WO2011065601A1 - Dye-sensitized solar cell including absorber layer in which plurality of nano tubes or nano rod type metal oxides are arrayed in one direction, and manufacturing method thereof - Google Patents

Dye-sensitized solar cell including absorber layer in which plurality of nano tubes or nano rod type metal oxides are arrayed in one direction, and manufacturing method thereof Download PDF

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이광훈
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Abstract

The present invention provides a dye-sensitized solar cell including a plurality of nano tubes, bridged nano tubes, and nano rod or bridged nano rod type metal oxides, and a manufacturing method thereof. The dye-sensitized solar cell comprises: a semiconductor electrode which includes a first transparent substrate and an absorber layer disposed on one side of the first transparent substrate; a counter electrode which is separably disposed in order to face the semiconductor electrode, and includes a second transparent substrate and a catalyst layer disposed to face the absorber layer on the second transparent substrate; and an electrolyte layer which is interposed between the semiconductor electrode and the counter electrode, wherein the absorber layer includes a plurality of metal oxides which have at least one type selected from a group that comprises nano tubes, bridged nano tubes, nano rods having an aspect ratio of 10 to 1000, and bridged nano rods having an aspect ratio of 10 to 1000, and dyes which are absorbed into the metal oxides. Thus, the dye-sensitized solar cell increases efficiency and saves manufacturing costs.

Description

복수개의 나노튜브 또는 나노막대형 금속산화물이 일 방향으로 정렬된 광흡수층을 구비하는 염료감응 태양전지 및 그의 제조방법Dye-sensitized solar cell having a plurality of nanotubes or nanorod metal oxide having a light absorption layer aligned in one direction and a method of manufacturing the same
본 발명은 염료감응 태양전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전자 이동성이 향상되고 전자 손실이 감소되어 효율이 증가된 염료감응 태양전지에 관한 것이다.The present invention relates to a dye-sensitized solar cell, and more particularly, to a dye-sensitized solar cell having improved efficiency due to improved electron mobility and reduced electron loss.
본 발명은 하기와 같은 서울시의 산학연 협력사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.The present invention is derived from a study carried out as part of the industry-university cooperation project in Seoul as follows.
[기타] 이 발명을 지원한 국가연구개발사업 [Others] National R & D Projects Supporting This Invention
[부처명] 서울특별시 [Department name] Seoul
[연구사업명] 서울시 산학연 협력사업(2007년 기술기반 구축사업) [Name of research project] Seoul-Academic-Industry Cooperation Project (2007 Technology Foundation Project)
[연구과제명] 방향성 티타늄옥사이드 나노막대를 이용한 염료감응 태양전지 연구 Research Project Dye-Sensitized Solar Cell Using Titanium Oxide Nanorod
[주관기관] 숭실대학교 산학협력단 [Organization] Soongsil University Industry-Academic Cooperation Foundation
[연구기간] 2007년 8월 1일 ~ 2008년 7월 31일[Research Period] August 1, 2007 ~ July 31, 2008
태양전지는 태양 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 전지로서, 친환경적이고 에너지원이 무한할 뿐만 아니라 수명이 긴 장점이 있다. 이러한 태양전지로는 실리콘 태양전지, 반도체 화합물 태양전지 및 염료감응 태양전지 등이 있다.The solar cell is a battery that generates electrical energy using solar energy, has the advantages of environmentally friendly, infinite energy source and long life. Such solar cells include silicon solar cells, semiconductor compound solar cells, and dye-sensitized solar cells.
염료감응 태양전지는 넓은 비표면적을 제공하는 반도체 산화물 나노입자 전극에, 태양광을 흡수하여 전자로 전환시키는 염료분자가 흡착된 형태의 태양전지이다. 염료감응 태양전지는 다른 실리콘 태양전지 및 반도체 화합물 태양전지에 비해 비용이 저렴하다는 장점이 있다. Dye-sensitized solar cells are solar cells in which dye molecules that absorb sunlight and convert them into electrons are adsorbed on semiconductor oxide nanoparticle electrodes that provide a large specific surface area. Dye-sensitized solar cells have the advantage of low cost compared to other silicon solar cells and semiconductor compound solar cells.
도 1은 종래의 염료감응 태양전지의 일례를 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing an example of a conventional dye-sensitized solar cell.
염료감응 태양전지는 일반적으로, 반도체 전극(10), 전해질층(13) 및 대향 전극(20)을 구비한다. Dye-sensitized solar cells generally include a semiconductor electrode 10, an electrolyte layer 13, and a counter electrode 20.
반도체 전극(10)은 투명기판(11) 및 광흡수층(12)으로 구성되며, 광흡수층(12)은 금속산화물 나노입자(12a) 및 염료(12b)를 포함한다. The semiconductor electrode 10 includes a transparent substrate 11 and a light absorption layer 12, and the light absorption layer 12 includes metal oxide nanoparticles 12a and a dye 12b.
대향 전극(20)은 투명기판(21) 및 촉매층(22)을 포함한다.The counter electrode 20 includes a transparent substrate 21 and a catalyst layer 22.
도 2는 염료감응 태양전지의 작동 원리를 개략적으로 나타낸 도면이다. 2 is a view schematically showing the operating principle of the dye-sensitized solar cell.
도 2를 참조하면, 태양광은 투명기판(11)을 통해 입사되어 금속산화물 나노입자(12a)의 표면에 흡착되어 있는 염료(12b)를 때린다. 여기서, 염료(12b) 분자는 매우 작기 때문에 금속산화물 나노입자(12a)는 주어진 전지의 표면적에 대하여 많은 수의 염료(12b) 분자를 흡착시키기 위한 뼈대(scaffold)로 사용된다. 염료(12b)를 때린 태양광은 염료(12b)를 들뜬 상태로 만들어 염료(12b)로부터 전자(e-)를 방출시킨다. 염료(12b)에서 방출된 전자(e-)는 금속산화물 나노입자(12a)의 전도대로 바로 주입되어 화학적 확산 구배(diffusion gradient)에 의하여 투명기판(11)으로 이동한다. 한편, 전자를 잃은 염료(12b)는 전해질층(13) 내의 요오드 이온(I-)을 3 요오드 이온(I3-)으로 산화시키면서 전자를 얻는다. 전해질 내의 3 요오드 이온(I3-)은 대향 전극(20)으로 기계적으로 확산하고 그곳에서 외부 회로를 통하여 흘러 들어온 카운터 전자에 의하여 잃었던 전자를 회복한다.Referring to FIG. 2, sunlight hits the dye 12b that is incident through the transparent substrate 11 and adsorbed onto the surface of the metal oxide nanoparticles 12a. Here, since the dye 12b molecules are very small, the metal oxide nanoparticles 12a are used as a scaffold to adsorb a large number of dye 12b molecules to a given cell surface area. The sunlight hitting the dye 12b causes the dye 12b to be excited to emit electrons e from the dye 12b. Electrons (e ) emitted from the dye 12b are directly injected into the conduction band of the metal oxide nanoparticles 12a and are moved to the transparent substrate 11 by a chemical diffusion gradient. On the other hand, the dye 12b which has lost electrons obtains electrons by oxidizing iodine ions I in the electrolyte layer 13 to 3 iodine ions I 3- . 3 iodine ions I 3-in the electrolyte mechanically diffuse to the counter electrode 20 and recover electrons lost by counter electrons flowing there through an external circuit.
상기와 같은 구성을 갖는 종래의 염료감응 태양전지에서, 금속산화물 나노입자(12a)는 각각이 약 15∼25nm 크기를 가지며, 이러한 복수개의 나노입자들(12a)은 3차원 네트워크를 형성함으로써 전기적으로 잘 연결된 약 20㎛ 두께의 입자막을 이룬다. 그런데, 상기 금속산화물 나노입자들(12a)은 불규칙적인 다결정 네트워크를 구성하기 때문에, 염료(12b) 분자에서 생성된 전자는 느린 속도로 투명기판(11)으로 이송되거나 이송 도중 금속산화물 나노입자(12a)에 결합되어 사라지는 문제점이 있다. 더욱이, 상기 입자막은 두께가 상당히 두껍기 때문에 입사된 태양광이 염료(12b) 분자에 도달하기 전 상당량의 에너지를 잃게 되어 염료(12b)에 최종적으로 흡수되는 태양광의 비율이 줄어드는 문제점이 있다. 이러한 문제점들은 종래의 염료감응 태양전지의 고효율화에 장애 요인이 되고 있다. In the conventional dye-sensitized solar cell having the above configuration, the metal oxide nanoparticles 12a each have a size of about 15 to 25 nm, and the plurality of nanoparticles 12a are electrically formed by forming a three-dimensional network. A well-connected particle film of about 20 μm thick is formed. However, since the metal oxide nanoparticles 12a constitute an irregular polycrystalline network, electrons generated from the dye 12b molecules are transported to the transparent substrate 11 at a slow speed, or the metal oxide nanoparticles 12a are transported. There is a problem that disappears in conjunction with). Moreover, since the particle film is so thick, there is a problem in that the incident sunlight loses a considerable amount of energy before reaching the dye 12b molecules, thereby reducing the proportion of sunlight finally absorbed by the dye 12b. These problems are obstacles to the high efficiency of conventional dye-sensitized solar cells.
본 발명의 목적은 표면에 염료분자가 흡착되어 있는 금속산화물을 나노튜브, 브리지 나노튜브, 나노막대 또는 브리지 나노막대 형태로 형성하고 이를 투명기판의 평활면에 수직한 방향으로 서로 나란히 배치함으로써 금속산화물 박막을 형성하고, 이로써 염료의 단위 면적당 염료가 흡수하는 빛의 양은 증가시키는 한편, 금속산화물로부터 투명기판까지의 이동거리를 줄여서 전자의 전달이 효율적으로 이루어지도록 하여 효율이 향상된 염료감응 태양전지를 제공하는 것이다. An object of the present invention is to form a metal oxide in which the dye molecules are adsorbed on the surface in the form of nanotubes, bridge nanotubes, nanorods or bridge nanorods and arrange them side by side in a direction perpendicular to the smooth surface of the transparent substrate Forming a thin film, thereby increasing the amount of light absorbed by the dye per unit area of the dye, while reducing the travel distance from the metal oxide to the transparent substrate to efficiently transfer electrons to provide a dye-sensitized solar cell with improved efficiency It is.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,The present invention to solve the above problems,
제1 투명기판 및 상기 제1 투명기판의 일면에 배치된 광흡수층을 포함하는 반도체 전극;A semiconductor electrode comprising a first transparent substrate and a light absorption layer disposed on one surface of the first transparent substrate;
상기 반도체 전극과 마주보도록 이격되게 배치되는 것으로, 제2 투명기판 및 상기 제2 투명기판 상에 상기 광흡수층과 마주보도록 배치된 촉매층을 포함하는 대향 전극; 및 An opposite electrode disposed to face the semiconductor electrode, the counter electrode including a catalyst layer disposed to face the light absorption layer on a second transparent substrate and the second transparent substrate; And
상기 반도체 전극과 상기 대향 전극 사이에 개재된 전해질층;을 구비하고,An electrolyte layer interposed between the semiconductor electrode and the counter electrode;
상기 광흡수층은 나노튜브, 브리지 나노튜브, 종횡비가 10 내지 1000인 나노막대 및 종횡비가 10 내지 1000인 브리지 나노막대 형태로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 형태를 갖는 복수개의 금속산화물 및 이에 흡착된 염료를 포함하는 염료감응 태양전지를 제공한다.The light absorption layer has a plurality of metal oxides having at least one type selected from the group consisting of nanotubes, bridge nanotubes, nanorods having an aspect ratio of 10 to 1000, and bridge nanorods having an aspect ratio of 10 to 1000, and adsorbed thereto. It provides a dye-sensitized solar cell comprising a dye.
또한 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,In addition, the present invention to solve the above problems,
반도체 전극, 전해질층 및 대향 전극을 구비하는 염료감응 태양전지의 제조 방법으로서, 상기 반도체 전극의 제조는, A method of manufacturing a dye-sensitized solar cell having a semiconductor electrode, an electrolyte layer, and a counter electrode, the production of the semiconductor electrode,
(a) 투명기판을 마련하는 단계;(a) preparing a transparent substrate;
(b) 상기 투명기판 상에 금속을 코팅하는 단계;(b) coating a metal on the transparent substrate;
(c) 상기 금속을 전기화학적으로 양극 산화처리함으로써 나노튜브 또는 종횡비가 10 내지 1000인 나노막대 형태를 갖는 복수개의 금속산화물을 형성하는 단계;(c) electrochemically anodizing the metal to form a plurality of metal oxides in the form of nanotubes or nanorods having an aspect ratio of 10 to 1000;
(d) 상기 금속산화물을 가열처리하여 그 입자를 결정화시키는 단계; 및(d) heat treating the metal oxide to crystallize the particles; And
(e) 상기 금속산화물에 염료를 흡착시키는 단계를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법을 제공한다.(e) it provides a method for producing a dye-sensitized solar cell comprising the step of adsorbing a dye to the metal oxide.
본 발명의 한 구현예에 따르면, 상기 염료감응 태양전지의 제조방법은, 상기 (c) 단계와 (d) 단계 사이에, 상기 (c) 단계의 상기 양극 산화처리된 금속산화물을 상기 금속산화물의 전구체를 함유하는 용액에 담그고 가열함으로써 브리지 나노튜브 또는 종횡비가 10 내지 1000인 브리지 나노막대 형태를 갖는 복수개의 금속산화물을 형성하는 단계를 추가로 포함한다.According to one embodiment of the invention, the method of manufacturing a dye-sensitized solar cell, between the step (c) and (d), the anodized metal oxide of the step (c) of the metal oxide Immersing in a solution containing the precursor and heating to form a plurality of metal oxides in the form of bridge nanotubes or bridge nanorods having an aspect ratio of 10 to 1000.
본 발명의 한 구현예에 따르면, 상기 금속의 코팅은 이온 플레이팅, 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering), 화학기상증착(chemical vapor deposition), 증발 증착(evaporation), 스핀 코팅(spin coating), 열산화법(thermal oxidation), 컴퓨터 젯 프린팅 기법(computer jet printing technique), 스프레이 열분해법(spray pyrolysis) 또는 광화학 증착법(photochemical deposition)에 의해 이루어진다.According to one embodiment of the invention, the coating of the metal is ion plating, magnetron sputtering, chemical vapor deposition, chemical vapor deposition (evaporation), spin coating (spin coating), thermal oxidation method ( thermal oxidation, computer jet printing technique, spray pyrolysis or photochemical deposition.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 금속의 코팅은 상기 투명기판이 회전되는 동안, 상기 투명기판에 이의 평활면의 법선방향과 경사진 방향으로 상기 금속이 입사됨으로써 이루어진다.According to another embodiment of the present invention, the coating of the metal is made by the metal is incident on the transparent substrate in the direction normal and inclined of the smooth surface, while the transparent substrate is rotated.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 (c) 단계의 양극 산화처리는 인-시투(in-situ)로 수행된다.According to another embodiment of the present invention, the anodic oxidation treatment of step (c) is performed in-situ.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 복수개의 금속산화물은 상기 제1 투명기판(또는 투명기판)의 평활면에 수직한 방향으로 서로 나란히 배치된다.According to another embodiment of the present invention, the plurality of metal oxides are arranged side by side in a direction perpendicular to the smooth surface of the first transparent substrate (or transparent substrate).
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 금속은 Ti 및 이의 합금 중 적어도 1종을 포함한다.According to another embodiment of the invention, the metal comprises at least one of Ti and its alloys.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 (c) 단계의 양극 산화처리시 사용되는 전해질은 과산화수소(H2O2)를 포함한다.According to another embodiment of the present invention, the electrolyte used in the anodic oxidation treatment of step (c) includes hydrogen peroxide (H 2 O 2 ).
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 전해질은 불소이온(F-), 염소이온(Cl-) 및 황산이온(SO4 2-)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 이온을 함유한다.According to a preferred embodiment of the present invention, the electrolyte contains at least one ion selected from the group consisting of fluorine ion (F ), chlorine ion (Cl ) and sulfate ion (SO 4 2− ).
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 (c) 단계의 양극 산화처리시 사용되는 전해질은 불소 이온을 포함한다.According to another embodiment of the present invention, the electrolyte used in the anodizing of step (c) includes fluorine ions.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 전해질층은 폴리(비닐리덴플로라이드-코-폴리(헥사플루오로프로필렌)), 폴리아크릴로니트릴계 고분자, 폴리에틸렌옥사이드계 고분자 및 폴리알킬아크릴레이트계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종을 포함한다.According to another embodiment of the present invention, the electrolyte layer is poly (vinylidene fluoride-co-poly (hexafluoropropylene)), polyacrylonitrile-based polymer, polyethylene oxide-based polymer and polyalkylacrylate-based polymer At least one selected from the group consisting of.
도 1은 종래의 염료감응 태양전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a conventional dye-sensitized solar cell.
도 2는 도 1의 염료감응 태양전지의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.2 is a view for explaining the operating principle of the dye-sensitized solar cell of FIG.
도 3 및 도 4는 본 발명의 한 구현예에 따른 염료감응 태양전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.3 and 4 are cross-sectional views schematically showing the structure of the dye-sensitized solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 5 및 도 6은 각각 도 3 및 도 4의 염료감응 태양전지의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.5 and 6 are diagrams for explaining the operating principle of the dye-sensitized solar cell of Figures 3 and 4, respectively.
도 7은 도 3의 염료감응 태양전지에 구비된 나노튜브 형태의 금속산화물을 도시한 SEM 사진이다.7 is a SEM photograph showing a metal oxide in the form of nanotubes provided in the dye-sensitized solar cell of FIG. 3.
도 8은 도 3의 염료감응 태양전지에 구비된 브리지 나노튜브 형태의 금속산화물을 도시한 SEM 사진이다.FIG. 8 is a SEM photograph showing a metal oxide in the form of a bridge nanotube provided in the dye-sensitized solar cell of FIG. 3.
도 9는 실시예 1-1~1-4, 2-1~2-4 및 비교예 1~3에서 제조된 염료감응 태양전지의 광전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.9 is a graph showing photocurrent-voltage characteristics of the dye-sensitized solar cells prepared in Examples 1-1 to 1-4, 2-1 to 2-4, and Comparative Examples 1 to 3. FIG.
도 10 및 도 11은 도 4의 염료감응 태양전지에 구비된 나노막대 형태의 금속산화물을 도시한 SEM 사진이다.10 and 11 are SEM photographs showing metal oxides in the form of nanorods provided in the dye-sensitized solar cell of FIG. 4.
도 12와 도 13는 도 4의 염료감응 태양전지에 구비된 브리지 나노막대 형태의 금속산화물을 도시한 SEM 사진이다.12 and 13 are SEM photographs showing metal oxides in the form of bridge nanorods provided in the dye-sensitized solar cell of FIG. 4.
도 14는 실시예 3, 4 및 비교예 2에서 제조된 염료감응 태양전지의 광전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.14 is a graph showing the photocurrent-voltage characteristics of the dye-sensitized solar cells prepared in Examples 3, 4 and Comparative Example 2.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 염료감응 태양전지에 관하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail with respect to the dye-sensitized solar cell according to a preferred embodiment of the present invention.
도 3 및 4는 본 발명의 한 구현예에 따른 염료감응 태양전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.3 and 4 are cross-sectional views schematically showing the structure of the dye-sensitized solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 3 및 4를 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 염료감응 태양전지는 반도체 전극(100), 전해질층(103) 및 대향 전극(110)을 구비한다.3 and 4, a dye-sensitized solar cell according to an embodiment of the present invention includes a semiconductor electrode 100, an electrolyte layer 103, and an opposite electrode 110.
반도체 전극(100)은 제1 투명기판(101) 및 이러한 제1 투명기판(101)의 일면에 배치된 광흡수층(102)을 포함한다.The semiconductor electrode 100 includes a first transparent substrate 101 and a light absorption layer 102 disposed on one surface of the first transparent substrate 101.
제1 투명기판(101)의 주재료는 투명성을 갖는 것이면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 유리기판 등이 사용될 수 있다. 이러한 투명기판(101)에 전도성을 부여하기 위한 재료로는 도전성 및 투명성을 갖고 있는 것이면 어떠한 것이라도 채용할 수 있지만, 주석계 산화물(예를 들어 SnO2) 또는 인듐 틴 옥사이드(ITO)가 바람직하다.The main material of the first transparent substrate 101 is not particularly limited as long as it has transparency, and for example, a glass substrate may be used. As a material for imparting conductivity to the transparent substrate 101, any material can be used as long as it has conductivity and transparency. However, tin oxide (for example, SnO 2 ) or indium tin oxide (ITO) is preferable. .
도 3을 참조하면, 광흡수층(102)은 복수개의 금속산화물(102a1) 및 이에 흡착된 염료(102b)를 포함한다. Referring to FIG. 3, the light absorption layer 102 includes a plurality of metal oxides 102a1 and a dye 102b adsorbed thereto.
금속산화물들(102a1)은 각각이 나노튜브 또는 브리지 나노튜브 형태를 갖는다. 여기서, “나노튜브”란 직경이 수㎚~수십㎚인 튜브 형태를 의미하고, “브리지 나노튜브”란 상기 나노튜브들이 브리지에 의해 적어도 부분적으로 서로 연결되어 있는 형태를 의미한다.The metal oxides 102a1 each have a nanotube or bridge nanotube shape. Here, "nanotube" refers to a tube shape having a diameter of several nm to several tens of nm, and "bridge nanotube" refers to a shape in which the nanotubes are at least partially connected to each other by a bridge.
도 4를 참조하면, 광흡수층(102)은 복수개의 금속산화물(102a2) 및 이에 흡착된 염료(102b)를 포함한다. Referring to FIG. 4, the light absorption layer 102 includes a plurality of metal oxides 102a2 and a dye 102b adsorbed thereto.
금속산화물들(102a2)은 각각이 종횡비가 10 내지 1000인 나노막대 또는 브리지 나노막대 형태를 갖는다. 브리지 나노막대 형태의 금속산화물(102a2)에서의 종횡비란 브리지를 제외한 나노막대 형태의 금속산화물(102a2)만의 종횡비를 의미한다. 여기서, “나노막대”란 직경이 수㎚~수십㎚인 막대 형태를 의미하며, “브리지 나노막대”란 상기 나노막대들이 브리지에 의해 적어도 부분적으로 서로 연결되어 있는 형태를 의미한다. 상기 종횡비가 200㎚ 미만이면 나노막대 필름의 두께가 초박막화 되므로 생성되는 광전류의 절대값이 낮아져서 바람직하지 않고, 1000㎚를 초과하게 되면 나노막대 필름의 두께가 지나치게 두꺼워져서 염료(102b)에서 생성된 전자가 이동거리 증가로 인해 금속산화물(102a2)에 결합되는 비율이 증가해서 바람직하지 않다. 금속산화물(102a2)의 종횡비를 상기 범위 내의 값으로 조절하기 위해서는 상기 금속의 양극 산화처리 조건을 적절하게 조절해 주어야 하는데, 이에 관하여는 뒤에서 상세히 설명하기로 한다. The metal oxides 102a2 each have a nanorod or bridge nanorod shape having an aspect ratio of 10 to 1000. The aspect ratio of the metal oxide 102a2 in the form of a bridge nanorod means an aspect ratio of only the metal oxide 102a2 in the form of a nanorod except for the bridge. Here, the "nanorod" means a rod shape having a diameter of several nm to several tens of nm, and the "bridge nanorod" means a form in which the nanorods are at least partially connected to each other by a bridge. If the aspect ratio is less than 200nm, the thickness of the nanorod film is ultra-thin, so the absolute value of the generated photocurrent is lowered, which is undesirable. An increase in the rate at which electrons are bonded to the metal oxide 102a2 due to the increased moving distance is not preferable. In order to adjust the aspect ratio of the metal oxide 102a2 to a value within the above range, it is necessary to appropriately adjust the anodizing conditions of the metal, which will be described in detail later.
이러한 금속산화물들(102a1, 102a2)은 제1 투명기판(101)의 평활면에 수직한 방향으로 서로 나란히 배치되는 것이 바람직하다. 여기서, “수직한” 또는 “나란히”라는 말은 완전히 수직하거나 완전히 나란한 경우만을 의미하는 것이 아니라, 당해 기술분야에서 제조기술 상의 한계를 감안하여 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 수직하거나 나란한 것으로 인정될 수 있는 정도의 오차 범위를 포함하는 개념이다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 금속산화물들(102a1, 102a2)은 제1 투명기판(101)의 평활면에 수직한 방향(즉, 상기 평활면의 법선방향)과 소정 각도 경사진 방향으로 배치될 수도 있다.The metal oxides 102a1 and 102a2 may be disposed in parallel with each other in a direction perpendicular to the smooth surface of the first transparent substrate 101. Here, the term "vertical" or "side by side" does not mean only completely vertical or side by side, but also perpendicular or side by side to those of ordinary skill in the art in view of limitations in manufacturing technology in the art. It is a concept that includes a margin of error that can be recognized. However, the present invention is not limited thereto, and the metal oxides 102a1 and 102a2 may have a direction perpendicular to the smooth surface of the first transparent substrate 101 (that is, the normal direction of the smooth surface) and a predetermined angle inclined direction. It may be arranged as.
이러한 금속산화물들(102a1, 102a2)은 반도체 성질을 갖는 것으로서 실리콘으로 대표되는 단체 반도체 외에 화합물 반도체 또는 페로브스카이트 구조를 갖는 화합물 등으로부터 선택될 수 있다. 상기 반도체는 광 여기하에서 전도대 전자가 캐리어로 되어 애노드 전류를 제공하는 n형 반도체인 것이 바람직하다. 상기 반도체의 구체적인 예로는 TiO2(이산화티탄), SnO2, ZnO, WO3, Nb2O5, 또는 TiSrO3 등이 있으며, 특히 바람직한 반도체는 아나타제형의 TiO2이다. 또한 반도체의 종류는 이들에 한정되는 것은 아니며, 이들을 단독으로 또는 2 종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.The metal oxides 102a1 and 102a2 may have a semiconductor property, and may be selected from a compound semiconductor or a compound having a perovskite structure in addition to a single semiconductor represented by silicon. The semiconductor is preferably an n-type semiconductor in which conduction band electrons become carriers under photo excitation to provide an anode current. Specific examples of the semiconductor include TiO 2 (titanium dioxide), SnO 2 , ZnO, WO 3 , Nb 2 O 5 , TiSrO 3, and the like. Particularly preferred semiconductors are anatase type TiO 2 . In addition, the kind of semiconductor is not limited to these, These can be used individually or in mixture of 2 or more types.
상기 금속산화물(102a1, 102a2) 형성용 금속의 구체적인 예는 Zn, Zr, Yr, Mo, In, Sc, W, Ti, Mn, Sn, Zr, V, Si, Cr, Mg, Al, Fe, Ba, Pb, La, Sr, Bi, Ta, Cu, Ca, Nb 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 1종을 포함할 수 있다. Specific examples of the metal for forming the metal oxides 102a1 and 102a2 include Zn, Zr, Yr, Mo, In, Sc, W, Ti, Mn, Sn, Zr, V, Si, Cr, Mg, Al, Fe, Ba , Pb, La, Sr, Bi, Ta, Cu, Ca, Nb and at least one selected from the group consisting of alloys thereof.
이와 같은 구성 및 구조를 갖는 금속산화물은 표면에 흡착된 염료가 보다 많은 빛을 흡수할 수 있도록 그 표면적이 큰 것이 바람직하다. 이를 위하여, 상기 금속산화물의 입경은 1㎛ 이하가 바람직하며, 10~300nm이 더욱 바람직하며, 10~100nm가 보다 더욱 바람직하다.The metal oxide having such a structure and structure is preferably a large surface area so that the dye adsorbed on the surface can absorb more light. To this end, the particle size of the metal oxide is preferably 1㎛ or less, more preferably 10 ~ 300nm, even more preferably 10 ~ 100nm.
상기 금속산화물의 형성 방법에 관하여는 뒤에서 상세히 설명하기로 한다. A method of forming the metal oxide will be described in detail later.
염료(102b)는 태양 전지 또는 광전지 분야에서 일반적으로 사용되는 것이라면 특별히 제한되지 않고 사용할 수 있으나, 루테늄 착물이 바람직하다. 상기 루테늄 착물로서는 RuL2(SCN)2, RuL2(H2O)2, RuL3, RuL2 등을 사용할 수 있다(식 중 L은 2,2’-바이피리딜-4,4’-디카르복실레이트를 나타낸다).The dye 102b can be used without particular limitation as long as it is generally used in the solar cell or photovoltaic field, but ruthenium complex is preferable. As the ruthenium complex, RuL 2 (SCN) 2 , RuL 2 (H 2 O) 2 , RuL 3 , RuL 2, etc. may be used (wherein L is 2,2′-bipyridyl-4,4′-dica). Carboxylates).
이러한 염료(102b)는 전하 분리기능을 갖고 감응 작용을 나타내는 것이라면 특별히 한정되지 않으므로, 루테늄 착물 이외에도 예를 들어 로다민 B, 로즈벤갈, 에오신, 에리스로신 등의 크산틴계 색소, 퀴노시아닌, 크립토시아닌 등의 시아닌계 색소, 페노사프라닌, 카브리블루, 티오신, 메틸렌블루 등의 염기성 염료, 클로로필, 아연 포르피린, 마그네슘 포르피린 등의 포르피린계 화합물, 기타 아조 색소, 프탈로시아닌 화합물, Ru 트리스비피리딜 등의 착화합물, 안트라퀴논계 색소, 다환 퀴논계 색소 등이 또한 사용될 수 있으며, 이들이 단독으로 또는 2 종 이상 혼합되어 사용될 수 있다. The dye 102b is not particularly limited as long as it has a charge separation function and exhibits a sensitive action. Therefore, in addition to the ruthenium complex, for example, xanthine-based pigments such as rhodamine B, rosebengal, eosin, and erythrosine, quinocyanine and kryptosh Basic dyes, such as cyanine pigment | dye, phenosaprine, cabrioblue, thiocin, and methylene blue, porphyrin type compounds, such as chlorophyll, zinc porphyrin, magnesium porphyrin, other azo pigments, phthalocyanine compound, Ru trisbipyri Complex compounds such as dill, anthraquinone dyes, polycyclic quinone dyes and the like may also be used, and these may be used alone or in combination of two or more thereof.
금속산화물(102a1, 102a2) 및 염료(102b)를 포함하는 광흡수층(102)의 두께는 50㎛ 이하가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1 내지 35㎛이다. 즉, 이러한 광흡수층(102)은 그 구조상의 이유에서 직렬저항이 크고, 직렬저항의 증가는 변환효율의 저하를 초래하는 바, 막 두께를 50㎛ 이하로 함으로써 그 기능을 유지하면서 직렬저항을 낮게 유지하여 변환효율의 저하를 방지할 수 있게 된다.The thickness of the light absorption layer 102 including the metal oxides 102a1, 102a2 and the dye 102b is preferably 50 μm or less, more preferably 1 to 35 μm. That is, the light absorption layer 102 has a large series resistance for structural reasons, and an increase in series resistance leads to a decrease in conversion efficiency. It is possible to prevent the degradation of the conversion efficiency.
전해질층(103)은 I-/I3- 와 같은 산화-환원 종을 포함하고 있고, I- 이온의 원천으로는 LiI, NaI, 알킬암모늄 요오드 또는 이미다졸륨 요오드 등이 사용되며, I3- 이온은 I2를 용매에 녹여 생성시킨다. 상기 전해질의 매질로는 아세토니트릴과 같은 액체 또는 폴리에틸렌옥시드와 같은 고분자가 사용될 수 있다. 액체 매질로는 카보네이트류, 니트릴 화합물류, 알코올류 등이 사용될 있고, 특히 프로필렌 카보네이트 등의 카보네이트류 및 아세토니트릴, 메톡시 아세토니트릴 등의 니트릴 화합물 등이 사용될 수 있다. 고분자 매질로는 폴리아크릴로니트릴(PAN)계, 폴리에틸렌옥사이드(PEO)계, 및/또는 폴리알킬아크릴레이트(poly(alkylacrylate))계 등이 사용될 수 있다. 또한 이러한 고분자 매질로는 폴리(비닐리덴플로라이드-코-폴리(헥사플루오로프로필렌)) (poly(vinylidenefluoride)-co-poly(hexafluoropropylene))이 사용될 수 있다. 또한 상기 액체 전해질에 젤레이터를 첨가하여 젤형 전해질을 제조하여 사용하는 것도 가능하다.An electrolyte layer 103 is I - and comprises a reduced species, I - - / I 3 - oxidation as a source of ions is LiI, NaI, alkyl iodide or imidazolium iodide, etc. are used, 3-I Ions are produced by dissolving I 2 in a solvent. As the medium of the electrolyte, a liquid such as acetonitrile or a polymer such as polyethylene oxide may be used. Carbonates, nitrile compounds, alcohols and the like may be used as the liquid medium, and in particular, carbonates such as propylene carbonate and nitrile compounds such as acetonitrile and methoxy acetonitrile may be used. As the polymer medium, polyacrylonitrile (PAN), polyethylene oxide (PEO), and / or polyalkylacrylate (poly (alkylacrylate)) may be used. In addition, as the polymer medium, poly (vinylidene fluoride) -co-poly (hexafluoropropylene) may be used (poly (vinylidene fluoride) -co-poly (hexafluoropropylene)). It is also possible to prepare and use a gel electrolyte by adding a gelator to the liquid electrolyte.
대향전극(110)은 제2 투명기판(111) 및 이러한 제2 투명기판(111) 상에 광흡수층(102)과 마주보도록 배치된 촉매층(112)을 포함한다.The counter electrode 110 includes a second transparent substrate 111 and a catalyst layer 112 disposed on the second transparent substrate 111 so as to face the light absorbing layer 102.
제2 투명기판(111)은 전술한 제1 투명기판(101)과 동일하거나 또는 이와 유사한 재료로 형성될 수 있다.The second transparent substrate 111 may be formed of the same or similar material as that of the first transparent substrate 101 described above.
촉매층(112)의 형성 재료로는 도전성 물질이면 어느 것이나 제한 없이 사용가능하나, 절연성의 물질이라도 반도체 전극(100)과 마주보는 쪽에 도전층(미도시)이 배치되어 있는 경우라면, 이것도 사용 가능하다. 단, 전기화학적으로 안정한 재료가 전극으로 사용되는 것이 바람직하며, 구체적으로는 백금, 금, 및 카본 등이 사용되는 것이 바람직하다. As the material for forming the catalyst layer 112, any conductive material may be used without limitation, but any insulating material may be used as long as a conductive layer (not shown) is disposed on the side facing the semiconductor electrode 100. . However, it is preferable that an electrochemically stable material is used as an electrode, and specifically, platinum, gold, carbon, etc. are used.
이하, 도 3 및 4의 구성을 갖는 염료감응 태양전지의 작동 과정을 도 5 및 6을 함께 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, the operation of the dye-sensitized solar cell having the configuration of FIGS. 3 and 4 will be described in detail with reference to FIGS. 5 and 6.
도 3 내지 6을 참조하면, 제1 투명기판(101)에 입사된 빛은 반도체 전극(100)의 금속산화물(102a1, 102a2)에 흡착되어 있는 염료(102b) 분자에 흡수된다. 빛을 흡수한 염료(102b)는 여기되어 전자를 금속산화물(102a1, 102a2)의 전도대로 주입한다. 금속산화물(102a1, 102a2)로 주입된 전자는 입자간 계면을 통하여 제1 투명기판(101)에 전달된다. 제1 투명기판 (101)으로 전달된 전자는 도 5 및 6에 도시된 것과 같은 외부회로를 통하여 대향전극(110)에 도달한다. 이때, 외부회로를 통하여 대향전극(110) 도착된 전자는 제2 투명기판(111) 상에 형성된 촉매층(112)에 도달하게 된다.3 to 6, light incident on the first transparent substrate 101 is absorbed by molecules of the dye 102b adsorbed to the metal oxides 102a1 and 102a2 of the semiconductor electrode 100. The light-absorbing dye 102b is excited to inject electrons into the conduction bands of the metal oxides 102a1 and 102a2. Electrons injected into the metal oxides 102a1 and 102a2 are transferred to the first transparent substrate 101 through an interparticle interface. Electrons transferred to the first transparent substrate 101 reach the counter electrode 110 through an external circuit as shown in FIGS. 5 and 6. In this case, the electrons arriving at the counter electrode 110 through the external circuit reach the catalyst layer 112 formed on the second transparent substrate 111.
한편, 전자 전이의 결과로 산화된 염료(102b) 분자는 전해질층(103) 내의 요오드 이온의 산화 환원 작용(3I- → I3 -+2e-)에 의하여 제공되는 전자를 받아 다시 환원된다. 산화된 요오드 이온(I3-)은 대향전극(110)에 도달한 전자를 받아서 다시 환원됨으로써 염료감응 태양전지의 작동과정이 완성된다.On the other hand, the oxidation as a result of electron transfer dyes (102b) molecules electrolyte layer 103, an iodine ion redox action of the inside is reduced again accept electrons provided by the (3I - → I 3 - - + 2e). The oxidized iodine ions I 3- receive the electrons reaching the counter electrode 110 and are reduced again to complete the operation of the dye-sensitized solar cell.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 한 구현예에 따른 염료감응 태양전지는 반도체 전극의 광흡수층에 배치된 금속산화물을 나노튜브, 브리지 나노튜브, 나노막대 또는 브리지 나노막대 형태로 형성하고 이를 투명기판의 평활면에 수직한 방향으로 배치함으로써 전자 전달경로가 짧은 박막의 광흡수층을 형성할 수 있다. 이로써, 반도체 전극의 제1 투명기판에 입사된 빛이 염료에 도달하기 전에 금속산화물에 흡수되어 소실되는 비율을 종래기술에 비해 감소시켜 염료의 단위 면적당 광흡수율을 증가시킬 수 있으며, 염료로부터 제1 투명기판까지의 거리를 줄여서 전자의 전달이 효율적으로 이루어지도록 하여 광효율을 향상시킬 수 있다. Dye-sensitized solar cell according to an embodiment of the present invention having the configuration as described above forms a metal oxide disposed in the light absorption layer of the semiconductor electrode in the form of nanotubes, bridge nanotubes, nanorods or bridge nanorods and a transparent substrate By arranging in a direction perpendicular to the smooth surface of the light absorbing layer of the thin film having a short electron transfer path can be formed. As a result, the ratio of light incident on the first transparent substrate of the semiconductor electrode to be absorbed and lost by the metal oxide before reaching the dye may be reduced compared to the prior art, thereby increasing the light absorption rate per unit area of the dye. The optical efficiency can be improved by reducing the distance to the transparent substrate so that electrons can be efficiently transferred.
이하, 본 발명의 한 구현예에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법에 관하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a dye-sensitized solar cell according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
먼저, 반도체 전극용 제1 투명기판을 마련한다.First, a first transparent substrate for a semiconductor electrode is prepared.
다음에, 상기 제1 투명기판의 일면 상에 금속을 코팅한다. 상기 금속의 코팅은 이온 플레이팅, 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering), 화학기상증착(chemical vapor deposition), 증발 증착(evaporation), 스핀 코팅(spin coating), 열산화법(thermal oxidation), 컴퓨터 젯 프린팅 기법(computer jet printing technique), 스프레이 열분해법(spray pyrolysis) 또는 광화학 증착법(photochemical deposition) 등에 의해 이루어질 수 있다. Next, a metal is coated on one surface of the first transparent substrate. The coating of the metal may be ion plating, magnetron sputtering, chemical vapor deposition, evaporation, spin coating, thermal oxidation, computer jet printing techniques ( computer jet printing technique, spray pyrolysis, photochemical deposition, or the like.
상기 코팅 방법들 중 이온 플레이팅법은 물리기상증착(Physical Vapour Deposition) 분야에 속하는 방법 중의 하나로 고진공의 챔버 내부에 소재(즉, 제1 투명기판)를 장입한 다음, 전자빔 총(Electron Beam Gun)을 이용하여 증착시키고자 하는 금속을 녹여 이를 상기 소재의 표면에 기상 증착시키는 방법이다. Among the coating methods, ion plating is one of the methods in the field of Physical Vapor Deposition, and a material (that is, a first transparent substrate) is charged into a high vacuum chamber, and then an electron beam gun is used. It is a method of melting the metal to be deposited using the vapor deposition on the surface of the material.
마그네트론 스퍼터링 방법은 이온 플레이팅 방법과 같이 물리기상증착 분야에 속하는 방법으로서, 이온 플레이팅 방법과는 달리 전자빔 총을 사용하지 않고 금속 타킷(Target)을 사용하며 이 금속 타킷을 아르곤(Ar) 이온으로 때려 튕겨져 나오는 금속 타킷의 입자를 소재에 증착시키는 방법이다. The magnetron sputtering method is a method belonging to the physical vapor deposition field like the ion plating method. Unlike the ion plating method, a metal target is used without an electron beam gun, and the metal target is converted into argon (Ar) ion. It is a method of depositing particles of a metal target that is thrown out to the material.
일반적으로 진공증착에서는 증착물질에서 증발한 금속 분자(원자)가 곧 바로 피도금체의 표면에 날아와 퇴적하는데 그치는 반면, 이온플레이팅 또는 마그네트론 스퍼터링 방법의 경우 증발한 분자들이, 이보다 앞서 피도금체에 퇴적되어 있던 높은 에너지의 금속 입자에 의해, 상기 피도금체에 전기적으로 격렬하게 끌어 당겨지기 때문에 진공증착보다 훨씬 치밀하고 단단한 막이 형성된다. In general, in vacuum deposition, metal molecules (atoms) evaporated from the evaporation material immediately fly to and deposit on the surface of the plated body, whereas in the case of ion plating or magnetron sputtering, the evaporated molecules are formed earlier than the plated body. The high-energy metal particles deposited on the film are electrically attracted to the plated body vigorously, thereby forming a much denser and harder film than vacuum deposition.
본 구현예에서, 상기 금속의 코팅은 상기 제1 투명기판이 회전되는 동안, 상기 제1 투명기판에 이의 평활면의 법선방향과 경사진 방향으로 상기 금속이 입사되도록 상기 금속의 입사각도를 조절하고 상기 제1 투명기판을 소정 속도로 회전시키는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 상기 금속을 제1 투명기판에 균일하게 코팅할 수 있다.In this embodiment, the coating of the metal adjusts the angle of incidence of the metal such that the metal is incident on the first transparent substrate in the direction normal to the inclined direction and the inclined direction while the first transparent substrate is rotated. It is preferable to rotate the first transparent substrate at a predetermined speed. In this way, the metal can be uniformly coated on the first transparent substrate.
본 구현예에서 상기 금속으로는 티타늄(Ti)을 사용하고 상기 코팅 방법으로는 이온 플레이팅 또는 마그네트론 스퍼터링 방법을 사용하는 것이 바람직하다. In the present embodiment, it is preferable to use titanium (Ti) as the metal and ion plating or magnetron sputtering method as the coating method.
또한 본 구현예에서, 상기 금속의 증착 두께는 1㎛ 이상인 것이 바람직하다. 상기 두께가 1㎛ 미만인 경우에는 두께가 너무 얇아 양극 산화와 내부식성의 문제가 발생할 수 있다.In addition, in this embodiment, the deposition thickness of the metal is preferably 1㎛ or more. If the thickness is less than 1 μm, the thickness may be so thin that problems of anodic oxidation and corrosion resistance may occur.
이어서, 상기 코팅된 금속을 전기화학적으로 양극 산화처리함으로써 나노튜브 또는 브리지 나노튜브 형태를 갖는 복수개의 금속산화물을 형성하거나 나노막대 또는 브리지 나노막대 형태를 갖는 복수개의 금속산화물을 형성한다.The coated metal is then electrochemically anodized to form a plurality of metal oxides in the form of nanotubes or bridged nanotubes or to form a plurality of metal oxides in the form of nanorods or bridged nanorods.
먼저, 상기 코팅된 금속을 전기화학적으로 양극 산화처리함으로써 나노튜브 또는 브리지 나노튜브 형태를 갖는 복수개의 금속산화물을 형성하는 단계를 설명한다. 본 발명의 제조방법에 의하면, 상기 금속산화물을 상기 제1 투명기판 상에 직접 형성하는 공정, 즉 “인-시투(in-situ)” 공정을 수행하여 제조비용을 절감할 수 있다. 상기 양극 산화처리는 HF, NH4F, HNO3, KF, H2SO4, NaF, DMF, DMSO, 및/또는 EG 등을 포함하는 전해질에 상기 코팅된 금속을 함침시킨 다음, 상기 금속을 양극으로 하고 백금 등을 음극으로 하여 0~50℃에서 5~250V 및 1~3A/dm2의 조건으로 통전시킴으로써 이루어진다. 이와 같이 전류가 흐르게 되면, 양극의 금속 표면에 산화피막이 성장하여 양극산화피막(즉, 나노튜브 또는 브리지 나노튜브 형태의 금속산화물)이 형성되게 된다. 정전압으로 양극 산화처리를 수행하면 시간이 경과함에 따라 전류가 점점 감소하고 결국 극미소의 전류밖에 흐르지 않게 된다. 즉, 정전압으로 양극 산화처리를 수행하면 그 전압에 대응하는 절연내압을 가진 산화피막이 형성되고, 이후 산화피막의 성장이 멈추게 된다. 양극 산화시 사용되는 전해질의 농도 및 인가되는 전압 등에 따라 형성되는 금속산화물의 형태, 직경 및 길이가 달라지게 된다. 구체적으로, 나노튜브 형태의 금속산화물과 브리지 나노튜브 형태의 금속산화물은 양극 산화처리 단계까지는 동일한 과정을 거쳐 제조되지만, 브리지 나노튜브 형태의 금속산화물을 제조하기 위해서는 상기 금속산화물의 전구체를 함유하는 졸 용액을 사용하여 나노튜브 형태의 금속산화물을 브리지 형태로 성장시켜야 한다. 즉, 브리지 나노튜브 형태의 금속산화물은 양극 산화처리된 금속산화물(나노튜브 형태를 가짐)을 상기 금속산화물의 졸 용액에 담그고, 이 혼합물을 가열하여 금속산화물 브리지를 성장시키는 공정을 추가함으로써 제조될 수 있다. 특히, 제1 투명기판에 코팅되는 금속이 Ti일 경우, 양극 산화처리시 사용되는 전해질은 불소 이온을 함유하는 것이 바람직하다.First, the step of forming a plurality of metal oxides having a nanotube or bridge nanotube form by electrochemically anodizing the coated metal will be described. According to the manufacturing method of the present invention, the manufacturing cost can be reduced by performing a process of directly forming the metal oxide on the first transparent substrate, that is, an “in-situ” process. The anodic oxidation treatment impregnates the coated metal in an electrolyte including HF, NH 4 F, HNO 3 , KF, H 2 SO 4 , NaF, DMF, DMSO, and / or EG, and then anodes the metal. It is made by supplying platinum or the like as a cathode at 0 to 50 ° C. and energizing under the conditions of 5 to 250 V and 1 to 3 A / dm 2 . When current flows in this way, an oxide film grows on the metal surface of the anode to form an anodized film (ie, a metal oxide in the form of nanotubes or bridge nanotubes). When anodizing is performed at a constant voltage, the current gradually decreases with time, and only a very small current flows. That is, when anodizing is performed at a constant voltage, an oxide film having an insulation breakdown voltage corresponding to the voltage is formed, and then the growth of the oxide film is stopped. The shape, diameter, and length of the metal oxide to be formed vary depending on the concentration of the electrolyte and voltage applied to the anodic oxidation. Specifically, the metal oxide in the form of nanotubes and the metal oxide in the form of bridge nanotubes are prepared through the same process until the anodic oxidation step, but in order to prepare the metal oxide in the form of bridge nanotubes, a sol containing a precursor of the metal oxide is used. The solution must be used to grow nanotube metal oxides in the form of bridges. That is, the metal oxide in the form of bridge nanotubes can be prepared by immersing an anodized metal oxide (having nanotube form) in a sol solution of the metal oxide and heating the mixture to grow a metal oxide bridge. Can be. In particular, when the metal to be coated on the first transparent substrate is Ti, the electrolyte used in the anodic oxidation treatment preferably contains fluorine ions.
또한, 상기 코팅된 금속을 전기화학적으로 양극 산화처리함으로써 나노막대 또는 브리지 나노막대 형태를 갖는 복수개의 금속산화물을 형성한 단계를 설명한다. 따라서, 본 발명의 제조방법에 의하면, 상기 금속산화물을 상기 제1 투명기판 상에 직접 형성하는 공정, 즉 “인-시투(in-situ)” 공정을 수행하여 제조비용을 절감할 수 있다. 상기 양극 산화처리는 NaX(X= F-, Cl-, SO4 2-, CO3 2- 또는 C2O4 2-) 및/또는 YCl(Y= Ta5+, Na+ 또는 H+) 등을 과산화수소(H2O2) 용액에 녹여 형성한 전해질에 상기 코팅된 금속을 함침시킨 다음, 상기 금속을 양극으로 하고 백금 등을 음극으로 하여 0~150℃에서 1~50V 및 1~3A/dm2의 조건으로 통전시킴으로써 이루어진다. 과산화 수소 용액만을 포함하는 전해질에서 양극 산화처리를 수행하더라도 나노막대 형태의 금속산화물을 형성하는 것이 가능하지만, 상기 NaX 및/또는 YCl 등을 상기 전해질에 추가로 첨가함으로써 종횡비를 적절하게 조절할 수 있다. 이와 같이 전류가 흐르게 되면, 양극의 금속 표면에 산화피막이 성장하여 양극산화피막(즉, 나노막대 또는 브리지 나노막대 형태의 금속산화물)이 형성되게 된다. 정전압으로 양극 산화처리를 수행하면 시간이 경과함에 따라 전류가 점점 감소하고 결국 극미소의 전류밖에 흐르지 않게 된다. 즉, 정전압으로 양극 산화처리를 수행하면 그 전압에 대응하는 절연내압을 가진 산화피막이 형성되고, 이후 산화피막의 성장이 멈추게 된다. 양극 산화시 사용되는 전해질의 농도 및 인가되는 전압 등에 따라 형성되는 금속산화물의 형태, 직경 및 길이가 달라지게 된다. 구체적으로, 나노막대 형태의 금속산화물과 브리지 나노막대 형태의 금속산화물은 양극 산화처리 단계까지는 동일한 과정을 거쳐 제조되지만, 브리지 나노막대 형태의 금속산화물을 제조하기 위해서는 상기 금속산화물의 전구체를 함유하는 졸 용액을 사용하여 나노막대 형태의 금속산화물을 브리지 형태로 성장시켜야 한다. 즉, 브리지 나노막대 형태의 금속산화물은 양극 산화처리된 금속산화물(나노막대 형태를 가짐)을 상기 금속산화물의 졸 용액에 담그고, 이 혼합물을 가열하여 금속산화물 브리지를 성장시키는 공정을 추가함으로써 제조될 수 있다. 특히, 제1 투명기판에 코팅되는 금속이 Ti일 경우, 양극 산화처리시 사용되는 전해질은 불소 이온을 함유하는 것이 바람직하다.In addition, the step of forming a plurality of metal oxides having a nanorod or bridge nanorod form by electrochemically anodizing the coated metal. Therefore, according to the manufacturing method of the present invention, it is possible to reduce the manufacturing cost by performing the process of forming the metal oxide directly on the first transparent substrate, that is, the "in-situ" process. The anodic oxidation treatment is NaX (X = F , Cl , SO 4 2- , CO 3 2- or C 2 O 4 2- ) and / or YCl (Y = Ta 5+ , Na + or H + ) and the like. Impregnated the coated metal in an electrolyte formed by dissolving in a hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) solution, and then using the metal as an anode and platinum as a cathode at 1 to 50 V and 1 to 3 A / dm at 0 to 150 ° C. It is made by energizing on condition of 2 . Even when anodizing is performed in an electrolyte containing only a hydrogen peroxide solution, it is possible to form a nanorod-shaped metal oxide, but the aspect ratio can be appropriately adjusted by further adding NaX and / or YCl to the electrolyte. When the current flows in this way, an oxide film grows on the metal surface of the anode to form an anodized film (that is, a metal oxide in the form of a nanorod or a bridge nanorod). When anodizing is performed at a constant voltage, the current gradually decreases with time, and only a very small current flows. That is, when anodizing is performed at a constant voltage, an oxide film having an insulation breakdown voltage corresponding to the voltage is formed, and then the growth of the oxide film is stopped. The shape, diameter, and length of the metal oxide to be formed vary depending on the concentration of the electrolyte and voltage applied to the anodic oxidation. Specifically, the metal oxides in the form of nanorods and the metal oxides in the form of bridge nanorods are prepared through the same process until the anodic oxidation step, but in order to produce the metal oxides in the form of bridge nanorods, a sol containing a precursor of the metal oxide is used. The solution must be used to grow nanorod metal oxides in the form of bridges. In other words, the metal oxide in the form of a bridge nanorod can be prepared by immersing an anodized metal oxide (having a nanorod form) in a sol solution of the metal oxide and heating the mixture to grow a metal oxide bridge. Can be. In particular, when the metal to be coated on the first transparent substrate is Ti, the electrolyte used in the anodic oxidation treatment preferably contains fluorine ions.
다음에, 상기 형성된 나노튜브, 브리지 나노튜브, 나노막대, 또는 브리지 나노막대 형태의 금속산화물을 가열처리하여 그 입자를 결정화시킨다. 이러한 가열처리는 200~500℃의 온도에서 이루어지며, 이에 의하여 상기 형성된 금속산화물이 전도성을 갖게 된다.Next, the formed metal oxide in the form of nanotubes, bridge nanotubes, nanorods, or bridge nanorods is heated to crystallize the particles. This heat treatment is carried out at a temperature of 200 ~ 500 ℃, whereby the formed metal oxide is conductive.
그 다음에, 상기 금속산화물에 염료를 흡착시킨 후, 미리 준비한 대향전극를 상기 금속산화물과 마주보도록 배치시키고, 산화환원 전자쌍을 포함하는 전해질 형성용 조성물을 매립하고 밀봉하여 염료감응 태양전지를 완성한다.Then, after the dye is adsorbed onto the metal oxide, a counter electrode prepared in advance is disposed to face the metal oxide, and the electrolyte composition containing the redox electron pair is embedded and sealed to complete the dye-sensitized solar cell.
이하, 본 발명을 하기 구체적인 실시예를 들어 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described with reference to the following specific examples, but the present invention is not limited to the following examples.
[실시예]EXAMPLE
실시예 1: 나노튜브 형태의 금속산화물을 포함하는 염료감응 태양전지의 제조Example 1 Fabrication of Dye-Sensitized Solar Cells Containing Metal Oxides in Nanotube Form
실시예 1-1Example 1-1
(1) 반도체 전극의 제조(1) Fabrication of Semiconductor Electrodes
인듐 도핑된 주석산화물 투명전도체 위에 스퍼터링 방법에 의하여 직경 7㎛의 티타늄막을 형성하였다. 이어서, 상기 티타늄막의 일부분을 NH4F수용액에 함침시킴으로써 함침된 티타늄막의 외주면에 티타늄산화물을 형성하였다. 이때, NH4F수용액의 농도는 0.5 중량%이었다. 이어서, 상기 티타늄막을 양극으로 하여 30분 동안 20V의 전압을 인가하였다. 다음에, 상기 양극 산화처리된 티타늄산화물을 공기 중에서 450~500 ℃의 온도로 30분간 가열처리함으로써 잔류 전해질을 열분해하여 완전히 제거하고 산화티타늄의 결정구조를 아나타제 형으로 변환시켰다. 결과로서, 복수개의 티타늄산화물을 얻었다.A titanium film having a diameter of 7 μm was formed on the indium doped tin oxide transparent conductor by a sputtering method. Subsequently, a titanium oxide was formed on the outer circumferential surface of the impregnated titanium film by impregnating a portion of the titanium film with an NH 4 F aqueous solution. At this time, the concentration of the NH 4 F aqueous solution was 0.5% by weight. Subsequently, a voltage of 20 V was applied for 30 minutes using the titanium film as an anode. Next, the anodized titanium oxide was heat-treated in air at a temperature of 450 to 500 ° C. for 30 minutes to pyrolyze and remove the residual electrolyte, thereby converting the titanium oxide crystal structure into an anatase type. As a result, a plurality of titanium oxides were obtained.
상기 형성된 티타늄산화물은 각각이 도 7에 도시된 바와 같이 나노튜브 형태를 갖는 것으로 나타났다. 이어서, 80℃에서 시편을 유지한 후 메탄올에 용해된 0.3 mM [Ru(dcb)2(dfo)](CN)2 염료 색소액에서 염료 흡착처리를 12시간 수행하였다. 그 후 염료 흡착된 나노튜브형 티타늄산화물 후막을 메탄올을 이용하여 세척하고 상온 건조하여 반도체 전극을 제조하였다.The formed titanium oxide was each shown to have a nanotube form as shown in FIG. Subsequently, the specimen was maintained at 80 ° C., and then dye adsorption was carried out in 0.3 mM [Ru (dcb) 2 (dfo)] (CN) 2 dye dye solution dissolved in methanol for 12 hours. Thereafter, the dye-adsorbed nanotube-type titanium oxide thick film was washed with methanol and dried at room temperature to prepare a semiconductor electrode.
(2) 대향 전극의 제조(2) production of counter electrode
대향 전극으로는 인듐 도핑된 주석산화물 투명전도체 위에 스퍼터를 이용하여 Pt 층을 증착하였고, 전해액 주입을 위해 0.75mm 직경의 드릴을 이용하여 미세 구멍을 만들어 대향 전극을 제작하였다. As the counter electrode, a Pt layer was deposited on the indium-doped tin oxide transparent conductor by using a sputter, and a counter hole was manufactured by making a minute hole using a 0.75 mm diameter drill for electrolyte injection.
(3) 반도체 전극과 대향 전극의 접합 및 전해질의 주입(3) Junction of semiconductor electrode and counter electrode and injection of electrolyte
60㎛ 두께의 열가소성 고분자 필름을 반도체 전극과 대향 전극 사이에 두고 100℃에서 9초간 압착시킴으로써 두 전극을 접합시켰다. 대향 전극에 형성된 미세구멍을 통하여 산화-환원 전해질을 주입시키고, 커버 글라스와 열가소성 고분자 필름을 이용하여 미세 구멍을 막았다. 이때 이용된 산화-환원 전해질은 0.62M의 1,2-디메틸-3-헥실이미다졸리움아이오다이드 (1,2-dimethyl-3-hexylimidazolium iodide), 0.5M의 2-아미노피리미딘 (2-aminopyrimidine), 0.1M 의 LiI 와 0.05M 의 I2를 아세토니트릴 (acetonitrile) 용매에 용해시킨 것을 이용하였다.The two electrodes were bonded together by pressing a 60 μm-thick thermoplastic polymer film between the semiconductor electrode and the counter electrode and pressing at 100 ° C. for 9 seconds. The redox electrolyte was injected through the micropores formed in the counter electrode, and the micropores were closed using a cover glass and a thermoplastic polymer film. The redox electrolyte used was 0.62M 1,2-dimethyl-3-hexylimidazolium iodide (1,2-dimethyl-3-hexylimidazolium iodide), 0.5M 2-aminopyrimidine (2- aminopyrimidine), 0.1 M LiI and 0.05 M I 2 dissolved in an acetonitrile solvent were used.
실시예 1-2~1-4Examples 1-2-1-4
티타늄막을 양극으로 하여 각각 60분, 120분, 200분 동안 20V의 전압을 인가한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 염료감응 태양전지를 제조하였다.A dye-sensitized solar cell was manufactured in the same manner as in Example 1-1, except that a voltage of 20 V was applied for 60 minutes, 120 minutes, and 200 minutes using the titanium film as an anode.
실시예 2: 브리지 나노튜브 형태의 금속산화물을 포함하는 염료감응 태양전지의 제조Example 2 Fabrication of Dye-Sensitized Solar Cells Containing Metal Oxides in the Form of Bridge Nanotubes
실시예 2-1Example 2-1
실시예 1의 (1) 반도체 전극의 제조에서와 같은 방법으로 양극 산화처리된 티타늄산화물을 제조하고, 이어서 상기 양극 산화처리된 티타늄산화물을 TiCl4 + HCl 졸 용액에 담그고, 80~160 ℃에서 14시간 가열하여 TiO2 브리지를 성장시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 염료감응 태양전지를 제조하였다. Anodized titanium oxide was prepared in the same manner as in the preparation of (1) semiconductor electrode of Example 1, and then the anodized titanium oxide was immersed in TiCl 4 + HCl sol solution, A dye-sensitized solar cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the TiO 2 bridge was grown by heating for a time.
상기 형성된 티타늄산화물은 각각이 도 8에 도시된 바와 같이 브리지 나노튜브 형태를 갖는 것으로 나타났다.The formed titanium oxide was shown to each have a bridge nanotube form as shown in FIG.
실시예 2-2~2-4Examples 2-2 to 2-4
티타늄막을 양극으로 하여 각각 60분, 120분, 200분 동안 20V의 전압을 인가한 것을 제외하고는, 상기 실시예 2-1과 동일한 방법으로 염료감응 태양전지를 제조하였다.A dye-sensitized solar cell was manufactured in the same manner as in Example 2-1, except that a voltage of 20 V was applied for 60 minutes, 120 minutes, and 200 minutes using the titanium film as an anode.
비교예 1~3: 나노입자 형태의 금속산화물을 포함하는 염료감응 태양전지Comparative Examples 1 to 3: Dye-Sensitized Solar Cells Containing Metal Oxides in Nanoparticle Form
비교예 1 Comparative Example 1
상기 실시예 1의 나노튜브 형태의 금속산화물 대신에 입경 20~25nm 크기의 티타늄산화물 입자 분산액을 닥터블레이드법을 이용하여 투명전도체 위의 1cm2 면적에 도포하고, 450℃에서 30분간 열처리 소성공정을 통해 2.5㎛ 두께의 다공성 티타늄산화물 후막을 제작하여 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 염료감응 태양전지를 제조하였다.Instead of the nanotube-type metal oxide of Example 1, a titanium oxide particle dispersion having a particle size of 20 to 25 nm was coated on an area of 1 cm 2 on the transparent conductor using a doctor blade method, and a heat treatment firing process was performed at 450 ° C. for 30 minutes. A dye-sensitized solar cell was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the porous titanium oxide thick film having a thickness of 2.5 μm was used.
비교예 2~3Comparative Examples 2-3
다공성 티타늄 산화물 후박의 두께를 각각 4.2㎛, 7.3㎛로 변화시킨 것을 제외하고는, 상기 비교예 1-1과 동일한 방법으로 염료감응 태양전지를 제조하였다. A dye-sensitized solar cell was manufactured in the same manner as in Comparative Example 1-1, except that the thickness of the porous titanium oxide thick foil was changed to 4.2 μm and 7.3 μm, respectively.
<광전변환 특성 평가><Photoelectric conversion characteristic evaluation>
상기 실시예 1, 2 및 비교예 1에서 제조한 염료감응 태양전지의 광전환 특성을 평가하기 위하여, 티타늄산화물 두께(T)에 따른 단락전류(Jsc)를 측정하여 도 9에 나타내었다. 또한, 각 비교예 및 실시예의 경우에 티타늄산화물 두께(T) 및 단락전류(Jsc)를 하기 표 1에 구체적인 수치로 열거하였다. In order to evaluate the light conversion characteristics of the dye-sensitized solar cells prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, the short-circuit current (Jsc) according to the thickness of the titanium oxide (T) was measured and shown in FIG. 9. In addition, in the case of Comparative Examples and Examples, the titanium oxide thickness (T) and the short circuit current (Jsc) are listed as specific values in Table 1 below.
광원으로는 제논 램프(xenon lamp, Oriel, 01193)을 사용하였으며, 상기 제논 램프의 태양 조건(AM 1.5)은 표준 태양전지(Frunhofer Institute Solare Engeriessysteme, Certificate No. C-ISE369, Type of material: Mono-Si + KG 필터)를 사용하여 보정하였다. A xenon lamp (Oriel, 01193) was used as the light source, and the solar condition (AM 1.5) of the xenon lamp was a standard solar cell (Frunhofer Institute Solare Engeries systeme, Certificate No. C-ISE369, Type of material: Mono-). Si + KG filter).
표 1
Figure PCTKR2009006978-appb-T000001
Table 1
Figure PCTKR2009006978-appb-T000001
상기 표 1을 참조하면, 실시예 1-1~1-4 및 2-1~2-4의 염료감응 태양전지는 각각 나노튜브 및 브리지 나노튜브 형태의 금속산화물을 도입함으로써 동일한 티타늄산화물의 두께(즉, 광흡수층의 두께)에 대하여 전류특성이 향상됨을 알 수 있다. 이는 염료에 의한 광흡수율의 증가와 염료에서 생성된 전자의 전달 경로의 단축으로 인한 전류 향상으로 파악된다. 그러나 비교예 1~3과 같이, 나노입자 형태의 금속산화물을 도입하는 경우에는 금속산화물에 의한 광 손실 및 전자 손실로 인해 광전류 발생이 현저히 감소함을 알 수 있다.Referring to Table 1, the dye-sensitized solar cells of Examples 1-1 to 1-4 and 2-1 to 2-4 have the same thickness of titanium oxide by introducing metal oxides in the form of nanotubes and bridge nanotubes, respectively. That is, it can be seen that the current characteristic is improved with respect to the thickness of the light absorption layer. This is understood to be due to the increase in light absorption by the dye and the improvement of current due to the shortening of the transfer path of electrons generated in the dye. However, as in Comparative Examples 1 to 3, when the metal oxide in the form of nanoparticles is introduced, it can be seen that the photocurrent generation is significantly reduced due to the light loss and the electron loss caused by the metal oxide.
실시예 3: 나노막대 형태의 금속산화물을 포함하는 염료감응 태양전지의 제조Example 3 Fabrication of Dye-Sensitized Solar Cells Containing Metal Oxides in the Form of Nanorods
(1) 반도체 전극의 제조(1) Fabrication of Semiconductor Electrodes
인듐 도핑된 주석산화물 투명전도체 위에 스퍼터링 방법에 의하여 직경 5㎛의 티타늄막을 형성하였다. 이어서, 상기 티타늄막의 일부분을 H2O2 + TaCl5 수용액에 함침시킴으로써 함침된 티타늄막의 외주면에 티타늄산화물을 형성하였다. 이때, 30 wt% H2O2 수용액 중의 TaCl5 농도를 5mM로 하였다. 이어서, 상기 티타늄막을 양극으로 하여 120분 동안 10V의 전압을 인가하였다. 다음에, 상기 양극 산화처리된 티타늄산화물을 공기 중에서 450℃의 온도로 30분간 가열처리함으로써 잔류 전해질을 열분해하여 완전히 제거하고 산화티타늄의 결정구조를 아나타제 형으로 변환시켰다. A titanium film having a diameter of 5 μm was formed on the indium doped tin oxide transparent conductor by a sputtering method. Subsequently, a titanium oxide was formed on the outer circumferential surface of the impregnated titanium film by impregnating a portion of the titanium film in an aqueous solution of H 2 O 2 + TaCl 5 . At this time, the concentration of TaCl 5 in a 30 wt% H 2 O 2 aqueous solution was 5 mM. Subsequently, a voltage of 10 V was applied for 120 minutes using the titanium film as an anode. Next, the anodized titanium oxide was heat-treated in air at a temperature of 450 ° C. for 30 minutes to pyrolyze and remove the residual electrolyte, thereby converting the crystal structure of titanium oxide into an anatase type.
상기 형성된 금속산화물은 각각이 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 나노막대 형태를 갖는 것으로 나타났다. 이어서, 80℃에서 시편을 유지한 후 메탄올에 용해된 0.3 mM [Ru(dcb)2(dfo)](CN)2 염료 색소액에서 염료 흡착처리를 12시간 이상 수행하였다. 그 후 염료 흡착된 나노막대형 티타늄산화물 후막을 메탄올을 이용하여 세척하고 상온 건조하여 반도체 전극을 제조하였다.The formed metal oxides were each shown to have a nanorod shape as shown in FIGS. 10 and 11. Subsequently, after the specimen was maintained at 80 ° C., dye adsorption was performed for 0.3 hours in a 0.3 mM [Ru (dcb) 2 (dfo)] (CN) 2 dye dye solution dissolved in methanol. Thereafter, the dye-adsorbed nanorod titanium oxide thick film was washed with methanol and dried at room temperature to prepare a semiconductor electrode.
(2) 대향전극의 제조(2) Preparation of counter electrode
대향 전극으로는 인듐 도핑된 주석산화물 투명전도체 위에 스퍼터를 이용하여 Pt 층을 증착하였고, 전해액 주입을 위해 0.75 mm 직경의 드릴을 이용하여 미세 구멍을 만들어 대향 전극을 제작하였다. As the counter electrode, a Pt layer was deposited on the indium-doped tin oxide transparent conductor using a sputter, and a counter hole was manufactured by making a minute hole using a 0.75 mm diameter drill for electrolyte injection.
(3) 반도체 전극과 대향전극의 접합 및 전해질의 주입(3) Junction of semiconductor electrode and counter electrode and injection of electrolyte
60㎛ 두께의 열가소성 고분자 필름을 반도체전극과 대향 전극 사이에 두고 100℃에서 9초간 압착시킴으로써 두 전극을 접합시켰다. 대향 전극에 형성된 미세구멍을 통하여 산화-환원 전해질을 주입시키고, 커버 글라스와 열가소성 고분자 필름을 이용하여 미세 구멍을 막았다. 이때 이용된 산화-환원 전해질은 0.62M 의 1,2-디메틸-3-헥실이미다졸리움아이오다이드 (1,2-dimethyl-3-hexylimidazolium iodide), 0.5M의 2-아미노피리미딘 (2-aminopyrimidine), 0.1M 의 LiI 와 0.05M 의 I2를 아세토니트릴 (acetonitrile) 용매에 용해시킨 것을 이용하였다.The two electrodes were bonded together by pressing a 60 μm-thick thermoplastic polymer film between the semiconductor electrode and the counter electrode at 100 ° C. for 9 seconds. The redox electrolyte was injected through the micropores formed in the counter electrode, and the micropores were closed using a cover glass and a thermoplastic polymer film. The redox electrolyte used was 0.62M 1,2-dimethyl-3-hexylimidazolium iodide (1,2-dimethyl-3-hexylimidazolium iodide), 0.5M 2-aminopyrimidine (2- aminopyrimidine), 0.1 M LiI and 0.05 M I 2 dissolved in an acetonitrile solvent were used.
실시예 4: 브리지 나노막대 형태의 금속산화물을 포함하는 염료감응 태양전지의 제조Example 4 Fabrication of Dye-Sensitized Solar Cell Comprising Metal Oxide in the Form of Bridge Nanorods
실시예 3의 (1) 반도체 전극의 제조에서와 같은 방법으로 양극 산화처리된 티타늄산화물을 제조하고, 이어서 상기 양극 산화처리된 티타늄산화물을 TiCl4 + HCl 졸 용액에 담그고, 80~160 ℃에서 14시간 가열하여 TiO2 브리지를 성장시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 염료감응 태양전지를 제조하였다. Anodized titanium oxide was prepared in the same manner as in the preparation of (1) semiconductor electrode of Example 3, and then the anodized titanium oxide was immersed in TiCl 4 + HCl sol solution, A dye-sensitized solar cell was manufactured in the same manner as in Example 3, except that the TiO 2 bridge was grown by heating for a time.
상기 형성된 금속산화물은 각각이 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이 브리지 나노막대 형태를 갖는 것으로 나타났다.The formed metal oxides were each shown to have a bridge nanorod shape as shown in FIGS. 12 and 13.
비교예 2: 나노입자 형태의 금속산화물을 포함하는 염료감응 태양전지의 제조Comparative Example 2: Fabrication of Dye-Sensitized Solar Cells Containing Metal Oxides in Nanoparticle Form
상기 실시예 3의 나노막대 형태의 금속산화물 대신에 입경 20~25nm 크기의 티타늄산화물 입자 분산액을 닥터블레이드법을 이용하여 투명전도체 위의 1cm2 면적에 도포하고, 450℃에서 30분간 열처리 소성공정을 통해 15㎛ 두께의 다공성 티타늄산화물 후막을 제작하여 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 염료감응 태양전지를 제조하였다.Instead of the nanorod-shaped metal oxide of Example 3, a titanium oxide particle dispersion having a particle size of 20 to 25 nm was applied to a 1 cm 2 area on a transparent conductor using a doctor blade method, and a heat treatment firing process was performed at 450 ° C. for 30 minutes. A dye-sensitized solar cell was manufactured in the same manner as in Example 3, except that the porous titanium oxide thick film having a thickness of 15 μm was used.
<광전변환 양자효율 평가><Photoelectric conversion quantum efficiency evaluation>
상기 실시예 3, 4 및 비교예 2에서 제조한 염료감응 태양전지의 광전변환 양자효율을 측정하여 도 14에 나타내었다. 여기서, 광전변환 양자효율이란 입사된 광자(photon)가 전류 생성을 위해 가시광선 영역에서 반응하는 정도를 의미한다. IPCE(incident photon-to-current conversion efficient, PV Measurements사 제조)를 사용하여 광전변환 양자효율을 측정하였으며 분석 파장대는 350~800nm이었다.The photoelectric conversion quantum efficiency of the dye-sensitized solar cells prepared in Examples 3, 4 and Comparative Example 2 was measured and shown in FIG. 14. Here, the photoelectric conversion quantum efficiency refers to the extent to which incident photons react in the visible light region to generate current. Photoelectric conversion quantum efficiency was measured using IPCE (incident photon-to-current conversion efficient, manufactured by PV Measurements) and the wavelength range was 350-800 nm.
도 14을 참조하면, 실시예 3 및 실시예 4의 염료감응 태양전지는 각각 나노막대 및 브리지 나노막대 형태의 금속산화물을 도입함으로써 광전변환 양자효율이 향상됨을 알 수 있다. 이는 염료에 의한 광흡수율의 증가와 염료에서 생성된 전자의 전달 경로의 단축으로 인한 전류 향상으로 파악된다. 그러나 비교예 2와 같이, 나노입자 형태의 금속산화물을 도입하는 경우에는 금속산화물에 의한 광 손실 및 전자 손실로 인해 광전변환 양자효율이 현저히 낮음을 알 수 있다.Referring to FIG. 14, it can be seen that the dye-sensitized solar cells of Examples 3 and 4 improve photoelectric conversion quantum efficiency by introducing metal oxides in the form of nanorods and bridge nanorods, respectively. This is understood to be due to the increase in light absorption by the dye and the improvement of current due to the shortening of the transfer path of electrons generated in the dye. However, as in Comparative Example 2, when the metal oxide in the form of nanoparticles is introduced, it can be seen that the photoelectric conversion quantum efficiency is significantly low due to light loss and electron loss caused by the metal oxide.
상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.The above embodiments are merely exemplary, and various modifications and equivalent other embodiments are possible to those skilled in the art. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the invention described in the claims below.
본 발명에 의하면, 전자 이송경로를 단축시킴으로써 염료감응 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 금속산화물 막, 즉 광흡수층을 박막으로 형성함으로써 염료의 광흡수율을 향상시킬 수 있다. 또한, 금속산화물 막을 인-시투(in-situ)로 형성함으로써 염료감응 태양전지의 제조공정을 단순화하여 제조비용을 절감할 수 있다.According to the present invention, the efficiency of the dye-sensitized solar cell can be improved by shortening the electron transport path. In addition, by forming a metal oxide film, that is, a light absorption layer into a thin film, the light absorption rate of the dye can be improved. In addition, by forming the metal oxide film in-situ (in-situ) it is possible to simplify the manufacturing process of the dye-sensitized solar cell to reduce the manufacturing cost.

Claims (14)

  1. 제1 투명기판 및 상기 제1 투명기판의 일면에 배치된 광흡수층을 포함하는 반도체 전극;A semiconductor electrode comprising a first transparent substrate and a light absorption layer disposed on one surface of the first transparent substrate;
    상기 반도체 전극과 마주보도록 이격되게 배치되는 것으로, 제2 투명기판 및 상기 제2 투명기판 상에 상기 광흡수층과 마주보도록 배치된 촉매층을 포함하는 대향 전극; 및 An opposite electrode disposed to face the semiconductor electrode, the counter electrode including a catalyst layer disposed to face the light absorbing layer on the second transparent substrate and the second transparent substrate; And
    상기 반도체 전극과 상기 대향 전극 사이에 개재된 전해질층;을 구비하고,An electrolyte layer interposed between the semiconductor electrode and the counter electrode;
    상기 광흡수층은 나노튜브, 브리지 나노튜브, 종횡비가 10 내지 1000인 나노막대 및 종횡비가 10 내지 1000인 브리지 나노막대 형태로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 형태를 갖는 복수개의 금속산화물 및 이에 흡착된 염료를 포함하는 염료감응 태양전지. The light absorption layer has a plurality of metal oxides having at least one type selected from the group consisting of nanotubes, bridge nanotubes, nanorods having an aspect ratio of 10 to 1000, and bridge nanorods having an aspect ratio of 10 to 1000, and adsorbed thereto. Dye-sensitized solar cell comprising a dye.
  2. 제1항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 복수개의 금속산화물은 상기 제1 투명기판의 평활면에 수직한 방향으로 서로 나란히 배치된 것을 특징으로 염료감응 태양전지.The dye-sensitized solar cell, characterized in that the plurality of metal oxides are arranged side by side in a direction perpendicular to the smooth surface of the first transparent substrate.
  3. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 금속은 Ti 및 이의 합금 중 적어도 1종을 포함하는 것을 특징으로 염료감응 태양전지.The metal is a dye-sensitized solar cell, characterized in that it comprises at least one of Ti and its alloys.
  4. 제1항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 전해질층은 폴리(비닐리덴플로라이드-코-폴리(헥사플루오로프로필렌)), 폴리아크릴로니트릴계 고분자, 폴리에틸렌옥사이드계 고분자 및 폴리알킬아크릴레이트계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종을 포함하는 것을 특징으로 염료감응 태양전지.The electrolyte layer includes at least one selected from the group consisting of poly (vinylidene fluoride-co-poly (hexafluoropropylene)), polyacrylonitrile-based polymer, polyethylene oxide-based polymer, and polyalkylacrylate-based polymer. Dye-sensitized solar cell.
  5. 반도체 전극, 전해질층 및 대향 전극을 구비하는 염료감응 태양전지의 제조 방법으로서, 상기 반도체 전극의 제조는, A method of manufacturing a dye-sensitized solar cell having a semiconductor electrode, an electrolyte layer, and a counter electrode, the production of the semiconductor electrode,
    (a) 투명기판을 마련하는 단계;(a) preparing a transparent substrate;
    (b) 상기 투명기판 상에 금속을 코팅하는 단계;(b) coating a metal on the transparent substrate;
    (c) 상기 금속을 전기화학적으로 양극 산화처리함으로써 나노튜브 또는 나노막대 형태를 갖는 복수개의 금속산화물을 형성하는 단계;(c) electrochemically anodizing the metal to form a plurality of metal oxides in the form of nanotubes or nanorods;
    (d) 상기 금속산화물을 가열처리하여 그 입자를 결정화시키는 단계; 및(d) heat treating the metal oxide to crystallize the particles; And
    (e) 상기 금속산화물에 염료를 흡착시키는 단계를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법.(e) manufacturing a dye-sensitized solar cell comprising adsorbing a dye to the metal oxide.
  6. 제5항에 있어서, The method of claim 5,
    상기 (c) 단계와 (d) 단계 사이에, 상기 (c) 단계의 상기 양극 산화처리된 금속산화물을 상기 금속산화물의 전구체를 함유하는 용액에 담그고 가열함으로써 브리지 나노튜브 또는 브리지 나노막대 형태를 갖는 복수개의 금속산화물을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.Between step (c) and step (d), the anodized metal oxide of step (c) is immersed in a solution containing the precursor of the metal oxide and heated to have a bridge nanotube or bridge nanorod shape. Method of manufacturing a dye-sensitized solar cell, characterized in that it further comprises the step of forming a plurality of metal oxides.
  7. 제5항에 있어서, The method of claim 5,
    상기 금속의 코팅은 이온 플레이팅, 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering), 화학기상증착(chemical vapor deposition), 증발 증착(evaporation), 스핀 코팅(spin coating), 열산화법(thermal oxidation), 컴퓨터 젯 프린팅 기법(computer jet printing technique), 스프레이 열분해법(spray pyrolysis) 또는 광화학 증착법(photochemical deposition)에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.The coating of the metal may be ion plating, magnetron sputtering, chemical vapor deposition, evaporation, spin coating, thermal oxidation, computer jet printing techniques ( A method of manufacturing a dye-sensitized solar cell, characterized by a computer jet printing technique, spray pyrolysis, or photochemical deposition.
  8. 제7항에 있어서, The method of claim 7, wherein
    상기 금속의 코팅은 상기 투명기판이 회전되는 동안, 상기 투명기판에 이의 평활면의 법선방향과 경사진 방향으로 상기 금속이 입사됨으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.The coating of the metal is a method of manufacturing a dye-sensitized solar cell, characterized in that the metal is incident on the transparent substrate in the direction of the normal and inclined direction of the smooth surface while the transparent substrate is rotated.
  9. 제7항에 있어서, 상기 (c) 단계의 양극 산화처리는 인-시투(in-situ)로 수행되는 것을 특징으로 염료감응 태양전지의 제조방법.The method of manufacturing a dye-sensitized solar cell according to claim 7, wherein the anodic oxidation treatment of step (c) is performed in-situ.
  10. 제7항에 있어서, 상기 복수개의 금속산화물은 상기 투명기판의 평활면에 수직한 방향으로 서로 나란히 배치된 것을 특징으로 염료감응 태양전지의 제조방법.The method of claim 7, wherein the plurality of metal oxides are arranged side by side in a direction perpendicular to the smooth surface of the transparent substrate.
  11. 제7항에 있어서, 상기 금속은 Ti 및 이의 합금 중 적어도 1종을 포함하는 것을 특징으로 염료감응 태양전지의 제조방법.The method of claim 7, wherein the metal comprises at least one of Ti and an alloy thereof.
  12. 제11항에 있어서, 상기 (c) 단계의 양극 산화처리시 사용되는 전해질은 과산화수소(H2O2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.The method of manufacturing a dye-sensitized solar cell according to claim 11, wherein the electrolyte used in the anodic oxidation treatment of step (c) comprises hydrogen peroxide (H 2 O 2 ).
  13. 제11항에 있어서, 상기 (c) 단계의 양극 산화처리시 사용되는 전해질은 불소 이온을 함유하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.The method of manufacturing a dye-sensitized solar cell according to claim 11, wherein the electrolyte used in the anodic oxidation treatment of step (c) contains fluorine ions.
  14. 제12항에 있어서, 상기 전해질은 불소이온(F-), 염소이온(Cl-) 및 황산이온(SO4 2-)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 이온을 함유하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.The dye-sensitized aspect of claim 12, wherein the electrolyte contains at least one ion selected from the group consisting of fluorine ion (F ), chlorine ion (Cl ) and sulfate ion (SO 4 2- ). Method for producing a battery.
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