KR101013151B1 - Photosensitized electrode and preparing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광감응성 전극 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래의 고온 열처리(450 내지 500 ℃) 과정을 거치지 않고, 저온 코팅 공정(100 ℃ 이하)만 수행하여도 우수한 전자전달 효율을 얻을 수 있어, 태양전지 또는 광감응성 센서의 전극으로 매우 유용한 광감응성 전극 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.The present invention relates to a photosensitive electrode and a method for manufacturing the same, and more particularly, to excellent electron transfer efficiency even by performing a low temperature coating process (100 ° C. or less) without performing a conventional high temperature heat treatment (450 to 500 ° C.). It is possible to provide a photosensitive electrode and a manufacturing method thereof which are very useful as electrodes of a solar cell or a photosensitive sensor.

저온 코팅 공정, 광감응성 전극, 태양전지 Low Temperature Coating Process, Photosensitive Electrode, Solar Cell

Description

광감응성 전극 및 이의 제조방법{PHOTOSENSITIZED ELECTRODE AND PREPARING METHOD THEREOF}Photosensitive electrode and its manufacturing method {PHOTOSENSITIZED ELECTRODE AND PREPARING METHOD THEREOF}

본 발명은 종래의 고온 열처리(450 내지 500 ℃) 과정을 거치지 않고, 저온 코팅 공정(100 ℃ 이하)만 수행하여도 우수한 전자전달 효율을 얻을 수 있어, 태양전지 또는 광감응성 센서의 전극으로 매우 유용한 광감응성 전극 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention can obtain excellent electron transfer efficiency even by performing a low temperature coating process (100 ° C. or less) without undergoing a conventional high temperature heat treatment (450 to 500 ° C.), which is very useful as an electrode of a solar cell or a photosensitive sensor. It relates to a photosensitive electrode and a manufacturing method thereof.

최근 태양 에너지와 같은 무공해 청정 에너지를 석탄, 석유 등의 화학 연료 대신 새로운 에너지원으로 이용하려는 연구는 전세계적으로 활발히 진행되고 있다. 이 중 태양 전지는 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 전환시키는 장치이다. 통상적인 광발전은, p형과 n형의 반도체를 접합시킨 구조를 갖는 pn접합형 반도체인 태양 전지를 광노출시켜 (+)전기를 가진 전자와 (-)전기를 가진 정공(hole)을 생성시킨 다음, 상기 전자와 정공을 전극으로 이동시켜 기전력을 발생시킴으로써 이루어진다.Recently, research into using clean energy such as solar energy as a new energy source instead of chemical fuels such as coal and petroleum is being actively conducted worldwide. Of these, solar cells are devices that convert solar energy directly into electrical energy. Conventional photovoltaic power generation exposes a solar cell, a pn junction type semiconductor, having a structure in which p-type and n-type semiconductors are bonded to produce electrons with (+) electricity and holes with (-) electricity. Then, by moving the electrons and holes to the electrode to generate an electromotive force.

반면, 염료감응 태양전지는 실리콘 태양전지와는 달리, 가시광선을 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 예로는 1991년 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의하여 발표된 것이 있다. 그라첼 등에 의한 태양전지는 염료분자가 입혀진 나노입자 이산화티탄(TiO2)으로 이루어지는 반도체 전극, 백금 전극, 그리고 그 사이에 채워진 전해질로 구성되어 있다. 이러한 전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비하여 전력당 제조 원가가 저렴하기 때문에 기존의 태양전지를 대체할 수 있는 가능성이 있다는 점에서 주목받아 왔다. On the other hand, dye-sensitized solar cells, unlike silicon solar cells, are mainly composed of photosensitive dye molecules capable of absorbing visible light to produce electron-hole pairs, and transition metal oxides for transferring the generated electrons. It is a photoelectrochemical solar cell made of a constituent material. A representative example of the dye-sensitized solar cells known so far was published in 1991 by Gratzel et al. The solar cell by Gratzel et al. Is composed of a semiconductor electrode composed of nanoparticle titanium dioxide (TiO 2 ) coated with dye molecules, a platinum electrode, and an electrolyte filled therebetween. Such a battery has been attracting attention because it can be replaced with a conventional solar cell because the manufacturing cost per power is lower than that of a conventional silicon solar cell.

일반적인 나노입자 산화물의 반도체 전극은, 전도성 유리기판 위에 나노입자 산화물의 콜로이드 용액을 코팅하여 450 내지 500 ℃ 전기로에서 가열함으로써 완성하고 있다. 가열의 목적은 나노입자 산화물들의 전기적 접촉 증대와 콜로이드 용액을 제조하는 과정에서 첨가한 고분자를 제거하여 광전기적 성질을 향상시키는 것이다. 가열 온도인 450 내지 500 ℃는 비교적 고온이지만 유리기판은 이러한 고온에서도 변형없이 사용될 수 있는 재료이다. 그렇지만 유리기판의 특성상, 제조된 태양전지를 구부린다는 것은 불가능하므로 플라스틱 기판을 갖고, 구부릴 필요가 있는 응용분야는 배제되는 실정이었다.A semiconductor electrode of a general nanoparticle oxide is completed by coating a colloidal solution of nanoparticle oxide on a conductive glass substrate and heating it at an electric furnace of 450 to 500 ° C. The purpose of heating is to increase the electrical contact of the nanoparticle oxides and to remove the polymer added during the preparation of the colloidal solution to improve the photoelectric properties. The heating temperature of 450 to 500 ° C. is relatively high, but the glass substrate is a material that can be used without deformation even at such a high temperature. However, due to the nature of the glass substrate, it is impossible to bend the manufactured solar cell, so the plastic substrate and the need to bend the application field has been excluded.

한편, 나노입자 산화물의 입자 표면에 염료분자를 흡착시키기 위하여 상기 염료로는 COOH나 PO3H 등의 작용기를 갖는 것으로 제한되었는 바, 이러한 염료를 제한적으로 사용하더라도 흡착 안정성이 크게 떨어지기 때문에 태양전지, 화학센서, 및 바이오센서 등의 실용 기술에 접목시키기는 어려운 실정이다.On the other hand, in order to adsorb dye molecules on the particle surface of the nanoparticle oxide, the dyes were limited to those having functional groups such as COOH or PO 3 H. Even though such dyes are used in a limited way, the adsorption stability is greatly reduced. , Chemical sensors, and biosensors are difficult to incorporate into practical technologies.

염료감응 태양전지 개발 연구는 2000 년대 이후 그 관심이 고조되고 있는 분야이다. 현재까지 연구된 결과를 보면, 저온에서 휘발 가능한 에탄올과 같은 용매에 나노입자 산화물을 분산하여 제조한 콜로이드 용액을 도포한 후, 100 ℃ 내외의 온도에서 열처리하여 나노입자 산화물층을 구성한 것과, 유기 분산제를 사용하여 제조한 콜로이드 용액을 도포한 후에 자외선 조사와 100 ℃ 내외의 온도에서의 가열을 병행하여 분산제를 제거함으로써 나노입자 산화물층을 구성한 것이 있다. 그러나 위의 연구들은 기존에 유리기판을 사용하는 염료감응 태양전지에 비하여 매우 낮은 전자전달 효율(즉, 에너지 변환 효율)을 보여주고 있다. Dye-sensitized solar cell development research has been an area of increasing interest since the 2000s. According to the results studied so far, a colloidal solution prepared by dispersing nanoparticle oxides in a solvent such as ethanol which can be volatilized at low temperature is applied, and then heat treated at a temperature of about 100 ° C. to form a nanoparticle oxide layer, and an organic dispersant. After coating the colloidal solution prepared using, the nanoparticle oxide layer was formed by removing the dispersant in parallel with ultraviolet irradiation and heating at a temperature of about 100 ° C. However, the above studies show very low electron transfer efficiency (ie energy conversion efficiency) compared to conventional dye-sensitized solar cells using glass substrates.

본 발명의 일 구현예는 광감응성 전극을 제조함에 있어서, 고온의 열처리 과정을 거치기 때문에 플라스틱 기판의 사용에 제약이 따르는 문제점과, 고온의 열처리 과정을 수행하지 않는 경우에 전자전달 효율이 매우 낮아지는 문제점을 해결하기 위한 것이다.According to one embodiment of the present invention, in the manufacture of the photosensitive electrode, since the heat treatment is performed at a high temperature, there is a problem that the use of the plastic substrate is restricted, and the electron transfer efficiency is very low when the high temperature heat treatment is not performed. It is to solve the problem.

또한, 본 발명의 일 구현예는 무기 나노 입자 표면에 염료분자를 흡착시킬 때에 흡착안정성이 떨어지는 문제점을 해결하기 위한 것이다.In addition, an embodiment of the present invention is to solve the problem of poor adsorption stability when adsorbing dye molecules on the surface of the inorganic nanoparticles.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 구현예는 (a)무기 나노 입자, (b)고분자, 및 (c)탄소나노튜브를 포함하는 광감응성 전극을 제공한다. In order to solve the above problems, an embodiment of the present invention provides a photosensitive electrode comprising (a) inorganic nanoparticles, (b) polymer, and (c) carbon nanotubes.

또한, 본 발명의 일 구현예는 상기 광감응성 전극을 포함하는 태양전지 또는 광감응성 센서를 제공한다.In addition, an embodiment of the present invention provides a solar cell or a photosensitive sensor including the photosensitive electrode.

또한, 본 발명의 일 구현예는 (a)무기 나노 입자, (b)고분자, 및 (c)탄소나노튜브를 용매에 넣고 혼합하여 슬러리를 제조하는 1단계, 및 기판 상에 상기 1단계에서 제조된 슬러리를 상온에서 도포한 후, 20 내지 100 ℃의 온도에서 건조하여 광감응성 전극을 제조하는 2단계를 포함하여 이루어진 광감응성 전극의 제조방법을 제공한다.In addition, one embodiment of the present invention (a) inorganic nanoparticles, (b) a polymer, and (c) a carbon nanotube in a solvent mixed with a solvent to prepare a slurry, and prepared in the first step on the substrate After applying the prepared slurry at room temperature, and dried at a temperature of 20 to 100 ℃ provides a method for producing a photosensitive electrode comprising a two-step to produce a photosensitive electrode.

본 발명의 일 구현예는 종래의 고온 열처리(450 내지 500 ℃) 과정을 거치지 않고, 저온 코팅 공정(100 ℃ 이하)만 수행하여도 우수한 전자전달 효율을 얻을 수 있는 효과가 있다.One embodiment of the present invention has an effect that can be obtained excellent electron transfer efficiency even by performing a low temperature coating process (100 ℃ or less) without undergoing a conventional high temperature heat treatment (450 to 500 ℃) process.

또한, 본 발명의 일 구현예는 고분자를 도입함으로써, 무기 나노 입자 표면에 대한 염료분자의 흡착안정성이 향상되는 효과가 있다. In addition, an embodiment of the present invention has the effect of improving the adsorption stability of the dye molecules on the surface of the inorganic nanoparticles by introducing a polymer.

따라서, 본 발명의 일 구현예는 태양전지 또는 광감응성 센서의 전극으로 매우 유용하게 적용할 수 있는 효과가 있다. Therefore, one embodiment of the present invention has an effect that can be very usefully applied to the electrode of the solar cell or photosensitive sensor.

본 발명의 일구현예에 따르면, (a)무기 나노 입자를 (b)고분자 용액에 담지시킨 후, 여기에 전기 전도성이 큰 (c)탄소계 물질을 도입하여 고분자 내에 분리되어 존재하는 무기 나노 입자들을 연결시킴으로써, 저온에서 광감응성 전극의 제작을 가능하게 한 것이다. 특히, 상기 광감응성 전극은 (d)광에너지를 흡수하여 여기상태의 전자를 내어놓는 광활성화 물질을 더 추가하여 흡착시킴으로써, 광효율을 보다 개선시킬 수 있다. According to one embodiment of the invention, the inorganic nanoparticles (a) after the inorganic nanoparticles are supported in the (b) polymer solution, and (c) a carbon-based material having a high electrical conductivity is introduced therein to separate the inorganic nanoparticles present in the polymer. By connecting them, it is possible to manufacture the photosensitive electrode at low temperature. In particular, the photosensitive electrode may further improve light efficiency by adding and adsorbing (d) a photoactivating material that absorbs light energy to give up an electron in an excited state.

본 발명에 있어서, 특별한 언급이 없는 한, '나노입자'라 함은 수 나노미터에서 수백 나노미터의 크기를 의미하는 것으로, 보다 바람직하기로는 1 내지 1000 nm 범위의 입경을 갖는 입자를 의미한다.In the present invention, unless otherwise specified, the term "nanoparticle" means a particle of several nanometers to several hundred nanometers, and more preferably, a particle having a particle size in the range of 1 to 1000 nm.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

상기 (a)무기 산화물 나노입자는 당분야에서 일반적으로 사용되는 투명전도성 물질로 특별히 한정하지 않는다. 보다 구체적으로, Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga, In, Cd, Se, TiSr, Ag, Pb, Bi, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 금속의 산화물, 황화물, 또는 할로겐화물을 사용할 수 있다. 특히, 티타늄(Ti)계 산화물 나노입자인 것을 보다 바람직하게 사용할 수 있고, 이산화 티타늄(TiO2) 나노입자를 보다 더 바람직하게 사용할 수 있다.The (a) inorganic oxide nanoparticles are not particularly limited to transparent conductive materials generally used in the art. More specifically, Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga, In, Cd, Se, TiSr, Ag, Oxides, sulfides, or halides of metals selected from the group consisting of Pb, Bi, and mixtures thereof can be used. In particular, the titanium (Ti) oxide nanoparticles can be used more preferably, titanium dioxide (TiO 2 ) nanoparticles can be used more preferably.

만일, (d)광에너지를 흡수하여 여기상태의 전자를 내어놓는 광활성화 물질을 추가하지 않는 경우에는 이산화 티타늄보다 좀더 작은 밴드갭을 가지는 가시광 활 성 반도체 나노입자, 보다 구체적으로는 CdS 나 CdSe 등을 보다 바람직하게 사용할 수 있다. (D) Visible light-activated semiconductor nanoparticles having a bandgap smaller than that of titanium dioxide, more specifically, CdS or CdSe Can be used more preferably.

이 때, 상기 (a)무기 산화물 나노입자는 광활성화 물질로부터 전자를 도입하기 위해 넓은 표면적을 갖는 것이 유리하며, 200 내지 300 m2/g의 표면적을 갖고, 반도체 나노입자 내부의 전도성을 이용하기 위해, 1 내지 100 nm의 입경을 갖는 나노입자를 사용하는 것이 좋다. At this time, the (a) inorganic oxide nanoparticles are advantageous to have a large surface area for introducing electrons from the photoactivating material, has a surface area of 200 to 300 m 2 / g, to take advantage of the conductivity inside the semiconductor nanoparticles For this purpose, it is preferable to use nanoparticles having a particle diameter of 1 to 100 nm.

만약, 본 발명에 따른 광감응성 전극을 수소제조에 사용하기 위해서는 반도체 나노입자의 전도대가 수소발생 에너지 준위보다 높이 위치해야 한다. In order to use the photosensitive electrode according to the present invention for producing hydrogen, the conduction band of the semiconductor nanoparticles should be positioned higher than the hydrogen generation energy level.

상기 (b)고분자는 특별히 제한되지 않으며, 이온전도성 고분자가 바람직하게 사용될 수 있다. 보다 구체적으로는 물리화학적 안정성이 뛰어난 폴리퍼플루오로술폰산, 탄소수 1 내지 20의 폴리알킬에테르, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르술폰, 폴리이미드, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌이민, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 보다 바람직하기로는 폴리퍼플루오로술폰산을 사용하는 것이 좋은 바, 상기 폴리퍼플루오로술폰산의 대표적인 예로는 나피온(Dupont사)를 들 수 있다.The (b) polymer is not particularly limited, and an ion conductive polymer may be preferably used. More specifically, polyperfluorosulfonic acid having excellent physical and chemical stability, polyalkyl ether having 1 to 20 carbon atoms, polyether ether ketone, polyether sulfone, polyimide, polyvinyl alcohol, polyethyleneimine, and mixtures thereof Can be selected from. More preferably, it is preferable to use polyperfluorosulfonic acid, and a typical example of the polyperfluorosulfonic acid may be Nafion (Dupont).

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 물리화학적 안정성이 뛰어난 고분자에 음이온성 작용기 또는 양이온성 작용기를 치환시킴으로써, 보다 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 작용기는 (d)광에너지를 흡수하여 여기상태의 전자를 내어놓는 광활성화 물질의 전하와 반대되는 전하를 띄는 작용기로 치환시키는 것이 좋다. 이 로써, 상기 (d)광에너지를 흡수하여 여기상태의 전자를 내어놓는 광활성화 물질의 흡착을 용이하게 할 수 있는 것이다.According to one embodiment of the present invention, by replacing the anionic functional group or cationic functional group in the polymer having excellent physicochemical stability, it can be used more preferably. (D) It is preferable to substitute the functional group with a functional group having a charge opposite to that of the photoactivating material which absorbs (d) the light energy to give an excited electron. As a result, the (d) light energy can be absorbed to facilitate the adsorption of the photoactivating material that emits the electrons in the excited state.

음이온성 작용기를 가지는 고분자의 구체적인 예로는 -SO3M, -COOM, -OM, 또는 -PO3HM (상기 식 중, M 은 수소 원자, 암모늄 또는 알칼리 금속 을 나타냄)의 이온 전도성기를 포함하는 고분자를 사용할 수 있다. 예를 들어 -SO3M을 가지는 고분자는 카르복실기, 히드록시기 또는 아민기와 같은 치환기를 갖는 고분자와 설포숙신산(sulfosuccinic acid), 설포살리실산(sulfosalicylic acid), 설포아세트산(sulfoacetic acid), 설포프탈산(sulfo-phthalic acid), 및 하이드로퀴논설폰산(hydroquinonesulfonic acid)으로 이루어진 군에서 선택되는 이온 전도성기를 포함하는 화합물을 가교결합시켜 제조될 수 있다.Specific examples of the polymer having an anionic functional group include a polymer including an ion conductive group of -SO 3 M, -COOM, -OM, or -PO 3 HM (wherein M represents a hydrogen atom, ammonium or an alkali metal). Can be used. For example, a polymer having -SO 3 M may be a polymer having a substituent such as a carboxyl group, a hydroxy group or an amine group, and sulfosuccinic acid, sulfosalicylic acid, sulfoacetic acid, and sulfophthalic acid. acid), and hydroquinonesulfonic acid may be prepared by crosslinking a compound including an ion conductive group selected from the group consisting of.

또한, 양이온성 작용기를 가지는 고분자의 구체적인 예로는 -NH2, -CONH2 의 이온 전도성기를 포함하는 고분자를 사용할 수 있다. 구체적인 예로는 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine) 등을 사용할 수 있다.In addition, specific examples of the polymer having a cationic functional group may be a polymer including an ion conductive group of -NH 2 , -CONH 2 . Specific examples thereof may include polyethyleneimine.

광에너지를 이용하기 위해 (d)광에너지를 흡수하여 여기상태의 전자를 내어놓는 광활성화 물질이 고분자에 흡착되게 하려면 상기 광활성화 물질과 고분자 사이에 전기적, 화학적 상호관계가 이루어지는 것이 좋다. 예를 들어, 양전하를 가지는 광활성화 물질을 정전기적 인력을 이용하여 흡착시키기 위해서, (b)고분자는 음전하를 가지는 것이 좋다. 상기 명시한 나피온 고분자는 강한 음전하를 띠고 있어 양전하를 갖는 광활성화 물질을 효과적으로 흡착할 수 있어 매우 유용하다. 특 히, 본 발명의 일구현예에 따른 광감응성 전극을 수소발생을 위한 광음극(photocathode)로 사용하는 경우에는 수소 양이온을 자유롭게 통과시킬 수 있기 때문에 나피온과 같은 음전하를 갖는 이온전도성 고분자를 사용하는 것이 매우 유용하다.In order to use the light energy, (d) it is preferable that an electrical and chemical interaction is made between the light activating material and the polymer so that the light activating material that absorbs the light energy to give up the excited electrons is adsorbed on the polymer. For example, in order to adsorb a photoactive material having a positive charge using electrostatic attraction, (b) the polymer is preferably a negative charge. The Nafion polymer described above is very useful because it has a strong negative charge and can effectively adsorb a photoactive material having a positive charge. In particular, when the photosensitive electrode according to one embodiment of the present invention is used as a photocathode for generating hydrogen, an ion conductive polymer having a negative charge such as Nafion is used because hydrogen cations can be freely passed through. It is very useful to do

상기 (c)탄소계 물질은 전극의 전도성을 보다 향상시키기 위하여 도입하는 것으로, 고분자에 흡착된 광활성화 물질(d)이 광에 의해 여기되고 여기된 전자를 무기 산화물 나노입자의 전도대에 전달하고, 이렇게 전달된 전자가 다시 탄소계 물질에 의해 전도성 기판의 표면까지 효율적으로 전달되는 원리를 이용한 것이다. 상기 탄소계 물질로는 탄소나노튜브, 흑연, 카본나노파이버, 플러렌, 나노로드, 다이아몬드라이크카본(DLC), 그라핀(Graphene) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있고, 보다 더 바람직하기로는 탄소나노튜브를 사용하는 것이 좋다. The (c) carbon-based material is introduced to further improve the conductivity of the electrode, the photoactivating material (d) adsorbed on the polymer is excited by light and transfers the excited electrons to the conduction band of the inorganic oxide nanoparticles, The electrons thus transferred are used to efficiently transfer the carbon-based material to the surface of the conductive substrate. The carbonaceous material may be selected from the group consisting of carbon nanotubes, graphite, carbon nanofibers, fullerenes, nanorods, diamond like carbon (DLC), graphene, and mixtures thereof, and even more. It is preferable to use carbon nanotubes.

특히, 상기 탄소나노튜브는 당분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지 않으나, 고분자 복합체 내에서 전도체로 이용하기 위해서는 뛰어난 전도성을 갖는 것을 사용하는 것이 좋다. 보다 구체적으로 탄소나노튜브는 벽을 이루고 있는 탄소원자의 결합 수에 따라 구분할 수 있는 바, 단일벽 탄소나노튜브는 탄소원자로 구성된 벽이 하나인 튜브형태로 전기전도성, 열전도성이 가장 우수하다. 탄소원자로 구성된 벽이 두 개인 이중벽 나노튜브는 전기전도성과 기계적 특성이 뛰어나며, 다중벽 탄소나노튜브는 하나의 튜브에 탄소원자로 구성된 벽이 여러 겹인 튜브형태로 전기 및 열적 특성은 다소 떨어지나 기계적 특성이 우수하고 제조가 용이해 응용 범위가 넓다. 본 발명에 있어서, 보다 바람직하기로는 전기전도성이 뛰어난 단일벽 탄소나노튜브가 좋고, 보다 더 바람직하기로는 금속성 단일벽 탄소나노튜브가 좋다. In particular, the carbon nanotubes are generally used in the art, but are not particularly limited, and in order to use them as conductors in the polymer composite, those having excellent conductivity may be used. More specifically, carbon nanotubes can be classified according to the number of bonds of carbon atoms constituting the wall. Single-walled carbon nanotubes have the best electrical conductivity and thermal conductivity in the form of a tube having one wall of carbon atoms. Double-walled nanotubes with two carbon atoms are excellent in electrical conductivity and mechanical properties.Multi-walled carbon nanotubes have several layers of carbon atoms in one tube. It is easy to manufacture and has a wide range of applications. In the present invention, more preferably, single-walled carbon nanotubes having excellent electrical conductivity are preferred, and even more preferably, metallic single-walled carbon nanotubes are preferred.

한편, 상기 광감응성 전극은 (a)무기 나노 입자 100 중량부에 대하여 (b)고분자 10 내지 200 중량부, 및 (c)탄소계 물질 0.1 내지 100 중량부를 포함하여 이루어질 수 있다. 보다 바람직하기로는 (a)무기 나노 입자 100 중량부에 대하여 (b)고분자 10 내지 150 중량부, 및 (c)탄소계 물질 0.1 내지 50 중량부를 포함하여 이루어질 수 있다. 보다 더 바람직하기로는 (a)무기 나노 입자 100 중량부에 대하여 (b)고분자 10 내지 100 중량부, 및 (c)탄소계 물질 0.1 내지 20 중량부를 포함하여 이루어질 수 있다.On the other hand, the photosensitive electrode may include (a) 10 to 200 parts by weight of the polymer, and (c) 0.1 to 100 parts by weight of the carbon-based material based on 100 parts by weight of inorganic nanoparticles. More preferably, (a) 10 to 150 parts by weight of the polymer, and (c) 0.1 to 50 parts by weight of the carbon-based material, based on 100 parts by weight of the inorganic nanoparticles. Even more preferably, it may comprise (a) 10 to 100 parts by weight of polymer, and (c) 0.1 to 20 parts by weight of carbon-based material, based on 100 parts by weight of inorganic nanoparticles.

이 때, 상기 무기 나노 입자(a) 및 고분자(b)는 전극 상에 코팅되는 고분자 복합체가 박리되는 등의 전극 형성성 및 전도성 물질들의 입자간 거리 조절에 의한 전기 전도성을 개선시키고, 상기 탄소나노튜브(c)는 금속산화물 나노입자들의 연결성을 개선하여 전기전도성을 개선시키고, 탄소나노튜브 본래의 색상으로 인한 광효율이 저하되는 문제점을 개선하기 위하여 상기한 함량범위로 이루어지는 것이 보다 바람직하다.At this time, the inorganic nanoparticles (a) and the polymer (b) to improve the electrical conductivity by the electrode formation properties such as peeling the polymer composite coated on the electrode and the distance between the particles of the conductive material, the carbon nano Tube (c) is more preferably made of the above content range in order to improve the conductivity of the metal oxide nanoparticles to improve the electrical conductivity, and to reduce the problem of light efficiency due to the original color of the carbon nanotubes.

본 발명에 따른 광감응성 전극은 (d)광에너지를 흡수하여 여기상태의 전자를 내어놓는 광활성화 물질을 더 포함하여 이루어질 수 있다. The photosensitive electrode according to the present invention may further comprise (d) a photoactivating material that absorbs light energy to give up an electron in an excited state.

상기 (d)광에너지를 흡수하여 여기상태의 전자를 내어놓는 광활성화 물질은 무기 나노 입자에 흡착하여 가시광 활성을 갖는 바, 종래에는 이러한 광활성화 물 질의 무기 나노 입자에 대한 흡착안정성이 크게 떨어져 태양전지 등의 실용 기술에 접목시키는 데 어려움이 있었고, 상기 흡착안정성을 향상시키기 위해서는 -COOH 또는 -PO3H 등의 작용기를 반드시 포함하는 물질로 제한되어 사용되는 단점이 있었다. 그러나 본 발명에서는 무기 산화물 나노입자와 광에너지를 흡수하여 여기상태의 전자를 내어놓는 광활성화 물질의 흡착을 상기 고분자가 도움으로써, 다양한 염료를 광감응제로 이용할 수 있게 하였다. (D) The photoactivating material absorbing the light energy to give up the electrons in the excited state has the visible light activity by adsorbing to the inorganic nanoparticles, conventionally the adsorption stability to the inorganic nanoparticles of such photoactivating material is greatly deteriorated There was a difficulty in incorporating practical technology such as a battery, and in order to improve the adsorption stability, there was a disadvantage in that it was limited to a material including a functional group such as -COOH or -PO 3 H. However, in the present invention, the polymer assists in the adsorption of inorganic oxide nanoparticles and a photoactivating material that absorbs light energy to give up an electron in an excited state, thereby making it possible to use various dyes as photosensitive agents.

따라서, 본 발명에 따른 (d)광에너지를 흡수하여 여기상태의 전자를 내어놓는 광활성화 물질은 당분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지 않으나, 보다 구체적으로 태양전지에 적용되는 경우에는 알루미늄(Al), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 유로퓸(Eu), 납(Pb), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소를 금속 복합체, 유기 색소, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것이 좋다. 또한, 폐수에서 발견될 수 있는 염료, 보다 구체적으로 섬유염색 산업에서 사용되는 아조염료 또한 상기 (d)광에너지를 흡수하여 여기상태의 전자를 내어놓는 광활성화 물질로 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. Therefore, the photo-activating material (d) according to the present invention absorbs the light energy to give up the electrons in the excited state is not particularly limited to those commonly used in the art, but more specifically, when applied to solar cells, Al), platinum (Pt), palladium (Pd), europium (Eu), lead (Pb), iridium (Ir), ruthenium (Ru), and combinations thereof are selected from the group consisting of metal complexes, organic pigments , And mixtures thereof. In addition, dyes that may be found in wastewater, more specifically, azo dyes used in the textile dyeing industry may also be used as photo-activating materials that absorb (d) the light energy and give off electrons in an excited state, but are not limited thereto. Do not.

또한, 상기 광감응성 전극은 (d)광에너지를 흡수하여 여기상태의 전자를 내어놓는 광활성화 물질 1 내지 100 중량부를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 보다 바람직하기로는 1 내지 50 중량부를 더 포함하는 것이 좋다.In addition, the photosensitive electrode may further comprise (d) 1 to 100 parts by weight of a photoactivating material that absorbs the light energy to give up the electrons in the excited state. More preferably, it is preferable to further include 1 to 50 parts by weight.

이 때, 상기 광에너지를 흡수하여 여기상태의 전자를 내어놓는 광활성화 물 질(d)은 광전환 특성 및 광효율을 개선시키기 위하여 상기한 함량범위로 이루어지는 것이 보다 바람직하다.At this time, the light-activated material (d) for absorbing the light energy to give up the electrons in the excited state is more preferably made in the above content range in order to improve the light conversion characteristics and light efficiency.

상기 광감응성 전극에 광을 조사할 경우 광전류가 급격하게 향상하고, 고분자에 흡착된 광활성화 물질(d)로 광감응된 전극을 이용하여 수소발생 광전기화학 전지를 구성한 경우, 광감응성 전극에서 발생한 전자가 백금전극으로 이동하여 수소이온을 환원시켜 얻는 수소발생량이 크게 향상되는 효과를 얻을 수 있다.When the photosensitive electrode is irradiated with light, the photocurrent rapidly improves, and when a hydrogen-generating photoelectrochemical cell is constructed using an electrode photosensitive with a photoactivating material (d) adsorbed to a polymer, electrons generated from the photosensitive electrode It is possible to obtain an effect of greatly improving the amount of hydrogen generated by moving to the platinum electrode and reducing hydrogen ions.

따라서, 본 발명의 일 구현예에 따른 상기 광감응성 전극은 태양전지 또는 광감응성 전기화학전지에 매우 유용하게 적용될 수 있다. 특히, 본 발명의 일 구현예에 따른 광활성 전극을 저온에서 생산 가능하게 한 기술이므로 고분자 기판에 적용할 경우 그 유연성에 의하여 다양한 모양의 상품 표면에 자유롭게 전지를 장착할 수 있어 그 응용성이 뛰어나다. 또한 이러한 기술은 광감응성 센서로 사용될 수 있으며 그 예로서 화학센서 또는 바이오센서 등을 들 수 있다.Therefore, the photosensitive electrode according to the embodiment of the present invention can be very usefully applied to solar cells or photosensitive electrochemical cells. In particular, since the photoactive electrode according to the embodiment of the present invention enables production at a low temperature, when applied to a polymer substrate, the battery may be freely mounted on the surface of various shapes due to its flexibility, thereby providing excellent application. In addition, such a technique may be used as a photosensitive sensor, and examples thereof include a chemical sensor or a biosensor.

특히, 본 발명의 일구현예에 따른 광감응성 전극은 광감응성 전기화학전지의 광양극(photoanode)로 작용할 수 있다. 광 조사시 광양극에서 발생한 전자는 외부 회로를 통해 반대전극으로 이동하여 수소양이온을 환원시킬 수 있다. 이러한 광감응성 전기화학전지의 작동상태는 도 1에 도시하였다. 광양극 내부에서 염료(dye)에 의해 발생한 전자가 이산화티타늄의 전도대(TiO2 conduction band(CB))로 전달된 후 전도성 기판에 도달한다. 이러한 전자의 흐름은 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)와 같은 탄소계 물질이 이산화티타늄 나노입자들을 서로 연결시킴으로써 크게 향상된 다.In particular, the photosensitive electrode according to the embodiment of the present invention may act as a photoanode of the photosensitive electrochemical cell. When light is emitted, electrons generated from the photoanode may move to the opposite electrode through an external circuit to reduce hydrogen cations. The operating state of the photosensitive electrochemical cell is shown in FIG. 1. The electrons generated by the dye inside the photoanode are transferred to the TiO 2 conduction band (CB) and reach the conductive substrate. The flow of electrons is greatly enhanced by carbon-based materials such as single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) connecting titanium dioxide nanoparticles to each other.

본 발명에 따른 광감응성 전극을 제조하는 방법은 고온 열처리(450 내지 500 ℃) 과정을 거치지 않고, 저온 코팅 공정(100 ℃ 이하)만 수행하여도 우수한 전자전달 효율을 얻을 수 있는 효과가 있다. The method of manufacturing the photosensitive electrode according to the present invention has an effect of obtaining excellent electron transfer efficiency even by performing a low temperature coating process (100 ° C. or less) without undergoing a high temperature heat treatment (450 to 500 ° C.).

이러한 광감응성 전극의 제조방법으로는 (a)무기 나노 입자, (b)고분자, 및 (c)탄소계 물질을 용매에 넣고 혼합하여 슬러리를 제조하는 1단계, 및 기판상에 상기 1단계에서 제조된 슬러리를 상온에서 도포한 후, 20 내지 100 ℃의 온도에서 건조하여 광감응성 전극을 제조하는 2단계를 포함하여 이루어진 광감응성 전극의 제조방법으로 제조될 수 있다.The photosensitive electrode may be prepared by, for example, (a) inorganic nanoparticles, (b) polymers, and (c) a carbon-based material in a solvent, mixed with each other, to prepare a slurry, and in the first step on the substrate. After the applied slurry at room temperature, and dried at a temperature of 20 to 100 ℃ can be prepared by a method for producing a photosensitive electrode comprising a two step of producing a photosensitive electrode.

이 때, 상기 슬러리를 제조하는 1단계에서 (d)광에너지를 흡수하여 여기상태의 전자를 내어놓는 광활성화 물질을 더 첨가하여, 용매에 넣고 혼합할 수 있다. At this time, in the step 1 of preparing the slurry, (d) a photoactivating material that absorbs the light energy and gives out the electrons in the excited state may be further added, put into a solvent, and mixed.

또한, 상기 광감응성 전극의 제조방법은 광감응성 전극을 제조하는 2단계 이후에 (d)광에너지를 흡수하여 여기상태의 전자를 내어놓는 광활성화 물질을 광감응성 전극의 (b)고분자에 흡착시키는 3단계를 더 포함하여 이루어진 광감응성 전극의 제조방법으로 제조될 수 있다.In addition, the method of manufacturing the photosensitive electrode (2) after the second step of manufacturing the photosensitive electrode to absorb the (b) photo-energy material that emits the electrons in the excited state to the (b) polymer of the photosensitive electrode It may be prepared by a method of manufacturing a photosensitive electrode further comprising three steps.

상기 광감응성 전극의 제조방법에 있어서, (a)무기 나노 입자, (b)고분자, (c)탄소나노튜브, 및 (d)광에너지를 흡수하여 여기상태의 전자를 내어놓는 광활성화 물질의 종류, 함량, 물성 등은 상기 광감응성 전극을 설명하면서 기재한 바와 같다. In the method of manufacturing the photosensitive electrode, (a) inorganic nanoparticles, (b) polymers, (c) carbon nanotubes, and (d) a kind of photoactivating material that absorbs the light energy to give an electron in the excited state , Content, physical properties and the like are as described while explaining the photosensitive electrode.

상기 용매는 당분야에서 일반적으로 사용되는 것으로, 특별히 한정하지 않으 나, 예를 들어, 아세톤, 메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올, 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸포름암드, 디메틸설폭사이드(DMSO), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 테트라하이드로퓨란(THF), 테트라부틸아세테이트, n-부틸아세테이트, m-크레졸, 톨루엔, 에틸렌글리콜(EG), γ-부티롤락톤, 헥사플루오로이소프로판올(HFIP) 등의 유기용매와 물을 단독 또는 조합하여 사용할 수 있다.The solvent is generally used in the art, and is not particularly limited. For example, acetone, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, dimethylacetamide (DMAc), dimethyl formamide , Dimethyl sulfoxide (DMSO), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), tetrahydrofuran (THF), tetrabutyl acetate, n-butyl acetate, m-cresol, toluene, ethylene glycol (EG), γ Organic solvents such as butyrolactone and hexafluoroisopropanol (HFIP) and water may be used alone or in combination.

또한, 상기 슬러리의 도포 방법으로는 당분야에서 일반적으로 사용되는 것으로, 특별히 한정하지 않으나, 예를 들어, 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 스크린 프린팅, 닥터 블레이딩, 잉크 젯팅 등을 사용할 수 있다.In addition, the slurry coating method is generally used in the art, and is not particularly limited. For example, spin coating, spray coating, screen printing, doctor blading, ink jetting, or the like may be used.

또한, 상기 기판으로는 투명성을 갖고 있는 것이면 특별히 한정되지 않으며, 구체적으로는 유리 또는 플라스틱 기판을 사용할 수 있다. 전도성 측면의 개선을 위하여, 상기 투명 기판으로 인듐틴 옥사이드(ITO), 플로린 도핑된 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 등의 전도성 물질이 코팅된 투명 기판을 사용하는 것이 보다 바람직하다.The substrate is not particularly limited as long as it has transparency, and specifically, a glass or plastic substrate can be used. In order to improve the conductivity, the transparent substrate may be formed of indium tin oxide (ITO), florin doped tin oxide (FTO), ZnO-Ga 2 O 3 , ZnO-Al 2 O 3 , SnO 2 -Sb 2 O 3, and the like. It is more preferable to use a transparent substrate coated with a conductive material.

이하, 본 발명을 다음의 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples, which should not be construed as limiting the invention thereto.

[광감응성 전극의 제조][Production of Photosensitive Electrode]

실시예 1Example 1

이산화티타늄 나노입자 5 g을 용매가 물과 알코올인 5 중량% 나피온 고분 자 용액 15 g에 첨가한 후 2 일 이상 교반하여 용액 상에 입자를 균일하게 분산시켰다(용액1). 5 g of titanium dioxide nanoparticles were added to 15 g of a 5 wt% Nafion polymer solution in which the solvent was water and alcohol, followed by stirring for 2 days or more to uniformly disperse the particles on the solution (solution 1).

동일한 방법으로 탄소나노튜브 0.2 g도 5 중량% 나피온 고분자 용액 19.8 g에 2일 동안 교반하여 분산시켰다(용액2). In the same manner, 0.2 g of carbon nanotubes were also dispersed in 19.8 g of a 5 wt% Nafion polymer solution by stirring for 2 days (solution 2).

2 g의 용액1과 5 g의 용액2를 혼합하여 닥터블레이딩 방법으로 전도성 기판에 코팅하고, 상온의 공기 중에서 건조시켰다. 건조된 전극을 용매가 에탄올인 0.5 mM 루테늄 염료 용액(Tris(2,2'-bipyridyl) dichloro-ruthenium(II) hexahydrate(CAD 50525-27-4), Aldrich, 224758-1G) 20 mL에 12 시간 동안 침적하여 염료를 나피온 고분자에 흡착시키고, 다시 건조함으로써 전극을 제조하였다. 이 때 상기 염료는 이산화티타늄 100 중량부에 대하여 24.1 중량부가 흡착되었다.2 g of solution 1 and 5 g of solution 2 were mixed, coated on a conductive substrate by a doctor blading method, and dried in air at room temperature. The dried electrode was placed in 20 mL of 0.5 mM ruthenium dye solution (Tris (2,2'-bipyridyl) dichloro-ruthenium (II) hexahydrate (CAD 50525-27-4), Aldrich, 224758-1G) in ethanol for 12 hours. Was deposited to adsorb the dye onto the Nafion polymer and dried again to prepare the electrode. At this time, the dye was adsorbed 24.1 parts by weight based on 100 parts by weight of titanium dioxide.

이 때, 상기 (a)나피온 고분자; (b)용액1(이산화티타늄 나노입자+나피온 고분자); 및 (c)본 발명에 따른 상기 실시예 1에 의한 광감응성 전극을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하여, 도 2에 나타내었다. At this time, the (a) Nafion polymer; (b) solution 1 (titanium dioxide nanoparticles + Nafion polymer); And (c) the photosensitive electrode according to Example 1 of the present invention was observed with a scanning electron microscope (SEM), and is shown in FIG. 2.

SEM 관찰 결과, 본 발명에 따른 광감응성 전극은 탄소나노튜브가 첨가되지 않은 용액 1과 비교하여, 나피온 고분자 내의 이산화 티타늄 나노입자가 탄소나노튜브에 의하여 상호 연결이 잘 되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 이로써 본 발명에 따른 광감응성 전극은 전자전달특성이 우수할 것으로 판단되었다.As a result of SEM observation, it was confirmed that the photosensitive electrode according to the present invention was well interconnected by the carbon nanotubes in the titanium dioxide nanoparticles in the Nafion polymer as compared to the solution 1 in which the carbon nanotubes were not added. As a result, it was determined that the photosensitive electrode according to the present invention had excellent electron transfer characteristics.

또한, 상기 용액1(이산화티타늄 나노입자+나피온 고분자); 용액1과2의 혼합용액(이산화티타늄 나노입자+탄소나노튜브+나피온 고분자); 및 본 발명에 따른 상기 실시예 1에 의한 광감응성 전극(이산화티타늄 나노입자+탄소나노튜브+나피온 고분자+염료)에 대하여 UV-Vis spectrophotometer (Shimadzu, UV-2401PC)를 사용하여 300 내지 700 nm 범위의 흡광도를 측정하여 도 3에 나타내었다. In addition, the solution 1 (titanium dioxide nanoparticles + Nafion polymer); Mixed solution of solution 1 and 2 (titanium dioxide nanoparticles + carbon nanotubes + Nafion polymer); And 300 to 700 nm using a UV-Vis spectrophotometer (Shimadzu, UV-2401PC) for the photosensitive electrode (titanium dioxide nanoparticles + carbon nanotubes + Nafion polymer + dyes) according to Example 1 according to the present invention The absorbance of the range was measured and shown in FIG. 3.

흡광도 관찰 결과, 탄소나노튜브를 첨가함으로써 전극의 광흡수도가 매우 상승하는 것을 확인할 수 있었고, 염료를 흡착시킴으로써, 염료를 흡착시키지 않은 경우와 비교하여 전극의 가시광 흡수성이 보다 더 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 광감응성 전극이 염료와 같은 (d)광에너지를 흡수하여 여기상태의 전자를 내어놓는 광활성화 물질을 포함하는 경우에도 검은색을 띄는 탄소나노튜브에 의하여 광활성을 잃는 것이 아니라, 여전히 우수한 가시광 흡수성을 가질 수 있다는 것을 확인할 수 있는 것이다.As a result of absorbance observation, it was confirmed that the light absorbency of the electrode was greatly increased by adding carbon nanotubes, and the visible light absorbency of the electrode was further increased by adsorbing the dye as compared with the case where the dye was not adsorbed. there was. This means that even if the photosensitive electrode contains a photo-activating material that absorbs (d) light energy such as dye and emits electrons in the excited state, it is not lost by the black carbon nanotubes, but still has excellent visible light absorption. You can see that you can have.

[태양전지의 제조][Manufacture of Solar Cell]

실시예 2Example 2

상기 실시예 1에서 제조된 전극을 이용하여 태양전지를 제조하였다. 전극을 유리 용기 앞에 배치시키고 반대전극으로 쓰이는 백금선과 기준전극인 Ag/AgCl 전극을 위치시켰다. 반응기 내부에는 전자 전달 후 산화된 염료를 재환원시킬 수 있는 전자공여체로서 50 mM의 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA) 수용액 40 mL가 주입되고, 반응기 윗부분의 기상부분에 반대전극에서 발생된 수소가 집적되었다. 본 반응기를 밀봉하고 질소를 15 분간 불어넣어 용액 상에 존재하는 산소를 제거함으로써, 반대전극 상에서 산소분자가 전자를 받지 못하게 하였다. A solar cell was manufactured using the electrode prepared in Example 1. The electrode was placed in front of the glass container, and the platinum wire used as the counter electrode and the Ag / AgCl electrode serving as the reference electrode were placed. 40 mL of 50 mM ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) aqueous solution was injected into the reactor as an electron donor capable of re-reducing the oxidized dye after electron transfer, and hydrogen generated from the counter electrode was accumulated in the gas phase of the upper part of the reactor. . The reactor was sealed and blown with nitrogen for 15 minutes to remove oxygen present in the solution, preventing the oxygen molecules from accepting electrons on the counter electrode.

상기 태양전지의 상층부에 존재하는 기상부분에서 기체를 채집하여 가스 크로마토그래피(Agilient, 6890A)를 사용해 광조사후 시간 변화에 따른 수소생성량을 조사하여 도 4에 나타내었다.Gas was collected from the gaseous part in the upper layer of the solar cell, and the amount of hydrogen produced according to time change after light irradiation was investigated using gas chromatography (Agilient, 6890A).

또한, 상기 제작된 전극을 작업전극으로 하고 Ag/AgCl을 기준전극으로, 백금전극을 반대전극으로 하여 작업전극에 기준전극에 대하여 0.4 V의 전압을 인가하여 발생하는 전류를 potentiostat(Gamry, Reference 600)을 사용하여 측정하여 도 4에 나타내었다.In addition, using the prepared electrode as a working electrode, Ag / AgCl as a reference electrode, a platinum electrode as a counter electrode, the current generated by applying a voltage of 0.4 V to the reference electrode to the working electrode potentiostat (Gamry, Reference 600 It is shown in Figure 4 by using a).

탄소나노튜브의 함량을 조절한 광감응성 전극Photosensitive electrode with controlled carbon nanotube content

실시예 3 내지 8Examples 3-8

이산화티타늄 나노입자 2 g을 용매가 물과 알코올인 5 중량% 나피온 고분자 용액 18 g에 첨가한 후 2 일 이상 교반하여 용액 상에 입자를 균일하게 분산시켰다(용액1). 2 g of titanium dioxide nanoparticles were added to 18 g of a 5 wt% Nafion polymer solution in which the solvent was water and alcohol, followed by stirring for 2 days or more to uniformly disperse the particles on the solution (solution 1).

동일한 방법으로 탄소나노튜브 0.2 g도 5 중량% 나피온 고분자 용액 19.8 g에 2일 교반하여 분산시켰다(용액2).In the same manner, 0.2 g of carbon nanotubes were also dispersed in 19.8 g of a 5 wt% Nafion polymer solution by stirring for 2 days (solution 2).

용액1과 용액2의 혼합은 CNT/(CNT+TIO2)가 0.8, 1.3, 2.1, 3.2, 4.7 및 7.1 중량%(실시예 3 내지 8)가 되도록 혼합하여 닥터블레이딩 방법으로 전도성 기판에 코팅하고 상온의 공기중에서 건조시켰다.Mixing of Solution 1 and Solution 2 was performed so that CNT / (CNT + TIO 2 ) was 0.8, 1.3, 2.1, 3.2, 4.7 and 7.1 wt% (Examples 3 to 8) and coated on the conductive substrate by a doctor blading method. And dried in air at room temperature.

이 용액을 닥터블레이딩 방법으로 전도성 기판에 코팅하고, 상온의 공기 중에서 건조시켰다. 건조된 전극을 용매가 에탄올인 0.5 mM 루테늄 염료 용액 20 mL에 12 시간 동안 침적하여 염료를 나피온 고분자에 흡착시키고 다시 건조시킴으로써 전극을 제조하였다. This solution was coated on a conductive substrate by a doctor blading method and dried in air at room temperature. The dried electrode was immersed in 20 mL of a 0.5 mM ruthenium dye solution in ethanol for 12 hours to adsorb the dye to the Nafion polymer and dried again.

상기 전극을 이용하여 태양전지를 제조하였다. 전극을 유리 용기 앞에 배치시키고 반대전극으로 쓰이는 백금선과 기준전극인 Ag/AgCl 전극을 위치시켰다. 반응기 내부에는 전자 전달 후 산화된 염료를 재환원시킬 수 있는 전자공여체로서 50 mM의 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA) 수용액 40 mL가 주입되고, 반응기 윗부분의 기상부분에 반대전극에서 발생된 수소가 집적되었다. 본 반응기를 밀봉하고 질소를 15 분간 불어넣어 용액 상에 존재하는 산소를 제거함으로써, 반대전극 상에서 산소분자가 전자를 받지 못하게 하였다. The solar cell was manufactured using the electrode. The electrode was placed in front of the glass container, and the platinum wire used as the counter electrode and the Ag / AgCl electrode serving as the reference electrode were placed. 40 mL of 50 mM ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) aqueous solution was injected into the reactor as an electron donor capable of re-reducing the oxidized dye after electron transfer. . The reactor was sealed and blown with nitrogen for 15 minutes to remove oxygen present in the solution, preventing the oxygen molecules from accepting electrons on the counter electrode.

상기 태양전지의 상층부에 존재하는 기상부분에서 기체를 채집하여 가스 크로마토그래피(Agilient, 6890A)를 사용해 광조사 1시간 후 수소생성량을 조사하여 하기 표 1에 나타내었다.Gas was collected from the gas phase portion present in the upper layer of the solar cell, and hydrogen production was investigated after 1 hour of light irradiation using gas chromatography (Agilient, 6890A), and the results are shown in Table 1 below.

나피온 고분자 내에 이산화티타늄 나노입자가 존재하지 않는 전극Electrode without Titanium Dioxide Nanoparticles in Nafion Polymer

비교예 1Comparative Example 1

탄소나노튜브 0.2 g을 용매가 물과 알코올인 5 중량% 나피온 고분자 용액 19.8 g에 첨가하여 2일 동안 교반하여 분산시켰다. 0.2 g of carbon nanotubes were added to 19.8 g of a 5 wt% Nafion polymer solution in which the solvent was water and alcohol, and then stirred and dispersed for 2 days.

이 용액을 닥터블레이딩 방법으로 전도성 기판에 코팅하고, 상온의 공기 중에서 건조시켰다. 건조된 전극을 용매가 에탄올인 0.5 mM 루테늄 염료 용액(Tris(2,2'-bipyridyl) dichloro-ruthenium(II) hexahydrate(CAD 50525-27-4) 20 mL에 12 시간 동안 침적하여 염료를 나피온 고분자에 흡착시키고 다시 건조시킴으로써 전극을 제조하였다. This solution was coated on a conductive substrate by a doctor blading method and dried in air at room temperature. The dried electrode was immersed in 20 mL of 0.5 mM ruthenium dye solution (Tris (2,2'-bipyridyl) dichloro-ruthenium (II) hexahydrate (CAD 50525-27-4) for 12 hours) in which the dried electrode was Nafion. The electrode was prepared by adsorbing to polymer and drying again.

상기 전극을 이용하여 태양전지를 제조하였다. 전극을 유리 용기 앞에 배치시키고 반대전극으로 쓰이는 백금선과 기준전극인 Ag/AgCl 전극을 위치시켰다. 반응기 내부에는 전자 전달후 산화된 염료를 재환원시킬 수 있는 50 mM의 전자공여체(EDTA) 수용액 40 mL가 주입되고, 반응기 윗부분의 기상부분에 반대전극에서 발생된 수소가 집적되었다. 본 반응기를 밀봉하고 질소를 15 분간 불어넣어 용액 상에 존재하는 산소를 제거함으로써, 반대전극 상에서 산소분자가 전자를 받지 못하게 하였다. The solar cell was manufactured using the electrode. The electrode was placed in front of the glass container, and the platinum wire used as the counter electrode and the Ag / AgCl electrode serving as the reference electrode were placed. Into the reactor, 40 mL of 50 mM aqueous solution of EDTA, which can re-oxidize the oxidized dye after electron transfer, was injected, and hydrogen generated from the opposite electrode was accumulated in the gas phase of the upper part of the reactor. The reactor was sealed and blown with nitrogen for 15 minutes to remove oxygen present in the solution, preventing the oxygen molecules from accepting electrons on the counter electrode.

상기 태양전지의 상층부에 존재하는 기상부분에서 기체를 채집하여 가스 크로마토그래피 (Agilient, 6890A)를 사용해 광조사 1시간 후의 수소생성량을 조사한 결과, 수소생성량은 0 μmol/h인 것을 확인할 수 있었다.Gas was collected in the gas phase portion present in the upper part of the solar cell, and gas generation (Agilient, 6890A) was used to examine the hydrogen production amount after 1 hour of light irradiation. As a result, the hydrogen production amount was found to be 0 μmol / h.

나피온 고분자 내에 탄소나노튜브가 존재하지 않는 전극Electrode without Carbon Nanotube in Nafion Polymer

비교예 2Comparative Example 2

이산화티타늄 나노입자 2 g을 용매가 물과 알코올인 5 중량% 나피온 고분자 용액 18 g에 첨가한 후 2 일 이상 교반하여 용액 상에 입자를 균일하게 분산시켰다(용액1). 2 g of titanium dioxide nanoparticles were added to 18 g of a 5 wt% Nafion polymer solution in which the solvent was water and alcohol, followed by stirring for 2 days or more to uniformly disperse the particles on the solution (solution 1).

이 용액을 닥터블레이딩 방법으로 전도성 기판에 코팅하고, 상온의 공기 중에서 건조시켰다. 건조된 전극을 용매가 에탄올인 0.5 mM 루테늄 염료 용액 20 mL에 12 시간 동안 침적하여 염료를 나피온 고분자에 흡착시키고 다시 건조시킴으로써 전극을 제조하였다. This solution was coated on a conductive substrate by a doctor blading method and dried in air at room temperature. The dried electrode was immersed in 20 mL of a 0.5 mM ruthenium dye solution in ethanol for 12 hours to adsorb the dye to the Nafion polymer and dried again.

상기 전극을 이용하여 태양전지를 제조하였다. 전극을 유리 용기 앞에 배치시키고 반대전극으로 쓰이는 백금선과 기준전극인 Ag/AgCl 전극을 위치시켰다. 반응기 내부에는 전자 전달후 산화된 염료를 재환원시킬 수 있는 전자공여체(EDTA) 수용액 40 mL가 주입되고, 반응기 윗부분의 기상부분에 반대전극에서 발생된 수소가 집적되었다. 본 반응기를 밀봉하고 질소를 15 분간 불어넣어 용액 상에 존재하는 산소를 제거함으로써, 반대전극 상에서 산소분자가 전자를 받지 못하게 하였다. The solar cell was manufactured using the electrode. The electrode was placed in front of the glass container, and the platinum wire used as the counter electrode and the Ag / AgCl electrode serving as the reference electrode were placed. Into the reactor, 40 mL of an electron donor (EDTA) aqueous solution capable of re-reducing the oxidized dye after electron transfer was injected, and hydrogen generated from the counter electrode was accumulated in the gas phase of the upper part of the reactor. The reactor was sealed and blown with nitrogen for 15 minutes to remove oxygen present in the solution, preventing the oxygen molecules from accepting electrons on the counter electrode.

상기 태양전지의 상층부에 존재하는 기상부분에서 기체를 채집하여 가스 크로마토그래피 (Agilient, 6890A)를 사용해 광조사후 시간 변화에 따른 수소생성량을 조사하여 도 4에 나타내었다. 또한, 광조사 1 시간 후의 수소생성량을 조사한 결과, 수소생성량은 0.01 μmol/h인 것을 확인할 수 있었다.Gas was collected in the gaseous phase portion present in the upper layer of the solar cell, and gas generation (Agilient, 6890A) was used to investigate hydrogen production according to the time change after irradiation with light, and is shown in FIG. 4. In addition, as a result of examining the hydrogen production amount after 1 hour of light irradiation, it was confirmed that the hydrogen production amount was 0.01 μmol / h.

또한, 상기 제작된 전극을 작업전극으로 하고 Ag/AgCl을 기준전극으로, 백금전극을 반대전극으로 하여 작업전극에 기준전극에 대하여 0.4V의 전압을 인가하여 발생하는 전류를 potentiostat (Gamry, Reference 600)을 사용하여 측정하여 도 4에 나타내었다.In addition, using the prepared electrode as a working electrode, Ag / AgCl as a reference electrode, a platinum electrode as a counter electrode and the current generated by applying a voltage of 0.4V to the reference electrode to the working electrode potentiostat (Gamry, Reference 600 It is shown in Figure 4 by using a).

도 4에 나타낸 바와 같이, 시간에 따른 광전류 및 수소발생량의 측정 결과, 탄소나노튜브가 존재하지 않는 비교예 2와 비교하여 본 발명에 따른 실시예 2의 광감응성 전극이 가시광을 조사 후, 발생하는 광전류 및 수소생성량이 우수한 것을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 4, as a result of measuring the amount of photocurrent and hydrogen generated over time, the photosensitive electrode of Example 2 according to the present invention is generated after irradiating visible light as compared with Comparative Example 2 in which carbon nanotubes do not exist. It was confirmed that the photocurrent and the hydrogen production amount were excellent.

구분division 실시예3Example 3 실시예4Example 4 실시예5Example 5 실시예6Example 6 실시예7Example 7 실시예8Example 8 CNT/(CNT+TIO2) (중량 %)CNT / (CNT + TIO 2 ) (% by weight) 0.80.8 1.31.3 2.12.1 3.23.2 4.74.7 7.17.1 수소발생량(μmol/h)Hydrogen generation amount (μmol / h) 1.961.96 3.453.45 3.793.79 3.003.00 2.202.20 1.701.70

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 3 내지 8에서 제조된 전극내 이산화티타늄과 탄소나노튜브의 함량비를 변화시킨 경우, 수소 발생량이 극대화 되고, 이산화 티타늄 나노입자가 존재하지 않는 하기 비교예 1과 탄소나노튜브가 존재하지 않는 하기 비교예 2에서 제조된 태양전지에서는 수소가 거의 발생하지 않는 것을 확인할 수 있었다. As shown in Table 1, when changing the content ratio of titanium dioxide and carbon nanotubes in the electrodes prepared in Examples 3 to 8, the amount of hydrogen generation is maximized, Comparative Example 1 that does not exist titanium dioxide nanoparticles It was confirmed that hydrogen is hardly generated in the solar cell manufactured in Comparative Example 2, in which no carbon nanotubes exist.

이것은 이산화티타늄 나노입자와 탄소나노튜브 모두 전극내 전자전달에 중요한 역할을 감당하고 있음을 나타낸다. 광에 의해 여기된 염료로부터 발생한 전자는 탄소나노튜브보다 이산화티타늄 나노입자로 전달된다. 하지만 탄소나노튜브가 존재하지 않는 경우 이산화티타늄 나노입자간의 전자전달이 용이하지 않아 전류발생 및 수소생성량은 줄어들게 된다. 탄소나노튜브의 함량이 너무 적은 경우에는 탄소나노튜브가 이산화티타늄 나노입자를 연결하지 못하므로 전자전달 효율이 충분하지 못할 수 있고, 탄소나노튜브의 함량이 너무 많은 경우에는 탄소나노튜브가 오히려 광차단 효과를 하므로 염료에 의한 가시광 흡수율이 감소하여 수소생성량이 충분하지 못할 수 있다. This indicates that both titanium dioxide nanoparticles and carbon nanotubes play an important role in electron transport in the electrode. Electrons generated from dyes excited by light are transferred to titanium dioxide nanoparticles rather than carbon nanotubes. However, in the absence of carbon nanotubes, electron transfer between the titanium dioxide nanoparticles is not easy, resulting in a decrease in current generation and hydrogen production. If the content of carbon nanotubes is too small, carbon nanotubes cannot connect the titanium dioxide nanoparticles, so the electron transfer efficiency may not be sufficient. If the content of carbon nanotubes is too high, the carbon nanotubes are rather light blocked. Because of the effect, the visible light absorption by the dye may be reduced and the amount of hydrogen production may not be sufficient.

염료의 함량을 조절한 광감응성 전극Photosensitive electrode with controlled dye content

실시예 9 내지 13Examples 9-13

이산화티타늄 나노입자 5 g을 용매가 물과 알코올인 5 중량% 나피온 고분자 용액 15 g에 첨가한 후 2 일 이상 교반하여 용액 상에 입자를 균일하게 분산시켰다(용액1). 5 g of titanium dioxide nanoparticles were added to 15 g of a 5 wt% Nafion polymer solution in which the solvent was water and alcohol, followed by stirring for 2 days or more to uniformly disperse the particles on the solution (solution 1).

동일한 방법으로 탄소나노튜브 0.2 g도 5 중량% 나피온 고분자 용액 19.8 g에 2 일 동안 교반하여 분산시켰다(용액2). In the same manner, 0.2 g of carbon nanotubes were also dispersed in 19.8 g of a 5 wt% Nafion polymer solution by stirring for 2 days (solution 2).

2 g의 용액1과 5 g의 용액2를 혼합하여 닥터블레이딩 방법으로 전도성 기판에 코팅하고 상온의 공기 중에서 건조시킴으로써 전극을 제조하였다. 건조된 전극을 용매가 에탄올인 루테늄 염료 용액 20 mL에 12 시간 동안 침적하여 염료를 나피온 고분자에 흡착시키되 염료의 흡착량이 25, 49, 88, 102, 및 200 nmol/cm2(실시예 9 내지 13)이 되도록 염료용액의 농도를 변화시켜 전극내 염료함량을 조절하고 이 전극을 다시 건조시킴으로써 전극을 제조하였다.2 g of solution 1 and 5 g of solution 2 were mixed, coated on a conductive substrate by a doctor blading method, and prepared by drying in air at room temperature. The dried electrode was immersed in 20 mL of a solution of ruthenium dye with ethanol for 12 hours to adsorb the dye to the Nafion polymer, but the adsorption amount of the dye was 25, 49, 88, 102, and 200 nmol / cm 2 (Examples 9 to 9). 13) to change the concentration of the dye solution to adjust the dye content in the electrode to prepare an electrode by drying the electrode again.

상기 전극을 이용하여 태양전지를 제조하였다. 전극을 유리 용기 앞에 배치시키고 반대전극으로 쓰이는 백금선과 기준전극인 Ag/AgCl 전극을 위치시켰다. 반응기 내부에는 전자 전달 후 산화된 염료를 재환원시킬 수 있는 전자공여체(EDTA) 수용액 40 mL가 주입되고, 반응기 윗부분의 기상부분에 반대전극에서 발생된 수소가 집적되었다. 본 반응기를 밀봉하고 질소를 15 분간 불어넣어 용액 상에 존재하는 산소를 제거함으로써, 반대전극 상에서 산소분자가 전자를 받지 못하게 하였다. The solar cell was manufactured using the electrode. The electrode was placed in front of the glass container, and the platinum wire used as the counter electrode and the Ag / AgCl electrode serving as the reference electrode were placed. Into the reactor, 40 mL of an electron donor (EDTA) aqueous solution capable of re-reducing the oxidized dye after electron transfer was injected, and hydrogen generated from the counter electrode was accumulated in the gas phase of the upper part of the reactor. The reactor was sealed and blown with nitrogen for 15 minutes to remove oxygen present in the solution, preventing the oxygen molecules from accepting electrons on the counter electrode.

상기 태양전지의 상층부에 존재하는 기상부분에서 기체를 채집하여 가스 크로마토그래피 (Agilient, 6890A)를 사용해 광조사 1 시간 후 수소생성량을 조사하여 하기 표 2에 나타내었다.Gas was collected in the gaseous phase present in the upper layer of the solar cell, and the amount of hydrogen produced after 1 hour of light irradiation using gas chromatography (Agilient, 6890A) was shown in Table 2 below.

구분division 실시예9Example 9 실시예10Example 10 실시예11Example 11 실시예12Example 12 실시예13Example 13 염료흡착량 (nmol/cm2)Dye adsorption amount (nmol / cm 2 ) 2525 4949 8888 102102 200200 수소발생량(μmol/h)Hydrogen generation amount (μmol / h) 0.680.68 1.001.00 0.960.96 0.930.93 0.930.93

상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 9 내지 13에서 제조된 전극 내에 염료의 함량을 일정 농도 이상으로 증가시켰을 때, 발생하는 수소의 양도 증가하는 것을 확인할 수 있었다. As shown in Table 2, when the amount of the dye in the electrode prepared in Examples 9 to 13 was increased above a certain concentration, it was confirmed that the amount of hydrogen generated also increases.

무기나노입자의 종류를 변경한 광감응성 전극Photosensitive Electrode with Inorganic Nanoparticles

실시예 14Example 14

황화 카드뮴 나노입자 0.2 g을 용매가 물과 알코올인 5 중량% 나피온 고분자 용액 1 g에 첨가한 후 2 일 이상 교반하여 용액 상에 입자를 균일하게 분산시켰다(용액1). 0.2 g of cadmium sulfide nanoparticles were added to 1 g of a 5 wt% Nafion polymer solution in which the solvent was water and alcohol, followed by stirring for 2 days or more to uniformly disperse the particles on the solution (solution 1).

동일한 방법으로 탄소나노튜브 0.2 g도 5 중량% 나피온 고분자 용액 19.8 g에 2 일 동안 교반하여 분산시켰다(용액2).In the same manner, 0.2 g of carbon nanotubes were also dispersed in 19.8 g of a 5 wt% Nafion polymer solution by stirring for 2 days (solution 2).

0.5 g의 용액1과 0.5 g의 용액2를 혼합하여 닥터블레이딩 방법으로 전도성 기판에 코팅하고 상온의 공기 중에서 건조시킴으로써 전극을 제조하였다.0.5 g of solution 1 and 0.5 g of solution 2 were mixed, coated on a conductive substrate by a doctor blading method, and prepared by drying in air at room temperature.

상기 전극을 이용하여 태양전지를 제조하였다. 전극을 유리 용기 앞에 배치시키고 반대전극으로 쓰이는 백금선과 기준전극인 Ag/AgCl 전극을 위치시켰다. 반응기 내부에는 전자 전달 후 산화된 염료를 재환원시킬 수 있는 전자공여체(EDTA) 100 mM 수용액 40 mL가 주입되고, 반응기 윗부분의 기상부분에 반대전극에서 발생된 수소가 집적되었다. 본 반응기를 밀봉하고 질소를 15 분간 불어넣어 용액 상에 존재하는 산소를 제거함으로써, 반대전극 상에서 산소분자가 전자를 받지 못하게 하였다. The solar cell was manufactured using the electrode. The electrode was placed in front of the glass container, and the platinum wire used as the counter electrode and the Ag / AgCl electrode serving as the reference electrode were placed. Into the reactor, 40 mL of 100 mM aqueous solution of an EDTA (EDTA) capable of re-reducing the oxidized dye after electron transfer was injected, and hydrogen generated from the counter electrode was accumulated in the gas phase of the upper part of the reactor. The reactor was sealed and blown with nitrogen for 15 minutes to remove oxygen present in the solution, preventing the oxygen molecules from accepting electrons on the counter electrode.

상기 태양전지의 상층부에 존재하는 기상부분에서 기체를 채집하여 가스 크로마토그래피 (Agilient, 6890A)를 사용해 광조사 1 시간 후 수소생성량을 조사한 결과 0.22 μmol/h인 것을 확인할 수 있었다.Gas was collected from the gaseous phase in the upper layer of the solar cell and the amount of hydrogen produced after 1 hour of light irradiation using gas chromatography (Agilient, 6890A) was 0.22 μmol / h.

실시예 15 내지 17Examples 15-17

실시예 1 에 따른 전극을 이용하여 태양전지를 제조하였다. 전극을 유리 용기 앞에 배치시키고 반대전극으로 쓰이는 백금선과 기준전극인 Ag/AgCl 전극을 위치시켰다. 반응기 내부에는 전자 전달후 산화된 염료를 재환원시킬 수 있는 전자공여체(EDTA) 수용액 40 mL (20, 50, 및 100 mM)(실시예 15 내지 17)가 주입되고, 반응기 윗부분의 기상부분에 반대전극에서 발생된 수소가 집적되었다. 상기 반응기를 밀봉하고 질소를 15 분간 불어넣어 용액 상에 존재하는 산소를 제거함으로써, 반대전극 상에서 산소분자가 전자를 받지 못하게 하였다. A solar cell was manufactured using the electrode according to Example 1. The electrode was placed in front of the glass container, and the platinum wire used as the counter electrode and the Ag / AgCl electrode serving as the reference electrode were placed. Inside the reactor is injected 40 mL (20, 50, and 100 mM) (Examples 15-17) of an aqueous solution of an EDTA solution which can re-oxidize the oxidized dye after electron transfer, opposite the gas phase part of the reactor Hydrogen generated at the electrode was accumulated. The reactor was sealed and blown with nitrogen for 15 minutes to remove oxygen present in the solution, thereby preventing the oxygen molecules from receiving electrons on the counter electrode.

상기 태양전지의 상층부에 존재하는 기상부분에서 기체를 채집하여 가스 크로마토그래피 (Agilient, 6890A)를 사용해 광조사 1 시간 후 수소생성량을 조사하여 하기 표 3에 나타내었다.Gas was collected in the gas phase portion present in the upper layer of the solar cell, and the hydrogen production amount was investigated after 1 hour of light irradiation using gas chromatography (Agilient, 6890A).

구분division 실시예15Example 15 실시예16Example 16 실시예17Example 17 EDTA 수용액 농도(mM)EDTA aqueous solution concentration (mM) 2020 5050 100100 수소발생량(μmol/h)Hydrogen generation amount (μmol / h) 1.571.57 1.771.77 1.951.95

상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 실시예 15 내지 17에서 제조된 전지 내부의 전해질 용액에 대하여 전자공여체 EDTA의 함량에 따라서도 수소의 양을 증가시킬 수 있는 것을 확인할 수 있었다. As shown in Table 3, it was confirmed that the amount of hydrogen can be increased depending on the content of the electron donor EDTA with respect to the electrolyte solution in the battery prepared in Examples 15 to 17.

본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다. All simple modifications or changes of the present invention can be easily carried out by those skilled in the art, and all such modifications or changes can be seen to be included in the scope of the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 광감응성 전극을 포함하여 이루어진 광감응성 전기화학전지의 작동 상태를 도시한 도면이다.1 is a view showing an operating state of a photosensitive electrochemical cell comprising a photosensitive electrode according to the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예 1에서 사용한 (a) 나피온 고분자, (b) 나피온 고분자에 이산화티타늄 나노입자가 담지되어 코팅된 용액1, 및 (c) 본 발명에 따른 상기 실시예 1에 의한 광감응성 전극의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타낸 것이다.2 is (a) Nafion polymer used in Example 1 of the present invention, (b) Solution 1 coated with titanium dioxide nanoparticles supported on the Nafion polymer, and (c) in Example 1 according to the present invention Scanning electron microscope (SEM) image of the photosensitive electrode.

도 3은 본 발명의 실시예 1에서 사용한 용액1(이산화티타늄 나노입자+나피온 고분자); 용액1과2의 혼합용액(이산화티타늄 나노입자+탄소나노튜브+나피온 고분자); 및 본 발명에 따른 상기 실시예 1에 의한 광감응성 전극(이산화티타늄 나노입자+탄소나노튜브+나피온 고분자+염료)에 대한 흡광도 그래프를 나타낸 것이다.3 is Solution 1 (titanium dioxide nanoparticles + Nafion polymer) used in Example 1 of the present invention; Mixed solution of solution 1 and 2 (titanium dioxide nanoparticles + carbon nanotubes + Nafion polymer); And it shows the absorbance graph for the photosensitive electrode (titanium dioxide nanoparticles + carbon nanotubes + Nafion polymer + dyes) according to Example 1 according to the present invention.

도 4는 본 발명의 실시예 2 및 비교예 2에서 제조된 태양 전지의 시간에 따른 광전류 및 수소발생량의 측정 결과 그래프를 나타낸 것이다.4 shows graphs of measurement results of photocurrent and hydrogen generation with time of solar cells manufactured in Example 2 and Comparative Example 2 of the present invention.

Claims (21)

기판 및 코팅층을 포함하는 광감응성 전극으로서, A photosensitive electrode comprising a substrate and a coating layer, 상기 코팅층은:The coating layer is: (a)무기 나노 입자; (a) inorganic nanoparticles; (b)고분자; 및 (b) a polymer; And (c)탄소계 물질;(c) carbonaceous materials; 을 포함하여 이루어지고,It is made, including 상기 (b)고분자는 폴리퍼플루오로술폰산, 폴리알킬에테르, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르술폰, 폴리이미드, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌이민, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되고,(B) the polymer is selected from the group consisting of polyperfluorosulfonic acid, polyalkyl ether, polyether ether ketone, polyether sulfone, polyimide, polyvinyl alcohol, polyethyleneimine, and mixtures thereof, 상기 (c)탄소계 물질은 탄소나노튜브, 흑연, 카본나노파이버, 플러렌, 나노로드, 다이아몬드라이크카본(DLC), 그라핀(Graphene) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 광감응성 전극.The (c) carbon-based material is selected from the group consisting of carbon nanotubes, graphite, carbon nanofibers, fullerene, nanorods, diamond-like carbon (DLC), graphene (graphene) and mixtures thereof . 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 코팅층은The coating layer is (d)광에너지를 흡수하여 여기상태의 전자를 내어놓는 광활성화 물질을 더 포함하여 이루어진 광감응성 전극. (d) A photosensitive electrode further comprising a photoactivating material that absorbs light energy and emits electrons in an excited state. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 (a)무기 나노입자는 Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga, In, Cd, Se, TiSr, Ag, Pb, Bi, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 금속의 산화물, 황화물, 또는 할로겐화물인 것인 광감응성 전극.The (a) inorganic nanoparticles are Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga, In, Cd, Se, A photosensitive electrode which is an oxide, sulfide, or halide of a metal selected from the group consisting of TiSr, Ag, Pb, Bi, and mixtures thereof. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 (a)무기 나노입자는 200 내지 300 m2/g의 표면적을 갖고, 1 내지 100 nm의 입경을 갖는 나노입자인 것인 광감응성 전극.The (a) inorganic nanoparticles is a photosensitive electrode having a surface area of 200 to 300 m 2 / g, and is a nanoparticle having a particle diameter of 1 to 100 nm. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 코팅층은 (a)무기 나노 입자 100 중량부에 대하여 The coating layer is based on (a) 100 parts by weight of inorganic nanoparticles (b)고분자 10 내지 200 중량부; 및(b) 10 to 200 parts by weight of polymer; And (c)탄소계 물질 0.1 내지 100 중량부; (c) 0.1 to 100 parts by weight of carbonaceous material; 를 포함하여 이루어진 것인 광감응성 전극.Photosensitive electrode that is made, including. 제2항에 있어서, The method of claim 2, 상기 코팅층은 (a)무기 나노 입자 100 중량부에 대하여 (d)광에너지를 흡수하여 여기상태의 전자를 내어놓는 광활성화 물질 1 내지 100 중량부를 더 포함하여 이루어진 것인 광감응성 전극.The coating layer is (a) 100 parts by weight of inorganic nanoparticles (d) a light-sensitive electrode that further comprises 1 to 100 parts by weight of the light-activating material for absorbing the light energy to give an electron in the excited state. 제1 내지 4, 7 및 8항 중 어느 한 항에 따른 광감응성 전극을 포함하는 태양전지 또는 광감응성 전기화학전지. A solar cell or photosensitive electrochemical cell comprising the photosensitive electrode according to any one of claims 1 to 4, 7 and 8. (a)무기 나노 입자, (b)고분자, 및 (c)탄소계 물질을 용매에 넣고 혼합하여 슬러리를 제조하는 1단계, 및(a) an inorganic nanoparticle, (b) a polymer, and (c) a carbon-based material in a solvent and mixed to prepare a slurry, and 기판상에 상기 1단계에서 제조된 슬러리를 상온에서 도포한 후, 20 내지 100 ℃의 온도에서 건조하여 광감응성 전극을 제조하는 2단계Applying the slurry prepared in step 1 on a substrate at room temperature, and then drying at a temperature of 20 to 100 ℃ to prepare a photosensitive electrode 를 포함하여 이루어진 광감응성 전극의 제조방법으로서,As a manufacturing method of a photosensitive electrode comprising a, 상기 (b)고분자는 폴리퍼플루오로술폰산, 폴리알킬에테르, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르술폰, 폴리이미드, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌이민, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되고,The polymer (b) is selected from the group consisting of polyperfluorosulfonic acid, polyalkyl ether, polyether ether ketone, polyether sulfone, polyimide, polyvinyl alcohol, polyethyleneimine, and mixtures thereof, 상기 (c)탄소계 물질은 탄소나노튜브, 흑연, 카본나노파이버, 플러렌, 나노로드, 다이아몬드라이크카본(DLC), 그라핀(Graphene) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 광감응성 전극의 제조방법.The (c) carbon-based material is selected from the group consisting of carbon nanotubes, graphite, carbon nanofibers, fullerene, nanorods, diamond-like carbon (DLC), graphene (graphene) and mixtures thereof Manufacturing method. 제10항에 있어서, The method of claim 10, 상기 슬러리를 제조하는 1단계는 (d)광에너지를 흡수하여 여기상태의 전자를 내어놓는 광활성화 물질을 더 첨가하여, 용매에 넣고 혼합하는 것인 광감응성 전극의 제조방법.The first step of preparing the slurry is (d) a method of manufacturing a photosensitive electrode that absorbs light energy and further adds a photoactivating material that gives up an electron in an excited state, which is then mixed in a solvent. 제10항에 있어서, The method of claim 10, 상기 광감응성 전극의 제조방법은 광감응성 전극을 제조하는 2단계 이후에 (d)광에너지를 흡수하여 여기상태의 전자를 내어놓는 광활성화 물질을 광감응성 전극의 (b)고분자에 흡착시키는 3단계를 더 포함하여 이루어진 광감응성 전극의 제조방법.The method of manufacturing the photosensitive electrode includes three steps of adsorbing the photoactive material (b) on the polymer of the photosensitive electrode after (d) absorbing photoenergy to give up electrons in an excited state after two steps of manufacturing the photosensitive electrode. Method for producing a photosensitive electrode further comprising. 제10항에 있어서, The method of claim 10, 상기 (a)무기 산화물 나노입자는 Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga, In, Cd, Se, TiSr, Ag, Pb, Bi, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 금속의 산화물, 황화물, 또는 할로겐화물인 것인 광감응성 전극의 제조방법.The (a) inorganic oxide nanoparticles are Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga, In, Cd, Se , TiSr, Ag, Pb, Bi, and a method for producing a photosensitive electrode that is an oxide, sulfide, or halide of a metal selected from the group consisting of these. 제10항에 있어서, The method of claim 10, 상기 (a)무기 산화물 나노입자는 200 내지 300 m2/g의 표면적을 갖고, 1 내지 100 nm의 입경을 가지는 나노입자인 것인 광감응성 전극의 제조방법.The (a) inorganic oxide nanoparticles are a nanoparticle having a surface area of 200 to 300 m 2 / g, having a particle size of 1 to 100 nm. 삭제delete 삭제delete 제10항에 있어서, The method of claim 10, 상기 슬러리는 (a)무기 나노 입자 100 중량부에 대하여 The slurry is based on (a) 100 parts by weight of inorganic nanoparticles (b)고분자 10 내지 200 중량부;및 (b) 10 to 200 parts by weight of polymer; and (c)탄소계 물질 0.1 내지 100 중량부; (c) 0.1 to 100 parts by weight of carbonaceous material; 를 용매에 넣어 혼합한 것인 광감응성 전극의 제조방법.Method for producing a photosensitive electrode that is mixed in a solvent. 제11항에 있어서, The method of claim 11, 상기 슬러리는 (a)무기 나노 입자 100 중량부에 대하여 (d)광에너지를 흡수하여 여기상태의 전자를 내어놓는 광활성화 물질 1 내지 100 중량부를 더 포함하여 혼합한 것인 광감응성 전극의 제조방법.The slurry is a mixture of (a) 100 parts by weight of inorganic nanoparticles (d) absorbing the light energy further comprises 1 to 100 parts by weight of the photo-activating material to give out the electrons in the excited state, the method of producing a photosensitive electrode . 제10항에 있어서, The method of claim 10, 상기 2단계에서, 상기 1단계에서 제조된 슬러리를 스핀코팅, 스프레이 코팅, 스크린 프린팅, 닥터 블레이딩, 및 잉크 젯팅으로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 기판상에 도포하여 수행하는 것인 광감응성 전극의 제조방법.In the step 2, the photosensitive electrode is performed by applying the slurry prepared in step 1 on the substrate by a method selected from the group consisting of spin coating, spray coating, screen printing, doctor blading, and ink jetting Manufacturing method. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 기판은 유리 또는 플라스틱의 투명 기판인 것인 광감응성 전극.The substrate is a photosensitive electrode that is a transparent substrate of glass or plastic. 제10항에 있어서, The method of claim 10, 상기 기판은 유리 또는 플라스틱의 투명 기판인 것인 광감응성 전극의 제조방법.The substrate is a method of manufacturing a photosensitive electrode that is a transparent substrate of glass or plastic.
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