KR20110125849A - Electrode material composition, preparation method thereof and solar cell manufactured using same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폴리아크릴레이트-탄소나노튜브 복합체를 포함하는 태양전지 전극소재용 조성물, 이 조성물의 제조방법 및 이 조성물로 형성된 상대 전극을 포함하는 태양 전지에 관한 것으로서, 본 발명에 따르면, 폴리아크릴레이트를 바인더로 이용하여 탄소나노튜브 전극소재를 제공함으로써, 연료감응 태양전지의 상대전극으로 사용되고 있는 Pt 또는 Ag 등에 비하여 저렴한 비용으로, 탄소나노튜브 전극의 낮은 시트 저항성 및 넓은 표면적의 장점을 살리면서, 낮은 강도에서 우수한 광전기 변환율을 나타내고, Pt 상대 전극 대비 동등 이상의 효율 및 장기 안정성을 나타내는 전극 소재를 제공할 수 있다. The present invention relates to a composition for a solar cell electrode material comprising a polyacrylate-carbon nanotube composite, a method for preparing the composition, and a solar cell including a counter electrode formed from the composition. Using carbon nanotube electrode material as a binder, at a lower cost than Pt or Ag used as a counter electrode of a fuel-sensitized solar cell, while taking advantage of the low sheet resistance and large surface area of the carbon nanotube electrode. It is possible to provide an electrode material which exhibits excellent photoelectric conversion at low intensity and exhibits efficiency or long-term stability equal to or higher than that of the Pt counter electrode.
Description
본 발명은 폴리아크릴레이트-탄소나노튜브 복합체를 포함하는 태양전지 전극소재용 조성물, 이 조성물의 제조방법 및 이 조성물로 형성된 상대 전극을 포함하는 태양 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a composition for a solar cell electrode material comprising a polyacrylate-carbon nanotube composite, a method for preparing the composition, and a solar cell including a counter electrode formed from the composition.
환경오염에 따른 CO2 발생을 줄이기 위하여 전세계 각국의 무역 및 관세 규제가 강화되면서 에너지를 다량 사용하는 산업선진국을 중심으로 에너지 절감을 위한 신소재 개발, 환경친화적인 에너지원 활용 기술, 한정된 자원을 대체할 수 있는 인공소재 개발, 에너지 효율을 극대화하기 위한 에너지 이용기술 등에 막대한 인력과 자금을 동원하여 기술개발을 하고 있다. 환경친화적인 에너지 소재가 갖추어야할 특징으로서는 입력되는 에너지를 최대한 손실 없이 활용할 수 있어야 하여 원료를 자연으로부터 무한히 공급받을 수 있음과 동시에 제조공정 및 사용상의 경제성을 확보하는 것이 바람직하다.CO 2 due to environmental pollution In order to reduce the occurrence, the strengthening trade and customs regulations around the world are strengthened, so that the developed countries that use large amounts of energy, developed new materials for energy saving, environmentally friendly energy source technology, artificial materials to replace limited resources, In order to maximize energy efficiency, we are developing technology by encouraging enormous manpower and funds for energy use technology. As a feature of environmentally friendly energy materials, it is desirable to be able to utilize the input energy without loss as much as possible, so that raw materials can be infinitely supplied from nature, and at the same time, it is desirable to secure economical efficiency in the manufacturing process and use.
전극 소재는 태양전지, 투명전극, 디스플레이, 센서 등에 주로 사용되고 있으며 전자산업의 발달 및 제품의 단소 경박으로 인하여 기존보다 경제성 및 품질이 우수한 소재의 개발이 시급히 요구되고 있는 실정이다. 기존의 전기전도성을 구현하는 전극재료로서는 백금(Pt), 은(Ag)와 같은 금속계와 ITO(Indium-Tin Oxide), FTO(Fluorine coated Tin Oxide)와 같은 금속산화물계로 대별할 수 있다. 백금(Pt)과 은(Ag) 등의 귀금속은 태양전지의 상대전극 및 연결전극, 정전기 방지 및 전자파 차폐재, 이차전지 및 연료전지의 촉매, RFID, 전자잉크 등에 폭넓게 사용되고 있으며 가격이 고가임에도 불구하고 사용이 증가하고 있다. 현재 신재생에너지로 각광받고 있는 태양전지 분야에서 은(Ag)은 상대전극 재료로서 가공 초기 페이스트 상에서 기판 위에 스퍼터링하여 사용되고 있다(도 1 및 도 2 참조).Electrode materials are mainly used in solar cells, transparent electrodes, displays, and sensors. Due to the development of the electronics industry and short and thin products, there is an urgent need to develop materials having better economics and quality than before. Conventional electrode materials may be classified into metals such as platinum (Pt) and silver (Ag) and metal oxides such as indium-tin oxide (ITO) and fluorine coated tin oxide (FTO). Precious metals such as platinum (Pt) and silver (Ag) are widely used in counter electrodes and connecting electrodes of solar cells, antistatic and electromagnetic shielding materials, catalysts in secondary and fuel cells, RFID, electronic ink, and despite their high price Usage is increasing. Silver (Ag) is currently used as a counter electrode material by sputtering onto a substrate on an initial paste as a counter electrode material in the solar cell field, which is currently being spotlighted as a renewable energy source (see FIGS. 1 and 2).
그러나 이러한 은-페이스트 전극재료는 대부분 수입에 의존한다는 점, 자원이 유한하다는 점, 가격이 고가이며 사용에 제한적이라는 점에서 이러한 문제점을 해소할 수 있는 새로운 전극 소재의 개발이 시급한 실정이다.However, the development of new electrode materials that can solve these problems is urgent because most of these silver-paste electrode materials are imported, finite resources, and expensive and limited in use.
탄소나노튜브는 베이스 매트릭스(Base Matrix)에서 연속적인 연결망을 형성하여, 길게 확장된 나노튜브 망의 접합지점에서 탄소 나노튜브 간의 전자 이동(electron hopping)을 가능하게 하고, 이를 통해 전기전도도를 크게 향상시킴은 물론 강도, 강성, 열전도도, 안정성, 내마모성 등의 역학적 특성을 향상시킨다. 고전도성의 탄소 나노복합재는 전도성이 요구되는 섬유, 박막, 두꺼운 종이, 튜브, 차폐용 대형 구조재, 패널의 정전기 페인팅, 정전기 방전과 광전자 장치 분야에서 도장, 코팅, 접착 등의 방식으로 사용될 수 있다. 탄소나노튜브는 주위에 무궁무진하게 있는 탄화수소가스와 천연상태의 산화물 등을 이용하여 적절하게 합성하면 거의 무한하게 제조할 수 있다는 원료 구득 용이성 측면에서의 장점, 기존의 전극소재 대비 저렴한 가격, 다기능성, 촉매 특성 보유, 우수한 전기전도성 및 열 방출 특성 등, 다방면에서 사용가능한 이상적인 소재이다. 또한 탄소나노튜브는 가로와 세로의 비(Aspect Ratio)가 1,000 이상인 선형 구조를 가지므로 이를 적절히 분산시킬 경우 적은 량으로도 표면밀도가 높은 전도네트워크를 형성할 수가 있어서 전도성 소재 및 전극소재로서 기존의 어떠한 소재보다 적합한 소재라 할 수 있다. Carbon nanotubes form a continuous network in the base matrix, enabling electron hopping between carbon nanotubes at the junctions of elongated nanotube networks, which greatly improves electrical conductivity. In addition to improving the mechanical properties such as strength, stiffness, thermal conductivity, stability, and wear resistance. Highly conductive carbon nanocomposites can be used by coating, coating, and bonding in the fields of conductive fibers, thin films, thick paper, tubes, shielding large structures, electrostatic painting of panels, electrostatic discharge and optoelectronic devices. Carbon nanotubes can be manufactured almost infinitely by properly synthesizing them using infinitely high hydrocarbon gas and natural oxides. Advantages in terms of ease of raw material acquisition, low price compared to conventional electrode materials, multifunctionality, It is an ideal material that can be used in various fields such as retaining catalytic properties, excellent electrical conductivity and heat dissipation characteristics. In addition, carbon nanotubes have a linear structure with an aspect ratio of 1,000 or more, and thus, when properly dispersed, carbon nanotubes can form a conductive network having a high surface density even with a small amount, so that they can be used as conductive materials and electrode materials. It is more suitable than any material.
현재, 기존의 폴리실리콘을 활용한 결정질 태양전지(1세대)보다 생산단가가 저렴한 박막형 태양전지(2세대) 개발에 가속도가 붙고 있다. 이중 탄소나노튜브를 이용한 2세대 태양전지는 가격이 저렴하고 화학적 안정성이 뛰어나면서 뛰어난 촉매특성을 보이는 것으로 알려져 주목을 받고 있다. 이에 그동안 많은 연구가 이루어졌으나, 현재까지도 실험실 단계의 기술에만 머무르고 있어 대면적 적용시 효율 저하의 문제점과 상대 전극으로 사용되는 백금, 은과 같은 소재가 원료 가격이 비싸서 많은 생산량을 얻기 힘들뿐 아니라 강한 촉매작용을 얻는데 필요한 넓은 표면적을 확보하는데 한계가 있다는 문제점이 있다. Currently, there is an acceleration in the development of thin-film solar cells (second generation), which are cheaper to produce than crystalline solar cells (first generation) utilizing polysilicon. Second generation solar cells using carbon nanotubes are attracting attention because they are known to exhibit excellent catalytic properties with low cost and excellent chemical stability. Although much research has been conducted in the meantime, to this day, only the technology of the laboratory stage is maintained, and the problem of efficiency reduction in large-area applications and materials such as platinum and silver, which are used as counter electrodes, are not only difficult to obtain a large amount of production, but also strong There is a problem in that there is a limit in securing a large surface area necessary for obtaining a catalysis.
따라서, 본 발명의 목적은 백금 상대 전극과 동등한 효율을 나타내면서 저렴한 비용으로 백금 상대 전극을 대체할 수 있는, 폴리아크릴레이트-탄소나노튜브 혼합물을 포함하는 전극소재용 조성물을 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a composition for an electrode material comprising a polyacrylate-carbon nanotube mixture, which can replace the platinum counter electrode at low cost while exhibiting the same efficiency as the platinum counter electrode.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 폴리아크릴레이트와 용매를 혼합하는 단계, 이 혼합물에 탄소나노튜브를 첨가하여 혼합하는 단계, 롤 밀(roll mill)을 이용하여 폴리아크릴레이트와 탄소나노튜브를 분산시키는 단계, 및 진공 오븐에서 폴리아크릴레이트/탄소나노튜브 복합체 페이스트로부터 기포를 제거하는 단계를 포함하는 폴리아크릴레이트-탄소나노튜브 복합체를 포함하는 전극소재용 조성물의 제조방법을 제공하는 데 있다.In addition, another object of the present invention, a step of mixing a polyacrylate and a solvent, adding and mixing carbon nanotubes to the mixture, dispersing the polyacrylate and carbon nanotubes using a roll mill (roll mill) It provides a method for producing a composition for an electrode material comprising a polyacrylate-carbon nanotube composite comprising the steps of, and removing bubbles from the polyacrylate / carbon nanotube composite paste in a vacuum oven.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 폴리아크릴레이트 및 탄소나노튜브의 혼합물로 이루어진 상대 전극을 포함하는 태양 전지를 제공하는 데 있다. Another object of the present invention is to provide a solar cell including a counter electrode made of a mixture of polyacrylate and carbon nanotubes.
본 발명자들은 탄소 나노튜브를 충전재로 사용하고, 폴리아크릴레이트를 바인더로 사용한 복합체를 제조하여 태양 전지의 상대전극으로서 사용하는 경우, 백금 상대 전극과 대비하여 동등 이상의 효율 및 장기 안정성을 나타내면서, 탄소나노튜브 전극이 갖는 낮은 시트 저항성 및 넓은 표면적의 장점을 살릴 수 있으며, 낮은 강도에서 우수한 광전기 변환율을 나타낼 수 있다는 점에 착안하여 본 발명을 완성하였다. The inventors of the present invention show that carbon nanotubes are used as fillers, and polyacrylates are used as binders to produce composites, and the carbon nanotubes exhibit at least the same efficiency and long-term stability as compared to platinum counter electrodes. The present invention has been completed based on the fact that it can take advantage of the low sheet resistance and the large surface area of the tube electrode, and can exhibit excellent photoelectric conversion at low intensity.
따라서, 본 발명에 의해 폴리아크릴레이트를 바인더로 하여 탄소나노튜브를 분산시킨 전극소재용 조성물이 제공된다. Accordingly, the present invention provides a composition for electrode materials in which carbon nanotubes are dispersed using polyacrylate as a binder.
본 발명에서 사용가능한 폴리아크릴레이트는 화학식 1의 단량체 구조를 갖는 다양한 중합체 중에서 선택될 수 있으며, 바람직하게는 분자량이 약 873,200이고 점도가 약 13,500cps인 것을 사용할 수 있다.Polyacrylates usable in the present invention may be selected from a variety of polymers having a monomer structure of formula (1), preferably those having a molecular weight of about 873,200 and a viscosity of about 13,500 cps.
구체적으로, 본 발명에서 사용가능한 폴리아크릴레이트의 예와 이들의 유리전이 온도(℃)는 표 1과 같다.Specifically, examples of the polyacrylates usable in the present invention and their glass transition temperatures (° C.) are shown in Table 1.
본 발명의 전극소재용 조성물에 폴리아크릴레이트를 사용함으로써, 양호한 점착력, 내마모성, 저온 특성, 가교 기능, 다른 중합체 에멀젼과의 혼합, 점도 조절의 용이성, 취급의 안전성 및 용이성 측면 등에서 잇점이 있다.The use of polyacrylate in the composition for electrode materials of the present invention has advantages in terms of good adhesion, abrasion resistance, low temperature properties, crosslinking function, mixing with other polymer emulsions, ease of viscosity adjustment, safety and ease of handling, and the like.
한편, 본 발명에 따른 전극소재용 조성물에 사용될 수 있는 탄소나노튜브로는 단일벽 탄소나노튜브(Single-walled carbon nanotube), 이중벽 탄소나노튜브(double walled carbon nanotube), 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube) 등이 있으며, 단일벽 탄소나노튜브의 경우 다중벽 탄소나노튜브보다 전기적 특성이 양호하지만, 태양전지 전극재료는 대면적을 많이 사용하기 때문에, 대면적 사용시의 비용적 측면을 고려한다면, 도 3에 도시된 바와 같은 다중벽 탄소나노튜브를 사용하는 것이 바람직하다.On the other hand, the carbon nanotubes that can be used in the electrode material composition according to the invention as a single-walled carbon nanotube (Single-walled carbon nanotube), double walled carbon nanotube (double walled carbon nanotube), multi-walled carbon nanotubes (multi -walled carbon nanotubes, and single-walled carbon nanotubes have better electrical characteristics than multi-walled carbon nanotubes, but solar cell electrode materials use a large area, so the cost aspect of using large area is considered. If so, it is preferable to use multi-walled carbon nanotubes as shown in FIG.
본 발명에서 사용할 수 있는 다중벽 탄소나노튜브는 바람직하게는 50nm 이하의 직경과 100μm이하의 길이를 가질 수 있으며, 바람직하게는 5~20nm의 직경과 10μm 이하의 길이를 갖는 것이 바람직하다. The multi-walled carbon nanotubes usable in the present invention may preferably have a diameter of 50 nm or less and a length of 100 μm or less, and preferably have a diameter of 5-20 nm and a length of 10 μm or less.
본 발명에 따르면, 폴리아크릴레이트와 탄소나노튜브가 바람직하게는 메틸에틸케톤을 용매로 하여 복합체를 형성하지만, 에틸아세테이트, 톨루엔, 메틸아이소부틸케톤과 같은 용매도 사용가능하다.According to the present invention, polyacrylate and carbon nanotubes preferably form a complex using methyl ethyl ketone as a solvent, but solvents such as ethyl acetate, toluene and methyl isobutyl ketone may also be used.
본 발명에 따른 전극소재용 조성물은 100중량부의 폴리아크릴레이트, 7 내지 23 중량부의 탄소나노튜브 및 60 내지 100 중량부의 용매를 포함하는데, 건조 후에 용매는 100% 휘발되고, 원료 성분 중 폴리아크릴레이트도 건조에 의해 농축되어 건조 전과 대비하여 약 23%의 고형분만이 남게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 전극소재용 조성물에 의하여 형성된 상대 전극은 약 30 내지 50중량%의 탄소나노튜브와 약 50 내지 70중량%의 폴리아크릴레이트의 혼합물로 이루어지며, 보다 바람직하게는 약 45 내지 50중량%의 탄소나노튜브를 포함한다. The electrode material composition according to the present invention comprises 100 parts by weight of polyacrylate, 7 to 23 parts by weight of carbon nanotubes and 60 to 100 parts by weight of solvent, the solvent is 100% volatilized after drying, polyacrylate of the raw material components It is concentrated by drying the island, leaving only about 23% solids as compared to before drying. Therefore, the counter electrode formed by the composition for electrode material according to the present invention is composed of a mixture of about 30 to 50% by weight of carbon nanotubes and about 50 to 70% by weight of polyacrylate, more preferably about 45 to 50 wt% carbon nanotubes.
또한, 본 발명에 의해, 폴리아크릴레이트와 용매를 혼합하는 단계, 이 혼합물에 탄소나노튜브를 첨가하여 혼합하는 단계, 롤 밀(roll mill)을 이용하여 폴리아크릴레이트와 탄소나노튜브를 분산시키는 단계, 및 진공 오븐에서 폴리아크릴레이트/탄소나노튜브 복합체 페이스트로부터 기포를 제거하는 단계를 포함하는 폴리아크릴레이트-탄소나노튜브 복합체를 포함하는 전극소재용 조성물의 제조방법이 제공된다. In addition, according to the present invention, a step of mixing a polyacrylate and a solvent, adding and mixing carbon nanotubes to the mixture, dispersing the polyacrylate and carbon nanotubes using a roll mill And, and a method for producing a composition for an electrode material comprising a polyacrylate-carbon nanotube composite comprising the step of removing bubbles from the polyacrylate / carbon nanotube composite paste in a vacuum oven.
탄소 나노튜브를 분산시키는 방법으로는 볼-밀(ball mill), 초음파 분쇄(sonification), 3롤-밀(3-roll mill) 방법 등이 있는데, 그 중 3롤-밀을 이용하여 폴리아크릴레이트와 탄소 나노튜브를 분산시키는 것이 바람직하다. Methods of dispersing carbon nanotubes include ball mills, ultrasonic sonification, and 3-roll mills, among which polyacrylates are used by using 3-roll mills. And carbon nanotubes are preferably dispersed.
3롤-밀은 밀링(milling)과 혼합(mixing)의 효과를 동시에 얻을 수 있는 장비로서 고점도의 페이스트를 3개의 각기 다른 회전수로 회전하는 롤러 간의 간극을 통과시켜서 미세 간극을 이용하여 분산과 분쇄를 동시에 행할 수 있다. 각각의 롤러는 비효율적으로 회전수가 달리 운전되므로 투입된 페이스트를 전단력으로 균일하게 처리하는 역할을 하게 된다. 3롤-밀에서, 시료는 호퍼로 들어가서 원료 급송장치와 중앙 롤러로 말려들어가며, 한번 분산된 혼합물질이 중앙 롤러의 밑부분에 붙은 다음 두번째 통 사이로 보내지며, 이 사이에서 혼합물질이 원하는 세밀도로 분산되고, 스크레이퍼 시스템이 완성된 제품을 에이프럼 롤러로부터 제거한다. 3-roll-mill is a device that can achieve the effect of milling and mixing. Dispersion and grinding using fine gap by passing the high viscosity paste through the gap between rollers rotating at three different speeds Can be performed simultaneously. Each roller is inefficiently operated at different rotation speeds, and thus serves to uniformly process the injected paste by shearing force. In a three-roll mill, the sample enters the hopper and is rolled into the feeder and the central roller, where the once dispersed mixture is attached to the bottom of the central roller and then sent between the second barrels, where the mixture is at the desired granularity. The dispersed, scraper system removes the finished product from the April roller.
3롤-밀의 주요 장점은 입자의 크기가 줄어들고 롤러의 압착력과 롤러들의 속도 차이로 인한 전단 가공력으로 인해 응집물이 분산된다는 것이다. 또한, 탁월한 온도 조절, 오염 방지, 양 조절 용이, 예측 가능한 공정 관리, 원료 손실 감소, 세척의 용이성, 강한 절단력의 측면에서도 장점이 있으며, 3롤-밀에서 제품 전체가 롤러 틈새 사이로 밀려 들어감으로써 정밀하고 좁은 입자를 크기 조정하여 분산시킬 수 있다. 또한 200cPoise~1,000,000cPoise까지 다양한 점성을 가진 제품을 처리할 수 있다.The main advantage of the three-roll mill is that the size of the particles is reduced and the aggregates are dispersed due to the shearing force due to the compaction force of the roller and the speed difference of the rollers. It also has advantages in terms of excellent temperature control, contamination prevention, easy volume control, predictable process control, reduced raw material loss, ease of cleaning, and strong cutting forces. And narrow particles can be sized and dispersed. It can also handle products with various viscosities from 200cPoise to 1,000,000cPoise.
특히, 탄소나노튜브는 표면적이 매우 커서 수지 내에서 분산시키기가 매우 어려우나 3롤-밀을 사용하여 탄소 나노튜브의 손상 없이 높은 길이 대 직경의 비를 유지할 수 있다. In particular, carbon nanotubes have a very large surface area and are very difficult to disperse in a resin, but 3 roll-mill can be used to maintain a high length-to-diameter ratio without damaging the carbon nanotubes.
구체적으로, 본 발명에 따르면, 비커에서 예비-혼합한 폴리아크릴레이트/탄소 나노튜브를 갭 사이로 넣어주고, 롤과 롤 사이로 페이스트가 들어가면서 분산이 잘 되도록 이 작업을 상온에서 10회 정도 반복하는 것이 바람직하다.Specifically, according to the present invention, it is preferable to put the pre-mixed polyacrylate / carbon nanotubes in the beaker between the gaps, and repeat this operation about 10 times at room temperature so that the paste is easily dispersed between the rolls and the rolls. Do.
상기와 같이 분산된 폴리아크릴레이트와 탄소 나노튜브의 혼합물 페이스트는 진공 오븐을 사용하여 약 30℃에서 약 20분간 기포를 제거하여 주는데, 진공 오븐 이외에도 관련분야에 공지된 다양한 기포 제거 방법이 사용될 수 있다. The mixture paste of polyacrylate and carbon nanotubes dispersed as described above is used to remove bubbles at about 30 ° C. for about 20 minutes using a vacuum oven. In addition to the vacuum oven, various bubble removing methods known in the art may be used. .
상기 방법에 따라서 제조된 전극소재용 조성물은 태양 전지에 상대 전극을 형성하기 위하여 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 전극소재용 조성물은 태양 전지 전극 소재용 Ag나 Pt를 대체할 수 있는 조성물로써, 전극을 형성하기 위해서, 가장 좋은 효율을 나타내는 태양전지 전극용 패턴을 뜬 판에 FTO 또는 TiO2와 같은 전도성 물질을 뿌린 유리 위에 스크린 프린팅법을 이용하여 제조한 조성물을 올린 다음, 태양전지 전극 재료를 대체할 수 있는 전극 재료의 패턴을 뜨게 된다. 이로써, Ag 또는 Pt를 대체하여 본 발명의 전극소재용 조성물로 상대 전극을 형성한 태양 전지를 제조할 수 있다. The electrode material composition prepared according to the above method can be used to form a counter electrode in a solar cell. Electrode material composition according to the present invention is a composition that can replace Ag or Pt for solar cell electrode material, in order to form an electrode, FTO or TiO 2 and The composition prepared by screen printing is placed on the glass sprayed with the same conductive material, and then a pattern of electrode material is floated to replace the solar cell electrode material. Thereby, the solar cell in which the counter electrode was formed with the composition for electrode materials of this invention by replacing Ag or Pt can be manufactured.
본 발명에 따르면, 폴리아크릴레이트를 바인더로 이용하여 탄소나노튜브 전극소재를 제공함으로써, 연료감응 태양전지의 상대전극으로 사용되고 있는 Pt 또는 Ag 등에 비하여 저렴한 비용으로, 탄소나노튜브 전극의 낮은 시트 저항성 및 넓은 표면적의 장점을 살리면서, 낮은 강도에서 우수한 광전기 변환율을 나타내고, Pt 상대 전극 대비 동등 이상의 효율 및 장기 안정성을 나타내는 전극 소재를 제공할 수 있다. According to the present invention, by providing a carbon nanotube electrode material using a polyacrylate as a binder, the low sheet resistance of the carbon nanotube electrode and low cost compared to Pt or Ag used as a counter electrode of a fuel-sensitized solar cell Taking advantage of the large surface area, an electrode material which exhibits excellent photoelectric conversion at low intensity and exhibits efficiency or long-term stability equal to or higher than that of the Pt counter electrode can be provided.
도 1 및 도 2는 결정형 실리콘 태양전지에서 Ag 상대전극의 사용 예를 도식화한 것이고,
도 3은 다중벽 탄소나노튜브(MWNT)의 시뮬레이션 사진이고,
도 4는 본 발명에 따른 폴리아크릴레이트/탄소 나노튜브 복합체 시트의 제조방법을 개략적으로 나타낸 것이며,
도 5는 30wt%의 탄소나노튜브 용액을 사용하여 1 시트, 2 시트 및 4 시트로 제조된 복합체의 두께를 측정한 FE-SEM 측정 사진이고,
도 6 내지 도 8은 30wt%, 35wt%, 40wt%, 45wt% 및 50wt%의 탄소나노튜브 용액을 사용하여 각각 1 시트(도 6), 2 시트(도 7) 및 4 시트(도 8)의 복합체 시트를 제조한 후, 그 파단면을 FE-SEM으로 측정한 사진이며,
도 9는 복합체의 두께에 따른 표면 저항값의 변화를 도시한 것이고,
도 10은 탄소 나노튜브의 함량에 따른 복합체 시트의 열적 특성 변화를 TGA로 측정한 결과이고,
도 11 및 도 12는 탄소 나노튜브의 함량에 따른 복합체 시트의 열적 특성 변화를 DMA로 측정한 결과이다.1 and 2 illustrate an example of using an Ag counter electrode in a crystalline silicon solar cell.
3 is a simulation picture of multi-walled carbon nanotubes (MWNT),
Figure 4 schematically shows a method for producing a polyacrylate / carbon nanotube composite sheet according to the present invention,
5 is a FE-SEM measurement picture of measuring the thickness of the composite made of 1 sheet, 2 sheets and 4 sheets using a carbon nanotube solution of 30wt%,
6 to 8
9 shows the change of the surface resistance value according to the thickness of the composite,
10 is a result of measuring the change in thermal properties of the composite sheet according to the content of carbon nanotubes by TGA,
11 and 12 show the results of measuring the change in the thermal properties of the composite sheet according to the content of the carbon nanotubes by DMA.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 본 발명이 실시예로 제한되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to Examples.
실시예Example 1: One: 폴리아크릴레이트Polyacrylate /탄소나노튜브 복합체 시트의 제조Of carbon / carbon nanotube composite sheet
폴리아크릴레이트 100 g을 준비하여 비커에 넣고 대략 60~100g의 메틸에틸케톤을 사용하여 폴리아크릴레이트를 풀어주었다. 폴리아크릴레이트는 거명테크사의 폴리아크릴레이트 SEN-3100으로서, 분자량 873,200g/ml, 용액점도 13,500 cps였다. 메틸에틸케톤은 대정사의 메틸에틸케톤(2-부탄올)을 사용하였다. 다중벽 탄소나노튜브로서, (주)어플라이드카본나노에서 제조한 직경 5~20nm, 길이 ~10μm의 다중벽 탄소나노튜브를 구입하여 사용하였다. 100 g of polyacrylate was prepared and placed in a beaker to release polyacrylate using approximately 60-100 g of methyl ethyl ketone. Polyacrylate was a polyacrylate SEN-3100 of Geomyung Tech Co., Ltd., having a molecular weight of 873,200 g / ml and a solution viscosity of 13,500 cps. As methyl ethyl ketone, methyl ethyl ketone (2-butanol) was used in a large tablet. As multi-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes having a diameter of 5 to 20 nm and a length of 10 μm manufactured by Applied Carbon Nano Co., Ltd. were purchased and used.
10분 정도 풀어 준 뒤, 다중벽 탄소 나노튜브(MWNT)를 함량에 따라서 약 7~23g의 무게를 재서 풀어 준 폴리아크릴레이트에 넣은 다음 또 10분 정도 혼합하여, 30wt%, 35wt%, 40wt%, 45wt%, 50wt%의 MWNT 용액을 제조하였다.After 10 minutes of loosening, multi-walled carbon nanotubes (MWNT) are weighed and weighed about 7-23 g in polyacrylates, then mixed for another 10 minutes, 30wt%, 35wt%, 40wt% , 45 wt%, 50 wt% MWNT solution was prepared.
이어서, 3롤 밀(3 roll mill, 모델명 EXAKT 50(길이 320 X 폭 280 X 두께 320))을 이용하여 폴리아크릴레이트와 MWNT를 분산시켜 주었는데, 비커에서 예비-혼합한 폴리아크릴레이트/MWNT를 갭 사이로 넣어주고, 롤과 롤 사이로 페이스트가 들어가면서 분산이 잘 되도록 이 작업을 상온에서 10회 정도 반복하였다. Subsequently, the polyacrylate and MWNTs were dispersed using a 3 roll mill (model name EXAKT 50 (length 320 X width 280 X thickness 320)), and the pre-mixed polyacrylate / MWNT was gapped in the beaker. To this end, this operation was repeated about 10 times at room temperature so that the paste was easily dispersed between the rolls and the rolls.
진공 오븐을 사용하여 30℃에서 20분간 제조된 폴리아크릴레이트/MWNT의 기포를 제거해 주었다. Bubbles of polyacrylate / MWNT prepared at 30 ° C. for 20 minutes were removed using a vacuum oven.
이렇게 완성된 페이스트를 이형 필름에 200μm정도인 닥터 블레이드를 사용하여 일정한 두께로 페이스트를 필름 위에 캐스팅하였다. 이를 80℃ 건조 오븐에서 24시간 정도 건조시켰다. 온도 110℃, 지속 시간 1-5분 정도, 압력 1,500psi의 조건에서 핫 프레스를 이용하여 1 시트, 2 시트, 4 시트의 시료를 제조하였다.
The paste was thus cast on a film with a constant thickness using a doctor blade having a thickness of about 200 μm on a release film. It was dried for about 24 hours in an 80 ℃ drying oven. Samples of 1 sheet, 2 sheets, and 4 sheets were prepared using a hot press under conditions of a temperature of 110 ° C., a duration of about 1-5 minutes, and a pressure of 1,500 psi.
실시예Example
2: 열적, 전기적 특성의 측정 2: measurement of thermal and electrical properties
(1) FE-SEM 측정(1) FE-SEM measurement
FE-SEM은 전계 방출형 전자총에서 가속된 전자빔(Electron Beam)을 시료 표면에 주사시켜 시료와의 상호작용에 의해 발생된 신호 중 이차전지(Secondary Electron)와 후방산란전자(Back Scatterrd Electron), 엑스선(X-ray) 신호 등을 검출하여 시료 표면의 형태를 관찰하고 시료를 구성하고 있는 원소의 정성, 정량 분석과 결정구조를 측정하는 고분해능 주사전자현미경이다.FE-SEM scans the surface of the sample by the accelerated electron beam in the field emission electron gun, and the secondary electron, back scatter electron, and X-ray are generated by the interaction with the sample. It is a high resolution scanning electron microscope that detects (X-ray) signals, observes the shape of the sample surface, and measures qualitative, quantitative analysis and crystal structure of the elements constituting the sample.
구체적으로, 본 실험에서는 1.5nm의 분해능, x10~x300,000, schottky Field Emission 전자총을 사용한 장비 JSM-6500F을 사용하여 FE-SEM 측정을 수행하였으며, 그 결과를 도 5 내지 8에 나타내었다. Specifically, FE-SEM measurement was performed using the JSM-6500F with a resolution of 1.5 nm, x10 to x300,000, and a schottky field emission electron gun. The results are shown in FIGS. 5 to 8.
도 5는 x120 배율에서 제조한 시트의 두께별로 파단면을 측정하여 두께를 표시하였고, 도 6 내지 8은 x5,000 배율에서 측정한 이미지이다.Figure 5 shows the thickness by measuring the fracture surface for each thickness of the sheet produced at x120 magnification, Figures 6 to 8 is an image measured at x5,000 magnification.
측정 결과, 도 5에 나타낸 바와 같이, 30wt%의 탄소나노튜브 용액을 사용한 경우, 1 시트, 2 시트 및 4 시트로 제조된 복합체의 두께는 각각 95.3μm~121.9μm, 197.7μm~219.6μm 및 438.3μm~446.1μm로 나타났다. 전극 소재로 사용시 두께가 증가함에 따라서, 저항값이 낮아지지만, 태양 전지에 Ag 전극을 접목하였을 경우에 비추어 볼 때, 본 발명에서도 100μm 정도의 두께가 바람직하다.As a result of the measurement, as shown in FIG. 5, when the 30 wt% carbon nanotube solution was used, the thicknesses of the composites prepared from 1 sheet, 2 sheets and 4 sheets were 95.3 μm to 121.9 μm, 197.7 μm to 219.6 μm, and 438.3, respectively. It was found that the m ~ 446.1μm. As the thickness increases as the electrode material is used, the resistance value is lowered. However, in view of the case where the Ag electrode is combined with the solar cell, the thickness of about 100 μm is also preferable in the present invention.
또한, 파단면을 FE-SEM으로 측정한 결과, 탄소나노튜브의 함량이 증가할수록 탄소나노튜브가 고르게 분산되는 것을 확인할 수 있었다(도 6 내지 도 8).
In addition, as a result of measuring the fracture surface by FE-SEM, it was confirmed that the carbon nanotubes were evenly dispersed as the content of the carbon nanotubes increased (FIGS. 6 to 8).
(2) 표면 저항의 측정(2) measurement of surface resistance
건조된 페이스트 필름을 4-포인트 프로브로 표면 저항을 측정하였다.The dried paste film was measured for surface resistance with a 4-point probe.
4-포인트 프로브 측정법은 4개의 칩을 시료에 접촉시켜서 표면 저항값을 측정하는 것으로서, 양쪽 칩은 전류가 흐르고 중간 두 개의 칩은 전압이 흐르게 되며, 이 때 전류와 전압이 흐르면서 저항을 측정하게 되는 것이다. 면 저항은 단위는 ohm/sq로 표시되고, 여기서 sq는 □로도 표시되며, 미터법(cm2 등)이 아닌 별도의 단위로서, 무한대의 면적으로 해석된다. 선 저항은 두 개의 프로브로 임의의 거리에 대한 저항을 측정하지만, 면 저항의 경우에는 동일한 간격의 4개 탐침으로 측정하게 된다.The four-point probe measurement method measures the surface resistance by bringing four chips into contact with a sample. Both chips have current and the middle two chips have voltage. In this case, the resistance is measured as the current and voltage flow. will be. Surface resistance is expressed in ohms / sq, where sq is also represented by □, and is a separate unit rather than a metric (such as cm 2 ), interpreted as an infinite area. Wire resistance measures resistance over any distance with two probes, but in the case of surface resistance, four probes of equal spacing are measured.
이 때 쓰이는 프로브가 4 포인트 프로브이며, 탐침은 1mm 간격으로 일렬 구성된 프로브를 사용하며, 4개의 탐침으로 전류와 전압을 측정하여, 저항값을 구한 후, 면저항 단위인 ohm/sq로 계산하기 위해 보정계수(C.F)를 적용한다. 상기한 바를 토대로 측정된 폴리아크릴레이트/MWNT 시트의 표면저항 값을 도 9에 나타내었다. 시트 중 함량이 낮은 30wt%일 때 101Ω/sq 보다 낮은 표면 저항값을 나타내었고, 50wt%일 때 더 낮은 표면 저항값을 나타내었다. 따라서, 복합체 시트의 전기적 성질을 측정한 결과, 복합체의 두께가 두꺼울수록, 탄소나노튜브의 함량이 높을수록, 표면 저항이 감소하여 높은 전기전도성을 나타냄을 알 수 있었다(도 9).
The probe used is a 4 point probe, and the probe uses probes arranged in 1mm intervals.The current and voltage are measured by four probes.Then, the resistance value is obtained, and the probe is calibrated to calculate the surface resistance in ohm / sq. Apply the coefficient CF. Surface resistance values of the polyacrylate / MWNT sheet measured based on the above are shown in FIG. 9. When the content in the sheet was low 30wt%, the surface resistance value was lower than 10 1 dl / sq, and at 50wt%, the surface resistance value was lower. Therefore, as a result of measuring the electrical properties of the composite sheet, it was found that the thicker the composite, the higher the content of carbon nanotubes, the lower the surface resistance, indicating high electrical conductivity (FIG. 9).
(3) TGA 측정(3) TGA measurement
TGA는 시료에 온도 프로그램을 가하여 시료의 무게변화를 측정하는 기기로써 온도-무게 변화량의 곡선으로부터 시료의 열 변화 상태를 알고 정성 및 정량분석을 가능하게 한다. 또한 이 온도-무게 변화량의 곡선은 사용한 시료의 열적 안정성 및 물질의 구성비 등을 나타내고 가열 중에 생긴 중간체의 열적 성질도 나타내주며 가열이 끝났을 때 남은 찌꺼기의 양도 알 수 있다. The TGA is a device that measures the weight change of a sample by applying a temperature program to the sample. The TGA knows the heat state of the sample from the curve of temperature-weight change and enables qualitative and quantitative analysis. In addition, this temperature-weight change curve indicates the thermal stability of the sample used, the composition ratio of the materials, the thermal properties of the intermediates generated during heating, and the amount of residue left after heating.
본 실험에서는 장비명 TA-Q500(온도범위: ~1000도, 승온 속도: 분당 0.01도~ 100도)를 사용하여 TGA 측정을 수행하였다. In this experiment, TGA measurement was performed using the equipment name TA-Q500 (temperature range: ~ 1000 degrees, temperature rising rate: 0.01 degrees ~ 100 degrees per minute).
그 결과, 도 10에 나타낸 바와 같이, 탄소나노튜브의 함량이 증가할수록, 복합체의 Td(열분해온도)는 약 14~16℃ 정도 증가한 것으로 나타났다(도 10). 구체적으로, 도 10의 결과는 분당 10도로 하여 온도는 상온에서 600도까지 측정한 결과이며, 폴리아크릴레이트/MWNT 함량 30, 35, 40,45, 50wt%로 제조하였을 때 50wt%함량이 들어간 경우 95%일 때 열분해온도가 361.43도로 폴리아크릴레이트의 열분해 온도보다 13도 가량 높아진 것을 확인할 수 있어 폴리아크릴레이트 고분자 수지와 MWNT간의 계면 접착력이 높아진 것을 확인할 수 있었다.
As a result, as shown in Figure 10, as the content of carbon nanotubes increased, the Td (pyrolysis temperature) of the composite was found to increase about 14 ~ 16 ℃ (Fig. 10). Specifically, the results of FIG. 10 are 10 degrees per minute, and the temperature is measured at room temperature to 600 degrees. When the polyacrylate / MWNT content is prepared at 30, 35, 40, 45, and 50 wt%, 50 wt% is contained. When the pyrolysis temperature was 95%, it was confirmed that the pyrolysis temperature was about 13 degrees higher than that of the polyacrylate at 361.43 degrees, and thus the interfacial adhesion between the polyacrylate polymer resin and the MWNT was increased.
(4) DMA 측정(4) DMA measurement
DMA(dynamic mechanical analysis, 동적기계분석기)의 장비명은 TA-Q800으로서, 시료의 역학적 성질을 시간, 온도, 진동수의 함수로 측정한다. Q800 DMA기기는 성능, 유용성, 사용의 편리함 등이 있다. 극도로 민감한 광학 센서 기술이 변형률(strain)을 정밀하게 측정하며, 에어베어링 기술은 거의 마찰이 없는 움직임을 실현하고, -150~600도의 넓은 온도범위에서 작동하고, 모듈러스의 측정 범위는 ~ pa이고 진동수는 0.01~ 200 Hz의 범위를 가지고 3-포인트 벤딩, 인장, 압축, 전단의 다양한 변형 양식 등을 이용하여 측정할 수 있다. -70도~100도까지 온도를 측정하고 진동수는 1HZ 분당 2도로 측정해 본 결과(도 11 및 12), -20도 시에서 로스 모듈러스가 나타났고 결과적으로 봤을 때 50 wt%일때 저장 모듈러스가 가장 좋은 것을 알 수 있었고, 그로 인해 tanδ 값은 함량이 많을수록 떨어지는 것을 알 수 있었는데 그 이유는 니트한 폴리아크릴레이트가 많을수록 뎀핑 효과가 증가하기 때문으로 생각된다. 즉, 복합체 탄소나노튜브의 함량이 증가할수록, 저장 탄성율(E')은 증가하였으나(도 11), tanδ값에는 변화가 거의 없었다(도 12).The instrument name of the DMA (dynamic mechanical analysis) is TA-Q800, which measures the mechanical properties of the sample as a function of time, temperature and frequency. Q800 DMA devices offer performance, usability and ease of use. Extremely sensitive optical sensor technology precisely measures strain, air bearing technology realizes almost frictionless movement, operates over a wide temperature range of -150 to 600 degrees, and a measuring range of modulus is ~ pa The frequency ranges from 0.01 to 200 Hz and can be measured using three-point bending, tension, compression, and various variations of shear. Temperature measurements from -70 degrees to 100 degrees and frequency measurements at 2 degrees per minute (HZ) (Figs. 11 and 12) showed a loss modulus at -20 degrees, with storage modulus at 50 wt%. As a result, it was found that the tan δ value decreased as the content increased, which is thought to be due to the increase in the damping effect as the number of knitted polyacrylates increased. That is, as the content of the composite carbon nanotubes increased, the storage modulus (E ') increased (FIG. 11), but there was little change in the tanδ value (FIG. 12).
Claims (3)
(2) 상기 단계 (1)에서 얻어진 혼합물에 탄소나노튜브를 첨가하여 혼합하는 단계;
(3) 롤 밀(roll mill)을 이용하여 폴리아크릴레이트와 탄소나노튜브를 분산시키는 단계; 및
(4) 진공 오븐에서 상기 단계 (3)에서 제조된 폴리아크릴레이트/탄소나노튜브 복합체 페이스트로부터 기포를 제거하는 단계
를 포함하는 제 1 항에 따른 전극소재용 조성물의 제조방법.(1) mixing a polyacrylate with a solvent;
(2) adding and mixing carbon nanotubes to the mixture obtained in step (1);
(3) dispersing polyacrylate and carbon nanotubes using a roll mill; And
(4) removing bubbles from the polyacrylate / carbon nanotube composite paste prepared in step (3) in a vacuum oven
Method for producing a composition for electrode material according to claim 1 comprising a.
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