WO2013069929A1 - 염료감응 태양전지 모듈의 염료 재활용 방법 - Google Patents

염료감응 태양전지 모듈의 염료 재활용 방법 Download PDF

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porous oxide
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배호기
조주열
양휘찬
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Dongjin Semichem Co Ltd
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    • Y02W30/82—Recycling of waste of electrical or electronic equipment [WEEE]

Definitions

  • the present invention relates to a dye adsorption method, and more particularly, to a dye recycling method of a dye-sensitized solar cell (DSC) module which extracts and recycles a dye from a waste dye solution that has undergone dye adsorption.
  • DSC dye-sensitized solar cell
  • Dye-sensitized solar cells have the potential to replace conventional amorphous silicon solar cells because their manufacturing cost is significantly lower than that of conventional silicon-based solar cells. It is a photoelectrochemical solar cell whose main constituent material is a dye molecule capable of absorbing to generate an electron-hole pair, and a transition metal oxide for transferring the generated electrons.
  • the unit cell structure of a general dye-sensitized solar cell is based on a transparent substrate and a conductive transparent electrode formed on the surface of the transparent substrate, respectively, and a transition of dye adsorbed on the surface of the conductive transparent electrode on one side corresponding to the first electrode A metal oxide porous layer is formed, a catalyst thin film electrode is formed on the other conductive transparent electrode corresponding to the second electrode, and an electrolyte is filled between the transition metal oxide, eg, TiO 2 , the porous electrode and the catalyst thin film electrode.
  • the electrolyte dependence of the dye-sensitized solar cell depends on the diffusion rate of the electrolyte, and the diffusion rate is a semi-solid or high Compared with the body type, the diffusion speed is high, so the photoelectric conversion efficiency is excellent.
  • Such dye-sensitized solar cell modules require an adsorption process in which a bond between a dye and a metal oxide occurs.
  • the adsorption process of the dye-sensitized solar cell module of the prior art uses a method of forming a dye molecule layer by covalent bonding force between a metal oxide and a dye molecule by immersing a transparent electrode coated with a metal oxide in a dye solution.
  • This adsorption process is a long process that takes about 24 hours, which is a factor of lowering the productivity of the module.
  • the dye molecules are adsorbed on the metal oxide, the transparent electrode is removed from the dye solution, and then the remaining waste dye solution is discarded.
  • the present invention is to provide a dye recycling method of the dye-sensitized solar cell module to extract and recycle the dye from the waste dye solution using an electric field.
  • the present invention has the effect of extracting and recycling the dye from the waste dye solution after the dye adsorption process.
  • the present invention has the effect of improving the adsorption rate of the dye using an electric field in the dye recycling method.
  • the present invention has the effect of improving the dye adsorption performance by dissociating the dye is physically aggregated according to the electric field application conditions of the electric field application direction, time, voltage applied.
  • the present invention has the effect of improving the adsorption amount by controlling the adsorption direction of the dye by the control of the power supply position.
  • the present invention has the effect of improving the dye adsorption performance through physical methods such as vibration, ultrasonic waves, and chemical methods such as additives during dye adsorption using an electric field.
  • the present invention has the effect of maximizing the adsorption performance by arranging the first conductive substrate of the positive electrode (+) and the second conductive substrate of the negative electrode (-) and the spacing of the electrodes between the first conductive substrate and the second conductive substrate densely. There is.
  • FIG. 1 is a view briefly showing the structure of a dye-sensitized solar cell module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a dye adsorption method for extracting a dye using an electric field according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a view showing a dye recycling method for extracting and recycling dye from the waste dye solution after the dye adsorption process according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing the adsorption direction control according to the control of the power application position according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an arrangement of electrode gaps according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a view briefly showing the structure of a dye-sensitized solar cell module according to an embodiment of the present invention.
  • the counter electrode substrate on which the working electrode (photoelectrode) substrate 100 on which the first transparent electrode 120 is formed and the second transparent electrode 220 disposed opposite thereto are formed.
  • the 200 is laminated by the encapsulant 250, and the electrolyte 240 is injected between the working electrode substrate 100 and the counter electrode substrate 200.
  • the first transparent electrode 120 is formed on the first transparent substrate 110, and the porous oxide semiconductor layer 130 on which the dye 140 is adsorbed on the surface is formed.
  • the porous oxide semiconductor layer 130 absorbs the dye 140 that absorbs external light and generates electrons on the surface thereof.
  • the dye 140 may be formed of a metal composite including aluminum (Al), platinum (Pt), palladium (Pd), europium (Eu), lead (Pb), iridium (Ir), ruthenium (Ru), and the like.
  • the first transparent substrate 110 serving as a support for supporting the first transparent electrode 120 should be formed to be transparent to allow incidence of external light, and may be made of, for example, transparent glass or plastic.
  • plastics include polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate (PC), polypropylene (PP), polyimide (PET). Poly-imide (PI), Tri Acetyl Cellulose (TAC), and the like.
  • the first transparent electrode 120 formed on the first transparent substrate 110 may include indium tin oxide (ITO), fluorine tin oxide (FTO), and antimony tin oxide (ATO). , Zinc oxide, tin oxide, ZnOGa 2 O 3 , ZnO-Al 2 O 3, or a transparent material.
  • the first transparent electrode 120 may be formed of a single film or a laminated film of a transparent material.
  • the second transparent substrate 210 disposed to face the first transparent substrate 110 serves as a support for supporting the second transparent electrode 220 and the catalyst electrode 230, the first transparent substrate 110 It may be made of transparent glass or plastic, such as.
  • the second transparent electrode 220 and the catalyst electrode 230 formed on the second transparent substrate 210 are formed to face the first transparent electrode 120.
  • the second transparent electrode 220 may be made of a transparent material such as indium tin oxide, fluorine oxide, antimony tin oxide, zinc oxide, tin oxide, ZnOGa 2 O 3 , ZnO-Al 2 O 3 , and the catalyst electrode 230 ) Serves to activate the redox couple, and may be composed of platinum, ruthenium, palladium, iridium, rhodium (Rh), osmium (Os), carbon (C), WO 3 , TiO 2 , and the like. Can be.
  • FIG. 2 is a view showing a dye adsorption method for extracting a dye using an electric field according to an embodiment of the present invention.
  • the first conductive substrate 400 coated with the porous oxide semiconductor layer 410 is immersed in the dye solution 310, and the positive electrode (+) is applied to the porous oxide semiconductor layer 410.
  • the second conductive substrate 500 on which the porous oxide semiconductor layer 410 is not applied is immersed in the dye solution 310 and then a negative electrode (-) is applied.
  • the first conductive substrate 400 and the second conductive substrate 500 may be any materials as long as the materials through which electricity flows.
  • the dye means a dye component including TBA (Terabutyl Ammonium) for convenience of description, but is not limited thereto, any component may be used as long as it is a dye component that is ionized.
  • TBA Tebutyl Ammonium
  • the dye solution 310 is dissociated with H +, desorbed TBA (Terabutyl Ammonium) +, COO-, and the first conductive substrate 400 of the positive electrode (+) when the electric field is applied, H + , TBA + is moved to the second conductive substrate 500 having the negative electrode ( ⁇ ).
  • H + desorbed TBA (Terabutyl Ammonium) +, COO-
  • H + , TBA + is moved to the second conductive substrate 500 having the negative electrode ( ⁇ ).
  • the dye adsorption process described above applies an electric field to improve the adsorption rate of the dye, but the dye adsorption process may be performed without applying an electric field.
  • the ionized -charged dye component (COO-) and the ionized + charged dye component (H + and desorbed TBA +) are dissociated to partially remove the waste dye solution 320. Will remain.
  • the dye is extracted from the waste dye solution 320 and recycled.
  • a method of extracting and recycling dye from the waste dye solution 320 will be described.
  • Figure 3 is a view showing a dye recycling method for extracting and recycling dye from the waste dye solution after the dye adsorption process according to an embodiment of the present invention.
  • the third conductive substrate 600 and the fourth conductive substrate 700 on which the porous oxide semiconductor layer 410 is not applied are immersed in the waste dye solution 320.
  • a positive electrode (+) is applied to the conductive substrate 600 and a negative electrode ( ⁇ ) is applied to the fourth conductive substrate 700.
  • the electric field applied intensity is 0-100 volts, which is an electric field intensity for optimizing dye adsorption performance in which the dye component and the porous oxide semiconductor layer 410 are not damaged. If the field applied intensity is more than 100 volts, the dye 140 may be damaged due to electrolysis.
  • the third conductive substrate 600 on which the dye component having a negative charge is adsorbed is supported in a container (not shown) in which a solvent (ethanol, etc.) capable of dissolving the dye is stored.
  • a solvent ethanol, etc.
  • the dye component having a negative charge is dissolved by the solvent, and only the dye component is collected when the solvent is evaporated.
  • the collected (-) charged dye component is a dye that lacks TBA stoichiometrically by changing the PH conditions to be able to recycle the dye by adding TBA.
  • the collected (-) charged dye component is a dye 140 containing all of the TBA, it is possible to immediately recycle the dye component from the third conductive substrate 600.
  • the dye attached to the (+) electrode is divided into a case where there is no one or two TBAs in the dye component carrying a (-) charge.
  • TBA Trigger-Amino-2-Propane-Biphenyl-N-phenyl-N-phenyl-N-phenyl-N-phenyl-N-phenyl-N-phenyl-N-phenyl-N-phenyl-N-phenyl-N-phenyl-N-phenyl-N-phenyl-N-phenyl-N-phenyl-N-phenyl-N-N-N-N-N719 dye structure.
  • a plurality of the third conductive substrate 600, which is the positive electrode (+), and the fourth conductive substrate 700, which is the negative electrode (-), are supported on the waste dye solution 320 of the reservoir 300, and each third conductivity is applied when an electric field is applied.
  • the dye component having a negative charge adsorbs on the surface of the substrate 600.
  • a dye is adsorbed by applying a positive electrode (+) to the porous oxide semiconductor layer 410 of the first conductive substrate 400 and a negative electrode ( ⁇ ) to the second conductive substrate 500.
  • the particles are physically aggregated without being adsorbed to the porous oxide semiconductor layer 410.
  • the negatively charged dye component is transferred to the second conductive substrate 500 by electrical attraction. In other words, the physical agglomeration between the dyes is dissociated to improve the adsorption performance of the dyes.
  • the performance of dye adsorption is improved by controlling electric field application conditions such as an electric field application direction, magnitude of applied voltage, and time for changing electric field polarity.
  • the polarity of the dyes is prevented by changing the positive polarity (+) and the negative electrode (-) of the electric field polarity of the porous oxide semiconductor layer 410 and the second conductive substrate 500 every 30 minutes, dye absorption performance is improved. It can be improved.
  • the direction in which the dye is adsorbed may be controlled by changing a position where power is applied to the first conductive substrate 400 up and down.
  • the first conductive substrate 400 When power is applied to the upper side of the first conductive substrate 400, the dye adsorption direction is formed on the upper side of the first conductive substrate 400, so that dye is less likely to be adsorbed at another position. Therefore, the first conductive substrate 400 applies power to a position where the adsorption of the dye of the porous oxide semiconductor layer 410 is less so that the dye of the porous oxide semiconductor layer 410 is evenly adsorbed.
  • the area of the second conductive substrate 500, which is the negative electrode (-), is larger than the area of the first conductive substrate 400, which is the positive electrode, to concentrate the electric field toward the positive side, thereby improving dye adsorption performance. have.
  • Physical / chemical methods may be used to improve dye adsorption performance.
  • the first conductive substrate 400 coated with the porous oxide semiconductor layer 410 and the second conductive substrate 500 not coated with the porous oxide semiconductor layer 410 are stored in the storage tank 300 in which the dye solution 310 is stored. Immersion is performed to apply a positive electrode (+) to the first conductive substrate 400 and a negative electrode ( ⁇ ) to the second conductive substrate 500.
  • the chemical composition is not chemically bonded to the porous oxide semiconductor layer 410, but is simply aggregated (-) charge.
  • the dye is desorbed to perform the physical method during dye adsorption to improve dye adsorption so that the dye component can be bonded to the surface where the dye component is not bonded in the porous oxide semiconductor layer 410.
  • the chemical method of improving the dye adsorption performance is an electric field in a state in which a substance (e.g., electrolyte additive (Ionic Liquid, Electrolyte Salt, etc.), dye additive (DINOHP)) is added to the reservoir 300 in addition to the dye solution 310.
  • a substance e.g., electrolyte additive (Ionic Liquid, Electrolyte Salt, etc.), dye additive (DINOHP)
  • a dye is adsorbed on the surface of the porous oxide semiconductor layer 410 and a material effective for preventing reverse electrons is adsorbed between the dye and the dye to form a reverse electron blocking layer.
  • the porous oxide semiconductor layer 410 is supported by an acid treatment solution (pH ⁇ 3) to perform an acid treatment followed by a dye adsorption process to perform dye adsorption performance. It can be improved.
  • the acidity of the acid treatment solution has a pH of 3 or more, an acid treatment effect of enhancing anchoring groups and dye adsorption of dyes on the surface of the porous oxide semiconductor layer 410 during acid treatment of the surface of the porous oxide semiconductor layer 410 is reduced.
  • Dye adsorption capacity may be impaired.
  • the chemical method it is possible to improve the dye adsorption performance by controlling the range of the internal temperature conditions of the storage tank 30 to 30-70 °C when applying the electric field.
  • the temperature is 70 degrees or higher, the solvent constituting the dye solution may be volatilized to change the concentration.
  • first conductive substrates 400 that are positive electrodes (+) and second conductive substrates 500 that are negative electrodes ( ⁇ ) are supported in a storage tank 300.
  • the positive electrode (+) and the negative electrode (-) is disposed at the intersection and the electrode gap between the first conductive substrate 400 and the second conductive substrate 500 is densely arranged to maximize the adsorption performance.
  • the electrode spacing range means a point where the adsorption performance of the porous oxide semiconductor layer 410 of the first conductive substrate 400 is maximized by making the electrode spacing as compact as possible, and preferably 0-5 cm.
  • the electrode interval is 5 cm or more, the electrical strength is weakened, there is a disadvantage that the amount of dye adsorption falls.
  • the present invention has the effect of extracting and recycling the dye from the waste dye solution after the dye adsorption process.
  • the present invention has the effect of improving the adsorption rate of the dye using an electric field in the dye recycling method.
  • the present invention has the effect of improving the dye adsorption performance by dissociating the dye is physically aggregated according to the electric field application conditions of the electric field application direction, time, voltage applied.
  • the present invention has the effect of improving the adsorption amount by controlling the adsorption direction of the dye by the control of the power supply position.
  • the present invention has the effect of improving the dye adsorption performance through physical methods such as vibration, ultrasonic waves, and chemical methods such as additives during dye adsorption using an electric field.
  • the present invention has the effect of maximizing the adsorption performance by arranging the first conductive substrate of the positive electrode (+) and the second conductive substrate of the negative electrode (-) and the spacing of the electrodes between the first conductive substrate and the second conductive substrate densely. There is.

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Abstract

염료감응 태양전지 모듈의 염료 재활용 방법은, 다공질 산화물 반도체층이 도포된 전도성 기판을 저장조에 담긴 염료용액에 침지시키고, 다공질 산화물 반도체층에 제1 염료가 흡착되는 염료 흡착 단계; 제1 염료가 흡착되고 남은 폐염료용액에 다공질 산화물 반도체층이 도포되지 않은 제N 전도성 기판(N은 홀수로 된 상수)과 제N+1 전도성 기판을 침지시키고 제N 전도성 기판에 정극(+)을, 제N+1 전도성 기판에 부극(-)을 인가하는 전계 인가 단계; 및 제N 전도성 기판에 흡착된 제2 염료를 염료를 녹이는 용매에 녹여 분리하는 염료 수거 단계를 포함한다.

Description

염료감응 태양전지 모듈의 염료 재활용 방법
본 발명은 염료 흡착 방법에 관한 것으로서, 특히 염료 흡착 과정을 거친 폐염료용액으로부터 염료를 추출하여 재활용하는 염료감응 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell, DSC) 모듈의 염료 재활용 방법에 관한 것이다.
1991년도 스위스 로잔공대(EPFL)의 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 연구팀에 의해 염료감응 나노입자 산화티타늄 태양전지가 개발된 이후, 이 분야에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. 염료감응 태양전지는 기존의 실리콘계 태양전지에 비해 제조 단가가 현저하게 낮기 때문에 기존의 비정질 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 가능성을 가지고 있으며, 또한, 염료감응 태양전지는 실리콘 태양전지와 달리 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성할 수 있는 염료분자, 및 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물을 주요 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다.
일반적인 염료감응 태양전지의 단위 셀 구조는 투명한 기판과 그 투명기판의 표면에 각각 형성되는 도전성 투명전극을 기본으로 하여, 제1 전극에 해당하는 일측의 도전성 투명전극 위에는 그 표면에 염료가 흡착된 전이금속 산화물 다공질 층이 형성되고, 제2 전극에 해당하는 타측 도전성 투명전극 위에는 촉매 박막전극이형성되며, 상기 전이금속 산화물, 예를 들면, TiO2, 다공질 전극과 촉매 박막전극 사이에는 전해질이 충진되는 구조를 갖는다. 즉, 염료감응 태양전지는 정공 전달 매개체로서 전해질을 사용하며, 이러한 염료감응 태양전지의 전해질 의존성은 전해질의 확산속도에 의존하며, 확산속도는 액체상태의 유기용매나 이온액체전해질이 반고체형이나 고체형에 비교하여 확산속도가 크기 때문에 광전변환 효율 성능이 우수하다.
이러한 염료감응 태양전지 모듈은 염료와 금속 산화물 간의 결합이 발생하는 흡착 공정이 필요하게 된다. 종래 기술의 염료감응 태양전지 모듈의 흡착 공정은 금속 산화물이 도포된 투명전극을 염료용액에 침지시켜서 금속 산화물과 염료 분자 사이의 공유 결합력에 의해 염료 분자층을 형성하는 방법을 사용하고 있다.
이러한 흡착 공정은 약 24 시간이 소요되는 긴 공정으로 모듈의 생산성 저하의 요인이 되었다.
종래 기술의 염료감응 태양전지 모듈의 흡착 공정은 금속 산화물에 염료 분자가 흡착되고 투명전극을 염료용액에서 제거한 후, 남아있는 폐염료용액을 버리게 된다.
그러나 이렇게 버려지는 염료는 염료감응 태양전지 모듈의 제조 비용의 많은 부분을 차지하고 있어서 DSC 모듈의 제조 단가를 높이게 되는 등 경제성 측면에서 많은 문제점이 있었다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 전계를 이용하여 폐염료용액으로부터 염료를 추출하여 재활용하는 염료감응 태양전지 모듈의 염료 재활용 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 염료감응 태양전지 모듈의 염료 재활용 방법은,
다공질 산화물 반도체층이 도포된 전도성 기판을 저장조에 담긴 염료용액에 침지시키고, 다공질 산화물 반도체층에 제1 염료가 흡착되는 염료 흡착 단계; 제1 염료가 흡착되고 남은 폐염료용액에 다공질 산화물 반도체층이 도포되지 않은 제N 전도성 기판(N은 홀수로 된 상수)과 제N+1 전도성 기판을 침지시키고 제N 전도성 기판에 정극(+)을, 제N+1 전도성 기판에 부극(-)을 인가하는 전계 인가 단계; 및 제N 전도성 기판에 흡착된 제2 염료를 염료를 녹이는 용매에 녹여 분리하는 염료 수거 단계를 포함한다.
전술한 구성에 의하여, 본 발명은 염료 흡착 과정을 거친 폐염료용액으로부터 염료를 추출하여 재활용하는 효과가 있다.
본 발명은 염료 재활용 방법에서 전계를 이용하여 염료의 흡착 속도를 향상시키는 효과가 있다.
본 발명은 전계 인가 방향, 시간, 인가 전압 크기의 전계 인가 조건에 따른 물리적으로 응집되어 있는 염료가 해리되어 염료 흡착 성능을 개선하는 효과가 있다.
본 발명은 전원 인가 위치의 제어에 의한 염료의 흡착 방향성을 제어하여 흡착량을 개선하는 효과가 있다.
본 발명은 전계를 이용한 염료 흡착시 진동, 초음파 등의 물리적인 방법과 첨가제 등의 화학적인 방법을 통해 염료 흡착 성능을 개선하는 효과가 있다.
본 발명은 정극(+)인 제1 전도성 기판과 부극(-)인 제2 전도성 기판을 교차로 배치하고 제1 전도성 기판과 제2 전도성 기판 간의 전극의 간격을 조밀하게 배치하여 흡착 성능을 극대화시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈의 구조를 간략하게 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전계를 이용한 염료를 추출하는 염료 흡착 방법을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 염료 흡착 과정을 거친 폐염료용액으로부터 염료를 추출하여 재활용하는 염료 재활용 방법을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전원 인가 위치의 제어에 따른 흡착 방향성 제어를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전극 간격의 배치를 나타낸 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100: 작동전극 기판
200: 상대전극 기판
110: 제1 투명기판
120: 제1 투명전극
130, 410: 다공질 산화물 반도체층
140: 염료
200: 상대전극 기판
210: 제2 투명기판
220: 제2 투명전극
230: 촉매전극
240: 전해질
250: 봉지재
300: 저장조
310: 염료용액
320: 폐염료용액
400: 제1 전도성 기판
500: 제2 전도성 기판
600: 제3 전도성 기판
700: 제4 전도성 기판
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈의 구조를 간략하게 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈은 제1 투명전극(120)이 형성된 작동전극(광전극) 기판(100)과 이에 대향하여 배치된 제2 투명전극(220)이 형성된 상대전극 기판(200)을 봉지재(250)에 의해 합지하고, 작동전극 기판(100)과 상대전극 기판(200) 사이에 전해질(240)이 주입된 구조로 되어 있다.
작동전극 기판(100)은 제1 투명기판(110) 상에 제1 투명전극(120)이 형성되고, 그 위에 염료(140)를 표면에 흡착한 다공질 산화물 반도체층(130)이 형성된다.
이러한 다공질 산화물 반도체층(130)은 표면에 외부광을 흡수하여 전자를 생성하는 염료(140)가 흡착된다. 염료(140)는 알루미늄(Al), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 유로퓸(Eu), 납(Pb), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 등을 포함하는 금속 복합체로 이루어질 수 있다.
제1 투명전극(120)을 지지하는 지지체 역할을 하는 제1 투명기판(110)은 외부광의 입사가 가능하도록 투명하게 형성되어야 하며, 예를 들어, 투명한 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 플라스틱의 구체적인 예로는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Poly Ethylene Terephthalate, PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(Poly Ethylene Naphthalate: PEN), 폴리카보네이트(Poly-Carbonate: PC), 폴리프로필렌(Poly-Propylene: PP), 폴리이미드(Poly- Imide: PI), 트리 아세틸 셀룰로오스(Tri Acetyl Cellulose: TAC) 등을 들 수 있다.
제1 투명기판(110)에 형성되는 제1 투명전극(120)은 인듐 틴 산화물(Indium Tin Oxide: ITO), 플루오르 틴 산화물(Fluorine Tin Oxide: FTO), 안티몬 틴 산화물(Antimony Tin Oxide: ATO), 징크 산화물(Zinc Oxide), 틴 산화물(Tin Oxide), ZnOGa2O3, ZnO-Al2O3 등의 투명 물질로 이루어질 수 있다. 제1 투명전극(120)은 투명 물질의 단일막 또는 적층막으로 이루어질 수 있다.
한편, 제1 투명기판(110)에 대향 배치되는 제2 투명기판(210)은 제2 투명전극(220) 및 촉매전극(230)을 지지하는 지지체 역할을 하는 것으로, 제1 투명기판(110)과 같이 투명한 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다.
제2 투명기판(210)에 형성되는 제2 투명전극(220) 및 촉매전극(230)은 제1 투명전극(120)과 대향 배치되도록 형성된다. 제2 투명전극(220)은 인듐 틴 산화물, 플루오르 틴 산화물, 안티몬 틴 산화물, 징크 산화물, 틴 산화물, ZnOGa2O3, ZnO-Al2O3 등의 투명 물질로 이루어질 수 있고, 촉매전극(230)은 산화-환원 쌍(Redox couple)을 활성화시키는 역할을 하는 것으로, 백금, 루테늄, 팔라듐, 이리듐, 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 탄소(C), WO3, TiO2 등으로 이루질 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전계를 이용한 염료를 추출하는 염료 흡착 방법을 나타낸 도면이다.
염료용액(310)이 저장된 저장조(300)에는 다공질 산화물 반도체층(410)이 도포된 제1 전도성 기판(400)을 염료용액(310)에 침지시키고 다공질 산화물 반도체층(410)에 정극(+)을 인가하며, 다공질 산화물 반도체층(410)이 도포되지 않은 제2 전도성 기판(500)을 염료용액(310)에 침지시킨 후 부극(-)을 인가한다. 제1 전도성 기판(400)과 제2 전도성 기판(500)은 전기가 흐르는 물질이면 어떠한 물질도 가능하다.
제1 전도성 기판(400)과 제2 전도성 기판(500)에 전계를 인가하게 되면, 전기적인 인력이 발생하여 다공질 산화물 반도체층(410)의 표면에 염료가 흡착된다.
여기서, 염료는 설명의 편의를 위해 TBA(Terabutyl Ammonium)를 포함한 염료 성분을 의미하나 이에 한정되지 않고 이온화되는 염료 성분이면 어떠한 성분도 가능하다.
다시 말해, 염료용액(310)은 H+, 탈착된 TBA(Terabutyl Ammonium)+, COO-로 된 염료가 해리되어 있으며, 전계 인가시 염료가 정극(+)인 제1 전도성 기판(400)으로, H+, TBA+가 부극(-)인 제2 전도성 기판(500)으로 이동하게 된다.
전술한 염료 흡착 공정은 염료의 흡착 속도를 개선하기 위해서 전계를 인가하고 있지만, 전계를 인가하지 않고 염료 흡착 공정을 진행할 수도 있다.
이렇게 염료 흡착 공정이 완료되면, 이온화된 -전하를 띠는 염료 성분(COO-)과, 이온화된 +전하를 띠는 염료 성분(H+와 탈착된 TBA+)이 해리되어 폐염료용액(320)에 일부 남게 된다. 이러한 폐염료용액(320)에서 염료를 추출하여 재활용하게 되는데, 이하에서, 폐염료용액(320)에서 염료를 추출하여 재활용하는 방법을 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 염료 흡착 과정을 거친 폐염료용액으로부터 염료를 추출하여 재활용하는 염료 재활용 방법을 나타낸 도면이다.
폐염료용액(320)이 저장된 저장조(300)에는 다공질 산화물 반도체층(410)이 도포되지 않은 제3 전도성 기판(600)과 제4 전도성 기판(700)을 폐염료용액(320)에 침지시키고 제3 전도성 기판(600)에 정극(+)을, 제4 전도성 기판(700)에 부극(-)을 인가한다.
전계 인가시 저장조(300)에 이온화된 -전하를 띠는 염료 성분(COO-)이 제3 전도성 기판(600)으로, 이온화된 (+)전하를 띠는 염료 성분(H+와 탈착된 TBA+)이 제4 전도성 기판(700)으로 이동하게 된다. 여기서, 전계 인가 세기는 0-100볼트로서, 염료 성분과 다공질 산화물 반도체층(410)이 손상되지 않는 염료 흡착 성능을 최적화시키는 전계의 세기이다. 전계 인가 세기가 100볼트 이상인 경우, 전기 분해로 인해 염료(140)가 손상을 받을 수 있다.
(-)전하를 띠는 염료 성분이 흡착된 제3 전도성 기판(600)은 염료를 녹일 수 있는 용매(에탄올 등)가 저장된 용기통(미도시)에 담지된다. 용기통에는 용매에 의해 (-)전하를 띠는 염료 성분이 용해되고, 용매를 증발시키면 염료 성분만 수거된다. 이때, 수거된 (-)전하를 띠는 염료 성분은 TBA가 화학양론적으로 부족한 염료로 PH 조건을 변화시켜 TBA를 추가하여 염료의 재활용이 가능하게 되는 것이다.
만약, 수거된 (-)전하를 띠는 염료 성분이 TBA가 모두 포함된 염료(140)인 경우, 제3 전도성 기판(600)으로부터 염료 성분을 탈착 즉시 재활용이 가능하다.
다시 말해, (+)전극에 부착되는 염료는 (-)전하를 띠는 염료 성분에 TBA가 없거나 1개 또는 2개 있는 경우로 구분된다.
(-)전하를 띠는 염료 성분에 TBA가 없거나 1개 있는 경우, PH 조건을 달리하여 TBA를 2개 붙도록 추가 처리 공정을 통하면 재활용이 가능한 것이고, TBA가 2개 있는 경우 (-)전하를 띠는 염료 성분을 탈착 즉시 재활용이 가능한 것이다. 염료(140)의 종류가 N719 염료 구조인 경우 TBA가 2개 붙어 있는 것이 가장 효율적이기 때문이다.
양극(+)인 제3 전도성 기판(600)과 음극(-)인 제4 전도성 기판(700)을 저장조(300)의 폐염료용액(320)에 복수개 담지하고, 전계 인가시 각각의 제3 전도성 기판(600)의 표면에 (-)전하를 띠는 염료 성분이 흡착하게 된다.
이하에서는 도 2에 도시된 염료 흡착 방법 중 염료 흡착의 성능을 개선하는 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1 전도성 기판(400)의 다공질 산화물 반도체층(410)에 양극(+)을 제2 전도성 기판(500)에 부극(-)을 인가하여 염료를 흡착하게 된다.
이때, 다공질 산화물 반도체층(410)에 부극(-)을 제2 전도성 기판(500)에 양극(+)을 인가하여 극성을 변경하면, 다공질 산화물 반도체층(410)에 흡착되지 않고 물리적으로 응집되어 있는 (-)전하를 띠는 염료 성분이 전기적 인력으로 제2 전도성 기판(500)으로 이동하게 된다. 즉, 염료 간 물리적으로 응집되어 있는 것을 해리하게 되어 염료의 흡착 성능을 개선한다.
다공질 산화물 반도체층(410)과 제2 전도성 기판(500)의 전계 극성을 일정 시간의 단위 싸이클마다 반복하여 변경함으로써 염료 간의 응집 현상을 방지하여 염료 흡착 성능을 개선할 수 있다.
전계 극성을 변경하는 전계 인가 방향, 인가 전압의 크기, 시간 등의 전계 인가 조건을 제어하여 염료 흡착의 성능을 개선하게 된다.
예를 들면, 다공질 산화물 반도체층(410)과 제2 전도성 기판(500)의 전계 극성을 30분 단위마다 양극(+)과 부극(-)을 변경하여 염료 간의 응집 현상을 방지하므로 염료 흡착 성능을 개선할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제1 전도성 기판(400)에 전원이 인가되는 위치를 상하로 변경하여 염료가 흡착되는 방향을 제어할 수 있다.
제1 전도성 기판(400)의 상부측에 전원이 인가되면, 제1 전도성 기판(400)의 상부측으로 염료 흡착 방향이 형성되기 때문에 다른 위치에 염료가 상대적으로 흡착이 덜 되는 경향이 있다. 따라서, 제1 전도성 기판(400)은 다공질 산화물 반도체층(410)의 염료의 흡착이 적은 위치에 전원을 인가하여 다공질 산화물 반도체층(410)의 골고루 염료가 흡착이 되도록 한다.
부극(-)인 제2 전도성 기판(500)의 면적을 정극(+)인 제1 전도성 기판(400)의 면적보다 크게 하여 정극(+) 측을 향한 전기장을 집중시키므로 염료 흡착 성능을 개선할 수 있다.
염료 흡착 성능을 향상시키는 방법으로 물리적/화학적 방법을 이용할 수 있다.
다공질 산화물 반도체층(410)이 도포된 제1 전도성 기판(400)을, 다공질 산화물 반도체층(410)이 도포되지 않은 제2 전도성 기판(500)을 염료용액(310)이 저장된 저장조(300)에 침지시키고 제1 전도성 기판(400)에 정극(+)을, 제2 전도성 기판(500)에 부극(-)을 인가한다.
이때 저장조(300)에 온도를 높이거나 초음파 또는 물리적인 진동을 가하여 다공질 산화물 반도체층(410)에 화학적 결합(Chemical Bonding)이 되어 있지 않고 단순히 집합(Aggregation)된 (-)전하를 띠는 염료 성분을 탈착시킨다.
이러한 집합된 염료 성분을 탈착시켜 다공질 산화물 반도체층(410)에서 염료 성분이 결합되지 않은 면에 염료 성분을 결합할 수 있도록 염료 흡착시 물리적인 방법을 수행하여 염료 흡착 능력을 향상시킨다.
염료 흡착 성능을 향상시키는 화학적 방법은 저장조(300)에 염료용액(310) 이외에 역전자 방지에 유효한 물질(전해질 첨가제(Ionic Liquid, Electrolyte Salt 등), 염료 첨가제(DINOHP))를 추가한 상태에서 전계를 인가하는 경우, 다공질 산화물 반도체층(410)의 표면에 염료가 흡착되고 염료와 염료 사이에 역전자 방지에 유효한 물질이 흡착되어 역전자 방지층이 형성된다.
화학적 방법의 다른 실시예로서, 염료 흡착 공정을 수행하기 전 다공질 산화물 반도체층(410)을 산처리 용액(pH < 3)에 담지하여 산처리를 수행한 후 염료 흡착 공정을 수행하여 염료 흡착 성능을 개선할 수 있다. 산처리 용액의 산도를 pH가 3이상인 경우, 다공질 산화물 반도체층(410)의 표면 산처리시 다공질 산화물 반도체층(410)의 표면에 염료의 Anchoring기와 흡착을 강화시키는 산처리 효과가 떨어지고, 이로 인해 염료 흡착 능력이 떨어질 수 있다.
화학적 방법의 또 다른 실시예로서, 전계 인가시 저장조(30)의 내부 온도 조건의 범위를 30-70℃로 제어하여 염료 흡착 성능을 개선할 수 있다. 70도 이상의 고온인 경우, 염료 용액을 구성하는 용매가 휘발하여 농도가 변할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 정극(+)인 제1 전도성 기판(400)과 부극(-)인 제2 전도성 기판(500)을 저장조(300)에 복수개 담지한 상태이다.
즉, 정극(+)과 부극(-)을 교차로 배치하고 제1 전도성 기판(400)과 제2 전도성 기판(500) 간의 전극 간격 범위를 조밀하게 배치하여 흡착 성능을 극대화시킨다. 여기서, 전극 간격 범위는 전극의 간격을 최대한 조밀하게 하여 제1 전도성 기판(400)의 다공질 산화물 반도체층(410)의 흡착 성능이 최대화되는 지점을 의미하는 것으로 0-5㎝가 바람직하다. 전극 간격이 5㎝ 이상인 경우, 전기 강도가 약해져서 염료 흡착량이 떨어지는 단점이 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
전술한 구성에 의하여, 본 발명은 염료 흡착 과정을 거친 폐염료용액으로부터 염료를 추출하여 재활용하는 효과가 있다.
본 발명은 염료 재활용 방법에서 전계를 이용하여 염료의 흡착 속도를 향상시키는 효과가 있다.
본 발명은 전계 인가 방향, 시간, 인가 전압 크기의 전계 인가 조건에 따른 물리적으로 응집되어 있는 염료가 해리되어 염료 흡착 성능을 개선하는 효과가 있다.
본 발명은 전원 인가 위치의 제어에 의한 염료의 흡착 방향성을 제어하여 흡착량을 개선하는 효과가 있다.
본 발명은 전계를 이용한 염료 흡착시 진동, 초음파 등의 물리적인 방법과 첨가제 등의 화학적인 방법을 통해 염료 흡착 성능을 개선하는 효과가 있다.
본 발명은 정극(+)인 제1 전도성 기판과 부극(-)인 제2 전도성 기판을 교차로 배치하고 제1 전도성 기판과 제2 전도성 기판 간의 전극의 간격을 조밀하게 배치하여 흡착 성능을 극대화시키는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 염료감응 태양전지 모듈의 염료 재활용 방법에 있어서,
    다공질 산화물 반도체층이 도포된 전도성 기판을 저장조에 담긴 염료용액에 침지시키고, 상기 다공질 산화물 반도체층에 제1 염료가 흡착되는 염료 흡착 단계;
    상기 제1 염료가 흡착되고 남은 폐염료용액에 상기 다공질 산화물 반도체층이 도포되지 않은 제N 전도성 기판(N은 홀수로 된 상수)과 제N+1 전도성 기판을 침지시키고 상기 제N 전도성 기판에 정극(+)을, 상기 제N+1 전도성 기판에 부극(-)을 인가하는 전계 인가 단계; 및
    상기 제N 전도성 기판에 흡착된 제2 염료를 염료를 녹이는 용매에 녹여 분리하는 염료 수거 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 재활용 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 염료 흡착 단계는,
    상기 다공질 산화물 반도체층이 도포된 제M 전도성 기판(M은 홀수로 된 상수)을, 상기 다공질 산화물 반도체층이 도포되지 않은 제M+1 전도성 기판을 상기 저장조에 침지시키고, 상기 제M 전도성 기판에 정극(+)을, 상기 제M+1 전도성 기판에 부극(-)의 전계를 인가하여 상기 다공질 산화물 반도체층에 상기 제1 염료가 흡착되는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 재활용 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 염료가 흡착되는 단계는,
    상기 제M 전도성 기판에 부극(-)을, 상기 제M+1 전도성 기판에 양극(+)을 인가하여 전계 인가 방향을 변경하는 단계; 및
    상기 제M 전도성 기판과 상기 제M+1 전도성 기판의 전극 인가 방향을 일정 시간의 단위 싸이클마다 반복하여 변경하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 재활용 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 염료가 흡착되는 단계는,
    상기 제M 전도성 기판에서 전원 인가 위치를 상하로 변경하여 상기 제1 염료가 상기 다공질 산화물 반도체층에 흡착되는 방향을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 재활용 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 염료가 흡착되는 단계는,
    상기 제M+1 전도성 기판의 면적을 상기 제M 전도성 기판의 면적보다 크게 하는 것을 특징으로 하는 염료 재활용 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1 염료가 흡착되는 단계는,
    상기 제M 전도성 기판과 상기 제M+1 전도성 기판이 담지된 저장조에 초음파 또는 물리적인 진동을 가하여 상기 다공질 산화물 반도체층에 화학적 결합되지 않고 집합(Aggregation)된 (-)전하를 띠는 이온화된 염료 성분을 탈착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 재활용 방법.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제1 염료가 흡착되는 단계는,
    상기 제M 전도성 기판과 상기 제M+1 전도성 기판이 담지된 저장조에 염료 첨가제 또는 전해질 첨가제를 첨가한 후, 전계를 인가하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 재활용 방법.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제1 염료가 흡착되는 단계는,
    상기 제M 전도성 기판과 상기 제M+1 전도성 기판을 상기 저장조에 복수개 담지하는 단계; 및
    상기 각각의 제M 전도성 기판과 상기 제M+1 전도성 기판 간의 전극 간격의 범위를 제어하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 재활용 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전극 간격의 범위는 0㎝보다 크고 5㎝보다 작은 간격인 것을 특징으로 하는 염료 재활용 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전계 인가는 0볼트보다 크고 100볼트보다 작은 전계의 세기인 것을 특징으로 하는 염료 재활용 방법.
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