KR20140003742A - 카본블랙 전극을 이용한 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

카본블랙 전극을 이용한 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상대전극으로서 카본블랙 탄소전극을 이용하여 기존의 백금전극을 대체할 수 있는 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 그 일 실시예에서 전도성 기판에 염료가 흡착되어 있는 산화물 반도체 전극이 형성되어 있는 광전극, 상기 광전극과 대향하여 배치되며, 전도성 기판에 카본블랙 용액을 코팅하여 형성된 카본블랙 탄소전극이 구비된 상대전극, 상기 광전극과 상대 전극 사이에 충진된 전해질을 포함하는 염료감응형 태양전지를 제공한다.

Description

카본블랙 전극을 이용한 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법{Dye-sensitized solar cell using carbon black as a counter electrode and method of fabricating the same}
본 발명은 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상대전극으로서 카본블랙 탄소전극을 이용하여 기존의 백금전극을 대체할 수 있는 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
태양전지를 이용한 태양광발전은 환경친화적이며, 화석연료를 사용하는 다른 발전방식과 대비하여 볼 때 대기오염이나 소음의 발생이 없고, 에너지원이 무한하여 석유자원과 같은 고갈의 문제가 없다는 장점이 있다. 다양한 태양전지 중 나노 결정의 다공성 TiO2를 기초로 하는 염료감응형 태양전지는 높은 에너지 변환효율과 함께 낮은 제조 비용으로 인해 많음 관심과 연구가 진행되어왔다.
제 3세대 태양전지에 속하는 염료 감응형 태양전지는 비정질 실리콘 태양전지에 버금가는 높은 에너지 변환효율과 함께 실리콘 태양전지의 5분의 1수준의 저렴한 제조단가로 인하여 많은 관심을 받고 있다. 또한, 투명한 전도성 유리 기판을 사용하고 염료 및 전해질에 따라 다양한 색상의 모듈 제작이 가능하여 건물의 유리창 등으로 응용이 가능하다.
염료 감응형 태양전지는 전도성 기판 상에 염료가 흡착된 산화물 반도체 전극을 포함하는 광전극, 산화환원 쌍을 가지는 전해질 및 전도성 기판 상에 촉매전극이 형성된 상대전극으로 구성된다. 염료 감응형 태양전지에 빛을 조사하게 되면, 염료는 빛을 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성하고, 생성된 전자는 산화물 반도체의 전도대로 주입된다. 주입된 전자는 산화물 반도체를 지나 투명 전극으로 전달되고, 광전극과 상대전극이 연결된 외부회로를 통해 이동하면서 전류를 발생하게 된다. 염료에서 생성된 홀은 산화환원 쌍을 가지는 전해질로부터 전자를 받아 다시 환원되어 염료 감응형 태양전지의 구동이 완성된다. 이 때 상대전극은 전해질에 있는 이온들의 산화환원 반응이 일어날 수 있도록 하기 위해 외부회로를 통해 이동해 온 전자를 제공하는 역할을 한다.
상대전극에서는 전해질로의 전자 이동이 원활하게 이루어져야 하기 때문에 전도성 기판 상에 촉매전극이 형성되어 있는 구조를 가지게 된다. 촉매전극은 전해질과의 계면에서 낮은 전하전달저항을 가지기 위해 우수한 촉매활동 특성, 넓은 표면적, 높은 전기 전도도를 가져야 하며 전해질에서의 높은 장기 안정성을 가져야 한다.
일반적으로 가장 우수한 촉매활동 특성을 나타내는 백금이 널리 사용되어 오고 있다. 하지만 백금의 경우, 가격이 비싸고 요오드 계열 전해질에 장기간 노출될 경우 산화되어 착화합물을 형성되는 낮은 장기 안정성을 나타낸다는 문제점이 있다. 또한, 진공법을 이용하여 백금전극을 제조할 경우 제조비용이 높아지게 되고 비진공법인 열분해법을 이용하여 제조될 경우 400℃에서의 고온 후열저리 공정이 수반된다는 단점이 있어 최근에는 고가의 백금전극을 대체할 수 있는 소재로 탄소전극이 부각되고 있으며 탄소는 높은 전기전도도와 열안정성 그리고 우수한 촉매특성 및 강한 내부식성 등의 장점을 지니고 있어 탄소재료를 촉매전극으로 응용하는 연구가 진행되고 있다.
탄소재료는 우수한 촉매활동 특성을 가지며 가격이 저렴하다는 장점을 가지고 있다. 또한 요오드 계열 전해질에서 장기 안정성이 뛰어나며 용액법을 이용한 저온공정이 가능하다는 특징을 가지고 있다.
지금까지 그래핀, 흑연, 탄소나노튜브, 메조포러스 탄소 등의 다양한 구조를 가지는 탄소재료를 이용한 촉매전극 연구가 진행되어 오고 있다. 하지만 단순히 탄소재료를 이용한 촉매전극으로의 응용 가능성만 보여주고 있고, 바인더 혹은 계면 활성제가 포함된 탄소 페이스트를 이용하여 닥터 블레이드법(doctor blade method) 또는 스크린 프린팅법(screen printing method)을 이용하여 제조하는 것을 볼 수 있다.
바인더 혹은 계면 활성제가 포함된 탄소 페이스트를 이용한 닥터 블레이드법 또는 스크린 프린팅법으로 탄소전극을 제조하게 되면 전기 전도도와 표면적이 감소되어 촉매활동 특성이 저하되는 현상을 관찰할 수 있고, 또한 불순물 제거를 위해 200내지 400℃에서의 고온 후열처리 공정이 수반되어 유연성 기판을 이용한 연속공정에 적합하지 못하다는 문제점을 가지게 된다.
본 발명은 카본블랙을 이용하여 가격이 저렴하고 우수한 촉매활동 특성 및 요오드 전해질에서 안정한 상대전극을 구비한 염료감응형 태양전지를 제공한다. 또한 바인더 또는 계면 활성제를 사용하지 않는 카본블랙 용액을 이용하여 용액법 기반의 저온공정으로 우수한 전기 전도도 및 촉매활동 특성을 갖는 상대전극을 구비한 염료감응형 태양전지 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지는 전도성 기판에 염료가 흡착되어 있는 산화물 반도체 전극이 형성되어 있는 광전극; 상기 광전극과 대향하여 배치되며, 전도성 기판에 카본블랙 용액을 코팅하여 형성된 카본블랙 전극이 구비된 상대전극; 상기 광전극과 상대 전극 사이에 충진된 전해질를 포함한다.
상기 카본블랙 전극은 입자의 평균 크기가 10~90nm 일 수 있다.
상기 카본블랙 전극은 비정질 구조일 수 있다.
상기 카본블랙 전극의 두께는 1~15 ㎛일 수 있다.
상기 카본블랙 전극은 트리 아이오다이드(I3 -) 이온의 환원반응을 활성화시키는 촉매역할을 할 수 있다.
상기 전도성 기판은 불소가 도핑된 틴 옥사이드(FTO), 인듐틴옥사이드(ITO), 인듐징크옥사이드(IZO), 인듐징크틴옥사이드(IZTO), 알루미늄징크옥사이드 (AZO), 인듐틴옥사이드-은-인듐틴옥사이드(ITO-Ag-ITO), 인듐징크옥사이드-은-인듐징크옥사이드(IZO-Ag-IZO), 인듐징크틴옥사이드-은-인듐징크틴옥사이드 (IZTO-Ag-IZTO) 및 알루미늄징크옥사이드-은-알루미늄징크옥사이드(AZO-Ag-AZO)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 도전 물질이 코팅된 유리 또는 고분자 기판일 수 있다.
상기 산화물 반도체 전극은 이산화티탄(TiO2), 산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 염료는 루테늄계 염료일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지 제조방법은 전도성 기판 상에 염료가 흡착된 산화물 반도체 전극이 형성된 광전극을 제조하는 단계; 전도성 기판 상에 카본블랙 전극이 형성되어 있는 상대전극을 제작하는 단계; 및 상기 광전극과 상대전극을 대향하여 접합한 뒤 전해질을 주입하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 상대전극을 제작하는 단계는 카본블랙 분말을 알코올에 분산시켜 카본블랙 용액을 제조하는 단계 및 상기 카본블랙 용액을 전도성 기판 상에 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 카본블랙 용액 제조단계의 카본분말의 평균 직경은 10~90 nm 이며, 초음파법 또는 자기교반법에 의해 알코올에 분산시키는 일 수 있다.
상기 카본블랙 용액을 코팅하는 단계는 80℃ 이상에서 스프레이 코팅, 드롭 코팅, 스핀 코팅, 잉크젯 코팅, 브러쉬 코팅 및 딥 코팅의 용액법 중 어느 하나에 의해 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지는 카본블랙 전극을 채용함으로써 우수한 촉매활동 특성과 높은 전기 전도도 및 요오드 전해질에서 우수한 장기 안정성을 가지는 기술적 효과가 있다.
또한, 기존의 백금 전극을 대체하여 제조단가를 절감시킬 수 있으며, 백금 전극 기반의 염료감응형 태양전지와 대등한 광전변환효율을 얻을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 제조방법은 용액법을 이용한 저온공정이 가능하기 때문에 다양한 유연성 기판을 이용한 roll to roll연속공정을 기대할 수 있다.
또한 바인더 또는 계면활성제를 사용하지 않아 제조비용을 줄이면서도 간단한 공정에 의해 염료감응형 태양전지를 제조할 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지를 구조를 나타낸 단면도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 상대전극에서 아이오다이드(I-)와 트리-아이오다이드(I3 -)의 산화환원 반응을 개략화한 도면이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 카본블랙 탄소전극의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도4는 촉매활동 특성 평가를 위한 대칭셀(symmetric cell)의 단면도이다.
도5는 촉매활동 특성 평가를 위한 대칭셀(symmetric cell)의 동등회로를 표시한 도면이다.
도6은 카본블랙 입자 크기에 따른 대칭셀(symmetric cell)을 이용한 전기화학 임피던스 측정결과를 나타내는 그래프이다.
도7은 도6의 고주파 영역을 확대한 그래프이다.
도8은 카본블랙 탄소전극의 두께에 따른 대칭셀(symmetric cell)을 이용한 전지화학 임피던스 측정결과를 나타내는 그래프이다.
도9는 도8의 고주파 영역을 확대한 그래프이다.
도10은 카본블랙 탄소전극 기반의 상대전극을 가지는 염료 감응형 태양전지와 백금전극 기반의 염료 감응형 태양전지의 전류밀도-전압 특성을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다. 도1를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지(100)는 전도성 기판(10)에 염료가 흡착되어 있는 산화물 반도체 전극(12)이 형성되어 있는 광전극; 상기 전극과 대향하여 배치되며, 전도성 기판에 카본블랙 용액을 코팅하여 형성된 카본블랙 전극(11)이 구비된 상대전극; 상기 광전극과 상대 전극 사이에 충진된 전해질(13)을 포함한다.
상기 전도성 기판(10)은 상기 전도성 기판은 전기전도도를 가지고 있는 도전물질이 유리 또는 고분자 기판위에 코팅되어 있는 구조로 되어있다. 불소가 도핑된 틴 옥사이드(FTO), 인듐틴옥사이드(ITO), 인듐징크옥사이드(IZO), 인듐징크틴옥사이드(IZTO), 알루미늄징크옥사이드 (AZO), 인듐틴옥사이드-은-인듐틴옥사이드(ITO-Ag-ITO), 인듐징크옥사이드-은-인듐징크옥사이드(IZO-Ag-IZO), 인듐징크틴옥사이드-은-인듐징크틴옥사이드 (IZTO-Ag-IZTO) 및 알루미늄징크옥사이드-은-알루미늄징크옥사이드(AZO-Ag-AZO)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 도전 물질이 코팅된 유리 또는 고분자 기판일 수 있다.
상기 광전극은 전도성 기판(10) 상에 염료가 흡착된 산화물 반도체 전극(12)이 형성된 구조를 가지고 있다. 여기서 사용되는 산화물반도체는 TiO2, SnO2, ZnO 등의 물질 중에서 한 가지 물질이 선정되어 사용될수 있으며, 산화물반도체의 두께는 4~20㎛인 것이 바람직하다. 산화물 반도체는 100~550℃에서 후열처리 공정을 통해 완성된다.
이에 따라 태양광이 조사되면 광양자는 산화물 반도체 전극에 흡착된 염료에 흡수되어 염료가 여기 상태로 전자 전이하여 전자-정공쌍을 형성하고, 여기상태의 전자는 외부회로나 부하에 의하여 상대전극으로 이동한다. 상대 전국으로 이동한 전자는 전해질의 산환환원 반응에 의해 이동한다. 한편, 염료는 산화물 반도체에 전자를 전이한 후 산화되지만, 전해질로 전달된 전자를 받아 원래의 상태로 환원된다. 이에 따라 전해질 층은 상대전극으로부터 전자를 받아 이를 염료에 전달하는 역할을 수행하는 것이다.
이 때 산화물 반도체는 이산화티탄(TiO2), 산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO) 중 어느 하나 이상이 사용될 수 있고 염료는 루테늄계 염료가 사용될 수 있다.
상기 광전극은 염료감응형 태양전지에서 일반적으로 사용되는 광전극으로서 상술한 방법이외에 다른 방법으로 제조된 것을 사용할 수 있음은 물론이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 상대전극에서 아이오다이드(I-)와 트리-아이오다이드(I3 -)의 산화환원 반응을 개략화한 도면이다. 광전극으로부터 이동해 온 전자는 전해질의 트리-아이오다이드(I3 -) 에 전달되어 환원반응을 도와주고 환원된 아이오다이드(I-)는 산화된 염료에게 전자를 제공하게 된다. 상대전극에서는 전해질로의 전자 이동이 원활하게 이루어져야 하기 때문에 전도성 기판 상에 촉매전극이 형성되어 있는 구조를 가지게 되고, 촉매전극은 전해질과의 계면에서 낮은 전하전달저항을 가지기 위해 우수한 촉매활동 특성, 넓은 표면적, 높은 전기 전도도를 가져야 하며 전해질에서의 높은 장기 안정성을 가져야 한다.
따라서 상대전극의 촉매전극으로 카본블랙 탄소전극을 사용하면 가격이 저렴하고 요오드 기반 전해질에서 우수한 장기 안정성을 나타낼 수 있으며, 전해질/카본블력 탄소전극계면에서의 전하전달저항을 낮추고 아이오다드(I-)와 트리-아이오다드(I3 -)의 산화환원 반응 속도를 향상시킬 수 있다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 카본블랙 탄소전극의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다. 상기 카본블랙전극은 카본블랙 입자들끼리 응집되어 있는 비정질 구조를 가지는 것이 바람직하며, 평균 입경은 10 ~ 90 nm 인 것이 바람직하다. 비정질 구조를 가짐으로서 트리-아이오다드(I3 -) 이온의 환원반응이 일어날 수 있는 활성점을 제공할 수 있고, 서로 응집되어 있는 다공성(mesoporus) 구조는 카본블랙전극 내부에서의 트리-아이오다드(I3 -) 이온이 원활하게 이동될 수 있도록 한다.
또한, 카본블랙의 입자의 평균크기를 한정한 이유를 살펴보면, 입자의 크기가 작을수록 표면적이 증가 되어 태양전지 효율이 향상되나, 10nm미만의 경우 효율향상이 미미하고, 90nm 초과하는 경우에는 태양전지의 효율이 향상되지 않기 때문이다.
한편 카본블랙 탄소전극의 두께는 1~15㎛인 것이 바람직하다. 카본블랙 탄소전극의 경우 두께가 커질수록 전극의 표면적이 증가되어 촉매활동 및 태양전지의 효율이 향상된다. 카본블랙 탄소전극의 두께를 한정한 이유는 1㎛미만의 두께에서는 카본블랙 탄소전극의 촉매활동이 충분하지 않아 태양전지의 효율이 낮으며, 15㎛를 초과하는 경우에는 태양전지 효율의 더 이상 커지지 않기 때문이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 제조방법은 전도성 기판 상에 염료가 흡착된 산화물 반도체 전극이 형성된 광전극을 제조하는 단계; 전도성 기판 상에 카본블랙 전극이 형성되어 있는 상대전극을 제작하는 단계; 및 상기 광전극과 상대전극을 대향하여 접합한 뒤 전해질을 주입하는 단계를 포함한다.
상기 상대전극을 제작하는 단계는 카본블랙 분말을 알코올에 분산시켜 카본블랙 용액을 제조하는 단계 및 상기 카본블랙 용액을 전도성 기판 상에 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. 카본블랙 분말의 평균입경은 10~90nm인 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 제조방법에서, 상기 카본 블랙 용액을 제조하는 단계는 메탄올 또는 에탄올 등의 알코올 용매 중 어느 하나를 선정하여 카본블랙 분말을 투입한 뒤 초음파법 또는 자기 교반법에 의해 분산시키는 것이 바람직하다.
한편, 상기 코팅단계에서는 전도성 기판의 온도를 알코올 용매를 증발시킬수 있도록80℃ 이상에서 스프레이 코팅, 드롭코팅, 스핀코팅, 잉크젯 코팅, 브러쉬 코팅, 딥 코팅 등의 용액법중 어느 하나에 의해 이루어지는 것이 바람직하다. 기판의 온도를 80℃이상으로 유지하는 이유는 카본블랙 용액 코팅시에 용매를 동시에 증발시키기 위함이여, 용매의 끓는점 이상의 온도이면 충분하다.
바인더 또는 계면 활성제를 사용하지 않는 카본블랙 용액을 이용하여 저온에서 코팅이 이루어져 그 공정이 간편하며, 우수한 전기 전도도 및 촉매활동 특성을 갖는 상대전극을 제조할 수 있다.
상기 코팅된 카본블랙 전극의 두께는 1~15 ㎛ 인 것이 바람직 하다.
제조된 광전극 위에 고분자수지를 올린 뒤 제조된 카본블랙 탄소전극 기반의 상대전극을 대향시켜 접합한다. 그 후 액체 형태의 요오드 전해질을 주입하여 염료 감응형 태양전지를 완성하게 된다.
< 실시예 >
TiO2 나노입자와 바인더가 포함되어 있는 TiO2 페이스를 FTO 투명전극이 코팅되어 있는 전도성 유리 기판 상에 스크린 프린팅법을 이용하여 도포한 뒤 120℃에서 7분 동안의 열처리 과정을 거쳐 약 4㎛의 TiO2 산화물 반도체 박막을 형성하였다. 이 과정을 두 번 반복한 뒤, 500℃에서 30분 동안의 열처리 과정을 통해 약 12㎛의 TiO2 산화물 반도체 박막을 완성하였다.
상기 제조된 TiO2 산화물 반도체 박막은 루테늄 염료 (Di-tetrabutylammonium cis-bis(isothiocyanato) bis(2,2’-bipyridyl- 4,4’-dicarboxylato)ruthenium(II):N719)가 용해된 용액에 24시간 동안 담구어 염료를 흡착시켜 광전극 제조를 완성하였다.
카본블랙 전극 기반의 상대전극을 위해, 먼저 100ml 에탄올에 0.1g의 카본블랙을 투여한 뒤 30분 동안의 초음파법을 통해 카본블랙 용액을 제조하였다. 카본블랙 전극은 상기 제조된 카본블랙 용액을 이용해 FTO 유리기판 위에 스프레이 코팅법으로 코팅되었고, 이 때 FTO 유리 기판의 온도는 120℃로 유지되었다. 카본블랙의 입자크기에 따른 촉매활동 특성을 비교하기 위하여 다양한 평균 입자 크기(20nm, 30nm, 70nm, 90nm)를 갖는 카본블랙 전극 두께를 5㎛로 동일하게 고정하였다. 한편, 카본블랙 탄소전극의 두께에 따른 촉매활동 특성을 비교하기 위하여 스프레이 코팅 시간을 조절하여 전극 두께를 변화시켰다.
상기 제조된 광전극 위에 60㎛의 고분자 수지를 올려놓은 뒤 상대전극을 대향시켜 놓은 다음 열을 가해주어 두 전극을 결합시켰다. 그 후 액체 형태의 요오드 전해질을 주입한 뒤 염료 감응형 태양전지 제조를 완성하였다.
< 비교예 >
실시예와 동일한 방법으로 제조하되, 비교 상대전극으로 백금전극을 선정하여 염료감응형 태양전지를 제조하였다. FTO 유리기판 위에 육염화백금산(H2PtCl6)용액을 한 방울 떨어뜨린 뒤 400℃에서 10분 동안 열처리를 하여 입자 형태의 백금이 형성된 상대전극을 제조하였다.
< 실험예 >
촉매활동 특성 평가를 위한 대칭셀 ( symmetric cell ) 제조
도4는 촉매활동 특성 평가를 위한 대칭 셀(symmetric cell)의 단면도이다. 대칭 셀(symmetric cell)은 전도성 기판(20)에 카본블랙 탄소전극(21)이 형성된 2 개의 상대전극이 서로 대향되어 있고 그 사이에 전해질(23) 층이 존재하는 구조를 가지고 있다. 대칭 셀(symmetric cell)을 이용하여 전기화학 임피던스를 측정한 뒤에는 동등회로를 이용하여 결과를 분석할 수 있다. 도5는 촉매활동 특성 평가를 위한 대칭셀(symmetric cell)의 동등회로를 표시한 도면이다. 이와 같은 동등회로는 전도성 기판의 면저항(Rs), 카본블랙 탄소전극 내부에서의 전자이동저항(Rtrns) 및 캐패시턴스(Ctrap), 전해질/탄소전극 계면에서의 전하이동저항(Rct) 및 전기이중층 캐패시턴스(Cdl) 그리고 전해질 내부에서의 이온 확산에 의한 임피던스(ZN)로 구성되어 있다.
< 시험예 >
도6은 카본블랙 입자 크기에 따른 대칭셀(symmetric cell)을 이용한 전기화학 임피던스 측정결과를 나타내는 그래프이다. 도7은 도6의 고주파 영역을 확대한 그래프이다. 도8은 카본블랙 탄소전극의 두께에 따른 대칭셀(symmetric cell)을 이용한 전지화학 임피던스 측정결과를 나타내는 그래프이다. 도9는 도8의 고주파 영역을 확대한 그래프이다. 상기 단계에서 제조된 대칭셀(symmetric cell)을 이용하여 전기화학 임피던스 측정 결과를 나타내는 Nyquist plot이다. (a)는 카본블랙 입자 크기에 따른 촉매활동 특성 결과이고, (b)는 (a)의 고주파수 영역을 확대한 결과이다. (c)는 카본블랙 탄소전극의 두께에 따른 촉매활동 특성 결과이고, (d)는 (c)의 고주파수 영역을 확대한 결과이다.
카본블랙의 평균 입자 크기가 작아질수록 전기전도도 향상으로 인해 Rtrns가 감소하고 표면적 증가로 인해 촉매 활성점의 수가 많아지면서 Rct가 감소됨을 통해, 카본블랙 입자 크기가 작아질수록 촉매활동 특성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
카본블랙 탄소전극의 두께가 증가될수록 Rtrns는 유사한 값을 나타내지만 전극의 표면적이 향상되어 촉매 활성점의 수가 많아지면서 Rct가 감소되는 것을 통해, 탄소전극 두께가 증가될수록 촉매활동 특성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
카본블랙 탄소전극과 백금전극 기반의 상대전극을 갖는 염료 감응형 태양전지의 광전변환효율 측정을 통해 하기 표1과 같이 단략전류(Jsc), 개방전압(Voc), 충진계수(FF) 및 효율(efficiency)과 도10과 같이 전류밀도-전압 특성 그래프를 얻을 수 있었다. 카본블랙 탄소전극 기반의 염료 감응형 태양전지의 광전변환효율의 경우 가장 우수한 촉매활동 특성을 나타내는 것은 20nm의 평균 입자 크기와 9㎛ 두께로 형성되어 있는 경우이다. 이는 입자의 크기는 작고 두께는 두꺼울수록 촉매활동을 위한 전극의 표면적이 향상되어 촉매활동 특성이 향상되기 때문이다.
Jsc(mA/cm2) Voc (V) FF (%) Efficiency (%)
Carbon black 13.1 0.84 65.6 7.2
Pt 13.4 0.85 65.8 7.6
최적화된 조건을 갖는 카본블랙 탄소전극 기반의 상대전극을 갖는 염료 감응형 태양전지는 백금전극 기반의 상대전극을 갖는 염료 감응형 태양전지와 대등한 광전변환효율을 나타낸다.
10: 전도성 기판 11: 카본블랙 탄소전극 12:산화물반도체 전극
13: 전해질 20: 전도성 기판 21: 카본블랙 탄소전극
23: 전해질 100: 염료감응형 태양전지 200: 대칭셀(symmetric cell)

Claims (12)

  1. 전도성 기판에 염료가 흡착되어 있는 산화물 반도체 전극이 형성되어 있는 광전극;
    상기 광전극과 대향하여 배치되며, 전도성 기판에 카본블랙 용액을 코팅하여 형성된 카본블랙 탄소전극이 구비된 상대전극; 및
    상기 광전극과 상대 전극 사이에 충진된 전해질
    을 포함하는 염료감응형 태양전지.
  2. 제1항에서,
    상기 카본블랙 탄소전극은 입자의 평균 크기가 10~90nm인 염료감응형 태양전지.
  3. 제1항에서,
    상기 카본블랙 탄소전극은 비정질 구조인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
  4. 제1항에서,
    상기 카본블랙 탄소전극의 두께는 1~15 ㎛인 염료감응형 태양전지.
  5. 제1항에서,
    상기 카본블랙 탄소전극은 트리 아이오다이드(I3 -) 이온의 환원반응을 활성화시키는 촉매역할을 하는 염료감응형 태양전지.
  6. 제1항에서,
    상기 전도성 기판은 불소가 도핑된 틴 옥사이드(FTO), 인듐틴옥사이드(ITO), 인듐징크옥사이드(IZO), 인듐징크틴옥사이드(IZTO), 알루미늄징크옥사이드 (AZO), 인듐틴옥사이드-은-인듐틴옥사이드(ITO-Ag-ITO), 인듐징크옥사이드-은-인듐징크옥사이드(IZO-Ag-IZO), 인듐징크틴옥사이드-은-인듐징크틴옥사이드 (IZTO-Ag-IZTO) 및 알루미늄징크옥사이드-은-알루미늄징크옥사이드(AZO-Ag-AZO)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 도전 물질이 코팅된 유리 또는 고분자 기판인 염료감응형 태양전지.
  7. 제1항에서,
    상기 산화물 반도체 전극은 이산화티탄(TiO2), 산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO) 중 어느 하나 이상을 포함하는 염료감응형 태양전지.
  8. 제1항에서,
    상기 염료는 루테늄계 염료인 염료감응형 태양전지.
  9. 전도성 기판 상에 염료가 흡착된 산화물 반도체 전극이 형성된 광전극을 제조하는 단계;
    전도성 기판 상에 카본블랙 탄소전극이 형성되어 있는 상대전극을 제작하는 단계; 및
    상기 광전극과 상대전극을 대향하여 접합한 뒤 전해질을 주입하는 단계
    를 포함하는 염료감응형 태양전지 제조방법.
  10. 제9항에서,
    상기 상대전극을 제작하는 단계는 카본블랙 분말을 알코올에 분산시켜 카본블랙 용액을 제조하는 단계 및
    상기 카본블랙 용액을 전도성 기판 상에 코팅하는 단계
    를 포함하는 염료감응형 태양전지 제조방법.
  11. 제10항에서,
    상기 카본블랙 용액 제조단계의 카본분말의 평균 직경은 10~90 nm 이며, 초음파법 또는 자기교반법에 의해 알코올에 분산시키는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 제조방법.
  12. 제10항에서,
    상기 카본블랙 용액을 코팅하는 단계는 80℃ 이상에서 스프레이 코팅, 드롭 코팅, 스핀 코팅, 잉크젯 코팅, 브러쉬 코팅 및 딥 코팅의 용액법 중 어느 하나에 의해 수행되는 염료감응형 태양전지 제조방법.
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