KR20060085465A - 연속상 반도체 전극, 그의 제조방법 및 이를 채용한태양전지 - Google Patents
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Abstract
연속상 반도체 전극, 그의 제조방법 및 이를 채용한 태양전지에 관한 것으로, 구체적으로는 전자 이동 경로를 개선하여 광전 효율을 향상시킨 연속상 반도체 전극, 그의 제조방법 및 이를 채용한 태양전지가 제공된다.
상기 반도체 전극은 기판 상에 형성된 금속 또는 이들의 질화물을 포함하는 전도성 투명전극; 및 상기 전극에 연속상으로 형성된 금속 산화물을 포함한다.
Description
도 1은 종래기술에 따른 염료감응 태양전지의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 종래기술에 따른 이산화티탄 나노튜브의 접촉 계면을 나타내는 단면도이다.
도 3은 종래기술에 따른 이산화티탄 나노입자의 접촉 계면을 나타내는 단면도이다
도 4는 실시예 1에서 행해지는 금속 질화물의 산화공정(Anodic aluminium oxide)을 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에서 제조한 반도체 전극의 접촉 계면을 나타내는 TEM 사진이다.
도 6은 상기 도 5의 접촉 계면을 좀 더 확대한 TEM 사진이다.
도 7은 실시예 1에서 얻어진 반도체 전극의 표면 사진이다.
도 8은 실시예 4에서 얻어진 반도체 전극의 표면 사진이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 반도체 전극, 11: 전도성 투명기판, 12: 광흡수층, 12a: 금속 산화물, 12b: 염료, 13: 전해질층, 14: 대향 전극
본 발명은 연속상 반도체 전극, 그의 제조방법 및 이를 채용한 태양전지에 관한 것으로, 구체적으로는 전자 이동 경로를 개선하여 광전 효율을 향상시킨 연속상 반도체 전극, 그의 제조방법 및 이를 채용한 태양전지에 관한 것이다.
최근 들어 직면하는 에너지 문제를 해결하기 위하여 기존의 화석 연료를 대체할 수 있는 다양한 연구가 진행되어 오고 있다. 특히 수십년 이내에 고갈될 석유 자원을 대체하기 위하여 풍력, 원자력, 태양력 등의 자연 에너지를 활용하기 위한 광범위한 연구가 진행되어 오고 있다. 이들 중 태양 에너지를 이용한 태양 전지는 기타 다른 에너지원과는 달리 자원이 무한하고 환경 친화적이므로 1983년 Se 태양전지를 개발한 이후로 최근에는 실리콘 태양전지가 각광을 받고 있다.
그러나 이와 같은 실리콘 태양전지는 제작 비용이 상당히 고가이기 때문에 실용화가 곤란하고, 전지효율을 개선하는데도 많은 어려움이 따르고 있다. 이러한 문제를 극복하기 위하여 제작 비용이 현저히 저렴한 염료 감응형 태양 전지의 개발이 적극 검토되어 오고 있다.
염료 감응 태양전지는 실리콘 태양전지와는 달리 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료 분자, 생성된 전자를 전 달하는 전이 금속 산화물을 주된 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다. 지금까지 알려진 염료 감응 태양전지 중 대표적인 예로는 1991년 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의해 발표된 것이 알려져 있다. 그라첼 등에 의한 태양전지는 염료분자가 입혀진 나노입자 이산화티탄(TiO2)으로 이루어지는 반도체 전극, 대향 전극(백금 전극), 및 그 사이에 채워진 전해질로 구성되어 있다. 이 전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비하여 전력당 제조원가가 저렴하기 때문에 기존의 태양전지를 대체할 수 있는 기능성이 있다는 점에서 주목을 받아왔다.
이와 같은 염료감응 태양전지의 구조를 도 1에 나타낸다. 도 1을 참조하면, 염료감응 태양전지는 반도체 전극(10), 전해질층(13) 및 대향전극(14)을 포함하며, 상기 반도체 전극은 전도성 투명기판(11) 및 광흡수층(12)으로 이루어진다. 즉 반도체 전극(10) 및 대향전극(14) 사이가 전해질층(13)으로 채워져 있는 구조를 갖게 된다.
상기 광흡수층(12)은 일반적으로 금속 산화물(12a) 및 염료(12b)를 포함하여 형성된다. 상기 염료(12b)는 S, S*, S+로 나타낼 수 있으며, 각각 중성, 전이상태 및 이온 상태를 나타내는 바, 태양빛이 흡수되면 염료 분자는 기저상태(S/S+)에서 여기 상태(S*/S+)로 전자 전이하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 이루며, 여기상태의 전자(e-)는 상기 금속 산화물(12a)의 전도대(Conduction Band, CB)로 주입되어 기전력을 발생하게 된다.
그러나 여기상태의 전자가 모두 상기 금속 산화물(12a)의 전도대로 이동하는 것이 아니고 다시 염료 분자와 결합하여 기저상태로 돌아가거나, 전도대로 이동한 전자가 다시 전해질 내의 산화 환원 커플과 결합하는 등의 역반응(recombination reaction)이 발생하여 광전효율을 저하시킴으로써 기전력을 감소시키는 원인이 되고 있다. 따라서 이와 같은 전자의 역반응을 억제함으로써 전극의 전기 전도도를 향상시켜 태양전지의 광전효율을 개선하는 것이 주요한 문제로서 대두되고 있다.
특히 나노입자를 사용하여 상기 금속 산화물층을 형성하는 경우에는 나노입자간의 계면이 저항체로 작용하여 전기 전도도가 낮아지고, 광전효율이 감소한다. 즉 전극 제조시 전도성 투명기판 상에 금속 산화물 나노입자를 인쇄 또는 직접 성장시킨 경우 두 층간에 계면이 형성되고, 그 결과 전기저항이 높아지게 된다. 이로 인해 상술한 바와 같은 전자의 역반응이 일어나 전지의 광전 효율을 저하시키는 원인이 된다. 이와 같은 층간 계면 형성의 예를 도 2 및 3에 개시하였다. 도 2 및 3에 도시된 바와 같이 나노입자와 기판 사이, 혹은 나노튜브와 기판 사이에서 비어 있는 틈이 있거나, 혹은 이들이 직접 접촉하지 못함을 확인할 수 있다.
미국특허 6,270,571호 및 6,649,824호에는 와이어 또는 나노튜브 형태 등의 금속 산화물층이 개시되어 있으나, 이들도 상술한 바와 같은 층간 계면이 형성될 수 밖에 없고, 그에 따른 저항값의 증가로 인해 전자의 역반응을 효율적으로 제어할 수 없어 광전효율의 저하가 필연적으로 발생하게 된다.
따라서 전도성 투명기판과 금속산화물층 간의 계면을 개선하여 저항값을 감소시킴으로써 전자의 역반응을 억제하여 광전효율을 억제할 수 있는 새로운 방법이 요구되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 역반응을 억제하면서도 광전 효율이 개선된 반도체 전극을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 반도체 전극의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 상기 반도체 전극을 구비한 태양전지를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,
기판 상에 형성된 금속 또는 이들의 질화물을 포함하는 전도성 투명전극; 및
상기 투명 전극에 연속상으로 형성된 금속 산화물을 포함하는 반도체 전극을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따르면 상기 금속은 티타늄, 니오븀, 하프늄, 인듐, 주석 및 아연으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이다.
본 발명의 일실시예에 따르면 상기 금속 질화물은 티타늄 질화물, 니오븀 질화물, 하프늄 질화물, 인듐질화물, 주석 질화물, 및 아연 질화물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이다.
본 발명의 일실시예에 따르면 상기 금속 산화물은 티타늄 산화물, 니오븀 산화물, 하프늄 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물 및 아연 산화물로 이루어진 군으 로부터 선택된 하나 이상이다.
본 발명의 일실시예에 따르면 상기 금속 산화물은 양자점, 나노점, 나노튜브, 나노와이어, 나노벨트 또는 나노입자로 이루어진 나노물질이다.
본 발명의 일실시예에 따르면 상기 금속 또는 이들의 질화물 및 금속 산화물을 형성하는 금속은 동일한 종류의 금속을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 반도체 전극은 염료를 더 포함할 수 있으며, 이와 같은 염료는 상기 전극과 연속상으로 형성된 금속 산화물과 결합한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 반도체 전극은 상기 금속 또는 이들의 질화물과 기판 사이에 개재된 금속 산화물층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 반도체 전극은 상기 금속 산화물 상에 형성된 금속산화물 나노입자를 더 포함할 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,
기판 상에 금속 또는 이들의 질화물을 도포하는 단계; 및
상기 금속 또는 이들의 질화물의 표면을 산화시켜 금속 산화물층을 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,
상기 반도체 전극, 전해질층 및 대향전극을 구비하는 태양전지를 제공한다.
이하에서 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 반도체 전극은 기판 상에 형성된 금속 또는 이들의 질화물을 포함하는 전도성 투명전극; 및 상기 전극에 연속상으로 형성된 금속 산화물을 포함 한다.
금속 산화물 나노입자 등을 사용하여 금속 산화물층을 전도성 투명 전극 상에 형성한 경우 그 계면상의 접촉이 불완전함으로 인하여 나노입자와 전도성 투명 전극 사이의 계면이 저항체로 작용하여 전기 전도도가 낮아진 것과 달리, 본 발명에 따른 반도체 전극은 전도성 투명 전극 상에 금속 산화물층이 연속상으로 형성되어 있어 계면이 거의 존재하지 않아 상당히 낮은 전기 저항값을 나타내게 된다. 그에 따라 상기 반도체 전극의 외부에서 주입된 전자가 금속 산화물층으로 주입된 후, 접촉 계면없이 금속 산화물층 내부에서 전도성 투명 전극으로 이동하는 것이 용이해진다. 즉 종래의 반도체 전극에서 필연적으로 발생하는 금속산화물층과 전도성 투명 전극의 양 계면 사이의 접촉력 문제로 인한 계면 저항이 거의 발생하지 않아 전극까지의 전자 이동이 용이해진다는 것이다. 이를 통해 전자 이동이 원활해져 전자의 축적 및 역반응(recombination reaction)을 억제할 수 있다.
상기 본 발명에 따른 전도성 투명 전극은 금속 또는 이들의 질화물을 선택적으로 포함할 수 있으며, 상기 금속은 티타늄, 니오븀, 하프늄, 인듐, 주석, 아연로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이며, 이들의 질화물로서는 티타늄 질화물, 니오븀 질화물, 하프늄 질화물, 인듐 질화물, 주석 질화물 및 아연 질화물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이다. 상기 금속으로서는 니오븀, 인듐 또는 주석이 보다 바람직하며, 상기 금속 질화물로서는 티타늄 질화물, 하프늄 질화물, 또는 아연 질화물이 바람직하다. 이와 같은 금속 또는 금속 질화물의 선택 요소로서는 광투과도를 고려하여 선택하는 것이 좋다. 즉 티타늄을 예로 들면 순수 금속 티 타늄에 비하여 티타늄 질화물이 광투과도가 더 우수하므로 질화물 형태를 사용하는 것이 바람직하며, 순수 금속을 사용하는 경우에는 그 도포 두께를 질화물에 비하여 보다 얇게 형성함으로써 목적하는 광투과도를 얻을 수 있다.
이와 같은 금속 또는 이들의 질화물은 투명 전도막의 역할을 수행하는 것으로서 금속 산화물층으로부터 이동하는 전자를 받아 이를 부가된 폐회로를 통해 이동시킴으로써 전극의 역할을 하게 된다. 이들 금속 질화물은 종래 투명 전도막으로서 대표적으로 사용되어온 인듐 틴 옥사이드(Indium Tin Oxide)와 비교하여 저항값이 낮아 전자를 신속히 이동시킬 수 있어 전자의 축적을 억제하게 되므로 이들이 다시 외부로 돌아가는 역반응을 최대한 억제할 수 있게 되는 장점을 갖게 되므로, 상기 인듐 틴 옥사이드를 대체할 수 있는 유용성을 갖게 된다.
상기 금속 또는 이들의 질화물은 태양전지 등에 사용될 경우 충분한 광투과를 얻기 위해서는 적절한 광투과도를 갖는 것이 필요하며, 이를 위해서는 상기 금속 또는 이들의 질화물을 적절한 두께로 형성할 필요가 있다. 상기 금속 또는 이들의 질화물이 광투과능이 좋다고 하여도 이들이 형성된 층의 두께가 지나치게 두꺼울 경우 광투과도가 감소할 우려가 있어 바람직하지 않다. 따라서 이들은 상기 기판 상에 약 5nm 내지 1㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 금속 또는 이들의 질화물의 두께가 5nm 미만인 경우에는 투명 전도막의 역할을 충분히 수행할 수 없으며, 1㎛를 초과하는 경우 광투과도가 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다.
상기 금속 또는 이들의 질화물을 포함하는 전도성 투명전극의 상부에는 연속상으로 금속 산화물층이 형성되어 있다. 여기서 연속상이라 함은 상기 금속 또는 이들의 질화물로 구성된 투명 전도막과 계면이 형성됨이 없이 연속적으로 상기 금속산화물이 형성되어 있음을 의미하는 것이다. 이와 같이 형성된 금속산화물은 특별히 제한되는 것은 아니나 광 여기하에서 전도대 전자가 캐리어로 되어 애노드 전류를 제공하는 n형 반도체인 것이 바람직하다.
상기 금속 산화물이 금속 또는 이들의 질화물을 포함하는 투명 전도막 상에 연속적으로 형성된 경우 이들의 계면상에서의 접촉 저항값은 4-프로브법으로 측정시 1KΩ/□ 이하, 바람직하게는 0.00001 내지 1KΩ/□에 해당하여 불완전한 접촉 계면이 존재할 경우의 접촉 저항값인 수 내지 수십 MΩ/□과 비교하여 상당히 낮은 저항값을 갖게 된다. 그에 따라 전자의 역반응을 최대한 억제하게 되므로 광전효율의 향상을 갖게 된다.
이와 같은 금속 산화물로서는 티타늄 산화물, 니오븀 산화물, 하프늄 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물 및 아연 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있으며, 이들을 단독 또는 두 가지 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 바람직하게는 티타늄 산화물(TiO2)을 사용할 수 있다.
이와 같은 금속 산화물은 표면에 흡착된 염료가 보다 많은 빛을 흡수하고 전해질층과의 흡착 정도를 향상시키기 위하여 표면적을 크게 하는 것이 바람직하므로, 양자점, 나노점, 나노튜브, 나노와이어, 나노벨트 또는 나노입자로 이루어진 나노물질인 것이 바람직하다.
이들 금속 산화물의 경우 상기 투명 전도막을 통해 들어온 광이 투과할 수 있고, 염료 및 전해질층의 충분한 흡착이 이루어져야 하므로 적절한 두께의 조절이 필요하다. 이들 금속 산화물의 두께는 약 1㎛ 내지 30㎛가 바람직하다. 상기 금속 산화물층의 두께가 1㎛ 이하인 경우에는 광여기하에 충분한 전자 생성이 곤란할 수 있고 염료 및 전해질층의 충분한 흡착이 곤란하다는 문제가 있으며, 30㎛을 초과하는 경우 광투과도가 감소하고 전자의 이동경로가 길어져 바람직하지 않다.
상기 투명 전도막을 구성하는 금속 또는 이들의 질화물, 및 금속 산화물이 연속상, 즉 일체형으로 형성되기 위해서는 이들이 동일한 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다. 예를 들어 상기 금속 질화물이 티타늄 질화물(TiN)인 경우, 상기 금속 산화물은 티타늄 산화물(TiO2)이 될 수 있다.
더불어 이들 금속 산화물 층 상에는 나노입자를 더 형성할 수 있다. 즉 이들과 동일 또는 상이한 성분의 금속 산화물을 나노입자 형태로 더 도포하여 형성시킴으로써 이들에 의한 표면적 증가효과를 더 거둘 수 있어 염료와 전해질층의 흡착량을 증가시키는 것이 가능하다. 이를 위해서는 금속 또는 이들의 질화물을 포함하는 투명 전도막 상에 상기 금속 산화물을 연속상으로 형성한 후, 그 표면 상에 나노 입자를 도포한 후 이를 열처리하여 나노입자를 더 형성하게 된다.
본 발명에 따른 반도체 전극은 상기 금속 산화물층 상부에 염료를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 염료 입자는 상기 금속 산화물의 표면 상에 흡착되어 형성되며, 이들은 광을 흡수함으로써 기저상태(S/S+)에서 여기 상태(S*/S+)로 전자 전이하여 전자-홀 쌍을 이루게 되며, 여기상태의 전자(e-)는 상기 금속 산화물의 전도대 로 주입된 후 전극으로 이동하여 기전력을 발생하게 된다.
이와 같은 염료로서는 태양 전지 분야에서 일반적으로 사용되는 것이라면 아무 제한 없이 사용할 수 있으나, 루테늄 착물이 바람직하다. 그렇지만 전하 분리기능을 갖고 감응 작용을 나타내는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니며, 루테늄 착물 이외에도 예를 들어 로다민 B, 로즈벤갈, 에오신, 에리스로신 등의 크산틴계 색소, 퀴노시아닌, 크립토시아닌 등의 시아닌계 색소, 페노사프라닌, 카브리블루, 티오신, 메틸렌블루 등의 염기성 염료, 클로로필, 아연 포르피린, 마그네슘 포르피린 등의 포르피린계 화합물, 기타 아조 색소, 프탈로시아닌 화합물, Ru 트리스비피리딜 등의 착화합물, 안트라퀴논계 색소, 다환 퀴논계 색소 등을 들 수 있으며, 이들을 단독 또는 두가지 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 루테늄 착물로서는 RuL2(SCN)2, RuL2(H2O)2, RuL3, RuL
2 등을 사용할 수 있다(식중 L은 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복실레이트 등을 나타낸다).
또한 본 발명에 따른 상기 반도체 전극은 상기 금속 또는 이들의 질화물을 포함하는 투명 전도막과 기판 사이에 형성된 금속 산화물층을 더 포함할 수 있다. 이와 같은 금속 산화물층은 기판 상에 일반적인 도포 방법, 예를 들어 스퍼터링, 혹은 화학 증착법 등을 통해 형성할 수 있으며, 이들은 광의 투과도를 개선하는 역할을 일차적으로 수행하고, 부가적으로는 상기 투명 전도막보다 이들의 저항값이 높기 때문에 상기 투명 전도막으로 주입된 전자가 이들 금속 산화물층으로 이동되 지 않고 외부의 회로로 이동할 수 있는 차단막의 역할도 수행하게 된다.
이와 같이 투명 전도막과 기판 사이에 개재되는 금속 산화물층에 사용되는 금속 산화물로서는 상기 투명 전도막에 사용되는 금속 또는 이들의 질화물에 사용되는 금속과 동일 또는 상이한 종류의 금속 산화물을 사용할 수 있는 바, 예를 들어 티타늄 산화물, 니오븀 산화물, 하프늄 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물, 및 아연 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 이와 같은 금속 산화물층의 두께는 5nm 내지 1㎛의 두께로 형성할 수 있다. 상기 두께가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 광투과도가 저하되어 바람직하지 않다.
상술한 바와 같은 반도체 전극의 제조방법은,
기판 상에 금속 또는 이들의 질화물을 도포하는 단계; 및
상기 금속 또는 이들의 질화물의 표면을 산화시켜 금속 산화물층을 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 금속 또는 이들의 질화물을 기판 상에 도포하기 위해서는 일반적인 도포 방법을 사용할 수 있으며, 예를 들어 스퍼터링법, 화학증착법, 물리증착법 등의 방법을 사용할 수 있다. 이들을 도포하는 경우 그 두께는 추후 이들의 표면이 산화물로 전환될 것을 고려하여 그 도포 두께를 충분히 할 필요가 있으며, 1㎛ 내지 30㎛의 두께로 도포하는 것이 바람직하다.
이들 금속 또는 이들의 질화물의 표면을 산화시켜 금속 산화물층을 형성하기 위한 방법으로서는 AAO(Anodic Aluminium Oxide)법, 열처리법, 또는 나노인쇄법 등을 예로 들 수 있다.
이들 중 AAO법은 상기 금속 또는 이들의 질화물 상에 알루미늄막을 형성한 후 황산 또는 옥살산 등의 저온의 전해액 내에서 전류를 가하여 상기 알루미늄막 내부에 공극이 균질하고 주기적으로 배열된 알루미늄 산화물을 형성하여 이를 주형으로 사용하는 방법으로서 이를 통해 금속 산화물의 나노점이 상기 금속 또는 이들의 질화물의 표면에서 성장하게 된다. 나노점을 성장시킨 후에는 80 내지 500℃의 온도에서 0.1 내지 2시간 동안 열처리하여 더욱 균질한 금속 산화물을 상기 금속 또는 이들의 질화물의 표면 상에 형성할 수 있다. 이와 같은 방법에 의하여 형성된 금속 산화물은 그 표면이 돌기처럼 솟아 오른 나노점의 구조를 갖게 되므로 표면적이 증가하여 그 표면 상에 더욱 많은 염료와 전해질층이 흡착하게 된다.
상기 열처리법은 공기 분위기하에 상기 금속 또는 이들의 질화물의 표면을 열처리하는 것으로서 이때 열처리온도는 80 내지 500℃가 바람직하며, 0.1 내지 2시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.
상기 기판으로서는 투명성을 갖고 있는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니며, 글래스 기판, 실리카 기판 등을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체전극에서는 상기 금속 또는 이들의 질화막과 기판 사이에 금속 산화물층을 더 형성할 수 있으며, 이 경우에는 상기 금속 질화막을 기판상에 도포하기 전에 이들 금속 질화막과 동일 또는 상이한 종류의 금속으로 된 금속 산화물을 스퍼터링법, 증착법 등의 방법으로 기판 상에 형성할 수 있다. 도포 두께는 약 1nm 내지 1㎛가 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 반도체 전극에서는 열처리에 의하여 금속 또는 이들의 질화막의 표면 상에 금속 산화물층을 형성한 후에, 그 표면적의 확대를 위하여 그 표면 상에 나노입자 형태의 금속 산화물을 더 형성할 수 있다. 이 경우 일반적인 도포방법을 사용하는 것도 가능하고, 예를 들어 이들 금속 산화물 전구체를 용매와 함께 수열합성하여 콜로이드 용액을 제조한 후, 이를 상기 금속산화물층 상에 도포 및 소성하여 나노입자 산화물들간의 접촉 및 충진이 이루어지도록 하여 소성물 형태로 얻게 된다.
상기 금속 산화물 전구체로서는 전이금속의 알콕사이드 화합물 등을 예로 들 수 있으며, 구체적으로 티타늄 산화물의 경우에는 티타늄(IV) 이소프로폭사이드를 예로 들 수 있으나 이들에 한정되는 것은 아니다. 상기 용매로서는 아세트산 등의 산을 예로 들 수 있으나 이들에 한정되는 것은 아니다. 상기 소성은 80 내지 550℃에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 본 발명에 따른 반도체 전극은 역반응이 억제되고, 전자의 전극으로의 이동이 용이해져 염료감응 태양전지에 사용되는 경우 광전 효율을 향상시키는 것이 가능하다. 본 발명에 따른 반도체 전극을 구비한 염료 감응 태양전지는 반도체 전극, 전해질층 및 대향 전극을 구비한다.
상기 전해질층은 전해액으로 이루어지고, 예를 들면 요오드의 아세토나이트릴 용액, NMP용액, 3-메톡시프로피오나이트릴 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 홀 전도 기능이 있는 것이라면 어느 것이나 제한 없이 사용할 수 있다.
상기 대향전극은 도전성 물질이면 어느 것이나 제한 없이 사용가능하나, 절연성의 물질이라도 반도체 전극에 마주보고 있는 측에 도전층이 설치되어 있으면, 이것도 사용 가능하다. 단, 전기화학적으로 안정한 재료를 전극으로서 사용하는 것이 바람직하며, 구체적으로는 백금, 금, 및 카본 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 산화환원의 촉매 효과를 향상시킬 목적으로 반도체 전극과 마주보고 있는 측은 미세구조로 표면적이 증대하고 있는 것이 바람직하며, 예를 들어 백금이면 백금흑 상태로, 카본이면 다공질 상태로 되어 있는 것이 바람직하다. 백금흑 상태는 백금의 양극 산화법, 염화백금산 처리 등에 의해, 또한 다공질 상태의 카본은, 카본 미립자의 소결이나 유기폴리머의 소성 등의 방법에 의해 형성할 수 있다.
이와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법은 특별히 한정되는 것은 아니며, 종래기술에 알려져 있는 어느 방법이나 제한 없이 사용할 수 있다.
이하에서 본 발명을 실시예 및 비교예를 들어 보다 상세히 설명하나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
글래스 기판 상에 스퍼터를 사용하여 TiO2를 75nm의 두께로 도포하였다. 그 위에 TiN을 스퍼터를 사용하여 약 5㎛의 두께로 도포하였다. 이어서 스퍼터를 사용하여 Al을 300nm의 두께로 도포하였다. 이를 기본 시편으로 하여 도 4에 나타낸 바와 같이 AAO(Anodic Aluminum Oxide)법을 사용하여 나노점을 성장시켰다. 이때 사용한 0.3M 황산 수용액을 사용하였고, -15℃에서 19볼트의 전압을 가하였다. 이어서 Al을 제거하고 400℃에서 1시간 동안 열처리하여 기판/TiO2/TiN/TiO2층의 전극을 형성하였다. 이들의 두께는 각각 약 기판/75nm/53nm/5㎛이었다. 이 전극의 단면을 도 5 및 도 6에 나타내었다. 도 6은 도 5의 단면을 좀 더 확대한 사진이다. 이와 같은 TEM 사진에서 확인할 수 있는 바와 같이 계면의 형성 없이 각 층이 연속상으로 형성되었음을 확인할 수 있다. 도 7은 이 전극의 표면 사진으로서 표면에 규칙적으로 일정하게 반복되는 나노점이 형성되었음을 알 수 있다.
이어서 상기 전극을 0.3mM 농도를 갖는 루테늄 디티오시아네이트 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복실레이트 용액에 24시간 동안 침지한 후 건조시켜 염료를 상기 기판 상에 흡착시킴으로써 반도체 전극을 제조하였다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 황산 대신에 옥살산을 사용한 것을 제외하고는 동일한 과정을 수행하여 반도체 전극을 제조하였다. 염료를 형성하기 전의 전극의 표면 TEM 사진을 도 8에 나타내었다. 황산에 비해 훨씬 더 조밀하고 촘촘한 나노점이 형성되었음을 확인할 수 있다.
실시예 3
상기 실시예 1에서 글래스 기판 상에 TiO2층을 스퍼터링하는 과정없이 진행하여 TiN/TiO2층으로 된 반도체 전극을 형성하였다.
실시예 4
글래스 기판 상에 스퍼터를 사용하여 TiO2)를 50nm의 두께로 도포하였다. 그 위에 TiN을 스퍼터를 사용하여 50nm의 두께로 도포하였다. 이어서 스퍼터를 사용하 여 Al을 300nm의 두께로 도포하였다. 이를 기본 시편으로 하여 AAO(Anodic Aluminum Oxide)법을 사용하여 나노점을 성장시켰다. 이때 사용한 0.3M 황산 수용액을 사용하였고, -15℃에서 19볼트의 전압을 가하였다. 이어서 Al을 제거하고 400℃에서 1시간 동안 열처리하여 TiO2/TiN/TiO2층의 전극을 형성하였다. 이들의 두께는 약 20 내지 70nm이었다.
미리 티타늄 이소프로폭시드 및 아세트산을 220℃로 유지되는 오토클레이브에 가하고, 수열합성법에 의해 이산화티탄 콜로이드 용액을 제조하였다. 얻어진 용액 내에서 상기 이산화티탄의 함량이 12중량%가 될 때까지 용매를 증발시켜 나노 수준의 입자 크기(약 5 내지 30nm)를 갖는 이산화티탄 콜로이드 용액을 제조하였다. 다음으로 상기 금속 산화물 농축 용액에 히드록시 프로필 셀룰로오스(분자량 80,000)를 첨가한 후, 24시간 동안 교반하여 이산화티탄 코팅용 슬러리를 제조하였다. 이어서 상기 이산화티탄 코팅용 슬러리를, 상기 전극 상에 닥터 블레이드법으로 코팅한 후 약 450℃의 온도에서 1시간 동안 열처리하여 유기 고분자를 제외하고 나노 입자 산화물들간의 접촉 및 충진이 이루어지도록 하여 표면에 약 2㎛ 두께의 이산화티탄 나노입자가 형성된 전극을 형성하였다.
이어서 상기 전극을 0.3mM 농도를 갖는 루테늄 디티오시아네이트 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복실레이트 용액에 24시간 동안 침지한 후 건조시켜 염료를 상기 기판 상에 흡착시킴으로써 반도체 전극을 제조하였다.
실시예 5 내지 8
ITO가 코팅된 전도성 투명 유리 기판 표면 상에 백금을 코팅하여 대향전극을 제조하였다. 이어서 양극인 대향전극과 음극으로서 상기 실시예 1 내지 4에서 얻어진 반도체 전극을 조립하였다. 양 전극을 조립할 경우에는 양극 및 음극에서 전도성 표면이 전지 내부로 오도록 하여 상기 백금층과 상기 광흡수층이 서로 대향하도록 하였다. 이때 양극 및 음극 사이에 SURLYN (Du Pont사 제조)으로 이루어지는 약 40미크론 두께의 고분자를 놓고 약 100 내지 140℃의 가열판 상에서 약 1 내지 3기압으로 상기 두 전극을 밀착시켰다. 열 및 압력에 의하여 상기 고분자가 상기 두 전극의 표면에 밀착되었다.
다음으로 상기 양극의 표면에 형성된 미세 구멍을 통하여 상기 두 전극 사이의 공간에 전해질 용액을 충진하여 본 발명에 따른 염료 감응 태양전지를 완성하였다. 상기 전해질 용액은 0.6M의 1,2-디메틸-3-옥틸-이미다졸륨 아이오다이드 (1,2-디메틸-3-옥틸-이미다졸륨 아이오다이드), 0.2M LiI, 0.04M I2 및 0.2M 4-tert-부틸 피리딘(TBP: 4-tert-부틸피리딘)을 아세토나이트릴에 용해시킨 I3
-/I-의 전해질 용액을 사용하였다.
비교예 1
티타늄 이소프로폭시드 및 아세트산을 220℃로 유지되는 오토클레이브에 가하고, 수열합성법에 의해 이산화티탄 콜로이드 용액을 제조하였다. 얻어진 용액 내에서 상기 이산화티탄의 함량이 12중량%가 될 때까지 용매를 증발시켜 나노 수준의 입자 크기(약 5 내지 30nm)를 갖는 이산화티탄 콜로이드 용액을 제조하였다. 다음 으로 상기 금속 산화물 농축 용액에 히드록시 프로필 셀룰로오스(분자량 80,000)를 첨가한 후, 24시간 동안 교반하여 이산화티탄 코팅용 슬러리를 제조하였다. 이어서 상기 이산화티탄 코팅용 슬러리를, 상기 ITO가 형성된 글래스 기판 상에 닥터 블레이드법으로 코팅한 후 약 450℃의 온도에서 1시간 동안 열처리하여 유기 고분자를 제외하고 나노 입자 산화물들간의 접촉 및 충진이 이루어지도록 하여 표면에 약 4미크론 두께의 이산화티탄층이 형성된 전도성 투명 전극을 형성하였다.
이어서 상기 전극을 0.3mM 농도를 갖는 루테늄 디티오시아네이트 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복실레이트 용액에 24시간 동안 침지한 후 건조시켜 염료를 상기 기판 상에 흡착시킴으로써 반도체 전극을 제조하였다
비교예 2
상기 비교예 1에서 제조한 반도체 전극에 대하여 상기 실시예 5와 동일한 방법을 사용하여 염료 감응 태양전지를 제조하였다.
실험예 1
상기 실시예 1 및 3과 비교예 1에서 얻어진 반도체 전극에 대하여 계면 사이의 접촉 저항을 측정하였다.
실시예 1 및 3의 경우 투명 전도막인 TiN과 그 상부의 TiO2층을 폐회로로 구성하여 접촉저항값을 측정하였으며, 측정된 접촉저항값은 200℃이었다. 비교예 1의 경우, 투명 전도막인 ITO와 그 상부의 TiO2층을 폐회로로 구성하여 접촉저항값을 측정하였으며, 측정된 접촉 저항값은 10MΩ/□이었다.
따라서 실시예 1 및 3의 경우 TiO2가 TiN에 대하여 연속상을 형성함으로써 접촉저항값이 대폭 감소하여 전기전도도가 향상되었음을 알 수 있다.
실험예 2
상기 실시예 5 내지 8, 및 비교예 2에서 제조한 염료감응 태양전지의 광전환 효율을 측정하기 위하여 광전압 및 광전류를 측정하였다.
광원으로는 제논 램프(xenon lamp, Oriel, 01193)을 사용하였으며, 상기 제논 램프의 태양 조건(AM 1.5)은 표준 태양전지(Frunhofer Institute Solare Engeriessysteme, Certificate No. C-ISE369, Type of material: Mono-Si + KG 필터)를 사용하여 보정하였다. 측정된 광전류전압 곡선으로부터 계산된 전류밀도(Isc), 전압(Voc), 및 충진 계수(fill factor, FF)를 하기 광전환 효율 계산식을 통해 계산한 광전환 효율(ηe)을 하기 표 1에 나타내었다.
ηe = (VocIscFF) / (Pinc)
식중, Pinc는 100mw/cm2 (1sun)을 나타낸다.
| 구분 | 광전환효율 (%) |
| 실시예 5 | 5.1 |
| 실시예 6 | 5.2 |
| 실시예 7 | 5.0 |
| 실시예 8 | 5.3 |
| 비교예 2 | 3.5 |
상기 표 1의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 반도체 전극을 구비한 염료감응 태양전지는, 계면 상의 접촉저항을 감소시켜 역반응을 억제함과 동시 에 전자의 이동을 용이하게 함으로써 전체적인 광전환 효율의 향상이 이루어졌음을 알 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 전극은 투명 전도막과 금속 산화물층을 연속상으로 형성하여 역반응을 억제하고, 전자의 이동을 보다 용이하게 하여 광전환 효율을 개선함으로써 염료감응 태양 전지 등에 유용하게 사용할 수 있다.
Claims (15)
- 기판 상에 형성된 금속 또는 이들의 질화물을 포함하는 전도성 투명전극; 및상기 전극에 연속상으로 형성된 금속 산화물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 전극.
- 제1항에 있어서,상기 전도성 투명전극 및 금속 산화물층 사이의 접촉 저항값이 1KΩ/□ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 전극.
- 제1항에 있어서,상기 금속이 티타늄, 니오븀, 하프늄, 인듐, 주석 및 아연으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 전극.
- 제1항에 있어서,상기 금속 질화물이 티타늄 질화물, 니오븀 질화물, 하프늄 질화물, 인듐 질화물, 주석 질화물, 및 아연 질화물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 전극.
- 제1항에 있어서,상기 금속 산화물이 티타늄 산화물, 니오븀 산화물, 하프늄 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물 및 아연 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 전극.
- 제1항에 있어서,상기 금속 산화물이 양자점, 나노점, 나노튜브, 나노와이어, 나노벨트 또는 나노입자로 이루어진 나노물질인 것을 특징으로 하는 반도체 전극.
- 제1항에 있어서,상기 금속 또는 이들의 질화물 및 금속 산화물을 형성하는 금속이 동일한 종류의 금속인 것을 특징으로 하는 반도체 전극.
- 제1항에 있어서,염료를 더 포함하며, 상기 염료가 상기 전극에 연속상으로 형성된 금속 산화 물의 상부에 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 전극.
- 제1항에 있어서,상기 금속 또는 이들의 질화물과 기판 사이에 개재된 금속 산화물층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 전극.
- 제1항에 있어서,상기 금속 산화물 상에 형성된 금속산화물 나노입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 전극.
- 기판 상에 금속 또는 이들의 질화물을 도포하는 단계; 및상기 금속 또는 이들의 질화물의 표면을 산화시켜 금속 산화물층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 전극의 제조방법
- 제11항에 있어서,상기 금속산화물층을 AAO법, 열처리법 또는 나노인쇄법을 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 전극의 제조방법.
- 제11항에 있어서,상기 기판 상에 금속 산화물층을 미리 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특 징으로 하는 반도체 전극의 제조방법.
- 제11항에 있어서,상기 금속 산화물층을 형성한 후, 그 표면 상에 금속 산화물 나노입자층을 더 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 전극의 제조방법.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 반도체 전극;전해질층; 및대향전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양전지.
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