(57)【要約】【課題】染料感応太陽電池及びその製造方法を提供する。【解決手段】この染料感応太陽電池は、互いに離隔した下部基板及び上部基板と、下部基板上に配置された半導体電極層と、半導体電極層の表面に吸着された染料層と、下部及び上部基板間に配置される電解質溶液とを含む。このとき、半導体電極層に隣接した下部基板の上部表面は、半導体電極層との接触面積を増加させることができる少なくとも一つの溝を有するように形成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに離隔した下部基板及び上部基板と、
前記下部基板上に配置された半導体電極層と、
前記半導体電極層の表面に吸着された染料層と、
前記下部及び上部基板の間に配置される電解質溶液と、を含むものの、
前記半導体電極層に隣接した前記下部基板の上部表面は、前記半導体電極層との接触面積を増加させうる少なくとも一つの溝を有するように形成されることを特徴とする染料感応太陽電池。
【請求項２】
前記下部基板は、金属及び金属合金のうち、少なくとも一つ又は伝導体層がコーティングされたガラスや高分子フィルムからなることを特徴とする請求項１に記載の染料感応太陽電池。
【請求項３】
前記下部基板と前記半導体電極層との間に介在されて、前記下部基板の上部表面に形成された溝の内壁を覆う遮断膜をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の染料感応太陽電池。
【請求項４】
前記遮断膜は、酸化物半導体物質のうち、少なくとも一つであることを特徴とする請求項３に記載の染料感応太陽電池。
【請求項５】
前記半導体電極層は、複数の酸化物半導体粒子を含むものの、
前記溝の大きさは、少なくとも前記酸化物半導体粒子の直径より大きいことを特徴とする請求項１に記載の染料感応太陽電池。
【請求項６】
下部基板の上部表面に少なくとも一つの溝を形成するステップと、
前記少なくとも一つの溝の形成された下部基板上に半導体電極層を形成するステップと、
前記半導体電極層の表面に染料層を吸着させるステップと、
前記染料層の形成された結果物の上部に、前記下部基板と対向する上部基板を配置するステップと、
前記下部及び上部基板間に電解質溶液を注入するステップと
を含むことを特徴とする染料感応太陽電池の製造方法。
【請求項７】
前記下部基板は、金属及び金属合金のうち、少なくとも一つから形成され、
前記下部基板の上部表面に少なくとも一つの溝を形成するステップは、前記下部基板と化学的に反応できる化学物質を使用して、前記下部基板の上部面を処理するステップを含むことを特徴とする請求項６に記載の染料感応太陽電池の製造方法。
【請求項８】
前記下部基板の上部表面に少なくとも一つの溝を形成するステップは、前記下部基板の上部面を酸性溶液で腐食させるステップを含むことを特徴とする請求項７に記載の染料感応太陽電池の製造方法。
【請求項９】
前記半導体電極層を形成する前に、前記少なくとも一つの溝の形成された前記下部基板の表面に遮断膜を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の染料感応太陽電池の製造方法。
【請求項１０】
前記遮断膜を形成するステップは、電気泳動技術及び電気メッキ技術のうち、少なくとも一つを使用して、前記少なくとも一つの溝の形成された前記下部基板の表面に前記遮断膜をコーティングするステップを含むことを特徴とする請求項９に記載の染料感応太陽電池の製造方法。
【請求項１１】
前記遮断膜を形成するステップは、
前記少なくとも一つの溝の形成された前記下部基板の表面に金属又は金属前駆体をコーティングするステップと、
前記コーティングされた金属又は金属前駆体を陽極酸化処理技術又は熱酸化技術を使用して酸化させることによって、前記遮断膜を形成するステップと
を含むことを特徴とする請求項９に記載の染料感応太陽電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、染料感応太陽電池及びその製造方法に関する。本発明は、情報通信省及び情報通信研究振興院のＩＴ開発事業の一環として行った研究から導出されたものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、太陽から放出される光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電エネルギー変換システム（photovoltaic energy conversion system）である。現在、主に用いられるシリコン太陽電池は、光電エネルギー変換のためにシリコン内に形成されるｐ−ｎ接合ダイオード（p-n junction diode）を利用するが、電子及びホールの早期の再結合（premature recombination）を防止するためには、用いられるシリコンは、高い純度及び低い欠陥を持たなければならない。このような技術的要求は、用いられる材料費用の増加を引き起こすため、シリコン太陽電池の場合、電力当たりの製造費用が高い。
【０００３】
これに加えて、バンドギャップ以上のエネルギーを有する光子（photons）のみが電流を生成するのに寄与するから、シリコン太陽電池のシリコンは、可能な限り低いバンドギャップ（bandgap）を有するようにドーピングされる。しかしながら、このように低くなったバンドギャップのため、青色光又は紫外線により励起された電子（excited electrons）は、過度なエネルギーを有するようになって、電流の生成に寄与するよりは熱として消耗される。また、光子がキャプチャーリング（capturing）される可能性を増加させるためには、ｐ型層（p-type layer）は、十分に厚くなければならないが、このような厚いｐ型層は、励起された電子がｐ−ｎ接合に到達する前に、正孔と再結合する可能性を増加させるため、シリコン太陽電池の効率は、略７〜１５％近辺にとどまる。
【０００４】
一方、Michael Gratzel、Mohammad K. Nazeeruddin及びBrian O’Reganは、１９９１年にGratzel cellと知られた、光合成反応の原理に基づいた染料感応太陽電池（ＤＳＣ：Dye-sensitized Solar Cell）を提案した（下記特許文献１、２参照）。Gratzel cellを原型｛げんけい｝（prototype）とした染料感応太陽電池は、光電エネルギー変換のために、ｐ−ｎ接合ダイオードではなく染料及び遷移金属酸化膜を利用する光電気化学システム（photoelectrochemical system）である。このような染料感応太陽電池は、用いられる材料が低廉で、かつその製造方法が単純なために、シリコン太陽電池に比べて生産費用が低廉である。これに加えて、染料感応太陽電池のエネルギー変換効率は、シリコン太陽電池の効率と似ているため、シリコン太陽電池に比べて電力当たりの製造費用が低い。これにより、エネルギー変換効率及び出力を増加させうる技術が開発されるならば、染料感応太陽電池は、まもなく商用化されうることと期待されている。
【０００５】
図１は、従来の染料感応太陽電池を説明するための断面図である。図１に示すように、従来の染料感応太陽電池は、導電性下部基板１、下部基板１上に積層された酸化物半導体粒子２、酸化物半導体粒子２の表面に吸着された染料分子３、下部基板１から離隔してこれと対向する上部基板構造体５、及び下部基板１と上部基板構造体５との間に介在された電解質溶液（electrolyte）を含む。太陽光が照射される場合、染料分子３の電子は、光エネルギーにより励起（excited）されて、酸化物半導体粒子２の伝導帯に注入された後、下部基板１、所定の負荷（load）（図示せず）及び上部基板構造体５を経由して電解質溶液４で還元される。このような過程は、染料感応太陽電池の電子循環体系と呼ばれる。
【０００６】
一方、従来の染料感応太陽電池の場合、酸化物半導体粒子２及び下部基板１は、電解質溶液４に接触するため、電子の一部は、負荷で仕事をする過程に参加できず、下部基板１から電解質溶液４に直ちに注入されうる。染料感応太陽電池の電子循環体系からのこのような電子離脱は、染料感応太陽電池のエネルギー変換効率及び出力を減少させる結果を引き起こすため、電子循環体系から離脱する電子の数を減らすことが必要である。
【０００７】
【特許文献１】米国特許第４，９２７，７２１号明細書
【特許文献２】米国特許第５，３５０，６４４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、増加したエネルギー変換効率を提供することができる染料感応太陽電池を提供することにある。
【０００９】
また、本発明の他の目的は、増加したエネルギー変換効率を提供することができる染料感応太陽電池の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成すべく、本発明は、少なくとも一つの溝の形成された下部基板を有する染料感応太陽電池を提供する。さらに具体的に説明すると、このような染料感応太陽電池は、互いに離隔した下部基板及び上部基板と、前記下部基板上に配置された半導体電極層と、前記半導体電極層の表面に吸着された染料層と、前記下部及び上部基板間に配置される電解質溶液と、を含むものの、前記半導体電極層に隣接した前記下部基板の上部表面は、前記半導体電極層との接触面積を増加させることができる少なくとも一つの溝を有するように形成される。
【００１１】
このとき、前記下部基板は、金属及び金属合金のうち、少なくとも一つからなることができる。また、前記半導体電極層は、複数の酸化物半導体粒子を含むものの、前記溝の大きさは、少なくとも前記酸化物半導体粒子の直径より大きくありうる。しかしながら、前記溝の大きさが前記酸化物半導体粒子の直径より小さな場合にも、前記半導体電極層との接触面積を増加させる技術的効果を得ることができることは自明である。
【００１２】
また、上記の他の目的を達成すべく、本発明は、少なくとも一つの溝を下部基板に形成するステップを含む染料感応太陽電池の製造方法を提供する。この方法は、下部基板の上部表面に少なくとも一つの溝を形成し、前記少なくとも一つの溝の形成された下部基板上に半導体電極層を形成し、前記半導体電極層の表面に染料層を吸着させ、前記染料層の形成された結果物の上部に前記下部基板と対向する上部基板を配置した後、前記下部及び上部基板間に電解質溶液を注入するステップを含むことができる。
【００１３】
このとき、前記下部基板は、金属及び金属合金のうち、少なくとも一つから形成されることができる。また、前記下部基板の上部表面に少なくとも一つの溝を形成するステップは、前記下部基板と化学的に反応できる化学物質を使用して、前記下部基板の上部面を処理するステップを含むことができる。より具体的に説明すると、前記下部基板の上部表面に少なくとも一つの溝を形成するステップは、前記下部基板の上部面を、酸性溶液を利用して化学的又は電気化学的な方法で腐食させるステップを含むことができる。前記電気化学的な方法は、用いられる酸性溶液に電圧を印加するステップを含むことができる。
【００１４】
本発明の一実施形態によれば、前記半導体電極層を形成する前に、前記少なくとも一つの溝の形成された前記下部基板の表面に遮断膜を形成するステップをさらに含むことができる。前記遮断膜を形成するステップは、電気泳動技術、電気メッキ技術、スピンコート技術及びディップコート技術のうち、少なくとも一つを使用して、前記少なくとも一つの溝の形成された前記下部基板の表面に前記遮断膜をコーティングするステップを含むことができる。例えば、前記遮断膜を形成するステップは、前記少なくとも一つの溝の形成された前記下部基板の表面に金属又は金属前駆体をコーティングした後、前記コーティングされた金属又は金属前駆体を、陽極酸化処理（Anodizing）技術又は熱酸化技術を使用して酸化させるステップを含むことができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の一実施形態によれば、半導体電極層の形成される導電性下部基板の表面には、少なくとも一つの溝が形成される。少なくとも一つの溝により、下部基板は、増加された表面積を有することができるため、半導体電極層と下部基板との間の有効接触面積は増加する。これに加えて、半導体電極層と下部基板との間の接着特性も、このような有効接触面積の増加により改善される。これにより、染料分子から半導体電極層に注入された電子が容易に下部基板に伝達されうる。その結果、本発明による染料感応太陽電池は、増加したエネルギー変化効率を有することができる。
【００１６】
一方、本発明の他の実施形態によれば、下部基板と半導体電極層との間には、下部基板に伝達された電子が電解質と再結合するのを防止する遮断膜が配置される。これにより、電子循環体系から離脱する電子の数を減らすことができるため、この実施形態による染料感応太陽電池は、さらに増加したエネルギー変換効率を有することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付された図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。しかしながら、本発明の技術的思想は、ここで説明される実施形態に限定されず、他の形態に具体化されることもできる。むしろ、ここで紹介される実施形態は、開示された内容が徹底的、かつ完全になるように、そして当業者に本発明の思想を十分に伝達するために提供されるものである。
【００１８】
本明細書において、ある膜が他の膜又は基板上にあると言及される場合に、それは、他の膜又は基板上に直接形成されることができるか、又はそれらの間に第３の膜が介在されうるということも意味する。また、図面において、膜及び領域の厚さは、技術的内容の効果的な説明のために誇張されたものである。また、本明細書の多様な実施形態において第１、第２、第３などの用語が多様な領域、膜などを記述するために使用されたが、これらの領域、膜がこのような用語によって限定されてはならない。これらの用語は、但しある所定領域又は膜を他の領域又は膜と区別させるために使用されたものである。したがって、ある一実施形態において第１膜質として言及された膜質が他の実施形態では、第２膜質と言及されうる。ここに説明され例示される各実施形態は、それの相補的な実施形態も含む。
【００１９】
図２は、本発明の一実施形態による染料感応太陽電池を示す断面図である。図２に示すように、この実施形態による染料感応太陽電池１００は、下部基板１０、下部基板１０から離隔してこれと対向する上部基板構造体５０及びこれらの間に介在されるものの、下部基板１０に付着される半導体電極層を具備する。下部基板１０と上部基板構造体５０との間には、電解質溶液４０が介在され、半導体電極層の表面には、染料層３０が吸着される。
【００２０】
下部基板１０は、導電性を有する物質のうち、少なくとも一つでありうる。例えば、下部基板１０は、金属及び金属合金のうち、少なくとも一つを含むことができ、この場合、下部基板１０は、薄膜（又はホイル）の形態で形成されることができる。一方、下部基板１０は、導電層のコーティングされたガラス又は導電層がコーティングされた高分子フィルムでありうる。
【００２１】
本発明によれば、半導体電極層と接する下部基板１０の上部表面は、少なくとも一つの溝を有するように形成される。溝１５の大きさ（又は直径ｄ）は、略数ｎｍ〜数十ｕｍでありうる。一方、本発明の一実施形態によれば、下部基板１０の上部表面の前面には、溝１５が均一な密度で形成されることができる（このとき、溝の密度は、単位面積当たりの溝１５の数で定義されうる）。しかしながら、溝１５が均一な密度を有するとしても、これらが規則的に形成される必要はない。すなわち、溝１５の密度は、局所的（locally）には、差を有するとしても、全域的（globally）には、均一でありうる。結果的に、下部基板１０の上部表面は、その面積を増加させうる多孔性構造でありうる。一方、下部基板１０の上部面の表面積は、多様な方式で増加されうる。例えば、下部基板１０の上部面は、チューブ、ワイヤー、ブラシ、ファー（fur）、ロッド（rod）、ブランチ（branch）などのような表面積を増大させうる多様な構造で形成されうる。
【００２２】
半導体電極層は、半導体粒子２０を含むことができる。このとき、半導体電極層は、遷移金属酸化物を含む金属酸化物のうちの何れか一つから形成されうる。例えば、半導体粒子２０は、チタン酸化物（ＴｉＯ２）、錫酸化物（ＳｎＯ２）、ジルコニウム酸化物（ＺｒＯ２）、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ）、ニオビウム酸化物（Ｎｂ２Ｏ５）及び亜鉛酸化物（ＺｎＯ）のうちの何れか一つでありうる。
【００２３】
また、半導体粒子２０は、図示のように、溝１５の形成された下部基板１０の表面に付着される半導体粒子及びこれらの上に積層される半導体粒子を含むことができる。すなわち、半導体電極層を構成する半導体粒子は、多層構造でありうる。本発明によれば、半導体粒子２０は、溝１５の内部に配置されることができるように、溝１５より小さな大きさを有することができる。例えば、半導体粒子２０の各々の大きさは、略数ｎｍ〜数十ｎｍでありえ、したがって、一つの溝１５内には、図示のように、複数の半導体粒子２０が配置されうる。
【００２４】
下部基板１０がこのように増加した表面積を有するように形成される場合、半導体電極層との接触面積が増大して、半導体電極層との接合特性が向上することができる。これに加えて、上述したように、半導体粒子２０が溝１５内に配置される場合、電子の移動経路の長さが短くなるようになって、染料感応太陽電池の効率が増大することができる。
【００２５】
染料層３０は、光エネルギーを電気的エネルギーに転換させることができる染料分子を含む。このような染料物質としては、ルテニウム錯体が使用されることができる。例えば、染料は、Ｎ７１９（Ru(dcbpy)2(NCS)2 containing 2 protons）でありうる。しかしながら、Ｎ７１２、Ｚ９０７、Ｚ９１０及びＫ１９などのような知られた多様な染料のうち、少なくとも一つが本発明による染料感応太陽電池のために使用されうる。
【００２６】
電解質溶液４０は、ヨード系酸化還元電解質（redox iodide electrolyte）でありうる。本発明の一実施形態によれば、電解質溶液４０は、０．７Ｍの１−ビニール−３−メチルオクチル−イミダゾリウムヨウ化物（1-vinyl-3-hexyl-imidazolium iodide）と０．１Ｍ  ＬｉＩ、及び４０ｍＭのＩ２（Iodine）を３−メトキシプロピオニトリル（3-Methoxypropionitrile）に溶解させたＩ３−／Ｉ−の電解質溶液でありうる。本発明の他の実施形態によれば、電解質溶液４０は、０．６Ｍ  ブチルメチルイミダゾリウム（butylmethylimidazolium）、０．０２Ｍ  Ｉ２、０．１Ｍ  グアニジウムチオシアネート（Guanidinium thiocyanate）、０．５Ｍ  ４−ｔｅｒｔ−ブチルピリジンを含むアセトニトリル（acetonitrile）溶液でありうる。しかしながら、例示されない多様な電解液のうちの何れか一つが、本発明による染料感応太陽電池のために使用されることができる。例えば、電解質溶液４０は、アルキルイミダゾリウムヨウ化物（alkylimidazolium iodides）又はｔｅｔｒａ−アルキルアンモニウムヨウ化物（alkylammoniumiodides）を含むことができ、ｔｅｒｔ−ブチルピリジン（ＴＢＰ）、ベンズイミダゾール（benzimidazole）（ＢＩ）及びＮ−メチルベンズイミダゾール（Methylbenzimidazole）（ＮＭＢＩ）を表面添加剤（surface additiveｓ）としてさらに含むことができ、アセトニトリル（acetonitrile）、プロピオニトリル（propionitrile）又はアセトニトリル（acetonitrile）とバレロニトリル（valeronitrile）との混合液が溶媒として使用されることができる。
【００２７】
上部基板構造体５０は、上部透明基板５６及び上部透明基板５６の一面にコーティングされた上部電極層５４を具備する。このとき、上部基板構造体５０は、上部電極層５４が下部基板１０と対向するように配置される。上部電極層５４は、ＩＴＯ、ＦＴＯ、ＡＴＯ、ＳｎＯ２、ＺｎＯ及び炭素ナノチューブのうち、少なくとも一つから形成されることができる。これに加えて、上部基板構造体５０は、上部電極層５４上に配置されて、電解質溶液４０と接する触媒層５２をさらに具備できる。触媒層５２は、電解質溶液４０内の三ヨウ化物をヨウ化物に還元させる過程を促進させるのに寄与し、本発明の一実施形態によれば、略５〜１０μｇ／ｃｍ２の量で上部電極層５４上に塗布される白金（Ｐｔ）でありうる。
【００２８】
一方、半導体電極層を介して下部基板１０に伝達された励起された電子は、上部電極層５４及び電解質溶液４０を介して染料分子に伝達される。染料感応太陽電池は、このような電子循環体系を介して持続的に電流を生産し、このような電子循環体系のために、上部電極層５４と下部基板１０とは、所定の配線構造体（図示せず）を介して連結され、配線構造体上には、電子のエネルギーが消耗される負荷（図示せず）が配置されうる。
【００２９】
図３は、本発明の他の実施形態による染料感応太陽電池１１０を示す断面図である。この実施形態による染料感応太陽電池１１０は、遮断膜をさらに具備するという点を除くと、図２を参照して説明された前の実施形態と類似している。したがって、説明の簡潔さのために、重複する技術的特徴についての説明は省略する。
【００３０】
図３に示すように、この実施形態によれば、下部基板１０の上部表面を覆う遮断膜６０が形成される。このとき、遮断膜６０は、下部基板１０の上部面に形成された溝１５の内壁を覆うように形成される。結果的に、遮断膜６０は、下部基板１０と半導体電極層との間に介在される。これにより、下部基板１０と電解質溶液４０との間の直接的な接触が防止されるため、下部基板１０から電解質溶液４０に直接注入される電子の数を減らすことができ、電子及び正孔間の再結合を防止することができる。これにより、本発明による染料感応太陽電池の光電変換効率は、図１を参照して説明されたそれに比べて増加されうる。これに加えて、遮断膜６０は、半導体電極層と下部基板１０との接着特性を改善するのに寄与する。
【００３１】
一方、このような効果を極大化させるために、遮断膜６０は、下部基板１０の上部面をコンフォーマルな厚さに覆うように形成されることができる。本発明の一実施形態によれば、遮断膜６０は、半導体電極層を構成する半導体粒子よりより小さな大きさを有する酸化物半導体粒子を含むことができる。また、知られたすべての酸化物半導体物質が遮断膜６０として使用されることができる。好ましくは、遮断膜６０は、チタン酸化物（ＴｉＯ２）、錫酸化物（ＳｎＯ２）、ジルコニウム酸化物（ＺｒＯ２）、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ）、ニオビウム酸化物（Ｎｂ２Ｏ５）及び亜鉛酸化物（ＺｎＯ）などのような金属元素の酸化物のうち、少なくとも一つから形成されることができる。これに加えて、遮断膜６０は、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｚｎなどの金属又はこのような金属の前駆体を酸化させる方法により形成することもできる。
【００３２】
図４は、本発明の一実施形態による染料感応太陽電池の製造方法を説明するための工程フローチャートである。図４に示すように、下部基板１０の上部表面に少なくとも一つの溝１５を形成する（Ｓ１０）。下部基板１０は、導電性を有する物質（例えば、金属及び金属合金）のうち、少なくとも一つを含む薄膜（又はホイル）の形態でありえ、伝導体がコーティングされたガラス又は高分子フィルムでありうる。
【００３３】
溝１５は、下部基板１０と反応できる化学物質を使用して、下部基板１０を処理するステップを介して形成できる。例えば、下部基板１０が金属又は金属合金から形成される場合、所定の酸性溶液を使用してその表面を化学的に腐食させる方法又は酸性溶液に所定の電圧を印加して、電気化学的に腐食させる方法が使用されうる。この場合、下部基板１０の表面の荒さ（roughness）を制御するために、処理時間、処理温度、用いられる酸（acid）／添加物の種類及び濃度、及び印加される電流の密度などのような工程条件が制御されうる。本発明の一実施形態によれば、下部基板１０は、ステンレススチールから形成されることができ、この場合、その表面を、溝１５を有する多孔性構造にするステップは、化学的に処理する方法の場合、０．１〜数Ｍの酸が含まれた水溶液を使用するステップを含むことができる。また、電気化学的に処理する方法を使用する場合、０．０１〜数Ｖｏｌ％の酸が含まれた水溶液が使用されることができる。
【００３４】
次に、溝１５の形成された下部基板１０上に半導体電極層を形成する（Ｓ１２）。半導体電極層は、遷移金属酸化物を含む金属酸化物のうちの何れか一つでありうる。例えば、半導体電極層は、チタン酸化物（ＴｉＯ２）、ジルコニウム酸化物（ＺｒＯ２）、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ）、ニオビウム酸化物（Ｎｂ２Ｏ５）及び亜鉛酸化物（ＺｎＯ）のうちの何れか一つでありうる。
【００３５】
本発明の一実施形態によれば、半導体電極層は、略３ｎｍ〜３０ｎｍの範囲の大きさを有するチタン酸化物粒子から形成されることができ、下部基板１０上に略５ｍｍ〜３０ｍｍの範囲の厚さにコーティングされる。このとき、半導体電極層を形成するステップは、二酸化チタンナノ粒子を含む粘性のコロイドを下部基板１０上にコーティングした後、所定の熱処理ステップを介してチタン酸化物粒子のみを下部基板１０上に残すステップを含むことができる。具体的に説明すると、二酸化チタンナノ粒子を含む粘性のコロイドを準備するステップは、液状の二酸化チタンコロイドを準備し、液状の二酸化チタンコロイドから溶媒を蒸発させた後、ポリエチレングリコール及びポリエチレンオキサイドのうち、少なくとも一つを添加するステップを含むことができる。このとき、液状の二酸化チタンコロイドは、略２２０℃に維持されるオートクレーブ（autoclave）内で、チタンイソプロポキシド（Titanium isopropoxide）及び酢酸を水熱合成（hydrothermal synthesis）することにより得られることができる。また、溶媒を蒸発させるステップは、二酸化チタンの含量が略１０〜１５重量％になるまで行われ、本発明の半導体電極層を構成する二酸化チタンナノ粒子は、この過程を介して液状の二酸化チタンコロイド内から生成される。二酸化チタンナノ粒子が含まれた溶液が粘性を有するように、ポリエチレングリコール及びポリエチレンオキサイドが添加されることができ、添加されたポリエチレングリコール及びポリエチレンオキサイドは、熱処理ステップを介して除去されうる。このような熱処理ステップは、略４５０℃〜５５０℃の範囲の温度条件で行われることができ、その結果として、下部基板１０上には、チタン酸化物粒子が残る。
【００３６】
半導体電極層の表面に、染料分子を含む染料層３０を形成する（Ｓ１４）。染料層３０を形成するステップは、半導体電極層の形成された下部基板１０を染料（ｄｙｅ）を含むアルコール溶液内に略２４時間の間に漬すステップを含む。以後、これをアルコール溶液から引き上げた後、アルコールで洗浄するステップをさらに含むことができる。このとき、染料は、ルテニウム錯体でありうる。例えば、染料は、Ｎ７１９（Ru(dcbpy)2(NCS)2 containing 2 protons）でありうる。しかしながら、Ｎ７１２、Ｚ９０７、Ｚ９１０及びＫ１９などのような知られた染料のうち、少なくとも一つが本発明による染料感応太陽電池のために使用されることができる。
【００３７】
下部基板１０の上部に、これに対向する上部基板構造体５０を配置する（Ｓ１６）。上部基板構造体５０は、上部基板５６及び上部基板５６の一面にコーティングされた上部電極層５４を具備する。上部基板５６は、ガラス又は曲げることができる物質から形成されうる。このような曲げることができる物質は、上述したように、ステンレススチール又はアルミニウムのような金属性物質のうち、少なくとも一つを含むことができる。上部電極層５４は、ＩＴＯ、ＳｎＯ２、ＦＴＯ、ＺｎＯ及び炭素ナノチューブのうち、少なくとも一つでありうる。これに加えて、上部電極層５４上には、触媒層５２がさらに形成されることができる。一実施形態によれば、触媒層５２は、上部電極層５４上に略５〜１０μｇ／ｃｍ２の量で塗布される白金でありうる。
【００３８】
一方、上部基板構造体５０は、下部基板１０上に付着される。このような付着ステップは、下部基板１０と上部基板構造体５０との間に所定の高分子膜（図示せず）を形成した後、略１００℃〜１４０℃の温度で略１〜３気圧の圧力で下部及び上部基板１０、５６を圧着させるステップを含むことができる。このとき、高分子膜としては、商品名ＳＵＲＬＹＮ（デュポン社製）という物質が使用されることもできる。
【００３９】
下部基板１０と上部基板構造体５０との間に電解質溶液を注入する（Ｓ１８）。電解質溶液は、ヨード系酸化還元電解質（redox iodide electrolyte）でありうる。本発明の一実施形態によれば、電解質溶液は、０．６Ｍブチルメチルイミダゾリウム、０．０２Ｍ  Ｉ２、０．１Ｍグアニジウムチオシアネート（Guanidinium thiocyanate）、０．５Ｍ  ４−ｔｅｒｔ−ブチルピリジンを含むアセトニトリル（acetonitrile）溶液でありうる。しかしながら、例示されない多様な電解液のうちの何れか一つが、本発明による染料感応太陽電池のために使用されることができる。例えば、電解質溶液は、アルキルイミダゾリウムヨウ化物（alkylimidazolium iodides）又はｔｅｔｒａ−アルキルアンモニウムヨウ化物（alkylammoniumiodides）を含むことができ、ｔｅｒｔ−ブチルピリジン（ＴＢＰ）、ベンズイミダゾール（benzimidazole）（ＢＩ）及びＮ−メチルベンズイミダゾール（Methylbenzimidazole）（ＮＭＢＩ）を表面添加剤（surface additives）としてさらに含むことができ、アセトニトリル（acetonitrile）、プロピオニトリル（propionitrile）又はアセトニトリル（acetonitrile）とバレロニトリル（valeronitrile）との混合液が溶媒として使用されることができる。
【００４０】
図５は、本発明の他の実施形態による染料感応太陽電池の製造方法を説明するための工程フローチャートである。この実施形態による染料感応太陽電池の製造方法は、遮断膜を形成するステップをさらに含むという点を除くと、図４を参照して説明された前の実施形態のそれと似ている。したがって、説明の簡潔さのために、重複する技術的特徴についての説明は省略する。
【００４１】
図５に示すように、半導体電極層を形成する前に、下部基板１０の上に遮断膜６０を形成する（Ｓ１１）。本発明の一実施形態によれば、遮断膜６０は、下部基板１０の上部面に形成された溝１５の内壁をコンフォーマルに覆うように形成される。
【００４２】
遮断膜６０は、電気泳動、電気メッキ、スピンコート及びディップコートなどの方法のうちの何れか一つを使用して形成されうる。このとき、電気泳動法又は電気メッキ法は、導電性の物質から形成される下部基板１０を電極として使用するため、遮断膜６０をコンフォーマルな厚さに形成できる方法である。したがって、溝１５の内壁をコンフォーマルな厚さに形成することが要求される場合、電気泳動法又は電気メッキ法が好ましい。
【００４３】
さらに具体的に説明すると、電気泳動法は、溶液中の含まれた粒子が、直流電圧が印加される電極に向かって移動する電気泳動現象を利用して、下部基板１０上に酸化物半導体をコーティングする方法である。この方法は、遮断膜を下部基板１０上に直ちに形成できるという長所がある。また、ＴｉＯ２、ＳｎＯ２、ＺｎＯ及びＭｇＯなどの知られた大部分の酸化物半導体がこの方法により形成されることができる。
【００４４】
電気メッキ法は、電解液（electrolyte）中に含まれた金属イオンを還元させる方法により下部基板１０上に金属膜を形成するステップを含む。この場合、金属膜は、続く熱酸化又は陽極酸化処理ステップを介して酸化されることによって、遮断膜６０を形成する。この方法は、大部分の金属、大部分の貴金属及びこれらを含む前駆体に対して適用できる技術である。
【００４５】
以後、半導体電極層を形成するステップ（Ｓ１２）乃至電解液を注入するステップ（Ｓ１８）は、先に説明した実施形態のそれと同じ方法で実施されうる。
【００４６】
図６は、本発明による染料感応太陽電池の改善された効率特性を示す電流−電圧グラフである。比較のために、この実験では、従来の方法により製作された平坦な下部基板を有する染料感応太陽電池及び本発明の方法により製作された多孔性構造の下部基板１０を有する染料感応太陽電池が使用された。下部基板１０の上部面のこのような構造的差を除くと、比較された二染料感応太陽電池は、同じ構造であった。
【００４７】
実験では、光源としてキセノン・ランプ（xenon lamp、Ｏｒｉｅｌ社製、９１１９３）を使用した。このとき、図６に示すグラフの横軸及び縦軸にそれぞれ示す光電圧及び光電流は、キセノン・ランプの太陽条件を標準太陽電池を使用して補正された結果である。
【００４８】
図６に示すように、本発明による染料感応太陽電池（実線−Scratched cell）は、略３．４％の光電環効率を有することと測定され、従来の染料感応太陽電池（点線−bare cell）は、略２．５％の光電環効率を有することと測定された。すなわち、本発明による染料感応太陽電池は、従来の染料感応太陽電池に比べて略３６％程向上した光電環効率を有した。このような点で、下部基板にその表面積を増大させる溝が形成される場合、染料感応太陽電池の効率が向上することが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】従来の染料感応太陽電池を説明するための断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による染料感応太陽電池を示す断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態による染料感応太陽電池を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による染料感応太陽電池の製造方法を説明するための工程フローチャートである。
【図５】本発明の他の実施形態による染料感応太陽電池の製造方法を説明するための工程フローチャートである。
【図６】本発明による染料感応太陽電池の改善された効率特性を示す電流−電圧グラフである。
【符号の説明】
【００５０】
１０  下部基板
１５  溝
２０  半導体粒子
３０  染料層
４０  電解質溶液
５０  上部基板構造体
１００  染料感応太陽電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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