KR101515820B1 - a Method for Manufacturing Flexible Dye-Sensitized Solar Cell with Spray type which use a pre-dye-adsorbed Nanoparticle Metal Oxides and a Manufacturing Device using the Same - Google Patents

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KR101515820B1 KR1020140040735A KR20140040735A KR101515820B1 KR 101515820 B1 KR101515820 B1 KR 101515820B1 KR 1020140040735 A KR1020140040735 A KR 1020140040735A KR 20140040735 A KR20140040735 A KR 20140040735A KR 101515820 B1 KR101515820 B1 KR 101515820B1
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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing a flexible dye-sensitized solar cell which includes the steps of: a) absorbing an organic dye on the nanoparticle metal oxide with a nanoparticle type by mixing an organic dye solution with a colloidal solution of nanoparticle metal oxide; and b) generating an electrode by spraying the mixture solution of the organic dye solution and the colloidal solution of the nanoparticle metal oxide on a plastic substrate.

Description

염료를 미리 흡착한 나노입자 금속산화물을 이용한 스프레이 방식의 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조방법 및 이를 이용한 제조장치{a Method for Manufacturing Flexible Dye-Sensitized Solar Cell with Spray type which use a pre-dye-adsorbed Nanoparticle Metal Oxides and a Manufacturing Device using the Same}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method of manufacturing a flexible dye-sensitized solar cell using a nanoparticle metal oxide having a dye adsorbed in advance and a manufacturing method using the same. Nanoparticle Metal Oxides and a Manufacturing Device using the Same}

본 발명은 염료를 미리 흡착한 나노입자 금속산화물을 이용한 스프레이 방식의 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조방법 및 이를 이용한 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of manufacturing a flexible dye-sensitized solar cell using a nanoparticle metal oxide having a dye adsorbed in advance, and an apparatus for manufacturing a flexible dye-sensitized solar cell using the same.

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.

KR 10-2009-0010309KR 10-2009-0010309

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 용액에 유기 염료 용액을 혼합하여 유기 염료가 나노입자 금속산화물에 나노입자 형태로 흡착되도록 하는 단계; 및 The present invention provides a method for preparing a nanoparticle metal nanoparticle comprising: a) mixing an organic dye solution with a colloidal solution of a nanoparticle metal oxide to cause the organic dye to be adsorbed to the nanoparticle metal oxide in nanoparticle form; And

b) 상기 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액와 유기 염료 용액의 혼합용액을 플라스틱 기판 상에 분사시켜 전극을 생성하는 단계를 포함하는 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조방법을 제공한다.
b) spraying a mixture solution of the colloidal solution of the nanoparticle metal oxide and the organic dye solution on a plastic substrate to produce an electrode.

또한, 본 발명은 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액와 유기 염료 용액의 혼합용액을 분사하는 분사부; 및The present invention also provides a spraying apparatus for spraying a mixed solution of a colloidal solution of a nanoparticle metal oxide and an organic dye solution; And

상기 혼합 용액의 분사 방향을 조절하는 기체분사부;를 포함하고,And a gas injecting part for adjusting an injecting direction of the mixed solution,

상기 혼합용액의 나노입자 금속산화물에 유기 염료가 나노입자 형태로 미리 흡착되어 있는 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조장치를 제공한다.
Wherein the nanoparticle metal oxide of the mixed solution is preliminarily adsorbed in the form of nanoparticles on the dye-sensitized solar cell.

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 염료의 포함량에 따른 산화 티타늄 현탁액을 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명의 산화 티타늄 전극의 두께에 따른 PCE 값을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조방법의 모식도이다.
도 4는 실시예 1에 의하여 제조된 플렉시블 염료감응형 태양전지의 일례를 나타낸 사진이다.
도 5는 실시예 1 및 비교예 1에 플렉시블 염료감응형 태양전지의 표면을 촬영한 SEM 사진이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a photograph showing a titanium oxide suspension according to the content of dye.
2 is a graph showing the PCE value according to the thickness of the titanium oxide electrode of the present invention.
3 is a schematic diagram of a method of manufacturing a flexible dye-sensitized solar cell according to the present invention.
4 is a photograph showing an example of a flexible dye-sensitized solar cell manufactured according to 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 용액에 유기 염료 용액을 혼합하여 유기 염료가 나노입자 금속산화물에 나노입자 형태로 흡착되도록 하는 단계; 및 a) mixing an organic dye solution in a colloidal solution of nanoparticulate metal oxide to cause the organic dye to be adsorbed to the nanoparticle metal oxide in nanoparticle form; And

b) 상기 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액과 유기 염료 용액의 혼합용액을 플라스틱 기판 상에 분사시켜 전극을 생성하는 단계를 포함한다.
b) injecting a mixed solution of the colloidal solution of the nanoparticle metal oxide and the organic dye solution onto a plastic substrate to produce an electrode.

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, 염료의 전처리 기술을 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 pretreatment technique of a dye by 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 용액에 유기 염료 용액을 혼합하여 유기 염료가 나노입자 금속산화물에 나노입자 형태로 흡착되도록 하는 a) 단계를 포함한다.
First, a method of manufacturing a flexible dye-sensitized solar cell according to the present invention includes a step of mixing an organic dye solution with a colloid solution of a nanoparticle metal oxide so that the organic dye is adsorbed to the nanoparticle metal oxide in the form of nanoparticles .

본 발명의 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조방법은 유기 염료를 나노입자 금속산화물에 전처리하여, 유기 염료가 코팅된 금속산화물을 이용하는 것으로서, 기판 상에, 예를 들어 플렉시블 인듐-주석 산화물 코팅 폴리에틸렌 나프탈레이트(ITO-PEN)에 뿌려 지기 전에, 유기 염료가 코팅된 금속 산화물을 제조한 후, 이를 이용하여 염료 코팅 금속 산화물 전극을 즉시 제조할 수 있다. 이 때, 금속 산화물 전극 상의 염료의 양은, 금속산화물 나노 분말과 혼합되는 염료 용액의 양에 의하여 조절될 수 있다.
The method for manufacturing a flexible dye-sensitized solar cell according to the present invention uses a metal oxide coated with an organic dye by pretreating an organic dye with a nanoparticle metal oxide, and is formed on a substrate by using, for example, a flexible indium-tin oxide coated polyethylene Prior to being sprayed onto the phthalate (ITO-PEN), a dye-coated metal oxide electrode can be readily prepared using an organic dye-coated metal oxide. At this time, the amount of the dye on the metal oxide electrode can be controlled by the amount of the dye solution mixed with the metal oxide nanopowder.

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 루테늄계 (Ruthenim) 염료, 티오펜계 (thiophene) 염료, 카바졸계 (Carbazole) 염료 및 페닐아민계 (Phenylamine) 염료로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
The organic dye is preferably one selected from the group consisting of a ruthenium dye, a thiophene dye, a carbazole dye, and a phenylamine dye.

상기 루테늄계 (Ruthenim) 염료로 루테늄을 포함하고 있는 유기 염료라면 특별한 제한은 없다. There are no particular restrictions on the ruthenium dye as long as it is an organic dye containing ruthenium.

상기 티오펜계 (thiophene) 염료로 티오펜을 포함하고 있는 유기 염료라면 특별한 제한은 없다. There are no particular restrictions on the thiophene dye as long as it is an organic dye containing thiophene.

상기 카바졸계 (Carbazole) 염료로 카바졸을 포함하고 있는 유기 염료라면 특별한 제한은 없다. There is no particular limitation as long as it is an organic dye containing carbazole as the carbazole dye.

상기 페닐아민계 (Phenylamine) 염료로 페닐아민을 포함하고 있는 유기 염료라면 특별한 제한은 없다.
There are no particular limitations on the organic dye as long as it is an organic dye containing phenylamine as the phenylamine dye.

상기 나노입자 금속산화물에 대한 유기 염료의 포함비가 3 내지 7 중량%인 것이 염료의 손실 없이 금속 산화물 나노 입자에 흡수되어 가장 바람직하다. 상기 유기 염료의 포함비가 3 중량% 미만이면 충분한 흡착이 이뤄지지 않는 문제가 있고, 7 중량%를 초과하는 경우에는 염료 코팅된 금속산화물의 나노입자가 창백하고 어두운 검은색을 가지게된다.
It is most preferable that the content ratio of the organic dye to the nanoparticle metal oxide is 3 to 7% 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% by weight, sufficient adsorption can not be achieved. If the content exceeds 7% by weight, the dye-coated metal oxide nanoparticles are pale and dark black.

상기 플라스틱 기판은 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 인듐-주석 산화물 코팅 폴리에틸렌 나프탈레이트(ITO-PEN) 및 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) and polyethylene terephthalate (ITO-PET).

이 후, 본 발명의 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조방법은 상기 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액과 유기 염료 용액의 혼합용액을 플라스틱 기판 상에 분사시켜 전극을 생성하는 b) 단계를 포함한다.
Thereafter, the manufacturing method of the flexible dye-sensitized solar cell of the present invention includes a step b) of spraying a mixed solution of the colloidal solution of the nanoparticle metal oxide and the organic dye solution onto a plastic substrate to produce an electrode.

본 발명은 상기와 같이 나노입자 금속 산화물에 염료를 미리 흡착시킨 후, 이를 이용하여 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 prepared immediately after the dye is pre-adsorbed to the nanoparticle metal oxide as described above, a long-time immersion process as in the prior art is not necessary, The production of the oxide electrode is also simplified.

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 용액와 유기 염료 용액의 혼합용액을 분사하는 분사부; 및The manufacturing apparatus includes a spraying unit for spraying a mixed solution of a colloidal solution of a nanoparticle metal oxide and an organic dye solution; And

상기 혼합 용액의 분사 방향을 조절하는 기체분사부;를 포함하고,And a gas injecting part for adjusting an injecting direction of the mixed solution,

상기 혼합용액의 나노입자 금속산화물에 유기 염료가 나노입자 형태로 미리 흡착되어 있는 것을 특징으로 한다. 상기 제조장치의 개략도는 도 3과 같다.
And the organic dye is previously adsorbed in the nanoparticle metal oxide of the mixed solution in the form of nanoparticles. A schematic view of the manufacturing apparatus is shown in Fig.

본 발명에 따른 장치는, 예를 들어 도 3에서와 같이, 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액와 유기 염료 용액의 혼합용액을 분사하는 방식을 취하고 있다. 즉 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액와 유기 염료 용액을 미리 혼합하여, 나노입자 금속산화물에 유기 염료가 나노입자 형태로 미리 흡착된 후, 이를 분사시켜 전도성 고분자 필름(ITO-PEN) 위에 일정한 형태로 필름을 형성할 수 있다. 이 때, 기체가스를 이용하여 분사의 방향을 제어한다. 상기 기체는 이에 제한하지는 않지만, 일반적인 공기, 이산화탄소, 헬륨, 질소 등을 사용할 수 있고, 가장 바람직하게는 질소일 수 있다.
The apparatus according to the present invention takes a method of spraying a mixed solution of a colloidal solution of a nanoparticle metal oxide and an organic dye solution, for example, as shown in Fig. That is, a colloid solution of a nanoparticle metal oxide and an organic dye solution are preliminarily mixed and the organic dye is adsorbed to the nanoparticle metal oxide in the form of nanoparticles in advance, and the nanoparticle is sprayed to form a film on the conductive polymer film (ITO-PEN) . At this time, the direction of injection is controlled by using gas. The gas may be, but not limited to, ordinary air, carbon dioxide, helium, nitrogen and the like, and most preferably nitrogen.

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]: 전 처리 염료 흡착 공정[Example 1]: Pretreatment dye adsorption process

25g의 에탄올 내에 0.658g의 P- 25 (TiO2) 현택액을 넣은 후, 각각 16.5mg(2.5%), 33mg(5.0%), 49.5mg(7.5%) 및 66mg(10.0%)의 N719를 첨가하여, TiO2 나노 분말에 흡착된 염료를 즉시 얻었다. 상기 4개의 염료의 모습으로 도 1에 나타내었다.After loading the P- 25 (TiO 2) Suspensions of 0.658g in 25g of ethanol, were added to N719 of 16.5mg (2.5%), 33mg ( 5.0%), 49.5mg (7.5%) and 66mg (10.0%) , And a dye adsorbed to the TiO 2 nano powder was immediately obtained. The four dyes are shown in Fig.

이 때, TiO2 콜로이드 용액에 N719를 첨가함에 따라서, TiO2 나노 입자가 하얀색에서 분홍색으로 즉시 변화하는데, 이것이 염료의 흡착 때문이다. 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.

따라서, 침지 공정에 긴 시간이 소요되는 이유가, TiO2 나노 입자에 염료가 흡착되는 시간이 아니라, 염료가 TiO2 나노 분말의 기공을 통해 TiO2 전극의 깊숙이 통과하는 것과 관련된 것이라는 점을 이해할 수 있었다. 도 1은 솔루션에 남아있는 염료 때문에, 7.5 및 10 중량% 염료 코팅된 TiO2 나노 입자가 각각 창백하고 어두운 검은 색을 갖는 것을 보여준다. 반면에 2.5 중량 % 염료 코팅된 TiO2는, TiO2 나노 입자에 적은 양의 염료가 있기 때문에 5 중량%의 TiO2 나노 입자에 비해 비교적 선명한 핑크 색상을 보여준다.Thus, the reason that the long time required for the immersion process, not the time at which the dye is adsorbed on the TiO 2 nanoparticles, dyes will be understood that it would related to deep passage of the TiO 2 electrode through the pores of the TiO 2 nano powder there was. Figure 1 shows that 7.5 and 10 wt% dye coated TiO 2 nanoparticles each have a pale, dark black color due to the dye remaining in the solution. On the other hand, 2.5 wt% dye-coated TiO 2 shows relatively clear pink hue compared to 5 wt% TiO 2 nanoparticles due to the small amount of dye in the TiO 2 nanoparticles.

TiO2나노 분말에 5 중량% 전처리 코팅 염료만이 솔루션에 남아있는 염료와 동질의 포화 현탁액을 얻었다. 이 결과는 염료가 손실 없이 완전히 TiO2 나노 입자에 흡수되는 것을 의미한다.A 5 wt% pretreated coating dye in the TiO 2 nanopowder only gave a saturated suspension homogenous to the dye remaining in the solution. This result means that the dye is completely absorbed by TiO 2 nanoparticles without loss.

따라서, 본 실시예 1에서는 5 중량%의 염료가 코팅된 TiO2 나노 입자가 포함된 혼합 용액을 사용하여, 100℃에서 ITO-PEN 상에 분사하여 플렉서블 TiO2 전극을 제조하였다. 상기 분사 시에 질소 가스를 이용하여 분사의 방향을 제어하였다. 이 후, 200Mpa에서 10분간 CIP 공정에 의하여 처리한 후 많은 수의 다층막 증착을 조절하여, 2, 4, 6, 8, 10 및 18um의 염료 코팅 TiO2 전극을 얻었다. 얻어진 플렉시블 TiO2 전극을 도 4에 나타냈다.
Thus, in Example 1, a flexible TiO 2 electrode was prepared by spraying ITO-PEN at 100 ° C. using a mixed solution containing 5 wt% dye-coated TiO 2 nanoparticles. The injection direction was controlled using nitrogen gas during the injection. After this treatment, the TiO 2 coated with 2, 4, 6, 8, 10 and 18 um dye was obtained by controlling the deposition of a large number of multilayer films by CIP process at 200 Mpa for 10 min. The resulting flexible TiO 2 electrode is shown in Fig.

장치를 제조 하기 전에, 프레스된 염료 코팅된 TiO2 전극을 CH2Cl2 용액에 이어 에탄올 용액에 1시간 동안 침지시켜, CIP 공정 동안의 염료의 분해를 시험하였으나, 염료의 분해물의 용해에 의해 파생 된 각 솔루션의 색깔의 변화를 찾을 수 없었다.
The dye-coated TiO 2 electrode was immersed in a CH 2 Cl 2 solution followed by an ethanol solution for 1 hour to test the decomposition of the dye during the CIP process before the apparatus was fabricated, There was no change in the color of each solution.

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.

[[ 비교예Comparative Example 1]:  One]: 침지형Submerged 염료 흡착 공정 Dye adsorption process

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

1) 두께에 따른 성능 비교1) Performance comparison according to thickness

상기 실시예 1에서, CIP 공정에 의하여 처리한 후 많은 수의 다층막 증착을 조절하여, 2, 4, 6, 8, 10 및 18um의 염료 코팅 TiO2 전극을 제조하여, 이를 이용하여 제조한 염료감응형 태양전지의 디바이스 성능을 Pt/ITO-PEN 및 염료 코팅 TiO2/ITO-PEN 간에 적절한 밀봉 없이 개방 셀 구조에서 즉시 측정하여 PCE 값을 구하여, 도 2에 나타내었다.In Example 1, dye-coated TiO 2 electrodes of 2, 4, 6, 8, 10 and 18 μm were prepared by controlling the deposition of a large number of multilayer films after the CIP process, The device performance of the photovoltaic cell was measured immediately in the open cell structure between Pt / ITO-PEN and dye-coated TiO 2 / ITO-PEN without proper sealing, and the PCE value was obtained and is shown in FIG.

도 2에 나타난 바와 같이, 장치의 성능은 일반적으로 두께의 증가에 따라서 2%에서 3.4%로 증가하고, 10 ㎛를 넘으면 감소하기 시작 것으로 나타났다. 최고의 막 두께는 PCE가 3.4%인 8~10um 인 것을 알 수 있다.
As shown in Fig. 2, the performance of the device generally increased from 2% to 3.4% with increasing thickness, and began to decrease when it exceeded 10 탆. It can be seen that the best film thickness is 8 ~ 10 um, which is 3.4% of PCE.

2) 실시예와 비교예의 태양전지의 성능 비교2) Comparison of the performance of the solar cells of Examples and Comparative Examples

상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된, TiO2 막의 두께가 8㎛의 동일한 두께를 갖는 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 manufactured in Example 1 and Comparative Example 1 having the same thickness of TiO 2 film of 8 μm was evaluated by using a suitable seal between Pt / ITO-PEN and dye-coated TiO 2 / ITO- The results are shown in Table 1 immediately after measurement in an open cell structure.

Film thickness(㎛)Film thickness (탆) V oc (mV) V oc (mV) J sc (mA/cm2) J sc (mA / cm 2 ) ffff PCE (%)PCE (%) 비교예 1Comparative Example 1 88 736736 10.910.9 0.590.59 4.74.7 실시예 1Example 1 88 648648 8.108.10 0.650.65 3.43.4

실시예 1에서 제조된 플렉시블 염료감응형 태양전지 장치는 단락 광전류 밀도 (short-circuit photocurrent density; Jsc)가 8.1 mA/cm2, 개방 전압(open-circuit voltage; Voc) 가 648 mV, FF(fill factor)가 0.65에서 photo-conversion efficiency(PCE)가 3.4%로 나타났다. The flexible dye-sensitized solar cell device manufactured in Example 1 has a short-circuit photocurrent density (Jsc) of 8.1 mA / cm 2, an open-circuit voltage (Voc) of 648 mV, a fill factor ) Was 0.65 and the photo-conversion efficiency (PCE) was 3.4%.

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 73 % 에 달했다. From the above results, the efficiency of Example 1 reached 73% 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)

a) 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액에 유기 염료 용액을 혼합하여 유기 염료가 나노입자 금속산화물에 나노입자 형태로 흡착되도록 하는 단계로써, 상기 나노입자 금속산화물에 대한 유기 염료의 포함비가 3.0 내지 7.0 중량%인 것을 특징으로 하는 단계; 및
b) 상기 나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액와 유기 염료 용액의 혼합용액을 플라스틱 기판 상에 분사시켜 전극을 생성하는 단계를 포함하는 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조방법.
a) mixing an organic dye solution with a colloidal solution of a nanoparticle metal oxide to cause the organic dye to be adsorbed to the nanoparticle metal oxide in the form of nanoparticles, wherein the ratio of the organic dye to the nanoparticle metal oxide is from 3.0 to 7.0 wt% %, ≪ / RTI > And
b) spraying a mixture solution of the colloidal solution of the nanoparticle metal oxide and the organic dye solution onto a plastic substrate to produce an electrode.
청구항 1에 있어서,
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.
청구항 1에 있어서,
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.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
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.
청구항 1에 있어서,
상기 c) 단계의 고압 처리는 CIP(Cold Isotactic Pressure) 공정인 것을 특징으로 하는 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the high-pressure treatment in step c) is a CIP (cold isotactic pressure) process.
청구항 6에 있어서,
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.
나노입자 금속산화물의 콜로이드 용액와 유기 염료 용액의 혼합용액을 분사하는 분사부; 및
상기 혼합 용액의 분사 방향을 조절하는 기체분사부;를 포함하고,
상기 혼합용액의 나노입자 금속산화물에 유기 염료가 나노입자 형태로 상기 나노입자 금속산화물에 대해 3.0 내지 7.0 중량% 만큼 미리 흡착되어 있는 플렉시블 염료감응형 태양전지의 제조장치.
A jetting section for jetting a mixed solution of a colloidal solution of nanoparticle metal oxide and an organic dye solution; And
And a gas injecting part for adjusting an injecting direction of the mixed solution,
Wherein an organic dye is previously adsorbed to the nanoparticle metal oxide of the mixed solution in the form of nanoparticles in an amount of 3.0 to 7.0% by weight based on the nanoparticle metal oxide.
청구항 8에 있어서,
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.
청구항 8에 있어서,
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.
삭제delete
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