KR101381705B1 - Dye-sensitized solar cell comprising hybrid nano fibers by electrospinning and sprayng as a polymer electrolyte, and the fabrication method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 높은 안정성과 에너지 전환효율을 갖도록 고분자 전해질이 전기 방사 및 분무 공정에 의해 제조된 하이브리드 나노 섬유 매트릭스를 포함하는 염료감응형 태양전지의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a dye-sensitized solar cell including a hybrid nanofiber matrix in which a polymer electrolyte is prepared by an electrospinning and spraying process to have high stability and energy conversion efficiency.
고유가 및 지구 온난화와 같은 환경문제 등으로 에너지 공급원의 다변화가 시급한 실정이며, 이에 태양광 에너지, 풍력 및 수력 에너지와 같은 신재생 에너지에 대한 분야가 부각되고 있다. 그 가운데 신재생 에너지 중에서도 태양광 에너지에 관한 연구가 빠르게 진행되고 있다.Energy supply and demand for renewable energies such as solar energy, wind power and hydro energy are becoming more and more important. Among them, research on solar energy is rapidly progressing among renewable energy sources.
태양전지란 빛이 조사되었을 때 전자와 정공을 발생시키는 광-흡수 물질을 사용하여 직접적으로 전기를 생산하는 소자를 의미한다. 태양전지 종류는 크게 재료에 따라 실리콘 태양전지, 화합물 반도체 태양전지, 염료감응형 태양전지 및 유기물 태양전지로 구분한다. A solar cell is a device that produces electricity directly using light-absorbing materials that generate electrons and holes when light is irradiated. The types of solar cells are classified into silicon solar cells, compound semiconductor solar cells, dye-sensitized solar cells, and organic solar cells depending on materials.
현재 국내외적으로 태양광을 이용한 연료전지의 개발은 전지의 제조 단가를 낮춰 초기 설치투자비 부담을 줄이는 방향으로 광합성 원리를 이용한 염료감응형 태양전지 개발 분야로 연구가 집중되고 있다.Currently, the development of fuel cells using solar cells domestically has been focused on the development of dye-sensitized solar cells using photosynthesis principles in order to reduce the manufacturing cost of batteries and reduce the initial investment cost.
염료감응형 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비하여 제조공정이 단순하며 그로 인해 전지의 가격이 실리콘 셀 가격의 20∼30% 정도이다. 또한, 안정성이 매우 높아 10년 이상 사용하여도 초기 효율을 거의 유지하고, 실리콘계 태양전지와 비교했을 때 일광량의 영향을 적게 받는다는 이점이 있다.Dye-sensitized solar cells have a simpler manufacturing process than conventional silicon solar cells, and the price of the dye-sensitized solar cell is about 20 to 30% of the price of the silicon cell. In addition, the stability is very high, and even when used for 10 years or more, the initial efficiency is almost maintained, and there is an advantage that it is less influenced by the sunlight amount compared with the silicon solar cell.
그러나 에너지 전환 효율이 기존의 태양전지에 비해 낮고, 전해질의 안정성이 높지 못하고 액체 전해질의 경우 휘발하는 성질이 있다. 이에 수많은 연구과 실험을 통해 효율성을 높이기 위한 방법이 제시되고 있으며, 액체 전해질을 고분자 전해질 등으로 바꾸는 등으로 전해질 누수나 휘발의 문제점도 해결되어가고 있는 추세이다.However, the energy conversion efficiency is lower than that of the conventional solar cells, the stability of the electrolyte is not high, and the liquid electrolyte has a property of volatilization. Therefore, a number of researches and experiments have been proposed to improve the efficiency, and the problem of electrolyte leakage or volatilization is being solved by changing the liquid electrolyte into a polymer electrolyte.
일례로, 전해질로 고분자 전해질, 이온성 액체를 이용한 겔형 전해질을 적용하는 방법이 제시되고 있다.For example, a method of applying a gel electrolyte using a polymer electrolyte and an ionic liquid as an electrolyte has been proposed.
대한민국 특허공개 제2008-0029231호는 전도성 제1 기판과, 상기 제1 기판 위에 형성된 금속산화물 반도체층과, 상기 금속산화물 반도체층 위에 흡착된 염료분자층을 포함하는 반도체 전극과, 전도성 제2 기판과, 상기 제2 기판 위에 형성된 금속층을 포함하는 상대 전극과, 상기 반도체 전극과 상기 상대 전극과의 사이에 개재되어 있고, 폴리비닐리덴 플로라이드 (poly(vinylidene fluoride): PVDF), 폴리에틸렌글리콜(poly(ethylene glycol): PEG), 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide): PEO), 및 이들의 유도체로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 고분자를 포함하는 고분자 전해질과 상기 고분자 전해질 내에 분산되어 있는 복수의 전도성 입자를 포함하는 전해질을 포함하는 염료감응형 태양전지를 제시하고 있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 2008-0029231 discloses a semiconductor device comprising a first conductive substrate, a metal oxide semiconductor layer formed on the first substrate, a semiconductor electrode including a dye molecule layer adsorbed on the metal oxide semiconductor layer, A counter electrode including a metal layer formed on the second substrate, and a second electrode interposed between the semiconductor electrode and the counter electrode, wherein the first electrode is made of polyvinylidene fluoride (PVDF), poly (ethylene glycol) a polymer electrolyte comprising at least one polymer selected from the group consisting of ethylene glycol (PEG), polyethylene oxide (PEO), and derivatives thereof; and a plurality of conductive particles The present invention relates to a dye-sensitized solar cell.
상기한 고분자 전해질은 이온 전도도가 낮고, 고분자 전해질과 전극 간의 고체-고체 간의 접촉이 액상 전해질과 달라 저항이 커 계면에서의 이온 전달 특성이 좋지 않고, 결과적으로 에너지 변환 효율이 낮은 문제가 발생한다.The polymer electrolyte has a low ionic conductivity, and the solid-solid contact between the polymer electrolyte and the electrode is different from that of the liquid electrolyte, resulting in poor ion transfer characteristics at the interface, resulting in low energy conversion efficiency.
또한, 대한민국 특허공개 제2003-0065957호에서는 N-메틸-2-피롤리돈 또는 3-메톡시프로피오니트릴과 같은 용매에 용해된 폴리비닐리덴 플로라이드를 포함한 염료감응형 태양전지를 기술하고 있다. 이와 같이 제조된 겔형 고분자 전해질은 상온에서 액체 전해질과 비슷한 높은 이온 전도도를 나타내지만, 기계적 물성이 떨어지기 때문에 전지의 제조 공정을 어렵게 하며, 또한 고분자 전해질의 보액성이 떨어지는 단점을 갖는다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 2003-0065957 discloses a dye-sensitized solar cell comprising polyvinylidene fluoride dissolved in a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone or 3-methoxypropionitrile . The gel polymer electrolyte thus produced exhibits a high ionic conductivity similar to that of a liquid electrolyte at room temperature, but it has a disadvantage in that it is difficult to manufacture the battery because the mechanical properties thereof are poor, and the liquid electrolyte of the polymer electrolyte is poor.
이온 전도도를 높이기 위해선 전해질의 비표면적을 높이거나 이온 전도가 빠르게 일어날 수 있어야 하는데, 이에 비표면적이 높은 나노 섬유화된 고분자를 전해질로 사용하고자 하는 방법이 제시되었다.In order to increase the ionic conductivity, it is necessary to increase the specific surface area of the electrolyte or to rapidly generate the ionic conductivity. Thus, a method of using a nanofibrillated polymer having a high specific surface area as an electrolyte has been proposed.
그 중 대한민국 특허공개 제2009-0012595호는 제1기판을 준비하는 단계; 상기 제1기판의 일면에 무기 산화물층을 형성하고 상기 무기 산화물층에 염료층을 흡착시켜 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 염료층이 흡착된 무기산화물 상부에, 고분자 용액을 전기방사장치를 통하여 전기방사하여 형성된 나노 규모의 고분자 섬유를 형성하고, 고분자 섬유에 전해질 용액을 도포한 다음 이를 증발시켜 고분자 전해질을 형성하는 단계; 및 상기 제1전극의 상부에 제2전극 및 제2기판을 형성하는 단계;를 포함하는 염료감응형 태양전지의 제조방법을 제시하고 있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 2009-0012595 discloses a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: preparing a first substrate; Forming an inorganic oxide layer on one surface of the first substrate and adsorbing a dye layer on the inorganic oxide layer to form a first electrode; Forming a nanoscale polymer fiber formed by electrospinning a polymer solution through an electrospinning layer on the inorganic oxide to which the dye layer is adsorbed, applying an electrolyte solution to the polymer fiber, and then evaporating it to form a polymer electrolyte ; And forming a second electrode and a second substrate on the first electrode. The present invention also provides a method of fabricating the dye-sensitized solar cell.
또한, 대한민국 특허공개 제2010-0037796호는 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 위치하고, 염료가 흡착된 반도체 입자들을 구비하는 반도체층; 상기 반도체층 상에 위치하는 고분자 전해질막; 및 상기 고분자 전해질막 상에 위치하는 제2 전극을 포함하되, 상기 고분자 전해질막은 고분자 섬유의 표면에 금속 입자 또는 준금속(metalloid) 입자가 부착된 섬유상 고분자 매트릭스, 및 상기 섬유상 고분자 매트릭스 내에 함입된 전해질을 구비하는 고분자 전해질막인 염료감응형 태양전지를 제시하고 있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 2010-0037796 discloses a plasma display panel comprising a first electrode; A semiconductor layer on the first electrode, the semiconductor layer including semiconductor particles on which dye is adsorbed; A polymer electrolyte membrane disposed on the semiconductor layer; And a second electrode disposed on the polymer electrolyte membrane, wherein the polymer electrolyte membrane comprises a fibrous polymer matrix having metal particles or metalloid particles adhered to the surface of the polymer fibers, and a polymer electrolyte membrane embedded in the fibrous polymer matrix And a dye-sensitized solar cell comprising the polymer electrolyte membrane.
상기한 특허에서는 나노 섬유 또는 섬유 상의 고분자 전해질을 제시하고 있는데, 아직까지 충분한 이온 전도도를 확보할 수 없다.The above patent suggests a nanofiber or a polymer electrolyte on a fiber, but it is not yet possible to secure sufficient ionic conductivity.
상기한 문제를 해결하기 위해, 본 발명자들은 전기 방사에 의해 극미세 섬유를 제조하고 여기에 분무를 통해 무기 나노 물질을 도포하여 하이브리드 나노 섬유 매트릭스를 제조하고, 상기 매트릭스 내부를 전해 물질로 함침하여 이를 고분자 전해질로서 사용할 경우 높은 이온 전도도와 에너지 변환 효율을 갖음과 동시에 열 안정성이 우수함을 확인하여 본 발명을 완성하였다.In order to solve the above problems, the present inventors produce a micro fiber by electrospinning and applying an inorganic nanomaterial to the spray to produce a hybrid nanofiber matrix, impregnating the inside of the matrix with an electrolytic material When used as a polymer electrolyte, the present invention was completed by confirming that it has high ion conductivity and energy conversion efficiency and excellent thermal stability.
따라서, 본 발명의 목적은 높은 이온 전도도, 에너지 전환효율 및 열 안정성을 갖는 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a dye-sensitized solar cell having high ion conductivity, energy conversion efficiency and thermal stability, and a method for producing the same.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 작용 전극(Working Electrode), 상대 전극(Counter Electrode) 및 이들 사이에 개재되어 있는 고분자 전해질을 포함하는 염료감응형 태양전지에 있어서,In order to achieve the above object, the present invention provides a dye-sensitized solar cell comprising a working electrode, a counter electrode, and a polymer electrolyte interposed therebetween,
상기 고분자 전해질이 전해 물질로 함침된 하이브리드 나노 섬유 매트릭스이고, 이때 상기 하이브리드 나노 섬유 매트릭스는 Wherein the polymer electrolyte is a hybrid nanofiber matrix impregnated with an electrolytic material, wherein the hybrid nanofiber matrix comprises
친수성 고분자와 소수성 고분자로 이루어진 극미세 섬유, 및 Ultrafine fibers consisting of a hydrophilic polymer and a hydrophobic polymer, and
이의 표면에 무기 나노 물질이 부착된 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지를 제공한다.It provides a dye-sensitized solar cell, characterized in that the inorganic nanomaterial is attached to the surface thereof.
또한, 본 발명은In addition,
친수성 고분자와 소수성 고분자를 용매에 분산시켜 방사 용액을 제조하고, The hydrophilic polymer and the hydrophobic polymer are dispersed in a solvent to prepare a spinning solution,
상기 방사 용액을 이용하여 전기 방사를 통해 극미세 섬유를 제조하고,By using the spinning solution to produce a very fine fiber through electrospinning,
상기 극미세 섬유 상에 무기 나노 물질을 포함하는 용액을 분무하여 하이브리드 나노 섬유 매트릭스를 제조하고, A hybrid nanofiber matrix is prepared by spraying a solution containing an inorganic nanomaterial on the ultrafine fibers,
상기 하이브리드 나노 섬유 매트릭스를 전해질 용액을 함침하여 고분자 전해질을 제조하는 단계를 포함하는 염료감응형 태양전지의 제조방법을 제공한다. It provides a method for producing a dye-sensitized solar cell comprising the step of impregnating the hybrid nanofiber matrix with an electrolyte solution to produce a polymer electrolyte.
본 발명에서 제시하는 염료감응형 태양전지는 고분자 전해질로 하이브리드 나노 섬유 매트릭스를 포함함으로써 전해질의 이온 전도도를 높여 에너지 전환효율을 개선하고, 열 안정성을 더욱 높일 수 있다. The dye-sensitized solar cell of the present invention includes a hybrid nanofiber matrix as a polymer electrolyte, thereby enhancing ion conductivity of the electrolyte, improving energy conversion efficiency, and further enhancing thermal stability.
또한, 전기 방사를 통해 극미세 섬유를 제조하고, 분무 공정을 통해 무기 나노 물질을 부착시켜 하이브리드 나노 섬유 매트릭스를 제조함에 따라 제조 공정이 간단하고, 전기 방사나 분무 공정의 파라미터의 간단한 변경만으로도 하이브리드 나노 섬유 매트릭스의 물성을 쉽게 제어할 수 있다는 이점이 있다.In addition, the manufacturing process is simple as the ultrafine fibers are produced through electrospinning and the inorganic nanomaterials are attached through the spraying process to prepare the hybrid nanofiber matrix, and the hybrid nano is easily changed by simply changing the parameters of the electrospinning or spraying process. There is an advantage that the physical properties of the fiber matrix can be easily controlled.
도 1의 (a)는 본 발명의 실시예 1에서 제조한 하이브리드 나노 섬유 매트릭스를 보여주는 투과전자현미경 이미지이고, (b)는 이의 확대 이미지이다.
도 2는 실시예 1의 하이브리드 나노 섬유 매트릭스를 고분자 전해질로 사용한 태양전지의 광전류-전압곡선 그래프이다.
도 3은 실시예 2의 하이브리드 나노 섬유 매트릭스를 고분자 전해질로 사용한 태양전지의 광전류-전압곡선 그래프이다.
도 4는 실시예 3의 하이브리드 나노 섬유 매트릭스를 고분자 전해질로 사용한 태양전지의 광전류-전압곡선 그래프이다.
도 5는 실시예 4의 하이브리드 나노 섬유 매트릭스를 고분자 전해질로 사용한 태양전지의 광전류-전압곡선 그래프이다.
도 6은 비교예 1의 하이브리드 나노 섬유 매트릭스를 고분자 전해질로 사용한 태양전지의 광전류-전압곡선 그래프이다.FIG. 1 (a) is a transmission electron microscope image showing the hybrid nanofiber matrix prepared in Example 1 of the present invention, and FIG. 1 (b) is an enlarged image thereof.
2 is a photocurrent-voltage curve graph of a solar cell using the hybrid nanofiber matrix of Example 1 as a polymer electrolyte.
3 is a photocurrent-voltage curve graph of a solar cell using the hybrid nanofiber matrix of Example 2 as a polymer electrolyte.
4 is a photocurrent-voltage curve graph of a solar cell using the hybrid nanofiber matrix of Example 3 as a polymer electrolyte.
5 is a photocurrent-voltage curve graph of a solar cell using the hybrid nanofiber matrix of Example 4 as a polymer electrolyte.
6 is a photocurrent-voltage curve graph of a solar cell using the hybrid nanofiber matrix of Comparative Example 1 as a polymer electrolyte.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
염료감응형 태양전지는 작용 전극(Working Electrode), 상대 전극(Counter Electrode) 및 이들 사이에 개재되어 있는 고분자 전해질을 포함하는 구조를 갖는다. 본 발명에서는 높은 에너지 전환효율 및 열 안정성을 갖도록 상기 고분자 전해질의 매트릭스로서 무기 나노 물질과 극미세 섬유로 이루어진 하이브리드 나노 섬유 매트릭스를 전기 방사 및 분무 공정을 통해 제조한다.The dye-sensitized solar cell has a structure including a working electrode, a counter electrode, and a polymer electrolyte interposed therebetween. In the present invention, a hybrid nanofiber matrix made of an inorganic nanomaterial and an ultrafine fiber is prepared through an electrospinning and spraying process as a matrix of the polymer electrolyte to have high energy conversion efficiency and thermal stability.
구체적으로, 염료감응형 태양전지는 작용 전극과 상대 전극 사이에 전해질을 개재한 후 이들의 합지하여 제조한다.Specifically, a dye-sensitized solar cell is manufactured by interposing an electrolyte between a working electrode and a counter electrode, and then laminating them.
특히, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지에 사용하는 전해질은In particular, the electrolyte used in the dye-sensitized solar cell according to the present invention
친수성 고분자와 소수성 고분자를 용매에 분산시켜 방사 용액을 제조하고, The hydrophilic polymer and the hydrophobic polymer are dispersed in a solvent to prepare a spinning solution,
상기 방사 용액을 이용하여 전기 방사를 통해 극미세 섬유를 제조하고,By using the spinning solution to produce a very fine fiber through electrospinning,
상기 극미세 섬유 상에 무기 나노 물질을 포함하는 용액을 분무하여 하이브리드 나노 섬유 매트릭스를 제조하고, A hybrid nanofiber matrix is prepared by spraying a solution containing an inorganic nanomaterial on the ultrafine fibers,
상기 하이브리드 나노 섬유 매트릭스를 전해질 용액을 함침하여 고분자 전해질을 제조한다.
The hybrid nanofiber matrix is impregnated with an electrolyte solution to prepare a polymer electrolyte.
이하 각 단계별로 더욱 상세히 설명한다.
Each step will be described in more detail below.
먼저, 고분자 전해질의 매트릭스로 사용하는 극미세 섬유를 제조하기 위해 친수성 고분자와 소수성 고분자를 용매에 일정비로 혼합하여 방사 용액을 제조한다.First, in order to manufacture ultrafine fibers used as a matrix of a polymer electrolyte, a hydrophilic polymer and a hydrophobic polymer are mixed in a solvent in a predetermined ratio to prepare a spinning solution.
극미세 섬유는 섬유상으로 형성되어 기공율이 높아 고분자 전해질의 매트릭스로 사용시 전해 물질이 충분히 침투할 수 있어 고분자 전해질의 이온 전도도를 향상시키고 전극과 접합시 전극에 대한 계면 안정성이 증가될 뿐만 아니라 치수 안정성과 같은 기계적 물성이 향상되는 이점이 있다.Since the microfine fibers are formed into fibers and have a high porosity, they can sufficiently penetrate the electrolytic materials when used as a matrix of the polymer electrolyte, thereby improving the ionic conductivity of the polymer electrolyte and increasing the interfacial stability of the electrodes upon bonding with the electrodes. There is an advantage that the same mechanical properties are improved.
극미세 섬유로 사용하는 친수성 고분자와 소수성 고분자는 서로 간에 상용성이 없으나, 용매에 용해 시키게 되면 혼합용액 상태에서는 서로 상분리가 발생하지 않는다. 이러한 친수성 고분자와 소수성 고분자는 후속의 전기방사를 통해 극미세 섬유로 제조된다. The hydrophilic polymer and the hydrophobic polymer used as the ultrafine fibers have no compatibility with each other, but when they are dissolved in the solvent, phase separation does not occur in the mixed solution state. These hydrophilic polymers and hydrophobic polymers are made of ultrafine fibers through subsequent electrospinning.
사용 가능한 친수성 고분자는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 공지된 바의 친수성 고분자면 어느 것이든 사용 가능하다. 대표적으로, 친수성 고분자로는 폴리비닐피롤리돈, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리알킬렌(C1∼C4)글리콜, 폴리에틸렌이민, 폴리비닐알코올, 폴리아크릴산, 폴리우레탄, 폴리비닐피리딘, 폴리디에틸 아미노에틸(메타)아크릴레이트, 폴리디에틸아미노에틸(메타)아크릴레이트, 폴리도데실(메타)아크릴아미드, 폴리비닐피리딘옥사이드, 폴리아미노스티렌, 폴리알릴아민히드로클로라이드, 폴리메틸비닐아민, 에틸렌-프로필렌-디엔(EPDM), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다.The usable hydrophilic polymer is not particularly limited in the present invention, and any known hydrophilic polymer may be used. Representative examples of the hydrophilic polymer include polyvinylpyrrolidone, polyethylene, polypropylene, polyalkylene (C1-C4) glycol, polyethyleneimine, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, polyurethane, polyvinylpyridine, (Meth) acrylate, polydioethylaminoethyl (meth) acrylate, polydodecyl (meth) acrylamide, polyvinylpyridine oxide, polyaminostyrene, polyallylamine hydrochloride, polymethylvinylamine, ethylene- Dienes (EPDM), and combinations thereof.
소수성 고분자 또한 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 공지된 바의 소수성 고분자면 어느 것이든 사용 가능하다. 대표적으로, 소수성 고분자로는 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리아미드, 폴리아라미드, 폴리아릴에테르설폰, 폴리에테르설폰, 폴리설폰, 폴리아릴설폰, 폴리카르보네이트, 폴리에테르, 폴리에테르이미드, 폴리알킬렌(C1∼C4)옥사이드, 폴리염화비닐, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드-co-클로로트리플루오로에틸렌, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 폴리디클로로디플루오로메탄, 폴리비닐리덴 디클로라이드, 폴리스티렌, 폴리알킬스티렌, 폴리이소프렌, 폴리부타디엔, 폴리아크릴아미드, 폴리비닐에테르 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다.The hydrophobic polymer is not particularly limited in the present invention, and any known hydrophobic polymer may be used. Representative examples of the hydrophobic polymer include polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polyacrylate, polyamide, polyaramid, polyaryl ether sulfone, polyethersulfone, polysulfone, polyaryl sulfone, polycarbonate, poly (C1-C4) oxide, polyvinylidene chloride, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-co-chlorotrifluoroethylene, polychlorotrifluoroethylene, polydichloro di One kind selected from the group consisting of fluoromethane, polyvinylidene dichloride, polystyrene, polyalkylstyrene, polyisoprene, polybutadiene, polyacrylamide, polyvinyl ether, and combinations thereof is possible.
바람직하기로, 극미세 섬유 제조를 위한 친수성/소수성 고분자 조합은 폴리비닐피롤리돈/폴리스티렌, 폴리부타디엔/폴리스티렌, 폴리에틸렌/폴리스티렌, 폴리프로필렌/폴리스티렌, 에틸렌-프로필렌 디엔/폴리이소부틸, 또는 폴리비닐피리딘/폴리스티렌이 사용될 수 있다.Preferably, the hydrophilic / hydrophobic polymer combination for the preparation of microfine fibers is selected from the group consisting of polyvinylpyrrolidone / polystyrene, polybutadiene / polystyrene, polyethylene / polystyrene, polypropylene / polystyrene, ethylene-propylene diene / polyisobutyl, Pyridine / polystyrene may be used.
상기한 친수성/소수성 고분자는 고형분 함량으로 2∼8 내지 8∼2 중량비, 바람직하기로 4∼6 내지 4∼6의 중량비로 혼합된다. 만약, 친수성 고분자나 소수성 고분자의 함량이 상기 범위를 벗어나게 되는 경우 혼합용액 상태에서 상분리가 일어난다.The above hydrophilic / hydrophobic polymer is mixed in a weight ratio of 2 to 8 to 8 to 2 by weight, preferably 4 to 6 to 4 to 6, in terms of solid content. If the content of the hydrophilic polymer or the hydrophobic polymer is out of the above range, phase separation occurs in the mixed solution state.
이때 사용하는 용매는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 상기한 바의 고분자를 충분히 팽윤 또는 용해시킬 수 있는 것이면 어느 것이든 사용가능하다. 예를 들면, 디메틸포름아미드(DMF), 톨루엔, 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸술폭사이드, 디메틸아세트아마이드, N-메틸피롤리돈(NMP), 클로로포름, 메틸렌클로라이드, 카본테트라클로라이드, 트리클로로벤젠, 벤젠, 크레졸, 자이렌, 아세톤, 메틸에틸케톤, 아크릴로니트릴, 사이클로헥산, 사이클로헥사논, 에틸 에테르, 헥산, 이소프로필알코올, 메탄올, 에탄올 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하며, 필요에 따라 단독 또는 혼합사용한다. 또한, 각각의 고분자를 서로 다른 용매에 용해시킨 후 혼합사용하여도 무방하다.The solvent to be used herein is not particularly limited in the present invention, and any solvent which can sufficiently swell or dissolve the above-mentioned polymer can be used. Examples of the solvent include dimethylformamide (DMF), toluene, tetrahydrofuran (THF), dimethylsulfoxide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone (NMP), chloroform, methylene chloride, carbon tetrachloride, One kind selected from the group consisting of benzene, cresol, xylene, acetone, methyl ethyl ketone, acrylonitrile, cyclohexane, cyclohexanone, ethyl ether, hexane, isopropyl alcohol, methanol, ethanol, , If necessary, alone or in combination. It is also possible to dissolve the respective polymers in different solvents and mix them.
이때 용매의 함량은 전기 방사 장치에 사용 가능하며, 극미세 섬유를 용이하게 제조할 수 있도록 적절한 농도 및 점도를 갖는 수준의 함량으로 사용하며, 바람직하기로 전체 고형분(친수성 고분자, 소수성 고분자) 100 중량부에 대해 20 내지 1000 중량부로 사용한다.
At this time, the content of the solvent can be used in the electrospinning apparatus, the content of the level having a suitable concentration and viscosity so as to easily prepare the ultrafine fibers, preferably 100% by weight of the total solid (hydrophilic polymer, hydrophobic polymer) 20 to 1000 parts by weight based on parts.
다음으로, 상기 방사 용액을 이용하여 전기 방사를 통해 극미세 섬유를 제조한다.Next, using the spinning solution to produce a very fine fiber through electrospinning.
전기 방사는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 공지된 바의 전기 방사 장치를 이용하여 수행할 수 있다. 전기 방사 장치는 전압을 인가하기 위한 전압조절장치(power supply), 방사구(spinneret), 섬유를 수집하는 수집기(collector)로 이루어진다. Electrospinning is not particularly limited in the present invention, and can be carried out by using an electrospinning device as is known in the art. The electrospinning device comprises a power supply for applying a voltage, a spinneret, and a collector for collecting the fibers.
펌프를 통해 방사 용액을 일정한 속도로 유입량을 조절하여 방사구 역할을 하는 노즐을 통해 토출시키며, 이때 한쪽 전극은 전압조절장치와 노즐팁을 연결하여 토출되는 방사 용액에 전하를 주입하여 하전시키고, 반대 전극은 집진판에 연결한다. 노즐팁으로 토출된 방사 용액이 수집기에 도달하기 전에 연신 및 용매의 휘발이 함께 이루어져 수집기 상부에 극미세 섬유를 얻을 수 있다.The flow rate of the spinning solution is regulated at a constant rate through a pump and discharged through a nozzle serving as a spinneret. At this time, one electrode connects the voltage regulator and the nozzle tip to charge the discharged spinning solution to charge the spinning solution. The electrode is connected to the dust collecting plate. Before the spinning solution discharged to the nozzle tip reaches the collector, the elongation and the volatilization of the solvent are performed together to obtain ultra fine fibers on the collector.
이때 방사구와 수집기 사이에 인가하는 전압, 이들 간의 거리, 방사 용액 유량, 노즐 직경, 방사구와 수집기의 배치 등 다양한 파라미터에 따라 최종 얻어지는 하이브리드 나노 섬유 매트릭스의 형태를 제어할 수 있다.At this time, the shape of the finally obtained hybrid nanofiber matrix can be controlled according to various parameters such as the voltage applied between the spinneret and the collector, the distance therebetween, the spinning solution flow rate, the nozzle diameter, the arrangement of the spinneret and the collector.
바람직하기로, 방사구와 수집기 사이에 전압은 5∼50V, 바람직하기로 10∼40V, 더욱 바람직하기로 15∼20V의 범위로 사용한다. 상기 전압은 극미세 섬유의 직경에 직접적으로 영향을 준다. 부연하면, 전압이 증가하면 극미세 섬유의 직경은 작아지나 섬유의 표면이 매우 거칠어지고, 반대로 전압이 너무 미비할 경우 nm 수준의 직경을 갖는 극미세 섬유의 제조가 어려우므로 상기 범위 내에서 적절히 조절한다.Preferably, the voltage between the emitter and collector is in the range of 5 to 50V, preferably 10 to 40V, more preferably 15 to 20V. The voltage directly affects the diameter of the microfine fibers. In addition, if the voltage is increased, the diameter of the microfine fibers becomes small, but the surface of the fibers becomes very rough. On the other hand, when the voltage is too low, it is difficult to produce ultra fine fibers having a diameter of nm. do.
또한, 방사구의 직경이 작을수록 극미세 섬유의 직경이 작아지므로, 상기 전압과 마찬가지 이유로 표면이 균일한 nm 수준의 직경을 갖는 극미세 섬유를 제조하기 위해 0.005∼0.5mm의 방사구 직경을 갖는 것을 사용한다.Further, since the diameter of the extremely fine fibers becomes smaller as the diameter of the spinneret becomes smaller, it is preferable to use a spinneret having a spinner diameter of 0.005 to 0.5 mm in order to produce a very fine fiber having a uniform nm- use.
본 발명에서는 극미세 섬유를 염료감응 태양전지의 전해질에 적용하고자 다양한 실험을 수행하였으며, 이때 방사구와 수집기 사이에 전압을 5∼50V에서 수행하고, 이들을 5∼20cm 이격하여 배치하고, 방사 용액 유량을 0.05 ml/h∼5 ml/h에서 수행하고, 방사구 직경이 0.005∼0.5mm인 것으로 사용하여 nm 수준의 직경을 갖는 극미세 섬유를 제조하였다.In the present invention, various experiments were conducted to apply the ultrafine fibers to the electrolyte of the dye-sensitized solar cell, wherein a voltage was applied at 5 to 50 V between the spinneret and the collector, and these were spaced 5 to 20 cm apart, and the spinning solution flow rate was increased. Ultrafine fibers having a diameter at the nm level were prepared using 0.05 ml / h to 5 ml / h and having spinneret diameters of 0.005 to 0.5 mm.
바람직하기로, 전기 방사를 통해 제조한 극미세 섬유는 직경이 10∼1000nm, 바람직하기로 50∼500nm, 더욱 바람직하기로 100∼300nm를 갖는다.
Preferably, the ultrafine fibers produced by electrospinning have a diameter of 10-1000 nm, preferably 50-500 nm, more preferably 100-300 nm.
다음으로, 상기 극미세 섬유 상에 무기 나노 물질을 포함하는 용액을 분무하여 하이브리드 나노 섬유 매트릭스를 제조한다.Next, a hybrid nanofiber matrix is prepared by spraying a solution containing an inorganic nanomaterial on the ultrafine fibers.
무기 나노 물질은 고분자의 결정성을 낮춤으로써 높은 이온 전도도를 가져 염료감응 태양전지의 에너지 전환효율을 높일 수 있고, 높은 열 안정성을 가져 전지의 발화나 폭발 등을 방지하고 열 열화에 의한 전지 수명 단축을 저감시킬 수 있다.Inorganic nanomaterials have a high ionic conductivity by lowering the crystallinity of the polymer, which can increase the energy conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell and have high thermal stability to prevent ignition or explosion of the battery and shorten the life of the battery due to heat deterioration Can be reduced.
사용 가능한 금속 산화물질은 TiO2, SiO2, ZrO2, MoO2, SnO2, WO3, ZnO, ITO, BaTiO3, Nb2O5, In2O3, ZrO2, Ta2O5, La2O3, SrTiO3, Y2O3, Ho2O3, Bi2O3, CeO2, Al2O3, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하며, 바람직하기로 TiO2를 사용한다.The metal oxide materials that can be used include TiO 2 , SiO 2 , ZrO 2 , MoO 2 , SnO 2 , WO 3 , ZnO, ITO, BaTiO 3 , Nb 2 O 5 , In 2 O 3 , ZrO 2 , Ta 2 O 5 , La 2 O 3, SrTiO 3, the Y 2 O 3, Ho 2 O 3, Bi 2
상기 무기 나노 물질은 나노 구조체면 어느 것이든 가능하나, 바람직하기로 평균 입경이 10 내지 1000nm, 바람직하기로 50 내지 500nm인 나노 입자, 또는 평균 직경이 10 내지 1000nm이고, 길이가 10 내지 1000nm인 나노 로드(rod)가 사용된다.The inorganic nanomaterial may be any of nano-structured nanoparticles, but preferably nanoparticles having an average particle size of 10 to 1000 nm, preferably 50 to 500 nm, or nanoparticles having an average diameter of 10 to 1000 nm and a length of 10 to 1000 nm A rod is used.
무기 나노 물질이 나노 입자 형태를 갖는 경우, 극미세 섬유 내 분산이 잘 이루어지는 이점이 있으며, 특히 입자가 1 내지 5nm의 기공을 갖는 다공성일 경우 기공 사이 사이에 액체 전해질이 존재함으로써 접촉 면적이 더욱 증가함에 따라 고분자 전해질의 이온 전도도를 더욱 높일 수 있다. When the inorganic nanomaterial has a nanoparticle form, it is advantageous in that it is well dispersed in ultrafine fibers, and in particular, when the particles are porous having pores of 1 to 5 nm, the contact area is further increased due to the presence of a liquid electrolyte between the pores. As a result, the ionic conductivity of the polymer electrolyte may be further increased.
또한, 무기 나노 물질이 나노 로드 형태를 갖는 경우, 극미세 섬유 내 분산되어 길이 방향으로의 이온 전도도를 더욱 높일 수 있는 이점이 있다.In addition, when the inorganic nanomaterial has a nanorod form, it is dispersed in the ultrafine fibers and the ion conductivity in the longitudinal direction can be further increased.
이때 무기 나노 물질은 극미세 섬유를 구성하는 친수성/소수성 고분자와 일정 함량비로 사용하여 이온 전도도 및 열 안정성을 조절할 수 있다. 바람직하기로, 극미세 섬유 100 중량부에 대해 무기 나노 물질은 0.1 내지 20 중량부, 바람직하기로 1 내지 10 중량부로 사용한다. 만약, 그 함량이 상기 범위 미만이면 이온 전도도 및 열 안정성을 충분히 확보할 수 없고, 반대로 상기 범위를 초과하면 무기 나노 물질이 극미세 섬유의 표면에 고르게 분산되지 않고 뭉침 등이 발생할 우려가 있으므로, 상기 범위 내에서 적절히 사용한다.In this case, the inorganic nanomaterial may be used in a certain content ratio with the hydrophilic / hydrophobic polymer constituting the ultrafine fibers to control ion conductivity and thermal stability. Preferably, the inorganic nanomaterial is used in an amount of 0.1 to 20 parts by weight, preferably 1 to 10 parts by weight, based on 100 parts by weight of the ultrafine fiber. If the content is less than the above range, the ion conductivity and thermal stability may not be sufficiently secured. On the contrary, if the content exceeds the above range, the inorganic nanomaterial may not be evenly dispersed on the surface of the ultrafine fibers and may be aggregated. Use suitably within the range.
상기 무기 나노 물질을 분무하기 위해 용매에 분산시킨다. 이때 용매는 나노 물질의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 바람직하기에는 방사 용액과 동일 또는 유사성이 있는 용매를 사용한다. 예를 들면, 디메틸포름아미드(DMF), 톨루엔, 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸술폭사이드, 디메틸아세트아마이드, N-메틸피롤리돈(NMP), 클로로포름, 메틸렌클로라이드, 카본테트라클로라이드, 트리클로로벤젠, 벤젠, 크레졸, 자이렌, 아세톤, 메틸에틸케톤, 아크릴로니트릴, 사이클로헥산, 사이클로헥사논, 에틸 에테르, 헥산, 이소프로필알코올, 메탄올, 에탄올 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하며, 필요에 따라 단독 또는 혼합사용한다. The inorganic nanomaterial is dispersed in a solvent for spraying. In this case, the solvent may vary depending on the type of the nanomaterial, and preferably, a solvent having the same or similarity as the spinning solution is used. Examples of the solvent include dimethylformamide (DMF), toluene, tetrahydrofuran (THF), dimethylsulfoxide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone (NMP), chloroform, methylene chloride, carbon tetrachloride, One kind selected from the group consisting of benzene, cresol, xylene, acetone, methyl ethyl ketone, acrylonitrile, cyclohexane, cyclohexanone, ethyl ether, hexane, isopropyl alcohol, methanol, ethanol, , If necessary, alone or in combination.
용매는 무기 나노 물질 1 중량부에 대해 5 내지 100 중량부의 범위로 사용하여, 분무 용액이 1 내지 20 중량% 농도 범위 내에서 사용한다.The solvent is used in the range of 5 to 100 parts by weight based on 1 part by weight of the inorganic nanomaterial, and the spray solution is used in the concentration range of 1 to 20% by weight.
이때 무기 나노 물질을 용액 내 균일하게 분산시키기 위해, 분산능을 높이기 위한 다양한 방법이 수행될 수 있다. 예를 들면, 초음파와 교반기를 동시에 이용하여 적절히 분산시키는 등의 방식이 사용될 수 있다.In this case, in order to uniformly disperse the inorganic nanomaterial in the solution, various methods for increasing the dispersibility may be performed. For example, a method such as appropriate dispersion using ultrasonic waves and agitator at the same time may be used.
분무 공정은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 공지된 바의 분무 장치를 사용하여 수행할 수 있다. 이때 필요한 경우 건조 공정을 더욱 수행할 수 있다.The spraying process is not particularly limited in the present invention, and may be performed using a spraying apparatus as known. In this case, the drying process may be further performed if necessary.
상기 분무 공정을 통해 나노 수준의 직경을 가지며, 내부에 고분자 터널이 생성된 극미세 섬유의 표면에 무기 나노 물질이 부착된 하이브리드 나노 섬유 매트릭스가 얻어진다. 도 1의 (a) 및 (b)를 참조하면, 무기 나노 물질이 극미세 섬유의 표면에 균일하게 부착된 구조를 가짐을 알 수 있다.
Through the spraying process, a hybrid nanofiber matrix having an nanometer diameter and having an inorganic nanomaterial attached to a surface of an ultrafine fiber having a polymer tunnel formed therein is obtained. Referring to (a) and (b) of FIG. 1, it can be seen that the inorganic nanomaterial has a structure uniformly attached to the surface of the ultrafine fiber.
다음으로, 상기 제조된 하이브리드 나노 섬유 매트릭스를 전해질 용액에 함침하여 고분자 전해질을 제조하고, 작용 전극(Working Electrode) 및 상대 전극(Counter Electrode)과 조립하여 염료감응형 태양전지를 제조한다.Next, the prepared hybrid nanofiber matrix is impregnated with an electrolyte solution to prepare a polymer electrolyte, and a dye-sensitized solar cell is manufactured by assembling with a working electrode and a counter electrode.
전해질 용액은 전해 물질로 산화환원쌍과 이를 용해하기 위한 용매를 포함한다. The electrolyte solution includes an oxidation-reduction pair as an electrolytic material and a solvent for dissolving it.
전해질 용액 내 전해 물질은 하이브리드 나노 섬유 매트릭스의 표면 및 내부에 침투되고, 작용 전극과 상대 전극 간의 이온 전달을 수행한다. 이때 전해 물질은 하이브리드 나노 섬유 매트릭스, 즉 극미세 섬유의 고분자 터널, 내부 기공, 무기 나노 물질의 기공(기공이 있는 경우) 사이 사이에 침투하여 전해물질의 이온 전달 속도를 증가시킬 수 있다.Electrolyte material in the electrolyte solution penetrates into and on the surface of the hybrid nanofiber matrix and performs ion transfer between the working electrode and the counter electrode. In this case, the electrolytic material may penetrate between the hybrid nanofiber matrix, ie, the polymer tunnel of the ultrafine fiber, the internal pores, and the pores of the inorganic nanomaterial (if there are pores), thereby increasing the ion transport rate of the electrolytic material.
이때 산화환원쌍으로서는, 특히 한정되는 것은 아니지만, 요오드화물 이온(I-), 브롬화물 이온(Br-), 염화물 이온(Cl-) 등의 할로겐화물 이온과, I3-, I5-, I7-, Br3-, Cl2I-, ClI2-, Br2I-, BrI2- 등의 폴리할로겐화물 이온으로 이루어진 할로겐계 레독스 쌍을 사용하는 것이 바람직하다.At this time, as an oxidation-reduction pair, in particular but not limited to, iodide ions (I -), bromide ion-(Br -), chloride ion (Cl -) ions and halide such as, I 3-, 5- I, I 7-, Br 3-, Cl 2 I -, ClI 2-, Br 2 I -, it is preferable to use a halogen-based redox pair made of halide ions of poly BrI 2- and the like.
예를 들어, 산화환원쌍으로서, 요오드/요오드화물 이온, 브롬/브롬화물 이온 등의 쌍을 첨가하여 얻을 수 있다. 요오드화물이온 또는 브롬화물 이온의 공급원으로서는, 리튬염, 4급화 이미다졸륨염, 테트라부틸암모늄염 등을 단독 또는 복합하여 사용할 수 있다.For example, it can be obtained by adding a pair of iodine / iodide ion, bromine / bromide ion or the like as an oxidation-reduction pair. As a source of iodide ion or bromide ion, a lithium salt, quaternary imidazolium salt, tetrabutylammonium salt, or the like can be used singly or in combination.
이때 산화환원쌍을 용해하기 위한 유기용매로서는, 아세토니트릴, 메톡시아세토니트릴, 프로피오니트릴, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디에틸카보네이트, γ―부티로락톤 등이 사용 가능하다.As the organic solvent for dissolving the redox pair, acetonitrile, methoxyacetonitrile, propionitrile, ethylene carbonate, propylene carbonate, diethyl carbonate, gamma -butyrolactone and the like can be used.
전해질 용액은 농도를 0.1 내지 20 중량%의 농도 범위에서 사용하며, 당업자에 의해 적절히 조절이 가능하다.The electrolyte solution is used in a concentration range of 0.1 to 20% by weight, and can be appropriately adjusted by those skilled in the art.
고분자 전해질의 조성으로서 하이브리드 나노 섬유 매트릭스 100 중량부에 대해 전해 물질을 0.1 내지 100 중량부로 포함한다. 만약 전해 물질을 상기 범위 미만이면 태양전지의 이온 전도도가 높지 않고, 반대로 상기 범위를 초과하면 과도한 사용으로 인해 상대적으로 하이브리드 나노 섬유 매트릭스의 사용량이 줄어들어 원하는 효과를 확보할 수 없다.As the composition of the polymer electrolyte, 0.1 to 100 parts by weight of the electrolytic material is contained relative to 100 parts by weight of the hybrid nanofiber matrix. If the amount of the electrolytic material is less than the above range, the ionic conductivity of the solar cell is not high. On the contrary, if the amount exceeds the above range, the use amount of the hybrid nanofiber matrix is relatively reduced due to excessive use.
건조는 용매가 흘러내리지 않을 정도로 제거할 수준이면 통상적인 범위 내에서 수행하며, 본 발명에서 특별히 한정하지 않는다.The drying is carried out in a conventional range as long as the solvent is not removed, and is not particularly limited in the present invention.
이렇게 본 발명에서는 표면 및 내부에 전해 물질이 침투된 하이브리드 나노 섬유 매트릭스는 염료감응형 태양전지의 고분자 전해질로서 사용한다.
Thus, in the present invention, the hybrid nanofiber matrix in which the electrolytic material penetrates the surface and the inside is used as a polymer electrolyte of a dye-sensitized solar cell.
이때 작용 전극과 상대 전극은 본 발명에서 특별히 언급하거나 한정하지 않으며, 염료감응형 태양전지에서 사용하는 전극이면 어느 것이든 사용 가능하다.At this time, the working electrode and the counter electrode are not specifically mentioned or limited in the present invention, and any electrode can be used as long as it is used in a dye-sensitized solar cell.
작용 전극은 투명 기판 상에, 산화티탄 등의 산화물 반도체 미립자로 이루어지고, 광증감 색소가 담지된 산화물 반도체 다공질막을 갖는 것이 사용될 수 있다.The working electrode may be an oxide semiconductor porous film on which a photosensitivity dye is supported, which is made of oxide semiconductor fine particles such as titanium oxide on a transparent substrate.
투명 기판은 유리 또는 플라스틱 일 수 있으며, 플라스틱의 경우 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르술폰(PES) 등의 투명 플라스틱 시트, 산화티탄, 알루미나 등의 세라믹의 연마판 등이 가능하다.The transparent substrate may be glass or plastic. In the case of plastic, a transparent plastic sheet such as polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate (PC), polyethersulfone (PES) A ceramic abrasive plate or the like.
산화물 반도체 다공질막은, 이산화티탄(TiO2), 산화주석(SnO2), 산화텅스텐(WO3), 산화아연(ZnO), 산화니오븀(Nb2O5) 등의 1종 또는 2종 이상을 복합시킨 평균입경 1∼1000nm의 산화물 반도체 미립자를 포함한다.The oxide semiconductor porous film is formed by combining one or two or more kinds of titanium dioxide (TiO 2 ), tin oxide (SnO 2 ), tungsten oxide (WO 3), zinc oxide (ZnO), and niobium oxide (Nb 2 O 5 ). Oxide semiconductor fine particles having an average particle diameter of 1 to 1000 nm are included.
이때 광증감 색소는 비피리딘구조, 터피리딘구조 등을 포함하는 배위자를 갖는 루테늄착체나 철착체, 포르피린계나 프탈로시아닌계의 금속착체를 비롯하여 에오신, 로다민, 메로시아닌, 쿠마린 등의 유기색소 등으로부터 용도나 산화물 반도체 다공질막의 재료에 따라 적절히 선택하여 사용이 가능하다.The photosensitizer may be a ruthenium complex or iron complex having a ligand including a bipyridine structure or a terpyridine structure, a porphyrin-based or phthalocyanine-based metal complex, an organic dye such as eosin, rhodamine, merocyanine or coumarin It can be suitably selected and used depending on the application or the material of the oxide semiconductor porous film.
상대 전극은 유리 등의 비도전성 재료로 이루어진 기판 상에 ITO나 FTO 등의 도전성 산화물 반도체로 이루어진 박막을 형성한 것, 혹은 기판 상에 금, 백금, 탄소계 재료 등의 도전성 재료를 증착, 도포함으로써 전극을 형성한 것을 사용할 수 있다. 또한, ITO나 FTO 등의 도전성 산화물 반도체의 박막 상에 백금, 카본 등의 층을 형성한 것으로 할 수도 있다. The counter electrode is formed by forming a thin film made of a conductive oxide semiconductor such as ITO or FTO on a substrate made of a nonconductive material such as glass, or depositing and applying a conductive material such as gold, platinum, or carbon-based material on the substrate. What formed the electrode can be used. Further, a layer such as platinum or carbon may be formed on a thin film of a conductive oxide semiconductor such as ITO or FTO.
이러한 상대 전극을 제작하는 방법으로서는, 예를 들어 염화 백금산의 도포 후에 열처리함으로써 백금층을 형성하는 방법을 들 수 있다. 또는, 증착법이나 스퍼터링법에 의해 전극을 기판 상에 형성하는 방법으로도 된다.
As a method for producing such a counter electrode, for example, there is a method of forming a platinum layer by applying heat treatment after application of chloroplatinic acid. Alternatively, the electrode may be formed on the substrate by a vapor deposition method or a sputtering method.
이미 언급한 바와 같이, 본 발명에서는 염료감응형 태양전지의 고분자 전해질로서 하이브리드 나노 섬유 매트릭스를 사용함으로써 이온 전도도를 높여 에너지 전환효율을 개선하고, 기계적 안정성(예, 열 안정성, 치수 안정성)을 더욱 높일 수 있다.As described above, in the present invention, by using a hybrid nanofiber matrix as a polymer electrolyte of a dye-sensitized solar cell, ion conductivity is improved to improve energy conversion efficiency, and mechanical stability (for example, thermal stability and dimensional stability) .
부연하면, 하이브리드 나노 섬유 매트릭스를 구성하는 극미세 섬유로 인해 기계적 물성이 안정되고 높은 치수 안정성으로 인해 형태의 변형이 없으며, 극미세 섬유의 표면에 부착된 무기 나노 물질에 의해 이온 전달 속도가 향상되며 전해질의 열 안정성이 더욱 증가한다. 이에 전지 제조과정 또는 작동 중 발생하는 전지의 발화나 폭발 등을 방지하고 열 열화에 의한 전지 수명 단축을 저감시킬 수 있다.In addition, the mechanical properties of the hybrid nanofiber matrix are stabilized by the microfibers constituting the hybrid nanofiber matrix and there is no deformation due to high dimensional stability. The inorganic nanomaterial attached to the surface of the microfine fibers enhances the ion transfer rate The thermal stability of the electrolyte is further increased. Thus, ignition or explosion of the battery occurring during the battery manufacturing process or operation can be prevented, and shortening of the battery life due to heat deterioration can be reduced.
특히, 극미세 섬유의 기공, 고분자 터널, 및 무기 나노 물질의 기공(기공이 있는 경우), 사이 사이로 전해질 용액 내 이온의 이동이 원활히 이뤄질 수 있다. 또한, 무기 나노 물질의 높은 비표면적으로 인해 상기 이온의 이동 속도가 더욱 빠르게 이루어진다. 그 결과, 종래 금속 나노 입자나 탄소나노튜브 등을 단순 혼합하여 전해질에 적용할 경우에 비교하여 높은 에너지 전환효율을 확보할 수 있다.Particularly, the movement of ions in the electrolyte solution can be smoothly carried out between pores of ultrafine fibers, polymer tunnels, and pores (when pores exist) of inorganic nanomaterials. Also, the high specific surface area of the inorganic nanomaterials allows the ion to migrate faster. As a result, a high energy conversion efficiency can be secured compared with conventional metal nanoparticles or carbon nanotubes simply mixed and applied to an electrolyte.
또한, 제조방법이 성형 등의 방법이 아닌 전기 방사 및 분무 공정을 수행하여 하이브리드 나노 섬유 매트릭스를 제조함에 따라 제조 공정이 간단하고, 전기 방사나 분무 공정 시 파라미터의 간단한 변경만으로도 상기 하이브리드 나노 섬유 매트릭스의 물성을 쉽게 제어할 수 있다는 이점이 있다.
In addition, the manufacturing method is simple as the hybrid nanofiber matrix is manufactured by performing an electrospinning and spraying process rather than a molding method, and the manufacturing process is simple. There is an advantage that the physical properties can be easily controlled.
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지않는다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. It will be apparent to those skilled in the art that these embodiments are merely illustrative of the present invention and that the scope of the present invention is not limited to these embodiments. But are not construed as being limited by the examples.
실시예 1: 하이브리드 나노 섬유 매트릭스의 제조Example 1: Preparation of Hybrid Nanofiber Matrix
(1) 방사 용액 제조(1) Preparation of spinning solution
친수성 고분자인 폴리(비닐피롤리돈)(poly(vinylpyrrolidone), PVP, 50g)과 소수성 고분자인 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile, PAN, 50g)을 혼합비 1:1 중량비로 디메틸포름아미드(DMF, 500ml)에 용해하였다. 상기 용액을 24시간 동안 교반기에 돌려 완전히 용해시켜 방사 용액을 제조하였다.(DMF, 500 ml) at a mixing ratio of 1: 1 by weight of polyacrylonitrile (PAN, 50 g) as a hydrophilic polymer and poly (vinylpyrrolidone), PVP ). The solution was turned completely into a stirrer for 24 hours to dissolve completely to prepare a spinning solution.
(2) 분무 용액 제조(2) spray solution preparation
디메틸포름아미드 100ml에 TiO2 나노 입자(직경: 20nm, 10g)를 첨가한 후 초음파 분산기를 이용하여 TiO2 나노 입자를 균일하게 분산시킨 분무 용액을 제조하였다.After adding TiO 2 nanoparticles (diameter: 20 nm, 10 g) to 100 ml of dimethylformamide, a spray solution in which TiO 2 nanoparticles were uniformly dispersed using an ultrasonic disperser was prepared.
(3) 전기 방사(3) Electrospinning
상기 (1)의 방사 용액을 주사기로 방사구에 주입한후 주사기 펌프에 위치시킨 다음 0.005ml/h의 유속으로 고정시켰다.The spinning solution of (1) was injected into the spinneret with a syringe, placed in a syringe pump, and fixed at a flow rate of 0.005 ml / h.
이때 수집기와 방사구는 수직하게 위치시키고, 수집기는 배향된 극미세 섬유를 얻기 위해 전도성을 가진 금속 전극으로 설계하여 준비하였다. 방사구와 수집기 사이의 거리는 15cm로 고정시키고, 12kV로 전압을 인가하여 극미세 섬유(직경 100∼150nm)를 제조하였다.At this time, the collector and the spinneret were placed vertically, and the collector was designed as a conductive metal electrode to obtain oriented microfine fibers. The distance between the spinneret and the collector was fixed at 15 cm, and a voltage was applied at 12 kV to prepare ultra-fine fibers (100-150 nm in diameter).
(4) 분무 공정(4) spraying process
상기 (3)의 극미세 섬유에 (2)에서 제조한 분무 용액을 분무하여 하이브리드 나노 섬유 매트릭스를 제조하였다.A hybrid nanofiber matrix was prepared by spraying the spray solution prepared in (2) on the ultrafine fibers of (3).
실시예 2Example 2
금속 산화물 나노 입자의 함량으로 2.5g을 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 하이브리드 나노 섬유 매트릭스(직경 100∼150nm)를 제조하였다.A hybrid nanofiber matrix (100-150 nm in diameter) was prepared in the same manner as in Example 1 except that 2.5 g of the metal oxide nanoparticles was used.
실시예 3Example 3
금속 산화물로서 ZnO를 20g을 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 하이브리드 나노 섬유 매트릭스(직경 150∼250nm)를 제조하였다.A hybrid nanofiber matrix (diameter 150 to 250 nm) was prepared in the same manner as in Example 1 except that 20 g of ZnO was used as the metal oxide.
실시예 4Example 4
나노 입자 형태가 아닌 TiO2 나노 로드(직경 10nm, 길이 100nm)를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 하이브리드 나노 섬유 매트릭스(직경 100∼250nm)를 제조하였다.A hybrid nanofiber matrix (diameter 100 to 250 nm) was prepared in the same manner as in Example 1 except that TiO 2 nano-rods (10 nm in diameter and 100 nm in length) were used instead of nanoparticles.
비교예 1Comparative Example 1
금속 산화물 나노 입자를 사용하지 않고 고분자로만 이루어진 극미세 섬유(직경 100∼150nm)를 제조하였다.
Ultrafine fibers (100-150 nm in diameter) made of only polymer were prepared without using metal oxide nanoparticles.
실험예 1: 하이브리드 나노 섬유 매트릭스 구조 확인Experimental Example 1: Identification of hybrid nanofiber matrix structure
상기 실시예 1에서 얻어진 하이브리드 나노 섬유 매트릭스의 구조를 확인하기 위해 투과전자현미경을 이용하여 구조를 측정하였다.In order to confirm the structure of the hybrid nanofiber matrix obtained in Example 1, the structure was measured using a transmission electron microscope.
도 1의 (a)는 본 발명의 실시예 1에서 제조한 하이브리드 나노 섬유 매트릭스를 보여주는 투과전자현미경 이미지이고, (b)는 이의 확대 이미지이다. 도 1의 (a) 및 (b)를 참조하면, TiO2 나노 입자가 극미세 섬유의 표면에 균일하게 분산된 구조를 가짐을 알 수 있다.
FIG. 1 (a) is a transmission electron microscope image showing the hybrid nanofiber matrix prepared in Example 1 of the present invention, and FIG. 1 (b) is an enlarged image thereof. Referring to (a) and (b) of FIG. 1, it can be seen that the TiO 2 nanoparticles have a structure uniformly dispersed on the surface of the ultrafine fiber.
실험예 2: 시험 셀 제작Experimental Example 2: Test cell preparation
(1) 작용전극(Working Electrode)의 제작(1) Fabrication of Working Electrode
TiO2(P-25) 0.5g과 폴리에틸렌글리콜(Junsei, averge M.W. 20,000) (2.5 g/37.5ml in H2O) 수용액 2ml을 이용하여 슬러리를 제조하였다. TCO 글라스(FTO (Fluorin doped Tin Oxide, SnO2 :F, 8 Ω/cm2), Libbey-Owens-Ford)를 이소프로필알코올, 아세톤, 증류수에서 각각 15분 동안 초음파 세척한 다음, 상기 제조한 슬러리를 닥터블레이드법 (doctor-blade method)을 이용하여 두께가 약 10㎛ 정도 되도록 얇게 코팅하였다.Slurry was prepared by using 0.5 g of TiO 2 (P-25) and 2 ml of an aqueous solution of polyethylene glycol (Junsei, average MW 20,000) (2.5 g / 37.5 ml in H 2 O). TCO glass (FTO (Fluorin doped Tin Oxide, SnO 2 : F, 8 Ω / cm 2 ), Libbey-Owens-Ford) was ultrasonically washed in isopropyl alcohol, acetone, distilled water for 15 minutes, and then prepared slurry Was thinly coated using a doctor-blade method to a thickness of about 10㎛.
이어, 전기도가니에 넣어 분당 약 5℃ 정도로 실온에서 450℃까지 승온하여 30분 동안 소결시켜 유기물을 제거한 후 다시 분당 약 5℃ 정도로 실온으로 하강시켰다.Subsequently, the mixture was heated to about 5 ° C. per minute to 450 ° C. at room temperature, sintered for 30 minutes to remove organic matter, and then lowered to about 5 ° C. per minute.
그 다음 시스-비스(이소티오시아나토)비스(2,2,'-비피리딜-4,4'-디카르복실라토)루테늄(Ⅱ) (cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato)ruthenium(Ⅱ), 루테늄 535염료, (주)Solaronix, 스위스) 20mg을 에타올 100ml에 녹인 Dye bath(루테늄 535 염료용액)에 24시간 담근 후 염료를 흡착시켰다. 이어서, 에탄올을 이용하여 물리적으로 흡착된 염료층을 제거한 다음 60℃에서 건조하여 염료가 흡착된 작용전극을 제작하였다.Then cis-bis (isothiocyanato) bis (2,2, '-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato) ruthenium (II) (cis-bis (isothiocyanato) bis (2,2' 20 mg of -bipyridyl-4,4'-dicarboxylato) ruthenium (II), ruthenium 535 dye, Solaronix, Switzerland) was soaked in a Dye bath (ruthenium 535 dye solution) dissolved in 100 ml of ethanol for 24 hours and then adsorbed. . Then, the physically adsorbed dye layer was removed using ethanol, and then dried at 60 ° C to prepare a dye-adsorbed working electrode.
(2) 상대전극(Counter Electrode)의 제작(2) Fabrication of Counter Electrode
Pt 상대전극은 TCO 글라스(FTO)를 세척하여 Platisol Pt-Catalyst,(주)Solaronix, 스위스)를 브러쉬로 도포한 후 전기도가니에 넣어 400℃에서 20분간 소결하여 상대전극을 제작하였다.The Pt counter electrode was washed with a TCO glass (FTO), applied with a brush, and sintered at 400 ° C for 20 minutes in an electric crucible to prepare a counter electrode.
(3) 전해질 용액 제조(3) Preparation of electrolyte solution
전해질 용액은 0.1몰 농도의 테트라부틸암모늄 아이오다이즈 (tetrabutylammonium iodide), 0.3몰 농도의 1-프로필-3-메틸이미다졸리움 아이오다이드(1-propyl-3-metylimidazolium iodide)를 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 아세토니트릴(acetonitrile)이 7:2:4의 부피비를 가지는 용매에 혼합하고, 24시간 동안 교반시켜 제조하였다.The electrolyte solution was prepared by dissolving tetrabutylammonium iodide in a concentration of 0.1 mole and 1-propyl-3-methylimidazolium iodide in a concentration of 0.3 mole in ethylene carbonate (ethylene carbonate, propylene carbonate and acetonitrile in a volume ratio of 7: 2: 4 and stirring for 24 hours.
(4) 고분자 전해질 제조(4) Production of polymer electrolyte
상기 (1)에서 제조한 작용전극에 상기 실시예 및 비교예 각각에서 제조한 동일한 디멘젼(가로, 세로)을 갖는 하이브리드 나노 섬유 매트릭스를 놓은 다음, 여기에 마이크로 피펫을 이용하여 상기 (3)에서 제조한 전해질 용액을 0.035ml을 떨어뜨린 후, 50℃ 오븐에서 건조시켜 용매를 증발시켜 작용전극 상에 고분자 전해질을 형성하였다.The hybrid nanofiber matrix having the same dimensions (width and length) prepared in each of the above Examples and Comparative Examples was placed on the working electrode prepared in the above (1), and the hybrid nanofiber matrix prepared in the above (3) 0.035 ml of an electrolytic solution was dropped and the solvent was evaporated by drying in an oven at 50 ° C to form a polymer electrolyte on the working electrode.
(5) 시험 셀 제작(5) Test cell fabrication
상기 (4)에서 제조한 고분자 전해질이 형성된 작용전극에, (2)에서 제작한 상대전극을 접합하여 염료감응형 태양전지를 제작하였다.
The dye-sensitized solar cell was fabricated by bonding the counter electrode prepared in (2) to the working electrode having the polymer electrolyte formed in (4) above.
실험예 3: 염료감응형 태양전지의 성능 평가Experimental Example 3: Performance evaluation of dye-sensitized solar cell
본 발명에 따라 제조된 염료감응형 태양전지의 전지로서의 성능을 평가하기 위해 광전류 밀도(Photocurrent density)와 광전류-전압곡선을 측정하였다.Photocurrent density and photocurrent-voltage curve were measured to evaluate the performance of the dye-sensitized solar cell produced according to the present invention as a battery.
도 2 내지 도 6은 실시예 및 비교예에서 제조한 태양전지의 광전류-전압곡선 그래프로, 도 2는 실시예 1, 도 3은 실시예 2, 도 4는 실시예 3, 도 5는 실시예 4, 및 도 6은 비교예 1에 해당하는 그래프이다. FIGS. 2 to 6 are graphs of photocurrent-voltage curves of the solar cells manufactured in Examples and Comparative Examples. FIG. 2 shows Example 1, FIG. 3 shows Example 2, FIG. 4 shows Example 3, 4, and Fig. 6 are graphs corresponding to Comparative Example 1. Fig.
상기 도 2 내지 도 6은 결과로부터, 전압, 전류, 필 팩터를 측정 후 에너지 전환효율을 계산하고, 그 결과를 하기에 나타내었다.2 to 6 calculate the energy conversion efficiency after measuring the voltage, current, and fill factor from the results, and the results are shown below.
상기 표 1을 참조하면, 본 발명에 따라 하이브리드 나노 섬유 매트릭스를 구비한 전지의 경우 에너지 전환효율이 우수함을 알 수 있다.Referring to Table 1, it can be seen that the energy conversion efficiency of the battery having a hybrid nanofiber matrix according to the present invention is excellent.
Claims (17)
상기 고분자 전해질이 전해 물질로 함침된 하이브리드 나노 섬유 매트릭스이고, 이때 상기 하이브리드 나노 섬유 매트릭스는
친수성 고분자와 소수성 고분자로 이루어진 극미세 섬유, 및
이의 표면에 무기 나노 물질이 부착된 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.In a dye-sensitized solar cell comprising a working electrode, a counter electrode, and a polymer electrolyte interposed therebetween,
Wherein the polymer electrolyte is a hybrid nanofiber matrix impregnated with an electrolytic material, wherein the hybrid nanofiber matrix comprises
Ultrafine fibers consisting of a hydrophilic polymer and a hydrophobic polymer, and
Dye-sensitized solar cell, characterized in that the inorganic nano-material is attached to the surface thereof.
상기 방사 용액을 이용하여 전기 방사를 통해 극미세 섬유를 제조하고,
상기 극미세 섬유 상에 무기 나노 물질을 포함하는 용액을 분무하여 하이브리드 나노 섬유 매트릭스를 제조하고,
상기 하이브리드 나노 섬유 매트릭스를 전해질 용액으로 함침시켜 고분자 전해질을 제조하는 단계를 포함하는 제1항의 염료감응형 태양전지의 제조방법. The hydrophilic polymer and the hydrophobic polymer are dispersed in a solvent to prepare a spinning solution,
By using the spinning solution to produce a very fine fiber through electrospinning,
A hybrid nanofiber matrix is prepared by spraying a solution containing an inorganic nanomaterial on the ultrafine fibers,
The method of claim 1, further comprising the step of impregnating the hybrid nanofiber matrix with an electrolyte solution to prepare a polymer electrolyte.
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