KR101514276B1 - Nanocarbon-based TCO- and Pt-free counter electrodes for dye-sensitized solar cell and its method - Google Patents

Nanocarbon-based TCO- and Pt-free counter electrodes for dye-sensitized solar cell and its method Download PDF

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윤성환
이건웅
김미형
우종석
이동윤
정은지
차승일
한중탁
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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing an integrated conductive catalyst electrode based on nanocarbon in which carbon nanotube and graphene oxide are mixed and a catalyst electrode manufactured by the same, which is used as a catalyst electrode with conductivity by coupling a non-conductive substrate to a film based on nanocarbon in which carbon nanotube and graphene oxide are mixed. The method includes: a first step of dispersing carbon nanotube powder in a first solvent to make dispersing solution; a second step of dispersing graphene oxide powder in a second solvent to make dispersing solution; a third step of mixing respective dispersing solution formed in the first and second steps to make mixing solution; a fourth step of coupling the mixing solution of the third step to the surface of a non-conductive substrate; a fifth step of primarily drying the substrate which has gone through the fourth step; a sixth step of reducing the graphene oxide coupled to the surface of the conductive substrate which has gone through the fifth step using a water-based electrolyte in an electrochemical reduction method; and a seventh step of secondarily drying the substrate which has gone through the sixth step. Preferably, a relative electrode of a solar cell is provided. The catalyst electrode of the present invention can be applied to a flexible plastic substrate by adopting a low temperature process and achieve high performance similarly to existing platinum by a cheap single nanocarbon electrode layer formed on the substrate, thereby being used as a catalyst electrode and being supplied at a low price by reducing material costs due to no use of platinum and a conductive transparent electrode.

Description

탄소나노튜브와 그래핀산화물이 혼합된 나노카본 기반 일체형 전도성 촉매전극의 제조방법 및 이에 의해 제조된 촉매전극{Nanocarbon-based TCO- and Pt-free counter electrodes for dye-sensitized solar cell and its method}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a nanocarbon-based conductive catalyst electrode, a nanocarbon-based TCO- and a Pt-free counter electrode,

본 발명은 나노카본 기반 일체형 전도성 촉매전극에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄소나노튜브와 그래핀산화물이 혼합되어 이루어지는 나노카본 기반의 소재를 이용함으로써 전도성 기판과 촉매소재를 동시에 대체할 수 있고 저온공정이 가능하므로 비전도성 유리 또는 플라스틱에 적용가능한 에너지 절감형 공정기술을 도모하고 재료비 절감이 가능하도록 하는 비금속성 저가형 탄소나노튜브와 그래핀산화물이 혼합된 나노카본 기반 일체형 전도성 촉매전극의 제조방법 및 이에 의해 제조된 촉매전극에 관한 것이다.The present invention relates to a nanocarbon-based integrated conductive catalyst electrode, and more particularly, to a nanocarbon-based conductive electrode using a nanocarbon-based material in which a carbon nanotube and a graphene oxide are mixed, A method of fabricating a nano-carbon based integrated conductive catalyst electrode in which non-conductive low-cost carbon nanotubes and graphene oxide are mixed so that energy-saving process technology applicable to nonconductive glass or plastic can be achieved and material cost can be reduced, and Lt; / RTI >

일반적으로, 염료감응형 태양전지의 경우 상대전극으로는 전기전도성 및 저항 등을 고려하여 통상적으로 백금을 전도성 기판에 코팅하여 사용하게 된다. 한편, 최근에는 백금의 고가성으로 인하여 이를 대체하기 위한 다양한 시도들이 시행되고 있으며, 그 중 탄소나노튜브를 이용해 다양한 형태의 전극을 제조하고 있다.Generally, in the case of a dye-sensitized solar cell, platinum is usually coated on a conductive substrate in consideration of electrical conductivity and resistance as a counter electrode. In recent years, various attempts have been made to replace the platinum due to the high price of platinum, and various types of electrodes are manufactured using carbon nanotubes.

기본적으로 이러한 태양전지의 상대전극은 도1에 도시된 바와 같이, 베이스가 되는 기판(30)위에 전도성을 가지는 ITO 또는 FTO로 이루어지는 전도성물질(20)을 진공증착하여 전도성기판을 만들고, 그 상면에 백금(10) 또는 나노카본 이나 전도성고분자와 같은 백금대체전극(40)을 추가로 코팅하여 촉매전극으로 사용하게 된다.Basically, as shown in FIG. 1, a conductive substrate 20 made of ITO or FTO having conductivity is vacuum deposited on a substrate 30 to be a base, thereby forming a conductive substrate. On the upper surface of the conductive substrate 20, Platinum 10 or a platinum substitute electrode 40 such as nano-carbon or a conductive polymer is further coated to be used as a catalyst electrode.

이러한 구조에서는 베이스가 되는 기판은 전도성을 가지는 ITO 또는 FTO가 상면에 코팅된 유리기판을 사용하거나 또는 전도성을 가지는 금속으로 이루어지는 금속기판을 사용하고, 그 상면에 백금대체제로 탄소나노튜브를 이용하여 사용한다. 통상 상기의 경우, 제조공정이 까다로워 제작비용이 비싸지고, 고온열처리가 필요하여 플라스틱 기판은 사용할 수 없게 된다. 따라서 최근의 경량형 플렉시블한 장치에는 사용할 수 없는 문제점이 있다. In this structure, the substrate to be the base may be a glass substrate coated with ITO or FTO having conductivity, or a metal substrate made of a metal having conductivity, and using carbon nanotubes as a substitute for platinum on the upper surface thereof do. Generally, in the above case, the production process becomes complicated, and the manufacturing cost becomes high, and the plastic substrate can not be used because high temperature heat treatment is required. Therefore, there is a problem that it can not be used in a recent lightweight flexible apparatus.

또한, 최근 염료감응형 태양전지에서 개발에 관한 가장 중요한 도전중의 하나는 상대전극으로 사용되는 백금(Pt)이 희소성 고가의 소재이므로 이를 효율적으로 대체할 수 있는 소재를 개발하여 염료감응형 태양전지의 대규모 제작에서의 경제성을 확보하려는 것이다. 이에 부응하는 하나의 대안으로써 그래핀을 이용하는데 많은 연구들이 수행되고 있다.Recently, one of the most important challenges in the development of a dye-sensitized solar cell is to develop a material that can efficiently replace platinum (Pt) used as a counter electrode since the material is scarce and expensive, In order to secure economical efficiency in large scale production. A number of studies have been conducted to use graphene as an alternative to this.

그러나, 그래핀산화물(graphene oxide)은 절연체로써 전극소재로 사용하기 위해서는 필히 환원공정을 거쳐야 하며, 이때 주로 하이드라진과 같은 독성이 강한 화학약품을 사용하여 환원함으로써 매우 위험한 작업일 뿐만 아니라 환경에도 많은 악영향을 주는 문제점이 있다. However, graphene oxide is an insulator and must be subjected to a reduction process in order to be used as an electrode material. In this case, it is a very dangerous operation by mainly using chemicals having high toxicity such as hydrazine, .

또한, 그래핀산화물은 전기화학적 촉매제로 최근 많이 연구되고 있으며, 주로 그래핀나노플레이트(graphene nanoplate, GNP)형태를 주로 사용하고, GNP를 전도성 유리기판에 광 투과율이 70%이하가 되도록 코팅하고, 이를 300℃이상의 고온의 열처를 거쳐 촉매전극을 제조하게 된다. 따라서 이 경우에는 플렉시블한 플라스틱 기판은 사용할 수 없게 되는 문제점이 있다.Recently, graphene nanoplate (GNP) has been mainly used as an electrochemical catalyst, and GNP is coated on a conductive glass substrate to have a light transmittance of 70% or less, And the catalyst electrode is manufactured through a heat treatment at a high temperature of 300 ° C or higher. In this case, therefore, a flexible plastic substrate can not be used.

대한민국 특허(출원번호 : 10-2010-0092512호)Korea Patent (Application No.: 10-2010-0092512) 대한민국 특허(출원번호 : 10-2012-0012881호)Korea Patent (Application No.: 10-2012-0012881) 대한민국 특허(출원번호 : 10-2012-0026276호)Korean Patent (Application No.: 10-2012-0026276)

따라서 본 발명은 상기 필요성에 의해 안출된 것으로서, 기존의 고가의 전도성 박막과 백금과 같은 촉매소재를 동시에 대체할 수 있는 나노카본 기반의 소재를 이용하여 비전도성유리나 플라스틱 기판에 단일층으로 코팅하여 전극을 제조함으로써 공정단순화 및 저가형으로 만들고, 저온공정이 적용됨으로써 유연한 플라스틱 기판에 적용가능하도록 할뿐만 아니라 보다 높은 효율을 달성할 수 있는 상대전극의 제조방법 및 그 상대전극 제공을 그 목적으로 한다.Accordingly, the present invention has been made in view of the above-mentioned need, and it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a thin film capacitor, which uses a nano-carbon based material capable of simultaneously replacing existing expensive conductive thin film and catalyst material such as platinum, The present invention also provides a method of manufacturing a counter electrode and a counter electrode that can be applied to a flexible plastic substrate by applying a low-temperature process, and can achieve higher efficiency.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 탄소나노튜브 분말을 제1용매에 분산하여 분산용액을 만드는 제1단계; 그래핀산화물 분말을 제2용매에 분산하여 분산용액을 만드는 제2단계; 제1단계와 제2단계에서 형성된 각 분산용액을 혼합하여 혼합용액을 만드는 제3단계; 제3단계의 혼합용액을 비전도성기판 표면에 결합시키는 제4단계; 제4단계를 거친 기판을 제1건조시키는 제5단계; 제5단계를 마친 전도성기판의 표면에 결합된 그래핀산화물을 수계전해질을 이용하여 전기화학적 환원법으로 환원시키는 제6단계; 제6단계를 마친 기판을 제2건조시키는 제7단계;로 이루어져, 비전도성 기판위에 탄소나노튜브와 그래핀산화물이 혼합되어 이루어진 나노카본 기반의 막이 결합되어 전도성을 이루어 촉매전극으로 사용되는 탄소나노튜브와 그래핀산화물이 혼합된 나노카본 기반의 일체형 전도성 촉매전극의 제조방법을 제공하는 것을 기술적 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a carbon nanotube, including: a first step of dispersing a carbon nanotube powder in a first solvent to form a dispersion solution; A second step of dispersing the graphene oxide powder in a second solvent to prepare a dispersion solution; A third step of mixing the dispersion solutions formed in the first and second steps to prepare a mixed solution; A fourth step of bonding the mixed solution of the third step to the surface of the nonconductive substrate; A fifth step of first drying the substrate after the fourth step; A sixth step of reducing the graphene oxide bound to the surface of the conductive substrate after the fifth step by an electrochemical reduction method using an aqueous electrolyte; And a second step of drying the substrate after the sixth step, wherein the nano-carbon based film formed by mixing the carbon nanotubes and the graphene oxide is bonded on the nonconductive substrate to form the carbon nano- The present invention provides a method for manufacturing a nano-carbon-based integrated conductive catalyst electrode in which a tube and a graphene oxide are mixed.

그리고 바람직 하기로는, 상기 제1단계는, 분산제가 더 혼합되고, 제1용매는 물, 알코올, 아세톤, 디메틸설폭사이드(DMSO), 디메틸폼아미드(DMF), 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 피리딘 및 테트라하이드로퓨란(THF) 중 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합하여 사용되고, 상기 분산제는, 소듐도데실설포네이트(sodium dodeclysulfonate), 소듐도데실벤젠설포네이트(sodium dodecylbenzenesulfonate ), 소듐테트라프로필벤젠설포네이트(sodium tetrapropylenebenzenesulphonate), Triton X 중 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합하여 사용되며, 탄소나노튜브의 분산용액은 10,000 rpm 이상의 원심분리를 통해 분산이 되지 못한 탄소나노튜브 덩어리(aggregates)를 제거하여 정제되도록 한다. Preferably, in the first step, the dispersing agent is further mixed and the first solvent is at least one selected from the group consisting of water, alcohol, acetone, dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), benzene, toluene, xylene, Tetrahydrofuran and tetrahydrofuran (THF), wherein the dispersant is selected from the group consisting of sodium dodecylsulfonate, sodium dodecylbenzenesulfonate, sodium tetrapropylbenzenesulfonate tetrapropylene benzenesulphonate), and Triton X. The carbon nanotube dispersion solution is centrifuged at 10,000 rpm or more to remove carbon nanotube aggregates that have not been dispersed and purified.

또한, 상기 제2단계의 용매는, 물, 알코올, 아세톤, 디메틸설폭사이드(DMSO), 디메틸폼아미드(DMF), 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 피리딘 및 테트라하이드로퓨란(THF) 중 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합하여 사용되고, 제3단계의 혼합용액은, 탄소나노튜브 분산용액의 총중량 또는 총부피에 대하여 그래핀산화물 분산용액이 2 내지 10%의 범위로 혼합되어 이루어지도록 한다.The solvent in the second step may be any one or two of water, alcohol, acetone, dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), benzene, toluene, xylene, pyridine, and tetrahydrofuran And the mixed solution in the third step is mixed with the graphene oxide dispersion solution in the range of 2 to 10% based on the total weight or the total volume of the carbon nanotube dispersion solution.

상기 제4단계에서 사용되는 기판은, 기판은 비전도성의 유리 또는 플라스틱으로 이루어지며, 상기 제4단계의 혼합용액을 기판에 결합시키는 것은 혼합용액을 비산시켜 코팅하는 스프레이 코팅하거나 혼합용액을 필터페이퍼에 걸러 종이형태로 만든 후 기판에 전사하는 방법으로 이루어지도록 한다. 제4단계이후, 표면에 붙어 있는 분산제를 제거하기 위하여 증류수로 세척하는 단계를 더 포함하며, 상기 제5단계의 제1건조는 20 내지 150℃의 온도에서 건조되도록 한다.The substrate to be used in the fourth step may be formed of a nonconductive glass or plastic. The bonding of the mixed solution of the fourth step to the substrate may be performed by spray coating or spray coating of the mixed solution, And then transferred to a substrate. The fourth step further comprises washing with distilled water to remove the dispersant adhering to the surface, wherein the first drying in the fifth step is performed at a temperature of 20 to 150 ° C.

그리고, 제6단계의 환원은 수계전해질에서 전기화학적으로 환원이 이루어지도록 하며, 바람직 하기로는, 상기 그래핀산화물이 포함된 기판을 작동전극으로 사용하고, Ag/AgCl 전극을 기준전극으로,백금 판을 상대전극으로 사용하고, 물의 전도성을 부여하기 위해 0.05 ~ 0.2 M의 인산염 버퍼 수용액(phosphate buffer solution, PBS)이 사용되도록 한다.Preferably, the substrate containing the graphene oxide is used as the working electrode, the Ag / AgCl electrode is used as the reference electrode, the platinum plate is used as the reference electrode, Is used as a counter electrode, and a 0.05 to 0.2 M phosphate buffer solution (PBS) is used to impart water conductivity.

한편, 본 발명은 비전도성 기판에 탄소나노튜브와 그래핀산화물의 혼합용액 을 결합시키고, 상기 그래핀산화물의 환원에 의해 형성된 기판은 촉매전극으로 사용되고, 상기 촉매전극은 염료감응형 태양전지의 상대전극으로 사용되는 것을 다른 기술적 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of fabricating a dye-sensitized solar cell, comprising combining a carbon nanotube and a graphene oxide mixed solution on a non-conductive substrate, Another technical feature is that it is used as an electrode.

상기 발명은 독성물질을 사용하지 않으므로 친환경적일 뿐만 아니라 저온공정을 채택하여 유연한 플라스틱 기판에 적용가능한 효과가 있다.Since the present invention does not use a toxic substance, it is eco-friendly and can be applied to a flexible plastic substrate by employing a low-temperature process.

또한, 비전도성 기판 위에 저가의 나노카본 전극 한층으로 이루어지므로 재료비 절감 및 제조공정읜 단순화가 가능하고, 기존의 백금과 유사한 고성능을 달성 할 수 있어 촉매전극으로의 사용이 가능한 다른 효과도 있다.In addition, since a low-cost nano-carbon electrode is formed on a nonconductive substrate in one layer, it is possible to reduce the material cost and simplify the manufacturing process, and achieve high performance similar to that of the existing platinum, thereby providing another effect that can be used as a catalyst electrode.

도1은 종래 ITO 또는 FTO가 코팅된 전도성기판에 전도성촉매가 부착된 전극 을 나타낸 개념도.
도 2는 본 발명에 의한 탄소나노튜브와 그래핀산화물의 혼합으로 이루어진 나노카본 기반 일체형 전도성 전극을 나타낸 개념도.
도3은 본 발명에 따른 그래핀산화물의 전기화학적 환원을 위한 셀 구조를 나타낸 도.
도4는 본 발명에 따라 유리기판에 코팅된 SWNT 전도성 촉매전극의 (a) 투과율 곡선과 태양전지에 적용한 (b) 광전류­전압 곡선 및 (c) 임피던스 곡선 (1 sun, 개방전압 조건)을 나타낸 도.
도5는 본 발명에 따른 유리기판에 코팅된 SWNT 전도성 촉매전극의 (a) 라만스펙트라, (b) XPS spectra 및 (c) 표면 SEM 사진 (면저항 30 Ω/sq.)을 나타낸 도.
도6은 본 발명에 따른 전극 코팅을 위한 CNT분산용액의 스프레이 코팅 횟수에 따른 면저항 변화를 나타낸 도.
도7은(a) ITO코팅된 PET 기판에 진공증착한 Pt 상대전극과 본 발명에 따라 PET 기판에 도포한 SWNT와 SWNT/GO 복합전극을 상대전극으로 사용한 염료감응 태양전지의 광전류-전압 곡선. *chemical reduction: 하이드라진 증기를 사용하여 GO를 환원시킨 경우. **electrochemcial reduction: GO를 전기화학적으로 환원시킨 경우. (b) SWNT/GO=95/5 (v/v) 분산용액을 사용해 도포한 전극 표면 주사현미경 사진을 나타낸 도.
도8은 본 발명에 따라 PET 플라스틱 기판에 도포된 (a) GO가 포함된 SWNT 복합전극의 전기화학적 환원곡선 및 이를 상대전극으로 사용한 염료감응 태양전지의 광전류-전압 곡선. SWNT/GO 분산용액의 GO 함량에 따른 SWNT/GO 전극의 표면 SEM 사진. (c) SWNT/GO=98/2 (v/v), (d) SWNT/GO=85/15을 나타낸 도.
도9는 SWNT/GO 복합전극 제조에 사용된 GO의 물리적 및 화학적 특성. (a) 라만스펙트라, (b) XPS spectra, (c) SiO2 기판에 스핀코팅한 GO 전극의 표면 SEM 사진을 나타낸 도.
도10은 본 발명에 따른 전극의 (a) 굽힘 정도에 따른 저항변화, (b) 굽힘 반복횟수에 따른 저항변화를 나타낸 도.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a conceptual view showing an electrode in which a conductive catalyst is attached to a conductive substrate coated with ITO or FTO.
FIG. 2 is a conceptual diagram showing a nano-carbon based integrated conductive electrode formed by mixing a carbon nanotube and a graphene oxide according to the present invention.
3 illustrates a cell structure for electrochemical reduction of graphene oxide according to the present invention.
FIG. 4 is a graph showing a transmittance curve of a SWNT conductive catalyst electrode coated on a glass substrate according to the present invention, a graph (b) of a photocurrent voltage applied to a solar cell, and an impedance curve (1 sun, .
5 is a graph showing (a) Raman spectra, (b) XPS spectra and (c) surface SEM images (sheet resistance 30 Ω / sq.) Of the SWNT conductive catalyst electrode coated on the glass substrate according to the present invention.
6 is a graph showing changes in sheet resistance according to the number of times of spray coating of a CNT dispersion solution for electrode coating according to the present invention.
7 is a graph showing the photocurrent-voltage curve of a dye-sensitized solar cell using a Pt counter electrode, which is vacuum-deposited on an ITO-coated PET substrate, and a SWNT and SWNT / GO composite electrode coated on a PET substrate according to the present invention as a counter electrode. * chemical reduction: when GO is reduced using hydrazine vapor. ** electrochemcial reduction: when GO is electrochemically reduced. (b) Scanning electron micrograph of electrode surface coated with SWNT / GO = 95/5 (v / v) dispersion solution.
FIG. 8 is an electrochemical reduction curve of (a) SWNT composite electrode coated on a PET plastic substrate according to the present invention, and a photocurrent-voltage curve of the dye-sensitized solar cell using the same as a counter electrode. Surface SEM photograph of SWNT / GO electrode according to GO content of SWNT / GO dispersion solution. (c) SWNT / GO = 98/2 (v / v), and (d) SWNT / GO = 85/15.
Figure 9 shows the physical and chemical properties of GO used in the manufacture of SWNT / GO composite electrodes. (a) Raman spectra, (b) XPS spectra, and (c) SiO 2 substrates.
FIG. 10 is a view showing a resistance change according to a bending degree of the electrode according to the present invention, and (b) a resistance variation according to a bending repeat number. FIG.

본 발명은, 기본적으로 비전도성 유리 또는 유연한 비전도성 플라스틱 기판 위에 나노카본 기반의 소재 한층을 결합하여 염료감응형 태양전지에서 상대전극으로의 사용 및 범용적인 전기화학 전극으로 사용하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 전극 및 제조방법에 따르면, 탄소나노튜브와 그래핀산화물의 혼합으로 이루어진 나노카본 기반소재를 기판위에 코팅하고 저온 수계처리하여 고효율을 달성할 수 있는 전극을 제조하는데 주안점이 있다.The present invention relates to a method of using a nanocarbon-based material as a counter electrode in a dye-sensitized solar cell and as a general electrochemical electrode by combining a nano-carbon-based material on a nonconductive glass or a flexible nonconductive plastic substrate. According to an electrode and a manufacturing method thereof, a main point is to manufacture an electrode capable of achieving high efficiency by coating a nano-carbon based material composed of a mixture of carbon nanotubes and graphene oxide on a substrate and treating the resultant at a low temperature.

이하 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명에 따른 나노탄소 기반 일체형 전도성 전극 및 그 제조방법에 대해 설명하고자 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a nano-carbon based integral type conductive electrode according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명에 의한 나노탄소 기반 일체형 전도성 전극의 구조를 나타내는전극개념도 이다. 2 is a conceptual diagram illustrating the structure of a nano-carbon based integrated conductive electrode according to the present invention.

도시된 바와 같이, 베이스가 되는 기판은, ITO 또는 FTO가 코팅되어 있지 않은 비전도성유리 및 유연한 플라스틱기판(200)이 사용 가능하다. 이러한 기판(200)의 상면에 탄소나노튜브와 그래핀산화물이 혼합된 나노카본 기반 소재(100)가 한층으로 코팅되어 전극을 이루게 된다. 미설명부호(300)은 후술하겠지만 그래핀산화물의 환원을 위한 것으로 150℃이하의 저온수계환원법으로 이루어지도록 하여 플라스틱과 같은 유연한 기판(200)의 사용을 가능하게 한다. 이하에서는 이러한 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.As shown in the figure, a non-conductive glass substrate and a flexible plastic substrate 200 on which ITO or FTO is not coated can be used as a base substrate. A nano-carbon based material 100 in which carbon nanotubes and graphene oxides are mixed is coated on the upper surface of the substrate 200 to form an electrode. The unexplained reference numeral 300 is used for reduction of graphene oxide, which will be described later, by a low-temperature aqueous reduction process at 150 ° C or lower, thereby enabling the use of a flexible substrate 200 such as a plastic. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

탄소나노튜브와 그래핀산화물Carbon nanotubes and graphene oxide

본 발명에서 사용되는 단일층은 탄소나노튜브와 그래핀산화물(Graphene oxide,GO)이 혼합되어 사용된다. 먼저, 탄소나노튜브는 그래핀(graphene)면이라고 불리는 구조가 튜브 모양으로 감겨있는 구조를 가지고 있으며, 다층의 그래핀면으로 구성된 벽을 가지고 있는 경우 다층벽 탄소나노튜브, 단일층의 그래핀면으로 구성된 벽을 가지고 있는 경우 단일벽 탄소나노튜브(SWNT)라 불린다. 본 발명에서 사용되는 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(SWNT)로 이루어지고, 분말형태로 이루어지면 어떤 형태의 단일벽 탄소나노튜브(SWNT)도 사용가능하다. 그리고, 그래핀산화물 역시 분말형태로 이루어지면 어떤것이나 가능하다. 본 설명에서는 단일벽 탄소나노튜브는 시중에서 구입한 것을 사용하였으며, 그래핀산화물은 임의로 Modified Hummer's method를 통해 합성하였다.The single layer used in the present invention is a mixture of carbon nanotubes and graphene oxide (GO). First, carbon nanotubes have a structure called a graphene surface, which is wrapped in a tube shape. When a multi-walled graphene wall is formed, multi-walled carbon nanotubes and a single-layer graphene surface When it has walls, it is called single-walled carbon nanotubes (SWNTs). The carbon nanotubes used in the present invention may be single-walled carbon nanotubes (SWNTs), and any type of single-walled carbon nanotubes (SWNTs) may be used as long as they are in powder form. Also, graphene oxide can be made in any form as long as it is in powder form. In this description, single-walled carbon nanotubes were purchased from the market, and graphene oxide was optionally synthesized by Modified Hummer's method.

탄소나노튜브 분산용액 제조Manufacture of carbon nanotube dispersion solution

탄소나노튜브분말과 분산제를 용매로 혼합하여 탄소나노튜브의 정제 및 분산용액을 만든다. 여기서 사용되는 용매는 물, 알코올, 아세톤,메틸설폭사이드(DMSO), 디메틸폼아미드(DMF), 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 피리딘 및 테트라하이드로퓨란(THF) 중 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합하여 사용될 수 있다. 그리고, 용매에는 별도의 분산제가 첨가될 수도 있는데, 상기 분산제는 소듐도데실설포네이트(sodium dodeclysulfonate), 소듐도데실벤젠설포네이트(sodium dodecylbenzenesulfonate ), 소듐테트라프로필벤젠설포네이트(sodium tetrapropylenebenzenesulphonate), Triton X 중 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합하여 사용될 수 있다. 또한 탄소나노튜브의 분산용액은 10,000 rpm 이상의 원심분리를 통해 금속촉매 및 분산이 되지 못한 탄소나노튜브 덩어리(aggregates)를 제거하여 정제하는 것이 바람직하다.The carbon nanotube powder and the dispersant are mixed with a solvent to prepare a purified and dispersed solution of carbon nanotubes. The solvent used herein may be a mixture of any one or more of water, alcohol, acetone, methylsulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), benzene, toluene, xylene, pyridine and tetrahydrofuran . The dispersing agent may be selected from the group consisting of sodium dodecylsulfonate, sodium dodecylbenzenesulfonate, sodium tetrapropylene benzenesulphonate, Triton X Or a mixture of two or more of them may be used. Also, it is preferable that the carbon nanotube dispersion solution is centrifuged at 10,000 rpm or more to remove the metal catalyst and the aggregated carbon nanotube aggregates.

그래핀산화물 분산용액 제조Preparation of graphene oxide dispersion solution

그래핀산화물 분말을 별도의 용매에 분산하여 분산용액을 만든다. 상기 용매는 물,알코올, 아세톤, 디메틸설폭사이드(DMSO), 디메틸폼아미드(DMF), 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 피리딘, 테트라하이드로퓨란(THF) 중 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합하여 사용될 수 있다. 그리고, 분산을 효과적으로 수행하기 위하여 초음파를 이용하여 처리하는 것도 바람직하다. 상기 초음파처리시 분산은 보다 효과적으로 이루어지며, 통상 이러한 분산용액 제조는 1 내지 2시간 정도 소요되면 족할 것이다.The graphene oxide powder is dispersed in a separate solvent to prepare a dispersion solution. The solvent may be used by mixing any one or more of water, alcohol, acetone, dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), benzene, toluene, xylene, pyridine, tetrahydrofuran . It is also preferable to use ultrasound to perform the dispersion effectively. The dispersion during the ultrasonic treatment is more effective, and it usually takes about 1 to 2 hours to prepare such a dispersion solution.

탄소나노튜브와 그래핀산화물 분산용액의 혼합용액 제조Preparation of mixed solution of carbon nanotube and graphene oxide dispersion solution

상기에서와 같이 각각 제조된 탄소나노튜브 분산용액과 그래핀산화물 분산용액을 혼합하여 혼합용액을 만든다. 상기 혼합용액은 부피비 혹은 무게비로 적정량을 혼합하되, 탄소나튜브 분산용액 : 그래핀산화물 분산용액의 혼합비율은 85 내지 98 : 2 내지 15의 부피비 또는 무게비로 혼합되면 족할 것이다. 그래핀산화물의 분산용액이 10%이상 혼합될 경우. 시트 형태의 그래핀산화물이 탄소나노튜브전극 내부로 산화환원쌍(redox couple)이 확산하는 것을 방해하여, 오히려 촉매성능이 저하됨을 알 수있었으며, 2%보다 적은양이 혼합될 경우, 충분한 촉매성능이 발휘되지 않음을 알 수있었다. 그리고 이러한 혼합은 단순한 물리적 혼합으로 섞은후, 고른 혼합이 되도록 잘 저어준다. The prepared carbon nanotube dispersion solution and the graphene oxide dispersion solution are mixed to prepare a mixed solution. The mixed solution may be mixed in an appropriate volume ratio or weight ratio, and the mixing ratio of the carbon / tube dispersion solution: graphene oxide dispersion solution may be mixed in the volume ratio or weight ratio of 85 to 98: 2 to 15. When 10% or more of the dispersion solution of graphene oxide is mixed. It was found that the graphene oxide in the form of a sheet interfered with the diffusion of the redox couple into the carbon nanotube electrode and the catalytic performance was rather deteriorated. When the amount was less than 2%, sufficient catalytic performance It can be said that this is not the case. The mixture is then mixed with a simple physical mixture and then stirred to ensure even mixing.

기판Board

사용되는 기판은 비전도성 기판으로 ITO 혹은 FTO가 코팅되어 있지 않은 유리기판, 유연성을 가지는 플라스틱 기판 기판 등을 사용하여 수행할 수 있다. 특히 플라스틱 기판을 사용하는 경우 플렉시블한 전극을 제조할 수 있는 이점이 있다. The substrate to be used may be a non-conductive substrate, a glass substrate on which ITO or FTO is not coated, a flexible plastic substrate substrate, or the like. In particular, when a plastic substrate is used, there is an advantage that a flexible electrode can be manufactured.

혼합용액을 비전도성 기판표면에 결합시켜 전극형성The mixed solution is bonded to the surface of the nonconductive substrate to form an electrode

상술한 혼합용액을 비전도성기판에 수 나노에서 수백 나노미터의 두께를 가지는 막의 형태로 결합되도록 한다. 이를 위해서는 분산용액을 비산시켜 코팅하는 스프레이코팅법이나, 분산용액을 필터페이퍼에 걸러 종이형태로 만든 후 기판에 전사하는 방법을 사용할 수 있다. 상기와 같이 기판표면에 혼합용액을 결합시킨 후, 잔존하는 분산제는 불순물이 되므로 증류수를 이용해 세척함으로써 제거하도록 한다. The above mixed solution is bonded to the nonconductive substrate in the form of a film having a thickness of several nanometers to several hundred nanometers. For this purpose, a spray coating method in which a dispersion solution is scattered and coated, or a method in which a dispersion solution is filtered on a filter paper and then transferred to a substrate can be used. After the mixed solution is bonded to the surface of the substrate as described above, the remaining dispersant becomes an impurity and is removed by washing with distilled water.

전극 건조Electrode drying

상기와 같이 비전도성기판 위에 코팅된 혼합용액을 건조시키기 위하여 20 내지 150℃의 온도에서 건조시키는 것이 바람직하다. 20도 보다 낮은 온도에서의 건조는 시간이 너무 걸리고, 분산용액의 얇은 막의 평탄도에 따라 흐름성이 발생하므로 좋지 못하고, 150이상의 고온에서는 급속건조로 인하여 막의 형태에 주름이 발생할 수 있으며, 플라스틱 기판의 경우 변질될 우려가 있기 때문이다.In order to dry the mixed solution coated on the nonconductive substrate as described above, it is preferable to dry at a temperature of 20 to 150 ° C. Drying at a temperature lower than 20 ° C. takes too much time, and flowability is generated due to the flatness of the thin film of the dispersion solution. If the temperature is higher than 150 ° C., rapid drying may cause wrinkling of the film. There is a risk of deterioration.

전극에 함유된 그래핀산화물의 환원Reduction of graphene oxide contained in the electrode

플라스틱 기판은 150℃이상의 고온에서는 변형이 발생하므로 종래 일반적인 그래핀산화물의 환원을 위해 고온열처리를 수행할 수 없고, 하이드라진과 같은 화학적 환원제는 강한 독성이 있어 인체와 환경 모두에 악영향을 줄 수 있다. 따라서 저온의 친환경적 환원법으로, 본 발명에서는 수계전해질에서 전기화학적 환원을 수행한다. 이렇게 함으로써 종래의 하이드라진과 같은 환원제 사용에 따른 환경오염을 방지하고, 고온열처리가 필요하지 않게 된다. 이러한 수계전해질 환원은 전기화학적 방법을 통해 그래핀산화물에 부착된 산소를 제거하여 환원된 그래핀산화물(reduced GO, RGO)을 제조한다. Since the plastic substrate is deformed at a high temperature of 150 ° C or more, it can not be subjected to a high temperature heat treatment for reduction of conventional graphene oxide, and chemical reductants such as hydrazine are strongly toxic, which can adversely affect both the human body and the environment. Therefore, in the present invention, electrochemical reduction is carried out in a water-based electrolyte by a low-temperature environmentally friendly reduction method. This prevents environmental pollution caused by the use of reducing agents such as conventional hydrazine, and does not require high temperature heat treatment. This water-based electrolyte reduction produces reduced graphene oxide (reduced GO, RGO) by removing the oxygen attached to the graphene oxide through an electrochemical method.

도3은 이러한 전기화학적 환원셀 구조를 나타낸 도로써, 도시된 바와 같이,탄소나노튜브와 그래핀산화물이 혼합되어 코팅된 기판을 작동전극(300)으로 하고, Ag/AgCl (3M NaCl 포화) 전극을 기준전극(500)으로, 백금 판을 상대전극(600)으로 사용하여 전기화학적 환원을 실시하였다. 이때 고순도 물의 전도성을 부여하기 위해 0.05 ~ 0.2 M의 인산염 버퍼 수용액 (phosphate buffer solution, PBS)을 사용할 수 있다. PBS의 pH는 HCl과 HNO3를 이용하여 적정한다.FIG. 3 shows the electrochemical reduction cell structure. As shown in FIG. 3, a substrate coated with a mixture of carbon nanotubes and graphene oxide is used as the working electrode 300, and Ag / AgCl (3M NaCl saturated) Was used as the reference electrode (500) and the platinum plate was used as the counter electrode (600). At this time, a 0.05-0.2 M phosphate buffer solution (PBS) can be used to impart conductivity of high purity water. The pH of the PBS is titrated with HCl and HNO3.

환원된 전극의 건조Drying of the reduced electrode

건조는 20℃~150℃의 온도의 대기 중, 질소 혹은 산소분위기, 또는 진공에서 건조 시키는 것이 바람직하며, 이렇게 건조되어 환원된 전극은 전해질을 포함한 염료감응 태양전지의 반투명 촉매전극으로 사용 가능하다. The drying is preferably carried out in the atmosphere at a temperature of 20 ° C to 150 ° C in an atmosphere of nitrogen, oxygen, or vacuum, and the dried electrode can be used as a translucent catalyst electrode of a dye-sensitized solar cell including an electrolyte.

이상에서와 같이, 본 발명은 기본적으로 ITO 또는 FTO가 코팅되어 있지 않은 저가의 유리나 유연성을 가지는 플라스틱 표면에 전도성과 촉매성능 모두를 가지는 탄소나노튜브와 그래핀산화물의 혼합으로 이루어진 막이 일체형 전극으로 사용되는 것이 특징임을 알 수 있다. As described above, the present invention basically uses a film made of a mixture of carbon nanotubes and graphene oxide, both of which have both conductivity and catalytic performance, on an inexpensive glass substrate on which ITO or FTO is not coated or on a plastic substrate having flexibility, .

본 발명을 통해 기존의 ITO(Indium Tin Oxide), FTO(Fluorine doped Tin Oxide)의 전도체 기능과 백금의 촉매 기능을 동시에 하는 전도성 전극 일체형 촉매전극으로 저가의 소재를 저온에서 제조 가능한 장점이 있고, 더 나아가 유연 기판에 적용할 경우, ITO 코팅된 플라스틱 기판 보다 굽힘에 강하면서 촉매 특성이 우수한 전극으로 경량 염료감응 태양전지를 제조할 수 있는 이점이 있다.The present invention has the advantage that a low-cost material can be manufactured at a low temperature by using a conductive electrode-integrated catalyst electrode which simultaneously performs the conductive function of ITO (Indium Tin Oxide) and FTO (fluorine doped tin oxide) and the catalytic function of platinum Furthermore, when applied to a flexible substrate, the lightweight dye-sensitized solar cell can be advantageously manufactured with an electrode that is stronger in bending than the ITO-coated plastic substrate and has excellent catalytic properties.

또한 탄소나노튜브와 그래핀산화물을 혼합하여 만들어진 전극의 그래핀산화물의 전기화학적 환원법을 이용할 경우, 1) 독성이 없는 전도성 수용액을 사용할 뿐만 아니라, 독성 강한 기존의 환원제로(하이드라진)를 이용하여 화학적 환원시킬 때 보다 촉매특성이 좋으며, 2) 150 ℃ 이상의 고온공정이 불가능한 플라스틱 기판에도 적용할 수 있는 장점이 있다The electrochemical reduction method of graphene oxide of an electrode made by mixing carbon nanotube and graphene oxide is as follows: 1) In addition to using a non-toxic conductive aqueous solution, it can be used as a conventional reducing agent (hydrazine) And 2) it can be applied to a plastic substrate which can not be processed at a high temperature of 150 ° C or more

이하 본 발명에 의한 구체적인 실시예를 적시하고, 이에 따른 다양한 실험결과를 설명하도록 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

실시예Example

제1단계(탄소나노튜브 분산용액 제조)In the first step (preparation of carbon nanotube dispersion solution)

탄소나노튜브 분산을 위해 분산제(sodium dodecylbenzenesulfonate) 1.0wt%를 포함한 용매(물) 300 ml에 탄소나노튜브 분말(Single walled carbon nanotube) 0.975 g을 넣고 2시간 동안 초음파 처리한다. 10,000rpm에서 30분간 원심분리를 2회 실시하여 분산성이 우수한 상등액만을 수거해 탄소나노튜브 분산액으로 사용한다.To disperse carbon nanotubes, 0.975 g of carbon nanotube powder (Single walled carbon nanotube) is added to 300 ml of a solvent (water) containing 1.0 wt% of a dispersant (sodium dodecylbenzenesulfonate) and sonicated for 2 hours. Centrifuge at 10,000 rpm for 30 minutes twice to collect only the supernatant with excellent dispersibility and use it as a carbon nanotube dispersion.

제2단계(그래핀산화물 분산용액 제조)Second step (preparation of graphene oxide dispersion solution)

그래핀옥사이드 분말 0.1 g을 증류수 100 ml에 넣고 1시간 동안 초음파 처리한다. 0.1 g of graphene oxide powder is added to 100 ml of distilled water and ultrasonicated for 1 hour.

제3단계(탄소나노튜브와 그래핀산화물의 혼합용액 제조)Step 3 (Preparation of mixed solution of carbon nanotube and graphene oxide)

상기 준비된 탄소나노튜브 분산용액과 그래핀산화물 분산용액을 부피비(95:5)로 혼합한 후 분산 시켜 혼합용액을 제조한다.The prepared carbon nanotube dispersion solution and graphene oxide dispersion solution are mixed at a volume ratio of 95: 5 and dispersed to prepare a mixed solution.

제4단계(기판에 혼합용액 코팅)Step 4 (mixed solution coating on substrate)

비전도성 기판(유리 및 플라스틱) 위에 스프레이 코터 장비를 이용하여 코팅함으로써 나노카본 전극을 형성한다. 이때 균일한 코팅을 위해 기판의 온도를 80℃로 설정하였다. 상기 전극의 면저항과 투과율은 코팅횟수를 변경하여 조정한다. Nano-carbon electrodes are formed by coating on non-conductive substrates (glass and plastic) using spray coater equipment. At this time, the temperature of the substrate was set at 80 DEG C for uniform coating. The sheet resistance and transmittance of the electrode are adjusted by changing the number of coatings.

제5단계(건조)Step 5 (drying)

상기 코팅된 나노카본 전극을 120℃ 오븐에서 2시간 건조시킨다. The coated nanocarbon electrode was dried in an oven at 120 ° C for 2 hours.

제6단계(전극의 환원 및 환원전극 건조)Step 6 (Reduction of electrode and drying of reduction electrode)

pH2의 인산염 완충용액을 전해질로 사용하여 스캔속도로 500 mV/s, 스캔범위를 0 ~ -0.8V로 설정하여 전기화학적 방법으로 환원시키고,45℃ 진공 오븐에서 12 내지 15시간 진공 건조하여 최종 완성시킨다. Using a phosphate buffer solution of pH 2 as the electrolyte, it was reduced by electrochemical method at a scan rate of 500 mV / s and a scan range of 0 to -0.8 V, vacuum-dried at 45 ° C in a vacuum oven for 12 to 15 hours, .

제5단계(전극으로서 사용)Step 5 (used as electrode)

상기 전극을 염료감응형 태양전지의 상대전극으로 사용한다. 이때, 염료감응 태양전지의 TiO2 광전극은 MK-2 유기염료 (2-Cyano-3-[5′′′-(9-ethyl-9H-carbazol-3-yl)-3′,3′′,3′′′,4-tetra-n-hexyl-[2,2′,5′,2′′,5′′,2′′′]-quater thiophen-5-yl] acrylic acid)를 광흡수제로 사용하였으며, 전해질은 cobalt(II/III)tris(2,2’-bipyridine) (Co(bpy)32+/3+)계를 산화환원쌍으로 사용하였다. 전해질은 0.165 M [Co(bpy)3](PF6)2, 0.045 M [Co(bpy)3](PF6)3, 0.1 M LiClO4 (Aldrich), and 0.2 M 4-tert-butylpyridine (Aldrich)이 포함된 아세토니트릴계 용액을 사용하였다.The electrode is used as a counter electrode of a dye-sensitized solar cell. At this time, the TiO 2 photoelectrode of the dye-sensitized solar cell was composed of an MK-2 organic dye (2-Cyano-3- [5 '' - (9- 3 '' ', 4-tetra-n-hexyl- [2,2', 5 ', 2 ", 5", 2' '] quaterthiophen-5-yl] acrylic acid as a light absorber And the electrolyte was cobalt (II / III) tris (2,2'-bipyridine) (Co (bpy) 32 + / 3 +) system as a redox pair. The electrolyte contains 0.165 M [Co (bpy) 3] (PF6) 2, 0.045 M [Co (bpy) 3] (PF6) 3, 0.1 M LiClO4 (Aldrich), and 0.2 M 4-tert- butylpyridine Based acetonitrile-based solution was used.

이하에서는 상기의 과정을 통해 그래핀산화물의 환원에 의해 제조된 기판을 염료감응형 태양전지의 상대전극으로 사용하여 실험한 결과를 설명하도록 한다. Hereinafter, results of experiments using a substrate prepared by reducing graphene oxide through the above process as a counter electrode of a dye-sensitized solar cell will be described.

먼저, 도 4는 본 발명에 따라 유리기판에 코팅된 나노카본 기반 일체형 전도성 촉매전극("SWNT"라 표기함)의 (a) 투과율 곡선과 태양전지에 적용한 (b) 광전류­전압 곡선 및 (c) 임피던스 곡선 (1 sun, 개방전압 조건)을 나타낸 도이고, 표1은 본 발명에 따라 유리기판에 코팅된 나노카본 기반 일체형 전도성 촉매전극을 상대전극으로 사용한 염료감응 태양전지의 광전특성값을 나타낸 표이다.4 is a graph showing the transmittance curves of a nano-carbon based integrated conductive catalyst electrode (referred to as "SWNT") coated on a glass substrate according to the present invention, the photocurrent voltage curve (b) Table 1 shows the values of the photoelectric properties of the dye-sensitized solar cell using the nano-carbon based integrated conductive catalyst electrode coated on the glass substrate as the counter electrode in accordance with the present invention. to be.

  상대전극Counter electrode JscJsc VocVoc FFFF 효율efficiency 전도성 촉매소재Conductive catalyst material 투과율(%)Transmittance (%) (mA/cm2)(mA / cm 2 ) (V)(V) (%)(%) 기준시편Reference specimen Pt/FTO-15Ω/sq.Pt / FTO-15? / Sq. -- 11.4711.47 0.7750.775 0.7070.707 6.296.29 실시예Example SWNT-240Ω/sq.SWNT-240? / Sq. 86.286.2 10.6710.67 0.7420.742 0.2630.263 2.082.08   SWNT-120Ω/sq.SWNT-120? / Sq. 80.880.8 11.6411.64 0.7250.725 0.3490.349 2.942.94   SWNT-50Ω/sq.SWNT-50? / Sq. 62.462.4 11.8011.80 0.7420.742 0.5010.501 4.384.38   SWNT-30Ω/sq.SWNT-30? / Sq. 41.641.6 11.2711.27 0.7250.725 0.6410.641 5.245.24 SWNT-15Ω/sq.SWNT-15? / Sq. 17.717.7 11.6611.66 0.7410.741 0.6960.696 6.026.02

도시된 바와 같이,FTO나 ITO 같은 전도성투명전극이 없는 유리기판에 탄소나노튜브의 코팅양(로딩양)이 증가할수록, 투과율이 감소하고 (도3a) 상기 전극을 전도성전극 일체형 촉매전극으로 염료감응 태양전지에 적용한 경우, SWNT 전극의 코팅횟수 (즉, 로딩량)이 증가할 수록 태양전지의 fill factor와 효율이 향상되며 (도3b, 표 1), 태양전지의 직렬저항에 해당하는 x축과 교차하는 x절편에 해당하는 옴저항이 감소함 (도3c)을 알 수 있다.As shown in FIG. 3A, as the coating amount (loading amount) of the carbon nanotubes on a glass substrate having no conductive transparent electrode such as FTO or ITO increases, the transmittance decreases (FIG. 3A) When applied to a solar cell, the fill factor and efficiency of the solar cell are improved as the number of coatings (i.e., loading amount) of the SWNT electrode is increased (FIG. 3B, Table 1) It can be seen that the ohmic resistance corresponding to the crossed intercept decreases (FIG. 3c).

다음, 도5는 본 발명에 따른 SWNT 전도성 촉매전극의 (a) 라만스펙트라, (b) XPS spectra 및 (c) 표면 SEM 사진 (면저항 30 Ω/sq.)을 나타낸 도이다.5 is a graph showing (a) Raman spectrum, (b) XPS spectra and (c) surface SEM photograph (sheet resistance 30 Ω / sq.) Of the SWNT conductive catalyst electrode according to the present invention.

도시된 바와 같이, 실시예에서 본 발명에 사용된 SWNT의 특성으로, 라만과 XPS 결과에서 보듯이 결정학적 특성이 우수함을 알 수있으며,코팅에 의해 플라스틱 기판에 도포된 SWNT 전극 표면이 잘 나타남을 알 수있다. As shown in the figure, the SWNT used in the present invention has excellent crystallographic properties as shown by the Raman and XPS results, and the surface of the SWNT electrode coated on the plastic substrate is well visible Able to know.

도6은 본 발명에 따른 전극 코팅을 위한 SWNT분산용액의 스프레이 코팅 횟수에 따른 면저항 변화를 나타낸 도이다. 도시된 바와같이, 스프레이 코터(coater)를 이용하여 SWNT 전극을 제조할 때, SWNT 분산 용액의 스프레이 코팅 횟수가 증가함에 따라 면저항이 감소하게 된다. 일반적으로 사용되는 ITO나 FTO 같은 전도성 투명전극의 면저항은 15 Ω/sq. 로, 본 발명에 의한 SWNT 전극 또한 면저항 15 Ω/sq. 에서 전도성전극 일체형 촉매전극의 특성이 더 우수하나, 코팅 횟수 증가에 따른 소재 사용량을 고려하면 30 Ω/sq.의 SWNT전극 사용이 합리적일 수 있음을 알 수 있다. 6 is a graph showing changes in sheet resistance according to the number of times of spray coating of the SWNT dispersion solution for electrode coating according to the present invention. As shown, when the SWNT electrode is manufactured using a spray coater, the sheet resistance decreases as the number of spray coatings of the SWNT dispersion solution increases. The sheet resistance of conductive transparent electrodes, such as ITO or FTO, is generally 15 Ω / sq. , The SWNT electrode according to the present invention also has a sheet resistance of 15 Ω / sq. , It can be seen that the use of SWNT electrode of 30 Ω / sq. Is reasonable considering the amount of material used as the number of coatings increases.

도7은 (a) ITO코팅된 PET 기판에 진공증착한 Pt 상대전극과 본 발명에 따라 PET 기판에 도포한 SWNT와 SWNT/GO 복합전극을 상대전극으로 사용한 염료감응형 태양전지의 광전류-전압 곡선이다. *chemical reduction: 하이드라진 증기를 사용하여 GO를 환원시킨 경우. **electrochemcial reduction: GO를 전기화학적으로 환원시킨 경우) 이때 혼합용액은 SWNT:GO의 부피비가 95:5 (v/v)인 분산용액을 사용해 도포하엿고, 도 7(b)는 상기 혼합전극 표면 주사현미경 사진을 나타낸 도이다. 그리고 표2는 본 발명에 따라 PET 플라스틱 기판에 도포한 SWNT와 SWNT/GO 전도성촉매전극을 상대전극으로 사용한 염료감응형 태양전지의 광전특성값을 정리한 표이다.7 is a graph showing the photocurrent-voltage curve of the dye-sensitized solar cell using the Pt counter electrode, which is vacuum-deposited on the ITO-coated PET substrate, and the SWNT and SWNT / GO composite electrode coated on the PET substrate according to the present invention, to be. * chemical reduction: when GO is reduced using hydrazine vapor. ** electrochemcial reduction: when GO is electrochemically reduced. At this time, the mixed solution was applied using a dispersion solution having a volume ratio of SWNT: GO of 95: 5 (v / v) Fig. 5 is a photograph showing a surface scanning microscope photograph. Fig. Table 2 is a table summarizing the photoelectric property values of the dye-sensitized solar cell using SWNT and SWNT / GO conductive catalyst electrode applied as a counter electrode on a PET plastic substrate according to the present invention.

 시료sample 상대전극Counter electrode JscJsc VocVoc FFFF 효율efficiency 분산용액Dispersion solution 분사
횟수
jet
Number of times
후처리법Post treatment 투과율
(%)
Transmittance
(%)
(mA/cm2)(mA / cm 2 ) (V)(V) (%)(%)
기준시편Reference specimen sputter-Pt/ITOsputter-Pt / ITO -- -- 47.8%47.8% 11.7911.79 0.7580.758 0.6770.677 6.056.05

room
city
Yes
SWNTSWNT 105105 진공건조
(45 ℃)
Vacuum drying
(45 DEG C)
43.6%43.6% 11.0111.01 0.7580.758 0.6390.639 5.335.33
SWNT/GO
=95/5 (v/v)
SWNT / GO
= 95/5 (v / v)
105105 chemical red.
(N2H4 vapor)
chemical red.
(N 2 H 4 vapor)
43.9%43.9% 11.6711.67 0.7580.758 0.4130.413 3.663.66
SWNT/GO
=95/5 (v/v)
SWNT / GO
= 95/5 (v / v)
105105 electrochem. red.
(pH5.0 PBS,
10 mV/s)
electrochem. red.
(pH 5.0 PBS,
10 mV / s)
44.4%44.4% 11.4011.40 0.7580.758 0.6990.699 6.046.04

도시된 바와 같이, 플라스틱(PET)기반 SWNT, SWNT-GO(SWNT:GO==95:5,(v/v) 상대전극을 염료감응형 태양전지에 적용한 경우, 기존의 GO 환원을 위해 사용되는 하이드라진증기(hydrazine vapor)를 이용한 화학적 환원(chemical reduction)은 오히려 태양전지의 특성이 나빠짐 (Fill Factor 및 효율의 감소)을 알 수 있었으며, 후처리 방법 중에서 상온의 낮은 온도에서 환경적으로 독성이 적은 화학물질을 사용하는 전기화학적 환원(electrochemical reduction)이 가장 우수한 특성을 보인다. ** 또한 sputter기법으로 증착된 Pt 박막과 동등한 수준의 특성을 보이며, 이로써 전기화학적으로 환원된 SWNT-GO 복합전극이 우수한 전기화학적 특성을 나타냄을 알 수 있다.As shown in the figure, when a counter electrode based on plastic (PET), SWNT-GO (SWNT: GO == 95: 5, (v / v)) is applied to a dye-sensitized solar cell, The chemical reduction using the hydrazine vapor revealed that the characteristics of the solar cell were deteriorated (the fill factor and the efficiency were decreased). In the post treatment method, the environmentally low toxicity Electrochemical reduction using chemical is the best. ** It also shows the same level of properties as the Pt thin film deposited by the sputter technique, and thus the electrochemically reduced SWNT-GO composite electrode is superior Electrochemical properties.

다음, 도8(a)는 본 발명에 따라 PET 플라스틱 기판에 도포된 (a) GO가 포함된 SWNT 복합전극의 GO 함량에 따른 전기화학적 환원곡선을, 이를 상대전극으로 사용한 염료감응 태양전지의 광전류-전압 곡선 및 광전특성값을 도8(b)와 표3에 나타내었다. SWNT/GO 분산용액의 GO 함량이 증가함에 따라 2차원 구조를 갖는 GO의 비율이 커짐을 도8(c,d)를 통해 알 수 있다.Next, FIG. 8 (a) shows an electrochemical reduction curve according to the GO content of the SWNT composite electrode (a) applied to the PET plastic substrate according to the present invention, and the photocurrent of the dye- - Voltage curves and photoelectric property values are shown in FIG. 8 (b) and Table 3. It can be seen from FIG. 8 (c, d) that the proportion of the GO having a two-dimensional structure increases as the GO content of the SWNT / GO dispersion solution increases.

 시료sample 상대전극Counter electrode JscJsc VocVoc FFFF 효율efficiency 분산용액비
(SWNT/GO)
Dispersion solution ratio
(SWNT / GO)
후처리법Post treatment (mA/cm2)(mA / cm 2 ) (V)(V) (%)(%)


room
city
Yes
100/0100/0 진공건조Vacuum drying 11.0111.01 0.7580.758 0.6390.639 5.335.33
98/298/2 EC-red.†EC-red. † 11.4511.45 0.7750.775 0.6610.661 5.875.87 95/595/5 EC-red.†EC-red. † 11.4011.40 0.7580.758 0.6990.699 6.046.04 85/1585/15 EC-red.†EC-red. † 11.0711.07 0.7750.775 0.5920.592 5.085.08

EC-red.†: pH2.0 완충용액, scan rate: 500 mV/sEC-red. †: pH 2.0 buffer solution, scan rate: 500 mV / s

도시된 바와같이, 플라스틱(PET)기반 SWNT/GO 상대전극을 염료감응 태양전지에 적용한 경우, 후처리 방법 중 우수한 전기화학적 환원법을 이용하여 SWNT/GO의 최적 혼합 비율(95:5)을 알 수있었으며, WNT/GO 전극의 GO가 RGO로 환원될 경우, 1) SWNT 전극 사이 junction area 증가로 전자전달이 향상되고, 2) 또한 RGO에는 촉매site에 해당하는 defect site가 SWNT보다 많아 촉매성능 향상됨을 알 수 있었다. 그러나, GO 함량이 너무 많아지면, sheet 형태의 GO가 SWNT전극 내부로 산화환원쌍이 확산하는 것을 방해하여, 오히려 촉매성능이 저하됨 (SWNT:GO=70:30경우)을 알 수 있었다. 따라서 첨가되는 그래핀산화물의 양은 15%미만으로 이루어져야 함을 알 수 있었다.As shown in the figure, when a plastic (PET) based SWNT / GO counter electrode is applied to a dye-sensitized solar cell, the optimal mixing ratio (95: 5) of SWNT / GO is known by using an excellent electrochemical reduction method When the GO of the WNT / GO electrode is reduced to RGO, the electron transfer is enhanced by 1) the junction area between the SWNT electrodes is improved, and 2) the RNO 3 has more defect sites than the SWNTs. Could know. However, when the GO content was too high, it was found that the sheet type GO interfered with the diffusion of the redox pair into the SWNT electrode, and the catalyst performance was rather lowered (SWNT: GO = 70: 30). Therefore, it was found that the amount of graphene oxide to be added should be less than 15%.

SWNT/GO 복합전극 제조에 사용된 GO의 물리적 및 화학적 특성을 도9에 나타내었다. 도시된 바와 같이,실시예에서 본 발명에 사용된 SWNT-GO 복합전극 제조에 사용된 GO는 결정학적 결함 및 산소계 기능기를 다수 포함하고 있음을 라만과 XPS 결과로 확인할 수 있고, SEM 사진에서 볼수 있듯이 1 내지 2 ㎛ 수준의 크기를 갖는 그래핀 나노시트(GO nanosheet)로 형성되어 있음을 알 수 있다.The physical and chemical properties of GO used in SWNT / GO composite electrode fabrication are shown in FIG. As shown in the figure, the GO used in the preparation of the SWNT-GO composite electrode used in the present invention has a large number of crystallographic defects and oxygen functional groups, which can be confirmed by Raman and XPS results. As shown in the SEM photograph, And a grains having a size of 1 to 2 탆 (GO nanosheet).

도10은 본 발명에 따른 전극의 (a) 굽힘 정도에 따른 저항변화, (b) 굽힘 반복횟수에 따른 저항변화를 나타낸 도이다. 도시된 바와 같이,SWNT/PET(polyethyleneterephthalate) 전극은 ITO/PET 전극보다 굽힘 정도에 따른 저항 및 굽힘 반복 횟수에 따른 저항도 크게 변화가 없는 우수한 특성을 보임을 알 수있으며, 이는 유연한 플라스틱기판에 적용가능하고, 플렉시블한 상대전극의 형성이 가능함을 보여준다.FIG. 10 is a graph showing a change in resistance according to the degree of bending (a) and a change in resistance according to the number of bending cycles (b) of the electrode according to the present invention. As shown in the figure, SWNT / PET (polyethyleneterephthalate) electrode exhibits excellent characteristics with no significant change in resistance according to the bending degree and the resistance according to the number of bending repetitions, which is applied to a flexible plastic substrate And it is possible to form a flexible counter electrode.

이상의 실험결과에 따르면, 본 발명에 의한 탄소나노튜브와 그래핀산화물이 혼합되어 이루어진 나노카본 기반 일체형 전도성 촉매전극은 비전도성인 유리, 플라스틱 등에 적용가능하며, 우수한 촉매전극의 성능을 발휘하므로 염료감응형 태양전지의 상대전극이나 기타 화학전지의 전극으로 사용가능함을 알 수 있다.
According to the above experimental results, the nano-carbon based integrated conductive catalytic electrode made by mixing the carbon nanotube and the graphene oxide according to the present invention can be applied to non-conductive glass, plastic, etc., and exhibits excellent catalytic electrode performance. Type solar cell or an electrode of another chemical cell.

Claims (14)

탄소나노튜브 분말을 제1용매에 분산하여 분산용액을 만드는 제1단계;
그래핀산화물 분말을 제2용매에 분산하여 분산용액을 만드는 제2단계;
제1단계와 제2단계에서 형성된 각 분산용액을 혼합하여 혼합용액을 만드는 제3단계;
제3단계의 혼합용액을 비전도성기판 표면에 결합시키는 제4단계;
제4단계를 거친 기판을 제1건조시키는 제5단계;
제5단계를 마친 전도성기판에 포함된 그래핀산화물을 수계전해질을 이용하여 전기화학적 환원법으로 환원시키는 제6단계;
제6단계를 마친 기판을 제2건조시키는 제7단계;로 이루어져, 비전도성 기판위에 탄소나노튜브와 그래핀산화물이 혼합되어 이루어진 나노카본 기반의 막이 결합되어 전도성을 이루어 촉매전극으로 사용되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브와 그래핀산화물이 혼합된 나노카본 기반의 일체형 전도성 촉매전극의 제조방법.
A first step of dispersing the carbon nanotube powder in a first solvent to prepare a dispersion solution;
A second step of dispersing the graphene oxide powder in a second solvent to prepare a dispersion solution;
A third step of mixing the dispersion solutions formed in the first and second steps to prepare a mixed solution;
A fourth step of bonding the mixed solution of the third step to the surface of the nonconductive substrate;
A fifth step of first drying the substrate after the fourth step;
A sixth step of reducing the graphene oxide contained in the conductive substrate after the fifth step to electrochemical reduction using an aqueous electrolyte;
And a second step of drying the substrate after the sixth step. The nanocarbon-based film formed by mixing the carbon nanotubes and the graphene oxide on the nonconductive substrate is used as a catalyst electrode by bonding the nanocarbon- Wherein the carbon nanotubes are mixed with graphene oxide.
제1항에 있어서, 상기 제1단계는,
분산제가 더 혼합되고, 제1용매는 물, 알코올, 아세톤, 디메틸설폭사이드(DMSO), 디메틸폼아미드(DMF), 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 피리딘 및 테트라하이드로퓨란(THF) 중 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합하여 사용되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브와 그래핀산화물이 혼합된 나노카본 기반의 일체형 전도성 촉매전극의 제조방법.
2. The method according to claim 1,
The dispersant is further mixed and the first solvent is any one or both of water, alcohol, acetone, dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), benzene, toluene, xylene, pyridine and tetrahydrofuran Wherein the carbon nanotubes and the graphene oxides are mixed with each other to produce a nanocarbon-based integrated conductive catalyst electrode.
제2항에 있어서, 상기 분산제는,
소듐도데실설포네이트(sodium dodeclysulfonate), 소듐도데실벤젠설포네이트(sodium dodecylbenzenesulfonate ), 소듐테트라프로필벤젠설포네이트(sodium tetrapropylenebenzenesulphonate), Triton X 중 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합하여 사용되고, 탄소나노튜브의 분산용액은 10,000 rpm 이상의 원심분리를 통해 분산이 되지 못한 탄소나노튜브 덩어리(aggregates)를 제거하여 정제하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브와 그래핀산화물이 혼합된 나노카본 기반의 일체형 전도성 촉매전극의 제조방법.
3. The method according to claim 2,
Sodium dodecylbenzenesulfonate, sodium tetrapropylene benzenesulphonate, and Triton X are used in combination, and the dispersion of carbon nanotubes Wherein the solution is purified by removing agglomerates of carbon nanotubes that have not been dispersed by centrifugation at 10,000 rpm or more. The method of manufacturing a nanocarbon-based integrated conductive catalyst electrode comprising a mixture of carbon nanotubes and graphene oxide .
제 1항에 있어서, 상기 제2단계의 용매는,
물, 알코올, 아세톤, 디메틸설폭사이드(DMSO), 디메틸폼아미드(DMF), 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 피리딘 및 테트라하이드로퓨란(THF) 중 어느 하나 또는 둘 이상을 혼합하여 사용되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브와 그래핀산화물이 혼합된 나노카본 기반의 일체형 전도성 촉매전극의 제조방법.
The method according to claim 1,
Characterized in that any one or two or more of water, alcohol, acetone, dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), benzene, toluene, xylene, pyridine and tetrahydrofuran (EN) METHOD FOR MANUFACTURING NANOCARBON - BASED INTEGRATED CONDUCTIVE CATALYST electrode mixed with carbon nanotube and graphene oxide.
제 1항에 있어서, 제3단계의 혼합용액은,
탄소나노튜브 분산용액의 총중량 또는 총부피에 대하여 그래핀산화물 분산용액이 2 내지 15%의 범위로 혼합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브와 그래핀산화물이 혼합된 나노카본 기반의 일체형 전도성 촉매전극의 제조방법.
2. The method according to claim 1,
Wherein the graphene oxide dispersion solution is mixed in a range of 2 to 15% based on the total weight or the total volume of the carbon nanotube dispersion solution. The nano-carbon based integrated conductive catalyst electrode ≪ / RTI >
제 1항 내지 제5항중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 제4단계에서 사용되는 기판은, 기판은 비전도성의 유리 또는 플라스틱으로 이루어짐을 특징으로 하는 탄소나노튜브와 그래핀산화물이 혼합된 나노카본 기반의 일체형 전도성 촉매전극의 제조방법.The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the substrate used in the fourth step is made of a nonconductive glass or plastic. The nano carbon mixed with the graphene oxide Based integrated catalytic electrode. 제 6항에 있어서, 상기 제4단계의 혼합용액을 기판에 결합시키는 것은 혼합용액을 비산시켜 코팅하는 스프레이 코팅하거나 혼합용액을 필터페이퍼에 걸러 종이형태로 만든 후 기판에 전사하는 방법으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브와 그래핀산화물이 혼합된 나노카본 기반의 일체형 전도성 촉매전극의 제조방법.[7] The method according to claim 6, wherein bonding the mixed solution of the fourth step to the substrate comprises spray coating the mixed solution by spraying or spraying the mixed solution onto the filter paper, Wherein the carbon nanotubes are mixed with graphene oxide. 제7항에 있어서, 제4단계이후, 표면에 붙어 있는 분산제를 제거하기 위하여 증류수로 세척하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브와 그래핀산화물이 혼합된 나노카본 기반의 일체형 전도성 촉매전극의 제조방법.[7] The method of claim 7, further comprising, after the fourth step, washing with distilled water to remove the dispersant attached to the surface. The nano-carbon based integrated conductive catalyst mixed with the graphene oxide Gt; 제 7항에 있어서, 상기 제5단계의 제1건조는 20 내지 150℃의 온도에서 건조됨을 특징으로 하는 탄소나노튜브와 그래핀산화물이 혼합된 나노카본 기반의 일체형 전도성 촉매전극의 제조방법.The method according to claim 7, wherein the first drying of the fifth step is performed at a temperature of 20 to 150 ° C. 제 9항에 있어서, 제6단계의 환원은 수계전해질에서 전기화학적으로 환원이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브와 그래핀산화물이 혼합된 나노카본 기반의 일체형 전도성 촉매전극의 제조방법.The method according to claim 9, wherein the reduction of the sixth step is carried out electrochemically in the aqueous electrolyte. The method of claim 1, wherein the carbon nanotubes and the graphene oxide are mixed. 제 10항에 있어서, 상기 전기화학적 환원은, 상기 그래핀산화물이 포함된 기판을 작동전극으로 사용하고, 수계전해질의 전도성을 부여하기 위해 0.05 ~ 0.2 M의 인산염 버퍼 수용액(phosphate buffer solution, PBS)이 사용됨을 특징으로 하는 탄소나노튜브와 그래핀산화물이 혼합된 나노카본 기반의 일체형 전도성 촉매전극의 제조방법.The electrochemical reduction method according to claim 10, wherein the electrochemical reduction is performed using a substrate containing the graphene oxide as a working electrode and a 0.05 to 0.2 M phosphate buffer solution (PBS) to provide conductivity of the aqueous electrolyte. Wherein the carbon nanotubes and the graphene oxide are mixed with each other. 제 11항에 있어서, 상기 제7단계의 제2건조는, 20 내지 150℃의 온도에서 대기중, 질소 혹은 산소분위기 또는 진공에서 이루어짐을 특징으로 하는 탄소나노튜브와 그래핀산화물이 혼합된 나노카본 기반의 일체형 전도성 촉매전극의 제조방법.12. The method of claim 11, wherein the second drying of the seventh step is performed at a temperature of 20 to 150 DEG C in the atmosphere, nitrogen, oxygen atmosphere, or vacuum. Based integrated catalytic electrode. 제1항 내지 제 5항중 어느 하나의 항에 의하여 비전도성 기판에 탄소나노튜브와 그래핀산화물의 혼합용액을 결합시키고, 상기 그래핀산화물의 환원에 의해 형성된 기판은 촉매전극으로 사용됨을 특징으로 하는 탄소나노튜브와 그래핀산화물이 혼합된 나노카본 기반의 일체형 전도성 촉매전극.A substrate according to any one of claims 1 to 5, wherein the substrate formed by reducing the graphene oxide is used as a catalyst electrode, and a mixed solution of carbon nanotubes and graphene oxide is bonded to a nonconductive substrate An integrated conductive catalytic electrode based on nano-carbon with carbon nanotube and graphene oxide mixed. 제 13항에 있어서, 상기 촉매전극은 염료감응형 태양전지의 상대전극으로 사용됨을 특징으로 하는 탄소나노튜브와 그래핀산화물이 혼합된 나노카본 기반의 일체형 전도성 촉매전극.The nano-carbon based integrated conductive catalyst electrode according to claim 13, wherein the catalyst electrode is used as a counter electrode of the dye-sensitized solar cell.
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