KR101496723B1 - a Method and a Device for Manufacturing Flexible Dye-Sensitized Solar Cell - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조방법 및 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a manufacturing method of a flexible dye-sensitized solar cell and an apparatus for manufacturing a flexible dye-sensitized solar cell.
최근 실리콘 태양전지 모듈 가격인하로 효율 및 가격 경쟁력을 갖춘 친환경 에너지로 더욱 급부상하고 있다. 하지만 실리콘 태양전지는 태양 입사각에 따라 급격한 효율 변화, 투명성 확보 어려움, 실내에서 사용 시 효율이 급격히 감소하는 문제점 등이 있어, 이러한 문제점을 해결하고 효율 극대화하기 위하여 염료감응형 태양전지가 사용되고 있다.Recently, the price of silicon solar cell module has been lowered and it is emerging as eco-friendly energy with efficiency and price competitiveness. However, silicon solar cells have problems such as rapid efficiency change, difficulty in securing transparency, and drastic decrease in efficiency in indoor use depending on the angle of incidence of sun. In order to solve such problems and to maximize efficiency, dye-sensitized solar cells are used.
이러한 플렉시블 염료감응 태양 전지(DSC)는 광범위한 잠재력 때문에 상당한 주목을 받았다. 플렉시블 염료감응 태양 전지는 무선 센서, 모바일 전자 기기뿐만 아니라, 건물 일체형 태양 광 모듈의 전원으로 실내 응용 프로그램에 더 적합한 것으로 간주된다. 이는 염료감응 태양 전지에 사용되는 염료의 스펙트럼이 600 nm 이하에서 스펙트럼의 상당 부분이 창을 통해 형광등과 백열등과 간접 확산 햇빛 등의 실내 광원의 스펙트럼과 잘 맞기 때문이다. 반면, 600nm 이상의 실외 스펙트럼의 상당한 부분은 결정질 실리콘 태양 전지의 스펙트럼과 매우 유사하다. This flexible dye-sensitized solar cell (DSC) has received considerable attention due to its wide potential. Flexible dye-sensitized solar cells are considered to be more suitable for indoor application programs, as well as wireless sensors and mobile electronics as well as power for building integrated photovoltaic modules. This is because, when the spectrum of the dye used in the dye-sensitized solar cell is below 600 nm, much of the spectrum matches well with the spectrum of indoor light sources such as fluorescent lamps, incandescent lamps and indirect diffused sunlight through windows. On the other hand, a significant portion of the outdoor spectrum above 600 nm is very similar to the spectrum of crystalline silicon solar cells.
이러한 야외 조건이, 유기 태양 전지에 비해 실리콘 태양 전지의 높은 효율에 대한 이유 중 하나가 될 수 있다. 염료감응 태양 전지는 또한 건축 장치를 위한 매우 유망한 장점 중 하나이다. 태양의 빛을 선택적인 스펙트럼 영역을 흡수 하기 위해 적절한 염료의 선택에 의해 멀티 컬러 장치로 제조 될 수 있다. 염료감응 태양 전지의 또 다른 특징은 매우 고유한 특성인 유연성과 투명성이다. 결과적으로, 염료감응 태양 전지의 투명성은, 경쟁자인 비정형성 실리콘 태양 전지의 투명성에 비해서 높을 수 있다.These outdoor conditions can be one of the reasons for the high efficiency of silicon solar cells compared to organic solar cells. Dye-sensitized solar cells are also one of the very promising advantages for building systems. The sun's light can be made into a multicolor device by the selection of suitable dyes to absorb selective spectral regions. Another feature of dye-sensitized solar cells is their inherent flexibility and transparency. As a result, the transparency of the dye-sensitized solar cell can be higher than the transparency of the competitor, non-crystalline silicon solar cell.
하지만, 염료감응 태양 전지는 롤-투-롤 공정을 사용한 대량의 연속적 생산에 있어서, 고유의 장벽이 있다. 염료감응형 태양 전지는 TiO2 페이스트를 제조한 후, 이를 FTO 기판 위에서 스크린 프린팅 방법을 통해 필름 제작 후 밤새 건조 및 소결한 후, TiO2 필름을 유기 염료가 녹아 있는 용액 속에 침착시켜, 유기 염료가 TiO2 필름 속으로 흡착이 되도록 하여 제작한다. However, dye-sensitized solar cells have inherent barriers in large-scale continuous production using a roll-to-roll process. The dye-sensitized solar cell was manufactured by forming a TiO 2 paste on a FTO substrate by a screen printing method, drying and sintering the film overnight, depositing a TiO 2 film in a solution containing an organic dye, TiO 2 film.
그러나 상기와 같은 제조 방법에 의하면, 450 ℃ 이상의 고온 소결 과정을 통하여, TiO2 나노 분말 간의 더 나은 전기 접촉을 달성하고, 유기 바인더를 제거 하는데 있어서 필수적이나, 높은 온도에서 이 소결 과정은 기판에서 수행되는 플렉시블 폴리머와 양립할 수 없다. 이는 이들이 150 ℃를 초과하는 온도는 허용하지 않기 때문이다.However, according to the above manufacturing method, it is essential to achieve better electrical contact between the TiO 2 nano powders through the high-temperature sintering process at 450 ° C or higher and to remove the organic binder, but at a high temperature, It is incompatible with the flexible polymer. This is because they do not allow temperatures above 150 캜.
또한, TiO2 전극 사이의 기공에 염료의 침투에 적어도 몇 시간이 필요한 침지 공정도 문제이다. 염료감응 태양 전지의 디바이스 제조가 TiO2 표면에 고밀도 염료 분자에 대해 침지 공정을 사용하게 되어 있으나, 불행하게도, 이러한 공정은 신속한 생산에 적합 하지 않다. 또한, 침지 처리는 심지어 장치 성능 및 재현성을 위한 중요한 요소 중 하나와 동일한 조건에서, 이산화 티탄 전극의 염료의 양을 제어 하는 것도 매우 어렵다. 예를 들어, TiO2에 더 적은 양의 염료는 저 전류 밀도를 야기하고, TiO2에 너무 많은 염료는 자기 담금질에 따른 디바이스의 성능의 감소를 야기할 수 있다. 그러나 침지 공정을 제외하고는, 플렉시블 염료감응 태양 전지 장치에 대한 연구 또는 대체 공정이 없었다.Also, the immersion process which requires at least several hours of penetration of the dye into the pores between the TiO 2 electrodes is also a problem. Device fabrication of dye-sensitized solar cells has used an immersion process for high-density dye molecules on the TiO 2 surface, but unfortunately this process is not suitable for rapid production. It is also very difficult to control the amount of dye in the titanium dioxide electrode, under the same conditions as one of the important factors for device performance and reproducibility. For example, a dye of lower amounts to the TiO 2 is causing the low current density, so much dye on TiO 2 can cause a reduction in the performance of the device according to the self-quenching. However, except for the immersion process, there was no research or alternative process for flexible dye-sensitized solar cell devices.
따라서, 이러한 문제점을 해결할 수 있는 새로운 제조 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.
Therefore, there is a need for a new manufacturing method which can solve such a problem.
본 발명은 장시간 침지시키는 공정 없이 제작할 수 있는 제조방법을 이용하여 디바이스의 제작시간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라, 간단한 공정에 의하더라도 염료의 흡착량을 쉽게 조절할 수 있는 새로운 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
The present invention relates to a new flexible dye-sensitized solar cell capable of shortening the time required for fabricating a device by using a manufacturing method that can be manufactured without a long-time immersion process, And a method for producing the same.
상기와 같은 목적을 위하여,For the above purpose,
본 발명은 a) 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액 및 유기 염료 용액 각각을 별도의 공급수단을 통해 공급하는 단계; 및 The present invention provides a method for producing a nanoparticle metal oxide nanoparticle comprising: a) supplying a colloidal solution of a nanoparticle metal oxide and an organic dye solution, respectively, through separate feeding means; And
b) 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액 및 유기 염료 용액을 각각 별도의 분사수단을 통하여 플라스틱 기판 상에 동시에 분사시켜, 유기 염료가 나노입자 금속산화물에 나노입자 형태로 흡착되도록 하는 단계를 포함하는 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조방법을 제공한다.
b) simultaneously spraying a colloidal solution of the nanoparticulate metal oxide and an organic dye solution onto the plastic substrate, respectively, via separate injection means to cause the organic dye to be adsorbed in nanoparticle form to the nanoparticle metal oxide, A method of manufacturing a solar cell is provided.
또한, 본 발명은 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액을 분사하는 제1분사부; 유기 염료 용액을 분사하는 제2분사부; 및 상기 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액 및 유기 염료 용액의 분사 방향을 조절하는 질소분사부; 를 포함하고,The present invention also provides a method for producing a nanoparticle metal oxide nanoparticle comprising: a first jetting section for jetting a colloidal solution of a nanoparticle metal oxide; A second jetting portion for jetting the organic dye solution; And a nitrogen dispersing unit for regulating a spraying direction of the colloidal solution of the nanoparticle metal oxide and the organic dye solution; Lt; / RTI >
상기 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액 및 유기 염료 용액을 플라스틱 기판 상에 동시에 분사시켜, 유기 염료가 나노입자 금속산화물에 나노입자 형태로 흡착되도록 하는 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조장치를 제공한다.
A colloidal solution of the nanoparticle metal oxide and an organic dye solution are simultaneously injected onto a plastic substrate to cause the organic dye to be adsorbed in the nanoparticle form to the nanoparticle metal oxide.
본 발명의 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조방법에 의하면, According to the method for producing a flexible dye-sensitized solar cell of the present invention,
스프레이를 이용하여 분사하는 방법이므로, 장시간 염료를 흡착하여야 하는 종래의 기술에 비하여 디바이스 제작 시간을 획기적으로 단축하여 대량 생산이 가능할 뿐만 아니라, 흡착되는 양의 조절이 불가능했던 종래 기술과 달리, 비교적 간단한 공정에 의해 스프레이 방법으로 염료와 금속산화물을 플라스틱 기판에 분사시켜 염료 흡착량 조절이 가능하다는 장점이 있다.
It is possible to mass-produce the device by shortening the production time of the device significantly compared to the conventional technique in which the dye is to be adsorbed for a long period of time. In contrast to the prior art in which the adsorption amount can not be controlled, It is possible to control the dye adsorption amount by spraying the dye and the metal oxide onto the plastic substrate by the spraying method.
도 1은 본 발명의 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조장치의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조장치의 일례를 나타낸 사진이다.
도 3은 실시예 1에 의하여 제조된 플렉시블 염료감응형 태양전지의 일례를 나타낸 사진이다.
도 4는 비교예 1에 의하여 제조된 플렉시블 염료감응형 태양전지의 일례를 나타낸 사진이다.
도 5는 실시예 1 및 비교예 1에 플렉시블 염료감응형 태양전지의 표면을 촬영한 SEM 사진이다.1 is a schematic diagram of an apparatus for manufacturing a flexible dye-sensitized solar cell according to the present invention.
2 is a photograph showing an example of an apparatus for manufacturing a flexible dye-sensitized solar cell according to the present invention.
3 is a photograph showing an example of the flexible dye-sensitized solar cell manufactured in Example 1. Fig.
4 is a photograph showing an example of the flexible dye-sensitized solar cell manufactured by Comparative Example 1. Fig.
5 is an SEM photograph of the surface of a flexible dye-sensitized solar cell according to Example 1 and Comparative Example 1. FIG.
이하, 본 발명의 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조방법을 상세히 설명한다.
Hereinafter, a method of manufacturing the flexible dye-sensitized solar cell of the present invention will be described in detail.
본 발명의 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조방법은, In the method of manufacturing a flexible dye-sensitized solar cell of the present invention,
a) 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액 및 유기 염료 용액 각각을 별도의 공급수단을 통해 공급하는 단계; 및 a) supplying each of the colloidal solution and the organic dye solution of the nanoparticle metal oxide through separate feeding means; And
b) 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액 및 유기 염료 용액을 각각 별도의 분사수단을 통하여 플라스틱 기판 상에 동시에 분사시켜, 유기 염료가 나노입자 금속산화물에 나노입자 형태로 흡착되도록 하는 단계를 포함한다.
b) simultaneously spraying a colloidal solution of the nanoparticulate metal oxide and an organic dye solution onto the plastic substrate through separate injection means, respectively, so that the organic dye is adsorbed to the nanoparticle metal oxide in nanoparticle form.
스프레이 코팅 기술을 사용하여 염료감응형 태양전지를 제조하는 종래의 연구는 TiO2, 수열 합성된 나노 입자, Li 도핑된 NiO 필름, 카본 나노튜브, 코발트 나노 크리스탈 잉크 등에 내장된 고분자 나노 섬유(polymer nanofiber) 등을 사용하여 낮은 온도에서 전극을 제조하는 것에만 초점이 맞춰졌다. 하지만, 본 발명에서는 성막 방법으로서 스프레이의 장점을 이용하여, 스프레이방식의 공-증착 공정을 이용하는 염료감응형 태양전지의 새로운 간단한 제조 방법을 제안한다.
Conventional studies on the preparation of dye-sensitized solar cells using spray coating techniques have shown that polymer nanofibers embedded in TiO 2 , hydrothermally synthesized nanoparticles, Li-doped NiO films, carbon nanotubes, cobalt nano- ) Were used to focus on producing electrodes at low temperatures. However, the present invention proposes a new simple manufacturing method of a dye-sensitized solar cell using a spray-type co-deposition process, taking advantage of spray as a deposition method.
이하, 본 발명의 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조방법을 각 단계별로 살펴본다.
Hereinafter, a method of manufacturing a flexible dye-sensitized solar cell according to the present invention will be described.
먼저, 본 발명의 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조방법은 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액 및 유기 염료 용액 각각을 별도의 공급수단을 통해 공급하는 a) 단계를 포함한다.
First, the method of manufacturing a flexible dye-sensitized solar cell according to the present invention includes a) supplying each of a colloidal solution of a nanoparticle metal oxide and an organic dye solution through separate supplying means.
상기 금속산화물은 TiO2, ZnO 및 NiO로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
The metal oxide is preferably at least one selected from the group consisting of TiO 2 , ZnO, and NiO.
상기 유기 염료는 루테늄(Ruthenim)계 염료, 티오펜(thiophene)계 염료, 카바졸(Carbazole)계 염료 및 페닐아민(Phenylamine)계 염료로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
The organic dye is preferably one selected from the group consisting of ruthenium dyes, thiophene dyes, carbazole dyes, and phenylamine dyes.
상기 플라스틱 기판은 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 인듐-주석 산화물 코팅 폴리에틸렌 나프탈레이트(ITO-PEN) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (ITO-PET)로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
The plastic substrate is not particularly limited, but is preferably one selected from the group consisting of indium-tin oxide coated polyethylene naphthalate (ITO-PEN) or polyethylene terephthalate (ITO-PET).
이 후, 본 발명의 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조방법은 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액 및 유기 염료 용액을 각각 별도의 분사수단을 통하여 플라스틱 기판 상에 동시에 분사시켜, 유기 염료가 나노입자 금속산화물에 나노입자 형태로 흡착되도록 하는 b) 단계를 포함한다.
Thereafter, the method for manufacturing a flexible dye-sensitized solar cell of the present invention comprises simultaneously spraying a colloidal solution of a nanoparticle metal oxide and a solution of an organic dye onto a plastic substrate through separate injection means, To be adsorbed in nanoparticle form.
본 발명의 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조방법은 공-증착 프로세스를 이용하는 것으로서, 기판 상에, 예를 들어 플렉시블 인듐-주석 산화물 코팅 폴리에틸렌 나프탈레이트(ITO-PEN)에 뿌려 지기 전에, 나노입자 금속 산화물과 염료들 사이의 충돌을 통해 염료 코팅 금속 산화물 전극을 즉시 제조할 수 있다. 이 때, 금속 산화물 전극 상의 염료의 양은, 금속산화물 나노 분말과의 충돌 전의 염료 용액의 농도 및/또는 염료 용액의 분사율의 속도에 의하여 조절될 수 있다.The method of manufacturing a flexible dye-sensitized solar cell of the present invention utilizes a co-deposition process, and is preferably applied to the surface of a substrate such as nanoparticle metal (ITO) before being sprayed onto a substrate, for example, flexible indium-tin oxide coated polyethylene naphthalate Dye-coated metal oxide electrodes can be readily produced through collisions between oxides and dyes. At this time, the amount of dye on the metal oxide electrode can be controlled by the concentration of the dye solution and / or the rate of jetting of the dye solution before collision with the metal oxide nano powder.
그 결과로, 상기 나노입자 금속산화물에 대한 유기 염료의 포함비가 3.0 내지 7.0 중량%인 것이 염료의 손실 없이 금속 산화물 나노 입자에 흡수되어 가장 바람직하다. 상기 유기 염료의 포함비가 3.0중량% 미만이면 충분한 흡착이 이뤄지지 않는 문제가 있고, 7.0중량%를 초과하는 경우에는 잔류하는 염료 때문에 염료 코팅된 금속 산화물 전극의 색상이 어두운 검은 색을 나타내는 문제가 있다.As a result, it is most preferable that the content ratio of the organic dye to the nanoparticle metal oxide is 3.0 to 7.0% by weight, which is absorbed by the metal oxide nanoparticles without loss of the dye. If the content ratio of the organic dye is less than 3.0 wt%, there is a problem that sufficient adsorption can not be performed. If the content is more than 7.0 wt%, there is a problem that the color of the dye-coated metal oxide electrode is dark black due to the residual dye.
본 발명은 상기와 같이 나노입자 금속 산화물과 염료들 사이의 충돌을 통해 염료 코팅 금속 산화물 전극을 즉시 제조할 수 있기 때문에, 종래 기술과 같은 장시간의 침지 과정이 필요하지 않을 뿐 아니라, 금속 산화물 전극의 제조도 간단해 진다.Since the dye-coated metal oxide electrode can be produced immediately by collision between the nanoparticle metal oxide and the dyes as described above, the long-time immersion process as in the prior art is not required, And manufacturing becomes simple.
따라서, 본 발명의 제조방법에 의하여 제조되는 염료감응형 태양 전지 전극은 간단히 20 분 미만의 시간 내에, 10cm X 1cm의 크기(dimension)로 ITO-PEN 상에 염료감응형 태양전지 전극을 구성할 수 있다.
Therefore, the dye-sensitized solar cell electrode manufactured by the manufacturing method of the present invention can easily form a dye-sensitized solar cell electrode on ITO-PEN in a size of 10 cm X 1 cm in less than 20 minutes have.
또한, 본 발명의 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조방법은, 롤-투-롤 공정에 의해 플렉시블 염료감응형 태양전지의 대량 생산을 고려하여, 양호한 기계적 안정성과 높은 전기전도성을 갖는 고품질의 나노입자 금속산화물의 제조를 위하여, 고압 처리하는 단계 c)를 더 포함할 수 있다.
The method of manufacturing a flexible dye-sensitized solar cell of the present invention is a method of manufacturing a flexible dye-sensitized solar cell in which high-quality nanoparticles having good mechanical stability and high electrical conductivity, considering mass production of a flexible dye-sensitized solar cell by a roll- For the production of the metal oxide, it may further comprise step c) of high pressure treatment.
본 발명은 상기 c) 단계의 고압 처리로서 바람직하게는 CIP(Cold Isotactic Pressure) 공정을 이용할 수 있다. 이러한 CIP 공정에 의하여 제조된 금속산화물 전극의 물성 값은 유기 바인더와 열 처리가 없이도 플렉시블 염료감응형 태양전지 의 요구에 호환되는 것으로 알려졌다. 상기 CIP 공정의 압력은 100 내지 300Mpa인 것이 바람직하다.
In the present invention, a CIP (Cold Isotactic Pressure) process may be preferably used as the high-pressure process in the step c). It is known that the physical property values of the metal oxide electrode produced by the CIP process are compatible with the requirements of a flexible dye-sensitized solar cell without organic binder and heat treatment. The pressure of the CIP process is preferably 100 to 300 MPa.
또한, 본 발명은 상기 제조방법을 위한 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조장치를 제공한다.In addition, the present invention provides an apparatus for manufacturing a flexible dye-sensitized solar cell for the above manufacturing method.
상기 제조장치는 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액을 분사하는 제1분사부; 유기 염료 용액을 분사하는 제2분사부; 및 상기 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액 및 유기 염료 용액의 분사 방향을 조절하는 질소분사부; 를 포함하고,The manufacturing apparatus comprises: a first jetting portion for jetting a colloid solution of a nanoparticle metal oxide; A second jetting portion for jetting the organic dye solution; And a nitrogen dispersing unit for regulating a spraying direction of the colloidal solution of the nanoparticle metal oxide and the organic dye solution; Lt; / RTI >
상기 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액 및 유기 염료 용액을 플라스틱 기판 상에 동시에 분사시켜, 유기 염료가 나노입자 금속산화물에 나노입자 형태로 흡착되도록 하는 것을 특징으로 한다. 상기 제조장치의 개략도는 도 1과 같다.
The colloidal solution of the nanoparticle metal oxide and the organic dye solution are simultaneously sprayed on the plastic substrate so that the organic dye is adsorbed to the nanoparticle metal oxide in nanoparticle form. A schematic view of the manufacturing apparatus is shown in Fig.
본 발명에 따른 장치는, 예를 들어 도 2에서와 같이, 동시에 2가지 물질이 각각 조절 되어 스프레이 되기 직전 두 물질이 만나서 분사되는 방식을 취하고 있다. 즉 스프레이 방법을 이용하여 한쪽은 나노입자 금속산화물을 에탄올 용매에 분산시키고, 다른 한쪽은 염료를 유기용매에 녹인 후 동시에 각각의 양을 조절하여, 두 가지 물질이 나노 입자로 분사되기 직전 서로 만나서 염료가 금속산화물 입자에 흡착된 후, 균일한 나노 입자로 분사되어, 도 3와 같이 전도성 고분자 필름(ITO-PEN) 위에 일정한 형태로 필름을 형성할 수 있다. 이 때, 질소가스를 이용하여 분사의 방향을 제어한다.
The apparatus according to the present invention takes a method in which, for example, as shown in FIG. 2, two materials are met and sprayed simultaneously before the two materials are individually controlled and sprayed. In other words, the dye is dissolved in an organic solvent, and then the amount of the nanoparticle metal oxide is adjusted to be controlled at the same time using a spraying method. The two materials meet each other immediately before being injected into the nanoparticles, Is adsorbed on the metal oxide particles and then is sprayed with uniform nanoparticles to form a film on the conductive polymer film (ITO-PEN) as shown in Fig. At this time, the direction of injection is controlled by using nitrogen gas.
이하 본 발명을 실시예에 기초하여 더욱 상세하게 설명하지만, 하기에 개시되는 본 발명의 실시 형태는 어디까지 예시로써, 본 발명의 범위는 이들의 실시 형태에 한정되지 않는다. 본 발명의 범위는 특허청구범위에 표시되었고, 더욱이 특허 청구범위 기록과 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경을 함유하고 있다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the embodiments of the present invention described below are illustrative only and the scope of the present invention is not limited to these embodiments. The scope of the present invention is indicated in the claims, and moreover, includes all changes within the meaning and range of equivalency of the claims.
실시예Example
실시예Example : : 플렉시블flexible 염료감응형 태양전지의 제조 Manufacture of dye-sensitized solar cell
[실시예 1][Example 1]
에탄올 용액에 N719(TiO2에 대하여 5중량%)를 첨가하여 유기 염료 용액을 제조하고, 또 에탄올 내에 5 중량%의 P-25 TiO2를 첨가하여 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액을 제조하여, 각각 공급수단에 공급하였다. 이후 이들을 각각 0.1ml/min의 속도로 분사하였다. 100℃에서, 플렉시블 염료 코팅 TiO2 전극이 염료와 TiO2 나노 분말 사이의 충돌에 이은 염료의 TiO2로의 흡착에 의하여 ITO-PEN에 분사되기 전에 제조되었다. 염료는 충돌 후 TiO2 나노 입자에 즉시 흡착할 수 있었다.Adding N719 (5% by weight with respect to TiO 2) in an ethanol solution to prepare an organic dye solution, followed by again addition of the P-25 TiO 2 5% by weight in ethanol to prepare a colloidal solution of nanoparticles of metal oxides, respectively, And supplied to the supply means. They were then sprayed at a rate of 0.1 ml / min each. Was prepared from 100 ℃, flexible dye coated TiO 2 electrode before spraying the dye and TiO collision ITO-PEN by the adsorption of the dye to the TiO 2 followed by between 2 nanopowder. The dye was able to adsorb to TiO 2 nanoparticles immediately after collision.
이 때, TiO2 콜로이드 용액에 N719를 첨가함에 따라서, TiO2 나노 입자가 하얀색에서 분홍색으로 즉시 변화하는데, 이것이 염료의 흡착 때문이다. 상기 분사 시에 질소 가스를 이용하여 분사의 방향을 제어하였다. 이 후, 200Mpa에서 10분간 CIP 공정에 의하여 8um의 염료 코팅 TiO2 전극을 얻을 수 있다.At this time, as N719 is added to the TiO 2 colloid solution, the TiO 2 nanoparticles immediately change from white to pink, which is due to the adsorption of the dye. The injection direction was controlled using nitrogen gas during the injection. Thereafter, a dye-coated TiO 2 electrode of 8 μm can be obtained by a CIP process at 200 MPa for 10 minutes.
이 후, 아세토 니트릴과 3-메톡시프로피오니트릴이 부피비 1:1로 섞인 용매에 0.04M의 I2, 0.4M의 Tetrabutylamonium iodide, 0.4M의 요오드화 리튬, 0.3M의 N-methylbenzimidazole이 포함된 전해액에서, Pt/ITO-PEN을 염료 코팅 TiO2/ITO-PEN에 접합하여 염료감응형 태양전지를 구성하였다. 상기 전해액은 모세관 현상에 의해 전극 사이에 채워졌다.
Thereafter, an electrolyte solution containing 0.04 M of I 2 , 0.4 M of tetrabutylammonium iodide, 0.4 M of lithium iodide and 0.3 M of N-methylbenzimidazole was added to a solvent in which acetonitrile and 3-methoxypropionitrile were mixed at a volume ratio of 1: 1 , A dye-sensitized solar cell was constructed by bonding Pt / ITO-PEN to dye-coated TiO 2 / ITO-PEN. The electrolyte was filled between the electrodes by capillary action.
[비교예 1][Comparative Example 1]
ITO-PEN (사이즈; 10cm*1cm) 에 플렉시블 TiO2 전극을 100℃에서 0.2 ㎖/분의 분사 속도로 EtOH 내의 2.5 중량%의 TiO2(P -25 나노 분말)를 사용하여 제조하였다. 이 때, 두께가 30um의 TiO2 전극을 얻을 때까지 멀티 증착(Multidepositions)이 계속 수행되었다. 이 후, 제조된 TiO2 전극을 진공에서 비닐 봉투에 밀봉되었고, 이 후, 10분간 200Mpa에서 CIP 공정에 의하여 처리하였다. 상기 CIP 처리에 의해, TiO2 막의 두께는 CIP 처리 이전에 비해 약 1/3 정도(약 10 ㎛) 감소되었다. 이러한 스프레이 증착에 의해 제조된 플렉시블 TiO2 전극을 도 4에 나타냈다. A flexible TiO 2 electrode was prepared using ITO-PEN (size: 10 cm * 1 cm) at a spray rate of 0.2 ml / min at 100 ° C using 2.5 wt% TiO 2 (P-25 nano powder) in EtOH. At this time, the multi-depositions were continuously performed until a TiO 2 electrode having a thickness of 30 μm was obtained. The TiO 2 electrode thus prepared was sealed in a plastic bag under vacuum and then treated by CIP at 200 MPa for 10 minutes. By the above CIP treatment, the thickness of the TiO 2 film was reduced by about 1/3 (about 10 탆) compared to that before the CIP treatment. A flexible TiO 2 electrode produced by such a spray deposition is shown in FIG.
이 후, ITO-PEN 상의 플렉시블 TiO2 전극은, ITO-PEN 상에 염료 코팅 TiO2 전극을 만들기 위하여 0.1mM의 N719 에탄올 용매에 하룻밤 동안 침지하였다. 이 후, 아세토 니트릴과 3-메톡시프로피오니트릴이 부피비 1:1로 섞인 용매에 0.04M의 I2, 0.4M의 4-tert-butylpyridine, 0.4M의 요오드화 리튬, 0.3M의 N-methylbenzimidazole이 포함된 전해액에서, Pt/ITO-PEN을 염료 코팅 TiO2/ITO-PEN에 접합하여 염료감응형 태양전지를 구성하였다. 상기 전해액은 모세관 현상에 의해 전극 사이에 채워졌다.
After this, a flexible TiO 2 electrode on ITO-PEN was immersed in 0.1 mM N719 ethanol solvent overnight to make a dye-coated TiO 2 electrode on ITO-PEN. After that, 0.04M of I2, 0.4M of 4-tert-butylpyridine, 0.4M of lithium iodide and 0.3M of N-methylbenzimidazole were added to the solvent in which acetonitrile and 3-methoxypropionitrile were mixed in a volume ratio of 1: The dye-sensitized solar cell was constructed by bonding Pt / ITO-PEN to dye-coated TiO 2 / ITO-PEN in the electrolyte solution. The electrolyte was filled between the electrodes by capillary action.
실험예Experimental Example
염료감응형 태양전지의 성능 확인Confirmation of performance of dye-sensitized solar cell
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 염료감응형 태양전지의 디바이스 성능을 Pt/ITO-PEN 및 염료 코팅 TiO2/ITO-PEN 간에 적절한 밀봉 없이 개방 셀 구조에서 즉시 측정하여 표 1에 나타내었다. The device performance of the dye sensitized solar cell prepared in Example 1 and Comparative Example 1 was immediately measured in an open cell structure without proper sealing between Pt / ITO-PEN and dye-coated TiO 2 / ITO-PEN and is shown in Table 1 .
실시예 1에서 제조된 플렉시블 염료감응형 태양전지 장치는 단락 광전류 밀도 (short-circuit photocurrent density; Jsc)가 10.0 mA/cm2, 개방 전압(open-circuit voltage; Voc) 가 690 mV, FF(fill factor)가 0.58에서 photo-conversion efficiency(PCE)가 3.7%로 나타났다. The flexible dye-sensitized solar cell device manufactured in Example 1 has a short-circuit photocurrent density (Jsc) of 10.0 mA / cm2, an open-circuit voltage (Voc) of 690 mV, a fill factor ) Was 0.58 and the photo-conversion efficiency (PCE) was 3.7%.
비교예 1에서 제조된 플렉시블 염료감응형 태양전지 장치는, 단락 광전류 밀도 (short-circuit photocurrent density; Jsc)가 10.9 mA/cm2, 개방 전압(open-circuit voltage; Voc) of 736 mV, FF(fill factor)가 0.59에서 photo-conversion efficiency(PCE)가 4.7%인 것으로 측정되었다.The flexible dye-sensitized solar cell device manufactured in Comparative Example 1 had a short-circuit photocurrent density (Jsc) of 10.9 mA / cm2, an open-circuit voltage (Voc) of 736 mV, factor was 0.59 and the photo-conversion efficiency (PCE) was 4.7%.
또한, 비교예 1에 의하여 제조된 염료 코팅 TiO2의 표면 이미지(a 및 b) 및 실시예 1 에 의하여 제조된 염료 코팅 TiO2의 표면 이미지 (c 및 d)를 주사 전자 현미경(SEM)을 통해 촬영하여 도 5에 나타내었다.In addition, the surface images (a and b) of the dye-coated TiO 2 prepared in Comparative Example 1 and the surface images (c and d) of the dye-coated TiO 2 prepared in Example 1 were observed through a scanning electron microscope It is photographed and shown in Fig.
상기 결과를 통하여 볼 때, 실시예 1의 효율은, 종래의 침지 과정에 의해 만든 장치의 효율의 85 % 에 달했다. From the above results, the efficiency of Example 1 reached 85% of the efficiency of the device made by the conventional immersion process.
즉, 본 발명에 의하여 제조된 플렉시블 염료감응형 태양전지 장치는 종래의 침지 공정에 의하여 제조된 것 보다 약간 낮은 효율을 갖지만, 본 발명은 침지 공정의 긴 시간을 필요로 하지 않고, TiO2 전극의 제조를 위한 높은 온도의 소결 공정 역시 필요로 하지 않는다는 점에서 볼 때, 이러한 장점을 통하여, 본 발명의 스프레이 코팅 공정이 대량 생산과 대면적 장치 제조에 매우 유망하다는 것을 알 수 있다.
That is, a flexible dye-sensitized solar cell device manufactured by the present invention has the slightly lower efficiency than that prepared by the conventional dipping process of the present invention does not require a long time for the immersion process, TiO 2 electrode From this point of view, it can be seen that the spray coating process of the present invention is very promising for mass production and large area device manufacturing, in that it does not require a high temperature sintering process for manufacturing.
Claims (11)
b) 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액 및 유기 염료 용액을 각각 별도의 분사수단을 통하여 플라스틱 기판 상에 동시에 분사시켜, 유기 염료가 나노입자 금속산화물에 나노입자 형태로 흡착되도록 하는 단계를 포함하는 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조방법.a) supplying each of the colloidal solution and the organic dye solution of the nanoparticle metal oxide through separate feeding means; And
b) simultaneously spraying a colloidal solution of the nanoparticulate metal oxide and an organic dye solution onto the plastic substrate, respectively, via separate injection means to cause the organic dye to be adsorbed in nanoparticle form to the nanoparticle metal oxide, A method of manufacturing a solar cell.
상기 금속산화물은 TiO2, ZnO 및 NiO로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the metal oxide is at least one selected from the group consisting of TiO 2 , ZnO, and NiO.
상기 유기 염료는 루테늄(Ruthenim)계 염료, 티오펜(thiophene)계 염료, 카바졸(Carbazole)계 염료 및 페닐아민(Phenylamine)계 염료로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the organic dye is any one or more selected from the group consisting of ruthenium dyes, thiophene dyes, carbazole dyes and phenylamine dyes. Type solar cell.
상기 b) 단계에서, 유기 염료가 나노입자 금속산화물에 나노입자 형태로 흡착될 때,
상기 나노입자 금속산화물에 대한 유기 염료의 포함비가 3.0 내지 7.0 중량%인 것을 특징으로 하는 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조방법.The method according to claim 1,
In the step b), when the organic dye is adsorbed to the nanoparticle metal oxide in nanoparticle form,
Wherein the ratio of the organic dye to the nanoparticle metal oxide is from 3.0 to 7.0% by weight.
c) 고압 처리하는 단계를 더 포함하는 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조방법.The method according to claim 1,
c) subjecting the resulting mixture to high-pressure treatment.
상기 c) 단계의 고압 처리는 CIP(Cold Isotactic Pressure) 공정인 것을 특징으로 하는 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조방법.The method of claim 5,
Wherein the high-pressure treatment in step c) is a CIP (cold isotactic pressure) process.
상기 CIP 공정의 압력은 100 내지 300Mpa인 것을 특징으로 하는 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조방법.The method of claim 6,
Wherein the pressure of the CIP process is 100 to 300 MPa.
유기 염료 용액을 분사하는 제2분사부; 및
상기 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액 및 유기 염료 용액의 분사 방향을 조절하는 질소분사부; 를 포함하고,
상기 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액 및 유기 염료 용액을 플라스틱 기판 상에 동시에 분사시켜, 유기 염료가 나노입자 금속산화물에 나노입자 형태로 흡착되도록 하는 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조장치.A first jetting portion for jetting a colloidal solution of nanoparticle metal oxide;
A second jetting portion for jetting the organic dye solution; And
A nitrogen splitting unit for adjusting a spraying direction of the colloidal solution of the nanoparticle metal oxide and the organic dye solution; Lt; / RTI >
Wherein the colloidal solution of the nanoparticle metal oxide and the organic dye solution are simultaneously sprayed on the plastic substrate to cause the organic dye to be adsorbed in nanoparticle form to the nanoparticle metal oxide.
상기 금속산화물은 TiO2, ZnO 및 NiO로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조장치.The method of claim 8,
Wherein the metal oxide is at least one selected from the group consisting of TiO 2 , ZnO, and NiO.
상기 유기 염료는 루테늄(Ruthenim)계 염료, 티오펜(thiophene)계 염료, 카바졸(Carbazole)계 염료 및 페닐아민(Phenylamine)계 염료로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조장치.The method of claim 8,
Wherein the organic dye is any one or more selected from the group consisting of ruthenium dyes, thiophene dyes, carbazole dyes and phenylamine dyes. Type solar cell.
상기 유기 염료가 상기 나노입자 금속산화물에 나노입자 형태로 흡착될 때,
상기 나노입자 금속산화물에 대한 유기 염료의 포함비가 3.0 내지 7.0 중량%인 것을 특징으로 하는 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조장치.The method of claim 8,
When the organic dye is adsorbed to the nanoparticle metal oxide in nanoparticle form,
Wherein the ratio of the organic dye to the nanoparticle metal oxide is 3.0 to 7.0% by weight.
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2014
- 2014-03-21 KR KR20140033360A patent/KR101496723B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (4)
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