KR100924711B1 - 타이타니아 나노튜브를 이용한 고분자 전해질 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 타이타니아 나노튜브를 이용한 고분자 전해질 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 타이타니아 나노튜브(TiNT)와 전도성 고분자 물질을 가교시키고, 여기에 요오드계 용액을 첨가하여 제조된 고분자 전해질 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지에 관한 것이다.
타이타니아 나노튜브 고분자 전해질
Description
도 1은 본 발명에 따른 고분자 전해질을 포함하는 염료감응형 태양 전지를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 고분자 전해질 내에서의 전자의 이동을 도식화 한 것이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 필링상태를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 전류-전압 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 제 1 전극 20 : 제 2 전극
110, 210 : 기판 120, 220 :도전성 투명전극
130 : 다공질 전극 131 : 염료
230 : 촉매 박막 30 : 전해질
본 발명은 타이타니아 나노튜브를 이용한 고분자 전해질 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 타이타니아 나노튜브(TiNT)와 전도성 고분자 물질을 가교시키고, 여기에 요오드계 용액(LiI또는 I2, 이들의 혼합 용액)을 첨가하여 제조된 고분자 전해질 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지에 관한 것이다.
일반적으로, 염료감응형 태양전지는 염료의 태양광 에너지 흡수능력을 이용하여 태양에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지의 일종으로 유리기판 위에 음극, 염료, 전해질, 상대전극, 투명도전성 전극등을 구비하고 있다.
음극은 표면에 염료를 흡착시킨 TiO2,ZnO 등과 같은 넓은 밴드갭을 가진 n형 산화물 반도체로 구성되어 있고, 태양에너지가 입사되면 가전자대(Valence band)의 전자가 태양에너지를 흡수하여 홀을 남겨두고 상위 준위로 여기 된다.
이때 전자가 빠져나간 홀을 전해질 속의 이온이 전자를 제공함으로써 전자가 채워지고,염료에 전자를 제공한 이온은 상대전극으로부터 전자를 제공받는다. 이때 상대전극에 촉매작용이 우수한 백금과 같은 박막을 사용하여 전해 속 이온의 산화환원반응을 촉진시킨다.
그러나, 종래의 액체형 전해질을 사용하는 염료감응형 태양전지는 높은 에너지 변환효율(~11% at 1sun,AM1.5)과 낮은 생산가격(실리콘 태양전지의 1/5)을 보이면서 가능성 있는 신 재생 에너지의 대안으로 나타나고 있으나 용매의 휘발성이나 액체누수와 같은 약점을 보인다.
이에 따라 태양전지의 안정성을 높이기 위해서는 휘발성이 적으면서도 고효율인 고분자-겔 전해질의 개발이 진행 되어지고 있다.
그런데, 종래 개발되어지는 나노입자와 고분자를 이용한 고분자-겔 전해질의 경우 그 효율이 높지 않은 것이 종래의 기술현황이고 따라서 높은 안정성을 가진 고분자-겔 전해질의 효율향상연구가 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 높은 이온전도도와 전기적 특성이 우수하여 고효율을 얻을 수 있는 고분자 겔 전해질 및 이를 이용한 연료감응형 태양전지를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 고분자 전해질은 전도성 고분자 물질 용액에 요오드계 용액 및 타이타니아 나노튜브를 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 전도성 고분자 물질 용액은 폴리 에틸렌 글리콜(PEG) 또는 폴 리 에틸렌 옥사이드(PEO) 계열의 고분자 물질을 아세토니트릴(Acetonitrile), 에탄올(Ethanol), EC(Ethylene Carbonate), γ-butyrolactum, PC(Proplyene Carbonate) 와 DMC(Di Methyl Carbonate) 중 선택된 어느 하나 또는 2이상의 혼합물과 같은 용매에 녹여서 제조된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 요오드계 용액은 요오드화리튬(LiI) 또는 요오드(I2)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 요오드계 용액은 요오드화리튬(LiI), 요오드화나트륨(NaI), 요오드화칼륨(KI) 중 선택된 어느 하나와 요오드(I2)를 혼합하여 제조된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 타이타니아 나노튜브(TiNT)는 1 ~ 30% 농도로 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전도성 고분자 물질 용액, 요오드계 용액 및 타이타니아 나노튜브는 하루 이상 교반기에서 혼합하여 제조된 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지는 상기와 같이 제조된 고분자 전해질을 충전하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 구체적인 구성 및 작용에 대하여 도면 및 실시예를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 타이타니아 나노튜브를 이용한 고분자 전해질은 전도성 고분자 물질 용액에 요오드계 용액 및 타이타니아 나노튜브를 교반기에서 혼합하여 제 조된다. 바람직하게는, 하루 이상 교반기에서 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 전도성 고분자 물질 용액은 전도성 고분자 물질을 아세토니트릴(Acetonitrile), 에탄올(Ethanol), EC(Ethylene Carbonate), γ-butyrolactum, PC(Proplyene Carbonate) 와 DMC(Di Methyl Carbonate) 중 선택된 어느 하나 또는 2 이상의 혼합물과 같은 용매에 녹여서 용액상태로 만든다. 여기서, 상기 고분자 물질은 폴리 에틸렌 글리콜(Poly Ethylene Glycol, 이하' PEG) 또는 폴리 에틸렌 옥사이드(Poly Ethylene Oxide, 이하' PEO)가 될 수 있다.
그리고, 상기 요오드 계 용액은 요오드화리튬(LiI) 또는 요오드(I2)일 수 있다.
또한, 요오드화리튬(LiI), 요오드화나트륨(NaI) 및 요오드화칼륨(KI) 중 선택된 어느 하나와 요오드(I2)를 일정비율로 상기 전도성 고분자 물질 용액에 혼합하여 제조될 수 있다.
여기서, 요오드화리튬(LiI), 요오드화나트륨(NaI) 및 요오드화칼륨(KI) 중 선택된 어느 하나와 요오드(I2)를 혼합하는 경우 어떠한 비율에 의해서도 혼합할 수 있으나, 요오드화리튬(LiI), 요오드화나트륨(NaI) 및 요오드화칼륨(KI) 중 선택된 어느 하나가 요오드(I2)보다 높은 비율로 혼합하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 타이타니아 나노튜브는 다양한 농도로 상기 전도성 고분자 물질 용액과 혼합될 수 있으나 농도가 지나치게 높을 경우 다공질 막의 공극 침투가 어려워서 전기적 특성이 저하될 수 있으므로 1 ~ 30% 농도로 혼합하는 것이 바람직하 다.
도 1은 본 발명에 따른 고분자 전해질을 포함하는 염료감응형 태양 전지를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지는 상 하부 제 1 및 2전극(10, 20)과 상기 제 1 또는 제 2 전극의 일 측 전극 상에 염료(131)를 흡착시켜 형성된 다공질 전극(130)과 타측 전극 상에 충전된 고분자 전해질(30)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제 1전극(10)은 기판(110)과 상기 기판(110) 내측 표면에 형성된 전도성 투명전극(120)을 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 제 2전극(10)은 기판(210)과 상기 기판(210) 내측 표면에 형성된 전도성 투명전극(220)을 포함하거나, 상기 투명전극(220) 상에 촉매 박막전극(230)을 더 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 기판(110,210)은 polycarbonate(PC), polyimide(PI), polyethersulphone (PES), polyacrylate (PAR), polyethylenenaphthelate (PEN), polyethyleneterephehalate (PET), Tri Acetyl Cellulose(TAC)등의 유리 또는 플라스틱 재질로 제조될 수 있다. 또한, 상기 전도성 투명전극(120, 220)은 산화인듐(ITO), 불소함유 산화주석(FTO), SnO2, ZnO 등으로 제조될 수 있다.
그리고, 상기 다공질 전극(130)은 비 표면적이 높은 다공질 전극의 입자 표면에 염료(131)가 흡착된 음극 전극으로써, 상기 염료는 단분자층의 루테늄(Ru) 계 물질로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 다공질 전극(130)은 이산화티탄(TiO2)으로 구성될 수 있다.
상기 촉매 박막전극(230)은 주로 백금이 사용되나, 루테늄(Ru),팔라듐(Pb) 등 전도성 고분자이기만 하면 어떠한 물질로 제조될 수 있다.
상기 전해질(30)은 본 발명에 따라 제조된 고분자 전해질이 충전되어 형성된다.
도 2는 본 발명에 따른 고분자 전해질 내에서의 전자의 이동을 도식화 한 것이다.
도 2를 참조하면, 타이타니아 나노튜브(TiNT), 요오드계 용액(LiI와 I2 혼합 용액) 및 고분자 전도성 물질(PEG)의 합성으로 이루어진 전해질에서 필러(Filler)로 사용된 타이타니아 나노튜브는 요오드화 리튬(LiI)의 용해를 증가시킨다.
또한, 리튬(Li)이온은 타이타니아 나노튜브와 결합하여 같은 전하를 띠는 타이타늄 결합 구조에 결합하여 좋은 가교를 보이고 이는 곧 전자이동의 좋은 활로를 제공하게 된다.
한편, 본 발명에 따른 고분자 전해질의 효과를 분석하기 위해 10% PEG 용액에 LiI와 I2를 10 : 1의 비율과 타이타니아 나노튜브를 5%, 10%, 15%, 20% 비율로 혼합하여 고분자 전해질을 제조하였으며, 상기 제조된 전해질이 충전된 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 필링상태 를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 고분자 전해질은 액체형 전해질이 아님에도 불구하고 염료감응형 태양전지의 다공질 전극의 공극 사이를 충분히 필링하고 있음을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 전류-전압 그래프이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 전기적 특성을 알 수 있다. 전류적 특성은 타이타니아 나노튜브를 15%로 혼합하여 제조된 염료감응형 태양전지가 가장 우수함을 알 수 있으며, 전압적 특성은 타이타니아 나노튜브를 10%로 혼합하여 제조된 염료감응형 태양전지가 가장 우수함을 알 수 있다.
상기의 표 1은 도 4의 전기적 특성에 따른 비교 데이터이다.
상기 표 1을 참조하면, 전류적 특성(ISC)은 타이타니아 나노튜브 15% 농도로 혼합하여 제조된 염료감응형 태양전지가 10.02 mA/㎡로 가장 우수함을 알 수 있 다.
또한, 전압적 특성(VOC), FF(Filling Factor) 및 효율(η)은 타이타니아 나노튜브 10% 농도로 혼합하여 제조된 염료감응형 태양전지가 각각 0.725 V, 65.3%, 4.43%로 가장 우수함을 알 수 있다.
상기의 실시예는 10% PEG 용액과 요오드화리튬(LiI)과 요오드(I2)를 10:1 비율로 혼합한 경우에 대한 실험 결과이므로, 상기 전도성 고분자 물질 용액과 요오드계 용액의 성질이나 비율이 달라진다면 타이타니아 나노튜브 농도에 따른 전기적 특성은 달라질 수 있으므로 본 발명에 따른 권리범위가 상기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 고분자 전해질 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지는 다음과 같은 장점 및 효율을 갖는다.
첫째, 종래의 액체 전해질 염료감응형 태양전지에 비해 액체누수와 용매의 증발이라는 단점을 보완하여 높은 안정성을 갖음으로, 장시간 사용에도 효율이 유지된다.
둘째, 종래의 액체 전해질 염료 감응형 태양전지를 보완하고자 개발되어지고 있는 고분자 전해질 염료감응형 태양전지는 안정성은 높으나 효율이 액체 전해질형에 비해 매우 낮았으나 본 발명의 타이타니아 고분자 전해질은 5%에 가까운 고효율 을 갖는다.
셋째, 타이타니아 나노튜브와 고분자용액의 가교를 통한 Nanocomposite 물질은 본 연구에서 응용된 염료감응형 태양전지일 뿐만 아니라 다른 분야에서도 전기적 소자로 적용될 가능성을 가지고 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위는 상기 실시예에 한정되는 것이 아니며, 해당 기술분야의 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (7)
- 전도성 고분자 물질 용액에 요오드계 용액 및 1 ~ 30% 농도로 이루어진 타이타니아 나노튜브(TiNT)를 혼합하여 제조되되,상기 전도성 고분자 물질 용액은폴리 에틸렌 글리콜(PEG) 또는 폴리 에틸렌 옥사이드(PEO) 계열의 고분자 물질을 아세토니트릴(Acetonitrile), 에탄올(Ethanol), EC(Ethylene Carbonate), γ-butyrolactum, PC(Proplyene Carbonate) 와 DMC(Di Methyl Carbonate) 중 선택된 어느 하나 또는 2 이상의 혼합물과 같은 용매에 녹여서 제조된 것을 특징으로 하는 고분자 전해질.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,상기 요오드계 용액은요오드화리튬(LiI) 또는 요오드(I2)인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질.
- 제 1항에 있어서,상기 요오드계 용액은요오드화리튬(LiI), 요오드화나트륨(NaI), 요오드화칼륨(KI) 중 선택된 어느 하나와 요오드(I2)를 혼합하여 제조된 것을 특징으로 하는 고분자 전해질.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,상기 전도성 고분자 물질 용액, 요오드계 용액 및 타이타니아 나노튜브는 하루 이상 교반기에서 혼합하여 제조된 것을 특징으로 하는 고분자 전해질
- 제 1 및 2 전극 사이에 전해질를 포함하는 염료감응형 태양전지에 있어서,상기 전해질은제 1항, 제3항, 제 4항 및 제 6항 중 선택된 어느 하나의 항에 의해 제조된 고분자 전해질인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
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