KR20110087077A - Preparation method of dye-sensitized solar cell module including scattering layers - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 투명 염료감응 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 교번극성의 단위 셀 배열 구조를 가지는 모듈에서 상기 단위 셀에 상기 광산란층을 포함하는 염료감응 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a transparent dye-sensitized solar cell and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a dye-sensitized solar cell including the light scattering layer in the unit cell in a module having an alternating polarity unit cell arrangement structure and a method of manufacturing the same. It is about.
염료감응 태양전지 단위 셀은 빛을 받아 전자를 발생시키는 염료, 염료분자가 흡착되며 나노결정 산화물층이 코팅된 투명 전도성 전극(광전극), 나노입자 금속 필름이 코팅된 전극(상대전극), 및 요오드계 산화-환원 전해질로 구성된다.Dye-sensitized solar cell unit cell is a dye that generates electrons by receiving light, a dye molecule is adsorbed, a transparent conductive electrode (photoelectrode) coated with a nanocrystalline oxide layer, an electrode coated with a nanoparticle metal film (relative electrode), and It consists of an iodine type redox electrolyte.
상기와 같이 구성된 염료감응 태양전지는 일반적으로 10 내지 50nm 크기의 금속산화물 나노입자(제1산화물)를 이용하여 제조된다.The dye-sensitized solar cell configured as described above is generally manufactured using metal oxide nanoparticles (first oxide) having a size of 10 to 50 nm.
또한, 염료감응 태양전지 단위 셀의 효율을 증진시키기 위해 장파장에서의 광 산란을 통해 염료의 광 흡수율을 높이기 위한 방법을 사용하는 것도 있다. 구체적으로, 상기 종래에는 상기에서 사용된 금속산화물 나노입자(제1산화물)보다 입자크기가 큰 수백 나노미터 크기의 금속산화물 나노입자(제2산화물)를 이용하여, 상기 제1산화물 층 위에 오버코팅하는 방법이 사용된 바 있다. 즉, 수백 나노미터 크기의 제2산화물 입자를 사용하여 반도체 전극을 형성하면 상기 제2산화물 입자가 제1산화물층을 통과한 빛을 산란시키고, 이 빛은 다시 제1산화물 입자 표면에 흡착된 염료로 흡수된다. 따라서, 이러한 경우 염료에 의한 빛 흡수량이 증가하게 되어 광전변환 효율을 증가시킬 수 있다.In addition, in order to increase the efficiency of the dye-sensitized solar cell unit cell, there is also a method for increasing the light absorption of the dye through light scattering at a long wavelength. Specifically, the conventional overcoat on the first oxide layer using a metal oxide nanoparticles (second oxide) of several hundred nanometers in size larger than the metal oxide nanoparticles (first oxide) used above. Has been used. That is, when the semiconductor electrode is formed using the second oxide particles of several hundred nanometers in size, the second oxide particles scatter light passing through the first oxide layer, and the light is again absorbed onto the surface of the first oxide particles. Is absorbed into. Therefore, in this case, the amount of light absorption by the dye is increased to increase the photoelectric conversion efficiency.
한편, 염료감응 태양전지의 출력을 높이기 위해서는 여러 개의 단위 셀을 직렬 또는 병렬로 연결하여야 하는데, 단위 셀이 직렬 또는 병렬로 연결된 것을 모듈이라고 한다.On the other hand, in order to increase the output of the dye-sensitized solar cell, a plurality of unit cells must be connected in series or in parallel, and the unit cells are connected in series or in parallel.
예를 들면, 도 1과 같이 상부 전극 및 하부 전극 기판의 전도성 필름 패턴에 염료가 흡착된 10-50 nm 크기의 금속산화물 나노입자층(제1산화물)과 촉매 박막(플라티늄)을 교대로 코팅하여, 하부 전극 기판(상대전극과 전해질을 지나 빛을 받는 전극) 및 상부 전극 기판(빛을 바로 받는 전극)을 각각 형성함으로써, 교번 전극형 (W형) 염료감응 태양전지 모듈을 제조하는 방법이 있다.For example, as shown in Figure 1 by alternately coating a 10-50 nm metal oxide nanoparticle layer (first oxide) and the catalyst thin film (platinum) of the dye adsorbed to the conductive film pattern of the upper electrode and the lower electrode substrate, There is a method of manufacturing an alternating electrode type (W-type) dye-sensitized solar cell module by forming a lower electrode substrate (an electrode that receives light through an electrode and an electrolyte) and an upper electrode substrate (an electrode that receives light directly), respectively.
이때, 상기 태양전지 단위 셀이 직렬 연결된 모듈 구조에서 전체 전압은 각각의 단위 셀의 전압을 합한 것으로 나타나고 전류는 각각의 단위 셀의 전류 중 가장 낮은 전류로 나타난다. 그런데, 도 1의 구조의 경우 입사된 빛이 플라티늄 금속 박막과 전해질을 통과하게 되면, 전해질과 플라티늄 금속에 의한 투과율 감소가 발생하게 되며, 적은 양의 빛 만이 염료가 흡착된 나노결정산화물 전극에 도달하게 되므로, 발생되는 전류가 낮을 수밖에 없다. 따라서, 도 1의 모듈에서는 구조 중의 가장 낮은 전류를 발생하는 태양전지 단위 셀에서 나타나는 전류가 전체 전류를 좌우하게 되는 단점이 있다.In this case, in the module structure in which the solar cell unit cells are connected in series, the total voltage is represented as the sum of the voltages of the respective unit cells, and the current is represented by the lowest current among the currents of each unit cell. However, in the structure of FIG. 1, when the incident light passes through the platinum metal thin film and the electrolyte, a decrease in transmittance caused by the electrolyte and the platinum metal occurs, and only a small amount of light reaches the dye-adsorbed nanocrystal oxide electrode. Because of this, the generated current is inevitably low. Therefore, in the module of FIG. 1, the current appearing in the solar cell unit generating the lowest current in the structure has a disadvantage in that the overall current is influenced.
마찬가지로, 통상적인 산란층 구조를 이용하여 모듈을 제조하는 경우, 도 2에서와 같이, 10-50 nm 크기의 나노결정 산화물 층(제1산화물) 위에 수 백 나노미터 크기의 나노결정산화물 입자층(제2산화물)을 오버코팅한 셀을 이용하여 교번 전극 모듈을 제작하는 방법이 있다. 하지만, 도 2에 나타낸 것처럼, 전해질을 통해서 입사되는 셀의 경우 입사광이 산란층인 제2산화물층을 투과하지 못하므로 더욱 낮은 광 전류값을 보이게 되며, 이에 따라 전체 전류도 매우 낮은 값을 갖게 된다. 즉, 일반적으로 W형 모듈 구조에 있어서, 상대전극과 전해질을 지나 빛을 받는 하부 전극 쪽에는 염료가 주로 흡착된 제1금속산화물층이 있는데, 그 위에 광산란층을 형성시킬 경우, 입사광이 광산란층을 투과하지 못하여 염료가 주로 흡착된 제1산화물층에 도달하지 못하는 단위 셀이 존재한다. 따라서 전류 발생 값이 낮은 단위 셀이 다수 존재하게 되고 전체 모듈의 광전 변환 효율의 감소를 유발하게 된다. 이러한 이유로, 도 2와 같이 입자가 작은 나노결정 산화물 층(제1산화물) 위에 수백 나노미터 크기의 나노결정 산화물 입자층(제2산화물)을 갖는 단위 셀을 이용해서는, 교번 전극형 모듈로 사용할 수 없는 문제가 있다.
Similarly, when fabricating a module using a conventional scattering layer structure, as shown in Figure 2, a nanocrystalline oxide particle layer of several hundred nanometers on the 10-50 nm size nanocrystalline oxide layer (first oxide) There is a method of manufacturing an alternating electrode module using a cell overcoated with (dioxide). However, as shown in FIG. 2, in the case of the cell incident through the electrolyte, incident light does not penetrate through the second oxide layer, which is a scattering layer, and thus exhibits a lower photocurrent value. Accordingly, the total current also has a very low value. . That is, in the W-type module structure, there is a first metal oxide layer mainly absorbed with dye on the side of the lower electrode that receives light through the counter electrode and the electrolyte. When the light scattering layer is formed thereon, incident light is scattered. There is a unit cell that does not penetrate and thus does not reach the first oxide layer to which the dye is mainly adsorbed. Therefore, a large number of unit cells having a low current generation value exist and cause a decrease in the photoelectric conversion efficiency of the entire module. For this reason, as shown in FIG. 2, a unit cell having a nanocrystalline oxide particle layer (second oxide) of several hundred nanometers in size on a small nanocrystalline oxide layer (first oxide) cannot be used as an alternating electrode module. there is a problem.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해소하기 위하여, 본 발명의 목적은 염료감응 태양전지의 효율을 증진시키기 위해 광산란층을 제1금속산화물의 위 아래로 도입하면서, 광산란 층의 형성 위치와 입자크기를 특정하게 조절함으로써, 태양광 조사시 입사광이 모든 단위 셀에서 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자를 포함하는 다공질 전극층과 상기 광산란층을 투과하여 모듈을 이루는 단위 셀 간의 발생되는 전류의 차이를 줄이고, 그에 따라 높은 광전 효율을 나타낼 수 있는 모듈 구조를 형성하는 염료감응 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
In order to solve the problems of the prior art as described above, an object of the present invention is to introduce the light scattering layer up and down the first metal oxide to improve the efficiency of the dye-sensitized solar cell, the position and particle size of the light scattering layer By specifically adjusting, the incident light in the solar irradiation to reduce the difference in the current generated between the porous electrode layer containing the metal oxide nanoparticles dye is adsorbed in all unit cells and the unit cell forming the module through the light scattering layer, Accordingly, the present invention provides a dye-sensitized solar cell and a method of manufacturing the same, forming a module structure capable of exhibiting high photoelectric efficiency.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은In order to achieve the above object,
상,하부 투명기판 사이에 각 단위셀의 양극(+)으로 배치된 제1단위셀과 음극(-)으로 배치된 제2단위셀이 교대로 배열되며, 제1 단위셀과 제2 단위셀을 전기적으로 연결하는 단위셀간 연결전극과, 제1 단위셀과 제2 단위셀을 전기적으로 절연하는 단위셀간 절연체 및 상,하부 투명기판에 각각 마련된 외부 연결용 전극을 구비하는 교번 극성의 단위 셀의 배열구조를 갖는 염료감응형 태양전지로서,Between the upper and lower transparent substrates, a first unit cell arranged as an anode (+) of each unit cell and a second unit cell arranged as a cathode (-) are alternately arranged, and the first unit cell and the second unit cell are alternately arranged. Arrangement of unit cells of alternating polarity including connecting electrodes between unit cells electrically connected to each other, insulators between the unit cells electrically insulating the first unit cells and the second unit cells, and external connection electrodes provided on upper and lower transparent substrates, respectively. As a dye-sensitized solar cell having a structure,
상기 제1단위셀은 한쌍의 도전성 투명전극; 일측 도전성 투명전극 위에 형성된, 표면에 염료가 흡착되며 평균입경이 10nm 내지 50nm인 제1 금속산화물 나노입자를 포함하는 다공질 전극층; 평균입경이 100nm 내지 500nm인 제2 금속산화물 나노입자를 포함하는 광산란층; 전해질; 및 타측 도전성 투명전극 위에 형성된 촉매 박막전극을 포함하며, The first unit cell includes a pair of conductive transparent electrodes; A porous electrode layer formed on one side of the conductive transparent electrode, the dye adsorbed on a surface thereof and including first metal oxide nanoparticles having an average particle diameter of 10 nm to 50 nm; A light scattering layer comprising second metal oxide nanoparticles having an average particle diameter of 100 nm to 500 nm; Electrolyte; And a catalyst thin film electrode formed on the other conductive transparent electrode,
상기 제2단위셀은 한쌍의 도전성 투명전극; 일측 도전성 투명전극 위에 형성된, 평균입경이 100nm 내지 500nm인 제2 금속산화물 나노입자를 포함하는 광산란층; 상기 광산란층 위에 형성되며, 염료가 흡착되며 평균입경이 10nm 내지 50nm인 제1 금속산화물 나노입자를 포함하는 다공질 전극층; 전해질; 및 타측 도전성 투명전극 위에 형성된 촉매 박막전극을 포함하는 것인, 교번 극성의 단위 셀의 배열구조를 갖는 염료감응형 태양전지를 제공한다.The second unit cell includes a pair of conductive transparent electrodes; A light scattering layer including second metal oxide nanoparticles having an average particle diameter of 100 nm to 500 nm formed on one conductive transparent electrode; A porous electrode layer formed on the light scattering layer and including a first metal oxide nanoparticle having a dye adsorbed thereon and an average particle diameter of 10 nm to 50 nm; Electrolyte; And it provides a dye-sensitized solar cell having an array structure of unit cells of alternating polarity, comprising a catalyst thin film electrode formed on the other conductive transparent electrode.
또한, 상기 광산란층은 평균입경이 10nm 내지 50nm인 제1 금속산화물 나노입자를 추가로 포함하여, 제1금속산화물과 제2금속산화물 나노입자의 혼합물을 포함할 수 있다.The light scattering layer may further include a first metal oxide nanoparticle having an average particle diameter of 10 nm to 50 nm, and may include a mixture of the first metal oxide and the second metal oxide nanoparticle.
또한 본 발명은Also,
(a) 전도성 기판 상에 서로간 거리를 두고, 염료가 흡착되며 평균입경이 10nm 내지 50nm인 제1 금속산화물 나노입자를 포함하는 다공질 전극층과 촉매 박막 전극을 교대로 형성하고, 상기 다공질 전극층 위에 평균입경이 100nm 내지 500nm인 제2 금속산화물 나노입자를 포함하는 광산란층을 형성하여 상부 전극 기판을 제조하는 단계와,(a) forming a porous electrode layer including a first metal oxide nanoparticle having a mean particle diameter of 10 nm to 50 nm and a catalyst thin film electrode alternately on the conductive substrate, at a distance from each other, and forming an average on the porous electrode layer; Preparing an upper electrode substrate by forming a light scattering layer including second metal oxide nanoparticles having a particle diameter of 100 nm to 500 nm;
(b) 전도성 기판 상에 서로간 거리를 두고, 촉매 박막 전극과 평균입경이 100nm 내지 500nm인 제2 금속산화물 나노입자를 포함하는 광산란층을 교대로 형성하고, 상기 광산란층 위에 평균입경이 10nm 내지 50nm인 제1 금속산화물 나노입자를 포함하는 광산란층을 형성하여 하부 전극 기판을 제조하는 단계와,(b) alternately forming a light scattering layer comprising a catalyst thin film electrode and second metal oxide nanoparticles having an average particle diameter of 100 nm to 500 nm at a distance from each other on the conductive substrate, and having an average particle diameter of 10 nm to on the light scattering layer. Preparing a lower electrode substrate by forming a light scattering layer including 50 nm of first metal oxide nanoparticles;
(c) 상기 상부 전극 기판과 하부 전극 기판을 염료에 침지하여 다공질 전극층과 광산란층의 금속산화물 나노입자를 염료로 흡착시키는 단계와,(c) immersing the upper electrode substrate and the lower electrode substrate in a dye to adsorb the metal oxide nanoparticles of the porous electrode layer and the light scattering layer with a dye;
(d) 상기 상부 전극 기판과 하부 전극 기판을 서로 마주보도록 배치하고 접착제로 접합한 후, 서로 마주보는 상,하부 기판 사이에 전해액을 주입하여 각 단위셀의 양극(+)으로 배치된 제1 단위셀과 음극(-)으로 배치된 제2 단위셀이 교대로 배열된 구조를 형성하는 단계와, 및(d) a first unit arranged to face the upper electrode substrate and the lower electrode substrate to each other and bonded with an adhesive, and then injecting an electrolyte solution between the upper and lower substrates facing each other to be disposed as an anode (+) of each unit cell; Forming a structure in which a cell and a second unit cell arranged as a cathode (-) are alternately arranged; and
(f) 상기 제1 단위셀과 제2 단위셀의 양극과 음극을 배선으로 연결하는 단계를 포함하는, 교번 극성의 단위 셀의 배열구조를 갖는 염료감응형 태양전지의 제조 방법을 제공한다.(f) providing a method of manufacturing a dye-sensitized solar cell having an arrangement structure of unit cells of alternating polarity, including connecting the anode and the cathode of the first unit cell and the second unit cell by wiring.
상기 (a)단계 및 (b)단계에서 광산란층은 평균입경이 10nm 내지 50nm인 제1 금속산화물 나노입자를 추가로 포함할 수 있다.
In the steps (a) and (b), the light scattering layer may further include first metal oxide nanoparticles having an average particle diameter of 10 nm to 50 nm.
이하에서 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 광산란층을 포함하는 교번 극성(alternative electrode)의 태양전지 단위 셀 배열 구조를 갖는 W형 모듈을 형성하기 위한 염료감응 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 상기 광산란층을 포함하는 태양전지 단위 셀을 직렬 또는 병렬로 연결하여 태양전지 모듈을 제조하는 것이 가능하다.The present invention relates to a dye-sensitized solar cell for forming a W-type module having an alternating polarity solar cell unit cell array structure including a light scattering layer, and a method of manufacturing the same. In another aspect, the present invention it is possible to manufacture a solar cell module by connecting the solar cell unit cells including the light scattering layer in series or in parallel.
그러면 이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 본 발명의 태양전지 모듈 및 그 제조방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings it will be described in detail a preferred solar cell module and a method of manufacturing the present invention.
본 발명의 염료감응형 태앙전지는 기본적으로 상,하부 투명기판 사이에 각 단위셀의 양극(+)으로 배치된 제1단위셀과 음극(-)으로 배치된 제2단위셀이 교대로 배열되며, 제1 단위셀과 제2 단위셀을 전기적으로 연결하는 단위셀간 연결전극과, 제1 단위셀과 제2 단위셀을 전기적으로 절연하는 단위셀간 절연체 및 상,하부 투명기판에 각각 마련된 외부 연결용 전극을 구비하는 교번 극성의 단위 셀의 배열구조를 가진다. 이때, 상기 염료감응 태앙전지에서 제1 단위셀 및 제2 단위셀은 적어도 1회 이상 교대로 배열되어 복수의 단위셀을 구비하여 집적된 W형 모듈 구조를 형성할 수 있다.In the dye-sensitized Taeang battery of the present invention, the first unit cell arranged as the positive electrode (+) of each unit cell and the second unit cell arranged as the negative electrode (-) are alternately arranged between the upper and lower transparent substrates. For external connection provided on the connection electrodes between the unit cells electrically connecting the first unit cell and the second unit cell, between the unit cells electrically insulating the first unit cell and the second unit cell, and on upper and lower transparent substrates, respectively. It has an arrangement structure of unit cells of alternating polarity provided with electrodes. In this case, in the dye-sensed Taeang battery, the first unit cell and the second unit cell may be alternately arranged at least one or more times to form an integrated W type module structure having a plurality of unit cells.
특히, 상기 제1단위셀은 한쌍의 도전성 투명전극; 일측 도전성 투명전극 위에 형성된, 표면에 염료가 흡착되며 평균입경이 10nm 내지 50nm인 제1 금속산화물 나노입자를 포함하는 다공질 전극층; 평균입경이 100nm 내지 500nm인 제2 금속산화물 나노입자를 포함하는 광산란층; 전해질; 및 타측 도전성 투명전극 위에 형성된 촉매 박막전극을 포함하며, 상기 제2단위셀은 한쌍의 도전성 투명전극; 일측 도전성 투명전극 위에 형성된, 평균입경이 100nm 내지 500nm인 제2 금속산화물 나노입자를 포함하는 광산란층; 상기 광산란층 위에 형성되며, 염료가 흡착되며 평균입경이 10nm 내지 50nm인 제1 금속산화물 나노입자를 포함하는 다공질 전극층; 전해질; 및 타측 도전성 투명전극 위에 형성된 촉매 박막전극을 포함한다.In particular, the first unit cell includes a pair of conductive transparent electrodes; A porous electrode layer formed on one side of the conductive transparent electrode, the dye adsorbed on a surface thereof and including first metal oxide nanoparticles having an average particle diameter of 10 nm to 50 nm; A light scattering layer comprising second metal oxide nanoparticles having an average particle diameter of 100 nm to 500 nm; Electrolyte; And a catalyst thin film electrode formed on the other conductive transparent electrode, wherein the second unit cell comprises a pair of conductive transparent electrodes; A light scattering layer including second metal oxide nanoparticles having an average particle diameter of 100 nm to 500 nm formed on one conductive transparent electrode; A porous electrode layer formed on the light scattering layer and including a first metal oxide nanoparticle having a dye adsorbed thereon and an average particle diameter of 10 nm to 50 nm; Electrolyte; And a catalyst thin film electrode formed on the other conductive transparent electrode.
즉, 본 발명은 광산란층을 도입시, 기존 도 2에서와 같이, 입자크기가 작은 금속산화물 위에 광산란층을 도입하는 것이 아니라, 제1 금속산화물 나노입자를 함유하는 다공질 전극층의 위 또는 아래에 상기 광산란층을 도입하는 특징이 있다. 따라서, 제1단위셀의 경우는 입자크기가 작은 제1금속산화물 나노입자를 포함하는 다공질 전극층을 형성한 후, 그 위에 상기 입자크기가 큰 제2 금속산화물 나노입자를 포함하는 광산란층을 도입한다. 또한, 제2단위셀의 경우는 입자크기가 큰 제2금속산화물 나노입자를 포함하는 광산란층을 먼저 형성한 후, 그 위에 상기 입자크기가 작은 제1 금속산화물 나노입자를 포함하는 다공질 전극층을 도입하는 것이다. 따라서, 본 발명은 단위 셀 중 광전극 부분을 형성하기 위한 부분에 광산란층을 도입하되, 금속산화물 나노입자의 크기와 형성 위치를 특정하게 조절하여, 기존 도 2의 구조에서 나타나는 문제를 해결하고, 광산란층에 의한 전류값 증대를 기대할 수 있고, 단위셀간 발생전류의 차이를 줄이는 효과를 부여할 수 있다.That is, when the light scattering layer is introduced, as shown in FIG. 2, the light scattering layer is not introduced onto the metal oxide having a small particle size, but above or below the porous electrode layer containing the first metal oxide nanoparticles. It is characterized by introducing a light scattering layer. Accordingly, in the case of the first unit cell, after forming a porous electrode layer including the first metal oxide nanoparticles having a small particle size, a light scattering layer including the second metal oxide nanoparticles having a large particle size is introduced thereon. . In the case of the second unit cell, a light scattering layer including the second metal oxide nanoparticles having a large particle size is first formed, and then a porous electrode layer including the first metal oxide nanoparticles having the small particle size is introduced thereon. It is. Accordingly, the present invention is to introduce a light scattering layer in a portion for forming the photoelectrode portion of the unit cell, by specifically adjusting the size and formation position of the metal oxide nanoparticles, to solve the problem shown in the structure of Figure 2, The increase in the current value by the light scattering layer can be expected, and the effect of reducing the difference in the generated current between the unit cells can be given.
또한 본 발명에 따르면, 상기 광산란층에는 제2금속산화물 나노입자에 평균입경이 10nm 내지 50nm인 제1 금속산화물 나노입자를 추가로 포함하는 것이 더욱 바람직하다. 이때, 상기 제1 금속산화물 나노입자 보다 평균입경이 큰 제2 금속산화물 나노입자가 광산란층의 기능을 나타낼 수 있는데, 본 발명의 경우 두 물질을 혼합 사용함으로써, 산란효과 이외에도 염료흡착량이 많은 제1 금속산화물에 의한 전류증가, 투명성의 확보 뿐 아니라, 기판 및 제1 금속산화물 층과의 접착력 증대를 통한 광전효율의 증가 효과를 나타낼 수 있다.According to the present invention, it is more preferable that the light scattering layer further includes first metal oxide nanoparticles having an average particle diameter of 10 nm to 50 nm to the second metal oxide nanoparticles. In this case, the second metal oxide nanoparticles having a larger average particle diameter than the first metal oxide nanoparticles may exhibit the function of the light scattering layer. In addition to increasing current and transparency by the metal oxide, the photoelectric efficiency may be increased by increasing adhesion between the substrate and the first metal oxide layer.
따라서, 본 발명에 따르면 상기 광산란층은 평균입경이 10 내지 50 ㎚의 크기를 갖는 제1 금속산화물 나노입자와 평균입경이 100nm 내지 500nm 의 크기를 갖는 제2 금속산화물 입자를 95:5 내지 0:100의 중량비율, 보다 바람직하게 90:10 내지 50:50의 중량 비율로 포함하는 특징이 있다. 여기서, 상기 광산란층에 포함되는 금속산화물이 혼합물인 경우, 그 범위가 95:5 또는 90:10의 중량비율을 벗어나서 제 1금속 산화물의 비율이 커지면, 광산란 효과를 기대할 수 없고, 50:50의 중량비율을 벗어나서 제1 금속산화물의 함량이 작아지면, 염료흡착 제1금속산화물의 감소로 염료흡착량 감소에 의한 전류감소, 이웃한 층(제 1산화물층이나 기판)과의 접착력의 감소와 불투명성을 증가시킬 수 있다.Therefore, according to the present invention, the light scattering layer may include 95: 5 to 0: first metal oxide nanoparticles having an average particle size of 10 to 50 nm and second metal oxide particles having an average particle size of 100 nm to 500 nm. It is characterized by including a weight ratio of 100, more preferably in a weight ratio of 90:10 to 50:50. Here, in the case where the metal oxide contained in the light scattering layer is a mixture, if the ratio of the first metal oxide increases outside the weight ratio of 95: 5 or 90:10, the light scattering effect cannot be expected, When the content of the first metal oxide becomes smaller than the weight ratio, the current decrease due to the decrease of the dye adsorption due to the reduction of the dye adsorbed first metal oxide, the decrease in the adhesive force with the neighboring layer (the first oxide layer or the substrate), and the opacity Can be increased.
또한, 본 발명의 태양전지는 각 단위셀의 상,하부 투명 기판 상에 형성된 차단층을 더 포함할 수 있다. 따라서, 상기 제1단위셀은 일측 도전성 투명전극과 다공질 전극층 사이에 차단층을 더 포함할 수 있다. 또한 상기 제2단위셀은 일측 도전성 투명전극과 광산란층 사이에 차단층을 더 포함할 수 있다.In addition, the solar cell of the present invention may further include a blocking layer formed on the upper and lower transparent substrates of each unit cell. Therefore, the first unit cell may further include a blocking layer between the one conductive transparent electrode and the porous electrode layer. In addition, the second unit cell may further include a blocking layer between the one side conductive transparent electrode and the light scattering layer.
이러한 구성에 따라, 본 발명의 염료감응 태양전지는 도 3의 염료감응 태양전지를 제공할 수 있다. 도 3은 본 발명에 따른 광산란 층을 도입한 교번극성을 갖는 염료감응 태양전지 모듈의 단면도이다.According to this configuration, the dye-sensitized solar cell of the present invention can provide the dye-sensitized solar cell of FIG. 3 is a cross-sectional view of a dye-sensitized solar cell module having alternating polarity incorporating a light scattering layer according to the present invention.
도 4를 참조하면, 상기 구조는 서로 교대로 배열된 제1단위셀(A)과 제2단위셀(B)을 포함하고, 제1단위셀(A)은 상부 투명 기판(1)과 하부 투명 기판(2) 사이에 촉매 박막 전극(5), 전해질(9), 상기 제2 금속산화물 나노입자 또는 금속산화물의 혼합물로 구성된 상기 광산란층(7) 및 제1 금속산화물 나노입자를 함유하는 다공질 전극층(6)을 포함하는 구조일 수 있다. 또한, 제2단위셀(B)은 상부 투명 기판(1)과 하부 투명 기판(2) 사이에, 제2 금속산화물 또는 금속산화물의 혼합물로 구성된 상기 광산란층(7), 제1 금속산화물 나노입자를 함유하는 다공질 전극층(6), 전해질(9) 및 촉매 박막 전극(5)을 포함하는 구조일 수 있다.Referring to FIG. 4, the structure includes a first unit cell A and a second unit cell B arranged alternately with each other, and the first unit cell A includes an upper
이때, 상기 "제1단위셀"은 도 3에 도시된 것처럼, 염료감응 태양전지에서, 첫 번째에 위치하는 구조와 이것이 홀수 위치에 반복적으로 배열되는 구조를 포함할 수 있다. 또한, 상기 "제2단위셀"은 도 3에 도시된 두 번째에 위치하는 구조와 이것이 짝수 위치에 반복적으로 배열되는 구조를 포함할 수 있다.In this case, as shown in FIG. 3, the “first unit cell” may include a structure located first and a structure in which it is repeatedly arranged in an odd position in a dye-sensitized solar cell. In addition, the “second unit cell” may include a structure located second in FIG. 3 and a structure in which it is repeatedly arranged at an even position.
그러면, 본 발명의 W형 구조를 갖는 염료감응 태양전지에 대하여, 태양광원이 투과된 후 광 산란이 발생하는 원리를 설명하고자 한다. 도 4는 본 발명의 염료감응 태양전지 모듈 구조를 갖는 경우를 예로 들어, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 모듈의 광산란층 내에서의 광산란이 발생하는 원리를 설명하는 모식도이다.Then, for the dye-sensitized solar cell having a W-type structure of the present invention, it will be described the principle that light scattering occurs after the solar light source is transmitted. 4 is a schematic diagram illustrating the principle of light scattering in the light scattering layer of the module of the dye-sensitized solar cell according to the present invention, taking the case of having the dye-sensitized solar cell module structure of the present invention as an example.
도 4를 참조하면, 태양광이 본 발명에 따른 태양전지 모듈로 비춰지면, 조사된 광이 모든 단위 셀에서 염료가 흡착된 제1 금속산화물 나노입자를 함유하는 다공성 전극층(도 4에서는, 제1 산화물이라 함)을 통과한 후 상기 광산란층(도 4에서는, 제3산화물이라 함)을 만나기 때문에 광산란층에 의한 빛 산란을 기대할 수 있다. 이때, 상기 광산란층의 경우 제1 금속산화물보다 입경이 큰 제2 금속산화물 나노입자를 단독 또는 상기 제1 금속산화물과 서로 혼합하여 사용하므로, 촉매박막 전극과 전해질을 빛이 통과하면서 발생되는 광량 감소정도를 산란효과를 이용하여, 상쇄시켜_제 2단위셀의 전류증가를 유도하는 작용을 하게 된다. 따라서 모든 단위 셀에서 광 산란에 의한 전류 값이 증가하며, 높은 광전 변환 효율을 갖는 모듈을 제작할 수 있다.Referring to FIG. 4, when the sunlight is illuminated by the solar cell module according to the present invention, the irradiated light includes a porous electrode layer containing the first metal oxide nanoparticles in which dye is adsorbed in all the unit cells (in FIG. After passing through the light emitting layer, the light scattering layer (hereinafter referred to as a third oxide) in the light scattering layer can be expected. In this case, in the light scattering layer, since the second metal oxide nanoparticles having a larger particle size than the first metal oxide are used alone or mixed with the first metal oxide, the amount of light generated as light passes through the catalyst thin film electrode and the electrolyte is reduced. By using the scattering effect, the degree is offset so that the current of the second unit cell increases. Therefore, a current value due to light scattering increases in all unit cells, and a module having high photoelectric conversion efficiency can be manufactured.
한편, 본 발명에서 사용되는 상기 상부 및 하부 투명 기판으로는 유리, 플라스틱 기판, 또는 금속 기판 등을 사용할 수 있으며, 이들은 SnO2:F, ITO, FTO 등 통상의 전도성 물질이 코팅된 기판을 사용할 수 있으며 그 종류가 특별히 한정되지 않는다.Meanwhile, as the upper and lower transparent substrates used in the present invention, glass, plastic substrates, or metal substrates may be used, and these may use substrates coated with conventional conductive materials such as SnO 2 : F, ITO, and FTO. The kind is not specifically limited.
또한 본 발명에서 상기 단위셀 중 상대전극 부분을 형성하기 위한 촉매 박막 전극(5)은 백금(Pt), 활성탄(activated carbon), 흑연(graphite), 카본 나노튜브, 카본블랙, p-형 반도체, PEDOT (폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜))- PSS(폴리(스티렌설포네이트)), 폴리아닐린-CSA, 펜타센, 폴리아세틸렌, P3HT(폴리(3-헥실티오펜), 폴리실록산 카르바졸, 폴리아닐린, 폴리에틸렌 옥사이드, (폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레드1)-2,5-페닐렌-비닐렌), 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌, 폴리피리딘, 폴리피롤, 폴리설퍼나이트라이드, 이들의 유도체, 이들의 공중합체 및 이들의 복합체로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 촉매 박막 형성용 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 촉매 박막 전극의 두께는 특별히 한정되지 않는다.In the present invention, the catalytic
상기 제1 금속산화물을 함유하는 다공질 전극층(6)에 사용되는 금속산화물로는 주석(Sn)산화물, 안티몬(Sb), 나이오븀(Nb) 또는 불소 도핑된 주석(Sn)산화물, 인듐(In)산화물, 주석 도핑된 인듐(In)산화물, 아연(Zn)산화물, 알루미늄(Al), 붕소(B), 갈륨(Ga), 수소(H), 인듐(In), 이트륨(Y), 타이타늄(Ti), 실리콘(Si) 또는 주석(Sn) 도핑된 아연(Zn)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 캐드뮴(Cd)산화물, 마그네슘아연(MgZn)산화물, 인듐아연(InZn)산화물, 구리알루미늄(CuAl)산화물, 실버(Ag)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 아연주석산화물(ZnSnO), 타이타늄산화물(TiO2) 및 아연인듐주석(ZIS)산화물, 니켈(Ni)산화물, 로듐(Rh)산화물, 루세늄(Ru)산화물, 이리듐(Ir)산화물, 구리(Cu)산화물, 코발트(Co)산화물, 텅스텐(W)산화물, 티타늄(Ti)산화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 티타늄 산화물이 좋다.Examples of the metal oxide used in the
또한, 상기 광산란층(7)에 사용되는 제1 금속산화물 나노입자는 상기 제1 금속산화물을 함유하는 다공질 전극층(6)에 사용되는 물질과 동일한 금속산화물을 사용할 수 있다. 또한, 상기 광산란층에 사용되는 제2 금속산화물 나노입자도 상기 제1 금속산화물 나노입자와 비교하여 입자크기만 다르고 동일한 물질을 사용할 수 있다. 따라서, 상기 광산란층에 포함되는 물질은 각각 입자크기가 다른 타이타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 징크(Zn)산화물, 인듐(In)산화물, 란타넘(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브데넘(Mo)산화물, 텅스텐(W)산화물, 틴(Sn)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트늄(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 및 스트론튬타이타늄(SrTi) 산화물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택될 수 있으며, 보다 바람직하게는 티타늄 산화물이 좋다.In addition, the first metal oxide nanoparticles used in the
상기 전해질(9)은 산화-환원에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 광전극의 염료에 전달하는 역할을 하는 산화-환원 유도체 포함하며, 통상의 염료감응 태양전지에 사용가능한 것이면 특히 한정되지 않는다. 구체적으로 산화-환원 유도체는 요오드(I)계, 브롬(Br)계, 코발트(Co)계, 황화시안(SCN-)계 및 셀레늄화시안(SeCN-)계를 함유하는 전해질로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것이 바람직하다. 또한 상기 전해질은 폴리비닐리덴플로라이드-co-폴리헥사플루오르프로필렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리알킬아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 고분자를 함유할 수 있다. 또한, 상기 전해질은 실리카 및 TiO2 나노입자로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 무기입자를 함유하는 고분자 겔 전해질일 수 있다.
The
한편, 본 발명의 염료감응 태양전지 모듈의 제조방법은,On the other hand, the manufacturing method of the dye-sensitized solar cell module of the present invention,
(a) 전도성 기판 상에 서로간 거리를 두고, 염료가 흡착되며 평균입경이 10nm 내지 50nm인 제1 금속산화물 나노입자를 포함하는 다공질 전극층과 촉매 박막 전극을 교대로 형성하고, 상기 다공질 전극층 위에 평균입경이 100nm 내지 500nm인 제2 금속산화물 나노입자를 포함하는 광산란층을 형성하여 상부 전극 기판을 제조하는 단계와,(a) forming a porous electrode layer including a first metal oxide nanoparticle having a mean particle diameter of 10 nm to 50 nm and a catalyst thin film electrode alternately on the conductive substrate, at a distance from each other, and forming an average on the porous electrode layer; Preparing an upper electrode substrate by forming a light scattering layer including second metal oxide nanoparticles having a particle diameter of 100 nm to 500 nm;
(b) 전도성 기판 상에 서로간 거리를 두고, 촉매 박막 전극과 평균입경이 100nm 내지 500nm인 제2 금속산화물 나노입자를 포함하는 광산란층을 교대로 형성하고, 상기 광산란층 위에 평균입경이 10nm 내지 50nm인 제1 금속산화물 나노입자를 포함하는 광산란층을 형성하여 하부 전극 기판을 제조하는 단계와,(b) alternately forming a light scattering layer comprising a catalyst thin film electrode and second metal oxide nanoparticles having an average particle diameter of 100 nm to 500 nm at a distance from each other on the conductive substrate, and having an average particle diameter of 10 nm to on the light scattering layer. Preparing a lower electrode substrate by forming a light scattering layer including 50 nm of first metal oxide nanoparticles;
(c) 상기 상부 전극 기판과 하부 전극 기판을 염료에 침지하여 다공질 전극층과 광산란층의 금속산화물 나노입자를 염료로 흡착시키는 단계와,(c) immersing the upper electrode substrate and the lower electrode substrate in a dye to adsorb the metal oxide nanoparticles of the porous electrode layer and the light scattering layer with a dye;
(d) 상기 상부 전극 기판과 하부 전극 기판을 서로 마주보도록 배치하고 접착제로 접합한 후, 서로 마주보는 상,하부 기판 사이에 전해액을 주입하여 각 단위셀의 양극(+)으로 배치된 제1 단위셀과 음극(-)으로 배치된 제2 단위셀이 교대로 배열된 구조를 형성하는 단계와, 및(d) a first unit arranged to face the upper electrode substrate and the lower electrode substrate to each other and bonded with an adhesive, and then injecting an electrolyte solution between the upper and lower substrates facing each other to be disposed as an anode (+) of each unit cell; Forming a structure in which a cell and a second unit cell arranged as a cathode (-) are alternately arranged; and
(f) 상기 제1 단위셀과 제2 단위셀의 양극과 음극을 배선으로 연결하는 단계를 포함할 수 있다.(f) connecting the anode and the cathode of the first unit cell and the second unit cell with a wire.
상기 (a)단계 및 (b)단계에서 광산란층은 평균입경이 10nm 내지 50nm인 제1 금속산화물 나노입자를 추가로 포함하여, 제1금속산화물과 제2금속산화물 나노입자의 혼합물을 포함할 수 있다.In the steps (a) and (b), the light scattering layer may further include a first metal oxide nanoparticle having an average particle diameter of 10 nm to 50 nm, and may include a mixture of the first metal oxide and the second metal oxide nanoparticle. have.
이러한 방법에 따라서, 본 발명은 도 4의 구조를 갖는 태양전지 모듈을 제조할 수 있다.According to this method, the present invention can manufacture a solar cell module having the structure of FIG.
도 5는 본 발명의 투명 염료감응 태양전지 모듈의 제조방법에 있어서, 상부 전극 기판(10)과 하부 전극 기판(20)의 제조 과정을 설명하기 위한 평면도이다.5 is a plan view illustrating a manufacturing process of the
도 5를 참조하면, 각 투명 기판 상에 전도성 필름(미도시)을 코팅하여 상,하부 투명 기판(1, 2)을 준비한다. 그런 다음, 상기 전도성 필름이 코팅된 상,하부 기판 1 및 2에 각각 일정한 간격으로 식각기 (laser scriber)를 이용하여, 수직 방향으로 선을 따라서 에칭을 하여 전도성 필름을 제거하고 에칭 선(3)을 형성시켜 전기가 흐르지 않는 각각의 독립된 기판을 만든다.Referring to FIG. 5, upper and lower
이후, 상기 제1단위셀 및 제2단위들에서 상대전극 (counter electrode)을 이루는 부분을 형성하기 위하여, 상,하부 투명 기판 1 및 2의 각각에 서로 간 일정 간격을 두어 한 개씩 떨어져 있는 부분의 전도성 필름 패턴에만 촉매 박막 전극(5)을 코팅하여 형성시킨다. 구체적으로, 상기 기판 상에서 금속산화물 나노입자 페이스트로 코팅할 부분을 접착테이프를 이용하여 마스킹한 후, 그 위에 촉매 박막 전극을 형성하기 위한 전구체 용액을 코팅한 후 열처리하여 형성할 수 있다. 이때, 도 5에서와 같이 촉매 박막 전극(5)은 상,하부 투명 기판 1 및 2에서 서로 맞물리도록 교대로 형성되도록 한다.Subsequently, in order to form a portion forming a counter electrode in the first unit cell and the second units, each of the upper and lower
상기 촉매 박막 전극을 형성하는 방법은, 스크린 인쇄, 닥터블레이드(dotor blade) 등의 방법을 사용하여, 촉매 박막 형성용 물질을 함유하는 전구체 용액을 기판에 코팅하고, 열처리하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 열처리는 400~500℃의 온도에서 10분 내지 2시간 정도 진행하는 것이 바람직하다.The method of forming the catalyst thin film electrode may include coating a precursor solution containing a material for forming a catalyst thin film on a substrate using a screen printing method, a doctor blade, or the like, and then performing heat treatment. have. The heat treatment is preferably performed for 10 minutes to 2 hours at a temperature of 400 ~ 500 ℃.
이어서, 상기 제1단위셀과 제2단위셀에서 광전극을 이루는 부분을 형성하기 위하여, 상기 상부 투명 기판 1의 촉매 박막 전극(5)이 형성되지 않고 한 개씩 떨어져 있는 부분에 상기 기재된 광산란층(7)을 코팅하고 열처리하여, 상기 촉매 박막 전극(5)과 상기 광산란층(7)이 교대로 배열되도록 한다.Subsequently, in order to form a portion constituting the photoelectrode in the first unit cell and the second unit cell, the light-scattering layer described above is formed on the portion separated by one without forming the catalyst
또한, 본 발명은 상기 하부 투명 기판 2의 촉매 박막 전극(5)이 형성되지 않고 한 개씩 떨어져 있는 부분에는 평균입경이 10nm 내지 50nm인 제1 금속산화물 나노입자를 함유하는 다공질 전극층(6)을 코팅하고 열처리하여 제1 금속산화물을 함유하는 다공질 전극층(6)과 촉매 박막 전극(5)이 교대로 배열되도록 한다. 상기 열처리는 400~ 500℃의 온도에서 10분 내지 2시간 정도 진행하는 것이 바람직하다.In addition, the present invention coats the
이후, 본 발명은 상기 제1 금속산화물을 함유하는 다공질 전극층(6)과 촉매 박막 전극(5) 이 교대로 형성된 상부 투명 기판 1에 있어서, 상기 다공성 전극층(6) 위에만 상기 광산란층(7)을 오버 코팅하여 형성한다. 그런 다음, 상기 기판에 대하여 열처리를 거쳐, 도 3에 도시된 단면 구조를 갖는 상부 전극 기판(10)의 구조를 완성한다. 상기 열처리는 400~500℃의 온도에서 1~2시간 정도 진행하는 것이 바람직하다.Then, in the upper
또한, 본 발명은 상기 촉매 박막 전극(5)과 상기 광산란층(7)이 교대로 형성된 하부 투명 기판 2에 있어서, 상기 광산란층(7) 위에만 제1 금속산화물을 함유하는 다공질 전극층(6)을 오버 코팅한다. 그런 다음, 상기 기판에 대하여 열처리를 거쳐, 도 3에 도시된 단면 구조를 갖는 하부 전극 기판(20)의 구조를 완성한다. 상기 열처리는 400~500℃의 온도에서 10분 내지 2시간 정도 진행하는 것이 바람직하다.In addition, in the lower
다음으로, 상기에서 얻어진 각 기판에 형성된 다공질 전극층(6)과 광산란층(7)의 금속산화물 나노입자에 각각 염료를 흡착시키는 단계를 수행한다. 상기 염료 흡착은 10 분 내지 24 시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 이때, 염료는 다공질 전극층(6)과 광산란층(7)의 금속산화물 나노입자의 표면에 흡착을 하는데, 다만 흡착량이 금속산화물 나노입자의 크기에 따라 달라질 수 있다. 일반적으로 광산란 층에 도입되는 크기가 수 백 nm 의 제2 금속산화물 나노입자의 표면적이 수 nm 크기의 제1 금속산화물 나노입자에 비해 크지 않기 때문에, 제2 금속산화물 나노입자의 염료 흡착량은 많지 않으며, 이것이 전류 감소를 유발할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 이러한 문제를 상쇄시키기 위해 수십 nm의 제1 금속산화물과 수백 nm의 제2 금속산화물 나노입자의 혼합물을 사용하는 것이다.Next, the step of adsorbing the dye to the metal oxide nanoparticles of the
또한, 상기 염료는 광전하 생성을 위한 통상의 염료 물질을 사용할 수 있으며, 예를 들면 루테늄(ruthenium)계 염료 혹은 쿠마린(coumarin)계, 포피린(Phorpyrine)계, 트리페닐메탄 (triphenyl methane)계의 유기 염료 등을 사용할 수 있다. 또한 염료 흡착 방법은 통상의 당업자들에게 잘 알려진 방법에 의해 수행될 수 있으며, 그 방법이 특별히 한정되지는 않는다.In addition, the dye may be used a conventional dye material for generating a photocharge, for example, ruthenium-based dyes or coumarin (coumarin), porphyrin (Phorpyrine), triphenyl methane (triphenyl methane) of Organic dyes and the like can be used. In addition, the dye adsorption method may be carried out by a method well known to those skilled in the art, and the method is not particularly limited.
다음으로, 본 발명은 상기 과정을 거친 하부 전극 기판 위에 상부 전극 기판이 위치하도록, 두 장의 기판을 서로 마주보도록 배치한 후 접합하는 과정을 수행한다.Next, the present invention performs a bonding process after placing the two substrates facing each other so that the upper electrode substrate is positioned on the lower electrode substrate subjected to the above process.
상기 두 기판을 접합하는 방법은 하부 전극 기판(10)의 제1 금속산화물을 함유하는 다공질 전극층(6)과 촉매 박막 전극(5) 주위의 전도성 기판 상(1)에 일정량의 접착제(sealant)(8)를 코팅한다. 그리고, 상기와 같이 접착제가 코팅된 기판 위에 상부 전극 기판(10)을 정렬시키며 접합하는 과정을 수행한다. 상기 접착제로는 열융착 고분자 필름 또는 페이스트를 사용할 수 있고, 그 종류가 특별히 한정되지 않으며 이 분야의 통상의 당업자들에게 잘 알려진 물질을 모두 사용 가능하다.The method of joining the two substrates comprises a fixed amount of sealant on the
상기 접합에 의해, 제1단위셀과 제2단위셀을 가지는 교번극성(alternative electrode)의 태양전지 단위 셀 배열 구조(W형 모듈구조)가 포함될 수 있다.By the bonding, an alternating polarity solar cell unit cell arrangement structure (W type module structure) having a first unit cell and a second unit cell may be included.
마지막으로, 제1단위셀과 제2단위을 포함하는 태양전지 모듈 구조를 완성하기 위하여, 두 기판 사이에 전해액을 주입한다. 이후, 상기 제1단위셀과 제2단위셀의 음극과 양극을 배선으로 연결하면, 모듈 구조가 완성될 수 있다.Finally, in order to complete the solar cell module structure including the first unit cell and the second unit, an electrolyte is injected between the two substrates. Thereafter, when the cathode and the anode of the first unit cell and the second unit cell are connected by wires, the module structure may be completed.
이때, 상기 제1단위셀과 제2단위셀의 양극과 음극을 연결하여 배치하도록, 외부전극(4)이 형성될 수 있으며, 그 형성방법이 특별히 한정되지는 않는다. 상기 외부전극(4)은 상부 투명 기판(1)의 우측의 가장자리 및 하부 투명 기판(2)의 좌측의 가장자리에 형성될 수 있다. 또한, 상기 양극과 음극은 통상의 방법으로 연결될 수 있다. 또한 도면에는 미도시하였으나, 상기 전도성 기판은 양극과 음극을 형성할 수 있는 단위셀간 연결전극이 형성될 수 있고, 배선이 형성되도록 한다. 이때, 상기 배선은 기판 상에 전도성의 금속 페이스트, 테이프 또는 와이어로 형성된 것일 수 있다.In this case, the
또한, 본 발명에서 상기 광산란층(7)과 제1 금속산화물 나노입자를 포함하는 다공질 전극층(6)을 형성하는 방법은, 금속산화물 나노입자를 포함하는 통상의 페이스트를 이용하여 스크린 인쇄, 닥터블레이드(dotor blade) 등의 방법을 이용할 수 있고, 그 방법이 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 상기 금속산화물 나노입자를 포함하는 페이스트는 각 층에 사용되는 금속산화물 나노입자를 용매와 혼합하여 금속산화물이 분산된 콜로이드 용액을 제조한 후, 여기에 바인더 수지를 혼합한 후, 증류기로 40 내지 70 ℃에서 30분 내지 1시간 동안 용매를 제거하여 제조할 수 있다. 상기 바인더 수지는 그 종류가 특별히 한정되지는 않으며, 바람직하게 열처리 후 유기물이 잔존하지 않는 고분자를 선택해야 한다. 적합한 고분자로는 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 폴리에틸렌 옥사이드(PEO), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리비닐피리돈(PVP), 에틸셀룰로오스 등이 있다. 그리고 제조된 페이스트를 더욱 고르게 분산하기 위하여 3롤 분쇄기를 사용하여 한번 더 분산시킬 수도 있다. 상기 용매는 콜로이드 용액의 제조에 사용되는 것이면 특별히 한정되지 않게 사용할 수 있고, 예를 들면 에탄올, 메탄올, 터피네올(terpineol), 라우르산(Lauric Acid), THF, 물 등이 있다.In addition, the method of forming the
또한, 상기 촉매 박막 전극, 평균입경이 10nm 내지 50nm인 제1 금속산화물 나노입자를 함유하는 다공질 전극층 및 상기 광산란층이 형성되는 부분의 면적은 서로 동일하게 형성될 수 있다. 이상의 방법을 통해, 도 4에 도시된 구조를 갖는 태양전지 모듈을 제조할 수 있다.In addition, the areas of the catalyst thin film electrode, the porous electrode layer containing the first metal oxide nanoparticles having an average particle diameter of 10 nm to 50 nm, and the light scattering layer are formed to be the same. Through the above method, the solar cell module having the structure shown in FIG. 4 can be manufactured.
또한, 본 발명에서 이웃하는 단위셀들의 양극(+)과 음극(-)을 서로 수평방향으로 연결하는 구조 외에, 수직 방향으로 연결하는 구조를 포함할 수도 있다.In addition, in the present invention, in addition to the structure of connecting the positive electrode (+) and the negative electrode (-) of the neighboring unit cells in a horizontal direction, it may also include a structure for connecting in a vertical direction.
또한 본 발명의 방법은 전도성 기판 상에 첫 번째 금속산화물층, 즉 상기 광산란층 또는 제1 금속산화물 나노입자를 함유하는 다공질 전극층을 형성하기 전에 차단층(blocking layer)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 바람직하게, 상기 방법은 (a)단계에서 전도성 기판에 다공질 전극층을 형성하기 전에 차단층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 방법은 (b)단계에서 전도성 기판에 광산란층을 형성하기 전에 차단층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 차단층 또한 당업자들에게 잘 알려진 소재를 사용하여 형성할 수 있으며, 그 소재 및 형성 방법이 특별히 한정되지는 않는다. 예를 들면, 상기 차단층은 나노입자 금속산화물 입자를 이용하여 증착 또는 스퍼터링 방법 등의 통상의 방법으로 형성될 수 있다.
The method may further comprise forming a blocking layer before forming the first metal oxide layer, ie, the porous electrode layer containing the light scattering layer or the first metal oxide nanoparticles, on the conductive substrate. Can be. Preferably, the method may further comprise forming a blocking layer before forming the porous electrode layer on the conductive substrate in step (a). In addition, the method may further include forming a blocking layer before forming the light scattering layer on the conductive substrate in step (b). The barrier layer may also be formed using materials well known to those skilled in the art, and the materials and formation methods thereof are not particularly limited. For example, the blocking layer may be formed by a conventional method such as a deposition or sputtering method using nanoparticle metal oxide particles.
본 발명에 따르면, 모듈을 구성하는 염료감응 태양전지 셀의 구성에 광산란층을 형성시키고, 특히 그 형성 위치와 입자크기를 조절한 금속산화물 나노입자를 도입함으로써, 조사된 광이 모든 단위 셀에서 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자를 포함하는 다공질 전극층을 통과한 후에 상기 광산란층과 만나기 때문에 상기 다공질 전극에서의 광산란으로 전류값을 증가시켜 높은 광전 변환 효율을 갖는 집적 모듈을 제작할 수 있다.
According to the present invention, a light scattering layer is formed in the structure of a dye-sensitized solar cell constituting a module, and in particular, metal oxide nanoparticles having adjusted the formation position and particle size are introduced so that the irradiated light dyes in all unit cells. After passing through the porous electrode layer including the adsorbed metal oxide nanoparticles and meeting the light scattering layer, an integrated module having high photoelectric conversion efficiency may be manufactured by increasing the current value by light scattering at the porous electrode.
도 1은 종래 염료감응 태양전지의 교번극성 모듈의 단면도이다.
도 2은 종래 염료감응 태양전지에 광산란 층을 도입한 통상의 교번극성 모듈의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 광산란층을 도입한 교번극성을 갖는 염료감응 태양전지 모듈의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 염료감응 태양전지의 광산란층 내에서의 광산란이 발생하는 원리를 설명하는 모식도이다.
도 5는 본 발명에 따른 투명 염료감응 태양전지 모듈의 제조방법에 있어서, 상부 전극 기판(10)과 하부 전극 기판(20)의 제조 과정을 설명하기 위한 평면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 염료감응 태양전지 모듈의 상부 전극 기판 및 하부 전극 기판의 제조과정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예1 및 비교예 1, 2에 따른 염료감응 태양전지 모듈에 대한 AM 1.5G 1 Sun 조건에서 얻은 전류-전압 곡선을 도시한 그래프이다.1 is a cross-sectional view of an alternating polarity module of a conventional dye-sensitized solar cell.
2 is a cross-sectional view of a conventional alternating polarity module incorporating a light scattering layer in a conventional dye-sensitized solar cell.
3 is a cross-sectional view of a dye-sensitized solar cell module having alternating polarity incorporating a light scattering layer according to the present invention.
4 is a schematic diagram illustrating the principle of light scattering in the light scattering layer of the dye-sensitized solar cell of the present invention.
5 is a plan view illustrating a manufacturing process of the
6 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the upper electrode substrate and the lower electrode substrate of the dye-sensitized solar cell module according to the present invention.
7 is a graph illustrating current-voltage curves obtained under AM 1.5
이하, 본 발명에 대한 실시예를 기재한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 권리범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the Example about this invention is described. However, the following examples are merely illustrated to aid the understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples.
비교예Comparative example 1 One
(광전극의 제조)(Production of Photoelectrode)
광전극 부분과 상대전극 부분을 교대로 형성하기 위한 기판으로서 FTO가 코팅된 투명 전도성 유리 기판(두께: 2 mm)을 2장 준비하였다.Two sheets of a transparent conductive glass substrate (thickness: 2 mm) coated with FTO were prepared as substrates for alternately forming the photoelectrode portion and the counter electrode portion.
이어서, 상기 각 기판에 대하여 금속산화물 나노입자 페이스트로 코팅할 부분을 접착테이프를 이용하여 마스킹한 후, 그 위에 H2PtCl6 용액을 스핀 코터로 코팅하였고, 400 ℃에서 20 분 동안 열처리하여 백금이 코팅된 상대전극 부분을 제조하였다.Subsequently, a portion of the substrate to be coated with the metal oxide nanoparticle paste was masked with an adhesive tape, and then a H 2 PtCl 6 solution was coated with a spin coater thereon, followed by heat treatment at 400 ° C. for 20 minutes. Coated counter electrode portions were prepared.
이어서, 각 기판 상에서 마스킹한 접착테이프를 제거하여 상대전극이 형성되지 않은 부분에 평균입경 20nm 크기의 금속산화물 입자를 포함하는 금속산화물 나노입자 페이스트를 닥터블레이드법으로 코팅한 후, 기판을 500 ℃에서 30 분간 열처리하여 금속산화물 나노입자를 포함하는 다공질막을 형성시켰다(상부 전극의 필름 두께:13㎛, 하부 전극의 필름두께: 20㎛). 상기 방법을 통해, 2장의 기판 상에 광전극 부분인 금속산화물 나노입자(제1산화물)와 백금이 코팅된 상대전극이 교대로 배열되어 있는 구조를 형성하였다. 이때, 상기 금속산화물 나노입자 페이스트는 산화티타늄 나노입자(평균입경: 20 nm) 20 중량%, 바인더용 고분자(에틸셀룰로오스) 6 중량%, 및 용매(Terpineol) 74 중량%를 포함하는, 콜로이드 용액을 사용하였다.Subsequently, after removing the masking adhesive tape on each substrate, the metal oxide nanoparticle paste containing the metal oxide particles having an average particle diameter of 20 nm was coated on the portion where the counter electrode was not formed by the doctor blade method. Heat treatment was performed for 30 minutes to form a porous film containing metal oxide nanoparticles (film thickness of upper electrode: 13 占 퐉, film thickness of lower electrode: 20 占 퐉). Through the above method, a structure in which metal oxide nanoparticles (first oxide), which are photoelectrode portions, and a counter electrode coated with platinum, are alternately arranged on two substrates. In this case, the metal oxide nanoparticle paste is a colloidal solution containing 20% by weight of titanium oxide nanoparticles (average particle diameter: 20 nm), 6% by weight of a binder polymer (ethylcellulose), and 74% by weight of a solvent (Terpineol) Used.
그런 다음, 상기 2장의 기판을 각각 감광성 염료[Ru(4,4'-dicarboxy-2,2'-bipyridine)2(NCS)2] 0.5 mM을 포함하는 에탄올 용액에 12 시간 동안 침지하여 다공질 막의 표면에 감광성 염료를 흡착시켜 광전극 부분이 형성되도록 하였다.The two substrates were then immersed in an ethanol solution containing 0.5 mM of photosensitive dye [Ru (4,4'-dicarboxy-2,2'-bipyridine) 2 (NCS) 2] for 12 hours, respectively. The photosensitive dye was adsorbed to the photoelectrode portion to form.
(전해질 주입 및 봉합)(Electrolyte injection and suture)
앞서 제조한 2장의 기판을 서로 마주보도록 배치하고, 접착제(열융착성 고분자: Surlyn)를 이용하여 접합하였다. 이후, 서로 마주보는 기판에서 광전극과 상대전극 사이의 공간에 PMII(1-methyl-3-propylimidazolium iodide, 0.7M) 및 I2(0.03M)를 포함하는 아세토니트릴(acetonitrile) 전해질을 주입하고 봉합하여 염료감응 태양전지 단위 셀을 포함하는 모듈을 제조하였다. 최종 구조는 도 1과 같다.
The two substrates prepared above were arranged to face each other, and were bonded using an adhesive (thermal adhesive polymer: Surlyn). Subsequently, an acetonitrile electrolyte containing PMII (1-methyl-3-propylimidazolium iodide, 0.7M) and I2 (0.03M) is injected into the space between the photoelectrode and the counter electrode on a substrate facing each other, and then sealed. A module comprising a dye-sensitized solar cell unit cell was prepared. The final structure is shown in FIG.
비교예Comparative example 2 2
(광전극의 제조)(Production of Photoelectrode)
광전극 부분과 상대전극 부분을 교대로 형성하기 위한 기판으로서 FTO가 코팅된 투명 전도성 유리 기판(두께: 2 mm)을 2장 준비하였다.Two sheets of a transparent conductive glass substrate (thickness: 2 mm) coated with FTO were prepared as substrates for alternately forming the photoelectrode portion and the counter electrode portion.
이어서, 상기 각 기판에 대하여 금속산화물 나노입자 페이스트로 코팅할 부분을 접착테이프를 이용하여 마스킹한 후, 그 위에 H2PtCl6 용액을 스핀 코터로 코팅하였고, 400 ℃에서 20 분 동안 열처리하여 백금이 코팅된 상대전극 부분을 제조하였다.Subsequently, a portion of the substrate to be coated with the metal oxide nanoparticle paste was masked with an adhesive tape, and then a H 2 PtCl 6 solution was coated with a spin coater thereon, followed by heat treatment at 400 ° C. for 20 minutes. Coated counter electrode portions were prepared.
이어서, 각 기판 상에서 마스킹한 접착테이프를 제거하여 상대전극이 형성되지 않은 부분에 평균입경 20nm 크기의 금속산화물 입자를 포함하는 금속산화물 나노입자 페이스트를 닥터블레이드법으로 코팅한 후, 기판을 500 ℃에서 30 분간 열처리하여 금속산화물 나노입자를 포함하는 다공질막을 형성시켰다(상부 전극의 필름 두께:9㎛, 하부 전극의 필름두께: 16㎛). 이때, 상기 금속산화물 나노입자 페이스트는 산화티타늄 나노입자(평균입경: 20 nm) 20 중량%, 바인더용 고분자(에틸셀룰로오스) 6 중량%, 및 용매(Terpineol) 74 중량%를 포함하는, 콜로이드 용액을 사용하였다.Subsequently, after removing the masking adhesive tape on each substrate, the metal oxide nanoparticle paste containing the metal oxide particles having an average particle diameter of 20 nm was coated on the portion where the counter electrode was not formed by the doctor blade method. Heat treatment was performed for 30 minutes to form a porous membrane containing metal oxide nanoparticles (film thickness of upper electrode: 9 탆, film thickness of lower electrode: 16 탆). In this case, the metal oxide nanoparticle paste is a colloidal solution containing 20% by weight of titanium oxide nanoparticles (average particle diameter: 20 nm), 6% by weight of a binder polymer (ethylcellulose), and 74% by weight of a solvent (Terpineol) Used.
이후, 각 기판 상에 형성된 상기 다공질막 위에만 평균입경 400nm 크기의 금속산화물 입자를 포함하는 금속산화물 나노입자 페이스트를 닥터블레이드법으로 이중으로 코팅한 후, 기판을 500 ℃에서 30 분간 열처리하여 금속산화물 나노입자를 포함하는 다공질막을 형성시켰다(상부 및 하부 전극의 막 두께:4㎛). 상기 방법을 통해, 2장의 기판 상에 광전극 부분인 금속산화물 나노입자(제2산화물)과 백금이 코팅된 상대전극이 교대로 배열되어 있는 구조를 형성하였다. 이때, 상기 금속산화물 나노입자 페이스트는 산화티타늄 나노입자(평균입경: 400nm) 20 중량%, 바인더용 고분자(에틸셀룰로오스) 6 중량%, 및 용매(Terpineol) 74 중량%를 포함하는, 콜로이드 용액을 사용하였다.Subsequently, a metal oxide nanoparticle paste including a metal oxide particle having an average particle size of 400 nm is coated on the porous membranes formed on each substrate only by a doctor blade method, and then the substrate is heat-treated at 500 ° C. for 30 minutes for metal oxide. A porous membrane containing nanoparticles was formed (film thickness of upper and lower electrodes: 4 μm). Through the above method, a structure in which metal oxide nanoparticles (second oxides), which are photoelectrode portions, and a counter electrode coated with platinum, are alternately arranged on two substrates. In this case, the metal oxide nanoparticle paste is a colloidal solution containing 20% by weight of titanium oxide nanoparticles (average particle size: 400nm), 6% by weight of a binder polymer (ethylcellulose), and 74% by weight of a solvent (Terpineol) It was.
그런 다음, 상기 2장의 기판을 각각 감광성 염료[Ru(4,4'-dicarboxy-2,2'-bipyridine)2(NCS)2] 0.5 mM을 포함하는 에탄올 용액에 12 시간 동안 침지하여 다공질 막의 표면에 감광성 염료를 흡착시켜 광전극 부분이 형성되도록 하였다.The two substrates were then immersed in an ethanol solution containing 0.5 mM of photosensitive dye [Ru (4,4'-dicarboxy-2,2'-bipyridine) 2 (NCS) 2] for 12 hours, respectively. The photosensitive dye was adsorbed to the photoelectrode portion to form.
(전해질 주입 및 봉합)(Electrolyte injection and suture)
앞서 제조한 2장의 기판을 서로 마주보도록 배치하고, 접착제(열융착성 고분자: Surlyn)를 이용하여 접합하였다. 이후, 서로 마주보는 기판에서 광전극과 상대전극 사이의 공간에 PMII(1-methyl-3-propylimidazolium iodide, 0.7M) 및 I2(0.03M)를 포함하는 아세토니트릴(acetonitrile) 전해질을 주입하고 봉합하여 염료감응 태양전지 단위 셀을 포함하는 모듈을 제조하였다. 최종 구조는 도 2와 같다.
The two substrates prepared above were arranged to face each other, and were bonded using an adhesive (thermal adhesive polymer: Surlyn). Subsequently, an acetonitrile electrolyte containing PMII (1-methyl-3-propylimidazolium iodide, 0.7M) and I2 (0.03M) is injected into the space between the photoelectrode and the counter electrode on a substrate facing each other, and then sealed. A module comprising a dye-sensitized solar cell unit cell was prepared. The final structure is shown in FIG.
실시예Example 1 One
(광전극의 제조)(Production of Photoelectrode)
광전극 부분과 상대전극 부분을 교대로 형성하기 위한 기판으로서 FTO가 코팅된 투명 전도성 유리 기판(두께: 2 mm)을 2장 준비하였다(상,하부 투명 기판 1 및 2).Two transparent conductive glass substrates (thickness: 2 mm) coated with FTO were prepared as substrates for alternately forming the photoelectrode portion and the counter electrode portion (upper and lower
이어서, 상기 각 기판에 대하여 금속산화물 나노입자 페이스트로 코팅할 부분을 접착테이프를 이용하여 마스킹한 후, 그 위에 H2PtCl6 용액을 스핀 코터로 코팅하였고, 400 ℃에서 20 분 동안 열처리하여 백금이 코팅된 상대전극 부분을 갖는 촉매 박막 전극(5)을 제조하였다. 이후, 각 기판 상에서 마스킹한 접착테이프를 제거하였다.Subsequently, a portion of the substrate to be coated with the metal oxide nanoparticle paste was masked with an adhesive tape, and then a H 2 PtCl 6 solution was coated with a spin coater thereon, followed by heat treatment at 400 ° C. for 20 minutes. A catalytic
이어서, 상대전극이 형성되지 않은 부분에 빛을 바로 받는 상부 전극 기판(10)을 제조하기 위해, 상부 투명 기판 1의 마스킹 테이프가 제거된 상대전극이 형성되지 않은 부분에 평균입경 20nm의 산화티타늄 나노입자를 포함하는 금속산화물 나노입자 페이스트(다공질 전극층 형성용 조성물)를 닥터블레이드 법으로 코팅하였다. 또한, 상대전극과 전해질을 지나 빛을 받는 하부 전극 기판을 제조하기 위해, 하부 투명 기판 2에는 마스킹 테이프가 제거된 부분에 입자크기가 다른 산화티타늄 나노입자의 혼합물을 포함하는 금속산화물 나노입자 페이스트(광산란층 형성용 조성물)를 닥터블레이드법으로 코팅하였다.Subsequently, in order to manufacture the
이후, 상기 각 기판을 500 ℃에서 30 분간 열처리하여 상부 투명 기판 1에는 제1 금속산화물을 함유하는 다공질 전극층(필름 두께: 9 ㎛)(6)을 포함하고, 하부 투명 기판 2에 광산란층(필름 두께: 4 ㎛)(7)을 포함하도록 하였다.Subsequently, the substrates are heat-treated at 500 ° C. for 30 minutes to include a porous electrode layer (film thickness: 9 μm) 6 containing a first metal oxide in the upper
그런 다음, 상기 상부 투명 기판 1의 제1 금속산화물을 함유하는 다공질 전극층(6) 위에는 평균입경 20nm와 400nm의 산화티타늄 나노입자의 혼합물을 포함하는 금속산화물 나노입자 페이스트를 닥터블레이드법으로 코팅하였다. 또한, 하부 투명 기판 2의 상기 광산란층(7) 위에는 평균입경 20nm의 산화티타늄 나노입자를 포함하는 금속산화물 나노입자 페이스트를 닥터블레이드법으로 코팅하였다.Then, the metal oxide nanoparticle paste containing a mixture of titanium oxide nanoparticles having an average particle diameter of 20 nm and 400 nm was coated on the
이후, 각 기판을 500 ℃에서 30 분간 열처리하였다. 그 결과, 상부 투명 기판 1에는 광전극 부분으로서, 제1 금속산화물을 함유하는 다공질 전극층(6) 위에 상기 광산란층(필름 두께: 4㎛)(7)을 포함하는 구조를 형성시켰다. 또한, 하부 투명 기판 2에는 광전극 부분으로서, 상기 광산란층(7) 위에 제1 금속산화물을 함유하는 다공질 전극층(필름 두께: 16㎛)(6)을 포함하는 다공질막을 형성시켰다. 이렇게 하여, 상기 각 기판은 광전극 부분인 금속산화물 나노입자와 백금이 코팅된 상대전극이 교대로 배열되어 있는 구조를 형성하였다.Thereafter, each substrate was heat-treated at 500 ° C. for 30 minutes. As a result, in the upper
이어서, 상기 기판을 감광성 염료[Ru(4,4'-dicarboxy-2,2'-bipyridine)2(NCS)2] 0.5 mM을 포함하는 에탄올 용액에 12 시간 동안 침지하여 다공질막의 표면에 감광성 염료를 흡착시켜 광전극을 제조하였다.Subsequently, the substrate was immersed in an ethanol solution containing 0.5 mM of photosensitive dye [Ru (4,4'-dicarboxy-2,2'-bipyridine) 2 (NCS) 2 ] for 12 hours to provide a photosensitive dye on the surface of the porous membrane. Adsorption was performed on the photoelectrode.
이때, 상기 제1 금속산화물을 함유하는 다공질 전극층(6)을 형성하기 위한, 평균입경 20nm의 산화티타늄 나노입자를 포함하는 금속산화물 나노입자 페이스트는 산화티타늄 나노입자(평균입경: 20 nm) 20 중량%, 바인더용 고분자(에틸셀룰로오스) 6 중량%, 및 용매(Terpineol) 74 중량%를 포함하는, 콜로이드 용액을 사용하였다. 또한, 상기 광산란층(7)을 형성하기 위한, 산화티타늄 나노입자 혼합물을 포함하는 금속산화물 나노입자 페이스트는 산화티타늄 나노입자(평균입경: 20 nm(80wt%)+400nm(20wt%)) 20 중량%, 바인더용 고분자(에틸셀룰로오스) 6 중량%, 및 용매(Terpineol) 74 중량%를 포함하는, 콜로이드 용액을 사용하였다.At this time, the metal oxide nanoparticle paste containing titanium oxide nanoparticles having an average particle diameter of 20 nm for forming the
(전해질 주입 및 봉합)(Electrolyte injection and suture)
앞서 제조한 2장의 기판을 서로 마주보도록 배치하고, 접착제(열융착성 고분자: Surlyn)를 이용하여 접합하였다. 이후, 서로 마주보는 기판에서 광전극과 상대전극 사이의 공간에 PMII(1-methyl-3-propylimidazolium iodide, 0.7M) 및 I2(0.03M)를 포함하는 아세토니트릴(acetonitrile) 전해질을 주입하고 봉합하여 염료감응 태양전지 단위 셀을 포함하는 모듈을 제조하였다. 최종 구조는 도 3과 같다.
The two substrates prepared above were arranged to face each other, and were bonded using an adhesive (thermal adhesive polymer: Surlyn). Subsequently, an acetonitrile electrolyte containing PMII (1-methyl-3-propylimidazolium iodide, 0.7M) and I2 (0.03M) is injected into the space between the photoelectrode and the counter electrode on a substrate facing each other, and then sealed. A module comprising a dye-sensitized solar cell unit cell was prepared. The final structure is shown in FIG.
실험예Experimental Example 1 One
비교예 1,2 및 실시예 1에서 제조한 각각의 염료감응 태양전지 모듈에 대하여 하기와 같은 방법으로 개방전압, 광전류밀도, 에너지 변환효율(energy conversion efficiency), 및 충진계수(fill factor)를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1 및 도 7에 나타내었다.For each dye-sensitized solar cell module prepared in Comparative Examples 1 and 2 and Example 1, the open voltage, photocurrent density, energy conversion efficiency, and fill factor were measured by the following method. The results are shown in Table 1 and FIG. 7.
(1) 개방전압(open circuit voltage, Voc, 단위 V) 및 광전류밀도(photocurrent density, J, 단위: ㎃/㎠)(1) Open circuit voltage (Voc, unit V) and photocurrent density (J, unit: ㎃ / ㎠)
: 개방전압과 광전류 밀도는 Keithley SMU2400 을 이용하여 측정하였다.Open voltage and photocurrent density were measured using a Keithley SMU2400.
(2) 에너지 변환효율(%) 및 충진계수(%)(2) Energy conversion efficiency (%) and filling factor (%)
: 에너지 변환효율의 측정은 1.5AM 100mW/cm2의 솔라 시뮬레이터(Xe 램프[1600W, YAMASHITA DENSO], AM1.5 filter, 및 Keithley SMU2400으로 구성됨)를 이용하였고, 충진계수는 앞서 얻은 변환효율 및 하기 계산식을 이용하여 계산하였다.The energy conversion efficiency was measured using a 1.5AM 100mW / cm2 solar simulator (composed of Xe lamp [1600W, YAMASHITA DENSO], AM1.5 filter, and Keithley SMU2400). Calculated using.
[계산식][formula]
상기 계산식에서, J는 변환효율 곡선의 Y축 값이고, V는 변환효율 곡선의 X축 값이며, Jsc및 Voc는 각 축의 절편값이다.In the above formula, J is the Y-axis value of the conversion efficiency curve, V is the X-axis value of the conversion efficiency curve, and Jsc and Voc are intercept values of each axis.
(㎃)Photocurrent
(㎃)
(V)Open voltage
(V)
(％)Fill factor
(%)
(％)efficiency
(%)
(㎠) area
(㎠)
상기 표 1과 도 7에 나타낸 바와 같이, 일반적인 입자크기가 작은 산화티타늄 나노입자(평균입경: 20 nm)를 사용한 비교예 1에 비해서, 본 발명과 같이 입경이 작은 산화티타늄 나노입자(평균입경: 20 nm)를 포함하는 다공질 전극층의 위와 아래로 혼합 산화티타늄 나노입자(평균입경: 20 nm(80wt%)+400nm(20wt%))를 교대로 형성한 경우가 전류값이 크게 증가하여 효율이 현저히 상승됨을 알 수 있다.As shown in Table 1 and Figure 7, compared to Comparative Example 1 using titanium oxide nanoparticles (average particle size: 20 nm) having a small particle size, titanium oxide nanoparticles having a small particle size (average particle size: In the case of alternating formation of mixed titanium oxide nanoparticles (average particle size: 20 nm (80 wt%) + 400 nm (20 wt%)) above and below the porous electrode layer including 20 nm), the current value is greatly increased and the efficiency is remarkably increased. It can be seen that it is elevated.
즉, 산화티타늄 나노입자 표면에 흡착된 염료에 의해 빛이 흡수되어 전류가 발생하는데, 본 발명의 경우 빛을 전부 흡수하지 못하고 투과된 빛을 다공질 전극(7)에 포함된 입자 크기가 큰 산화물이 다시 다공질 전극층(6)의 산화티타늄 나노입자 표면에 흡착된 염료로 산란시켜 빛을 좀 더 많이 주게 되어 전류가 증가하는 것을 알 수 있다(도 4 참조).That is, the light is absorbed by the dye adsorbed on the surface of the titanium oxide nanoparticles to generate a current. In the present invention, an oxide having a large particle size included in the
한편, 비교예 2와 같이 20㎚ 크기를 갖는 산화물 입자 위에 400nm 산화물을 오버코팅 하였을 경우에는, 백금 금속 박막 필름이 상부에 있을 때 산란층 때문에 빛이 투과를 하지 못해 전류 값이 가장 작게 나와 가장 낮은 효율을 나타냄을 알 수 있다.
On the other hand, when 400 nm oxide is overcoated on an oxide particle having a size of 20 nm as in Comparative Example 2, when the platinum metal thin film is on the top, light does not penetrate due to the scattering layer, resulting in the lowest current value. It can be seen that the efficiency.
1: 상부 투명 기판
2: 하부 투명 기판
3: 전도성 필름이 엣칭되어 투명 기판이 노출된 부분(에칭선)
4: 외부전극
5: 상대전극용 촉매 박막 전극
6: 제1 금속산화물을 함유하는 다공질 전극층
7: 광 산란층의 기능을 하는 다공질 전극
8: 접착제
9: 전해질
10: 상부 전극 기판
20: 하부 전극 기판
A: 제1 단위셀
B: 제2 단위셀1: upper transparent substrate
2: bottom transparent substrate
3: portion where the conductive film is etched to expose the transparent substrate (etching line)
4: external electrode
5: Catalytic thin film electrode for counter electrode
6: porous electrode layer containing a first metal oxide
7: Porous electrode functioning as a light scattering layer
8: glue
9: electrolyte
10: upper electrode substrate
20: lower electrode substrate
A: first unit cell
B: second unit cell
Claims (18)
상기 제1단위셀은 한쌍의 도전성 투명전극; 일측 도전성 투명전극 위에 형성된, 표면에 염료가 흡착되며 평균입경이 10nm 내지 50nm인 제1 금속산화물 나노입자를 포함하는 다공질 전극층; 평균입경이 100nm 내지 500nm인 제2 금속산화물 나노입자를 포함하는 광산란층; 전해질; 및 타측 도전성 투명전극 위에 형성된 촉매 박막전극을 포함하며,
상기 제2단위셀은 한쌍의 도전성 투명전극; 일측 도전성 투명전극 위에 형성된, 평균입경이 100nm 내지 500nm인 제2 금속산화물 나노입자를 포함하는 광산란층; 상기 광산란층 위에 형성되며, 염료가 흡착되며 평균입경이 10nm 내지 50nm인 제1 금속산화물 나노입자를 포함하는 다공질 전극층; 전해질; 및 타측 도전성 투명전극 위에 형성된 촉매 박막전극을 포함하는 것인,
교번 극성의 단위 셀의 배열구조를 갖는 염료감응형 태양전지.Between the upper and lower transparent substrates, a first unit cell arranged as an anode (+) of each unit cell and a second unit cell arranged as a cathode (-) are alternately arranged, and the first unit cell and the second unit cell are alternately arranged. Arrangement of unit cells of alternating polarity including connecting electrodes between unit cells electrically connected to each other, insulators between the unit cells electrically insulating the first unit cells and the second unit cells, and external connection electrodes provided on upper and lower transparent substrates, respectively. As a dye-sensitized solar cell having a structure,
The first unit cell includes a pair of conductive transparent electrodes; A porous electrode layer formed on one side of the conductive transparent electrode, the dye adsorbed on a surface thereof and including first metal oxide nanoparticles having an average particle diameter of 10 nm to 50 nm; A light scattering layer comprising second metal oxide nanoparticles having an average particle diameter of 100 nm to 500 nm; Electrolyte; And a catalyst thin film electrode formed on the other conductive transparent electrode,
The second unit cell includes a pair of conductive transparent electrodes; A light scattering layer including second metal oxide nanoparticles having an average particle diameter of 100 nm to 500 nm formed on one conductive transparent electrode; A porous electrode layer formed on the light scattering layer and including a first metal oxide nanoparticle having a dye adsorbed thereon and an average particle diameter of 10 nm to 50 nm; Electrolyte; And a catalyst thin film electrode formed on the other conductive transparent electrode.
Dye-sensitized solar cell having an arrangement structure of unit cells of alternating polarity.
(b) 전도성 기판 상에 서로간 거리를 두고, 촉매 박막 전극과 평균입경이 100nm 내지 500nm인 제2 금속산화물 나노입자를 포함하는 광산란층을 교대로 형성하고, 상기 광산란층 위에 평균입경이 10nm 내지 50nm인 제1 금속산화물 나노입자를 포함하는 광산란층을 형성하여 하부 전극 기판을 제조하는 단계와,
(c) 상기 상부 전극 기판과 하부 전극 기판을 염료에 침지하여 다공질 전극층과 광산란층의 금속산화물 나노입자를 염료로 흡착시키는 단계와,
(d) 상기 상부 전극 기판과 하부 전극 기판을 서로 마주보도록 배치하고 접착제로 접합한 후, 서로 마주보는 상,하부 기판 사이에 전해액을 주입하여 각 단위셀의 양극(+)으로 배치된 제1 단위셀과 음극(-)으로 배치된 제2 단위셀이 교대로 배열된 구조를 형성하는 단계와, 및
(f) 상기 제1 단위셀과 제2 단위셀의 양극과 음극을 배선으로 연결하는 단계를 포함하는,
교번 극성의 단위 셀의 배열구조를 갖는 염료감응형 태양전지의 제조 방법.(a) forming a porous electrode layer including a first metal oxide nanoparticle having a mean particle diameter of 10 nm to 50 nm and a catalyst thin film electrode alternately on the conductive substrate, at a distance from each other, and forming an average on the porous electrode layer; Preparing an upper electrode substrate by forming a light scattering layer including second metal oxide nanoparticles having a particle diameter of 100 nm to 500 nm;
(b) alternately forming a light scattering layer comprising a catalyst thin film electrode and second metal oxide nanoparticles having an average particle diameter of 100 nm to 500 nm at a distance from each other on the conductive substrate, and having an average particle diameter of 10 nm to on the light scattering layer. Preparing a lower electrode substrate by forming a light scattering layer including 50 nm of first metal oxide nanoparticles;
(c) immersing the upper electrode substrate and the lower electrode substrate in a dye to adsorb the metal oxide nanoparticles of the porous electrode layer and the light scattering layer with a dye;
(d) a first unit arranged to face the upper electrode substrate and the lower electrode substrate to each other and bonded with an adhesive, and then injecting an electrolyte solution between the upper and lower substrates facing each other to be disposed as an anode (+) of each unit cell; Forming a structure in which a cell and a second unit cell arranged as a cathode (-) are alternately arranged; and
(f) connecting the anode and the cathode of the first unit cell and the second unit cell by wiring;
A method of manufacturing a dye-sensitized solar cell having an arrangement of unit cells of alternating polarity.
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