KR100825730B1 - Die-sensitized solar cells including polymer electrolyte containing conductive particles suspended therein and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
전도성 입자가 분산된 고분자 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법에 관하여 개시한다. 본 발명에 따른 염료감응 태양전지에서 반도체 전극과 상대 전극과의 사이에 개재되는 전해질은 고분자 전해질과 상기 고분자 전해질 내에 분산되어 있는 복수의 전도성 입자를 포함한다. 전도성 입자를 포함하는 염료감응 태양전지를 제조하기 위하여, 겔형 고분자 전해질과 그 안에 분산되어 있는 복수의 전도성 입자들로 이루어지는 전해질이 반도체 전극과 상대 전극과의 사이에 주입될 수 있다. 또는, 액체 전해질 내에 모노머 유니트들이 용해된 용액과 복수의 전도성 입자들이 혼합된 전해질 조성물을 반도체 전극과 상대 전극과의 사이에 주입한 후, 주입된 모노머 유니트들을 중합시켜 고체형 고분자 전해질과 복수의 전도성 입자들로 이루어지는 전해질을 형성한다. Disclosed are a dye-sensitized solar cell including a polymer electrolyte in which conductive particles are dispersed, and a manufacturing method thereof. In the dye-sensitized solar cell according to the present invention, the electrolyte interposed between the semiconductor electrode and the counter electrode includes a polymer electrolyte and a plurality of conductive particles dispersed in the polymer electrolyte. In order to manufacture a dye-sensitized solar cell including conductive particles, an electrolyte consisting of a gel polymer electrolyte and a plurality of conductive particles dispersed therein may be injected between the semiconductor electrode and the counter electrode. Alternatively, an electrolyte composition containing a plurality of conductive particles and a solution in which monomer units are dissolved in a liquid electrolyte is injected between a semiconductor electrode and a counter electrode, and then the injected monomer units are polymerized to form a solid polymer electrolyte and a plurality of conductive materials. Forms an electrolyte consisting of particles.
염료감응, 태양전지, 고분자 전해질, 이온전도도, 전도성 입자 Dye-sensitized, solar cell, polymer electrolyte, ion conductivity, conductive particles
Description
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a dye-sensitized solar cell according to a preferred embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 플로차트이다. 2 is a flowchart for explaining a method of manufacturing a dye-sensitized solar cell according to the first embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 플로차트이다. 3 is a flowchart for explaining a method of manufacturing a dye-sensitized solar cell according to a second embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명> <Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10: 반도체 전극, 12: 제1 기판, 14: 금속산화물 반도체층, 20: 상대 전극, 22: 제2 기판, 24: 금속층, 40: 고분자층, 50: 전해질, 52: 고분자 전해질, 54: 전도성 입자, 100: 염료감응 태양전지. Reference Numerals 10: semiconductor electrode, 12: first substrate, 14: metal oxide semiconductor layer, 20: counter electrode, 22: second substrate, 24: metal layer, 40: polymer layer, 50: electrolyte, 52: polymer electrolyte, 54: conductivity Particles, 100: dye-sensitized solar cell.
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 특히 고분자 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지에 관한 것이다. The present invention relates to a solar cell, and more particularly to a dye-sensitized solar cell comprising a polymer electrolyte.
화석 연료 매장량의 고갈에 따라 반도체 등을 이용하여 태양 에너지를 전기 에너지로 전환하여 산업적으로 이용하기 위한 관심과 노력이 점차 증가하고 있다. 특히, 환경 오염에 따른 문제 및 에너지 고갈에 따른 문제를 해결하기 위한 기술 분야중 하나로서 환경오염 물질을 발생시키지 않고 전기를 발생하는 태양전지 기술에 대한 관심이 점차 증가하고 있다. 태양전지 중에서도 염료감응 태양전지는 기존의 p-n 접합에 의한 실리콘 태양전지와는 달리, 가시광선의 빛을 흡수하여 전자-홀 쌍 (electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료분자와, 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물을 주된 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다. 지금까지 알려진 염료감응 태양전지 중 대표적인 예로서 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의하여 발표된 것이 있다 (미국 특허공보 제4,927,721호 및 동 제5,350,644호). 그라첼 등에 의해 제안된 염료감응 태양전지는 염료 분자가 흡착된 나노입자 이산화티탄(TiO2)으로 이루어지는 반도체 전극, 백금 또는 탄소가 코팅된 상대 전극, 그리고 상기 반도체 전극과 상대 전극과의 사이에 채워진 전해질로 구성되어 있다. With the depletion of fossil fuel reserves, interest and efforts to convert industrial solar energy into electrical energy using semiconductors and the like have gradually increased. In particular, as one of the technical fields for solving the problems caused by environmental pollution and energy depletion, interest in solar cell technology that generates electricity without generating environmental pollutants is gradually increasing. Among the solar cells, dye-sensitized solar cells, unlike conventional silicon solar cells by pn junctions, are photosensitive dye molecules capable of absorbing visible light and generating electron-hole pairs, and generated electrons. It is a photoelectrochemical solar cell whose main constituent material is a transition metal oxide that transfers. Representative examples of dye-sensitized solar cells known to date have been published by Gratzel et al., Switzerland (US Pat. Nos. 4,927,721 and 5,350,644). The dye-sensitized solar cell proposed by Gratzel et al. Is a semiconductor electrode composed of nanoparticle titanium dioxide (TiO 2 ) on which dye molecules are adsorbed, a counter electrode coated with platinum or carbon, and filled between the semiconductor electrode and the counter electrode. It consists of an electrolyte.
종래의 염료감응 태양전지는 고체형의 산화-환원종을 유기 용매에 용해시킨 액체 전해질을 포함하고 있다. 따라서, 태양광에 의해 태양전지의 외부 온도가 증가될 때 전해질 용매가 태양전지로부터 휘발될 가능성이 있다. 따라서, 액체 전해 질은 염료감응 태양전지의 장기적 안정성을 확보할 수 없게 되어 실용화되는 데 제약이 있다. Conventional dye-sensitized solar cells include a liquid electrolyte in which a solid oxidation-reducing species is dissolved in an organic solvent. Therefore, there is a possibility that the electrolyte solvent is volatilized from the solar cell when the external temperature of the solar cell is increased by sunlight. Therefore, the liquid electrolytic material is unable to secure the long-term stability of the dye-sensitized solar cell is limited in practical use.
상기와 같은 액체 전해질을 사용하는 데 따른 문제점을 해결하기 위한 노력으로서 최근에는 고분자 전해질을 사용하고자 하는 노력이 시도되고 있다. 고분자 전해질을 채용하는 태양전지의 일 예로서 액체 전해질에 저분자 또는 고분자 겔화제를 첨가하여 얻어진 겔형 고분자 전해질이 양극과 음극 사이의 공간에 채워진 구성을 가지는 태양전지가 제안되었다. 그러나, 고분자 전해질은 액체 전해질에 비해 염료감응 태양전지에서의 에너지 변환 효율이 감소되는 문제가 있다. 보다 상세히 설명하면, 염료감응 태양전지는 반도체 전극의 반도체 산화물 표면에 흡착되어 빛을 흡수하고 전자를 발생시키는 염료의 양을 증가시키기 위하여 반도체 전극에 형성되는 수 내지 수 백 나노미터 수준의 입자 사이즈를 가지는 나노입자 반도체 산화물층의 표면적을 증가시켜야 한다. 그러나, 염료에 의하여 반도체 산화물에 전달된 전자가 반도체 산화물층을 통과하는 동안 태양전지에 존재하는 산화된 화학종에 의해 재결합되는 과정을 통해 전자가 손실된다. 이러한 재결합 과정에서는 염료 분자에서 빛 흡수에 의해 생성된 전자가 반도체 전극에 주입됨으로써 전자가 부족하게 된 산화된 염료 분자와 반도체 전극의 전자가 재결합함으로써 에너지 손실이 발생하게 된다. 산화된 염료 분자에 의한 재결합 과정을 최소화하기 위하여 전해질을 구성하고 있는 산화-환원종이 상대 전극의 백금층으로부터 공급되는 전자를 산화된 염료에 원활히 공급하여야 빛에 의하여 발생된 전자의 손실을 방지할 수 있다. 기존의 유기 용매를 사용하는 액체 전해질은 이온전도도가 매우 우수하여 산화-환원 종에 의한 전자 공급 속도가 충분하나, 고분자 전해질의 경우에는 액체 전해질에 비해 이온전도도가 매우 낮아 산화된 염료를 충분히 빠른 속도로 재생시키는 데 한계가 있다. 또한, 겔형 고분자 전해질은 나노입자 산화물층 내부의 입자들 사이의 미세한 공간까지 채워지지 못하여 액체 전해질에 비해 산화된 염료를 효과적으로 환원시키는데 한계가 있으므로 에너지 변환 효율이 낮아지게 된다. In an effort to solve the problems associated with using the liquid electrolyte as described above, efforts have recently been made to use a polymer electrolyte. As an example of a solar cell employing a polymer electrolyte, a solar cell having a configuration in which a gel polymer electrolyte obtained by adding a low molecule or a polymer gelling agent to a liquid electrolyte is filled in a space between an anode and a cathode is proposed. However, the polymer electrolyte has a problem that the energy conversion efficiency in the dye-sensitized solar cell is reduced compared to the liquid electrolyte. In more detail, the dye-sensitized solar cell has a particle size of several to several hundred nanometers formed in the semiconductor electrode to increase the amount of dye absorbed by the semiconductor oxide surface of the semiconductor electrode to absorb light and generate electrons. The branches should increase the surface area of the nanoparticle semiconductor oxide layer. However, the electrons lost to the semiconductor oxide by the dye are recombined by the oxidized species present in the solar cell while passing through the semiconductor oxide layer. In this recombination process, electrons generated by light absorption in the dye molecules are injected into the semiconductor electrode, thereby causing an energy loss by recombination of the oxidized dye molecules in which the electrons are deficient and the electrons of the semiconductor electrode. In order to minimize the recombination process by the oxidized dye molecule, the redox species constituting the electrolyte must supply the oxidized dye with electrons supplied from the platinum layer of the counter electrode to prevent the loss of electrons generated by light. have. Liquid electrolytes using conventional organic solvents have very good ion conductivity, which is sufficient to supply electrons by oxidation-reducing species, but polymer electrolytes have very low ion conductivity compared to liquid electrolytes, resulting in sufficiently fast oxidized dyes. There is a limit to regeneration. In addition, the gel polymer electrolyte is not filled to the minute spaces between the particles in the nanoparticle oxide layer has a limit to effectively reduce the oxidized dye compared to the liquid electrolyte, thereby lowering the energy conversion efficiency.
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술에서의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 고분자 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지에서 고분자 전해질의 이온전도도를 향상시켜 에너지 변환 효율의 감소 없이 온도 안정성을 확보할 수 있는 염료감응 태양전지를 제공하는 것이다. An object of the present invention is to solve the problems in the prior art, a dye that can ensure the temperature stability without reducing the energy conversion efficiency by improving the ion conductivity of the polymer electrolyte in a dye-sensitized solar cell comprising a polymer electrolyte It is to provide a sensitized solar cell.
본 발명의 다른 목적은 고분자 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지에서 고분자 전해질의 이온전도도를 향상시켜 에너지 변환 효율의 감소 없이 온도 안정성을 확보할 수 있는 염료감응 태양전지의 제조 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a dye-sensitized solar cell that can secure temperature stability without reducing energy conversion efficiency by improving the ion conductivity of the polymer electrolyte in a dye-sensitized solar cell including the polymer electrolyte.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 전도성 제1 기판과, 상기 제1 기판 위에 형성된 금속산화물 반도체층과, 상기 금속산화물 반도체층 위에 흡착된 염료분자층을 포함하는 반도체 전극과, 전도성 제2 기판과, 상기 제2 기판 위에 형성된 금속층을 포함하는 상대 전극을 포함한다. 상기 반도체 전극과 상기 상대 전극과의 사이에는 고분자 전해질과 상기 고분자 전해질 내에 분산되어 있는 복수의 전도성 입자를 포함하는 전해질이 개재되어 있다. In order to achieve the above object, the dye-sensitized solar cell according to the present invention is a semiconductor electrode comprising a conductive first substrate, a metal oxide semiconductor layer formed on the first substrate, and a dye molecule layer adsorbed on the metal oxide semiconductor layer And a counter electrode including a conductive second substrate and a metal layer formed on the second substrate. An electrolyte including a polymer electrolyte and a plurality of conductive particles dispersed in the polymer electrolyte is interposed between the semiconductor electrode and the counter electrode.
상기 고분자 전해질은 겔형 고분자 전해질 또는 고체형 고분자 전해질로 이루어질 수 있다. The polymer electrolyte may be made of a gel polymer electrolyte or a solid polymer electrolyte.
상기 전도성 입자는 금속 분말, 반도체 산화물, 탄소화합물, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 물질로 이루어질 수 있다. The conductive particles may be made of a material selected from the group consisting of metal powders, semiconductor oxides, carbon compounds, and combinations thereof.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법에서는 염료 분자가 흡착된 금속산화물 반도체층을 포함하는 반도체 전극과, 금속층을 포함하는 상대 전극을 각각 준비한다. 상기 염료 분자가 흡착된 금속산화물 반도체층과 상기 금속층이 이들 사이에 소정 공간을 두고 상호 대향하도록 상기 반도체 전극 및 상기 상대 전극을 정렬한다. 겔형 고분자 전해질과 상기 겔형 고분자 전해질 내에 균일하게 분산되어 있는 복수의 전도성 입자들로 이루어지는 전해질을 상기 반도체 전극과 상기 상대 전극과의 사이의 소정 공간 내에 주입한다. In order to achieve the above another object, in the method of manufacturing a dye-sensitized solar cell according to an aspect of the present invention, a semiconductor electrode including a metal oxide semiconductor layer on which dye molecules are adsorbed, and a counter electrode including a metal layer are prepared. The semiconductor electrode and the counter electrode are aligned such that the metal oxide semiconductor layer on which the dye molecules are adsorbed and the metal layer face each other with a predetermined space therebetween. An electrolyte composed of a gel polymer electrolyte and a plurality of conductive particles uniformly dispersed in the gel polymer electrolyte is injected into a predetermined space between the semiconductor electrode and the counter electrode.
또한, 상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법에서는 염료 분자가 흡착된 금속산화물 반도체층을 포함하는 반도체 전극과, 금속층을 포함하는 상대 전극을 각각 준비한다. 액체 전해질 내에 소정의 모노머 유니트들이 용해된 용액과 복수의 전도성 입자들이 혼합된 전해질 조성물을 준비한다. 상기 염료 분자가 흡착된 금속산화물 반도체층과 상기 금속층이 이들 사이에 소정 공간을 두고 상호 대향하도록 상기 반도체 전극 및 상기 상대 전극을 정렬한다. 상기 전해질 조성물을 상기 반도체 전극과 상기 상대 전극과의 사이의 소정 공간 내에 주입한다. 상기 주입된 전해질 조성물 내의 모노머 유니 트들을 중합시켜 고체형 고분자 전해질과 상기 고체형 고분자 전해질 내에 균일하게 분산되어 있는 복수의 전도성 입자들로 이루어지는 전해질을 형성한다. In addition, in order to achieve the above another object, in the method for manufacturing a dye-sensitized solar cell according to an aspect of the present invention, a semiconductor electrode including a metal oxide semiconductor layer on which dye molecules are adsorbed, and a counter electrode including a metal layer are prepared, respectively. do. An electrolyte composition in which a plurality of conductive particles are mixed with a solution in which predetermined monomer units are dissolved in a liquid electrolyte is prepared. The semiconductor electrode and the counter electrode are aligned such that the metal oxide semiconductor layer on which the dye molecules are adsorbed and the metal layer face each other with a predetermined space therebetween. The electrolyte composition is injected into a predetermined space between the semiconductor electrode and the counter electrode. The monomer units in the injected electrolyte composition are polymerized to form an electrolyte including a solid polymer electrolyte and a plurality of conductive particles uniformly dispersed in the solid polymer electrolyte.
본 발명에 의하면, 외부 요인에 의한 온도 증가로 인해 초래될 수 있는 장기적 안정성을 고분자 전해질을 사용함으로써 해결하는 동시에, 상기 고분자 전해질 내에 분산된 전도성 입자들에 의해 전해질에서의 이온전도도가 향상되어 장기적으로 안정되고 에너지 변환 효율이 개선된 염료감응 태양전지를 제공할 수 있다. According to the present invention, the long-term stability that may be caused by the temperature increase due to external factors is solved by using the polymer electrolyte, and the ionic conductivity in the electrolyte is improved by the conductive particles dispersed in the polymer electrolyte. It is possible to provide a dye-sensitized solar cell which is stable and has improved energy conversion efficiency.
다음에, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Next, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
다음에 설명하는 본 발명의 실시예들은 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 도면에서, 층 및 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되어진 것이다. 각 실시예들에서, 동일한 도면 참조부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. The embodiments of the present invention described below may be modified in various forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more fully illustrate the present invention. In the drawings, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity. In each of the embodiments, like reference numerals refer to like elements throughout.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 염료감응 태양전지(100)의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a dye-sensitized
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지(100)는 상호 대향하고 있는 반도체 전극(10) 및 상대 전극(20)을 포함한다. Referring to FIG. 1, the dye-sensitized
상기 반도체 전극(10)은 전도성 제1 기판(12)과, 상기 제1 기판(12) 위에 형성되어 있는 금속산화물 반도체층(14)을 포함한다. 상기 금속산화물 반도체층(14) 위에는 염료분자층(도시 생략)이 화학적으로 흡착되어 있다. 상기 금속산화물 반도체층(14)은 예를 들면 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO), 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 상기 금속산화물 반도체층(14)은 약 5 ∼ 30 nm의 입경을 가지는 나노입자 이산화티탄(TiO2)으로 이루어진다. 상기 금속산화물 반도체층(14)은 약 5 ∼ 30 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 또한, 상기 금속산화물 반도체층(14)에 흡착된 염료분자층은 루테늄 착체(錯體)로 이루어질 수 있다. The
상기 상대 전극(20)은 전도성 제2 기판(22)과, 상기 제2 기판(22) 위에 형성된 금속층(24)을 포함한다. 상기 금속층(24)은 백금으로 이루어질 수 있다. The
상기 제1 기판(12) 및 제2 기판(22)은 각각 ITO(indium tin oxide), FTO (fluorine-doped tin oxide), 표면에 SnO2가 코팅되어 있는 유리 기판, 또는 전도성 고분자 기판으로 이루어질 수 있다. The
상기 반도체 전극(10) 및 상대 전극(20)은 상기 반도체 전극(10)의 금속산화물 반도체층(14)과 상기 상대 전극(20)의 금속층(24)이 상호 대향하도록 배치된다. 상기 반도체 전극(10)과 상기 상대 전극(20)은 이들 사이에 지지되어 있는 고분자층(40)에 의해 소정 간격을 유지하는 상태로 이격되어 있다. The
상기 반도체 전극(10)과 상기 상대 전극(20)과의 사이의 공간에는 전해질(50)이 채워져 있다. 상기 전해질(50)은 요오드계 산화-환원종과 고분자가 혼합된 고분자 전해질(52)과, 상기 고분자 전해질(52) 내에 소정 밀도로 균일하게 분산 되어 있는 복수의 전도성 입자(54)를 포함한다. The
상기 고분자 전해질(52)을 구성하는 요오드계 산화-환원종은 I3 -/I- 레독스 쌍 (redox couple)으로 이루어진다. 예를 들면, 상기 요오드계 산화-환원종은 0.7 M의 1-비닐-3-메틸-이미다졸륨 아이오다이드 (1-vinyl-3-methyl-imidazolium iodide)와, 0.1 M의 LiI와, 40 mM의 I2 (iodine)를 3-메톡시프로피오니트릴 (3-methoxypropionitrile) 또는 N-메틸-2-피롤리돈 (N-methyl-2-pyrrolidone: NMP) 용매에 녹인 혼합물로 이루어질 수 있다. 상기 고분자 전해질(52)을 구성하는 고분자는 예를 들면 폴리비닐리덴 플로라이드 (poly(vinylidene fluoride): PVDF), 폴리에틸렌글리콜(poly(ethylene glycole): PEG), 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide): PEO), 또는 이들의 유도체 등으로 이루어질 수 있다. 상기 고분자 전해질(52)은 겔형 또는 고체형 고분자 전해질로 이루어질 수 있다. The iodine-based redox species constituting the
상기 전도성 입자(54)는 상기 전해질(50)의 이온전도도 향상을 위하여 첨가되는 것으로, 예를 들면 금속 분말, 반도체 산화물, 탄소화합물, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 상기 전도성 입자(54)를 구성하는 데 적합한 금속 분말은 예를 들면 금, 백금, 은, 수은, 구리, 니켈, 철, 알루미늄 등으로 이루어질 수 있다. 상기 전도성 입자(54)를 구성하는 데 적합한 반도체 산화물은 SnO2, ZnO, Fe2O3, WO3, In2O3, CdSe, CdS, BaTiO3 등으로 이루어질 수 있다. 상기 전도성 입자(54)를 구성하는 데 적합한 탄소화합물은 카본블랙, C60, 탄소나노튜브, 흑연 등 으로 이루어질 수 있다. The
상기 전해질(50) 내에서 상기 전도성 입자(54)는 상기 전해질(50)의 총 중량을 기준으로 약 1 ∼ 30 중량%, 바람직하게는 약 5 ∼ 10 중량%의 양으로 포함될 수 있다. 상기 전해질(50) 내에서 상기 전도성 입자(54)의 함량이 너무 많으면 고분자 전해질(52) 및 전도성 입자(54)로 이루어지는 전해질(50) 제조 과정중에 용매에 고분자 및 요오드계 산화-환원종과 전도성 입자(50)를 포함하는 용액의 점성이 증가하여 상기 전해질(50) 내에서 상기 전도성 입자(50)의 균일한 분산 분포를 확보하는 데 있어서 어려움이 따를 수 있다. The
상기 전도성 입자(54)는 약 5 ∼ 100 nm의 입경 사이즈를 가질 수 있다. The
도 1에 예시된 염료감응 태양전지(100)의 작동에 대하여 설명하면 다음과 같다. Referring to the operation of the dye-sensitized
외부로부터 염료감응 태양전지(100) 내로 입사된 빛은 상기 반도체 전극(10)의 금속산화물 반도체층(14)에 흡착된 염료 분자에 의해 흡수되고, 상기 염료 분자는 여기되어 전자를 상기 금속산화물 반도체층(14)의 전도대로 주입하게 된다. 상기 금속산화물 반도체층(14)으로 주입된 전자는 입자간 계면을 통해 상기 금속산화물 반도체층(14)에 접하고 있는 상기 제1 기판(12)에 전달되고, 외부 전선(도시 생략)을 통해 상대 전극(20)으로 이동된다. 전자 전이의 결과로 산화된 염료 분자는 전해질 용액(50) 내의 요오드 이온의 산화 환원 작용(3I- → I3 - + 2e-)에 의하여 제 공되는 전자를 받아 다시 환원되며, 산화된 요오드 이온(I3 -)은 상대 전극(20)에 도달한 전자에 의해 다시 환원되어 염료감응 태양전지(100)의 작동 과정이 완성된다. 이 때, 외부 회로를 통하여 상기 상대 전극(20)에 도착된 전자는 상기 제2 기판(22) 상에 형성된 금속층(24), 예를 들면 백금층에 도달하게 된다. 이러한 과정 중에, 겔형 또는 고체형으로 존재하는 상기 고분자 전해질(52) 내에서 I3 -/I- 의 산화 환원 작용이 자유롭지 못한 경우에도 상기 전해질(50) 내에 균일하게 분산되어 있는 상기 전도성 입자(54)가 I3 -와 I- 와의 사이에서 다리 역할을 하게 되어 이들 사이에 전자 전달이 원활하게 이루어질 수 있다. 따라서, 외부 회로를 거쳐 상기 상대 전극(20)의 금속층(24)에 도달한 전자들이 고분자 전해질(52) 내의 요오드계 산화-환원종에 의해 상기 염료 분자까지 원활하게 전달될 수 있어서, 산화된 염료 분자가 충분히 빠른 속도로 재생될 수 있다. Light incident from the outside into the dye-sensitized
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 염료감응 태양전지(100)의 제조 방법을 설명하기 위한 플로차트이다. 2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing the dye-sensitized
도 2를 참조하면, 먼저 단계 210에서, 염료 분자가 흡착된 금속산화물 반도체층(14)을 포함하는 반도체 전극(10)과, 금속층(24)을 포함하는 상대 전극(20)을 각각 준비한다. Referring to FIG. 2, first, in
이를 위하여, 예를 들면 다음과 같은 과정을 행할 수 있다. For this purpose, for example, the following procedure can be performed.
먼저, 음극인 상기 반도체 전극(10)을 제조하기 위하여, 전이금속산화물을 제조한다. 이를 위하여, 티타늄(IV)이소프로폭사이드와 아세트산을 사용하여 220℃로 유지되는 오토클레이브에서 수열합성 (hydrothermal synthesis) 방법에 의하여 이산화티탄 콜로이드 용액을 합성한다. 얻어진 용액 내에서 이산화티탄의 함량이 10 ∼ 15 중량%로 될 때까지 상기 합성된 이산화티탄 콜로이드 용액으로부터 용매를 증발시켜 약 5 ∼ 30 ㎚의 나노사이즈를 가지는 나노입자 이산화티탄 콜로이드 용액을 얻는다. 상기와 같은 방법으로 얻어진 이산화티탄 콜로이드 용액에 폴리에틸렌글리콜과 폴리에틸렌옥사이드를 상기 이산화티탄 콜로이드 용액의 총 중량을 기준으로 약 30 ∼ 50 중량%의 양으로 첨가하여 점성이 있는 나노입자 이산화티탄 혼합물을 제조한다. First, in order to manufacture the
상기와 같이 얻어진 혼합물을 상기 제1 기판(12), 예들 들면 ITO 또는 SnO2가 코팅되어 있는 투명한 전도성 유리 기판 위에 약 10 ㎛의 두께로 코팅한 후, 약 450 ∼ 550 ℃의 온도로 가열하여 폴리에틸렌글리콜과 폴리에틸렌옥사이드를 제거하고, 나노입자 산화물들간의 접촉 및 충진이 이루어지도록 한다. 나노입자 이산화티탄이 코팅되어 있는 상기 제1 기판(12)을 루테늄 착체로 이루어지는 염료 용액 내에 24시간 이상 담그어둠으로써 염료 분자가 흡착된 금속산화물 반도체층(14)을 포함하는 음극을 완성한다. The mixture obtained as described above is coated on the
양극인 상기 상대 전극(20)을 형성하기 위하여, 상기 제2 기판(20), 예들 들면 ITO 또는 SnO2가 코팅되어 있는 투명한 전도성 유리 기판 위에 백금층을 코팅한다. In order to form the
도 2의 단계 220에서, 상기 염료 분자가 흡착된 금속산화물 반도체층(14)과 상기 금속층(24)이 이들 사이에 소정 공간을 두고 상호 대향하도록 상기 반도체 전극(10) 및 상기 상대 전극(20)을 정렬한다. In
이를 위하여, 상기 반도체 전극(10) 및 상기 상대 전극(20)에서 상기 염료 분자가 흡착된 금속산화물 반도체층(14)과 상기 금속층(24)이 상호 대향하도록 배치한 후, 상기 반도체 전극(10) 및 상기 상대 전극(20) 사이에 예를 들면 SURLYN (Du Pont사제의 상품명)으로 이루어지는 약 30 ∼ 50 ㎛ 두께의 고분자층(40)을 놓고 약 100 ∼ 140 ℃의 가열판상에서 약 1 ∼ 3 기압으로 상기 두 전극을 밀착시키는 공정을 이용할 수 있다. To this end, the
도 2의 단계 230에서, 겔형 고분자 전해질과 상기 겔형 고분자 전해질 내에 균일하게 분산되어 있는 복수의 전도성 입자들로 이루어지는 전해질(50)을 상기 반도체 전극(10)과 상기 상대 전극(20)과의 사이의 소정 공간 내에 주입한다. In
상기 전해질(50)을 제조하는 과정을 예시하면 다음과 같다. 먼저, 요오드계 산화-환원종을 포함하는 액제 전해질 내에 전도성 입자(54)를 첨가하고 교반하여 균일하게 분산시킨 후 원하는 점도가 얻어질 때 까지 고분자 전해질(52)을 첨가하고 교반하여 상기 고분자 전해질(52) 내에 상기 복수의 전도성 입자(54)를 균일하게 분산시킨다. For example, the process of manufacturing the
상기와 같이 얻어진 고분자 전해질(52) 및 전도성 입자(54)를 포함하는 전해질(50)을 상기 상대 전극(20)에 형성된 미세 구멍(도시 생략)을 통해 상기 반도체 전극(10)과 상기 상대 전극(20)과의 사이의 소정 공간 내에 주입하여 상기 소정 공 간을 완전히 채운 후, 상기 미세 구멍을 막는다. The
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 염료감응 태양전지(100)의 제조 방법을 설명하기 위한 플로차트이다. 3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing the dye-sensitized
도 3을 참조하면, 단계 310에서, 도 2의 단계 210에서 설명한 바와 같은 방법으로 염료 분자가 흡착된 금속산화물 반도체층(14)을 포함하는 반도체 전극(10)과, 금속층(24)을 포함하는 상대 전극(20)을 각각 준비한다. Referring to FIG. 3, in
단계 320에서, 요오드계 산화-환원종을 포함하는 액체 전해질 내에 소정의 모노머 유니트들이 소정의 농도로 용해된 용액을 준비하고, 이 용액 내에 복수의 전도성 입자(54)를 소정 농도로 혼합하여 전해질 조성물을 준비한다. 필요에 따라, 상기 전해질 조성물 내에는 상기 모노머 유니트들의 중합에 필요한 가교제, 예를 들면 중합 메카니즘에 따라 열 가교제, 자외선 경화제 등을 더 포함할 수 있다. In
상기 전해질 조성물을 준비하기 위하여, 0.7 M의 1-비닐-3-메틸-이미다졸륨 아이오다이드와, 0.1 M의 LiI와, 40 mM의 I2 를 3-메톡시프로피오니트릴 또는 N-메틸-2-피롤리돈 용매에 녹인 혼합물 내에 고분자 합성에 필요한 모노머 유니트들이 소정 농도로 용해된 용액을 준비한 후, 여기에 전도성 입자(50)를 원하는 농도로 분산시킬 수 있다. In order to prepare the electrolyte composition, 0.7 M of 1-vinyl-3-methyl-imidazolium iodide, 0.1 M of LiI, and 40 mM I 2 of 3-methoxypropionitrile or N-methyl After preparing a solution in which monomer units necessary for polymer synthesis are dissolved at a predetermined concentration in a mixture dissolved in 2-pyrrolidone solvent, the
단계 330에서, 도 2의 단계 220에서 설명한 바와 같은 방법으로 상기 염료 분자가 흡착된 금속산화물 반도체층(14)과 상기 금속층(24)이 이들 사이에 소정 공간을 두고 상호 대향하도록 상기 반도체 전극(10) 및 상기 상대 전극(20)을 정렬한 다. In
단계 340에서, 단계 320에서 얻어진 상기 전해질 조성물을 상기 반도체 전극(10)과 상기 상대 전극(20)과의 사이의 소정 공간 내에 주입한다. In
단계 350에서, 상기 소정 공간 내에 주입된 전해질 조성물 내의 모노머 유니트들을 중합시켜 고체형 고분자 전해질과 상기 고체형 고분자 전해질 내에 균일하게 분산되어 있는 복수의 전도성 입자(54)로 이루어지는 전해질(50)을 형성한다. In
상기 모노머 유니트들의 중합을 위하여 상기 전해질 조성물에 열, 자외선 등을 인가할 수 있다. Heat, ultraviolet light, or the like may be applied to the electrolyte composition to polymerize the monomer units.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 반도체 전극과 상기 상대 전극과의 사이에 개재된 전해질이 고분자 전해질과 상기 고분자 전해질 내에 분산되어 있는 복수의 전도성 입자로 구성되어 있다. 상기 고분자 전해질 내에 분산되어 있는 전도성 입자들에 의해 겔형 또는 고체형 고분자 전해질에서의 이온전도도 감소에 따른 문제를 해결하고 에너지 변환 효율 저하를 개선할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 외부 요인에 의한 온도 증가로 인해 초래될 수 있는 장기적 안정성을 고분자 전해질을 사용함으로써 해결하는 동시에, 상기 고분자 전해질 내에 분산된 전도성 입자들이 요오드계 산화-환원종을 구성하는 I3 -/I- 레독스 쌍 사이에서 음이온 전도의 다리 역할을 하여 전자 전달이 원활하게 이루어지도록 함으로써 장기적으로 안정되고 에너지 변환 효율이 개선된 광전기화학적 특성의 태양 전지를 제공할 수 있다. The dye-sensitized solar cell according to the present invention is composed of a plurality of conductive particles in which an electrolyte interposed between a semiconductor electrode and the counter electrode is dispersed in the polymer electrolyte and the polymer electrolyte. The conductive particles dispersed in the polymer electrolyte may solve the problem of reducing the ion conductivity in the gel or solid polymer electrolyte and improve the energy conversion efficiency. Therefore, the dye-sensitized solar cell according to the present invention solves the long-term stability that may be caused by an increase in temperature due to external factors by using a polymer electrolyte, and the conductive particles dispersed in the polymer electrolyte are iodine-based redox species. / I - - les by ensuring by the bridge of the anion conducting done electron transfer smoothly between the redox pair and the long term stability as it is possible to provide a solar cell having a photoelectric chemical properties of the energy conversion efficiency I 3 constituting the .
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다. In the above, the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and changes by those skilled in the art within the spirit and scope of the present invention. This is possible.
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