KR101772569B1 - Catalyst electrode using metal silicide and dye-sensitized solar cell comprising thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시 형태에 따른 금속 실리사이드를 이용한 촉매 전극은, 투명 기판과, 투명 기판의 표면에 코팅되는 촉매층을 포함하며, 촉매층은, 금속 실리사이드를 포함할 수 있다.A catalytic electrode using a metal silicide according to an embodiment of the present invention includes a transparent substrate and a catalyst layer coated on the surface of the transparent substrate, and the catalyst layer may include a metal silicide.

Description

금속 실리사이드를 이용한 촉매 전극 및 이를 포함하는 염료 감응형 태양 전지{CATALYST ELECTRODE USING METAL SILICIDE AND DYE-SENSITIZED SOLAR CELL COMPRISING THEREOF}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a catalytic electrode using a metal silicide, and a dye-sensitized solar cell including the catalyzed electrode.

본 출원은, 금속 실리사이드를 이용한 촉매 전극 및 이를 포함하는 염료 감응형 태양 전지에 관한 것이다.
The present application relates to a catalyst electrode using a metal silicide and a dye-sensitized solar cell comprising the same.

차세대 전지로서 태양전지에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 태양전지는 태양에너지를 전기에너지로 바꾸어 주는 장치로서, 실리콘 반도체를 사용하는 것과 화합물 반도체를 사용하는 것으로 크게 나눌 수 있다.
Research on solar cells as a next-generation battery has been actively conducted. Solar cells are devices that turn solar energy into electrical energy, which can be broadly divided into the use of silicon semiconductors and the use of compound semiconductors.

주로 실리콘 반도체를 사용하는 태양전지가 주를 이루고 있으나, 이것은 단가가 비싸고 카드뮴 같은 유해물질을 사용하여 건강에 해로운 단점이 있다.
Although mainly composed of solar cells using silicon semiconductors, they are expensive and have the disadvantage that they use harmful substances such as cadmium, which is detrimental to health.

이러한 단점을 극복하기 위하여 염료감응형 태양전지가 주목받고 있다.In order to overcome such disadvantages, dye-sensitized solar cells have attracted attention.

염료감응형 태양전지는 식물의 광합성 원리를 응용한 소자로, 엽록체에서 빛에너지를 흡수하는 기능의 색소를 고분자와 결합시켜 태양전지에 적용한 경우이다.
A dye-sensitized solar cell is a device that applies the principle of photosynthesis of a plant, and is a case where a dye having a function of absorbing light energy in a chloroplast is combined with a polymer and applied to a solar cell.

이러한 염료감응형 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)는 투명전도성 기판 위에 나노입자로 구성된 이산화티타늄(TiO2)과 이산화티타늄 입자 표면에 단 분자층으로 코팅된 염료고분자를 포함하는 작동 전극과 촉매 작용을 하는 상대 전극, 그리고 작동 전극과 상대 전극의 두 전극 사이에 산화, 환원 작용을 하는 전해질 용액으로 구성된다. 상술한 촉매 작용을 위해 상대 전극에는 촉매층이 코팅된다.
The dye-sensitized solar cell (DSSC) comprises a working electrode comprising titanium dioxide (TiO 2 ) composed of nanoparticles on a transparent conductive substrate and a dye polymer coated on the surface of the titanium dioxide particle with a monomolecular layer A counter electrode acting as a catalyst, and an electrolytic solution acting as an oxidizing and reducing agent between the working electrode and the counter electrode. For the above-mentioned catalytic action, the counter electrode is coated with a catalyst layer.

촉매층은 첫째, 전자를 I3 -와 결합시켜 I-로 환원되도록 하는 역할을 한다(촉매 기능). 둘째, 외부 회로에서 들어오는 전자를 이동시키는 역할을 한다(전도층 역할). 셋째, 입사된 빛을 반사시켜 소자에 가두어서 소자의 광전 효율을 높이는 역할을 한다(반사 기능). 이러한 DSSC의 촉매층은 촉매층 역할, 전도층 역할, 반사층 역할을 통해 DSSC의 에너지 변환 효율에 직접적인 영향을 미치고 있다.
First, the catalyst layer functions to bind electrons to I 3 - and reduce them to I - (catalytic function). Second, it serves to transfer electrons from the external circuit (serves as a conduction layer). Third, it reflects the incident light and keeps it in the device to increase the photoelectric efficiency of the device (reflection function). The catalyst layer of the DSSC directly affects the energy conversion efficiency of the DSSC through the role of the catalyst layer, the conductive layer, and the reflective layer.

상술한 촉매층으로, 일반적으로, Pt, Ir, Ru 등 백금계 소재가 사용되고 있다. 하지만, 상술한 백금계 금속은 2015년 현재 Pt(1537$/Oz), Pd(712$/Oz), Ir(1050$/Oz), Ru(90$/Oz), Os(810$/Oz), Rh(1250$/Oz) 시세를 나타내어 매우 고가의 소재이다.
As the catalyst layer described above, platinum-based materials such as Pt, Ir, and Ru are generally used. However, the above-mentioned platinum-based metals are currently used as platinum (Pt) (1537 $ / Oz), Pd (712 $ / Oz), Ir (1050 $ / Oz) , And Rh (1250 $ / Oz) are very expensive materials.

또한, Pt와 같은 백금계는 비저항이 크기 때문에 두껍게 코팅하여 사용해야하는 문제점이 있다. 기존의 방법은 Pt를 포함하는 수용액 염을 기판에 액상으로 코팅한 후, 열분해시켜 마이크로급의 백금계층을 도포시키거나, PVD, CVD와 같은 박막 증착 공정으로 기판에 균일하게 증착하는 공정이 있다. 또한 촉매제는 나노급 두께에서도 촉매역할을 한다. 그러나 백금족은 자체 비저항이 나쁘기 때문에 전기적 기능과 촉매역할을 동시에 하려면 두꺼운 후막이 필요하여 두께가 마이크로미터 급으로 두꺼워야 하는 문제점이 있다. 이러한 이유로, 백금계의 원하는 두께(수십 마이크로미터) 코팅 시 시간과 재료비가 매우 많이 드는 문제점이 있다.
In addition, since the platinum system such as Pt has a large specific resistance, there is a problem that it is required to be coated thickly. Conventionally, there is a process in which an aqueous salt solution containing Pt is coated on a substrate in a liquid phase, followed by pyrolysis to apply a micro-level platinum layer, or a thin film deposition process such as PVD or CVD. The catalyst also acts as a catalyst even at the nanometer level. However, since the platinum group has a low resistivity, it is necessary to use a thick film to perform both the electrical function and the catalyst function. For this reason, there is a problem that the time and material cost are very large when coating a desired thickness of the platinum system (several tens of micrometers).

또한, 고융점 백금족을 유리기판이나 폴리머 기판에 적용하기 위해서는 저온공정이 확보되어야 하나 현재 투명한 유리기판을 채용하기 위해 기존 공정은 450℃ 이하의 온도에서 DSSC 전체 소자를 만들기 위한 한계 온도가 채용되고 있다. 저온공정이 용이한 PVD로는 기판온도를 저온으로 유지하면 금속의 결정성을 확보하지 못해서 저항이 커져 비저항이 작아지는 문제점이 있다. 이러한 문제를 감수하고서라도 새로운 공정은 적어도 유리기판의 물성을 저해하지 않기 위해 450℃ 이하의 공정으로도 더 우수한 성능의 촉매층을 구성하여야 한다.
In order to apply the high melting point platinum group to the glass substrate or the polymer substrate, a low-temperature process should be secured. However, in order to adopt a transparent glass substrate, the conventional process employs a temperature limit for making the entire device of the DSSC at a temperature of 450 ° C. or lower . PVD, which is easy to perform at low temperature, has a problem that the resistivity becomes small due to the insufficient crystallinity of the metal when the substrate temperature is maintained at a low temperature. Even with such a problem, the new process should at least form a catalyst layer having better performance even at 450 ° C or less in order not to impair the physical properties of the glass substrate.

또한, 염료감응형 태양전지의 상대전극부에 촉매층으로 주로 사용되는 백금(Pt)의 경우 촉매적 특성이 우수하여 널리 사용되고 있으나, 염료감응형 태양전지에서 백금층이 흡착된 염료에 의해 전극표면이 열화되어 감소되며, 요오드 전해액에 장시간 접촉하는 경우 소량의 백금이 산화에 의해 용해되어 요오드화물이 생성되어 촉매기능의 내구성이 떨어지는 단점이 있다.
In addition, platinum (Pt), which is mainly used as a catalyst layer in a counter electrode portion of a dye-sensitized solar cell, has excellent catalytic properties and is widely used. However, in a dye- sensitized solar cell, And when it is contacted with the iodine electrolytic solution for a long time, a small amount of platinum is dissolved by oxidation to generate iodide, resulting in poor durability of the catalytic function.

염료 감응형 태양 전지와 관련된 기술로는, 예를 들면, 한국공개특허 제2012-0130433호('염료감응형 태양전지 및 그 제조방법', 공개일: 2012년12월03일)이 있다.
As a technology related to a dye-sensitized solar cell, for example, Korean Patent Publication No. 2012-0130433 ('Dye-sensitized solar cell and its manufacturing method', published on Dec. 03, 2012) is available.

한국공개특허 제2012-0130433호('염료감응형 태양전지 및 그 제조방법', 공개일: 2012년12월03일)Korean Unexamined Patent Publication No. 2012-0130433 ('Dye-sensitized solar cell and method for manufacturing the same', published on December 03, 2012)

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 우수한 촉매활성도를 가지면서 위에서 언급한 4가지 문제점인 백금족의 가격경쟁력, 높은 비저항, 고온공정, 낮은 내구성 등의 기존 문제점을 극복할 수 있는 금속 실리사이드를 이용한 촉매 전극 및 이를 포함하는 염료 감응형 태양 전지를 제공한다.
According to one embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a catalyst electrode using a metal silicide, which can overcome the above-mentioned four problems, namely, price competitiveness of a platinum group, high specific resistance, high temperature process, low durability, And a dye-sensitized solar cell comprising the dye-sensitized solar cell.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 염료 감응형 태양 전지의 촉매 전극에 있어서, 투명 기판; 및 상기 투명 기판의 표면에 코팅되는 촉매층을 포함하며, 상기 촉매층은, 금속 실리사이드를 포함하는 촉매 전극이 제공된다.
According to an embodiment of the present invention, there is provided a catalyst electrode of a dye-sensitized solar cell comprising: a transparent substrate; And a catalyst layer coated on the surface of the transparent substrate, wherein the catalyst layer comprises a metal silicide.

본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 작동 전극; 상기 작동 전극과 소정 거리 이격되어 배치되는 투명 기판; 상기 작동 전극에 증착된 반도체 산화물; 상기 반도체 산화물의 입자 표면에 흡착되는 염료; 상기 투명 기판에 코팅된 촉매층; 상기 반도체 산화물이 증착된 작동 전극 및 상기 촉매층이 코팅된 투명 기판의 외부를 감싸는 밀봉재; 및 상기 밀봉재 내부에 주입되어 상기 작동 전극 및 상기 투명 기판 사이에 충진되는 전해질을 포함하며, 상기 촉매층은, 금속 실리사이드를 포함하는 염료 감응형 태양 전지가 제공된다.According to another embodiment of the present invention, A transparent substrate disposed at a predetermined distance from the working electrode; A semiconductor oxide deposited on the working electrode; A dye adsorbed on the surface of the semiconductor oxide; A catalyst layer coated on the transparent substrate; A sealing material surrounding the working electrode on which the semiconductor oxide is deposited and the outside of the transparent substrate on which the catalyst layer is coated; And an electrolyte injected into the sealing material to be filled between the working electrode and the transparent substrate, wherein the catalyst layer comprises a metal silicide.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 투명 기판의 표면에 코팅되는 촉매층을 백금족 대신 금속 실리사이드로 구성함으로써, 우수한 촉매활성도를 가지면서 위에서 언급한 네가지 문제점인 백금족의 가격경쟁력, 높은 비저항, 고온공정, 낮은 내구성 등의 기존 문제점을 극복할 수 있다.
According to one embodiment of the present invention, the catalytic layer coated on the surface of the transparent substrate is made of the metal silicide instead of the platinum group, so that the catalytic activity of the platinum group, which has the above-mentioned four problems, Durability and the like can be overcome.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 금속 실리사이드를 이용한 촉매 전극을 포함하는 염료 감응형 태양 전지를 도시한 도면이다.
도 2는 제조된 NiSi, NiSi2 금속 화합물의 XRD 데이터를 도시한 것이다.
도 3은 제조된 NiSi, NiSi2 금속 화합물의 CV 데이터를 도시한 것이다.
도 4는 제조된 NiSi, NiSi2 금속 화합물을 채용한 DSSC 소자의 IV 데이터를 도시한 것이다.
도 5는 제조된 NiSi, NiSi2 금속 화합물을 채용한 DSSC 소자의 임피던스 데이터를 도시한 것이다.
1 is a diagram illustrating a dye-sensitized solar cell including a catalytic electrode using a metal silicide according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows XRD data of the NiSi and NiSi 2 metal compounds produced.
FIG. 3 shows CV data of the NiSi and NiSi 2 metal compounds produced.
FIG. 4 shows IV data of a DSSC device employing the produced NiSi and NiSi 2 metal compounds.
FIG. 5 shows impedance data of a DSSC element employing the NiSi and NiSi 2 metal compounds produced.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. The shape and the size of the elements in the drawings may be exaggerated for clarity and the same elements are denoted by the same reference numerals in the drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 금속 실리사이드를 이용한 촉매 전극을 포함하는 염료 감응형 태양 전지를 도시한 도면이다.
1 is a diagram illustrating a dye-sensitized solar cell including a catalytic electrode using a metal silicide according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 염료 감응형 태양 전지는, 작동 전극부(120), 촉매 전극(110)(상대 전극부라고도 함) 및 전해질(130)을 포함할 수 있으며, 작동 전극부(120)는 작동 전극(121), 블록킹막(122), 반도체 산화물(123) 및 염료(132)를 포함할 수 있으며, 촉매 전극(110)은 상대 전극(111) 및 촉매층(112)을 포함할 수 있다.
1, the dye-sensitized solar cell may include an operation electrode unit 120, a catalyst electrode 110 (also referred to as a counter electrode unit), and an electrolyte 130, and the operation electrode unit 120 May include a working electrode 121, a blocking layer 122, a semiconductor oxide 123 and a dye 132, and the catalytic electrode 110 may include a counter electrode 111 and a catalyst layer 112 have.

상술한 촉매 전극(110)의 제작과정을 설명하면 다음과 같다.The manufacturing process of the catalyst electrode 110 will now be described.

먼저 투명 기판(glass)(111) 전면에 E-gun Evaporator(ZZZ550-2/D, 마에스텍)를 이용하여 E-beam power 10 kV, Base pressure 5x10-6 torr로 1초당 3Å의 증착 속도로 Si 50nm를 증착하고, 그 위에 동일한 조건으로 Ni 50nm를 증착하여 최종적으로 glass/Si 50nm/Ni 50nm의 시편을 준비하였다. 상술한 촉매층의 두께는 1㎛ 이하가 바람직하다. 그 이유는 일반적으로 촉매층의 두께와 효율은 비례하기는 하나 효율에도 한계가 있기 때문이다.
First, using an E-gun evaporator (ZZZ550-2 / D, Maestek) at the deposition rate of 3 Å per second at an E-beam power of 10 kV and a base pressure of 5 × 10 -6 torr, And 50 nm of Ni was deposited thereon under the same conditions. Finally, a specimen of glass / Si 50 nm / Ni 50 nm was prepared. The thickness of the catalyst layer is preferably 1 占 퐉 or less. The reason is that although the thickness and efficiency of the catalyst layer are generally proportional, the efficiency is also limited.

이후 NiSi 형성을 위해 glass/Si 50nm/Ni 50nm의 시편을 RTA(Rapid Thermal Annealling)(Korea Vacuum Tech, KVRTP-020) 공정을 이용하여 450℃, 30초 열처리를 진행하였다. 반면, NiSi2 형성을 위해서는 glass/Si 50nm/Ni 50nm의 시편을 RTA를 이용하여 700℃, 15초 열처리를 진행하였다.After that, the specimen of glass / Si 50nm / Ni 50nm was annealed at 450 ℃ for 30 sec using Rapid Thermal Annealing (RTA) (Korea Vacuum Tech, KVRTP-020) for NiSi formation. On the other hand, NiSi 2 For the formation, glass / Si 50nm / Ni 50nm specimens were annealed at 700 ℃ for 15 sec using RTA.

비교를 위해 진공로를 이용하여 각각 450℃, 800℃에서 30분간 열처리하여 완전한 상을 만들었다. 이때 800℃ 열처리를 쿼츠 기판을 채용하였다.
For comparison, a complete phase was formed by heat treatment at 450 ° C and 800 ° C for 30 minutes using a vacuum furnace. At this time, a quartz substrate was employed as the heat treatment at 800 ° C.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, RTA 공정을 이용하여 열처리를 수행하는데, 그 이유는 반도체 공정에서 사용되는 실리콘 기판과 달리 유리 기판의 경우 700도 정도의 높은 온도에서 유리 기판 자체가 녹아버리기 때문이다. 이러한 RTA 공정은 급속 열처리를 위하여 하부의 기판까지는 열 확산이 발생되지 않기 때문에 500도 이상의 고온 열처리 조건에서도 하부의 기판을 보호함과 동시에 상부의 박막에만 열 확산이 발생한다는 장점이 있다. RTA와 더불어 고온 열처리에도 불구하고 하부의 기판에는 영향을 주지 않는 공정으로 마이크로 웨이브(microwave), 고주파 가열(induction heating) 방법이 있다. 마이크로 웨이브의 경우 선택적으로 금속부만을 가열하기 때문에 금속이 아닌 기판을 사용할 경우 기판의 파괴없이 금속부만을 고온으로 열처리할 수 있으며, 고주파 가열의 경우도 마이크로 웨이브와 동일하게 금속부만을 가열하기 때문에 금속이 아닌 기판 사용시에 기판의 파괴없이 금속부만을 고온으로 열처리할 수 있다.
According to one embodiment of the present invention, the RTA process is used to perform the heat treatment because, unlike the silicon substrate used in the semiconductor process, the glass substrate itself melts at a high temperature of about 700 degrees . Since the RTA process does not cause thermal diffusion to the underlying substrate for rapid thermal annealing, it also protects the underlying substrate under high temperature annealing conditions of over 500 ° C., and has the advantage of causing only thermal diffusion to the upper thin film. In addition to RTA, there are microwave and induction heating processes that do not affect the underlying substrate despite high temperature annealing. In the case of a microwave, only a metal part is selectively heated. Therefore, when a substrate other than a metal is used, only the metal part can be heat-treated at a high temperature without destroying the substrate. In the case of high frequency heating, Only the metal part can be heat-treated at a high temperature without destroying the substrate at the time of using the substrate.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 금속 실리사이드가 NiSi인 경우 열처리 온도는 500도 이하이며, 금속 실리사이드가 NiSi2인 경우에는 열처리 온도는 650도 내지 900도 사이의 값일 때 적절한 금속 실리사이드가 형성될 수 있다.
According to an embodiment of the present invention, when the metal silicide is NiSi, the heat treatment temperature is 500 degrees or less. When the metal silicide is NiSi 2 , when the heat treatment temperature is between 650 and 900 degrees, a suitable metal silicide is formed .

제작된 상대 전극부 표면에 잔류하는 Ni을 제거하기 위해 80℃에서 30%-황산(H2SO4)에 20분간 담가 처리하였다.
In order to remove remaining Ni on the surface of the prepared counter electrode, the substrate was immersed in 30% -sulfuric acid (H 2 SO 4 ) at 80 ° C for 20 minutes.

상술한 예시에서는, 촉매층(112)의 적층되는 금속층으로 니켈-실리사이드만을 설명하고 있으나, 이를 발명의 이해를 돕기 위한 것으로, 니켈(Ni) 외에도 백금(Pt), 코발트(Co), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 텅스텐(W), 이리듐(Ir), 철(Fe), 하프늄(Hf) 및 이들의 합금 중 적어도 하나 이상이 실리콘(Si) 위에 적층될 수 있다. 이에 따라 상술한 촉매층의 금속 실리사이드는, PtSi계, CoSi계, NiSi계, PdSi계, WSi계, IrSi계, FeSi계, HfSi계 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
(Ni), platinum (Pt), cobalt (Co), nickel (Ni), and nickel (Ni) are used as the metal layer to be stacked in the catalyst layer 112. However, At least one of palladium (Pd), tungsten (W), iridium (Ir), iron (Fe), hafnium (Hf) and alloys thereof may be stacked on silicon (Si). Accordingly, the metal silicide of the catalyst layer described above may include any one of PtSi, CoSi, NiSi, PdSi, WSi, IrSi, FeSi, and HfSi.

또한, 투명 기판(111)은 유리(glass)를 예시하고 있으나, 산화물, 질화물, 실리콘을 포함하는 무기물 또는 폴리이미드를 포함하는 유기물을 포함할 수 있다.
In addition, the transparent substrate 111 exemplifies glass, but may include an oxide including an oxide, a nitride, an inorganic material including silicon, or an organic material including a polyimide.

한편, 제작된 NiSi와 NiSi2의 물성을 확인하기 위해 HRXRD(X’pert-pro, PANalytical사)를 이용하였다. X선 source는 니켈 필터를 통과시켜 얻은 Cu Ka로 파장은 1.5405 Å이며, 이때 tube current는 30 mA, 가속전압은 40 kV이다. 나노급 박막측정에 유리한 glancing angle 모드로 θ를 2°로 고정시켰고, 회절 범위는 joint committee powder diffraction standards(JCPDS) 카드상에 나타나있는 Si(No. 05-0565), Ni(No. 45-1027), NiSi(No. 38-0844), 그리고 NiSi2(No. 43-0989)를 고려하여 2θ를 30~80° 범위에서 생성된 결정상을 확인하였다.
On the other hand, HRXRD (X'pert-pro, PANalytical) was used to confirm the physical properties of the produced NiSi and NiSi 2 . The X - ray source is a Cu Ka obtained by passing through a nickel filter. The wavelength is 1.5405 Å. The tube current is 30 mA and the acceleration voltage is 40 kV. In the glancing angle mode favorable for nano-scale thin film measurements, the θ was fixed at 2 ° and the diffraction range was determined using the Si (No. 05-0565), Ni (No. 45-1027 ), NiSi (No. 38-0844), and NiSi 2 (No. 43-0989).

NiSi, NiSi2의 촉매활성도 분석을 위해 DY2113 Potentiostat(Digi-Ivy, Austin, TX)의 CV(Cyclic Voltammetry) 측정을 이용하였다. DY2113의 전기화학적 측정시스템의 하나인 CV측정을 위해 sweep condition을 50 mVs- 1 로 하고 기준전극(Ag/AgCl)과 전해질(3-methoxypropionitrile; MPN)solution에 0.1 M LiClO4, 0.5 mM I2 그리고 5 mM Lil을 써서 catalytic activity와 surface area effect에 대한 주기적인 voltammograms를 확인하였다.
CV (Cyclic Voltammetry) measurement of DY2113 Potentiostat (Digi-Ivy, Austin, TX) was used for the analysis of catalytic activity of NiSi and NiSi 2 . The sweep condition was set to 50 mVs - 1 for CV measurement, which is one of the electrochemical measurement systems of DY2113. 0.1 M LiClO 4 , 0.5 mM I 2 and 3 mM sodium chloride were added to the reference electrode (Ag / AgCl) and electrolyte (3-methoxypropionitrile Periodic voltammograms of catalytic activity and surface area effect were confirmed using 5 mM Lil.

한편, 작동 전극부의 제작과정을 설명하면 다음과 같다. A manufacturing process of the working electrode unit will be described below.

우선. titanium(IV)bis(ethyl aceto acetato)-diisopropoxide와 1-Butanol을 혼합한 혼합액을 준비하고 이들을 스티어를 이용하여 30분 이상 교반 후 500 rpm 10 sec, 2000 rpm 40 sec의 조건으로 스핀 코팅(spin coating)하여 블록킹층(122)을 제작하였다. 제작된 블록킹층(122) 위에 닥터 블레이드(doctor blade) 방법으로 20 nm 입도를 가진 TiO2 페이스트(Dyesol DSL 18NR-T of 10)를 코팅 후 500 ℃, 30분간 열처리하여 TiO2 필름(123)을 만들었다. 이 후 0.5 mM cis-vis bis-ruthenium (Ⅱ) bis-tetrabutylammonium(N719)을 흡착시켜 FTO glass/blocking layer/TiO2/dye(N719)의 구조를 갖는 작동 전극부(120)를 완성하였다.
first. A mixture of titanium (IV) bis (ethyl aceto acetato) -diisopropoxide and 1-butanol was prepared and stirred for 30 minutes or more using a steer. The mixture was spin-coated at 500 rpm for 10 sec and at 2000 rpm for 40 sec. ) To prepare a blocking layer 122. On the prepared blocking layer 122, TiO 2 having a particle size of 20 nm by a doctor blade method Paste (Dyesol DSL 18NR-T of 10) was coated and then heat-treated at 500 ° C for 30 minutes to obtain TiO 2 A film 123 was formed. After that, the working electrode unit 120 having the structure of FTO glass / blocking layer / TiO 2 / dye (N719) was completed by adsorbing 0.5 mM cis-vis bis-ruthenium (II) bis-tetrabutylammonium (N719).

이후. 제작된 작동 전극부(120)와 상대 전극부(110)를 고정클립으로 고정한 후, 전해질(130)을 주입하여 최종적으로 FTO glass /blocking layer/TiO2/dye(N719)/electrolyte/100 nm (Pt, NiSi, NiSi2)/glass의 수직단면을 가진 유효면적 0.45 cm2 DSSC 소자를 완성하였다.
after. After the manufactured working electrode unit 120 and the counter electrode unit 110 were fixed with a fixing clip, the electrolyte 130 was injected and finally the FTO glass / blocking layer / TiO 2 / dye (N719) / electrolyte / 100 nm Pt, NiSi, NiSi 2 ) / effective area with vertical section of glass 0.45 cm 2 DSSC device was completed.

완성된 소자의 계면저항 확인을 위해 solar simulator(PEC-L11, Peccell)와 potentiostat(Iviumstat, Ivium)를 이용하여 임피던스(impedance)를 측정하였다. 임피던스 분석은 10 mHz∼1 MHz의 주파수 범위에서 각각의 교류전압의 인가에 대한 전류응답의 결과를 측정하여 내부 임피던스를 분석하였다. 임피던스 측정 결과로 나온 나이퀴스트 선도(Nyquist plot)를 통해 TCO의 면저항에 주로 기인하는 실수항의 저항과 TCO/electrolyte 계면의 저항을 나타내는 Rh, TCO/TiO2 계면의 저항과 전해질/상대전극 계면의 전하이동 저항을 나타내는 R1, 전자이동 저항과 TiO2/전해질 계면의 전자 재결합 저항을 나타내는 R2, 전해질내 산화-환원 종의 확산에 의한 와버그 임피던스를 나타내는 R3 세개의 반원을 확인하였으며, 이를 통해 각각의 계면 저항을 확인하였다.
Impedance was measured using a solar simulator (PEC-L11, Peccell) and potentiostat (Iviumstat, Ivium) to confirm the interface resistance of the completed device. Impedance analysis analyzed the internal impedance by measuring the result of the current response to the application of each AC voltage in the frequency range of 10 mHz to 1 MHz. The resistivity of R h , TCO / TiO 2 interface and the electrolyte / counter electrode interface, which represent the resistance of the real-valued resistance and the resistance of the TCO / electrolyte interface, mainly due to the sheet resistance of the TCO through the Nyquist plot, the charge transfer resistance R 1, electromigration resistance and TiO 2 / electrolyte R 2 represents an electron recombination resistance of the surface, the electrolyte oxidation representing - has confirmed that the R 3 three semicircular indicating the bug impedance due to dispersion of the reducing species , Which confirmed the interfacial resistance of each.

한편, 도 2는 제조된 NiSi, NiSi2 금속 화합물의 XRD 데이터로, HRXRD를 이용한 NiSi, NiSi2 박막의 상을 θ를 2° 기울인 후, 저각 모드로, 2θ=30∼80도 범위에서 측정한 결과를 나타내었다. NiSi 박막(221)의 경우 44.6°, 45.9°, 51.9°, 76.5°에 상응한 각각 (210), (112), (103), (222)면을 가진 NiSi 피크를 나타내었다. NiSi2 박막(222)의 경우 44.6°, 45.9°, 51.9°에 상응한 각각 (210), (112), (103)면을 가진 NiSi 피크와 47.3°, 68.0°, 76.7°에 상응한 각각 (220), (400), (331)면을 가진 NiSi2 피크를 나타내었다. 따라서 glass/Si 50 nm/Ni 50 nm의 시편을 저온 열처리를 통해 NiSi와 NiSi2의 금속화합물을 성공적으로 제작하였음을 확인하였다.
2 is a graph showing XRD data of NiSi and NiSi 2 metal compounds prepared. The phase of NiSi and NiSi 2 thin films using HRXRD was measured at an angle of 2θ = 30 to 80 degrees in a low angle mode after tilting θ by 2 ° The results are shown. NiSi peaks having (210), (112), (103) and (222) planes corresponding to 44.6 °, 45.9 °, 51.9 ° and 76.5 ° in the case of the NiSi thin film 221, respectively. The NiSi 2 thin film 222 has NiSi peaks each having (210), (112), and (103) planes corresponding to 44.6 °, 45.9 ° and 51.9 ° and a peak corresponding to 47.3 °, 68.0 °, and 76.7 ° 220), 400, 331 are shown NiSi 2 peaks with a surface. Therefore, it was confirmed that the metal compound of NiSi and NiSi 2 was successfully fabricated through low temperature heat treatment of glass / Si 50 nm / Ni 50 nm specimen.

한편, 도 3은 제조된 NiSi, NiSi2 금속 화합물의 CV 데이터를 도시한 것으로, 각각 Pt, NiSi, NiSi2 상대 전극부의 촉매 활동도를 나타낸 CV 그래프이다. CV에서 I3 -/I- 산화환원에 따라 두가지 루프가 나타내는 것으로 잘 알려져 있다. 우상단의 루프들은 요오드화물(iodide)이 순차적으로 3I-→I3 -+2e-와 2I3 -→3I2+2e-의 산화반응을 나타내고, 좌하단의 루프들은 요오드가 3I2+2e-→2I3 -와 I3 -+2e-→3I-로의 환원반응이 일어나는 것을 나타낸다.
Meanwhile, FIG. 3 shows CV data of the NiSi and NiSi 2 metal compounds produced, and CV graphs showing the catalyst activity of Pt, NiSi, and NiSi 2 counter electrodes, respectively. It is well known that two loops are represented by I 3 - / I - redox in CV. The upper left loops indicate the oxidation reaction of the iodide sequentially from 3I - → I 3 - + 2e - and 2I 3 - → 3I 2 + 2e - , and the lower left loops indicate the iodine 3I 2 + 2e - → 2I 3 - and I 3 - + 2e - → 3I - .

촉매 활성도는 도 3의 좌하단부에서 그래프의 면적이 증가함에 따라 클수록 우수하다고 판단할 수 있는데 Pt 전극(313)의 경우가 상대적으로 전체적인 전류밀도(current density)와 전위(potential)의 면적이 크게 나타나서 가장 큰 촉매활성도를 보였으나, NiSi2(312)의 경우 Pt(313)와 비슷한 촉매활성도를 나타내는 것을 확인하였다. 한편, NiSi(311)의 경우 Pt(313)와 NiSi2(312)에 비해서는 촉매활성도가 우수하지는 못하나 일정 수준 이상의 촉매활성도를 나타내어 촉매 재료로서 사용이 가능함을 확인하였다. 따라서 NiSi와 NiSi2의 금속간화합물은 촉매재료로서 사용 가능함을 확인할 수 있었다.
3, the larger the area of the graph, the higher the current density and the potential area of the Pt electrode 313 are. The catalytic activity of NiSi 2 (312) was similar to that of Pt (313). On the other hand, the catalytic activity of NiSi (311) was not superior to that of Pt (313) and NiSi 2 (312), but the catalytic activity was higher than a certain level. Therefore, it was confirmed that the intermetallic compound of NiSi and NiSi 2 can be used as a catalyst material.

도 4는 제조된 NiSi, NiSi2 금속 화합물을 채용한 DSSC 소자의 IV 데이터를 도시한 것으로, 각각 Pt, NiSi, NiSi2 상대전극을 적용한 염료감응형 태양전지 소자의 I-V 결과를 나타내었다. Pt(413)의 경우 단락전류밀도, 필팩터가 NiSi(411), NiSi2(412)에 비해 상대적으로 우수하게 나타내어 촉매활성도가 우수하다는 것을 확인할 수 있다. 특히 NiSi2(412)의 경우 Pt(413)에 비해서는 다소 떨어지나 우수한 단락전류밀도와 필팩터를 나타내는 것을 확인하였다. 한편 개방전압의 경우 상대전극보다는 작동전극부의 전해질의 산화-환원 준위과 TiO2 전극의 페르미준위에 영향을 받는 요소로 본 실험에서는 동일한 작동전극을 채용하였으므로 오차범위에서 차이가 나는 것을 확인하였다.
FIG. 4 shows IV data of the DSSC device employing the NiSi and NiSi 2 metal compounds manufactured, and IV results of the dye-sensitized solar cell device using Pt, NiSi, and NiSi 2 counter electrodes, respectively. In the case of Pt 413, the short-circuit current density and the fill factor are shown to be relatively superior to those of NiSi (411) and NiSi 2 (412), indicating that the catalytic activity is excellent. In particular, it was confirmed that NiSi 2 (412) is somewhat less than Pt (413) but exhibits excellent short circuit current density and fill factor. On the other hand, the open-circuit voltage is affected by the oxidation-reduction level of the electrolyte in the working electrode and the Fermi level of the TiO 2 electrode, rather than the counter electrode.

한편, 하기의 표 1에 도 4의 결과를 자세하게 나타내었다.The results of FIG. 4 are shown in detail in Table 1 below.

[표 1][Table 1]

Figure 112015113525984-pat00001
Figure 112015113525984-pat00001

Pt의 경우 단락전류밀도, 개방전압, 필팩터, 에너지변환효율이 각각 11.58 mA/cm2, 0.67 V, 0.647, 5.00 %를 나타내었고, NiSi2의 경우 각각 11.41 mA/cm2, 0.67 V, 0.467, 3.58 %를 나타내었다. NiSi2의 경우 앞선 결과와 마찬가지로 Pt에 비해서는 촉매활성도가 다소 떨어지나, 우수한 단락전류밀도와 필팩터값을 나타내어 촉매 재료로서의 사용 가능성을 보였다. 한편, NiSi의 경우 각각 10.87 mA/cm2, 0.62 V, 0.264, 1.77 %를 나타내어 모든 요소가 Pt와 NiSi2에는 못 미치나 일정 수준 이상의 값을 내타내어 촉매 재료로서의 사용 가능성을 확인하였다.
In the case of Pt, the short circuit current density, open voltage, fill factor, and energy conversion efficiency were 11.58 mA / cm 2 , 0.67 V, 0.647, and 5.00%, respectively. NiSi 2 showed 11.41 mA / cm 2 , 0.67 V, 0.467 , And 3.58% respectively. In the case of NiSi 2, the catalytic activity was somewhat lower than that of Pt, but it showed good short circuit current density and fill factor and showed possibility of use as catalyst material. On the other hand, in the case of NiSi, 10.87 mA / cm 2 , 0.62 V, 0.264 and 1.77% were shown, and all elements were less than Pt and NiSi 2 ,

마지막으로, 도 5는 제조된 NiSi, NiSi2 금속 화합물을 채용한 DSSC 소자의 임피던스 데이터를 도시한 것으로, 각각 Pt(513), NiSi(511), NiSi2(512) 상대 전극을 적용한 염료감응형 태양전지 소자에 인가된 주파수에 대해 실수항(Z')과 허수항(Z")으로 이루어진 나이퀴스트 선도(nyquist plot)를 나타내었다. 일반적인 염료감응형 태양전지의 내부저항과 같이 세 가지의 반원(R1, R2, R3)이 나타나는 것을 확인하였다.
5 shows the impedance data of the DSSC device employing the NiSi and NiSi 2 metal compounds thus manufactured. The impedance data of the DSSC device using the NiSi 2 (512) A nyquist plot consisting of the real number (Z ') and the imaginary number (Z ") is shown for the frequency applied to the solar cell element. It was confirmed that semicircle (R 1 , R 2 , R 3 ) appeared.

일반적으로 상대전극과 관련된 저항은 R1 값으로 Pt와 NiSi2를 상대전극으로 채용한 소자의 R1 값은 각각 약 5 Ω, 약 15 Ω으로 NiSi2의 계면저항이 Pt에 비해 다소 큰 것을 확인하였다. 이는 앞서 설명한 바와 같이 Pt가 NiSi2보다는 우수한 촉매활성도를 나타내어 나타난 결과라고 판단하였다. 한편, NiSi의 경우 우상단에 삽입한 그림과 같이 R1 값이 매우 커서 R2 값과 중첩되어 나타내는 것을 확인하였으며, 이는 앞선 CV, IV 결과와 일치하였다.
In general, the resistance of the counter electrode is R 1 , and the R 1 values of the devices using Pt and NiSi 2 as the counter electrode are about 5 Ω and about 15 Ω, respectively, and the interface resistance of NiSi 2 is somewhat larger than that of Pt Respectively. As described above, it was judged that Pt exhibited better catalytic activity than NiSi 2 . On the other hand, in the case of NiSi, as shown in the figure inserted at the upper right, the value of R 1 is very large and overlapped with the value of R 2 , which is consistent with the results of CV and IV.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 투명 기판의 표면에 코팅되는 촉매층을 백금족 대신 금속 실리사이드로 구성함으로써, 우수한 촉매활성도를 가지면서 위에서 언급한 네가지 문제점인 백금족의 가격경쟁력, 높은 비저항, 고온공정, 낮은 내구성 등의 기존 문제점을 극복할 수 있다.
As described above, according to one embodiment of the present invention, the catalytic layer coated on the surface of the transparent substrate is made of the metal silicide instead of the platinum group, so that the catalytic activity is excellent and the four problems mentioned above, , High temperature process, and low durability.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
The present invention is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It will be self-evident.

110: 촉매 전극(상대 전극부)
111: 상대 전극
112: 촉매층
120: 작동 전극부
121: 작동 전극
122: 블록킹막
123: 반도체 산화물
124: 염료
130: 전해질
110: catalytic electrode (counter electrode)
111: counter electrode
112: catalyst layer
120: working electrode part
121: working electrode
122: blocking membrane
123: semiconductor oxide
124: Dye
130: electrolyte

Claims (18)

염료 감응형 태양 전지의 촉매 전극에 있어서,
투명 기판; 및
상기 투명 기판의 표면에 코팅되는 촉매층을 포함하며,
상기 촉매층은, 금속 실리사이드를 포함하는 촉매 전극.
In a catalyst electrode of a dye-sensitized solar cell,
A transparent substrate; And
And a catalyst layer coated on a surface of the transparent substrate,
Wherein the catalyst layer comprises a metal silicide.
제1항에 있어서,
상기 촉매층은,
상기 투명 기판 위에 2 이상의 금속을 적층한 후, 적층된 금속을 열처리하여 생성되는 금속 실리사이드 촉매 전극.
The method according to claim 1,
Wherein the catalyst layer comprises:
Wherein the metal silicide catalyst electrode is formed by laminating two or more metals on the transparent substrate and then heat-treating the laminated metal.
제2항에 있어서,
상기 열처리는,
RTA(Rapid Thermal Annealing) 공정, 마이크로 웨이브(Microwave) 공정, 고주파 가열(Induction heating) 공정 중 어느 하나의 공정에 의하는 촉매 전극.
3. The method of claim 2,
The heat-
A catalyst electrode by any one of a rapid thermal annealing (RTA) process, a microwave process, and an induction heating process.
제2항에 있어서,
상기 적층은,
실리콘(Si) 외에 백금(Pt), 코발트(Co), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 텅스텐(W), 이리듐(Ir), 철(Fe), 하프늄(Hf) 및 이들의 합금 중 적어도 하나 이상을 적층하는 촉매 전극.
3. The method of claim 2,
In the above lamination,
At least one of platinum (Pt), cobalt (Co), nickel (Ni), palladium (Pd), tungsten (W), iridium (Ir), iron (Fe), hafnium (Hf) Wherein at least one of the electrodes is laminated.
제1항에 있어서,
상기 금속 실리사이드는,
PtSi계, CoSi계, NiSi계, PdSi계, WSi계, IrSi계, FeSi계, HfSi계 중 어느 하나를 포함하는 촉매 전극.
The method according to claim 1,
The metal silicide may be,
A catalytic electrode comprising any one of PtSi, CoSi, NiSi, PdSi, WSi, IrSi, FeSi, and HfSi.
제2항에 있어서,
상기 투명 기판은, 유리 기판이며,
상기 열처리에 의해 생성된 금속 실리사이드가 NiSi인 경우 상기 열처리의 온도는 500도 이하이며,
상기 열처리에 의해 생성된 금속 실리사이드가 NiSi2인 경우 상기 열처리 온도는 700도에서 900도 사이의 값인 촉매 전극.
3. The method of claim 2,
Wherein the transparent substrate is a glass substrate,
When the metal silicide produced by the heat treatment is NiSi, the temperature of the heat treatment is 500 degrees or less,
Wherein when the metal silicide produced by the heat treatment is NiSi 2 , the heat treatment temperature is a value between 700 and 900 degrees.
제1항에 있어서,
상기 촉매층의 두께는,
1㎛이하인 촉매 전극.
The method according to claim 1,
The thickness of the catalyst layer,
1 μm or less.
제1항에 있어서,
상기 투명 기판은,
산화물, 질화물, 실리콘을 포함하는 무기물 또는 폴리이미드를 포함하는 유기물을 포함하는 촉매 전극.
The method according to claim 1,
Wherein the transparent substrate comprises:
A catalyst electrode comprising an organic matter comprising an oxide, a nitride, an inorganic material comprising silicon or a polyimide.
제1항에 있어서,
상기 촉매 전극의 표면은, 황산 또는 질산을 이용하여 클리닝되는 촉매 전극.
The method according to claim 1,
Wherein the surface of the catalyst electrode is cleaned using sulfuric acid or nitric acid.
작동 전극;
상기 작동 전극과 소정 거리 이격되어 배치되는 투명 기판;
상기 작동 전극에 증착된 반도체 산화물;
상기 반도체 산화물의 입자 표면에 흡착되는 염료;
상기 투명 기판에 코팅된 촉매층;
상기 반도체 산화물이 증착된 작동 전극 및 상기 촉매층이 코팅된 투명 기판의 외부를 감싸는 밀봉재; 및
상기 밀봉재 내부에 주입되어 상기 작동 전극 및 상기 투명 기판 사이에 충진되는 전해질을 포함하며,
상기 촉매층은, 금속 실리사이드를 포함하는 염료 감응형 태양 전지.
Working electrode;
A transparent substrate disposed at a predetermined distance from the working electrode;
A semiconductor oxide deposited on the working electrode;
A dye adsorbed on the surface of the semiconductor oxide;
A catalyst layer coated on the transparent substrate;
A sealing material surrounding the working electrode on which the semiconductor oxide is deposited and the outside of the transparent substrate on which the catalyst layer is coated; And
And an electrolyte injected into the sealing material to be filled between the working electrode and the transparent substrate,
Wherein the catalyst layer comprises a metal silicide.
제10항에 있어서,
상기 촉매층은,
상기 투명 기판 위에 2 이상의 금속을 적층한 후, 적층된 금속을 열처리하여 생성되는 금속 실리사이드 촉매 전극을 포함하는 염료 감응형 태양 전지.
11. The method of claim 10,
Wherein the catalyst layer comprises:
And a metal silicide catalyst electrode formed by laminating two or more metals on the transparent substrate and then heat-treating the stacked metal.
제11항에 있어서,
상기 열처리는,
RTA(Rapid Thermal Annealing) 공정, 마이크로 웨이브(Microwave) 공정, 고주파 가열(Induction heating) 공정 중 어느 하나의 공정에 의하는 염료 감응형 태양 전지.
12. The method of claim 11,
The heat-
A dye-sensitized solar cell according to any one of RTA (rapid thermal annealing) process, microwave process, and induction heating process.
제11항에 있어서,
상기 적층은,
실리콘(Si) 외에 백금(Pt), 코발트(Co), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 텅스텐(W), 이리듐(Ir), 철(Fe), 하프늄(Hf) 및 이들의 합금 중 적어도 하나 이상을 적층하는 염료 감응형 태양 전지.
12. The method of claim 11,
In the above lamination,
At least one of platinum (Pt), cobalt (Co), nickel (Ni), palladium (Pd), tungsten (W), iridium (Ir), iron (Fe), hafnium (Hf) A dye-sensitized solar cell comprising one or more layers.
제10항에 있어서,
상기 금속 실리사이드는,
PtSi계, CoSi계, NiSi계, PdSi계, WSi계, IrSi계, FeSi계, HfSi계 중 어느 하나를 포함하는 염료 감응형 태양 전지.
11. The method of claim 10,
The metal silicide may be,
A dye-sensitized solar cell comprising any one of PtSi, CoSi, NiSi, PdSi, WSi, IrSi, FeSi, and HfSi.
제11항에 있어서,
상기 투명 기판은, 유리 기판이며,
상기 열처리에 의해 생성된 금속 실리사이드가 NiSi인 경우 상기 열처리의 온도는 500도 이하이며,
상기 열처리에 의해 생성된 금속 실리사이드가 NiSi2인 경우 상기 열처리 온도는 700도에서 900도 사이의 값인 염료 감응형 태양 전지.
12. The method of claim 11,
Wherein the transparent substrate is a glass substrate,
When the metal silicide produced by the heat treatment is NiSi, the temperature of the heat treatment is 500 degrees or less,
Wherein when the metal silicide produced by the heat treatment is NiSi 2 , the heat treatment temperature is a value between 700 ° C and 900 ° C.
제10항에 있어서,
상기 촉매층의 두께는,
1㎛이하인 염료 감응형 태양 전지.
11. The method of claim 10,
The thickness of the catalyst layer,
A dye-sensitized solar cell having a thickness of 1 μm or less.
제10항에 있어서,
상기 투명 기판은,
산화물, 질화물, 실리콘을 포함하는 무기물 또는 폴리이미드를 포함하는 유기물을 포함하는 염료 감응형 태양 전지.
11. The method of claim 10,
Wherein the transparent substrate comprises:
A dye-sensitized solar cell comprising an organic material including an oxide, a nitride, an inorganic material including silicon, or a polyimide.
제10항에 있어서,
상기 작동 전극의 표면에는 역 전자전달 반응을 억제하기 위한 블록킹막이 형성된 염료 감응형 태양 전지.
11. The method of claim 10,
And a blocking film for suppressing reverse electron transfer reaction is formed on the surface of the working electrode.
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