KR101410668B1 - Quantum dot sensitized solar cell and method manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 친환경 양자점 감응형 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Ag2S 양자점을 포함함으로써, 효율적이며 친환경적인 친환경 양자점 감응형 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to an eco-friendly quantum dot-sensitive solar cell and a method of manufacturing the same, and more particularly, to an eco-friendly quantum dot-sensitized solar cell including an Ag 2 S quantum dot and an eco-friendly method.
화석 에너지의 고갈과 이의 사용에 의한 지구 환경적인 문제를 해결하기 위해 태양에너지, 풍력 및 수력과 같은 재생 가능하며, 청정한 대체 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 중에서 태양 빛으로부터 직접 전기적 에너지를 변화시키는 태양전지에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 상기 태양전지란 태양빛으로부터 광 에너지를 흡수하여 전자와 정공을 발생하는 광기전 효과를 이용하여 전류 및 전압을 생성하는 전지를 의미한다.Researches on renewable and clean alternative energy sources such as solar energy, wind power and hydro power are actively being carried out to solve the global environmental problems caused by the depletion of fossil energy and its use. Among these, there is a great interest in solar cells that change electric energy directly from sunlight. The solar cell refers to a cell that generates current and voltage using a photovoltaic effect that absorbs light energy from sunlight to generate electrons and holes.
현재 광에너지 변환효율이 20%가 넘는 n-p 다이오드형 실리콘(Si) 단결정 기반 태양전지의 제조가 가능하여 실제 태양광 발전에 사용되고 있으며, 이보다 더 변환효율이 우수한 갈륨아세나이드(GaAs)와 같은 화합물 반도체를 이용한 태양전지도 있다. 그러나 이러한 무기 반도체 기반의 태양전지는 고효율화를 위하여 매우 고순도로 정제한 소재가 필요하므로 원소재의 정제에 많은 에너지가 소비되고, 또한 원소재를 이용하여 단결정 혹은 박막화 하는 과정에 고가의 공정 장비가 요구되어 태양전지의 제조비용을 낮게 하는 데에는 한계가 있다.Currently, np diode-type silicon (Si) single crystal based solar cells with a light energy conversion efficiency of more than 20% can be manufactured and used for actual solar power generation. Compound semiconductors such as gallium arsenide (GaAs) There is also solar cell using. However, since inorganic semiconductor-based solar cells require highly refined materials for high efficiency, a large amount of energy is consumed in the purification of raw materials, and expensive processes are required in the process of making single crystals or thin films using raw materials And thus there is a limit to lowering the manufacturing cost of the solar cell.
1991년에 스위스 Gratzel 연구실에서 염료 감응형 태양전지(DSSC, Dye-sensitized solar cell)라는 새로운 개념의 태양광 에너지 변환 시스템을 처음 보고하였다. 이는 실리콘 태양전지에 비해 제조단가가 낮아 대체 태양전지로 주목을 받았으나 이론적 효율이 높지 않고, 염료가 시간이 지남에 따라 특성이 저하된다는 단점을 가지고 있다. 도 1은 염료 감응형 태양전지의 TiO2 나노입자 필름의 모식도이며 특히, 상기 염료감응형 태양전지의 특성을 저하시키는 주된 원인 중의 하나로서 빛에 의해 발생된 전자가 TiO2 층을 과하면서 전하 재결합 현상이 일어나는 것이 지적되고 있었다. In 1991, Gratzel's laboratory in Switzerland first reported a new solar energy conversion system called Dye-sensitized solar cell (DSSC). This is because the production cost is lower than that of the silicon solar cell, which is attracting attention as an alternative solar cell, but the theoretical efficiency is not high, and the dye has a disadvantage that its characteristics are deteriorated over time. FIG. 1 is a schematic view of a TiO 2 nanoparticle film of a dye-sensitized solar cell. Particularly, as one of the main causes of deteriorating the characteristics of the dye-sensitized solar cell, electrons generated by light travel through a TiO 2 layer, It was pointed out that the phenomenon occurred.
상기 염료감응형 태양전지의 이러한 단점을 보완하여, 염료 대신 수명이 더 긴 반도체 소재의 작은 나노 입자인 양자점이 염료 역할을 수행하도록 만든 태양전지가 바로 양자점 감응형 태양전지(QDSSC, Quantum dot sensitized solar cell)이다. 상기 양자점의 경우 양자제한 효과에 의해 크기에 따라 물질의 밴드갭이 변하므로 밴드갭 조절이 용이하며, 이를 이용하여 다양한 범위의 파장을 흡수할 수 있었다. 또한, 상기 양자점의 경우 하나의 광자에서 두 개 이상의 전자 및 정공 쌍을 만들어 낼 수 있으므로(MEG, Multiple Exciton Generation) 효율이 높은 장점이 있었다. In order to compensate for the disadvantages of the dye-sensitized solar cell, a solar cell having a QDSSC (Quantum dot sensitized solar cell) cell. In the case of the quantum dots, the bandgap of the material changes depending on the size due to the quantum confinement effect, so that the bandgap can be easily controlled and the wavelength can be absorbed in a wide range. In addition, since the quantum dot can generate two or more electrons and hole pairs in one photon, the efficiency of multiple excitation generation (MEG) is high.
그러나 기존에 연구되고 있던 대부분의 양자점 물질들은 CdS, CdSe, PbS 등 매우 유해한 중금속인 카드뮴과 납 계열의 물질들을 포함하였다. 상기 중금속이 환경에 노출되면 자연 및 사람에게 치명적인 피해를 유발할 수 있으며, 실제로 다수 국가에서는 이와 같은 물질들의 사용을 지양하고 있다.
However, most of the quantum dot materials that have been studied in the past include cadmium and lead-based materials, which are very harmful heavy metals such as CdS, CdSe and PbS. Exposure of the heavy metals to the environment can cause catastrophic damage to nature and people, and in many countries, the use of such materials is avoided.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 산화전극 기판 표면에 일렬로 형성된 나노선(nanowire) 및 상기 나노선의 표면에 결합된 Ag2S 양자점을 포함함으로써, 종래 독성이 있는 양자점을 친환경 양자점으로 대체할 수 있고, 전자 포집과 전자 전달의 효율성을 증대 및 전해질과의 접촉을 향상시킬 수 있는 장점을 특징으로 하는 친환경 양자점 감응형 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하고자 함에 있다.
It is an object of the present invention to solve the problems described above, and it is an object of the present invention to provide a nanowire formed in a line on the surface of an oxidized electrode substrate and Ag 2 S quantum dots bonded to the surface of the nanowire, The present invention provides an eco-friendly quantum dot-sensitized solar cell and a method of manufacturing the same, which are capable of replacing the quantum dot with a quantum dot, improving efficiency of electron capture and electron transfer, and improving contact with an electrolyte.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 친환경 양자점 감응형 태양전지는 산화전극 및 상기 산화전극과 이격되어 대향하는 상대전극과 이들 사이에 개재되는 전해질을 포함하며; 상기 산화전극은 기판 표면에 일렬로 형성된 나노선(nanowire) 및 상기 나노선의 표면에 결합된 Ag2S 양자점을 포함하는 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, an eco-friendly quantum dot sensitive solar cell includes an oxidizing electrode, a counter electrode spaced apart from the oxidizing electrode, and an electrolyte interposed therebetween; The oxidation electrode includes a nanowire formed in a line on a surface of the substrate and Ag 2 S quantum dots bonded to the surface of the nanowire.
여기서, 상기 기판은 FTO(Fluorine doped Tin Oxided) 유리인 것이 바람직하다.Here, the substrate is preferably FTO (Fluorine doped Tin Oxided) glass.
또한, 상기 기판은 상기 기판 표면에 ZnO 박막을 증착하는 것이 바람직하다.Further, it is preferable that the substrate is deposited with a ZnO thin film on the surface of the substrate.
그리고, 상기 나노선은 ZnO 나노선인 것이 바람직하다.The nanowire is preferably ZnO nanowire.
또한, 상기 상대전극은 금(Au) 박막을 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the counter electrode preferably includes a gold (Au) thin film.
여기서, 상기 전해질은 0.5M Na2S, 2M S, 0.2M KCl이 함유된 메탄올 : 이온수의 중량비가 7 : 3 인 것이 바람직하다.Here, it is preferable that the weight ratio of methanol: ionized water containing 0.5M Na 2 S, 2M S, and 0.2M KCl is 7: 3.
또한, 친환경 양자점 감응형 태양전지의 제조방법은 산화전극 및 상기 산화전극과 이격되어 대향하는 상대전극을 준비하는 제1단계; 암모니아 기반의 수열합성법을 이용하여 상기 산화전극의 기판 표면에 나노선(nanowire)을 형성하는 제2단계; SILAR(Successive ion layer adsorption and reaction)법을 이용하여 상기 나노선의 표면에 Ag2S 양자점을 결합시키는 제3단계; 상기 산화전극과 상대전극 사이에 스페이서를 위치시키고 가열하여 결합시키는 제4단계; 상기 상대전극에 구비된 전해질 주입구를 통해 전해질을 주입하는 제4단계; 및 상기 전해질 주입구를 밀폐하여 태양전지 소자를 제조하는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. A method of manufacturing an environmentally friendly quantum dot sensitive solar cell includes a first step of preparing an oxidation electrode and a counter electrode spaced apart from the oxidation electrode; A second step of forming a nanowire on the surface of the substrate of the oxidation electrode using an ammonia-based hydrothermal synthesis method; A third step of binding Ag 2 S quantum dots to the surface of the nanowire using a SILAR (Successive ion layer adsorption and reaction) method; Placing a spacer between the oxidation electrode and the counter electrode and heating and bonding the spacer; A fourth step of injecting an electrolyte through the electrolyte injection hole provided in the counter electrode; And a fifth step of sealing the electrolyte inlet to manufacture a solar cell element.
또한, 친환경 양자점 감응형 태양전지의 제조방법은 산화전극 및 상기 산화전극과 이격되어 대향하는 상대전극을 준비하는 제1단계; 암모니아 기반의 수열합성법을 이용하여 상기 산화전극의 기판 표면에 나노선(nanowire)을 형성하는 제2단계; SILAR(Successive ion layer adsorption and reaction)법을 이용하여 상기 나노선의 표면에 CdS 양자점을 결합시키는 제3단계; AgNO3 수용액을 이용하여 상기 CdS 양자점을 Ag2S 양자점으로 치환하는 제4단계; 상기 산화전극과 상대전극 사이에 스페이서를 위치시키고 가열하여 결합시키는 제5단계; 상기 상대전극에 구비된 전해질 주입구를 통해 전해질을 주입하는 제6단계; 및 상기 전해질 주입구를 밀폐하여 태양전지 소자를 제조하는 제7단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
A method of manufacturing an environmentally friendly quantum dot sensitive solar cell includes a first step of preparing an oxidation electrode and a counter electrode spaced apart from the oxidation electrode; A second step of forming a nanowire on the surface of the substrate of the oxidation electrode using an ammonia-based hydrothermal synthesis method; A third step of bonding a CdS quantum dot to the surface of the nanowire using a successive ion layer adsorption and reaction (SILAR) method; A fourth step of replacing the CdS quantum dot with an Ag 2 S quantum dot using an AgNO 3 aqueous solution; Placing a spacer between the oxidation electrode and the counter electrode and heating and bonding the spacer; A sixth step of injecting an electrolyte through the electrolyte injection hole provided in the counter electrode; And a seventh step of sealing the electrolyte injection port to manufacture a solar cell element.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 효과는, 종래 독성이 있는 양자점 대신 중금속이 포함되지 않은 양자점을 사용하므로 친환경적인 장점이 있다.The effect of the present invention having the above-described structure is advantageous in that it is eco-friendly because it uses quantum dots not containing heavy metals instead of conventionally toxic quantum dots.
본 발명의 Ag2S 양자점은 1.04eV 의 작은 밴드 갭을 갖기 때문에 종래 태양전지에 비해 매우 넓은 빛의 파장을 흡수할 수 있는 장점이 있다.Since the Ag 2 S quantum dot of the present invention has a small band gap of 1.04 eV, it has an advantage of absorbing a very wide wavelength of light as compared with the conventional solar cell.
종래 TiO2 다공성 나노필름 전극 대신에 ZnO 나노선 전극을 사용하여 전자 포집과 전자 전달의 효율성을 증대시켰으며, 전해질과의 접촉을 향상시키는 장점이 있다.
Instead of the conventional TiO 2 porous nanofilm electrode, ZnO nanowire electrodes are used to increase the efficiency of electron trapping and electron transfer and improve the contact with the electrolyte.
도 1은 염료 감응형 태양전지의 TiO2 나노입자 필름의 모식도이다.
도 2는 본 발명인 양자점 감응형 태양전지의 분해 모식도이다.
도 3은 산화전극의 FTO(Fluorine doped Tin Oxided) 유리와 상기 FTO 유리 표면에 형성된 나노선의 모식도이다.
도 4는 나노선 및 상기 나노선과 결합한 양자점을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5는 나노선 및 상기 나노선과 결합한 양자점을 더욱 자세히 보여주는 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 6은 Ag2S 양자점, CdS 양자점 및 ZnO의 밴드 갭(band gap)을 나타내는 도면이다.
도 7은 Ag2S 및 CdS의 빛 파장에 따른 빛 흡수력(absorbance)를 비교한 흡광 스펙트럼이다.
도 8은 SILAR 방법을 이용하여 Ag2S 양자점을 결합시키는 모식도이다.
도 9는 SILAR 방법을 이용하여 CdS 양자점을 증착시킨 후 AgNO3 수용액을 이용하여 CdS를 Ag2S로 치환하여 Ag2S 양자점을 결합시키는 모식도이다.
도 10은 본 발명인 Ag2S 양자점 감응형 태양전지와 종래의 CdS 양자점 감응형 태양전지의 빛 파장에 따른 외부 양자 효율(external quantum efficiency, EQE)을 비교한 그래프이다.
도 11은 본 발명인 Ag2S 양자점 감응형 태양전지와 종래의 CdS 양자점 감응형 태양전지의 생산되는 전류를 비교한 그래프이다.1 is a schematic view of a TiO 2 nanoparticle film of a dye-sensitized solar cell.
2 is a schematic exploded view of a quantum dot-sensitive solar cell according to the present invention.
3 is a schematic view of a fluorine doped tin oxide (FTO) glass of an oxidizing electrode and a nanowire formed on the surface of the FTO glass.
4 is a scanning electron microscope (SEM) image showing nanowires and quantum dots coupled with the nanowires.
5 is a transmission electron microscope (TEM) photograph showing the nanowire and the quantum dots coupled with the nanowire in more detail.
6 is a diagram showing the band gap of an Ag 2 S quantum dot, a CdS quantum dot, and ZnO.
FIG. 7 is an absorption spectrum comparing absorbance of Ag 2 S and CdS according to light wavelengths.
FIG. 8 is a schematic diagram for binding Ag 2 S quantum dots using the SILAR method. FIG.
FIG. 9 is a schematic view illustrating the bonding of Ag 2 S quantum dots by substituting CdS with Ag 2 S using AgNO 3 aqueous solution after depositing CdS quantum dots using the SILAR method.
10 is a graph comparing external quantum efficiency (EQE) according to light wavelengths of an Ag 2 S quantum dot sensitive solar cell of the present invention and a conventional CdS quantum dot sensitive solar cell.
11 is a graph comparing the currents produced by the Ag 2 S quantum dot sensitive solar cell of the present invention and the conventional CdS quantum dot sensitive solar cell.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor may appropriately define the concept of the term in order to best describe its invention It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.
이하, 표 및 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to tables and drawings.
본 발명은 친환경 양자점 감응형 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an eco-friendly quantum dot sensitive solar cell and a method of manufacturing the same.
일 관점에서, 본 발명은 친환경 양자점 감응형 태양전지에 관한 것이다.
In one aspect, the present invention relates to an eco-friendly quantum dot sensitive solar cell.
본 발명은 종래에 사용하던 유기염료 대신에 양자점을 사용하여, 흡수할 수 있는 빛의 파장을 넓혔으며 태양전지 소자의 안정성 부분을 확보하였다. 또한, 종래 태양전지의 양자점은 대개 CdS, CdSe 및 PbS와 같이 인체에 매우 해로운 중금속이 함유된 물질을 사용하였지만, 본 발명에 따른 양자점은 중금속이 함유되지 않은 Ag2S 등을 사용하는 것에 특징이 있다.
In the present invention, quantum dots are used instead of organic dyes used in the past to broaden the wavelength of light that can be absorbed and to secure a stable portion of the solar cell element. Although quantum dots of conventional solar cells generally use a substance containing a heavy metal which is very harmful to the human body such as CdS, CdSe and PbS, the quantum dots according to the present invention are characterized by using Ag 2 S not containing a heavy metal have.
도 2는 본 발명인 양자점 감응형 태양전지의 분해 모식도이다. 상기 도 2에서 볼 수 있듯이 본 발명은 산화전극(100) 및 상기 산화전극(100)과 이격되어 대향하는 상대전극(110)과 이들 사이에 개재되는 전해질을 포함하며, 상기 산화전극은 기판 표면에 일렬로 형성된 나노선(nanowire) 및 상기 나노선의 표면에 결합된 Ag2S 양자점을 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은 스페이서(120)와 전해질 주입구(130) 등을 더 포함할 수 있다. 2 is a schematic exploded view of a quantum dot-sensitive solar cell according to the present invention. 2, the present invention includes an
도 3은 산화전극의 FTO(Fluorine doped Tin Oxided) 유리(200)와 상기 FTO 유리 표면에 형성된 나노선(210)의 모식도이다. 여기서 상기 산화전극(100)의 기판인 FTO 유리(200) 대신 ITO, SnO 또는 ZnO 등이 적용될 수 있다. 또한, 상기 나노선(210)이 FTO 유리(200)에 결합되기에 앞서, 상기 FTO 유리(200) 표면에 ZnO 박막을 증착하는 것이 바람직하다.3 is a schematic view of a fluorine doped tin oxide (FTO)
본 발명에서는 전자의 포집과 전자의 전달 효율성을 증대 및 전해질과의 접촉이 더욱 용이하게 하여 전기발생 효율을 증대시키기 위해, 종래 TiO2 다공성 나노필름 대신 일렬로 배열된 나노선을 적용하는 것을 특징으로 한다. In the present invention, a nanowire arrayed in a line instead of a conventional TiO 2 porous nanofilm is applied in order to increase the efficiency of electron capture and electron transfer, and to facilitate the contact with an electrolyte to increase electricity generation efficiency do.
도 4는 나노선 및 상기 나노선과 결합한 양자점을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이고, 도 5는 나노선(210) 및 상기 나노선(210)과 결합한 양자점(220)을 더욱 자세히 보여주는 투과전자현미경(TEM) 사진이다. 이 때, 상기 나노선(210)은 ZnO 나노선인 것이 바람직하며, 상기 양자점(220)은 Ag2S인 것이 바람직하다. 4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a nanowire and a quantum dot coupled with the nanowire. FIG. 5 is a scanning electron microscope (SEM) image showing a
또한, 도 6은 Ag2S 양자점, CdS 양자점 및 ZnO의 밴드 갭(band gap)을 나타내는 도면이며, 본 발명에 따른 상기 Ag2S 양자점은 1.04eV 의 작은 밴드 갭을 갖기 때문에 매우 넓은 빛의 파장을 효율적으로 흡수할 수 있다. 따라서 상기 Ag2S 양자점은 많은 빛을 흡수하여 전자 정공 쌍을 생성해야 하는 감응체(sensitizer) 역할을 충분히 할 수 있다는 것을 알 수 있다. 6 shows the band gap of the Ag 2 S quantum dot, the CdS quantum dot and the ZnO. The Ag 2 S quantum dot according to the present invention has a small band gap of 1.04 eV, Can be absorbed efficiently. Therefore, it can be seen that the Ag 2 S quantum dot can sufficiently serve as a sensitizer to absorb a large amount of light to generate an electron hole pair.
도 7은 Ag2S 및 CdS의 빛 파장에 따른 빛 흡수력(absorbance)를 비교한 흡광 스펙트럼이다. 밴드 갭이 작은 Ag2S이 모든 빛 파장에서 CdS보다 빛 흡수력이 우수하다는 것을 알 수 있다.FIG. 7 is an absorption spectrum comparing absorbance of Ag 2 S and CdS according to light wavelengths. It can be seen that Ag 2 S having a small band gap has better light absorbing power than CdS at all light wavelengths.
상기 상대전극(110)은 상기 상대전극 표면에 금(Au) 박막을 증착시키는 것이 바람직하다.The
상기 산화전극(100)과 상대전극(110) 사이에 위치하는 스페이서(120)는 당업계에 공지된 어떠한 것도 이용될 수 있으나, 듀퐁사(DuPont)의 설린(surlyn)을 이용하는 것이 바람직하며, 이 때 상기 설린의 두께는 약 60㎛인 것이 바람직하다.The
상기 산화전극(100)과 상대전극(110) 사이에 위치하는 상기 스페이서(120) 내에 위치하는 전해질은 당업계에 공지된 어떠한 것도 이용될 수 있으나, 0.5M Na2S, 2M S, 0.2M KCl이 함유된 메탄올 : 이온수의 중량비가 7 : 3인 것이 바람직하다.The electrolyte located in the
상기의 구성을 포함하는 본 발명의 Ag2S 양자점이 빛 에너지를 흡수하면 상기 Ag2S 양자점은 전자(electron)와 정공(positive hole) 쌍을 생성한다. 상기 양자점에서 생성된 전자는 전해질을 통해 상대전극으로 이동하고, 상기 정공은 산화전극으로 이동하게 된다. 따라서, 상기 전자와 정공은 어려 경로를 통하여 각각 산화전극과 상대전극으로 전달되어 최종적으로 전류를 생성하게 되고, 전기적 일을 마친 전자와 정공은 다시 양자점의 본래 위치로 돌아와 순환하게 된다.
When the Ag 2 S quantum dot of the present invention including the above-described structure absorbs light energy, the Ag 2 S quantum dot generates an electron and a positive hole pair. The electrons generated from the quantum dots move to the counter electrode through the electrolyte, and the holes move to the oxidation electrode. Therefore, the electrons and the holes are transferred to the oxidizing electrode and the counter electrode through the small path, respectively, to finally generate a current, and the electrons and holes after the electrical operation are returned to the original positions of the quantum dots.
이하, 또 다른 관점에서 본 발명은 친환경 양자점 감응형 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.In another aspect, the present invention relates to a method for producing an environmentally friendly quantum dot sensitive solar cell.
본 발명의 제조방법은 두 가지 이상이 있을 수 있으며, 첫 번째 친환경 양자점 감응형 태양전지의 제조방법은 연속 이온층 흡착 및 반응(Successive ion layer adsorption and reaction, 이하, SILAR이라고 한다) 방법을 이용하여 제조하는 것이다. The manufacturing method of the present invention may be two or more, and the first method of manufacturing the environmentally friendly Qdot-sensitive photovoltaic cell is a manufacturing method using successive ion layer adsorption and reaction (hereinafter referred to as SILAR) .
보다 구체적으로, 산화전극 및 상기 산화전극과 이격되어 대향하는 상대전극을 준비하는 제1단계; 암모니아 기반의 수열합성법을 이용하여 상기 산화전극의 기판 표면에 나노선(nanowire)을 형성하는 제2단계; SILAR(Successive ion layer adsorption and reaction) 방법을 이용하여 상기 나노선의 표면에 Ag2S 양자점을 결합시키는 제3단계; 상기 산화전극과 상대전극 사이에 스페이서를 위치시키고 가열하여 결합시키는 제4단계; 상기 상대전극에 구비된 전해질 주입구를 통해 전해질을 주입하는 제4단계; 및 상기 전해질 주입구를 밀폐하여 태양전지 소자를 제조하는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. A first step of preparing an oxidizing electrode and a counter electrode spaced apart from the oxidizing electrode; A second step of forming a nanowire on the surface of the substrate of the oxidation electrode using an ammonia-based hydrothermal synthesis method; A third step of binding Ag 2 S quantum dots to the surface of the nanowire using a SILAR (Successive ion layer adsorption and reaction) method; Placing a spacer between the oxidation electrode and the counter electrode and heating and bonding the spacer; A fourth step of injecting an electrolyte through the electrolyte injection hole provided in the counter electrode; And a fifth step of sealing the electrolyte inlet to manufacture a solar cell element.
상기 전해질은 0.5M Na2S, 2M S, 0.2M KCl이 함유된 메탄올 : 이온수의 중량비가 7 : 3 인 것이 바람직하고, 상대전극은 증발(evaporation)을 이용하여 금(Au) 박막을 증착하는 것이 바람직하다.The electrolyte preferably has a weight ratio of methanol: ionized water containing 0.5M Na 2 S, 2M S, and 0.2M KCl in a weight ratio of 7: 3, and the counter electrode is formed by evaporating a gold (Au) .
이하, ZnO 나노선에 Ag2S 양자점을 결합시키는 방법을 구체적으로 살펴본다. 도 8은 SILAR 방법을 이용하여 Ag2S 양자점을 결합시키는 모식도이다. 상기 도면에서 알 수 있듯이 산화전극 기판인 FTO 유리(200)에 스퍼터(sputter)를 이용하여 ZnO 박막(300)을 증착한 다음, 상기 증착된 ZnO 박막(300) 위에 암모니아 기반의 수열합성법을 이용하여 일렬로 ZnO 나노선을 합성하는 것이 바람직하다. Hereinafter, a method of binding Ag 2 S quantum dots to ZnO nanowires will be described in detail. FIG. 8 is a schematic diagram for binding Ag 2 S quantum dots using the SILAR method. FIG. As shown in the figure, the ZnO
그리고, 상기 ZnO 나노선이 합성된 FTO 유리(200)를 양이온 전구체인 AgNO3 수용액과 음이온 전구체인 Na2S 수용액을 사용하여 SILAR 방법으로 Ag2S 양자점을 결합시키는 것이 바람직하다.
The
또한, 두 번째 친환경 양자점 감응형 태양전지의 제조방법은 SILAR 방법 후, 양이온 치환반응을 이용하는 것이다. In addition, the second method of manufacturing an environmentally friendly QD-sensitive solar cell uses a cation substitution reaction after the SILAR method.
보다 구체적으로, 산화전극 및 상기 산화전극과 이격되어 대향하는 상대전극을 준비하는 제1단계; 암모니아 기반의 수열합성법을 이용하여 상기 산화전극의 기판 표면에 나노선(nanowire)을 형성하는 제2단계; SILAR(Successive ion layer adsorption and reaction) 방법을 이용하여 상기 나노선의 표면에 CdS 양자점을 결합시키는 제3단계; AgNO3 수용액을 이용하여 상기 CdS 양자점을 Ag2S 양자점으로 치환하는 제4단계; 상기 산화전극과 상대전극 사이에 스페이서를 위치시키고 가열하여 결합시키는 제5단계; 상기 상대전극에 구비된 전해질 주입구를 통해 전해질을 주입하는 제6단계; 및 상기 전해질 주입구를 밀폐하여 태양전지 소자를 제조하는 제7단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. A first step of preparing an oxidizing electrode and a counter electrode spaced apart from the oxidizing electrode; A second step of forming a nanowire on the surface of the substrate of the oxidation electrode using an ammonia-based hydrothermal synthesis method; A third step of bonding a CdS quantum dot to the surface of the nanowire using a SILAR (successive ion layer adsorption and reaction) method; A fourth step of replacing the CdS quantum dot with an Ag 2 S quantum dot using an AgNO 3 aqueous solution; Placing a spacer between the oxidation electrode and the counter electrode and heating and bonding the spacer; A sixth step of injecting an electrolyte through the electrolyte injection hole provided in the counter electrode; And a seventh step of sealing the electrolyte injection port to manufacture a solar cell element.
상기 전해질은 0.5M Na2S, 2M S, 0.2M KCl이 함유된 메탄올 : 이온수의 중량비가 7 : 3 인 것이 바람직하고, 상대전극은 증발(evaporation)을 이용하여 금(Au) 박막을 증착하는 것이 바람직하다.The electrolyte preferably has a weight ratio of methanol: ionized water containing 0.5M Na 2 S, 2M S, and 0.2M KCl in a weight ratio of 7: 3, and the counter electrode is formed by evaporating a gold (Au) .
이하, ZnO 나노선에 Ag2S 양자점을 증착하는 방법을 구체적으로 살펴본다. 도 9는 SILAR 방법을 이용하여 CdS 양자점을 증착시킨 후 AgNO3 수용액을 이용하여 CdS를 Ag2S로 치환하여 Ag2S 양자점을 결합시키는 모식도이다. 산화전극 기판인 FTO 유리(200)에 스퍼터(sputter)를 이용하여 ZnO 박막(300)을 증착한 다음, 상기 증착된 ZnO 박막(300) 위에 암모니아 기반의 수열합성법을 이용하여 일렬로 ZnO 나노선을 합성하는 것이 바람직하다. Hereinafter, a method of depositing Ag 2 S quantum dots on ZnO nanowires will be described in detail. FIG. 9 is a schematic view illustrating the bonding of Ag 2 S quantum dots by substituting CdS with Ag 2 S using AgNO 3 aqueous solution after depositing CdS quantum dots using the SILAR method. A ZnO
그리고, 상기 ZnO 나노선이 합성된 FTO 유리(200)를 양이온 전구체인 CdSO4 수용액과 음이온 전구체인 Na2S 수용액을 사용하여 SILAR 방법으로 CdS 양자점을 결합시킨 후 상기 CdS 양자점이 결합된 FTO 유리를 AgNO3 수용액에 담가, Cd2 + 이온을 Ag+ 이온으로 치환하여 CdS 양자점을 Ag2S 양자점으로 치환하는 것이 바람직하다.
Then, the CdS quantum dots are combined with the CdS quantum dots by the SILAR method using an aqueous solution of CdSO 4 , which is a cation precursor, and an aqueous solution of Na 2 S, which is an anion precursor, and then the FTO glass It is preferable to immerse AgNO 3 in an aqueous solution to replace Cd 2 + ions with Ag + ions and replace CdS quantum dots with Ag 2 S quantum dots.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by 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 construed as being limited by these embodiments.
[실시예]
[Example]
FTO 유리에 본 발명의 제조방법을 이용하여 Ag2S 양자점이 포함된 산화전극을 준비하고, 또 다른 FTO 유리 표면에 증발(evaporation)을 통하여 금(Au) 박막을 증착시킨 상대전극을 준비하였다. 그 다음 스페이서(spacer)를 사이에 두고 상기 산화전극과 상대전극을 가열하여 샌드위치 구조의 셀을 제작하였다. 그 후, 상대전극에 구비된 전해질 주입구를 통해 전해질을 주입하고 상기 전해질 주입구를 밀폐하여 친환경 양자점 감응형 태양전지를 제조하였다. 이 때 상기 전해질은 0.5M Na2S, 2M S, 0.2M KCl이 함유된 메탄올 : 이온수의 중량비가 7 : 3이었다. A counter electrode having an Ag 2 S quantum dot-containing oxide electrode was prepared on the FTO glass using the manufacturing method of the present invention, and a gold (Au) thin film was deposited on another FTO glass surface by evaporation. Then, the oxidized electrode and the counter electrode were heated with a spacer therebetween to prepare a cell having a sandwich structure. Thereafter, an electrolyte was injected through the electrolyte injection hole provided in the counter electrode, and the electrolyte injection hole was sealed to prepare an eco-friendly quantum dot sensitive solar cell. At this time, the weight ratio of methanol: ionized water containing 0.5M Na 2 S, 2M S, and 0.2M KCl was 7: 3.
제조된 상기 양자점 감응형 태양전지에 빛을 조사하면서 성능을 평가하였다.The produced quantum dot sensitive solar cell was irradiated with light to evaluate its performance.
도 10은 본 발명인 Ag2S 양자점 감응형 태양전지와 종래의 CdS 양자점 감응형 태양전지의 빛 파장에 따른 외부 양자 효율(external quantum efficiency, EQE)을 비교한 그래프이며, 도 11은 본 발명인 Ag2S 양자점 감응형 태양전지와 종래의 CdS 양자점 감응형 태양전지의 생산되는 전류를 비교한 그래프이다. 상기 Ag2S 양자점이 포함된 태양전지는 작은 밴드 갭을 갖기 때문에 넓은 파장의 빛을 효율적으로 흡수할 수 있다는 것을 알 수 있고, 넓은 밴드 갭을 갖는 종래의 CdS 양자점이 포함된 태양전지보다 높은 전류를 생성한다는 것을 알 수 있었다. 10 is a comparison of the external quantum efficiency (external quantum efficiency, EQE) of the light wavelength of the inventors Ag 2 S quantum dot-sensitized solar cell with a conventional CdS quantum dot-sensitized solar cell graphs, Figure 11 is the inventors Ag 2 S quantum dot sensitive solar cell and a conventional CdS quantum dot sensitive solar cell. It can be seen that the solar cell including the Ag 2 S quantum dot can efficiently absorb light of a wide wavelength because it has a small bandgap. It can be seen that a current of higher than that of a solar cell including a conventional CdS quantum dot having a wide bandgap . ≪ / RTI >
결과적으로, 환경오염 물질을 포함하지 않은 본 발명에 따른 Ag2S 양자점 감응형 태양전지는 1.2%의 광전환 효율을 기록하였으며, 중금속이 포함된 종래의 CdS 양전자 감응형 태양전지의 광전환 효율인 1.1%와 대등한 수준인 것을 알 수 있었다.
As a result, the Ag 2 S quantum dot sensitive photovoltaic cell according to the present invention, which does not contain any environmental pollutants, recorded a light conversion efficiency of 1.2%, and the light conversion efficiency of a conventional CdS positron- And 1.1%, respectively.
이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
Although the present invention has been described in connection with the specific embodiments of the present invention, it is to be understood that the present invention is not limited thereto. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims and their equivalents. Various modifications and variations are possible.
100 : 산화전극
110 : 상대전극
120 : 스페이서
130 : 전해질 주입구
200 : FTO 유리
210 : 나노선
220 : 양자점
300 : ZnO 박막100: oxidized electrode
110: counter electrode
120: Spacer
130: Electrolyte inlet
200: FTO glass
210: Narrows
220: Quantum dot
300: ZnO thin film
Claims (8)
상기 산화전극은 기판 표면에 일렬로 형성된 나노선(nanowire) 및 상기 나노선의 표면에 결합된 Ag2S 양자점을 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 양자점 감응형 태양전지.
An oxidizing electrode and a counter electrode spaced apart from the oxidizing electrode and an electrolyte interposed therebetween;
Wherein the oxidation electrode comprises a nanowire formed in a line on a substrate surface and an Ag 2 S quantum dot bonded to a surface of the nanowire.
상기 기판은 FTO(Fluorine doped Tin Oxided) 유리인 것을 특징으로 하는 친환경 양자점 감응형 태양전지.
The method according to claim 1,
Wherein the substrate is an FTO (Fluorine doped Tin Oxided) glass.
상기 기판은 ZnO 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 양자점 감응형 태양전지.
The method according to claim 1,
Wherein the substrate comprises a ZnO thin film.
상기 나노선은 ZnO 나노선인 것을 특징으로 하는 친환경 양자점 감응형 태양전지.
The method according to claim 1,
Wherein the nanowire is ZnO nanowire.
상기 상대전극은 금(Au) 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 양자점 감응형 태양전지.
The method according to claim 1,
Wherein the counter electrode comprises a gold (Au) thin film.
상기 전해질은 0.5M Na2S, 2M S, 0.2M KCl이 함유된 메탄올 : 이온수의 중량비가 7 : 3 인 것을 특징으로 하는 친환경 양자점 감응형 태양전지.
The method according to claim 1,
Wherein the electrolyte has a weight ratio of methanol: ionized water containing 0.5M Na 2 S, 2M S, and 0.2M KCl in a weight ratio of 7: 3.
암모니아 기반의 수열합성법을 이용하여 상기 산화전극의 기판 표면에 나노선(nanowire)을 형성하는 제2단계;
SILAR(Successive ion layer adsorption and reaction) 방법을 이용하여 상기 나노선의 표면에 Ag2S 양자점을 결합시키는 제3단계;
상기 산화전극과 상대전극 사이에 스페이서를 위치시키고 가열하여 결합시키는 제4단계;
상기 상대전극에 구비된 전해질 주입구를 통해 전해질을 주입하는 제4단계; 및
상기 전해질 주입구를 밀폐하여 태양전지 소자를 제조하는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 양자점 감응형 태양전지의 제조방법.
A first step of preparing an oxidation electrode and a counter electrode spaced apart from the oxidation electrode;
A second step of forming a nanowire on the surface of the substrate of the oxidation electrode using an ammonia-based hydrothermal synthesis method;
A third step of binding Ag 2 S quantum dots to the surface of the nanowire using a SILAR (Successive ion layer adsorption and reaction) method;
Placing a spacer between the oxidation electrode and the counter electrode and heating and bonding the spacer;
A fourth step of injecting an electrolyte through the electrolyte injection hole provided in the counter electrode; And
And a fifth step of sealing the electrolyte injection port to manufacture a solar cell device. ≪ Desc / Clms Page number 19 >
암모니아 기반의 수열합성법을 이용하여 상기 산화전극의 기판 표면에 나노선(nanowire)을 형성하는 제2단계;
SILAR(Successive ion layer adsorption and reaction) 방법을 이용하여 상기 나노선의 표면에 CdS 양자점을 결합시키는 제3단계;
AgNO3 수용액을 이용하여 상기 CdS 양자점을 Ag2S 양자점으로 치환하는 제4단계;
상기 산화전극과 상대전극 사이에 스페이서를 위치시키고 가열하여 결합시키는 제5단계;
상기 상대전극에 구비된 전해질 주입구를 통해 전해질을 주입하는 제6단계; 및
상기 전해질 주입구를 밀폐하여 태양전지 소자를 제조하는 제7단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 양자점 감응형 태양전지의 제조방법.A first step of preparing an oxidation electrode and a counter electrode spaced apart from the oxidation electrode;
A second step of forming a nanowire on the surface of the substrate of the oxidation electrode using an ammonia-based hydrothermal synthesis method;
A third step of bonding a CdS quantum dot to the surface of the nanowire using a SILAR (successive ion layer adsorption and reaction) method;
A fourth step of replacing the CdS quantum dot with an Ag 2 S quantum dot using an AgNO 3 aqueous solution;
Placing a spacer between the oxidation electrode and the counter electrode and heating and bonding the spacer;
A sixth step of injecting an electrolyte through the electrolyte injection hole provided in the counter electrode; And
And a seventh step of sealing the electrolyte injection hole to manufacture a solar cell device.
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