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KR102046295B1 - Dye-Sensitized Solar Cell Having Light Scattering Layer of Porous Particle - Google Patents

Dye-Sensitized Solar Cell Having Light Scattering Layer of Porous Particle Download PDF

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KR102046295B1
KR102046295B1 KR1020120153123A KR20120153123A KR102046295B1 KR 102046295 B1 KR102046295 B1 KR 102046295B1 KR 1020120153123 A KR1020120153123 A KR 1020120153123A KR 20120153123 A KR20120153123 A KR 20120153123A KR 102046295 B1 KR102046295 B1 KR 102046295B1
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solar cell
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엘지디스플레이 주식회사
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Abstract

본 발명은 제 1 전극; 상기 제 1 전극과 대향적으로 배치되는 제 2 전극; 상기 제 1 전극에 증착되며, 표면에 염료가 흡착되어 있는 반도체 산화물 또는 금속 산화물로 이루어진 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 적층되며, 다공성 나노 입자를 갖는 광 산란층; 및 산화-환원 이온쌍을 포함하는 전해질이 상기 제 1 전극 및 상기 광 산란층 사이에 충진되어 있는 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지에 관한 것이다. 광 산란층에 다공성 나노 입자를 적용함으로써, 전해질이 광 흡수층의 염료로 신속하게 이동할 수 있으며, 광 산란 효과를 향상시킬 수 있다. The present invention is a first electrode; A second electrode disposed to face the first electrode; A light absorption layer formed of a semiconductor oxide or a metal oxide deposited on the first electrode and having a dye adsorbed on a surface thereof; A light scattering layer stacked on the light absorbing layer and having porous nanoparticles; And it relates to a dye-sensitized solar cell comprising an electrolyte containing an oxidation-reduction ion pair is filled between the first electrode and the light scattering layer. By applying the porous nanoparticles to the light scattering layer, the electrolyte can be quickly moved to the dye of the light absorbing layer, it is possible to improve the light scattering effect.

Description

다공성 입자의 광 산란층을 구비한 염료감응 태양전지{Dye-Sensitized Solar Cell Having Light Scattering Layer of Porous Particle}Dye-Sensitized Solar Cell Having Light Scattering Layer of Porous Particle

본 발명은 염료감응 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전해질의 이동을 향상시킬 수 있는 구조를 갖는 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
The present invention relates to a dye-sensitized solar cell, and more particularly to a dye-sensitized solar cell having a structure capable of improving the movement of the electrolyte.

최근 원유가격의 급등과 온실가스 배출 등으로 인한 환경문제로 인하여 새로운 방식의 에너지 개발 및 상용화에 대한 요구가 증가하고 있다. 신재생 에너지로 불리는 미래의 에너지 기술 중에서도 태양 빛을 에너지원으로 사용하는 환경 친화적인 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다. Recently, the demand for new energy development and commercialization is increasing due to environmental problems caused by soaring oil prices and greenhouse gas emissions. Among future energy technologies called renewable energy, there is a growing interest in environmentally friendly solar cells that use solar light as an energy source.

일반적으로 태양전지는 태양광에 의하여 발생된 광전 효과(Photoelectric effect)를 이용하여 광에너지를 전기에너지로 전환시키는 소자를 일컫는다. 여기서 광전 효과란, 물질 내의 전자가 광에너지에 의하여 여기 상태가 되어, 전자-정공쌍(electron hole pairs)이 발생되고, 전자와 정공이 내부 전기장에 의하여 각각 반대 방향으로 이동함으로써, 광기전력을 발생시키는 현상을 의미한다. In general, a solar cell refers to a device that converts light energy into electrical energy using a photoelectric effect generated by sunlight. Here, the photoelectric effect is that electrons in a material are excited by light energy, electron-hole pairs are generated, and electrons and holes are moved in opposite directions by an internal electric field, thereby generating photovoltaic power. It means the phenomenon.

태양전지는 광에너지를 전기에너지로 변환하는 광전 영역을 형성하는 소재에 따라, 실리콘계 태양전지, CdTe(cadmium Telluride, 카드뮴-텔루라이드) 태양전지, CIGS/CIS(Copper-Indium-Gallium-Selenide, 구리-인듐-갈륨-셀레늄 / Copper-Indium-Selenide, 구리-인듐-셀레늄) 태양전지 등으로 구분될 수 있다. Solar cells are silicon based solar cells, CdTe (cadmium Telluride, cadmium- telluride) solar cells, CIGS / CIS (Copper-Indium-Gallium-Selenide, copper) -Indium-gallium-selenium / copper-indium-selenide, copper-indium-selenium) solar cells and the like.

가장 먼저 개발된 실리콘계 태양전지는 비정질 실리콘으로 광전층을 형성한 것으로, 용이하게 취득할 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 실리콘계 태양전지는 고가의 제조 장비, 실리콘 원료 가격의 상승 및 설치 장소의 한계로 경제성이 미진한 실정이다. CIGS/CIS 태양전지는 최근 공급 부족에 따라 가격이 급등한 인듐을 광전 영역에 포함하고 있어 생산 원가에 의하여 수율이 감소된다. CdTe 태양전지는 희소 원료이면서 오염을 야기할 수 있는 카드뮴을 포함하고 있어 대량 생산이 용이하지 않고 환경적으로 문제가 있다. The first silicon-based solar cell developed has an advantage that it can be easily obtained by forming a photoelectric layer with amorphous silicon. However, silicon-based solar cells are not economically feasible due to expensive manufacturing equipment, rising prices of silicon raw materials, and limited installation sites. CIGS / CIS solar cells contain indium in the photovoltaic area, whose price has soared due to the recent shortage of supply, resulting in reduced production costs. CdTe solar cells are rare raw materials and contain cadmium, which can cause pollution, so mass production is not easy and there are environmental problems.

이와 같은 실리콘계 태양전지 등의 문제점을 해소하기 위하여 염료감응 태양전지(dye-sensitized solar cell, DSSC)가 개발되었다. 1991년도에 스위스 국립 로잔 고등기술원(EPFL)의 Michael Gratzel 연구팀에 의하여 아나타제(anatase) 구조를 갖는 나노 입자의 티타늄산화물(TiO2)을 이용한 염료감응 태양전지가 개발된 이후에, 염료감응 태양전지에 대한 많은 연구 및 개발이 진행되고 있다. 염료감응 태양전지는 종래 p-n 접합 구조를 갖는 실리콘 태양전지에 비하여 제조단가가 낮고, 에너지 변환 효율이 우수하다. Dye-sensitized solar cells (DSSC) have been developed to solve the problems of such silicon-based solar cells. After the dye-sensitized solar cell was developed in 1991 by Michael Gratzel of the Swiss National Lausanne Institute of Advanced Technology (EPFL) using nanoparticle titanium oxide (TiO 2 ) with an anatase structure, Much research and development is in progress. Dye-sensitized solar cells have a lower manufacturing cost and superior energy conversion efficiency than silicon solar cells having a conventional pn junction structure.

염료감응 태양전지는 가시광선 대역 파장의 빛을 흡수하여, 전자-정공 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료와, 생성된 전자를 전달하는 나노 결정성 입자로 이루어진 산화물 반도체 전극을 이용하는 광전 변환 소자이다. Dye-sensitized solar cells use an oxide semiconductor electrode composed of a photosensitive dye capable of absorbing light in the visible wavelength range and generating electron-hole pairs, and nanocrystalline particles for transferring the generated electrons. It is a photoelectric conversion element to be used.

이러한 기능을 구현할 수 있도록 염료감응 태양 전지는 반도체 전극과 반대 전극의 전도성 표면이 마주하도록 대향적으로 배치되어 있다. 이때, 반도체 전극의 상면으로 염료 분자가 흡착된 티타늄산화물로 구성되는 광 흡수층이 형성되어 있다. 한편, 반도체 전극과 반대 전극 사이에는 산화-환원 반응을 통하여 광 흡수층을 이루는 티타늄산화물의 표면에 흡착된 염료 분자에 전자를 공급할 수 있도록 전해질 용액이 주입된다. To achieve this function, dye-sensitized solar cells are arranged oppositely facing the conductive surface of the semiconductor electrode and the opposite electrode. At this time, a light absorbing layer made of titanium oxide to which dye molecules are adsorbed is formed on the upper surface of the semiconductor electrode. Meanwhile, an electrolyte solution is injected between the semiconductor electrode and the opposite electrode to supply electrons to the dye molecules adsorbed on the surface of the titanium oxide forming the light absorption layer through an oxidation-reduction reaction.

따라서 광이 조사되면 광 흡수층의 표면에 흡착된 염료 분자가 전자-정공쌍을 형성할 수 있다. 이때, 전자는 광 흡수층의 티타늄산화물 입자의 전도대(conduction band)로 주입되고, 나노 입자간 계면을 통하여 반도체 전극으로 전달하여 전류를 생성한다. 반면, 염료 분자에 의하여 생성된 홀은 전해질 용액에 의하여 전자를 받아 다시 환원되어 염료감응 태양전지가 작동할 수 있다. Therefore, when light is irradiated, dye molecules adsorbed on the surface of the light absorbing layer may form electron-hole pairs. In this case, electrons are injected into the conduction band of the titanium oxide particles of the light absorbing layer, and are transferred to the semiconductor electrode through the interface between the nanoparticles to generate a current. On the other hand, the holes generated by the dye molecules are reduced by receiving electrons by the electrolyte solution to operate the dye-sensitized solar cell.

최근에는 광 흡수층으로의 광 흡수를 향상시킬 수 있도록 광 흡수층에 티타늄산화물과 같은 나노 입자로 구성되는 광 산란층을 형성하여 광 흡수층-광 산란층의 이중층(double layer) 구조를 갖는 염료감응 태양전지가 널리 사용되고 있다. Recently, a dye-sensitized solar cell having a double layer structure of a light absorbing layer-light scattering layer is formed by forming a light scattering layer composed of nanoparticles such as titanium oxide in the light absorbing layer to improve light absorption into the light absorbing layer. Is widely used.

그런데, 일반적으로 광 흡수층에 사용되는 티타늄산화물의 평균 입자 직경은 10 ~ 30 nm인 반면에, 광 흡수층과 전해질 용액 사이에 형성되는 광 산란층을 구성하는 티타늄산화물의 평균 입자 직경은 염료의 흡수 파장대의 광원 차단력 등을 고려하여 충분한 산란 특성을 갖기 위해서는 250 nm 이상, 예를 들어 300 ~ 500 nm의 평균 입자 직경을 가져야 한다.However, in general, the average particle diameter of the titanium oxide used in the light absorbing layer is 10 to 30 nm, while the average particle diameter of the titanium oxide constituting the light scattering layer formed between the light absorbing layer and the electrolyte solution is in the absorption wavelength band of the dye. In order to have sufficient scattering characteristics in consideration of the light source blocking power of the should have an average particle diameter of 250 nm or more, for example 300 to 500 nm.

입자의 크기가 클수록 기공의 부피는 감소하므로, 즉 기공률은 입자의 크기에 반비례하기 때문에, 전해질 용액은 광 흡수층에 비하여 대략 20 배 이상 큰 입자 직경을 갖는 광 산란층을 제대로 통과하지 못한다. 다시 말하면, 상대적으로 큰 입자 직경을 갖는 광 산란층에 의하여 전해질의 이동 경로가 제한되어, 전해질 용액이 광 흡수층의 표면에 흡착된 염료 분자에 전자를 효율적으로 전달하지 못하는 문제점이 있다.
As the size of the particles increases, the volume of the pores decreases, that is, the porosity is inversely proportional to the size of the particles, so that the electrolyte solution does not properly pass through the light scattering layer having a particle diameter approximately 20 times larger than that of the light absorbing layer. In other words, the movement path of the electrolyte is limited by the light scattering layer having a relatively large particle diameter, so that the electrolyte solution does not efficiently transfer electrons to the dye molecules adsorbed on the surface of the light absorbing layer.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 전해질이 광 흡수층으로 효율적으로 이동할 수 있도록 구성되는 염료감응 태양전지를 제공하고자 하는 것이다.
The present invention has been proposed to solve the above-mentioned problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a dye-sensitized solar cell configured to allow the electrolyte to efficiently move to the light absorbing layer.

전술한 목적을 갖는 본 발명은 제 1 전극; 상기 제 1 전극과 대향적으로 배치되는 제 2 전극; 상기 제 1 전극에 증착되며, 표면에 염료가 흡착되어 있는 반도체 산화물 또는 금속 산화물로 이루어진 나노 입자를 갖는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 적층되며, 다공성 나노 입자를 갖는 광 산란층; 및 산화-환원 이온쌍을 포함하는 전해질이 상기 제 2 전극 및 상기 광 산란층 사이에 충진되어 있는 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지를 제공한다. The present invention having the above object is a first electrode; A second electrode disposed to face the first electrode; A light absorbing layer deposited on the first electrode and having nanoparticles made of a semiconductor oxide or a metal oxide having a dye adsorbed on a surface thereof; A light scattering layer stacked on the light absorbing layer and having porous nanoparticles; And it provides a dye-sensitized solar cell comprising an electrolyte containing an oxidation-reduction ion pair is filled between the second electrode and the light scattering layer.

상기 다공성 나노 입자의 평균 입자 직경은 300 ~ 500 nm이고, 상기 다공성 나노 입자는 평균 입자 직경이 10 ~ 20 nm의 미세 나노 입자가 응집되어 형성된 것을 특징으로 한다. The average particle diameter of the porous nanoparticles is 300 to 500 nm, the porous nanoparticles are characterized in that the fine nanoparticles having an average particle diameter of 10 to 20 nm formed by agglomeration.

바람직하게는, 상기 다공성 나노 입자는 티타늄산화물(TiO2) 나노 입자일 수 있다. Preferably, the porous nanoparticles may be titanium oxide (TiO 2 ) nanoparticles.

한편, 상기 광 흡수층을 형성하는 상기 반도체 산화물 또는 상기 금속 산화물은 티타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 아연(Zn)산화물, 인듐(In)산화물, 란타늄(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브데늄(Mo)산화물, 텅스텐(W)산화물, 주석(Sn)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트륨(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 스트론튬티타늄(SrTi)산화물, 및 칼슘티타네이트(CaTiO3)로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 물질을 포함할 수 있다. On the other hand, the semiconductor oxide or the metal oxide forming the light absorption layer is titanium (Ti) oxide, zirconium (Zr) oxide, strontium (Sr) oxide, zinc (Zn) oxide, indium (In) oxide, lanthanum (La) Oxide, vanadium (V) oxide, molybdenum (Mo) oxide, tungsten (W) oxide, tin (Sn) oxide, niobium (Nb) oxide, magnesium (Mg) oxide, aluminum (Al) oxide, yttrium (Y ), Scandium (Sc) oxide, samarium (Sm) oxide, gallium (Ga) oxide, strontium titanium (SrTi) oxide, and calcium titanate (CaTiO 3 ) may include a material selected from at least one. have.

예를 들어, 상기 광 흡수층의 상기 나노 입자는 10 ~ 20 nm의 평균 입자 직경을 갖는다. For example, the nanoparticles of the light absorbing layer have an average particle diameter of 10 to 20 nm.

바람직하게는, 상기 광 흡수층의 상기 나노 입자는 5 ~ 20 ㎛의 두께로 상기 제 1 전극의 상부에 증착되는 것을 특징으로 한다. Preferably, the nanoparticles of the light absorption layer is characterized in that deposited on top of the first electrode to a thickness of 5 ~ 20 ㎛.

한편, 본 발명의 예시적인 실시 양태에 따르면, 상기 제 1 전극은 투명한 유리 또는 투명한 플라스틱 재질의 제 1 기판; 및 상기 제 1 기판 상에 형성되며, 불소가 도핑된 주석산화물(FTO), 주석이 도핑된 인듐산화물(ITO) 및 아연산화물로 구성되는 군에서 선택되는 물질로 제조되는 제 1 투명전극을 포함할 수 있다. Meanwhile, according to an exemplary embodiment of the present invention, the first electrode may include a first substrate made of transparent glass or transparent plastic material; And a first transparent electrode formed on the first substrate and made of a material selected from the group consisting of fluorine-doped tin oxide (FTO), tin-doped indium oxide (ITO), and zinc oxide. Can be.

또한, 상기 제 2 전극은 투명한 유리 또는 투명한 플라스틱 재질의 제 2 기판; 상기 제 2 기판 상에 형성되며, 불소가 도핑된 주석산화물(FTO), 주석이 도핑된 인듐산화물(ITO) 및 아연산화물로 구성되는 군에서 선택되는 물질로 제조되는 제 2 투명전극; 및 루테늄, 오스뮴, 코발트, 로듐, 이리듐, 니켈, 활성 탄소, 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀(graphene), 팔라듐, 백금, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리티오펜 및 폴리아닐린으로 구성되는 군에서 선택되는 물질로 형성되는 촉매층을 포함할 수 있다. The second electrode may include a second substrate made of transparent glass or transparent plastic; A second transparent electrode formed on the second substrate and made of a material selected from the group consisting of fluorine-doped tin oxide (FTO), tin-doped indium oxide (ITO), and zinc oxide; And ruthenium, osmium, cobalt, rhodium, iridium, nickel, activated carbon, carbon nanotube (CNT), graphene, palladium, platinum, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) It may include a catalyst layer formed of a material selected from the group consisting of, polythiophene and polyaniline.

상기 광 흡수층의 상기 나노 입자의 표면에 흡착될 수 있는 염료는 감광성 염료로서, 예를 들면 루테늄계 염료, 크산텐계 염료, 시아닌계 염료, 포르피린계 염료 및 안트라퀴논계 염료를 포함한다. Dyes that can be adsorbed onto the surface of the nanoparticles of the light absorbing layer are photosensitive dyes, and include, for example, ruthenium dyes, xanthene dyes, cyanine dyes, porphyrin dyes, and anthraquinone dyes.

또한, 상기 전해질은 할로겐계 산화환원 전해질인 것을 특징으로 한다.
In addition, the electrolyte is characterized in that the halogen-based redox electrolyte.

본 발명의 염료감응 태양전지에서는 광 흡수층에 비하여 크기가 상대적으로 큰 광 산란층에 다공 구조를 채택하여, 전해질 용액이 광 산란층에 형성된 다수의 기공을 통하여 신속하게 이동하여, 광 흡수층의 염료 분자 표면으로 전자를 효율적으로 전달할 수 있다. In the dye-sensitized solar cell of the present invention, a porous structure is adopted in the light scattering layer having a larger size than that of the light absorbing layer, so that the electrolyte solution moves rapidly through a plurality of pores formed in the light scattering layer, thereby causing dye molecules in the light absorbing layer. It can efficiently transfer electrons to the surface.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시 형태에 따른 염료감응 태양전지의 적층 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 A 영역을 확대한 단면도로서, 다공성 입자의 광 산란층을 통하여 염료가 흡착된 광 흡수층으로의 전해질의 이동을 개략적으로 나타낸 도면이다. 좌측은 종래의 기공 구조를 갖지 않는 광 흡수층에 의하여 전해질의 이동이 방해를 받아 염료 분자로 전해질이 제대로 이동하지 못하는 상태이고, 우측은 본 발명에 따라 다공성 입자로 구성된 광 산란층의 기공을 통하여 전해질이 염료 분자로 신속하게 이동하는 상태이다.
도 3은 종래 염료감응 태양전지의 광 산란층에 사용되었던 입자의 SEM 사진이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 광 산란층에 사용된 다공성 입자의 SEM 사진으로서, 도 4a는 15,000배 확대한 사진이고 도 4b는 150,000배 확대한 사진이다.
도 5는 본 발명에 따라 다공성 입자의 광 산란층을 적용한 태양전지의 광 파장 대역에 따른 투과율을 측정한 그래프이다.
1 is a cross-sectional view schematically showing a laminated structure of a dye-sensitized solar cell according to an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of region A of FIG. 1 and schematically illustrates the movement of an electrolyte to a light absorbing layer to which dye is adsorbed through a light scattering layer of porous particles. The left side is a state in which the movement of the electrolyte is disturbed by the light absorbing layer having no conventional pore structure, and thus the electrolyte is not properly moved to the dye molecules, and the right side is the electrolyte through the pores of the light scattering layer composed of porous particles according to the present invention. It is in a state of rapidly moving to the dye molecule.
Figure 3 is a SEM image of the particles used in the light scattering layer of the conventional dye-sensitized solar cell.
4A and 4B are SEM images of the porous particles used in the light scattering layer of the dye-sensitized solar cell according to the present invention, respectively, FIG. 4A is a 15,000 times magnification and FIG. 4B is a 150,000 times magnification.
Figure 5 is a graph measuring the transmittance according to the optical wavelength band of the solar cell to which the light scattering layer of porous particles according to the present invention.

본 발명자는 광 산란층에 다공 구조를 갖는 입자를 채택함으로써 전해질이 광 흡수층으로 신속하게, 효율적으로 이동할 수 있다는 점에 착안하여 본 발명을 완성하였다. 이하, 첨부하는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. The present inventors have completed the present invention by focusing on the fact that the electrolyte can move quickly and efficiently to the light absorbing layer by adopting particles having a porous structure in the light scattering layer. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시 형태에 따른 염료감응 태양전지의 적층 구조를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1의 A 영역을 확대한 단면도로서, 다공성 입자의 광 산란층을 통하여 염료가 흡착된 광 흡수층으로의 전해질의 이동을 개략적으로 나타낸 도면이다. 1 is a cross-sectional view schematically showing a laminated structure of a dye-sensitized solar cell according to an exemplary embodiment of the present invention, Figure 2 is an enlarged cross-sectional view of the region A of Figure 1, a dye through a light scattering layer of porous particles Is a diagram schematically showing the movement of the electrolyte to the adsorbed light absorbing layer.

도 1에 도시한 것과 같이, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 염료감응 태양전지(100)는 서로 대향적으로 제 1 전극(200) 및 제 2 전극(300)이 이격된 형태로 배치되어 있으며, 제 1 전극(200) 및 제 2 전극(300) 사이의 광전 영역으로 광 흡수층(230), 광 산란층(240)이 제 1 전극(200)에 순차적으로 적층, 형성되어 있으며, 제 2 전극(200)과 광 산란층(240) 사이에 전해질(400)이 주입, 충진되어 있다. As shown in FIG. 1, the dye-sensitized solar cell 100 according to the exemplary embodiment of the present invention is disposed in a form in which the first electrode 200 and the second electrode 300 are spaced apart from each other. The light absorbing layer 230 and the light scattering layer 240 are sequentially stacked and formed on the first electrode 200 as a photoelectric region between the first electrode 200 and the second electrode 300. An electrolyte 400 is injected and filled between the 200 and the light scattering layer 240.

제 1 전극(200)은 반도체 전극 또는 광 전극이라고도 불리는 데, 애노드(anode)로 기능한다. 예를 들어, 제 1 전극(200)은 투명한 유리 또는 투명한 플라스틱 재질의 제 1 기판(210)과, 광에너지에 의하여 여기된 전자를 외부 로드로 인가할 수 있도록 제 1 기판(210)에 형성되는 제 1 투명전극(220)을 포함할 수 있다. 이때, 제 1 투명전극(220)은 태양광이 잘 투과할 수 있도록 투광성이 양호하고, 광에너지에 의하여 여기된 전자가 인가될 수 있도록 도전성을 가지며, 광 흡수층(230)에 형성된 반도체 입자 또는 금속 산화물 입자가 용이하게 접착할 수 있으며, 전자의 소실을 최소화할 수 있도록 충분히 낮은 저항을 가지고, 전해질(400)로부터 유입된 전해질에 의하여 산화가 방지될 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1 투명전극(220)은 불소가 도핑된 주석산화물(F-doped SnO2, FTO), 주석이 도핑된 인듐산화물(ITO) 및 아연산화물(ZnO)로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나의 물질이다. The first electrode 200, also called a semiconductor electrode or photoelectrode, functions as an anode. For example, the first electrode 200 is formed on the first substrate 210 made of transparent glass or transparent plastic and the first substrate 210 to apply electrons excited by light energy to an external load. It may include a first transparent electrode 220. In this case, the first transparent electrode 220 has good light transmittance so that sunlight can transmit well, and has conductivity so that electrons excited by light energy can be applied, and the semiconductor particles or the metal formed in the light absorbing layer 230. The oxide particles may be easily adhered to each other, may have a sufficiently low resistance to minimize the loss of electrons, and may be formed of a material capable of preventing oxidation by the electrolyte introduced from the electrolyte 400. For example, the first transparent electrode 220 is selected from the group consisting of fluorine-doped tin oxide (F-doped SnO 2, FTO), tin-doped indium oxide (ITO), and zinc oxide (ZnO). Either substance.

제 2 전극(300)은 반대 전극 또는 촉매 전극으로 불리는데, 캐소드(anode)로 기능한다. 예를 들어, 제 2 전극(300)은 투명한 유리 또는 투명한 플라스틱 재질의 제 2 기판(310)과, 외부 로드로부터 전자를 인가 받아 광전 영역으로 인가할 수 있도록 제 2 기판(310)에 형성되는 제 2 투명전극(320)을 포함할 수 있다. 이때, 제 2 투명전극(220)은 전해질을 환원할 수 있는 촉매제 역할과 전지로서의 기능을 수행할 수 있는 에너지 전위를 가져야 하며, 전자의 소실을 최소화할 수 있도록 충분히 낮은 저항을 가지고, 전해질(400)로부터 유입된 전해질에 의하여 산화가 방지될 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 제 2 투명전극(320)은 불소가 도핑된 주석산화물(F-doped SnO2, FTO), 주석이 도핑된 인듐산화물(ITO) 및 아연산화물(ZnO)로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나의 물질이다.The second electrode 300 is called a counter electrode or a catalyst electrode and functions as a cathode. For example, the second electrode 300 is a second substrate 310 made of transparent glass or transparent plastic and a second substrate 310 formed on the second substrate 310 to receive electrons from an external load and apply them to the photoelectric region. 2 may include a transparent electrode 320. In this case, the second transparent electrode 220 should have a role of a catalyst capable of reducing the electrolyte and an energy potential capable of functioning as a battery, and has a resistance low enough to minimize the loss of electrons. It may be formed of a material that can be prevented from oxidation by the electrolyte introduced from the). For example, the second transparent electrode 320 is any selected from the group consisting of fluorine-doped tin oxide (F-doped SnO 2, FTO), tin-doped indium oxide (ITO), and zinc oxide (ZnO). It is a substance.

아울러, 제 2 투명전극(320)의 일면으로는 전해질로 인한 부식을 방지할 수 있도록 강한 내산성을 갖는 물질을 포함하는 산화-환원반응 촉매로 구성되는 촉매층(330)이 형성된다. 예를 들어 촉매층(330)을 형성하는 매질로는 루테늄, 오스뮴, 코발트, 로듐, 이리듐, 니켈, 활성 탄소, 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀(graphene), 팔라듐, 백금이나, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리티오펜, 및 폴리아닐린과 같은 전도성 고분자로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 광흡수 효율이 좋은 백금이다. In addition, one surface of the second transparent electrode 320 is formed of a catalyst layer 330 composed of an oxidation-reduction catalyst including a material having strong acid resistance to prevent corrosion due to electrolyte. For example, the medium for forming the catalyst layer 330 may be ruthenium, osmium, cobalt, rhodium, iridium, nickel, activated carbon, carbon nanotube (CNT), graphene, palladium, platinum, or poly It may be composed of a conductive polymer such as (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), polythiophene, and polyaniline, and is preferably platinum having good light absorption efficiency.

특히, 촉매층(330)을 통한 수광이 가능하도록 촉매층(330)은 높은 투광성을 갖는 것이 바람직하다. 촉매층(330)으로 높은 투광성을 갖는 물질을 사용하는 경우, 촉매층(330)을 통해 태양광이 입사되더라도, 태양광이 제 1 전극(200)에 도달하기 전에 전해질(400)이 자외선(UV)을 흡수할 수 있으므로, 제 1 전극(200)에 적층된 광 흡수층(230)에 흡착된 염료(234)의 열화 내지 분해를 방지하여 전지의 장기 안정성을 확보할 수 있다. In particular, the catalyst layer 330 preferably has a high light transmittance so as to allow light reception through the catalyst layer 330. In the case of using a material having high light transmittance as the catalyst layer 330, even when sunlight is incident through the catalyst layer 330, the electrolyte 400 emits ultraviolet rays (UV) before the sunlight reaches the first electrode 200. Since the absorption may be prevented, deterioration or decomposition of the dye 234 adsorbed to the light absorbing layer 230 stacked on the first electrode 200 may be prevented to ensure long-term stability of the battery.

이때, 도면에서는 제 1 전극(200)은 제 1 기판(210)과 제 1 투명전극(220)으로 구분하고, 제 2 전극(300)은 제 2 기판(310)과 제 2 투명전극(320)으로 구분하였으나, 제 1 기판(210) 및 제 2 기판(310)을 도전 물질로 제조하는 경우에 제 1 투명전극(220) 및 제 2 투명전극(320)은 생략될 수 있다.
In this case, in the drawing, the first electrode 200 is divided into the first substrate 210 and the first transparent electrode 220, and the second electrode 300 is the second substrate 310 and the second transparent electrode 320. However, when the first substrate 210 and the second substrate 310 are made of a conductive material, the first transparent electrode 220 and the second transparent electrode 320 may be omitted.

한편, 제 1 기판(200)과 제 2 기판(300) 사이는 실질적으로 광에너지를 전기에너지로 변환하는 광전 영역에 해당한다. 예를 들어, 이 광전 영역에는 제 1 투명전극(220) 상에 증착, 형성되는 광 흡수층(230)과; 광 흡수층(230) 상부에 적층되는 광 산란층(240); 및 촉매층(330)과 광 산란층(240) 사이에 주입, 형성되는 전해질(400)이 형성될 수 있다. On the other hand, between the first substrate 200 and the second substrate 300 substantially corresponds to a photoelectric region for converting light energy into electrical energy. For example, the photoelectric region includes a light absorbing layer 230 deposited and formed on the first transparent electrode 220; A light scattering layer 240 stacked on the light absorbing layer 230; And an electrolyte 400 that is injected and formed between the catalyst layer 330 and the light scattering layer 240.

광 흡수층(230)은 전체적으로 n형 반도체 역할을 하는 넓은 밴드갭을 가지는 나노 크기의 반도체 산화물 또는 금속 산화물로 구성되는 나노 입자(232)와 이 나노 입자(232)의 표면에 흡착되는 염료(234)를 포함한다. 나노 입자(232)는 n형 반도체 산화물 또는 금속 산화물로서, 여기된 전자가 제 1 투명 전극(220)으로 이동되는 경로를 제공한다. 예를 들어 광 흡수층(230) 중의 나노 입자(232)는 금속 산화물 또는 반도체 산화물 입자를 포함하는 페이스트를 제 1 투명 전극(220) 상에 도포하거나 스크린 프린팅 방법으로 형성할 수 있다. The light absorbing layer 230 includes nanoparticles 232 composed of nano-sized semiconductor oxides or metal oxides having a wide band gap serving as n-type semiconductors as a whole, and dyes 234 adsorbed onto the surfaces of the nanoparticles 232. It includes. The nanoparticle 232 is an n-type semiconductor oxide or a metal oxide, and provides a path for the excited electrons to move to the first transparent electrode 220. For example, the nanoparticles 232 in the light absorption layer 230 may apply a paste including metal oxide or semiconductor oxide particles on the first transparent electrode 220 or may be formed by screen printing.

광 흡수층(230)을 구성하는 나노 입자(232)는 예를 들어 나노튜브 형상이거나 나노로드 형상일 수도 있으며, 필요한 경우 다공성 나노 입자 형태를 가질 수 있다. 나노튜브 형상 또는 나노로드 형상의 나노 입자(232)를 제조하기 위하여 반도체 산화물 또는 금속 산화물의 구형 나노 입자를 강알칼리에서 처리하여 나노튜브로 성장시키거나, 계면활성제의 미셀(micelle) 내부에서 나노로드로 성장시키는 것과 같은 방법을 사용할 수 있다. The nanoparticles 232 constituting the light absorbing layer 230 may be, for example, nanotube shape or nanorod shape, and may have a porous nanoparticle shape if necessary. To produce nanotube-shaped or nanorod-shaped nanoparticles 232, spherical nanoparticles of semiconductor oxides or metal oxides are treated in strong alkali to grow into nanotubes, or nanorods inside a micelle of a surfactant. The same method as for growing can be used.

또한, 광 흡수층(230) 중의 나노 입자(232)는 5 ~ 20 ㎛의 두께로 제 1 투명 기판(220)의 상부에 증착될 수 있다. 이 정도의 두께로 나노 입자(232)를 증착하는 경우에, 광전류가 최대가 되는 전자 이동의 경로를 제공할 수 있으며, 비표면적이 극대화되어 염료가 용이하게 흡착될 수 있다. In addition, the nanoparticles 232 in the light absorbing layer 230 may be deposited on the first transparent substrate 220 to a thickness of 5 ~ 20㎛. In the case of depositing the nanoparticles 232 to such a thickness, it is possible to provide a path of electron transfer in which the photocurrent is maximized, and the specific surface area is maximized so that the dye may be easily adsorbed.

예를 들어 나노 입자(232)를 구성하는 반도체 산화물 또는 금속 산화물은 티타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 아연(Zn)산화물, 인듐(In)산화물, 란타늄(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브데늄(Mo)산화물, 텅스텐(W)산화물, 주석(Sn)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트륨(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 스트론튬티타늄(SrTi)산화물, 및 칼슘티타네이트(CaTiO3)로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 물질이다. 바람직하게는 밴드갭 에너지가 양호하고 도전성이 좋으며 전자의 유지 시간이 긴 장점이 있는 티타늄산화물이고, 더욱 바람직하게는 아나타제(anatase) 형태의 티타늄산화물이다. For example, the semiconductor oxide or metal oxide constituting the nanoparticles 232 may be titanium (Ti) oxide, zirconium (Zr) oxide, strontium (Sr) oxide, zinc (Zn) oxide, indium (In) oxide, or lanthanum (La). Oxide, vanadium (V) oxide, molybdenum (Mo) oxide, tungsten (W) oxide, tin (Sn) oxide, niobium (Nb) oxide, magnesium (Mg) oxide, aluminum (Al) oxide, yttrium ( Y) oxide, scandium (Sc) oxide, samarium (Sm) oxide, gallium (Ga) oxide, strontium titanium (SrTi) oxide, and calcium titanate (CaTiO 3 ) is selected from the group consisting of at least one material. Preferably, the titanium oxide has a good bandgap energy, good conductivity, and long retention time of electrons, and more preferably, an anatase type titanium oxide.

이때, 나노 입자(232)의 평균 입자 직경은 10 ~ 20 nm인 것이 바람직하다. 나노 입자(232)의 평균 입자 직경이 10 nm 미만인 경우에는 나노 입자(232)로의 염료(234) 흡착량은 증가하지만, 표면 상태 수가 증가하여 여기된 전자가 정공에 재-결합될 수 있는 기회가 증가할 수 있다. 반면 나노 입자(232)의 평균 입자 직경이 20 nm를 초과하는 경우에는 나노 입자(232)로의 염료(234) 흡착량이 감소하여 여기 가능한 전자의 개수가 감소될 수 있다. 따라서 나노 입자(232)의 평균 입자 직경이 전술한 범위를 벗어나면 광전 변환 효율이 감소될 수 있다. At this time, the average particle diameter of the nanoparticles 232 is preferably 10 ~ 20 nm. If the average particle diameter of the nanoparticles 232 is less than 10 nm, the amount of adsorption of the dye 234 to the nanoparticles 232 increases, but the number of surface states increases so that there is an opportunity for the excited electrons to re-bond to the holes. Can increase. On the other hand, if the average particle diameter of the nanoparticles 232 exceeds 20 nm, the amount of adsorption of the dye 234 to the nanoparticles 232 may be reduced, thereby reducing the number of electrons that can be excited. Therefore, if the average particle diameter of the nanoparticles 232 is out of the above-described range, the photoelectric conversion efficiency may be reduced.

또한, 나노 입자(232)의 표면에는 단층 구조로 코팅된 염료(234)가 흡착되어 있다. 염료(234)는 조사된 광에 반응하여 여기된 전자를 생성할 수 있는 광감응성 염료 물질로서, 나노 입자(232)와 견고하게 결합될 수 있으며, 열적 및 광학적으로 안정적인 물질로 형성될 수 있다. In addition, the dye 234 coated in a single layer structure is adsorbed on the surface of the nanoparticles 232. The dye 234 is a photosensitive dye material capable of generating excited electrons in response to the irradiated light. The dye 234 may be firmly combined with the nanoparticles 232 and may be formed of a thermally and optically stable material.

예를 들어, 상기 염료는 루테늄 535 염료, 루테늄 535 비스-TBA 염료, 루테늄 620-1H3TBA 염료 등의 루테늄 착체와 같은 루테늄계 염료 외에도 크산텐계 염료, 시아닌계 염료, 포르피린계 염료, 안트라퀴논계 염료를 사용할 수 있다. For example, the dye may include xanthene dyes, cyanine dyes, porphyrin dyes, anthraquinone dyes, in addition to ruthenium dyes such as ruthenium complexes such as ruthenium 535 dye, ruthenium 535 bis-TBA dye, and ruthenium 620-1H3TBA dye. Can be used.

상기 염료(234)를 반도체 산화물 또는 금속 산화물 형태인 나노 입자(232)에 흡착시키기 위해서 통상적인 방법이 사용될 수 있으나, 바람직하게는 상기 염료(234)를 알코올, 니트릴, 할로겐화탄화수소, 에테르, 아미드, 에스테르, 케톤, N-메틸피롤리돈 등의 용매에 용해시킨 뒤, 나노 입자(232)가 도포된 제 1 전극(200)을 침지하는 방법을 사용할 수 있다. Conventional methods may be used to adsorb the dye 234 to the nanoparticles 232 in the form of semiconductor oxides or metal oxides, but preferably the dye 234 may be alcohol, nitrile, halogenated hydrocarbons, ethers, amides, After dissolving in a solvent such as ester, ketone or N-methylpyrrolidone, a method of dipping the first electrode 200 to which the nanoparticles 232 are applied may be used.

한편, 광 흡수층(230)의 상부에 적층되는 광 산란층(240)은 광 흡수층(230)을 구성하는 나노 입자(232)보다 평균 입자 직경이 20~30배 정도 큰 다공성 나노 입자(242)를 갖는다. 광 산란층(240)은 제 1 전극(200)을 통해 투과되어 광전 영역으로 입사되는 외부 광을 산란하여 광 경로를 증가시키고, 광 흡수층(230) 측으로 외부 광을 반사시키는 역할을 갖는다. Meanwhile, the light scattering layer 240 stacked on the light absorbing layer 230 includes porous nanoparticles 242 having an average particle diameter of about 20 to 30 times larger than the nanoparticles 232 constituting the light absorbing layer 230. Have The light scattering layer 240 increases the light path by scattering external light transmitted through the first electrode 200 and incident on the photoelectric region, and reflects external light toward the light absorbing layer 230.

예를 들어, 다공성 나노 입자(242)를 적절한 용매에 분산시키고, 다공성 나노 입자(242)가 분산된 용액을 광 흡수층(230) 상에 도포하거나 스크린 프린팅한 뒤, 열처리 공정이나 건조 공정을 통하여 분산 용매를 제거하는 방법으로 광 산란층(240)을 광 흡수층(230) 상면에 적층할 수 있다. For example, the porous nanoparticles 242 are dispersed in a suitable solvent, a solution in which the porous nanoparticles 242 are dispersed is coated or screen printed on the light absorbing layer 230, and then dispersed through a heat treatment process or a drying process. The light scattering layer 240 may be stacked on the light absorbing layer 230 by a method of removing the solvent.

특히, 본 발명에 따른 광 산란층(240)을 이루는 다공성 나노 입자(242)의 내부에는 다수의 기공(244)이 형성되어 있으며, 다공성 나노 입자(242)의 평균 입자 직경이 대략 300 ~ 500 nm, 바람직하게는 380 ~ 450 nm이다. 다공성 나노 입자(242)는 예를 들어 티타늄산화물(TiO2)로 제조될 수 있다. In particular, a plurality of pores 244 are formed in the porous nanoparticles 242 constituting the light scattering layer 240 according to the present invention, and the average particle diameter of the porous nanoparticles 242 is approximately 300 to 500 nm. Preferably, it is 380-450 nm. The porous nanoparticles 242 may be made of, for example, titanium oxide (TiO 2 ).

다공성 나노 입자(242)에 대해서 도 2를 참조하여 보다 구체적으로 살펴본다. 도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 광 산란층(240)을 구성하는 다공성 나노 입자(242)는 그 내부에 입자 직경이 대략 10 ~ 20 nm인 다수의 미세 나노 입자(246)가 응집(aggregation)되어 있는 구조를 가지고 있다. 즉, 본 발명에 따라 광 산란층(240)을 구성하는 다공성 나노 입자(242)는 그 내부에 응집되어 있는 다수의 미세 나노 입자(246)들 사이에 형성되는 간극이 다수의 기공(244)을 형성하는 다공성 물질이다. 이러한 다공성 나노 입자를 제조하는 방법은 잘 알려져 있는데, 예를 들어 전구체를 용매에 첨가하여 콜로이드 상태에서 고온, 고압 반응을 이용하는 수열합성법을 들 수 있지만, 다공성 나노 입자는 다른 방법을 사용해서 합성될 수 있다. The porous nanoparticles 242 will be described in more detail with reference to FIG. 2. As shown in FIG. 2, the porous nanoparticles 242 constituting the light scattering layer 240 according to the present invention aggregate a plurality of fine nanoparticles 246 having a particle diameter of about 10 to 20 nm therein. It has a structure that is aggregated. That is, according to the present invention, the porous nanoparticles 242 constituting the light scattering layer 240 have a gap formed between the plurality of fine nanoparticles 246 aggregated therein, and the plurality of pores 244. It is a porous material that forms. Methods of preparing such porous nanoparticles are well known, for example, hydrothermal synthesis using high temperature and high pressure reaction in a colloidal state by adding a precursor to a solvent, but porous nanoparticles can be synthesized using other methods. have.

본 발명에 따른 다공성 나노 입자(242)는 내부에 다수의 미세 나노 입자(246)가 응집되어 있는 형태이다. 전술한 것과 같이, 통상 입자의 기공률은 입자의 크기에 반비례하기 때문에, 본 발명에서와 같이 10 ~ 20 nm의 평균 입자 직경을 가지는 미세 나노 입자(246)는 300 ~ 500 nm의 평균 입자 직경을 갖는 종래의 광 산란층(240) 중의 나노 입자(도 2의 좌측에 도시함)에 비하여 상대적으로 기공률이 크다. 따라서 다수의 미세 나노 입자(246) 사이에 다수의 기공을 가질 수 있다. Porous nanoparticles 242 according to the present invention is a form in which a plurality of fine nanoparticles 246 are aggregated therein. As described above, since the porosity of the particles is generally inversely proportional to the size of the particles, the fine nanoparticles 246 having an average particle diameter of 10 to 20 nm, as in the present invention, have an average particle diameter of 300 to 500 nm. Compared to the nanoparticles (shown on the left side of FIG. 2) in the conventional light scattering layer 240, the porosity is relatively large. Therefore, the plurality of fine nanoparticles 246 may have a plurality of pores.

이에 따라, 도 2의 우측에 도시한 것과 같이, 전해질은 다공성 나노 입자(242)의 내부에 형성된 다수의 미세 나노 입자(246) 사이의 간극인 다수의 기공(244)을 통하여 광 흡수층(230) 중의 염료 분자(234)로 신속하게 이동할 수 있다. 다시 말하면, 본 발명에 따르면, 전해질은 광 산란층(240)을 구성하는 다공성 나노 물질(242) 내부에 형성된 다수의 기공(244)을 통하여 신속하게 염료 분자(234)로 이동할 수 있다. 이에 따라, 염료 분자(234)에 생성된 정공은 전해질(400)로부터 신속하게 전자를 공급받을 수 있으므로 효율적으로 환원될 수 있다. 특히, 중공 구조의 입자를 채택하는 경우에 중공 입자의 산란 영역은 염료(234)의 흡수 파장 대역에 비하여 긴 장파장 대역의 광을 산란하기 때문에 산란 효율이 저하될 수 있는 반면에, 본 발명에 따라 다수의 미세 나노 입자(246)가 응집된 다공성 나노 입자(242)는 산란 효율을 저하시키지 않는다. Accordingly, as shown in the right side of FIG. 2, the electrolyte absorbs the light absorbing layer 230 through the plurality of pores 244, which are gaps between the plurality of fine nanoparticles 246 formed inside the porous nanoparticles 242. It is possible to move quickly to the dye molecule 234 in the middle. In other words, according to the present invention, the electrolyte may quickly move to the dye molecules 234 through the plurality of pores 244 formed in the porous nanomaterial 242 constituting the light scattering layer 240. Accordingly, holes generated in the dye molecules 234 may be rapidly supplied with electrons from the electrolyte 400, and thus may be efficiently reduced. In particular, in the case of adopting hollow particles, the scattering area of the hollow particles scatters light in a long long wavelength band as compared with the absorption wavelength band of the dye 234, whereas scattering efficiency may be lowered. The porous nanoparticles 242 in which the plurality of fine nanoparticles 246 are aggregated do not reduce scattering efficiency.

반면, 도 2의 좌측에 도시한 것과 같이, 종래의 태양전지 구조를 갖는 경우의 광 산란층을 구성하는 입자는 상대적으로 큰 입자 직경을 가지고 있어서 기공률이 작기 때문에, 전해질이 이들 입자를 통과하기 곤란하거나 매우 느리게 통과한다. 따라서 염료 분자(234)에 형성된 정공은 전해질(400)로부터 전자를 신속하게 공급받지 못하기 때문에 환원 속도가 저하되어, 전체적으로 광전 변환 효율에 문제가 생길 수 있다.
On the other hand, as shown on the left side of FIG. 2, since the particles constituting the light scattering layer in the conventional solar cell structure have a relatively large particle diameter and small porosity, the electrolyte is difficult to pass through these particles. Pass or very slowly. Therefore, since the holes formed in the dye molecules 234 are not rapidly supplied with electrons from the electrolyte 400, the reduction rate is lowered, which may cause a problem in overall photoelectric conversion efficiency.

한편, 본 발명의 염료감응 태양전지(100)는 전술한 제 2 전극(200)과 광 산란층(240) 사이로 예를 들어 액체 상태의 전해질이 주입된 전해질(400)로 충진되어 있다. 전해질(400)은 p형 반도체 역할을 수행하는데, 산화-환원쌍을 포함하고 있다. 예를 들어, 전해질은 매질을 포함하는 요오드계 산화-환원쌍으로 구성되고, 매질은 아세토니트릴과 같은 액체 또는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)와 같은 고분자로 적용될 수 있다. 이처럼 전해질(400)은 산화-환원쌍을 포함하고 있으므로, 제 2 전극(300)을 통하여 외부 로드로부터 인가된 전자에 반응하여 산화-환원 반응을 일으킬 수 있다. Meanwhile, the dye-sensitized solar cell 100 of the present invention is filled with, for example, an electrolyte 400 in which a liquid electrolyte is injected between the second electrode 200 and the light scattering layer 240 described above. The electrolyte 400 serves as a p-type semiconductor, and includes an oxidation-reduction pair. For example, the electrolyte consists of an iodine-based redox pair comprising a medium, and the medium may be applied with a liquid such as acetonitrile or a polymer such as polyvinylidene fluoride (PVDF). As such, since the electrolyte 400 includes an oxidation-reduction pair, the electrolyte 400 may react with electrons applied from an external load through the second electrode 300 to cause an oxidation-reduction reaction.

예를 들어, 본 발명의 염료감응 태양전지(100)의 전해질(400)로 사용될 수 있는 전해질로는 용매계 액체 전해질, 중합체 전해질, 고체 전해질 및 겔 전해질 등으로 구성될 수 있다. 용매계 액체 전해질을 사용하는 경우, 바람직하게는 할로겐계 산화환원 전해질이고, 더욱 바람직하게는 요오드계 산화환원 전해질(redox iodide electrolyte)이다. For example, the electrolyte that can be used as the electrolyte 400 of the dye-sensitized solar cell 100 of the present invention may be composed of a solvent-based liquid electrolyte, a polymer electrolyte, a solid electrolyte and a gel electrolyte. When a solvent-based liquid electrolyte is used, it is preferably a halogen-based redox electrolyte, more preferably an iodine-based redox electrolyte.

예를 들어, 전해질(400)의 산화/환원쌍으로 사용될 수 있는 할로겐계 산화환원 전해질은 할로겐 화합물/할로겐 분자로 구성될 수 있다. 사용 가능한 할로겐 분자로는 예를 들어 요오드 분자(I2) 또는 브롬 분자(Br2) 등을 들 수 있고, 특히 요오드 분자가 바람직하다. 이들 할로겐 분자는 예를 들어, 비-프로톤(non-protonic) 용매인 아세토니트릴(Acetonitrile), 프로피오니트릴(propionitrile), 메톡시 아세토니트릴(Methoxy acetonitrile), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate) 및 이들의 혼합물에 용해되어 이온 상태(I2 - 또는 Br2 -)로 존재한다. For example, the halogen-based redox electrolyte that can be used as an oxidation / reduction pair of the electrolyte 400 may be composed of halogen compounds / halogen molecules. To an available halogen molecule, for example, and the like molecular iodine (I 2) or bromine molecule (Br 2), especially preferred it is iodine. These halogen molecules are, for example, acetonitrile, propionitrile, methoxy acetonitrile, propylene carbonate, and mixtures thereof, which are non-protonic solvents. is dissolved in ion state exists as (I 2 - - or Br 2).

한편, 할로겐 이온의 카운터 이온(상대 이온)을 갖는 할로겐 화합물에는 할로겐화 금속염(할로겐화 금속화합물) 또는 할로겐화 유기염(할로겐화 유기화합물)을 포함한다. 예를 들어, LiI, NaI, KI, 테트라 알킬 암모늄 이오다이드(Tetra-alkyl ammonium iodide; R4NI), 0.1~0.5 몰농도(M)의 이미다졸륨 파생 이오다이드(Imidazolium derivative iodides)와 같은 요오드화물(Iodides)의 혼합물을 할로겐 화합물로 사용될 수 있다. 염료감응 태양전지의 셀 성능은 전해질 내에서 다른 이온 전도도를 갖거나, 또는 광 흡수층(230)의 나노 입자(232) 표면에 흡착된 염료(234)에 의한 나노 입자(232)의 전도대 준위의 이동을 유도하는 카운터 이온인 Li+, Na+, K+, R4N+와 같은 요오드 화합물의 상대 양이온에 의존한다. 용매의 점도는 전해질의 이온 전도도에 직접적으로 영향을 주며, 낮은 점도의 용매가 바람직하다.On the other hand, halogen compounds having counter ions (relative ions) of halogen ions include halogenated metal salts (halogenated metal compounds) or halogenated organic salts (halogenated organic compounds). For example, LiI, NaI, KI, Tetra-alkyl ammonium iodide (R 4 NI), 0.1 to 0.5 molarity (M) of imidazolium derivative iodides and A mixture of the same iodides can be used as the halogen compound. The cell performance of a dye-sensitized solar cell has a different ion conductivity in the electrolyte, or shift of the conduction band level of the nanoparticles 232 by the dye 234 adsorbed on the surface of the nanoparticles 232 of the light absorbing layer 230. It depends on the counter cations of iodine compounds such as Li + , Na + , K + , and R 4 N + , which are counter ions that lead to The viscosity of the solvent directly affects the ionic conductivity of the electrolyte, with low viscosity solvents being preferred.

상술한 산화/환원쌍이 용매에 용해되어 사용되는 경우 산화/환원쌍은 용매에 대하여 임의의 농도로 사용될 수 있는데, 일례로 상기 할로겐 화합물은 용매에 대하여 0.05 ~ 5 M 농도, 바람직하게는 0.2 ~ 1 M 농도이며, 할로겐 분자는 용매에 대하여 0.0005 ~ 1 M 농도, 바람직하게는 0.001 ~ 0.1 M 농도로 사용될 수 있다.
When the above-described oxidation / reduction pair is dissolved in a solvent and used, the oxidation / reduction pair may be used in any concentration with respect to the solvent. For example, the halogen compound may have a concentration of 0.05-5 M with respect to the solvent, preferably 0.2-1. M concentration, the halogen molecule may be used at a concentration of 0.0005 to 1 M, preferably 0.001 to 0.1 M with respect to the solvent.

한편, 도시하지는 않았지만, 밀봉되어 있는 광전 영역으로 액체 상태의 전해질을 주입할 수 있도록 제 2 전극(300)의 일부 영역을 관통하는 2개의 주입홀이 구비되어 있으며, 2개의 주입홀을 통하여 액체 상태의 전해질이 외부로 누출되는 것을 방지할 수 있도록 2개의 주입홀은 각각 실링재로 봉지되어 있다. Although not shown, two injection holes are provided to penetrate a part of the second electrode 300 so as to inject a liquid electrolyte into the sealed photoelectric region. In order to prevent the electrolyte from leaking to the outside, two injection holes are each sealed with a sealing material.

아울러, 주입된 전해질(400)과 염료(234)가 코팅된 나노 입자(232) 및 다공성 나노 입자(242)가 외부로 새는 것을 방지하고, 외부의 습기 및 산소의 침투를 차단하고, 제 1 기판(200) 및 제 2 기판(300)이 합착되어 패널 상태를 유지할 수 있도록, 제 1 기판(200) 및 제 2 기판(300)의 테두리를 따라서 접착제로서의 스페이서(접착 패턴, 410)가 구비되어 있다. In addition, the nanoparticles 232 and the porous nanoparticles 242 coated with the injected electrolyte 400 and the dye 234 may be prevented from leaking to the outside, blocking the penetration of moisture and oxygen from the outside, and the first substrate. A spacer (adhesive pattern 410) as an adhesive is provided along the edges of the first and second substrates 200 and 300 so that the 200 and the second substrate 300 can be bonded together to maintain the panel state. .

스페이서(410)는 태양광이 투과할 수 있도록 투명 고분자 소재로 이루어지는데, 예를 들어 폴리염화비닐(PVC), 폴리아미드(PA), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌(P), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 열가소성 폴리우레탄(TPU), 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 셀룰로오스 및 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 예를 들어 스페이서(410)은 필름 형태로 이루어진 설린(Surlyn, DuPont사)으로 형성될 수 있다. The spacer 410 is made of a transparent polymer material to allow sunlight to pass through. For example, polyvinyl chloride (PVC), polyamide (PA), polyimide (PI), polyethylene (P), and polyethylene terephthalate ( PET), polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate (PC), thermoplastic polyurethane (TPU), ethylene vinyl acetate (EVA), cellulose and combinations thereof. For example, the spacer 410 may be formed of Sullyn (Surlyn, DuPont) in the form of a film.

전술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 염료 감응 방식 태양전지(100)의 구동에 대해 간단히 설명한다. 태양광이 본 발명에 따른 염료감응 방식 태양전지(100)에 입사되면 투명한 제 1 기판(210)과 제 1 투명전극(220)을 투과한 광양자는 광 흡수층(230)을 구성하는 나노 입자(232) 표면에 코팅된 염료(234)에 의해 흡수된다. 상대적으로 낮은 자신의 밴드갭 에너지 이상의 광에너지를 흡수한 염료(234)는 여기 상태(excited state)가 되면서 전자를 생성하고, 이렇게 생성된 전자는 상기 나노 입자(232)를 이루는 반도체 산화물 또는 금속 산화물의 전도대(conducting band)로의 이송을 경유하여 제 1 전극(200)으로 이동하고, 폐회로에 의하여 제 2 전극(300)측으로 인가된다. 제 2 전극(300)에 인가된 전자는 전해질(400)을 산화시켜 전자를 발생시키고, 이때 발생된 전자는 광 산란층(240)의 다공성 나노 입자(242)에 형성된 다수의 기공(244)을 통하여 신속하게 염료(234) 측으로 이동하면서 염료(234)의 정공과 결합한다. The driving of the dye-sensitized solar cell 100 according to the present invention having the above-described configuration will be briefly described. When sunlight is incident on the dye-sensitized solar cell 100 according to the present invention, the photons transmitted through the transparent first substrate 210 and the first transparent electrode 220 constitute nanoparticles 232 constituting the light absorbing layer 230. ) Is absorbed by the dye 234 coated on the surface. The dye 234, which absorbs light energy above its low bandgap energy, is in an excited state to generate electrons, and the generated electrons are semiconductor oxides or metal oxides forming the nanoparticles 232. It is moved to the first electrode 200 via the transfer to the conducting band of and is applied to the second electrode 300 side by a closed circuit. The electrons applied to the second electrode 300 oxidize the electrolyte 400 to generate electrons, and the generated electrons form a plurality of pores 244 formed in the porous nanoparticles 242 of the light scattering layer 240. It quickly engages with the holes of the dye 234 while moving to the dye 234 side.

이하, 예시적인 실시예를 통하여 본 발명을 설명하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 결코 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described through exemplary embodiments, but the present invention is not limited thereto.

합성예: 광 산란층용 다공성 티타늄산화물 입자 합성Synthesis Example: Synthesis of Porous Titanium Oxide Particles for Light Scattering Layer

다공성 티타늄산화물 입자는 다음과 같은 절차를 통해 합성하였다. Acetic acid 100 mL에 테트라부틸티탄(tetrabutyl titanate) 2 mL을 적가(dropping)한 뒤, 이 용액을 교반하여 콜로이드 용액을 제조하였다. 만들어진 콜로이드 용액을 Ti autoclave vessel에 옮겨 고온, 고압 반응을 준비하였다. 200℃, 24시간 동안 반응 soaking하여 TiO2 입자를 성장시켰다. Acetic acid에 분산된 TiO2 입자를 에탄올(EtOH)로 세척하며 원심분리하는 과정을 3회 반복하였다. 세척 완료 후 sonic horn을 이용하여 에탄올에 재분산하고, 분산된 TiO2 입자의 함량을 계산하고 고형물 대비 정해진 비율의 Binder를 첨가하였다. 에탄올에 분산된 TiO2와 binder가 배합된 용액을 진공 증발기에 넣어 분산 용매인 에탄올을 제거하고, 최종 생성물을 30분간 3-roll mill 진행하였다.
Porous titanium oxide particles were synthesized through the following procedure. After dropping 2 mL of tetrabutyl titanate in 100 mL of acetic acid, the solution was stirred to prepare a colloidal solution. The colloidal solution prepared was transferred to a Ti autoclave vessel to prepare a high temperature and high pressure reaction. TiO 2 particles were grown by reaction soaking at 200 ° C. for 24 hours. The TiO 2 particles dispersed in acetic acid were washed with ethanol (EtOH) and centrifuged three times. After washing, redispersed in ethanol using a sonic horn, the content of dispersed TiO 2 particles was calculated, and Binder was added at a fixed ratio relative to the solids. The TiO 2 dispersed in ethanol and the binder were mixed in a vacuum evaporator to remove ethanol as a dispersion solvent, and the final product was subjected to a 3-roll mill for 30 minutes.

실시예: 염료감응 태양전지 제작Example: Fabrication of Dye-Sensitized Solar Cell

(1) 반도체 전극(제 1 전극) 제작(1) Fabrication of semiconductor electrode (first electrode)

FTO glass(Fluorine-doped tin oxide coated conduction glass, Pilkington, TEC7)를 10 cm X 10 cm 크기로 잘라 글라스 세정세제를 사용하여 초음파(sonication) 세척을 10분간 수행한 후 증류수를 사용하여 비눗물을 완전히 제거하였다. 그 후에 에탄올을 사용한 sonication 세척을 15분간 2회 반복한 후, 무수 에탄올(Anhydrous ethanol)로 완전히 헹군 후에 100℃ 오븐에서 건조시켰다. 이렇게 준비한 FTO glass 위에 TiO2와의 접촉력을 향상시키기 위하여 70℃의 40 mM Titanium (Ⅳ) chloride 용액에 40분간 침지하고 증류수로 세정한 후, 100℃ 오븐에서 수분을 완전히 건조시켰다. 그 후에 CCIC사의 이산화티타늄(TiO2) paste (18-NR)를 FTO glass 위에 screen printer로 9 mm X 9 mm 크기의 mask(200 mesh)를 이용하여 coating하였다. Coating 된 film을 100℃ 오븐에서 20분 동안 건조하는 과정을 3회 반복하였다. 450℃에서 60분간 소성함으로써 약 10 마이크로미터 두께의 TiO2 film을 얻었다. Cut FTO glass (Fluorine-doped tin oxide coated conduction glass, Pilkington, TEC7) into a size of 10 cm X 10 cm and perform a sonication cleaning with a glass cleaner for 10 minutes and then completely remove the soapy water using distilled water. It was. Thereafter, the sonication washing with ethanol was repeated twice for 15 minutes, rinsed thoroughly with anhydrous ethanol, and dried in an oven at 100 ° C. In order to improve the contact force with TiO 2 on the thus prepared FTO glass, it was immersed in 40 mM Titanium (IV) chloride solution at 70 ° C. for 40 minutes, washed with distilled water, and then thoroughly dried in an oven at 100 ° C. After that, CCIC titanium dioxide (TiO 2 ) paste (18-NR) was coated on a FTO glass using a screen printer (200 mesh) having a size of 9 mm X 9 mm. The process of drying the coated film in an oven at 100 ° C. for 20 minutes was repeated three times. By firing at 450 ° C. for 60 minutes, a TiO 2 film having a thickness of about 10 micrometers was obtained.

열처리 과정이 끝난 광 전극 위에 정해진 패턴으로 은 페이스트를 도포하고 100℃ 오븐에서 20분 동안 건조시키고, 450℃에서 30분간 소성하여 광 흡수층이 적층된 전자 수집 전극을 형성하였다. 전자 수집 전극 위에 정해진 패턴으로 글라스 프릿 페이스트를 도포하고 100℃ 오븐에서 20분 동안 건조시킨 후 480℃에서 20분간 소성하여 글라스 프릿 보호층을 형성하였다. TiO2 film을 0.5 mM 농도의 합성한 염료의 무수 에탄올(anhydrous ethanol) 용액에 24시간 침지시킴으로써 염료를 흡착시킬 수 있다(anhydrous ethanol에 염료가 녹지 않을 경우에는 녹일 수 있는 solvent를 사용). 흡착이 끝난 후에 무수 에탄올로 흡착되지 않은 염료를 완전히 washing 해준 후 heat gun을 이용하여 건조시켰다. 이어서, 용매에 분산되어 있는 위 합성예에서 제조된 다공성 산화티타늄 나노 입자를 초음파 세정 후에 전자 수집 전극 상의 염료가 흡착된 광 흡수층 상으로 떨어뜨려 광 산란층을 형성하였다. 광 산란층이 형성된 광 전극을 100℃ 오븐에서 건조하고, 450℃에서 소성하여, 분산 용매와 바인더를 모두 제거한 광 산란층을 형성하였다.
The silver paste was coated on the photoelectrode after the heat treatment in a predetermined pattern, dried in an oven at 100 ° C. for 20 minutes, and baked at 450 ° C. for 30 minutes to form an electron collecting electrode having a light absorbing layer laminated thereon. The glass frit paste was applied in a predetermined pattern on the electron collecting electrode, dried in an oven at 100 ° C. for 20 minutes, and then baked at 480 ° C. for 20 minutes to form a glass frit protective layer. The dye can be adsorbed by immersing the TiO 2 film in anhydrous ethanol solution of the synthesized dye at 0.5 mM concentration for 24 hours (if the dye is not dissolved in anhydrous ethanol, use a solvent that can dissolve). After the adsorption was completed, the dye that was not adsorbed with anhydrous ethanol was completely washed and dried using a heat gun. Subsequently, the porous titanium oxide nanoparticles prepared in the above synthesis example dispersed in a solvent were dropped onto the light absorbing layer where the dye on the electron collecting electrode was adsorbed after ultrasonic cleaning to form a light scattering layer. The photoelectrode on which the light scattering layer was formed was dried in an oven at 100 ° C., and calcined at 450 ° C. to form a light scattering layer from which both the dispersion solvent and the binder were removed.

(2) 상대 전극(제 2 전극) 제작(2) Preparation of counter electrode (second electrode)

10 cm X 10 cm 크기의 FTO glass 에 직경(ㆈ) 0.7 mm 다이아몬드 드릴 (Dremel multipro395)을 이용해서 전해질이 주입할 홀 2개를 형성하였다. 그 후에는 광 전극 에서 제시했던 세척 방법과 동일한 방법으로 세척한 후 건조하였다. 그 후, hydrogen hexachloroplatinate(H2PtCl6) 2-propanol 용액을 FTO glass에 도포한 뒤, 450℃ 에서 60 분간 소성하였다. 열처리 과정이 끝난 촉매 전극 위에 정해진 패턴으로 은 페이스트를 도포하고 100℃ 오븐에서 20분 동안 건조한 뒤, 450℃에서 30분간 소성하여 촉매 전극을 형성하였다. 이 전극 위에 정해진 패턴으로 글라스 프릿 페이스트를 도포하고 100℃ 오븐에서 20분 동안 건조한 후, 480℃에서 20분간 소성하여 글라스 프릿 보호층을 형성하였다.
Two holes for electrolyte injection were formed using a 0.7 mm diameter diamond drill (Dremel multipro395) in a 10 cm × 10 cm FTO glass. After that, it was washed and dried in the same manner as the cleaning method proposed in the photoelectrode. Thereafter, hydrogen hexachloroplatinate (H 2 PtCl 6) 2-propanol solution was applied to the FTO glass, and then calcined at 450 ° C. for 60 minutes. The silver paste was applied in a predetermined pattern on the finished catalyst electrode, dried for 20 minutes in an oven at 100 ° C., and calcined at 450 ° C. for 30 minutes to form a catalyst electrode. The glass frit paste was applied on the electrode in a predetermined pattern, dried in an oven at 100 ° C. for 20 minutes, and then baked at 480 ° C. for 20 minutes to form a glass frit protective layer.

(3) 샌드위치 cell 제작(3) Sandwich cell manufacturing

광 전극과 상대전극 사이에 사각형 띠 모양으로 자른 Surlyn (Solaronix, SX1170-25 Hot Melt)을 놓고 핫-프레스를 이용하여 두 전극을 서로 붙였다. 이어서 상대 전극에 형성된 2개의 작은 홀을 통해 전해질을 주입한 후 Surlyn strip(DuPont사)과 cover glass로 sealing하여 sandwich cell을 제작하였다. 전해질 용액으로 0.1M LiI, 0.05 M I2, 0.6 M 1-hexyl-2,3-dimethylimidazolium iodide 와 0.5M 4-tert-butylpyridine을 3-metoxypropionitrile 용매(solvent)로 하여 제조하였다.
Surlyn (Solaronix, SX1170-25 Hot Melt) cut into rectangular bands was placed between the photoelectrode and the counter electrode, and the two electrodes were attached to each other using a hot-press. Subsequently, an electrolyte was injected through two small holes formed in the counter electrode, and a sandwich cell was manufactured by sealing with Surlyn strip (DuPont) and cover glass. As an electrolyte solution, 0.1M LiI, 0.05M I2, 0.6M 1-hexyl-2,3-dimethylimidazolium iodide and 0.5M 4-tert-butylpyridine were prepared with 3-metoxypropionitrile solvent.

비교예: 종래 광 산란층 입자를 적용한 태양전지 제작Comparative Example: Fabrication of Solar Cell Applying Conventional Light Scattering Layer Particles

광 산란층 입자로 기공이 형성되지 않으며 평균 입자 직경이 300 ~ 500 nm인 티타늄산화물 입자(CCIC)를 사용하여 광 산란층을 형성한 것을 제외하고, 실시예의 절차를 반복하여 염료감응 태양전지를 제작하였다.
A dye-sensitized solar cell was fabricated by repeating the procedure of Example, except that the light scattering layer particles were not formed of pores and the light scattering layer was formed using titanium oxide particles (CCIC) having an average particle diameter of 300 to 500 nm. It was.

실험예 1: 광 산란층 입자의 관찰Experimental Example 1 Observation of Light Scattering Layer Particles

합성예에서 합성된 나노 크기의 티타늄산화물 입자와, 비교예에서 사용된 종래의 광 산란층 입자인 나노 크기의 이산화 티타늄 입자를 SEM을 이용하여 관찰하였다. 도 3은 종래의 광 산란층 입자의 SEM 사진이고, 도 4a 및 도 4b는 합성예에서 합성된 나노 크기의 이산화 티타늄의 광 산란층 입자의 SEM 사진이다.The nano-sized titanium oxide particles synthesized in the synthesis example and the nano-sized titanium dioxide particles, the conventional light scattering layer particles used in the comparative example, were observed using SEM. Figure 3 is a SEM image of the conventional light scattering layer particles, Figure 4a and Figure 4b is a SEM image of the light scattering layer particles of nano-sized titanium dioxide synthesized in the synthesis example.

도 3에 도시된 것과 같이, 종래의 광 산란층 입자는 수백 nm의 입자가 형성되어 있고, 이들 입자의 내부에는 기공이 형성되지 않았다. 반면, 도 4a 및 도 4b에 도시된 것과 같이, 합성예에서 합성된 나노 크기의 티타늄산화물 입자는 대략 타원형의 구조를 가지고 있으며 입자 직경은 대략 300 ~ 500 nm이다. 또한, 전체 나노 크기의 티타늄산화물 입자의 내부에는 대략 10 ~ 20 nm의 입자 직경을 갖는 내부 입자들이 응집(aggregation)되어 있으며, 이들 내부 입자들 사이에 다수의 기공을 가지고 있다는 것을 알 수 있다.
As shown in FIG. 3, particles of the light scattering layer of the prior art are formed with particles of several hundred nm, and no pores are formed inside these particles. On the other hand, as shown in Figures 4a and 4b, the nano-sized titanium oxide particles synthesized in the synthesis example has an approximately elliptical structure and the particle diameter is approximately 300 ~ 500 nm. In addition, it can be seen that internal particles having a particle diameter of approximately 10 to 20 nm are aggregated inside the entire nano-sized titanium oxide particles, and have a plurality of pores therebetween.

실험예 2: 광 투과율 및 fill-factor 측정Experimental Example 2: Light transmittance and fill-factor measurement

실시예와 비교예에서 각각 제조된 태양전지를 이용하여 표준적인 방법에 따라 광 투과율을 측정하였다. 그 결과는 도 5에 도시되어 있다. 특히, 본 발명에 따라 다수의 기공이 형성된 나노 입자를 광 산란층을 적용한 태양전지는 통상적으로 태양전지가 이용하는 파장 대역인 360 nm 이상의 파장 대역에서 입사된 광을 모두 산란에 의하여 반사시킨다는 점을 알 수 있었다. 한편, 실시예와 비교예에서 각각 제조된 태양전지의 fill-factor(FF)를 측정하였다. 본 발명에 따라 다공성 입자의 광 산란층을 적용한 태양전지의 FF는 66.1%로서, 비교예에 따라 제작된 태양전지의 FF 65.3%에 비하여 향상되었다.
The light transmittance was measured according to a standard method using the solar cells prepared in each of the Examples and Comparative Examples. The result is shown in FIG. In particular, the solar cell applying the light scattering layer to the nanoparticles formed with a plurality of pores according to the present invention is known to reflect all the incident light in the wavelength band of 360 nm or more, which is the wavelength band used by the solar cell by scattering. Could. On the other hand, the fill-factor (FF) of the solar cells manufactured in Examples and Comparative Examples were measured. According to the present invention, the FF of the solar cell to which the light scattering layer of the porous particles is applied is 66.1%, which is improved compared to the FF 65.3% of the solar cell manufactured according to the comparative example.

상기에서는 본 발명의 실시예에 기초하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명이 전술한 실시예로 제한되는 것은 아니다. 오히려 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술자라면 전술한 실시예에 기초하여 다양한 변형과 변경을 추고할 수 있을 것이다. 하지만, 이와 같은 변형과 변경은 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 하며, 이러한 사실을 첨부하는 청구의 범위를 통해서 더욱 분명해질 것이다.
Although the present invention has been described above based on the embodiments of the present invention, the present invention is not limited to the above-described embodiments. Rather, those skilled in the art will be able to devise various modifications and changes based on the embodiments described above. However, all such modifications and variations are to be construed as being included in the scope of the present invention, and will be more apparent through the appended claims.

100: 염료 감응 태양전지 200: 제 1 전극
210: 제 1 기판 220: 제 1 투명전극
230: 광 흡수층 232: 나노 입자
234: 염료 240: 광 산란층
242: 다공성 나노 입자 244: 기공
246: 미세 나노 입자 300: 제 2 전극
310: 제 2 기판 320: 제 2 투명전극
330: 촉매층 400: 전해질
100 dye-sensitized solar cell 200 first electrode
210: first substrate 220: first transparent electrode
230: light absorbing layer 232: nanoparticles
234: dye 240: light scattering layer
242: porous nanoparticles 244: pores
246: fine nanoparticles 300: second electrode
310: second substrate 320: second transparent electrode
330: catalyst layer 400: electrolyte

Claims (11)

제 1 전극;
상기 제 1 전극과 대향적으로 배치되는 제 2 전극;
상기 제 1 전극에 증착되며, 표면에 염료가 흡착되어 있는 반도체 산화물 또는 금속 산화물로 이루어진 나노 입자를 가지며, 상기 나노 입자는 10 ~ 20 nm의 평균 입자 직경을 갖는 광 흡수층;
상기 광 흡수층 상에 적층되며, 다공성 나노 입자를 갖는 광 산란층으로서, 상기 다공성 나노 입자의 평균 입자 직경은 300 ~ 500 nm이고, 상기 다공성 나노 입자는 평균 입자 직경이 10 ~ 20 nm의 미세 나노 입자가 상기 다공성 나노 입자의 내부에서 응집되어 형성된 광 산란층; 및
산화-환원 이온쌍을 포함하는 전해질이 상기 제 2 전극 및 상기 광 산란층 사이에 충진되어 있는 전해질
을 포함하는 염료감응 태양전지.
A first electrode;
A second electrode disposed to face the first electrode;
A light absorbing layer deposited on the first electrode and having nanoparticles made of a semiconductor oxide or a metal oxide on which a dye is adsorbed on a surface thereof, the nanoparticles having an average particle diameter of 10 to 20 nm;
A light scattering layer laminated on the light absorbing layer and having porous nanoparticles, the average particle diameter of the porous nanoparticles is 300 to 500 nm, and the porous nanoparticles have fine nanoparticles having an average particle diameter of 10 to 20 nm. A light scattering layer formed by agglomeration in the porous nanoparticles; And
Electrolyte containing a redox ion pair is filled between the second electrode and the light scattering layer
Dye-sensitized solar cell comprising a.
제 1항에 있어서,
상기 다공성 나노 입자의 평균 입자 직경은 380 ~ 450 nm인 염료감응 태양전지.
The method of claim 1,
An average particle diameter of the porous nanoparticles is 380 ~ 450 nm dye-sensitized solar cell.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 다공성 나노 입자는 티타늄산화물(TiO2) 나노 입자인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
The dye-sensitized solar cell of claim 1 or 2, wherein the porous nanoparticles are titanium oxide (TiO 2 ) nanoparticles.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 반도체 산화물 또는 상기 금속 산화물은 티타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 아연(Zn)산화물, 인듐(In)산화물, 란타늄(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브데늄(Mo)산화물, 텅스텐(W)산화물, 주석(Sn)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트륨(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 스트론튬티타늄(SrTi)산화물, 및 칼슘티타네이트(CaTiO3)로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 물질을 포함하는 염료감응 태양전지.
The method according to claim 1 or 2,
The semiconductor oxide or the metal oxide may be titanium (Ti) oxide, zirconium (Zr) oxide, strontium (Sr) oxide, zinc (Zn) oxide, indium (In) oxide, lanthanum (La) oxide, vanadium (V) oxide, Molybdenum (Mo) oxide, tungsten (W) oxide, tin (Sn) oxide, niobium (Nb) oxide, magnesium (Mg) oxide, aluminum (Al) oxide, yttrium (Y) oxide, scandium (Sc) oxide Dye-sensitized solar cell comprising a material selected from the group consisting of, samarium (Sm) oxide, gallium (Ga) oxide, strontium titanium (SrTi) oxide, and calcium titanate (CaTiO 3 ).
삭제delete 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 광 흡수층의 상기 나노 입자는 5 ~ 20 ㎛의 두께로 상기 제 1 전극의 상부에 증착되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
The method according to claim 1 or 2,
The nanoparticles of the light absorption layer is a dye-sensitized solar cell, characterized in that deposited on top of the first electrode with a thickness of 5 ~ 20 ㎛.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 제 1 전극은 투명한 유리 또는 투명한 플라스틱 재질의 제 1 기판; 및 상기 제 1 기판 상에 형성되며, 불소가 도핑된 주석산화물(FTO), 주석이 도핑된 인듐산화물(ITO) 및 아연산화물로 구성되는 군에서 선택되는 물질로 제조되는 제 1 투명전극을 포함하는 염료감응 태양전지.
The method according to claim 1 or 2,
The first electrode may include a first substrate made of transparent glass or transparent plastic; And a first transparent electrode formed on the first substrate and made of a material selected from the group consisting of fluorine-doped tin oxide (FTO), tin-doped indium oxide (ITO), and zinc oxide. Dye-Sensitized Solar Cell.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 제 2 전극은 투명한 유리 또는 투명한 플라스틱 재질의 제 2 기판; 상기 제 2 기판 상에 형성되며, 불소가 도핑된 주석산화물(FTO), 주석이 도핑된 인듐산화물(ITO) 및 아연산화물로 구성되는 군에서 선택되는 물질로 제조되는 제 2 투명전극; 및 루테늄, 오스뮴, 코발트, 로듐, 이리듐, 니켈, 활성 탄소, 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀(graphene), 팔라듐, 백금, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리티오펜 및 폴리아닐린으로 구성되는 군에서 선택되는 물질로 형성되는 촉매층을 포함하는 염료감응 태양전지.
The method according to claim 1 or 2,
The second electrode may include a second substrate made of transparent glass or transparent plastic; A second transparent electrode formed on the second substrate and made of a material selected from the group consisting of fluorine-doped tin oxide (FTO), tin-doped indium oxide (ITO), and zinc oxide; And ruthenium, osmium, cobalt, rhodium, iridium, nickel, activated carbon, carbon nanotube (CNT), graphene, palladium, platinum, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) Dye-sensitized solar cell comprising a catalyst layer formed of a material selected from the group consisting of polythiophene and polyaniline.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 염료는 루테늄계 염료, 크산텐계 염료, 시아닌계 염료, 포르피린계 염료 및 안트라퀴논계 염료를 포함하는 염료감응 태양전지.
The method according to claim 1 or 2,
The dye is a dye-sensitized solar cell comprising a ruthenium dye, xanthene dye, cyanine dye, porphyrin dye and anthraquinone dye.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 전해질은 할로겐계 산화환원 전해질인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
The method according to claim 1 or 2,
The electrolyte is a dye-sensitized solar cell, characterized in that the halogen-based redox electrolyte.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 미세 나노 입자는 상기 다공성 나노 입자의 내부를 채우면서 응집되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
The method according to claim 1 or 2,
The fine nanoparticles are dye-sensitized solar cell, characterized in that the aggregates while filling the interior of the porous nanoparticles.
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