KR101143474B1 - Methods for manufacturing titanium dioxide and dye-sensitized solar cell using the same - Google Patents

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Abstract

이산화티탄 제조 방법과 이 방법을 이용한 염료 감응 태양 전지 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 이산화티탄(TiO2) 제조 방법은, 티타늄 알콕사이드 및 에탄올아민을 포함하는 혼합 수용액을 제공하는 단계; 상기 수용액의 pH를 4 ~ 12로 조절하는 단계; 상기 수용액에 열을 가하여 TiO2 침전물을 생성하는 단계; 및 상기 침전물을 건조하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, pH 조절에 따라 입자 형상 및 크기가 제어된 TiO2를 제조할 수 있으며, 특히 상기 수용액의 pH를 5.8 ~ 8.5로 조절하는 경우 고효율 염료 감응 태양 전지를 위한 TiO2를 제조할 수 있다. A method for producing titanium dioxide and a method for producing a dye-sensitized solar cell using the method. Titanium dioxide (TiO 2 ) manufacturing method according to the present invention comprises the steps of providing a mixed aqueous solution containing titanium alkoxide and ethanolamine; Adjusting the pH of the aqueous solution to 4-12; Applying heat to the aqueous solution to form a TiO 2 precipitate; And drying the precipitate. According to the invention, possible to manufacture the particle shape and the control of TiO 2 in size depending on the pH adjustment, and in particular the production of TiO 2 for the high efficiency dye-sensitized solar cell, when to adjust the pH of the aqueous solution to 5.8 ~ 8.5 have.

Description

이산화티탄 제조 방법과 이 방법을 이용한 염료 감응 태양 전지 제조 방법 {Methods for manufacturing titanium dioxide and dye-sensitized solar cell using the same}Method for manufacturing titanium dioxide and method for producing dye-sensitized solar cell using this method {Methods for manufacturing titanium dioxide and dye-sensitized solar cell using the same}

본 발명은 이산화티탄(TiO2) 제조 방법과 염료 감응 태양 전지 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 입자 형상 및 크기가 제어된 TiO2를 제조하는 방법과 이 방법을 이용해 고효율 염료 감응 태양 전지를 제조하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing titanium dioxide (TiO 2 ) and a dye-sensitized solar cell, and more particularly, to a method for producing TiO 2 having controlled particle shape and size and a high efficiency dye-sensitized solar cell using the method. It relates to a method of manufacturing.

최근 지구 환경 문제와 화석 에너지의 고갈, 원자력 발전의 폐기물 처리 및 신규 발전소 건설에 따른 위치 선정 등의 문제로 인하여 신재생에너지에 대한 관심이 고조되고 있다. 그 중에서도 무공해 에너지원인 태양광 발전에 대한 연구 개발이 국내외적으로 활발하게 진행되고 있다.Recently, interest in renewable energy is increasing due to global environmental problems, exhaustion of fossil energy, waste disposal of nuclear power generation, and location selection due to the construction of new power plants. Among them, research and development on solar power generation, which is a pollution-free energy source, is being actively conducted at home and abroad.

태양 전지는 태양광 에너지를 직접 전기 에너지로 전환시키는 소자인데, 구성하는 물질에 따라 실리콘, 화합물 반도체를 이용한 무기소재로 이루어진 태양 전지, 전이금속 산화물 입자 표면에 광감응 염료가 흡착된 염료 감응 태양 전지, 그리고 유기분자로 이루어진 태양 전지로 나눌 수 있다. A solar cell is a device that directly converts solar energy into electrical energy. The solar cell is made of an inorganic material using silicon or a compound semiconductor, or a dye-sensitized solar cell in which a photosensitive dye is adsorbed on the surface of a transition metal oxide particle depending on the material of the solar cell. And solar cells composed of organic molecules.

현재 실리콘 기반의 태양 전지가 주류를 이루고 있으나, 단결정 및 다결정 실리콘은 벌크 상태의 원재료로부터 만들기 때문에 재료비가 비싸므로 가격의 절감측면에서는 한계가 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 방안이 유리와 같이 값싼 기판 위에 박막 형태의 태양 전지를 제조하는 것이며 상업화를 위해 저렴한 태양 전지로 최근에 많은 연구가 진행되고 있는 것이 염료 감응 태양 전지이다. Currently, silicon-based solar cells are the mainstream, but since monocrystalline and polycrystalline silicon are made from bulk raw materials, the material cost is high, and thus there is a limit in terms of cost reduction. In order to solve this problem, a solution derived from manufacturing a thin film solar cell on an inexpensive substrate such as glass is a dye-sensitized solar cell, which is being researched recently as an inexpensive solar cell for commercialization.

염료 감응 태양 전지는 반도체 전극, 전해질 용액 및 대향 전극의 3 부분으로 이루어진다. 여기서, 반도체 전극은 전도성 유리와 같은 기판 위에 전이금속 산화물층이 형성된 것을 말하는데, 전이금속 산화물층에는 태양광을 흡수하여 광전자를 발생시키는 광감응 염료가 흡착되어 있다. 대향 전극은 전도성 유리와 같은 기판 위에 백금과 같은 촉매층이 형성된 것을 말한다. 전해질 용액은 반도체 전극 및 대향 전극 사이에 삽입된 부분이다. Dye-sensitized solar cells consist of three parts: a semiconductor electrode, an electrolyte solution and an opposite electrode. Here, the semiconductor electrode refers to a transition metal oxide layer formed on a substrate such as conductive glass, and a photosensitive dye that absorbs sunlight and generates photoelectrons is adsorbed on the transition metal oxide layer. The counter electrode refers to a catalyst layer such as platinum formed on a substrate such as conductive glass. The electrolyte solution is the portion inserted between the semiconductor electrode and the counter electrode.

태양 전지의 에너지 변환 효율은 광흡수에 의해 생성된 전자의 양에 비례하기 때문에 많은 양의 전자를 생성하기 위해서는 염료의 흡착량을 증가시켜야 한다. 따라서, 단위면적당 흡착된 염료의 농도를 증가시키기 위해서는 전이금속 산화물층을 구성하는 전이금속 산화물 입자를 나노 크기로 제조할 것이 요구된다. Since the energy conversion efficiency of solar cells is proportional to the amount of electrons generated by light absorption, the amount of dye adsorption must be increased to generate a large amount of electrons. Therefore, in order to increase the concentration of the adsorbed dye per unit area, it is required to prepare the transition metal oxide particles constituting the transition metal oxide layer to a nano size.

나노결정성 TiO2는 광촉매, 광전변환 소자 등과 같은 태양 에너지 변환에 적합한 독특한 광학 및 전기적 성질을 갖고 있어 염료 감응 태양 전지의 반도체 전극을 위한 전이금속 산화물층 재료로 주목받고 있는 물질이다. TiO2 나노물질의 형상 의 영향에 관한 광범위한 연구는 나노결정성 TiO2를 사용하는 광전변환 소자의 에너지 변환 효율이 나노물질의 모폴러지에 의존적임을 보여준다. 염료 감응 태양 전지에서 1차원적인 TiO2 나노 와이어 또는 단분산된(monodispersed) TiO2를 사용하는 것은 전하 운송 능력을 개선함으로써 에너지 변환 효율을 증가시키는 것으로 알려져 있다. 이에 따라, 다양한 형상을 가진 단분산된 TiO2 나노물질을 합성하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. Nanocrystalline TiO 2 is a material that is attracting attention as a transition metal oxide layer material for semiconductor electrodes of dye-sensitized solar cells because of its unique optical and electrical properties suitable for solar energy conversion, such as photocatalysts, photoelectric conversion devices. Extensive studies on the effect of the shape of TiO 2 nanomaterials show that the energy conversion efficiency of photovoltaic devices using nanocrystalline TiO 2 is dependent on the morphology of the nanomaterials. The use in the dye-sensitized solar cell of one-dimensional nanowires TiO 2 or only dispersed (monodispersed) TiO 2 is known to increase the energy conversion efficiency by improving charge transport ability. Accordingly, researches for synthesizing monodisperse TiO 2 nanomaterials having various shapes have been actively conducted.

수열합성(hydrothermal), 화염분사(flame), 졸-겔(sol-gel) 및 침전법(precipitate method)과 같은 전통적인 방법은 대량 생산이 가능하지만 TiO2의 형상 제어와 단분산성(monodispersity)을 달성하는 데에는 적당하지 않다. 리버스 마이셀(reverse micelle), 폴리올 반응(polyol reaction), 및 초음파화학 반응(sonochemical reaction)을 이용하는 진보된 방법은 TiO2의 형상 제어와 단분산성을 달성할 수는 있지만 대량 생산에 적용할 수 없다. 그리고 기존에 제안된 방법들은 TiO2 표면에 잔류물이 있거나 낮은 결정성 등의 문제를 갖고 있는데 이것은 태양 에너지를 이용하는 데 장해 요소로 작용한다. Traditional methods such as hydrothermal, flame, sol-gel and precipitate methods are available for mass production, but achieve shape control and monodispersity of TiO 2 . Not suitable for Advanced methods using reverse micelles, polyol reactions, and sonochemical reactions can achieve shape control and monodispersity of TiO 2 but are not applicable to mass production. In addition, the proposed methods have problems such as residues on the TiO 2 surface or low crystallinity, which is an obstacle to using solar energy.

본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 형상이 제어되고 높은 결정성을 가지며 단분산된 개선된 TiO2를 대량 생산에 적합한 방식으로 제조하는 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the conventional problems, and the problem to be solved by the present invention is to provide a method of manufacturing a modified TiO 2 in a shape-controlled, high crystallinity and monodisperse in a manner suitable for mass production It is.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 개선된 TiO2층을 반도체 전극에 포함함으로써 에너지 변환 효율이 증가된 염료 감응 태양 전지를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a dye-sensitized solar cell having increased energy conversion efficiency by including an improved TiO 2 layer in a semiconductor electrode.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 이산화티탄(TiO2) 제조 방법은, 티타늄 알콕사이드 및 에탄올아민을 포함하는 혼합 수용액을 제공하는 단계; 상기 수용액의 pH를 4 ~ 12로 조절하는 단계; 상기 수용액에 열을 가하여 TiO2 침전물을 생성하는 단계; 및 상기 침전물을 건조하는 단계를 포함한다.Titanium dioxide (TiO 2 ) manufacturing method according to the present invention for solving the above technical problem, providing a mixed aqueous solution containing titanium alkoxide and ethanolamine; Adjusting the pH of the aqueous solution to 4-12; Applying heat to the aqueous solution to form a TiO 2 precipitate; And drying the precipitate.

상기 pH 조절에 따라 상기 TiO2는 구형 및 막대형 중 어느 하나의 형상을 가질 수 있으며, 상기 혼합 수용액에 에틸렌디아민(ethylenediamine)을 첨가하는 경우 상기 pH 조절에 따라 상기 TiO2는 와이어형 형상을 가질 수 있다. According to the pH control, the TiO 2 may have any one of a spherical shape and a rod shape. When ethylenediamine is added to the mixed aqueous solution, the TiO 2 may have a wire shape according to the pH control. Can be.

특히, 상기 혼합 수용액의 pH를 5.8 ~ 8.5로 조절하면 18 ~ 24nm의 평균 입자 크기를 갖는 TiO2를 제조할 수 있으므로, 이러한 pH 조절은 염료 감응 태양 전지용의 TiO2를 얻는 데에 유용하다. In particular, since the pH of the mixed aqueous solution is adjusted to 5.8 to 8.5, TiO 2 having an average particle size of 18 to 24 nm can be produced, and such pH adjustment is useful for obtaining TiO 2 for dye-sensitized solar cells.

본 발명에 따른 염료 감응 태양 전지 제조 방법에서는 이렇게 제조한 TiO2와 바인더를 혼합하여 TiO2 페이스트를 마련한 다음, 상기 TiO2 페이스트를 기판에 도 포한다. 그런 다음, 상기 TiO2 페이스트가 도포된 상기 기판을 소성하여 반도체 전극을 형성하게 된다. 이 반도체 전극을 대향 전극과 조립하고 그 사이를 전해질 용액으로 채우면 샌드위치 타입의 염료 감응 태양 전지를 제조할 수 있다. In the method of manufacturing a dye-sensitized solar cell according to the present invention, TiO 2 paste is prepared by mixing TiO 2 and a binder thus prepared, and then the TiO 2 paste is coated on a substrate. Thereafter, the substrate coated with the TiO 2 paste is fired to form a semiconductor electrode. A sandwich type dye-sensitized solar cell can be manufactured by assembling this semiconductor electrode with a counter electrode and filling it with an electrolyte solution.

상기 바인더는 테르피네올(terpineol)과 에틸셀룰로스(ethylcellulose)가 7 : 1의 질량비로 혼합된 것이 바람직하며, 이 때 상기 TiO2와 바인더는 1 : 3 내지 1 : 3.5의 질량비로 혼합한다. 이러한 TiO2 페이스트는 상기 기판에 닥터 블레이드법 또는 스크린 프린팅법으로 도포할 수 있으며, TiO2 페이스트의 도포 두께가 12 ~ 15㎛에 달하도록 도포할 수 있다. In the binder, terpineol and ethylcellulose are preferably mixed in a mass ratio of 7: 1, wherein the TiO 2 and the binder are mixed in a mass ratio of 1: 3 to 1: 3.5. The TiO 2 paste may be applied to the substrate by a doctor blade method or a screen printing method, and may be applied such that the coating thickness of the TiO 2 paste reaches 12 to 15 μm.

본 발명에 따르면, 졸-겔 반응의 pH 조절을 통해 형상이 제어되고 단분산된 아나타제(anatase) TiO2 나노 입자를 제조할 수 있다. 이 나노 입자는 균일한 입도 분포, 높은 결정성, 그리고 잔류 유기물과 결함이 없는 깨끗한 표면을 가진다. 메조포러스(mesoporous) 물질의 촉매적 성능을 개선하는 데에 나노 입자의 균일한 입도 분포가 필수적이므로, 본 발명에 따라 제조한 TiO2를 이용해 TiO2층을 형성하면 높은 기공률 및 비표면적을 가지게 된다. 이것을 이용하면 광촉매, 광전변환 소자의 성능이 개선될 수 있다. 또한, 이 방법은 대량 생산에 적합하다. According to the present invention, the shape-controlled and monodispersed anatase TiO 2 nanoparticles can be prepared by adjusting the pH of the sol-gel reaction. The nanoparticles have a uniform particle size distribution, high crystallinity, and a clean surface free from residual organics and defects. Mesoporous (mesoporous), so a uniform particle size distribution is essential for the nanoparticles in to improve the catalytic performance of material, forming a TiO 2 layer with a TiO 2 prepared according to the present invention is to have a high porosity and a specific surface area . By using this, the performance of the photocatalyst and the photoelectric conversion element can be improved. This method is also suitable for mass production.

특히 본 발명에 따르면, 염료 감응 태양 전지용으로 적합한 물성을 가지는 TiO2를 제조할 수 있는데, 본 발명에 따른 염료 감응 태양 전지 제조 방법에서는 이 것을 바인더에 섞어 기판 위에 도포하여 소성함으로써 반도체 전극을 형성한다. 이 반도체 전극은 높은 기공률 및 비표면적을 가지는 TiO2층을 포함하게 되므로, 이 반도체 전극을 포함하는 염료 감응 태양 전지에서 광감응 염료와 전해질의 운송이 촉진되어 에너지 변환 효율을 증가시킬 수 있다. 바인더의 종류, TiO2와 바인더의 혼합 비율 등을 최적화함으로써 소성시 TiO2층이 깨지지 않게 하여 반도체 전극을 형성할 수 있다. In particular, according to the present invention, TiO 2 having suitable physical properties for dye-sensitized solar cells can be produced. In the method for producing a dye-sensitized solar cell according to the present invention, a semiconductor electrode is formed by mixing and baking a binder on a substrate. . Since the semiconductor electrode includes a TiO 2 layer having a high porosity and a specific surface area, transport of the photosensitive dye and the electrolyte in the dye-sensitized solar cell including the semiconductor electrode can be promoted to increase energy conversion efficiency. By optimizing the type of binder, the mixing ratio of TiO 2 and the binder, and the like, the semiconductor electrode can be formed by preventing the TiO 2 layer from breaking during firing.

이하, 첨부 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention may be modified in many different forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.

(제1 실시예 _ TiO2 제조)(Example 1 _ TiO 2 Preparation)

도 1은 본 발명에 따른 TiO2 제조 방법의 순서도이다. 1 is a flow chart of a TiO 2 manufacturing method according to the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 첫 번째 단계(S1)에서 티타늄 알콕사이드와 에탄올아민을 포함하는 혼합 수용액을 제공한다. 티타늄 알콕사이드로는 티타늄 메톡사이드, 티타늄 에톡사이드, 티타늄 부톡사이드, 티타늄 n-부톡사이드, 티타늄 터트(tirt)-부톡사이드 및 티타늄 이소프로폭사이드 중에서 선택된 적어도 어느 하나 를 이용할 수 있고, 에탄올아민으로는 모노에탄올아민, 디에탄올아민 및 트리에탄올아민 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 이용할 수 있다. 혼합 수용액은 증류수를 이용해 Ti 이온의 농도를 조절할 수 있다. 여기서 증류수가 적으면 반응이 완전히 일어나지 않아 Ti(OH)4 젤의 구조가 약하고, 증류수가 많으면 반응 속도가 너무 빨라 점도가 지나치게 빨리 증가하는 문제점이 있다. 혼합 수용액에는 형상 조절제로서 에틸렌디아민을 첨가할 수도 있다. 실험예 1에서 상세히 설명하는 바와 같이, 에틸렌디아민을 첨가하지 않으면 구형 또는 막대형의 TiO2가, 에틸렌디아민을 첨가하면 와이어형의 TiO2가 얻어진다. Referring to Figure 1, in the first step (S1) of the present invention provides a mixed aqueous solution containing titanium alkoxide and ethanolamine. As the titanium alkoxide, at least one selected from titanium methoxide, titanium ethoxide, titanium butoxide, titanium n-butoxide, titanium tert-butoxide and titanium isopropoxide may be used. At least one selected from monoethanolamine, diethanolamine and triethanolamine can be used. The mixed aqueous solution may adjust the concentration of Ti ions using distilled water. Here, when the distilled water is small, the reaction does not occur completely, and the structure of the Ti (OH) 4 gel is weak. When the distilled water is large, the reaction rate is too fast, and the viscosity increases too quickly. Ethylenediamine can also be added to a mixed aqueous solution as a shape control agent. As detailed in the Experimental Example 1, unless the addition of ethylene diamine or spherical with a large film of TiO 2, the addition of ethylene diamine is of the wire-like TiO 2 can be obtained.

다음, 본 발명에서 두 번째 단계(S2)로 각종 유 ? 무기산과 염기를 이용하여 상기 혼합 수용액의 pH를 4 ~ 12로 조절한다. 이 때 염산, 황산, 질산, 과염소산(HClO4) 등과 같은 무기산, 수산화나트륨(NaOH) 용액과 같은 염기, 시트르산과 같은 유기산이 이용될 수 있다. 실험예 1에서 상세히 설명하는 바와 같이, pH에 따라서 TiO2 형상이 구형 또는 막대형으로 결정되고 그 크기 또한 달라지므로, pH 조절은 최종적으로 생성된 TiO2의 형상과 입도를 결정하는 중요 인자이다. Next, the second step (S2) in the present invention various types? The pH of the mixed aqueous solution is adjusted to 4-12 using an inorganic acid and a base. At this time, an inorganic acid such as hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, perchloric acid (HClO 4 ), a base such as sodium hydroxide (NaOH) solution, and an organic acid such as citric acid may be used. As described in detail in Experimental Example 1, since the TiO 2 shape is determined to be spherical or rod-shaped according to pH, and its size also varies, pH control is an important factor for determining the shape and particle size of the finally produced TiO 2 .

pH를 4보다 작게 하는 경우에는 얻어지는 TiO2의 평균 입자 크기가 작아 이것을 이용해 염료 감응 태양 전지를 제조하는 경우에는 원활한 전자 이동이 달성되지 않을 수 있다. pH를 12보다 크게 하는 경우에는 얻어지는 TiO2의 비표면적이 작게 되어 이것을 이용해 염료 감응 태양 전지를 제조하는 경우에 흡착되는 염료의 양이 불충분할 수 있어 효율에 영향을 미칠 수 있다. 상용의 TiO2 분말을 이용한 염료 감응 태양 전지와의 효율을 비교해 우수한 효율을 나타낼 수 있는 pH 범위는 4.7 ~ 10.5이고, 특히 5.8 ~ 8.5가 바람직하다. When the pH is lower than 4, the average particle size of TiO 2 obtained is small, so that when the dye-sensitized solar cell is manufactured using this, smooth electron transfer may not be achieved. If the pH is greater than 12, the specific surface area of the resulting TiO 2 is small, and when the dye-sensitized solar cell is manufactured using this, the amount of dye adsorbed may be insufficient, which may affect the efficiency. PH range which can exhibit excellent efficiency compared to the efficiency of the dye-sensitized solar cell using a commercially available powder of TiO 2 is 4.7 ~ 10.5, particularly 5.8 ~ 8.5 is preferable.

본 발명에서 세 번째 단계(S3)로 상기 혼합 수용액에 열을 가하여, TiO2 침전물을 생성한다. 필요에 따라 혼합 수용액을 교반할 수도 있는데 반응 과정 중 일부 구간(반응 초기)에서만 선택적으로 교반할 수도 있다. 예컨대 혼합 수용액을 오토클레이브(autoclave)에 넣고 열을 가한다. 여기서 온도와 반응 시간은 Ti 이온의 농도 등에 따라 조절할 수 있다. 이러한 단계에 Ti(OH)4 젤 매트릭스는 결정화가 되고 TiO2로 침전된다. 반응 시간이 너무 짧으면 순수한 TiO2를 얻기 힘들고 너무 길면 공정의 효율상 불리하다. In the third step (S3) in the present invention by applying heat to the mixed aqueous solution, to produce a TiO 2 precipitate. If necessary, the mixed aqueous solution may be stirred. Alternatively, the mixed aqueous solution may be selectively stirred only in some sections of the reaction process (initial reaction). For example, a mixed aqueous solution is placed in an autoclave and heated. Here, the temperature and the reaction time may be adjusted according to the concentration of Ti ions. In this step the Ti (OH) 4 gel matrix is crystallized and precipitated with TiO 2 . If the reaction time is too short, it is difficult to obtain pure TiO 2 , and if it is too long, the efficiency of the process is disadvantageous.

마지막 단계(S4)로 상기 단계(S3)에서 생성된 침전물을 여과 및 건조시켜 분말 형태의 TiO2를 얻는다. 본 단계(S4)에서는 표면의 잔류 유기물을 제거하기 위하여 적절한 세척 과정을 수행한 후 여과, 건조의 순서로 진행할 수도 있다.In the last step S4, the precipitate produced in the step S3 is filtered and dried to obtain TiO 2 in powder form. In this step (S4) may be performed in the order of filtration, drying after performing an appropriate washing process to remove the residual organic matter on the surface.

후술하는 실험예 1에서 확인한 바와 같이, 본 발명에 따라 제조되는 TiO2는 모든 pH 조건 하에서 순수한 아나타제 상을 가져 결정성이 우수하다. 또한, pH 10.5 미만에서는 종횡비가 1인 구형의 입자를, pH 10.5 이상에서는 종횡비가 5인 막대형 입자를, pH 10.5 이상과 에틸렌디아민 첨가시에는 종횡비가 10인 와이어형 입자를 얻을 수 있어 형상을 다양화할 수 있다. 뿐만 아니라, 후술하는 실험예 3에서 밝힌 바와 같이, 본 발명에 따라 제조되는 TiO2는 평균 입자 크기 주변으로 균일한 입도 분포를 가지는 단분산성을 가진다. As confirmed in Experimental Example 1 to be described later, TiO 2 prepared according to the present invention is pure under all pH conditions. It has an anatase phase and is excellent in crystallinity. In addition, when the pH is less than 10.5, spherical particles having an aspect ratio of 1, the rod-shaped particles having an aspect ratio of 5 at a pH of 10.5 or more, and the wire-shaped particles having an aspect ratio of 10 are added when the pH is at least 10.5 and ethylenediamine is added. Can be diversified In addition, as revealed in Experimental Example 3 to be described later, TiO 2 prepared according to the present invention has monodispersity having a uniform particle size distribution around the average particle size.

이상과 같이, 본 발명에 따르면 pH 조절 및 에틸렌디아민 첨가 여부에 따라 TiO2를 구형, 막대형 및 와이어형 중 어느 하나의 형상을 가지도록 제조할 수가 있으며 그 형상의 제어는 기존 방법들 대비 총괄적이다. 즉, 형상에 따라 별개의 공정을 이용하는 것이 아니라, 하나의 공정 안에서 pH 조절과 형상 조절제 첨가를 하여 다양한 형태의 TiO2를 얻는 것이다. As described above, according to the present invention, TiO 2 may be manufactured to have a spherical shape, a rod shape, and a wire shape according to pH adjustment and ethylenediamine addition, and the control of the shape is comprehensive compared to the existing methods. . In other words, instead of using a separate process depending on the shape, the pH control and the addition of the shape control agent in one process to obtain various forms of TiO 2 .

이와 같이, 본 발명에 따르면 비교적 간단한 공정에 의해 결정성이 우수한 단분산성의 TiO2를 다양한 형태로 제조할 수 있으므로 제조 공정이 단순화되고 원가 절감이 가능해지며 대량 생산에 보다 유리하다. As described above, according to the present invention, since the monodisperse TiO 2 having excellent crystallinity can be manufactured in various forms by a relatively simple process, the manufacturing process is simplified, cost reduction is possible, and more advantageous for mass production.

특히, 실험예 2에서 보는 바와 같이 티타늄 알콕사이드 및 에탄올아민을 포함하는 혼합 수용액의 pH를 5.8 ~ 8.5로 조절하면 18 ~ 24nm의 평균 입자 크기를 갖는 구형의 TiO2를 제조할 수 있는데, 이러한 TiO2를 이용해 TiO2층을 형성한 후 염료 감응 태양 전지로 제조하면 효율이 5.5% 이상이 된다. 따라서, 본 발명의 TiO2 제조 방법은 고효율 염료 감응 태양 전지용 TiO2 제조에 이용될 수 있다. In particular, by controlling the pH of the mixed aqueous solution containing the titanium alkoxide, and ethanol amine, as shown in Experiment 2 5.8 ~ 8.5 can be prepared a rectangle of TiO 2 having an average particle size of 18 ~ 24nm, these TiO 2 After forming a TiO 2 layer using a dye-sensitized solar cell efficiency is more than 5.5%. Therefore, the TiO 2 manufacturing method of the present invention can be used to manufacture TiO 2 for high efficiency dye-sensitized solar cells.

(제2 실시예 _ 염료 감응 태양 전지 제조)(Example 2 _ dye-sensitized solar cell production)

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조하게 되는 염료 감응 태양 전지의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 2 is a view schematically showing the configuration of a dye-sensitized solar cell to be manufactured according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 제조하게 되는 염료 감응 태양 전지(100)는 반도체 전극(10)과 대향 전극(30)을 포함하며 전해질 용액(50)을 이들 사이에 주입하여 밀봉한 샌드위치 구조이다. 전해질 용액(50)은 새어나오지 않도록 surlyn(듀퐁사 제품 1702)과 같은 열가소성 고분자 재료(60)로 밀봉되어 있을 수 있다.Referring to FIG. 2, the dye-sensitized solar cell 100 manufactured according to the embodiment of the present invention includes a semiconductor electrode 10 and a counter electrode 30, and an electrolyte solution 50 is injected therebetween to seal it. One sandwich structure. The electrolyte solution 50 may be sealed with a thermoplastic polymer material 60 such as surlyn (DuPont 1702) to prevent leakage.

반도체 전극(10)은 전도성 제1 기판(12) 상에 형성된 TiO2층(14)을 포함하고, 상기 TiO2층(14)에는 광감응 염료가 화학적으로 흡착되어 있다. TiO2층(14)은 본 발명에 따른 TiO2 제조 방법으로 제조한 TiO2를 사용하여 형성하게 된다. 대향 전극(30)은 전도성 제2 기판(32) 상에 형성한 촉매층(예컨대, 백금, 흑연)(34)을 포함하며, 촉매층(34)이 TiO2층(14)과 대향하도록 놓여 있다. 전해질 용액(50)은 요오드계 산화-환원 액체 전해질, 예를 들어 니트릴(nitrile)계 용매를 이용한 요오드/요오드화 이온으로 이루어진 레독스 전해액이다. The semiconductor electrode 10 includes a TiO 2 layer 14 formed on the conductive first substrate 12, and a photosensitive dye is chemically adsorbed on the TiO 2 layer 14. The TiO 2 layer 14 is formed using TiO 2 prepared by the TiO 2 manufacturing method according to the present invention. The counter electrode 30 includes a catalyst layer (for example, platinum and graphite) 34 formed on the conductive second substrate 32, and the catalyst layer 34 faces the TiO 2 layer 14. The electrolyte solution 50 is an iodine-based redox liquid electrolyte, for example, a redox electrolyte composed of iodine / iodide ions using a nitrile solvent.

염료 감응 태양 전지(100)의 원리는 다음과 같다. 태양광이 염료 감응 태양 전지(100)에 입사되면 광양자는 먼저 반도체 전극(10) 중 TiO2층(14)에 화학적으로 흡착되어 있는 염료에 의해 흡수된다. 염료는 기저 상태에서 여기 상태로 전자 전이하여 전자-홀 쌍을 이루며 여기 상태의 전자는 TiO2층(14)의 전도대로 주입된다. TiO2층(14)으로 주입된 전자는 입자간 계면을 통하여 TiO2층(14)에 접하고 있는 전도성 제1 기판(12)으로 전달되고 전도성 제1 기판(12)에 연결된 외부전선(미도시) 을 통하여 대향 전극(30)으로 이동된다. The principle of the dye-sensitized solar cell 100 is as follows. When sunlight is incident on the dye-sensitized solar cell 100, photons are first absorbed by the dye chemically adsorbed to the TiO 2 layer 14 of the semiconductor electrode 10. The dye electrons transfer from the ground state to the excited state to form an electron-hole pair, and the electrons in the excited state are injected into the conduction band of the TiO 2 layer 14. The injected with TiO 2 layer 14, electrons (not shown) outside of the wire transmitted to the first conducting substrate (12) in contact with the TiO 2 layer 14 is connected to the first conducting substrate 12 through an interface between particles It is moved to the counter electrode 30 through.

전자 전이의 결과로 산화된 염료는 전해질 용액(50) 내의 요오드 이온의 산화(3I-->I3 -+2e-)에 의해 제공되는 전자를 받아 다시 환원되며 산화된 요오드 이온(I3 -)은 대향 전극(30)에 도달한 전자에 의해 다시 환원되어 염료 감응 태양 전지(100)의 작동과정이 완성된다. 광전류는 TiO2층(14)으로 주입된 전자의 확산에 의한 결과로써 얻어지며 개방 회로 전압(open-circuit voltage : V oc)은 TiO2층(14)의 페르미 에너지와 전해질 용액(50)의 산화-환원 전위 차이에 의해 결정된다. Oxidized as a result of electron transfer dye oxidation of iodide ions in the electrolyte solution (50) (3I - -> I 3 - + 2e -) of iodine ions oxidation is reduced again accept electrons provided by (I 3 -) The silver is reduced again by the electrons reaching the counter electrode 30 to complete the operation of the dye-sensitized solar cell 100. The photocurrent is obtained as a result of the diffusion of electrons injected into the TiO 2 layer 14 and the open-circuit voltage ( V oc ) is the Fermi energy of the TiO 2 layer 14 and the oxidation of the electrolyte solution 50. It is determined by the reduction potential difference.

앞에서 언급한 바와 같이, 염료 감응 태양 전지의 에너지 변환 효율은 광흡수에 의해 생성된 전자의 양에 비례하기 때문에 많은 양의 전자를 생성하기 위해서는 염료의 흡착량을 증가시켜야 한다. 따라서, 일반적으로 반도체 전극의 전이금속 산화물층의 입자를 나노 크기로, 가능하면 후막으로 형성한다.As mentioned above, the energy conversion efficiency of dye-sensitized solar cells is proportional to the amount of electrons generated by light absorption, so the amount of dye adsorption must be increased to generate a large amount of electrons. Therefore, particles of the transition metal oxide layer of the semiconductor electrode are generally formed in nano size and possibly thick film.

TiO2층(14)은 본 발명에 따른 제조 방법으로 제조한 TiO2를 사용하여 형성하므로 단분산성의 TiO2로 이루어진다. 따라서, TiO2층(14)은 메조포러스한 성질을 가지며 기공이 많고 기공이 서로 연결된 구조이면서 넓은 비표면적을 가지게 되므로, 단위 면적당 흡착되는 염료의 농도가 매우 증가된다. 또한, TiO2층(14)은 본 발명에 따라 제조한 TiO2의 특성상 투명성을 잃지 않으면서 본 발명에서 제안하는 도포 방법을 이용해 충분히 두껍게 형성하는 것이 가능하므로 충분한 염료 흡착을 유도할 수 있다. 뿐만 아니라, TiO2층(14)은 전해질이 잘 투입될 수 있는 메조포러스 구조이므로 원활한 전자 운송 능력을 가진다. 따라서, TiO2층(14)을 포함하게 되는 염료 감응 태양 전지(100)는 염료의 큰 흡착량, 원활한 전자 운송 등의 효과로 인해 높은 광전 변환 효율을 보인다. The TiO 2 layer 14 is formed using TiO 2 prepared by the manufacturing method according to the present invention, and thus made of monodisperse TiO 2 . Therefore, since the TiO 2 layer 14 has mesoporous properties, has a large number of pores and a structure in which the pores are connected to each other, and has a large specific surface area, the concentration of dye adsorbed per unit area is greatly increased. In addition, since the TiO 2 layer 14 can be formed sufficiently thick using the coating method proposed in the present invention without losing transparency due to the properties of the TiO 2 prepared according to the present invention, sufficient dye adsorption can be induced. In addition, since the TiO 2 layer 14 has a mesoporous structure into which an electrolyte can be injected, the TiO 2 layer 14 has a smooth electron transport capability. Therefore, the dye-sensitized solar cell 100 including the TiO 2 layer 14 exhibits high photoelectric conversion efficiency due to effects of a large amount of dye adsorption, smooth electron transport, and the like.

이제 본 발명에 따른 염료 감응 태양 전지 제조 방법을 상세히 알아본다.Now, the dye-sensitized solar cell manufacturing method according to the present invention will be described in detail.

반도체 전극(10)을 제조하기 위하여, TiO2와 바인더를 혼합하여 TiO2 페이스트를 마련한다. 이 페이스트에는 분산을 돕기 위한 다른 첨가제 및 용제가 포함될 수 있다. In order to manufacture the semiconductor electrode 10, TiO 2 and a binder are mixed to prepare a TiO 2 paste. This paste may contain other additives and solvents to aid in dispersion.

TiO2는 본 발명에 따른 TiO2 제조 방법을 이용해 제조한 것을 이용하는데, 특히 티타늄 알콕사이드 및 에탄올아민을 포함하는 혼합 수용액의 pH를 5.8 ~ 8.5로 조절하여, 18 ~ 24nm의 평균 입자 크기를 갖는 구형의 TiO2를 제조하여 이용하도록 한다. 이러한 pH 범위와 입자 크기는 단순 수치 한정이 아니며 후술하는 실험예 2에서 보이는 바와 같이 염료 감응 태양 전지의 효율면에서 최적화된 것이다. TiO 2 is prepared by using the TiO 2 production method according to the present invention, in particular by adjusting the pH of the mixed aqueous solution containing titanium alkoxide and ethanolamine to 5.8 ~ 8.5, spherical having an average particle size of 18 ~ 24nm TiO 2 to be prepared and used. The pH range and particle size are not merely numerical limitations, and are optimized in terms of efficiency of the dye-sensitized solar cell, as shown in Experimental Example 2 described later.

여기서 바인더는 기판 등에 TiO2를 도포하고, 막 형성시에 발생하는 균열을 방지하거나, 기판으로부터의 박리를 방지하는 기능을 갖는 재료를 의미한다. 바인더는 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐알콜, 폴리-N-비닐아세트아미드, 폴리아크릴아미드, 폴리아크릴레이트, N-비닐아세트아미드-소디움 아크릴레이트 코폴리머, 아크릴아미드-소디움 아크릴레이크 코폴리머 또는 폴리테트라플루오로에틸렌을 사용할 수 도 있지만, 테르피네올과 에틸셀룰로스가 7 : 1의 질량비로 혼합된 것을 사용함이 바람직하다. The binder refers to a material having a function of preventing the crack generated at the time of applying the TiO 2 and the film forming substrate or the like, or prevent peeling from the substrate. The binder can be polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, poly-N-vinylacetamide, polyacrylamide, polyacrylate, N-vinylacetamide-sodium acrylate copolymer, acrylamide-sodium acrylic lake copolymer or polytetrafluoro Although ethylene can be used, it is preferable to use a mixture of terpineol and ethyl cellulose in a mass ratio of 7: 1.

다음, 위에서 마련한 TiO2 페이스트를 전도성 제1 기판(12)에 도포한다. 상기 TiO2 페이스트를 도포하는 방법의 예로는, 스퀴지 방법, 닥터 블레이드법, 스크린 프린팅법, 스프레이 방법 및 스핀 코팅 방법이 포함된다. 막 두께를 조절할 수 있는 한, 특별히 한정 없이 다른 방법을 이용할 수도 있다.Next, the TiO 2 paste prepared above is applied to the conductive first substrate 12. Examples of the method of applying the TiO 2 paste include a squeegee method, a doctor blade method, a screen printing method, a spray method and a spin coating method. As long as the film thickness can be adjusted, other methods can be used without particular limitation.

여기서, 전도성 제1 기판(12)은 FTO, ITO 등의 투명 전도성 산화막(TCO)이 코팅되고 건조된 전극 기판(예컨대, 유리, 또는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리스티렌 등의 폴리올레핀류, 나일론 6, 나일론 66 및 아라미드 등의 폴리아미드류, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트 및 불포화 폴리에스테르 등의 폴리에스테르류, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리에틸렌글리콜, 규소 수지, 폴리비닐 알콜, 비닐아세탈 수지, 폴리아세테이트, ABS 수지, 에폭시 수지, 비닐아세테이트 수지, 셀룰로스 및 셀룰로스 유도체(예컨대, 레이온), 우레탄 수지, 폴리우레탄 수지, 폴리카보네이트 수지, 우레아 수지, 풀루오로수지, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 페놀 수지, 셀룰로이드, 키틴, 전분 시트, 아크릴 수지, 멜라민 수지, 알키드 수지와 같은 유기 폴리머)일 수 있다. Here, the conductive first substrate 12 is coated with a transparent conductive oxide film (TCO) such as FTO, ITO and dried electrode substrate (eg, polyolefins such as glass or polyethylene, polypropylene and polystyrene, nylon 6, nylon 66). And polyamides such as aramid, polyesters such as polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate and unsaturated polyester, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polyethylene oxide, polyethylene glycol, silicon resin, polyvinyl alcohol, vinyl acetal resin , Polyacetates, ABS resins, epoxy resins, vinylacetate resins, cellulose and cellulose derivatives (e.g. rayon), urethane resins, polyurethane resins, polycarbonate resins, urea resins, pullulo resins, polyvinylidene fluorides, phenols Resin, Celluloid, Chitin, Starch Sheet, Acrylic Resin, Mela It may be an organic polymer) such as a resin, an alkyd resin.

실험시, TiO2와 바인더를 1 : 2.5 질량비로 혼합한 경우에는 점도가 매우 진하여 닥터 블레이드법 또는 스크린 프린팅법으로 도포할 수 없었다. TiO2와 바인더 를 1 : 3 내지 1 : 3.5의 질량비로 혼합한 경우 닥터 블레이드법 또는 스크린 프린팅법으로 도포시 점도 및 소성 후 막 상태에 있어서 매우 양호한 결과를 얻었다. TiO2와 바인더를 1 : 4 질량비로 혼합한 경우에는 닥터 블레이드법 또는 스크린 프린팅법으로 도포하는 것은 가능하였으나, 소성 후 막 깨짐 현상이 발생하였다. 따라서, TiO2와 바인더는 1 : 3 내지 1 : 3.5의 질량비로 혼합하여 사용함이 바람직하다. In the experiment, when TiO 2 and the binder were mixed in a 1: 2.5 mass ratio, the viscosity was very high and could not be applied by the doctor blade method or the screen printing method. When TiO 2 and the binder were mixed in a mass ratio of 1: 3 to 1: 3.5, very good results were obtained in viscosity and film state after firing when applied by the doctor blade method or the screen printing method. When TiO 2 and the binder were mixed in a 1: 4 mass ratio, coating was possible by the doctor blade method or the screen printing method, but a film cracking phenomenon occurred after firing. Therefore, TiO 2 and the binder are preferably used by mixing in a mass ratio of 1: 3 to 1: 3.5.

TiO2층(14)의 두께가 너무 얇으면 광의 산란 또는 흡수가 불충분하여 광전 변환 효율이 저감되는 반면에, 두께가 너무 두꺼우면 전해질의 분산 저항이 증가하거나 전자 이동 거리가 연장되어 반드시 성능이 향상되는 것은 아니고, 또한, 막 형성 조작이 번잡하게 된다. 따라서, TiO2 페이스트의 도포 두께는 적절히 결정하며, 최종적인 TiO2층(14)의 두께가 12 ~ 15㎛에 달하도록 반복적으로 도포하여 형성하거나, 아니면 1회의 공정으로 도포하여 형성하도록 한다. 스크린 프린팅법으로 도포하는 경우 TiO2와 바인더를 1 : 3 질량비로 혼합한 경우에는 3회 도포시 12 ~ 13㎛의 도포 두께를 얻을 수 있었으며, TiO2와 바인더를 1 : 3.5의 질량비로 혼합한 경우에는 3회 도포시 15㎛의 도포 두께를 얻을 수 있었다. If the thickness of the TiO 2 layer 14 is too thin, light scattering or absorption is insufficient to reduce the photoelectric conversion efficiency, while too thick the thickness of the TiO 2 layer 14 increases the dispersion resistance of the electrolyte or extends the electron travel distance, thereby necessarily improving performance. In addition, the film forming operation is complicated. Therefore, the coating thickness of the TiO 2 paste is appropriately determined and formed by repeatedly applying the final TiO 2 layer 14 to reach a thickness of 12 to 15 μm, or by applying it in one step. In the case of coating by the screen printing method, when TiO 2 and the binder were mixed in a 1: 3 mass ratio, a coating thickness of 12 to 13 μm was obtained in three coatings, and TiO 2 and the binder were mixed in a mass ratio of 1: 3.5. In the case of coating three times, a coating thickness of 15 μm was obtained.

다음에, TiO2 페이스트가 도포된 전도성 제1 기판(12)을 소성하여 TiO2층(14)을 형성한다. 도포된 TiO2 페이스트를 건조하는 단계를 소성 전에 더 포함할 수도 있다. 건조 방법의 예로는 도포된 TiO2 페이스트에 건조기 등에 의해 핫에어(hot air)를 불어 넣는 방법, 적외선을 조사하는 방법, 가열하는 방법 등이 포함된다. 이 밖에, 건조 온도가 상기 전도성 제1 기판(12)의 변형 또는 변성을 일으키지 않는 온도이면, 특별한 제한없이 상기 전도성 제1 기판(12) 상에 도포된 TiO2 페이스트로부터 용제를 증발시키는 방법이 사용될 수도 있다. 예컨대 100 ℃ 온도로 유지된 전기오븐에서 10분간 건조시키는 등의 처리를 행할 수도 있다. Next, the conductive first substrate 12 coated with the TiO 2 paste is fired to form the TiO 2 layer 14. Drying the applied TiO 2 paste may further comprise before firing. Examples of the drying method include a method in which hot air is blown into the coated TiO 2 paste by a dryer or the like, a method of irradiating infrared rays, a heating method, or the like. In addition, if the drying temperature is a temperature at which the deformation or modification of the conductive first substrate 12 does not occur, a method of evaporating the solvent from the TiO 2 paste applied on the conductive first substrate 12 without particular limitation may be used. It may be. For example, a treatment such as drying for 10 minutes in an electric oven maintained at a temperature of 100 ° C may be performed.

소성은 450 ℃, 공기 분위기 하에서 1시간 열처리하는 것일 수 있다. 가열의 목적은 TiO2 입자들의 전기적 접촉 증대와 페이스트를 제조하는 과정에서 첨가한 고분자를 제거하여 광전변환 성질을 향상시키는 것이다. 본 발명에 따라 제조한 TiO2는 입도 분포가 매우 고른 것이 특징이므로 소성시 막 수축이 거의 없고 실험예 5(도 14(a))에서도 보는 바와 같이 소성 공정 후에 TiO2의 모폴러지와 크기 균일도에 눈에 띌만한 변화도 없어 도포 두께인 12 ~ 15㎛가 거의 그대로 유지되어 후막의 TiO2층(14)을 얻을 수 있다. Firing may be heat treatment at 450 ° C. for 1 hour in an air atmosphere. The purpose of heating is to improve the photoelectric conversion properties by increasing the electrical contact of TiO 2 particles and removing the polymer added during the preparation of the paste. Since TiO 2 prepared according to the present invention has a very uniform particle size distribution, there is almost no film shrinkage during firing, and as shown in Experimental Example 5 (Fig. 14 (a)), the morphology and size uniformity of TiO 2 after the firing process are observed. There is no noticeable change, and the coating thickness of 12 to 15 mu m is maintained almost as it is to obtain a thick film TiO 2 layer 14.

다음으로 TiO2층(14)을 루테늄(Ru)계 염료가 용해되어 있는 용액 중에 24시간 이상 함침하여 염료를 흡착시킴으로써 반도체 전극(10)을 형성한다. Next, the semiconductor electrode 10 is formed by impregnating the TiO 2 layer 14 in a solution in which ruthenium (Ru) dye is dissolved for 24 hours or more to adsorb the dye.

계속하여 양극인 대향 전극(30)을 형성한다. 이를 위해서는, 전도성 제2 기판(32) 상에 촉매층(34)을 형성한다. 여기서, 전도성 제2 기판(32)은 상기 전도성 제1 기판(12)과 마찬가지로, FTO, ITO 등이 코팅되고 건조된 전극 기판일 수 있다. 촉매층(34)으로는 백금을 사용할 수 있는데, 예를 들어, 전도성 유리 기판을 준비하여 그 위에 5 mM 헥사클로로플라티늄산(H2PtCl6?xH2O) 수용액을 분산하고 건조한 다음, 백금 이온이 입혀진 기판을 60 mM 나트륨보로하이드레이트(NaBH4) 수용액 처리하여 백금 이온을 백금으로 환원시키고, 증류수로 세척한 후 건조시킨다. 대신에 전자빔 증착 기법을 이용해 촉매층(34)을 형성할 수도 있다. Then, the counter electrode 30 which is an anode is formed. To this end, the catalyst layer 34 is formed on the conductive second substrate 32. Here, the conductive second substrate 32 may be an electrode substrate coated and dried with FTO, ITO, etc. similarly to the conductive first substrate 12. Platinum may be used as the catalyst layer 34. For example, a conductive glass substrate may be prepared, and a 5 mM hexachloroplatinic acid (H 2 PtCl 6占 xH 2 O) aqueous solution may be dispersed thereon, followed by drying. The coated substrate was treated with 60 mM sodium borohydride (NaBH 4 ) aqueous solution to reduce platinum ions to platinum, washed with distilled water, and dried. Instead, the catalyst layer 34 may be formed using an electron beam deposition technique.

다음에 대향 전극(30)과 반도체 전극(10)을 전도성 면을 안쪽으로 하여 촉매층(34)과 염료가 입혀진 TiO2층(14)을 마주보게 한다. 대향 전극(30)과 반도체 전극(10)을 조립할 때 두 전극 사이의 가장자리에 30 ~ 50㎛ 두께의 열가소성 고분자 재료(60)를 놓은 다음, 가압하여 두 전극 사이의 3면을 차례로 밀착한다. Next, the counter electrode 30 and the semiconductor electrode 10 face the catalyst layer 34 and the TiO 2 layer 14 coated with a dye with the conductive surface inward. When assembling the counter electrode 30 and the semiconductor electrode 10, a thermoplastic polymer material 60 having a thickness of 30 to 50 μm is placed on the edge between the two electrodes, and then pressed to closely adhere the three surfaces between the two electrodes.

다음, 밀폐되지 않은 나머지 면을 통하여 전해질 용액(50)을 주입하여 채워 넣는다. 전해질 용액(50)은 상기한 전해질 용액 이외에도, 0.8 M의 1,2-디메틸-3-헥실-이미다졸륨 아이오다이드(1,2-dimethyl-3-hexyl-imidazolium iodide)와 40 mM의 I2를 아세토니트릴에 용해시킨 것 또는 0.8 M의 LiI와 40 mM의 I2와 0.2 M의 TBP(4-tert-butylpyridine)을 아세토니트릴에 용해시킨 것을 사용할 수 있다. 전해질 용액(50)을 채운 후에는 밀폐되지 않은 면에 열가소성 고분자 재료(60)를 놓은 다음 가열, 가압하여 밀봉한다. Next, the electrolyte solution 50 is injected and filled through the remaining non-sealed surface. In addition to the electrolyte solution described above, the electrolyte solution 50 is 0.8M 1,2-dimethyl-3-hexyl-imidazolium iodide (1,2-dimethyl-3-hexyl-imidazolium iodide) and 40 mM I. 2 dissolved in acetonitrile or 0.8 M LiI and 40 mM I 2 and 0.2 M TBP (4-tert-butylpyridine) dissolved in acetonitrile can be used. After filling the electrolyte solution 50, the thermoplastic polymer material 60 is placed on an unsealed surface, and then sealed by heating and pressing.

이와 같이 본 발명에 따른 제조 방법을 이용하면 단분산성의 TiO2로 이루어져 메조포러스한 TiO2층(14)을 형성하므로 단위 면적당 흡착되는 염료의 농도가 매 우 증가된다. 단분산성의 TiO2 특성상 TiO2층(14)은 투명하기 때문에 두껍게 형성하여도 염료 감응 태양 전지(100)의 투명성을 저해하지 않는다. 특히 본 발명에 따른 제조 방법의 TiO2 페이스트 도포 조건은 균열이 없는 후막의 TiO2층(14) 형성을 가능하게 하여 충분한 염료 흡착을 유도할 수 있다. 뿐만 아니라, TiO2층(14)은 전해질 용액(50)이 잘 투입될 수 있는 구조이므로 원활한 전자 운송 능력을 가진다. 따라서, 본 발명 제조 방법에 따라 제조된 염료 감응 태양 전지(100)는 높은 광전 변환 효율을 보인다. As described above, the production method according to the present invention forms a mesoporous TiO 2 layer 14 composed of monodisperse TiO 2 , so that the concentration of dye adsorbed per unit area is greatly increased. However dispersibility of TiO 2 TiO 2 the nature layer 14 does not affect the transparency of the thickening is formed by also dye-sensitized solar cell 100 is transparent. In particular, the TiO 2 paste application conditions of the production method according to the present invention enable formation of the TiO 2 layer 14 of the thick film without cracking, thereby inducing sufficient dye adsorption. In addition, since the TiO 2 layer 14 has a structure in which the electrolyte solution 50 can be added well, the TiO 2 layer 14 has a smooth electron transport capability. Therefore, the dye-sensitized solar cell 100 manufactured according to the present invention shows high photoelectric conversion efficiency.

이하, 전술한 본 발명의 다양한 측면을 구체적인 실험예들을 통해 보다 상세히 설명한다. 다음의 실험예들은 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니라, 본 발명을 구현하는 예시적인 것에 불과하다. Hereinafter, various aspects of the present invention described above will be described in more detail through specific experimental examples. The following experimental examples do not limit the scope of the present invention, but are merely exemplary for implementing the present invention.

다음의 모든 실험예에서, 본 발명에 따라 제조된 TiO2 나노 입자는 고배율 투과전자 현미경(high resolution transmission electron microscopy : HR-TEM, JEM 3000F, Japan)으로 형상을 관찰하였다. 결정 구조는 X-선 회절계(X-ray diffractometer : XRD, M18XHF-SRA, MAC-Science Instruments, Japan)로 확인하였다. TiO2의 비표면적과 TiO2층의 흡수 등온선은 BET 분석기(BELSORP-mini II, BEL, Japan)를 이용해 측정하였다. TiO2 나노 입자의 전자 결합 에너지는 X-선 광전자 분광법(XPS, SIGMA PROBE, ThermoVG, UK)을 이용해 분석하였다. 단색성 Al-K 소스(100 W)를 이용해 XPS 스펙트럼을 얻고, Ti(2p) 피크의 결합 에너지는 284.6eV에 서 TiO2로부터의 C(1s) 피크에 대해 보정하였다. 제조된 TiO2 나노 입자의 IR 투과율 스펙트럼은 상온에서 600 ~ 4000cm-1의 범위로 FT-IR 분광기(Nicolet6700, ThermoScientific, USA)를 이용해 측정하였다. FTO가 코팅된 전도성 기판 위에 TiO2층을 형성한 후, 염료 없이 TiO2층의 반사율과 투과율을 UV-Vis 분광법을 이용해 측정하였다.In all the following experimental examples, the TiO 2 nanoparticles prepared according to the present invention were observed in shape by high resolution transmission electron microscopy (HR-TEM, JEM 3000F, Japan). The crystal structure was confirmed by X-ray diffractometer (X-ray diffractometer: XRD, M18XHF-SRA, MAC-Science Instruments, Japan). Absorption isotherm of the specific surface area of TiO 2 and TiO 2 layer was measured by the BET analyzer (BELSORP-mini II, BEL, Japan). The electron binding energy of TiO 2 nanoparticles was analyzed using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, SIGMA PROBE, ThermoVG, UK). The XPS spectrum is obtained using a monochromatic Al-K source (100 W), and the binding energy of the Ti (2p) peak is 284.6 eV from TiO 2 . Corrected for C (1s) peaks. The IR transmittance spectrum of the prepared TiO 2 nanoparticles was measured using an FT-IR spectrometer (Nicolet6700, ThermoScientific, USA) in the range of 600 ~ 4000cm -1 at room temperature. After the TiO 2 layer was formed on the FTO-coated conductive substrate, the reflectance and transmittance of the TiO 2 layer without dye were measured by UV-Vis spectroscopy.

염료 감응 태양 전지는 실시예 2에서와 같이 샌드위치 타입으로 제조하였다. 반도체 전극 안의 TiO2층의 두께는 FE-SEM(JSM-6330F, Japan)로 측정하였다. TiO2층에 흡착된 염료 양은 탈착된 염료 용액의 UV-Vis 스펙트럼을 측정함으로써 체크하였다. 일정 전위기(potentiostat, CHI 608C, CH Instruments, USA)를 사용해 공기 중량 1.5(with Solar simulator; Peccell Technologies, Japan; intensity: 100 mW cm-2) 하에서 태양 전지의 광전변환 특성을 측정하였다.Dye-sensitized solar cells were prepared in the sandwich type as in Example 2. The thickness of the TiO 2 layer in the semiconductor electrode was measured by FE-SEM (JSM-6330F, Japan). The amount of dye adsorbed on the TiO 2 layer was checked by measuring the UV-Vis spectrum of the desorbed dye solution. Photoelectric conversion characteristics of the solar cell were measured under an air weight of 1.5 (with Solar simulator; Peccell Technologies, Japan; intensity: 100 mW cm −2 ) using a potentiometer (potentiostat, CHI 608C, CH Instruments, USA).

광 세기는 표준 태양 전지(PV Measurements, USA)를 이용해 보정하였다. 모든 광전변환 특성은 마스크(활성층 면적 0.25 cm2)를 이용해 평가하였다. 태양 전지의 전기화학 임피던스는 일정 전위기를 이용해 100 mW cm-2 을 조사하고 개방 회로 전압(V oc)을 바이어스로 인가하여 측정하였다. V oc 감소로부터 얻는 응답 시간(전자수명)은 시간의 함수로써 개방 회로 전압 감소(OCVD)법에 의해 측정하였다. V oc 감소 측정을 위해 입사광은 잠시 차단된 후 조사가 시작된 쿼자이 평형(quasi- equilibrium) 상태로부터 암 평형(dark equilibrium) 상태까지의 이완 동안 V oc의 유동적 감소 곡선을 모니터하였다. 일정 전위기를 이용해 매 50ms마다 데이터를 수집하였다. 전자 확산 계수는 광전류(SLIM-PC)법과 레이저 다이오드(660nm)를 이용해 단계적 광-유도 유동성 측정을 통해 얻었다. Light intensity was calibrated using standard solar cells (PV Measurements, USA). All photoelectric conversion characteristics were evaluated using a mask (active layer area 0.25 cm 2 ). The electrochemical impedance of the solar cell was measured by irradiating 100 mW cm −2 using a constant potentiometer and applying an open circuit voltage ( V oc ) as a bias. The response time (electron lifetime) obtained from V oc reduction was measured by open circuit voltage reduction (OCVD) method as a function of time. For the measurement of V oc reduction, the flow decay curve of V oc was monitored during relaxation from the quasi- equilibrium state to the dark equilibrium state where the incident light was temporarily blocked and then started to be irradiated. Data was collected every 50 ms using a constant potentiometer. Electron diffusion coefficients were obtained by stepwise light-induced fluidity measurements using the photocurrent (SLIM-PC) method and laser diode (660 nm).

(실험예 1 _ 다양한 형상의 TiOExperimental Example 1 _ TiO of Various Shapes 22 나노 입자 제조) Nanoparticle manufacturing)

pH 조절과 에틸렌디아민(ED) 첨가 여부에 따라 다양한 종횡비를 가지는 TiO2 나노결정을 합성 제조하였다.TiO 2 nanocrystals having various aspect ratios were synthesized according to pH adjustment and ethylenediamine (ED) addition.

티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide : TTIP)와 트리에탄올아민(triethanolamine : TEOA)을 1 : 2의 몰비로 혼합한 후 증류수로 희석하여 Ti4+(0.5 M)의 스토크 용액을 제조하고, 제조된 스토크 용액에 HClO4 및/또는 NaOH 용액을 첨가하여 혼합 수용액의 pH를 8.5 ~ 10.5로 조절하였다. 형상 조절제로서 0.4M의 ED를 첨가한 경우도 시행하였다. 혼합 수용액을 오토클레이브에 넣고 100 ℃에서 24시간 동안 1차 에이징한 다음, 140 ℃에서 72시간 동안 2차 에이징하여 TiO2 씨드의 핵형성 및 성장을 도모하였다. 합성된 TiO2 나노 입자는 표면의 잔류 유기물을 제거하기 위하여 NaOH(6번), HNO3(2번), 그리고 증류수(4번)로 세척한 후 원심 분리하여 건조하였다.Titanium isopropoxide (TTIP) and triethanolamine (TEOA) were mixed at a molar ratio of 1: 2, and then diluted with distilled water to prepare a stock solution of Ti 4+ (0.5 M). The pH of the mixed aqueous solution was adjusted to 8.5-10.5 by adding HClO 4 and / or NaOH solution to the solution. The case where 0.4 M ED was added as a shape control agent was also performed. The mixed aqueous solution was placed in an autoclave and primary aged at 100 ° C. for 24 hours, followed by secondary aging at 140 ° C. for 72 hours to facilitate nucleation and growth of TiO 2 seeds. The synthesized TiO 2 nanoparticles were washed with NaOH (No. 6), HNO 3 (No. 2), and distilled water (No. 4) to remove residual organic matter on the surface, and dried by centrifugation.

도 3의 (a) 내지 (d)는 합성된 TiO2 나노결정의 TEM 사진들이고, (e)는 합성 된 TiO2 나노결정의 XRD 패턴이다. 도 3(d)에서 화살표는 결정격자 방향을 나타낸다. 도 3(e)에서 x축은 2θ 값이며 y축은 회절피크의 세기(intensity)이다.(A) to (d) of Figure 3 deulyigo TEM photograph of the synthesized nanocrystalline TiO 2, (e) is a XRD pattern of the as-synthesized nanocrystalline TiO 2. In FIG. 3 (d), the arrow indicates the crystal lattice direction. In FIG. 3E, the x-axis is 2θ value and the y-axis is intensity of diffraction peak.

먼저 도 3(a)는 평균 입자 크기가 20 nm인 구형 TiO2 나노결정(GSS)의 TEM 사진을 보여준다. 이것은 ED 없이 pH 8.5 조건에서 합성되었다. 후술하는 실험예 3에서 밝힌 바와 같이 이것은 평균 입자 크기 주변으로 균일한 입도 분포를 가지는 단분산성의 입자이다. First, FIG. 3 (a) shows a TEM image of spherical TiO 2 nanocrystals (GSS) having an average particle size of 20 nm. It was synthesized at pH 8.5 conditions without ED. As revealed in Experimental Example 3 described later, this is monodisperse particles having a uniform particle size distribution around the average particle size.

pH를 10.5로 높이면 도 3(b)에서 보는 바와 같이 막대형 TiO2 나노결정(GSR)이 얻어지는데 이것의 평균 크기는 20 nm (너비) × 100 nm (길이)이었다. 이 pH 조건이면서 ED를 첨가한 경우에는 20 nm (너비) × 200 nm (길이)로 와이어형 TiO2 나노결정(GSW)이 얻어져, 그 종횡비는 도 3(c)에서 보는 바와 같이 막대형(GSR)의 두 배가 되었다. 아나타제 구조의 c-축과 평행한 면에 아미노산기가 흡착되면 비등방성 아나타제 TiO2가 형성된다. 이에, Ti(OH)4 젤 매트릭스는 비등방적으로 결정화된다. 높은 pH (10.5 이상) 용액에서 아민기는 TiO2면에 강한 결합을 형성하고 이에 따라 비등방성으로 형성된다. ED는 일차 아민으로서 높은 종횡비를 갖는 GSW를 얻기 위해 효과적인 형상 조절제임을 알 수 있다. 도 3(d)는 GSW의 HR-TEM 사진인데, 개개의 나노와이어가 단결정이며 c-축에 평행한 결정면에 ED 흡착이 되기 때문에 [001] 방향을 따라 나노결정이 성장되었음을 보여준다.When the pH was increased to 10.5, rod-shaped TiO 2 nanocrystals (GSR) were obtained as shown in FIG. 3 (b), and the average size thereof was 20 nm (width) × 100 nm (length). When ED is added under these pH conditions, wire-type TiO 2 nanocrystals (GSW) are obtained at 20 nm (width) × 200 nm (length), and the aspect ratio is rod-shaped (as shown in Fig. 3 (c)). Double the GSR). When the amino acid group is adsorbed on the plane parallel to the c-axis of the anatase structure, anisotropic anatase TiO 2 is formed. As such, the Ti (OH) 4 gel matrix is anisotropically crystallized. In high pH (10.5 and above) solutions, the amine groups form strong bonds to the TiO 2 side and are therefore anisotropic. It can be seen that ED is an effective shape modifier to obtain GSW with high aspect ratio as primary amine. Figure 3 (d) is a HR-TEM picture of GSW, showing that the nanocrystals are grown along the [001] direction because the individual nanowires are single crystals and ED adsorption on the crystal plane parallel to the c-axis.

또한, 도 3(e)에 도시한 바와 같이, 합성된 TiO2의 XRD 패턴을 보면 모든 형 상 제어된 단분산된 입자가 어떠한 이차상도 없는 순수한 TiO2 아나타제 상을 가지게 된다. 아나타제 상은 염료 감응 태양 전지의 전자 전달체로서 가장 효과적인 상으로 알려져 있다.In addition, as shown in FIG. 3 (e), the XRD pattern of the synthesized TiO 2 shows that all the shape controlled monodisperse particles have a pure TiO 2 anatase phase without any secondary phase. The anatase phase is known to be the most effective phase as an electron carrier in dye-sensitized solar cells.

정리하면, 본 발명에 따른 TiO2 제조 방법 시행시, 결정성이 우수한 TiO2를 얻을 수 있었으며, pH 10.5 미만에서는 구형의 입자를, pH 10.5 이상에서는 막대형 입자를, pH 10.5 이상과 ED 첨가시에는 와이어형 입자를 얻을 수 있었다. 이와 같이, 본 발명에 따르면 비교적 간단한 공정에 의해 다양한 형태의 TiO2를 제조할 수 있으므로 제조공정이 단순화되고 원가 절감이 가능해지며 대량 생산에 보다 유리하다. In summary, when the TiO 2 production method according to the present invention was carried out, TiO 2 having excellent crystallinity was obtained, and spherical particles below pH 10.5, rod-shaped particles above pH 10.5, and when pH 10.5 and ED were added. It was possible to obtain wire-shaped particles. As such, according to the present invention, various types of TiO 2 may be manufactured by a relatively simple process, thereby simplifying the manufacturing process, enabling cost reduction, and being more advantageous for mass production.

(실험예 2 _ 다양한 평균 입자 크기의 GSSExperimental Example 2 _ GSS of Various Average Particle Sizes 제조)  Produce)

TTIP와 TEOA를 1 : 2의 몰비로 혼합한 후 증류수로 희석하여 Ti4+(0.5 M)의 스토크 용액을 제조하였는데, 제조된 스토크 용액의 pH는 10.0이었다. 여기에 HClO4를 첨가하여 혼합 수용액의 pH를 4.7 ~ 10.0으로 조절하였다. 그런 다음, 혼합 수용액을 오토클레이브에 넣고 100 ℃에서 24시간 동안 1차 에이징한 후, 140 ℃에서 72시간 동안 2차 에이징하였다. 합성된 TiO2 나노 입자는 표면의 잔류 유기물을 제거하기 위하여 NaOH(6번), HNO3(2번), 그리고 증류수(4번)로 세척한 후 원심분리하고 건조하였다.TTIP and TEOA were mixed at a molar ratio of 1: 2 and diluted with distilled water to prepare a stock solution of Ti 4+ (0.5 M), and the pH of the prepared stock solution was 10.0. HClO 4 was added thereto to adjust the pH of the mixed aqueous solution to 4.7 to 10.0. Then, the mixed aqueous solution was placed in an autoclave and primary aged at 100 ° C. for 24 hours, followed by secondary aging at 140 ° C. for 72 hours. The synthesized TiO 2 nanoparticles were washed with NaOH (No. 6), HNO 3 (No. 2), and distilled water (No. 4) to remove residual organic matter on the surface, and then centrifuged and dried.

도 4는 위 방법에 따라 제조된 TiO2 나노결정의 TEM 사진들로서, pH 4.7, 5.8, 8.0, 8.5, 9.0 및 10.0 조건에서 각 나노결정의 형상과 입도를 파악할 수 있다. 평균 입자 크기는 각 샘플에서 300개 입자의 직경을 측정한 후 쉐러(Scherrer) 방정식을 이용해 계산하였다. pH 4.7, 5.8, 8.0, 8.5, 9.0 및 10.0 조건에서 각 나노결정은 구형, 즉 GSS로 형성되었음을 알 수 있으며, 그 평균 입자 크기는 각각 14㎚, 18㎚, 22㎚, 24㎚, 31㎚ 및 38nm로 계산되었다.Figure 4 is a TEM picture of the TiO 2 nanocrystals prepared according to the above method, it is possible to determine the shape and particle size of each nanocrystals at pH 4.7, 5.8, 8.0, 8.5, 9.0 and 10.0 conditions. The average particle size was calculated using the Scherrer equation after measuring the diameter of 300 particles in each sample. It can be seen that at pH 4.7, 5.8, 8.0, 8.5, 9.0 and 10.0, each nanocrystal was formed into a spherical shape, GSS, and the average particle size was 14 nm, 18 nm, 22 nm, 24 nm, 31 nm and Calculated at 38 nm.

이렇게 얻어진 다양한 평균 입자 크기의 GSS를 이용해 TiO2층을 형성하여 반도체 전극을 형성한 후 염료 감응 태양 전지의 효율을 측정하였으며, 도 5에 정리하였다. 이 때, TiO2층의 두께는 10㎛이었고, 염료 감응 태양 전지의 전이금속 산화물층과 TCO 사이에 흔히 채용되는 언더코트층 내지 차단층으로서 80nm의 치밀한 TiO2층도 형성한 경우이다(전이금속 산화물층에 미세 균열 등이 존재하면 기판이 전해질과 직접 접촉되어 역전자 이동(누설 전류)이 일어날 수 있다. 균열을 방지하기 위해, 전이금속 산화물층과 TCO 사이에 언더코트층 내지 차단층을 흔히 형성한다). 도 5를 참조하면, pH 4.7, 5.8, 8.0, 8.5, 9.0 및 10.0 조건하에서 얻은 모든 경우에 있어서 그것을 이용한 염료 감응 태양 전지의 효율은 4.7보다 크다. The TiO 2 layer was formed using GSSs having various average particle sizes thus obtained. After forming the semiconductor electrode, the efficiency of the dye-sensitized solar cell was measured and summarized in FIG. 5. At this time, the thickness of the TiO 2 layer was 10 μm, and a dense TiO 2 layer of 80 nm was also formed as an undercoat layer or a blocking layer commonly employed between the transition metal oxide layer and the TCO of the dye-sensitized solar cell (transition metal). The presence of microcracks, etc., in the oxide layer can cause the substrate to come into direct contact with the electrolyte, resulting in reverse electron transfer (leakage current), in order to prevent cracking, an undercoat or barrier layer is often formed between the transition metal oxide layer and the TCO. Forms). Referring to FIG. 5, in all cases obtained under pH 4.7, 5.8, 8.0, 8.5, 9.0 and 10.0 conditions, the efficiency of dye-sensitized solar cells using it is greater than 4.7.

한편, 다음의 표 1은 실험예 1의 GSS, GSR, GSW 및 상용 TiO2 분말인 Degussa P25를 사용해 TiO2층을 형성하여 반도체 전극을 만들고 이를 이용해 염료 감응 태양 전지를 제조한 경우의 비표면적, 흡착 염료양, 단락 전류 밀도(short- circuit current density : Jsc), Voc, 충진 계수(fill factor, ff), 광전 변환 효율(η)을 정리한 것이다. On the other hand, Table 1 below shows the specific surface area when the TiO 2 layer was formed using the GSS, GSR, GSW and the commercial TiO 2 powder Degussa P25 of Experimental Example 1 to form a semiconductor electrode, and a dye-sensitized solar cell using the same. The amount of adsorption dye, short-circuit current density (J sc ), V oc , fill factor ( ff ), and photoelectric conversion efficiency (η) are summarized.

여기서, η(%) = J sc× V oc× ff/입사광 에너지× 100Where η (%) = J sc × V oc × ff / incident light energy × 100

TiO2층의 두께는 10㎛이었고, 염료 감응 태양 전지의 전이금속 산화물층과 TCO 사이에 흔히 채용되는 언더코트층 내지 차단층으로서 80nm의 치밀한 TiO2층도 형성한 경우이다.The thickness of the TiO 2 layer was 10 μm, and a dense TiO 2 layer of 80 nm was also formed as an undercoat or barrier layer commonly employed between the transition metal oxide layer and the TCO of the dye-sensitized solar cell.

Figure 112009046575112-pat00001
Figure 112009046575112-pat00001

위 표 1에서도 보여주는 바와 같이 상용 TiO2 분말인 Degussa P25를 이용하여 제조한 경우의 효율이 4임을 고려하면, 도 5에 따른 결과는 매우 우수한 결과이다. TiO2 나노결정의 크기가 너무 작은 경우에는 원활한 전자 이동이 달성되지 않을 수 있고 너무 큰 경우에는 비표면적이 작게 되어 흡수되는 염료의 양이 불충분할 수 있어 효율에 영향을 미칠 수 있다. 본 발명에 따라 pH 4.7 내지 10.0에서 얻을 수 있는 GSS는 그 평균 입자 크기가 너무 작지도 크지도 않은 이상적인 경우라 할 수 있으며, 따라서 모두 염료 감응 태양 전지에 적합하다고 할 수 있다. As shown in Table 1 above, considering that the efficiency when manufactured using a commercial TiO 2 powder Degussa P25 is 4, the result according to Figure 5 is a very good result. If the size of the TiO 2 nanocrystals is too small, smooth electron transfer may not be achieved. If the TiO 2 nanocrystals are too large, the specific surface area may be small, resulting in insufficient amount of dye absorbed, which may affect efficiency. According to the present invention, the GSS obtained at pH 4.7 to 10.0 is an ideal case in which the average particle size is neither too small nor large, and thus all are suitable for dye-sensitized solar cells.

특히 효율 5.5% 이상인 경우를 고효율로 정의한다면, 도 5로부터 GSS의 평균 입자 크기가 18㎚, 22㎚, 24㎚일 때에 그것을 이용한 염료 감응 태양 전지가 고효율인 것으로 나타나므로, 고효율 염료 감응 태양 전지용으로 사용하려면 TiO2를 평균 입자 크기 18㎚ ~ 24㎚ 범위이면서 구형의 형상으로 제조하는 것이 바람직하다. 따라서, TiO2를 제조할 때의 pH 조건은 5.8 ~ 8.5로 하는 것이 가장 바람직하다는 것을 알 수 있다. In particular, if the efficiency is defined as higher than 5.5%, the dye-sensitized solar cell using the same when the average particle size of GSS is 18 nm, 22 nm, and 24 nm is shown from FIG. To be used, TiO 2 is preferably prepared in a spherical shape with an average particle size in the range of 18 nm to 24 nm. Thus, pH conditions for the production of TiO 2 it can be seen that it is most desirable to 5.8 ~ 8.5.

정리하자면, pH 4.7 내지 10.0에서 얻을 수 있는 GSS를 이용한 염료 감응 태양 전지의 효율은 4.7 이상이고, 표 1에 정리한 바와 같이 본 발명 실험예 1에 따라 제조된 GSR, GSW를 반도체 전극에 이용하여도 상용 TiO2 분말인 Degussa P25를 이용하는 경우보다 염료 감응 태양 전지의 효율을 증가시킬 수 있으므로 pH 10.0보다 크고 pH 10.5 이하인 경우도 염료 감응 태양 전지의 효율면에서 적합한 조건이다. 따라서, 염료 감응 태양 전지의 효율을 고려한 유용한 pH 범위는 4.7 ~ 10.5이고, 특히 pH 5.8 ~ 8.5에서는 5.5% 이상인 고효율 염료 감응 태양 전지를 제조할 수 있으므로 가장 바람직하다. In summary, the efficiency of the dye-sensitized solar cell using GSS obtained at pH 4.7 to 10.0 is 4.7 or more, and as summarized in Table 1, GSR and GSW prepared according to Experimental Example 1 of the present invention were used for semiconductor electrodes. In addition, since the efficiency of the dye-sensitized solar cell can be increased compared to the case of using Degussa P25, which is a commercial TiO 2 powder, a pH higher than 10.0 and a pH of 10.5 or less are also suitable conditions for efficiency of the dye-sensitized solar cell. Therefore, a useful pH range in consideration of the efficiency of the dye-sensitized solar cell is 4.7 to 10.5, and is particularly preferable since a high efficiency dye-sensitized solar cell can be produced at pH 5.8 to 8.5 of 5.5% or more.

(실험예 3 _ 단분산된 GSS의 평가 1) Experimental Example 3 Evaluation of Monodispersed GSS 1

본 발명에 따라 제조한 단분산된 GSS를 P25와 비교하여 분석하였다. 본 발명에 따라 제조한 단분산된 GSS로는 실험예 1 중 pH 8.5에서 합성한 것을 이용하였다. Monodisperse GSS prepared according to the present invention was analyzed in comparison with P25. As monodispersed GSS prepared according to the present invention was synthesized at pH 8.5 in Experimental Example 1.

먼저 GSS의 결정성을 P25와 비교하였다. 도 6은 GSS와 P25의 XRD 패턴이며 기존 방법으로 합성한 아나타제(SG)의 XRD 패턴도 같이 나타내었다. 도 6에서 ●는 (101)면, 즉 아나타제를, ★는 (110)면, 즉 루타일을 가리킨다. SG는 80℃에서 48시간 동안 TTIP와 증류수의 가수분해를 이용해 합성한 후 450℃ 공기 중에서 1시간 소성한 것이었다. 도 6에서 보는 바와 같이, GSS 아나타제는 P25에 비하여 결정성이 매우 우수하며 이것은 SG에 비해서도 훨씬 높은 수준이다. First, the crystallinity of GSS was compared with P25. 6 is an XRD pattern of GSS and P25 and also shows the XRD pattern of anatase (SG) synthesized by the conventional method. In Fig. 6, (●) indicates anatase, and ★ indicates (110) plane, that is, rutile. SG was synthesized by hydrolysis of TTIP and distilled water at 80 ° C. for 48 hours and then calcined at 450 ° C. for 1 hour in air. As shown in Figure 6, GSS anatase is very good crystallinity compared to P25, which is much higher than SG.

다음, 입도와 결함, 잔류 유기물을 평가하였다. 평균 입자 크기는 P25와 GSS TEM 사진에서 300개 입자의 직경을 측정한 후 쉐러 방정식을 이용해 계산하였는데, 각각 21.5 nm와 18.6 nm이었다. Next, particle size, defects, and residual organic matter were evaluated. The average particle size was calculated using the Scherer equation after measuring the diameter of 300 particles in P25 and GSS TEM images, 21.5 nm and 18.6 nm, respectively.

도 7의 (a)는 P25와 GSS TEM 사진으로부터 얻은 입도 분포이고, (b)는 P25와 GSS의 Ti 2p XP 스펙트럼이며, (c)는 FT-IR 스펙트럼이다. FIG. 7A is a particle size distribution obtained from P25 and GSS TEM images, (b) is a Ti 2p XP spectrum of P25 and GSS, and (c) is an FT-IR spectrum.

도 7(a)에서 보듯이, GSS는 평균 입자 크기 주변으로 균일한 입도 분포를 가지는 단분산성을 보이는 반면 P25의 입자 크기는 넓게 분포되어 있는 폴리분산성을 가지는 것으로 확인되었다. As shown in Figure 7 (a), GSS was shown to have a monodispersity having a uniform particle size distribution around the average particle size while the particle size of P25 has a widely distributed polydispersity.

표면 결함 상태와 잔류 유기 화합물은 XPS와 FT-IR을 이용해 분석하였다.Surface defect states and residual organic compounds were analyzed using XPS and FT-IR.

먼저 도 7(b)에 도시한 바와 같이, Ti 2p3/2와 2p1/2 피크 결합 에너지는 GSS 와 P25에 있어서 458.40 eV와 464.16 eV로 서로 동일하였다. 따라서, GSS에서 Ti3+ 이온과 같은 비화학양론적 결함의 농도가 무시할 수 있는 수준임을 알 수 있다.First, as shown in FIG. 7B, the peak binding energies of Ti 2p 3/2 and 2p 1/2 were the same at 458.40 eV and 464.16 eV in GSS and P25. Therefore, it can be seen that the concentration of nonstoichiometric defects such as Ti 3+ ions in the GSS is negligible.

도 7(c)에 나타낸 각 샘플의 FT-IR 스펙트럼을 보면, 위쪽은 TiO2 페이스트 도포 후 소성하기 전이고 아래쪽은 공기 중에서 450℃, 1시간 소성한 후이다. 소성 후에 N-H(~1405 cm-1)와 N-O(~1340cm-1) 흡수 피크가 없어진 것으로 보아, GSS 상에서 잔류 아미노산기는 공기 중, 450℃, 1시간 열처리 조건 하에서 쉽게 제거된다는 것을 알 수 있다. Looking at the FT-IR spectrum of each sample shown in Fig. 7 (c), the upper part is before firing after application of TiO 2 paste and the lower part is after firing at 450 ° C. for 1 hour in air. Viewed as missing the NH (~ 1405 cm -1) and NO (~ 1340cm -1) absorption peaks after firing, it can be seen that the amino acid residue on the GSS group being easily removed in 1 hours heat treatment conditions, 450 ℃, in the air.

TiO2로부터 표면 결함과 잔류 유기물을 제거하는 것은 염료 감응 태양 전지에서 높은 효율을 얻기 위한 선행조건이다. 결정성이 낮거나 격자 결함이 존재하면, TiO2의 전도대 에너지 레벨이 감소되어 태양 전지가 제조되므로 개방 회로 전압이 낮아지고, 광전 변환 효율이 감소되기 때문이다. 본 발명에 따라 제조한 GSS는 이상에서 본 바와 같이 결정성이 우수하며 결함과 잔류 유기물이 없으므로 염료 감응 태양 전지용으로 적합하다.Removing surface defects and residual organics from TiO 2 is a prerequisite for obtaining high efficiency in dye-sensitized solar cells. This is because if the crystallinity is low or there is a lattice defect, the conduction band energy level of TiO 2 is reduced and the solar cell is manufactured so that the open circuit voltage is lowered and the photoelectric conversion efficiency is reduced. The GSS prepared according to the present invention is suitable for dye-sensitized solar cells because it has excellent crystallinity and no defects and residual organic matter as described above.

(실험예 4 _ 단분산된 GSS의 평가 2) Experimental Example 4 Evaluation of Monodispersed GSS 2

GSS의 염료 감응 태양 전지 동작 성능에 관한 영향을 P25를 사용한 경우와 비교하여 분석하였는데, 특히 광반사율(optical reflectance)과 전하 운송(carrier transport) 관점에서 고려하였다. The effect of GSS on the performance of dye-sensitized solar cells was analyzed in comparison with the case of using P25, especially in terms of optical reflectance and carrier transport.

GSS와 P25를 사용해 TiO2층을 형성하여 반도체 전극을 만들고 이를 이용해 염료 감응 태양 전지를 제조하였다. 앞의 실험예 3에서 본 바와 같이 GSS와 P25는 입도 분포를 제외하고는 유사한 평균 입자 크기와 결정성을 가지고 있으므로 도 8의 I-V 곡선은 염료 감응 태양 전지의 동작성능에 미치는 입자 균일도의 영향을 나타내게 된다. A TiO 2 layer was formed using GSS and P25 to form a semiconductor electrode, and a dye-sensitized solar cell was manufactured using the same. As seen in Experimental Example 3, since GSS and P25 have similar average particle size and crystallinity except for particle size distribution, the IV curve of FIG. 8 shows the effect of particle uniformity on the operating performance of dye-sensitized solar cells. do.

위 표 1에 요약한 바와 같이, GSS를 이용한 염료 감응 태양 전지(이하, GSS 태양 전지)의 총 변환 효율은 P25를 이용한 염료 감응 태양 전지(이하, P25 태양 전지)에 비하여 32.5% 높다. GSS 태양 전지의 변환 효율이 높은 이유는 J sc가 월등히 향상되었기 때문이다. GSS 태양 전지의 J sc는 9.9 mA cm-2인데 이것은 P25 태양 전지의 J sc인 8.3 mA cm-2에 비하여 높다. As summarized in Table 1 above, the total conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell (hereinafter referred to as GSS solar cell) using GSS is 32.5% higher than that of the dye-sensitized solar cell (hereinafter referred to as P25 solar cell) using P25. The high conversion efficiency of GSS solar cells is due to the significant improvement in J sc . The J sc of the GSS solar cell is 9.9 mA cm −2, which is higher than the 8.3 mA cm −2 , which is the J sc of the P25 solar cell.

우선 GSS 태양 전지의 J sc가 큰 이유는 높은 표면적에 기인한다. 도 9는 P25로 만든 TiO2층과 GSS로 만든 TiO2층의 단면 FE-SEM 사진이다. 도 9에서 보는 바와 같이 P25로 만든 TiO2층과 GSS로 만든 TiO2층은 약 10 ㎛의 거의 동일한 두께를 가졌지만, GSS로 만든 TiO2층의 비표면적은 P25로 만든 TiO2층에 비하여 80% 높다(표 1). 비표면적이 넓으면 표면에 흡착되는 염료의 양이 많아지므로 광자를 거두어들이는 능력이 개선된다. GSS 입자와 P25 입자가 규칙적으로 쌓인다면 GSS로 만든 TiO2층과 P25로 만든 TiO2층의 표면적은 계산상 각각 80.0 m2g-1과 71.7m2g-1이다. 그러나, P25로 만든 TiO2층의 표면적은 41.5 m2g-1에 지나지 않아 계산된 값에 비해 훨씬 작다. 이것은 단분산된 GSS 입자만이 규칙적으로 쌓여 매우 메조포러스한 구조를 만든다는 것을 말해준다. P25로 만든 TiO2층에서는 작은 입자들이 큰 입자들 사이의 공극을 채우기 때문에 뒤따르는 소성 공정 동안 표면적이 감소하게 한다. 기공이 적은 상태로 염료 감응 태양 전지를 제조하면 전해질이 TiO2층으로 거의 분산되지 않아 TiO2층 내부에 전해질의 부족이 발생되고, 전해질의 부족은 전하의 원활한 이동에 실패를 가져와 태양 전지의 성능을 감소시킨다. First, the reason why the J sc of the GSS solar cell is large is due to the high surface area. Figure 9 is a cross-sectional FE-SEM photograph of TiO 2 layer made of TiO 2 layer and the GSS made with P25. TiO 2 layer is also made of TiO 2 layer and the GSS made with P25, as shown at 9, is only gajyeotji substantially the same thickness of about 10 ㎛, the specific surface area of the TiO 2 layer made of GSS 80 than the TiO 2 layer made of P25 % Higher (Table 1). The larger specific surface area increases the amount of dye adsorbed on the surface, thus improving the ability to harvest photons. If GSS particles and P25 particles are piled regularly, the surface area of the TiO 2 layer made of GSS and TiO 2 layer made of P25 is 80.0 m 2 g -1 and 71.7m 2 g -1, respectively. However, the surface area of the TiO 2 layer made of P25 is only 41.5 m 2 g −1 , which is much smaller than the calculated value. This suggests that only monodisperse GSS particles pile up regularly, creating a very mesoporous structure. In TiO 2 layers made of P25, the small particles fill the voids between the large particles, causing the surface area to decrease during the subsequent firing process. When preparing a dye-sensitized solar cell with a small pore state and a lack of the electrolyte inside the TiO 2 layer occurs because the electrolyte is not substantially dispersed in TiO 2 layer, the lack of the electrolyte is brought to failure in smooth movement of the charge performance of the solar cell Decreases.

도 10에서 (a)는 P25로 만든 TiO2층의 모식도인데, 폴리분산성을 갖기 때문에 작은 입자들이 큰 입자들 사이의 공극을 채워 표면적이 작은 반면, (b)는 GSS로 만든 TiO2층의 모식도로서 단분산성을 가지기 때문에 규칙적으로 입자가 쌓여 메조포러스한 구조를 가지고 있다. 따라서, 본 발명에 의하여 제조된 TiO2로 만든 TiO2층의 기공성이 더 높고, 막의 두께가 같은 경우 더 많은 양의 광감응 염료를 흡착할 수 있다는 것, 그리고 전해질이 TiO2층으로 분산이 잘 되어 전하의 원활한 이동을 도울 수 있어 태양 전지의 성능을 증가시킨다는 것을 알 수 있다.In FIG. 10, (a) is a schematic diagram of a TiO 2 layer made of P25. Since polydispersity has small surface area with small particles filling pores between large particles, (b) shows a TiO 2 layer made of GSS. As a schematic diagram, since it has monodispersity, particles are piled up regularly and have a mesoporous structure. Thus, that there is a porosity of the TiO 2 layer made of the TiO 2 produced by the present invention higher, the film thickness can adsorb a larger amount of light-sensitive dyestuff case, and the electrolyte is dispersed in TiO 2 layer It can be seen that this can help move the charge smoothly and increase the performance of the solar cell.

도 11의 (a)는 P25로 만든 TiO2층과 GSS로 만든 TiO2층으로부터 결정된 N2 흡수 등온선과 기공-입도 분포(박스 안)이다. (b)는 P25로 만든 TiO2층과 GSS로 만든 TiO2층에서 J sc의 함수로 그린 전자 확산 계수(electron diffusion coefficients : D)를 보여준다. (c)와 (d)는 550nm에서 P25로 만든 TiO2층과 GSS로 만든 TiO2층의 광반사율과 투과율을 막두께에 대하여 나타낸 것이다. (e)는 막두께의 함수로써 염료 감응 태양 전지의 총 에너지 변환 효율을 나타낸 것이다. 이 때, 모든 경우에 있어서 반사율, 투과율 및 동작성능에 미치는 영향을 배제하도록, 염료 감응 태양 전지의 전이금속 산화물층과 TCO 사이에 흔히 채용되는 치밀한 TiO2층없이 제조하였다.Of Figure 11 (a) is N 2 absorption isotherm and pore determined from the TiO 2 layer with TiO 2 layer made of GSS made with P25 - a particle size distribution (not the box). (b) the green electron diffusion coefficient as a function of J sc in the TiO 2 layer made of TiO 2 layer and the GSS made with P25: shows the (electron diffusion coefficients D). (c) and (d) shows a relative light reflectance and transmittance of the TiO 2 layer made from 550nm to the TiO 2 layer and the GSS made from P25 to the film thickness. (e) shows the total energy conversion efficiency of dye-sensitized solar cells as a function of film thickness. At this time, in order to exclude the influence on the reflectance, transmittance and operation performance in all cases, it was prepared without the dense TiO 2 layer commonly employed between the transition metal oxide layer and TCO of the dye-sensitized solar cell.

먼저 도 11(a)는 P25로 만든 TiO2층과 GSS로 만든 TiO2층의 N2 흡착-탈착 등온선과 기공-입도 분포를 보여준다. GSS로 만든 TiO2층의 등온선은 균일한 구형 입자를 포함하는 메조포러스한 물질의 전형적인 등온선을 보여준다. 주기적인 입자 배열을 가진 이러한 메조포러스 물질은 좁은 기공-입도 분포를 가지게 되고, 이것은 도 11(a)의 박스 안에 도시한 것과 같은 GSS로 만든 TiO2층과 P25로 만든 TiO2층의 기공-입도분포로부터 확인할 수 있다. 도 11(a)는 GSS로 만든 TiO2층의 기공이 16.3 nm의 평균 기공 크기를 가지며 보다 균일한 분포를 가지고 있음을 보여준다. 메조기공 부피 분율(메조기공/기공)은 GSS로 만든 TiO2층에서 99.3%, P25로 만든 TiO2층에서 93.7%이었다. 이것은 GSS로 만든 TiO2층이 P25로 만든 TiO2층에 비하여 보다 연결된 기공을 가지고 있음을 확인케 한다. First, in FIG. 11 (a) is N 2 adsorption in the TiO 2 layer made of TiO 2 layer and the GSS made with P25 - shows the particle size distribution-desorption isotherm and pore. The isotherm of the TiO 2 layer made of GSS shows a typical isotherm of mesoporous material containing uniform spherical particles. This mesoporous material with a periodic particle arrangement has a narrow pore-particle size distribution, which is the pore-particle size of the TiO 2 layer made of GSS and the TiO 2 layer made of P25 as shown in the box of FIG. 11 (a). It can be confirmed from the distribution. 11 (a) shows that the pores of the TiO 2 layer made of GSS have an average pore size of 16.3 nm and have a more uniform distribution. The mesopore volume fraction (mesopore / pores) was 99.3% in the TiO 2 layer made of GSS and 93.7% in the TiO 2 layer made of P25. This confirms that the TiO 2 layer made of GSS has more connected pores than the TiO 2 layer made of P25.

따라서, 염료는 서로 연결된 메조기공을 통해 보다 활발히 운송되어 GSS로 만든 TiO2층 안에서의 흡착된 염료의 양이 P25로 만든 TiO2층에서의 그것보다 증가하는 것이다(표 1과 도 12 참조). 도 12에 막두께의 함수로 GSS로 만든 TiO2층과 P25로 만든 TiO2층에서의 염료 흡착량을 도시하였다. GSS로 만든 TiO2층의 균일하게 연결된 나노 입자 네트워크는 염료 감응 태양 전지의 에너지 변환 효율을 결정하는 데 매우 중요한 전기적 전하 운송을 개선시키므로 태양 전지의 동작성능을 개선하는 데에도 기여한다. Thus, the dye is more actively transported through the interconnected mesopores so that the amount of adsorbed dye in the TiO 2 layer made of GSS is higher than that in the TiO 2 layer made of P25 (see Table 1 and FIG. 12). 12 shows the dye adsorption amount in the TiO 2 layer made of GSS and the TiO 2 layer made of P25 as a function of film thickness. The homogeneously connected nanoparticle network of TiO 2 layers made of GSS also contributes to improving the solar cell's operational performance by improving electrical charge transport, which is critical for determining the energy conversion efficiency of dye-sensitized solar cells.

도 13은 유동성 광전류 데이터이다. 이것으로부터 D를 계산하여 광발생된 전하의 운송을 조사하였다. 도 11(b)는 P25로 만든 TiO2층과 GSS로 만든 TiO2층에서 J sc의 함수로 그린 D를 보여준다. 13 is flowable photocurrent data. From this, D was calculated to investigate the transport of photogenerated charges. Figure 11 (b) shows a D-drawn as a function of J sc in the TiO 2 layer made of TiO 2 layer and the GSS made with P25.

TiO2의 크기와 결정성, 그리고 루타일 상과 아나타제 상의 비율에 따라 D가 증가한다는 것은 익히 알려져 있다. 그러나, P25로 만든 TiO2층은 더 큰 입자와 더 많은 루타일 상을 가짐에도 불구하고 GSS로 만든 TiO2층에 비하여 작은 D를 갖는다. 위 실험예 3에서 FT-IR과 XPS 데이터로부터 표면 결함의 차이는 무시할만한 것임을 확인하였기 때문에 D에 있어서의 차이를 표면 트랩핑으로는 설명할 수 없다.It is well known that D increases with the size and crystallinity of TiO 2 and the ratio of the rutile and anatase phases. However, the TiO 2 layer made of P25 has a small D compared to the TiO 2 layer made of GSS despite having larger particles and more rutile phase. In Experimental Example 3, the difference in surface defects was negligible from the FT-IR and XPS data, so the difference in D cannot be explained by surface trapping.

본 발명자는 GSS 태양 전지에서의 큰 D는 홀을 빠르게 추출하기 때문인 것으로 판단한다. GSS로 만든 TiO2층의 연결된 메조기공은 TiO2 표면에 코팅된 대부분의 염료로의 접근을 쉽게 해준다. 따라서, 엑시톤의 분해에 의해 발생된 홀은 주변의 홀과 전자가 재결합하기 전에 전해질과 재빠르게 반응을 할 수 있다. 전자-홀 재결합 가능성의 감소는 D를 증가시키고 J sc를 증가시키는 데 기여한다.The inventors believe that the large D in the GSS solar cell is due to the fast extraction of holes. Connected mesopores in the TiO 2 layer made of GSS facilitate access to most dyes coated on the TiO 2 surface. Therefore, the holes generated by the decomposition of the exciton can react quickly with the electrolyte before the electrons recombine with the surrounding holes. Reduction of electron-hole recombination potential contributes to increasing D and increasing J sc .

메조포러스 구조가 J sc를 증가시키는 세번째 메커니즘은 광투과율의 변화를 통해서이다. 도 11(c)는 흡착된 염료가 없는 상태에서 GSS로 만든 TiO2층과 P25로 만든 TiO2층의 550 nm에서의 광반사율을 TiO2층 두께 함수로 도시한 것이다. GSS로 만든 TiO2층의 반사율이 P25로 만든 TiO2층에 비하여 낮은데, 이것은 GSS로 만든 TiO2층이 단분산된 나노 입자의 막이기 때문에 그러하다. 반사방지코팅막(ARC)의 경우 단분산된 실리카가 사용되는데, 도 10에서 이미 본 바와 같이 단분산된 입자가 폴리분산된 입자에 비해 보다 다공성 구조를 가지기 때문이다.The third mechanism by which the mesoporous structure increases J sc is through a change in light transmittance. Figure 11 (c) shows a light reflection factor at 550 nm of TiO 2 layer made of TiO 2 layer and the P25 made by GSS in the absence of the dye adsorption state to the TiO 2 layer thickness functions. The reflectance of the TiO 2 layer made of GSS bit lower than the TiO 2 layer made with P25, this is true because the TiO 2 layer is a film of only the dispersed nanoparticles made by GSS. In the case of the anti-reflective coating film (ARC), mono-dispersed silica is used, since the mono-dispersed particles have a more porous structure than the poly-dispersed particles as shown in FIG.

도 11(d)는 GSS로 만든 TiO2층과 P25로 만든 TiO2층의 550 nm에서의 광투과율을 TiO2층 두께 함수로 도시한 것이다. 조사된 막 두께 범위 안에서 GSS로 만든 TiO2층은 P25로 만든 TiO2층에 비하여 높은 투과율을 보였다. 반사율과 투과율에 있어서의 변화는 GSS로 만든 TiO2층에서 빛의 산란이 현저히 감소되어 GSS 태양 전지의 경우가 P25 태양 전지에 비하여 태양광이 깊이 침투할 수 있음을 시사한다. 따라서, 염료가 표면에 흡착되면 GSS 태양 전지에서 광을 거두어들이는 데 기여하는 염료의 비중이 더 커질 것이다. 염료 감응 태양 전지의 총 에너지 변환 효율을 막 두께 함수로 표현해 보면 GSS 태양 전지가 P25 태양 전지에 비하여 더 높은 효율을 보인다. GSS 태양 전지의 효율은 조사된 두께 범위 (~40 ㎛)에서 꾸준히 증가하지만 P25 태양 전지의 효율은 약 30㎛ 두께에서 포화되는 것에 주목해야 한다. Figure 11 (d) it shows a light transmittance at 550 nm of TiO 2 layer made of TiO 2 layer and the P25 made by GSS a TiO 2 layer thickness functions. Within the film thickness range, the TiO 2 layer made of GSS showed higher transmittance than the TiO 2 layer made of P25. The change in reflectance and transmittance suggests that the scattering of light in the TiO 2 layer made of GSS is significantly reduced, so that solar light can penetrate deeper than that of P25 solar cells. Thus, if the dye is adsorbed on the surface, the specific gravity of the dye, which contributes to the retrieval of light from the GSS solar cell, will be greater. The total energy conversion efficiency of dye-sensitized solar cells as a function of film thickness shows that GSS solar cells are more efficient than P25 solar cells. It should be noted that while the efficiency of GSS solar cells increases steadily in the range of irradiated thicknesses (˜40 μm), the efficiency of P25 solar cells is saturated at about 30 μm thickness.

이렇듯, GSS 태양 전지의 우수한 동작성능은 단분산된 GSS 입자의 메조포러스한 성질로부터 유래하는 염료 흡착, 전자 운송 및 광투과율 증가에 기인한다. 단분산된 GSS 입자를 이용하면 균일한 크기의 기공을 많이 만들 수 있어 전해질이 잘 들어가게 되며 높은 비표면적은 태양광과 직접 반응하는 광감응 염료의 양을 크게 증가시켜 태양 전지의 효율을 증가시킨다. 또한 입자의 네킹(necking)을 증가시켜 원활한 전자 이동을 달성한다. 뿐만 아니라 기공 크기의 분포가 좁아져 GSS로 만든 TiO2층이 투명해진다. 이 TiO2층은 두께가 두꺼워지더라도 기존의 막에 비해 투명도가 뛰어나 높은 광촉매 효과 및 광전기 효과를 기대할 수 있다. 따라서, 이것을 이용해 제조되는 염료 감응 태양 전지는 유리 창호, 선루프 등 생활에서 다양하게 응용되어 적용될 수 있다.As such, the good operating performance of GSS solar cells is due to dye adsorption, electron transport and increased light transmittance derived from the mesoporous properties of monodisperse GSS particles. Using monodisperse GSS particles allows the formation of many pores of uniform size, allowing the electrolyte to enter well and the high specific surface area greatly increases the amount of photosensitive dyes that react directly with sunlight, increasing the efficiency of the solar cell. It also increases necking of the particles to achieve smooth electron transfer. In addition, the distribution of pore sizes is narrowed, making the TiO 2 layer made of GSS transparent. Even though the thickness of the TiO 2 layer is increased, the transparency of the TiO 2 layer is superior to that of the conventional film, and thus a high photocatalytic effect and a photoelectric effect can be expected. Therefore, the dye-sensitized solar cell manufactured using this can be applied to various applications in life such as glass windows and sunroofs.

(실험예 5 _ TiOExperimental Example 5 _ TiO 22 형상이 염료 감응 태양 전지에 미치는 영향의 평가) Evaluation of the Effect of Geometry on Dye-Sensitized Solar Cells)

TiO2의 모폴러지는 전자 운송 성능을 변경시켜 염료 감응 태양 전지의 에너지 변환 효율에 영향을 준다. 염료 감응 태양 전지의 광전변환 동작성능에 미치는 TiO2 모폴로지에 관한 연구가 종종 행해져 왔지만 막대형 TiO2는 구형 TiO2의 연구 결과에 비하여 양이 적으며 단분산이 보증되어 있지 않다. 본 발명에 따라 합성된 구형, 막대형, 와이어형 TiO2는 실험예 1에서 본 바와 같이 표면 결함이 없이 높은 결정성을 보이며 20 nm의 동일한 직경에 다양한 종횡비(1, 5, 및 10)를 가지므로 전극 안에서 전하 운송, 결과적으로 염료 감응 태양 전지의 에너지 변환 효율에 미치는 TiO2 모폴로지의 영향을 조사하는 데 매우 적합하다. 본 발명에 따라 합성한 나노물질의 종횡비가 염료 감응 태양 전지 동작성능에 끼치는 영향을 전자의 수명 관점에서 조사하였다. The morphology of TiO 2 affects the energy conversion efficiency of dye-sensitized solar cells by altering electron transport performance. Came the study on the TiO 2 Morphology on the photoelectric conversion operation in the performance of dye-sensitized solar cells is often performed bar TiO 2 has had the amount is less than the result of the spherical TiO 2 it is not a single dispersion is guaranteed. The spherical, rod-shaped, and wire-shaped TiO 2 synthesized according to the present invention showed high crystallinity without surface defects as seen in Experimental Example 1, and had various aspect ratios (1, 5, and 10) at the same diameter of 20 nm. Therefore, it is well suited to investigate the effect of TiO 2 morphology on the charge transport in the electrode and consequently on the energy conversion efficiency of dye-sensitized solar cells. The effect of the aspect ratio of the nanomaterial synthesized according to the present invention on the performance of the dye-sensitized solar cell was investigated in terms of the lifetime of the former.

도 14의 (a), (b) 및 (c)는 각각 GSS, GSR, GSW로 만든 TiO2층의 FE-SEM 평면 사진들이고, (d)는 각 TiO2층의 XRD 패턴이며 (e)는 GSS 태양 전지와 GSW를 이용한 염료 감응 태양 전지(이하, GSW 태양 전지)에서 Nyquist 플롯(위쪽 그림)과 주파수의 함수로 나타낸 임피던스의 허수 부분(아래쪽 그림)이다. (f)는 GSS 태양 전지와 GSW 태양 전지의 암전류 특성을 나타내고, (g)는 시간의 함수로써 응답 시간(전자수명)을 나타낸다. (A), (b) and (c) of FIG. 14 are FE-SEM plane photographs of TiO 2 layers made of GSS, GSR and GSW, respectively, (d) is an XRD pattern of each TiO 2 layer, and (e) For dye-sensitized solar cells using GSS solar cells and GSW (hereafter GSW solar cells), the Nyquist plot (top figure) and the imaginary part of impedance as a function of frequency (bottom figure). (f) shows the dark current characteristics of the GSS solar cell and the GSW solar cell, and (g) shows the response time (electron lifetime) as a function of time.

먼저 도 14의 (a), (b) 및 (c)를 참조하면, 소성 공정 후에 TiO2의 모폴러지와 크기 균일도에 눈에 띌만한 변화가 없다. Referring first to (a), (b) and (c) of FIG. 14, there is no noticeable change in morphology and size uniformity of TiO 2 after the firing process.

도 14(d)는 각 TiO2층의 XRD 패턴을 보여주는데 소성 공정 동안 아나타제로부터 루타일로의 상변환은 일어나지 않음을 알 수 있다. 여기서 (004)면에 대한 (200)면의 피크 세기비가 입자 종횡비의 함수로 변화하는 것에 주목할 필요가 있다. I(200)/I(004)는 GSS(종횡비, AR=1), GSR (AR=5), 그리고 GSW (AR=10)의 경우에 각각 1.0, 2.0, 2.2이다. Figure 14 (d) shows the XRD pattern of each TiO 2 layer, it can be seen that no phase conversion from anatase to rutile during the firing process. It should be noted here that the peak intensity ratio of the (200) plane to the (004) plane changes as a function of the particle aspect ratio. I (200) / I (004) is 1.0, 2.0, 2.2 for GSS (aspect ratio, AR = 1), GSR (AR = 5), and GSW (AR = 10), respectively.

각 TiO2층에서 I(200)/I(004)가 변하는 것은 SEM 사진(도 14(b)와 (c)) 및 TEM 사진(도 3(d))에서 볼 수 있는 바와 같이, 각 TiO2층에서 막대형과 와이어형 입자의 정렬된 구조에 기인한다. The change in I (200) / I (004) in each TiO 2 layer is shown in each of the TiO 2 , as can be seen in the SEM photographs (FIGS. 14B and 14C) and the TEM photographs (FIG. 3D). This is due to the ordered structure of rod and wire particles in the layer.

각 TiO2층에서의 전하 재결합율과 전자수명 차이를 이해하기 위하여, 전기화학 임피던스 스펙트럼(EIS) 분석을 수행하였다.To understand the difference in charge recombination and electron lifetime in each TiO 2 layer, electrochemical impedance spectrum (EIS) analysis was performed.

도 14(e)의 위쪽 그림은 GSS 태양 전지와 GSW 태양 전지의 Nyquist 플롯을 보여준다. 염료 감응 태양 전지 안의 계면의 임피던스 성분은 좌측에서부터 우측으로 103-1051 orω2), 1-1033), 및 0.1-1Hz(ω4) 주파수 범위 안에서 관찰하였다. 이들 아크는 반도체 전극의 TCO/TiO21), 대향전극의 Pt/전해질(ω2), 또는 TiO2/염료/전해질(ω3) 계면, 그리고 I3-/I- 전해질의 확산(ω4) 임피던스에 할당된다. GSW 태양 전지의 ω3 성분(R 3)은 GSS 태양 전지에 비하여 상당히 증가하였는데, 이것은 다음 원인들에 기인한다. The upper figure of FIG. 14 (e) shows Nyquist plots of GSS solar cells and GSW solar cells. The impedance components of the interface in the dye-sensitized solar cell were observed from the left to the right in the frequency ranges 10 3 -10 51 orω 2 ), 1-10 33 ), and 0.1-1 Hz (ω 4 ). These arcs form the TCO / TiO 21 ) of the semiconductor electrode, the Pt / electrolyte (ω 2 ) of the opposite electrode, or the TiO 2 / dye / electrolyte (ω 3 ) interface, and the diffusion of the I 3 / I - electrolyte ( ω 4 ) is assigned to the impedance. The ω 3 component ( R 3 ) of the GSW solar cell increased significantly compared to the GSS solar cell due to the following causes.

i) 흡착된 염료의 감소는 TiO2 전도대 안의 주입된 전자 밀도를 감소시키므로 TiO2/염료/전해질(ω3) 계면에서의 임피던스를 증가시키게 된다(표 1 참조).i) Reduction of adsorbed dye decreases the injected electron density in the TiO 2 conduction band, thus increasing the impedance at the TiO 2 / dye / electrolyte (ω 3 ) interface (see Table 1).

ii) 비등방성이면서 일차원적인 나노 입자이기 때문에 입계 밀도가 감소되므로 TiO2 표면으로부터 광발생된 전자를 TCO로 모으는 것이 촉진된다. 이것은 주입된 전자들과 전해질의 재결합을 늦추어 TiO2/염료/전해질(ω3) 계면에서의 임피던스 (R 3)를 증가시킨다.ii) Because of the anisotropic and one-dimensional nanoparticles, the grain boundary density is reduced, thus facilitating the collection of photogenerated electrons from the TiO 2 surface into TCO. This slows the recombination of the injected electrons and the electrolyte, increasing the impedance ( R 3 ) at the TiO 2 / dye / electrolyte (ω 3 ) interface.

iii) 도 14(e)의 아래쪽 그림은 GSS 태양 전지와 GSW 태양 전지에서 임피던스의 허수 부분을 주파수의 함수로써 도시한 것이다. ω3 영역에서의 최대주파수 ωmax는 ωmax=(RC)-1∝ 1/τ로 정의되는데, 여기서 R, C, 그리고 τ는 각각 저항, 전기화학 계면에서의 커패시턴스, 그리고 전자수명을 나타낸다. GSW 태양 전지의 ωmax는 GSS 태양 전지에 비하여 낮은 주파수 쪽으로 쉬프트되어 있는데, 이것은 구형 입자에서보다 와이어형 입자에서 전자수명이 길다는 것을 가리킨다. 뿐만 아니라 도 14(f)와 (g)에 보인 바와 같이, 시간의 함수인 V oc의 감소로부터 얻어진 전자수명과 암전류 특성은 GSW에서의 전하 재결합이 늦추어지는 것을 확인케 한다. GSW 태양 전지의 경우, 암전류 개시는 높은 퍼텐셜 범위로 쉬프트하며 전자수명이 눈에 띄게 증가한다. 이러한 결과는 일차원적 TiO2의 사용이 전해질과 광발생된 전자의 재결합을 억제한다는 것을 보여주며 이것은 앞서의 EIS 분석과도 일치한다.iii) The lower figure of FIG. 14 (e) shows the imaginary part of impedance as a function of frequency in GSS solar cells and GSW solar cells. The maximum frequency ω max in the ω 3 region is defined as ω max = ( RC ) -1 ∝ 1 / τ, where R , C , and τ represent the resistance, the capacitance at the electrochemical interface, and the electron lifetime, respectively. The ω max of the GSW solar cell is shifted toward lower frequencies than the GSS solar cell, indicating that the electron lifetime is longer for the wire-like particles than for the spherical particles. In addition, as shown in Figs. 14 (f) and 14 (g), the electron lifetime and dark current characteristics obtained from the reduction of V oc as a function of time confirm that the charge recombination in GSW is slowed down. For GSW solar cells, dark current initiation shifts to a high potential range and the electron lifetime is noticeably increased. These results show that the use of one-dimensional TiO 2 inhibits recombination of electrolyte and photogenerated electrons, which is consistent with the previous EIS analysis.

GSW가 전하 재결합을 감소시킨다는 장점을 가지지만, GSW 태양 전지의 광전 변환 효율은 GSS 태양 전지에 비하여 낮다. 표 1에 요약한 것과 같이, GSW 태양 전지는 GSS 태양 전지에 비하여 광전류 밀도가 낮다. 따라서, 비등방성 GSR과 GSW TiO2층을 포함하는 각 염료 감응 태양 전지의 V ocff가 약간 높지만 총 변환 효율은 GSS 태양 전지가 5.3%임에 반하여 각각 4.7%와 4.2%로 감소된다. 이처럼 낮은 효율은 GSR과 GSW가 비표면적이 작아 염료 흡착이 줄어들고 이에 따라 광 흡수가 감소하기 때문이다. Although GSW has the advantage of reducing charge recombination, the photoelectric conversion efficiency of GSW solar cells is low compared to GSS solar cells. As summarized in Table 1, GSW solar cells have a lower photocurrent density than GSS solar cells. Thus, although the V oc and ff of each dye-sensitized solar cell comprising anisotropic GSR and GSW TiO 2 layers are slightly higher, the total conversion efficiency is reduced to 4.7% and 4.2%, respectively, compared to 5.3% for GSS solar cells. This low efficiency is due to the small specific surface area of GSR and GSW, which reduces dye adsorption and thus light absorption.

이상의 실험예 결과들을 요약하면, 졸-겔 방법을 이용하여 종횡비가 1인 구형, 종횡비가 5인 막대형, 및 종횡비가 10인 와이어형과 같은 단분산된 다양한 형상의 TiO2를 합성하고 이들을 염료 감응 태양 전지의 전극으로 사용하는 가능성에 대해 조사하였다. 졸-겔 방법으로 얻은 아나타제는 높은 결정성, 크기 균일도, 무시할만한 표면 결함, 그리고 잔류 유기화합물이 거의 없다는 특징이 있어 광전변환 소자 동작성능 향상에 유리한 조건을 갖고 있다. 특히 단분산된 GSS의 경우가 폴리분산된 TiO2(P25, 상용)에 비하여 태양 전지 제조시 훨씬 높은 효율을 보이는 것으로 나타났는데, 이것은 염료 흡착, 전하 운송이 증가되고 광반사율 및 투과율이 개선되기 때문이며 단분산된 GSS로 만든 TiO2층이 메조포러스한 성질을 갖고 있기 때문인 것으로 설명하였다.To summarize the results of the above experiments, the sol-gel method was used to synthesize various monodisperse TiO 2 shapes such as spherical with aspect ratio 1, rod with aspect ratio 5, and wire with aspect ratio 10 and dye them. The possibility of using it as an electrode of a sensitized solar cell was investigated. The anatase obtained by the sol-gel method is characterized by high crystallinity, size uniformity, negligible surface defects, and almost no residual organic compounds, which is advantageous for improving photoelectric conversion device operation performance. In particular, the monodisperse GSS showed much higher efficiency in solar cell fabrication than polydispersed TiO 2 (P25, commercial) because of increased dye adsorption, charge transport and improved light reflectance and transmittance. It is explained that the TiO 2 layer made of monodispersed GSS has mesoporous properties.

나아가, GSW로 만든 TiO2층의 경우 GSS로 만든 TiO2층에 비하여 전자 수명이 긴 것으로 나타났는데 이것은 광발생된 전하들이 입계에서 재결합되는 것을 억제함으로써 광발생된 전하들의 추출을 증가시켰기 때문으로 생각된다. 그러나 GSW 태양 전지가 GSS 태양 전지에 비하여 낮은 효율을 보이는 것은 비표면적이 작기 때문인 것으로 해석하였다. 도 15에 나타낸 바와 같이 GSS 태양 전지에서 최적 두께의 언더코트층 또는 차단층을 적용한 경우 총 효율은 6.72%이다(J sc : 14.38 mA cm-2, V oc : 687 mV, ff : 0.680). 따라서, 본 발명에 따라 졸-겔법으로 얻은 아나타제가 고효율 염료 감응 태양 전지를 제조하는 데 매우 적합하다는 것을 보여준다. Furthermore, the TiO 2 layer made of GSW has a longer electron lifetime compared to the TiO 2 layer made of GSS because the increase in the extraction of the photogenerated charges by inhibiting the photogenerated charges from recombining at the grain boundaries. do. However, GSW solar cells show lower efficiency than GSS solar cells due to their small specific surface area. As shown in FIG. 15, the total efficiency is 6.72% when the optimal thickness of the undercoat layer or the barrier layer is applied in the GSS solar cell ( J sc : 14.38 mA cm −2 , V oc : 687 mV, ff: 0.680). Thus, it is shown that the anatase obtained by the sol-gel method according to the present invention is very suitable for producing high efficiency dye-sensitized solar cells.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예 및 실험예들을 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다. 본 발명에서는 TiO2 제조 방법과 이 방법을 이용한 염료 감응 태양 전지 제조 방법에 관하여 서술하였으나, TiO2 제조 방법에 의해 얻어진 TiO2를 포함하는 조성물(예컨대, 슬러리, 페이스트 등), TiO2 제조 방법에 의해 얻어진 TiO2를 포함하는 막에까지 본 발명을 적용할 수 있으며, TiO2 제조 방법에 의해 얻어진 TiO2를 염료 감응 태양 전지의 전극으로서 함유하는 공정을 포함하는 것이면 어떠한 염료 감응 태양 전지의 제조 방법에든지 본 발명이 적용될 수 있다. 본 발명의 예들은 예시적이고 비한정적으로 모든 관점에서 고려되었으며, 이는 그 안에 상세한 설명 보다는 첨부된 청구범위와, 그 청구범위의 균등 범위와 수단내의 모든 변형예에 의해 나타난 본 발명의 범주를 포함시키려는 것이다. In the above, the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments and experimental examples, but the present invention is not limited to the above examples, and various modifications made by those skilled in the art within the technical spirit of the present invention. This is possible. To the present invention, the TiO 2 production process, and this method a dye-sensitized solar but cell described with respect to the production method, a composition comprising a TiO 2 obtained by the TiO 2 production process (e.g., slurry, paste or the like), TiO 2 production process using the The present invention can be applied to a film containing TiO 2 obtained by the present invention, and any dye-sensitized solar cell manufacturing method can be used as long as it includes a step of containing TiO 2 obtained by the TiO 2 production method as an electrode of a dye-sensitized solar cell. The present invention can be applied. Examples of the invention have been considered by way of example and not limitation, all of which are intended to include the scope of the invention as indicated by the appended claims, their equivalents, and all modifications within the means rather than by the detailed description therein. will be.

도 1은 본 발명에 따른 TiO2 제조 방법의 순서도이다.1 is a flow chart of a TiO 2 manufacturing method according to the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조하게 되는 염료 감응 태양 전지의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 2 is a view schematically showing the configuration of a dye-sensitized solar cell to be manufactured according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명에 따라 제조한 TiO2 나노결정의 TEM 사진들과 XRD 패턴이다. 3 is TEM photographs and XRD patterns of TiO 2 nanocrystals prepared according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따라 제조한 구형 TiO2 나노결정(GSS)의 TEM 사진들이다. 4 is TEM photographs of spherical TiO 2 nanocrystals (GSS) prepared according to the present invention.

도 5는 GSS 평균 입자 크기에 따른 염료 감응 태양 전지의 효율 그래프이다.5 is a graph of efficiency of dye-sensitized solar cells according to GSS average particle size.

도 6은 GSS와 상용 분말인 P25, 그리고 기존 방법으로 합성한 아나타제(SG)의 XRD 패턴을 보여준다.Figure 6 shows the XRD pattern of GSS and commercial powder P25, and anatase (SG) synthesized by the conventional method.

도 7의 (a)는 P25와 GSS TEM 사진으로부터 얻은 입도 분포이고, (b)는 P25와 GSS의 Ti 2p XP 스펙트럼이며, (c)는 FT-IR 스펙트럼이다. FIG. 7A is a particle size distribution obtained from P25 and GSS TEM images, (b) is a Ti 2p XP spectrum of P25 and GSS, and (c) is an FT-IR spectrum.

도 8은 GSS와 P25를 이용해 제조한 염료 감응 태양 전지의 I-V 곡선이다.8 is an I-V curve of a dye-sensitized solar cell prepared using GSS and P25.

도 9는 P25로 만든 TiO2층과 GSS로 만든 TiO2층의 단면 FE-SEM 사진이다.Figure 9 is a cross-sectional FE-SEM photograph of TiO 2 layer made of TiO 2 layer and the GSS made with P25.

도 10은 P25로 만든 TiO2층과 GSS로 만든 TiO2층의 모식도이다.10 is a schematic view of the TiO 2 layer made of TiO 2 layer and the GSS made with P25.

도 11은 P25로 만든 TiO2층과 GSS로 만든 TiO2층에서 (a) N2 흡수 등온선과 기공-입도 분포, (b) Jsc의 함수로 그린 전자 확산 계수, (c) 광반사율, (d) 광투과율, 그리고 (e) 막두께의 함수로써 염료 감응 태양 전지의 총 에너지 변환 효율을 나타낸다. Figure 11 (a) N 2 absorption isotherm and pore in the TiO 2 layer made of TiO 2 layer and the GSS made of P25 - The particle size distribution, (b) J sc function green electron diffusion coefficient, (c) back to the light reflection factor, ( d) the total energy conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell as a function of light transmittance and (e) film thickness.

도 12는 GSS로 만든 TiO2층과 P25로 만든 TiO2층에서의 염료 흡착양을 막두께의 함수로 도시한 것이다. 12 illustrates a function of the dye adsorption amount of the thickness of the TiO 2 layer with TiO 2 layer made from P25 made by GSS.

도 13은 유동성 광전류 데이터이다. 13 is flowable photocurrent data.

도 14의 (a), (b) 및 (c)는 각각 GSS, GSR, GSW로 만든 TiO2층의 FE-SEM 평면 사진들이고, (d)는 각 TiO2층의 XRD 패턴이며 (e)는 GSS로 만든 TiO2층을 포함하는 염료 감응 태양 전지와 GSW로 만든 TiO2층을 포함하는 염료 감응 태양 전지에서 Nyquist 플롯과 주파수의 함수로 나타낸 임피던스의 허수 부분, (f)는 각 염료 감응 태양 전지의 암전류 특성을 나타내고, (g)는 시간의 함수로써 응답 시간(전자수명)을 나타낸다. (A), (b) and (c) of FIG. 14 are FE-SEM plane photographs of TiO 2 layers made of GSS, GSR and GSW, respectively, (d) is an XRD pattern of each TiO 2 layer, and (e) In the dye-sensitized solar cell comprising the TiO 2 layer made of GSS and the dye-sensitized solar cell comprising the TiO 2 layer made of GSW, the imaginary part of the impedance expressed as a function of the Nyquist plot and frequency, (f) is the respective dye-sensitized solar cell Represents a dark current characteristic, and (g) represents a response time (electron lifetime) as a function of time.

도 15는 GSS로 만든 TiO2층을 포함하는 염료 감응 태양 전지에서 최적 두께의 차단층(blocking layer)을 적용한 경우의 효율을 보여준다. FIG. 15 shows the efficiency when a blocking layer of optimal thickness is applied in a dye-sensitized solar cell including a TiO 2 layer made of GSS.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

10...반도체 전극 12...전도성 제1 기판10 ... semiconductor electrode 12 ... conductive first substrate

14...TiO2층 30...대향 전극14 ... TiO 2 layer 30 ... counter electrode

32...전도성 제2 기판 34...촉매층32 ... conductive second substrate 34 ... catalyst layer

50...전해질 용액 60...고분자 재료50 electrolyte solution 60 polymer material

100...염료 감응 태양 전지Dye-sensitized solar cell

Claims (6)

삭제delete 티타늄 알콕사이드, 에틸렌디아민(ethylenediamine) 및 에탄올아민을 포함하는 혼합 수용액을 제공하는 단계; Providing a mixed aqueous solution comprising titanium alkoxide, ethylenediamine and ethanolamine; 상기 수용액의 pH를 4 ~ 12로 조절하는 단계;Adjusting the pH of the aqueous solution to 4-12; 상기 수용액에 열을 가하여 와이어형 TiO2 침전물을 생성하는 단계; 및 Heating the aqueous solution to produce a wire-type TiO 2 precipitate; And 상기 침전물을 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화티탄 제조 방법. Titanium dioxide production method comprising the step of drying the precipitate. 티타늄 알콕사이드 및 에탄올아민을 포함하는 혼합 수용액을 제공하는 단계; Providing a mixed aqueous solution comprising titanium alkoxide and ethanolamine; 상기 수용액의 pH를 5.8 ~ 8.5로 조절하는 단계;Adjusting the pH of the aqueous solution to 5.8 to 8.5; 상기 수용액에 열을 가하여 18 ~ 24nm의 평균 입자 크기를 갖는 구형의 TiO2 침전물을 생성하는 단계; 및 Applying heat to the aqueous solution to produce spherical TiO 2 precipitates having an average particle size of 18-24 nm; And 상기 침전물을 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화티탄 제조 방법.Titanium dioxide production method comprising the step of drying the precipitate. 제2항 또는 제3항의 제조 방법으로 제조된 TiO2와 바인더를 혼합하여 TiO2 페이스트를 마련하는 단계; Preparing a TiO 2 paste by mixing TiO 2 and the binder prepared by the method of claim 2 or 3; 상기 TiO2 페이스트를 기판에 도포하는 단계; 및Applying the TiO 2 paste to a substrate; And 상기 TiO2 페이스트가 도포된 상기 기판을 소성하는 단계를 포함하여 반도체 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양 전지 제조 방법. And baking the substrate coated with the TiO 2 paste to form a semiconductor electrode. 제4항에 있어서, 상기 바인더는 테르피네올(terpineol)과 에틸셀룰로스가 7 : 1의 질량비로 혼합된 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양 전지 제조 방법. The method of claim 4, wherein the binder is terpineol and ethyl cellulose in a mass ratio of 7: 1. 제5항에 있어서, 상기 TiO2와 바인더는 1 : 3 내지 1 : 3.5의 질량비로 혼합하는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양 전지 제조 방법. The method of claim 5, wherein the TiO 2 and the binder are mixed in a mass ratio of 1: 3 to 1: 3.5.
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