KR101034618B1 - 자외선 경화형 우레탄아크릴레이트를 포함하는 염료감응태양전지용 겔형 고분자 전해질, 이를 포함하는 염료감응태양전지 및 염료감응 태양전지의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 염료감응 태양전지용 겔형 고분자 전해질, 이를 포함하는 염료감응 태양전지 및 염료감응 태양전지의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 자외선 경화형 우레탄아크릴레이트 단량체, 이의 올리고머, 이의 중합체 및 이의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 고분자 성분을 포함함으로써, 종래의 액체 전해액에서 발생하는 전해액의 휘발 또는 누출의 문제점을 최소화하고, 염료감응 태양전지에 적용시 외부의 환경변화에 대하여 장기적으로 안정하면서, 동시에 종래 액체 전해액에서와 유사한 전압 및 광전환 효율을 나타내는 염료감응 태양전지용 겔형 고분자 전해질, 이를 포함하는 염료감응 태양전지 및 염료감응 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.

자외선, 경화, 겔, 고분자, 전해질, 염료감응, 태양전지, 우레탄아크릴레이트

Description

자외선 경화형 우레탄아크릴레이트를 포함하는 염료감응 태양전지용 겔형 고분자 전해질, 이를 포함하는 염료감응 태양전지 및 염료감응 태양전지의 제조방법{GEL-TYPE POLYMER ELECTROLYTE COMPRISING UV CURABLE URETHANEACRYLATE FOR DYE-SENSITIZED SOLARCELL, DYE-SENSITIZED SOLARCELL COMPRISING THE ELECTROLYTE AND PREPARATION METHOD OF THE DYE-SENSITIZED SOLARCELL}

본 발명은 종래의 액체 전해액에서 발생하는 전해액의 휘발 또는 누출의 문제점을 최소화하고, 염료감응 태양전지에 적용시 외부의 환경변화에 대하여 장기적으로 안정하면서, 동시에 종래 액체 전해액에서와 유사한 전압 및 광전환 효율을 나타내는 염료감응 태양전지용 겔형 고분자 전해질, 이를 포함하는 염료감응 태양전지 및 염료감응 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.

1991년 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의해 개발된 염료감응 태양전지는 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료분자와 생성된 전자를 전달하는 나노결정성 산화티타늄입자로 이루어진 산화물 반도체 전극을 이용한 광전기화학적 태양전지로서, 색소증감형 태양전지 또는 습식 태양전지라고도 불린다. 이와 같은 태양전지는 실리콘형 태양전지와 비교하여 제 조공정이 간단하고 제조비용이 저렴하며 실용적으로 사용가능한 광전변환 효율을 갖는 특징이 있어, 이에 관하여 많은 연구가 진행되고 있다.

도 1은 일반적인 염료감응 태양전지의 단면도로서, 음극계 전극(100), 양극계 전극(200), 액체 전해액(300)으로 구분된다. 음극계 전극(100)은 투명기판(110)과 상기 투명기판 상부에 형성된 투명전도성 산화물층(예를들어, 불소가 도핑된 틴 옥사이드(FTO) 또는 인듐 틴 옥사이드(ITO), 120)을 포함하는 전도성 투명기재 상에 다공질의 염료가 흡착된 나노 산화물층(130)으로 이루어지는 구조를 갖는다. 양극계 전극(200)은 투명기판(210)과 상기 투명기판 상부에 형성된 투명전도성 산화물층(220)을 포함하는 전도성 투명기재 상에 액체 전해액 중의 전해질의 환원반응을 촉진시키는 역할을 하는 백금촉매로부터 형성된 백금층(230)으로 이루어지는 구조를 갖는다. 액체 전해액(300)은 일반적으로 전해질을 용해시킨 용액이 사용되고 있으며, 음극계 전극(100)과 양극계 전극(200) 사이에 공간을 형성하도록 넣어준 열가소성 고분자층(400) 내에 게재되어 양 전극과 전기화학적으로 접하고 있다. 이와같은 구조의 염료감응 태양전지는 광을 음극계 전극(100)으로부터 조사하여 음극계 전극(100)으로부터 전자를 외부회로를 통하고 양극계 전극(200)으로 다시 통하도록 하고 있다.

염료감응 태양전지에 있어서, 광전환 과정은 조사된 광에너지가 음극계 전극(100)의 염료에 흡수되고, 이때 염료가 활성화되어 정공과 전자를 발생하게 된다. 발생된 전자는 나노 산화물층(130)을 통해 다시 투명전도성 산화물층(120)으로 전달되고, 투명전도성 산화물층(120)에 연결된 회로를 통하여 양극계 전극(200) 과 연결된 회로로 이동하게 되며, 양극계 전극(200)을 통하여 다시 액체 전해액(300)으로 전달된다. 한편, 전자와 함께 발생된 정공은 액체 전해액(300)으로 통하게 되어 양극계 전극(200)을 통해 되돌아온 전자와 재결합하는 과정으로 이루어진다.

그러나, 이러한 염료감응 태양전지는 액체 전해액을 포함하고 있어, 전지모듈의 안정성 문제가 대두되고 있으며, 특히 액체 전해액은 밀봉이 어렵고 외부 온도의 상승으로 인한 전해액의 휘발 또는 누출의 문제가 있어, 장기간 사용하는 경우 전기화학적 안정성이 결여되는 등의 문제점이 발생한다.

이러한 문제점을 해결하고자, 최근에는 액체 전해액 대신 무기 고체 전해질, 고분자 고체 전해질 등이 개발되었으나 이러한 고체형 전해질을 사용하는 경우에는 전자 및 이온의 계면전달이 좋지 않아 액체 전해액과 비교하여 광전환 효율이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 이러한 비액체계 전해질의 문제점을 해결하고자 겔형 고분자 전해질이 개발되고 있으나, 현재까지 개발된 겔형 고분자 전해질은 종래의 액체 전해액이 갖는 휘발 또는 누출의 가능성에 대해서는 어느 정도 개선이 되었으나, 전해액 내의 산화-환원 유도체에서 발생하는 전자의 이동통로를 방해하여 광전기화학적인 특성에 대한 문제점을 완전하게 개선하지는 못하였다. 뿐만 아니라, 개발된 겔형 고분자 전해질은 주로 열경화 형태의 고분자 성분으로 이루어져 있어, 경화시간이 길이저기 때문에 공정의 상용화에 비효율적이었다.

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 종래의 액체 전해액에서 발생하는 전해액의 휘발 또는 누출의 문제점을 최소화하고, 염료감응 태양전지에 적용시 외부의 환경변화에 대하여 장기적으로 안정하면서, 동시에 종래 액체 전해액에서와 유사한 전압 및 광전환 효율을 나타내는 염료감응 태양전지용 겔형 고분자 전해질, 이를 포함하는 염료감응 태양전지 및 염료감응 태양전지의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명자들은 예의 연구를 거듭한 결과 자외선 경화형 우레탄아크릴레이트 단량체, 이의 올리고머, 이의 중합체 및 이의 공중합체 중 어느 하나 또는 둘 이상의 고분자 성분을 포함하는 겔형 고분자 전해질은 산화-환원 액체 전해액의 휘발 또는 누출 가능성을 최소화하여, 염료감응 태양전지에 적용시 외부의 환경변화에 대하여 장기적으로 안정하면서, 동시에 종래 액체 전해액에서와 유사한 전압 및 광전환 효율을 나타내는 것을 확인하고, 이를 통하여 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명은 자외선 경화형 우레탄아크릴레이트 단량체, 이의 올리고머, 이의 중합체 및 이의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 고분자 성분을 포함하여 이루어진 염료감응 태양전지용 겔형 고분자 전해질을 제공한다.

상기 염료감응 태양전지용 겔형 고분자 전해질은 자외선 경화형 우레탄아크릴레이트 단량체, 이의 올리고머, 이의 중합체 및 이의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 고분자 성분, 광중합개시제, 및 산화-환원 유도체와 유 기용매로 이루어진 액체 전해액을 포함하여 이루어질 수 있다.

본 발명은 염료감응 태양전지로서, (A) 투명기판; 상기 투명기판의 상부에 형성된 투명전도성 산화물층; 및 상기 투명전도성 산화물층의 상부에 형성되며, 염료가 흡착되어 있는 나노 산화물층을 포함하는 음극계 전극; (B) 투명기판; 상기 투명기판의 상부에 형성된 투명전도성 산화물층; 및 상기 투명전도성 산화물층의 상부에 형성된 백금층을 포함하는 양극계 전극; 및 (C) 상기 음극계 전극 및 양극계 전극 사이에 게재되며, 자외선 경화형 우레탄아크릴레이트 단량체, 이의 올리고머, 이의 중합체 및 이의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 고분자 성분을 포함하여 이루어진 겔형 고분자 전해질로부터 형성된 겔형 고분자 전해질 코팅층을 포함하여 이루어진 염료감응 태양전지를 제공한다.

또한 본 발명은 염료감응 태양전지의 제조방법으로서, 음극계 전극을 제조하는 제1단계; 양극계 전극을 제조하는 제2단계; 제조된 음극계 전극 또는 양극계 전극의 표면에 자외선 경화형 우레탄아크릴레이트 단량체, 이의 올리고머, 이의 중합체 및 이의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 고분자 성분을 포함하여 이루어진 염료감응 태양전지용 겔형 고분자 전해질을 도포하고, 자외선 경화하여 겔형 고분자 전해질 코팅층을 형성하는 제3단계; 및 제3단계에서 겔형 고분자 전해질 코팅층이 형성된 음극계 전극 또는 양극계 전극을 부착하는 제4단계를 포함하여 이루어진 염료감응 태양전지의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 자외선 경화형 우레탄아크릴레이트 단량체 또는 이로부터 중 합된 고분자 성분을 포함하여 이루어진 염료감응 태양전지용 겔형 고분자 전해질은 종래의 액체 전해액에서 발생하는 전해액의 휘발 또는 누출의 문제점을 최소화함으로써, 염료감응 태양전지에 적용시 외부의 온도 상승과 같은 환경변화에 대하여 장기적으로 안정하면서, 동시에 종래 액체 전해액에서와 유사한 전압 및 광전환 효율을 나타내는 광전기화학적 특성이 우수하다. 뿐만 아니라, 종래의 열경화형 고분자 성분을 이용한 겔형 고분자 전해질과 비교하여 경화시간을 크게 단축시킴으로써 상용화에 유리할 것으로 기대된다.

본 발명은 종래의 액체 전해액에서 발생하는 전해액의 휘발 또는 누출의 문제점을 최소화하고, 염료감응 태양전지에 적용시 외부의 환경변화에 대하여 장기적으로 안정하면서, 동시에 종래 액체 전해액에서와 유사한 전압 및 광전환 효율을 나타내는 염료감응 태양전지용 겔형 고분자 전해질, 이를 포함하는 염료감응 태양전지 및 염료감응 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명의 염료감응 태양전지용 겔형 고분자 전해질은 자외선 경화형 우레탄아크릴레이트 단량체, 이의 올리고머, 이의 중합체 및 이의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 고분자 성분을 포함하여 이루어진다.

보다 상세하게, 본 발명의 염료감응 태양전지용 겔형 고분자 전해질은 자외선 경화형 우레탄아크릴레이트 단량체, 이의 올리고머, 이의 중합체 및 이의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 고분자 성분, 광중합개시제, 및 산 화-환원 유도체와 유기용매로 이루어진 액체 전해액을 포함하여 이루어진다.

고분자 성분으로는 자외선 경화형인 우레탄아크릴레이트 단량체, 이의 올리고머, 이의 중합체 또는 이의 공중합체로부터 선택할 수 있으며, 보다 바람직하게는 우레탄아크릴레이트 올리고머를 사용하는 것이다. 우레탄아크릴레이트 계열의 고분자는 폴리에틸렌 옥사이드 계열의 고분자와 비교하여 탄력이 우수한 물성을 가지고 있어서 전극과의 접합특성이 우수한 정점이 있다. 또한, 본 발명에서는 열경화형이 아닌 자외선 경화형 고분자 성분을 사용함으로써 경화시간을 크게 단축시켜 공정상 상용화에 유리하다.

상기 고분자 성분은 본 발명의 겔형 고분자 전해질에 5 내지 40 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 그 함량이 5 중량% 미만인 경우에는 겔형 고분자 전해질을 코팅층으로 형성하기 어려우며, 40 중량%를 초과하는 경우에는 이온전도도가 낮아져 광전환 효율이 저하된다.

광중합개시제는 본 발명에 따른 겔형 고분자 전해질을 자외선 경화시키기 위한 것으로서, 에틸벤조인 에테르, 이소프로필벤조인 에테르, α-메틸벤조인 에틸에테르, 벤조인 페닐에테르, α-아실옥심 에스테르, α,α-디에톡시 아세토페논, 1,1-디클로로아세토페논, 2-하이드록시-2-메틸-1-페닐프로판-1-온, 1-하이드록시 사이클로헥실 페닐 케톤, 안트라퀴논, 2-안트라퀴논, 2-클로로안트라퀴논, 티옥산톤, 이소프로필 티옥산톤, 클로로티옥산톤, 벤조페논, ρ-클로로벤조페논, 벤질 벤조에이트, 벤조일 벤조에이트 및 미클러 케톤으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.

상기 광중합개시제는 본 발명의 겔형 고분자 전해질에 2 내지 10 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 그 함량이 2 중량% 미만인 경우에는 자외선 경화가 이루어지기 어려우며, 10 중량%를 초과하는 경우에는 겔형 고분자 전해질 내에 불순물의 함량이 증가하여 광전환 효율이 저하된다.

액체 전해액은 산화-환원 유도체와 유기용매로 이루어진 것으로서, 요오드 또는 브롬 등의 할로겐족 음이온 및 상대 금속 양이온으로 구성되어 있는 통상의 산화-환원계 전해액을 사용할 수 있다.

상기 산화-환원 유도체로는 오오드화 리튬, 요오드화 나트륨, 요오드화 칼륨, 브롬화 리튬, 브롬화 나트륨, 브롬화 칼륨, 4급 암모늄염, 이미다졸륨염 또는 피리디늄염 등을 사용할 수 있다.

상기 유기용매로는 아세토니트릴, 3-메톡시프로피오니트릴, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 테트라하이드로퓨란 또는 감마-부티로락톤 등을 사용할 수 있다.

상기 액체 전해액은 본 발명의 겔형 고분자 전해질에 55 내지 90 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 그 함량이 55 중량% 미만인 경우에는 이온전도도가 낮아져 광전환 효율이 크게 저하되며, 90 중량%를 초과하는 경우에는 겔형 고분자 전해질을 코팅층으로 형성하기 어렵다.

상기와 같은 성분을 포함하여 이루어진 겔형 고분자 전해질은 종래의 액체 전해액에서 발생하는 전해액의 휘발 또는 누출의 문제점을 최소화하고, 종래의 열경화형 고분자 성분을 포함하는 겔형 고분자 전해질과 비교하여 경화시간을 단축시 켜 공정의 상용화에 유리하다.

도 2에 본 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지의 단면도를 나타내었다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지는 (A) 음극계 전극(100), (B) 양극계 전극(200), 및 (C) 상기 음극계 전극 및 양극계 전극 사이에 게재된 겔형 고분자 전해질 코팅층(500)을 포함하여 이루어진다.

(A) 음극계 전극(100)은 투명기판(110); 상기 투명기판의 상부에 형성된 투명전도성 산화물층(120); 및 상기 투명전도성 산화물층의 상부에 형성되며, 염료가 흡착되어 있는 나노 산화물층을 포함한다.

상기 투명기판(110)은 폴리에테르술폰, 폴리아크릴레이트, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리아릴레이트, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 셀룰로오스 트리아세테이트 및 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 플라스틱재 또는 유리재일 수 있다.

상기 투명전도성 산화물층(120)은 불소가 도핑된 인듐 틴 옥사이드(FTO) 또는 인듐 틴 옥사이드(ITO)로부터 형성된 층이다.

상기 나노 산화물층(130)은 이산화티탄(TiO₂), 이산화주석(SnO₂) 및 산화아연(SnO)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속 산화물을 포함하는 조 성물로부터 형성되며, 염료가 흡착되어 있는 층이다. 나노 산화물층(130)은 두께가 5 내지 30 ㎛인 것이 바람직하다.

상기 염료는 루테늄(Ru) 착물 또는 유기염료가 담지된 용액을 이용하여 흡착시킬 수 있다. 염료로는 루테늄 복합체를 포함하여 가시광을 흡수할 수 있는 루테늄 착물과, 이외에도 가시광 내의 장파장 흡수를 개선하여 효율을 향상시키는 특성 및 전자 방출을 효율적으로 할 수 있는 염료라면 어떠한 것이든 사용할 수 있음은 물론이다. 구체적으로, 로다민B, 로즈벤갈, 에오신, 에리스로신 등의 크산틴계 염료; 퀴노시아닌, 크립토시아닌 등의 시아닌계 염료; 페노사프라닌, 카브리블루, 티오신, 메틸렌블루 등의 염기성 염료; 클로로필, 아연 포르피린, 마그네슘 포르피린 등의 포르피린계 화합물; 기타 아조계 염료; 프탈로시아닌 화합물; 안트라퀴논계 염료; 또는 다환 퀴논계 염료 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.

(B) 양극계 전극(200)은 투명기판(210); 상기 투명기판의 상부에 형성된 투명전도성 산화물층(220); 및 상기 투명전도성 산화물층의 상부에 형성된 백금층(230)을 포함한다.

상기 투명기판(210), 투명전도성 산화물층(220)은 상기 음극계 전극에서 언급된 바와 동일하며, 상기 백금층(230)은 전해질의 환원반응을 촉진시키는 역할을 하는 백금촉매로부터 형성된 층이다.

(C) 겔형 고분자 전해질 코팅층(500)은 상기 음극계 전극(100) 및 양극계 전극(200) 사이에 게재되며, 자외선 경화형 우레탄아크릴레이트 단량체, 이의 올리고머, 이의 중합체 및 이의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 고분 자 성분을 포함하여 이루어진 겔형 고분자 전해질로부터 형성된 층이다.

상기 겔형 고분자 전해질은 자외선 경화형 우레탄아크릴레이트 단량체, 이의 올리고머, 이의 중합체 및 이의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 고분자 성분, 광중합개시제, 및 산화-환원 유도체와 유기용매로 이루어진 액체 전해액을 포함하여 이루어진다.

상기한 바와 같이 음극계 전극(100), 양극계 전극(200), 및 겔형 고분자 전해질 코팅층(500)을 포함하는 염료감응 태양전지는, 음극계 전극(100)의 염료가 흡착된 나노 산화물층(130)과 양극계 전극(200)의 백금층(230)이 서로 대향하도록 배치되어 있으며, 상기 음극계 전극(100)과 양극계 전극(200) 사이에 겔형 고분자 전해질 코팅층(500)이 게재되어 있는 구조를 갖는다. 이와 같이, 본 발명의 염료감응 태양전지는 겔형 고분자 전해질 코팅층(500)을 포함함으로써 산화-환원계 액체 전해액의 휘발 또는 누출의 가능성을 최소화시키며, 상기 겔형 고분자 전해질 코팅층(500)이 일종의 전해액의 담지체로써 작용함으로써 종래의 액체 전해액만을 포함하는 태양전지와 비교하여 전지의 수명이 개선되며, 유사한 광전환 효율을 얻게된다.

본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법은 음극계 전극을 제조하는 제1단계; 양극계 전극을 제조하는 제2단계; 제조된 음극계 전극 또는 양극계 전극의 표면에 자외선 경화형 우레탄아크릴레이트 단량체, 이의 올리고머, 이의 중합체 및 이의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 고분자 성분을 포함하여 이루어진 염료감응 태양전지용 겔형 고분자 전해질을 도포하고, 자외선 경화하여 겔형 고분자 전해질 코팅층을 형성하는 제3단계; 및 제3단계에서 겔형 고분자 전해질 코팅층이 형성된 음극계 전극 또는 양극계 전극을 부착하는 제4단계를 포함하여 이루어진다.

이하, 본 발명의 염료감응 태양전지의 제조방법을 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이하의 설명에만 한정되는 것은 아니다.

음극계 전극을 제조하는 제1단계는, 투명기판을 준비하는 단계; 준비된 투명 기판의 상부에 투명전도성 산화물층을 형성하는 단계; 형성된 투명전도성 산화물층의 상부에 금속 산화물을 포함하는 조성물을 적용하여 나노 산화물층을 형성하는 단계; 및 형성된 나노 산화물층에 염료가 용해된 용액을 적용하여 염료를 흡착시키는 단계를 포함하여 이루어진다. 구체적으로, 먼저 투명기판을 준비한 후, 상기 투명기판의 상부에 투명전도성 산화물인 불소가 도핑된 인듐 틴 옥사이드 또는 인듐 틴 옥사이드를 접착제를 이용하여 접착시키거나 또는 스퍼터링 방법으로 도막을 코팅하여 투명전도성 산화물층을 형성할 수 있다. 다음으로, 나노 산화물층을 형성하기 위하여 이산화티탄(TiO₂), 이산화주석(SnO₂) 및 산화아연(SnO)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속 산화물을 포함하는 코팅 조성물을 제조한 후, 상기 형성된 투명전도성 금속층의 상부에 코팅 조성물을 닥터블레이드 방법으로 도포하고, 400 내지 500 ℃의 온도에서 10 내지 60분 동안 열처리하여 두께가 5 내지 30 ㎛인 나노 산화물층을 형성할 수 있다. 이때, 나노 산화물층을 형성하는 단계를 1회 이상 더 반복하여 원하는 두께의 나노 산화물층을 형성할 수 있다. 그 다음으로, 상기 형성된 나노 산화물층의 금속 산화물에 염료를 흡착시키기 위하여 염료를 용매에 용해시켜 농도가 0.01 내지 5 μM인 염료 용액을 제조한 후, 여기에 상기 나노 산화물층이 형성된 기판을 5 내지 72시간 동안 담지시킨 후 건조하여 염료를 흡착시킬 수 있다.

양극계 전극을 제조하는 제2단계는, 투명기판을 준비하는 단계; 준비된 투명 기판의 상부에 투명전도성 산화물층을 형성하는 단계; 및 형성된 투명전도성 산화물층의 상부에 백금층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다. 구체적으로, 먼저 투명기판을 준비한 후, 상기 투명기판의 상부에 투명전도성 산화물인 불소가 도핑된 인듐 틴 옥사이드 또는 인듐 틴 옥사이드를 접착제를 이용하여 접착시키거나 또는 스퍼터링 방법으로 도막을 코팅하여 투명전도성 산화물층을 형성할 수 있다. 다음으로, 상기 투명전도성 산화물층의 상부에 백금이 녹아있는 용액을 떨어뜨린 후, 400 내지 600 ℃에서 10 내지 60분 동안 열처리하여 백금층을 형성할 수 있다. 이때, 백금층은 스퍼터링 방법, 화학기상증착 방법, 증기증착 방법, 열산화 방법, 전기화학적 증착 방법 등을 사용하여 형성할 수도 있다.

겔형 고분자 전해질 코팅층을 형성하는 제3단계는, 제조된 음극계 전극 또는 양극계 전극의 표면에 자외선 경화형 우레탄아크릴레이트 단량체, 이의 올리고머, 이의 중합체 및 이의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 고분자 성분을 포함하여 이루어진 염료감응 태양전지용 겔형 고분자 전해질을 도포하고, 자외선 경화하여 겔형 고분자 전해질 코팅층을 형성하는 단계이다. 구체적으로, 산화-환원계 유도체와 유기용매로 이루어진 액체 전해액을 제조한 후, 여기에 자외선 경화형 고분자 성분과 광중합개시제를 첨가하여 겔형 고분자 전해질을 제조한다. 제조된 겔형 고분자 전해질을 제1단계에서 제조된 음극계 전극의 염료가 흡착된 나노 산화물층 또는 제2단계에서 제조된 양극계 전극의 백금층의 표면에 스크린프린팅 방법으로 도포하고, 5 내지 60초 동안 자외선을 조사하여 경화시킴으로써 겔형 고분자 전해질 코팅층을 형성할 수 있다.

음극계 전극과 양극계 전극을 부착하는 제4단계는, 제3단계에서 겔형 고분자 전해질 코팅층이 형성된 음극계 전극과 제2단계에서 제조된 양극계 전극을 부착하거나, 또는 제1단계에서 제조된 음극계 전극과 제3단계에서 겔형 고분자 전해질 코팅층이 형성된 양극계 전극을 부착하는 단계이다. 구체적으로, 음극계 전극과 양극계 전극의 전도성 표면이 안쪽으로 오도록 하여, 이들이 서로 대향되도록 부착한다. 음극계 전극과 양극계 전극 사이에 SURLYN(Du Pont사 제조)으로 이루어지는 20 내지 100 ㎛ 두께의 열가소성 고분자층을 형성한 후, 이를 120 내지 140 ℃의 온도에서 1 내지 2분 동안 유지하여 두 전극을 밀봉시킬 수 있다.

상기와 같은 방법으로 제조된 연료감응 태양전지는 겔형 고분자 전해질 코팅층을 포함하는데, 상기 겔형 고분자 전해질 코팅층은 산화-환원을 수행하는 전해액의 휘발을 최소화하며 액체 전해액을 고정하는 담지체 역할을 할 수 있다. 따라서, 외부의 온도증가와 같은 환경 변화에 대하여 장기간 안정적이고, 액체 전해액에서와 유사한 광전기화학적인 특성을 나타낼 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실 시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.

실시예 1

(1) 불소가 도핑된 틴 옥사이드 투명전도성 산화물층이 형성된 투명 유리 기판을 준비하였다. 상기 기판의 투명전도성 산화물층 상부에 이산화티탄을 포함하는 코팅용 조성물을 닥터블레이드법으로 도포하고, 500 ℃에서 30분 동안 열처리하여, 나노크기의 금속 산화물 간의 접촉 및 충진이 이루어지도록 하여 약 8 ㎛ 두께의 나노 산화물층을 형성시켰다. 이어서, 상기 나노 산화물층의 상부에 이산화티탄을 포함하는 코팅용 조성물을 동일한 방법으로 도포하고, 500 ℃의 온도에서 30분 동안 열처리하여 약 15 ㎛ 두께의 나노 산화물층을 형성시켰다. 0.2 mM의 루테늄 디티오시아네이트 2,2′-비피리딜-4,4′-디카르복실레이트 염료 용액을 제조하였다. 여기에 상기 나노 산화물층이 형성된 기판을 24시간 동안 담지한 후 건조시켜 나노크기의 금속 산화물에 염료를 흡착시켜 음극계 전극을 제조하였다.

(2) 불소가 도핑된 틴 옥사이드 투명전도성 산화물층이 형성된 투명 유리 기판을 준비하였다. 상기 기판의 투명전도성 산화물층 상부에 육염화백금산(H₂PtCl₆)이 녹아있는 2-프로판올 용액을 떨어뜨린 후, 450 ℃에서 30분 동안 열처리하여 백금층을 형성시켜 양극계 전극을 제조하였다.

(3) 0.1 M의 LiI, 0.05 M의 I₂, 0.3 M의 1,2-디메틸-3-프로필-이미다졸륨 아이오다이드(DMPII), 0.5 M의 2-(디메틸아미노)-피리딘, 0.5 M의 5-클로로-1-에틸-2-메틸이미다졸을 에틸렌카보네이트 3 ㎕와 감마-부티로락톤 7 ㎕의 혼합용액에 용해시켜 액체 전해액을 제조하였다. 여기에 알리파틱 우레탄아크릴레이트(Sartomer Company사 제조) 25 중량%와 광중합개시제인 IRG-184(MNP Compnay사 제조) 5 중량%를 첨가하여 총 함량이 100 중량%인 겔형 고분자 전해질을 제조하였다. 제조된 겔형 고분자 전해질을 양극계 전극의 백금층 상부에 도포하고, 스크린프린팅 방법으로 코팅한 후, 자외선 조사기를 이용하여 경화시킴으로써 겔형 고분자 전해질 코팅층을 형성시켰다.

(4) 제조된 음극계 전극의 나노 산화물층과 양극계 전극의 겔형 고분자 전해질 코팅층이 서로 대향하도록 한 후, SURLYN(Du Pont사 제조)으로 이루어지는 약 60 ㎛ 두께의 열가소성 고분자층을 형성한 후, 130 ℃의 오븐에 넣어 2분 동안 유지하여 두 전극을 부착하여 밀봉함으로써 염료감응 태양전지를 제조하였다.

실시예 2

상기 실시예 1에서 알리파틱 우레탄아크릴레이트 30 중량%를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.

비교예 1

상기 실시예 1에서 알리파틱 우레탄아크릴레이트 대신 폴리에틸렌글리콜 600 디아크릴레이트(Sartomer Company사 제조) 25 중량%를 사용한 것을 제외하고는 상 기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.

비교예 2

상기 실시예 1에서 알리파틱 우레탄아크릴레이트 대신 폴리에틸렌글리콜 600 디아크릴레이트(Sartomer Company사 제조) 30 중량%를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.

비교예 3

상기 실시예 1에서 겔형 전해질층을 형성하지 않고 액체 전해액만을 첨가한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.

시험예

상기 실시예 및 비교예에서 제조한 염료감응 태양전지의 광전환 효율을 평가하기 위하여 하기와 같은 방법으로 광전압 및 광전류를 측정하여 광전기적 특성을 관찰하고, 이를 통하여 얻어진 전류밀도(I_sc), 전압(V_oc), 및 충진계수(fillfactor, ff)를 이용하여 광전환 효율(η_e)를 하기 수학식 1로 계산하였다.

이때, 광원으로는 제논 램프(Xenon lamp, Oriel)를 사용하였으며, 상기 제논 램프의 태양조건(AM 1.5)은 표준 태양전지를 사용하여 보정하였다.

η_e = (V_oc × I_sc × ff) / (P_ine)

상기 수학식 1에서, (P_ine)는 100 ㎽/㎠(1 sun)을 나타낸다.

상기와 같이 측정된 값들을 하기 표 1에 나타내었다.

구분	전류밀도(㎃)	전압(V)	충진계수	광전환 효율(%)
실시예 1	10.656	0.755	0.597	4.81
실시예 2	11.756	0.735	0.568	4.91
비교예 1	10.28	0.755	0.568	4.55
비교예 2	9.24	0.735	0.568	3.98
비교예 3	10.88	0.73	0.644	5.12

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 2의 겔형 고분자 전해질로부터 형성된 코팅층을 포함하는 염료감응 태양전지는 종래 사용되었던 고분자 성분인 폴리에틸렌글리콘 디아크릴레이트를 포함하는 겔형 고분자 전해질로부터 형성된 코팅층을 포함하는 비교예 1 내지 2의 염료감응 태양전지와 비교하여 전류밀도가 높아지고, 광전환효율이 향상된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 비교예 3의 액체 전해액을 포함하는 염료감응 태양전지와 비교하여 동등하거나 우수한 전류밀도와 전압을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 비록, 액체 전해액과 비교하여 충진계수가 낮아져 광전환 효율은 다소 저하되었으나, 장기적인 안정성 측면을 고려하면, 액체 전해질과 비교하여 휘발성이 매우 낮아 효율저하를 완화시킬 것으로 기대된다.

도 1은 일반적인 염료감응 태양전지의 단면도이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지의 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 음극계 전극 110, 210 : 투명기판

120,220 : 투명전도성 산화물층 130 : 나노 산화물층

200 : 양극계 전극 230 : 백금층

300 : 액체 전해액 400 : 열가소성 고분자층

500 : 겔형 고분자 전해질 코팅층

Claims (17)

1. 자외선 경화형 우레탄아크릴레이트 단량체, 이의 올리고머, 이의 중합체 및 이의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 고분자 성분 25 내지 30 중량%를 포함하여 이루어진 염료감응 태양전지용 겔형 고분자 전해질.
2. 제1항에 있어서,

   자외선 경화형 우레탄아크릴레이트 단량체, 이의 올리고머, 이의 중합체 및 이의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 고분자 성분, 광중합개시제, 및 산화-환원 유도체와 유기용매로 이루어진 액체 전해액을 포함하여 이루어진 염료감응 태양전지용 겔형 고분자 전해질.
3. 삭제
4. 제2항에 있어서,

   상기 광중합개시제는 에틸벤조인 에테르, 이소프로필벤조인 에테르, α-메틸벤조인 에틸에테르, 벤조인 페닐에테르, α-아실옥심 에스테르, α,α-디에톡시 아 세토페논, 1,1-디클로로아세토페논, 2-하이드록시-2-메틸-1-페닐프로판-1-온, 1-하이드록시 사이클로헥실 페닐 케톤, 안트라퀴논, 2-안트라퀴논, 2-클로로안트라퀴논, 티옥산톤, 이소프로필 티옥산톤, 클로로티옥산톤, 벤조페논, ρ-클로로벤조페논, 벤질 벤조에이트, 벤조일 벤조에이트 및 미클러 케톤으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 염료감응 태양전지용 겔형 고분자 전해질.
5. 제2항에 있어서,

   상기 산화-환원 유도체는 오오드화 리튬, 요오드화 나트륨, 요오드화 칼륨, 브롬화 리튬, 브롬화 나트륨, 브롬화 칼륨, 4급 암모늄염, 이미다졸륨염 및 피리디늄염으로 이루어지는 군으로부터 선택되며,

   상기 유기용매는 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 테트라하이드로퓨란 및 감마-부티로락톤으로 이루어진 군으로부터 선택되는 염료감응 태양전지용 겔형 고분자 전해질.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제

Images