WO2010016735A2 - 염료감응 태양전지의 제조방법 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method for manufacturing a dye-sensitized solar cell, and more particularly, organic materials and contaminants remaining in the photoelectrode layer due to ultraviolet irradiation are not only decomposed and removed, but the material forming the photoelectrode layer itself serves as a photocatalyst. Therefore, when the electron is excited by the irradiation of ultraviolet rays and activated, the surrounding H 2 O or O 2 takes the electrons and decomposes the surrounding organic matter, and cleans the surface of the photoelectrode layer before dye adsorption.
- the photoelectrode layer is activated by UV irradiation, so that the adsorption becomes easier and the dye adsorption efficiency is increased, thereby greatly improving the dye adsorption efficiency in two aspects, thereby improving the photoelectric conversion efficiency of the solar cell. It relates to a method for producing a dye-sensitized solar cell can be obtained.
- Dye-sensitized solar cells have the potential to replace conventional amorphous silicon solar cells because their manufacturing cost is significantly lower than conventional silicon-based solar cells. Unlike silicon solar cells, dye-sensitized solar cells absorb visible light It is a photoelectrochemical solar cell mainly composed of a dye molecule capable of generating electron-hole pairs and a transition metal oxide that transfers generated electrons.
- the unit cell structure of a general dye-sensitized solar cell is based on a conductive transparent electrode made of an upper and lower transparent substrate and a transparent conductive oxide (TCO) formed on the surface of the transparent substrate, respectively.
- a transition metal oxide porous layer on which a dye is adsorbed is formed on the conductive transparent electrode, and a catalyst thin film electrode is formed on the other conductive transparent electrode corresponding to the second electrode, and the transition metal oxide, for example, TiO 2 , the electrolyte is filled between the porous electrode and the catalyst thin film electrode.
- a dye-sensitized solar cell supplies electrons to an oxidized dye between a photoelectrode substrate coated with a dye-doped photoelectrode (TiO 2 ) material that receives electrons and a catalytic electrode substrate that supplies electrons. Based on the electrolyte, the photoelectric conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell determines how much the dye is adsorbed on the photoelectrode to convert light into electricity.
- the transition metal oxide porous layer (porous photoelectrode layer) (TiO 2 ) constituting the photoelectrode portion of the dye-sensitized solar cell forms a TiO 2 paste and heat-treats to remove organic matter constituting the paste, as well as TiO 2 nanoparticles. Necking facilitates the movement of the injected electrons from the dye.
- the present invention not only decomposes and removes organic substances and contaminants remaining in the photoelectrode layer, but also decomposes organic substances in the surroundings by the material forming the photoelectrode layer, and thus, before dye adsorption, The surface of the electrode layer is cleaned, and the adsorption becomes easier by the activation of the photoelectrode layer, so that the dye adsorption efficiency is increased, and thus a method of manufacturing a dye-sensitized solar cell which can obtain an effect of improving the photoelectric conversion efficiency of the solar cell.
- the purpose is to provide.
- It provides a method of manufacturing a dye-sensitized solar cell further comprising the step of irradiating the ultraviolet light to the photoelectrode layer prior to the step of adsorbing the dye.
- the material constituting the photoelectrode layer itself acts as a photocatalyst.
- B2 O2 takes these electrons and decomposes the surrounding organic matter, cleans the surface of the photoelectrode layer before dye adsorption, and improves the adsorption efficiency.
- Adsorption efficiency is increased to greatly improve the dye adsorption efficiency in two aspects, thereby improving the photoelectric conversion efficiency of the solar cell.
- FIG. 1 is a view schematically illustrating a cleaning mechanism when a photocatalytic property occurs in a photoelectrode layer in a dye-sensitized solar cell manufacturing method of the present invention.
- the method of manufacturing a dye-sensitized solar cell of the present invention comprises the steps of forming a photoelectrode layer and adsorbing a dye on the photoelectrode layer. Irradiating ultraviolet light is further included.
- a dye-sensitized solar cell receives electrons in a dye oxidized between a photoelectrode substrate coated with a dye-attached photoelectrode (specifically, TiO 2 ) material that receives electrons and a catalytic electrode substrate supplying electrons. It is composed of the electrolyte that supplies the basic structure. Therefore, a general dye-sensitized solar cell is composed of substrates having these two functions facing each other.
- the photoelectrode portion made of the photoelectrode material is made of a photoelectrode layer on which a dye is adsorbed to generate electrons and a transparent conductive material (TCO) for electrical connection to a lower portion thereof.
- the photoelectrode layer is mainly a transition metal oxide n. It is made of a type semiconductor material and has a structure in which dye is adsorbed thereto, and the transition metal oxide (for example, TiO 2 ) constituting the photoelectrode layer has an average particle size of 10 to 50 nm, and the photoelectrode layer made of these Is mainly formed of a thin film having a thickness of about 15 ⁇ m, and forms a porous thin film layer having a very large specific surface area. Therefore, the dye particles are chemically adsorbed on the formed large surface area to maximize the photoelectric conversion efficiency.
- the present invention provides a photoelectrode layer, preferably TiO, before coloring the dye on the photoelectrode layer constituting the photoelectrode portion, preferably the TiO 2 layer.
- a photoelectrode layer preferably TiO
- to activate the second porous layer by using a photocatalytic property of TiO 2 as shown in Figure 1, to this was irradiated with ultraviolet rays to the photo-electrode layer prior to the step of adsorbing the dye optical electrode layers, preferably TiO 2 Since the activating layer acts as a photocatalyst through the process as shown in FIG.
- the surrounding H 2 O or O 2 takes these electrons and Decomposing, cleaning the surface of the photoelectrode layer prior to dye adsorption and activating the surface of the photoelectrode layer, preferably TiO 2 particles. Therefore, the dye absorption effect is maximized to improve the photoelectric conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell.
- the ultraviolet light itself also has the effect of decomposing organic matter, as is commonly known, which further increases the cleaning effect described above.
- the step of irradiating ultraviolet rays may be performed immediately before the process of adsorbing the dye to maintain activation and maximize the cleaning effect.
- the porous photoelectrode layer (TiO 2 ) constituting the photoelectrode part forms a TiO 2 paste and heat-treats to remove organic matter constituting the paste.
- the porous photoelectrode layer (TiO 2 ) is irradiated with ultraviolet rays prior to dye adsorption to remove residual organic matter and contaminants.
- the dye adsorption efficiency is increased, the adsorption intensity is improved, and the photoelectric conversion efficiency of the solar cell is improved.
- the manufacturing method except for the technical elements of the present invention described above may be performed in the same or similar manner as in the case of the manufacturing method of manufacturing a conventional dye-sensitized solar cell. The detailed description thereof will be omitted.
- the present invention provides a dye-sensitized solar cell manufactured by the method of manufacturing a dye-sensitized solar cell as described above, which is a light consisting of a dye-adsorbed photoelectrode layer produced by the dye-sensitized solar cell manufacturing method described above An electrolyte electrically connecting an electrode, a catalyst electrode corresponding to the photoelectrode, the photoelectrode and the catalyst electrode; And, it provides a dye-sensitized solar cell comprising an airtight portion for hermetically sealing the photoelectrode, the catalyst electrode and the electrolyte as an upper plate, a lower plate and an encapsulant.
- the structure of the dye-sensitized solar cell except for the technical elements of the present invention described above may be configured in the same or similar structure to that of a conventional dye-sensitized solar cell. The description is omitted.
- the manufacturing method of the dye-sensitized solar cell of the present invention Not only organic matter and contaminants remaining in the photoelectrode layer due to ultraviolet irradiation are decomposed and removed, and the material constituting the photoelectrode layer itself acts as a photocatalyst.
- O2 takes these electrons and decomposes the surrounding organic matter, and cleans the surface of the photoelectrode layer before dye adsorption, improving the adsorption efficiency.
- Adsorption efficiency is increased to greatly improve the dye adsorption efficiency in two aspects, thereby improving the photoelectric conversion efficiency of the solar cell.
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Abstract
본 발명은 염료감응 태양전지의 제조방법에 관한 것으로, 광전극층을 형성하고, 상기 광전극층에 염료를 흡착하는 공정을 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 염료를 흡착하는 공정이전에 상기 광전극층에 자외선을 조사하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법에 관한 것이다. 이를 통하여 자외선의 조사에 따른 광전극층에 잔류하는 유기물 및 오염물이 분해, 제거될 뿐만 아니라, 상기 광전극층을 이루는 물질 자체가 광촉매 역할을 하므로, 자외선의 조사에 의해 스스로 전자를 여기시켜 활성화 되면, 주변의 H2O나 O2가 이 전자를 가져가서 주변의 유기물을 분해하여, 염료 흡착이전에 광전극층의 표면을 세정하게 되어 흡착효율을 개선하며, 자외선 조사에 따라 광전극층이 활성화되어 흡착이 더욱 용이하게 되어 또한 염료 흡착효율이 증대되어 염료 흡착효율을 두 가지 측면에서 크게 개선하며, 이에 따라 태양전지의 광전변환효율을 개선하는 효과를 얻을 수 있다.
Description
본 발명은 염료감응 태양전지의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자외선의 조사에 따른 광전극층에 잔류하는 유기물 및 오염물이 분해, 제거될 뿐만 아니라, 상기 광전극층을 이루는 물질 자체가 광촉매 역할을 하므로, 자외선의 조사에 의해 스스로 전자를 여기시켜 활성화 되면, 주변의 H2O나 O2가 이 전자를 가져가서 주변의 유기물을 분해하여, 염료 흡착이전에 광전극층의 표면을 세정하게 되어 흡착효율을 개선하며, 자외선 조사에 따라 광전극층이 활성화되어 흡착이 더욱 용이하게 되어 또한 염료 흡착효율이 증대되어 염료 흡착효율을 두 가지 측면에서 크게 개선하며, 이에 따라 태양전지의 광전변환효율을 개선하는 효과를 얻을 수 있는 염료감응 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
1991년도 스위스 국립 로잔 고등기술원(EPFL)의 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 연구팀에 의해 염료감응 나노입자 산화티타늄 태양전지가 개발된 이후 이 분야에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. 염료감응태양전지는 기존의 실리콘계 태양전지에 비해 제조단가가 현저기 낮기 때문에 기존의 비정질 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 가능성을 가지고 있으며, 실리콘 태양전지와 달리 염료감응태양전지는 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성할 수 있는 염료분자와, 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물을 주 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다.
일반적인 염료감응 태양전지의 단위 셀 구조는 상, 하부 투명한 기판과 그 투명기판의 표면에 각각 형성되는 투명 도전성 산화물(TCO)로 이루어진 도전성 투명전극을 기본으로 하여, 제1전극에 해당하는 일 측의 도전성 투명전극위에는 그 표면에 염료가 흡착된 전이금속 산화물 다공질 층이 형성되어지고, 제2전극에 해당하는 타 측 도전성 투명전극 위에는 촉매박막전극이 형성되어지며, 상기 전이금속 산화물, 예를 들면 TiO2, 다공질 전극과 촉매박막전극 사이에는 전해질이 충진되어지는 구조를 가진다. 즉, 염료감응 태양전지는 빛을 받아 전자를 발생시키는 염료가 부착된 광전극(TiO2) 재료가 코팅된 광전극 기판과 전자를 공급하는 촉매전극기판 사이에 산화된 염료에 전자를 공급하여 주는 전해질을 기본으로 구성되어 지는데, 이와 같은 염료감응 태양전지의 광전변환효율은 상기 광전극에 염료를 얼마나 많이, 잘 흡착하여 빛을 전기로 변환하는가가 결정하게 된다.
그런데 일반적으로, 염료감응 태양전지의 광전극부를 구성하는 전이금속 산화물 다공질 층(다공질 광전극층)(TiO2)은 TiO2 paste를 성막하고 열처리하여 페이스트를 구성하는 유기물을 제거함은 물론 TiO2 나노입자사이를 연결시켜(necking) 염료로부터 주입된 전자의 이동을 원활하게 한다.
그러나 상기 과정에서 상기 다공질 광전극층(TiO2) 내부에 페이스트 등으로부터 유래된 잔류 유기물이 잔존하거나 공정을 통하여 오염된 부분이 발생할 수 있으며, 이 경우 다공질 광전극층을 구성하는 TiO2 표면에 염료를 효율적으로 화학 흡착할 수 없게 된다.
따라서 상기 기술한 전이금속 산화물 다공질 층을 포함하는 광전극층에 염료를 보다 많이, 잘 흡착할 수 있는 제조방법의 개발이 절실한 실정이다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 광전극층에 잔류하는 유기물 및 오염물이 분해, 제거될 뿐만 아니라, 상기 광전극층을 이루는 물질에 의하여 주변의 유기물을 분해하여, 염료 흡착이전에 광전극층의 표면을 세정하게 되며, 광전극층의 활성화에 따라 흡착이 더욱 용이하게 되어 염료 흡착효율이 증대되며, 이에 따라 태양전지의 광전변환효율을 개선하는 효과를 얻을 수 있는 염료감응 태양전지의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
광전극층을 형성하고, 상기 광전극층에 염료를 흡착하는 공정을 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법에 있어서,
상기 염료를 흡착하는 공정이전에 상기 광전극층에 자외선을 조사하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 염료감응 태양전지의 제조방법에 따르면. 자외선의 조사에 따른 광전극층에 잔류하는 유기물 및 오염물이 분해, 제거될 뿐만 아니라, 상기 광전극층을 이루는 물질 자체가 광촉매 역할을 하므로, 자외선의 조사에 의해 스스로 전자를 여기시켜 활성화 되면, 주변의 H2O나 O2가 이 전자를 가져가서 주변의 유기물을 분해하여, 염료 흡착이전에 광전극층의 표면을 세정하게 되어 흡착효율을 개선하며, 자외선 조사에 따라 광전극층이 활성화되어 흡착이 더욱 용이하게 되어 또한 염료 흡착효율이 증대되어 염료 흡착효율을 두 가지 측면에서 크게 개선하며, 이에 따라 태양전지의 광전변환효율을 개선하는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 염료감응 태양전지 제조방법에서 광전극층에서 광촉매 특성이 발생하는 경우의 세정 메커니즘을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 염료감응 태양전지의 제조방법은 광전극층을 형성하고, 상기 광전극층에 염료를 흡착하는 공정을 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 염료를 흡착하는 공정이전에 상기 광전극층에 자외선을 조사하는 단계를 더 포함하여 이루어진다.
이에 대한 상세한 설명은 도면을 참고하여 설명한다.
즉, 염료감응 태양전지는 빛을 받아 전자를 발생시키는 염료가 부착된 광전극(구체적인 예를 들면 TiO2) 재료가 코팅된 광전극 기판과 전자를 공급하는 촉매전극기판 사이에 산화된 염료에 전자를 공급하여 주는 전해질을 기본구조로 하여 구성되어 있다. 따라서 일반적인 염료감응 태양전지는 이들 두 기능을 가지는 기판이 서로 마주보는 형태로 구성되어 있다.
여기서 상기 광전극 재료로 이루어지는 광전극부는 빛을 받아 전자를 발생시키는 염료가 흡착된 광전극층 및 이의 하부에 전기적 연결을 위한 투명 전도성 물질(TCO)로 이루어지는데, 상기 광전극층은 주로 전이금속 산화물 n형 반도체재료로 이루어지며 여기에 염료가 흡착되어 있는 구조이며, 상기 광전극층을 구성하는 전이금속 산화물(예를 들면, TiO2)는 평균입자크기가 10 ~ 50 ㎚수준으로, 이들로 이루어지는 광전극층은 주로 두께 15 ㎛ 정도의 박막으로 형성되며, 비표면적이 매우 큰 다공성 박막층을 형성한다. 따라서 이렇게 형성된 넓은 표면적에 염료입자가 화학적으로 흡착되어 광전변환효율을 극대화 시키는 구조이다.
그러므로 광전효율의 극대화를 위해서는 염료의 다량 흡착과 견고한 흡착이 필요하고, 이를 위하여 본 발명은 광전극부를 구성하는 광전극층, 바람직하게는 TiO2층에 염료를 착색시키기 전에 광전극층, 바람직하게는 TiO2 다공성층을 활성화시키기 위하여, 도 1에 도시한 바와 같은 TiO2의 광촉매특성을 이용하는 것으로, 이를 위하여 상기 염료를 흡착하는 공정이전에 상기 광전극층에 자외선을 조사하여 광전극층, 바람직하게는 TiO2층을 활성화하여 도 1에 도시한 바와 같은 과정을 통하여 광촉매 역할을 하므로, 자외선의 조사에 의해 스스로 전자를 여기시켜 활성화 되면, 주변의 H2O나 O2가 이 전자를 가져가서 주변의 유기물을 분해하여, 염료 흡착이전에 광전극층의 표면을 세정함과 동시에, 광전극층, 바람직하게는 TiO2 입자 표면을 활성화시키므로 염료흡착 효과를 극대화하여 염료감응 태양전지의 광전변환효율을 개선시킨다. 또한 자외선 자체가 또한 통상 알려진 바와 같이 유기물의 분해 효과를 가지므로 상기 기술한 세정효과를 더욱 증대하게 된다.
바람직하게는 상기 자외선을 조사하는 단계는 염료를 흡착하는 공정 직전에 이루어지는 것이 활성화를 유지하고, 세정효과를 최대화할 수 있으므로 좋다.
즉, 상기 종래의 기술에서 언급한 바와 같이, 통상의 염료감응 태양전지의 제조방법에서 광전극부를 구성하는 다공질 광전극층(TiO2)은 TiO2 paste를 성막하고 열처리하여 페이스트를 구성하는 유기물을 제거함은 물론 TiO2 나노입자사이를 연결시켜(necking) 염료로부터 주입된 전자의 이동을 원활하게 하는데, 상기 과정에서 다공질 광전극층(TiO2) 내부에 잔류 유기물이 잔존하거나 공정을 통하여 오염된 부분이 발생할 수 있으므로, TiO2의 광촉매 작용과 UV(자외선)의 광에너지 공급 작용 및 유기물 분해효과를 이용하여 염료흡착 공정 전에 다공질 광전극층(TiO2)에 자외선을 조사하여 잔류유기물이나 오염물을 제거함과 동시에 다공질 광전극층을 활성화시켜 염료흡착효율을 높이고, 흡착강도를 개선하여, 태양전지의 광전변환효율을 개선한다.
이외에 상기 기술한 본 발명의 염료감응 태양전지의 제조방법에서 상기 기술한 본 발명의 기술적 요소를 제외한 제조방법은 통상의 염료감응 태양전지를 제조하는 제조방법의 경우와 동일 또는 유사한 방법으로 이를 수행할 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
또한 본 발명은 상기와 같은 염료감응 태양전지의 제조방법에 의하여 제조되는 염료감응 태양전지를 제공하는 바, 이는 상기 기술한 염료감응 태양전지 제조방법에 의하여 제조되는 염료가 흡착된 광전극층으로 이루어진 광전극, 상기 광전극에 대응하는 촉매전극, 상기 광전극 및 촉매전극을 전기적으로 연결하는 전해질; 및, 상판, 하판 및 봉지재로 상기 광전극, 촉매전극 및 전해질을 기밀하는 기밀부를 포함하는 염료감응 태양전지를 제공한다.
상기 기술한 본 발명의 염료감응 태양전지에서 상기 기술한 본 발명의 기술적 요소를 제외한 염료감응 태양전지의 구조는 통상의 염료감응 태양전지의 구조와 동일 또는 유사한 구조로 이를 구성할 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 상세한 설명, 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니고, 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 해당 기술분야의 당업자가 다양하게 수정 및 변경시킨 것 또한 본 발명의 범위 내에 포함됨은 물론이다.
본 발명의 염료감응 태양전지의 제조방법에 따르면. 자외선의 조사에 따른 광전극층에 잔류하는 유기물 및 오염물이 분해, 제거될 뿐만 아니라, 상기 광전극층을 이루는 물질 자체가 광촉매 역할을 하므로, 자외선의 조사에 의해 스스로 전자를 여기시켜 활성화 되면, 주변의 H2O나 O2가 이 전자를 가져가서 주변의 유기물을 분해하여, 염료 흡착이전에 광전극층의 표면을 세정하게 되어 흡착효율을 개선하며, 자외선 조사에 따라 광전극층이 활성화되어 흡착이 더욱 용이하게 되어 또한 염료 흡착효율이 증대되어 염료 흡착효율을 두 가지 측면에서 크게 개선하며, 이에 따라 태양전지의 광전변환효율을 개선하는 효과를 얻을 수 있다.
Claims (4)
- 광전극층을 형성하고, 상기 광전극층에 염료를 흡착하는 공정을 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법에 있어서,상기 염료를 흡착하는 공정이전에 상기 광전극층에 자외선을 조사하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 자외선을 조사하는 단계가 염료를 흡착하는 공정 직전에 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 광전극층은 다공질 TiO2막인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 제조방법에 의하여 제조되는 염료가 흡착된 광전극층으로 이루어진 광전극;상기 광전극에 대응하는 촉매전극;상기 광전극 및 촉매전극을 전기적으로 연결하는 전해질; 및,상판, 하판 및 봉지재로 상기 광전극, 촉매전극 및 전해질을 기밀하는 기밀부를 포함하는 염료감응 태양전지.
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