KR101381024B1 - Dye-sensitized solar cell having polymer layer and preparation method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고분자 전해질 층을 갖는 염료감응 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of manufacturing a dye-sensitized solar cell having a polymer electrolyte layer.
화석 연료의 지속적인 사용으로 인한 지구 온난화와 같은 환경 문제가 대두되고 있으며, 우라늄의 사용은 방사능의 오염 및 핵 폐기물 처리 시설과 같은 문제를 일으키고 있다. 이에 따라 대체 에너지에 대한 요구 및 연구가 진행되고 있으며, 그 중 대표적인 것이 태양 에너지를 이용하는 태양전지이다.
Environmental issues such as global warming due to the continued use of fossil fuels are on the rise, and the use of uranium is causing problems such as radioactive contamination and nuclear waste disposal facilities. Accordingly, the demand for and research on alternative energy is being progressed, and a representative one of them is a solar cell using solar energy.
태양전지란 빛이 조사되었을 때 전자와 정공을 발생시키는 광-흡수 물질을 사용하여 직접적으로 전기를 생산하는 전지를 의미한다. 1839년 프랑스의 물리학자 Beczuerel이 최초로 빛으로 유도된 화학적 반응이 전류를 발생시킨다는 광기전력을 발견하였고, 그 후 셀레늄과 같은 고체에서도 유사한 현상이 발견되었다. 1954년 Bell 연구소에서 약 6%의 효율을 보인 실리콘계열의 태양전지가 최초로 개발된 이후에 무기 실리콘을 중심으로 태양 전지의 연구가 계속되었다.
A solar cell refers to a cell that directly generates electricity using a light-absorbing material that generates electrons and holes when light is irradiated. In 1839, French physicist Beczuerel discovered the first photovoltaic that a light-induced chemical reaction generates an electric current, and then a similar phenomenon was found in solids such as selenium. Since the first solar cell of silicon-based solar cell was developed at Bell Labs in 1954 with about 6% efficiency, research on solar cell has been continued.
이와 같은 무기계 태양전지는 실리콘과 같은 무기물 반도체인 p-n 접합으로 이루어진다. 태양전지의 소재로 사용된 실리콘은 크게 단결정 또는 다결정 실리콘과 같은 결정 실리콘 계열과 비정질 실리콘 계열로 구분될 수 있다. 이 중 결정 실리콘계열은 태양 에너지를 전기 에너지로 전환하는 에너지 전환 효율이 비정질 실리콘계열에 비하여 우수하지만 결정을 성장시키기 위하여 소요되는 시간과 에너지로 인하여 생산성이 떨어진다. 한편, 비정질 실리콘 계열의 경우 결정 실리콘과 비교하여 광흡수성이 좋고 대면적화가 용이하고 생산성이 좋지만 진공 프로세서가 요구되는 등 설비 면에서 비효율적이다. 특히, 무기계 태양전지인 경우, 제조비용이 높고 전지가 진공상태에서 제조되기 때문에 가공 및 성형이 어려운 문제점이 있다.
Such an inorganic solar cell is composed of a pn junction, which is an inorganic semiconductor such as silicon. Silicon used as a solar cell material can be largely divided into crystalline silicon such as monocrystalline or polycrystalline silicon and amorphous silicon. Among them, the crystalline silicon series has an excellent energy conversion efficiency for converting solar energy into electrical energy compared to the amorphous silicon series, but the productivity is decreased due to the time and energy required to grow the crystal. On the other hand, in the amorphous silicon series, it is inefficient in terms of facilities such as good light absorptivity, large area, and high productivity as compared with crystalline silicon but requiring a vacuum processor. In particular, in the case of an inorganic solar cell, there is a problem in that the manufacturing cost is high and the processing and molding are difficult because the battery is manufactured in a vacuum state.
따라서, 상기와 같은 종래의 실리콘을 이용한 태양전지의 문제점을 대신하기 위하여 유기물질의 광기전 현상을 이용한 태양전지에 대한 연구가 시도된바 있다. 유기물 광기전 현상이란 유기물질에 빛을 조사하면 광자(proton)를 흡수하여 전자(electron)-정공(hole) 쌍이 생성되어 이를 분리하여 각각 음극 및 양극으로 전달하고 이와 같은 전하의 흐름에 의하여 전류를 발생시키는 현상이다. 즉, 통상적으로 유기계 태양전지에 있어서 전자 주개(electron donor)와 전자 받개(electron acceptor) 물질의 접합구조로 이루어진 유기물질에 빛을 조사하였을 때 전자 주개에서 전자-정공쌍이 형성되고 전자 받개로 전자가 이동함으로써 전자-정공의 분리가 이루어진다. 이와 같은 과정을 통상 "빛에 의한 전하 캐리어(charge carrier)의 여기" 또는 "광여기 전하 이동현상(photoinduced charge transfer, PICT)"라고 하는데, 빛에 의하여 생성된 캐리어들은 전자-정공으로 분리되고 외부 회로를 통하여 전력을 생산하게 된다.
Therefore, in order to replace the problems of the conventional solar cell using silicon as described above, a study on a solar cell using a photovoltaic phenomenon of an organic material has been attempted. In organic photovoltaic phenomenon, when light is irradiated to an organic material, electrons are absorbed and electron-hole pairs are generated and separated and transferred to the cathode and the anode, respectively. It is a phenomenon that occurs. That is, in an organic solar cell, when light is irradiated to an organic material having a junction structure of an electron donor and an electron acceptor material, electron-hole pairs are formed in the electron donor, and electrons are transferred to the electron acceptor. By moving, electron-hole separation occurs. This process is commonly referred to as "excitation of charge carriers by light" or "photoinduced charge transfer (PICT)", in which carriers produced by light are separated into electron-holes and Power is generated through the circuit.
기초 물리학의 관점에서 볼 때, 태양전지를 포함한 모든 태양 발전에서 생산되는 출력 전력은 빛에 의하여 발생한 광여기자의 흐름(flow)과 구동력(driving force)에 의한 생산물로 간주된다. 태양전지에서 흐름(flow)은 전류와 관계가 있으며 구동력(driving force)은 전압과 직접적으로 관련된다. 일반적으로 태양전지에서의 전압은 사용된 전극재료에 의하여 결정되며, 태양광 전환 효율은 출력 전압을 입사된 태양에너지로 나눈 값으로서 총 출력 전류는 흡수된 광자의 수에 의하여 결정된다.
From the point of view of basic physics, the output power produced by all solar power generation, including solar cells, is regarded as the product of the flow and driving force of the photoexciter generated by light. In solar cells, the flow is related to the current and the driving force is directly related to the voltage. In general, the voltage in a solar cell is determined by the electrode material used, and the solar conversion efficiency is the output voltage divided by the incident solar energy, and the total output current is determined by the number of photons absorbed.
상술한 유기물질의 광여기 현상을 이용하여 제조되는 유기 태양전지는 투명 전극과 금속 전극 사이에 전자 주개(electron donor)와 전자 받개(electron acceptor) 층을 도입하는 태양전지 또는 전자 주개(electron donor)와 전자 받개(electron acceptor)를 블렌딩(blending)하여 삽입한 단층형 태양전지로 구분될 수 있다.
The organic solar cell manufactured by using the photoexcitation phenomenon of the organic material described above is a solar cell or an electron donor that introduces an electron donor and an electron acceptor layer between the transparent electrode and the metal electrode. And a single layer solar cell inserted by blending an electron acceptor.
그러나, 통상적인 유기물질을 이용한 태양전지의 경우에 에너지 전환효율이 떨어지고 내구성에도 문제가 있었다. 이에, 1991년 스위스의 그라첼(Gratzel) 연구팀에 의하여 염료를 감광제로 이용하여 광전기화학형의 태양전지인 염료감응형 태양전지가 개발된바 있다. 그라첼 등에 의하여 제안된 광전기화학형의 태양전지는 감광성 염료 분자와 나노 입자의 이산화티탄으로 이루어지는 산화물 반도체를 이용한 광전기화학형 태양전지이다. 즉, 염료감응형 태양전지라 하면 투명 전극과 금속 전극 사이에 염료가 흡착된 산화티타늄과 같은 무기 산화물층에 전해질을 삽입하여 광전기화학 반응을 이용하여 제조되는 태양전지이다. 일반적으로 염료감응형 태양전지는 2가지 전극(반도체 전극과 상대전극)과, 무기 산화물, 염료 및 전해질로 구성되어 있는데, 염료감응형 태양전지는 환경적으로 무해한 물질/재료를 사용하기 때문에 환경친화적이고, 기존의 무기 태양전지 중 비정질 실리콘 계열의 태양전지에 버금가는 10% 정도의 높은 에너지 전환효율을 가지고 있다. 또한, 제조단가가 실리콘 태양전지의 20% 정도에 불과하여 상업화의 가능성이 매우 높은 것으로 보고된바 있다.
However, in the case of a solar cell using a conventional organic material, the energy conversion efficiency is reduced and there is a problem in durability. Thus, in 1991, Gratzel, a Swiss research team, developed a dye-sensitized solar cell, which is a photoelectrochemical solar cell using a dye as a photosensitive agent. The photoelectrochemical solar cell proposed by Gratzel et al. Is a photoelectrochemical solar cell using an oxide semiconductor composed of photosensitive dye molecules and titanium dioxide of nanoparticles. That is, a dye-sensitized solar cell is a solar cell manufactured by using an electroelectrochemical reaction by inserting an electrolyte into an inorganic oxide layer such as titanium oxide in which dye is adsorbed between a transparent electrode and a metal electrode. In general, dye-sensitized solar cells are composed of two electrodes (semiconductor electrode and counter electrode), inorganic oxides, dyes, and electrolytes. Dye-sensitized solar cells are environmentally friendly because they use environmentally harmless materials / materials. In addition, it has a high energy conversion efficiency of about 10% as compared to the amorphous silicon-based solar cells of the existing inorganic solar cells. In addition, the manufacturing cost is only about 20% of the silicon solar cell has been reported to have a very high possibility of commercialization.
광화학 반응을 이용하여 제조되는 염료감응형 태양전지는 음극(cathod)과 양극(anode) 사이에 빛을 흡수하는 염료들이 흡착되어 있는 무기 산화물층과 전자를 환원시키는 전해질층이 도입된 다층형 전지 소자 구조로서, 일반적인 염료감응 태양전지는 비전도성의 기판 위에 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide, ITO)나 플루오르 틴 옥사이드(fluorine doped tin oxide, FTO)와 같은 투명전도성 산화물을 코팅하여 전도성 코팅막을 형성하고, 전도성 코팅막 위에 나노 다공질막 형태의 반도체 전극을 형성하는데, 반도체 전극은 염료분자가 결합되는 결합부위를 제공한다. 반도체 전극을 형성하는 물질로는 TiO2, ZnO, SnO2 등과 같이 넓은 밴드갭을 갖는 n형 산화물이 사용된다. The dye-sensitized solar cell manufactured by using a photochemical reaction is a multilayer battery device in which an inorganic oxide layer in which dyes absorbing light are adsorbed between a cathode and an anode and an electrolyte layer for reducing electrons are introduced. As a structure, a general dye-sensitized solar cell forms a conductive coating film by coating a transparent conductive oxide such as indium tin oxide (ITO) or fluorine doped tin oxide (FTO) on a non-conductive substrate, A semiconductor electrode in the form of a nanoporous membrane is formed on the conductive coating layer. The semiconductor electrode provides a bonding site to which dye molecules are bonded. As a material for forming a semiconductor electrode, an n-type oxide having a wide bandgap such as TiO 2 , ZnO, SnO 2, or the like is used.
상기와 같은 종래의 염료감응 태양전지는 도 1에 나타난 바와 같이 가시광선 영역의 태양 에너지를 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성하는 염료분자와 염료를 흡착하고 염료에서 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물 반도체층(110), 태양에너지 흡수를 가능케 하면서 외부회로로 전자를 전달하는 투명 전도성 기판(120), 산화된 염료 분자를 환원시켜 주는 산화-환원 전해질층(130), 태양광의 반사도가 좋으면서 전해질의 촉매역할을 통해 환원작용을 촉진시키는 백금 박막이 증착된 전도성 기판(140)으로 구성되어 있다. 태양광이 태양전지에 흡수되면 도 1에 나타난 바와 같이, 염료분자는 바닥상태(S+/S)에서 여기 상태(S+/S*)로 들뜨게 되어 여기된 염료는 전자(e-)를 내놓아 산화된다. 여기 상태의 전자는 금속산화물 반도체의 전도띠로 주입되어 투명 전도성 박막 그리고, 외부회로를 지나 백금 전극으로 이동된다. 산화물 반도체 전극과 백금전극 사이에 위치하고 있는 산화-환원 전해질(I-/I3 -)에서 산화된 염료분자는 전해질 내의 요오드 이온의 산화에 의해 다시 환원되며 산화된 요오드 이온은 백금 전극에 도달한 전자에 의해 다시 환원되어 결국 태양광의 흡수로 전자의 이동 즉 전류의 흐름을 유도하여 태양전지의 역할을 수행하게 된다.
The conventional dye-sensitized solar cell as described above is a transition metal oxide that absorbs the dye molecules and the dye to absorb the solar energy in the visible light region to generate electron-hole pairs as shown in Figure 1 and transfer the electrons generated from the dye The
상기 태양전지의 광전변화효율은 태양광의 흡수에 의해 생성된 전자의 양에 비례하므로 효율을 증가시키기 위해서는 백금 전극의 반사율을 향상시키거나, 수 마이크로 크기의 반도체 산화물 광산란자를 혼합하여 태양광의 흡수를 증가시키거나 염료의 흡착량을 높여 전자의 생성량을 증가시키는 방법, 생성된 여기전자가 다시 전자-홀 재결합이 일어나 소멸되는 것을 막아주는 방법, 여기전자의 이동속도를 증가시키기 위한 각 계면 전극의 표면저항을 개선하는 방법 등이 있다.
Since the photoelectric change efficiency of the solar cell is proportional to the amount of electrons generated by the absorption of sunlight, in order to increase the efficiency, the reflectance of the platinum electrode is improved, or a mixture of several micro-sized semiconductor oxide light scatterers is used to increase the absorption of sunlight. Method to increase the amount of electrons generated by increasing the amount of adsorption of dyes or dyes, to prevent the generated exciton from being re-dissipated by electron-hole recombination, and the surface resistance of each interfacial electrode to increase the speed of excitation electrons. How to improve.
이러한 배경 하에서, 본 발명자들은, 간편화된 제조방법을 이용하여 전지의 효율이 향상된 염료감응 태양전지를 연구하던 중 백금층 위에 UV 조사를 통하여 고분자 패턴을 형성시킨 상대전극 및 염료와 결합한 TiO2 층을 형성시킨 작업전극을 각각 분리 제조한 후 상기 상대전극과 작업전극 사이에 중공층이 형성되도록 접합하고 상기 중공층에 전해질을 주입하는 단계를 통하여 제조한 염료감응 태양전지가 전지 효율이 향상되는 것을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
Under these circumstances, the present inventors, while studying a dye-sensitized solar cell with improved efficiency of the cell using a simplified manufacturing method, the TiO 2 layer combined with a counter electrode and a dye formed with a polymer pattern on the platinum layer through UV irradiation. After the separate manufacturing of the working electrode formed by bonding the hollow electrode is formed between the counter electrode and the working electrode and injecting an electrolyte into the hollow layer to confirm that the manufactured cell is improved cell efficiency By this, the present invention was completed.
본 발명의 목적은 고분자층을 포함하는 전지 특성이 우수한 염료감응 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
An object of the present invention is to provide a method for producing a dye-sensitized solar cell having excellent battery characteristics including a polymer layer.
상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 제1 기판(210) 일면에 마스크를 사용하여 TiO2층(220)을 제1 기판(210)의 면적 보다 적게 프린트하고 열처리하는 단계(단계 1); TiO2층(220)이 형성된 제1 기판(210)을 염료 용액에 침지하여 염료와 결합한 TiO2층(230)을 갖는 제1 전극(200)을 제조하는 단계(단계 2); 제2 기판(310)의 양 측면에 홀(320)을 형성하는 단계(단계 3); 상기 홀(320)이 형성된 제2 기판(310)의 일면에 촉매층(330)을 형성하는 단계(단계 4); 상기 촉매층(330) 상에 고분자 용액을 코팅하는 단계(단계 5); 상기 고분자에 마스크를 사용하여 UV 조사하여 고분자를 겔화시켜 상기 제2 기판(310)의 면적 보다 적게 패턴이 형성된 고분자층(340)을 형성하는 단계(단계 6); 상기 제1 전극(200)의 TiO2층(220) 및 제2 전극(300)의 고분자층(340)을 공간을 두고 마주보게 배치하는 단계(단계 7); 상기 제1 전극(200) 및 제2 전극(300) 사이에 중공층(420)이 형성되도록 접합물질을 배치하고 열처리하여 상기 제1 전극(200) 및 제2 전극(300)을 접합하는 단계(단계 8); 및 상기 접합된 제1 전극(200) 및 제2 전극(300) 사이의 중공층(420)에 상기 홀(320)을 통하여 전해질을 주입하는 단계(단계 9)를 포함하는 염료감응 태양전지(100)의 제조방법을 제공한다.
In order to solve the above problems, the present invention comprises the steps of printing and heat-treating the TiO 2 layer 220 less than the area of the
상기 제1 기판(210) 및 제2 기판(310)은 Ti-mesh로 이루어진 기판, 유리기판, 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN)기판, 폴리에터술폰(polyehtersulphone, PES)기판, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET)기판 등의 기판 일면 상에 전도층으로 FTO(fluorine-tin-oxide) 또는 ITO(indium-tin-oxide)를 코팅한 것이 바람직하다.
The
상기 단계 1은, 제1 기판(210) 위에 TiO2층(220)을 형성시키기 위하여 제1 기판(210) 일면에 마스크 및 스크린프린터를 사용하여 제1 기판(210) 보다 작은 크기로 TiO2를 프린트하고 열처리 하는 단계이다. 상기 열처리는 100℃ 내지 140℃ 온도범위에서 10분 내지 20분 동안 수행하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 프린트 및 열처리는 적정한 두께의 TiO2층(220)을 제1 기판(210) 위에 형성시키기 위하여 1번 내지 20번 반복하여 수행하는 것이 바람직하다.
In
상기 단계 2는, 염료가 결합한 TiO2층(240)을 갖는 제1 전극(200)을 얻기 위하여 상기 TiO2층(220)이 형성된 제1 기판(210)을 염료 용액에 침지하는 단계이다. 상기 침지는 8시간 내지 25시간 동안 수행하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 단계 2 이전에 다공성의 TiO2층(230)을 얻기 위하여 TiO2층(220)이 형성된 제1 기판(210)을 400℃ 내지 600℃로 소성하는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
In addition, it is preferable to further include the step of firing the
상기 단계 3은, 제2 기판(310)의 양 측면에 홀(320)을 형성하는 단계이다.
In
상기 단계 4는, 상기 홀(320)을 갖는 제2 기판(310) 상에 촉매층(330)을 형성하는 단계이다. 상기 촉매층(330)은 백금, 탄소나노튜브, 금, 그래파이트(graphite) 또는 루테늄(ruthenium) 촉매층인 것이 바람직하다. 백금 촉매층을 형성하는 경우, 상기 촉매층(330)은 상기 제2 기판(310)의 일면에 H2PtCl6 용액으로 코팅하고 열처리하여 형성될 수 있다. 코팅은 스핀코팅이 바람직하며, 열처리는 250℃ 내지 350℃ 온도범위에서 20분 내지 40분 동안 수행하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
In
상기 단계 5는, 상기 촉매층(330) 위에 고분자층(340)을 형성시키기 위하여 상기 촉매층(330) 위에 고분자 용액을 코팅하는 단계이다. 코팅은 스핀코팅이 바람직하다. In
상기 고분자는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 것이 바람직하며, UV 조사를 통하여 다공성의 고체 또는 겔 타입으로 형성되는 것이 바람직하다.The polymer is preferably a compound represented by
[화학식 1][Chemical Formula 1]
또한, 상기 고분자 용액은 상기 고분자를 감마부티로락톤(γ-butyrolactone) 또는 1-메틸-2-피롤리디논(1-methyl-2-pyrrolidinone) 용매에 용해한 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 스핀코팅은 100 rpm 내지 5000 rpm으로 수행하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
In addition, the polymer solution is preferably dissolved in the polymer gamma butyrolactone (γ-butyrolactone) or 1-methyl-2-pyrrolidinone (1-methyl-2-pyrrolidinone) solvent, but is not limited thereto. The spin coating is preferably performed at 100 rpm to 5000 rpm, but is not limited thereto.
상기 단계 6은, 제2 기판(310) 보다 작은 크기의 고분자층(340)을 갖는 제2 전극(330)을 얻기 위하여, 마스크 및 UV lamp를 이용하여 고분자층(340)을 패턴화하는 단계이다. 마스크를 사용하기 때문에 UV가 고분자에 닿는 부분만 겔화되므로, 패턴이 형성된 고분자층을 형성할 수 있다. 상기 UV 조사는 세기가 10 mW/㎠ 내지 200 mW/㎠ 이고, 조사 시간은 10분 내지 200분인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 단계 6 이후에 상기 제조된 제2 전극(300)을 아세톤에 20시간 내지 24시간 동안 침지하여 세척하는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다. 상기 세척에 의하여 겔화되지 않은 고분자를 제거할 수 있다.
In addition, it is preferable to further include a step of washing by immersing the prepared
상기 단계 7은, 상기 제1 전극(200) 및 상기 제2 전극(300)을 접합하기 위하여, 제1 전극(200)의 염료와 결합한 TiO2층(240)과 제2 전극(300)의 고분자층(340)을 공간을 두고 마주보게 위치시키는 단계이다.
Step 7 is a polymer of the TiO 2 layer 240 and the
상기 단계 8은, 상기 제1 전극(200) 및 상지 제2 전극(300) 사이에 중공층(420)이 형성되도록 접합하기 위하여, 상기 두 전극 사이에 접합물질을 배치하고 열처리하여 접합하는 단계이다. 상기의 접합물질은 제1 전극(200)의 제1 기판(210)과 제2 전극(300)의 촉매층(330)을 접합시키는 것이 바람직하며, 상기 열처리는 110℃ 내지 130℃ 온도범위에서 5분 내지 10분 동안 수행하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
In the step 8, in order to form a
상기 단계 9는, 염료감응 태양전지(100)을 얻기 위하여 상기 중공층(420)에 전해질을 주입하는 단계이다. 상기 전해질 주입은 제2 전극(300)의 일측 홀(320)을 통하여 중공층(420) 내부로 삽입하는 것이 바람직하다. 상기 전해질은 액체 전해질을 사용할 수 있으며, 아이오다이드/트리아이오다이드(Iodide/triiodide)를 만드는 요오드(iodine)와 금속 요오드화물(metal iodide)일 수 있다. 또한, 상기 전해질은 4-t-부틸피리딘(4-tert-butylpridine), 티오시안산 구아니딘(guanidine thiocyanate) 및 1-메틸-3-프로필이미다졸륨(1-methyl-3-propylimidazolium iodide)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 첨가제를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In the step 9, an electrolyte is injected into the
전해질을 주입한 후, 시간이 지남에 따라 전해질이 겔화된 고분자층(340)에 흡수되어 고분자층(340)이 스웰링(swelling) 현상을 보임으로써 전지로서 작동하게 된다. 이에 따라, 액체 전해질이 염료감응 태양전지 내부에 안정하게 위치하게 되며, 염료감응 태양전지가 파손되는 경우에도 외부로 흘러나오지 않는다는 이점도 있다.After injecting the electrolyte, the electrolyte is absorbed into the gelled
또한, 상기 염료감응 태양전지는 제2 전극(300)의 양 측면의 홀(320)이 중공층(420)과 연결되는 것이 바람직하다.
In addition, in the dye-sensitized solar cell, the
또한, 상기 단계 9 이후에 접합물질 및 유리를 이용하여 상기 제2 전극(300)의 양 측면의 홀(320)을 막아주는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
In addition, it is preferable to further include the step of blocking the
또한, 본 발명은 상기의 방법으로 제조된 염료감응 태양전지(100)를 제공한다. 본 발명에 따른 염료감응 태양전지(100)는 제2 전극(300)의 촉매층(330) 상에 고분자층(340)을 형성시킴으로써 전지 특성을 향상시킬 수 있다.
In addition, the present invention provides a dye-sensitized
상기 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법은, 두 개의 기판을 각각 제조하고 이를 접합한 후 전해질을 주입하는 과정을 거치므로, 염료감응 태양전지를 연속적인 공정으로 제조할 수 있다는 이점이 있다.
The method of manufacturing a dye-sensitized solar cell according to the present invention has the advantage of manufacturing a dye-sensitized solar cell in a continuous process since the two substrates are manufactured and bonded to each other, followed by a process of injecting an electrolyte. .
본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 고분자가 패턴화된 전극을 사용함으로써 내구성 및 성능이 향상되는 효과가 있다. The dye-sensitized solar cell according to the present invention has an effect of improving durability and performance by using an electrode in which a polymer is patterned.
또한, 본 발명의 염료감응 태양전지는 제1 전극 및 제2 전극을 각각 분리하여 제조할 수 있어, 태양전지의 대량생산을 가능하게 할 수 있다.
In addition, the dye-sensitized solar cell of the present invention can be produced by separating the first electrode and the second electrode, respectively, can enable mass production of the solar cell.
도 1은, 일반적인 염료감응 태양전지의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 전극(작업전극)을 제조하는 방법을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 전극(상대전극)을 제조하는 방법을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 마스크를 이용하여 패턴화된 고분자층의 이미지를 나타낸 것이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 구성을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 작동원리는 모식적으로 나타낸 것이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 성능 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자층의 소킹 테스트용으로 제조된 태양전지를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자층의 (a) 소킹 테스트 전 및 (b) 소킹 테스트 후의 고분자층 두께 변화 결과를 나타낸 그래프이다. 1 shows a schematic diagram of a general dye-sensitized solar cell.
2 schematically shows a method of manufacturing a first electrode (working electrode) according to an embodiment of the present invention.
3 schematically shows a method of manufacturing a second electrode (relative electrode) according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 shows an image of a patterned polymer layer using a mask according to an embodiment of the present invention.
5 schematically shows the configuration of a dye-sensitized solar cell according to an embodiment of the present invention.
6 is a schematic diagram showing the operation principle of the dye-sensitized solar cell according to the embodiment of the present invention.
Figure 7 is a graph showing the performance evaluation results of the dye-sensitized solar cell according to an embodiment of the present invention.
8 schematically shows a solar cell manufactured for soaking test of a polymer layer according to an embodiment of the present invention.
9 is a graph showing the results of the polymer layer thickness change after the (a) soaking test and (b) the soaking test of the polymer layer according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 하기의 실시예는 오로지 본 발명을 설명하기 위한 것으로 이들 실시예에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
These and other objects, features and other advantages of the present invention will become more apparent by describing in detail exemplary embodiments thereof with reference to the attached drawings. However, the following examples are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법을 상세히 설명하기로 한다.
Hereinafter, a method of manufacturing a dye-sensitized solar cell according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제1 전극(작업전극)의 제조방법Manufacturing method of the first electrode (working electrode)
도 2를 참조하여 본 발명에 따른 제1 전극(작업전극)(200)의 제조방법을 설명한다. A method of manufacturing the first electrode (working electrode) 200 according to the present invention will be described with reference to FIG. 2.
도 2의 ① 및 ②에 도시한 바와 같이, 세척된 제1 기판(FTO 유리기판)(210) 위에 마스크 및 스크린프린터를 이용하여 TiO2를 원하는 패턴대로 프린트한 후 120℃ 온도에서 10분 동안 열처리하여 상기 TiO2가 프린트된 제1 기판(FTO 유리기판)(210)을 굳혔다. 상기 TiO2가 적정 두께로 기판 위에 형성되게 하기 위하여 상기 프린트 및 열처리를 6번 반복수행하였다. As shown in ① and ② of FIG. 2, TiO 2 was printed on the cleaned first substrate (FTO glass substrate) 210 using a mask and a screen printer in a desired pattern, and then heat-treated at 120 ° C. for 10 minutes. Thus, the first substrate (FTO glass substrate) 210 on which the TiO 2 was printed was hardened. The printing and heat treatment were repeated six times in order to form the TiO 2 on the substrate with an appropriate thickness.
도 2의 ③에 도시한 바와 같이, 적정 두께로 형성된 TiO2를 다공성으로 만들기 위하여 500℃에서 1시간 동안 소성하여 제1 기판(FTO 유리기판)(210) 상에 다공성의 TiO2층(230)을 형성하였다.As shown in ③ of FIG. 2, the TiO 2 layer 230 having a porosity on the first substrate (FTO glass substrate) 210 was fired at 500 ° C. for 1 hour to make the TiO 2 formed to an appropriate thickness to be porous. Formed.
도 2의 ④에 도시한 바와 같이, 제1 기판(FTO 유리기판)(210) 상에 형성된 다공성의 TiO2층(230)에 염료를 결합시켜 염료가 결합된 TiO2층(240)을 형성시키기 위하여 염료(N-719)를 녹인 0.05M 에탄올에 20시간 동안 침지시켜 염료가 결합된 TiO2층(240)을 갖는 제1 전극(작업전극)(200)을 제조하였다.
As shown in ④ of FIG. 2, the dye is bonded to the porous TiO 2 layer 230 formed on the first substrate (FTO glass substrate) 210 to form the TiO 2 layer 240 in which the dye is bonded. In order to prepare a first electrode (working electrode) 200 having a TiO 2 layer 240 in which the dye is bonded by immersing in 0.05M ethanol dissolved in the dye (N-719) for 20 hours.
제2 전극(상대전극)의 제조방법Method of manufacturing second electrode (relative electrode)
도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 제2 전극(상대전극)(300)의 제조방법을 설명한다. A method of manufacturing the second electrode (relative electrode) 300 according to the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
도 3의 ① 내지 ②에 도시한 바와 같이, 제2 기판(FTO 유리기판)(210)의 양 측면에 각각 한 개의 홀(320)을 뚫고 세척한 후 스핀코팅으로 백금화합물인 H2PtCl6 용액을 기판 위에 코팅하였다. 그 후 300℃ 온도에서 30분 동안 열처리하여 도 3의 ③에 도시한 바와 같이 백금층(330)이 형성된 제2 기판(FTO 유리기판)(210)을 제조하였다.
As shown in ① to ② of FIG. 3, H 2 PtCl 6 solution of platinum compound is spin-coated by washing one
도 3의 ④에 도시한 바와 같이, 상기 백금층(330) 위에 감마부티로락톤(γ-butyrolactone)에 용해한 고분자 용액을 3000 rpm으로 스핀코팅하여 고분자를 코팅하였다.
As shown in ④ of FIG. 3, the polymer solution dissolved in gamma butyrolactone on the
도 3의 ⑤에 도시한 바와 같이, 상기 고분자층(340)을 마스크(350) 및 UV lamp를 이용하여 제2 기판(FTO 유리기판)(310)의 면적 보다 적게 패턴화하였다. 이때, UV는 200 mW/㎠ 세기로 2시간 동안 조사하여 고분자가 겔화된 제2 전극(상대전극)(300)을 제조하였다.
As shown in ⑤ of FIG. 3, the
도 3의 ⑥에 도시한 바와 같이, 상기 제조된 제2 전극(상대전극)(300)을 아세톤에 24시간 동안 침지시켜 겔화되지 않은 미반응 고분자를 제거하였다.
As shown in 6 of FIG. 3, the prepared second electrode (relative electrode) 300 was immersed in acetone for 24 hours to remove ungelled polymer.
도 4에 상기의 방법으로 제조된, 고분자층(340)을 갖는 제2 전극(상대전극)(300)의 사진을 나타내었다. 4 shows a photo of the second electrode (relative electrode) 300 having the
도 4에 나타난 바와 같이, 마스크 및 UV lamp를 이용하여 특정 모양으로 고분자층(340)을 형성할 수 있음을 확인하였다.
As shown in FIG. 4, it was confirmed that the
염료감응 태양전지의 제조Manufacture of dye-sensitized solar cell
도 5를 참조하여 본 발명에 따른 염료감응 태양전지(100)의 제조방법을 설명한다. A method of manufacturing the dye-sensitized
도 5에 도시한 바와 같이, 제1 전극(작업전극)(200)의 염료가 결합된 TiO2층(240)과 제2 전극(상대전극)(300)의 고분자층(340)을 공간을 두고 마주보게 한 후 접합물질을 상기 제1 전극(작업전극)(200) 및 제2 전극(상대전극)(300) 사이에 중공층(420)이 형성되도록 배치하여 120℃의 온도로 5분간 열처리하여 상기 두 전극을 접합시켰다. 이때, 접합물질은 60 ㎛ surlyn을 사용하였으며, 상기 제2 전극(상대전극)(300)의 양 측면 홀(320)이 중공층(420)과 연결되도록 접합하였다. As shown in FIG. 5, the TiO 2 layer 240 in which the dye of the first electrode (working electrode) 200 is bonded and the
그 후, 상기 제2 전극(상대전극)(300)의 일 측면 홀(320)을 통하여 전해질을 중공층(420) 내부로 주입하였다. 이때, 제2 전극(상대전극)(300)의 다른 측면 홀(320)로 내부의 공기가 빠져나올 수 있게 하여 전해질을 원활하게 주입할 수 있게 하였다. 전해질을 중공층(420)에 주입 한 후 상기 접합물질 및 유리를 이용하여 제2 전극(상대전극)(300)의 양 측면 홀(320)을 막아주었다. 이때, 전해질로는 요오드 및 요오드화 리튬(LiI) 혼합물을 사용하였으며, 4-t-부틸피리딘을 첨가제로서 일부 포함하였다.
Thereafter, the electrolyte was injected into the
염료감응 태양전지의 성능 평가Performance evaluation of dye-sensitized solar cell
상기의 방법으로 제조된 고분자층을 갖는 염료감응 태양전지(100)의 성능평가를 수행하였다. 도 6에 시간에 따른 염료감응 태양전지(100)의 작동 원리를 모식적으로 나타내었다. Performance evaluation of the dye-sensitized
도 6에 나타난 바와 같이, 염료감응 태양전지(100)는 전해질을 주입한 직후에는 제2 전극(상대전극)(300)에 형성된 고분자층(340)에 의하여 전지로서의 역할을 할 수 없으나, 시간이 지남에 따라 전해질이 겔화된 고분자층(340)에 흡수되어 고분자층(340)이 스웰링(swelling) 현상을 보임으로써 전지로서 작동하게 되는 것을 알 수 있다.
As shown in FIG. 6, the dye-sensitized
상기 작동 원리는 실험 결과를 통하여 확인할 수 있었으며, 결과를 도 7에 나타내었다. The operating principle was confirmed through the experimental results, the results are shown in FIG.
도 7에 나타난 바와 같이, 시간이 지남에 따라 전지 성능이 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 전해질이 고분자층(340)에 흡수되면서 작동하는 것이라 생각할 수 있다.
As shown in FIG. 7, it was confirmed that battery performance increases with time, which may be considered to operate as the electrolyte is absorbed into the
고분자층Polymer layer 소킹Soking (( soakingsoaking ) 시험) exam
고분자층(340) 두께 변화를 관찰하기 위하여, 염료가 결합된 TiO2 층이 없는 전극을 접합시켜 전해질을 주입한 후 일정시간(24시간 이상)을 두고 고분자의 두께 증가를 측정하였다. 실험에 사용된 전극의 모식도를 도 8에 나타내었다.
In order to observe the change in the thickness of the
시간에 따른 고분자층(340)의 두께 변화를 관찰한 결과를 도9에 나타내었다. The result of observing the thickness change of the
도 9에 나타난 바와 같이, 고분자층(340)은 약 50%의 두께가 증가하는 것을 보였으며, 이는 고분자가 전해질을 흡수하는 것으로 생각할 수 있다.
As shown in FIG. 9, the
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
Although the preferred embodiments of the present invention have been described, the present invention is not limited to the specific embodiments described above. It will be apparent to those skilled in the art that numerous modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the appended claims. And equivalents should also be considered to be within the scope of the present invention.
100: 염료감응 태양전지
110: 반도체층
120: 투명 전도성 기판
130: 산화-환원 전해질 층
140: 백금 박막이 증착된 전도성 기판
200: 제1 전극(작업전극)
210: 제1 기판(FTO 유리기판)
220: TiO2층
230: 다공성의 TiO2층
240: 염료가 결합된 TiO2층
300: 제2 전극(상대전극)
310: 제2 기판(FTO 유리기판)
320: 홀(제2 전극 양 측면에 형성된 홀)
330: 촉매층
340: 고분자층
350: 마스크
410: 접합층(접합물질)
420: 중공층
430: 유리층100: dye-sensitized solar cell
110: semiconductor layer
120: transparent conductive substrate
130: redox electrolyte layer
140: conductive substrate on which a platinum thin film is deposited
200: first electrode (working electrode)
210: first substrate (FTO glass substrate)
220: TiO 2 layer
230: porous TiO 2 layer
240: TiO 2 layer with dye
300: second electrode (relative electrode)
310: second substrate (FTO glass substrate)
320: a hole (holes formed on both sides of the second electrode)
330: catalyst bed
340: polymer layer
350: mask
410: bonding layer (bonding material)
420: hollow layer
430 glass layer
Claims (15)
2) TiO2 층이 형성된 제1 기판을 염료 용액에 침지하여 염료와 결합한 TiO2층을 갖는 제1 전극을 제조하는 단계;
3) 제2 기판의 양 측면에 홀을 형성하는 단계;
4) 상기 홀이 형성된 제2 기판의 일면에 촉매층을 형성하는 단계;
5) 상기 촉매층 상에 고분자 용액을 코팅하는 단계;
6) 상기 코팅된 고분자에 마스크를 사용하여 10 mW/㎠ 내지 200 mW/㎠의 세기로 10분 내지 200분 동안 UV 조사를 통해 고분자를 겔화하여 상기 제2 기판의 면적 보다 적게 패턴이 형성된 고분자층을 형성하는 단계;
7) 상기 제1 전극의 TiO2 층 및 제2 전극의 고분자층 사이에 공간을 두고 마주보게 배치하는 단계;
8) 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 중공층이 형성되도록 접합물질을 배치하고 열처리하여 상기 제1 전극 및 제2 전극을 접합하는 단계; 및
9) 상기 접합된 제1 전극 및 제2 전극 사이의 중공층에 상기 홀을 통하여 전해질을 주입하는 단계를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
1) printing and heat-treating the TiO 2 layer less than the area of the first substrate using a mask on one surface of the first substrate;
2) a step of immersing the first substrate is formed on the TiO 2 layer, dye-solution produced a first electrode having a TiO 2 layer combined with a dye;
3) forming holes in both sides of the second substrate;
4) forming a catalyst layer on one surface of the second substrate on which the hole is formed;
5) coating a polymer solution on the catalyst layer;
6) a polymer layer having a pattern less than the area of the second substrate by gelling the polymer by UV irradiation for 10 to 200 minutes at a strength of 10 mW / ㎠ to 200 mW / ㎠ using a mask on the coated polymer Forming a;
7) placing a space facing each other between the TiO 2 layer of the first electrode and the polymer layer of the second electrode;
8) bonding the first electrode and the second electrode by arranging and heat-treating a bonding material to form a hollow layer between the first electrode and the second electrode; And
9) A method of manufacturing a dye-sensitized solar cell comprising the step of injecting an electrolyte through the hole in the hollow layer between the bonded first electrode and the second electrode.
[화학식 1]
The method of claim 1, wherein the polymer is a compound represented by the following Chemical Formula 1.
[Chemical Formula 1]
The method of claim 1, wherein the catalyst layer is a platinum, carbon nanotube, gold, graphite, or ruthenium catalyst layer.
The method of claim 1, wherein the catalyst layer is a platinum catalyst layer formed by coating and heat-treating H 2 PtCl 6 solution on one surface of the second substrate.
The dye solution according to claim 1, wherein the polymer solution is obtained by dissolving a polymer in a gamma-butyrolactone or 1-methyl-2-pyrrolidinone solvent. Method for producing a sensitized solar cell.
The substrate of claim 1, wherein the substrate is a conductive layer on one surface of a Ti-mesh substrate, a glass substrate, a polyethylene naphthalate (PEN) substrate, a polyether sulfone (PES) substrate, or a polyethylene terephthalate (PET) substrate. Method for producing a dye-sensitized solar cell, characterized in that the coating of FTO (fluorine-tin-oxide) or ITO (indium-tin-oxide).
The dye of claim 1, further comprising calcining the first substrate on which the TiO 2 layer is formed after the heat treatment prior to step 2) at 400 ° C to 600 ° C to form a porous TiO 2 layer. Method for producing a sensitized solar cell.
The method of claim 1, further comprising, after the step 6), immersing the prepared second electrode in acetone for 20 hours to 24 hours, and then washing the prepared second electrode.
The method of manufacturing a dye-sensitized solar cell according to claim 1, wherein the bonding material of step 8) bonds the first substrate of the first electrode and the catalyst layer of the second electrode.
The method of claim 1, wherein the dye-sensitized solar cell is characterized in that the holes on both sides of the second electrode is connected to the hollow layer.
The method of claim 1, wherein the electrolyte injection of step 9) is inserted into the hollow layer through one hole of the second electrode.
The method of manufacturing a dye-sensitized solar cell according to claim 1, further comprising, after step 9), blocking both side holes of the second electrode by using a bonding material and glass.
The method of claim 1, wherein the electrolyte is at least one member selected from the group consisting of a pair of iodine and metal iodide to make iodide / triiodide (Iodide / triiodide) Method of manufacturing a dye-sensitized solar cell.
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