KR20210091968A - Dye-sensitized thermoelectric generator utilizing bipolar conduction in single element - Google Patents

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Abstract

The present invention provide a hybrid thermoelectric generator, in which a dye-sensitized solar cell unit and a thermoelectric structure unit are stacked in a vertical direction, a counter electrode of the dye-sensitized solar cell unit is an upper first electrode of the thermoelectric structure unit, the electrolyte of the dye-sensitized solar cell unit and the upper first electrode are in electrical contact in a vertical direction, and bipolar conduction is provided. According to the present invention, the hybrid thermoelectric generator according to the present invention minimizes a decrease in a charging rate, and remarkably improves the reduction rate of the redox pair of the electrolyte of the dye-sensitized solar cell unit, so as to exhibit excellent photoelectric conversion efficiency.

Description

양극 전도성을 이용한 염료감응 하이브리드 열전발전소자{DYE-SENSITIZED THERMOELECTRIC GENERATOR UTILIZING BIPOLAR CONDUCTION IN SINGLE ELEMENT}Dye-sensitized hybrid thermoelectric generator using anode conductivity {DYE-SENSITIZED THERMOELECTRIC GENERATOR UTILIZING BIPOLAR CONDUCTION IN SINGLE ELEMENT}

본 발명은 양극 전도를 이용한 염료감응 하이브리드 열전발전소자에 관한 것으로서, 염료감응 태양전지 및 열전발전기가 높은 발전 효율 나타내도록 재료적으로 하이브리드화된 염료감응 하이브리드 열전발전소자에 관한 것이다.The present invention relates to a dye-sensitized hybrid thermoelectric generator using anode conduction, and to a dye-sensitized hybrid thermoelectric generator materially hybridized so that the dye-sensitized solar cell and the thermoelectric generator exhibit high power generation efficiency.

염료감응 태양전지(dye-sensitized solar cell, DSSC)는 염료의 태양광 흡수 능력을 이용하여 화학적으로 발전을 일으키는 태양전지로서, 기존의 실리콘 태양전지나 화합물 반도체 태양전지에 비해 그 제작비용이 저렴하고, 유기 태양전지에 비하여 그 효율이 높으며 친환경적이고 여러가지 색을 구현할 수 있다는 장점을 가진다. 이러한 특징으로 인해 건자재일체형태양전지(BIPV)와 같이 실리콘계 태양전지와는 다른 응용분야에서 활용성이 있어서 최근까지 많이 연구되고 있다.A dye-sensitized solar cell (DSSC) is a solar cell that chemically generates power using the solar light absorption ability of a dye, and its manufacturing cost is lower than that of a conventional silicon solar cell or compound semiconductor solar cell, Compared to organic solar cells, the efficiency is high, and it is eco-friendly and has the advantage of being able to implement various colors. Due to these characteristics, it has applicability in application fields different from silicon-based solar cells, such as BIPV, and has been studied a lot until recently.

일반적으로, 염료감응 태양전지는 유리 기판 위에 음극, 염료, 전해질, 상대전극, 투명 도전성 전극을 포함하고 있다. 음극은 반도체 산화물 또는 금속 산화물의 소재로 이루어진 넓은 밴드갭을 가진 나노입자를 포함하며, 상기 나노입자의 표면은 통상적으로 단분자 층의 염료가 흡착되어 있다. 염료감응 태양전지가 비교적 간단한 구조를 가지며 기존의 실리콘계 태양전지에 비해 저비용의 높은 경제성을 가지지만 낮은 효율 및 신뢰성으로 인해 보편화되지 못했다. 이에 염료감응 태양전지의 효율을 향상시키기 위해 다른 태양전지와의 탠덤 구조의 도입, 염료의 개발, 나노입자층의 개량 또는 소자 내의 전하 이동 특성을 개선하는 연구들이 진행되어 왔다.In general, a dye-sensitized solar cell includes an anode, a dye, an electrolyte, a counter electrode, and a transparent conductive electrode on a glass substrate. The cathode includes nanoparticles having a wide bandgap made of a semiconductor oxide or a metal oxide, and a dye of a monomolecular layer is usually adsorbed on the surface of the nanoparticles. Although the dye-sensitized solar cell has a relatively simple structure and has high economic efficiency at low cost compared to the conventional silicon-based solar cell, it has not been universalized due to low efficiency and reliability. Accordingly, in order to improve the efficiency of the dye-sensitized solar cell, studies have been conducted to introduce a tandem structure with other solar cells, to develop a dye, to improve the nanoparticle layer, or to improve the charge transfer characteristics in the device.

열전발전기(thermoelectric generator, TEG)는 소자 양단의 온도차이에 의해 발전하는 소자로서, 양단의 온도차에 비례하여 발전량이 증가한다. 상기 TEG를 DSSC와 결합하여 DSSC 내에 집적된 열 에너지를 방출하고, 동시에 발전을 하기 위한 수단으로 사용할 수 있다. 그러나 TEG와 DSSC가 단순히 연결될 경우 DSSC-TEG 하이브리드 열전발전소자의 충전율(fill factor, FF)이 저하되는 문제점이 있다. A thermoelectric generator (TEG) is a device that generates power by a temperature difference between both ends of the device, and the amount of power generation increases in proportion to the temperature difference between the ends. The TEG can be combined with the DSSC to release the thermal energy integrated in the DSSC and be used as a means for generating power at the same time. However, when the TEG and the DSSC are simply connected, there is a problem in that the fill factor (FF) of the DSSC-TEG hybrid thermoelectric generator is lowered.

이에 따라 DSSC와 TEG를 연결하는 방법이 발전 성능의 향상을 위한 중요한 요소가 될 수 있다. 예를 들어, DSSC-TEG 하이브리드 발전 장치의 성능 향상을 위하여 대한민국 등록특허공보 10-0535343호에서는 열전반도체 층상에 흑체를 형성하여 발전 효율을 향상시키고 있으나, 이러한 방법만으로는 충분한 발전 성능을 얻기 어렵고, 여전히 전해질의 레독스 쌍의 환원율이 낮아 하이브리드 발전소자로서 활용하기에는 미흡한 실정이다.Accordingly, the method of connecting DSSC and TEG can be an important factor for improving power generation performance. For example, in order to improve the performance of the DSSC-TEG hybrid power generation device, Korean Patent No. 10-0535343 discloses that a black body is formed on the thermoelectric semiconductor layer to improve the power generation efficiency, but it is difficult to obtain sufficient power generation performance with this method alone, and it is still The reduction rate of the redox pair of the electrolyte is low, so it is insufficient for use as a hybrid power generator.

대한민국 등록특허공보 10-0535343호Republic of Korea Patent Publication No. 10-0535343

상기의 단점을 보완하기 위한 본 발명은 본 발명은 열전 구조부와 염료감응 태양전지부를 하이브리드화 하되, 구조적 수준에서 하이브리드화하지 않고 재료적 수준에서 하이브리드화하여 충전율 저하를 최소화하고, 염료감응 태양전지부의 전해질의 레독스 쌍의 환원율을 현저하게 향상될 수 있는 상승효과를 가지는 하이브리드 열전발전소자를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention to compensate for the above disadvantages is to hybridize the thermoelectric structure part and the dye-sensitized solar cell part, but hybridize at the material level rather than the structural level to minimize the decrease in the charge rate, and the dye-sensitized solar cell part An object of the present invention is to provide a hybrid thermoelectric generator having a synergistic effect that can significantly improve the reduction rate of the redox pair of the electrolyte.

상기 목적을 달성하기 위하여 많은 연구를 한 결과, 본 발명의 제1양태에 따른 하이브리드 열전발전소자는, 상부 투명전극, 상기 상부 투명전극의 하부 표면에 형성되며, 염료가 코팅된 반도체 산화물 또는 금속 산화물로 이루어진 나노입자를 포함하는 광흡수층, 및 요오드계 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지부; 및As a result of many studies to achieve the above object, the hybrid thermoelectric generator according to the first aspect of the present invention is formed on the upper transparent electrode, the lower surface of the upper transparent electrode, and is made of a semiconductor oxide or metal oxide coated with dye. A dye-sensitized solar cell unit comprising a light absorption layer comprising nanoparticles made of, and an iodine-based electrolyte; and

상부 제1전극, 상기 상부 제1전극의 하부에 형성된 열전물질, 상기 열전물질의 하부에 형성된 솔더층, 및 상기 솔더층 하부에 형성된 하부 제2전극을 포함하는 열전 구조부;로 이루어지는 단위 발전소자를 포함하고,A thermoelectric structure including an upper first electrode, a thermoelectric material formed under the upper first electrode, a solder layer formed under the thermoelectric material, and a lower second electrode formed under the solder layer; including a unit power generating element do,

상기 단위 발전소자의 염료감응 태양전지부의 요오드계 전해질과 열전 구조부의 상부 제1전극은 수직 방향으로 전기적 접촉하는 것을 특징으로 함으로써 상술한 바와 같은 과제를 해결할 수 있음을 발견하고 완성하였다.It has been discovered and completed that the above-described problems can be solved by the iodine-based electrolyte of the dye-sensitized solar cell of the unit power plant and the upper first electrode of the thermoelectric structure are in electrical contact in a vertical direction.

본 발명에 따른 일 예로서, 상기 하이브리드 열전발전소자는 단위 발전소자를 복수개 포함하는 발전소자 어레이이며, 상기 발전소자 어레이의 서로 다른 제2전극은 서로 전기적으로 연결된 것일 수 있다.As an example according to the present invention, the hybrid thermoelectric power generator may be a power generator array including a plurality of unit power generators, and different second electrodes of the power generator array may be electrically connected to each other.

본 발명에 따른 일 예로서, 상기 상부 제1전극은 표면에 백금층을 포함할 수 있다.As an example according to the present invention, the upper first electrode may include a platinum layer on the surface.

본 발명에 따른 일 예로서, 상기 상부 제1전극은 백금층과 상부 제1전극 표면 사이에 니켈층 및 접착층을 더 포함할 수 있다.As an example according to the present invention, the upper first electrode may further include a nickel layer and an adhesive layer between the platinum layer and the surface of the upper first electrode.

본 발명에 따른 일 예로서, 상기 광흡수층은 이산화티타늄 나노입자의 표면에 염료가 코팅된 것일 수 있다.As an example according to the present invention, the light absorption layer may be one in which a dye is coated on the surface of the titanium dioxide nanoparticles.

본 발명에 따른 일 예로서, 상기 광흡수층의 이산화티타늄 나노입자는 광반사성 이산화티타늄 나노입자 및 광투과성 이산화티타늄 나노입자의 혼합물로서 양봉 분포를 가지는 것일 수 있다.As an example according to the present invention, the titanium dioxide nanoparticles of the light absorption layer may be a mixture of light-reflective titanium dioxide nanoparticles and light-transmitting titanium dioxide nanoparticles, and may have a benign distribution.

본 발명에 따른 일 예로서, 상기 광흡수층은, 상부 투명전극의 하부 표면에 광반사성 이산화티타늄 나노입자 조성물 및 광투과성 이산화티타늄 나노입자의 조성물을 교대로 스크린 프린팅하여 이산화티타늄 나노입자층을 형성하는 단계; 상기 이산화티타늄 나노입자층을 열처리하는 단계; 및 상기 열처리된 이산화티타늄 나노입자층을 염료로 코팅하는 단계;를 통하여 제조된 것일 수 있다.As an example according to the present invention, the light absorption layer is formed by alternately screen printing a composition of a light reflective titanium dioxide nanoparticle composition and a light transmissive titanium dioxide nanoparticle on the lower surface of the upper transparent electrode to form a titanium dioxide nanoparticle layer ; heat-treating the titanium dioxide nanoparticle layer; and coating the heat-treated titanium dioxide nanoparticle layer with a dye.

본 발명에 따른 일 예로서, 상기 이산화티타늄 나노입자는 루타일 및 아나타제 결정 구조를 동시에 포함하는 것일 수 있다.As an example according to the present invention, the titanium dioxide nanoparticles may include rutile and anatase crystal structures at the same time.

본 발명에 따른 일 예로서, 상기 염료감응 태양전지부와 열전 구조부 사이에 광열 변환부를 더 포함할 수 있다.As an example according to the present invention, a light-to-heat conversion unit may be further included between the dye-sensitized solar cell unit and the thermoelectric structure unit.

본 발명에 따른 일 예로서, 상기 광열 변환부는 아조계 염료를 포함하는 아크릴계 중합체를 포함하는 것일 수 있다.As an example according to the present invention, the light-to-heat conversion unit may include an acrylic polymer including an azo dye.

본 발명에 따른 일 예로서, 상기 열전물질은 Sb-Te계, Bi-Te계, Bi-Sb-Te계, Co-Sb계, Pb-Te계, Ge-Tb계, Si-Ge계, Sm-Co계 화합물로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.As an example according to the present invention, the thermoelectric material is Sb-Te-based, Bi-Te-based, Bi-Sb-Te-based, Co-Sb-based, Pb-Te-based, Ge-Tb-based, Si-Ge-based, Sm It may include any one selected from the group consisting of -Co-based compounds.

본 발명에 따른 일 예로서, 상기 열전 구조부의 상부 제1전극은 염료감응 태양전지부의 하부 전극으로 작동하며, 요오드계 전해질과 상부 제1전극은 전기적으로 직접 접촉하는 것일 수 있다.As an example according to the present invention, the upper first electrode of the thermoelectric structure may act as a lower electrode of the dye-sensitized solar cell, and the iodine-based electrolyte and the upper first electrode may be in direct electrical contact.

본 발명에 따른 일 예로서, 상기 발전소자 어레이의 제1하이브리드 열전발전소자의 열전물질은 p형 열전물질이며, 인접하는 제2하이브리드 열전발전소자의 열전물질은 n형 열전물질이고, 제1하이브리드 열전발전소자의 제2전극과 제2하이브리드 열전발전소자의 제2전극은 전도성 금속으로 서로 전기적으로 연결된 것일 수 있다.As an example according to the present invention, the thermoelectric material of the first hybrid thermoelectric generator of the power generator array is a p-type thermoelectric material, the thermoelectric material of the adjacent second hybrid thermoelectric generator is an n-type thermoelectric material, and the first hybrid thermoelectric power plant The second electrode of the ruler and the second electrode of the second hybrid thermoelectric generator may be electrically connected to each other with a conductive metal.

본 발명의 제2양태에 따른 하이브리드 열전발전소자는, 염료감응 태양전지부 및 열전 구조부가 수직 방향으로 적층되며, 상기 염료감응 태양전지부의 상대전극은 열전 구조부의 상부 제1전극이며, 상기 염료감응 태양전지부의 전해질과 상기 상부 제1전극은 수직 방향으로 전기적 접촉하며, 양극 전도성을 가지는 것을 특징으로 한다.In the hybrid thermoelectric power generator according to the second aspect of the present invention, a dye-sensitized solar cell part and a thermoelectric structure part are vertically stacked, and the counter electrode of the dye-sensitized solar cell part is an upper first electrode of the thermoelectric structure part, and the dye-sensitized solar cell part is the upper first electrode. The electrolyte of the solar cell unit and the upper first electrode are in electrical contact in a vertical direction, and have positive electrode conductivity.

본 발명에 따른 일 예로서, 상기 하이브리드 열전발전소자를 복수개 포함하되, 서로 다른 하이브리드 열전발전소자의 하부 제2전극은 서로 전기적으로 연결된 발전소자 어레이일 수 있다.As an example according to the present invention, a plurality of hybrid thermoelectric generators may be included, and the lower second electrodes of different hybrid thermoelectric generators may be a generator element array electrically connected to each other.

본 발명에 따른 하이브리드 열전발전소자는 재료적 수준에서 염료감응 태양전지부와 열전 구조부를 하이브리드화 함으로써 충전율 저하를 최소화하고, 염료감응 태양전지부의 전해질의 레독스 쌍의 환원율 역시 향상시킬 수 있는 상승효과를 가진다. 보다 상세하게, 열전 구조부에서 열에 의해 활성화된 홀(hole)과 염료감응 태양전지부에서 광에 의해 활성화된 전자가 각각 동시에 전류와 전압 발생에 기여함으로써 우수한 변환 효율을 나타낼 수 있다. 또한 열전 구조부의 상부 제1전극은 염료감응 태양전지부의 요오드계 전해질과 수직 방향으로 전기적 접촉함으로써 레독스 쌍의 환원율을 현저하게 향상시킬 수 있으며, 전자 재결합 수명을 현저하게 증가시키며, 전하 밀도, 전하 확산 계수 및 유효 확산 길이가 현저하게 증가될 수 있다.The hybrid thermoelectric generator according to the present invention has a synergistic effect that can minimize the decrease in the charge rate by hybridizing the dye-sensitized solar cell unit and the thermoelectric structure at the material level, and also improve the reduction rate of the redox pair of the electrolyte of the dye-sensitized solar cell unit. have More specifically, since a hole activated by heat in the thermoelectric structure and electrons activated by light in the dye-sensitized solar cell unit simultaneously contribute to generation of current and voltage, excellent conversion efficiency may be exhibited. In addition, the upper first electrode of the thermoelectric structure unit is in electrical contact with the iodine-based electrolyte of the dye-sensitized solar cell unit in a vertical direction, thereby remarkably improving the reduction rate of the redox pair, significantly increasing the electron recombination lifetime, charge density, The charge diffusion coefficient and effective diffusion length can be significantly increased.

도 1은 염료감응 하이브리드 열전발전소자의 구조를 간략하게 도시한 일 개념도이다.
도 2는 염료 흡착 이산화티타늄 나노입자층을 DS-TEG의 광-음극에 적용하기 위해 스크린 프린팅법으로 제조한 후의 분석 결과이다.
도 3은 염료감응 하이브리드 열전발전소자(DS-TEG) 및 DSSC의 광전압 측정한 시험결과이다.
도 4는 염료감응 하이브리드 열전발전소자(DS-TEG) 및 DSSC의 전하 이송 특성을 평가한 시험결과이다.
도 5는 염료감응 하이브리드 열전발전소자(DS-TEG)의 전하 이송 효과를 평가한 시험결과이다.
1 is a conceptual diagram schematically illustrating the structure of a dye-sensitized hybrid thermoelectric generator.
2 is an analysis result after the dye-adsorbed titanium dioxide nanoparticle layer was prepared by screen printing to apply the photo-cathode of DS-TEG.
3 is a test result of photovoltage measurement of a dye-sensitized hybrid thermoelectric generator (DS-TEG) and DSSC.
4 is a test result of evaluating the charge transport characteristics of a dye-sensitized hybrid thermoelectric generator (DS-TEG) and DSSC.
5 is a test result for evaluating the charge transfer effect of a dye-sensitized hybrid thermoelectric generator (DS-TEG).

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 결정성 전도성 고분자 쉘을 가지는 탄소소재 복합섬유 및 이의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다. Hereinafter, a carbon composite fiber having a crystalline conductive polymer shell of the present invention and a manufacturing method thereof will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.The drawings introduced below are provided as examples in order to sufficiently convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the present invention is not limited to the drawings presented below and may be embodied in other forms, and the drawings presented below may be exaggerated to clarify the spirit of the present invention. Also, like reference numerals refer to like elements throughout.

이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.At this time, if there is no other definition in the technical terms and scientific terms used, it has the meaning commonly understood by those of ordinary skill in the technical field to which this invention belongs, and the gist of the present invention in the following description and accompanying drawings Descriptions of known functions and configurations that may be unnecessarily obscure will be omitted.

또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다. Also, the singular forms used in the specification and appended claims may also be intended to include the plural forms unless the context specifically dictates otherwise.

또한 본 명세서에서, "포함한다"는 표현은 "구비한다", "함유한다", "가진다" 또는 "특징으로 한다" 등의 표현과 등가의 의미를 가지는 개방형 기재이며, 추가로 열거되어 있지 않은 요소, 재료 또는 공정을 배제하지 않는다. 또한 "실질적으로…로 구성된다"는 표현은 특정된 요소, 재료 또는 공정과 함께 열거되어 있지 않은 다른 요소, 재료 또는 공정이 발명의 적어도 하나의 기본적이고 신규한 기술적 사상에 허용할 수 없을 만큼의 현저한 영향을 미치지 않는 양으로 존재할 수 있는 것을 의미한다. 또한 "구성된다"는 표현은 기재된 요소, 재료 또는 공정만이 존재하는 것을 의미한다.In addition, in this specification, the expression "comprising" is an open-ended description having an equivalent meaning to expressions such as "having", "containing", "having" or "characterized by", and is not listed further. It does not exclude elements, materials or processes. Also, the expression "consisting substantially of..." means that other elements, materials, or processes not listed together with the specified element, material, or process are unacceptable for at least one basic and novel technical idea of the invention. It means that it can be present in an amount that does not significantly affect it. Also, the expression “consisting of” means that only the elements, materials, or processes described are present.

또한 본 명세서에서, 특별한 언급 없이 사용된 단위는 중량을 기준으로 하며, 일 예로 % 또는 비의 단위는 중량% 또는 중량비를 의미한다.In addition, in this specification, the unit used without special mention is based on the weight, for example, the unit of % or ratio means weight % or weight ratio.

본 발명에 따른 하이브리드 열전발전소자는 제1양태로서, 상부 투명전극, 상기 상부 투명전극의 하부 표면에 형성되며, 염료가 코팅된 반도체 산화물 또는 금속 산화물로 이루어진 나노입자를 포함하는 광흡수층, 및 요오드계 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지부; 및The hybrid thermoelectric generator according to the present invention is a first aspect, and includes an upper transparent electrode, a light absorption layer formed on a lower surface of the upper transparent electrode, and including nanoparticles made of a dye-coated semiconductor oxide or metal oxide, and an iodine-based device. a dye-sensitized solar cell unit including an electrolyte; and

상부 제1전극, 상기 상부 제1전극의 하부에 형성된 열전물질, 상기 열전물질의 하부에 형성된 솔더층, 및 상기 솔더층 하부에 형성된 하부 제2전극을 포함하는 열전 구조부;로 이루어지는 단위 발전소자를 포함하고,A thermoelectric structure including an upper first electrode, a thermoelectric material formed under the upper first electrode, a solder layer formed under the thermoelectric material, and a lower second electrode formed under the solder layer; including a unit power generating element do,

상기 단위 발전소자의 염료감응 태양전지부의 요오드계 전해질과 열전 구조부의 상부 제1전극은 수직 방향으로 전기적 접촉하는 것을 특징으로 한다.The iodine-based electrolyte of the dye-sensitized solar cell part of the unit power plant and the upper first electrode of the thermoelectric structure part are in electrical contact in a vertical direction.

도 1(a)에 도시된 구조를 참조하면, 염료감응 태양전지 및 열전 구조부가 결합된 통상적인 탠덤 구조의 하이브리드 열전발전소자(DSSC-TEG)가 도시된 것이다. 도 1(a)에 도시된 통상적인 구조의 경우 하나의 염료감응 태양전지 하부에 복수개의 열전 구조부가 결합되어 있다. 염료감응 태양전지는 상부 투명전극 및 하부 전극을 상부 및 하부에 각각 포함하며 광에 의해 활성화된 전자가 상부 투명전극으로 이동되고, 홀은 하부 전극으로 이동된 후 전기적으로 연결된 열전 구조부의 상부 제1전극으로 이동한다. 도 1(a)에 도시된 구조에 따르면, p형 열전 구조부는 다수 반송자(majority carrier)로서 정공의 움직임에 관계되며, n형 열전 구조부와 염료감응 태양전지는 다수 반송자로서 전자의 움직임에 관계된다. 이에 따라 각각의 열전 구조부는 단극 전도(unipolar conduction)를 발생시키며 열전 구조부와 염료감응 태양전지의 계면은 각 디바이스의 양극과 음극을 연결하는 전극 접합부를 형성하게 된다.Referring to the structure shown in FIG. 1A , a hybrid thermoelectric generator (DSSC-TEG) having a conventional tandem structure in which a dye-sensitized solar cell and a thermoelectric structure are combined is illustrated. In the case of the conventional structure shown in FIG. 1( a ), a plurality of thermoelectric structures are coupled to the lower part of one dye-sensitized solar cell. The dye-sensitized solar cell includes an upper transparent electrode and a lower electrode on the upper and lower portions, respectively, and electrons activated by light move to the upper transparent electrode, and the hole moves to the lower electrode, and then the upper first part of the electrically connected thermoelectric structure move to the electrode. According to the structure shown in Fig. 1(a), the p-type thermoelectric structure is related to the movement of holes as a majority carrier, and the n-type thermoelectric structure and the dye-sensitized solar cell are the majority carriers and are responsible for the movement of electrons. is related Accordingly, each thermoelectric structure generates unipolar conduction, and the interface between the thermoelectric structure and the dye-sensitized solar cell forms an electrode junction connecting the anode and the cathode of each device.

반면 본 발명에 따른 하이브리드 열전발전소자(DS-TE)의 경우, 홀과 전자가 전류와 전압 발생에 모두 기여함으로써 양극 전도성(bipolar conduction)이 발생한다. 본 발명에 따른 하이브리드 열전발전소자(DS-TE)에서의 캐리어의 이동을 도 1(b)에 도시한 개념도를 통해 설명하면 다음과 같다.On the other hand, in the case of the hybrid thermoelectric generator (DS-TE) according to the present invention, bipolar conduction occurs because holes and electrons both contribute to the generation of current and voltage. The movement of carriers in the hybrid thermoelectric generator (DS-TE) according to the present invention will be described with reference to the conceptual diagram shown in FIG. 1(b).

구체적으로, 염료감응 태양전지를 통과한 장파장의 광양자는, 선택적으로 광열 변환층에 의해 열로 전환되고 열전 구조부로 열이 전달된다. 열전 구조부에서는 염료감응 태양전지부의 요오드계 전해질과 열전 구조부의 상부 제1전극과의 수직 방향 전기적 접촉을 통해 전자를 요오드계 전해질로 공급하고 트리요오드의 환원반응을 촉진할 수 있다. 트리요오드의 환원반응이 염료감응 태양전지의 전하 이송을 저해하는 가장 큰 요인이므로, 본 발명에 따른 하이브리드 열전발전소자(DS-TE)는 열전 구조부를 재료적으로 하이브리드화 함으로써 트리요오드의 환원반응을 효과적으로 촉진하여 구조적 수준에서 하이브리드화한 하이브리드 열전발전소자(DSSC-TEG) 대비 현저히 높은 전력변환효율(PCE)를 구현하게 된다.Specifically, long-wavelength photons passing through the dye-sensitized solar cell are selectively converted into heat by the light-to-heat conversion layer, and heat is transferred to the thermoelectric structure. In the thermoelectric structure, electrons may be supplied to the iodine-based electrolyte through vertical electrical contact between the iodine-based electrolyte of the dye-sensitized solar cell and the upper first electrode of the thermoelectric structure, and the reduction reaction of triiodine may be promoted. Since the reduction reaction of triiodine is the biggest factor inhibiting the charge transfer of the dye-sensitized solar cell, the hybrid thermoelectric power generator (DS-TE) according to the present invention performs the reduction reaction of triiodine by materially hybridizing the thermoelectric structure. It is effectively promoted to realize significantly higher power conversion efficiency (PCE) compared to the hybrid thermoelectric generator (DSSC-TEG) hybridized at the structural level.

본 발명의 일 예에 있어, 상기 하이브리드 열전발전소자는 단위 발전소자를 복수개 포함하고, 이격 배열된 발전소자 어레이이며, 상기 발전소자 어레이의 인접하는 서로 다른 제2전극은 서로 전기적으로 연결된 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the hybrid thermoelectric power generator may include a plurality of unit power generators and are spaced apart from each other, and adjacent second electrodes of the power generator array may be electrically connected to each other.

바람직한 일 예에 있어, 상기 발전소자 어레이를 구성하는 제1하이브리드 열전발전소자의 열전물질은 p형 열전물질이며, 인접하는 제2하이브리드 열전발전소자의 열전물질은 n형 열전물질일 수 있다. 이때 제1하이브리드 열전발전소자의 제2전극과 제2하이브리드 열전발전소자의 제2전극은 전도성 금속으로 서로 전기적으로 연결된 것일 수 있다.In a preferred embodiment, the thermoelectric material of the first hybrid thermoelectric generator constituting the power generator array may be a p-type thermoelectric material, and the thermoelectric material of the adjacent second hybrid thermoelectric generator may be an n-type thermoelectric material. In this case, the second electrode of the first hybrid thermoelectric generator and the second electrode of the second hybrid thermoelectric generator may be electrically connected to each other with a conductive metal.

염료감응 태양전지부의 상부 투명전극은 투명 전도성 전극 (TCO: transparent conducting oxide))을 의미한다. 상기 전도성 전극이 상기 물질에 한정되지는 않으며 이 분야에 공지의 전도성 물질이 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들면, 상부 투명전극은 FTO (F-doped SnO2: SnO2:F), ITO, 평균 두께가 1 내지 1000nm인 금속전극, 금속 질화물, 금속 산화물, 탄소화합물, 또는 전도성 고분자를 포함하는 전도성 필름일 수 있다.The upper transparent electrode of the dye-sensitized solar cell means a transparent conducting electrode (TCO: transparent conducting oxide). The conductive electrode is not limited to the above material, and a conductive material known in the art may be used without limitation. For example, the upper transparent electrode is a conductive film containing FTO (F-doped SnO2: SnO2:F), ITO, a metal electrode having an average thickness of 1 to 1000 nm, a metal nitride, a metal oxide, a carbon compound, or a conductive polymer. can

광흡수층에 포함되는 반도체 산화물 또는 금속 산화물로 이루어진 나노입자는, 예시적으로, 은 주석(Sn)산화물, 안티몬(Sb), 나이오븀(Nb) 또는 불소 도핑된 주석(Sn)산화물, 인듐(In)산화물, 주석 도핑된 인듐(In)산화물, 아연(Zn)산화물, 알루미늄(Al), 붕소(B), 갈륨(Ga), 수소(H), 인듐(In), 이트륨(Y), 타이타늄(Ti), 실리콘(Si) 또는 주석(Sn) 도핑된 아연(Zn)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 캐드뮴(Cd)산화물, 마그네슘아연(MgZn)산화물, 인듐아연(InZn)산화물, 구리알루미늄(CuAl)산화물, 실버(Ag)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 아연주석산화물(ZnSnO), 타이타늄산화물(TiO2) 및 아연인듐주석(ZIS)산화물, 니켈(Ni)산화물, 로듐(Rh)산화물, 루세늄(Ru)산화물, 이리듐(Ir)산화물, 구리(Cu)산화물, 코발트(Co)산화물, 텅스텐(W)산화물, 티타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 란타넘(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브데넘(Mo)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트늄(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 스트론튬타이타늄(SrTi)산화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 나노입자일 수 있다.Nanoparticles made of a semiconductor oxide or a metal oxide included in the light absorption layer are, for example, silver tin (Sn) oxide, antimony (Sb), niobium (Nb) or fluorine-doped tin (Sn) oxide, indium (In) Oxide, tin-doped indium (In) oxide, zinc (Zn) oxide, aluminum (Al), boron (B), gallium (Ga), hydrogen (H), indium (In), yttrium (Y), titanium ( Ti), silicon (Si) or tin (Sn) doped zinc (Zn) oxide, magnesium (Mg) oxide, cadmium (Cd) oxide, magnesium zinc (MgZn) oxide, indium zinc (InZn) oxide, copper aluminum ( CuAl) oxide, silver (Ag) oxide, gallium (Ga) oxide, zinc tin oxide (ZnSnO), titanium oxide (TiO2) and zinc indium tin (ZIS) oxide, nickel (Ni) oxide, rhodium (Rh) oxide, Russe Nium (Ru) oxide, iridium (Ir) oxide, copper (Cu) oxide, cobalt (Co) oxide, tungsten (W) oxide, titanium (Ti) oxide, zirconium (Zr) oxide, strontium (Sr) oxide, lanthanum (La) oxide, vanadium (V) oxide, molybdenum (Mo) oxide, niobium (Nb) oxide, aluminum (Al) oxide, yttnium (Y) oxide, scandium (Sc) oxide, samarium (Sm) oxide , may be one or more nanoparticles selected from the group consisting of strontium titanium (SrTi) oxide and mixtures thereof.

구체적으로, 광흡수층은 이산화티타늄 나노입자의 표면에 염료가 코팅된 것일 수 있다. 바람직하게, 상기 광흡수층의 이산화티타늄 나노입자는 광반사성 이산화티타늄 나노입자 및 광투과성 이산화티타늄 나노입자의 혼합물로서 양봉 분포 (bimodal distribution)를 가지는 것일 수 있다.Specifically, the light absorption layer may be a dye coated on the surface of the titanium dioxide nanoparticles. Preferably, the titanium dioxide nanoparticles of the light absorption layer may have a bimodal distribution as a mixture of light reflective titanium dioxide nanoparticles and light transmissive titanium dioxide nanoparticles.

광흡수층의 이산화티타늄 나노입자는 나노입자층의 구조일 수 있으며, 두께는 1 내지 500 μm일 수 있고, 바람직하게 10 내지 100 μm일 수 있다.The titanium dioxide nanoparticles of the light absorption layer may have a structure of a nanoparticle layer, and may have a thickness of 1 to 500 μm, preferably 10 to 100 μm.

광반사성 이산화티타늄 나노입자의 평균직경은 100 nm 이상, 구체적으로 100 내지 500 nm, 보다 구체적으로 100 내지 200 nm일 수 있고, 광투과성 이산화티타늄 나노입자의 평균직경은 5 내지 50 nm, 바람직하게 5 내지 30 nm, 보다 바람직하게 10 내지 25 nm일 수 있다.The average diameter of the light reflective titanium dioxide nanoparticles is 100 nm or more, specifically 100 to 500 nm, more specifically 100 to 200 nm, the average diameter of the light-transmitting titanium dioxide nanoparticles is 5 to 50 nm, preferably 5 to 30 nm, more preferably 10 to 25 may be nm.

광흡수층은, 상부 투명전극의 하부 표면에 광반사성 이산화티타늄 나노입자 조성물 및 광투과성 이산화티타늄 나노입자의 조성물을 교대로 스크린 프린팅하여 이산화티타늄 나노입자층을 형성하는 단계; 상기 이산화티타늄 나노입자층을 열처리하는 단계; 및 상기 열처리된 이산화티타늄 나노입자층을 염료로 코팅하는 단계;를 통하여 제조된 것일 수 있다.The light absorption layer is formed by screen-printing a light reflective titanium dioxide nanoparticle composition and a light transmitting titanium dioxide nanoparticle composition on the lower surface of the upper transparent electrode alternately to form a titanium dioxide nanoparticle layer; heat-treating the titanium dioxide nanoparticle layer; and coating the heat-treated titanium dioxide nanoparticle layer with a dye.

상기 광반사성 또는 광투과성 이산화티타늄 나노입자 조성물은 이산화티타늄 나노입자, 바인더 및 용매를 포함하는 페이스트형 조성물일 수 있다.The light-reflective or light-transmitting titanium dioxide nanoparticle composition may be a paste-type composition including titanium dioxide nanoparticles, a binder, and a solvent.

광반사성 이산화티타늄 나노입자 조성물 및 광투과성 이산화티타늄 나노입자의 조성물의 교대 적층은 1 내지 1000회, 바람직하게 5회 내지 500회 수행될 수 있으나, 이는 일 예시일 뿐 이에 제한하지 않는다.The alternating lamination of the light reflective titanium dioxide nanoparticle composition and the light transmissive titanium dioxide nanoparticle composition may be performed 1 to 1000 times, preferably 5 to 500 times, but this is only an example and is not limited thereto.

상기 열처리 단계는 250 내지 600도일 수 있으며 바람직하게 300 내지 500도 일 수 있다.The heat treatment step may be 250 to 600 degrees, preferably 300 to 500 degrees.

열처리를 통해 제조된 이산화티타늄 나노입자층은 루타일 및 아나타제 결정 구조를 동시에 포함하는 것일 수 있다. 루타일과 아나타네 결정 구조를 가지는 이산화티타늄 나노입자는 중량비로 2:8 내지 8:2일 수 있다. 통상적으로 아나타제 결정 구조의 이산화티타늄이 대칭성이 낮고 왜곡이 심하여 높은 효율을 나타낼 수 있지만, 루타일 결정 구조의 경우 순수 아나타제 결정 구조 보다 넓은 표면적을 가지고 있어, 보다 많은 수의 염료 분자로부터 전자를 제공 받을 수 있음에 따라, 루타일 결정의 이산화티타늄을 아나타제 결정 구조의 이산화티타늄과 혼합하여 이용할 경우, 루타일 결정 구조의 전도대 에지(conduction band edge)로부터 아나타제 결정의 트래핑 사이트(trapping site)로의 전자 이동(electron migration)이 현저하게 증가될 수 있다. 이에, 루타일 및 아나타제 결정 구조를 동시에 함유하는 이산화티타늄 나노입자층을 포함하는 소자의 경우 현저하게 향상된 단락 전류(short-circuit current)와 전력변환휴율(power conversion efficiency)을 가질 수 있다. 다만, 루타일 결정 구조의 이산화티타늄은 상술한 바와 같이 넓은 표면적을 가져 흡착된 염료로부터 보다 많은 전자를 제공받을 수 있으나, 낮은 전자 이동도를 가져 높은 비저항에 의한 전류 손실을 야기할 수 있다. 즉, 루타일 결정 구조의 이산화티타늄의 넓은 표면적에 의한 증가된 전자 주입량과 높은 비저항에 따른 전류 손실량은 서로 간에 트레이드-오프(trade-off)관계에 있음에 따라, 루타일과 아나타제 결정 구조를 가지는 이산화티타늄 나노입자는 상술한 중량비를 만족하는 것이 좋다.The titanium dioxide nanoparticle layer prepared through heat treatment may include rutile and anatase crystal structures at the same time. The titanium dioxide nanoparticles having the rutile and anatane crystal structures may be in a weight ratio of 2:8 to 8:2. In general, titanium dioxide with anatase crystal structure has low symmetry and high distortion, so it can show high efficiency. However, in the case of rutile crystal structure, it has a larger surface area than pure anatase crystal structure, so it can receive electrons from a larger number of dye molecules. As a result, when the titanium dioxide of the rutile crystal is mixed with the titanium dioxide of the anatase crystal structure, electron transfer from the conduction band edge of the rutile crystal structure to the trapping site of the anatase crystal ( electron migration) can be significantly increased. Accordingly, in the case of a device including a titanium dioxide nanoparticle layer simultaneously containing rutile and anatase crystal structures, short-circuit current and power conversion efficiency may be remarkably improved. However, as described above, titanium dioxide having a rutile crystal structure has a large surface area and can receive more electrons from the adsorbed dye, but has low electron mobility and may cause current loss due to high resistivity. That is, the increased electron injection amount due to the large surface area of titanium dioxide having a rutile crystal structure and the amount of current loss due to high specific resistance are in a trade-off relationship with each other, so that dioxide having a rutile and anatase crystal structure Titanium nanoparticles preferably satisfy the above-described weight ratio.

염료는 밴드갭 (Band Gap)이 1.55 eV 내지 3.1 eV을 가져 가시광선을 흡수할 수 있는 염료로서, 염료감응 태양전지에 사용되는 염료라면 제한받지 않고 사용될 수 있다. 구체적인 예로 금속 또는 금속 복합체를 포함하는 유-무기 복합염료, 유기 염료 또는 이들의 혼합물일 수 있고, 보다 구체적인 예로, 알루미늄(Al), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 유로퓸(Eu), 납(Pb), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 및 이들의 복합체로 이루어지는 군에서 선택된 원소를 포함하는 유-무기 복합염료 또는 실란계 유기염료일 수 있다. 바람직하게 루테늄 기반의 헤테로아릴계 염료로서 N719 염료일 수 있다.The dye has a band gap of 1.55 eV to 3.1 eV and can absorb visible light, and any dye used in a dye-sensitized solar cell may be used without limitation. Specific examples may be an organic-inorganic complex dye containing a metal or a metal complex, an organic dye, or a mixture thereof, and more specifically, aluminum (Al), platinum (Pt), palladium (Pd), europium (Eu), lead (Pb), iridium (Ir), ruthenium (Ru), and an organic-inorganic complex dye or silane-based organic dye containing an element selected from the group consisting of complexes thereof. Preferably, the ruthenium-based heteroaryl-based dye may be N719 dye.

상기 전해질은 상부 투명전극과 열전 구조부의 상부 제1전극 사이의 공간을 채우면서 광흡수층 내부에 균일하게 분산될 수 있다. 통상적인 염료감응 태양전지와 같이, 태양광이 입사되면 상부 투명전극을 투과한 광양자는 염료에 의해 흡수되며, 염료는 태양광 흡수에 의해 여기 상태가 되면서 전자를 생성하고, 여기전자는 이산화티타늄 나노입자의 전도대로 이송되어 상부 투명전극을 통해 외부회로로 흘러가서 전기에너지를 전달한다. 그리고 태양광 흡수에 의해 산화된 염료는 전해질 용액으로부터 전자를 공급 받아 원래 상태로 환원된다. 본 발명은 통상적인 염료감응 태양전지와 달리, 전해질은 산화-환원에 의해 열전 구조부의 상부 제1전극으로부터 전자를 받아 광흡수층의 염료에 전달하는 역할을 하며, 통상의 염료감응 태양전지에 사용가능한 것이면 특히 한정되지 않는다. 구체적인 예로, 요오드계 전해질 (I-/I3-)일 수 있다.The electrolyte may be uniformly dispersed in the light absorption layer while filling a space between the upper transparent electrode and the upper first electrode of the thermoelectric structure. Like a conventional dye-sensitized solar cell, when sunlight is incident, photons passing through the upper transparent electrode are absorbed by the dye, and the dye becomes excited by absorption of sunlight to generate electrons, and the excited electrons are titanium dioxide nano The particles are transported to the conduction band and flow through the upper transparent electrode to the external circuit to deliver electrical energy. And the dye oxidized by sunlight absorption receives electrons from the electrolyte solution and is reduced to its original state. In the present invention, unlike a conventional dye-sensitized solar cell, the electrolyte receives electrons from the upper first electrode of the thermoelectric structure by oxidation-reduction and transfers it to the dye of the light absorption layer, which can be used in conventional dye-sensitized solar cells. If it is a thing, it will not specifically limit. As a specific example, it may be an iodine-based electrolyte (I - /I 3- ).

바람직한 일 예에 있어, 상기 열전 구조부의 상부 제1전극은 염료감응 태양전지부의 하부 전극으로 작동하며, 요오드계 전해질과 상부 제1전극은 전기적으로 직접 접촉하는 것일 수 있다. 즉 염료감응 태양전지부는 상부 투명전극을 가지되 하부에는 별개의 독립적인 전극을 포함하지 않고, 열전 구조부에 포함되는 상부 제1전극이 염료감응 태양전지부의 하부 전극으로 활용될 수 있다. 염료감응 태양전지부가 열전 구조부의 상부 제1전극을 하부 전극으로 활용함에 따라, 전자는 열전 구조부로부터 염료감응 태양전지부의 전해질로 흐르게 되며, 레독스 쌍의 환원 장벽을 낮추어 환원 속도를 증가시킬 수 있다. 이를 통해 상기 전해질을 구성하는 트리요오드의 환원 속도가 증가하여 염료감응 태양전지부 내에서 캐리어의 이송이 지연되는 요인을 해소하게 되며, 이를 통해 전력변환효율(PCE)의 현저한 증가를 가져올 수 있다.In a preferred embodiment, the upper first electrode of the thermoelectric structure may act as a lower electrode of the dye-sensitized solar cell, and the iodine-based electrolyte and the upper first electrode may be in direct electrical contact. That is, the dye-sensitized solar cell unit has an upper transparent electrode, but does not include a separate independent electrode at the lower portion, and the upper first electrode included in the thermoelectric structure unit may be used as a lower electrode of the dye-sensitized solar cell unit. As the dye-sensitized solar cell unit utilizes the upper first electrode of the thermoelectric structure as a lower electrode, electrons flow from the thermoelectric structure to the electrolyte of the dye-sensitized solar cell, and the reduction barrier of the redox pair can be lowered to increase the reduction rate. there is. Through this, the reduction rate of triiodine constituting the electrolyte is increased, thereby solving the factor of delay in carrier transport in the dye-sensitized solar cell unit, and through this, it is possible to bring about a significant increase in power conversion efficiency (PCE).

상기 염료감응 태양전지부와 열전 구조부 사이에 광열 변환부를 더 포함할 수 있다. 상기 광열 변환부는 광을 열로 변환하는 중합체 필름의 형태일 수 있으며, 구체적으로 아조계 염료를 포함하는 아크릴계 중합체를 포함하는 것일 수 있다. 이때, 광열 변환부는 염료감응 태양전지부에서 활성 영역(이산화티타늄 나노입자층)이 형성되 않은 영역에 형성될 수 있다.A light-to-heat conversion unit may be further included between the dye-sensitized solar cell unit and the thermoelectric structure unit. The light-to-heat conversion unit may be in the form of a polymer film that converts light into heat, and specifically may include an acrylic polymer including an azo dye. In this case, the light-to-heat conversion unit may be formed in a region where the active region (titanium dioxide nanoparticle layer) is not formed in the dye-sensitized solar cell unit.

상기 열전 구조부의 상부 제1전극은 표면에 백금층을 포함할 수 있다. 상기 백금층의 두께는 50 nm 내지 2 μm일 수 있고, 바람직하게 500 nm 내지 1 μm일 수 있다. 또한 상부 제1전극은 백금층과 상부 제1전극 표면 사이에 니켈층 및 접착층을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 접착층은 크롬/금 (Cr/Au) 접착층일 수 있다. 니켈층이 백금층의 하부에 포함됨으로써 열전물질과 백금층 사이의 접촉 저항을 줄일 수 있어 바람직하다.The upper first electrode of the thermoelectric structure may include a platinum layer on a surface thereof. The thickness of the platinum layer may be 50 nm to 2 μm, preferably 500 nm to 1 μm. In addition, the upper first electrode may further include a nickel layer and an adhesive layer between the platinum layer and the surface of the upper first electrode. For example, the adhesive layer may be a chromium/gold (Cr/Au) adhesive layer. Since the nickel layer is included in the lower portion of the platinum layer, the contact resistance between the thermoelectric material and the platinum layer can be reduced.

상기 열전물질은 Sb-Te계, Bi-Te계, Bi-Sb-Te계, Co-Sb계, Pb-Te계, Ge-Tb계, Si-Ge계, Sm-Co계 화합물로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다. The thermoelectric material is from the group consisting of Sb-Te-based, Bi-Te-based, Bi-Sb-Te-based, Co-Sb-based, Pb-Te-based, Ge-Tb-based, Si-Ge-based, and Sm-Co-based compounds. It may include any one selected.

구체적으로, 상기 열전물질 중 P형 열전물질의 경우, 안티몬-텔루륨계(SbxTe1-x) 또는 비스무스-안티몬-텔루늄계(BiySb2-yTe3) 화합물(x는 0 ≤ x ≤ 1, y는 0 ≤ y ≤ 2)의 물질일 수 있다. Specifically, in the case of the P-type thermoelectric material among the thermoelectric materials, an antimony-tellurium-based (Sb x Te 1-x ) or a bismuth-antimony-tellurium -based (Bi y Sb 2-y Te 3 ) compound (x is 0 ≤ x) ≤ 1, y may be a material of 0 ≤ y ≤ 2).

N형 열전물질의 경우, 비스무스-텔루륨계(BixTe1-x) 또는 비스무스-텔레늄-셀레늄계(Bi2Te3-ySey) 화합물(x는 0 ≤ x ≤ 1일 수 있으며, y는 0 ≤ y ≤ 2)의 물질일 수 있다.In the case of the N-type thermoelectric material, a bismuth-tellurium-based (Bi x Te 1-x ) or a bismuth-tellurium-based (Bi 2 Te 3-y Se y ) compound (x may be 0 ≤ x ≤ 1, y may be a material of 0 ≤ y ≤ 2).

상기 열전물질의 크기 및 형상은, 열전소자의 용도를 고려하여 적절히 설계될 수 있다. 구체적인 일 예로, N형 및 P형 열전물질은 서로 동일 내지 상이한 형상과 크기를 가질 수 있다. 보다 구체적으로, N형 및 P형 열전물질은 서로 독립적으로, 판형상 또는 기둥형상일 수 있으며, 두께나 길이 방향으로의 단면이 원형, 타원형 등의 곡선을 가진 형상이거나 삼각형, 사각형, 오각형 등의 각진 형상일 수 있으나 이에 제한받지 않는다. N형 또는 P형 열전물질의 두께는 수십 μm 오더 내지 수십 mm 오더의 두께를 가질 수 있다. 또한, N형 또는 P형 열전물질 기둥의 단면적은 수백 제곱 μm2 오더 내지 수 제곱 cm2 오더의 면적을 가질 수 있다. 실질적인 일 예로, N형 또는 P형 열전물질은 상기 열전물질의 두께는 150 μm 내지 8 mm의 두께를 가질 수 있고, 구체적으로 200 μm 내지 4 mm의 두께를 가질 수 있으나 열전물질의 물리적 형상이나 크기에 의해 한정되는 것은 아니다. The size and shape of the thermoelectric material may be appropriately designed in consideration of the use of the thermoelectric element. As a specific example, the N-type and P-type thermoelectric materials may have the same or different shapes and sizes. More specifically, the N-type and P-type thermoelectric materials may be, independently of each other, a plate-shaped or columnar shape, and a cross-section in the thickness or longitudinal direction has a curved shape such as a circular shape, an elliptical shape, or a triangular, rectangular, or pentagonal shape. It may have an angular shape, but is not limited thereto. The thickness of the N-type or P-type thermoelectric material may be in the order of several tens of μm to several tens of mm. In addition, the cross-sectional area of the N-type or P-type thermoelectric material column may have an area of the order of several hundred square μm 2 to several square cm 2 . As a practical example, the N-type or P-type thermoelectric material may have a thickness of 150 μm to 8 mm, specifically, a thickness of 200 μm to 4 mm, but the physical shape or size of the thermoelectric material. is not limited by

상기 열전물질의 전기전도도는 1.0×104 S/m 이상일 수 있고, 바람직하게 1.0×105 S/m 이상일 수 있으며, 비한정적으로 1.0×107 S/m 이하일 수 있다.The electrical conductivity of the thermoelectric material may be 1.0×10 4 S/m or more, preferably 1.0×10 5 S/m or more, and may be, without limitation, 1.0×10 7 S/m or less.

본 발명은 제2양태로서, 염료감응 태양전지부 및 열전 구조부가 수직 방향으로 적층되며, 상기 염료감응 태양전지부의 상대전극은 열전 구조부의 상부 제1전극이며, 상기 염료감응 태양전지부의 전해질과 상기 상부 제1전극은 수직 방향으로 전기적 접촉하며, 양극 전도성을 가지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 열전발전소자를 제공한다.The present invention is a second aspect, wherein the dye-sensitized solar cell part and the thermoelectric structure part are vertically stacked, the counter electrode of the dye-sensitized solar cell part is the upper first electrode of the thermoelectric structure part, and the electrolyte of the dye-sensitized solar cell part and the upper first electrode are in electrical contact in a vertical direction, and provide a hybrid thermoelectric generator, characterized in that it has anode conductivity.

염료감응 태양전지는 통상적으로 상부 투명전극, 광흡수층, 전해질, 하부 상대전극을 필수적으로 포함하고, 선택적으로 상부의 투명기판 및 실링재 및 패키징재를 포함할 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 하이브리드 열전발전소자는 염료감응 태양전지부에서 하부 상대전극을 포함하지 않고, 열전 구조부의 상부 제1전극이 하부 상대전극이 됨으로써 재료적으로 하이브리드화된 것을 특징으로 할 수 있다. 이러한 구조를 통해 염료감응 태양전지부의 전해질과 상기 상부 제1전극은 수직 방향으로 전기적 접촉을 할 수 있으며, 구조적 하이브리드의 경우 단극 전도성을 가지는 반면, 재료적으로 하이브리드화를 통해 양극 전도성을 가질 수 있다.A dye-sensitized solar cell typically essentially includes an upper transparent electrode, a light absorption layer, an electrolyte, and a lower counter electrode, and may optionally include an upper transparent substrate, a sealing material, and a packaging material. However, the hybrid thermoelectric generator according to the present invention may be characterized in that it does not include a lower counter electrode in the dye-sensitized solar cell unit, and is materially hybridized by the upper first electrode of the thermoelectric structure becoming the lower counter electrode. Through this structure, the electrolyte of the dye-sensitized solar cell unit and the upper first electrode can make electrical contact in a vertical direction, and in the case of a structural hybrid, it has unipolar conductivity, whereas it can have positive conductivity through material hybridization. there is.

이하 실시예를 통해 본 발명에 따른 결정성 전도성 고분자 쉘을 가지는 탄소소재 복합섬유 및 이의 제조방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다. Hereinafter, a carbon composite fiber having a crystalline conductive polymer shell according to the present invention and a manufacturing method thereof will be described in more detail through Examples. However, the following examples are only a reference for describing the present invention in detail, and the present invention is not limited thereto, and may be implemented in various forms.

[실시예][Example]

1) 이산화티타늄 나노입자층의 제조1) Preparation of titanium dioxide nanoparticle layer

DS-TEG 및 DSSC를 제조하는데 사용되는 이산화티타늄 나노입자층은 스크린 프린팅법으로 약 50㎛의 두께로 제조되었다. 일 실시예에서는 이산화티타늄 나노입자 페이스트(Solaronix)를 사용하여 적층하였다. 광반사형 페이스트는 100㎚ 이상의 입자크기를 가진 것이며, 광자 투과형 페이스트는 15 내지 20㎚의 입자크기를 가진 것인데, FTO 코팅 유리 기판에 상기 광자 반사형 페이스트 및 광자 투과형 페이스트를 스크린 프린팅법으로 연속하여 적층하였다. 60분간 380℃의 오븐에서 열처리하면 시트의 저항이 약 34Ω/□인 것으로 나타났다(도 2(b)). 나노구조화된 이산화티타늄 필름을 SEM으로 관찰하면 도 2(a)의 우측사진과 같이 50 내지 150㎚ 크기의 입자가 분산되어 있는 상태를 확인할 수 있다. 또한, 스크린프린팅법에 의해 형성된 이산화티타늄 필름을 XRD로 측정하면 아나타제(anatase)와 루타일(rutile)의 TiO2 결정상이 혼재되어 있음을 확인할 수 있었다(도 2(c)).The titanium dioxide nanoparticle layer used to prepare DS-TEG and DSSC was prepared to a thickness of about 50 μm by screen printing. In one embodiment, it was laminated using a titanium dioxide nanoparticle paste (Solaronix). The light reflective paste has a particle size of 100 nm or more, and the photon transmissive paste has a particle size of 15 to 20 nm. The photon reflective paste and the photon transmissive paste are successively applied to an FTO-coated glass substrate by screen printing. laminated. When heat-treated in an oven at 380° C. for 60 minutes, the sheet resistance was found to be about 34 Ω/□ ( FIG. 2( b )). When the nanostructured titanium dioxide film is observed by SEM, it can be confirmed that particles having a size of 50 to 150 nm are dispersed as shown in the right photo of FIG. 2(a). In addition, when the titanium dioxide film formed by the screen printing method was measured by XRD, it was confirmed that TiO2 crystal phases of anatase and rutile were mixed (FIG. 2(c)).

2) DS-TEG 제조2) DS-TEG manufacturing

DS-TEG는 광흡수를 통해 과잉 전자를 운반하는 DSSC부와 열 활성 정공(thermally activated holes)을 운반하는 TEG부로 나누어 구성하였다.The DS-TEG was divided into a DSSC part that transports excess electrons through light absorption and a TEG part that transports thermally activated holes.

DSSC부: 먼저, 유리 기판(약 2mm 두께) 상에 이산화티타늄 나노입자 페이스트(Solaronix)를 스크린 프린팅법으로 코팅한 후 60분간 380℃의 핫플레이트에서 열처리하여, 유리 기판 상에 이산화티타늄 나노입자층(두께: 약 30 μm)을 형성한 후, 이를 N719 염료 용액에 12 내지 24시간 동안 침적하여, 염료가 염색된 이산화티타늄 나노입자층을 제조하였다. 다음으로, 유리기판 상에 염색된 이산화티타늄 나노입자층이 위치한 활성영역(active area)을 제외한 나머지 부분에 양면 테이프 형식의 광열 변환층과 열 가소성 수지를 차례로 부착하였다.DSSC part: First, a titanium dioxide nanoparticle paste (Solaronix) is coated on a glass substrate (about 2 mm thick) by screen printing, and then heat-treated on a hot plate at 380° C. for 60 minutes, and a titanium dioxide nano-particle layer ( After forming a thickness: about 30 μm), it was immersed in N719 dye solution for 12 to 24 hours to prepare a dye-dyed titanium dioxide nanoparticle layer. Next, a double-sided tape-type light-to-heat conversion layer and a thermoplastic resin were sequentially attached to the remaining part except for the active area where the dyed titanium dioxide nanoparticle layer was located on the glass substrate.

이때, 광열 변환층은 약 5 μm 두께의 아크릴 양면 테이프 필름(acrylic double sided tape film)을 이용하여 제조되었으며, 제조된 광열 변환층의 면적은 TEG부와 동일하다. 먼저, 흑색 착색 염료로 Basic black 7을 준비하고 AZO 염료로 Basic black 3을 준비한 다음, 상기 염료들을 40 ℃의 증류수에 0.5 중량%로 희석하였다. 다음으로, 상기 희석된 염료 용액을 핫 플레이트를 사용하여 1℃/min의 승온 속도로 100 ℃까지 가온하면서, 상기 희석된 염료 용액에 아세트산을 첨가하여 용액의 pH를 3 내지 4가 되도록 하였다. 마지막으로, 상기 용액에 아크릴 양면 테이프 필름을 침지시키고 동일한 온도로 40분동안 유지시킨 후, 천천히 상온으로 온도를 내린 다음, deionized water을 이용하여 세척하였다.In this case, the light-to-heat conversion layer was prepared using an acrylic double sided tape film having a thickness of about 5 μm, and the area of the prepared light-to-heat conversion layer was the same as that of the TEG part. First, Basic black 7 was prepared as a black coloring dye and Basic black 3 was prepared as an AZO dye, and then the dyes were diluted to 0.5 wt% in distilled water at 40 °C. Next, while the diluted dye solution was heated to 100° C. at a temperature increase rate of 1° C./min using a hot plate, acetic acid was added to the diluted dye solution so that the pH of the solution was 3 to 4. Finally, the acrylic double-sided tape film was immersed in the solution and maintained at the same temperature for 40 minutes, then slowly lowered to room temperature, and then washed with deionized water.

TEG부: 먼저, 2 mm × 2 mm × 5 mm 크기의 P형 열전물질(Bi0.5Sb1.5Te3), 2 mm × 2 mm × 5 mm 크기의 n형 열전물질(Bi2Sb2.7Te0.3) 및 3 mm × 10 mm × 75μm 크기의 Cu 막을 준비하였다. 다음으로, P형 열전물질 일면과 N형 열전물질 일면이 연결되도록 Cu 막을 이용하여 납땜한 후, 상기 열전물질-Cu 막 유닛에서 Cu 막이 형성된 일면(A면)을 폴리이미드 테이프(PI 테이프) 등의 희생 기판(sacrificial substrate)을 부착하고 뒤집어서, Cu 막이 형성되지 않은 다른 일면(B면)이 노출되도록 한 후 열전물질(P형 및 N형) 주위의 빈 공간에 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS)을 충진하였다. 이 때, TEG부와 DSSC부를 부착하고 난 후에 전해질을 주입할 수 있도록 PDMS에 주사기 바늘이 통과할 수 있는 약 1mm 직경의 피드 스루(feed through)를 형성하였다. 마지막으로, 열전물질(P형 및 N형)이 노출된 면(B면)에 물리적 증착법(Physical Vapour Deposition)을 이용하여 Ni, Cr, Au 및 Pt를 순차적으로 증착하였다. TEG part: First, a P-type thermoelectric material with a size of 2 mm × 2 mm × 5 mm (Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 ), an n-type thermoelectric material with a size of 2 mm × 2 mm × 5 mm (Bi 2 Sb 2.7 Te 0.3 ) and a Cu film having a size of 3 mm × 10 mm × 75 μm was prepared. Next, after soldering using a Cu film so that one side of the P-type thermoelectric material and one side of the N-type thermoelectric material are connected, one side (A side) on which the Cu film is formed in the thermoelectric material-Cu film unit is applied to a polyimide tape (PI tape), etc. After attaching a sacrificial substrate and turning it over so that the other side (B side) on which the Cu film is not formed is exposed, polydimethylsiloxane (PDMS) is placed in the empty space around the thermoelectric material (P-type and N-type). was filled. At this time, after attaching the TEG part and the DSSC part, a feed through with a diameter of about 1 mm through which a syringe needle can pass was formed in the PDMS so that electrolytes could be injected. Finally, Ni, Cr, Au and Pt were sequentially deposited on the exposed surface (B surface) of the thermoelectric materials (P-type and N-type) by using a physical vapor deposition method.

DS-TEG 소자: 상기 제조된 DSSC부와 TEG부를 히트건(heat gun)과 미리 부착해둔 열가소성수지를 이용하여 가압 부착하고 피드 스루(feed through)를 통해 I-/I3 - 전해질을 주입한 다음 입구를 봉하여 DS-TEG소자를 제조하였다.DS-TEG device: After pressurizing the manufactured DSSC part and TEG part using a heat gun and a pre-attached thermoplastic resin, I - /I 3 - electrolyte is injected through a feed through A DS-TEG device was manufactured by sealing the entrance.

3) 광전 특성의 측정3) Measurement of photoelectric properties

다음으로, DS-TEG에서 열전 구조부의 작동을 확인하기 위하여 광전압(photo-voltage transient decay)을 측정하였다. 100 ㎽/㎠ 세기의 베이스 광(base light)의 온/오프에 의해 광전압을 측정하여 대신호(large signal)를 얻었고, 단시간동안 디바이스 내에서 전하 이송 특성을 레드 LED를 광원으로 한 섭동 광(perturbation light)의 조사에 의해 측정하여 소신호(small signal)를 구하였다. 섭동 광은 디바이스에 5 사이클 동안 1/4 펄스로 조사되었고 베이스 광은 온 상태였다. 각 사이클 주기와 펄스 폭은 1초 및 100마이크로초로 최적화되었다. TEC(TE cooler)가 DS-TEG 바닥에 장착되었고, 25℃를 유지하면서 열전 구조부와 DS-TEG 간의 온도 차이(ΔT)를 형성하였다. TEC는 정확한 비교를 위해 DSSC 측정에도 동일한 온도 조건이 적용되었다.Next, photo-voltage transient decay was measured to confirm the operation of the thermoelectric structure in DS-TEG. A large signal was obtained by measuring the photovoltage by on/off of the base light of 100 mW/cm2 intensity, and the perturbation light (with a red LED as the light source for charge transport characteristics in the device for a short time) Perturbation light) was measured to obtain a small signal. Perturbation light was irradiated to the device in quarter pulses for 5 cycles and the base light was on. Each cycle period and pulse width were optimized for 1 s and 100 microseconds. A TE cooler (TEC) was mounted on the bottom of the DS-TEG, and a temperature difference (ΔT) between the thermoelectric structure and the DS-TEG was formed while maintaining 25°C. For accurate comparison of TEC, the same temperature conditions were applied to DSSC measurements.

도 3(b)의 광전압 측정 결과를 참조하면, DSSC 및 DS-TEG의 대신호와 소신호가 겹치는 것을 확인할 수 있다. 5 사이클의 섭동 광이 베이스 광 온 상태에서 조사된 결과가 도 3(b)의 점선과 같다. DS-TEG에 대하여, 베이스 광이 온 상태에서 2.39초만에 0.86V의 개방단자전압(open-circuit voltage, Voc)에 도달했으며, 베이스 광이 오프 상태에서 Voc가 약 9.75초에서 최소값으로 포화되었다. 반면에, DSSC의 경우, 베이스 광 오프 상태에서 0.80V에 도달하는데 1.95초가 걸렸고 정류상태에 도달하는 데에는 4.21초가 걸렸다.Referring to the photovoltage measurement result of FIG. 3B , it can be seen that the large and small signals of DSSC and DS-TEG overlap. The result of 5 cycles of perturbation light irradiated in the base light on state is the same as the dotted line in FIG. 3(b). For DS-TEG, the open-circuit voltage (Voc) of 0.86V was reached in 2.39 seconds when the base light was on, and Voc was saturated to a minimum value at about 9.75 seconds when the base light was off. On the other hand, in the case of DSSC, it took 1.95 seconds to reach 0.80V from the base light off state and 4.21 seconds to reach the steady state.

베이스 광이 온 상태에서, DSSC와 DS-TEG의 Voc 차이가 약 60 mV로 나타나고, 열전 구조부에서 형성된 ΔT로 인해 약 0.2㎷의 제벡 계수(Seebeck coefficient)를 가져, 상승 효과가 DS-TEG에서 발생한다는 것을 확인할 수 있다.When the base light is on, the Voc difference between DSSC and DS-TEG is about 60 mV, and has a Seebeck coefficient of about 0.2 mV due to ΔT formed in the thermoelectric structure, resulting in a synergistic effect in DS-TEG can confirm that it does.

또한, 더 긴 강하 시간이 DS-TEG에서 나타나는 것으로부터 전자의 재결합률이 현저하게 감소되는 것을 시사한다.In addition, the longer fall times appear in DS-TEGs, suggesting that the recombination rate of electrons is significantly reduced.

또한, 도 3(c) 및 도 3(d)에서 소신호의 결과를 나타내고 있는데, DSSC 및 DS-TEG의 Voc가 약 10㎷이며, 광전압 상승 시간은 LED 온 상태에서 약 25밀리초인 것으로 나타났다. 다만, 강하 시간은 DSSC에서 약 32밀리초, DS-TEG에서 약 72밀리초로 큰 차이를 나타내었다. 일시적인 변화는 약한 빔 에너지를 가진 섭동 광의 조사에 의한 것인데, 디바이스 내에서의 전하 이송 특성의 변화를 시사하는 것이다.In addition, the results of small signals are shown in FIGS. 3(c) and 3(d). The Voc of DSSC and DS-TEG is about 10 mV, and the photovoltage rise time is about 25 milliseconds in the LED-on state. . However, the fall time showed a large difference, about 32 milliseconds in DSSC and 72 milliseconds in DS-TEG. The temporary change is due to irradiation of perturbated light with weak beam energy, suggesting a change in charge transport properties within the device.

또한, DSSC 및 DS-TEG 내에서의 전하 이송 특성을 광전압 및 광전류 일시 감쇠의 결과로부터 확인하였다. 도 4(b)는 베이스 광의 오프 후 전류 밀도 일시 감쇠를 나타내고 있는데, Voc 조건에서 DSSC 및 DS-TEG의 가능한 전하 밀도를 측정하여 전자 재결합 수명 및 전류밀도에 따른 상기 DSSC 및 DS-TEG의 확산계수를 구했다. 이는 Voc 및 JSC가 최소값으로 포화될 때까지 베이스 광 및 섭동 광을 Voc 조건으로부터 오프한 후 전류밀도를 적분함으로써 구하는 것이다.In addition, charge transport characteristics in DSSC and DS-TEG were confirmed from the results of photovoltage and photocurrent transient attenuation. Figure 4(b) shows the transient decay of the current density after the base light is turned off. The diffusion coefficient of the DSSC and DS-TEG according to the electron recombination lifetime and current density by measuring the possible charge densities of DSSC and DS-TEG under Voc condition. saved This is obtained by integrating the current density after turning off the base light and the perturbation light from the Voc condition until Voc and JSC are saturated to their minimum values.

계산은 1차 지수함수로서 표준 AM 1.5G 상태 하에서 측정된 전류밀도 일시 감쇠의 추정에 의한 것으로서, 시간에 대한 적분에 의해 DS-TEG 24.87mC 및 DSSC 2.47mC의 Voc 조건에서 전하의 과량값을 얻었다(도 4(b)). 이는 DS-TEG 및 DSSC가 3.1×1019-3 및 3.0×1018-3의 전하밀도를 가지는 것을 나타내는 결과이다. 다양한 작동 조건에서의 DS-TEG 및 DSSC의 전하밀도를 상기 계산에 의해 구하여 상이한 일사광 조건에서의 전하밀도를 구한 결과가 도 4(c)와 같다.The calculation is by estimation of the transient decay of the current density measured under standard AM 1.5G conditions as a first-order exponential function, and by integration with time, the excess value of charge was obtained at Voc conditions of DS-TEG 24.87 mC and DSSC 2.47 mC. (Fig. 4(b)). This result indicates that DS-TEG and DSSC have charge densities of 3.1×10 19 cm -3 and 3.0×10 18 cm -3 . The results obtained by calculating the charge densities of DS-TEG and DSSC under various operating conditions by the above calculation are shown in FIG. 4(c) .

또한, 소신호에서 강하시간을 추출하여 전자 재결합 수명을 계산하였다. 그 결과, DS-TEG는 전하밀도 약 8.9×1018-3인 조건에서 DSSC에 비해 약 22배 높은 재결합 수명을 나타내는 것으로 확인되었다(도 4(d)). 또한, DS-TEG(51.53밀리초)는 동일한 AM 1.5G 조사 조건에서 DSSC(24.21밀리초)에 비해 2.13배 긴 수명을 나타내었다. 또한, DS-TEG는 심지어 50㎛ 두께의 이산화티타늄 필름을 채용한 디바이스와 비교해도 일사광 조건에서 약 10배 더 높은 전하밀도를 나타내었다.In addition, the electron recombination lifetime was calculated by extracting the fall time from the small signal. As a result, it was confirmed that DS-TEG exhibited about 22 times higher recombination lifetime than DSSC under the condition of charge density of about 8.9×10 18 cm -3 (FIG. 4(d)). In addition, DS-TEG (51.53 msec) showed 2.13 times longer lifespan than DSSC (24.21 msec) under the same AM 1.5G irradiation condition. In addition, DS-TEG exhibited about 10 times higher charge density under sunlight conditions, even compared to a device employing a 50 μm-thick titanium dioxide film.

또한, 전하 생성층의 유효 두께에 대하여 DS-TEG의 전하 이송 특성을 분석함으로써 최적화할 수 있었다. 도 4(e)는 전하 생성층의 유효 두께에 대한 DS-TEG 및 DSSC의 전자 확산 계수를 계산한 결과를 나타내고 있다. 상기 결과로부터 DS-TEG는 DSSC에 비해 더 긴 재결합 수명과 더 큰 확산 계수를 나타내는 것을 알 수 있다. 일반적으로는 이산화티타늄 필름의 두께가 두꺼워질수록 나노 구조화된 네트워크의 저항이 증가한다. 즉, 소신호에서 광전압 감쇠의 증가시간이 현저하게 커지게 된다. 그러나 도 3(d)에서와 같이 DS-TEG 및 DSSC는 증가 시간에서 차이가 거의 없다. 따라서 DS-TEG는 유효 전하 밀도가 현저히 증가하며, 전하 생성층의 유효 두께는 이산화티타늄 네트워크에서 전기적 저항의 증가 요소가 되지 않는 것을 확인할 수 있었다.In addition, the effective thickness of the charge generation layer could be optimized by analyzing the charge transport characteristics of DS-TEG. FIG. 4(e) shows the result of calculating the electron diffusion coefficients of DS-TEG and DSSC with respect to the effective thickness of the charge generating layer. From the above results, it can be seen that DS-TEG exhibits a longer recombination lifetime and a larger diffusion coefficient than DSSC. In general, as the thickness of the titanium dioxide film increases, the resistance of the nanostructured network increases. That is, the increase time of the photovoltage attenuation in the small signal is significantly increased. However, as in FIG. 3(d), there is little difference between DS-TEG and DSSC in increasing time. Therefore, it was confirmed that the effective charge density of the DS-TEG was significantly increased, and the effective thickness of the charge generation layer was not a factor of increasing the electrical resistance in the titanium dioxide network.

트리요오드에서 재결합되는 전자는 열전 구조부에 의해 빠르게 감소하며 유효 확산 길이가 증가하는 것을 아인슈타인의 관계식에 의해 계산할 수 있다(도 4(f)). DS-TEG에 대하여, 유효 확산 길이가 약 0.5V의 바이어스에서 이산화티타늄 필름의 두께를 초과하는 것으로 나타났는데, 이는 전자의 포집이 유효하게 이루어지고 있음을 나타내는 결과이다. 반면, DSSC의 경우, 바이어스 조건에서 이산화티타늄 필름의 두께를 유효 확산 길이가 초과하지 않는 것으로 나타났는데, 이는 염료로부터 나오는 전자가 낮은 이송 효율을 나타내는 것을 시사하는 결과이다.The electron recombination in triiodine is rapidly reduced by the thermoelectric structure, and the effective diffusion length increases can be calculated by Einstein's relational expression (FIG. 4(f)). For DS-TEG, the effective diffusion length was found to exceed the thickness of the titanium dioxide film at a bias of about 0.5 V, which indicates that electron trapping is effective. On the other hand, in the case of DSSC, it was found that the effective diffusion length did not exceed the thickness of the titanium dioxide film under bias conditions, suggesting that electrons emitted from the dye exhibit low transport efficiency.

또한, DS-TEG의 출력 특성을 열전 구조부에 대한 전해질에서 트리요오드와 전자의 재결합을 억제하는 점을 확인함으로써 평가하였다. 또한, 유효 전하 밀도가 증가하며 전자 확산계수(Dn) 및 캐리어 확산길이(Ln)가 증가하는 결과로부터 유효한 전자 포집이 일어나는 점을 확인하였다. 따라서 DS-TEG는 DSSC보다 향상된 전기적 특성을 나타내는 것으로 볼 수 있다.In addition, the output characteristics of DS-TEG were evaluated by confirming the inhibition of triiodine and electron recombination in the electrolyte for the thermoelectric structure. In addition, it was confirmed that effective electron trapping occurred from the result that the effective charge density increased and the electron diffusion coefficient (Dn) and the carrier diffusion length (Ln) were increased. Therefore, it can be seen that DS-TEG exhibits improved electrical properties than DSSC.

DS-TEG 및 DSSC의 J-V 곡선은 도 5(a)와 같다. DS-TEG는 DSSC보다 높은 Voc를 나타내는데, 이는 ΔT가 열전 구조부를 통해 형성되기 때문이다. 또한, 유효 전하 밀도가 증가하고 비평형 캐리어의 수가 증가하면서 유사 페르미 준위(quasi-fermi level)의 레독스 포텐셜 에너지와 이산화티타늄의 전해질이 증가하면서 Voc가 더 증가하는 결과를 나타내었다.The J-V curves of DS-TEG and DSSC are shown in Fig. 5(a). DS-TEG shows a higher Voc than DSSC, because ΔT is formed through the thermoelectric structure. In addition, as the effective charge density increased and the number of non-equilibrium carriers increased, the redox potential energy of the quasi-fermi level and the electrolyte of titanium dioxide increased, resulting in a further increase in Voc.

DS-TEG의 Voc는 0.89V로서 DSSC보다 0.1V 증가하였고, JSc는 20.7㎃/㎠으로서 표준 AM 1.5G 조사 조건에서 DSSC보다 3.2㎃/㎠ 증가하는 결과를 나타내었다.The Voc of DS-TEG was 0.89V, which was 0.1V higher than that of DSSC, and JSc was 20.7mA/cm2, which showed an increase of 3.2mA/cm2 compared to DSSC under standard AM 1.5G irradiation conditions.

특히, DS-TEG의 FF가 77.2%에 달해 하이브리드화 전에 비해 1.3%만 감소하는 결과를 나타냈다. 이는 단일 열전 구조부와 단일 염료감응 태양전지부가 성공적으로 하이브리드화되어 시너지 효과를 나타내는 결과이며 수백 쌍의 열전소자가 염료감응 태양전지와 연결되는 단순한 DSSC-TEG 결합구조에서는 얻어질 수 없는 효과이다.In particular, the FF of DS-TEG reached 77.2%, indicating a decrease of only 1.3% compared to before hybridization. This is a result of the successful hybridization of a single thermoelectric structure and a single dye-sensitized solar cell, showing a synergistic effect, which cannot be obtained in a simple DSSC-TEG bonding structure in which hundreds of thermoelectric elements are connected to a dye-sensitized solar cell.

높은 FF로 인하여, 최대 출력 밀도가 2.7㎽/㎠ 증가하여 10.8㎽/㎠를 달성하였으며, 이는 10.8%의 전력변환효율을 나타내는 결과이다. Due to the high FF, the maximum power density increased by 2.7mW/cm2 to achieve 10.8mW/cm2, which is a result showing a power conversion efficiency of 10.8%.

DS-TEG의 열전 구조부는 단일 염료감응 태양전지부의 전하 포집을 통해 800㎚ 이하의 단파장 영역에서 외부 양자 효율이 증가되는 결과를 나타내었다(도 5(b)). 또한, 단일 염료감응 태양전지로는 흡수할 수 없는 800㎚ 이상의 장파장 영역에서 열전 구조부의 광열전환층에 의해 열 활성 정공(thermal-activated hole)을 이용하여 전력이 부하로 전달되는 것으로 나타났다. p형 열전 구조부에서 열 활성 정공은 고온 영역에서 저온 영역으로 움직이며, 전자는 염료감응 태양전지부의 전해질에 공급되어 레독스 쌍의 환원 장벽을 낮추며 환원 속도를 증가시키는 것으로 나타났다. 이는 전 파장 영역에서 통상적인 염료감응 태양전지에 비해 높은 EQE를 나타내는 결과로 이어졌다. 이러한 결과로부터, DS-TEG는 통상적인 DSSC에서의 PCE 한계를 극복할 수 있는 소자인 것을 확인하였다.The thermoelectric structure of the DS-TEG exhibited an increase in external quantum efficiency in the short wavelength region of 800 nm or less through charge collection of a single dye-sensitized solar cell (FIG. 5(b)). In addition, it was shown that power is transmitted to the load using thermal-activated holes by the light-to-heat conversion layer of the thermoelectric structure in the long wavelength region of 800 nm or more, which cannot be absorbed by a single dye-sensitized solar cell. In the p-type thermoelectric structure, thermally active holes move from a high temperature region to a low temperature region, and electrons are supplied to the electrolyte of the dye-sensitized solar cell unit to lower the reduction barrier of the redox pair and increase the reduction rate. This resulted in higher EQE compared to conventional dye-sensitized solar cells in the entire wavelength region. From these results, it was confirmed that DS-TEG is a device that can overcome the PCE limitation in conventional DSSC.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있으며, 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.Although preferred embodiments of the present invention have been described above, it is clear that the present invention can use various changes, modifications and equivalents, and can be equally applied by appropriately modifying the above embodiments. Accordingly, the above description is not intended to limit the scope of the present invention, which is defined by the limits of the following claims.

Claims (15)

상부 투명전극,
상기 상부 투명전극의 하부 표면에 형성되며, 염료가 코팅된 반도체 산화물 또는 금속 산화물로 이루어진 나노입자를 포함하는 광흡수층, 및
요오드계 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지부; 및
상부 제1전극,
상기 상부 제1전극의 하부에 형성된 열전물질,
상기 열전물질의 하부에 형성된 솔더층, 및
상기 솔더층 하부에 형성된 하부 제2전극을 포함하는 열전 구조부;로 이루어지는 단위 발전소자를 포함하고,
상기 단위 발전소자의 염료감응 태양전지부의 요오드계 전해질과 열전 구조부의 상부 제1전극은 수직 방향으로 전기적 접촉하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 열전발전소자.
upper transparent electrode,
a light absorption layer formed on the lower surface of the upper transparent electrode and comprising nanoparticles made of a semiconductor oxide or metal oxide coated with a dye; and
A dye-sensitized solar cell unit including an iodine-based electrolyte; and
upper first electrode;
a thermoelectric material formed under the upper first electrode;
a solder layer formed under the thermoelectric material; and
a thermoelectric structure including a lower second electrode formed under the solder layer;
The hybrid thermoelectric generator, characterized in that the iodine-based electrolyte of the dye-sensitized solar cell of the unit power generator and the upper first electrode of the thermoelectric structure are in electrical contact in a vertical direction.
제1항에 있어서,
상기 하이브리드 열전발전소자는 단위 발전소자를 복수개 포함하는 발전소자 어레이이며, 상기 발전소자 어레이의 서로 다른 제2전극은 서로 전기적으로 연결된 것인 하이브리드 열전발전소자.
According to claim 1,
The hybrid thermoelectric generator is a power generator array including a plurality of unit power generators, and the different second electrodes of the power generator array are electrically connected to each other.
제1항에 있어서,
상기 상부 제1전극은 표면에 백금층을 포함하는 하이브리드 열전발전소자.
According to claim 1,
The upper first electrode is a hybrid thermoelectric generator including a platinum layer on the surface.
제3항에 있어서,
상기 상부 제1전극은 백금층과 상부 제1전극 표면 사이에 니켈층 및 접착층을 더 포함하는 하이브리드 열전발전소자.
4. The method of claim 3,
The upper first electrode may further include a nickel layer and an adhesive layer between the platinum layer and the upper first electrode surface.
제1항에 있어서,
상기 광흡수층은 이산화티타늄 나노입자의 표면에 염료가 코팅된 것인 하이브리드 열전발전소자.
According to claim 1,
The light absorbing layer is a hybrid thermoelectric generator in which a dye is coated on the surface of the titanium dioxide nanoparticles.
제5항에 있어서,
상기 광흡수층의 이산화티타늄 나노입자는 광반사성 이산화티타늄 나노입자 및 광투과성 이산화티타늄 나노입자의 혼합물로서 양봉 분포를 가지는 것인 하이브리드 열전발전소자.
6. The method of claim 5,
The titanium dioxide nanoparticles of the light absorbing layer are hybrid thermoelectric generators that have a bimodal distribution as a mixture of light reflective titanium dioxide nanoparticles and light transmissive titanium dioxide nanoparticles.
제5항에 있어서,
상기 광흡수층은,
상부 투명전극의 하부 표면에 광반사성 이산화티타늄 나노입자 조성물 및 광투과성 이산화티타늄 나노입자의 조성물을 교대로 스크린 프린팅하여 이산화티타늄 나노입자층을 형성하는 단계;
상기 이산화티타늄 나노입자층을 열처리하는 단계; 및
상기 열처리된 이산화티타늄 나노입자층을 염료로 코팅하는 단계;
를 통하여 제조된 것인 하이브리드 열전발전소자.
6. The method of claim 5,
The light absorption layer,
forming a titanium dioxide nanoparticle layer by alternately screen-printing a composition of a light reflective titanium dioxide nanoparticle composition and a light transmissive titanium dioxide nanoparticle composition on the lower surface of the upper transparent electrode;
heat-treating the titanium dioxide nanoparticle layer; and
coating the heat-treated titanium dioxide nanoparticle layer with a dye;
A hybrid thermoelectric generator that is manufactured through
제5항에 있어서,
상기 이산화티타늄 나노입자는 루타일 및 아나타제 결정 구조를 동시에 포함하는 것인 하이브리드 열전발전소자.
6. The method of claim 5,
The titanium dioxide nanoparticle is a hybrid thermoelectric generator that includes a rutile and anatase crystal structures at the same time.
제1항에 있어서,
상기 염료감응 태양전지부와 열전 구조부 사이에 광열 변환부를 더 포함하는 하이브리드 열전발전소자.
According to claim 1,
A hybrid thermoelectric generator further comprising a light-to-heat conversion unit between the dye-sensitized solar cell unit and the thermoelectric structure unit.
제9항에 있어서,
상기 광열 변환부는 아조계 염료를 포함하는 아크릴계 중합체를 포함하는 것인 하이브리드 열전발전소자.
10. The method of claim 9,
The light-to-heat conversion unit is a hybrid thermoelectric generator comprising an acrylic polymer including an azo dye.
제1항에 있어서,
상기 열전물질은 Sb-Te계, Bi-Te계, Bi-Sb-Te계, Co-Sb계, Pb-Te계, Ge-Tb계, Si-Ge계, Sm-Co계 화합물로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 것인 하이브리드 열전발전소자.
According to claim 1,
The thermoelectric material is from the group consisting of Sb-Te-based, Bi-Te-based, Bi-Sb-Te-based, Co-Sb-based, Pb-Te-based, Ge-Tb-based, Si-Ge-based, and Sm-Co-based compounds. A hybrid thermoelectric generator comprising any one selected.
제1항에 있어서,
상기 열전 구조부의 상부 제1전극은 염료감응 태양전지부의 하부 전극으로 작동하며, 요오드계 전해질과 상부 제1전극은 전기적으로 직접 접촉하는 것인 하이브리드 열전발전소자.
According to claim 1,
The upper first electrode of the thermoelectric structure unit operates as a lower electrode of the dye-sensitized solar cell unit, and the iodine-based electrolyte and the upper first electrode are in direct electrical contact with each other.
제2항에 있어서,
상기 발전소자 어레이의 제1하이브리드 열전발전소자의 열전물질은 p형 열전물질이며, 인접하는 제2하이브리드 열전발전소자의 열전물질은 n형 열전물질이고, 제1하이브리드 열전발전소자의 제2전극과 제2하이브리드 열전발전소자의 제2전극은 전도성 금속으로 서로 전기적으로 연결된 것인 하이브리드 열전발전소자.
3. The method of claim 2,
The thermoelectric material of the first hybrid thermoelectric generator of the power generator array is a p-type thermoelectric material, the thermoelectric material of the adjacent second hybrid thermoelectric generator is an n-type thermoelectric material, and the second electrode and the second hybrid of the first hybrid thermoelectric generator The second electrode of the thermoelectric generator is a hybrid thermoelectric generator that is electrically connected to each other with a conductive metal.
염료감응 태양전지부 및 열전 구조부가 수직 방향으로 적층되며,
상기 염료감응 태양전지부의 상대전극은 열전 구조부의 상부 제1전극이며, 상기 염료감응 태양전지부의 전해질과 상기 상부 제1전극은 수직 방향으로 전기적 접촉하며, 양극 전도성을 가지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 열전발전소자.
The dye-sensitized solar cell part and the thermoelectric structure part are stacked in a vertical direction,
The counter electrode of the dye-sensitized solar cell part is an upper first electrode of the thermoelectric structure part, and the electrolyte of the dye-sensitized solar cell part and the upper first electrode are in electrical contact in a vertical direction, and have anode conductivity. thermoelectric power plant.
제14항에 있어서,
상기 하이브리드 열전발전소자를 복수개 포함하되, 서로 다른 하이브리드 열전발전소자의 하부 제2전극은 서로 전기적으로 연결된 발전소자 어레이인, 하이브리드 열전발전소자.
15. The method of claim 14,
A hybrid thermoelectric generator comprising a plurality of hybrid thermoelectric generators, wherein the lower second electrodes of the different hybrid thermoelectric generators are generator element arrays electrically connected to each other.
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