KR20110000966A - 이중 기공을 갖는 역전 광결정 구조체 및 그 제조방법과, 염료감응 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

이중 기공을 갖는 역전 광결정 구조체 및 그 제조방법과, 염료감응 태양전지 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 역전 광결정 구조체는 광결정 구조로 규칙적으로 배열된 다수의 제1 기공과, 이 제1 기공들의 내벽에 형성되는 것으로 나노 크기를 가지는 다수의 제2 기공을 포함한다.

Description

이중 기공을 갖는 역전 광결정 구조체 및 그 제조방법과, 염료감응 태양전지 및 그 제조방법{Inverse opal structure having dual porosity and method of manufacturing the same, and dye sensitized solar cell and method of manufacturing the same}
이중 기공을 갖는 역전 광결정 구조체 및 그 제조방법과, 염료감응 태양전지 및 그 제조방법이 제공된다.
염료감응 태양전지(dye sensitized solar cell)는 감광성 염료분자들이 흡착된 반도체 산화물로 이루어진 포토애노드(photoanode), 산화/환원 이온쌍을 포함하는 전해질 및 백금 촉매가 코팅된 상대 전극(counter electrode)을 포함한다. 여기서, 염료감응 태양전지에서 전해질 내의 산화/환원 이온쌍은 전자전달을 위한 필수적인 물질로서, 요오드계 I-/I3 - 산화/환원 이온쌍이 주로 사용된다.
상기 염료감응 태양전지에서, 감광성 염료 분자들이 빛을 받게 되면 여기 상태(excited state)가 되어 전자들을 방출한다. 그리고, 이렇게 방출된 전자들은 반도체 산화물로 주입된 다음, 외부 전선을 통하여 대향전극으로 이동하게 된다. 한 편, 전자들을 잃은 염료분자들은 전해질 내의 I-를 I3 -로 산화시키면서 전자들을 얻게 된다. 그리고, 상대 전극 표면에 코팅된 백금 촉매에 의하여 산화된 산화/환원 이온쌍이 다시 환원되게 되며, 이와 같이 환원된 산화/환원 이온쌍은 산화된 염료를 다시 환원시켜 여기될 수 있는 상태로 만들어준다.
상기와 같은 염료감응 태양전지에서, 빛의 흡수량 및 포토애노드로서의 전자전달량은 염료의 흡착량에 의존한다. 일반적으로, 염료감응 태양전지의 포토애노드는 광흡수층과 광산란층을 포함한다. 여기서, 상기 광흡수층은 염료의 흡착량을 증대시키기 위해 대략 20nm 정도의 평균 직경을 가지는 TiO2 입자들을 이용하여 형성한다. 그리고, 상기 광산란층은 대략 300nm ~ 400nm 정도의 평균 직경을 가지는 입자들을 이용하여 형성한다. 이러한 광산란층은 광흡수층을 통과한 장파장의 빛을 산란시킴으로써 장파장 빛의 흡수를 증진시키는 역할을 한다.
한편, 다수의 구형(sphere shape) 기공들이 그 내부에 규칙적으로 배열된 TiO2 역전 광결정 구조체는 특정 파장의 빛을 흡수하거나 산란하는 특성이 있어 여려 분야에 응용되고 있다. 특히, 염료감응 태양전지 분야에서는 광산란 박막 및 전극으로 적용하려는 연구들이 진행되고 있다. 그러한, 상기 TiO2 역전 광결정 구조체는 상기한 광특성들에도 불구하고 염료감응 태양전지에 적용하기에는 비표면적(specifice surface area)이 너무 작다는 문제가 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 이중 기공을 갖는 역전 광결정 구조체 및 그 제조방법과, 염료감응 태양전지 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 있어서,
광결정 구조로 규칙적으로 배열된 다수의 제1 기공과;
상기 제1 기공들의 내벽에 형성되는 것으로, 나노 크기를 가지는 다수의 제2 기공;을 포함하는 역전 광결정 구조체가 개시된다.
상기 제1 기공은 구 형상(sphere shape)을 가질 수 있으며, 이러한 제1 기공은 대략 200nm ~ 400nm의 평균 직경을 가질 수 있다. 그리고, 상기 제2 기공은 대략 2nm ~ 6nm의 평균 직경을 가질 수 있다.
상기 역전 광결정 구조체의 비표면적(specific surfacearea)은 대략 50 ~ 100 m2/g정도가 될 수 있다.
상기 역전 광결정 구조체는 TiO2 또는 ZnO 등과 같은 반도체 산화물로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 있어서,
규칙적으로 배열된 다수의 광결정 입자들을 형성하는 단계;
상기 광결정 입자들 상에 반도체 산화물 전구체(precursor)와 계면활성제가 혼합된 용액을 도포함으로써 상기 광결정 입자들 사이로 상기 용액을 채우는 단계; 및
상기 반도체 산화물을 결정화시키고, 상기 광결정 입자들 및 계면활성제를 제거하는 단계;를 포함하는 역전 광결정 구조체의 제조방법이 개시된다.
상기 반도체 산화물의 결정화에 의해 형성된 역전 광결정 구조체 내에는 상기 광결정 입자들의 제거에 의해 다수의 제1 기공이 형성되고, 상기 계면활성제의 제거에 의해 다수의 제2 기공이 형성될 수 있다. 여기서, 상기 제2 기공들은 상기 제1 기공들 각각의 내벽에 형성될 수 있다.
상기 광결정 입자들은 PMMA(poly(methyl methacrylate)), 폴리스티렌(poly styrene) 또는 실리카(silica)로 이루어질 수 있다.
상기 광결정 입자들이 PMMA 또는 폴리스티렌으로 이루어지는 경우, 상기 반도체 산화물의 결정화와, 상기 광결정 입자들 및 계면활성제의 제거는 열처리에 의해 수행될 수 있다. 그리고, 상기 광결정 입자들이 실리카로 이루어지는 경우, 상기 반도체 산화물의 결정화 및 계면활성제의 제거는 열처리에 의해 수행되며, 상기 광결정 입자들의 제거는 에칭액에 의해 수행될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 있어서,
투명한 도전성 기판;
상기 투명한 도전성 기판 상에 형성되는 것으로, TiO2를 포함하는 광흡수층; 및
상기 광흡수층 상에 형성되는 것으로, 광결정 구조로 규칙적으로 배열된 다수의 제1 기공과, 상기 제1 기공들의 내벽에 형성되는 것으로 나노 크기를 가지는 다수의 제2 기공을 포함하는 역전 광결정 구조를 가지며, TiO2를 포함하는 광산란층;을 구비하는 염료감응 태양전지가 개시된다.
본 발명의 다른 측면에 있어서,
투명한 도전성 기판 상에 TiO2를 포함하는 광흡수층을 형성하는 단계;
상기 광흡수층 상에 규칙적으로 배열된 다수의 광결정 입자들을 형성하는 단계;
상기 광결정 입자들 상에 TiO2 전구체와 계면활성제가 혼합된 용액을 도포함으로써 상기 광결정 입자들 사이로 상기 용액을 채우는 단계; 및
상기 TiO2를 결정화시키고, 상기 광결정 입자들 및 계면활성제를 제거함으로써 광산란층을 형성하는 단계;를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법이 개시된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 역전 광결정 구조체 내에 나노 크기의 기공들을 추가적으로 형성함으로써 비표면적을 증대시킬 수 있다. 따라서, 이러한 이중 기공(dual porosity)을 가지는 역전 광결정 구조체를 염료감응 태양전지의 광산란층으로 이용하게 되면, 염료의 흡착량이 증대될 수 있으므로, 광산란층의 광산란 효과 및 전극의 기능이 향상될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이중 기공(dual porosity)를 갖는 역전 광결정 구조체(inverse opal structure)를 개략적으로 도시한 것이다. 그리고, 도 2는 도 1의 A부분을 확대하여 도시한 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 역전 광결정 구조체(150)는 다수의 제1 기공(161) 및 다수의 제2 기공(162)을 포함한다. 여기서, 상기 역전 광결정 구조체(150)는 반도체 산화물로 이루어질 수 있다. 상기 반도체 산화물은 예를 들어 TiO2 또는 Zno 등이 될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 기공들(161)은 광결정 구조로 규칙적으로 배열되어 있다. 여기서, 상기 제1 기공들(161)은 구 형상(sphere shape)을 가질 수 있으며, 예를 들어 대략 200nm ~ 400nm의 평균 직경을 가질 수 있다. 상기 제2 기공들(162)은 상기 제1 기공들(161) 각각의 내벽에 형성된다. 여기서, 상기 제2 기공들(162)은 나노 크기의 직경을 갖는다. 구체적으로, 상기 제2 기공들(162)은 대략 2nm ~ 6nm의 평균 직경을 가질 수 있다. 이상과 같이, 다수의 제1 및 제2 기공(161,162)을 포함하는 역전 광결정 구조체(150)는 대략 50 ~ 100 m2/g정도 큰 비표면적(specific surface area) 을 가질 수 있다.
본 실시예에 따른 역전 광결정 구조체(150)는 제1 기공들(161)과 이 제1 기공들(161) 각각의 내벽에 형성된 나노 크기의 제2 기공들(162)로 구성된 이중 기공(dual porosity)을 포함함으로써 제1 기공들(161)만을 포함하는 역전 광결정 구조체에 비하여 큰 비표면적을 가질 수 있다.
상기한 역전 광결정 구조체(150)는 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다.
먼저, 다수의 광결정 입자들을 예를 들어 깔대기 상에 골고루 분산시킨다. 여기서, 상기 광결정 입자들은 구 형상을 가질 수 있다. 이러한 광결정 입자들은 예를 들어, PMMA(poly(methyl methacrylate)), 폴리스티렌(poly styrene) 또는 실리카(silica)등으로 이루어질 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 여기서, 상기 광결정 입자들은 대략 200nm ~ 400nm의 평균 직경을 가질 수 있다. 상기한 광결정 입자들을 깔대기 상에 골고루 분산시키면 상기 광결정 입자들은 규칙적으로 배열되게 된다. 이러한 광결정 입자들은 본 실시예에 따른 역전 광결정 구조체(150)를 만들기 위한 주형(template)으로 사용된다.
이어서, 상기 깔대기 상에 규칙적으로 배열된 광결정 입자들 상에 반도체 산화물 전구체와 계면활성체가 혼합된 용액을 도포한다. 상기 반도체 산화물 전구체로는 예를 들어, TiO2 전구체 또는 ZnO 전구체 등이 사용될 수 있으며, 상기 계면활성제로는 예를 들어 P123, CTABr 등이 사용될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 여기서, 상기 반도체 산화물 전구체에 대한 상기 계면활성제의 비율은 대략 25 weight % ~ 45 weight % 정도가 될 수 있다. 예를 들면, 상기 반도체 산화물 전구체에 대한 상기 계면활성제의 비율은 대략 35 weight % 정도가 될 수 있다. 이와 같이, 반도체 산화물 전구체와 계면활성체가 혼합된 용액을 광결정 입자들 상에 도포하게 되면, 상기 용액은 광결정 입자들 사이를 채우게 된다.
다음으로, 상기와 같이 광결정 입자들 사이에 반도체 산화물 전구체와 계면활성체가 혼합된 용액은 비교적 저온(예를 들면, 대략 4℃ 정도)에서 일정 기간(예를 들면, 대략 5일 정도)동안 숙성(aging)된다. 이러한 숙성 과정을 통하여 상기 용액 속에 포함된 계면활성제는 이동하여 광결정 입자들의 표면 주위에 위치하게 된다.
그리고, 마지막으로, 소정 온도(예를 들면, 대략 400℃ 정도)에서 일정 시간(예를 들어, 대략 1시간)동안 열처리가 수행되면, 상기 용액 속에 포함된 상기 반도체 산화물은 결정화가 진행되고, 상기 광결정 입자들 및 계면활성제가 제거된다. 구체적으로, 상기 광결정 입자들이 PMMA 또는 폴리스티렌으로 이루어지는 경우에는 상기 반도체 산화물의 결정화와, 상기 광결정 입자들 및 계면활성제의 제거가 열처리에 의해 동시에 수행될 수 있다. 여기서, 상기 광결정 입자들이 열처리에 의해 제거되는 과정에서, 상기 광결정 입자들의 표면에 위치하는 계면활성제도 함께 제거된다.
한편, 상기 광결정 입자들이 실리카로 이루어지는 경우에는 상기 반도체 산화물의 결정화 및 계면활성제의 제거는 열처리에 의해 수행되며, 상기 광결정 입자들의 제거는 소정의 에칭액(etchant), 예를 들면 NaOH 용액에 의해 수행될 수 있 다.
이와 같이, 반도체 산화물의 결정화와, 광결정 입자들 및 계면활성제의 제거를 통하여 얻어진 역전 광결정 구조체(150) 내에는 상기 광결정 입자들이 제거됨으로써 다수의 제1 기공(161)이 형성되며, 상기 계면활성제가 제거됨으로써 다수의 제2 기공(162)이 형성된다. 여기서, 상기 제1 기공들(161)은 상기 광결정 입자들의 크기에 대응하여 대략 200nm ~ 400nm의 평균 직경을 가지도록 형성될 수 있으며, 상기 제2 기공들(162)은 상기 제1 기공들(161)의 내벽에 대략 2nm ~ 6nm의 평균 직경을 가지도록 형성될 수 있다.
이상에서 설명한 제조방법을 이용하여 다음과 같이 박막 형태의 역전 광결정 구조체를 제조할 수 있다. 도 3 내지 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따라 박막 형태의 역전 광결정 구조체를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 3을 참조하면, 기판(100) 상에는 규칙적으로 배열된 다수의 광결정 입자들(111)을 형성한다. 상기 광결정 입자들(111)은 예를 들어 EISA(evaporation induced self assembly) 방법에 의해 상기 기판(100) 상에 규칙적으로 배열될 수 있다. 여기서, 상기 광결정 입자들(111)은 구 형상을 가질 수 있으며, 예를 들어 대략 200nm ~ 400nm의 평균 직경을 가질 수 있다. 이러한 광결정 입자(111)들은 예를 들어, PMMA, 폴리스티렌 또는 실리카 등으로 이루어질 수 있다.
도 4를 참조하면, 기판(100) 상에 규칙적으로 배열된 광결정 입자들(111) 상에 반도체 산화물 전구체와 계면활성체가 혼합된 용액(120)을 도포한다. 상기 반 도체 산화물 전구체로는 예를 들어, TiO2 전구체 또는 ZnO 전구체 등이 사용될 수 있으며, 상기 계면활성제로는 예를 들어 P123, CTABr 등이 사용될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 여기서, 상기 반도체 산화물 전구체에 대한 상기 계면활성제의 비율은 대략 25 weight % ~ 45 weight % 정도가 될 수 있다. 이와 같이, 반도체 산화물 전구체와 계면활성체가 혼합된 용액(120)을 광결정 입자들(111) 상에 도포하게 되면, 상기 용액(120)은 광결정 입자들(111) 사이를 채우게 된다. 다음으로, 광결정 입자들(111) 사이에 채워진 반도체 산화물 전구체와 계면활성체가 혼합된 용액(120)은 비교적 저온(예를 들면, 대략 4℃ 정도)에서 일정 기간(예를 들면, 대략 5일 정도) 동안 숙성(aging)된다. 이러한 숙성 과정을 통하여 상기 용액(120) 속에 포함된 계면활성제는 이동하여 광결정 입자들(111)의 표면 주위에 위치하게 된다.
마지막으로, 도 5 및 도 6(도 5의 B부분을 확대한 도면)을 참조하면, 도 4에 도시된 결과물에 소정 온도(예를 들면, 대략 400℃ 정도)에서 일정 시간(예를 들어 대략 1시간)동안 열처리를 수행하면, 상기 반도체 산화물의 결정화가 진행되고, 상기 광결정 입자들(111) 및 계면활성제는 제거된다. 보다 구체적으로, 상기 광결정 입자들(111)이 PMMA 또는 폴리스티렌으로 이루어지는 경우에는 상기 반도체 산화물의 결정화와, 상기 광결정 입자들(111) 및 계면활성제의 제거가 열처리에 의해 동시에 수행될 수 있다. 여기서, 상기 광결정 입자들(111)이 열처리에 의해 제거되는 과정에서, 상기 광결정 입자들(111)의 표면에 위치하는 계면활성제도 함께 제거된 다. 한편, 상기 광결정 입자들(111)이 실리카로 이루어지는 경우에는 상기 반도체 산화물의 결정화 및 계면활성제의 제거는 열처리에 의해 수행되며, 상기 광결정 입자들(111)의 제거는 소정의 에칭액, 예를 들면 NaOH 용액에 의해 수행될 수 있다.
이러한 반도체 산화물의 결정화와, 상기 광결정 입자들(111) 및 계면활성제의 제거를 통하여 상기 기판(100) 상에는 박막 형태의 역전 광결정 구조체(250)가 형성된다. 이러한 역전 광결정 구조체(250) 내에는 상기 광결정 입자들(111)이 제거됨으로써 다수의 제1 기공(261)이 형성되며, 상기 계면활성제가 제거됨으로써 다수의 제2 기공(262)이 형성된다. 이에 따라, 상기 제2 기공들(262)은 도 6에 도시된 바와 같이 상기 제1 기공들(261)의 내벽에 형성될 수 있다. 여기서, 상기 제1 기공들(261)은 상기 광결정 입자들(111)에 대응하여 대략 200nm ~ 400nm의 평균 직경을 가지도록 형성될 수 있으며, 상기 제2 기공들(262)은 상기 제1 기공들(261)의 내벽에 대략 2nm ~ 6nm의 평균 직경을 가지도록 형성될 수 있다.
이상에서 설명된 실시예들에 따른 역전 광결정 구조체(150,250)는 제1 기공들(161,261)과 이 제1 기공들(161,261)의 내벽에 형성된 나노 크기의 제2 기공들(261,262)로 구성된 이중 기공(dual porosity)을 포함함으로써 큰 비표면적을 가질 수 있다. 따라서, 이러한 큰 비표면적을 가지는 역전 광결정 구조체(150,250)를 염료감응 태양전지의 광산란층으로 이용하게 되면, 염료의 흡착량이 증대될 수 있으므로, 광산란층의 광산란 효과 및 전극의 기능이 향상될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 개략적으로 도시 한 것이다. 그리고, 도 8은 도 7의 C 부분을 확대하여 도시한 것이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 염료감응 태양전지는 투명한 도전성 기판(300)과, 상기 투명한 도전성 기판(300) 상에 형성되는 포토애노드(photoanode,350)를 포함한다. 여기서, 상기 포토애노드(350)는 상기 투명한 도전성 기판(300) 상에 형성되는 것으로, TiO2를 포함하는 광흡수층(351)과, 상기 광흡수층(351) 상에 형성되는 것으로, TiO2를 포함하는 광산란층(light scattering layer,352)으로 구성될 수 있다.
상기 투명한 도전성 기판(300)은 예를 들어 ITO(Indium Tin Oxide) 등으로 이루어질 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 광흡수층(351)은 나노 결정성 TiO2막으로 이루어질 수 있다. 이러한 광흡수층(351)은 예를 들면 대략 10nm ~ 50nm 정도의 평균 직경을 가지는 TiO2 나노입자들을 포함하는 패이스트(paste)를 투명한 도전성 기판(300) 상에 도포함으로써 형성될 수 있다. 상기 광흡수층(351)은 예를 들면 대략 10㎛ 정도로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 광산란층(352)은 전술한 바와 같이 이중 기공을 갖는 역전 광결정 구조를 가진다. 구체적으로, 상기 광산란층(352)은 다수의 제1 기공(361) 및 상기 제1 기공들(361)의 내벽에 형성되는 다수의 제2 기공(362)을 포함한다. 이러한 광산란층(352)은 TiO2 로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 제1 기공들(361)은 광결정 구조로 규칙적으로 배열되어 있다. 이러한 상기 제1 기공들(361)은 구 형상을 가질 수 있으며, 예를 들어 대략 200nm ~ 400nm의 평균 직경을 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되지는 않는다. 그리고, 상기 제1 기공들(361)의 내벽에 형성되는 제2 기공들(362)은 나노 크기의 직경을 갖는다. 구체적으로, 상기 제2 기공들(362)은 대략 2nm ~ 6nm의 평균 직경을 가질 수 있다. 상기 광산란층(352)은 규칙적으로 배열된 제1 기공들(361) 내벽에 형성된 나노 크기의 제2 기공들(362)을 포함함으로써 예를 들면, 대략 50 ~ 100 m2/g정도의 큰 비표면적(specific surface area)을 가질 수 있다. 이러한 광산란층(352)은 예를 들면 대략 2㎛ ~ 10㎛ 정도의 두께를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이상과 같이 상기 광산란층(352)은 다수의 제1 및 제2 기공(361,362)으로 구성되는 이중 기공을 포함함으로써 큰 비표면적을 가질 수 있으며, 이에 따라 상기 광산란층(352)에 흡착되는 염료의 양이 증대될 수 있다. 그리고, 이러한 염료의 흡착량 증대는 광산란 효과 및 전극의 기능을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 9 내지 도 12는 도 7에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 9를 참조하면, 투명한 도전성 기판(300) 상에 TiO2를 포함하는 광흡수층(351)을 형성한다. 상기 광흡수층(351)은 나노 결정성 TiO2막으로 이루어질 수 있다. 이러한 광흡수층(351)은 예를 들면 대략 10nm ~ 50nm 정도의 평균 직경을 가지는 TiO2 나노입자들을 포함하는 패이스트(paste)를 투명한 도전성 기판(300)에 도포 함으로써 형성될 수 있다. 여기서, 상기 광흡수층(351)은 예를 들면 대략 10㎛ 정도로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 10을 참조하면, 상기 광흡수층(351) 상에는 규칙적으로 배열된 다수의 광결정 입자들(311)을 형성한다. 상기 광결정 입자들(311)은 예를 들어 EISA(evaporation induced self assembly) 방법에 의해 상기 광흡수층(351) 상에 규칙적으로 배열될 수 있다. 여기서, 상기 광결정 입자들(311)은 구 형상을 가질 수 있으며, 예를 들어 대략 200nm ~ 400nm의 평균 직경을 가질 수 있다. 그리고, 이러한 광결정 입자들(311)은 예를 들어, PMMA, 폴리스티렌 또는 실리카 등으로 이루어질 수 있다. 이러한 광결정 입자들(311)은 후술하는 역전 광결정 구조(inverse opal structure)를 가지는 광산란층(352)을 만들기 위한 주형(template)으로 사용된다.
도 11을 참조하면, 광흡수층(351) 상에 규칙적으로 배열된 광결정 입자들(311) 상에 TiO2 전구체와 계면활성체가 혼합된 용액(320)을 도포한다. 상기 계면활성제로는 예를 들어 P123, CTABr 등이 사용될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 여기서, 상기 TiO2 전구체에 대한 상기 계면활성제의 비율은 대략 25 weight % ~ 45 weight % 정도가 될 수 있다. 이와 같이, TiO2 전구체와 계면활성체가 혼합된 용액(320)을 광결정 입자들(311) 상에 도포하게 되면, 상기 용액(320)은 광결정 입자들(311) 사이를 채우게 된다. 다음으로, 광결정 입자들(311) 사이에 채워진 TiO2 전구체와 계면활성체가 혼합된 용액은 비교적 저온(예를 들면, 대략 4℃ 정도)에서 일정 기간(예를 들면, 대략 5일 정도)동안 숙성(aging)된다. 이러한 숙성 과정을 통하여 상기 용액(320) 속에 포함된 계면활성제는 이동하여 광결정 입자들(311)의 표면 주위에 위치하게 된다.
도 12는 광흡수층(351) 상에 광산란층(352)이 형성된 모습을 도시한 것이다. 그리고, 도 12의 D 부분을 확대한 도면은 도 8에 도시되어 있다.
도 12 및 도 8을 참조하면, 도 11에 도시된 결과물에 소정 온도(예를 들면, 대략 400℃ 정도)에서 일정 시간(예를 들어 대략 1시간)동안 열처리를 수행하면, 상기 용액(320) 속에 포함된 상기 TiO2는 결정화가 진행되고, 상기 광결정 입자들(311) 및 계면활성제는 제거됨으로써 광산란층이 형성된다. 구체적으로, 상기 광결정 입자들(311)이 PMMA 또는 폴리스티렌으로 이루어지는 경우에는 상기 TiO2의 결정화와, 상기 광결정 입자들(311) 및 계면활성제의 제거가 열처리에 의해 동시에 수행될 수 있다. 여기서, 상기 광결정 입자들(311)이 열처리에 의해 제거되는 과정에서, 상기 광결정 입자들(311)의 표면에 위치하는 계면활성제도 함께 제거된다. 한편, 상기 광결정 입자들(311)이 실리카로 이루어지는 경우에는 상기 TiO2의 결정화 및 계면활성제의 제거는 열처리에 의해 수행되며, 상기 광결정 입자들(311)의 제거는 소정의 에칭액, 예를 들면 NaOH 용액에 의해 수행될 수 있다.
상기 광산란층(352) 내에는 상기 광결정 입자들(311)이 제거됨으로써 다수의 제1 기공(361)이 형성되며, 상기 계면활성제가 제거됨으로써 다수의 제2 기공(362)이 형성된다. 상기 제1 기공들(361)은 상기 광결정 입자들(311)의 크기에 대응하여 대략 200nm ~ 400nm의 평균 직경을 가지도록 형성될 수 있으며, 상기 제2 기공들(362)은 상기 제1 기공들(361)의 내벽에 대략 2nm ~ 6nm의 평균 직경을 가지도록 형성될 수 있다.
다음으로, 도 12에 도시된 결과물을 소정의 감광성 염료(미도시)에 일정시간(예를 들면 대략 24시간)동안 침전시킨다. 그리고, 백금이 코팅된 다른 투명한 도전성 기판(미도시)과 상기 감광성 염료 분자들이 흡착된 포토애노드(350) 사이에 전해질(미도시)을 주입함으로써 본 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 완성한다. 이상에서 본 발명의 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 역전 광결정 구조체를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 A부분을 확대하여 도시한 것이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따라 박막 형태의 역전 광결정 구조체를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 개략적으로 도시한 것이다.
도 8은 도 7의 C부분을 확대하여 도시한 것이다.
도 9 내지 도 12는 도 7에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100... 기판 111,311... 광결정 입자
120... 반도체 산화물 전구체와 계면활성제가 혼합된 용액
150,250... 역전 광결정 구조체
161,261,361... 제1 기공 162,262,362... 제2 기공
300... 투명한 도전성 기판 350... 포토애노드
351... 광흡수층 352... 광산란층

Claims (24)

  1. 광결정 구조로 규칙적으로 배열된 다수의 제1 기공과;
    상기 제1 기공들의 내벽에 형성되는 것으로, 나노 크기를 가지는 다수의 제2 기공;을 포함하는 역전 광결정 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 기공은 구 형상(sphere shape)을 가지는 역전 광결정 구조체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 기공은 200nm ~ 400nm의 평균 직경을 가지는 역전 광결정 구조체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 기공은 2nm ~ 6nm의 평균 직경을 가지는 역전 광결정 구조체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 역전 광결정 구조체의 비표면적(specific surface area)은 50 ~ 100 m2/g인 역전 광결정 구조체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 역전 광결정 구조체는 반도체 산화물로 이루어지는 역전 광결정 구조체.
  7. 규칙적으로 배열된 다수의 광결정 입자들을 형성하는 단계;
    상기 광결정 입자들 상에 반도체 산화물 전구체(precursor)와 계면활성제가 혼합된 용액을 도포함으로써 상기 광결정 입자들 사이로 상기 용액을 채우는 단계; 및
    상기 반도체 산화물을 결정화시키고, 상기 광결정 입자들 및 계면활성제를 제거하는 단계;를 포함하는 역전 광결정 구조체의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 반도체 산화물의 결정화에 의해 형성된 역전 광결정 구조체 내에는 상기 광결정 입자들의 제거에 의해 다수의 제1 기공이 형성되고, 상기 계면활성제의 제거에 의해 다수의 제2 기공이 형성되는 역전 광결정 구조체의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제2 기공들은 상기 제1 기공들 각각의 내벽에 형성되는 역전 광결정 구조체의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 광결정 입자들은 200nm ~ 400nm의 평균 직경을 가지는 역전 광결정 구조체의 제조방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 광결정 입자들은 PMMA(poly(methyl methacrylate)), 폴리스티렌(poly styrene) 또는 실리카(silica)로 이루어지는 역전 광결정 구조체의 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 광결정 입자들이 PMMA 또는 폴리스티렌으로 이루어지는 경우, 상기 반도체 산화물의 결정화와, 상기 광결정 입자들 및 계면활성제의 제거는 열처리에 의해 수행되는 역전 광결정 구조체의 제조방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 광결정 입자들이 실리카로 이루어지는 경우, 상기 반도체 산화물의 결정화 및 계면활성제의 제거는 열처리에 의해 수행되며, 상기 광결정 입자들의 제거는 에칭액에 의해 수행되는 역전 광결정 구조체의 제조방법.
  14. 투명한 도전성 기판;
    상기 투명한 도전성 기판 상에 형성되는 것으로, TiO2를 포함하는 광흡수층; 및
    상기 광흡수층 상에 형성되는 것으로, 광결정 구조로 규칙적으로 배열된 다수의 제1 기공과, 상기 제1 기공들의 내벽에 형성되는 것으로 나노 크기를 가지는 다수의 제2 기공을 포함하는 역전 광결정 구조를 가지며, TiO2를 포함하는 광산란층;을 구비하는 염료감응 태양전지.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 기공은 200nm ~ 400nm의 평균 직경을 가지며, 상기 제2 기공은 2nm ~ 6nm의 평균 직경을 가지는 염료감응 태양전지.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 광산란층은 50 ~ 100 m2/g의 비표면적을 가지는 염료감응 태양전지.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 광산란층은 2㎛ ~ 10㎛의 두께를 가지는 염료감응 태양전지.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 광흡수층은 나노결정성(nanocrystalline) TiO2 막으로 이루어지는 염료 감응 태양전지.
  19. 투명한 도전성 기판 상에 TiO2를 포함하는 광흡수층을 형성하는 단계;
    상기 광흡수층 상에 규칙적으로 배열된 다수의 광결정 입자들을 형성하는 단계;
    상기 광결정 입자들 상에 TiO2 전구체와 계면활성제가 혼합된 용액을 도포함으로써 상기 광결정 입자들 사이로 상기 용액을 채우는 단계; 및
    상기 TiO2를 결정화시키고, 상기 광결정 입자들 및 계면활성제를 제거함으로써 광산란층을 형성하는 단계;를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 광흡수층은 상기 투명한 도전성 기판 상에 TiO2 나노입자들을 포함하는 패이스트(paste)를 도포함으로써 형성되는 염료감응 태양전지의 제조방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 광산란층 내에 상기 광결정 입자들의 제거에 의해 다수의 제1 기공이 형성되고, 상기 계면활성제의 제거에 의해 다수의 제2 기공이 형성되는 염료감응 태양전지의 제조방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제2 기공들은 상기 제1 기공들 각각의 내벽에 형성되는 염료감응 태양전지의 제조방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 제1 기공은 200nm ~ 400nm의 평균 직경을 가지도록 형성되며, 상기 제2 기공은 2nm ~ 6nm의 평균 직경을 가지도록 형성되는 염료감응 태양전지의 제조방법.
  24. 제 19 항에 있어서,
    상기 광결정 입자들은 PMMA(poly(methyl methacrylate)), 폴리스티렌(poly styrene) 또는 실리카(silica)로 이루어지는 염료감응 태양전지의 제조방법.
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