KR20090070058A - Dye sensitized solar cells using solid-state nanocomposite electrolytes - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고체형 나노복합 전해질 및 이를 이용한 태양전지에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 층상구조를 가지는 타이타니아계 무기물에 암모늄계 유기물 또는 올리고머가 삽입된 고체형 나노복합 전해질 및 이를 이용한 태양전지에 관한 것이다.The present invention relates to a solid nanocomposite electrolyte and a solar cell using the same, and more particularly, to a solid nanocomposite electrolyte having an ammonium-based organic material or oligomer inserted into a titania-based inorganic material having a layered structure and a solar cell using the same.
염료감응 태양전지는 가시광선을 흡수하여 전자(electron)-정공(hole) 쌍을 생성할 수 있는 감광성 염료분자와 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물, 전해질, 그리고 양 쪽에 위치한 전극으로 이루어져 있다. 이렇게 구성되어 있는 염료감응 태양전지는 실리콘 태양전지에 비하여 전력당 제조원가가 저렴하며, 친환경적 공정을 가짐으로써 차세대 전원의 자가충전용으로 각광을 받고 있다. Dye-sensitized solar cells consist of photosensitive dye molecules capable of absorbing visible light to produce electron-hole pairs, transition metal oxides that carry the generated electrons, electrolytes, and electrodes on either side. The dye-sensitized solar cell thus constructed is cheaper in manufacturing cost per power than silicon solar cells, and has an environmentally friendly process, and thus has been in the spotlight for self-charging of the next generation power source.
도 1은 일반적인 염료감응 태양전지의 작동원리를 보여주는 설명도로서 반도체 산화물 전극(11)에 흡착된 염료(12)가 태양빛을 흡수하여 바닥 상태(ground state, D+/D)에서 들뜬 상태(excited state, D+/D*)로 전자 전이하여 전자-정공 쌍 을 이루며 들뜬 상태의 전자는 반도체 산화물의 전도띠(conduction band, ECB)로 주입된다.FIG. 1 is an explanatory view showing the operation principle of a general dye-sensitized solar cell. The
반도체 산화물 전극(11)으로 주입된 전자는 입자간 계면을 통하여 투명 전도성 기판(13)으로 전달되고 다시 외부 전선(14)을 통하여 백금층(16)이 코팅된 대향전극(15)으로 이동된다. The electrons injected into the
반도체 산화물 전극(11)과 대향전극(15)사이에는 산화-환원 쌍(17)을 포함한 전해질이 주입되어 있다. An electrolyte including an oxidation-
태양광 흡수에 의해 산화된 염료(12)는 산화-환원 쌍(17)에 의해 제공되는 전자를 받아 다시 환원되며 이 때 전자를 공급한 산화-환원 쌍(17)은 대향전극(15)에 도달한 전자에 의해 다시 환원되어 염료감응 태양전지의 작동 과정이 완성된다. The
또한 투명 전도성 기판(13)과 대향전극(15)에는 부하(L)가 직렬 연결되어 단락 전류, 개방 전압, 충진 계수 등을 측정함으로써 전지의 효율을 알 수 있다. In addition, the load L is connected to the transparent
상기와 같이 광흡수에 의한 전자전이 결과로 산화된 염료분자(D→D(+))는 산화-환원 전해질 내의 요오드 이온의 산화(3I(-1)→I3(-1)+2(e-)에 의해 제공되는 전자를 받아 다시 환원되며, I3(-1) 이온은 플라티늄 대향전극에 도달한 전자(e-)에 의해 다시 환원되어 염료감응 태양전지 작동 과정이 완성된다. As described above, the dye molecules (D → D (+)) oxidized as a result of electron transfer by light absorption are oxidized (3I (-1) → I 3 (-1) +2 (e) in iodine ions in the redox electrolyte. Receiving electrons provided by-) is reduced again, and I 3 (-1) ions are reduced by electrons (e-) reaching the platinum counter electrode to complete the dye-sensitized solar cell operation process.
광전류는 반도체 산화물 전극으로 주입된 전자의 확산에 의한 결과로써 얻어지며, 광전압은 반도체 산화물의 페르미 에너지와 전해질의 산화-환원 전위의 차이에 의해 결정된다. The photocurrent is obtained as a result of the diffusion of electrons injected into the semiconductor oxide electrode, and the photovoltage is determined by the difference between the Fermi energy of the semiconductor oxide and the oxidation-reduction potential of the electrolyte.
현재까지 알려진 염료감응 태양전지의 대표적인 예는 1991년 스위스 그라첼(Gratzel) 등에 의하여 발표된 것이 있으며(USP 4927721, USP 5350644), 이는 감광성 염료분자와 나노입자 산화티타늄으로 이루어져 있는 태양전지로써 기존의 태양전지에 비하여 제조단가가 저렴하다는 이점이 있다. A representative example of dye-sensitized solar cells known to date was published in 1991 by Gratzel et al. (USP 4927721, USP 5350644), which is a solar cell composed of photosensitive dye molecules and nanoparticle titanium oxide. Compared with solar cells, the manufacturing cost is low.
지금까지 잘 알려진 염료감응 나노입자 산화물 태양전지는 나노입자 산화물 반도체 음극, 백금 양극, 상기 음극에 코팅된 염료 및 유기 용매를 사용한 산화-환원 액상 전해질로 구성되어 있다. 그러나, 유기 용매로부터 얻어지는 액상전해질을 포함하는 염료감응 태양전지는 태양광에 의하여 태양전지의 외부 온도가 증가 될 때 전해질 용매가 태양전지로부터 휘발될 가능성이 있다. 따라서, 용매 누출로 인한 염료감응 태양전지의 장기적 안정성 및 실용화에 매우 불리하다는 문제점이 있다. Dye-sensitized nanoparticle oxide solar cells well known so far are composed of a nanoparticle oxide semiconductor anode, a platinum anode, a redox liquid electrolyte using a dye coated on the cathode and an organic solvent. However, in the dye-sensitized solar cell including the liquid electrolyte obtained from the organic solvent, there is a possibility that the electrolyte solvent is volatilized from the solar cell when the external temperature of the solar cell is increased by sunlight. Therefore, there is a problem that it is very disadvantageous for the long-term stability and practical use of the dye-sensitized solar cell due to solvent leakage.
이러한 문제를 해결하기 위해 전해질의 비휘발성화와 준고체화가 연구되어왔다. 따라서 용매의 증발이 없고 난연성 그리고 높은 이온 전도성을 가지는 이온성 액체는 염료감응 태양전지용 전해질 재료로 각광받고 있다. 또한 이온성 액체 기반의 전해질은 적당한 겔화 물질을 첨가하여 물리적 또는 화학적으로 준고체화 시킴으로써 실온을 포함한 넓은 온도범위에 걸쳐 안정된 액상을 유지한다. 현재까지 알려진 이온-겔 전해질의 대표적인 연구 예는 2003년 스위스 그라첼(Gratzel) 등에 의하여 발표 된 것으로(J. AM. CHEM. SOC. 2003, 125, 1166-1167), 실리카 무기입자를 겔화 물질로 사용하여 준고체상태의 이온-겔 전해질을 제조하였다. In order to solve this problem, non-volatile and semi-solidified electrolytes have been studied. Therefore, ionic liquids having no solvent evaporation, flame retardancy, and high ionic conductivity have been spotlighted as electrolyte materials for dye-sensitized solar cells. In addition, ionic liquid-based electrolytes maintain a stable liquid phase over a wide temperature range, including room temperature, by adding a suitable gelling material to physically or chemically solidify. Representative examples of ion-gel electrolytes to date have been published in 2003 by Gratzel et al. (J. AM. CHEM. SOC. 2003, 125, 1166-1167). To prepare a semi-solid ion-gel electrolyte.
하지만 전해질 상에 분산되어있는 무기입자는 외부 온도가 증가하거나 시간 이 지남에 따라서 서로 뭉치는 현상(aggregation) 이 발생하며, 이는 염료감응 태양전지의 장기안정성 및 효율의 저하를 야기시킨다.However, the inorganic particles dispersed on the electrolyte are agglomerated with each other as the outside temperature increases or as time passes, which causes long-term stability and efficiency of the dye-sensitized solar cell.
본 발명의 목적은 층상구조의 무기물질을 이용하여 고체형 나노복합 전해질을 제조한 후 이를 염료감응 태양전지에 응용함으로써 장기안정성 및 작동효율을 향상시키는데 있다. An object of the present invention is to improve the long-term stability and operating efficiency by preparing a solid nanocomposite electrolyte using a layered inorganic material and then applying it to a dye-sensitized solar cell.
특히 층상구조의 무기물질에 이온교환을 통하여 유기물질을 삽입하여 분산성이 향상된 고체형 나노복합 전해질을 제조함으로써 장기안정성 및 광산란 효과를 향상시킨다.In particular, long-term stability and light scattering effects are improved by preparing a solid nanocomposite electrolyte having improved dispersibility by inserting organic materials through ion exchange into a layered inorganic material.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 태양전지는 반도체 전극과, 대향전극 및 상기 반도체 전극과 상기 대향전극 사이에 개재되며, 층상구조의 타이타니아계 무기물에 암모늄계 유기물 또는 올리고머가 삽입된 고체형 나노복합 전해질을 포함하여 구성된다.The solar cell of the present invention for solving the above problems is a solid-state nano interposed between the semiconductor electrode, the counter electrode and the semiconductor electrode and the counter electrode, the ammonium organic material or oligomer is inserted into the titania-based inorganic material of the layer structure It comprises a composite electrolyte.
상기 타이타니아계 무기물질은 100 nm ~ 10 ㎛의 길이로 형성되며, K2Ti4O9, Na2Ti3O7, CsxTi2 -x/4O4 등과 같은 물질로 이루어질 수 있다. The titania-based inorganic material is formed to have a length of 100 nm to 10 μm, and may be formed of a material such as K 2 Ti 4 O 9 , Na 2 Ti 3 O 7 , Cs x Ti 2 -x / 4 O 4, and the like.
상기 암모늄계 유기물은 메틸암모늄, 프로필암모늄, 테트라부틸암모늄 중 어느 하나에 해당한다.The ammonium organic material corresponds to any one of methyl ammonium, propyl ammonium and tetrabutylammonium.
상기 고체형 나노복합 전해질은 이온성 액체와 고분자를 더 포함할 수 있는데, 상기 이온성 액체는 메틸프로필이미다졸륨아이오다이드, 부틸메틸이미다졸륨아 이오다이드, 헥실메틸 이미다졸륨아이오다이드, 이미다졸륨아이오다이드 등이 사용될 수 있다. 또한, 상기 고분자로는 폴리아크릴로나이트릴, 폴리비닐리덴플루오라이드코헥사플루오로프로필렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌옥사이드 등이 사용될 수 있다.The solid nanocomposite electrolyte may further include an ionic liquid and a polymer, wherein the ionic liquid is methylpropylimidazolium iodide, butylmethylimidazolium iodide, hexylmethyl imidazolium iodide. Id, imidazolium iodide and the like can be used. In addition, the polymer may be polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride cohexafluoropropylene, polypropylene, polyethylene oxide and the like.
본 발명은 상기한 태양전지를 제조하는 방법을 포함하며, 본 발명에 따른 태양전지 제조방법은, 반도체 전극을 준비하는 단계와, 상기 반도체 전극에 대향하는 대향전극을 준비하는 단계와, 상기 반도체 전극과 상기 대향전극을 이격되게 조립하는 단계 및 상기 반도체 전극과 상기 대향전극 사이에 고체형 나노복합 전해질 용액을 형성하는 단계를 포함하여 구성된다.The present invention includes a method of manufacturing the above-described solar cell, the method of manufacturing a solar cell according to the present invention comprises the steps of preparing a semiconductor electrode, preparing a counter electrode facing the semiconductor electrode, and the semiconductor electrode And assembling the counter electrode apart from each other and forming a solid nanocomposite electrolyte solution between the semiconductor electrode and the counter electrode.
여기서, 상기 고체형 나노복합 전해질 용액을 형성하는 단계는, 층상 구조의 무기물질을 제조하는 단계와, 이온 교환 방법을 이용하여 상기 층상 구조의 무기물질을 수소화 시키는 단계와, 상기 수소화 처리된 무기물질에 유기물질을 삽입시키는 단계와, 상기 유기물질이 삽입된 층상 구조의 무기물질에 이온성 액체, 올리고머 및 고분자를 삽입시키는 단계 및 상기 무기물질들을 겔화 물질로 이용하여 전해질 이온을 포함한 고체형 나노복합 전해질을 제조하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The forming of the solid nanocomposite electrolyte solution may include preparing an inorganic material having a layered structure, hydrogenating the inorganic material having the layered structure using an ion exchange method, and performing the hydrogenated inorganic material. Inserting an organic material into the organic material, inserting an ionic liquid, an oligomer, and a polymer into an inorganic material having a layered structure into which the organic material is inserted, and using the inorganic material as a gelling material. It characterized in that it comprises a step of preparing an electrolyte.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 태양전지와 그 제조방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a solar cell and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 따른 고체형 나노복합 전해질을 포함한 염료감응 태양전지(100)를 개략적으로 도시한 도면이다. 2 is a view schematically showing a dye-sensitized
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 염료 감응 태양전지는 반도체 전극(110)과 상기 반도체 전극(110)에 대향하는 대향전극(120)을 포함하여 구성된다. 상기 반도체 전극(110)과 대향전극(120) 사이에는 고체형 나노복합 전해질(130)이 충진되어 있다.Referring to the drawings, the dye-sensitized solar cell according to the present invention comprises a
상기 반도체 전극(110)은 투명 도전성 기판(111) 상에 산화티타늄 차단층(113)이 형성되고, 상기 산화티타늄 차단층(113) 상에 반도체 산화물 전극(115)이 형성된 구성을 가진다. The
여기서, 상기 투명 도전성 기판(111)은 투명한 유리 기판 또는 유연성(flexible) 고분자 기판 상에 투명한 도전성 박막이 형성된 형태로 구성된다. 상기 도전성 박막은 ITO(indium tin oxide), FTO(SnO2 : F-doped) 등으로 형성되거나 또는 ITO 상에 ATO(Antimony Tin Oxide) 또는 FTO 를 코팅하는 방식으로 형성될 수 있다. Here, the transparent
상기 산화티타늄 차단층(113)은 투명 기판으로 전달된 전자들이 전해질로 다시 되돌아가는 것을 막아주기 위하여 추가적으로 형성되며, 그 두께는 대체로 수십 nm 에 이른다.The titanium
상기 투명 도전성 기판(111) 상의 반도체 산화물 전극(115)은 반도체 산화물 입자(115a)에 염료분자(115b)가 흡착된 형태로 형성되어 있다. 상기 반도체 산화물 전극에 사용되는 염료 분자(115b)는 루테늄(ruthenium) 계의 염료 혹은 쿠마린(coumarin) 계의 유기염료가 바람직하다. The
상기 대향전극(120)은 투명 도전성 기판(121) 상에 산화환원 촉매용 백금층(123)이 형성된 구성을 가진다. 여기서, 상기 투명 도전성 기판(121)은 투명한 유리 기판 또는 유연성(flexible) 고분자 기판 상에 투명한 도전성 박막이 형성된 형태로 구성된다. 상기 도전성 박막은 ITO(indium tin oxide), FTO(SnO2 : F-doped) 등으로 형성되거나 또는 ITO 상에 ATO(Antimony Tin Oxide) 또는 FTO를 코팅하는 방식으로 형성될 수 있다.The
상기 반도체 전극(110)과 대향전극(120) 사이에 개재된 고체형 나노복합 전해질(130)은 층상구조의 무기 물질에 유기 물질이 삽입된 것을 특징으로 한다.The
상기 층상 구조의 무기 물질로는 예를 들어, 타이타니아계 무기물을 사용할 수 있다. 층상 구조의 타이타니아계 무기물로는 K2Ti4O9, Na2Ti3O7, CsxTi2 -x/4O4 등이 있으며, 상기 무기물들 중 일부를 단독으로 사용하거나 필요에 따라 혼합하여 사용할 수 있다. As the inorganic material of the layered structure, for example, a titania-based inorganic material can be used. Layered titania-based inorganic materials include K 2 Ti 4 O 9 , Na 2 Ti 3 O 7 , Cs x Ti 2 -x / 4 O 4 , and some of the inorganic materials may be used alone or mixed as necessary. Can be used.
상기 타이타니아계 무기물의 층상 구조는 100 nm ~ 10 ㎛의 길이를 갖는다.The layered structure of the titania-based inorganic material has a length of 100 nm to 10 μm.
상기 층상 구조의 무기물 사이에 삽입된 유기물로는 다양한 유기물이 사용될 수 있으나, 바람직하게는 암모늄계 유기물이나 올리고머가 바람직하다. As the organic material interposed between the layered inorganic materials, various organic materials may be used. Preferably, an ammonium organic material or an oligomer is preferable.
이때, 암모늄계 유기물로는 메틸암모늄, 프로필암모늄, 테트라부틸암모늄계 등의 유기물이 사용될 수 있으며, 단독으로 사용되거나 필요에 따라 혼합하여 사용 될 수 있음은 물론이다. In this case, as the ammonium-based organic material may be used organic materials, such as methyl ammonium, propyl ammonium, tetrabutylammonium, may be used alone or may be used in combination as necessary.
올리고머로는 폴리에틸렌글라이콜디메틸에테르, 폴리에틸렌글라이콜, 폴리프로필렌 글라이콜, 폴리프로필렌글라이콜디아민, 폴리에틸렌글라이콜비스카복실메틸에테르 등이 사용될 수 있으며, 단독으로 사용되거나 필요에 따라 혼합하여 사용될 수 있다.As the oligomer, polyethylene glycol dimethyl ether, polyethylene glycol, polypropylene glycol, polypropylene glycol diamine, polyethylene glycol bis carboxymethyl ether, etc. may be used, and may be used alone or mixed as necessary. Can be used.
본 발명에 따른 고체형 나노복합 전해질은 특히 염료감응 태양전지에 사용될 수 있다.The solid nanocomposite electrolyte according to the invention can be used in particular in dye-sensitized solar cells.
도 3a ~ 3c는 본 발명의 실시예에 따른 층상형 무기물질 중 하나인 K2Ti4O9의 결정 구조를 나타낸 도면이다. 3A to 3C are diagrams showing the crystal structure of K 2 Ti 4 O 9 , which is one of the layered inorganic materials according to the exemplary embodiment of the present invention.
도 3a는 K2Ti4O9의 결정구조를 나타낸 것으로써 한 층은 100nm × 100nm × 1mm의 크기를 가지며 층 자체는 Ti4O9 2 +로 이루어져 있고 층 사이에 K+가 존재한다. Figure 3a shows the crystal structure of K 2 Ti 4 O 9 One layer has a size of 100nm × 100nm × 1mm, the layer itself is composed of Ti 4 O 9 2 + There is a K + between the layers.
도 3b는 이온교환(ion-exchange)을 통하여 K+를 H+로 교환시킨 후의 구조이며, 도3c는 테트라부틸암모늄(tetrabutyl ammonium, TBA) 을 H+와 교환시킴으로써 층상형 무기물질인 K2Ti4O9의 결정 구조 사이에 테트라부틸암모늄이 개재된 형태를 나타낸다.3b is a structure after exchanging K + with H + through ion-exchange, and FIG. 3c is a layered inorganic material K 2 Ti by exchanging tetrabutyl ammonium (TBA) with H +. 4 O represents the tetrabutylammonium form is interposed between the crystal 9 of the structure.
본 발명에 따른 고체형 나노복합 전해질은 이온성 액체와 고분자를 더 포함하여 구성될 수 있는데, 상기 이온성 액체는 메틸프로필이미다졸륨아이오다이드, 부틸메틸이미다졸륨아이오다이드, 헥실메틸 이미다졸륨아이오다이드, 이미다졸륨아이오다이드 등의 물질이며, 필요에 따라 단독으로 또는 혼합하여 사용될 수 있다. 상기 고분자는 폴리아크릴로나이트릴, 폴리비닐리덴플루오라이드코헥사플루오로프로필렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌옥사이드 등의 물질이며, 필요에 따라 단독으로 또는 혼합하여 사용될 수 있다.The solid nanocomposite electrolyte according to the present invention may further comprise an ionic liquid and a polymer, wherein the ionic liquid is methylpropylimidazolium iodide, butylmethylimidazolium iodide, hexylmethyl imide. It is a substance, such as dazolium iodide and imidazolium iodide, and can be used individually or in mixture as needed. The polymer is a material such as polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride cohexafluoropropylene, polypropylene, polyethylene oxide, and the like, and may be used alone or in combination as necessary.
상기 반도체 전극과 대향전극 사이는 전해질 용액이 새어 나오지 않도록 열가소성 고분자(29)로 밀봉되어 있을 수 있다.The semiconductor electrode and the counter electrode may be sealed with a thermoplastic polymer 29 to prevent the electrolyte solution from leaking out.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 태양전지에 있어서, 층상 구조의 무기물질은 전해질 내에서 나노 채널의 역할을 하게 되며, 이 층상 구조에 존재하는 양전하 또는 음전하는 전해질 내에서 이온의 해리를 촉진하는 역할을 수행한다. In the solar cell according to the present invention as described above, the inorganic material of the layered structure serves as a nano channel in the electrolyte, and the positive or negative charge present in the layered structure promotes dissociation of ions in the electrolyte. Do this.
또한, 유기물질이 삽입된 무기물질은 이온성 액체에 우수한 분산력을 보이는 바, 이러한 무기물질의 우수한 분산성은 전해질의 장기안정성 및 광산란 효과의 향상을 가능하게 하여 고품질의 태양전지를 제공한다.In addition, the inorganic material into which the organic material is inserted shows excellent dispersibility in the ionic liquid, and the excellent dispersibility of the inorganic material enables to improve the long-term stability of the electrolyte and the light scattering effect, thereby providing a high quality solar cell.
도 4는 본 발명에 따라 제조된 염료감응 태양전지 제조 방법을 도시한 흐름도이다.Figure 4 is a flow chart showing a dye-sensitized solar cell manufacturing method prepared according to the present invention.
도면을 참조하면, 우선 반도체 전극을 준비하기 위하여, 투명 도전성 기판 (ITO 글래스, FTO 글래스, 또는 ITO 또는 FTO 와 같은 투명도전성막이 형성된 고분자 투명 기판)을 준비한다. 이러한 투명 기판으로 전달되어진 전자들이 전해질로 다시 되돌아가는 것을 막아주기 위하여 투명기판 위에 산화티타늄으로 구성된 차단층을 추가적으로 형성한다. 차단층의 두께는 대체로 100 nm 이하 정도로 형성한다.Referring to the drawings, first, in order to prepare a semiconductor electrode, a transparent conductive substrate (ITO glass, FTO glass, or a polymer transparent substrate having a transparent conductive film such as ITO or FTO) is prepared. A barrier layer made of titanium oxide is additionally formed on the transparent substrate to prevent electrons transferred to the transparent substrate from being returned to the electrolyte. The thickness of the blocking layer is generally formed to about 100 nm or less.
다음으로 상기 투명 도전성 기판 상에 반도체 산화물 전극을 형성한다. 반도체 산화물 전극은 상기 투명 도전성 기판 상에 산화티타늄(TiO2) 페이스트와 같은 물질로 코팅한 후 열처리 하는 방법으로 형성한다. Next, a semiconductor oxide electrode is formed on the transparent conductive substrate. The semiconductor oxide electrode is formed by coating a material such as titanium oxide (TiO 2 ) paste on the transparent conductive substrate and then heat treating the same.
다음으로, 상기한 바와 같이 형성한 반도체 산화물 전극에 염료를 흡착시킨다. Next, the dye is adsorbed onto the semiconductor oxide electrode formed as described above.
상기 반도체 전극에 대향하는 대향전극을 형성하기 위해서 먼저 투명 도전성 기판을 준비한다. In order to form a counter electrode facing the semiconductor electrode, a transparent conductive substrate is first prepared.
다음으로 상기 투명 도전성 기판 상에 촉매로 작용하는 백금을 코팅하고 열처리하여 백금층을 형성함으로써 대향전극을 준비한다. Next, a counter electrode is prepared by coating a platinum acting as a catalyst on the transparent conductive substrate and performing heat treatment to form a platinum layer.
상기한 바와 같이 준비한 반도체 전극과 대향전극은 투명 도전성 박막과 백금층이서로 마주 보도록 하여 그 사이에 일정 간격 이격되어 조립된다. The semiconductor electrode and the counter electrode prepared as described above are assembled so that the transparent conductive thin film and the platinum layer face each other and are spaced at a predetermined interval therebetween.
다음으로, 상기 반도체 전극과 대향전극 사이에 이격된 공간에 고체형 나노 복합 전해질 용액을 형성하고, 상기 전해질 용액이 새어 나오지 않도록 열가소성 고분자(29)로 밀봉한다.Next, a solid nanocomposite electrolyte solution is formed in a space spaced between the semiconductor electrode and the counter electrode, and sealed with a thermoplastic polymer 29 so that the electrolyte solution does not leak out.
여기서, 상기 반도체 전극과 대향전극 사이에 고체형 나노 복합 전해질 용액을 형성할 때 고체형 나노 복합 전해질을 감압진공펌프를 사용하여 상기 고체형 나노 복합 전해질 용액을 두 전극 사이에 삽입할 수 있다.Here, when the solid nanocomposite electrolyte solution is formed between the semiconductor electrode and the counter electrode, the solid nanocomposite electrolyte may be inserted between the two electrodes using a vacuum vacuum pump.
상기 두 전극(즉, 반도체 전극과 대향전극) 사이에 형성되는 고체형 나노 복합 전해질을 제조하는 방법은 도 5에 도시되어 있다.A method of manufacturing a solid nanocomposite electrolyte formed between the two electrodes (ie, the semiconductor electrode and the counter electrode) is illustrated in FIG. 5.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 고체형 나노복합 전해질을 제조하는 방법은 다음과 같다.Referring to the drawings, a method for preparing a solid nanocomposite electrolyte according to the present invention is as follows.
먼저, 타이타니아계 무기물을 이용하여 층상 구조의 무기물질을 제조한다.First, an inorganic material having a layered structure is manufactured using a titania-based inorganic material.
그 다음 상기 층상 구조의 무기물을 이온 교환 방법을 이용하여 수소화시킨다. The layered inorganics are then hydrogenated using an ion exchange method.
다음으로, 수소화된 층상 구조의 무기물에는 유기물질이 삽입된다. 이때, 상기 무기물에 유기물질을 삽입하기 위해 소니케이션(sonication) 방법을 사용할 수 있다. Next, an organic substance is inserted into the hydrogenated layered inorganic material. In this case, a sonication method may be used to insert the organic material into the inorganic material.
상기 소니케이션이 끝난 후 원심분리 및 건조를 통하여 유기물질이 삽입된 무기물질을 얻을 수 있다.After the sonication, the inorganic material into which the organic material is inserted may be obtained by centrifugation and drying.
다음에는, 상기 유기물질이 삽입된 층상 구조의 무기물질에 이온성 액체, 올리고머 또는 고분자를 추가로 혼합하여 삽입시킨다. Next, an ionic liquid, an oligomer or a polymer is additionally mixed and inserted into the inorganic material having a layered structure in which the organic material is inserted.
이후, 상기 무기물질을 겔화물질로 이용하여 전해질 이온을 포함한 고체형 나노복합 전해질을 완성한다.Thereafter, the inorganic material is used as a gelling material to complete a solid nanocomposite electrolyte including electrolyte ions.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 층상구조의 무기물질을 포함한 고체형 나노복합 전해질을 사용함으로써 다음과 같은 장점 및 효과를 갖는다. As described above, the dye-sensitized solar cell according to the present invention has the following advantages and effects by using a solid nanocomposite electrolyte containing a layered inorganic material.
첫째, 유기물질이 삽입된 층상구조의 무기물질을 겔화물질로 사용함으로써 이온성 액체 내에서의 분산성을 향상시키고, 따라서 보다 향상된 장기안정성을 갖 는 고체형 나노복합 전해질을 제조할 수 있다. First, by using the inorganic material of the layered structure in which the organic material is inserted as a gelling material, it is possible to improve the dispersibility in the ionic liquid, and thus to prepare a solid nanocomposite electrolyte having improved long-term stability.
둘째, 상기 층상구조의 무기물질은 마이크로 크기를 가짐으로써 광산란 효과를 야기시킨다. 이를 염료감응 태양전지에 응용하였을 때 광산란 효과를 극대화 시킴으로써 전류 밀도를 증가시킬 수 있다.Second, the layered inorganic material has a micro size, causing a light scattering effect. When applied to dye-sensitized solar cells, the current density can be increased by maximizing the light scattering effect.
셋째, 상기 층상구조의 무기물질은 층 사이를 통하여 전해질 이온을 쉽게 이동시킬 수 있는 나노 채널 역할을 해 줌으로써 전해질의 전기전도성을 향상시킬 수 있다.Third, the layered inorganic material can improve the electrical conductivity of the electrolyte by acting as a nano channel that can easily move the electrolyte ions through the layers.
넷째, 상기 층상구조의 무기물질은 음전하를 띤 층과 더불어 층 사이에 양이온이 존재함으로써 이온의 해리를 유도하여 전해질의 전기전도성을 향상시킬 수 있다.Fourth, the inorganic material of the layered structure may have a negatively charged layer and a cation exists between the layers to induce dissociation of ions, thereby improving the electrical conductivity of the electrolyte.
이하 본 발명을 하기 실시예에서 구체적으로 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예들에 한정되거나 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail in the following Examples. However, the embodiments of the present invention illustrated in the following may be modified in many different forms and the scope of the present invention is not limited or limited to the embodiments described in the following.
[실시예 1] 본 발명에 따른 고체형 나노 복합 전해질 제조 Example 1 Preparation of Solid Nanocomposite Electrolyte According to the Present Invention
산화티타늄(TiO2) 분말 16g과 질산칼륨(KNO3) 분말 10g을 넣고 섞은 뒤 1000℃에서 48시간 동안 열처리하여 층상구조 타이타네이트(layered titanate; K2Ti4O9) 를 제조하였다. 16 g of titanium oxide (TiO 2 ) powder and 10 g of potassium nitrate (KNO 3 ) powder were mixed and heat-treated at 1000 ° C. for 48 hours to prepare a layered titanate (K 2 Ti 4 O 9 ).
상기 층상구조 타이타네이트 10g을 2M 염산용액 1L에 넣은 후 60℃, 300rpm에서 12시간 동안 반응시켰다.10 g of the layered titanate was added to 1 L of 2M hydrochloric acid solution and reacted at 60 ° C. and 300 rpm for 12 hours.
반응이 끝난 후 필터 및 건조를 통하여 얻어진 염산 처리된 층상구조 타이타네이트(H2Ti4O9) 0.5g을 테트라 부틸 암모늄 수용액(TBA hydroxide) 6g에 넣은 후 소니케이션(sonication) 을 1시간 진행시켰다.After completion of the reaction, 0.5 g of hydrochloric acid treated layered titanate (H 2 Ti 4 O 9 ) obtained through a filter and drying was added to 6 g of an aqueous tetrabutyl ammonium solution (TBA hydroxide), followed by sonication for 1 hour. I was.
소니케이션이 끝난 후 원심분리 및 건조를 통하여 유기물질이 삽입된 타이타네이트를 얻었다.After the completion of the sonication, the titanate in which the organic material was inserted through centrifugation and drying was obtained.
고체형 나노복합 전해질은 메틸 프로필 이미다졸륨 아이오다이드(MPII) 1g, 아이오딘(I2) 0.1g에 상기의 유기물질이 삽입된 타이타네이트 1g을 넣어 혼합하여 제조한다.The solid nanocomposite electrolyte is prepared by mixing 1 g of methyl propyl imidazolium iodide (MPII) and 1 g of titanate having the organic material inserted therein in 0.1 g of iodine (I 2 ).
[비교예 1] 층상구조의 무기물질을 포함하지 않은 이온성 액체 전해질을 이용한 염료감응 태양전지 Comparative Example 1 Dye-Sensitized Solar Cell Using Ionic Liquid Electrolyte That Does Not Contain Inorganic Material
이온성 액체 전해질은 메틸 프로필 이미다졸륨 아이오다이드(MPII) 1g, 아이오딘(I2) 0.1g을 섞어 제조한다. 실시예 1에서 사용된 이온성 액체 전해질에서 층상구조의 무기물질만 생략된 물질이다.The ionic liquid electrolyte is prepared by mixing 1 g of methyl propyl imidazolium iodide (MPII) and 0.1 g of iodine (I 2 ). In the ionic liquid electrolyte used in Example 1, only a layered inorganic material was omitted.
[실시예 2] 층상구조의 무기물질을 포함한 고체형 나노복합 전해질을 이용한 염료감응 태양전지 제조 Example 2 Fabrication of Dye-Sensitized Solar Cell Using Solid Nanocomposite Electrolyte with Layered Inorganic Material
우선 투명 전도성 기판 위에 산화티타늄(TiO2) 페이스트(DSL, 18NR-T)를 닥터 블레이드(doctor blade) 방법으로 코팅한 후 공기 분위기에서 450℃에서 30분간 열처리한 후 자연냉각시켜 약 12 μm 두께의 산화티타늄(TiO2) 전극을 형성시켰다. First, a titanium oxide (TiO 2 ) paste (DSL, 18NR-T) was coated on a transparent conductive substrate using a doctor blade method, heat-treated at 450 ° C. for 30 minutes in an air atmosphere, and then cooled naturally to a thickness of about 12 μm. Titanium oxide (TiO 2 ) electrodes were formed.
상기 이산화티탄(TiO2) 전극을 염료 용액에 24시간 동안 담가서 염료 분자를 흡착시켰으며 본 실험에서는 0.5 mM 농도의 Z907(Solaronix) / 에틸 알코올 용액을 사용하였다. 대향전극의 백금층을 형성시키기 위해 10 mM 농도의 헥사클로로플라티늄산(H2PtCl6 ·H2O, Aldrich) / 이소프로필 알코올 용액을 투명 전도성 기판 위에 스핀코팅(1st; 500 rpm, 5 sec; 2nd; 1000 rpm, 5 sec; 3rd ; 2000 rpm, 40 sec) 한 후 공기 분위기에서 450℃에서 30분간 열처리한 후 자연냉각 시켰다. The titanium dioxide (TiO 2 ) electrode was immersed in the dye solution for 24 hours to adsorb the dye molecules, and Z907 (Solaronix) / ethyl alcohol solution at 0.5 mM concentration was used in this experiment. To form a platinum layer of the counter electrode, 10 mM hexachloroplatinic acid (H 2 PtCl 6 · H 2 O, Aldrich) / isopropyl alcohol solution was spin coated on a transparent conductive substrate (1st; 500 rpm, 5 sec; 2nd; 1000 rpm, 5 sec; 3rd; 2000 rpm, 40 sec) and heat-treated at 450 ° C. for 30 minutes in an air atmosphere, followed by natural cooling.
전해질 용액은 상기 실시예 및 비교예에 따라 제조하였으며 전해질 용액이 새어 나오지 않도록 하기 위한 열 가소성 고분자(25 ㎛ 두께, Surlyn) 를 사용하였다.The electrolyte solution was prepared according to the above Examples and Comparative Examples, and a thermoplastic polymer (25 μm thick, Surlyn) was used to prevent the electrolyte solution from leaking out.
도 6은 본 발명에 따라 제조된 고체형 나노복합 전해질의 시간의 경과에 따른 점성의 변화를 나타내는 사진이다. 6 is a photograph showing a change in viscosity over time of the solid nanocomposite electrolyte prepared according to the present invention.
A는 이온성 액체전해질을 나타낸 것이고, B는 층상구조의 무기물질을 포함한 고체형 나노복합 전해질을 나타낸 것이다. 사진에서 보이는 바와 같이 이온성 액체전해질은 점성이 거의 없어 바로 흘러내리는 반면에 고체형 나노복합 전해질은 24시간 경과 후에도 전혀 흐름이 없는 것을 확인 할 수 있다A represents an ionic liquid electrolyte, and B represents a solid nanocomposite electrolyte containing a layered inorganic material. As shown in the picture, the ionic liquid electrolyte has almost no viscosity and flows down immediately, whereas the solid nanocomposite electrolyte does not flow at all after 24 hours.
도 7에서는 AM 1.5, 100 mW/cm2 조건에서 본 발명에 따라 제조된 염료감응 태양전지에 가해주는 전압이 변화할 때 발생된 광전류를 측정한 광전류-전압 특성곡선을 나타내며 정확한 값은 표 1에 나타내었다.FIG. 7 shows a photocurrent-voltage characteristic curve for measuring photocurrent generated when a voltage applied to a dye-sensitized solar cell manufactured according to the present invention is changed under AM 1.5 and 100 mW / cm 2 . Indicated.
[표 1] TABLE 1
도 7과 상기 표 1에 의하면 본 발명의 실시예에 따른 고체형 나노복합 전해질을 포함한 염료감응 태양전지는 단락 전류면에서 비교예에 비해 150% 향상된 값은 나타내었으며, 그 결과 에너지 변환 효율이 약 10% 증가하였다.According to FIG. 7 and Table 1, the dye-sensitized solar cell including the solid nanocomposite electrolyte according to the embodiment of the present invention exhibited a 150% improvement in short-circuit current compared to the comparative example, and as a result, the energy conversion efficiency was weak. 10% increase.
실제로 단락 전류는 전해질의 점성이 높아짐에 따라 감소하는 값을 보이나, 상기 실시예에서와 같이 층상구조의 무기물질을 이용한 고체상 전해질의 경우 단락 전류 값이 더욱 높은 값을 나타냄을 확인할 수 있다. In fact, the short circuit current decreases as the viscosity of the electrolyte increases, but it can be seen that the short circuit current value is higher in the case of a solid electrolyte using a layered inorganic material as in the above embodiment.
이는 상기 층상구조의 무기물질을 첨가함으로써 점성이 높아져 전해질의 전기전도성이 감소하지만, 층상구조의 무기물질이 가지는 이온의 나노채널역할 및 이온의 해리효과를 통하여 전기전도성을 향상시킬 뿐 아니라 광산란효과를 야기시킴으로써 전류 밀도를 증가시키기 때문이라 판단된다.This increases the viscosity by adding the layered inorganic material to decrease the electrical conductivity of the electrolyte, but not only improves the electrical conductivity through the nanochannel role and dissociation effect of the ions of the layered inorganic material, but also enhances the light scattering effect. This is because the current density is increased by causing it.
도 1은 일반적인 염료감응 태양전지의 작동원리를 개략적으로 도시한 도면.1 is a view schematically showing the operating principle of a typical dye-sensitized solar cell.
도 2는 본 발명에 따른 고체형 나노복합 전해질을 포함한 염료감응 태양전지의 구성을 개략적으로 도시한 도면.2 is a view schematically showing the configuration of a dye-sensitized solar cell including a solid nanocomposite electrolyte according to the present invention.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 층상형 무기물질의 결정구조를 나타낸 도면 및 X선 회절도.3 is a view showing a crystal structure of the layered inorganic material according to an embodiment of the present invention and X-ray diffraction diagram.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고체형 나노복합 전해질을 이용한 염료감응 태양전지 제조 방법을 도시한 흐름도.Figure 4 is a flow chart illustrating a dye-sensitized solar cell manufacturing method using a solid nanocomposite electrolyte according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 고체형 나노복합 전해질 제조 방법을 도시한 흐름도.5 is a flowchart illustrating a method for preparing a solid nanocomposite electrolyte according to an embodiment of the present invention.
도 6은 도 4에 따라 제조된 고체형 나노복합 전해질의 시간경과에 따른 점성의 차이를 나타낸 사진.Figure 6 is a photograph showing the difference in viscosity over time of the solid-type nanocomposite electrolyte prepared according to FIG.
도 7은 도 5에 따라 제조된 염료감응 태양전지의 AM 1.5, 100 mW/Cm2 조건에서 측정한 광전류-전압 특성 곡선.Figure 7 is a photocurrent-voltage characteristic curve measured under AM 1.5, 100 mW / Cm 2 condition of the dye-sensitized solar cell prepared according to FIG.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
11: 반도체 산화물 전극 12: 염료 1311: semiconductor oxide electrode 12:
15: 투명 전도성 기판 14: 외부전선 15: transparent conductive substrate 14: external wire
16: 산화환원 촉매용 백금층 17: 산화-환원쌍16:
110: 반도체 전극 111: 투명 도전성 기판110: semiconductor electrode 111: transparent conductive substrate
113: 산화티타늄 차단층 115: 반도체 산화물 전극113: titanium oxide blocking layer 115: semiconductor oxide electrode
120: 대향전극 121: 투명 도전성 기판120: counter electrode 121: transparent conductive substrate
123: 산화환원 촉매용 백금층 130: 고체형 나노복합 전해질123:
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