산화 티타늄 포함 필름은 3 내지 5cP(centipoise)의 점도를 가져 상기 금속산화물 나노입자막을 이루는 금속산화물 나노입자들의 표면 중 일부에만 접촉되고, 상기 금속 전도선에 접촉되지 않도록 형성되는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양전지 모듈.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 차단막은 금속 산화물로 형성되는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양전지 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 금속 산화물은 이산화 티타늄인 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양전지 모듈.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 전도선은 은(Ag)을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양전지 모듈.
  7. 제 1 기판 상에 제 1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제 1 전극 상에 상기 제 1 전극과 직접 접촉하도록 금속 전도선을 형성하는 단계;
    상기 금속 전도선의 양측면에 봉지재를 형성하는 단계;
    상기 제 1 전극 상에 차단막을 형성하는 단계;
    상기 차단막 상에 금속산화물 나노입자막을 형성하는 단계;
    상기 금속산화물 나노입자막 상에 점성을 갖는 이산화 티타늄 유기-졸 용액을 도포한 후 소결시켜 이산화 티타늄 포함 필름을 형성하는 단계;
    상기 이산화 티타늄 포함 필름의 표면에 외부 광을 흡수하여 여기 전자를 생성하는 염료를 흡착시켜 형성하는 단계;
    제 2 전극을 포함하며 상기 제1 기판과 대향되는 제 2 기판을 형성하는 단계; 및
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 전해질을 주입하는 단계를 포함하고,
    상기 봉지재는 단위 셀을 정의하고, 상기 전해질과 상기 금속 전도선 사이에 형성되어 전해질에 의해 금속 전도선이 손상되는 것을 방지하고,
    상기 이산화 티타늄 포함 필름은 3 내지 5cP(centipoise)의 점도를 가져 상기 금속산화물 나노입자막을 이루는 금속산화물 나노입자들의 표면 중 일부에만 접촉되고, 상기 금속 전도선에 접촉되지 않도록 형성되는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양전지 모듈의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 금속산화물 나노입자막 상에 상기 이산화 티타늄 포함 필름을 코팅한 후에, 상기 이산화 티타늄 포함 필름 코팅 과정을 한 번 더 하는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양전지 모듈의 제조방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 이산화 티타늄 포함 필름을 형성하는 단계는, 스크린 인쇄 방법(screen-printing), 잉크젯(ink-jet) 인쇄, 슬릿 코팅(slit coating) 및 닥터 블레이드 방법(doctor-blade) 중 어느 한 방법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양전지 모듈의 제조방법.
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