KR101476743B1 - Method for manufacturing dye sensitized solar cells and dye sensitized solar cells manufactured by the same - Google Patents

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KR101476743B1
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박태호
임종철
장용준
김백현
권도균
이정훈
장현명
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포항공과대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a technology capable of improving efficiency of a dye-sensitized solar cell while at the same time remarkably reducing the dye-absorption time of a photoelectrode by mixing low price anion surfactants such as aerosol OT or the like, in dye-absorption solution. A method for manufacturing a dye-sensitized solar cell according to the present invention includes the steps of: forming a photoelectrode on a first substrate; forming a reduction electrode on a second substrate; and bonding the first substrate and the second substrate by making the photoelectrode and the reduction electrode face each other, and injecting an electrolyte therebetween. To absorb the dye in metal oxide particles to form the photoelectode, the dye is absorbed by being dipped in dye solution including an ion replacement to replace relative ion included in the dye with an ion lighter than the relative ion.

Description

염료 감응형 태양전지의 제조방법과 이 방법에 의해 제조된 염료 감응형 태양전지 {METHOD FOR MANUFACTURING DYE SENSITIZED SOLAR CELLS AND DYE SENSITIZED SOLAR CELLS MANUFACTURED BY THE SAME}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a dye-sensitized solar cell and a dye-sensitized solar cell produced by the method. BACKGROUND ART < RTI ID = 0.0 >

본 발명은 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양 전지에 관한 기술로, 더욱 상세하게는 염료 흡착액에 에어로졸 오티와 같은 저가의 음이온 계면 활성제를 혼합하여 염료를 흡착함으로써 광 전극 형성에 필요한 염료 흡착 시간을 대폭 감소시킴과 동시에 염료 감응형 태양전지의 효율을 높일 수 있는 기술에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a solar cell for converting solar energy into electric energy, and more particularly, to a dye-sensitized solar cell which absorbs a dye by adsorbing a dye by mixing an inexpensive anionic surfactant such as aerosol, The present invention relates to a technique capable of greatly reducing the time and increasing the efficiency of a dye-sensitized solar cell.

염료 감응형 태양전지는 염료 분자가 화학적으로 흡착된 나노입자 반도체 산화물 전극에 광이 입사될 때 엑시톤(exciton)을 형성하고 이중 전자가 반도체 산화물의 전도대로 주입되어 전류를 발생시키는 원리를 이용한 태양전지이다.In the dye-sensitized solar cell, an exciton is formed when light is incident on a nanoparticle semiconductor oxide electrode in which dye molecules are chemically adsorbed, and a solar cell using a principle in which double electrons are injected into a conduction band of a semiconductor oxide to generate electric current to be.

일반적인 염료 감응형 태양전지는, 도전성 기판(유리, 플라스틱 또는 금속) 상에 염료를 흡착할 수 있는 밴드갭 에너지가 큰 반도체 나노결정으로 이루어진 전극 소재의 막을 형성하고 상기 막의 표면에 염료를 흡착시킨 후 대향 전극을 배치하고 양 전극 사이에 전해질을 주입하는 방법으로 제조된다.In general, a dye-sensitized solar cell is formed by forming a film of an electrode material made of semiconductor nanocrystals having a large band gap energy capable of adsorbing a dye on a conductive substrate (glass, plastic or metal), adsorbing the dye on the surface of the film A counter electrode is disposed and an electrolyte is injected between both electrodes.

상기 염료로는 초창기에는 N3[cis-dithiocyanatobis(2,2-bipyridine-4,4-dicarboxylate)ruthenium(II)] 염료가 주로 사용되었으나, 최근에는 태양전지의 효율성을 높이기 위하여 N3 염료를 구성하는 디카르복시산기(dicarboxylic acid groups) 대신에 TBA(tetrabutylammonium)을 상대 이온(counter-ion)으로 가지는 음 이온성 디카르복실염기(dicarboxylate anionic groups)를 구비한 N719[bis(tetrabutylammonium)cis-dithiocyanatobis(2,2-bipyridine-4-COOH,4-COO-) ruthenium(II)]염료가 주로 사용되고 있다.In the early days, dyes such as cis-dithiocyanatobis (2,2-bipyridine-4,4-dicarboxylate) ruthenium (II) dyes were mainly used as the dyes. However, in recent years, dyes constituting N3 dyes Bis (tetrabutylammonium) cis- dithiocyanatobis (2, 3, 4, 5, 6, 7) having anionic dicarboxylate anionic groups having tetrabutylammonium (TBA) counterions instead of dicarboxylic acid groups, 2-bipyridine-4-COOH, 4-COO - a) ruthenium (II)] dye is mainly used.

그런데, N3 염료가 3시간 정도면 반도체 나노결정으로 이루어진 전극으로의 염료 흡착이 완료되는데 반해, N719 염료의 경우 염료 흡착이 완료되기까지 20시간 넘게 장시간이 소요되는 문제가 있다.However, when the N3 dye is used for about 3 hours, the dye adsorption to the electrode made of the semiconductor nanocrystal is completed, whereas for the N719 dye, a long time is required for 20 hours or more before the dye adsorption is completed.

이러한 긴 공정시간에도 불구하고, N719 염료가 N3 염료보다 더 널리 사용되는 이유는 N3 염료보다 높은 개방회로전압(open-circuit voltage, V oc )을 가지기 때문이다. 염료 감응형 태양전지의 개방회로전압은 전극과 전해질 계면에서의 프로톤 (proton) 농도에 의해서 결정된다고 알려져 있다. N719 염료 분자는 N3 염료보다 더 적은 프로톤을 제공하기 때문에 적은 양의 프로톤이 산화티타늄(TiO2) 표면의 2배위 음이온성 산소원자(O2-)와 결합해 TiO2 전도대의 끝단 에너지레벨(energy level of conduction-band edge)의 음전위로의 이동(shift to negative potential) 때문에 결국 개방회로전압이 증가하게 되는 것이다.Despite this long process time, the reason why N719 dye is more widely used than N3 dye is because it has higher open-circuit voltage ( V oc ) than N3 dye. It is known that the open-circuit voltage of a dye-sensitized solar cell is determined by the proton concentration at the interface between the electrode and the electrolyte. Since the N719 dye molecule provides less proton than the N3 dye, a small amount of proton is combined with a bidentate anionic oxygen atom (O 2- ) on the surface of titanium oxide (TiO 2 ) to form the end energy level of the TiO 2 conduction band the level of the conduction-band edge shifts to the negative potential, which results in an increase in the open-circuit voltage.

한편 하기 특허문헌에는 염료의 흡착 속도를 높이기 위하여, 제1 전도층이 형성된 제1 기판 위에 다공성 나노입자 산화물을 도포하여 산화티타늄층을 형성하는 제1 단계와, 상기 제1 기판을 염료흡착조로 유입하는 제2 단계와, 상기 염료흡착조 내부로 염료분자 용액이 유입되어, 40~80℃의 온도와 200 내지 800rpm의 와류의 환경에서 상기 산화티타늄층 상에 염료분자를 흡착시키는 제3 단계와, 상기 제1 기판과 제2 전도층 및 백금층을 포함하는 제2 기판을 결합시키는 제4 단계 및 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 전해질을 제공하는 제5 단계를 포함하는 염료감응형 태양전지의 제조방법이 개시되어 있다. 즉, 염료의 흡착을 와류 환경에서 수행하는 것을 특징으로 한다. 이 방법에 의하면 N719 염료의 흡착 속도를 높일 수는 있으나, 태양전지의 효율성을 높이기에는 한계가 있다.On the other hand, in order to increase the adsorption rate of dyes, the following patent documents disclose a method for manufacturing a dye-sensitized solar cell, comprising a first step of forming a titanium oxide layer by applying a porous nanoparticle oxide on a first substrate on which a first conductive layer is formed, A third step of allowing the dye molecule solution to flow into the dye adsorption tank and adsorbing dye molecules on the titanium oxide layer in an environment of a temperature of 40 to 80 ° C and a vortex flow of 200 to 800 rpm; A fourth step of bonding the first substrate with a second substrate comprising a second conductive layer and a platinum layer, and a fifth step of providing an electrolyte between the first substrate and the second substrate. A manufacturing method of a battery is disclosed. That is, the dye is adsorbed in a vortex environment. According to this method, although the adsorption rate of the N719 dye can be increased, there is a limit to increase the efficiency of the solar cell.

또한, 염료 흡착 속도를 높이기 위해, 열적 또는 전기적 에너지를 가하는 방법이 사용될 수 있으나, 이와 같은 방법을 사용할 경우 염료 분자들이 쉽게 뭉쳐져 태양전지의 효율성을 저하시키는 문제점이 발생한다.Further, in order to increase the dye adsorption rate, a method of applying thermal or electrical energy may be used. However, when such a method is used, there arises a problem that the dye molecules easily aggregate to deteriorate the efficiency of the solar cell.

대한민국 공개특허공보 제2013-0090430호Korean Patent Laid-Open Publication No. 2013-0090430

본 발명은 종래의 광 전극 제조에 소요되는 긴 공정 시간을 단축함과 동시에 염료 흡착 과정에서 발생하는 염료의 뭉침 현상이 개선되어 태양전지의 효율성도 높일 수 있는 염료 감응형 태양전지의 제조방법을 제공하는 것을 과제로 한다.The present invention provides a method of manufacturing a dye-sensitized solar cell capable of shortening a long process time required for manufacturing a conventional photo-electrode and improving the efficiency of a solar cell by improving the aggregation of dyes generated in a dye adsorption process .

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 제1 기판에 광 전극을 형성하는 단계와, 제2 기판에 환원 전극을 형성하는 단계와, 상기 광 전극과 환원 전극을 대향시켜 제1 기판과 제2 기판을 접합하고 그 사이에 전해질을 주입하는 단계를 포함하여, 염료 감응형 태양전지를 제조하는 방법으로, 상기 광 전극을 형성하는 금속 산화물 입자에 염료를 흡착시킴에 있어서, 상기 염료에 포함된 상대이온을 상기 상대이온에 비해 가벼운 이온으로 교환할 수 있는 이온교환체를 포함한 염료액에 침지시켜 상기 염료를 흡착시키는 염료 감응형 태양전지의 제조방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a photoelectric conversion device, comprising: forming a photoelectrode on a first substrate; forming a reduction electrode on a second substrate; And injecting an electrolyte therebetween. The dye-sensitized solar cell according to claim 1, wherein in adsorbing the dye to the metal oxide particles forming the photo-electrode, Wherein the dye is immersed in a dye solution containing an ion exchanger capable of exchanging light ions with light ions compared to the counter ions, thereby adsorbing the dye.

상기 염료는 TBA(tetrabutylammonium)를 포함할 수 있다.The dye may comprise TBA (tetrabutylammonium).

상기 제1 기판 또는 제2 기판은 유리, 폴리에틸렌테레프탈레이트(poly ethyleneterephthalate), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리이미드(polyimide), 트리아세틸셀룰로오스(tri acetylcellulose)로 이루어질 수 있다.The first substrate or the second substrate may be formed of glass, polyethyleneterephthalate, polyethylene naphthalate, polycarbonate, polypropylene, polyimide, triacetylcellulose ).

상기 광 전극은 광흡수층과 광산란층을 포함할 수 있다.The photoelectrode may include a light absorbing layer and a light scattering layer.

상기 환원전극은 상기 제2 기판상에 형성되는 투명 전도성 전극과 상기 전도성 전극상에 형성되는 촉매층을 포함할 수 있다.The reducing electrode may include a transparent conductive electrode formed on the second substrate and a catalyst layer formed on the conductive electrode.

상기 염료는 N719를 포함할 수 있다.The dye may comprise N719.

상기 이온교환체는 에어로졸 오티(aerosol OT, sodium bis(2-ethylhexyl)sulfosuccinate)를 포함할 수 있다.The ion exchanger may comprise aerosol OT (sodium bis (2-ethylhexyl) sulfosuccinate).

상기 금속 산화물은 TiO2, SnO2, WO3, ZnO, SiO2, ZrO2, MgO, SrTiO3, Al2O3 또는 이들의 복합체 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The metal oxide may be at least one selected from the group consisting of TiO 2 , SnO 2 , WO 3 , ZnO, SiO 2 , ZrO 2 , MgO, SrTiO 3 , Al 2 O 3,

상기 투명 전도성 전극은 ITO, FTO, ATO, ZnO, SnO2, ZnOGa2O3 및 ZnO-Al2O3를 포함할 수 있다.The transparent conductive electrode may include ITO, FTO, ATO, ZnO, SnO 2 , ZnO 2 O 3, and ZnO-Al 2 O 3 .

상기 촉매층은 Pt, Ru, Pd. Ir, Rh, Os, C, WO3 및 TiO2 로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The catalyst layer may be formed of Pt, Ru, Pd. Ir, Rh, Os, C, WO 3, and TiO 2 .

상기 광 전극의 제조는, 제1 기판 상에 광흡수층을 형성하는 단계와, 상기 광흡수층 상에 광산란층을 형성하는 단계와, 상기 광흡수층과 광산란층 상에 용매에 N719 염료와 에어로졸 오티를 용해시킨 염료액에 침지시켜 N719 염료를 흡착시키는 단계와, 상기 염료가 N719 염료가 흡착된 광 전극을 세정하고 건조하는 단계를 통해 형성될 수 있다.The manufacturing of the photoelectrode includes the steps of forming a light absorbing layer on the first substrate, forming a light scattering layer on the light absorbing layer, dissolving N719 dye and aerosol ottion in the solvent on the light absorbing layer and the light scattering layer And then the dye is washed by washing and drying the photoelectrode to which the N719 dye is adsorbed.

상기 용매는 에탄올을 포함할 수 있다.The solvent may comprise ethanol.

상기 N719의 농도는 0.5mM 이상일 수 있다.The concentration of N719 may be 0.5 mM or more.

상기 에어로졸 오티의 농도는 0.3~0.6mM일 수 있다.The concentration of the aerosol may be 0.3 to 0.6 mM.

또한, 본 발명은 상기한 방법으로 제조된 염료 감응형 태양전지를 제공한다.The present invention also provides a dye-sensitized solar cell produced by the above-described method.

본 발명에 따른 염료 감응형 태양전지의 제조방법은 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.The method of manufacturing a dye-sensitized solar cell according to the present invention can achieve the following effects.

본 발명에 의하면, 염료액에 N719 염료 분자의 상대 이온인 무거운 TBA와 이온 교환이 가능하면서 가벼운 양이온을 상대 이온으로 갖는 계면활성제를 포함하고 있어, 종래에 비해 N719 염료 분자의 염료 흡착 시간을 단축시킬 수 있다.According to the present invention, since the dye liquid contains a surfactant capable of ion exchange with heavy TBA which is a counter ion of N719 dye molecule and having a light cation as a counter ion, the dye adsorption time of the N719 dye molecule can be shortened .

또한, 상기 이온 교환된 N719 염료 분자는 뭉침 현상이 줄어들어 전해질과 산화 티타늄 계면에서 일어날 수 있는 전하의 재결합을 줄여, 염료 감응형 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있다.In addition, the ion-exchanged N719 dye molecules reduce the aggregation phenomenon and reduce the recombination of charges that may occur at the interface between the electrolyte and the titanium oxide, thereby improving the photoelectric conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell.

도 1a는 N719 염료 농도에 따른 N719 염료의 흡착율을 나타낸 것이다.
도 1b는 N719 염료액에 포함되는 에어로졸 오티의 농도에 따른 N719 염료의 흡착율을 나타낸 것이다.
도 2는 20nm 크기의 산화티타늄 입자에 N719 염료를 흡착시킨 광 전극들(Film A)과 에어로졸 오티를 적용하여 N719 염료를 흡착시킨 광 전극들(Film B)의 시간에 따른 흡광도를 나타낸 것이다.
도 3a는 염료 흡착 온도에 따른 산화티타늄에 흡착된 염료량을 나타낸 것이다.
도 3b는 도 3a의 결과를 아레니우스 식을 이용하여 도식화하여 활성화 에너지(activation energy)를 구하기 위한 것이다.
도 4는 20nm 크기의 산화티타늄 입자에 N3 염료를 흡착시킨 광 전극(Film A)과 에어로졸 오티를 적용하여 N3 염료를 흡착시킨 광 전극(Film B)의 염료 흡착 시간에 따른 N3 염료의 흡착량을 나타낸 것이다.
도 5는 광 전극들의 염료 흡착시 사용된 염료액 내에서 분자간 결합에너지 변화를 관찰하기 위해 X선 빛 전자 분광법(X-ray photonelectron spectroscopy, XPS, K-alpha (Thermo VG, U.K.))을 사용하여한 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 광 전극에서 염료의 뭉침 정도를 파악하기 위해 감쇄전반사법 (attenuated total reflectance, ATR)을 사용한 퓨리에 변환형 적외부분광 광도계(Fourier transform infrared, FTIR)를 사용한 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 20nm 크기의 산화티타늄 입자에 N719 염료를 흡착시킨 광 전극(Film A)과 에어로졸 오티를 적용하여 N719 염료를 흡착시킨 광 전극(Film B)을 1mM의 수산화칼륨(KOH)이 희석된 증류수에 10분 담근 후의 사진이다.
도 8은 본 발명에 따른 염료 감응형 태양전지의 광전류-광전압 곡선과 광전변환효율 특성을 1 Sun( AM1.5, 100mW/cm2)의 조건에서 솔라 시뮬레이터(Newport, Oriel class A, 92251A)를 이용하여 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 9a는 나이퀴스트 선도의 저주파 영역의 두 번째 반원은 전극과 전해질 사이의 재결합 저항(recombination resistance, Rct)을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 9b는 보드 페이즈 선도의 저주파 영역(<102 Hz)의 픽 주파수를 이용하여 재결합 수명(recombination lifetime, τr)을 구한 결과를 나타낸 것이다.
FIG. 1A shows the adsorption rate of N719 dye according to N719 dye concentration.
FIG. 1B shows the adsorption rate of N719 dye according to the concentration of aerosol in the N719 dye solution.
FIG. 2 shows the absorbance of the photoelectrodes (Film A) adsorbing N719 dye to 20 nm-sized titanium oxide particles and the absorbance of the photoelectrodes (Film B) adsorbing N719 dye by applying aerosol otion over time.
3A shows the amount of dye adsorbed on titanium oxide according to the dye adsorption temperature.
FIG. 3B illustrates the result of FIG. 3A by using the Arrhenius equation to obtain the activation energy.
Fig. 4 is a graph showing the adsorption amount of N3 dye according to the dye adsorption time of the photoelectrode (Film A) adsorbing N3 dye to 20 nm size titanium oxide particles and the photo electrode (Film B) adsorbing N3 dye by applying aerosol .
FIG. 5 is a graph showing the change of intermolecular binding energy in the dye solution used in the dye adsorption of the photoelectrodes by using X-ray photonelectron spectroscopy (XPS, K-alpha (Thermo VG, UK) .
FIG. 6 shows the results of Fourier transform infrared (FTIR) using attenuated total reflectance (ATR) to determine the degree of dye aggregation at the photoelectrode.
FIG. 7 is a graph showing the results of measurement of a photo-electrode (Film B) adsorbing N719 dye by applying a photo-electrode (Film A) adsorbing N719 dye to a 20 nm-sized titanium oxide particle and aerosol otion and distilled water (1 ml) For 10 minutes.
8 is a graph showing the photocurrent-light voltage curves and photoelectric conversion efficiency characteristics of the dye-sensitized solar cell according to the present invention with a solar simulator (Newport, Oriel class A, 92251A) under the conditions of 1 Sun (AM 1.5, 100 mW / cm 2 ) And the results are shown in Fig.
9A is a graph showing a result of measuring a recombination resistance (Rct) between an electrode and an electrolyte in a second semicircle of the low frequency region of the Nyquist line.
Figure 9b shows the result obtained the recombination lifetime (recombination lifetime, τ r) by using a pick-frequency of the low-frequency region (<10 2 Hz) of the phase board lead.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. Also, when a part is referred to as "including " an element, it does not exclude other elements unless specifically stated otherwise.

본 발명자들은 광전변환효율은 우수하나 염료 흡착에 많은 시간이 소요되는 N719 염료의 흡착 시간을 줄임과 동시에 염료의 응집을 줄여 광전변환효율도 추가로 향상시킬 수 있는 염료 흡착방법에 대해 연구하였고, 그 결과 다음과 같은 사항을 밝혀내고 본 발명에 이르게 되었다.The present inventors have studied a dye adsorption method which can improve the photoelectric conversion efficiency by reducing the adsorption time of the N719 dye, which is excellent in photoelectric conversion efficiency but takes a long time for dye adsorption, and reduces aggregation of the dye. The results are as follows.

N719 염료에서 상대 이온을 이루는 TBA(tetrabutylammonium)가 무겁기 때문에, 산화티타늄으로의 이동이 원활하지 않아 염료의 흡착 속도가 떨어진다. Since the TBA (tetrabutylammonium) forming the counter ion in the N719 dye is heavy, the migration to the titanium oxide is not smooth and the adsorption rate of the dye is decreased.

그리고, 이온 교환체는 더 높은 분극률(polarizability)을 갖는 이온들과 결합하려는 경향이 있기 때문에, N719 염료의 TBA+보다 더 낮은 분극률을 갖는 양이온을 상대이온으로 갖는 이온 교환체를 N719 염료에 포함시킬 경우 이 이온교환체는 TBA+와 결합하려 하고, N719 염료는 전하 보상으로 이온교환체의 양이온을 상대 이온으로 받아들이게 되며, Na+ 이온과 같이 TBA+에 비해 가벼운 양이온을 갖는 이온 교환체를 N719 염료에 포함시킬 경우, N719 염료는 이온 교환체의 가벼운 양이온을 받아들이게 되고, 이는 N719 염료의 이동속도를 높여 염료의 흡착 속도를 높일 수 있다.Since an ion exchanger tends to bond with ions having a higher polarizability, an ion exchanger having a cation having a lower polarization ratio than TBA + of N719 dye as a counter ion is added to the N719 dye The ion exchanger tries to bond with TBA + , the N719 dye accepts the cation of the ion exchanger as a counter ion by charge compensation, and the ion exchanger having a light cation as compared with TBA + like Na + When incorporated into the N719 dye, the N719 dye accepts the light cation of the ion exchanger, which can increase the migration rate of the N719 dye and increase the dye adsorption rate.

그 결과, 양이온이 교환된 염료의 경우, 산화티타늄의 전도대로의 전자 주입 효율을 증가시켜 줌과 동시에 전해질에 노출된 산화티타늄의 표면적도 줄어들기 때문에 산화티타늄의 전도대에 존재하는 전자와 전해질 내 트리요오드 이온 (I3 -) 과의 재결합도 억제시켜, 태양전지의 효율도 향상시킬 수 있다.As a result, in the case of cation-exchanged dyes, since the electron injection efficiency of the conduction path of titanium oxide is increased and the surface area of titanium oxide exposed to the electrolyte is reduced, the electrons existing in the conduction band of titanium oxide and the tree The recombination with the iodine ion (I 3 - ) can be suppressed, and the efficiency of the solar cell can also be improved.

이상과 같은 사항을 반영한 본 발명에 따른 염료 감응형 태양전지의 제조방법은, 제1 기판에 광 전극을 형성하는 단계와, 제2 기판에 환원 전극을 형성하는 단계와, 상기 광 전극과 환원 전극을 대향시켜 제1 기판과 제2 기판을 접합하고 그 사이에 전해질을 주입하여 염료 감응형 태양전지를 제조하며, 상기 광 전극을 형성하는 금속 산화물 입자에 TBA(tetrabutylammonium)를 포함하는 염료를 흡착시킴에 있어서, 상기 염료에 상기 TBA에 비해 가벼운 양이온을 갖는 이온교환체를 포함하여 흡착시키는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of fabricating a dye-sensitized solar cell, comprising: forming a photoelectrode on a first substrate; forming a reduction electrode on a second substrate; The first substrate and the second substrate are bonded to each other, and an electrolyte is injected therebetween to produce a dye-sensitized solar cell. The dye containing TBA (tetrabutylammonium) is adsorbed on the metal oxide particles forming the photo- , An ion exchanger having a cation that is lighter than the TBA is adsorbed on the dye.

상기 제1 기판은 광 전극을 지지하는 지지체를 형성하는 것으로 외부 광의 입사가 가능하도록 투명한 물질로 형성되며, 유리 또는 고분자 물지로 이루어질 수 있으며, 상기 고분자 물질로는 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트(poly ethyleneterephthalate,PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate, PEN), 폴리카보네이트(polycarbonate,PC), 폴리프로필렌(polypropylene,PP), 폴리이미드(polyimide,PI), 트리아세틸셀룰로오스(tri acetylcellulose,TAC) 등이 있다.The first substrate may be formed of a transparent material so as to allow external light to be incident thereon, and may be made of a glass or a polymeric material. The polymeric material may include, for example, poly (ethylene terephthalate) polyethyleneterephthalate (PET), polyethylenenaphthalate (PEN), polycarbonate (PC), polypropylene (PP), polyimide (PI) and triacetylcellulose .

상기 광 전극은 투명성 금속 산화물로 이루어지는 광흡수층을 포함할 수 있다. 또한, 상기 광 전극에는 추가로 상기 광흡수층 상에 형성되는 광산란층을 포함할 수 있다.The photoelectrode may include a light absorbing layer made of a transparent metal oxide. In addition, the optical electrode may further include a light scattering layer formed on the light absorption layer.

상기 투명성 금속 산화물 입자의 표면에는 외부광을 흡수하여 여기 전자를 생성하는 TBA(tetrabutylammonium)를 포함하는 염료가 흡착되며, 상기 금속 산화물로는 TiO2, SnO2, WO3, ZnO, SiO2, ZrO2, MgO, SrTiO3, Al2O3 또는 이들의 복합체 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 이때, 상기 광 전극의 두께는 1㎛~30㎛이 바람직하다.The transparent surface of the metal oxide particles to absorb the external light is absorbed the dye containing TBA (tetrabutylammonium) for generating excited electrons, as the metal oxide is TiO 2, SnO 2, WO 3, ZnO, SiO 2, ZrO 2 , MgO, SrTiO 3 , Al 2 O 3, or a composite thereof. At this time, the thickness of the photoelectrode is preferably 1 mu m to 30 mu m.

상기 제1 기판에 대향 배치되는 제2 기판은 환원 전극을 지지하는 지지체 역할을 하는 것으로 투명하게 형성될 수 있으며, 제1 기판과 동일한 물질로 이루어질 수 있다.The second substrate disposed opposite to the first substrate serves as a support for supporting the reducing electrode, and may be formed in a transparent manner, and may be formed of the same material as the first substrate.

상기 환원 전극은 제2 기판 상에 형성되는 투명전극과 상기 투명전극 상에 형성되는 촉매전극을 포함할 수 있는데, 투명전극은 ITO, FTO, ATO, ZnO, SnO2, ZnOGa2O3, ZnO-Al2O3 등의 투명 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 촉매전극은 산화-환원 쌍(redox couple)을 활성화시키는 역할을 하는 것으로, Pt, Ru, Pd. Ir, Rh, Os, C, WO3, TiO2 등으로 이루질 수 있다.The reducing electrode may include a transparent electrode formed on the second substrate and a catalyst electrode formed on the transparent electrode. The transparent electrode may include ITO, FTO, ATO, ZnO, SnO 2 , ZnO 2 O 3 , ZnO- Al 2 O 3, and the like. In addition, the catalyst electrode serves to activate a redox couple, and Pt, Ru, Pd. Ir, Rh, Os, C, WO 3 , TiO 2 , and the like.

상기 염료는 N719[bis(tetrabutylammonium)cis-dithiocyanatobis(2,2-bi pyridine-4-COOH,4-COO-) ruthenium(II)] 염료를 포함한다.And a dye, wherein the dye N719 [ruthenium (II) bis ( tetrabutylammonium) cis -dithiocyanatobis (2,2-bi pyridine-4-COOH, 4-COO)].

상기 이온교환체는, N719 염료를 구성하는 TBA와 이온교환이 가능하면서 TBA에 비해 가벼운 이온을 구비한 것이면 어느 것이나 가능하나, 특히 에어로졸 오티(aerosol OT, AOT, sodium bis(2-ethylhexyl)sulfosuccinate)의 경우, 저가이면서 TBA와 교환되는 이온이 나트륨(Na)로 매우 가벼워 바람직하다.The ion exchanger may be any one that is capable of being ion-exchanged with TBA constituting the N719 dye and having a lighter ion than TBA, but in particular, aerosol OT, sodium bis (2-ethylhexyl) sulfosuccinate, , The ion exchange with TBA at a low cost is preferable because it is very light as sodium (Na).

이하, 본 발명에 따른 염료 감응형 태양전지의 제조방법에 대해 구체적으로 설명한다.
Hereinafter, a method of manufacturing a dye-sensitized solar cell according to the present invention will be described in detail.

[실시예][Example]

광 전극 제조공정Photoelectrode manufacturing process

먼저, 투명유리 기판 상에 스크린 프린트용으로 제조된 상용의 산화티타늄 페이스트를 이용하여 스크린 프린트 공정을 통하여 광 전극을 형성하였다.First, a photo electrode was formed on a transparent glass substrate by a screen printing process using commercially available titanium oxide paste for screen printing.

구체적으로, 염료의 흡착을 위한 평균입도 20nm의 TiO2 페이스트를 스크린 프린트 공정을 통해 막 두께가 12㎛가 되도록 도포하고, 박스 로(box furnace)를 이용하여 500℃에서 30분 간 열처리를 실시하여 고분자 바인더와 용매를 제거하여, 광 흡수층을 형성하였다.Specifically, a TiO 2 paste having an average particle size of 20 nm for dye adsorption was applied through a screen printing process so as to have a film thickness of 12 μm, and heat treatment was performed at 500 ° C. for 30 minutes using a box furnace The polymer binder and the solvent were removed to form a light absorbing layer.

이어서, 평균입도 400nm의 TiO2 페이스트를 스크린 프린트 공정을 통하여 막 두께가 6㎛가 되도록 도포한 후, 박스 로(box furnace)를 이용하여 500℃에서 30분 간 열처리를 실시하여 고분자 바인더와 용매를 제거하여, 광 산란층을 형성한다.Then, a TiO 2 paste having an average particle size of 400 nm was applied through a screen printing process so as to have a thickness of 6 μm, and then heat treatment was performed at 500 ° C. for 30 minutes using a box furnace to remove the polymer binder and solvent Thereby forming a light scattering layer.

이와 같이 광 흡수층과 광 산란층이 적층된 이 광 전극은, 공지된 표면 개질 방법을 사용하여 표면 개질을 수행하였다. 구체적으로, 전극 내의 Fe와 같은 불순물과 산화티타늄 표면에서 일어날 수 있는 재결합을 어느 정도 방지하기 위해 40 mM의 티타늄 테트라클로라이드(titanium tetrachloride, TiCl4)가 수용액에 희석되어 있는 용기에 침지하여 70℃ 오븐에 30분간 유지시키고 증류수와 무수에탄올을 이용해 전극을 세척하고 건조하였다. 그리고 박스 로(box furnace)를 이용하여 500℃에서 30분 간 열처리를 실시하였다.The surface modification of the photoelectrode, in which the light absorbing layer and the light scattering layer were laminated, was performed using a known surface modification method. Specifically, 40 mM of titanium tetrachloride (TiCl 4 ) was immersed in a container diluted with an aqueous solution to prevent impurities such as Fe in the electrode and recombination that may occur on the titanium oxide surface to some extent. For 30 minutes, and the electrodes were washed and dried using distilled water and anhydrous ethanol. Then, a heat treatment was performed at 500 ° C. for 30 minutes using a box furnace.

염료 흡착 공정Dye adsorption process

본 발명의 실시예에 따른 태양전지에 사용된 염료는 N719 염료이다. 본 발명의 실시예에 따른 염료 흡착 공정에서는 N719 염료에 추가로 이온교환체로 에어로졸 오티(aerosol OT, sodium bis(2-ethylhexyl)sulfosuccinate)를 첨가하여 염료 흡착 공정을 수행한다.The dye used in the solar cell according to the embodiment of the present invention is an N719 dye. In the dye adsorption process according to the embodiment of the present invention, aerosol OT (sodium bis (2-ethylhexyl) sulfosuccinate) is added to the N719 dye as an ion exchanger to perform the dye adsorption process.

N719 염료와 이온교환체로 포함되는 에어로졸 오티의 최적 농도를 평가하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 광 전극에 흡착되는 N719 염료 농도와 이때 포함되는 에어로졸 오티의 농도에 따른 N719 염료의 흡착율을 평가하였으며, 그 결과는 도 1a 및 도 1b에 나타난 바와 같았다. 이때, 광 전극들의 염료 흡착량은 각각의 전극들에서 탈착된 염료의 흡광도를 UV/Vis 분광 분석법(UV-Vis spectroscopy, Optizen POP spectrophotometer)을 이용하여 측정함으로써 계산되었다.In order to evaluate the optimum concentration of aerosol water contained in the N719 dye and the ion exchanger, the adsorption rate of the N719 dye according to the concentration of the N719 dye adsorbed on the photoelectrode prepared according to the embodiment of the present invention and the concentration of the aerosol And the results were as shown in Figs. 1A and 1B. At this time, the dye adsorption amount of the photo-electrodes was calculated by measuring the absorbance of the dye desorbed from each of the electrodes using UV-Vis spectroscopy (Optizen POP spectrophotometer).

구체적으로, 도 1a은 동일한 흡착 시간 동안 N719 염료의 농도에 따른 산화티타늄 표면에 흡착된 염료량을 의미하는 것으로, 0.5 mM 이상이면 N719 염료가 충분히 흡착될 수 있음을 보여준다. 또한, 도 1b는 동일한 흡착 시간 동안 에어로졸 오티의 농도에 따른 산화티타늄 표면에 흡착된 염료량을 의미하는 것으로 0.3~0.6mM 정도면 충분히 염료가 다 흡착되는 것을 보여준다.Specifically, FIG. 1A shows the amount of dye adsorbed on the surface of titanium oxide according to the concentration of N719 dye during the same adsorption time, and it is shown that the N719 dye can be sufficiently adsorbed when the adsorption time is more than 0.5 mM. In addition, FIG. 1B shows the amount of dye adsorbed on the surface of titanium oxide according to the concentration of aerosol in the same adsorption time. When the concentration is 0.3 to 0.6 mM, the dye is adsorbed sufficiently.

이러한 결과로부터, 본 발명의 실시예에서는 무수에탄올에 0.5mM의 농도로 희석된 N719 염료액에 0.3mM의 농도로 에어로졸 오티를 첨가한 염료액을 준비하였다.From these results, in the example of the present invention, a dye solution in which aerosol is added at a concentration of 0.3 mM to an N719 dye solution diluted to a concentration of 0.5 mM in anhydrous ethanol was prepared.

이와 같이 준비한 염료액에 광 전극을 일정 시간 동안 침지시켜 염료가 흡착되도록 한 후, 염료가 흡착된 광 전극을 에탄올로 세정하고 상온 건조하여 광 전극을 제조하였다.The photoelectrode was immersed in the thus prepared dye solution for a predetermined time to allow the dye to be adsorbed. The dye-adsorbed photoelectrode was washed with ethanol and dried at room temperature to prepare a photoelectrode.

전해질 주입 공정Electrolyte injection process

이와 같이 제작한 광 전극과, 이에 대향하는 상대 환원전극으로 FTO가 코팅된 유리기판을 준비하고, 상기 기판의 전도성면 쪽에 접착테이프를 이용하여 마스킹한 후, 그 위에 H2PtCl6 용액을 드롭(drop)한 후, 100℃로 가열된 핫플레이트 위에서 건조시키고, 박스로에서 500℃에서 30분간 열처리하여 촉매전극을 형성하여 상대 환원전극을 제조하였다.A glass substrate coated with FTO as the photoelectrode and the counter electrode as a counter electrode was prepared and masked by using an adhesive tape on the conductive side of the substrate and then H 2 PtCl 6 solution was dropped thereon dropwise, dried on a hot plate heated to 100 ° C, and heat-treated at 500 ° C for 30 minutes in a box furnace to form a catalyst electrode, thereby preparing a relative reduction electrode.

그리고, 상기 상대 환원전극에는 다이아몬드 팁이 장착된 전동 드릴을 이용하여 0.75 mm 내외의 미세구멍을 형성하였다.A fine hole having a diameter of about 0.75 mm was formed on the relative reduction electrode using an electric drill equipped with a diamond tip.

그리고, 광 전극과 상대 환원 전극은 전도성면을 마주 보게 하여 배치하고, 열경화성 고분자 물질인 Surlyn(Meltonix 1170-60, Solaronix)을 사용하여 두 전극을 접합한다. 그리고, 두 전극들은 집게를 이용해 고정이 된 상태로 120℃ 내외의 온도로 설정된 오븐에서 약 2분 정도 유지하면 상기 두 전극을 접합할 수 있다.Then, the photoelectrode and the relative reduction electrode are disposed so as to face the conductive surface, and the two electrodes are bonded using a thermosetting polymer material, Surlyn (Meltonix 1170-60, Solaronix). The two electrodes can be bonded together by holding them in an oven set at a temperature of about 120 ° C for about 2 minutes while being fixed using a forceps.

이와 같이 광 전극과 상대 전극을 접합한 후에, 상대 환원전극에 형성한 미세 기공을 통하여 두 전극 사이의 공간에 전해질을 주입한다. 전해질은 아세토니트릴(acetonitrile)과 발레로니트릴(valeronitrile)의 부피비를 85:15로 한 용매로 하여 1-부틸-3-메틸-이미다졸륨 요오드화물(1-butyl-3-methyl-imidazolium iodide, BMII)은 0.7M, 요오드(I2)는 0.03M, 구아니디움 티오시아네이트(guanidinium thiocyanate, GSCN)는 0.1M, 4-터트-부틸피리딘(4-tert-butylpyridine)는 0.5M 희석한 것을 사용하였다. 전해질이 채워진 후에는 상기 열경화성 물질인 썰린(Surlyn)을 기공에 덮고 그 위 커버 유리(cover glass)를 올린 후 인두기로 썰린을 녹여 커버 유리와 광 전극 사이를 접합시켰다. 이 과정을 통해 전해액이 휘발되어 소실되는 문제를 방지할 수 있게 된다.After bonding the photoelectrode and the counter electrode, the electrolyte is injected into the space between the two electrodes through the micropores formed in the counter electrode. The electrolyte was prepared by dissolving 1-butyl-3-methyl-imidazolium iodide in a solvent in which the volume ratio of acetonitrile and valeronitrile was 85:15, BMII) is 0.7M, iodine (I 2) is 0.03M, guanidyl Stadium thiocyanate (guanidinium thiocyanate, GSCN) is 0.1M, 4- tert-butyl-pyridine is diluted to a (4-tert-butylpyridine) 0.5M Respectively. After the electrolyte was filled, the thermosetting material, Surlyn, was covered with pores and the cover glass was placed thereon, and the solder paste was melted to bond the cover glass and the photoelectrode. Through this process, it is possible to prevent the problem that the electrolyte is volatilized and lost.

한편, 본 발명에 따른 상대 환원 전극과 전해질은 통상적인 방법으로 제조되므로 본 발명의 실시예에 특별히 한정되지 않는다.
Meanwhile, since the relative reduction electrode and the electrolyte according to the present invention are manufactured by a conventional method, they are not particularly limited to the embodiment of the present invention.

[비교예][Comparative Example]

본 발명의 실시예에 따라 제조된 태양전지와의 비교를 위하여, 상기 염료 흡착 공정을 에어로졸 오티를 첨가하지 않고 무수에탄올에 0.5mM의 농도로 희석된 N719 염료액만을 사용하여 광 전극을 제조하였으며, 그 이외의 공정은 본 발명의 실시예와 동일하게 수행하여 염료 감응형 태양전지를 제조하였다.
For comparison with a solar cell manufactured according to an embodiment of the present invention, a photoelectrode was prepared by using only the N719 dye liquid diluted to a concentration of 0.5 mM in anhydrous ethanol without adding aerosol water to the dye adsorption process, The other steps were carried out in the same manner as in the example of the present invention to prepare a dye-sensitized solar cell.

이상과 같이 제조한 2 종류의 염료 감응형 태양전지의 흡광도를 비교하였다. 도 2는 20nm 크기의 산화티타늄 입자에 N719 염료를 흡착시킨 광 전극들(Film A)과 에어로졸 오티를 적용하여 N719 염료를 흡착시킨 광 전극들(Film B)의 시간에 따른 흡광도를 나타낸 것이다.The absorbances of the two types of dye-sensitized solar cells fabricated as described above were compared. FIG. 2 shows the absorbance of the photoelectrodes (Film A) adsorbing N719 dye to 20 nm-sized titanium oxide particles and the absorbance of the photoelectrodes (Film B) adsorbing N719 dye by applying aerosol otion over time.

도 2에 보여지는 바와 같이, N719 염료액에 19시간 동안 염료를 흡착시킨 광 전극과 N719 염료액에 에어로졸 오티를 첨가하여 10 시간 동안 염료를 흡착시킨 광 전극의 흡광도가 거의 같음을 볼 수 있다. 이는 N719 염료액에 에어로졸 오티를 첨가할 경우 염료 흡착 속도가 거의 2배로 증가함을 의미한다.As shown in FIG. 2, it can be seen that the absorbance of the dye-adsorbed photoelectrode in the N719 dye solution for about 19 hours was about the same as that of the photoelectrode adsorbed for about 10 hours by adding the dye to the N719 dye solution. This means that the addition of aerosol otion to the N719 dye solution almost doubles the dye adsorption rate.

도 3a는 염료 흡착 온도에 따른 산화티타늄에 흡착된 염료량을 보여 주는 것으로 아레니우스 식을 이용하여 도식화된 도 3b를 통해 활성화 에너지(activation energy)를 구할 수 있다. 도 3b로부터 20nm 크기의 산화티타늄 입자에 N719 염료를 흡착시킨 광 전극 (Film A)의 활성화 에너지는 7.8 kJ mol-1, 에어로졸 오티를 적용하여 N719 염료를 흡착시킨 광 전극(Film B)의 활성화 에너지는 5.3 kJ mol-1이다. 에어로졸 오티를 적용하여 N719 염료를 흡착시킨 광 전극(Film B)의 32% 감소된 활성화 에너지는 도 2에서 관찰된 빠른 염료 흡착을 뒷받침한다.FIG. 3A shows the amount of dye adsorbed to titanium oxide according to the dye adsorption temperature, and the activation energy can be obtained through FIG. 3B which is schematized using the Arrhenius equation. 3B, the activation energy of the photoelectrode (Film A) adsorbing the N719 dye to the 20 nm-sized titanium oxide particles was 7.8 kJ mol -1 , the activation energy of the photo-electrode (Film B) adsorbed on the N719 dye by applying aerosol Is 5.3 kJ mol &lt; -1 & gt ;. The 32% reduced activation energy of the photoelectrode (Film B) adsorbing the N719 dye by applying aerosol otion supports the fast dye adsorption observed in FIG.

도 4는 20nm 크기의 산화티타늄 입자에 N3 염료를 흡착시킨 광 전극(Film A)과 에어로졸 오티를 적용하여 N3 염료를 흡착시킨 광 전극(Film B)의 염료 흡착 시간에 따른 N3 염료의 흡착량을 보여준다.Fig. 4 is a graph showing the adsorption amount of N3 dye according to the dye adsorption time of the photoelectrode (Film A) adsorbing N3 dye to 20 nm size titanium oxide particles and the photo electrode (Film B) adsorbing N3 dye by applying aerosol Show.

도 4에 보여지는 바와 같이, 상대이온을 가지지 않는 N3 염료를 사용한 경우, 에어로졸 오티의 사용 유무에 따른 염료 흡착 시간에 따른 염료 흡착량의 변화는 거의 차이가 없는데, 이는 에어로졸 오티가 상대이온이 없는 N3보다는 상대이온을 가지는 N719 염료의 흡착 속도에만 영향을 미치고 있음을 의미한다.As shown in FIG. 4, when the N3 dye having no counter ion is used, there is almost no difference in the amount of dye adsorption depending on the adsorption time of the dye depending on whether the aerosol is used or not, This means that it only affects the adsorption rate of N719 dye with counter ion rather than N3.

또한, 광 전극들의 염료 흡착 시 사용된 염료액 내에서 분자간 결합에너지 변화를 관찰하기 위해, X선 빛 전자 분광법(X-ray photonelectron spectroscopy, XPS, K-alpha (Thermo VG, U.K.))을 사용하여 분석하였으며, 그 결과를 도 5a 및 5b에 나타내었다.X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, K-alpha (Thermo VG, UK)) was used to observe the intermolecular binding energy change in the dye solution used in the dye adsorption of the photoelectrodes And the results are shown in FIGS. 5A and 5B.

도 5a와 5b는 각각 N719 염료액과 N719 염료액에 에어로졸 오티를 첨가한 염료액(AOT/N719)의 N1s 와 O1s에 대한 XPS 스펙트럼이다. 도 5a는 N719 염료 분자를 구성하는 NCS기, 터피리딘/바이피리딘 리간드(terpyridine/bipyridine ligand), TBA+ 내의 질소와 연관된 N1s 스펙트럼인데, 에어로졸 오티를 첨가함에 따라, TBA+ 피크는 0.2eV 더 높은 결합 에너지로 이동하였다. 도 5b는 N719 염료 분자를 구성하는 카복시(COO- group)기와 관련된 O1s 스펙트럼인데, 에어로졸 오티를 첨가함에 따라 피크가 0.2eV 더 낮은 결합에너지로 이동하였다. 이러한 XPS 결과는 에어로졸 오티의 첨가로 인해 N719 염료 분자의 카복시기와 상대 이온인 TBA+ 주위의 화학적 환경이 상당히 변하였음을 의미한다.5A and 5B are XPS spectra of N1s and O1s of dye solution (AOT / N719) to which aerosol is added to N719 dye solution and N719 dye solution, respectively. Figure 5a is the N1s spectrum associated with nitrogen in the NCS group, terpyridine / bipyridine ligand, and TBA + that make up the N719 dye molecule. As the aerosol is added, the TBA + peak is increased by 0.2 eV And moved to binding energy. Figure 5b shows the O1s spectrum associated with a carboxy (COO - group) group comprising the N719 dye molecule, with the addition of aerosol, the peak shifted to a binding energy of 0.2 eV lower. These XPS results indicate that the chemical environment around the carboxy group of the N719 dye molecule and the counter ion, TBA + , significantly changed due to the addition of aerosol.

일반적으로, 이온교환체(ion exchanger)는 더 높은 분극률 (polarizability) 를 갖는 이온들과 결합하려는 경향이 있기 때문에, 도 2의 N719 염료의 흡광도 결과와 도 5의 XPS 결과로부터, 강한 이온교환체인 에어로졸 오티의 황산기(SO3 - group)는 상대 이온인 나트륨 양이온보다 더 높은 분극률을 갖는 N719 염료의 상대 이온인 TBA+와 더 결합하려고 하기 때문에 에어로졸 오티와 N719 염료 사이에서 이온 교환이 이뤄졌음을 유추할 수 있다.In general, the ion exchanger tends to associate with ions having a higher polarizability, so from the absorbance results of the N719 dye of Figure 2 and the XPS results of Figure 5, Since the sulfate group (SO 3 - group) of aerosol otion tries to bind further with TBA + , the counter ion of N719 dye, which has higher polarizability than the counter ion sodium ion, ion exchange between aerosol and N719 dye Can be inferred.

또한, 광 전극에서 염료의 뭉침 정도를 파악하기 위해 감쇄전반사법(attenuated total reflectance, ATR)을 사용한 퓨리에 변환형 적외부분광 광도계(Fourier transform infrared, FTIR)를 사용하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다.Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) using attenuated total reflectance (ATR) was used to grasp the degree of dye aggregation at the photoelectrode. The results are shown in FIG. 6 .

TiO2 표면에 약하게 결합되어 있는 염료 분자들의 비율은 두 피크의 세기(intensity)를 비교하여 예상할 수 있다. 두 피크란, TiO2 표면에 화학적으로 결합된 카복시산기(COOH group, 1375 cm-1 스트레칭 모드)와 약하게 물리흡착된 염료 분자들의 카복시산기(1715 cm-1 C=O 밴드) 이다. 이로부터 계산된 값이 염료 뭉침의 정도를 보여준다.The proportion of dye molecules that are weakly bound to the TiO 2 surface can be predicted by comparing the intensities of the two peaks. Two peaks are the carboxylic acid group (COOH group, 1375 cm -1 stretching mode) chemically bonded to the TiO 2 surface and the carboxylic acid group (1715 cm -1 C = O band) of the weakly physically adsorbed dye molecules. The calculated value shows the degree of dye aggregation.

도 6a로부터 계산된 염료의 뭉침 정도는 20nm 크기의 산화티타늄 입자에 N719 염료를 흡착시킨 광 전극(Film A)은 약 23.1%이고, 에어로졸 오티를 적용하여 N719 염료를 흡착시킨 광 전극(Film B)은 약 17.9% 이다. 즉 에어로졸 오티를 도입하였을 때 염료의 뭉침 정도가 감소됨을 알 수 있다. 그리고, 두 전극 다 에어로졸 오티 성분에서 주로 관찰할 수 있는 S=O의 대칭신축진동방식(symmetric S=O stretching mode)은 관찰되지 않았다. 이는 두 전극 다 충분히 세척이 되어 에어로졸 오티 성분은 남아 있지 않은 상태임을 보여준다. 도 6b는 N719 염료의 상대 이온인 TBA+의 C-H 신축진동띠(C-H stretching band)의 세기를 보여주는 것으로써 에어로졸 오티를 첨가함에 따라 그 세기가 줄어든 것을 볼 수 있으며, 이는 에어로졸 오티에 의한 이온 교환에 기인한 것으로 보인다.The degree of aggregation of the dye calculated from FIG. 6A was about 23.1% for the photoelectrode (Film A) in which the N719 dye was adsorbed on the titanium oxide particle having the size of 20 nm, and the photoelectrode (Film B) on which the N719 dye was adsorbed by applying aerosol Is about 17.9%. That is, when the aerosol is introduced, the degree of dye aggregation is reduced. In addition, symmetric stretching mode (S = O stretching mode) of S = O, which is mainly observed in aerosol components of both electrodes, was not observed. This shows that the two electrodes are thoroughly cleaned and no aerosol components remain. FIG. 6B shows the intensity of the CH stretching band of the TBA + counter ion of the N719 dye. As a result, the intensity of the CH stretching band was decreased as a result of the addition of the aerosol, which is attributed to the ion exchange by the aerosol Seems to have done.

또한, 도 7은 20nm 크기의 산화티타늄 입자에 N719 염료를 흡착시킨 광 전극(Film A)과 에어로졸 오티를 적용하여 N719 염료를 흡착시킨 광 전극(Film B)을 1mM의 수산화칼륨(KOH)이 희석된 증류수에 10분 담근 후의 사진이다. 에어로졸 오티를 적용하였을 때 염료의 탈착이 더 적음을 알 수 있는데, 이는 에어로졸 오티를 포함하였을 때, 염료의 응집이 감소함을 의미한다.FIG. 7 is a graph showing the relationship between the photoelectrode (film A) adsorbing N719 dye on a 20 nm-sized titanium oxide particle and the photo-electrode (Film B) adsorbing N719 dye by applying aerosol otium to 1 mM potassium hydroxide (KOH) Of distilled water for 10 minutes. It can be seen that when the aerosol is applied, the desorption of the dye is less, which means that when the aerosol contains the aerosol, the aggregation of the dye decreases.

이어서, 본 발명에 따른 염료 감응형 태양전지의 광전류-광전압 곡선과 광전변환효율 특성은 1 Sun( AM1.5, 100mW/cm2)의 조건에서 솔라 시뮬레이터(Newport, Oriel class A, 92251A)를 이용하여 측정하였으며, 이를 도 8과 하기 표 1에 정리하였다.Then, the dye-sensitized solar cell of the photoelectric current in accordance with the present invention an optical voltage curve and the photoelectric conversion efficiency characteristics are 1 Sun (AM1.5, 100mW / cm 2) solar simulator conditions (Newport, Oriel class A, 92251A) in the The results are shown in FIG. 8 and Table 1 below.

SampleSample V oc (mV) V oc (mV) J sc (mA/cm2) J sc (mA / cm 2 ) FFFF η(%)侶 (%) Device ADevicee 802±0.25802 ± 0.25 13.7±0.1113.7 ± 0.11 0.66±0.010.66 ± 0.01 7.3±0.097.3 ± 0.09 Device A*Device A * 796±0.39796 ± 0.39 15.8±0.1915.8 ± 0.19 0.67±0.020.67 ± 0.02 8.4±0.118.4 ± 0.11 Device BDevice B 820±0.12820 ± 0.12 15.2±0.1515.2 ± 0.15 0.66±0.010.66 ± 0.01 8.1±0.128.1 ± 0.12 Device B*Device B * 817±0.36817 ± 0.36 17.0±0.2317.0 + - 0.23 0.66±0.010.66 ± 0.01 9.2±0.089.2 ± 0.08

여기에는 20nm 크기의 산화티타늄 입자에 N719 염료를 19 시간 동안 흡착시킨 광 전극을 사용한 전지(Device A)와 에어로졸 오티를 적용하여 N719 염료를 10 시간 동안 흡착시킨 광 전극을 사용한 전지(Device B)에 관한 효율 특성들이 비교되어 있다. 상기 표 1에서 Device A*와 Device B*는 각각 400 nm 크기의 산화티타늄 산란층을 추가로 적층시킨 전극을 사용한 전지들이다.Here, a device (device A) using a photoelectrode (N719 dye) adsorbed on a titanium oxide particle having a size of 20 nm for 19 hours and a device (Device B) using a photoelectrode having an N719 dye adsorbed for 10 hours by applying aerosol Are compared. In Table 1, Device A * and Device B * are electrodes using an electrode in which a titanium oxide scattering layer having a size of 400 nm is further laminated.

일반적인 방법으로 N719 염료를 흡착시킨 광 전극을 사용한 전지들(Device A와 Device A*)이 7.3%와 8.4%의 효율을 보이는 반면, 에어로졸 오티를 이용하여 N719 염료를 흡착시킨 광 전극을 사용한 전지들(Device B와 Device B*)에서는 각각 8.1%와 9.1%의 고효율을 얻을 수 있다.Cells using photoelectrodes with N719 dye adsorption (Device A and Device A *) showed efficiencies of 7.3% and 8.4%, respectively, while those using photoelectrodes with N719 dye adsorbed using aerosol (Device B and Device B *) can achieve high efficiency of 8.1% and 9.1%, respectively.

도 8b는 시간에 따른 전지들의 효율 변화를 보여주는 것으로 에어로졸 오티 첨가와 관계없이 일정한 안정성을 보여준다. 본 발명에 따른 염료 감응형 태양전지의 전기화학적 임피던스 분광법(electrochemical impedance spectroscopy, EIS) 실험은 임피던스 분석기(impedance analyzer, BioLogic, SP-300)를 이용하여 10-1에서 106Hz의 주파수 범위에서 측정되었고, Z-view 소프트웨어를 사용하여 분석하였으며, 도 9는 나이퀴스트 선도(Nyquist plot)과 보드 페이즈 선도(Bode-phase plot) 를 보여준다.FIG. 8B shows the efficiency change of the cells with respect to time and shows a certain stability regardless of addition of aerosol. The electrochemical impedance spectroscopy (EIS) of the dye-sensitized solar cell according to the present invention was measured using an impedance analyzer (BioLogic, SP-300) in the frequency range of 10 -1 to 10 6 Hz And analyzed using the Z-view software. FIG. 9 shows the Nyquist plot and the Bode-phase plot.

도 9a의 나이퀴스트 선도의 저주파 영역의 두 번째 반원은 전극과 전해질 사이의 재결합 저항(recombination resistance, Rct)을 의미하는 것으로, 20nm 크기의 산화티타늄 입자에 N719 염료를 19 시간 동안 흡착시킨 광 전극을 사용한 전지(Device A)는 15.2 ohm, 에어로졸 오티를 적용하여 N719 염료를 10 시간 동안 흡착시킨 광 전극을 사용한 전지 (Device B)는 18.5 ohm이다.The second semicircle of the low frequency region of the Nyquist plot of FIG. 9A means the recombination resistance (Rct) between the electrode and the electrolyte. The titanium oxide particle having a size of 20 nm was irradiated with a N719 dye for 19 hours, (Device A) was 15.2 ohm, and the cell using the photoelectrode (Device B), in which the N719 dye was adsorbed for 10 hours by applying aerosol, was 18.5 ohm.

도 9b의 보드 페이즈 선도의 저주파 영역(<102 Hz)의 픽 주파수를 이용하면 재결합 수명(recombination lifetime, τr)을 구할 수 있다. 에어로졸 오티를 첨가함에 따라 w재결합 저항과 재결합 수명이 늘어났음을 확인할 수 있다. 이는 앞서 설명했던 염료의 뭉침과 관련이 있다. 에어로졸 오티의 첨가로 인해, 염료의 뭉침 정도가 줄어듦에 따라 전해질에 노출된 산화티타늄의 표면도 감소하여 재결합이 억제된 것으로 볼 수 있다.Using the pick frequency of the low frequency region (<10 2 Hz) of the board phase diagram of FIG. 9B, the recombination lifetime (τ r ) can be obtained. It can be seen that the addition of aerosol oat increases the recombination resistance and recombination life. This is related to the clustering of the dyes described above. Due to the addition of aerosol, the surface of titanium oxide exposed to the electrolyte decreases as the degree of dye aggregation decreases, and recombination is suppressed.

이상과 같은 결과로부터, 본 발명에 따른 염료 감응형 태양전지의 제조방법에 따라, 염료액에 저가의 음이온 계면활성제인 에어로졸 오티를 포함시킬 경우, 산화티타늄 표면에서의 염료 흡착 속도를 가속화 시키고 동시에 염료 뭉침 정도를 개선할 수 있어, 태양전지의 제조비용을 줄임과 동시에 광전변환효율의 향상을 달성할 수 있게 된다.
From the above results, it can be seen that, when the low-cost anionic surfactant, aerosol, is incorporated into the dye liquid according to the method of the present invention, the rate of dye adsorption on the titanium oxide surface is accelerated, The degree of aggregation can be improved, and the manufacturing cost of the solar cell can be reduced and the photoelectric conversion efficiency can be improved.

Claims (15)

제1 기판에 광 전극을 형성하는 단계와,
제2 기판에 환원 전극을 형성하는 단계와,
상기 광 전극과 환원 전극을 대향시켜 제1 기판과 제2 기판을 접합하고 그 사이에 전해질을 주입하는 단계를 포함하여, 염료 감응형 태양전지를 제조하는 방법으로,
상기 광 전극을 형성하는 금속 산화물 입자에 염료를 흡착시킴에 있어서, 상기 염료에 포함된 상대이온을 상기 상대이온에 비해 가벼운 이온으로 교환할 수 있는 이온교환체를 포함한 염료액에 침지시켜 상기 염료를 흡착시키는 염료 감응형 태양전지의 제조방법.
Forming a photo-electrode on the first substrate,
Forming a reducing electrode on the second substrate;
The method of manufacturing a dye-sensitized solar cell according to claim 1, further comprising the steps of: bonding the first substrate and the second substrate to each other by opposing the photo-electrode and the reduction electrode; and injecting an electrolyte therebetween,
The dye is immersed in a dye solution containing an ion exchanger capable of exchanging counter ions contained in the dye with light ions in comparison with the counter ions in adsorbing the dye to the metal oxide particles forming the photo electrode, Wherein the dye-sensitized solar cell comprises a dye-sensitized solar cell.
제1항에 있어서,
상기 염료는 TBA(tetrabutylammonium)를 포함하는 염료인 염료 감응형 태양전지의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the dye is a dye containing tetrabutylammonium (TBA).
제1항에 있어서,
제1 기판 또는 제2 기판은 유리, 폴리에틸렌테레프탈레이트(poly ethyleneterephthalate), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리이미드(polyimide), 트리아세틸셀룰로오스(tri acetylcellulose)로 이루어진 염료 감응형 태양전지의 제조방법.
The method according to claim 1,
The first substrate or the second substrate may be formed of glass, polyethyleneterephthalate, polyethylene naphthalate, polycarbonate, polypropylene, polyimide, triacetylcellulose, Wherein the dye-sensitized solar cell comprises a dye-sensitized solar cell.
제1항에 있어서,
상기 광 전극은 광흡수층과 광산란층을 포함하는 염료 감응형 태양전지의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the photoelectrode comprises a light absorbing layer and a light scattering layer.
제1항에 있어서,
상기 환원전극은 상기 제2 기판상에 형성되는 투명 전도성 전극과 상기 전도성 전극상에 형성되는 촉매층을 포함하는 염료 감응형 태양전지의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the reducing electrode comprises a transparent conductive electrode formed on the second substrate and a catalyst layer formed on the conductive electrode.
제1항에 있어서,
상기 염료는 N719를 포함하는 염료 감응형 태양전지의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the dye comprises N719.
제1항에 있어서,
상기 이온교환체는 에어로졸 오티(aerosol OT, sodium bis(2-ethylhexyl)sulfosuccinate)를 포함하는 염료 감응형 태양전지의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the ion exchanger comprises aerosol OT (sodium bis (2-ethylhexyl) sulfosuccinate).
제1항에 있어서,
상기 금속 산화물은 TiO2, SnO2, WO3, ZnO, SiO2, ZrO2, MgO, SrTiO3, Al2O3 또는 이들의 복합체 중에서 선택된 1종 이상인 염료 감응형 태양전지의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal oxide is at least one selected from the group consisting of TiO 2 , SnO 2 , WO 3 , ZnO, SiO 2 , ZrO 2 , MgO, SrTiO 3 , Al 2 O 3 or a complex thereof.
제5항에 있어서,
상기 투명 전도성 전극은 ITO, FTO, ATO, ZnO, SnO2, ZnOGa2O3 및 ZnO-Al2O3를 포함하는 염료 감응형 태양전지의 제조방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the transparent conductive electrode comprises ITO, FTO, ATO, ZnO, SnO 2 , ZnO 2 O 3 and ZnO-Al 2 O 3 .
제5항에 있어서,
상기 촉매층은 Pt, Ru, Pd. Ir, Rh, Os, C, WO3 및 TiO2 로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 염료 감응형 태양전지의 제조방법.
6. The method of claim 5,
The catalyst layer may be formed of Pt, Ru, Pd. Ir, Rh, Os, C, WO 3, and TiO 2 .
제1항에 있어서,
상기 광 전극은,
제1 기판 상에 광흡수층을 형성하는 단계와,
상기 광흡수층 상에 광산란층을 형성하는 단계와,
상기 광흡수층과 광산란층 상에 용매에 N719 염료와 에어로졸 오티를 용해시킨 염료액에 침지시켜 N719 염료를 흡착시키는 단계와,
상기 염료가 N719 염료가 흡착된 광 전극을 세정하고 건조하는 단계를 포함하는 염료 감응형 태양전지의 제조방법.
The method according to claim 1,
The photo-
Forming a light absorbing layer on the first substrate,
Forming a light scattering layer on the light absorbing layer,
Immersing the light absorbing layer and the light scattering layer in a dye solution obtained by dissolving N719 dye and aerosol dye in a solvent to adsorb the N719 dye,
And washing the photoelectrode where the dye absorbs the N719 dye, and drying the photoelectrode.
제11항에 있어서,
상기 용매는 무수에탄올인 염료 감응형 태양전지의 제조방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the solvent is anhydrous ethanol.
제11항에 있어서,
상기 N719의 농도는 0.5mM 이상인 염료 감응형 태양전지의 제조방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the concentration of N719 is 0.5 mM or more.
제11항에 있어서,
상기 에어로졸 오티의 농도는 0.3~0.6mM 인 염료 감응형 태양전지의 제조방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the concentration of the aerosol is 0.3 to 0.6 mM.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 제조된 염료 감응형 태양전지.
A dye-sensitized solar cell produced by the method according to any one of claims 1 to 14.
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