KR20170115134A - Dye-Sensitized Solar Cell Photoelectrodes formed nanochannels in TiO2 particles and preparation method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 TiO2 광전극 입자 내에 나노채널이 형성된 태양전지용 광전극 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 초음파 분무열분해법을 이용하여 TiO2 광전극 입자 내에 나노채널을 형성함으로써, 광전극 TiO2/염료/전해질 간의 접촉계면을 확대함으로써 전자/정공의 전달 저항을 중임으로써 염료감응형 태양전지의 효율을 크게 향상시킬 수 있는 방법에 관한 것이다.The invention TiO 2 by relates to solar cells the photoelectrode and a method of manufacturing the nano channel is formed in the photo-electrode particles, and specifically, using a ultrasonic spray pyrolysis to form a nano channel in the TiO 2 photo-electrode particles, and photo-electrode TiO 2 The present invention relates to a method for greatly enhancing the efficiency of a dye-sensitized solar cell by increasing the contact interface between the dye / electrolyte and the electron / hole transfer resistance.

Description

TiO2 입자 내에 나노채널이 형성된 염료감응형 태양전지 광전극 및 이의 제조 방법{Dye-Sensitized Solar Cell Photoelectrodes formed nanochannels in TiO2 particles and preparation method thereof}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a dye-sensitized solar cell, and a method of manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to a photo-

본 발명은 염료감응형 태양전지용 광전극, 이의 제조 방법, 및 상기 광전극을 이용한 염료감응형 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초음파 분무열분해법을 이용하여 TiO2 입자 내에 나노채널을 형성시킨 광전극, 및 이런 광전극 입자 구조 변경을 통한 TiO2/염료/전해질 간의 접촉면적을 확대하여 염료감응형 태양전지의 광전환 효율을 증대시키는 방법에 관한 것이다.The present invention is a dye-sensitized solar cells the photoelectrode, a preparation method thereof, and relates to a dye-sensitized solar cell using the photo-electrode, using the more specifically to ultrasonic spray pyrolysis which form a nano channel in the TiO 2 particles, And a method of increasing the light conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell by enlarging a contact area between the photoelectrode and TiO 2 / dye / electrolyte through modification of the structure of the photo-electrode particle.

태양전지를 통해 빛에너지를 전기로 전환하려는 노력으로 현재까지 개발된 여러 종류의 태양전지 중 실리콘을 이용한 태양전지는 25%의 효율을 도달했지만 대형 고가 장비가 사용되고 높은 원료 가격의 한계 때문에 발전 단가가 높다는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 1991년 스위스 로잔(Lausanne)공대의 미카엘 그라첼(Michael Gratzel) 연구팀은 기존 실리콘 태양전지 대비 저렴한 제조비용과 제조의 용이성, 친환경적 에너지 그리고 다양한 응용이 가능하다는 장점을 가진 염료감응형 태양전지(Dye sensitized solar cell, DSSC)에 대한 발표 이후 지금까지 많은 연구들이 진행되어 왔다(Gratzel, Nature,335 , 1991, 737; Gratzel, J. Photochem. Photobio .A. 164, 2004, 3).In an effort to convert light energy into electricity through solar cells, among the various types of solar cells developed so far, silicon-based solar cells reached 25% efficiency, but due to the use of large-scale high-priced equipment and high raw material prices, High. To overcome these shortcomings, Michael Gratzel of the University of Technology in Lausanne, Switzerland, in 1991, has developed a dye-sensitized solar cell, which has the advantages of low manufacturing cost, ease of manufacture, environment- (Gratzel, Nature, 335 , 1991, 737 ; Gratzel, J. Photochem. Photobio.A . 164, 2004, 3 ) has been the subject of much research since the publication of the Dye sensitized solar cell (DSSC) .

염료감응형 태양전지는 염료가 포함되어 있는 광전극, 상대전극, 전해질로 구성되어있는데 태양으로부터 빛에너지를 받은 염료가 전자를 방출하고 이 전자는 광전극으로 이동하고 상대전극으로 이동하며 발전을 하고 전자를 잃은 염료는 전해질로부터 전자를 보충하는 구조를 가지고 있다. 이러한 구조를 가지는 염료감응형 태양전지는 광전극과 염료와 전해질간의 관계가 매우 중요하다. 광전극은 염료를 흡착할 수 있는 나노결정(직경 15 ~ 20 ㎚)산화물을 주로 사용하며 나노 입자 산화물의 전자구조 및 표면 특성 변화는 광전류와 전압에 모두 영향을 미칠 수 있다. 나노 크기의 물질을 사용하는 이유는 입자 크기 감소에 의한 비표면적 증가로 보다 많은 양의 염료분자를 흡착시킬 수 있기 때문이다. 표면적을 증가시키는 방법으로 나노 크기의 광 전극 물질을 나노입자(nano particle)에서 형태를 변경하여 나노 와이어(Nano wire)(Law, nature materials 2005 VOL 4 JUNE 455- 459)와 나노 튜브(nano tube)(Sadek, Langmuir 2009, 25, 509-514; Gratzel, ACS Nano . VOL. 2. NO. 6. 1113-1116. 2008; 및 Grimes, Adv . Funct . Mater. 2005, 15, 1291), 나노 로드(nano rod)(Sung, Adv . Mater. 2008, 20, 54-58) 등으로 만드는 연구가 많이 진행되었다. 이러한 연구들은 표면적을 증가시켜 염료(dye)의 함침량을 증가시키려는 노력을 하였지만 전해질과의 관계에 대하여 고려하지 않았다. 염료가 전자와 정공으로 분리된 후 전자와 정공이 전달되고 다시 전해질로부터 환원이 되어야 다시 빛을 받아 전자와 정공으로 분리하여 전기를 생산할 수 있는데 전해질과 염료와의 접촉 면적이 작아지게 되면 효율이 떨어지게 된다. 염료의 흡착량을 증가하기 위해 수 나노미터의 광전극 입자를 사용하게 되면 염료 흡착량은 증가하지만, 액체 전해질이 나노입자사이에 형성된 공간을 따라 광전극 내부까지 잘 침투가 어려워 액체전해질로부터 염료의 환원반응이 잘 이루어지지 않는 단점도 가지고 있다. 따라서 입자크기(size), 형상(morphology), 결정성(crystallinity) 그리고 표면상태(surface state)에 따라 광전류와 광전압에 모두 영향을 미칠 수 있다. The dye-sensitized solar cell is composed of a dye-containing photoelectrode, a counter electrode, and an electrolyte. The dye, which receives light energy from the sun, emits electrons. The electron moves to the photoelectrode, moves to the counter electrode, Dyes that lose electrons have a structure to replenish electrons from the electrolyte. In a dye-sensitized solar cell having such a structure, the relationship between the photoelectrode, the dye, and the electrolyte is very important. The photoelectrode mainly uses oxides of nanocrystals (15-20 nm in diameter) capable of adsorbing dyes. The changes in the electronic structure and surface properties of nanoparticle oxides can affect both photocurrent and voltage. The reason for using nanoscale materials is that they can adsorb larger amounts of dye molecules by increasing the specific surface area due to particle size reduction. Nano-electrode material of the optical nano-scale in a way that increases the surface area of the particles by changing the form of nanowires in the (nano particle) (Nano wire) (Law, nature materials 2005 VOL 4 JUNE 455- 459) and the nanotube (nano tube) (Sadek, Langmuir 2009, 25, 509-514, Gratzel, ACS Nano ., Vol 2, No. 6, 1113-1116, 2008 , and Grimes, Adv . Funct . nano rod) (Sung, Adv . Mater. 2008, 20, 54-58 ). These studies have attempted to increase the amount of dye impregnation by increasing the surface area, but did not consider the relationship with the electrolyte. After the dye is separated into electrons and holes, electrons and holes are transferred. When the dye is reduced from the electrolyte again, it can be separated into electrons and holes to produce electricity. If the contact area between the electrolyte and the dye becomes small, do. When the photoelectrode particles of several nanometers are used to increase the adsorption amount of the dye, the amount of dye adsorption increases, but it is difficult to penetrate the inside of the photoelectrode along the space formed between the nanoparticles of the liquid electrolyte. But also has a drawback that the reduction reaction is not performed well. Therefore, it can affect both photocurrent and photovoltage depending on particle size, morphology, crystallinity, and surface state.

이에, 본 발명자들은 이를 개선하기 위해, 광전극 입자에 나노채널을 만들어 염료나 전해질이 광전극 내부까지 잘 침투하여 광전극 TiO2/염료/전해질 간의 접촉면적을 증가를 통해 염료감응형 태양전지의 광전환 효율을 높이고자, 광전극 TiO2/염료/전해질 간의 접촉면적을 증가를 위해 초음파 분무열분해법을 이용하여 나노채널을 형성하고 있는 TiO2 입자를 제조하여 광전극 TiO2/염료/전해질 간의 접촉면적을 증가하도록 하였으며, 이렇게 형성된 나노채널을 갖는 TiO2 입자를 광전극으로 이용해 염료감응형 태양전지를 제조한 결과, 셀성능을 향상시킬 수 있음을 밝힘으로써 본 발명을 완성하였다.In order to solve this problem, the inventors of the present invention developed a dye-sensitized solar cell by forming a nano-channel on the photoelectrode particles and penetrating the dye or electrolyte well into the photoelectrode to increase the contact area between the photoelectrode TiO 2 / dye / between eager to improve the light conversion efficiency, and the photoelectrode TiO 2 / dye / the contact area between the electrolyte to increase use of the ultrasonic spray pyrolysis method to produce a TiO 2 particles to form a nano channel by photoelectrode TiO 2 / dye / electrolyte And the contact area is increased. As a result of fabricating the dye-sensitized solar cell using TiO 2 particles having the nanochannel thus formed as a photoelectrode, the cell performance can be improved, thereby completing the present invention.

따라서, 본 발명의 목적은 이산화 타이타늄(TiO2) 입자 내에 나노채널들이 형성되어 있는 구조를 가지는, 염료감응형 태양전지 광전극, 및 이를 포함하는 염료감응형 태양전지를 제공한다.It is therefore an object of the present invention provides a titanium dioxide (TiO 2) having a structure in which nano-channels are formed in the particles, a dye-sensitized solar cells the photoelectrode, and a dye-sensitized solar cell comprising the same.

또한, 본 발명의 다른 목적은 초음파 분무열분해법을 이용하여 이산화 타이타늄(TiO2) 입자 내에 나노채널들이 형성되어 있는 염료감응형 태양전지 광전극을 제조하는 방법, 및 상기 광전극을 이용한 염료감응형 태양전지를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a dye-sensitized solar cell photoelectrode in which nano channels are formed in titanium dioxide (TiO 2 ) particles using ultrasonic spray pyrolysis, and a dye- To provide a method of manufacturing a solar cell.

아울러, 본 발명의 또다른 목적은 초음파 분무열분해법을 이용하여 TiO2 광전극 입자 내에 나노채널을 형성함으로 광전극 TiO2/염료/전해질 간의 접촉계면을 확대함으로써, 염료감응형 태양전지의 효율을 증대시키는 방법을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a dye-sensitized solar cell in which the efficiency of a dye-sensitized solar cell is improved by enlarging a contact interface between a photoelectrode TiO 2 / dye / electrolyte by forming a nanochannel in a TiO 2 photoelectrode particle by ultrasonic spray pyrolysis And to provide a method for increasing the amount.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 이산화 타이타늄(TiO2) 입자 내에 나노채널들이 형성되어 있는 구조를 가지는, 염료감응형 태양전지 광전극을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a dye-sensitized solar cell photoelectrode having a structure in which nano channels are formed in titanium dioxide (TiO 2 ) particles.

또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지 광전극을 포함하는 염료감응형 태양전지를 제공한다.The present invention also provides a dye-sensitized solar cell comprising the photo-electrode of the dye-sensitized solar cell according to the present invention.

또한, 본 발명은 이산화 타이타늄(TiO2) 나노입자를 초음파 분무열분해(spray pyrolysis)를 통해 TiO2 입자 내에 다수의 나노채널을 형성시키는 공정을 포함하는, 염료감응형 태양전지 광전극용 메조포러스(mesoporous) TiO2 입자의 제조 방법을 제공한다.The present invention also relates to a dye-sensitized photovoltaic cell, which comprises a step of forming a plurality of nanocrystals in a TiO 2 particle through ultrasonic spray pyrolysis of titanium dioxide (TiO 2 ) nanoparticles, mesoporous TiO 2 particles.

또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 제조 방법으로 제조된, 염료감응형 태양전지 광전극용 메조포러스(mesoporous) TiO2 입자를 제공한다.The present invention also provides a mesoporous TiO 2 particle for a photo-electrode for a dye-sensitized solar cell, which is produced by the production method according to the present invention.

또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 메조포러스 TiO2 입자를 포함하는 염료감응형 태양전지 광전극을 제공한다. The present invention also provides a dye-sensitized solar cell photo electrode comprising the mesoporous TiO 2 particles according to the present invention.

또한, 본 발명은 In addition,

1) 본 발명에 따른 입자 내에 나노채널이 형성된 메조포러스 TiO2 입자를 사용하여 TiO2 페이스트를 제조하는 단계;1) preparing a TiO 2 paste using mesoporous TiO 2 particles having nano channels formed in the particles according to the present invention;

2) 상기 단계 1)의 TiO2 페이스트를 코팅시켜 필름을 형성시키는 단계; 및2) coating the TiO 2 paste of step 1) to form a film; And

3) 상기 단계 2)의 필름을 열처리하여 소결하는 단계;를 포함하는 염료감응형 태양전지 광전극의 제조 방법을 제공한다.3) heat-treating the sintered film of step 2) and sintering the sintered film of the dye-sensitized solar cell.

또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 TiO2 입자 내에 다수의 나노채널이 형성된 염료감응형 태양전지 광전극을 포함하는 염료감응형 태양전지를 제공한다.The present invention also provides a dye-sensitized solar cell comprising a dye-sensitized solar cell photoelectrode in which a plurality of nanocrystals are formed in the TiO 2 particles according to the present invention.

아울러, 본 발명은In addition,

1) 상기 본 발명에 따른 광전극을 준비하는 단계;1) preparing the photoelectrode according to the present invention;

2) 상기 광전극을 염료 용액에 함침시키는 단계;2) impregnating the dye solution with the photoelectrode;

3) 상기 광전극에 대향하여 상대전극을 형성하는 단계; 및3) forming a counter electrode facing the photoelectrode; And

4) 상기 광전극과 상기 상대전극 사이에 전해질을 주입한 후 실링하는 단계;를 포함하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법을 제공한다.4) injecting an electrolyte between the photoelectrode and the counter electrode, and sealing the photoelectrode.

본 발명은 초음파 분무열분해법을 이용하여 TiO2 광전극 입자 내에 나노채널을 형성함으로 광전극 TiO2/염료/전해질 간의 접촉계면을 확대함으로써 전자/정공의 전달 저항을 줄임으로써 염료감응형 태양전지의 효율을 크게 개선할 수 있다.The present invention relates to a dye sensitized photovoltaic cell by decreasing the transfer resistance of electrons / holes by enlarging the contact interface between the photoelectrode TiO 2 / dye / electrolyte by forming nano channels in TiO 2 photoelectrode particles using ultrasonic spray pyrolysis The efficiency can be greatly improved.

본 발명에서 입자 제조는 분무용액에 기공형성제(pore agent)의 첨가량만 조절하면 쉽게 나노 채널의 크기를 조절할 수 있고 기존 DSSC용 광전극을 제조하는 공정에 그대로 사용가능하여 산업적으로 다양한 분야에서 기대효과가 크다.In the present invention, particle size can be easily controlled by controlling only the addition amount of a pore agent in a spraying solution, and it can be used as it is in the process of manufacturing a photoelectrode for a conventional DSSC. The effect is great.

도 1은 본 발명에 따른 나노채널 TiO2 입자 형성의 모식도이다.
도 2는 종래 염료감응형 태양전지(왼쪽) 및 본 발명의 염료감응형 태양전지(오른쪽)의 TiO2(산화물반도체)/염료/전해질이 형성하고 있는 구조를 보여주는 그림이다.
도 3은 본 발명의 기공 형성제(pore agent) 첨가량에 따른 TiO2 입자 표면을 전계방사형 주사전자현미경(FE-SEM) 및 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 결과를 보여주는 그림이다.
도 4는 본 발명의 기공 형성제(pore agent) 첨가량에 따른 TiO2 입자의 기공 부피(pore volume)를 BET(Brunauer, Emmett, Telle) 분석으로 분석한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 염료감응형 태양전지에 대해 기공형성제의 첨가량(0, 0.5, 및 1.5 wt%)에 따른 전류-전압 곡선(Current-Voltage curve)을 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 염료감응형 태양전지에 대해 기공형성제의 첨가량(0, 0.5, 및 1.5 wt%)에 따른 나이퀴스트 선도(Nyquist plot)를 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 염료감응형 태양전지에 대해 기공형성제의 함침량에 따른 광전극 내 염료 함침량을 UV-vis 흡광도로 분석한 결과를 보여주는 그래프이다.
1 is a schematic diagram of nanocrystalline TiO 2 particle formation according to the present invention.
FIG. 2 is a view showing a structure formed by a conventional dye-sensitized solar cell (left) and TiO 2 (oxide semiconductor) / dye / electrolyte of the dye-sensitized solar cell of the present invention (right).
FIG. 3 is a graph showing the results of observation of the surface of TiO 2 particles according to the addition amount of the pore agent of the present invention by means of a field-emission scanning electron microscope (FE-SEM) and a transmission electron microscope (TEM).
FIG. 4 is a graph showing the results of analysis of pore volume of TiO 2 particles by BET (Brunauer, Emmett, Telle) analysis according to the amount of added pore agent of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing a current-voltage curve according to addition amounts (0, 0.5, and 1.5 wt%) of the pore-forming agent to the dye-sensitized solar cell of the present invention.
6 is a graph showing the Nyquist plot according to the addition amounts (0, 0.5, and 1.5 wt%) of the pore-forming agent to the dye-sensitized solar cell of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing the results of analyzing the dye-impregnating amount of the photo-electrode with the UV-vis absorbance according to the impregnation amount of the pore-forming agent in the dye-sensitized solar cell of the present invention.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 이산화 타이타늄(TiO2) 입자 내에 나노채널들이 형성되어 있는 구조를 가지는, 염료감응형 태양전지 광전극을 제공한다.The present invention is titanium dioxide (TiO 2) provides a having a structure in which nano-channels are formed, the dye-sensitized solar cell electrode in the light particles.

또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지 광전극을 포함하는 염료감응형 태양전지를 제공한다.The present invention also provides a dye-sensitized solar cell comprising the photo-electrode of the dye-sensitized solar cell according to the present invention.

상기 나노채널은 TiO2 입자 내에서 기공의 개수, 크기 및 위치가 균일하거나 불균일할 수 있다.The number, size, and position of the pores in the nanocrystals may be uniform or non-uniform within the TiO 2 particles.

상기 TiO2는 나노채널에 대해 크기 10 내지 30 nm, 및 부피 0.050 내지 0.50 cm3/g일 수 있으며, 크기 10 내지 20 nm, 및 부피 0.060 내지 0.20 cm3/g인 것이 바람직하다.The TiO 2 may have a size of 10 to 30 nm for the nanochannel and a volume of 0.050 to 0.50 cm 3 / g, preferably 10 to 20 nm, and a volume of 0.060 to 0.20 cm 3 / g.

상기 TiO2 입자들 주변에 염료가 골고루 분산되어 접촉될 수 있으며, 상기 나노채널에 전해질이 위치하여 나노 TiO2 입자 및 염료 주변에 분산되어 접촉될 수 있다.The dye may be uniformly dispersed around the TiO 2 particles and the electrolyte may be positioned on the nanochannels and may be dispersed and contacted around the nano TiO 2 particles and the dye.

본 발명에 따른 염료감응형 태양전지는 TiO2 광전극 입자 내에 나노채널을 형성함으로써, 광전극 TiO2/염료/전해질 간의 접촉계면을 확대하여 염료감응형 태양전지에서의 셀 성능을 향상시킬 수 있다.The dye-sensitized solar cell according to the present invention can enhance the cell performance in the dye-sensitized solar cell by enlarging the contact interface between the photoelectrode TiO 2 / dye / electrolyte by forming nano channels in the TiO 2 photoelectrode particles .

또한, 본 발명은 이산화 타이타늄(TiO2) 입자를 초음파 분무열분해를 통해 TiO2 입자내 나노채널을 형성하는 공정을 포함하는, 염료감응형 태양전지 광전극용 메조포로스(mesoporous) TiO2 입자의 제조 방법을 제공한다.The present invention also relates to a process for the production of mesoporous TiO 2 particles for dye-sensitized solar cell photoelectrodes, comprising the step of forming nanocrystals in TiO 2 particles through ultrasonic atomization pyrolysis of titanium dioxide (TiO 2 ) particles. ≪ / RTI >

구체적으로, 상기 방법은 Specifically,

1) TiO2 전구체 및 기공형성제를 포함한 분무용액을 제조하는 단계;1) preparing a spray solution comprising a TiO 2 precursor and a pore-forming agent;

2) 상기 분무용액을 분무하여 액적을 발생시키는 단계;2) spraying the spraying solution to generate droplets;

3) 발생된 액적을 건조시킨 후 전구체 및 기공형성제를 분해하는 단계; 3) drying the generated droplet, and then decomposing the precursor and the porogen;

4) 기공을 갖는 입자를 형성시키는 단계; 및4) forming particles having pores; And

5) 입자의 결정성을 위해 소결시키는 단계;를 포함할 수 있다.5) sintering for crystallinity of the particles.

상기 기공형성제는 분무용액에 대하여 0.05 내지 5.0 wt% 첨가하는 것이 바람직하고, 0.1 내지 1.5 wt% 첨가하는 것이 더욱 바람직하나 이에 한정되지 않는다.The pore-forming agent is preferably added in an amount of 0.05 to 5.0 wt%, more preferably 0.1 to 1.5 wt%, based on the spray solution, but is not limited thereto.

상기 초음파 분무열분해는 The ultrasonic spray pyrolysis

1) TiO2 전구체 및 기공형성제(pore former)를 포함한 분무 용액을 제조하는 단계; 및1) preparing a spray solution containing a TiO 2 precursor and a pore former; And

2) 상기 분무 용액을 액적(droplet) 발생부; 액적의 건조부; 액적의 반응부; 및 생성된 입자를 포집하는 포집부;로 구성된 초음파 분무열분해 시스템에 주입하는 단계;를 포함하는 방법을 수행될 수 있다. 2) spraying the spray solution with a droplet generator; A drying section of the droplet; The reaction part of the droplet; And a collecting part for collecting the generated particles, into the ultrasonic spray pyrolysis system.

상기 분무열분해 시스템은The spray pyrolysis system

초음파 분무 액적 발생 장치를 구비하여 액적을 생성시키는 액적 발생부; A droplet generating unit including an ultrasonic spray droplet generating device to generate droplets;

상기 액적 발생부에 연결되고, 운반된 액적이 건조, 분해 및 결정화가 일어나는 건조부(Dying zone);A drying zone connected to the droplet generating unit, where the droplet is dried, decomposed and crystallized;

상기 건조부에 연결되고, 운반된 액적이 열처리를 통해 소결시키는 반응부(Reaction Zone); 및A reaction zone connected to the drying unit for sintering the droplets transported through the heat treatment; And

상기 반응부에 연결되고, 운반된 입자들을 필터를 통해 포집하는 포집부;를 포함하는 것으로 구성될 수 있다.And a collecting part connected to the reaction part and collecting the carried particles through a filter.

또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 방법으로 제조된, TiO2 입자 내에 나노채널들이 형성된 염료감응형 태양전지 광전극용 메조포로스(mesoporous) TiO2 입자를 제공한다. The present invention also provides a method, TiO 2 meso Poros (mesoporous) TiO 2 particles for the dye-sensitized solar cells the photoelectrode nano channels formed in the particles prepared in accordance with the present invention.

상기 메조포로스 TiO2 입자는 기공 크기 10 내지 30 nm, 및 부피 0.050 내지 0.50 cm3/g일 수 있으며, 기공 크기 10 내지 20 nm, 및 부피 0.060 내지 0.20 cm3/g인 것이 바람직하다.The mesoporous TiO 2 particles may have a pore size of 10 to 30 nm, a volume of 0.050 to 0.50 cm 3 / g, a pore size of 10 to 20 nm, and a volume of 0.060 to 0.20 cm 3 / g.

또한, 본 발명은In addition,

1) 본 발명에 따른 메조포로스(mesoporous) TiO2 입자를 사용하여 TiO2 페이스트를 제조하는 단계;1) preparing a TiO 2 paste using mesoporous TiO 2 particles according to the present invention;

2) 상기 단계 1)의 TiO2 페이스트를 코팅시켜 필름을 형성시키는 단계; 및2) coating the TiO 2 paste of step 1) to form a film; And

3) 상기 단계 2)의 필름을 열처리하여 소결하는 단계;를 포함하는 염료감응형 태양전지 광전극의 제조 방법을 제공한다.3) heat-treating the sintered film of step 2) and sintering the sintered film of the dye-sensitized solar cell.

상기 단계 1)의 TiO2 페이스트는 α-테르피네올(α-terpineol), 에탄올(Ethanol), 에틸셀룰로스(Ethyl cellulose), 및 다공성 마이크론 크기의 TiO2를 용기에 첨가하여 혼합한 후, 롤 밀링(roll milling)하는 방법으로 제조할 수 있다.The TiO 2 paste of the step 1) is prepared by adding α-terpineol, ethanol, ethyl cellulose, and porous micron-sized TiO 2 to a vessel, (roll milling).

상기 단계 2)의 코팅은 닥터블레이드(doctor blade)로 코팅시키는 것이 바람직하나 이에 한정되지 않으며, 스크린프린팅법, 스프레이법, 스핀코팅법 또는 페인팅법 등이 모두 사용가능하다.The coating of step 2) is preferably coated with a doctor blade, but not limited thereto, and screen printing, spraying, spin coating or painting can be used.

상기 단계 3)의 열처리는 400℃ 이상에서 30분 이상 처리하는 것이 바람직하고, 400 내지 800℃에서 30 내지 120분 처리하는 것이 더욱 바람직하나 이에 한정되지 않는다. The heat treatment in step 3) is preferably performed at 400 ° C or higher for 30 minutes or more, more preferably at 400 to 800 ° C for 30 to 120 minutes, but is not limited thereto.

또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 TiO2 입자 내에 나노채널들이 형성된 광전극을 포함하는 염료감응형 태양전지를 제공한다.The present invention also provides a dye-sensitized solar cell comprising a photoelectrode in which nano channels are formed in the TiO 2 particle according to the present invention.

또한, 본 발명은 In addition,

1) 상기 본 발명에 따른 TiO2 입자 내에 나노채널들이 형성된 광전극을 준비하는 단계;1) preparing a photo electrode in which nano channels are formed in the TiO 2 particle according to the present invention;

2) 상기 광전극을 염료 용액에 함침시키는 단계;2) impregnating the dye solution with the photoelectrode;

3) 상기 광전극에 대향하여 상대전극을 형성하는 단계; 및3) forming a counter electrode facing the photoelectrode; And

4) 상기 광전극과 상기 상대전극 사이에 전해질을 주입한 후 실링하는 단계;4) injecting an electrolyte between the photoelectrode and the counter electrode, and sealing the electrolyte;

를 포함하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법을 제공한다.The present invention also provides a method of manufacturing a dye-sensitized solar cell.

이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples and Experimental Examples. However, the following Examples and Experimental Examples are merely illustrative of the present invention, and the present invention is not limited to the following Examples and Experimental Examples.

<< 실시예Example 1>  1> TiOTiO 22 입자의 제조 Manufacturing of particles

TiO2 입자는 다음과 같은 방법을 통해 제조하여 사용하였다. The TiO 2 particles were prepared and used in the following manner.

먼저, 출발 물질로 티타늄 이소프로폭사이드(Titanium(IV) isopropoxide, TTIP)를 사용하였다. 1 용액(solution)은 TTIP와 아세틸아세톤(acetylacetone)의 몰비를 1 : 3으로 70 ml의 2-프로판올 용액(2-propanol solution)에 넣어주었다. 그리고 2 용액(solution)은 0.1 mol의 HNO3를 180 ml의 DI water와 70 ml의 2-프로판올(2-propanol)이 섞여있는 용액에 기공형성제(pore agent)인 삼중 블록 공중합체*Tri block copolymer) (EO)20-(PO)70-(EO)20 (P-123)(0, 5, 15g)으로 조절하여 넣고 섞었다. 이렇게 만들어진 1 용액을 2 용액에 천천히 넣고 10분 이상 교반해 주었다. 제조된 분무용액을 이용하여 초음파 분무열분해법으로 메조포러스(meso-porous) TiO2 입자를 제조하였다. Titanium (IV) isopropoxide (TTIP) was used as a starting material. 1 solution was added to 70 ml of 2-propanol solution at a molar ratio of TTIP and acetylacetone of 1: 3. The second solution is a triblock copolymer in which 0.1 mol of HNO 3 is a pore agent in a solution of 180 ml of DI water and 70 ml of 2-propanol. Tri block (EO) 20- (PO) 70- (EO) 20 (P-123) (0, 5, 15 g). The thus prepared solution 1 was slowly added to the solution 2 and stirred for 10 minutes or more. Meso-porous TiO2 particles were prepared by ultrasonic spray pyrolysis using the spray solution.

초음파 분무열분해 장치는 크게 액적 발생부와 생성된 액적의 건조부, 반응부, 생성된 입자를 포집하는 포집부로 나뉘어진다. 액적 발생을 위해 1.7 MHz의 초음파 진동자가 6개 장착된 초음파 액적 발생장치(H-TECH)를 사용하였다. 초음파 액적 발생장치에서 생성된 액적은 5 L/min의 질소를 통해 건조부로 운반시킨다. 전기로의 온도는 건조부와 반응부 각각 150℃과 400~600℃로 하였다. 생성된 분말은 테프론 필터를 사용하여 포집하였다. 제조된 TiO2 분말의 후 열처리는 튜브형 전기로에서 하였다. 결정성 향상을 위해 온도를 400℃에서 3시간 유지하여 TiO2 입자를 얻었다. The ultrasonic spray pyrolysis apparatus is mainly divided into a droplet generating unit, a drying unit of the generated droplet, a reaction unit, and a collecting unit for collecting the generated particles. For the droplet generation, an ultrasonic droplet generator (H-TECH) equipped with six ultrasonic vibrators of 1.7 MHz was used. The droplets generated from the ultrasonic droplet generating device are transported to the drying section through nitrogen of 5 L / min. The temperature of the electric furnace was set at 150 ° C and 400 ° C to 600 ° C for the drying part and the reaction part, respectively. The resulting powders were collected using a Teflon filter. The post - heat treatment of the TiO 2 powder was performed in a tubular electric furnace. TiO 2 particles were obtained by maintaining the temperature at 400 ° C. for 3 hours in order to improve crystallinity.

도 3은 나노채널을 형성하기 위해 첨가한 기공형성제(pore agent)의 첨가량에 따라 입자 표면과 입자를 투과한 FE-SEM(HITACHI-SU8010)과 TEM(JEOL-JEM-2100F) 결과이다. FE-SEM 분석 결과, 기공형성제를 넣지 않은 P 0은 밀집한(dense) 표면과 TEM 분석 결과, 내부가 꽉 차있는 입자임을 확인할 수 있다. 기공형성제를 넣은 P0.5와 P1.5는 FE-SEM 분석 결과, 표면에 미세 틈이 보이기 시작했고 TEM 분석 결과, P1.5에서 입자 내부에 많은 나노 채널이 있음을 확인하였다(도 3). FIG. 3 shows FE-SEM (HITACHI-SU8010) and TEM (JEOL-JEM-2100F) results of the particle surface and particle penetration depending on the amount of pore agent added to form the nanochannel. As a result of FE-SEM analysis, P 0 without pore-forming agent can be confirmed as a result of dense surface and TEM analysis. As a result of FE-SEM analysis, fine cracks were observed on the surface of P0.5 and P1.5 containing pore-forming agent, and as a result of TEM analysis, it was confirmed that many nanocrystals were present in the particles at P1.5 (Fig. 3) .

도 4는 기공형성제(pore agent)의 첨가량에 대한 TiO2 입자의 BET 분석(Micromeritics - 3Flex)을 통해 표면적과 기공도, 기공량을 분석하였다(도 4). 분석 결과, 기공형성제를 넣지 않은 P0에서 기공형성제를 넣은 P0.5, P1.5로 각각 기공도는 7.6 nm에서 11.1 nm, 16.7 nm 기공량이 0.008 cm/g에서 0.060 cm/g, 0.164 cm/g로 모두 증가하였다. 분석 결과를 하기 표 1에 정리하였다(표 1).FIG. 4 shows the surface area, porosity and porosity of the TiO 2 particles measured by BET analysis (Micromeritics - 3Flex) with respect to the addition amount of the pore agent (FIG. 4). As a result, the porosity of P0.5 and P1.5 with pore-forming agent at P0 without pore-forming agent was 11.1 nm at 7.6 nm and 0.060 cm / g at 0.17 cm / / g. The results of the analysis are summarized in Table 1 (Table 1).

기공형성제 첨가량에 대한 TiO2 입자 BET 분석 결과BET analysis of TiO 2 particles on the amount of pore-forming agent added 기공 크기 (nm)Pore size (nm) 기공 부피 (cm3/g)Pore volume (cm 3 / g) POPO 7.6 nm7.6 nm 0.008 cm3/g0.008 cm 3 / g P 0.5P 0.5 11.1 nm11.1 nm 0.060 cm3/g0.060 cm &lt; 3 &gt; / g P 1.5P 1.5 16.7 nm16.7 nm 0.164 cm3/g 0.164 cm &lt; 3 &gt; / g

<< 실시예Example 2>  2> 페이스트의Paste 제조 Produce

TiO2 페이스트를 다음과 같은 순서로 제조하였다. TiO 2 paste was prepared in the following order.

먼저, 20 ml 유리 바이알에 α-테르피네올(α-terpineol) 1.5 g과 에탄올(ethanol) 0.5 g을 넣고, 분자량이 다른 두 종류의 에틸셀룰로스(ethyl cellulose)를 각각 0.1 g씩 섞어 넣었다. 기공형성제(pore agent) 첨가량을 달리하여 나노채널이 형성된 TiO2 입자 0.5 g을 바인더가 녹아있는 용액에 넣고 원심 믹서(centrifugal mixer)에서 2000 rpm으로 30분간 교반하였다. 에탄올을 증발시키고 페이스트 안 입자의 분산 및 분쇄하기 위해 15분간 3롤밀(three-roll mill)을 하였다.First, 1.5 g of? -Terpineol and 0.5 g of ethanol were added to a 20 ml glass vial and 0.1 g of each of two kinds of ethyl cellulose having different molecular weights were mixed. 0.5 g of the TiO 2 nanoparticles formed by varying the amount of the pore agent was added to the solution containing the binder and stirred at 2000 rpm for 30 minutes in a centrifugal mixer. Ethanol was evaporated and three-roll milled for 15 minutes to disperse and crush the paste particles.

<< 실시예Example 3> 염료감응형 태양전지( 3> Dye-sensitized solar cell DSSCDSSC )의 제조)

나노채널 구조의 광전극 셀효율을 측정하기 위해 DSSC 셀을 다음과 같은 순서로 제조하였다.  In order to measure the photoelectrode cell efficiency of the nano channel structure, DSSC cells were fabricated in the following order.

광전극을 제조하기 위해서, FTO 글라스(glass)(2 cm x 1.2 cm)를 소니케이션을 사용하여 아세톤과 에탄올에서 각각 20분간 세척한 후 질소로 건조시켰다. FTO 글라스와 TiO2 필름(film)사이의 접촉을 원활하게 하기 위해 0.04 M TiCl4 용액을 FTO 글라스 위에 떨어뜨리고 70℃ 오븐에서 20분간 건조 시킨 후 증류수와 에탄올에 세척하고 질소로 건조시켰다. TiO2 페이스트를 닥터 블레이드 법으로 FTO 글라스 위에 0.7 cm x 0.5 cm 크기에 약 35 μm 두께로 캐스팅하였다. 박스 전기로에서 550℃에서 30분간 소성하였다. 80℃까지 온도가 떨어지면 광전극을 전기로에서 꺼내어 광전극을 N719 염료 에탄올용액에 담그고 빛을 차단한 상태에서 18시간 동안 함침하였다. 함침이 끝난 광전극을 에탄올로 2회 세척한 후 질소 분위기의 데시게이터에서 건조시켰다. To fabricate the photoelectrode, FTO glass (2 cm x 1.2 cm) was washed with acetone and ethanol for 20 minutes each using a sonication and then dried with nitrogen. To smooth the contact between the FTO glass and the TiO 2 film, a 0.04 M TiCl 4 solution was dropped onto the FTO glass, dried in an oven at 70 ° C. for 20 minutes, washed with distilled water and ethanol, and dried with nitrogen. The TiO 2 paste was cast on a FTO glass with a doctor blade method to a thickness of 0.7 cm x 0.5 cm to a thickness of about 35 μm. Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 550 C &lt; / RTI &gt; for 30 minutes. When the temperature dropped to 80 ° C, the photoelectrode was taken out of the electric furnace, and the photoelectrode was immersed in the N719 dye ethanol solution and impregnated with light for 18 hours. The impregnated photoelectrode was washed twice with ethanol and then dried in a desiccator under a nitrogen atmosphere.

상대전극을 제조하기 위해서, FTO 글라스에 전해질을 주입하기 위한 2개의 구멍을 뚫었다. 구멍이 뚫린 FTO 글라스를 소니케이션을 사용하여 아세톤과 에탄올에서 각각 20분간 세척한 후 질소로 건조시켰다. Pt 페이스트를 닥터 블레이드 법으로 FTO 글라스 위에 1.4 cm x 0.8 cm 크기로 캐스팅하였다. 박스 전기로에서 400℃에서 20분 동안 소성하였다. To prepare the counter electrode, two holes were drilled in the FTO glass for injecting the electrolyte. The perforated FTO glass was washed with acetone and ethanol for 20 minutes each using sonication and then dried with nitrogen. The Pt paste was cast onto a FTO glass with a doctor blade method to a size of 1.4 cm x 0.8 cm. Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 400 C &lt; / RTI &gt; for 20 minutes.

준비된 광전극과 상대전극을 60 μm 두께의 썰린(surlyn)으로 180℃의 가열판 위에서 약 5 ~ 10초 동안 가압하여 접합하였다. 접합된 전극을 진공오븐에 넣고 5분 정도 감압하였다. 접합된 전극의 구멍으로 전해질을 주입한 후 썰린(surlyn)과 커버 글라스(cover glass)를 사용하여 구멍을 인두로 막아 셀을 제조하였으며 하루정도 에이징 시간을 준후에 광효율을 측정하였다. The prepared photoelectrode and the counter electrode were bonded to each other by pressurization for about 5 to 10 seconds on a heating plate heated at 180 DEG C with a surlyn having a thickness of 60 mu m. The bonded electrodes were placed in a vacuum oven and decompressed for about 5 minutes. Electrolytes were injected into the holes of the bonded electrodes, and cells were prepared by using a surlyn and a cover glass to cover the holes with the pharynx. The light efficiency was measured after aging for one day.

<< 실험예Experimental Example 1>  1> 기공형성제Porogen (pore agent) 첨가량에 따른 광 전환 효율 효과 확인(pore agent) added

기공형성제 첨가량에 따라 제조된 TiO2 입자를 사용한 셀의 광전환 효율 효과를 확인하기 위해 셀 성능을 측정하였다. Cell performance was measured to confirm the effect of light conversion efficiency of the cell using TiO 2 particles according to the amount of pore-forming agent added.

제작된 셀의 광전환 효율측정을 위해, McScience사의 태양전지 효율 측정 장비(solar simulator, K101 LAB20)를 사용하였고, 광원은 크세논 램프(xenon lamp)(150 mW/cm2)를 사용하였다. 셀에서 생성된 전자의 수명과 계면에서의 저항을 측정하기 위해, Auto LAB 사의 전기화학 임피던스 분광기(EIS, electrochemical impedance spectroscopy, PGSTAT30)로 AC 0.02 V에서 0.01 ~ 40000 Hz의 주파수 범위에서 분석하였다.  A solar simulator (K101 LAB20) from McScience Inc. was used to measure the light conversion efficiency of the fabricated cell, and a xenon lamp (150 mW / cm2) was used as the light source. In order to measure the lifetime of the electrons generated in the cell and the resistance at the interface, it was analyzed in the frequency range of AC 0.02 V to 0.01 to 40000 Hz by an Auto LAB company electrochemical impedance spectroscopy (EST, PGSTAT30).

실험 결과로서, 도 5는 기공형성제 첨가량에 따른 전류-전압 곡선(Current-Voltage curve)을 보여준다(도 5). 기공형성제를 첨가하지 않은 셀(P 0)의 경우 단락전류가 9.06 mA/cm2 인데 반해, 기공형성제를 P0.5, P1.5를 첨가한 셀의 경우에는 각각 11.80, 19.54 mA/cm2으로 첨가하지 않았을 때 보다 증가함을 확인할 수 있다. 이를 효율로 환산하면 기공형성제를 첨가하지 않은 셀(P 0)의 경우 3.55%이고, 기공형성제를 P0.5, P1.5를 첨가한 셀의 경우 각각 효율은 5.42, 7.76%로 기공형성제를 첨가했을 때 효율이 기공형성제를 넣지 않은 셀에 비해 효율이 증가하였다. 기공형성제 첨가량이 1.5일 때 최대 효율 7.76%로 이는 기공형성제를 넣지 않은 셀에 비해 약 218%(두배 이상 증가)의 셀 성능 증가를 보였다.As a result of the experiment, FIG. 5 shows the current-voltage curve according to the amount of the pore-forming agent added (FIG. 5). In the case of the cell with no pore-forming agent (P 0), the short circuit current was 9.06 mA / cm 2 whereas the cell with the pore-forming agent P 0. 5 and P 1. 5 was 11.80 and 19.54 mA / cm 2 2 as compared with the control. In terms of efficiency, it was 3.55% for the cell (P 0) without the pore-forming agent, and 5.42 and 7.76% for the cell with the pore-forming agent P0.5 and P1.5, respectively. The efficiency of the addition of the pore - forming agent was higher than that of the cells without pore - forming agent. The maximum efficiency was 7.76% when the amount of the pore-forming agent was 1.5, which was about 218% (more than twice that of the cell without the pore-forming agent).

도 6은 기공형성제 첨가량에 따라 제조한 셀의 나이퀴스트 선도(Nyquist plot)를 나타낸다(도 6). 일반적으로 DSSC의 나이퀴스트 선도에서 3개의 반원이 나타나는데 첫 번째 반원(R1)은 상대전극과 전해질 간의 저항을 나타내고, 두 번째 반원(R2)은 광전극과 전해질과 염료 간의 저항을 나타내고 세 번째 반원(R3)은 전해질 내 산화 환원 요오드 이온의 확산 저항을 나타낸다고 알려져 있다(Applied Physics letters, 84, 2004, 13; Electrochimica Acta 47, 2002, 4213 참조). 도 6를 보면, 기공형성제를 첨가하지 않은 셀에 비해 기공형성제를 P1.5를 첨가한 셀의 R2가 크게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 간접적으로 광 전극과 전해질과 염료(dye) 간의 저항이 크게 감소함을 의미한다. 즉 기공형성제를 통해 입자 내부에 나노 채널 형성되어 전해질 및 염료(dye)가 TiO2 입자 내부로 잘 스며들어 광 전극의 TiO2/염료/전해질 간의 접촉 면적을 확대되어 저항을 감소시킬 수 있다. 하기 표 2에 기공형성제 첨가량에 따른 셀에 대한 개방전압과 단락전류, 충전율(Fill Factor), 효율 및 저항을 정리하여 나타내었다(표 2). FIG. 6 shows a Nyquist plot of the cell prepared according to the amount of the pore-forming agent added (FIG. 6). In general, three semicircles appear on the Nyquist plot of the DSSC. The first half (R 1 ) represents the resistance between the counter electrode and the electrolyte, the second half (R 2 ) represents the resistance between the photoelectrode and the electrolyte and dye (R 3 ) is known to exhibit the diffusion resistance of redox iodide ions in the electrolyte ( Applied Physics Letters, 84, 2004, 13; Electrochimica Acta 47, 2002, 4213 ). 6, it can be seen that the R 2 of the cell to which the pore-forming agent P1.5 is added is significantly reduced as compared with the cell to which the pore-forming agent is not added. This implies that the resistance between the photoelectrode and the electrolyte and the dye is greatly reduced indirectly. That is, nanoparticles are formed in the particles through the pore-forming agent, and electrolyte and dye penetrate into the TiO 2 particles to increase the contact area between the TiO 2 / dye / electrolyte of the photoelectrode, thereby reducing the resistance. Table 2 below shows the open-circuit voltage, short-circuit current, fill factor, efficiency, and resistance of the cell according to the amount of pore-forming agent added (Table 2).

Figure pat00001
Figure pat00001

<< 실험예Experimental Example 2>  2> 기공형성제Porogen 함침량에In impregnation 따른  Following 광전극Photoelectrode 내 염료  Dyestuff 함침량의Impregnated 확인 Confirm

실제로 기공형성제를 첨가하여 제조한 나노채널을 형성된 입자로 제조된 셀의 내부에 액체의 함침량이 증가하는지 확인하고자 하였다. In fact, it was tried to confirm whether the amount of liquid impregnation increases in the cell made of nanochannel-formed particles prepared by adding a pore-forming agent.

액체의 함침량을 확인하는 방법을 N719 염료 에탄올(dye ethanol) 용액 내에 소성된 광 전극을 담가 광 전극 내로 함침시킨 후 건조 후 다시 0.1M NaOH를 이용하여 염료(dye)를 탈착하였고 염료가 탈착된 NaOH 용액을 UV-Vis 흡광도(absorbance) 분석하여 염료가 함침된 양을 비교하였다. 만약 기공형성제를 첨가하여 TiO2 입자 내부에 나노 채널이 잘 형성되어 있다면 N719 염료 에탄올 용액이 TiO2 입자 내로 잘 침투하여 N719 염료의 함침량이 증가될 것으로 예상된다. 문헌상에서(Chem. Eur . J. 10, 2004, 595) 313 nm 피크(peak)는 N719 염료를 나타내는 고유의 피크임을 확인할 수 있다. The impregnation amount of the liquid was measured by immersing the photoelectrode in the N719 dye ethanol solution into the photoelectrode and then drying and desorbing the dye using 0.1M NaOH. NaOH solution was analyzed by UV-Vis absorbance to compare the amount of dye impregnated. If nanoparticles are well formed in the TiO2 particles by adding pore-forming agents, it is expected that the N719 dye ethanol solution will penetrate well into the TiO2 particles and increase the impregnation amount of the N719 dye. It can be seen that the 313 nm peak in the literature ( Chem. Eur . J. 10, 2004, 595 ) is a unique peak representing the N719 dye.

실험 결과, 도 7에서 보듯이 313 nm 파장에서 급격한(sharp) 피크가 관찰되며, 기공형성제를 넣지 않은 셀의(P0) 흡광도(absorbance)는 0.081 피크이고, 기공형성제를 넣은 셀 P0.5, P1.5 는 각각 0.121, 0.149 피크로 기공형성제를 넣지 않은 셀보다 증가하였다(도 7). 즉, 기공형성제를 넣어서 나노 채널을 형성한 TiO2 입자 내에 함침된 염료가 크게 증가함을 알 수 있다. 이로써 기공형성제를 첨가하여 TiO2 입자 내에 나노 채널을 형성함으로 염료 및 전해질의 함침량을 증가시킬 수 있고 이를 통해 광전극 TiO2/염료/전해질 간의 접촉 면적을 극대화할 수 있다. 이는 빛을 통해 형성된 전자/정공의 전달 반응을 계면에서 빠르게 많이 전달할 수 있도록 해주기 때문에 광 전환 효율을 증대할 수 있는 효과를 가져오는 것이다.As shown in FIG. 7, a sharp peak was observed at a wavelength of 313 nm, and the absorbance of the cell having no pore-forming agent (P0) was 0.081 and the cell having the pore-forming agent P0.5 , And P1.5 were 0.121 and 0.149 peaks, respectively, which were larger than those of the cells not containing the pore-forming agent (Fig. 7). That is, it can be seen that the dye impregnated into the TiO 2 particles forming the nano channel by adding the pore-forming agent is greatly increased. By adding the pore-forming agent to form the nano-channels in the TiO 2 particles, the impregnation amount of the dye and the electrolyte can be increased, thereby maximizing the contact area between the photo-electrode TiO 2 / dye / electrolyte. This allows the electron / hole transport reaction formed through the light to be transmitted from the interface at a high speed, thereby increasing the light conversion efficiency.

Claims (16)

이산화 타이타늄(TiO2) 입자 내에 나노채널들이 형성되어 있는 구조를 가지는, 염료감응형 태양전지 광전극.
Titanium dioxide (TiO 2) having a structure in which nano-channels are formed in the particles, a dye-sensitized solar cells the photoelectrode.
청구항 제 1항에 있어서, 상기 나노채널은 TiO2 입자 내에서 기공의 개수, 크기 및 위치가 균일하거나 불균일한 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 광전극.
The dye-sensitized solar cell photoelectrode according to claim 1, wherein the nanocrystals have uniform, non-uniform, number, and positions of pores in TiO 2 particles.
청구항 제 1항에 있어서, 상기 TiO2는 기공 크기 10 내지 30 nm, 및 기공 부피 0.050 내지 0.50 cm3/g인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 광전극.
The dye-sensitized solar cell photoelectrode according to claim 1, wherein the TiO 2 has a pore size of 10 to 30 nm and a pore volume of 0.050 to 0.50 cm 3 / g.
청구항 제 1항에 있어서, 상기 나노 TiO2 입자들 주변에 염료가 골고루 분산되어 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 광전극.
The dye-sensitized solar cell photoelectrode according to claim 1, wherein the dye is uniformly dispersed around the nano-TiO 2 particles.
청구항 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항의 염료감응형 태양전지 광전극을 포함하는 염료감응형 태양전지.
A dye-sensitized solar cell comprising the dye-sensitized solar cell photoelectrode according to any one of claims 1 to 4.
이산화 타이타늄(TiO2) 입자를 초음파 분무열분해를 통해 TiO2 입자내 나노채널을 형성하는 공정을 포함하는, 염료감응형 태양전지 광전극용 메조포로스(mesoporous) TiO2 입자의 제조 방법.
A method for manufacturing mesoporous TiO 2 particles for dye-sensitized solar cell photoelectrodes, comprising the step of forming nanocrystals in TiO 2 particles through ultrasonic atomization pyrolysis of titanium dioxide (TiO 2 ) particles.
청구항 제 6항에 있어서, 상기 분무열분해는
1) TiO2 전구체 및 기공형성제(pore former)를 포함한 분무 용액을 제조하는 단계; 및
2) 상기 분무 용액을 액적(droplet) 발생부; 액적의 건조부; 액적의 반응부; 및 생성된 입자를 포집하는 포집부;로 구성된 초음파 분무열분해 시스템에 주입하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 광전극용 메조포로스(mesoporous) TiO2 입자의 제조 방법.
The method of claim 6, wherein the spray pyrolysis
1) preparing a spray solution containing a TiO 2 precursor and a pore former; And
2) spraying the spray solution with a droplet generator; A drying section of the droplet; The reaction part of the droplet; And a collecting unit for collecting the generated particles. The method of manufacturing a mesoporous TiO 2 particle for a photoelectrode in a dye-sensitized solar cell, comprising the steps of:
청구항 제 6항에 있어서, 상기 메조포로스 TiO2 입자는
1) TiO2 전구체 및 기공형성제를 포함한 분무용액을 제조하는 단계;
2) 상기 분무용액을 분무하여 액적을 발생시키는 단계;
3) 발생된 액적을 건조시킨 후 전구체 및 기공형성제를 분해하는 단계;
4) 기공을 갖는 입자를 형성시키는 단계; 및
5) 입자의 결정성을 위해 소결시키는 단계;를 포함하는 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 광전극용 메조포로스(mesoporous) TiO2 입자의 제조 방법.
The method of claim 6, wherein the mesoporous TiO 2 particles
1) preparing a spray solution comprising a TiO 2 precursor and a pore-forming agent;
2) spraying the spraying solution to generate droplets;
3) drying the generated droplet, and then decomposing the precursor and the porogen;
4) forming particles having pores; And
5) sintering the mixture for crystallization of the particles. The method of manufacturing mesoporous TiO 2 particles for a photoelectrode of a dye-sensitized solar cell, comprising the steps of:
청구항 제 7항에 있어서, 상기 기공형성제는 전체 분무용액에 대하여 0.05 내지 5.0 wt% 첨가하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 광전극용 메조포로스(mesoporous) TiO2 입자의 제조 방법.
The method of claim of claim 7 wherein the pore forming agent is from 0.05 to 5.0, the dye-sensitized solar cells the photoelectrode meso Poros (mesoporous) TiO process for producing a 2 particles, characterized in that the addition of wt% based on the total spray solution.
청구항 제 7항에 있어서, 상기 분무열분해 시스템은
초음파 분무 액적 발생 장치를 구비하여 액적을 생성시키는 액적 발생부;
상기 액적 발생부에 연결되고, 운반된 액적이 건조, 분해 및 결정화가 일어나는 건조부(Dying zone);
상기 건조부에 연결되고, 운반된 액적이 열처리를 통해 소결시키는 반응부(Reaction Zone); 및
상기 반응부에 연결되고, 운반된 입자들을 필터를 통해 포집하는 포집부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 광전극용 메조포로스(mesoporous) TiO2 입자의 제조 방법.
The method of claim 7, wherein the spray pyrolysis system
A droplet generating unit including an ultrasonic spray droplet generating device to generate droplets;
A drying zone connected to the droplet generating unit, where the droplet is dried, decomposed and crystallized;
A reaction zone connected to the drying unit for sintering the droplets transported through the heat treatment; And
And a collecting unit connected to the reaction unit and collecting the carried particles through a filter. The method of manufacturing a mesoporous TiO 2 particle for a photo-electrode of a dye-sensitized solar cell,
청구항 제 6항의 방법으로 제조된, 염료감응형 태양전지 광전극용 메조포로스(mesoporous) TiO2 입자.
A mesoporous TiO 2 particle for a dye-sensitized solar cell photo-electrode produced by the method of claim 6.
제 11항에 있어서, 상기 메조포로스 TiO2 입자는 기공 크기 10 내지 30 nm, 및 기공 부피 0.050 내지 0.50 cm3/g인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 광전극용 메조포로스(mesoporous) TiO2 입자.
12. The dye sensitized solar cell according to claim 11, wherein the mesoporous TiO 2 particles have a pore size of 10 to 30 nm and a pore volume of 0.050 to 0.50 cm 3 / g. The mesoporous TiO 2 particle.
청구항 제 7항의 메조포로스(mesoporous) TiO2 입자를 포함하는 염료감응형 태양전지 광전극.
A dye-sensitized solar cell photoelectrode comprising the mesoporous TiO 2 particles of claim 7.
1) 청구항 제 7항의 메조포로스(mesoporous) TiO2 입자를 사용하여 TiO2 페이스트를 제조하는 단계;
2) 상기 단계 1)의 TiO2 페이스트를 코팅시켜 필름을 형성시키는 단계; 및
3) 상기 단계 2)의 필름을 열처리하여 소결하는 단계;를 포함하는 염료감응형 태양전지 광전극의 제조 방법.
1) preparing a TiO 2 paste using the mesoporous TiO 2 particles of claim 7;
2) coating the TiO 2 paste of step 1) to form a film; And
3) heat-treating and sintering the film of step 2).
청구항 제 13항의 TiO2 입자 내에 나노채널들이 형성된 광전극을 포함하는 염료감응형 태양전지.
A dye-sensitized solar cell comprising a photoelectrode in which nano channels are formed in the TiO 2 particle of claim 13.
1) 청구항 제 1항 또는 제 13항의 TiO2 입자 내에 나노채널들이 형성된 광전극을 준비하는 단계;
2) 상기 광전극을 염료 용액에 함침시키는 단계;
3) 상기 광전극에 대향하여 상대전극을 형성하는 단계; 및
4) 상기 광전극과 상기 상대전극 사이에 전해질을 주입한 후 실링하는 단계;를 포함하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법.
1) preparing a photo electrode in which nano channels are formed in the TiO 2 particles of claim 1 or 13;
2) impregnating the dye solution with the photoelectrode;
3) forming a counter electrode facing the photoelectrode; And
4) injecting an electrolyte between the photoelectrode and the counter electrode, and sealing the photoelectrode.
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KR20110040252A (en) * 2009-10-13 2011-04-20 삼성에스디아이 주식회사 Photoelectrode for dye sensitized solar cell, manufacturing method thereof, and dye sensitized solar cell using the same
KR20130128014A (en) * 2011-03-28 2013-11-25 세키스이가가쿠 고교가부시키가이샤 Photoelectrode, and dye-sensitized solar cell provided with photoelectrode
US20140144493A1 (en) * 2011-12-21 2014-05-29 National Cheng Kung University Mesoporous titania bead and method for preparing the same

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