KR100931134B1 - Dye-Sensitized Solar Cell Using Titanium Oxide Nanotubes and Its Manufacturing Method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산화티타늄 나노튜브를 이용한 염료감응형 태양전지와 그 제조방법에 관한 것으로서, 양극산화 알루미나법으로 제조된 산화티타늄 나노튜브를 이용하여 반도체 전극을 구성함으로써, 산화티타늄 미세 입자를 소결하여 구성된 전극을 사용하던 종래의 염료감응형 태양전지의 문제점인 낮은 광변환 효율의 문제점이 극복되고, 소자 특성의 향상과 더불어 비표면적이 큰 이산화티타늄막의 형성으로 많은 태양광 흡수, 전해질의 침투성 향상의 장점을 가지는 산화티타늄 나노튜브를 이용한 염료감응형 태양전지와 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a dye-sensitized solar cell using titanium oxide nanotubes and a method for manufacturing the same, wherein a semiconductor electrode is constructed using titanium oxide nanotubes prepared by anodizing alumina, and sintered titanium oxide fine particles The problem of low light conversion efficiency, which is a problem of the conventional dye-sensitized solar cell using the electrode, is overcome, and the improvement of device characteristics and formation of a titanium dioxide film having a large specific surface area can absorb a lot of sunlight and improve the permeability of the electrolyte. It relates to a dye-sensitized solar cell using a titanium oxide nanotube having a and a method of manufacturing the same.
염료감응, 태양전지, 산화티타늄 나노튜브, 양극산화, 다공성 알루미나 주형 Dye-sensitized, solar cell, titanium oxide nanotubes, anodization, porous alumina template
Description
본 발명은 염료감응형 태양전지와 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 양극산화 알루미나법으로 제조된 산화티타늄 나노튜브를 포함하여 이루어진 반도체 전극을 가지는 염료감응형 태양전지와 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a dye-sensitized solar cell and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a dye-sensitized solar cell having a semiconductor electrode comprising titanium oxide nanotubes produced by anodized alumina method and a method of manufacturing the same. will be.
일반적으로 태양전지는 태양에너지를 전기에너지로 변화시키는 소자이다.In general, solar cells are devices that convert solar energy into electrical energy.
1991년도 스위스 국립 로잔 고등기술원(EPFL)의 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 연구팀에 의해 염료감응 나노입자 이산화티타늄(아나타제 구조) 태양전지가 개발된 이후[B. O'Regen, M. Gratzel, Nature 353, 737(1991)] 이 분야에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. Since the development of dye-sensitized nanoparticle titanium dioxide (Anatase structure) solar cells in 1991 by Michael Gratzel of the Swiss National Lausanne Institute of Advanced Technology (EPFL) [B. O'Regen, M. Gratzel, Nature 353, 737 (1991)] There is much research in this area.
염료감응형 태양전지는 기존의 p-n형 태양전지에 비해 제조단가가 낮으면서 에너지 변환 효율이 높기 때문에 기존의 비정질 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 가능성을 가지고 있다. Dye-sensitized solar cells have the potential to replace conventional amorphous silicon solar cells because they have lower manufacturing costs and higher energy conversion efficiency than conventional p-n solar cells.
그라첼 등에 의한 염료감응형 태양전지는, 실리콘 태양전지와 달리, 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료분자와, 생성된 전자를 전달하는 나노 결정성 산화티타늄 입자로 이루어진 산화물 반도체 전극을 이용한 광전기화학적 태양전지로서, 가시광선의 빛을 받아 염료에서 여기된 전자를 n 형 반도체인 산화티타늄으로 전달하고 액체 전해질에 포함되어 있는 I-/I3 -의 전기화학적인 산화-환원반응을 통해 염료를 재생시킴으로써 전류를 생성하게 된다.Dye-sensitized solar cells by Gratzel et al., Unlike silicon solar cells, are photosensitive dye molecules capable of absorbing visible light to generate electron-hole pairs, and nanocrystals for transferring the generated electrons. as Photoelectrochemical solar cell using an oxide semiconductor electrode made of a castle titania particles, passing the excited electrons in the dye receiving light of visible light to the n type semiconductor titanium oxide, and I that is included in the liquid electrolyte in the - / I 3 Current is generated by regenerating the dye through an electrochemical redox reaction.
이러한 염료감응형 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 제조단가가 낮으면서 박막형 태양전지에 비해 에너지 변환 효율이 높기 때문에 태양광 변환소자로서 크게 기대되고 있으며, 실용화를 위한 많은 연구가 진행되고 있다.The dye-sensitized solar cell is expected to be greatly expected as a solar conversion device because the manufacturing cost is lower than the conventional silicon solar cell and the energy conversion efficiency is higher than the thin film type solar cell, and many studies for practical use have been conducted.
이러한 태양전지에서의 에너지 변환 효율은 광 흡수에 의해 생성된 전자의 양에 비례하기 때문에 많은 양의 전자를 생성하기 위해서는 염료분자의 흡착량을 증가시켜야 한다. Since the energy conversion efficiency in such a solar cell is proportional to the amount of electrons generated by light absorption, the amount of adsorption of dye molecules must be increased in order to generate a large amount of electrons.
따라서, 단위면적당 흡착된 염료분자의 농도를 증가시키기 위해서는 전이금속 산화물 입자를 나노 크기로 제조할 것이 요구되며, 이러한 나노입자 제조기술은 염료감응형 태양전지를 제조하는데 있어서 매우 중요한 핵심기술 중의 하나이다.Therefore, in order to increase the concentration of the dye molecules adsorbed per unit area, it is required to prepare the transition metal oxide particles in nano size, and such nano particle manufacturing technology is one of the very important core technologies in manufacturing dye-sensitized solar cells.
그러나, 지금까지의 염료감응형 태양전지는 결정질 실리콘 태양전지에 비해 광변환 효율이 낮기 때문에 상용화를 위해서 효율 증대를 위한 여러 가지 방법이 모색되고 있다. However, conventional dye-sensitized solar cells have lower light conversion efficiency than crystalline silicon solar cells, and various methods for increasing efficiency have been sought for commercialization.
그 예로, 산화티타늄을 이용한 전극 재료 개발, 고효율의 염료 개발, 탄소나노튜브(CNT)를 이용한 상대 전극의 개발 등 다양한 방법들이 알려져 있다. For example, various methods are known such as electrode material development using titanium oxide, dye development of high efficiency, and development of counter electrode using carbon nanotube (CNT).
그 중에 산화티타늄을 이용한 전극 재료 개발은 산화티타늄 나노입자가 결정 형태, 입자 크기, 입자 구조에 따라 영향을 받는 것을 기초로 나노입자형, 박막형, 다공성 입자 등 다양한 형태로 개발되고 있다. Among them, electrode material development using titanium oxide is being developed in various forms such as nanoparticle type, thin film type, porous particle based on the influence of titanium oxide nanoparticles depending on the crystal form, particle size and particle structure.
최근 많은 관심을 가지고 있는 나노튜브형과 나노로드형의 산화티타늄의 제조법으로서는 구형 나노입자를 강알칼리에서 처리하여 나노튜브로 성장시키는 방법 (미국특허 6,537,517 2003.03.25), 계면활성제의 마이셀(micelle) 내부에서 나노로드로 성장시키는 방법(미국특허 6,855,202 B2 2005.02.15) 등과 같은 습식방법이 알려져 있다. As a method for producing nanotube-type and nanorod-type titanium oxide, which has been of great interest recently, a method of growing spherical nanoparticles in strong alkali to grow into nanotubes (US Patent 6,537,517 2003.03.25), in a micelle of a surfactant Wet methods, such as methods for growing nanorods (US Pat. No. 6,855,202 B2 2005.02.15) and the like, are known.
그러나, 앞의 방법은 사용한 강알칼리나 계면활성제 등을 제거하여 고순도의 산화티타늄 나노입자를 얻기 위해서는 여러 번의 세척 및 여과 공정을 필요로 하지만 나노 크기의 입자를 분리하고 세척, 건조하는 과정이 복잡하다. However, the above method requires several washing and filtration processes to remove the strong alkalis and surfactants used to obtain high purity titanium oxide nanoparticles, but the process of separating, washing and drying nano-sized particles is complicated.
실제로 산화티타늄 나노입자를 소자로 응용하기 위해서는 다량의 순수한 입자를 얻어야 하는데, 기존의 방법으로는 실용적이지 못한 문제가 있다.In fact, in order to apply titanium oxide nanoparticles as a device, a large amount of pure particles should be obtained, but there is a problem that is not practical by the conventional method.
따라서, 보다 새로운 방법으로 비표면적이 크며, 광변환 효율이 높고 제조방법이 간단한 산화티타늄 나노 전극을 제조할 수 있는 방법의 필요성이 대두되고 있다.Therefore, there is a need for a method capable of manufacturing a titanium oxide nanoelectrode having a large specific surface area, a high light conversion efficiency, and a simple manufacturing method by a newer method.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 발명한 것으로서, 양극산화 알루미나법으로 제조된 산화티타늄 나노튜브를 이용하여 반도체 전극을 구성함으로써, 산화티타늄 미세 입자를 소결하여 구성된 전극을 사용하던 종래의 염료감응형 태양전지의 문제점인 낮은 광변환 효율의 문제점이 극복되고, 소자 특성의 향상과 더불어 비표면적이 큰 이산화티타늄막의 형성으로 많은 태양광 흡수, 전해질의 침투성 향상의 장점을 가지는 염료감응형 태양전지와 나노튜브 전극의 제조방법을 제공하는 데 있다.Therefore, the present invention was invented in view of the above, and by using a titanium oxide nanotube manufactured by the anodized alumina method to construct a semiconductor electrode, the conventional electrode used to sinter titanium oxide fine particles using Dye-sensitized solar cells have the advantages of low light conversion efficiency, which is a problem of dye-sensitized solar cells, and the advantages of device absorption and formation of a titanium dioxide film with a large specific surface area. The present invention provides a method for manufacturing a battery and a nanotube electrode.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 염료층이 형성된 반도체 전극과, 상기 반도체 전극에 대향되게 배치되는 상대 전극과, 상기 두 전극 사이에 개재되어 산화-환원반응에 의해 상기 염료층에 전자를 공급해주는 전해질 용액을 포함하여 구성되는 염료감응형 태양전지에 있어서,In order to achieve the above object, the present invention provides a semiconductor electrode having a dye layer, a counter electrode disposed to face the semiconductor electrode, and an electron in the dye layer by an oxidation-reduction reaction interposed between the two electrodes. In the dye-sensitized solar cell comprising an electrolyte solution for supplying,
상기 반도체 전극이 기판, 상기 기판 위에 적층 형성된 ITO 또는 FTO 투명전도층, 그리고 상기 투명전도층에 적층 형성되어 염료층이 형성된 산화티타늄층으로 구성되고, 상기 산화티타늄층은 산화티타늄 나노튜브로 이루어진 것을 특징으로 하는 산화티타늄 나노튜브를 이용한 염료감응형 태양전지를 제공한다.The semiconductor electrode is composed of a substrate, an ITO or FTO transparent conductive layer formed on the substrate, and a titanium oxide layer formed by laminating on the transparent conductive layer to form a dye layer, wherein the titanium oxide layer is made of titanium oxide nanotubes. Provided is a dye-sensitized solar cell using titanium oxide nanotubes.
바람직한 실시예에서, 상기 산화티타늄층은 5 ~ 20 ㎛의 두께로 형성되는 것 을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, the titanium oxide layer is characterized in that formed to a thickness of 5 ~ 20 ㎛.
또한 본 발명은, 염료층이 형성된 반도체 전극과, 상기 반도체 전극에 대향되게 배치되는 상대 전극과, 상기 두 전극 사이에 개재되어 산화-환원반응에 의해 상기 염료층에 전자를 공급해주는 전해질 용액을 포함하여 구성되는 염료감응형 태양전지의 제조방법에 있어서,The present invention also includes a semiconductor electrode on which a dye layer is formed, a counter electrode disposed to face the semiconductor electrode, and an electrolyte solution interposed between the two electrodes to supply electrons to the dye layer by an oxidation-reduction reaction. In the manufacturing method of the dye-sensitized solar cell,
산화티타늄 나노튜브 제조를 위한 다공성 알루미나 주형을 제조하는 단계와;Preparing a porous alumina template for preparing titanium oxide nanotubes;
기판 및 상기 기판 위에 적층 형성된 ITO 또는 FTO 투명전도층으로 이루어진 반도체 전극용 투명 전극 상에서 상기 주형을 이용하여 산화티타늄 나노튜브 층을 형성하는 단계와; Forming a titanium oxide nanotube layer using the template on a transparent electrode for a semiconductor electrode comprising a substrate and an ITO or FTO transparent conductive layer formed on the substrate;
상기 산화티타늄 나노튜브 층 상에 염료를 흡착시켜 염료층을 형성하는 단계와; Adsorbing a dye on the titanium oxide nanotube layer to form a dye layer;
상기 산화티타늄 나노튜브 층 및 염료층을 형성하여 구성한 반도체 전극을 상대 전극과 대향되게 배치되도록 조립하고, 상기 두 전극 사이에 전해질 용액을 주입하여 봉입하는 단계;Assembling the semiconductor electrode formed by forming the titanium oxide nanotube layer and the dye layer to face the counter electrode, and injecting and encapsulating an electrolyte solution between the two electrodes;
를 포함하는 염료감응형 태양전지의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a dye-sensitized solar cell comprising a.
바람직한 실시예에서, 상기 산화티타늄 나노튜브 층을 형성하는 단계는,In a preferred embodiment, forming the titanium oxide nanotube layer,
티탄 농도가 2.0 ~ 2.4 M인 유기용액에 증류수와 염산을 부가하여 티탄 농도 0.03 ~ 0.07 M, 염산 농도가 0.09 ~ 0.1 M인 반응용액을 제조하는 단계와;Adding distilled water and hydrochloric acid to an organic solution having a titanium concentration of 2.0 to 2.4 M to prepare a reaction solution having a titanium concentration of 0.03 to 0.07 M and a hydrochloric acid concentration of 0.09 to 0.1 M;
유기 자기조립 박막이 형성된 투명 전극 상의 다공성 알루미나 주형을 반응온도 조건에서 상기 반응용액에 침적하여 유기 자기조립 박막 표면에 산화티타늄 피막을 형성시키는 단계와;Depositing a porous alumina template on the transparent electrode on which the organic self-assembled thin film is formed on the reaction solution at a reaction temperature to form a titanium oxide film on the surface of the organic self-assembled thin film;
이후 세척 및 진공 건조 후 산화티타늄 피막이 형성된 주형을 크로믹 트리옥사이드(chromic trioxide)와 인산의 혼합 용액에 침적시켜 주형을 용해, 제거한 다음, 세척 및 진공 건조하여 투명 전극 상의 산화티타늄 나노 튜브를 얻는 단계;After washing and vacuum drying, the template on which the titanium oxide film was formed was immersed in a mixed solution of chromic trioxide and phosphoric acid to dissolve and remove the template, followed by washing and vacuum drying to obtain titanium oxide nanotubes on the transparent electrode. ;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.Characterized in that it comprises a.
또한 상기 산화티타늄 피막을 형성시키는 단계에서, 다공성 알루미나 주형을 25 ~ 70 ℃의 반응온도 조건에서 상기 반응용액에 1시간 동안 침적하여 산화티타늄 피막을 형성시키는 것을 특징으로 한다.In the forming of the titanium oxide film, the porous alumina mold is deposited on the reaction solution for 1 hour at a reaction temperature of 25 to 70 ° C. to form a titanium oxide film.
또한 상기 유기용액은 티탄산염을 용매로 하는 것을 특징으로 한다.In addition, the organic solution is characterized in that the titanate as a solvent.
또한 상기 산화티타늄 피막이 형성된 주형을 크로믹 트리옥사이드 20 ~ 50 ml와 인산 1 ~ 5 M의 혼합 용액에 침적시켜 용해, 제거하는 것을 특징으로 한다.In addition, the template formed with the titanium oxide film is immersed in a mixed solution of 20-50 ml of chromic trioxide and 1-5 M phosphate to dissolve and remove.
상기한 특징을 가지는 본 발명의 염료감응형 태양전지와 그 제조방법에 의하면, 양극산화 알루미나법으로 제조된 산화티타늄 나노튜브를 이용하여 반도체 전극을 구성함으로써, 산화티타늄 미세 입자를 소결하여 구성된 전극을 사용하던 종래의 염료감응형 태양전지의 문제점인 낮은 광변환 효율의 문제점이 극복되고, 소자 특성의 향상과 더불어 비표면적이 큰 이산화티타늄막의 형성으로 많은 태양광 흡수, 전해질의 침투성 향상의 장점을 가지게 된다.According to the dye-sensitized solar cell of the present invention having the above-described characteristics and a method of manufacturing the same, a semiconductor electrode is constructed using titanium oxide nanotubes prepared by anodizing alumina, thereby sintering titanium oxide fine particles. The problem of low light conversion efficiency, which is a problem of the conventional dye-sensitized solar cell used, is overcome, and the improvement of device characteristics and formation of a titanium dioxide film having a large specific surface area have advantages of absorbing a lot of solar light and improving the permeability of the electrolyte. do.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명은 양극산화 알루미나법으로 제조된 산화티타늄 나노튜브를 포함하여 이루어진 반도체 전극을 가지는 염료감응형 태양전지와 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a dye-sensitized solar cell having a semiconductor electrode comprising titanium oxide nanotubes prepared by anodizing alumina and a method of manufacturing the same.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 구성도로서, 이에 도시된 바와 같이, 스페이서(14)에 의해 간격을 두고 상호 고정 결합된 반도체 전극(10)과 상대 전극(20), 이들 사이에 개재되어 있는 전해질 용액(30)으로 이루어지며, 이와 같이 반도체 전극(10)과 상대 전극(20)이 조립된 상태에서 그 사이에 전해질 용액(30)이 넣어져 봉입된 기본 구성은 통상의 염료감응형 태양전지와 같다.1 is a schematic diagram of a dye-sensitized solar cell according to the present invention. As shown in FIG. 1, the
여기서, 음극이 되는 반도체 전극(10)과 양극이 되는 상대 전극(20)은 상호 조립될 때 두 전극에서 전도성 표면이 안쪽으로 오도록 하여 서로 대향되도록 배치되며, 전해질 용액(30)은 산화-환원반응으로 염료층에 전자를 공급하는 역할을 한다. Here, the
다만, 본 발명의 염료감응형 태양전지에서는 반도체 전극(10)이 양극산화 알루미나법에 의한 산화티타늄 나노튜브를 포함하여 구성되는데, 구체적으로 유리기판과 같은 기판(11), 상기 기판(11)에 형성된 ITO 또는 FTO 투명전도층(12), 그리고 양극산화 알루미나법으로 제조된 산화티타늄 나노튜브에 염료분자를 흡착시켜 상기 투명전도층(12)에 형성한 산화티타늄층(13)으로 구성된다.However, in the dye-sensitized solar cell of the present invention, the
여기서, 상기 산화티타늄층(13)은 5 ~ 20 ㎛의 두께(산화티타늄 나노튜브의 길이)를 가지도록 형성하는 것이 바람직하다.Here, the
이때, 5 ~ 20 ㎛의 두께가 되도록 함으로써, 광전류가 최대가 되는 전자 이동의 통로를 제공할 수 있고, 비표면적이 극대화되어 염료의 흡착을 용이하게 할 수 있다.At this time, by having a thickness of 5 to 20 ㎛, it is possible to provide a passage for electron transfer to maximize the photocurrent, the specific surface area can be maximized to facilitate the adsorption of the dye.
그리고, 상대 전극(20)은 종래와 마찬가지로 유리기판과 같은 기판(21), 상기 기판(21)에 형성된 ITO 또는 FTO 투명전도층(22), 그리고 상기 투명전도층(22)에 형성된 백금층(23)으로 구성될 수 있다.In addition, the
이와 같이 이루어진 염료감응형 태양전지를 제조하기 위해서는 산화티타늄 나노튜브를 제조해야 하고, 상기 산화티타늄 나노튜브를 제조하기 위해서 본 발명에서는 알루미나 박막을 양극산화(anodizing)하여 만들어지고 나노 크기의 기공을 가진 다공성 알루미나 주형(Anodic Aluminum Oxide, AOO)을 제조하며, 이 다공성 알루미나 주형을 이용해 산화티타늄 나노튜브를 제조한다.In order to manufacture the dye-sensitized solar cell formed as described above, titanium oxide nanotubes should be manufactured. In order to manufacture the titanium oxide nanotubes, the present invention is made by anodizing an alumina thin film and having nano-sized pores. Anodic Aluminum Oxide (AOO) is prepared, and titanium oxide nanotubes are prepared using the porous Alumina template.
보다 구체적으로, 본 발명의 태양전지 제조방법은, 산화티타늄 나노튜브 제조를 위한 다공성 알루미나 주형을 제조하는 단계; 투명 전극 상에서 상기 주형을 이용해 산화티타늄 나노튜브 층(13)을 형성하는 단계; 상기 산화티타늄 나노튜브 층(13) 상에 염료를 흡착시키는 단계; 상기 산화티타늄 나노튜브 층(13)을 포함하여 구성된 반도체 전극(10)과 상대 전극(20)을 스페이서(14)를 개재하고 전해질 용액(30)을 주입한 상태로 상호 고정하여 봉입하는 단계를 포함한다.More specifically, the solar cell manufacturing method of the present invention comprises the steps of preparing a porous alumina template for the production of titanium oxide nanotubes; Forming a titanium oxide nanotube layer (13) using the template on a transparent electrode; Adsorbing a dye on the titanium oxide nanotube layer (13); Fixing and encapsulating the
(1) 다공성 알루미나 주형 제조 단계(1) step of preparing porous alumina mold
본 발명의 태양전지 제조방법에서 사용되는 다공성 알루미나 주형은 나노튜브 합성을 위해 이미 사용되고 있는 것으로(등록특허 제303293호, 등록특허 제335384호, 등록특허 제534845호), 본 발명에서는 이러한 다공성 알루미나 주형을 이용하여 산화티타늄 나노튜브를 제조하게 되며, 다공성 알루미나 주형을 제조하는 과정은 아래와 같이 공지의 기술이다The porous alumina template used in the solar cell manufacturing method of the present invention is already used for nanotube synthesis (Registration No. 309293, Registration No. 335384, Registration No. 534845), and in the present invention, such porous alumina mold Titanium oxide nanotubes are manufactured by using the method, and a process of preparing the porous alumina template is a known technique as follows.
첨부한 도 2는 다공성 알루미나 주형을 제조하는 과정에 나타낸 개략도로서, 양극산화 알루미나 주형은 알루미늄 박판을 사용하여 제조되며, 이때 2단계의 양극산화 방법이 이용된다.2 is a schematic view showing a process of manufacturing a porous alumina mold, and the anodized alumina mold is manufactured using a thin aluminum plate, and a two-step anodization method is used.
상기 2단계의 양극산화 방법을 이용하면 균일한 지름의 세공들이 수직으로 규칙적으로 배열된 주형을 제조할 수 있다[H. Masuda and M. Satch, Jpn.J. Appl. Phys., 35, (1996) L126].Using the two-stage anodization method, it is possible to produce a mold in which pores of uniform diameter are regularly arranged vertically [H. Masuda and M. Satch, Jpn. J. Appl. Phys., 35, (1996) L 126].
양극산화 방법에서는 알루미늄 박판을 양극으로 이용하며 탄소전극을 음극으로 이용하여 가해준 전압에 의해 세공이 형성되며, 이 세공을 통해 전해질 용액 내의 산소 이온이 알루미늄 내부로 확산해 들어가고, 반면에 알루미늄 이온은 외부로 나오게 되어 산화알루미늄이 계속 생성된다. In the anodization method, pores are formed by the voltage applied by using an aluminum thin plate as an anode and a carbon electrode as a cathode, through which oxygen ions in the electrolyte solution diffuse into the aluminum, while aluminum ions It comes out and aluminum oxide continues to be produced.
양극산화 방법에서 전해질 용액으로는 옥살산, 인산, 황산 등을 사용한다.Oxalic acid, phosphoric acid, sulfuric acid, etc. are used as the electrolyte solution in the anodization method.
2단계의 양극산화 방법에서는 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이 세공을 형성한 뒤 산용액에서 알루미나층을 모두 제거하는데, 같은 전해질 용액을 사용하여 도 2 의 (d)에 나타낸 바와 같은 세공을 최종 형성시킨다. In the two-step anodization method, as shown in (b) of FIG. 2, the alumina layer is removed from the acid solution after forming the pores. The same electrolyte solution is used to remove the alumina layer. To form the final.
상기 세공의 간격은 양극산화시 가해주는 전압과 전해질 용액에 의해 결정되며, 세공의 깊이는 양극산화 시간에 비례하는 것으로 공지되어 있다.The pore spacing is determined by the voltage and electrolyte solution applied during anodization, and the pore depth is known to be proportional to the anodization time.
이와 같은 방법으로 만들어진 다공성 알루미나 주형은 아래 면에 알루미늄이 있는데, 이는 포화된 염화수은 수용액에 담가서 제거할 수 있다. Porous alumina molds made in this way have aluminum on the bottom, which can be removed by immersing in a saturated aqueous solution of mercury chloride.
도 2의 (f)는 상기 알루미늄을 제거한 뒤 세공과 알루미늄 사이의 장벽층(barrier layer)를 제거하기 위하여 윗면에 세공을 보호하기 위한 보호막을 입힌 도면이다.FIG. 2 (f) is a diagram showing a protective film for protecting pores on the top surface of the aluminum to remove the barrier layer between the pores and the aluminum after removing the aluminum.
상기 장벽층을 제거하기 위해서는 수산화나트륨, 크롬산, 인산 등의 알루미나를 녹일 수 있는 염기용액 또는 산용액을 사용하여 녹이는 방법과, 아르곤 플라즈마 이온 밀링을 이용한 기계적 제거방법이 모두 가능하다. In order to remove the barrier layer, both a method of dissolving using a base solution or an acid solution capable of dissolving alumina, such as sodium hydroxide, chromic acid, and phosphoric acid, and a mechanical removal method using argon plasma ion milling are all available.
상기 장벽층을 균일하게 녹이기 위해서는 30℃ 0.1M 인산용액을 사용하는 것이 바람직하다.In order to dissolve the barrier layer uniformly, it is preferable to use a 30 ° C. 0.1 M phosphoric acid solution.
이와 같이 장벽층을 제거한 뒤 아세톤으로 상기 보호막을 제거함으로써 도 2의 (h)와 같은 막 형태의 다공성 알루미나 주형을 완성한다. As such, after removing the barrier layer, the protective layer is removed with acetone to complete the porous alumina mold in the form of a membrane as shown in FIG.
첨부한 도 3은 상기와 같은 방법으로 제조된 다공성 알루미나 주형의 SEM 이미지이다. FIG. 3 is an SEM image of the porous alumina mold prepared by the above method.
(2) 산화티타늄 나노튜브 층 형성 단계 (2) titanium oxide nanotube layer formation step
이 단계에서는 유리기판에 ITO 또는 FTO 투명전도층을 형성하여 구성된 반도 체 전극용 투명 전극 상에서 다공성 알루미나 주형을 이용하여 산화티타늄 나노튜브 층을 형성한다.In this step, a titanium oxide nanotube layer is formed by using a porous alumina template on the transparent electrode for semiconductor electrodes formed by forming an ITO or FTO transparent conductive layer on a glass substrate.
산화티타늄 나노튜브 합성을 위한 과정으로, 우선 티탄 농도가 2.0 ~ 2.4 M인 유기용액에 증류수와 염산을 부가하여 티탄 농도 0.03 ~ 0.07 M, 염산 농도가 0.09 ~ 0.1 M인 반응용액을 제조한다. As a process for synthesizing titanium oxide nanotubes, first, distilled water and hydrochloric acid are added to an organic solution having a titanium concentration of 2.0 to 2.4 M to prepare a reaction solution having a titanium concentration of 0.03 to 0.07 M and a hydrochloric acid concentration of 0.09 to 0.1 M.
상기 유기용액은 티탄산염을 용매로 사용한 것이 사용될 수 있고, 유기용액의 일 예로 티탄 농도가 2.2M인 Tyzor LATM 용액이 사용될 수 있다. The organic solution may be one using titanate as a solvent, and as an example of the organic solution, a Tizor LATM solution having a titanium concentration of 2.2 M may be used.
이어, 세공 등의 표면에 유기 자기조립 박막을 형성시킨 투명 전극 상의 다공성 알루미나 주형을 25 ~ 70 ℃의 반응온도 조건에서 상기 반응용액에 1시간 동안 침적하여 유기 자기조립 박막 표면에 산화티타늄 피막을 형성시킨다. Subsequently, a porous alumina mold on the transparent electrode having the organic self-assembled thin film formed on the surface of the pores or the like was immersed in the reaction solution for 1 hour at a reaction temperature of 25 to 70 ° C. to form a titanium oxide film on the surface of the organic self-assembled thin film. Let's do it.
이러한 반응 종료 후에는 물에 침적하여 충분히 세척하고, 70℃에서 24시간 동안 진공 건조하는 바, 산화티타늄 피막이 형성된 주형을 크로믹 트리옥사이드(chromic trioxide) 20 ~ 50ml와 인산 1 ~ 5 M의 혼합 용액에 상온에서 2시간 동안 침적시켜 주형을 용해, 제거한 다음, 생성된 잔유물을 3차 증류수(비저항:18.3㏁cm)로 충분히 세척하고, 이를 90℃에서 24시간 동안 진공 건조하여 투명 전극 상에 적층된 산화티타늄 나노 튜브를 얻는다.After the completion of the reaction, the solution was immersed in water, washed sufficiently, and vacuum dried at 70 ° C. for 24 hours. Thus, a mixed solution of 20 to 50 ml of chromic trioxide and 1 to 5 M of phosphoric acid was deposited on a template where a titanium oxide film was formed. After dipping at room temperature for 2 hours to dissolve and remove the mold, the resulting residue was sufficiently washed with tertiary distilled water (resistance: 18.3㏁cm), which was vacuum dried at 90 ° C. for 24 hours, and deposited on a transparent electrode. Titanium oxide nanotubes are obtained.
첨부한 도 4는 산화티타늄 나노튜브 합성의 개념도를 간략하게 도시한 것이며, 도 5는 반응온도를 각각 (a)25℃, (b)40℃, (c)70℃로 하여 제조한 산화티타늄 나노튜브의 TEM 사진이다.4 is a schematic diagram illustrating a titanium oxide nanotube synthesis, and FIG. 5 shows titanium oxide nanoparticles prepared by (a) 25 ° C, (b) 40 ° C and (c) 70 ° C, respectively. TEM picture of the tube.
상기와 같이 다공성 알루미나 주형을 이용하여 산화티타늄 나노튜브 층을 형 성하게 되면, 큰 종횡비를 갖느 산화티타늄 나노튜브를 합성할 수 있고, 산화티타늄 나노튜브의 직경 및 길이, 밀도 등의 조절이 용이하다는 이점이 있다. When the titanium oxide nanotube layer is formed using the porous alumina template as described above, it is possible to synthesize titanium oxide nanotubes having a large aspect ratio, and to easily control the diameter, length, and density of the titanium oxide nanotubes. There is an advantage.
(3) 염료 흡착 단계(3) dye adsorption step
상기와 같이 산화티타늄 나노튜브 층을 형성한 반도체 전극(10)에서 상부의 산화티타늄 나노튜브 층 상에 염료를 흡착시키는 단계로서, 이는 태양전지 제조분야에서 널리 알려진 통상적인 방법이 적용될 수 있다.In the
광감응성 염료로는 통상 널리 사용되는 루테늄 염료가 사용될 수 있으며, 염료를 함유하는 용액에 산화티타늄 나노튜브 층이 적층 형성된 반도체층을 12시간 이상 함침한다.As a photosensitive dye, a widely used ruthenium dye may be used, and a semiconductor layer in which a titanium oxide nanotube layer is laminated is impregnated in a solution containing the dye for at least 12 hours.
광감응성 염료를 함유하는 용액에 사용되는 용매로는 터터셔리부틸알콜, 아세토니트릴, 또는 이들의 혼합물 등을 예로 들 수 있다.Examples of the solvent used for the solution containing the photosensitive dye include tertiary butyl alcohol, acetonitrile, a mixture thereof, and the like.
(4) 태양전지 조립 및 봉입 단계(4) Solar cell assembly and encapsulation step
염료가 흡착된 산화티타늄 나노튜브 층을 포함하는 반도체 전극(10)을 상기의 과정들을 통해 제조하게 되면, 반도체 전극(10)과 상대 전극(20)을 조립하고, 상대 전극(20) 상에 형성시킨 미세 구멍을 통해 산화-환원반응으로 염료층에 전자를 공급하는 전해액을 주입하여 봉입한다. When the
반도체 전극(10)과 상대 전극(20)을 조립한 뒤 전해액을 주입하여 봉입하는 본 단계 역시 태양전지 제조분야에서 널리 알려진 통상적인 방법이 적용될 수 있는 데, 우선 양극인 상대 전극(20)과 음극인 반도체 전극(10)을 조립한다. This step of assembling the
상대 전극(20)과 반도체 전극(10)을 조립할 때에는 두 전극에서 전도성 표면이 안쪽으로 오도록 하여 서로 대향 되도록 배치한다.When assembling the
이때, 상대 전극(20)과 반도체 전극(10)과의 사이에, 예를 들면 SURLYN(Du Pont사제의 상품명)으로 이루어지는 스페이서(14)가 되는 약 30 ~ 50 ㎛ 두께의 고분자층을 놓고 약 100 ~ 140 ℃의 가열판상에서 약 1 ~ 3기압으로 상기 두 전극을 밀착시킨다. At this time, between the
열 및 압력에 의하여 상기 고분자층이 상기 두 전극의 표면에 강하게 부착된다. The polymer layer is strongly attached to the surfaces of the two electrodes by heat and pressure.
다음에, 상대 전극(20)에 미세 구멍을 형성시킨 뒤, 이 미세 구멍을 통해 두 전극 사이의 내부 공간에 전해액(30)을 채워 넣는다. Next, after forming the fine hole in the
여기서, 미세 구멍은 통상적으로 0.75 mm 직경의 드릴을 이용하여 형성하며, 전해액(30)이 다 채워진 후에는 SURLYN과 같은 얇은 유리를 순간적으로 가열한 뒤 상기 미세 구멍을 막아준다.Here, the micro holes are typically formed by using a drill of 0.75 mm diameter, and after the
이상으로 본 발명의 염료감응형 태양전지와 그 제조방법에 대해 설명하였다.The dye-sensitized solar cell of the present invention and its manufacturing method have been described above.
본 발명의 염료감응형 태양전지는 양극산화 알루미나법으로 제조된 산화티타늄 나노튜브로 이루어진 반도체 전극(10)을 포함하고 있으며, 이와 같이 산화티타늄 나노튜브를 사용하므로 매우 작은 동공 채널을 가지며, 종래의 나노입자를 사용한 경우에 비해 비표면적이 상당히 커지게 된다.The dye-sensitized solar cell of the present invention includes a
이에 전해질 용액의 침투가 용이해지고, 보다 많은 태양광을 흡수할 수 있게 되며, 전자 전달이 용이해지므로 광변환 효율이 증가하게 된다.This facilitates penetration of the electrolyte solution, absorbs more sunlight, and facilitates electron transfer, thereby increasing the light conversion efficiency.
나노튜브의 2차원적인 전자 구조 특성 때문에 3.2eV의 전자띠 간격을 갖는 일반적인 TiO2보다 큰 3.87eV의 전자띠 간격을 갖게 되어 전자 전달이 용이하고, 다양한 파장의 빛을 흡수할 수 있다. Due to the two-dimensional electronic structure of the nanotubes, the electron band spacing of 3.87 eV is larger than that of a general TiO 2 having an electron band spacing of 3.2 eV, which facilitates electron transfer and absorbs light of various wavelengths.
또한 표면에 음전하를 갖고 있어 양전하를 갖는 염료를 산화티타늄 나노 튜브에 흡착시킬 경우 보다 고효율의 염료감응형 태양전지를 얻을 수 있다.In addition, when a dye having a positive charge on the surface is adsorbed onto a titanium oxide nanotube, a dye can be obtained more efficiently dye-sensitized solar cell.
하기 표 1은 산화티타늄 전극에 따른 광변환 효율을 비교하여 나타낸 표로서, 본 발명에 따른 산화티타늄 나노튜브 전극을 사용한 경우와 종래의 산화티타늄 나노입자 전극을 사용한 경우에 대하여 실험을 통해 광변환 효율을 비교하여 보았다.Table 1 is a table comparing the light conversion efficiency according to the titanium oxide electrode, the light conversion efficiency through the experiment using the titanium oxide nanotube electrode according to the present invention and the case of using a conventional titanium oxide nanoparticle electrode I saw a comparison.
일반적으로 사용하는 염료 물질인 음전하를 갖는 루테늄 염료를 사용하였을 경우, 0.704V의 전압값(open current voltage), 12.6mA/cm2의 전류값(short current), 7.1%의 에너지 변환 효율을 보였다.When a ruthenium dye having a negative charge, which is a common dye material, was used, an open current voltage of 0.704 V, a short current of 12.6 mA / cm 2 , and an energy conversion efficiency of 7.1% were shown.
따라서, 양전하를 갖는 염료를 사용하면 고효율의 염료감응형 태양전지를 얻을 수 있다.Therefore, a dye having a positive charge can be used to obtain a highly efficient dye-sensitized solar cell.
도 1은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 구성도,1 is a block diagram of a dye-sensitized solar cell according to the present invention,
도 2는 본 발명에서 사용되는 다공성 알루미나 주형의 제조과정을 나타낸 개략도,Figure 2 is a schematic diagram showing the manufacturing process of the porous alumina mold used in the present invention,
도 3은 본 발명에서 사용되는 다공성 알루미나 주형의 SEM 이미지,3 is an SEM image of the porous alumina template used in the present invention,
도 4는 본 발명에서 산화티타늄 나노튜브 합성의 개념도, 4 is a conceptual diagram of titanium oxide nanotube synthesis in the present invention,
도 5는 본 발명에서 반응온도를 각각 (a)25℃, (b)40℃, (c)70℃로 하여 제조한 산화티타늄 나노튜브의 TEM 사진.Figure 5 is a TEM photograph of the titanium oxide nanotubes prepared by the reaction temperature in the present invention (a) 25 ℃, (b) 40 ℃, (c) 70 ℃, respectively.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10 : 반도체 전극 11 : 기판10
12 : 투명전도층 13 : 산화티타늄 나노튜브 층12: transparent conductive layer 13: titanium oxide nanotube layer
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