KR20150094143A - 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20150094143A
KR20150094143A KR1020140015063A KR20140015063A KR20150094143A KR 20150094143 A KR20150094143 A KR 20150094143A KR 1020140015063 A KR1020140015063 A KR 1020140015063A KR 20140015063 A KR20140015063 A KR 20140015063A KR 20150094143 A KR20150094143 A KR 20150094143A
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이진욱
정현석
한길상
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삼성전자주식회사
성균관대학교산학협력단
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Abstract

서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 활성층을 포함하고, 상기 활성층은 복수의 중공을 가지고 결정성 산화물 반도체를 포함하는 광 산란체와 상기 광 산란체로부터 뻗은 복수의 나노체를 포함하는 광 전극, 그리고 상기 광 전극의 표면에 위치하는 광 흡수체를 포함하는 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

Description

태양 전지 및 그 제조 방법{SOLAR CELL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환 소자로서, 무한정 무공해의 차세대 에너지 자원으로 각광받고 있다.
태양 전지는 광 활성층에서 태양 에너지를 흡수하면 반도체 내부에서 전자-정공 쌍(electron-hole pair, EHP)이 생성되고, 여기서 생성된 전자 및 정공이 n형 반도체 및 p형 반도체로 각각 이동하고 이들이 전극에 수집됨으로써 외부에서 전기 에너지로 이용할 수 있다.
태양 전지는 많은 전기 에너지를 생산하기 위해서, 태양 전지로 입사되는 광을 효과적으로 흡수하고, 흡수된 빛에 의해 생성된 전하를 효과적으로 수집하는 것이 중요하다.
태양 전지 중, 염료감응형 태양전지 또는 양자점 태양 전지와 같은 차세대 태양전지는 현재 주로 사용하고 있는 실리콘 태양전지의 한계를 극복할 수 있는 대안으로 여겨지며 활발히 연구되고 있다.
일 구현예는 광 흡수 특성 및 전하 이동 특성을 개선할 수 있는 태양 전지를 제공한다.
다른 구현예는 상기 태양 전지의 제조 방법을 제공한다.
일 구현예에 따르면, 서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 활성층을 포함하고, 상기 활성층은 복수의 중공을 가지고 결정성 산화물 반도체를 포함하는 광 산란체와 상기 광 산란체로부터 뻗은 복수의 나노체를 포함하는 광 전극, 그리고 상기 광 전극의 표면에 위치하는 광 흡수체를 포함하는 태양 전지를 제공한다.
상기 복수의 나노체는 상기 광 산란체로부터 상기 중공의 내부로 뻗어 있을 수 있다.
상기 나노체의 아스펙트 비(aspect ratio)는 1 보다 클 수 있다.
상기 나노체는 나노와이어, 나노로드, 나노튜브, 나노니들 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 나노체는 약 5nm 내지 100nm의 직경 및 약 50nm 내지 1000nm의 길이를 가질 수 있다.
상기 복수의 중공은 3차원 방향으로 서로 접하여 연결되어 있을 수 있다.
상기 각 중공은 구형(spherical shape)일 수 있다.
상기 광 전극은 산화티타늄을 포함할 수 있다.
상기 광 전극은 산화티타늄 또는 알루미늄(Al), 구리(Cu), 란탄(La), 리튬(Li), 니오븀(Ni), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 질소(N) 또는 이들의 조합이 도핑된 산화티타늄을 포함할 수 있다.
상기 광 산란체와 상기 복수의 나노체는 아나타제 상(anatase phase)의 산화티타늄을 포함할 수 있다.
상기 광 흡수체는 상기 광 산란체의 표면 및 상기 복수의 나노체의 표면에 흡착되어 있을 수 있다.
상기 광 흡수체는 염료, 양자점 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 제1 전극을 형성하는 단계, 상기 제1 전극 위에 활성층을 형성하는 단계, 그리고 상기 활성층 위에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 활성층을 형성하는 단계는 상기 제1 전극 위에 복수의 고분자 입자들을 배치하는 단계, 상기 고분자 입자들의 표면에 산화물 반도체를 공급하는 단계, 열처리하여 상기 고분자 입자들을 열분해 제거하고 상기 산화물 반도체를 결정화하여 복수의 중공을 가지는 광 산란체를 형성하는 단계, 상기 광 산란체에 나노체 형성용 전구체 용액을 접촉시켜 상기 광 산란체로부터 뻗은 복수의 나노체를 형성하는 단계, 그리고 상기 광 산란체와 상기 복수의 나노체의 표면에 광 흡수체를 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 산화물 반도체를 공급하는 단계는 원자층증착법(atomic layer deposition), 화학기상증착법(chemical vapor deposition), 레이어-바이-레이어 증착법(layer-by-layer deposition) 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.
상기 열처리하는 단계는 약 450℃ 이상에서 수행할 수 있다.
상기 나노체 형성용 전구체 용액은 벌키한 알킬 사슬을 가지는 금속염을 포함할 수 있다.
상기 벌키한 알킬 체인을 가지는 금속염은 금속염과 벌키한 알킬 사슬을 가지는 유기용매를 혼합하는 단계, 그리고 상기 금속염을 상기 벌키한 알킬 사슬로 치환하는 단계에 의해 얻어질 수 있다.
상기 금속염은 티타늄염일 수 있다.
상기 나노체 형성용 전구체 용액은 에틸렌디아민, 아세틸아세톤, 디에틸암모늄 또는 이들의 조합을 더 포함할 수 있다.
상기 산화물 반도체는 산화티타늄을 포함할 수 있다.
광 흡수체의 흡착 면적을 확보하여 광 흡수 특성 및 전하 이동 특성을 개선할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이고,
도 2는 도 1의 일부분을 확대하여 도시한 개략도이고,
도 3 내지 6은 도 1의 태양 전지를 제조하는 방법을 차례로 보여주는 개략도이고,
도 7은 실시예 1에 따른 태양 전지에서 활성층을 보여주는 SEM 사진이고,
도 8은 도 7은 노란색 박스 부분을 확대한 SEM 사진이고,
도 9는 실시예 1과 비교예 1에 따른 태양 전지의 가시광선 영역에서 광 산란효과를 보여주는 그래프이고,
도 10은 실시예 1과 비교예 1에 따른 태양 전지의 흡광 특성을 보여주는 그래프이다.
이하, 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, '치환된'이란, 화합물 중의 수소 원자가 할로겐 원자(F, Br, Cl 또는 I), 히드록시기, 알콕시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아지도기, 아미디노기, 히드라지노기, 히드라조노기, 카르보닐기, 카르바밀기, 티올기, 에스테르기, 카르복실기나 그의 염, 술폰산기나 그의 염, 인산이나 그의 염, C1 내지 C20 알킬기, C2 내지 C20 알케닐기, C2 내지 C20 알키닐기, C6 내지 C30 아릴기, C7 내지 C30　아릴알킬기, C1 내지 C4 알콕시기, C1 내지 C20 헤테로알킬기, C3 내지 C20 헤테로아릴알킬기, C3 내지 C30 사이클로알킬기, C3 내지 C15 사이클로알케닐기, C6 내지 C15 사이클로알키닐기, C2 내지 C20 헤테로사이클로알킬기 및 이들의 조합에서 선택된 치환기로 치환된 것을 의미한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이하 도 1 및 도 2를 참고하여 일 구현예에 따른 태양 전지를 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1의 일부분을 확대하여 도시한 개략도이다.
일 구현예에 따른 태양 전지는 서로 마주하는 제1 전극(120)과 제2 전극(150), 그리고 제1 전극(120)과 제2 전극(150) 사이에 위치하는 활성층(130)을 포함한다.
제1 전극(120)과 제2 전극(150)은 각각 기판(도시하지 않음)에 의해 지지되어 있을 수 있다. 상기 기판은 예컨대 투명 유리 또는 고분자 수지로 만들어질 수 있고, 상기 고분자 수지는 예컨대 폴리아크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트, 폴리에테르이미드, 폴리에테르술폰, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 트라아세틸셀룰로우스 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
제1 전극(120)은 투명성을 가지는 도전성 물질로 만들어질 수 있으며, 예컨대 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxidem ITO) 또는 불소 함유 틴 옥사이드(fluorine containing tin oxide, FTO)와 같은 무기 도전성 물질이나 폴리아세틸렌 또는 폴리티오펜과 같은 유기 도전성 물질을 포함할 수 있다.
제2 전극(150)은 투명 또는 불투명의 도전성 물질로 만들어질 수 있으며, 예컨대 인듐 틴 옥사이드(ITO), 불소 함유 틴 옥사이드(FTO), Al과 같은 금속, 안티몬 함유 틴 옥사이드(antimony doped tin oxide, ATO) 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
제1 전극(120)을 지지하는 기판과 제2 전극(150)을 지지하는 기판은 간격재(160)에 의해 고정되어 있으며, 기판들 및 간격재에 의해 정의된 영역에는 전해질이 채워져 있을 수 있다.
상기 전해질은 산화/환원 물질을 공급하며, 액체 전해질 또는 고체 고분자 전해질일 수 있다.
활성층(130)은 제1 전극(120)의 일면에 위치하며, 광 전극(131) 및 광 전극(131)의 표면에 흡착되어 있는 광 흡수체(134)를 포함한다.
광 전극(131)은 광 흡수체(134)를 흡착하는 지지체 역할을 할 뿐만 아니라 광 흡수체(134)에서 발생된 전하를 이동시키거나 수집하는 역할을 할 수 있다.
광 전극(131)은 결정성 산화물 반도체를 포함할 수 있고 예컨대 결정성 산화티타늄을 포함할 수 있다. 상기 산화티타늄은 예컨대 산화티타늄, 또는 알루미늄(Al), 구리(Cu), 란탄(La), 리튬(Li), 니오븀(Ni), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 질소(N) 또는 이들의 조합이 도핑된 산화티타늄을 포함할 수 있다. 상기 결정성 산화티타늄은 예컨대 아나타제 상(anatase phase)의 산화티타늄을 포함할 수 있다.
광 전극(131)은 복수의 중공(70)을 가지는 광 산란체(132)와 광 산란체(132)로부터 뻗은 복수의 나노체(133)를 포함한다.
광 산란체(132)는 결정성 산화물 반도체를 포함하고 예컨대 아나타제 상의 산화티타늄을 포함할 수 있다. 광 산란체(132)는 복수의 나노체(133)를 성장시키는 시드(seed)로서 작용할 수 있다. 광 산란체(132)는 약 1nm 내지 200nm 두께를 가질 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 5nm 내지 100nm의 두께를 가질 수 있다.
중공(70)은 실질적으로 구형(spherical shape)이며, 3차원 방향으로 서로 접하여 연결되어 있는 복수 개를 포함할 수 있다. 중공(70)은 예컨대 3차원 방향으로 최조밀 쌓임 구조(closest packing structure)로 적층된 구형일 수 있고, 예컨대 육방밀집구조(hexagonal close-packing, hcp) 또는 면심입방구조(face-centered cubic, fcc)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 중공(70)은 예컨대 역오팔 구조(inverse opal structure)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 중공(70)은 실질적으로 비어있는 공간으로, 제1 전극(120)을 통해 입사한 광을 산란 메커니즘을 통해 가두어 광 흡수 특성을 개선할 수 있다.
나노체(133)는 광 산란체(132) 내부에 위치하며 광 산란체(132)로부터 중공(70)의 내부로 뻗어 있다. 나노체(133)는 예컨대 중공(70)의 구심점을 향하여 배열될 수 있다. 나노체(133)는 광 산란체(132)를 시드로 하여 성장될 수 있으며, 아스펙트 비(aspect ratio)가 약 1 보다 큰 나노와이어(nanowire), 나노로드(nanorod), 나노튜브(nanotubes), 나노니들(nanoniddle) 또는 이들의 조합일 수 있다. 각 나노체(133)는 예컨대 약 5nm 내지 100nm의 직경 및 약 50nm 내지 1000nm의 길이를 가질 수 있다.
나노체(133)는 광 산란체(132)의 중공(70)으로 인해 광 전극(131)의 비표면적이 감소되는 것을 보완하고 광 흡수체(134)가 흡착되는 광 전극(131)의 총 비표면적을 증가시킴으로써 후술하는 광 흡수체(134)의 흡착 면적을 확보할 수 있다. 이에 따라 충분한 양의 광 흡수체(134)를 흡착하여 높은 광 전류밀도를 확보할 수 있다.
광 흡수체(134)는 광 산란체(132) 및 나노체(133)의 표면에 흡착되어 있을 수 있으며, 예컨대 입자 형태일 수 있다. 광 흡수체(134)는 광을 흡수하여 여기된 전자를 생성하는 물질이면 특별히 한정되지 않고, 예컨대 염료(dye), 양자점(quantum dot) 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 염료는 무기 염료, 유기 염료 또는 유무기 염료일 수 있으며, 예컨대 루테늄계 유기금속 화합물, 크산틴 색소, 시아닌계 색소, 염기성 염료, 포르피린계 화합물, 아조 색소, 프탈로시아닌 화합물, 안트라퀴논 색소, 퀴논계 색소 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 양자점은 예컨대 2족, 12족, 13족 및 14족에서 선택된 제1 원소와 16족에서 선택된 제2 원소; 13족에서 선택된 제1 원소 및 15족에서 선택된 제2 원소; 14족 원소로 이루어진 군에서 선택된 하나의 물질; 또는 이들의 코어/쉘 구조체일 수 있다. 상기 양자점은 예컨대 CdSe, CdTe, CdS, ZnSe, ZnS, InP, InAs, GaN, GaP, GaAs, HgTe, Si, Ge, CdS/ZnSe, CdS/ZnS, CdSe/ZnS, CdS/CdS. CdSe/CdS, CdSe/ZeSe, CdTe/CdSe, CdSe/ZnTe 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하 일 구현예에 따른 태양 전지의 제조 방법에 대하여 도 3 내지 도 6을 도 1 및 도 2와 함께 참고하여 설명한다.
도 3 내지 6은 도 1의 태양 전지를 제조하는 방법을 차례로 보여주는 개략도이다.
일 구현예에 따른 태양 전지의 제조 방법은 제1 전극(120)을 형성하는 단계, 제1 전극(120) 위에 활성층(130)을 형성하는 단계 및 활성층(130) 위에 제2 전극(150)을 형성하는 단계를 포함한다.
제1 전극(120) 및 제2 전극(150)은 각각 기판(도시하지 않음) 위에 예컨대 스퍼터링, 화학기상증착 또는 용액 공정으로 형성할 수 있다.
활성층(130)을 형성하는 단계에 대하여 도면을 참고하여 설명한다.
먼저 도 3을 참고하면, 제1 전극(120) 위에 복수의 고분자 입자(50)를 배치한다. 고분자 입자(50)는 단일층 또는 복수층으로 배열될 수 있으며, 예컨대 폴리스티렌(polystyrene, PS) 또는 폴리메틸(메타)아크릴레이트(polymethyl(meth)acrylate, PMMA)일 수 있다. 고분자 입자(50)는 예컨대 약 100nm 이상의 균일한 직경을 가질 수 있으며, 예컨대 약 100nm 내지 500nm의 평균 직경을 가질 수 있다. 고분자 입자(50)는 예컨대 용액, 분산액 또는 페이스트 형태로 적용될 수 있으며, 후술하는 산화물 반도체와의 친화성을 높이기 위하여 표면이 개질되어 있을 수 있다.
다음 도 4를 참고하면, 고분자 입자(50)에 산화물 반도체를 공급하여 고분자 입자(50)의 표면에 산화물 반도체 층(132a)을 형성한다. 상기 산화물 반도체는 산화티타늄을 포함할 수 있고, 예컨대 원자층증착법(atomic layer deposition), 화학기상증착법(chemical vapor deposition), 레이어-바이-레이어 증착법(layer-by-layer deposition) 또는 이들의 조합으로 공급할 수 있다. 산화물 반도체 층(132a)는 약 1nm 내지 200nm 두께로 형성될 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 5nm 내지 100nm의 두께로 형성될 수 있다.
다음 도 5 및 도 6을 참고하면, 제1 전극(120)이 형성된 기판을 열처리하여 고분자 입자(50)를 열분해 제거하고 산화물 반도체 층(132a)을 결정화한다. 상기 열처리는 고분자 입자(50)가 열분해되고 산화물 반도체 층(132a)이 결정화되기에 충분한 온도로 수행할 수 있으며, 예컨대 약 450℃ 이상의 온도에서 수행할 수 있고, 예컨대 약 450℃ 내지 550℃에서 수행할 수 있다.
고분자 입자(50)는 열분해되고 고분자 입자(50)가 있던 위치는 빈 공간, 즉 중공(70)이 형성될 수 있다. 중공(70)은 3차원 방향으로 서로 접하여 연결된 모양으로 형성될 수 있으며, 예컨대 역오팔 구조로 형성될 수 있다. 산화물 반도체 층(132a)은 결정화되면서 결정성 산화물 반도체를 포함하는 광 산란체(132)로 형성될 수 있다.
이어서 광 산란체(132)에 나노체 형성용 전구체 용액을 접촉시켜 광 산란체(132)로부터 뻗은 복수의 나노체(133)를 형성한다. 나노체(133)는 결정성 산화물 반도체를 포함하는 광 산란체(132)를 시드로 하여 성장될 수 있다.
상기 나노체 형성용 전구체 용액은 벌키한 알킬 사슬을 가지는 금속염을 포함할 수 있으며, 상기 벌키한 알킬 사슬로 인하여 가수분해 반응(hydrolysis)의 속도를 제어함으로써 결정성 산화물 반도체를 포함하는 광 산란체(132)를 시드로 하여 아스펙트 비가 1이 넘는 나노체를 형성할 수 있다. 만일 가수분해 반응의 속도가 제어되지 않는 경우 상기 금속염으로부터 형성된 분말(powder) 형태의 금속입자가 남게 되어 광 산란체(132)의 내부로 뻗은 나노체를 형성할 수 없다.
상기 벌키한 알킬 사슬을 가지는 금속염은 금속염과 벌키한 알킬 사슬을 가지는 유기 용매를 혼합하는 단계 및 상기 금속염을 상기 벌키한 알킬 사슬로 치환하는 단계에 의해 얻을 수 있다.
상기 금속염은 티타늄 염일 수 있고, 상기 티타늄 염은 티타늄 아세테이트, 티타늄 카르보닐, 티타늄 탄산염, 티타늄 질산염, 티타늄 질산염, 티타늄 황산염, 티타늄 인산염, 티타늄 염화염, 티타늄 히드록시드, 티타늄 알콕시드 또는 이들의 수화물일 수 있다. 상기 티타늄 염은 예컨대 티타늄 아세틸 아세토네이트(titanium acetyl acetonate), 티타늄 아세테이트(titanium acetate), 염화티타늄(titanium chloride), 티타늄 이소프로폭시드(titanium isopropoxide) 또는 이들의 수화물 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 벌키한 알킬 사슬을 가지는 유기 용매는 예컨대 트리에탄올아민(triethanolamine) 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 금속염과 상기 유기 용매는 약 1:1 내지 1:5의 몰비율로 포함될 수 있다.
상기 나노체 형성용 전구체 용액은 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 첨가제는 예컨대 에틸렌디아민, 아세틸아세톤, 디에틸암모늄 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 가수분해 반응은 약 80℃ 이상에서 수행할 수 있으며, 예컨대 약 80℃ 내지 180℃로 수행할 수 있다.
이어서, 상기 광 산란체와 상기 복수의 나노체의 표면에 광 흡수체를 공급한다. 광 흡수체는 광을 흡수하여 여기되는 물질이면 특별히 한정되지 않고, 예컨대 염료(dye), 양자점(quantum dot) 또는 이들의 조합일 수 있다. 광 흡수체는 예컨대 광 흡수체를 포함하는 분산액에 기판을 침지하는 방법으로 공급될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 다만 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
태양 전지의 제조
실시예 1
420nm 직경을 가지는 카르복실 개질된 폴리스티렌(PS) 입자를 물과 1:100의 부피비로 교반하여 폴리스티렌 분산액을 준비한다. 이어서 80ml 바이알병에 상기 폴리스티렌 분산액을 넣고 불소 함유 틴 옥사이드(FTO) 전극이 700nm 두께로 증착되어 있는 유리 기판을 수직으로 세워놓아 FTO 전극 위에 폴리스티렌 입자를 정렬한다. 이어서 상기 기판을 꺼내어 80℃로 건조한다. 이어서 정렬된 폴리스티렌 입자에 원자층증착(ALD)을 사용하여 30nm 두께로 산화티타늄을 증착하였다. 이어서 기판을 450℃에서 1시간 동안 열처리하여 아나타제 상의 산화티타늄을 형성하고 폴리스티렌 입자를 연소하여 중공을 형성한다. 이어서 티타늄이소프로폭사이드(titanium isopropoxide) 용액과 트리에틸렌아민 용액(triethanolamine)을 1:2의 몰비율로 교반한 혼합물을 증류수 800ml에 첨가하여 전구체 용액을 준비한다. 이어서 상기 전구체 용액에 에틸렌디아민을 소량 첨가한다. 이어서 상기 전구체 용액에 상기 열처리된 기판을 침지하여 90℃에서 24시간 동안 반응시켜 상기 아나타제 상의 산화티타늄을 시드로 하여 복수의 나노로드를 성장시킨다. 이어서 상기 아나타제 상의 산화티타늄과 상기 나노로드에 N719 염료 [ruthenium(2,20-bipyridyl-4,40-dicarboxylate)2(NCS)2]를 흡착한다. 이어서 상기 기판을 ITO가 증착되어 있는 대향 기판과 간격재를 사용하여 고정하여 전해질 lodolyte AN-50 (Solaronix)을 주입하여 태양 전지를 제조한다.
비교예 1
420nm 직경을 가지는 카르복실 개질된 폴리스티렌(PS) 입자를 물과 1:100의 부피비로 교반하여 폴리스티렌 분산액을 준비한다. 이어서 80ml 바이알병에 상기 폴리스티렌 분산액을 넣고 불소 함유 틴 옥사이드(FTO) 전극이 700nm 두께로 증착되어 있는 유리 기판을 수직으로 세워놓아 FTO 전극 위에 폴리스티렌 입자를 정렬한다. 이어서 상기 기판을 꺼내어 80℃로 건조한다. 이어서 정렬된 폴리스티렌 입자에 원자층증착(ALD)을 사용하여 30nm 두께로 산화티타늄을 증착하였다. 이어서 기판을 450℃에서 1시간 동안 열처리하여 아나타제 상의 산화티타늄을 형성하고 폴리스티렌 입자를 연소하여 중공을 형성한다. 이어서 상기 아나타제 상의 산화티타늄에 N719염료 [ruthenium(2,20-bipyridyl-4,40-dicarboxylate)2(NCS)2]를 흡착한다. 이어서 상기 기판을 ITO가 증착되어 있는 대향 기판과 간격재를 사용하여 고정하여 전해질 lodolyte AN-50(Solaronix)을 주입하여 태양 전지를 제조한다.
평가
평가 1
실시예 1에 따른 태양 전지에서 아나타제 상의 산화티타늄, 중공 및 나노로드의 형성을 확인한다.
도 7은 실시예 1에 따른 태양 전지에서 활성층을 보여주는 SEM 사진이고, 도 8은 도 7은 노란색 박스 부분을 확대한 SEM 사진이다.
도 7 및 도 8을 참고하면, 복수의 중공, 아나타제 상의 산화티타늄 및 나노로드가 형성된 것을 확인할 수 있다.
평가 2
실시예 1과 비교예 1에 따른 태양 전지에 로딩된 염료 양을 평가한다.
로딩된 염료 양은 다음과 같은 방법으로 평가한다.
먼저 증류수, 에탄올, 수산화암모늄(Ammonium hydroxide)을 5:5:1의 비율로 섞어 탈착제를 만든 후 탈착제에 염료를 100배로 희석시킨 대조용액과 24시간 동안 탈착제에 TiO2 나노입자에 염료가 흡착된 기판을 담가놓아 염료가 탈착된 비교용액을 준비한다. 준비한 대조용액과 비교용액은 UV/Vis spectroscope (Lamda 35, Perkin-Elmer) 장비를 이용하여 흡광도를 측정한다. 측정된 흡광도와 염료의 몰 비를 비교하여 로딩된 염료 양을 측정한다.
그 결과는 표 1과 같다.
실시예 1 비교예 1
염료 로딩 양(mol/㎠) 0.85 x 10-7 0.74 x 10-7
표 1을 참고하면, 실시예 1에 따른 태양 전지는 비교예 1에 따른 태양 전지와 비교하여 염료 로딩 양이 많은 것을 확인할 수 있다.
평가 3
실시예 1과 비교예 1에 따른 태양 전지의 광 산란효과를 평가한다.
광 산란효과는 UV/Vis spectroscope (Lamda 35, Perkin-Elmer)를 사용하여 약 400 내지 800nm의 가시광선 영역에서 반사도로 평가한다.
그 결과는 도 9를 참고한다.
도 9는 실시예 1과 비교예 1에 따른 태양 전지의 가시광선 영역에서 광 산란효과를 보여주는 그래프이다.
도 9를 참고하면, 실시예 1에 따른 태양 전지는 비교예 1에 따른 태양 전지와 비교하여 개선된 광 산란효과를 가지는 것을 확인할 수 있다.
평가 4
실시예 1과 비교예 1에 따른 태양 전지의 흡광도를 평가한다.
흡광도는 다음과 같은 방법으로 평가한다.
먼저 증류수, 에탄올, 수산화암모늄을 5:5:1로 섞어 탈착제를 만든 후 탈착제에 염료를 100배로 희석시킨 대조용액과 24시간 동안 탈착제에 TiO2 나노입자에 염료가 흡착된 기판을 담가놓아 염료가 탈착된 비교용액을 준비한다. 준비한 대조용액과 비교용액은 UV/Vis spectroscope (Lamda 35, Perkin-Elmer) 장비를 이용하여 측정한다.
그 결과는 도 10을 참고한다.
도 10은 실시예 1과 비교예 1에 따른 태양 전지의 흡광 특성을 보여주는 그래프이다.
도 10을 참고하면, 실시예 1에 따른 태양 전지는 비교예 1에 따른 태양 전지와 비교하여 흡광 특성이 개선된 것을 확인할 수 있다.
평가 5
실시예 1과 비교예 1에 따른 태양 전지의 전류밀도, 충진율 및 효율을 평가한다.
전류밀도, 충진율 및 효율은 Solar Simulator (Oriel Sol 3A class AAA, Newport) 를 사용한 1 Sun (100mA/cm2) 조건하에서 potentiostat (CHI660, CHI instrument) 장비를 이용하여 측정한다.
그 결과는 표 2와 같다.
실시예 1 비교예 1
전류밀도(Jsc, mA/㎠) 16.48 15.36
충진율(FF, %) 73.21 72.64
효율(%) 9.75 8.97
표 2를 참고하면, 실시예 1에 따른 태양 전지는 비교예 1에 따른 태양 전지와 비교하여 전류밀도, 충진율 및 효율이 개선되었음을 확인할 수 있다. 구체적으로 실시예 1에 따른 태양 전지는 비교예 1에 따른 태양 전지와 비교하여 약 7.3%의 전류밀도가 증가되었고 약 9%의 효율이 개선된 것을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
50: 고분자 입자 70: 중공
120: 제1 전극
130: 활성층 131: 광 전극
132: 광 산란체 133: 나노체
134: 광 흡수체 150: 제2 전극

Claims (20)

  1. 서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극, 그리고
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 활성층
    을 포함하고,
    상기 활성층은
    복수의 중공을 가지고 결정성 산화물 반도체를 포함하는 광 산란체와 상기 광 산란체로부터 뻗은 복수의 나노체를 포함하는 광 전극, 그리고
    상기 광 전극의 표면에 위치하는 광 흡수체
    를 포함하는 태양 전지.
  2. 제1항에서,
    상기 복수의 나노체는 상기 광 산란체로부터 상기 중공의 내부로 뻗어 있는 태양 전지.
  3. 제1항에서,
    상기 나노체의 아스펙트 비(aspect ratio)는 1 보다 큰 태양 전지.
  4. 제3항에서,
    상기 나노체는 나노와이어, 나노로드, 나노튜브, 나노니들 또는 이들의 조합을 포함하는 태양 전지.
  5. 제3항에서,
    상기 나노체는 5nm 내지 100nm의 직경 및 50nm 내지 1000nm의 길이를 가지는 태양 전지.
  6. 제1항에서,
    상기 복수의 중공은 3차원 방향으로 서로 접하여 연결되어 있는 태양 전지.
  7. 제6항에서,
    상기 각 중공은 구형(spherical shape)인 태양 전지.
  8. 제1항에서,
    상기 광 전극은 산화티타늄을 포함하는 태양 전지.
  9. 제8항에서,
    상기 광 전극은 산화티타늄, 또는 알루미늄(Al), 구리(Cu), 란탄(La), 리튬(Li), 니오븀(Ni), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 질소(N) 또는 이들의 조합이 도핑된 산화티타늄을 포함하는 태양 전지.
  10. 제8항에서,
    상기 광 산란체와 상기 복수의 나노체는 아나타제 상(anatase phase)의 산화티타늄을 포함하는 태양 전지.
  11. 제1항에서,
    상기 광 흡수체는 상기 광 산란체의 표면 및 상기 복수의 나노체의 표면에 흡착되어 있는 태양 전지.
  12. 제1항에서,
    상기 광 흡수체는 염료, 양자점 또는 이들의 조합을 포함하는 태양 전지.
  13. 제1 전극을 형성하는 단계,
    상기 제1 전극 위에 활성층을 형성하는 단계, 그리고
    상기 활성층 위에 제2 전극을 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 활성층을 형성하는 단계는
    상기 제1 전극 위에 복수의 고분자 입자들을 배치하는 단계,
    상기 고분자 입자들의 표면에 산화물 반도체를 공급하는 단계,
    열처리하여 상기 고분자 입자들을 열분해 제거하고 상기 산화물 반도체를 결정화하여 복수의 중공을 가지는 광 산란체를 형성하는 단계,
    상기 광 산란체에 나노체 형성용 전구체 용액을 접촉시켜 상기 광 산란체로부터 뻗은 복수의 나노체를 형성하는 단계, 그리고
    상기 광 산란체와 상기 복수의 나노체의 표면에 광 흡수체를 공급하는 단계
    를 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  14. 제13항에서,
    상기 산화물 반도체를 공급하는 단계는 원자층증착법(atomic layer deposition), 화학기상증착법(chemical vapor deposition), 레이어-바이-레이어 증착법(layer-by-layer deposition) 또는 이들의 조합을 사용하는 태양 전지의 제조 방법.
  15. 제13항에서,
    상기 열처리하는 단계는 450℃ 이상에서 수행하는 태양 전지의 제조 방법.
  16. 제13항에서,
    상기 나노체 형성용 전구체 용액은 벌키한 알킬 사슬을 가지는 금속염을 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  17. 제16항에서,
    상기 벌키한 알킬 체인을 가지는 금속염은
    금속염과 벌키한 알킬 사슬을 가지는 유기용매를 혼합하는 단계, 그리고
    상기 금속염을 상기 벌키한 알킬 사슬로 치환하는 단계
    에 의해 얻어지는 태양 전지의 제조 방법.
  18. 제16항에서,
    상기 금속염은 티타늄염인 태양 전지의 제조 방법.
  19. 제16항에서,
    상기 나노체 형성용 전구체 용액은 에틸렌디아민, 아세틸아세톤, 디에틸암모늄 또는 이들의 조합을 더 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  20. 제13항에서,
    상기 산화물 반도체는 산화티타늄을 포함하는 태양 전지의 제조 방법.


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* Cited by examiner, † Cited by third party
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