KR100822304B1 - Fabrication method of blocking dye-sensitized solar cell with blocking layer having high-crystallinity - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 일반적인 염료감응 태양전지의 작동원리를 개략적으로 도시한 도면,1 is a view schematically showing the operating principle of a general dye-sensitized solar cell,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차단층(blocking layer)을 포함한 염료감응 태양전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도,2 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a dye-sensitized solar cell including a blocking layer according to an embodiment of the present invention;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차단층의 표면 FE-SEM 이미지,3 is a surface FE-SEM image of the blocking layer according to an embodiment of the present invention,
도 4는 본 발명에 따른 차단층의 결정성을 측정한 XRD 그래프,Figure 4 is an XRD graph measuring the crystallinity of the blocking layer according to the present invention,
도 5는 본 발명에 따라 제조된 염료감응 태양전지의 AM 1.5, 100 mW/cm2 조건에서 얻은 전류-전압 곡선도이다.5 is a current-voltage curve obtained in AM 1.5, 100 mW / cm 2 conditions of the dye-sensitized solar cell prepared according to the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
21: 반도체 산화물 전극 22: 염료분자21: semiconductor oxide electrode 22: dye molecule
23: 광전극 투명전도성 기판 25: 백금층23: photoelectrode transparent conductive substrate 25: platinum layer
26: 전해질 27: 대전극 투명전도성 기판26: electrolyte 27: counter electrode transparent conductive substrate
28: 차단층 29: 열가소성 고분자28: barrier layer 29: thermoplastic polymer
본 발명은 높은 결정을 갖는 차단층을 구비한 염료감응 태양전지의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a dye-sensitized solar cell having a blocking layer having a high crystal.
기존의 실리콘 태양전지는 태양광을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성하고 이를 전달하는 부분이 동일한 것에 반해, 염료감응 태양전지는 태양광을 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성할 수 있는 염료분자와 생성된 전자를 전달하는 반도체 산화물 전극으로 나누어진 구조를 가지고 있다. Conventional silicon solar cells absorb electrons to create electron-hole pairs and transmit the same, whereas dye-sensitized solar cells absorb electrons to generate electron-hole pairs. It has a structure that is divided into a dye oxide molecule and a semiconductor oxide electrode which transfers the generated electrons.
현재까지 알려진 염료감응 태양전지의 대표적인 예는 1991년 스위스 그라첼(Gratzel) 등에 의하여 발표된 것이 있으며(USP 4927721, USP 5350644), 이러한 태양전지는 기존의 태양전지에 비해 전력당 제조 원가가 저렴하기 때문에 기존의 태양전지를 대체할 수 있다는 가능성을 가지고 있다는 점에서 많은 사람들의 관심을 끌고 있다. A representative example of dye-sensitized solar cells known to date was published in 1991 by Gratzel et al. Therefore, it attracts many people in that it has the possibility of replacing the existing solar cell.
도 1은 일반적인 염료감응 태양전지의 작동원리를 보여주는 설명도로서 반도체 산화물 전극(11)에 흡착된 염료(12)가 태양빛을 흡수하여 바닥 상태(ground state, D+/D)에서 들뜬 상태(excited state, D+/D*)로 전자 전이하여 전자-홀 쌍을 이루며 들뜬 상태의 전자는 반도체 산화물의 전도띠(conduction band, ECB)로 주입된다. 반도체 산화물 전극(11)으로 주입된 전자는 입자간 계면을 통하여 투명전도성 기판(13)으로 전달되고 다시 외부 전선(14)을 통하여 백금층(16)이 코팅된 대전 극(15)으로 이동된다. 반도체 산화물 전극(11)과 대전극(15) 사이에는 산화-환원 쌍(17)을 포함한 전해질이 주입되어 있다. 태양광 흡수에 의해 산화된 염료(12)는 산화-환원 쌍(17)에 의해 제공되는 전자를 받아 다시 환원되며, 이때 전자를 공급한 산화-환원 쌍(17)은 대전극(15)에 도달한 전자에 의해 다시 환원되어 염료감응 태양전지의 작동 과정이 완성된다. 또한, 투명전도성 기판(13)과 대전극(15)에는 부하(L)가 직렬 연결되어 단락 전류, 개방 전압, 충진 계수 등을 측정할 수 있는데 태양전지의 성능, 즉 에너지 변환 효율은 태양전지의 단락 전류, 개방 전압 및 충진 계수의 곱에 의해 결정되므로 이를 향상시키기 위해서는 각각의 값들을 향상시켜야 한다.FIG. 1 is an explanatory view showing the operation principle of a general dye-sensitized solar cell. The
염료감응 태양전지에서 이러한 값들을 향상시킬 수 있는 한 가지 방법으로는 반도체 산화물 전극과 투명전도성 기판 사이에 차단층을 형성시켜 반도체 산화물 전극과 투명전도성 기판의 접촉을 좋게 하고, 전자의 전달을 원활히 하며, 투명전도성 기판에서 전달되는 전자들의 누출을 방지하는 방법을 꼽을 수 있다. One way to improve these values in dye-sensitized solar cells is to form a barrier layer between the semiconductor oxide electrode and the transparent conductive substrate to facilitate good contact between the semiconductor oxide electrode and the transparent conductive substrate and to facilitate the transfer of electrons. For example, a method of preventing leakage of electrons transferred from a transparent conductive substrate is mentioned.
이러한 차단층 형성을 통해 염료감응 태양전지의 효율을 향상시키는 방법으로 기존에 발표된 특허는 다음과 같다. 즉, 한국특허공개번호 2005-0058695호, 한국특허공개번호 2005-0115406호 등이 있다. Patents previously published as a method of improving the efficiency of dye-sensitized solar cells by forming such a barrier layer are as follows. That is, Korean Patent Publication No. 2005-0058695, Korean Patent Publication No. 2005-0115406, and the like.
그러나, 상기 특허들에 나와 있는 실시예와 비교예를 보면, 실시예의 개방전압이 비교예와 유사하거나 오히려 낮은 것을 확인할 수 있다. 이는 반도체 산화물 전극 내에 전자의 밀도가 증가하지 않았음을 나타내는 것이며, 투명전도성 기판에서 전달되는 전자들의 누출을 효과적으로 제어하지 못한다는 것을 의미한다.However, looking at the examples and comparative examples described in the above patents, it can be seen that the open circuit voltage of the examples is similar or rather lower than the comparative example. This indicates that the density of electrons in the semiconductor oxide electrode has not increased, which means that the leakage of electrons transferred from the transparent conductive substrate is not effectively controlled.
또한, 기존 특허에서 차단층으로 사용되는 물질과 반도체 산화물 전극의 물질이 다를 경우, 계면 특성이 열화되는 현상을 보고하고 있는데, 이 역시 염료감응 태양전지의 성능 향상을 저해하는 요소가 되고 있다.In addition, when the material used as the barrier layer and the material of the semiconductor oxide electrode is different from the existing patent, there is a phenomenon that the interface characteristics deteriorate, which is also a factor that hinders the performance improvement of the dye-sensitized solar cell.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 증착 과정 및 열처리 과정을 통해 결정성 높은 차단층을 제조하는 방법을 제공하고, 이에 따라 염료감응 태양전지의 성능을 향상시키는 데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the above problems, to provide a method for manufacturing a highly crystalline blocking layer through the deposition process and heat treatment process, and the object is to improve the performance of the dye-sensitized solar cell accordingly.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법은, Dye-sensitized solar cell manufacturing method according to the present invention for achieving this object,
투명전도성 광전극 기판 및 대전극 기판을 준비하는 단계; 상기 광전극 기판 위에 차단층 원료를 증착시킨 후 열처리하여 차단층을 형성하는 단계; 상기 차단층 위에 염료가 흡착된 산화물 전극을 형성하는 단계; 및 상기 광전극 기판의 산화물 전극과 마주보도록 대전극 기판을 배치시키고, 상기 산화물 전극과 대전극 기판 사이에 전해질을 주입한 후 밀봉하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.Preparing a transparent conductive photoelectrode substrate and a counter electrode substrate; Depositing a blocking layer material on the photoelectrode substrate and then performing heat treatment to form a blocking layer; Forming an oxide electrode having dye adsorbed on the blocking layer; And arranging a counter electrode substrate facing the oxide electrode of the photoelectrode substrate, injecting an electrolyte between the oxide electrode and the counter electrode substrate, and then sealing the electrode substrate.
이때, 상기 열처리는 400∼600℃의 온도 범위 내에서 1∼300분 동안 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 증착과 열처리 사이에 100∼200℃의 온도 범위 내에서 등온으로 10∼120분 동안 유지하는 것이 바람직하다.At this time, the heat treatment is preferably made for 1 to 300 minutes within the temperature range of 400 to 600 ℃. In addition, it is preferable to maintain isothermally for 10 to 120 minutes within the temperature range of 100 to 200 ℃ between the deposition and heat treatment.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2를 참조하면, 본 발명의 염료감응 태양전지는 광전극 투명전도성 기판(23), 반도체 산화물 전극(21), 대전극 투명전도성 기판(27), 상기 투명전도성 기판과 반도체 산화물 전극 사이에 형성된 차단층(blocking layer)(28), 상기 반도체 산화물 전극과 대전극 기판 사이에 개재된 전해질(26)을 포함한다. 상기 광전극 기판(23)과 대전극 기판(27) 사이는 전해질이 새어 나오지 않도록 열가소성 고분자(29)로 밀봉되어 있다.Referring to FIG. 2, the dye-sensitized solar cell of the present invention is formed between the photoelectrode transparent
여기서, 광전극 또는 대전극 투명전도성 기판(23, 27)은 전도성 유리 기판 또는 전도성 유연성(flexible) 고분자 기판으로 유리 기판 혹은 유연성 고분자 기판상에 형성된 전도성 박막을 포함하며, 상기 전도성 박막은 ITO(indium tin oxide), F 도핑된 이산화주석(FTO)(F-doped SnO2), 혹은 ITO 위에 ATO(Antimony Tin Oxide) 또는 FTO가 코팅된 형태가 바람직하다. 또한, 대전극 투명전도성 기판(27)의 내측에는 백금층(25)이 형성될 수도 있다. Here, the photoelectrode or counter electrode transparent
또한, 반도체 산화물 전극(21)은 투명전도성 기판상에 형성된 반도체 산화물층 및 반도체 산화물층에 흡착된 염료분자(22)를 포함하며, 이때 염료는 루테늄(ruthenium)계 염료 혹은 쿠마린(coumarin)계의 유기 염료가 바람직하다. In addition, the
본 발명은 투명전도성 기판 위에 전이금속 혹은 전이금속 산화물을 증착시킨 후 이를 열처리하여 결정성 높은 반도체 산화물 차단층(blocking layer)을 형성시킴으로써, 이를 통해 투명전도성 기판과 그 위에 형성될 반도체 산화물 전극과의 접촉성을 향상시킬 뿐 아니라 반도체 산화물 전극에서 투명전도성 기판으로의 전자 전달을 원활히 하고, 투명전도성 기판에서의 전자 유출을 제어하여 염료감응 태양전지의 에너지 변환 효율을 향상시키는 방법을 제공한다. The present invention forms a highly crystalline semiconductor oxide blocking layer by depositing a transition metal or a transition metal oxide on a transparent conductive substrate and then heat-treating the same, thereby forming a transparent crystalline substrate and a semiconductor oxide electrode to be formed thereon. The present invention provides a method of improving the energy conversion efficiency of a dye-sensitized solar cell by improving contactability as well as facilitating electron transfer from a semiconductor oxide electrode to a transparent conductive substrate and controlling electron outflow from the transparent conductive substrate.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지용 차단층 제조를 위해 투명전도성 기판 위에 증착되는 전이금속으로는 티탄(Ti), 인듐(In), 아연(Zn), 주석(Sn)과 텅스텐(W) 중에서 선택된 어느 하나가 사용될 수 있고, 전이금속 산화물로는 티타늄(Ti) 산화물, 인듐(In) 산화물, 아연(Zn) 산화물, 주석(Sn) 산화물, 텅스텐(W) 산화물, 납(Pb) 산화물, 철티타늄(FeTi) 산화물, 망간티타늄(MnTi) 산화물 및 바륨티타늄(BaTi) 산화물 중 어느 하나가 사용될 수 있다. 바람직하게는 전자 전달 능력이 우수한 아나타제(anatase) 결정성을 갖게 할 수 있는 이산화티탄(TiO2)이 바람직하다. As the transition metal deposited on the transparent conductive substrate for manufacturing the blocking layer for a dye-sensitized solar cell according to the present invention, any one selected from titanium (Ti), indium (In), zinc (Zn), tin (Sn), and tungsten (W) One may be used, and the transition metal oxide may be titanium (Ti) oxide, indium (In) oxide, zinc (Zn) oxide, tin (Sn) oxide, tungsten (W) oxide, lead (Pb) oxide, iron titanium ( FeTi) oxide, manganese titanium (MnTi) oxide and barium titanium (BaTi) oxide may be used any one. Preferably, titanium dioxide (TiO 2 ) capable of having an anatase crystallinity excellent in electron transfer ability is preferable.
또한, 상기 차단층을 구성하기 위해 증착되는 입자의 크기는 0.1 ~ 10 nm의 범위로 조절되는 것이 바람직하며, 상기 방법을 통해 제조되는 차단층의 두께는 1 ~ 500 nm 인 것이 바람직하다.In addition, the size of the particles deposited to form the barrier layer is preferably controlled in the range of 0.1 ~ 10 nm, the thickness of the barrier layer prepared through the method is preferably 1 ~ 500 nm.
상기 차단층 원료의 증착은 스퍼터링(sputtering), 화학기상증착(CVD), 증기증착(evaporation), 전기화학적증착(electrochemical deposition) 또는 스핀코팅(spin-coating) 등의 방법으로 이루어질 수 있다.The barrier layer material may be deposited by sputtering, chemical vapor deposition (CVD), evaporation, electrochemical deposition, or spin-coating.
상기 차단층의 전도띠 에너지 준위는 반도체 산화물 전극보다 낮거나 같고, 상기 광전극 투명전도성 기판보다 높거나 같은 것이 바람직하다.The conduction band energy level of the blocking layer is lower than or equal to that of the semiconductor oxide electrode, and higher than or equal to the photoelectrode transparent conductive substrate.
상기 전이금속 혹은 전이금속 산화물을 증착시킨 후 높은 결정성을 가지는 전이금속 산화물로 제조하기 위해 열처리 과정을 거치는데, 이때의 온도는 400 ~ 600 ℃, 열처리 과정의 유지 시간은 1 ~ 300 분인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 상기 열처리 과정을 450 ~ 500 ℃에서 30 ~ 120 분 동안 유지하는 것이 바람직하다. After depositing the transition metal or transition metal oxide, a heat treatment process is performed to produce a transition metal oxide having high crystallinity, wherein the temperature is 400 to 600 ° C., and the holding time of the heat treatment is 1 to 300 minutes. More preferably, the heat treatment process is preferably maintained at 450 to 500 ° C. for 30 to 120 minutes.
또한, 전이금속을 증착시켰을 경우에는 산화과정을 도와주기 위해 고순도 산소(O2) 분위기에서 열처리하는 것이 바람직하며, 전이금속 혹은 전이금속 산화물을 증착시킨 후 표면에 흡착되는 수분을 제거하기 위해 열처리 과정 중에 100 ~ 200 ℃의 온도 범위에서 등온으로 10 ~ 120 분 동안 열처리하는 중간 과정을 두었을 경우 결정성 향상에 바람직하다. In addition, when the transition metal is deposited, it is preferable to heat-treat it in a high-purity oxygen (O 2 ) atmosphere to assist the oxidation process, and after the deposition of the transition metal or transition metal oxide, heat treatment to remove moisture adsorbed on the surface In the middle of the heat treatment for 10 to 120 minutes isothermally in the temperature range of 100 ~ 200 ℃ in the middle is preferable to improve the crystallinity.
기존에 발표된 특허(한국특허공개번호 2005-0058695호와 한국특허공개번호 2005-0115406호)에서처럼 별도의 열처리 과정을 거치지 않고 반도체 산화물 전극 페이스트를 올렸을 경우, 형성된 차단층이 친화력 차이에 의해 투명전도성 기판 표면에 고정되어 있지 못하고, 상층의 반도체 산화물 전극과 결합하여 차단층으로서의 역할을 다하지 못해 염료감응 태양전지의 개방전압 상승을 저해한다. 이에 반해, 본 열처리 과정을 거치게 되면 증착시킨 차단층이 투명전도성 기판의 표면과 강하게 결합되는 것은 물론 결정성이 높아지게 되어 전자 전달이 용이해지고, 그 결과 개방전압과 단락전류 및 에너지 변환 효율을 크게 증가시킬 수 있다.When the semiconductor oxide electrode paste is loaded without a separate heat treatment process as in the previously published patents (Korean Patent Publication No. 2005-0058695 and Korean Patent Publication No. 2005-0115406), the barrier layer formed is transparently conductive due to the difference in affinity. It is not fixed to the surface of the substrate and in combination with the upper semiconductor oxide electrode, it does not play a role as a blocking layer, thereby inhibiting the increase in the open voltage of the dye-sensitized solar cell. On the contrary, when the heat treatment process is performed, the deposited barrier layer is strongly bonded to the surface of the transparent conductive substrate and the crystallinity is increased to facilitate electron transfer. As a result, the open voltage, short circuit current, and energy conversion efficiency are greatly increased. You can.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 차단층(blocking layer)의 표면 FE-SEM 이미지를 나타낸다. 이미지 (a)는 차단층을 형성시키지 않은 투명전도성 기판(FTO)을 나타낸 것이며, 이미지 (b)는 투명전도성 기판 위에 스퍼터링(sputtering)을 통하여 이산화티탄(TiO2) 차단층을 형성시키고 열처리한 후의 이미지를 나타낸 것이다. 상기 이미지에서 보는 바와 같이 투명전도성 기판 표면 전 부분에 걸쳐 이산화티탄(TiO2) 파티클들이 잘 형성된 것을 확인할 수 있다.3 shows a surface FE-SEM image of a blocking layer made in accordance with one embodiment of the present invention. Image (a) shows a transparent conductive substrate (FTO) without forming a blocking layer, and image (b) shows a titanium dioxide (TiO 2 ) blocking layer formed after sputtering on a transparent conductive substrate and heat treatment. It is an image. As shown in the image, it can be seen that titanium dioxide (TiO 2 ) particles are well formed over the entire surface of the transparent conductive substrate.
이하 본 발명을 하기 실시예들에 의해 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예들에 한정되거나 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the embodiments of the present invention illustrated in the following may be modified in many different forms and the scope of the present invention is not limited or limited to the embodiments described in the following.
(실시예 1) 이산화티탄( TiO 2 ) 스퍼터링 ( sputtering ) 및 열처리를 통한 차단층( blocking layer ) 제조 (Example 1) Titanium dioxide block the (TiO 2) sputtering (sputtering), and heat-treated layer (blocking layer ) manufacturing
이산화티탄(TiO2) 분말을 압착기로 압력을 가해 이산화티탄(TiO2) 타겟(target)을 제조한 후 스퍼터(sputter) 장치에 장착하고 85 W, 10 mTorr, 상온 하에서 1200초 동안 스퍼터링하여 투명전도성 기판 위에 50 nm 두께의 필름을 얻었다. 스퍼터링을 마친 후, 공기 분위기에서 상온부터 150 ℃까지 분당 4 ℃로 승온시켰으며 150 ℃에서 30분 동안 등온으로 유지하여 수분을 제거한 후, 다시 500 ℃까지 분당 4 ℃로 승온시켰다. 500 ℃에서 15분간 열처리하여 증착한 이산화티 탄(TiO2)의 결정성을 향상시킨 후 자연냉각시켰다. 도 4 (a)는 실시예 1 과정으로 제조된 차단층의 결정성을 XRD로 측정한 그래프이다. 도면에서 보다시피 열처리 후에 25.2° 근방에서 측정되는 TiO2 아나타제(anatase) (101) 피크를 확인할 수 있다.Titanium dioxide (TiO 2 ) powder was pressed with a press to produce a titanium dioxide (TiO 2 ) target, then mounted on a sputtering device and sputtered at 85 W, 10 mTorr, and room temperature for 1200 seconds to provide transparent conductivity. A 50 nm thick film was obtained on the substrate. After sputtering was completed, the temperature was raised to 4 ° C. per minute from room temperature to 150 ° C. in an air atmosphere, and maintained at isothermal at 150 ° C. for 30 minutes to remove moisture, and then heated up to 500 ° C. at 4 ° C. per minute. After heat treatment at 500 ° C. for 15 minutes, the crystallinity of the deposited titanium dioxide (TiO 2 ) was improved and then naturally cooled. Figure 4 (a) is a graph measuring the crystallinity of the barrier layer prepared in Example 1 by XRD. As can be seen in the figure, the peak of TiO 2 anatase 101 measured at around 25.2 ° after heat treatment can be seen.
(실시예 2) 티탄( Ti ) 스퍼터링 ( sputtering ) 및 열처리를 통한 이용한 차단층( blocking layer ) 제조 (Example 2), titanium (Ti) using block the sputtering (sputtering), and heat-treated layer (blocking layer ) manufacturing
티탄(Ti) 타겟을 스퍼터(sputter) 장치에 장착하고 100 W, 2 mTorr, 상온 하에서 100초 동안 스퍼터링하여 투명전도성 기판 위에 30 nm 두께의 필름을 얻었다. 스퍼터링 된 티탄(Ti)을 고순도 산소(O2) 분위기에서 상온부터 150 ℃까지 분당 4 ℃로 승온시켰으며 150 ℃에서 30분 동안 등온으로 유지하여 수분을 제거한 후, 다시 500 ℃까지 분당 4 ℃로 승온시켰다. 500 ℃에서 60분간 열처리하여 증착한 티탄(Ti)을 이산화티탄(TiO2)으로 산화시키고 이산화티탄(TiO2)의 결정성 향상시킨 후 자연냉각시켰다. 도 4 (b)는 실시예 2 과정으로 제조된 차단층의 결정성을 XRD로 측정한 그래프이다. 도면에서 보다시피 열처리 후에 27.4° 근방에서 측정되는 TiO2 루타일(rutile) (110) 피크를 확인할 수 있다.The titanium (Ti) target was mounted on a sputter apparatus and sputtered at 100 W, 2 mTorr, and 100 seconds at room temperature to obtain a 30 nm thick film on the transparent conductive substrate. The sputtered titanium (Ti) was heated to 4 ° C. per minute from room temperature to 150 ° C. in a high purity oxygen (O 2 ) atmosphere and kept at 150 ° C. for 30 minutes to remove water, and then to 500 ° C. at 4 ° C. It heated up. 500 ℃ the titanium dioxide is deposited titanium (Ti) subjected to heat treatment for 60 minutes (TiO 2) was oxidized to improve the crystallinity of the titanium dioxide (TiO 2) was naturally cooled. Figure 4 (b) is a graph measuring the crystallinity of the barrier layer prepared in Example 2 by XRD. As can be seen in the figure, the TiO 2 rutile (110) peak measured near 27.4 ° after the heat treatment can be seen.
(비교예 1) 차단층을 형성시키지 않은 투명전도성 기판 Comparative Example 1 Transparent Conductive Substrate without Forming Blocking Layer
(비교예 2) 실시예 1과 동일하게 이산화티탄( TiO 2 )을 증착시킨 후 별도의 열처리를 하지 않은 투명전도성 기판 Comparative Example 2 A transparent conductive substrate which was not subjected to a separate heat treatment after depositing titanium dioxide ( TiO 2 ) as in Example 1
(실험예)Experimental Example
상기 실시예들 및 비교예들에 따라 제조된 차단층(blocking layer) 위에 이산화티탄(TiO2) 페이스트(STI, 18NR-T)를 닥터 블레이드(doctor blade) 방법으로 코팅한 후, 공기 분위기에서 상온부터 150 ℃까지 분당 4 ℃로 승온시켰으며 150 ℃에서 30분 동안 등온으로 유지시켰다. 그 후 500 ℃까지 분당 4 ℃로 다시 승온시켰으며 500 ℃에서 15분간 열처리한 후 자연냉각시켜 약 12 μm 두께의 이산화티탄(TiO2) 전극을 형성시켰다. Titanium dioxide (TiO 2 ) paste (STI, 18NR-T) was coated on a blocking layer prepared according to the above embodiments and comparative examples by a doctor blade method, and then, at room temperature in an air atmosphere. To 150 ° C. per minute at 4 ° C. and maintained at 150 ° C. for 30 minutes. Thereafter, the temperature was again increased to 4 ° C. per minute to 500 ° C., and heat-treated at 500 ° C. for 15 minutes, followed by natural cooling, to form a titanium dioxide (TiO 2 ) electrode having a thickness of about 12 μm.
상기 이산화티탄(TiO2) 전극을 염료 용액에 24시간 동안 담가서 염료분자를 흡착시켰으며, 본 실험에서는 0.5 mM 농도의 N719 (Solaronix) / 에틸 알코올 용액을 사용하였다. The titanium dioxide (TiO 2 ) electrode was immersed in a dye solution for 24 hours to adsorb dye molecules. In this experiment, a N719 (Solaronix) / ethyl alcohol solution of 0.5 mM concentration was used.
대전극의 백금층을 형성시키기 위해 10 mM 농도의 헥사클로로플라티늄산(H2PtCl6·xH2O, Aldrich) / 이소프로필 알코올 용액을 투명전도성 기판 위에 스핀코팅(1st; 500 rpm, 5 sec; 2nd; 1000 rpm, 5 sec; 3rd ; 2000 rpm, 40 sec) 한 후 공기 분위기에서 상온부터 400 ℃까지 분당 4 ℃로 승온시켰으며 400 ℃에서 15 분간 열처리한 후 자연냉각시켰다. Hexachloroplatinic acid (H 2 PtCl 6 · xH 2 O, Aldrich) / isopropyl alcohol solution at 10 mM concentration was spin coated onto the transparent conductive substrate (1st; 500 rpm, 5 sec; 2nd; 1000 rpm, 5 sec; 3rd; 2000 rpm, 40 sec) and then heated to 4 ° C. per minute from room temperature to 400 ° C. in an air atmosphere, and heat-treated at 400 ° C. for 15 minutes, followed by natural cooling.
전해질은 요오드계 산화-환원 쌍을 갖는 액체 전해질, 예를 들어 0.6 M의 1,2-디메틸-3-헥실-이미다졸리움 아이오다이드 (1,2-dimethyl-3-hexyl-imidazolium iodide), 0.2 M의 리튬 아이오다이드 (lithium iodide)와 0.1 M의 아이오딘 (iodine, I2)을 아세토나이트릴(acetonitrile)과 3-메톡시프로피오나이트릴(3-methoxypropionitrile)를 1:1로 혼합한 용액에 용해시킨 후 사용하였으며 개방 전압을 높여주기 위한 첨가제로 4-터셔리-부틸 피리딘(4-tertiary-butyl pyridine)을 0.5 M 농도로 첨가하였다. The electrolyte is a liquid electrolyte with an iodine-based redox pair, for example 1,2 M-dimethyl-3-hexyl-imidazolium iodide (1,2-dimethyl-3-hexyl-imidazolium iodide) of 0.6 M, A mixture of acetonitrile and 3-methoxypropionitrile in a 1: 1 mixture of 0.2 M lithium iodide and 0.1 M iodine (I 2 ) After dissolving in solution, 4-tertiary-butyl pyridine was added at a concentration of 0.5 M as an additive to increase the open voltage.
전해질이 새어 나오지 않도록 하기 위한 열 가소성 고분자는 25㎛ 두께의 Surlyn을 사용하였다.As a thermoplastic polymer to prevent leakage of electrolyte, Surlyn having a thickness of 25 μm was used.
도 5에서는 (a) 차단층이 없는 염료감응 태양전지 (비교예 1), (b) 차단층을 형성한 후 별도의 열처리를 하지 않은 염료감응 태양전지 (비교예 2), (c) 실시예 1로 제조된 염료감응 태양전지와 (d) 실시예 2로 제조된 염료감응 태양전지를 AM 1.5, 100 mW/cm2 조건에서 측정한 결과를 나타내었으며 정확한 값은 표 1에 나타내었다. In Figure 5 (a) dye-sensitized solar cell without the blocking layer (Comparative Example 1), (b) dye-sensitized solar cell (Comparative Example 2), (c) Example after the formation of the blocking layer is not subjected to a separate heat treatment The dye-sensitized solar cell prepared in Example 1 and (d) the dye-sensitized solar cell prepared in Example 2 were measured at AM 1.5 and 100 mW / cm 2 , and the exact values are shown in Table 1.
[표1] 비교예1,2와 실시예1,2의 물성 비교Table 1 Comparison of Physical Properties of Comparative Examples 1 and 2 and Examples 1 and 2
도 5와 상기 표 1에 의하면, 기존의 염료감응 태양전지에 비해 본 발명의 실시예 1,2에 의한 태양전지는 개방 전압, 단락 전류 면에서 비교예 1,2에 비해 월등히 향상된 값을 나타내었으며, 그 결과 에너지 변환 효율을 차단층이 없는 경우(비교예 1)에 비해 각각 23%, 16%, 차단층을 형성한 후 별도의 열처리 과정을 거치지 않은 경우(비교예 2)에 비해 각각 11%, 5% 이상 증가시킬 수 있었다.5 and Table 1, the solar cells according to Examples 1 and 2 of the present invention compared to the conventional dye-sensitized solar cells showed significantly improved values compared to Comparative Examples 1 and 2 in terms of open voltage and short circuit current. As a result, the energy conversion efficiency was 23% and 16%, respectively, compared to the case of no blocking layer (Comparative Example 1), and 11%, respectively, compared to the case in which no separate heat treatment was performed after forming the blocking layer (Comparative Example 2). , Could increase by more than 5%.
본 발명에 따른 결정성 높은 염료감응 태양전지용 차단층(blocking layer)은 반도체 산화물 전극에서 투명전도성 기판으로의 전자의 이동을 원활하게 하고, 투명전도성 기판상에서의 전자의 유출을 효과적으로 감소시킴으로써, 태양전지의 단락 전류, 개방 전압을 증대시켜 에너지 변환 효율을 향상시키는 이점을 가지는 것은 물론, 반도체 산화물 전극과 투명전도성 기판과의 물리적 접촉을 향상시켜서 태양전지의 내구성 역시 향상시키는 효과를 갖는다.The blocking layer for the highly crystalline dye-sensitized solar cell according to the present invention facilitates the movement of electrons from the semiconductor oxide electrode to the transparent conductive substrate and effectively reduces the outflow of electrons on the transparent conductive substrate, thereby providing a solar cell. In addition to increasing the short-circuit current and the open voltage, the energy conversion efficiency is improved, and the physical contact between the semiconductor oxide electrode and the transparent conductive substrate is improved, thereby improving durability of the solar cell.
본 발명은 도시된 실시예를 중심으로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 할 수 있는 다양한 변형 및 균등한 타 실시예를 포괄할 수 있음을 이해할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the illustrated embodiments, it is merely exemplary, and the present invention may encompass various modifications and equivalent other embodiments that can be made by those skilled in the art. Will understand.
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