KR101409067B1 - Dye sensitized solar cell and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 염료감응형 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광활성도를 높이고 전자의 재결합 비율을 감소시키는 염료감응형 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a dye-sensitized solar cell, and more particularly, to a dye-sensitized solar cell that improves photoactivity and decreases the recombination ratio of electrons, and a method for manufacturing the same.
현재 갈수록 발전해가는 산업화와 공업화로 인하여 자원고갈 문제가 심화되고 있다. 이 문제를 해결하기 위한 신재생 에너지개발은 전세계적으로 주목하고 있는 분야이며, 이와 관련하여 새로운 에너지원과 환경기술에 관한 연구의 필요성이 강조되고 있다. 이에 기존 화석연료 기반의 에너지 대신 태양, 바람, 물 등의 청정자연을 이용한 에너지원에 대한 가치 기준이 높아지고 있는 실정이다.The problem of depletion of resources is intensifying due to industrialization and industrialization which are getting more and more developed. The development of new and renewable energy to address this problem is a global concern, and the need for research on new energy sources and environmental technologies is emphasized. Therefore, instead of existing fossil fuel-based energy, the value standard for energy sources using clean nature such as sun, wind, and water is increasing.
태양전지는 광기전 효과에 의하여 태양빛을 전기로 직접 변환시키는 전기발생 장치이다. 이미 우리생활의 중요한 부분을 차지하고 있는 태양전지는 간단하게는 시계, 계산기 등의 전원으로 이용되며, 크게는 위성통신과 같은 항공우주 분야와 대규모 전기발전소에 사용된다. 태양전지의 종류는 실리콘(Si)태양전지, 무기태양전지, 염료감응형 태양전지, 유기태양전지, 반도체 pn접합형과 반도체/액체 광전기화학형 태양전지가 있으며, 환경오염을 유발하지 않기 때문에 청정 재생에너지원으로 분류된다.A solar cell is an electricity generating device that directly converts sunlight into electricity by photovoltaic effect. Solar cells, which are already an important part of our lives, are simply used as power sources for clocks, calculators, etc., and are mainly used in aerospace fields such as satellite communications and large-scale electric power plants. The types of solar cells include silicon (Si) solar cells, inorganic solar cells, dye sensitized solar cells, organic solar cells, semiconductor pn junction type and semiconductor / liquid photochemical solar cells. Renewable energy sources.
염료감응형 태양전지는 일반적인 반도체 태양전지와는 달리 광합성의 원리를 이용하여 전기를 공급하는 태양전지로써 1991년 Gratzel에 의하여 처음 고안되었으며, 제작이 간단하고, 가격이 저렴하며, 일상생활에서 다방면으로 접근이 가능하기 때문에 향후 많은 발전 가능성을 내포하고 있다.The dye-sensitized solar cell is a solar cell that supplies electricity by using the principle of photosynthesis unlike a general semiconductor solar cell. It was originally designed by Gratzel in 1991. It is simple to manufacture, affordable, and widely used in everyday life. Accessibility is possible, which implies a lot of potential for future development.
염료감응형 태양전지는 태양광이 태양전지 셀에 입사되면 나노 결정 필름표면에 단일 층으로 흡착되어 있는 염료 고분자에 의해서 광자가 흡수되고, 이로 인하여 염료 고분자가 여기된 상태가 된다. 여기된 염료분자는 전자를 방출함으로써 산화되고, 방출된 전자는 광촉매 전극의 전도대로 이동하게 된다. 전자는 투명전극 셀을 통하여 빠져나가 외부 부하에 전기에너지를 전달한 후, 상대전극으로 이동하게 된다. 상대전극으로 가장 많이 사용하는 물질인 백금전극에서 요오드화 반응을 통하여 산화-환원쌍의 전해질로부터 전자를 받아 원래의 기저상태로 돌아가게 된다.In a dye-sensitized solar cell, when sunlight is incident on a solar cell, a photocatalyst is absorbed by a dye polymer adsorbed as a monolayer on the surface of the nanocrystal film, and thereby the dye polymer is excited. The excited dye molecules are oxidized by emitting electrons, and the emitted electrons move to the conduction band of the photocatalyst electrode. The electrons pass through the transparent electrode cell, transfer electric energy to the external load, and then move to the counter electrode. The platinum electrode, which is the most commonly used counter electrode, receives electrons from the electrolyte of the oxidation-reduction pair through the iodination reaction and returns to the original ground state.
현재 염료 감응형 태양전지용 광전극으로 가장 많이 사용하는 TiO2 광촉매는 염료감응형 태양전지에 있어서 가장 높은 효율을 자랑하나, 실리콘태양전지를 포함한 기타 태양전지에 비하여 매우 낮은 효율을 갖는다는 문제점이 있었다.The TiO 2 photocatalyst most widely used as a photoelectrode for a dye-sensitized solar cell has the highest efficiency in a dye-sensitized solar cell, but has a problem that it has a very low efficiency as compared with other solar cells including a silicon solar cell .
또한, 이와 같이 염료감응형 태양전지의 낮은 효율을 개선하기 위하여 종래에 다양한 방법들이 시도되고 있으나, 염료감응형 태양전지의 광전 변환 효율 향상에 한계가 있었으며, 독성과 부식성을 가진다는 문제점이 있었다. 따라서 효율 향상을 위한 새로운 기술 개발이 절실히 요구되고 있다.In addition, various attempts have been made to improve the low efficiency of the dye-sensitized solar cell. However, the dye-sensitized solar cell has limitations in improving the photoelectric conversion efficiency and has toxicity and corrosiveness. Therefore, it is urgently required to develop a new technology for improving the efficiency.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 빛 흡수능력을 향상시켜 광활성도를 높이고, 전자의 재결합 비율을 감소시키는 염료감응형 태양전지 및 제조방법을 제공하려는 목적이 있다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and it is an object of the present invention to provide a dye-sensitized solar cell and a manufacturing method thereof.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 투명전극; 상기 투명전극 일면에 형성된 전자이동층; 상기 전자이동층에 대향되도록 배치된 상대전극; 및 상기 투명전극과 상대전극 사이의 공간에 개재된 전해질;을 포함하고, 상기 전자이동층은 다공질막 및 Zr 코팅막을 포함하는 염료감응형 태양전지를 제공한다.In order to solve the above-mentioned problems, An electron mobility layer formed on one surface of the transparent electrode; A counter electrode arranged to face the electron mobility layer; And an electrolyte interposed in a space between the transparent electrode and the counter electrode, wherein the electron mobility layer comprises a porous film and a Zr coating film.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 다공질 막은 TiO2, SnO2, ZnO, WO3, TiSrO3 및 Nb2O5 중에서 선택된 1종 이상의 구형구조체를 포함할 수 있고, 상기 구형구조체의 평균직경은 50 ~ 100㎛일 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the porous film is made of TiO 2 , SnO 2 , ZnO, WO 3 , TiSrO 3 And Nb 2 O 5 , and the spherical structure may have an average diameter of 50 to 100 μm.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 다공질 막의 평균 두께는 20 ~ 30㎛일 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the average thickness of the porous membrane may be 20 to 30 탆.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 염료는 N3, N719, N749 및 N886중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the dye may include at least one selected from N3, N719, N749 and N886.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 Zr코팅막은 BET 비표면적 값은 70 ~ 80 m2/g 일 수 있고, 상기 투명전극은 기판 및 도전물질 코팅층을 포함할 수 있고, 상기 상대전극은 기판, 도전물질 코팅층 및 도전물질 코팅층 상에 형성된 금속층을 포함할 수 있으며, 상기 기판은 PET, PEN, PC, PP, PI 및 TAC 중의 어느 하나를 포함하는 투명한 플라스틱 기판 또는 유리 기판일수 있고, 상기 도전물질 코팅층은 ITO, FTO, ZnO-Ga2O3 ZnO-Al2O3 및 SnO2-Sb2O3 중의 어느 하나이상을 포함할 수 있으며, 상기 금속층은 백금(Pt), 금(Au), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 탄소(C) 및 그래핀(Graphene) 중에서 선택되는 어느 하나이상을 포함할 수 있다. 그리고 상기 전해질은 LiI, NaI, KI, 0.05~0.1M I2 -, 테트라-알킬 암모늄 아이오딘(Tetra-alkyl ammonium iodide(R4NI)), 0.1~ 0.5M 이미다졸리움 유도체 아이오디스(Imidazolium derivative iodedies) 및 논프로토닉 용액(Nonprotonic solvent)중에서 선택되는 어느 하나 이상인 요오드계 화합물을 포함할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the Zr coating film may have a BET specific surface area value of 70 to 80 m 2 / g, and the transparent electrode may include a substrate and a conductive material coating layer, A conductive material coating layer and a metal layer formed on the conductive material coating layer, and the substrate may be a transparent plastic substrate or a glass substrate including any one of PET, PEN, PC, PP, PI and TAC, The coating layer may include at least one of ITO, FTO, ZnO-Ga 2 O 3 ZnO-Al 2 O 3 and SnO 2 -Sb 2 O 3 , and the metal layer may be at least one selected from the group consisting of Pt, Au, And may include at least one selected from Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, and Graphene. And the electrolyte is LiI, NaI, KI, 0.05 ~ 0.1MI 2 -, tetra-alkyl ammonium iodine (Tetra-alkyl ammonium iodide (R 4 NI)), 0.1 ~ 0.5M imidazolium derivative iodo disk (Imidazolium derivative iodedies ) And a nonprotonic solvent. The non-protonic solvent may be an iodine compound.
본 발명의 다른 태양은 광원 1.5AM 및 빛의 세기 100 mW/㎠의 솔라 시뮬레이터를 이용하여 하기 [수학식 2]로 계산하였을 때, 에너지 변환효율(η)이 5.0 ~ 9.7% 인 염료감응형 태양전지를 제공한다.Another aspect of the present invention is to provide a dye-sensitized solar cell having a energy conversion efficiency (η) of 5.0 to 9.7% when calculated by the following formula (2) using a light source 1.5AM and a solar simulator having a light intensity of 100 mW / Thereby providing a battery.
[수학식 2]&Quot; (2) "
[(Voc x Isc x FF)/(Pin x S)] x 100(%) [(V oc x I sc x FF) / (P in x S)] x 100 (%)
(Voc : 전류가 흐르고 있지 않을 때의 전압(개방전압, V) , Isc : 전압이 0일 때의 전류 (단란전류, mA), FF : 최대전압과 최대전류를 이론상 전압과 이론상 전류로 나눈 값, Pin : 조사된 빛의 세기(100mW/cm2), S : 전극의 면적 (0.09cm2))(V oc: voltage when current is not flowing (open-circuit voltage, V), I sc: voltage current at the time 0 (danran current, mA), FF: a voltage theoretically the maximum voltage and the maximum current and the theoretical current P in : intensity of irradiated light (100 mW / cm 2 ), S: area of electrode (0.09 cm 2 ))
본 발명의 또 다른 태양은, (1) 투명전극 일면에 다공질 막을 형성하는 단계; (2) 상기 다공질 막 상에 Zr 코팅막을 형성시키는 단계; (3) 상기 Zr 코팅막에 염료를 흡착시켜 전자이동층을 형성하는 단계; (4) 상기 전자이동층과 이격되어 대향하도록 상대전극을 형성시키는 단계; 및 (5) 상기 전자이동층이 형성된 투명전극 및 상대전극 사이의 공간에 전해질을 주입하는 단계;를 포함하는 염료감응형 태양전지의 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a transparent electrode, comprising: (1) forming a porous film on one surface of a transparent electrode; (2) forming a Zr coating film on the porous film; (3) adsorbing a dye on the Zr coating film to form an electron mobility layer; (4) forming a counter electrode so as to face away from the electron mobility layer; And (5) injecting an electrolyte into a space between the transparent electrode and the counter electrode on which the electron mobility layer is formed.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 다공질 막을 형성하는 단계는 (1) TiO2, SnO2, ZnO, WO3, TiSrO3 및 Nb2O5 중에서 선택된 1종 이상의 다공질 분말을 4 ~ 5 중량%, 물, 에탄올 및 메탄올 중에서 선택된 1 종 이상의 용매를 90 ~ 95 중량% 및 질산 및 아세트산 중에서 선택된 1종이상의 산을 0.5 ~ 1 중량%을 포함하는 혼합용액를 제조하는 단계; (2) 상기 혼합용액을 28 ~ 40KHZ의 초음파 처리하는 단계; (3) 상기 초음파 처리 후, 상기 혼합용액 100중량부에 대하여 테르피네올 85 ~ 90중량부와 혼합용액 100중량부에 대하여 에틸셀룰로오스를 10 ~ 15 중량부를 첨가하여 교반 및 건조 시켜 페이스트를 제조하는 단계; (4) 상기 투명전극에 스핀 코팅법, 스크린 프린팅법, 스프레이 도장법 , 닥터 블레이드 방법 및 스퀴즈(squeeze)방법 중 선택되는 어느 하나의 방법으로 상기 페이스트를 도포하는 단계; 및 (5) 상기 도포 후 350 ~ 500℃로 1 ~ 3시간 소성시키는 단계;를 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the step of forming the porous film comprises the steps of (1) mixing at least one porous powder selected from TiO 2 , SnO 2 , ZnO, WO 3 , TiSrO 3 and Nb 2 O 5 with 4 to 5 wt% 90 to 95% by weight of at least one solvent selected from water, ethanol, and methanol, and 0.5 to 1% by weight of at least one acid selected from nitric acid and acetic acid; (2) sonicating the mixed solution at 28 to 40 kHz; (3) After the ultrasonic treatment, 10 to 15 parts by weight of ethyl cellulose is added to 85 to 90 parts by weight of terpineol and 100 parts by weight of the mixed solution based on 100 parts by weight of the mixed solution, followed by stirring and drying to prepare a paste step; (4) applying the paste to the transparent electrode by any one selected from a spin coating method, a screen printing method, a spray coating method, a doctor blade method, and a squeeze method; And (5) baking at 350 to 500 ° C for 1 to 3 hours after the application.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 Zr 코팅막을 형성시키는 단계는 40 ~ 50mM 지르코늄전구체 용액에 상기 다공질막이 형성된 투명전극을 60 ~ 80℃에서 20 ~ 60분간 침지시킬 수 있고, 상기 지르코늄 나이트레이트 옥사이드 다이하이드레이트(Zirconium nitrate oxide dihydrate), 지르코늄 아세테이트(Zirconium acetate), 지르코늄 클로라이드(Zirconium chloride), 지르코늄 플루오라이드(Zirconium fluoride), 지르코늄 하이드록사이드(Zirconium hydroxide), 지르코늄 옥사이드(Zirconium oxide) 및 지르코늄 실리케이트(Zirconium silicate) 중에서 선택된 1종 이상의 지르코늄전구체를 포함할 수 있으며, 상기 염료를 흡착시켜 전자이동층을 형성하는 단계는 Zr코팅막이 형성된 다공질막 투명전극을 15 ~ 25℃의 염료용액에 24 ~ 48시간 담지 후 건조할 수 있고, 상기 염료용액은 N3, N719, N749 및 N886중에서 선택되는 어느 하나이상을 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, in the step of forming the Zr coating film, the transparent electrode having the porous film formed thereon may be immersed in a 40-50 mM zirconium precursor solution at 60-80 ° C for 20-60 minutes, and the zirconium nitrate Zirconium oxide, zirconium acetate, zirconium chloride, zirconium fluoride, zirconium hydroxide, zirconium oxide, and zirconium silicate And zirconium silicate. In the step of forming an electron mobility layer by adsorbing the dye, the transparent electrode transparent electrode having a Zr coating layer is coated with a dye solution at 15 to 25 ° C for 24 to 48 hours. Hour, and the dye solution is selected from the group consisting of N3, N719, N749 and N886 Choose books that can include any one or more.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 상대전극은 (1) 기판에 도전물질 코팅층을 형성시켜 투명기판을 제조하는 단계; (2) 상기 투명기판에 1개 이상의 구멍을 뚫는 단계; (3) 상기 구멍이 있는 투명기판에 10 ~ 20분간 28 ~ 40KHZ로 초음파 처리하는 단계; (4) 상기 초음파 처리 된 투명기판에 금속층을 생성하는 단계; 및 (5) 상기 금속층이 형성된 투명기판을 250 ~ 400℃에서 40 ~ 80분간 소성시키는 단계;를 포함할 수 있고, 상기 기판은 PET, PEN, PC, PP, PI 및 TAC 중의 어느 하나를 포함하는 투명한 플라스틱 기판 또는 유리 기판일 수 있으며, 상기 도전물질 코팅층은 ITO, FTO, ZnO-Ga2O3 ZnO-Al2O3 및 SnO2-Sb2O3 중의 어느 하나 이상을 포함할 수 있고, 상기 금속층은백금(Pt), 금(Au), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 탄소(C) 및 그래핀(Graphene)중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the counter electrode includes the steps of: (1) forming a conductive material coating layer on a substrate to form a transparent substrate; (2) punching at least one hole in the transparent substrate; (3) ultrasonically treating the transparent substrate with holes at 28 to 40 kHz for 10 to 20 minutes; (4) forming a metal layer on the ultrasonic treated transparent substrate; And (5) firing the transparent substrate having the metal layer formed thereon at a temperature of 250 to 400 ° C. for 40 to 80 minutes. The substrate may include any one of PET, PEN, PC, PP, PI and TAC A transparent plastic substrate or a glass substrate, and the conductive material coating layer may include at least one of ITO, FTO, ZnO-Ga 2 O 3 ZnO-Al 2 O 3 and SnO 2 -Sb 2 O 3 , The metal layer is selected from platinum (Pt), gold (Au), ruthenium (Ru), palladium (Pd), rhodium (Rh), iridium (Ir), osmium (Os), carbon (C) and graphene And may include any one or more of them.
본 발명의 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법은 독성이 적으면서도 빛 흡수능력을 향상시킬 수 있는 코팅층을 형성함으로써, 광활성도를 높이고 전자의 재결합 비율을 감소시켜서, 우수한 광전 변환 효율을 만족하는 염료감응형 태양전지를 제공할 수 있다.INDUSTRIAL APPLICABILITY The dye-sensitized solar cell of the present invention and the method of manufacturing the same provide a dye-sensitized solar cell and a method of manufacturing the dye-sensitized solar cell of the present invention by forming a coating layer having low toxicity and capable of improving light absorption capability, A sensitive solar cell can be provided.
도 1은 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 염료감응형 태양전지의 단면도이다.
도 2는 실시예와 비교예의 I-V curve 그래프이다.1 is a cross-sectional view of a dye-sensitized solar cell according to a preferred embodiment of the present invention.
Fig. 2 is a graph of IV curves of Examples and Comparative Examples. Fig.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
상술한 바와 같이 기존의 염료감응형 태양전지는 낮은 광전 변환 효율이 문제 되었는 바, 투명전극; 상기 투명전극 일면에 형성된 전자이동층; 상기 전자이동층에 대향되도록 배치된 상대전극; 및 상기 투명전극과 상대전극 사이의 공간에 개재된 전해질;을 포함하고, 상기 전자이동층은 다공질막 및 염료가 흡착된 Zr 코팅막을 포함하는 염료감응형 태양전지를 제공함으로써, 상술한 문제의 해결을 모색하였다.As described above, the conventional dye-sensitized solar cell suffers from low photoelectric conversion efficiency. An electron mobility layer formed on one surface of the transparent electrode; A counter electrode arranged to face the electron mobility layer; And an electrolyte interposed in a space between the transparent electrode and the counter electrode, wherein the electron mobility layer includes a Zr coating layer on which a porous film and a dye are adsorbed, Respectively.
구체적으로, 도1은 본 발명의 일구현예에 따른 염료감응형 태양전지의 단면도이다. 1 is a cross-sectional view of a dye-sensitized solar cell according to an embodiment of the present invention.
염료감응형 태양전지(100)는 투명전극(10) 일면에 전자이동층(20)이 도포되며, 전자이동층(20)은 다공질막(11)과 염료(13)가 흡착된 Zr코팅막(12)을 포함한다. 그리고 전자이동층(20)에 이격되어 대향하도록 상대전극(50)을 배치하여 고분자막(40)으로 고정시키고, 투명전극(10)과 상대전극(50) 사이의 공간에는 전해질(30)을 포함한다.
In the dye-sensitized
먼저 투명전극(10)에 대해 설명한다. First, the
본 발명의 투명전극(10)은 열적 안정성이 우수하고 낮은 비저항과 높은 투과율의 장점이 가지고 있어 빛을 투과하는 역할을 하며, 전도성 기판으로 전자를 이동시키는 역할을 한다. 통상적으로 염료감응형 태양전지의 전도성 투명기판으로 사용되는 것이라면 특별한 제한이 없으나, 보다 바람직하게는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에 틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미 드(PI), 및 트리아세틸셀룰로오스(TAC) 중의 어느 하나를 포함하는 투명한 플라스틱 기판 또는 유리 기판 등의 투명 기판 상에 SnO2, ITO(indium tin oxide),FTO(fluoine-doped tin oxide), ZnO-Ga2O3 ZnO-Al2O3 및 SnO2-Sb2O3 중 어느 하나 이상의 도전층 물질이 코팅될 수 있으며, 그 중에서도 열적 안전성이 우수하고 표면저항이 낮으며, 높은 빛 투과율을 가지는 FTO(fluoine-doped tin oxide)가 가장 바람직하다.
The
다음, 투명전극(10) 일면에 형성된 전자이동층(20)에 대해 설명한다.Next, the
본 발명의 전자이동층(20)은 다공질막(11)과 염료(13)가 흡착된 Zr코팅막(12)을 포함할 수 있다.The
먼저 상기 다공질막은 전자의 이동시키는 역할 및 흡착된 염료를 상대전극과 전해질로 이동시켜주는 역할을 하며, 적절한 전도띠 에너지 값과 염료의 흡착량, 무독성 및 화학적 안정성이 우수한 TiO2, SnO2, ZnO, WO3, TiSrO3 및 Nb2O5 중에서 선택된 1종 이상의 구형구조체를 포함할 수 있고, 상기 구형구조체의 평균직경은 50 ~ 100nm일 수 있는데, 만약 구형구조체의 평균직경이 50nm 미만이면, 입자끼리의 응집이 일어나 전자이동이 원활하지 못하는 문제가 있을 수 있고, 100nm를 초과하면, 크기가 큰 편이므로 비표면적 문제가 있을 수 있다.First, the porous film serves to move electrons and to transfer the adsorbed dye to the counter electrode and the electrolyte , And has an excellent conduction band energy value, a dye adsorption amount, excellent non-toxicity and chemical stability TiO 2, SnO 2, ZnO, WO 3, TiSrO 3 And Nb 2 O 5 , and the spherical structure may have an average diameter of 50 to 100 nm. If the spherical structure has an average diameter of less than 50 nm, aggregation of the particles may occur, There may be a problem that migration is not smooth, and when it exceeds 100 nm, there is a problem that the surface area is large because the size is large.
또한, 상기 다공질막의 평균 두께는 20 ~ 30 ㎛일 수 있으며, 만약 평균두께가 20㎛ 미만이면, 공극이 너무 커지게 되어 염료흡착이 원활하게 이루어지지 않는 문제가 있을 수 있고, 30㎛를 초과하면, 공극이 너무 작아져 전자들이 이동에 제한을 주는 문제가 있을 수 있다.
The average thickness of the porous film may be 20 to 30 탆, and if the average thickness is less than 20 탆, the void may become too large and the dye adsorption may not be smoothly performed. If the average thickness exceeds 30 탆 , There may be a problem that the pores become too small and the electrons restrict the movement.
다음 Zr코팅막(12)은 빛흡수능력이 뛰어나고, 독성이 적은 지르코늄(Zr)을 다공질막 상에 표면박막처리를 함으로써 광활성도를 높이고 전자의 재결합 비율을 감소시킬 수 있다.
The following
다음 Zr코팅막에 흡착된 염료(13)는 태양광을 흡수하여 전자를 제공하는 역할을 하며 통상적으로 염료감응형 태양전지의 반도체층에 흡착시키는 염료라면 특별한 제한이 없으나, 보다 바람직하게는 루테늄 착물; 로다민 B, 로즈벤갈, 에오신, 에리스로신 등의 크산틴계 색소; 퀴노시아닌, 크립토시아닌 등의 시아닌계 색소; 페노사프라닌, 카프리블루, 티오신, 메틸렌블루 등의 염기성 염료; 클로로필, 아연 포르피린, 마그네슘 포르피린 등의 포르피린계 화합물; 기타 아조 색소; 프탈로시아닌 화합물; 안트라퀴논계 색소; 및 다환 퀴논계 색소 등일 수 있으며, 이들을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 본 발명에서 가장 바람직하게는 상기 염료에는 붉은색을 띄는 N3염료와 N719염료, 초록색의 N749염료, 검은색의 N886염료가 있으며, N3, N719, N749 및 N886 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
The
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 Zr코팅막은 BET 비표면적 값은 70 ~ 80 m2/g일 수 있고, BET 비표면적에 따라 흡착되는 염료분자의 양을 증가시키게 되고 이는 빛을 흡수한 염료로부터 생성된 전자의 양을 증가시킬 수 있게 한다.
According to a preferred embodiment of the present invention, the Zr coating film may have a BET specific surface area value of 70 to 80 m 2 / g and increase the amount of dye molecules adsorbed according to the BET specific surface area, Thereby increasing the amount of electrons generated from the dye.
다음 전자이동층(20)에 이격 대향되도록 배치된 상대전극(50)을 배치하여 고분자막(40)으로 고정시킬 수 있다. 본 발명에서 상대전극(50)은 산화-환원 쌍(redox couple)을 활성화시키는 역할을 하며, 통상적으로 염료감응형 태양전지 상대전극을 구성하는 것이라면 특별한 제한이 없고, 본 발명에서는 PET, PEN, PC, PP, PI 및 TAC 중의 어느 하나를 포함하는 투명한 플라스틱 기판 또는 유리 기판 상에 ITO, FTO, ZnO-Ga2O3 ZnO-Al2O3 및 SnO2-Sb2O3 중의 어느 하나이상을 포함하는 도전물질 코팅층을 포함하고 있으며, 상기 도전물질 코팅층 상에 백금(Pt), 금(Au), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 탄소(C) 및 그래핀(Graphene) 중에서 선택되는 어느 하나이상을 포함하는 금속층을 포함할 수 있고, 전해질에 포함되어 있는 요오드와 화학적 반응성이 없는 전기 화학적으로 안정한 금속, 탄소, 전도성 고분자와 이들 간의 혼합물 등이 사용될 수 있다.The
그리고 상기 고분자막(50)은 열 또는 자외선에 의하여 경화되는 열가소성 고분자물질을 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 에폭시 수지를 포함할 수 있다.
And The
다음 투명전극(10)과 상대전극(50) 사이의 공간에 개재되는 전해질(30)은 통상적으로 염료감응형 태양전지에서 산화, 환원에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 염료에 전달하는 역할을 수행하는 홀 전도 기능이 있는 유기반도체 소재라면 특별한 제한은 없으나, 보다 바람직하게는 통상의 요오드계 산화 및 환원 전해질을 사용할 수 있으며, 본 발명에서의 전해질은 LiI, Nal, KI, 0.05~0.1M I2 -, 테트라-알킬 암모늄 아이오딘(Tetra-alkyl ammonium iodide(R4NI)), 0.1~ 0.5M 이미다졸리움 유도체 아이오디스(Imidazolium derivative iodedies) 및 논프로토닉 용액(Nonprotonic solvent)중에서 선택되는 어느 하나 이상인 요오드계 화합물이 바람직할 수 있다.
The
본 발명의 다른 측면에 따르면 광원 1.5AM 및 빛의 세기 100 mW/㎠의 솔라 시뮬레이터를 이용하여 하기 [수학식 2]로 계산하였을 때, 에너지 변환효율(η)이 5.58 ~ 7.5% 인 염료감응형 태양전지를 제공한다. 이는 종래의 염료 감응형 태양전지보다 우수한 변환효율을 가진다(표 1 참조). 이때 사용되는 솔라 시뮬레이터는 Xe램프[300W, Oriel], AM1.5 filter 및 Keithley SMU2400으로 구성될 수 있다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a dye-sensitized solar cell having a energy conversion efficiency (η) of 5.58 to 7.5% when calculated using a light source 1.5AM and a solar simulator with a light intensity of 100 mW / Provide solar cells. This has better conversion efficiency than conventional dye-sensitized solar cells (see Table 1). The solar simulator used here can consist of Xe lamp [300W, Oriel], AM1.5 filter and Keithley SMU2400.
[수학식 2]&Quot; (2) "
[(Voc x Isc x FF)/(Pin x S)] x 100(%)[(V oc x I sc x FF) / (P in x S)] x 100 (%)
( Voc : 전류가 흐르고 있지 않을 때의 전압(개방전압, V), Isc : 전압이 0일 때의 전류 (단란전류, mA), FF : 최대전압과 최대전류를 이론상 전압과 이론상 전류로 나눈 값, Pin : 조사된 빛의 세기(100mW/cm2), S : 전극의 면적 (0.09cm2))
(V oc: voltage when current is not flowing (open-circuit voltage, V), I sc: voltage current at the time 0 (danran current, mA), FF: a voltage theoretically the maximum voltage and the maximum current and the theoretical current P in : intensity of irradiated light (100 mW / cm 2 ), S: area of electrode (0.09 cm 2 ))
한편 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, (1) 투명전극 일면에 다공질 막을 형성하는 단계; (2) 상기 다공질 막 상에 Zr 코팅막을 형성시키는 단계; (3) 상기 Zr 코팅막에 염료를 흡착시켜 전자이동층을 형성하는 단계; (4) 상기 전자이동층과 이격되어 대향하도록 상대전극을 형성시키는 단계; 및 (5) 상기 전자이동층이 형성된 투명전극 및 상대전극 사이의 공간에 전해질을 주입하는 단계;를 포함하는 염료감응형 태양전지의 제조방법을 제공한다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a transparent electrode, comprising: (1) forming a porous film on one surface of a transparent electrode; (2) forming a Zr coating film on the porous film; (3) adsorbing a dye on the Zr coating film to form an electron mobility layer; (4) forming a counter electrode so as to face away from the electron mobility layer; And (5) injecting an electrolyte into a space between the transparent electrode and the counter electrode on which the electron mobility layer is formed.
먼저 상기 다공질 막을 형성하는 단계에 대해 설명한다.First, the step of forming the porous film will be described.
본 발명에서 다공질 막을 형성하는 방법은 (1) TiO2, SnO2, ZnO, WO3, TiSrO3 및 Nb2O5 중에서 선택된 1종 이상의 다공질 분말이 4 ~ 5 중량%, 물, 에탄올 및 메탄올 중에서 선택된 1 종 이상의 용매를 90 ~ 95 중량% 및 질산 또는 아세트산 중에서 선택된 1종 이상의 산을 0.5 ~ 1 중량%을 포함하는 혼합용액를 제조하는 단계; (2) 상기 혼합용액을 28 ~ 48KHZ의 초음파 처리하는 단계; (3) 상기 초음파 처리 후, 상기 혼합용액 100중량부에 대하여 테르피네올 85 ~ 90중량부와 에틸셀룰로오스를 10 ~ 15중량부를 첨가하여 교반 및 건조 시켜 페이스트를 제조하는 단계; (4) 상기 투명전극에 스핀 코팅법, 스크린 프린팅법, 스프레이 도장법, 닥터 블레이드 방법 및 스퀴즈(squeeze)방법 중 선택되는 어느 하나의 방법으로 상기 페이스트를 도포하는 단계; 및 (5) 상기 도포 후 350 ~ 500℃로 1 ~ 3시간 소성시키는 단계;를 포함할 수 있다.In the present invention, a method of forming a porous film comprises the steps of: (1) forming a porous film using TiO 2 , SnO 2 , ZnO, WO 3 , TiSrO 3 And Nb 2 O 5 , 90 to 95 wt% of at least one solvent selected from water, ethanol and methanol, and 0.5 to 1 wt% of at least one acid selected from nitric acid or acetic acid, % By weight of the mixed solution; (2) sonicating the mixed solution at 28 to 48 kHz; (3) After the ultrasonic treatment, 85 to 90 parts by weight of terpineol and 10 to 15 parts by weight of ethyl cellulose are added to 100 parts by weight of the mixed solution, followed by stirring and drying to prepare a paste. (4) applying the paste to the transparent electrode by any one selected from a spin coating method, a screen printing method, a spray coating method, a doctor blade method, and a squeeze method; And (5) baking at 350 to 500 ° C for 1 to 3 hours after the application.
이 때, 혼합용액를 제조하는 단계에서 TiO2, SnO2, ZnO, WO3, TiSrO3 및 Nb2O5 중에서 선택된 1종 이상의 다공질 분말이 4 중량% 미만이면, TiO2 분말이 적어 다른 혼합용액이 나올 수 있는 문제가 있을 수 있고, 5 중량%를 초과하면 용액의 양이 너무 증가되어 입자들의 응집현상이 발생하는 문제가 있을 수 있다. 그리고 물, 에탄올 및 메탄올 중에서 선택된 1 종 이상의 용매가 90 중량% 미만이면, 분말이 용해되지 않고 뭉치는 현상이 있을 수 있고, 95 중량%를 초과하면, 혼합용액이 묽어져 점성이 없어지는 문제가 있을 수 있고, 질산 또는 아세트산 중에서 선택된 1종 이상의 산이 0.5 중량% 미만이면 TiO2 입자간의 응집현상이 있을 수 있고, 1 중량%를 초과하면 입자들의 너무 흩어져 면적이 작아지는 문제가 있을 수 있다.At this time, in the step of preparing the mixed solution, TiO 2 , SnO 2 , ZnO, WO 3 , TiSrO 3 And Nb 2 O 5 is less than 4% by weight, there may be a problem that other mixed solution may come out due to a small amount of TiO 2 powder, and when it exceeds 5% by weight, the amount of the solution is excessively increased There may be a problem that aggregation of particles occurs. If less than 90% by weight of the solvent is selected from water, ethanol and methanol, the powder may not dissolve and aggregation may occur. When the amount of the solvent is more than 95% by weight, If the content of at least one acid selected from nitric acid or acetic acid is less than 0.5% by weight, there may be a coagulation phenomenon between the TiO 2 particles. If the content exceeds 1% by weight, the particles may be scattered to reduce the area.
다음 혼합용액에 28 ~ 40KHZ의 초음파 처리를 3 ~ 6회할 수 있으며, 이를 통해 혼합용액의 TiO2 입자들을 뭉침 현상 없이 고르게 분포하도록 만들 수 있다. Ultrasonic treatment of 28 ~ 40KHZ can be performed 3 ~ 6 times in the following mixed solution, and TiO 2 The particles can be evenly distributed without aggregation.
상기 혼합용액을 초음파 처리한 후에는 상기 혼합용액 100 중량부에 대하여 테르피네올을 85 ~ 90 중량부를 첨가할 수 있고, 만약 85 중량부 미만이면, 장시간 안정성이 불안정하고 전도성이 낮은 문제가 있을 수 있고, 90 중량부를 초과하면, 투과율이 너무 높아지는 문제가 있을 수 있다. 그리고 상기 혼합용액 100 중량부에 대하여 를 상기 혼합용액의 10 ~ 15 중량부를 첨가할 수 있는데, 만약 10 중량부 미만이면, 점성이 묽어 져 입자들의 결손력이 부족한 문제가 있을 수 있고, 15 중량부를 초과하면 점성이 높아 입자들이 뭉쳐지는 문제가 있을 수 있다. 상기 테르피네올과 에틸셀룰로오스를 첨가한 후에는 교반 및 건조 시켜 페이스트를 제조할 수 있다. After ultrasonic treatment of the mixed solution, 85 to 90 parts by weight of terpineol may be added to 100 parts by weight of the mixed solution. If the mixing solution is less than 85 parts by weight, long-term stability may be unstable and the conductivity may be low If it exceeds 90 parts by weight, the transmittance may become too high. If 10 parts by weight of the mixed solution is added to 100 parts by weight of the mixed solution, if it is less than 10 parts by weight, there may be a problem that the viscosity of the mixed solution is insufficient, If it exceeds, there may be a problem that the particles aggregate due to high viscosity. After the addition of terpineol and ethylcellulose, the paste can be prepared by stirring and drying.
상기와 같은 방법으로 제조된 페이스트는 투명전극에 스핀 코팅법, 스크린 프린팅법, 스프레이 도장법, 닥터 블레이드 방법 및 스퀴즈(squeeze)방법 중 선택되는 어느 하나의 방법으로 도포할 수 있고, 도포 후에는 350 ~ 500℃로 1 ~ 3시간 소성시켜 다공질 막을 형성할 수 있다. 만약 소성시에 350℃ 미만이고, 1시간 미만이면 입자들 간의 결속력이 부족한 문제가 있을 수 있고, 500℃를 초과하고 3시간을 초과하면, 입자들이 타버려 사라지는 문제가 있을 수 있다.
The paste prepared by the above method can be applied to the transparent electrode by any one method selected from spin coating, screen printing, spray coating, doctor blade and squeeze method. After the application, And then baked at 500 ° C for 1 to 3 hours to form a porous film. If the temperature is less than 350 ° C for firing and less than 1 hour, there may be a problem that bonding force between particles is insufficient. If the temperature exceeds 500 ° C and exceeds 3 hours, particles may be burned and disappear.
다음 상기 Zr 코팅막을 형성시키는 단계는 40 ~ 50mM의 지르코늄전구체 용액에 상기 다공질막이 형성된 투명전극을 60 ~ 80℃에서 20 ~ 60분간 침지시켜서 다공질막의 일표면에 Zr코팅막을 형성시킬 수 있다. 그리고 상기 지르코늄전구체 용액은 지르코늄 나이트레이트 옥사이드 다이하이드레이트(Zirconium nitrate oxide dihydrate), 지르코늄 아세테이트(Zirconium acetate), 지르코늄 클로라이드(Zirconium chloride), 지르코늄 플루오라이드(Zirconium fluoride), 지르코늄 하이드록사이드(Zirconium hydroxide), 지르코늄 옥사이드(Zirconium oxide) 및 지르코늄 실리케이트(Zirconium silicate) 중에서 선택된 1종이상의 지르코늄전구체를 포함할 수 있다. 만약 지르코늄 전구체 용액의 농도가 40mM미만이면, Zr 코팅막이 적절하게 형성되지 않아 염료흡착량이 증가하지 못하는 문제가 있을 수 있고, 50mM를 초과하면 Zr 코팅막이 너무 두껍게 형성되어 전자이동을 방해하는 문제가 있을 수 있다.
Next, in the step of forming the Zr coating film, the Zr coating film may be formed on one surface of the porous film by immersing the transparent electrode having the porous film formed thereon in a solution of 40 to 50 mM of zirconium precursor at 60 to 80 ° C for 20 to 60 minutes. The zirconium precursor solution may be at least one selected from the group consisting of zirconium nitrate oxide dihydrate, zirconium acetate, zirconium chloride, zirconium fluoride, zirconium hydroxide, One or more zirconium precursors selected from zirconium oxide and zirconium silicate. If the concentration of the zirconium precursor solution is less than 40 mM, there may be a problem that the Zr coating film is not appropriately formed and the dye adsorption amount is not increased. When the concentration is more than 50 mM, the Zr coating film is too thick, .
다음 상기 염료를 흡착시켜 전자이동층을 형성하는 단계는 Zr코팅막이 형성된 다공질막 투명전극을 상온에서 염료용액에 담지할 수 있고, 바람직하게는 15 ~ 25℃의 염료용액에 24 ~ 48시간 담지 후 건조할 수 있으며, 상기 염료용액은 통상적으로 염료감응형 태양전지의 반도체층에 흡착시켜 태양광을 흡수하여 전자를 제공하는 역할을 하는 것이라면 특별한 제한이 없으나, 보다 바람직하게는 루테늄 착물; 로다민 B, 로즈벤갈, 에오신, 에리스로신 등의 크산틴계 색소; 퀴노시아닌, 크립토시아닌 등의 시아닌계 색소; 페노사프라닌, 카프리블루, 티오신, 메틸렌블루 등의 염기성 염료; 클로로필, 아연 포르피린, 마그네슘 포르피린 등의 포르피린계 화합물; 기타 아조 색소; 프탈로시아닌 화합물; 안트라퀴논계 색소; 및 다환 퀴논계 색소 등일 수 있으며, 이들을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있고, 가장 바람직하게는 N3, N719, N749 및 N886중에서 선택되는 어느 하나이상을 포함할 수 있다.
Next, in the step of adsorbing the dye to form an electron mobility layer, the porous film transparent electrode formed with the Zr coating film may be supported on the dye solution at a room temperature, preferably in a dye solution at 15 to 25 ° C for 24 to 48 hours The dye solution is not particularly limited as long as it plays a role of absorbing sunlight by adsorbing the dye solution on a semiconductor layer of a dye-sensitized solar cell to provide electrons, and more preferably a ruthenium complex; Xanthine-based pigments such as rhodamine B, rose bengal, eosin, and erythrosine; A cyanine dye such as quinoxian and cryptoxian; Basic dyes such as phenosapranin, capri blue, thiosine and methylene blue; Porphyrin compounds such as chlorophyll, zinc porphyrin and magnesium porphyrin; Other azo dyes; Phthalocyanine compounds; Anthraquinone type dye; And a polycyclic quinone-based pigment. These may be used singly or in combination, and most preferably, they may include any one or more selected from N3, N719, N749 and N886.
다음 전자이동층과 이격되어 대향하도록 상대전극을 배치하여 고분자막으로 고정시키는 단계에서 상기 상대전극은 (1) 기판에 도전물질 코팅층을 형성시켜 투명기판을 제조하는 단계; (2) 상기 투명기판에 1개 이상의 구멍을 뚫는 단계; (3) 상기 구멍이 있는 투명기판에 10 ~ 20분간 28 ~ 40KHZ로 초음파 처리하는 단계; (4) 상기 초음파 처리 된 투명기판에 금속층을 생성하는 단계; 및 (5) 상기 금속층이 형성된 투명기판을 250 ~ 400℃에서 40 ~ 80분간 소성시키는 단계;를 포함할 수 있다. 그리고 상기 기판은 PET, PEN, PC, PP, PI 및 TAC 중의 어느 하나를 포함하는 투명한 플라스틱 기판 또는 유리 기판일 수 있고, 상기 도전물질 코팅층은 ITO, FTO, ZnO-Ga2O3 ZnO-Al2O3 및 SnO2-Sb2O3 중의 어느 하나 이상을 포함할 수 있으며, 상기 금속층은 백금(Pt), 금(Au), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 탄소(C) 및 그래핀(Graphene)중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.(1) forming a conductive material coating layer on the substrate to form a transparent substrate; and (2) forming a counter electrode on the counter electrode so as to face the counter electrode. (2) punching at least one hole in the transparent substrate; (3) ultrasonically treating the transparent substrate with holes at 28 to 40 kHz for 10 to 20 minutes; (4) forming a metal layer on the ultrasonic treated transparent substrate; And (5) firing the transparent substrate having the metal layer formed thereon at 250 to 400 ° C for 40 to 80 minutes. And wherein the substrate is PET, PEN, PC, PP, PI, and one may be a transparent plastic substrate or a glass substrate including said conductive material coating layer of the TAC is ITO, FTO, ZnO-Ga 2 O 3 ZnO-Al 2 O 3 and SnO 2 -Sb 2 O 3 , and the metal layer may include at least one of platinum (Pt), gold (Au), ruthenium (Ru), palladium (Pd), rhodium (Rh) Ir, osmium, carbon, and graphene.
한편, 본 발명에서 상대전극을 형성할 때, 상기 구멍을 뚫은 투명전극을 초음파 처리하면 투명전극에 묻어있는 이물질 제거시키고, 상기 금속층이 형성된 투명전극을 소성시킴으로써 전해질을 환원할 수 있는 촉매제 역할이 될 수 있다.In the present invention, when the counter electrode is formed, the transparent electrode having the hole is subjected to ultrasonic treatment to remove impurities from the transparent electrode, and the transparent electrode having the metal layer formed thereon is baked to serve as a catalyst capable of reducing the electrolyte .
그리고 상기 고분자막(50)은 열 또는 자외선에 의하여 경화되는 열가소성 고분자물질을 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 에폭시 수지를 포함할 수 있다.
The
다음 상대전극에 형성된 구멍을 통하여 투명전극과 상대전극 사이의 공간에 전해질을 주입할 수 있는데, 본 발명의 상기 전해질은 통상적으로 염료감응형 태양전지에서 산화, 환원에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 염료에 전달하는 역할을 수행하는 것이라면 특별한 제한은 없으나, 보다 바람직하게는 통상의 요오드계 산화 및 환원 전해질을 사용할 수 있으며, 요오드를 아세토나이트릴에 용해시킨 용액 등을 사용할 수 있다.
The electrolyte may be injected into a space between the transparent electrode and the counter electrode through a hole formed in the next counter electrode. The electrolyte of the present invention typically receives electrons from the counter electrode by oxidation and reduction in a dye sensitized solar cell, But it is more preferable to use an ordinary iodine-based oxidizing and reducing electrolyte. A solution prepared by dissolving iodine in acetonitrile may be used.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the following examples should not be construed as limiting the scope of the present invention, and should be construed to facilitate understanding of the present invention.
[[ 실시예Example ]]
[[ 실시예Example 1] One]
TiO2분말(Degussa, P25) 6g와 아세트산(acetic acid) 1ml를 막자사발에 넣고 잘 섞이도록 저어주면서 증류수와 에탄올 130ml를 넣어 교반시킨 다음 초음파처리(28 ~ 40KHZ)를 시켰다.6 g of TiO 2 powder (Degussa, P25) and 1 ml of acetic acid were placed in a mortar and mixed with distilled water and 130 ml of ethanol while mixing. The mixture was stirred and sonicated (28 to 40 kHz).
총 초음파처리 과정은 5회 실시하며 초음파처리 실시과정 사이에 테르피네올(terpinol) 20g와 에틸셀룰로오스(ethyl cellulose) 3g를 첨가하여 교반시켰고, 에탄올을 증발시키면 페이스트를 제조하였다. Total ultrasonic treatment was performed 5 times. During the ultrasonic treatment, 20 g of terpinol and 3 g of ethyl cellulose were added and stirred, and ethanol was evaporated to prepare a paste.
다음 FTO기판을 일정한 크기(2cmX2.5cm)로 잘라 에탄올과 아세톤을 이용하여 15분간 초음파 세척을 하였고, 세척 후 전극의 유효면적을 0.09cm2로 하여 TiO2 페이스트를 닥터블레이드(doctor-blade)법으로 두께 25㎛로 도포 후 450oC에서 2시간 동안 소성시켰다. Next, the FTO substrate was cut into a predetermined size (2 cm x 2.5 cm) and ultrasonically washed with ethanol and acetone for 15 minutes. After cleaning, the effective area of the electrode was set to 0.09 cm 2, and the TiO 2 paste was subjected to doctor blade To a thickness of 25 탆, followed by baking at 450 캜 for 2 hours.
소성 후에는 40mM ZrO(NO3)2 70oC, 30분간 전극을 샬레에 담아 표면처리하였다. 표면박막처리를 완성한 후 전극을 염료 N719에 셀을 담지 시켰다. 그리고 햇빛을 차단한 상태에서 염료가 전극에 충분하게 흡착이 되도록 상온에서 24시간이상 방치하였다. 그리고 상대전극을 제작하기 위해서 FTO기판에 전해질을 주입하기 위한 구멍을 샌드블라스트(sand-blast)로 2개 뚫고, 구멍을 뚫은 전극을 에탄올과 아세톤으로 15분간 초음파 처리를 한 후, 스핀코더(Spin-Coater)를 사용하여 10mM 백금 용액을 균일하게 도포하고, 350oC에서 1시간 소성시켜 상대전극을 완성하였다.After firing, 40 mM ZrO (NO 3 ) 2 70 o C was applied to the cholesteric surface for 30 minutes. After completion of the surface thin film treatment, the electrode was immersed in dye N719. And left at room temperature for 24 hours or more so that the dye can be sufficiently adsorbed to the electrode while blocking the sunlight. In order to fabricate the counter electrode, two holes for injecting an electrolyte into the FTO substrate were sandblasted, and the hole-pierced electrodes were ultrasonicated for 15 minutes using ethanol and acetone, and then spin-coded -Coater) was used to uniformly apply a 10 mM platinum solution and fired at 350 ° C for 1 hour to complete the counter electrode.
다음 전자이동층이 형성된 투명전극과 상대전극을 조립하기 위해 접착지인 썰린(surlyn)지를 일정한 크기로 자르고, 두 전극을 압착시켜 오븐에 80 ~ 90℃ 건조시켰다. 그 후 상대전극의 구멍으로 요오드계 산화 및 환원 전해질(Solaronix, Iodolyte AN-50)을 주입한 후, 3M 테이프로 구멍을 막아 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
In order to assemble the transparent electrode on which the electron transporting layer was formed and the counter electrode, a surlyn paper as an adhesive was cut to a predetermined size, and the two electrodes were compressed and dried in an oven at 80 to 90 ° C. Thereafter, an iodine-based oxidation and reduction electrolyte (Solaronix, Iodolyte AN-50) was injected into the hole of the counter electrode, and the hole was sealed with 3M tape to prepare a dye-sensitized solar cell.
[[ 실시예Example 2] 2]
다공질막의 두께가 27㎛인 것을 제외하고는 상기 실시예과 동일하게 실시하여 제조하였다.
When the thickness of the porous film is Except that the thickness was 27 mu m.
[[ 실시예Example 3] 3]
Zr 농도가 45mM인 것을 제외하고는 상기 실시예과 동일하게 실시하여 제조하였다.
Except that the Zr concentration was 45 mM.
[[ 실시예Example 4] 4]
Zr 농도가 50mM인 것을 제외하고는 상기 실시예과 동일하게 실시하여 제조하였다.
Except that the Zr concentration was 50 mM.
[[ 비교예Comparative Example 1] One]
Zr 코팅막을 형성하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하였다.
Except that the Zr coating film was not formed.
[[ 비교예Comparative Example 2] 2]
다공질막의 두께가 7㎛인 것을 제외하고는 상기 실시예과 동일하게 실시하여 제조하였다.
Except that the thickness of the porous film was 7 占 퐉.
[[ 비교예Comparative Example 3] 3]
다공질막의 두께가 66㎛인 것을 제외하고는 상기 실시예과 동일하게 실시하여 제조하였다.
Of the porous membrane Except for the fact that the thickness was 66 占 퐉.
[[ 비교예Comparative Example 4] 4]
Zr 농도가 10mM인 것을 제외하고는 상기 실시예과 동일하게 실시하여 제조하였다.
Except that the Zr concentration was 10 mM.
[[ 비교예Comparative Example 5] 5]
Zr 농도가 100mM인 것을 제외하고는 상기 실시예과 동일하게 실시하여 제조하였다.
Except that the Zr concentration was 100 mM.
[[ 비교예Comparative Example 6] 6]
Zr 농도가 1000mM인 것을 제외하고는 상기 실시예과 동일하게 실시하여 제조하였다.
Except that the Zr concentration was 1000 mM.
[[ 실험예Experimental Example 1] One]
실시예 1 ~ 4 및 비교예 1 ~ 6의 셀을 광원 1.5AM 및 빛의 세기 100 mW/㎠의 솔라 시뮬레이터(Xe 램프[300W, Oriel], AM1.5 filter 및 Keithley SMU2400으로 구성됨)를 이용 하여 에너지 변환효율의 측정하였다.The cells of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 6 were irradiated with a light source 1.5 AM and a solar simulator (composed of Xe lamp (300 W, Oriel), AM 1.5 filter and Keithley SMU2400) with a light intensity of 100 mW / Energy conversion efficiency was measured.
개방전압(Voc)과 광전류밀도 (Jsc, ㎃/㎠)는 도 2의 I-V curve를 이용하여 분석하였고 충진계수(FF: %)와 변환효율(η: %)은 하기 수학식1, 수학식 2를 이용하여 계산하여서 표 1에 나타내었다.The open-circuit voltage (Voc) and the photocurrent density (Jsc, mA / cm 2) were analyzed by using the IV curve of FIG. 2. The filling factor (FF:%) and the conversion efficiency And the results are shown in Table 1.
[수학식 1][Equation 1]
충진계수(%) = ((J x V)max/JSC x VOC) x 100 (단, J는 변환효율 곡선의 Y축값이고, V는 변환효율 곡선의 X축 값이며, 광전류밀도 (Jsc, ㎃/㎠) 및 Voc는 각 축의 절편값이다.)Filling factor (%) = ((J x V) max / J SC x V OC ) x 100 where J is the Y axis value of the conversion efficiency curve, V is the X axis value of the conversion efficiency curve, and the photocurrent density (Jsc, mA / cm2) and Voc are the intercept values of the respective axes.
[수학식 2]&Quot; (2) "
변환효율 (η: %) = [(Voc x Isc x FF)/(Pin x S)] x 100(%) .Conversion efficiency (侶:%) = [(V oc x I sc x FF) / (P in x S)] x 100 (%).
( Voc : 전류가 흐르고 있지 않을 때의 전압(개방전압, V), Isc : 전압이 0일 때의 전류 (단란전류, mA), FF : 최대전압과 최대전류를 이론상 전압과 이론상 전류로 나눈 값, Pin : 조사된 빛의 세기(100mW/cm2), S : 전극의 면적 (0.09cm2)) (V oc: voltage when current is not flowing (open-circuit voltage, V), I sc: voltage current at the time 0 (danran current, mA), FF: a voltage theoretically the maximum voltage and the maximum current and the theoretical current P in : intensity of irradiated light (100 mW / cm 2 ), S: area of electrode (0.09 cm 2 ))
측정결과, 실시예의 효율이 비교예에 비해 상승한 것을 알 수 있고, 이는 독성이 적고 광활성도가 높은 지르코늄 코팅층을 형성함으로써 염료흡착량이 증가되어 Jsc값이 높아졌다는 것을 알 수 있다. 또한 코팅층이 형성되어 입자들의 결속력이 좋아져 전자의 이동이 원활해지고 전자 재결합 비율을 감소시켜서 높은 효율을 나타내었다.
As a result of the measurement, it can be seen that the efficiency of the example is higher than that of the comparative example. It can be seen that the Jsc value is increased by increasing the dye adsorption amount by forming a zirconium coating layer having low toxicity and high photoactivity. Also, since the coating layer is formed, the binding force of the particles is improved, and the electrons move smoothly, and the electron recombination ratio is reduced.
100 : 태양전지 10 : 투명전극 11 : 다공질 막
12 : Zr코팅막 13 : 염료 20 : 전자이동층
30 : 전해질 40 : 고분자 막 50 : 상대전극100: solar cell 10: transparent electrode 11: porous film
12: Zr coating film 13: dye 20: electron transfer layer
30: electrolyte 40: polymer membrane 50: counter electrode
Claims (14)
상기 투명전극 일면에 형성된 전자이동층;
상기 전자이동층에 대향되도록 형성된 상대전극; 및
상기 투명전극과 상대전극 사이의 공간에 개재된 전해질;을 포함하고,
상기 전자이동층은 다공질막 및 BET 비표면적 값이 70 ~ 80 m2/g인 Zr 코팅막을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지. A transparent electrode;
An electron mobility layer formed on one surface of the transparent electrode;
A counter electrode formed to face the electron mobility layer; And
And an electrolyte interposed in a space between the transparent electrode and the counter electrode,
Wherein the electron mobility layer comprises a porous film and a Zr coating film having a BET specific surface area value of 70 to 80 m 2 / g.
상기 다공질 막은 TiO2, SnO2, ZnO, WO3, TiSrO3 및 Nb2O5 중에서 선택된 1종 이상의 구형구조체를 포함하고,
상기 구형구조체의 평균직경은 50 ~ 100㎛인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.The method according to claim 1,
The porous film may be formed of TiO 2 , SnO 2 , ZnO, WO 3 , TiSrO 3 And at least one spherical structure selected from Nb 2 O 5 ,
Wherein the spherical structure has an average diameter of 50 to 100 占 퐉.
상기 다공질 막의 평균 두께는 20 ~ 30㎛인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.The method according to claim 1,
Wherein the average thickness of the porous film is 20 to 30 占 퐉.
상기 염료는 N3, N719, N749 및 N886중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.The method according to claim 1,
Wherein the dye is at least one selected from N3, N719, N749 and N886.
상기 투명전극은 기판 및 도전물질 코팅층을 포함하고,
상기 상대전극은 기판, 도전물질 코팅층 및 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.The method according to claim 1,
Wherein the transparent electrode comprises a substrate and a conductive material coating layer,
Wherein the counter electrode comprises a substrate, a conductive material coating layer, and a metal layer.
상기 기판은 PET, PEN, PC, PP, PI 및 TAC 중의 어느 하나를 포함하는 투명한 플라스틱 기판 또는 유리 기판이고,
상기 도전물질 코팅층은 ITO, FTO, ZnO-Ga2O3 ZnO-Al2O3 및 SnO2-Sb2O3 중의 어느 하나 이상을 포함하고,
상기 금속층은 백금(Pt), 금(Au), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 탄소(C) 및 Graphene 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.The method according to claim 6,
Wherein the substrate is a transparent plastic substrate or glass substrate comprising any one of PET, PEN, PC, PP, PI, and TAC,
Wherein the conductive material coating layer comprises at least one of ITO, FTO, ZnO-Ga 2 O 3 ZnO-Al 2 O 3 and SnO 2 -Sb 2 O 3 ,
Wherein the metal layer is formed of at least one selected from platinum (Pt), gold (Au), ruthenium (Ru), palladium (Pd), rhodium (Rh), iridium (Ir), osmium (Os) And a dye-sensitized solar cell.
상기 전해질은 LiI, Nal, KI, 0.05~0.1M I2 -, 테트라-알킬 암모늄 아이오딘(Tetra-alkyl ammonium iodide(R4NI)), 0.1~ 0.5M 이미다졸리움 유도체 아이오디스(Imidazolium derivative iodedies) 및 논프로토닉 용액(Nonprotonic solvent)중에서 선택되는 어느 하나 이상인 요오드계 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.The method according to claim 1,
The electrolyte is LiI, Nal, KI, 0.05 ~ 0.1MI 2 -, tetra-alkyl ammonium iodine (Tetra-alkyl ammonium iodide (R 4 NI)), 0.1 ~ 0.5M imidazolium derivative iodo disk (Imidazolium derivative iodedies) And an iodine-based compound selected from the group consisting of a nonprotonic solvent and a nonprotonic solvent.
[수학식 2]
[(Voc x Isc x FF)/(Pin x S)] x 100(%)
Voc : 전류가 흐르고 있지 않을 때의 전압(개방전압, V)
Isc : 전압이 0일 때의 전류 (단란전류, mA)
FF : 최대전압과 최대전류를 이론상 전압과 이론상 전류로 나눈 값
Pin : 조사된 빛의 세기(100mW/cm2)
S : 전극의 면적 (0.09cm2)Wherein the energy conversion efficiency (η) is 0.7 to 9.7% when calculated by the following formula (2) using a light source 1.5AM and a solar simulator having a light intensity of 100 mW / cm 2.
&Quot; (2) "
[(V oc x I sc x FF) / (P in x S)] x 100 (%)
V oc : voltage when no current flows (open-circuit voltage, V)
I sc : current when the voltage is 0 (round current, mA)
FF: Maximum voltage and maximum current divided by theoretical voltage and theoretical current
P in : intensity of irradiated light (100 mW / cm 2 )
S: area of electrode (0.09 cm 2 )
(2) 상기 다공질 막 상에 Zr 코팅막을 형성시키는 단계;
(3) 상기 Zr 코팅막에 염료를 흡착시켜 전자이동층을 형성하는 단계;
(4) 상기 전자이동층과 이격되어 대향하도록 상대전극을 형성시키는 단계; 및
(5) 상기 전자이동층이 형성된 투명전극 및 상대전극 사이의 공간에 전해질을 주입하는 단계;를 포함하며,
상기 Zr 코팅막을 형성시키는 단계는 40 ~ 50mM의 지르코늄전구체 용액에 다공질막이 형성된 투명전극을 60 ~ 80℃에서 20 ~ 60분간 침지시켜서 다공질막의 일표면에 Zr코팅막을 형성시키며,
상기 지르코늄전구체 용액은 지르코늄 나이트레이트 옥사이드 다이하이드레이트(Zirconium nitrate oxide dihydrate), 지르코늄 아세테이트(Zirconium acetate), 지르코늄 클로라이드(Zirconium chloride), 지르코늄 플루오라이드(Zirconium fluoride), 지르코늄 하이드록사이드(Zirconium hydroxide), 지르코늄 옥사이드(Zirconium oxide) 및 지르코늄 실리케이트(Zirconium silicate)중에서 선택된 1종 이상의 지르코늄전구체를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.(1) forming a porous film on one surface of the transparent electrode;
(2) forming a Zr coating film on the porous film;
(3) adsorbing a dye on the Zr coating film to form an electron mobility layer;
(4) forming a counter electrode so as to face away from the electron mobility layer; And
(5) injecting an electrolyte into a space between the transparent electrode and the counter electrode on which the electron mobility layer is formed,
The Zr coating layer is formed by immersing a transparent electrode having a porous film on a 40 to 50 mM zirconium precursor solution at 60 to 80 ° C for 20 to 60 minutes to form a Zr coating film on one surface of the porous film,
The zirconium precursor solution may be selected from the group consisting of zirconium nitrate oxide dihydrate, zirconium acetate, zirconium chloride, zirconium fluoride, zirconium hydroxide, zirconium hydroxide, Wherein at least one zirconium precursor selected from the group consisting of zirconium oxide and zirconium silicate is included in the dye-sensitized solar cell.
상기 다공질 막을 형성하는 단계는
(1) TiO2, SnO2, ZnO, WO3, TiSrO3및 Nb2O5 중에서 선택된 1종 이상의 다공질 분말을 4 ~ 5 중량%, 물, 에탄올 및 메탄올 중에서 선택된 1 종 이상의 용매를 90 ~ 95 중량% 및 질산 및 아세트산 중에서 선택된 1종 이상의 산(Acid)을 0.5 ~ 1중량%을 포함하는 혼합용액를 제조하는 단계;
(2) 상기 혼합용액을 28 ~ 40KHZ의 초음파 처리하는 단계;
(3) 상기 초음파 처리 후, 상기 혼합용액 100 중량부에 대하여 테르피네올 85 ~ 90 중량부와 혼합용액 100 중량부에 대하여 에틸셀룰로오스를 10 ~ 15중량부를 첨가하여 교반 및 건조 시켜 페이스트를 제조하는 단계;
(4) 상기 투명전극에 스핀 코팅법, 스크린 프린팅법, 스프레이 도장법, 닥터 블레이드 방법 및 스퀴즈(squeeze)방법 중 선택되는 어느 하나의 방법으로 상기 페이스트를 도포하는 단계; 및
(5) 상기 도포 후 350 ~ 500℃로 1 ~ 3시간 소성시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.11. The method of claim 10,
The step of forming the porous film
(1) 4 to 5% by weight of at least one porous powder selected from the group consisting of TiO 2 , SnO 2 , ZnO, WO 3 , TiSrO 3 and Nb 2 O 5 , 90 to 95% by weight of at least one solvent selected from water, By weight and 0.5 to 1% by weight of at least one acid selected from nitric acid and acetic acid;
(2) sonicating the mixed solution at 28 to 40 kHz;
(3) After the ultrasonic treatment, 10 to 15 parts by weight of ethyl cellulose is added to 85 to 90 parts by weight of terpineol and 100 parts by weight of the mixed solution based on 100 parts by weight of the mixed solution, followed by stirring and drying to prepare a paste step;
(4) applying the paste to the transparent electrode by any one selected from a spin coating method, a screen printing method, a spray coating method, a doctor blade method, and a squeeze method; And
(5) baking the coated substrate at 350 to 500 ° C for 1 to 3 hours after the application.
상기 염료를 흡착시켜 전자이동층을 형성하는 단계는
Zr코팅막이 형성된 다공질막 투명전극을 15 ~ 25℃의 염료용액에 24 ~ 48시간 담지시킨 후 건조하며,
상기 염료용액은 N3, N719, N749 및 N886중에서 선택되는 어느 하나이상인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.11. The method of claim 10,
The step of adsorbing the dye to form an electron mobility layer
Zr coating film is formed is supported on a dye solution at 15 to 25 ° C for 24 to 48 hours and dried,
Wherein the dye solution is at least one selected from N3, N719, N749, and N886.
상기 상대전극은
(1) 기판에 도전물질 코팅층을 형성시켜 투명기판을 제조하는 단계;
(2) 상기 투명기판에 1개 이상의 구멍을 뚫는 단계;
(3) 상기 구멍이 있는 투명기판에 10 ~ 20분간 28 ~ 40KHZ로 초음파 처리하는 단계;
(4) 상기 초음파 처리 된 투명기판에 금속층을 생성하는 단계; 및
(5) 상기 금속층이 형성된 투명기판을 250 ~ 400℃에서 40 ~ 80분간 소성시키는 단계;를 포함하고,
상기 기판은 PET, PEN, PC, PP, PI 및 TAC 중의 어느 하나를 포함하는 투명한 플라스틱 기판 또는 유리 기판이고,
상기 도전물질 코팅층은 ITO, FTO, ZnO-Ga2O3 ZnO-Al2O3 및 SnO2-Sb2O3 중의 어느 하나 이상을 포함하고,
상기 금속층은 백금(Pt), 금(Au), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 탄소(C) 및 그래핀(Graphene) 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.11. The method of claim 10,
The counter electrode
(1) preparing a transparent substrate by forming a conductive material coating layer on a substrate;
(2) punching at least one hole in the transparent substrate;
(3) ultrasonically treating the transparent substrate with holes at 28 to 40 kHz for 10 to 20 minutes;
(4) forming a metal layer on the ultrasonic treated transparent substrate; And
(5) firing the transparent substrate on which the metal layer is formed at 250 to 400 ° C for 40 to 80 minutes,
Wherein the substrate is a transparent plastic substrate or glass substrate comprising any one of PET, PEN, PC, PP, PI, and TAC,
Wherein the conductive material coating layer comprises at least one of ITO, FTO, ZnO-Ga 2 O 3 ZnO-Al 2 O 3 and SnO 2 -Sb 2 O 3 ,
The metal layer may be selected from among Pt, Au, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, and Graphene. Wherein the dye-sensitized solar cell comprises at least one of the following materials:
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