졸-겔법에 의한 nanosize titania의 물성제어

소원욱, 박승빈*, 김광제, 문상진

한국화학연구소 화학기술연구부, 한국과학기술원 화학공학과*

Physical Properties of Nanosize Titania prepared by the Sol-Gel Method

Won-Wook So, Seung-Bin Park*, Kwang-Je Kim, Sang-Jin Moon

Advanced Chemical Technology Division, Korea Research Institute of Chemical Technology

Dept. of Chemical Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology*

서  론

불활성, 안전성 및 우수한 빛특성으로 인하여 티타니아 입자는 안료, 화장품 등에 폭넓게 활용되고 있으며, 최근에는 광촉매, 태양전지 기본물질로의 사용을 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 특히 촉매[1-4]나 태양전지[5-7]에 이용되는 티타니아 입자는 물성제어가 그 성능을 좌우할 정도로 중요하게 여겨지고 있기 때문에 입자크기, 결정상 등의 물성제어는 성공적인 응용을 위해서 필수적이라고 할 수 있다. 졸-겔법은 티타니아 제조를 위한 일반적인 방법이며, 각각의 제조방법에 따라 얻어지는 입자의 물성이 달라지는 것으로 알려져 있다.

본 연구에서는 졸-겔법(액상법)에 의해 상온에서 티타니아 졸을 제조하였으며, 이를 160-240oC 범위에서 수열처리하여 태양전지 등의 응용에 적합하도록 물성을 제어하였다. 또한 수열처리된 티타니아졸을 이용하여 태양전지를 제작하여 티타니아 입자물성변화에 따른 전지물성변화를 고찰하였다.

실험 및 분석

TTIP와 isopropanol 혼합액을 순수에 공급하고 곧바로 peptizing agent인 HNO3(H+)를 첨가하여 티타니아졸을 제조하였으며, 제조된 티타니아 입자의 물성분석을 위하여 상온에서 건조하였다. 상온에서 얻어진 티타니아졸은 반응에서 부산되는 isopropanol을 제거하기 위하여 80oC에서 6시간동안 aging하였고 160-240oC로 수열처리하여 수열처리에 의한 효과를 고찰하였다. 또한 수열처리된 티타니아 입자의 고온 안정성을 조사하기 위해 900oC 이상으로 공기분위기에서 열처리하였다. 그림 1은 티타니아졸의 상온제조 및 수열처리 순서를 나타낸 것이다. 한편 티타니아형 태양전지는 티타니아 입자를 코팅한 앞면 전극, 백금을 코팅한 뒷면 전극과 전해액 등으로 구성되어 있다. 앞면 전극 제조를 위해서 먼저 수열처리된 졸을

Mixing of Ti(OC3H7)4 and isopropanol under

a stream of dry N2

Addition of the mixture into D.I water

with vigorous stirring

Addition of HNO3 with a vigorous stirring

Aging of titania sol at 80oC for 6hr

Hydrothermal treatment at 160-240oC for 12hr

Fig. 1. A schematic diagram for preparation of the titania colloidal

sol(TTIP/IPA).

10% 이상으로 농축하여 SnO2 코팅 유리에 cast 법에 의해 티타니아 필름을 제조하고 400oC 이상에서 열처리하였다. 이 필름을 ruthenium계 sensitizer를 녹인 에탄올 용액에 일정 시간동안 처리하여 앞면 전극을 그리고 스퍼터링법에 의해 백금을 수백 A 두께로 코팅하여 뒷면 전극을 각각 제작하였다. 각 전극을 조합하여 전지를 제작하기 위해 앞면 전극, 고분자 접착제 및 뒷면 전극을 차례로 놓고 밀착시킨후 양 전극 사이에 전해액을 공급하여 최종 태양전지를 제작하였다.

티타니아 입자의 크기 및 결정성은 XRD, 입자형상은 TEM, 그리고 필름으로 제조한 경우 비표면적 측정을 위해 BET를 이용하였다. 티타니아 및 백금 코팅 전극의 형상 고찰을 위해 SEM, sensitizer 흡착 특성은 UV 그리고 태양전지 광특성은 solar simulator를 이용하여 분석하였다.

결과 및 토론

그림 2는 상온에서 얻어진 티타니아 입자의 XRD로 그림에서 보듯이 첨가되는 H+ 농도에 따라 상온에서 아나타제 또는 루타일형의 결정성 티타니아 입자의 제조가 가능하였으며, 입자크기는 4-5nm 정도였다. 80oC로 처리한 상온 제조 티타니아를 160-240oC로 수열처리하여 얻어진 티타니아의 경우 수열처리후 입자크기는 약 10-12nm 정도로 증가하였고 결정상은 상온상태의 아나타제 또는 루타일형을 그대로 유지하였으며, 아나타제형의 경우 900oC의 고온에서도 루타일로의 상전이없이 안정한 상을 유지하였다.

졸-겔법에 의해 얻어진 티타니아졸을 이용하여 태양전지를 제조한 경우 티타니아 입자의 물성에 따라 전지 성능이 좌우된다. 루타일형에 비해 아나타제형의 경우 광증감제(photosensitizer)의 흡착량이 증가하고 이로 인하여 전지의 Isc, Voc 등의 값이 증가하게 되며, 동일한 결정상인 경우 비표면적이 클수록 태양전지 성능이 증가함을 알 수 있었다. 그림 3은 티타니아 입자의 비표면적 변화에 따른 전지 성능변화를 나타낸 것으로 비표면적이 클수록 전지물성 역시 개선됨을 알 수 있었다.

참고문헌

1. I. Sopyan, M. Watanabe, and A. Fujishima, Chemistry Letters, (1996) 69

2. S. Cheng, S.J. Tsai, and Y.F. Lee, Catalysis Today, 26 (1995) 87.

3. R.R. Bacsa, and J. Kiwi, Applied Catalyst B, 16 (1998) 19.

4. M.K. Nazeeruddin, A. Kay, I. Rodicio, R.H. Baker, E. Muller, P. Liska. N. 1.    R.R. Bacsa, J. Kiwi, Applied Catalysis B, 16 (1998) 19.

5. Vlachopoulos, and M. Gratzel, J. Am. Chem. Soc., 115 (1993) 6382.

6. Y. Tschibana, J.E. Moser, M. Gratzel, D.R. Klug, and J.R. Durrant, J. Phys.      Chem., 100 (1996) 2056.

7. A.J. McEvoy, and M. Gratzel, Solar Energy Materials and Solar Cells, 32        (1993) 221.