KR101465089B1 - Dye sensitized solar cells comprising three dimensional nanostructures and manufacturing method thereof - Google Patents
Dye sensitized solar cells comprising three dimensional nanostructures and manufacturing method thereof Download PDFInfo
- Publication number
- KR101465089B1 KR101465089B1 KR20130061700A KR20130061700A KR101465089B1 KR 101465089 B1 KR101465089 B1 KR 101465089B1 KR 20130061700 A KR20130061700 A KR 20130061700A KR 20130061700 A KR20130061700 A KR 20130061700A KR 101465089 B1 KR101465089 B1 KR 101465089B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- dye
- electrode structure
- lower electrode
- semiconductor structure
- semiconductor
- Prior art date
Links
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 title claims abstract description 18
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 58
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 40
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 30
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 29
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 25
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 19
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 13
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims description 13
- 229910006404 SnO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 11
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 9
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 8
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 7
- CXKCTMHTOKXKQT-UHFFFAOYSA-N cadmium oxide Inorganic materials [Cd]=O CXKCTMHTOKXKQT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- CFEAAQFZALKQPA-UHFFFAOYSA-N cadmium(2+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Cd+2] CFEAAQFZALKQPA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- ZYGHJZDHTFUPRJ-UHFFFAOYSA-N coumarin Chemical compound C1=CC=C2OC(=O)C=CC2=C1 ZYGHJZDHTFUPRJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 4
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims description 4
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 4
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 4
- MURCDOXDAHPNRQ-ZJKZPDEISA-N L-685,458 Chemical compound C([C@@H]([C@H](O)C[C@H](C(=O)N[C@@H](CC(C)C)C(=O)N[C@@H](CC=1C=CC=CC=1)C(N)=O)CC=1C=CC=CC=1)NC(=O)OC(C)(C)C)C1=CC=CC=C1 MURCDOXDAHPNRQ-ZJKZPDEISA-N 0.000 claims description 3
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- WVMYSOZCZHQCSG-UHFFFAOYSA-N bis(sulfanylidene)zirconium Chemical compound S=[Zr]=S WVMYSOZCZHQCSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229960000956 coumarin Drugs 0.000 claims description 3
- 235000001671 coumarin Nutrition 0.000 claims description 3
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims description 3
- 238000000609 electron-beam lithography Methods 0.000 claims description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 3
- JCDAAXRCMMPNBO-UHFFFAOYSA-N iron(3+);oxygen(2-);titanium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Ti+4].[Fe+3].[Fe+3] JCDAAXRCMMPNBO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000001127 nanoimprint lithography Methods 0.000 claims description 3
- BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);tantalum(5+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ta+5].[Ta+5] BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 3
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- ISHFYECQSXFODS-UHFFFAOYSA-M 1,2-dimethyl-3-propylimidazol-1-ium;iodide Chemical compound [I-].CCCN1C=C[N+](C)=C1C ISHFYECQSXFODS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 2
- 238000000313 electron-beam-induced deposition Methods 0.000 claims description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 2
- URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N niobium(5+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Nb+5].[Nb+5] URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 claims description 2
- FVSKHRXBFJPNKK-UHFFFAOYSA-N propionitrile Chemical compound CCC#N FVSKHRXBFJPNKK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 2
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 claims description 2
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 claims 1
- DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N barium atom Chemical compound [Ba] DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 claims 1
- ADCBYGNHJOLWLB-UHFFFAOYSA-N iron(2+) oxygen(2-) yttrium(3+) Chemical compound [Y+3].[O-2].[Fe+2] ADCBYGNHJOLWLB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 13
- 239000000975 dye Substances 0.000 description 23
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Substances [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 3
- 239000002073 nanorod Substances 0.000 description 3
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 3
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 3
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 2
- 238000007743 anodising Methods 0.000 description 2
- JRPBQTZRNDNNOP-UHFFFAOYSA-N barium titanate Chemical compound [Ba+2].[Ba+2].[O-][Ti]([O-])([O-])[O-] JRPBQTZRNDNNOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910002113 barium titanate Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 2
- 238000001027 hydrothermal synthesis Methods 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920000307 polymer substrate Polymers 0.000 description 2
- 230000027756 respiratory electron transport chain Effects 0.000 description 2
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 2
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 2
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 2
- JJWJFWRFHDYQCN-UHFFFAOYSA-J 2-(4-carboxypyridin-2-yl)pyridine-4-carboxylate;ruthenium(2+);tetrabutylazanium;dithiocyanate Chemical compound [Ru+2].[S-]C#N.[S-]C#N.CCCC[N+](CCCC)(CCCC)CCCC.CCCC[N+](CCCC)(CCCC)CCCC.OC(=O)C1=CC=NC(C=2N=CC=C(C=2)C([O-])=O)=C1.OC(=O)C1=CC=NC(C=2N=CC=C(C=2)C([O-])=O)=C1 JJWJFWRFHDYQCN-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 1
- 229920003182 Surlyn® Polymers 0.000 description 1
- METIGIXCFPEQNM-UHFFFAOYSA-M amino-(2-bromoethyl)-dimethylazanium;bromide Chemical compound [Br-].C[N+](C)(N)CCBr METIGIXCFPEQNM-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000007606 doctor blade method Methods 0.000 description 1
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 1
- 238000001803 electron scattering Methods 0.000 description 1
- 238000001017 electron-beam sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 1
- XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N hydrogen iodide Chemical compound I XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 1
- 239000002052 molecular layer Substances 0.000 description 1
- 239000002110 nanocone Substances 0.000 description 1
- 239000002074 nanoribbon Substances 0.000 description 1
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 1
- 239000006250 one-dimensional material Substances 0.000 description 1
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 1
- 230000001443 photoexcitation Effects 0.000 description 1
- 230000029553 photosynthesis Effects 0.000 description 1
- 238000010672 photosynthesis Methods 0.000 description 1
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 238000004549 pulsed laser deposition Methods 0.000 description 1
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 1
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 description 1
- 230000008719 thickening Effects 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
- WRTMQOHKMFDUKX-UHFFFAOYSA-N triiodide Chemical compound I[I-]I WRTMQOHKMFDUKX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/542—Dye sensitized solar cells
Abstract
Description
본 발명은 3차원 나노 구조의 광 전극을 갖는 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 경사각 증착법을 통해 3차원 나노 구조체 전극을 형성시킴으로써 전자 이동도 및 입사광의 산란을 향상시켜 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있는 염료감응형 태양전지와 그 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a dye-sensitized solar cell having a three-dimensional nanostructured photoelectrode and a method of manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to a three-dimensional nanostructure electrode To a dye-sensitized solar cell capable of improving energy conversion efficiency and a method for manufacturing the same.
염료감응형 태양전지는 1991년 마이클 그라첼(Gratzel) 연구팀에 의해 개발된 광합성 반응의 원리에 기초한 태양전지로써 일반적인 실리콘 p-n 접합 태양전지와는 달리, 광 전극에 흡착된 염료분자가 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍 (electron-hole pair)을 형성하고 이 중 전자가 반도체의 전도띠로 주입되어 전류를 발생시키는 광전기화학 시스템(photoelectrochemical system)이다. 구체적으로, 염료감응형 태양전지는 유리기판 위에 투명 도전성 전극, 광 전극, 상대 전극(counter electrode) 및 이들 전극들 사이에 주입되는 전해질 용액(electrolyte)으로 구성된다.The dye-sensitized solar cell is a solar cell based on the principle of photosynthesis reaction developed by the research team of Gratzel in 1991. Unlike a conventional silicon pn junction solar cell, a dye molecule adsorbed on a photoelectrode absorbs visible light And a photoelectrochemical system in which an electron is injected into a conduction band of a semiconductor to generate an electric current. Specifically, the dye-sensitized solar cell comprises a transparent conductive electrode, a photo electrode, a counter electrode, and an electrolyte solution injected between the electrodes, on a glass substrate.
이러한 염료감응형 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비하여 제조 비용이 저렴하며, 가볍고 유연성이 탁월하고 광투과성이 높은 등 여러 가지 장점이 있어 건축물, 모바일 기기 등에 다양하게 사용할 수 있는 차세대 태양전지로 부상하고 있다.This dye-sensitized solar cell has many advantages such as low manufacturing cost compared to the conventional silicon solar cell, excellent lightness, excellent flexibility and high light transmittance, and is being developed as a next generation solar cell .
한편, 종래의 염료감응형 태양전지의 광 전극은 TiO2, ZnO, SnO2와 같이 넓은 밴드 갭을 가진 재료를 구형의 나노 입자로 제조하고 스크린 프린팅이나 닥터블레이드(Dr. Blade) 방법으로 투명 도전성 전극 위에 도포하여 다공질 막을 형성하고, 형성된 전극 재료 표면에 단분자층의 염료를 흡착시키는 방법으로 제조된다.Meanwhile, the photoelectrode of the conventional dye-sensitized solar cell is manufactured by forming a material having a wide bandgap such as TiO 2 , ZnO, and SnO 2 into spherical nanoparticles and by using screen printing or Dr. Blade method, A method in which a porous film is formed by coating on an electrode and a dye of a single-molecular layer is adsorbed on the surface of the formed electrode material.
이때, 염료의 흡착량은 광 전극의 표면적에 따라 증가하므로 비표면적이 큰 다공성 나노 입자 막은 단위면적당 흡착되는 염료분자의 농도가 높아 광흡수에 의해 생성되는 전자의 양이 많아지게 된다.At this time, since the amount of dye adsorbed increases with the surface area of the photoelectrode, the concentration of dye molecules adsorbed per unit area of the porous nanoparticle film having a large specific surface area is high, so that the amount of electrons generated by light absorption increases.
그런데 나노 입자는 그 특성상, 입자 내부와 표면에 많은 결함을 포함하는데, 이와 같은 결함은 전자의 산란과 전자-홀의 재결합과 같은 현상을 유발하여 전자 이동도와 전자수명을 낮추고 이로 인해 전자전도도가 낮아져 결과적으로 에너지 변환 효율을 감소시키는 문제점이 있다.However, due to its nature, the nanoparticles contain many defects in the inside and the surface of the particles. Such defects cause phenomena such as electron scattering and electron-hole recombination, which lowers the electron mobility and electron lifetime, There is a problem that the energy conversion efficiency is reduced.
또한, 다공성 나노 입자 막은 빛의 산란이 적은데, 이와 같은 특성은 투명한 태양전지를 구현하는데는 도움이 되지만, 입사된 빛을 효율적으로 사용하지 못하게 한다. In addition, the porous nanoparticle film has a low scattering of light. Such characteristics are useful for realizing a transparent solar cell, but can not efficiently use the incident light.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 더 큰 크기의 입자를 이용한 산란층을 형성시켜 염료가 흡착된 광 전극을 통과하는 빛의 경로를 증가시켜 변환 효율을 향상시키는 방법이 제안되었지만, 이는 태양전지의 두께를 두껍게 하는 단점이 있다.In order to solve this problem, there has been proposed a method of forming a scattering layer using particles of a larger size to increase the path of light passing through the dye-adsorbed photoelectrode to improve the conversion efficiency. However, There is a disadvantage of thickening.
한편, 나노 막대나 나노 튜브와 같은 1차원 재료는 나노 입자보다 전자 전달이 더 용이한 특성이 있는데, 이를 활용하여 나노 입자 막 대신 수열합성(hydrothermal synthesis)이나 아노다이징(anodizing) 등의 공정을 통해, 전자이동 특성이 우수하고 동시에 나노 입자에 비해 상대적으로 빛의 산란도 증가시킬 수 있게 하고자 하는 시도가 보고된 바 있다.On the other hand, one-dimensional materials such as nanorods and nanotubes have characteristics that are easier to transfer electrons than nanoparticles. By using the nanoparticles instead of nanoparticles, hydrothermal synthesis, anodizing, An attempt has been made to increase the scattering of light relative to nanoparticles at the same time that the electron mobility is excellent.
그러나 나노 막대나 나노 튜브와 같은 1차원 나노 구조물들은 전자이동 특성은 우수지만, 빛의 산란 증대 효과가 크지 않아 기대와 달리 기존의 나노 입자 막을 이용한 염료감응 태양전지보다 낮은 효율을 보여왔다.However, one - dimensional nanostructures such as nanorods and nanotubes have excellent electron transfer characteristics, but have not shown a significant effect of increasing the scattering of light. Thus, they have shown lower efficiency than dye - sensitized solar cells using conventional nanoparticle films.
최근, 이러한 1차원 나노 구조물을 이용한 염료감응 태양전지의 문제점을 보완하기 위해, 하기 비특허문헌 1에는 수열합성법을 이용하여 나노 트리(nano-tree) 등과 같은 3차원 나노 구조를 성장시켜 염료감응 태양전지에 적용한 연구가 보고되었다.Recently, in order to solve the problems of the dye-sensitized solar cell using such a one-dimensional nanostructure, Non-Patent
그러나 이와 같은 3차원 나노 트리 구조의 형성 방법은 ZnO와 같은 특정한 물질에만 제한적으로 적용될 수 있는 단점이 있다. 특히 ZnO는 전도대 끝(conduction band edge)이 TiO2 보다 약간 더 높은 곳에 위치하기 때문에 전자 주입 특성이 상대적으로 낮으며 ZnO-염료 간 계면의 불안정성과 높은 표면상태 등으로 인해 이 역시 기존 나노 입자를 이용한 염료감응태양전지보다 낮은 효율을 보여왔다.However, such a method of forming a three-dimensional nanotry structure has a disadvantage that it can be limitedly applied to a specific material such as ZnO. In particular, since ZnO is located at a position slightly higher than the conduction band edge of TiO 2 , the electron injection characteristics are relatively low, and due to instability of ZnO-dye interface and high surface state, Dye-sensitized solar cells.
또한 3차원 나노 트리를 형성 방법은 공정단계가 복잡하고, 제작비용이 높으며 고온공정 및 화학반응을 포함하므로, 기존의 마이크로 소자 제작 공정과의 호환성에도 문제가 있다.
In addition, the method of forming a three-dimensional nanotree has a complicated process step, high manufacturing cost, and includes a high-temperature process and a chemical reaction, so that compatibility with a conventional micro device manufacturing process is also problematic.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 연구개발된 것으로, 경사각 증착법을 통해 용이하게 제조될 수 있는 3차원 나노 구조를 투명 도전성 전극 위에 성장시킴으로써 전자 재결합이 적은 1차원적인 전자 이동 경로를 제공하여 우수한 전자 이동도가 보장될 수 있을 뿐만 아니라, 3차원적인 나노 구조로 인한 빛의 산란 증대 등의 장점을 살릴 수 있는 염료감응형 태양전지를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.DISCLOSURE Technical Problem The present invention has been researched and developed to solve the problems of the prior art as described above, and it is an object of the present invention to provide a three-dimensional nanostructure which can be easily manufactured through a tilt angle deposition method, The present invention also provides a dye-sensitized solar cell capable of ensuring excellent electron mobility by providing a path, and capable of taking advantage of such advantages as light scattering due to a three-dimensional nanostructure.
또한, 본 발명의 다른 과제는 집적화, 제조 공정의 단순화, 대면적화, 높은 재현성 등의 많은 장점을 갖는 경사각 증착법을 적용하여 에너지 변환 효율이 우수한 염료감응형 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a dye-sensitized solar cell having an energy conversion efficiency by applying a tilt angle deposition method having many merits such as integration, simplification of a manufacturing process, large area, and high reproducibility.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제 1 측면은, 하부 전극 구조체와, 상기 하부 전극 구조체 상에 물리적 증착법을 통해 형성된 3차원 나노구조 반도체 구조체와 상기 반도체 구조체에 흡착된 염료층을 포함하는 광 전극과, 상기 광 전극 상에 형성된 상부 전극 구조체와, 상기 하부 전극 구조체와 상부 전극 구조체 사이에 배치되는 전해질을 포함하는 염료감응형 태양전지를 제공하는 것이다.According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device including a lower electrode structure, a three-dimensional nanostructure semiconductor structure formed by physical vapor deposition on the lower electrode structure, and a dye layer adsorbed on the semiconductor structure, An upper electrode structure formed on the photoelectrode, and an electrolyte disposed between the lower electrode structure and the upper electrode structure.
본 발명의 제 1 측면에 있어서, 상기 반도체 구조체는 다공성 구조로 이루어져 있고, 상기 다공성 구조의 기공은 상기 염료층을 구성하는 염료 분자들보다 클 수 있다.In the first aspect of the present invention, the semiconductor structure has a porous structure, and the pores of the porous structure may be larger than the dye molecules constituting the dye layer.
본 발명의 제 1 측면에 있어서, 상기 반도체 구조체의 기공에는 TiO2 나노 입자 및 ZnO 나노 입자 중 하나 이상의 나노 입자가 삽입되어 복합체를 이룰 수 있다.In the first aspect of the present invention, at least one of TiO 2 nanoparticles and ZnO nanoparticles may be inserted into the pores of the semiconductor structure to form a complex.
본 발명의 제 1 측면에 있어서, 상기 상부 및 하부 전극 구조체는, 기판과 이 기판상에 형성되는 전극층을 포함하며, 상기 기판은 유리, 금속, 폴리머 또는 이들의 혼합물로 이루어질 수 있다.In the first aspect of the present invention, the upper and lower electrode structures include a substrate and an electrode layer formed on the substrate, and the substrate may be made of glass, metal, polymer, or a mixture thereof.
본 발명의 제 1 측면에 있어서, 상기 하부 전극 구조체의 전극층은, ITO, SnO2 및 FTO 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어질 수 있다.In the first aspect of the present invention, the electrode layer of the lower electrode structure may be composed of at least one selected from ITO, SnO 2 and FTO.
본 발명의 제 1 측면에 있어서, 상기 상부 전극 구조체의 전극층은, ITO, SnO2, FTO, ZnO 및 탄소나노튜브 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어질 수 있다.In the first aspect of the present invention, the electrode layer of the upper electrode structure may be formed of at least one selected from the group consisting of ITO, SnO 2 , FTO, ZnO, and carbon nanotubes.
본 발명의 제 1 측면에 있어서, 상기 반도체 구조체는, 티타늄 산화물(TiO2), 아연 산화물(ZnO), 탄탈 산화물(Ta2O5), 주석 산화물(SnO2), 지르코늄 황화물(ZrS2), 니오븀 산화물(Nb2O5) 티탄산바륨(BaTiO3), 카드뮴 산화물(CdO), 철산이트륨(YFeO3) 및 티탄산철(FeTiO3) 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어질 수 있다.In the first aspect of the present invention, the semiconductor structure may include at least one of titanium oxide (TiO 2 ), zinc oxide (ZnO), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), tin oxide (SnO 2 ), zirconium sulfide (ZrS 2 ) And may be composed of at least one selected from niobium oxide (Nb 2 O 5 ) barium titanate (BaTiO 3 ), cadmium oxide (CdO), yttrium ferrite (YFeO 3 ) and iron titanate (FeTiO 3 ).
본 발명의 제 1 측면에 있어서, 상기 반도체 구조체는, 헬릭스, 리본, 스프링, 콘(cone), 지그재그, 스퀘어 헬릭스 중 어느 하나의 형상을 가질 수 있다.In the first aspect of the present invention, the semiconductor structure may have any one of a helix, a ribbon, a spring, a cone, a zigzag, and a square helix.
본 발명의 제 1 측면에 있어서, 나노임프린팅 리소그래피 또는 전자빔 리소그래피를 통해 상기 반도체 구조체에 존재하는 기공의 크기와 배열을 조절할 수 있다.In a first aspect of the present invention, the size and arrangement of pores present in the semiconductor structure can be controlled through nanoimprinting lithography or electron beam lithography.
본 발명의 제 1 측면에 있어서, 상기 반도체 구조체에는, TiO2 나노 입자 및 ZnO 나노 입자 중에서 적어도 하나의 나노 입자로 이루어진 층이 삽입될 수 있다.In the first aspect of the present invention, a layer made of at least one of TiO 2 nanoparticles and ZnO nanoparticles may be inserted into the semiconductor structure.
본 발명의 제 1 측면에 있어서, 상기 염료층은, 루테늄(ruthenium)계 염료 혹은 쿠마린(coumarin)계 염료 중 하나 이상을 포함할 수 있다.In the first aspect of the present invention, the dye layer may include at least one of a ruthenium-based dye or a coumarin-based dye.
본 발명의 제 1 측면에 있어서, 상기 전해질은, 아세토니트릴(acetonitrile), 프로피오니트릴 (propionitrile), DMPII(1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide) 및 고체 고분자 전해질 중의 1종 이상을 포함할 수 있다.In the first aspect of the present invention, the electrolyte includes at least one of acetonitrile, propionitrile, 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide, and solid polymer electrolyte .
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제 2 측면은, 하부 전극 구조체와, 상기 하부 전극 구조체 상에 형성된 반도체 구조체와 이 반도체 구조체에 흡착된 염료층을 포함하는 광 전극과, 상기 광 전극 상에 형성된 상부 전극 구조체와, 상기 하부 전극 구조체와 상부 전극 구조체 사이에 배치되는 전해질을 포함하는 염료감응형 태양전지의 제조방법으로, 상기 반도체 구조체는 반도체 증착 물질을 상기 하부 전극 구조체에 대해 소정의 경사각을 두고 증착하는 경사각 증착을 통해 3차원 나노구조를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.According to a second aspect of the present invention, there is provided a photoelectric conversion device including a lower electrode structure, a semiconductor structure formed on the lower electrode structure, and a dye layer adsorbed on the semiconductor structure, A method of fabricating a dye-sensitized solar cell, comprising: forming a lower electrode structure on a semiconductor substrate; forming an upper electrode structure on the lower electrode structure; and an electrolyte disposed between the lower electrode structure and the upper electrode structure, Dimensional nanostructure through deposition of an oblique angle to be deposited thereon. The present invention also provides a method of manufacturing a dye-sensitized solar cell.
본 발명의 제 2 측면에 있어서, 상기 경사각 증착 시, 상기 하부 전극 구조체는 연속 회전 또는 단속 회전되게 할 수 있다.In the second aspect of the present invention, when the inclined angle is deposited, the lower electrode structure may be rotated continuously or intermittently.
본 발명의 제 2 측면에 있어서, 상기 경사각 증착 시, 증착물질인 상기 반도체의 플럭스 선이 상기 하부 전극 구조체면의 수선에 대해 이루는 경사각이 50°~ 90°미만일 수 있다.In the second aspect of the present invention, the inclination angle of the flux line of the semiconductor, which is a deposition material, with respect to the waterline of the lower electrode structural body may be less than 50 ° to less than 90 °.
본 발명의 제 2 측면에 있어서, 상기 반도체 구조체를 300~900℃에서 열처리하여 결정화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.According to a second aspect of the present invention, the method may further include crystallizing the semiconductor structure by heat treatment at 300 to 900 ° C.
본 발명의 제 2 측면에 있어서, 상기 하부 전극 구조체의 전극층을 다이아몬드 랩핑 또는 폴리싱 필름을 이용하여 폴리싱하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to a second aspect of the present invention, the method may further include polishing the electrode layer of the lower electrode structure using diamond wrapping or a polishing film.
본 발명의 제 2 측면에 있어서, 상기 반도체 구조체는, 전자빔 증착법, 열 증착법 또는 스퍼터링법을 통해 형성될 수 있다.
In the second aspect of the present invention, the semiconductor structure may be formed by an electron beam evaporation method, a thermal evaporation method, or a sputtering method.
본 발명의 3차원 나노구조 반도체 구조체를 포함한 염료감응형 태양전지 제조방법에 의하면, 집적화, 제조 공정의 단순화, 대면적화, 높은 재현성 등의 많은 장점을 갖는 경사각 증착법을 적용하여 높은 효율을 갖는 염료감응형 태양전지를 실현할 수 있다.According to the method for fabricating a dye-sensitized solar cell including the three-dimensional nanostructured semiconductor structure of the present invention, by applying the inclination angle deposition method having many merits such as integration, simplification of the manufacturing process, large area and high reproducibility, Type solar cell.
경사각 증착법은 물리적 증착법인, 전자빔 증착법 또는 스퍼터 증착법 또는 펄스드 레이저 증착법에 이용할 수 있기 때문에 증발 가능한 물질이라면 거의 모든 물질을 이용할 수 있다. 즉, 사용하고자 하는 염료에 따라, 염료의 전자구조와 조화를 이루는 전자띠 구조를 가지고, 증발 가능한 반도체라면, 본 발명의 염료감응형 태양전지의 광 전극층에 이용될 수 있다.Since the inclined angle deposition method can be used for physical vapor deposition, electron beam deposition, sputter deposition, or pulsed laser deposition, virtually any material can be used as long as it is a vaporizable material. That is, depending on the dye to be used, it may be used in the photoelectrode layer of the dye-sensitized solar cell of the present invention if it has an electron band structure that matches the electronic structure of the dye and is a vaporizable semiconductor.
또한, 본 발명에 따른 3차원 나노구조의 반도체 구조체는 마이크로 제조공정과의 호환성이 우수하다. 구체적으로, 리소그래피 등의 공정에 적용할 수 있어, 정확히 원하는 위치에 원하는 패턴으로 만들어질 수 있어, 자가 전력 공급 장치로써 집적된 센서시스템 등에 함께 집적화될 수 있다.In addition, the semiconductor structure of the three-dimensional nanostructure according to the present invention is excellent in compatibility with the micro-fabrication process. Specifically, it can be applied to a process such as lithography, can be made into a desired pattern exactly at a desired position, and can be integrated together with a sensor system integrated as an electric power supply device.
그리고 이러한 경사각 증착법을 이용하여 3차원 나노 구조의 광 전극층을 형성할 때에 하부 투명 전극의 회전속도와 경사각 및 증착 물질의 증착 속도를 조절함으로써, 그 3차원 나노 구조체의 형상을 염료의 흡착 및 빛의 산란을 극대화할 수 있는 다양한 형성으로 자유롭게 형성할 수 있다. 구체적으로 말하면, 3차원 나노 구조체의 예로써 나노 헬릭스가 있을 수 있으며, 헬릭스 각도와 헬릭스 직경 및 헬릭스 선 직경 등을 자유롭게 조절할 수 있어, 광 변환 효율을 극대화할 수 있다.By adjusting the rotation speed and inclination angle of the lower transparent electrode and the deposition rate of the evaporation material when forming the photoelectrode layer of the three-dimensional nanostructure by using the inclination angle deposition method, the shape of the three- And can be freely formed in various forms capable of maximizing scattering. Specifically, nano helix may be an example of a three-dimensional nanostructure, and helix angle, helix diameter, and helix line diameter can be freely adjusted, thereby maximizing the light conversion efficiency.
이렇게 제조될 수 있는 염료감응형 태양전지는 반도체 나노 구조를 통한 직접적 전자이동이 가능하기 때문에 광 여기 전자의 이동성을 향상시켜서 전자-홀의 재결합을 최소화함으로써 기존 방법으로 제조된 나노 입자 사이의 전자의 산란과 전자-홀의 재결합에 의한 전자 이동도 및 전자수명 감소를 막을 수 있다.The dye-sensitized solar cell, which can be fabricated as described above, is capable of direct electron transfer through a semiconductor nanostructure, thereby improving the mobility of photoexcitation electrons and minimizing the recombination of electrons and holes. Thus, the scattering of electrons And the electron mobility and the electron lifetime due to the recombination of the electron and the hole can be prevented.
게다가, 수열합성법이나 아노다이징 방법에 의해 형성된 1차원적인 형태의 나노 막대나 나노 튜브보다 간단한 방법으로 대면적의 광 전극층을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 재현성이 뛰어나며 3차원 구조에 기인한 빛 산란 효율 증가를 얻을 수 있어 우수한 광 변환 효율을 갖는 염료감응형 태양전지를 제공할 수 있다.
In addition, it is possible to obtain a large-sized photoelectrode layer by a simpler method than a one-dimensional nanorod or nanotube formed by the hydrothermal synthesis method or the anodizing method, as well as an excellent reproducibility and an increase in light scattering efficiency due to the three- And a dye-sensitized solar cell having excellent light conversion efficiency can be provided.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 개략 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 제조공정도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 염료감응형 태양전지에 구비된 나노 헬릭스 구조의 TiO2 광 전극층의 단면 주사현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 염료감응형 태양전지에 구비된 나노 헬릭스 구조의 TiO2 광 전극층을 열처리 한 후, TiO2 광 전극층의 결정화를 확인하기 위한 X-선 회절 그래프이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 헬릭스 구조체 사이 빈 공간에 나노 입자가 삽입된 TiO2 광 전극층의 단면 주사현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 헬릭스 구조의 TiO2 광 전극층의 입사광 산란효과 향상을 확인하기 위한 난반사-정반사 그래프이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 헬릭스 구조의 TiO2 광 전극층의 AM 1.5, 100mW/cm2 조건에서 얻은 전류-전압 곡선도이다.1 is a schematic cross-sectional view of a dye-sensitized solar cell according to a preferred embodiment of the present invention.
2 is a process flow diagram of a dye-sensitized solar cell according to a preferred embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional scanning micrograph of a TiO 2 photoelectrode layer of a nano-helix structure provided in a dye-sensitized solar cell according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the TiO 2 content of the nano-helix structure of the dye-sensitized solar cell according to the preferred embodiment of the present invention After the photoelectric layer was heat-treated, TiO 2 X-ray diffraction graph for confirming crystallization of the photoelectrode layer.
5 is a cross-sectional scanning electron microscope (SEM) image of a TiO 2 photoelectrode layer having nanoparticles embedded in a vacant space between nano-helix structures according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph illustrating the relationship between the TiO 2 content of a nano-helix structure according to a preferred embodiment of the present invention This is a diffuse-specular reflection graph for confirming the improvement of the incident light scattering effect of the photoelectrode layer.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the TiO 2 content of a nano-helix structure according to a preferred embodiment of the present invention Voltage curve of the optical electrode layer under conditions of AM 1.5 and 100 mW / cm 2 .
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 그 범위가 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.
이하, 첨부된 도 1을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 헬릭스 구조의 반도체 집합체를 갖는 염료감응형 태양전지의 구성에 대해 구체적으로 설명한다.Hereinafter, with reference to FIG. 1, a structure of a dye-sensitized solar cell having a semiconductor assembly of a nano-helix structure according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 염료감응형 태양전지는, 하부 투명 전극 구조체(10)와 광 전극(20)과, 상부 투명 전극 구조체(30)와, 전해질(50)을 포함하여 이루어진다.The dye-sensitized solar cell according to a preferred embodiment of the present invention includes a lower
상기 하부 투명 전극 구조체(10)는 하부 유리 기판(11)의 일면에 코팅된 하부 투명 전극층(12)을 포함하여 이루어진다. 상기 하부 투명 전극층(12)은 ITO, SnO2 및 FTO(SnO2:F) 중의 적어도 한가지로 형성될 수 있다.The lower
한편, 본 발명의 실시예에서는 하부 기판으로 유리 기판을 사용하였으나, 금속 기판이나 폴리머 기판을 사용할 수도 있다.Although the glass substrate is used as the lower substrate in the embodiment of the present invention, a metal substrate or a polymer substrate may also be used.
상기 광 전극층(20)은, 도 1에 도시된 바와 같이, TiO2로 이루어진 나노 헬릭스 구조의 반도체 구조체(21)와, 상기 반도체 구조체(21)의 표면에 흡착된 염료 분자층(22)를 포함하여 이루어진다.1, the
또한, 상기 광전극층(20)의 비표면적을 늘리기 위하여, 나노 헬릭스 구조로 이루어진 TiO2 반도체 구조체(21)의 기공 내에 TiO2 나노 입자 또는 ZnO 나노 입자들을 삽입할 수 있다. In order to increase the specific surface area of the
한편, 본 발명의 실시예에서는 반도체 구조체(21) 내에 추가로 나노 입자들을 삽입하였으나, 이와 같은 나노 입자들을 삽입하지 않거나, 반도체 구조체(21) 내에 TiO2 나노 입자 또는 ZnO 나노 입자로 이루어진 층을 삽입할 수도 있다.In the embodiment of the present invention, the nanoparticles are inserted into the
또한, 본 발명의 실시예에서는 반도체 구조체 증착 전 프리패터닝(pre-patterning)을 실시하지 않았으나, 나노임프린팅 리소그래피 또는 전자빔 리소그래피 실시 후 상기 반도체 구조체(21) 증착을 통해 상기 반도체 구조체 내에 존재하는 기공의 크기와 배열을 조절하여 상기 나노 입자와 반도체 구조체의 부피 비율을 조절할 수 있다.In the embodiment of the present invention, pre-patterning is not performed before the semiconductor structure is deposited. However, after the nano imprint lithography or electron beam lithography is performed, the pores existing in the semiconductor structure through the semiconductor structure The volume and the arrangement of the nanoparticles and the semiconductor structure can be controlled by controlling the size and arrangement thereof.
또한, 본 발명의 실시예에서는 반도체 구조체로 TiO2를 사용하였으나, 그 외에도 아연 산화물(ZnO), 탄탈 산화물(Ta2O5), 주석 산화물(SnO2), 지르코늄 황화물(ZrS2), 니오븀 산화물(Nb2O5), 티탄산바륨(BaTiO3), 카드뮴 산화물(CdO), 철산이트륨(YFeO3) 및 티탄산철(FeTiO3) 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수도 있다.In addition, in the embodiment of the present invention, TiO 2 is used as the semiconductor structure, but other materials such as zinc oxide (ZnO), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), tin oxide (SnO 2 ), zirconium sulfide (ZrS 2 ) (Nb 2 O 5 ), barium titanate (BaTiO 3 ), cadmium oxide (CdO), yttrium ferrite (YFeO 3 ) and iron titanate (FeTiO 3 ) may be used.
또한, 본 발명의 실시예에서는 반도체 구조체(21)가 나노 헬릭스 구조로 이루어져 있으나, 그 외에 나노 리본, 나노 스프링, 나노 콘(cone), 나노 지그재그, 나노 스퀘어 헬릭스와 같은 형상으로 이루어질 수도 있다.In addition, in the embodiment of the present invention, the
또한, 본 발며의 실시예에서는 상기 염료 분자층(22)이 N719로 이루어져 있으나, 그 외에 N712, Z907, Z910 및 K19를 포함하는 루테늄(ruthenium)계 염료 혹은 NKX-2311을 포함하는 쿠마린(coumarin)계의 유기 염료가 사용될 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 염료 분자뿐만 아니라 양자점을 흡착시키는 방법도 사용될 수 있다.In the embodiment of the present invention, the
상기 상부 투명 전극 구조체(30)는 상부 유리 기판(31)과 상부 유리 기판(31)의 일면에 코팅된 상부 투명 전극층(32) 및 상기 전해질(50)과 접하는 Pt 촉매층(33)을 구비한다.The upper
본 발명의 실시예에서는 상부 기판으로 유리 기판을 사용하였으나, 하부 기판과 마찬가지로 금속 기판이나 폴리머 기판을 사용할 수도 있다.Although the glass substrate is used as the upper substrate in the embodiment of the present invention, a metal substrate or a polymer substrate may be used as in the case of the lower substrate.
상기 상부 투명 전극층(32)은 ITO, SnO2, FTO, ZnO 및 탄소나노튜브(CNT) 중의 적어도 한가지로 형성될 수 있다.The upper
또한, 상기 촉매층(33)은 상기 전해질(50) 내의 삼요오드화물을 요오드화물로 환원시키는 과정을 촉진시키기 위한 것으로, 본 발명의 실시예에서 사용한 Pt 이외에도 상기한 역할을 수행할 수 있는 물질이면 어느 것이나 사용될 수 있다.The
상기 상부 및 하부 투명 전극 구조체(10,30)는 열가소성 고분자로 이루어진 스페이서(40)로 밀봉이 될 수 있으며, 상기 상부 및 하부 투명 전극 구조체(10,30) 사이에는 전해질(50)이 충전되어 있다.The upper and lower
상기 전해질(50)은 상기 광 전극(20)이 다공성 구조를 가지고 있기 때문에 액체 전해질뿐만 아니라, 점성이 높은 고분자 고체 전해질도 사용될 수 있다.
In the
이하, 도 2를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 염료감응형 태양전지 제조방법을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a method for fabricating a dye-sensitized solar cell according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
먼저, 유리로 이루어진 기판(11) 상에 FTO를 전극물질로 하여 하부 투명 전극층(12)을 형성한다(s11). 이때, 상기 하부 투명 전극층(12)의 표면이 평평하게 형성되지 않은 경우, 다이아몬드 랩핑이나 폴리싱 필름을 이용하여 소정 속도로 회전시키면서 소정 시간 동안 폴리싱하여 평면화 처리를 추가로 수행할 수도 있다.First, the lower
다음, 경사각 증착법을 사용하여 상기 하부 투명 전극 구조체(10) 상에 나노 헬릭스 형상의 반도체 구조체(21)를 형성한다(s21). 구체적으로, 전자빔 증착을 통해 산화물반도체 TiO2를 상기 하부 투명 전극 구조체(10) 상에 증착하였다. 이때, 증착물질인 반도체의 플럭스 선과, 하부 투명 전극 구조체(10)의 상면에 대한 수직선이 이루는 각도가 80°인 상태로 증착을 진행하였고, 하부 투명 전극 구조체(10)를 그 중심을 기준으로 회전시켰다. 하부 투명 전극 구조체(10)의 회전속도는 1rpm으로 유지하였고, 2초 회전 후 12초 동안 멈추는 단속 회전 방식을 사용하였다. 또한, 증착 속도는 5Å/s로 증착을 수행하였다.Next, a nano-helix-shaped
한편, 본 발명의 실시예에서는 경사각으로 80°를 적용하였는데, 본 발명에서 '경사각'은 증착 물질인 상기 반도체의 플럭스 선과 상기 하부 투명 전극 구조체(10)의 상면에 대한 수직선이 이루는 각도를 의미하며, 상기 경사각은 70°~ 90° 미만으로 유지하는 것이 바람직하다.In the present invention, the angle of inclination is 80 °. In the present invention, the 'inclination angle' means an angle formed by the vertical line of the upper
이러한 제조 공정을 통해 제조한 TiO2 반도체 집합체 전극층(21)의 단면 주사전자현미경 사진(×25,000 배율)은 도 3과 같다. 제조된 3차원 구조의 나노 헬릭스 구조체는 도 4의 난반사-전반사 측정 실험결과를 통해 기존 나노 입자 기반의 광 전극층 보다 빛의 산란 효과를 크게 증가시킬 수 있음이 확인되었다.A sectional scanning electron microphotograph (× 25,000 magnification) of the TiO 2 semiconductor
추가적으로, 위 TiO2 반도체 집합체 전극층의 비표면적을 증대하기 위해 에탄올에 희석된 10~20nm의 크기를 갖는 TiO2 나노 입자 페이스트를 6000rpm의 속도로 수 회 스핀 코팅하여 위의 제조 공정을 통해 제조한 TiO2 반도체 집합체 사이 빈 공간에 나노 입자들을 채웠다. 추가 제조 공정을 통해 제조한 TiO2 나노 입자가 채워진 반도체 집합체 전극층(21)의 단면 주사전자현미경 사진(x12,000 배율)은 도 5와 같다.Further, in order to increase the specific surface area of the electrode layer of the upper TiO 2 semiconductor aggregate, a TiO 2 nanoparticle paste having a size of 10 to 20 nm diluted with ethanol was spin-coated several times at a rate of 6000 rpm, 2 The nanoparticles were filled in the void space between the semiconductor assemblies. A sectional scanning electron microscope (x12,000 magnification) of the semiconductor
그 다음, 상기 하부 투명 전극 구조체(10) 상에 형성된 TiO2 광 전극층(21)을 결정화시키기 위해 500℃에서 30분간 열처리하였다(s22). 그 결과, 도 6의 x-선 회절 결과에서 확인되는 바와 같이, 아나타제 TiO2 회절 피크가 관찰되었다. 이 같은 열처리를 통해 광 전극층(21)의 결정화를 시킬 수 있음을 알 수 있다.Then, the TiO 2
이후, 상기와 같이 형성된 광 전극층(21)에 염료를 흡착시키는 단계(s23), 상부 투명 전극에 백금을 코팅하는 단계(s31), 하부 전극 구조체와 상부 전극 구조체를 밀봉하고 접합하는 단계(s41) 및 전해액을 주입하는 단계(s51)을 순차적으로 실시한다.Thereafter, a dye is adsorbed on the
구체적으로는 상기 광 전극층(21)에 염료를 흡착시키는 단계 (s23)는 상기와 같이 형성된 광 전극층(21)을 0.3mM N719 염료 에탄올 용액에 18시간 이상 담가 둠으로써 실시되었다. Specifically, the step (s23) of adsorbing dye to the
한편, 상기 상부 투명 전극에 백금을 코팅하는 단계(s31)는 상기 상부 투명 전극에 전자빔 증착법으로 10nm 코팅함으로써 실시되었다.On the other hand, the step (s31) of coating the upper transparent electrode with platinum was performed by coating the upper transparent electrode with 10 nm by electron beam evaporation.
그리고 상기 하부 전극 구조체와 상부 전극 구조체를 밀봉하고 접합하는 단계(s41)는 고분자 필름 중 하나인 Surlyn을 열간프레싱(hot-pressing)함으로써 실시되었다. 또한, 미리 상기 상부 투명 전극에 드릴로 뚫어 놓은 작은 구멍을 통해 0.03M I2, 0.6M BMII, 0.5M TBP, 0.1M GSCN 이 아세토니트릴기반 용액에 용해된 전해질을 주입하는 단계(s51)가 순차적으로 이루어졌다.The step (s41) of sealing and bonding the lower electrode structure and the upper electrode structure was performed by hot-pressing Surlyn, one of the polymer films. In addition, a step (s51) of injecting an electrolyte dissolved in an acetonitrile-based solution containing 0.03M I2, 0.6M BMII, 0.5M TBP, and 0.1M GSCN through a small hole drilled in advance in the upper transparent electrode is performed sequentially .
본 발명의 바람직한 실시예를 통해 제조한 염료감응형 태양전지의 전류-전압 특성을 평가하였다. 또한 비교를 위하여 닥터블레이드 방법으로 TiO2 나노 입자 페이스트를 하부 투명 전극층에 도포하여 광 전극을 형성하고 나머지는 본 발명의 실시예와 동일하게 제작된 염료감응형 태양전지의 전류-전압 특성을 평가하였다.The current-voltage characteristics of the dye-sensitized solar cell manufactured through the preferred embodiment of the present invention were evaluated. For comparison, a TiO 2 nanoparticle paste was applied to the lower transparent electrode layer by a doctor blade method to form a photoelectrode, and the remaining current-voltage characteristics of the dye-sensitized solar cell fabricated in the same manner as in the embodiment of the present invention were evaluated .
도 7은 이들 염료감응형 태양전지의 전류-전압 특성을, AM 1.5, 100mW/㎠ 조건에서 측정한 결과를 나타낸 것이고, 그 값은 표 1에 나타내었다.7 shows current-voltage characteristics of these dye-sensitized solar cells with AM 1.5, 100 mW /
(V)Open-circuit voltage
(V)
(mA/㎠)Short-circuit current
(mA / cm 2)
(%)Fill factor
(%)
도 7과 상기 표 1에서 확인되는 바와 같이, 기존의 염료감응 태양전지의 구조를 갖는 비교예에 비해, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 태양전지는 개방 전압과 단락전류 면에서 훨씬 향상된 값을 나타내었으며, 그 결과 에너지 변환 효율을 10% 이상 증가시킬 수 있었다.
As can be seen from FIG. 7 and Table 1, compared with the comparative example having the structure of the conventional dye-sensitized solar cell, the solar cell according to the preferred embodiment of the present invention shows a much improved value in terms of the open-circuit voltage and the short-circuit current As a result, the energy conversion efficiency could be increased by more than 10%.
10 : 하부 투명 전극 구조체 20 : 광 전극층
21 : 반도체 구조체 22 : 염료분자
30 : 상부 투명 전극 구조체 40 : 스페이서
50 : 전해질10: Lower transparent electrode structure 20:
21: semiconductor structure 22: dye molecule
30: upper transparent electrode structure 40: spacer
50: electrolyte
Claims (18)
상기 하부 전극 구조체 상에 물리적 증착법을 통해 형성된 3차원 나노구조 반도체 구조체와 상기 반도체 구조체에 흡착된 염료층을 포함하는 광 전극과,
상기 광 전극 상에 형성된 상부 전극 구조체와,
상기 하부 전극 구조체와 상부 전극 구조체 사이에 배치되는 전해질을 포함하며,
상기 반도체 구조체는 다공성 구조로 이루어져 있고, 상기 반도체 구조체의 기공에는 TiO2 나노 입자 및 ZnO 나노 입자 중 하나 이상의 나노 입자가 삽입되어 복합체를 이루는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.A lower electrode structure,
A photoelectron electrode including a three-dimensional nanostructure semiconductor structure formed through physical vapor deposition on the lower electrode structure and a dye layer adsorbed on the semiconductor structure;
An upper electrode structure formed on the photoelectrode,
And an electrolyte disposed between the lower electrode structure and the upper electrode structure,
Wherein the semiconductor structure has a porous structure, and at least one of TiO 2 nanoparticles and ZnO nanoparticles is inserted into the pores of the semiconductor structure to form a complex.
상기 다공성 구조의 기공은 상기 염료층을 구성하는 염료 분자들보다 큰 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.The method according to claim 1,
Wherein the pores of the porous structure are larger than the dye molecules constituting the dye layer.
상기 상부 및 하부 전극 구조체는, 기판과 이 기판상에 형성되는 전극층을 포함하며, 상기 기판은 유리, 금속, 폴리머 또는 이들의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the upper and lower electrode structures comprise a substrate and an electrode layer formed on the substrate, wherein the substrate is made of glass, a metal, a polymer, or a mixture thereof.
상기 하부 전극 구조체의 전극층은, ITO, SnO2 및 FTO 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.5. The method of claim 4,
Wherein the electrode layer of the lower electrode structure is made of at least one selected from the group consisting of ITO, SnO 2, and FTO.
상기 상부 전극 구조체의 전극층은, ITO, SnO2, FTO, ZnO 및 탄소나노튜브 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.5. The method of claim 4,
Wherein the electrode layer of the upper electrode structure is made of at least one selected from the group consisting of ITO, SnO 2 , FTO, ZnO, and carbon nanotubes.
상기 반도체 구조체는, 티타늄 산화물(TiO2), 아연 산화물(ZnO), 탄탈 산화물(Ta2O5), 주석 산화물(SnO2), 지르코늄 황화물(ZrS2), 니오븀 산화물(Nb2O5) 티탄산바륨(BaTiO3), 카드뮴 산화물(CdO), 철산이트륨(YFeO3) 및 티탄산철(FeTiO3) 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the semiconductor structure is made of a material selected from the group consisting of titanium oxide (TiO 2 ), zinc oxide (ZnO), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), tin oxide (SnO 2 ), zirconium sulfide (ZrS 2 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ) barium (BaTiO 3), cadmium oxide (CdO), yttrium iron oxide (YFeO 3) and iron titanate (FeTiO 3) in the dye-sensitized solar cell, characterized in that consisting of at least one selected.
상기 반도체 구조체는, 헬릭스, 리본, 스프링, 콘(cone), 지그재그, 스퀘어 헬릭스 중 어느 하나의 형상을 갖는 것을 특징으로 염료감응형 태양전지.3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the semiconductor structure has a shape of a helix, a ribbon, a spring, a cone, a zigzag, or a square helix.
나노임프린팅 리소그래피 또는 전자빔 리소그래피를 통해 상기 반도체 구조체에 존재하는 기공의 크기와 배열을 조절하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.3. The method of claim 2,
Characterized in that the size and arrangement of pores present in the semiconductor structure are controlled through nanoimprinting lithography or electron beam lithography.
상기 반도체 구조체에는, TiO2 나노 입자 및 ZnO 나노 입자 중에서 적어도 하나의 나노 입자로 이루어진 층이 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the semiconductor structure has a layer of at least one of nanoparticles of TiO 2 nanoparticles and ZnO nanoparticles inserted therein.
상기 염료층은, 루테늄(ruthenium)계 염료 혹은 쿠마린(coumarin)계 염료 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the dye layer comprises at least one of a ruthenium-based dye or a coumarin-based dye.
상기 전해질은, 아세토니트릴(acetonitrile), 프로피오니트릴 (propionitrile), DMPII(1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide) 및 고체 고분자 전해질 중의 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the electrolyte comprises at least one selected from the group consisting of acetonitrile, propionitrile, 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide and solid polymer electrolytes. .
상기 반도체 구조체는 반도체 증착 물질을 상기 하부 전극 구조체에 대해 소정의 경사각을 두고 증착하는 경사각 증착을 통해 3차원 나노구조를 갖도록 하며,
상기 경사각 증착 시, 증착물질인 상기 반도체의 플럭스 선이 상기 하부 전극 구조체면의 수선에 대해 이루는 경사각이 50°~ 90°미만인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.A lower electrode structure, a semiconductor structure formed on the lower electrode structure, and a dye layer adsorbed on the semiconductor structure, an upper electrode structure formed on the photoelectrode, and a lower electrode structure formed on the lower electrode structure, The method of manufacturing a dye-sensitized solar cell according to claim 1,
Wherein the semiconductor structure has a three-dimensional nanostructure through an inclined angle deposition process for depositing a semiconductor deposition material at a predetermined inclination angle with respect to the lower electrode structure,
Wherein the inclination angle of the flux line of the semiconductor as the evaporation material with respect to the waterline of the lower electrode structure body is less than 50 ° to less than 90 °.
상기 경사각 증착 시, 상기 하부 전극 구조체는 연속 회전 또는 단속 회전되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.14. The method of claim 13,
Wherein the lower electrode structure is rotated continuously or intermittently during the inclination angle deposition.
상기 반도체 구조체를 300~900℃에서 열처리하여 결정화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.The method according to claim 13 or 14,
And crystallizing the semiconductor structure by heat treatment at 300 to 900 ° C.
상기 하부 전극 구조체의 전극층을 다이아몬드 랩핑 또는 폴리싱 필름을 이용하여 폴리싱하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.The method according to claim 13 or 14,
Further comprising polishing the electrode layer of the lower electrode structure using diamond wrapping or a polishing film.
상기 반도체 구조체는, 전자빔 증착법, 열 증착법 또는 스퍼터링법을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.
The method according to claim 13 or 14,
Wherein the semiconductor structure is formed by an electron beam deposition method, a thermal evaporation method, or a sputtering method.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR20130061700A KR101465089B1 (en) | 2013-05-30 | 2013-05-30 | Dye sensitized solar cells comprising three dimensional nanostructures and manufacturing method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR20130061700A KR101465089B1 (en) | 2013-05-30 | 2013-05-30 | Dye sensitized solar cells comprising three dimensional nanostructures and manufacturing method thereof |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101465089B1 true KR101465089B1 (en) | 2014-11-27 |
Family
ID=52291863
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR20130061700A KR101465089B1 (en) | 2013-05-30 | 2013-05-30 | Dye sensitized solar cells comprising three dimensional nanostructures and manufacturing method thereof |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101465089B1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002170557A (en) * | 2000-12-01 | 2002-06-14 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | Electrode |
| KR100830946B1 (en) * | 2006-11-15 | 2008-05-20 | 한국과학기술연구원 | Dye sensitized solar cell and the fabrication method thereof |
| KR20110040252A (en) * | 2009-10-13 | 2011-04-20 | 삼성에스디아이 주식회사 | Photoelectrode for dye sensitized solar cell, manufacturing method thereof, and dye sensitized solar cell using the same |
| KR101212938B1 (en) * | 2012-09-12 | 2012-12-18 | 주식회사 상보 | Metal flexible dye-sensitized solar cell with metal substrate for processing polishing and manufacturing method thereof |
-
2013
- 2013-05-30 KR KR20130061700A patent/KR101465089B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002170557A (en) * | 2000-12-01 | 2002-06-14 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | Electrode |
| KR100830946B1 (en) * | 2006-11-15 | 2008-05-20 | 한국과학기술연구원 | Dye sensitized solar cell and the fabrication method thereof |
| KR20110040252A (en) * | 2009-10-13 | 2011-04-20 | 삼성에스디아이 주식회사 | Photoelectrode for dye sensitized solar cell, manufacturing method thereof, and dye sensitized solar cell using the same |
| KR101212938B1 (en) * | 2012-09-12 | 2012-12-18 | 주식회사 상보 | Metal flexible dye-sensitized solar cell with metal substrate for processing polishing and manufacturing method thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yeoh et al. | Recent advances in photo‐anode for dye‐sensitized solar cells: a review | |
| Jose et al. | Metal oxides for dye‐sensitized solar cells | |
| Tan et al. | Dye-sensitized solar cells based on anatase TiO2 nanoparticle/nanowire composites | |
| Lee et al. | Progress in light harvesting and charge injection of dye-sensitized solar cells | |
| Lee et al. | Charge transport characteristics of high efficiency dye-sensitized solar cells based on electrospun TiO2 nanorod photoelectrodes | |
| Bakhshayesh et al. | Improved efficiency of dye-sensitized solar cells aided by corn-like TiO2 nanowires as the light scattering layer | |
| KR100928941B1 (en) | Dye-Sensitized Solar Cell and Manufacturing Method Thereof | |
| KR20060085465A (en) | Continuous semiconductive electrode, process for preparing the same and solar cells using the same | |
| Tebby et al. | Low-temperature UV processing of nanoporous SnO2 layers for dye-sensitized solar cells | |
| Li et al. | Fine tuning of nanocrystal and pore sizes of TiO2 submicrospheres toward high performance dye-sensitized solar cells | |
| Jalali et al. | Enhanced dye loading-light harvesting TiO2 photoanode with screen printed nanorod-nanoparticles assembly for highly efficient solar cell | |
| Jafarzadeh et al. | Recent progresses in solar cells: Insight into hollow micro/nano–structures | |
| KR101045849B1 (en) | High Efficiency Flexible Dye-Sensitized Solar Cell and Manufacturing Method Thereof | |
| KR20120107460A (en) | Semiconductor nanoparticle/nanofiber composite electrodes | |
| US9129751B2 (en) | Highly efficient dye-sensitized solar cells using microtextured electron collecting anode and nanoporous and interdigitated hole collecting cathode and method for making same | |
| Lee et al. | Size-tunable, fast, and facile synthesis of titanium oxide nanotube powders for dye-sensitized solar cells | |
| KR101312335B1 (en) | Hierarchical porous transition metal oxide structure, preparing method of the same, photoelectrode including the same, and dye-sensitized solar cell including the photoelectrode | |
| Pari et al. | Recent advances in SnO2 based photo anode materials for third generation photovoltaics | |
| Liu et al. | Improvement of light harvesting and device performance of dye-sensitized solar cells using rod-like nanocrystal TiO2 overlay coating on TiO2 nanoparticle working electrode | |
| KR101274948B1 (en) | Porous transition metal oxide structure, preparing method of the same, photoelectrode including the same, and dye-sensitized solar cell including the photoelectrode | |
| Hejazi et al. | The effect of functionally graded porous nano structure TiO2 photoanode on efficiency of dye sensitized solar cells | |
| KR100846156B1 (en) | The preparation method of working electrode using carbon particles and dye-sensitive solar cell module using the same | |
| Bala et al. | Growth of seaweed-like TiO2 nanoarrays for dye-sensitized solar cells | |
| KR101058081B1 (en) | Method for manufacturing photoelectrode using optical interference lithography and dye-sensitized solar cell comprising photoelectrode | |
| KR101044338B1 (en) | Dye sensitized solar cell comprising negative electrode including nano oxide layer adsorbed with dye and polyatomic anion and preparation method thereof |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |