KR101054470B1 - 염료감응 태양전지용 전해질 및 이를 이용한 염료감응 태양전지 - Google Patents

염료감응 태양전지용 전해질 및 이를 이용한 염료감응 태양전지 Download PDF

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Abstract

2,2,6,6-테트라메틸-1-피페리딜옥시계 화합물, 도펀트, 이온성 첨가제 및 이미다졸계 화합물 및 용매를 포함하는 염료감응 태양전지용 전해질 및 이를 이용한 염료감응 태양전지가 제시된다.

Description

염료감응 태양전지용 전해질 및 이를 이용한 염료감응 태양전지 {Electrolyte for Dye sensitized solar cell and Dye sensitized solar cell using the same}
염료감응 태양전지용 전해질 및 이를 이용한 염료감응 태양전지가 제시된다.
염료감응 태양전지는 염료 분자가 흡착된 반도체 광음극, 산화/환원 이온쌍을 포함한 전해질 및 백금 촉매가 포함된 상대전극으로 구성된다.　
염료가 빛을 받아 여기 상태가 되어 전자를 반도체층으로 내준 후, 외부전선을 따라 상대전극으로 이동하고, 그 후 상대전극의 표면에 코팅된 촉매에 의하여 산화된 산화/환원쌍이　다시 환원된다. 이와 같이 환원된 산화/환원쌍은 산화된 염료를 환원시켜 다시 여기될 수 있는 상태로 만들어준다.　이 때 반도체층의 전도대(conduction band)와 산화/환원쌍의 전위 차가 개방전압(Voc)를 나타낸다.
염료감응 태양전지에서 전해질내의 산화/환원쌍은 전자전달을 위한 필수적인 물질로서, 요오드계 I-/I3 -　산화/환원쌍이 주로 사용된다.　
그러나　I-/I3 -는 이온전도도가 높지 않아　고체형 전해질을 만들 경우 이온전도도가 낮아 에너지 변환 효율이 매우 낮고, I-/I3 -가 승화되어 전해질의 특성을 잃을 가능성이 있고, 부식성이 있기 때문에 그리드(grid)로 사용되는 은이나 상대전극 소재로 많이 사용되는 백금의 내구성을 저하시킬 수 있다.
이와 아울러 이온전도도는 용액속에 녹아 있는 이온의 농도에 직접적으로 비례하기 때문에 이온전도도를 높이기 위해서는 많은 농도의 I-/I3 -를 용해시킬 필요가 있으나, 특히 고체형 고분자 전해질의 경우 높지 않은 I-/I3 -의 용해도 때문에 한계가 있다. 따라서 이러한 문제점을 극복하고 우수한 내구성과 높은 에너지 변환 효율을 보여줄 수 있는 새로운 산화/환원쌍을 개발하는 요구되고 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 기존의 부식성 및 광흡수성이 강한 요오드계 산화환원쌍을 함유하지 않은 염료감응 태양전지용 전해질 및 이를 이용한 염료 감응 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 2,2,6,6-테트라메틸-1-피페리딜옥시계 화합물, 도펀트, 이온성 첨가제 및 이미다졸계 화합물 및 용매를 포함하는 염료감응 태 양전지용 전해질이 제공된다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 서로 대향된 제1전극 및 제2전극; 상기 제1전극 및 제2전극 사이에 개재되며, 염료가 흡착되어 있는 다공질막; 및 상기 제1전극과 제2전극 사이에 개재된 상술한 전해질을 포함하는 염료 감응 태양전지를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지용 전해질은 부식성이 없고 광흡수가 감소되고 산화-환원 반응이 신속하게 이루어진다. 따라서 이러한 전해질을 이용하면 수명 및 효율이 개선된 염료감응 태양전지를 얻을 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지용 전해질은, 유기 라디칼 화합물인 2,2,6,6-테트라메틸-1-피페리딜옥시계 화합물, 도펀트, 이온성 첨가제, 이미다졸계 화합물 및 용매를 포함하여 이루어지며, 유리 라디칼 화합물인 2,2,6,6-테트라메틸-1-피페리딜옥시계 화합물과 도펀트를 이용하여 산화/환원쌍을 형성한다. 이러한 산화/환원쌍은 기존의 부식성 및 광흡수성이 강한 I-/I3- 를 대체할 수 있다.
상기 2,2,6,6-테트라메틸-1-피페리딜옥시계 화합물의 예로서, 2,2,6,6-테트라메틸-1-피페리딜옥시(TEMPO), 4-하이드록시-4-아미노-2,2,6,6-테트라메틸-1-피페리딜옥시 및 그 알킬레이티드 유도체로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 유기 라디칼 화합물로서, TEMPO를 일예로 들어 이 화합물의 산화/환원 작용은 하기 반응식 1에 나타난 바와 같다.
[반응식 1]
Figure 112009011756508-pat00001
상기 반응식 1에 나타나 있듯이, 니트로옥사이드 중심은 가역적인 리독스 거동(redox behaviour)을 구현하고, 니트로옥사이드 라디칼이 산화하여 n형 아미노옥시 음이온을 형성하고, 상기 니트로옥사이드 라디칼이 환원하여 대응하는 p형의 옥소암모늄 이온을 형성한다. 이러한 TEMPO에 도펀트를 부가하면 산화-환원에 의하여 전하를 대향 전극으로부터 염료로 이동시키는 기능을 한다.
상기 유기 라디칼 화합물은 종래의 이온성 요오드계 전해질에 비하여 전자 전달 특성이 빠르다. 따라서 이러한 유기 라디칼 화합물을 포함한 전해질을 이용하면 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있고, 요오드계 산화환원쌍을 사용한 경우와 비교하여 비부식성 및 낮은 광흡수성을 나타낸다.
상기 도펀트는 유리 라디칼 화합물을 도핑시킬 수 있는 화합물로서, HOMO 에 너지 준위가 0.94eV 이상인 할로겐 원자를 포함하는 페닐기를 함유하는 화합물을 사용한다.
도펀트의 구체적인 예로서, NOBF4(nitrosonyl fluoroborate), DDQ(2,3-dichloro-5,6-dicyanobenzo-1,4-quinone), 및 TCNQF4(2,3,5,6-tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이 있다.
상기 도펀트의 함량은 2,2,6,6-테트라메틸-1-피페리딜옥시계 화합물 100 중량부를 기준으로 하여 2 내지 20 중량부인 것이 바람직하다. 만약 도펀트의 함량이 2 중량부 미만이면 산화-환원 작용이 충분하지 않고, 20 중량부를 초과하면 가역적인 산화-환원 작용을 방해하여 바람직하지 못하다.
본 발명의 일실시예에 따른 전해질을 구성하는 이온성 첨가제는 다양한 상대 이온을 함유하는 이미드계 화합물을 사용할 수 있다. 이의 구체적인 예로서, 리튬 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드(LiTFSI), 포타슘 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드(KTFSI) 및 소듐 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드(NaTFSI)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 들 수 있다.
Figure 112009011756508-pat00002
상기 이온성 첨가제로는, 리튬 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드와 포타슘 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드의 혼합물을 사용한다. 여기에서, 상기 리튬 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드와 포타슘 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드의 혼합 몰비는 8:2 내지 2:8인 것이 바람직하고, 특히 4:6인 것이 보다 바람직하다.
상기 이온성 첨가제의 함량은 2,2,6,6-테트라메틸-1-피페리딜옥시계 화합물 100 중량부를 기준으로 하여 50 내지 170 중량부인 것이 바람직하다. 만약 이온성 첨가제의 함량이 170 중량부를 초과하면 점도 증가 및 이온간섭 현상으로 전해질의 전도성이 감소하고, 50 중량부 미만이면 이온 부족으로 전해질의 전도성이 감소하여 바람직하지 못하다.
본 발명의 일실시예에 따른 이미다졸계 화합물로는 벤즈이미다졸(BI), 1-메틸벤즈이미다졸(1MBI), 2-메틸벤즈이미다졸(2MBI), 5-메틸벤즈이미다졸(5MBI), N-부틸벤즈이미다졸(NBB)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용한다.
상기 이미다졸계 화합물의 함량은 2,2,6,6-테트라메틸-1-피페리딜옥시계 화합물 100 중량부를 기준으로 하여 5 내지 45 중량부인 것이 바람직하다. 만약 이미다졸계 화합물의 함량이 45 중량부를 초과하면 점도 증가 및 이온간섭 현상으로 전해질의 전도성이 감소하고, 5 중량부 미만이면 가역적인 산화-환원 작용을 방해하여 바람직하지 못하다.
상기 용매는 아세토니트릴, 발레로니트릴(valeronitrile), 3-메톡시 프로피오니트릴, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 에탄올, 벤조니트 릴(bebzonitrile), 산화중수소(deuterium oxide) 및 테트라하이드로퓨란으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용하며, 바람직하게는 3-메톡시프로피오니트릴을 사용한다.
상기 용매의 함량은 2,2,6,6-테트라메틸-1-피페리딜옥시계 화합물 100 중량부를 기준으로 하여 150 내지 600 중량부인 것이 바람직하다. 만약 용매의 함량이 600 중량부를 초과하면 점도 증가 및 이온간섭 현상으로 전해질의 전도성이 감소하고, 150 중량부 미만이면 충분한 전도도를 얻지 못해 태양전지의 관전변환 효율이 감소하여 바람직하지 못하다.
본 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지는 상술한 전해질을 포함할 수 있다. 그 결과 염료감응 태양전지는 종래의 이온성 요오드계 전해질을 채용한 경우와 비교하여 빠른 전자전달 특성을 가지므로 전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있고 이와 더불어 비부식성 및 낮은 광흡수 특성을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 염료감응 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시 형태에 따른 태양 전지는 제1 전극(11), 다공성막(13) 및 염료(15)가 형성되는 제1 기판(10)과 제2 전극(21)이 형성되는 제2 기판(20)이 서로 대향 배치되고, 제1 전극(11)과 제2 전극(21) 사이에 전해질(30)이 위치하여 구성된다. 제1 기판(10)과 제2 기판(20)의 외측으로 별도의 케이스(도시하지 않음)가 배치될 수 있다. 이에 대하여 좀더 상세하게 설명한다.
본 실시 형태에서 제1 전극(11)을 지지하는 지지체 역할을 하는 제1 기 판(10)은 외부광의 입사가 가능하도록 투명하게 형성된다. 이에 제1 기판(10)은 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 플라스틱의 구체적인 예로는 폴리 에틸렌 테레프탈레이트(poly ethylene terephthalate, PET), 폴리 에틸렌 나프탈레이트(poly ethylene naphthalate, PEN), 폴리 카보네이트(poly carbonate, PC), 폴리 프로필렌(poly propylene, PP), 폴리 이미드(poly imide, PI), 트리 아세틸 셀룰로오스(tri acetyl cellulose, TAC) 등을 들 수 있다.
제1 기판(10)에 형성되는 제1 전극(11)은 인듐 주석 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물, 아연 산화물, 황 산화물, 불소 산화물 및 이들 혼합물중에서 선택된 하나 이상, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3 등의 투명 물질로 이루어질 수 있다. 제1 전극(11)은 상기 투명 물질의 단일막 또는 적층막으로 이루어질 수 있다.
제1 전극(11) 위에는 다공성막(13)이 형성된다. 이러한 다공성막(13)은 자기 조립 방법에 의해 형성된 매우 미세하고 균일한 평균 입경을 가지는 금속 산화물 입자들(131)을 포함한다. 그리고, 다공성막(13)은 기공 크기 또한 매우 미세하고 균일하여 나노 다공성(nanoporous) 특성을 가질 수 있다. 그리고, 다공성막(13)의 평균 기공 입경은 7.5nm 내지 15nm의 범위에 속할 수 있고, 다공성막(13)이 적절한 평균 기공 크기를 가짐에 따라, 전해질(30)의 이동을 용이하게 하면서 금속 산화물 입자들(131)의 네킹 특성을 향상시킬 수 있다.
본 실시 형태에서, 다공성막(13)은 10nm 내지 3000nm의 두께, 특히 10nm 내지 1000nm인 것이 더 바람직하다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며 상기 두께는 기술 발전 등에 의해 변화될 수 있음은 물론이다.
상기 금속 산화물 입자들(131)은 티타늄 산화물(titanium oxide), 징크 산화물, 틴 산화물, 스트론튬 산화물(strontium oxide), 인듐 산화물(indium oxide), 이리듐 산화물(iridium oxide), 란탄 산화물(lanthan oxide), 바나듐 산화물(vanadium oxide), 몰리브덴 산화물(molybdenum oxide), 텅스텐 산화물(tungsten oxide), 니오브 산화물(niobium oxide), 마그네슘 산화물(magnesium oxide), 알루미늄 산화물(aluminium oxide), 이트륨 산화물(yttrium oxide), 스칸듐 산화물(scandium oxide), 사마륨 산화물(samarium oxide), 갈륨 산화물(galluim oxide), 스트론튬 티타늄 산화물(strontium titanium oxide)등으로 이루어질 수 있다. 여기서, 금속 산화물 입자들(131)은 티타늄 산화물인 TiO2, 주석 산화물인 SnO2, 텅스텐 산화물인 WO3, 징크 산화물 ZnO, 또는 이들의 복합체 등으로 이루어지는 것이 바람직하다.
이러한 다공성막(13)의 표면에는 외부광을 흡수하여 여기 전자를 생성하는 염료(15)가 흡착된다.
도 10은 여러가지 염료의 HOMO 레벨과 본 발명의 일실시예에 따른 전해질의 리독스 포텐셜을 나타내는 다이어그램이다. 본 발명의 일실시예에 따른 전해질은 5mM의 2,2,6,6-테트라메틸-1-피페리딜옥시(TEMPO), 아세토니트릴 및 0.1M의 테트라뷰틸암모니움테트라플로로보레이트(TBABF4)의 혼합물을 사용한다.
도 10을 참조하면, TEMPO의 리독스 포텐셜이 기존의 요오드 산화환원쌍에 비 해 양(positive)의 값을 가지므로 기존의 상용화된 루테늄계 염료 (예, N719 혹은 N3)를 사용할 수 없다. 그 이유는 전해질의 리독스 포텐셜이 염료의 HOMO 보다 양의 값을 가져야 전자가 이동하기 때문이다. 따라서 적절한 HOMO 레벨을 갖는 l유기염료를 선택해서 사용해야 한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 다양한 HOMO level을 갖는 광감응 염료를 사용하여 실험한 결과 유기 라디칼 전해질에 사용이 적합한 염료는 최소 0.94V 이상의 HOMO 값을 가져야한다. 특히, 0.94V 이상의 HOMO level을 충족시키는 dimethylfluorenyl moiety를 가진 conjugated 유기염료 (예, JK-2) 의 사용이 바람직 하다.
상술한 바와 같이 상기 염료(15)로는 HOMO 에너지 준위가 0.94eV 이상인 디메틸플루오레닐 모이어티를 갖는 공액 유기 염료를 사용하며, 구체적인 예로서
하기 구조식으로 표시되는 화합물이 있다
Figure 112009011756508-pat00003
Figure 112009011756508-pat00004
이러한 화합물은 몰 흡광계수가 우수하고, 가시광선 영역에서의 광전효율이 개선되며, 제조단가가 저렴하여 고가의 무기 염료인 루테늄 염료를 대체할 수 있는 유기 염료이다.
한편, 제1 기판(10)에 대향 배치되는 제2 기판(20)은 제2 전극(21)을 지지하는 지지체 역할을 하는 것으로, 투명하게 형성될 수 있다. 상기 제2 기판(20)은 제1 기판(10)과 같이 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다.
제2 기판(20)에 형성되는 제2 전극(21)은 제1 전극(11)과 대향 배치되도록 형성되며, 투명 전극(21a)과 촉매 전극(21b)을 포함할 수 있다.
투명 전극(21a)은 인듐 틴 산화물, 프루오르 틴 산화물, 안티몬 주석 산화물, 아연 산화물, 틴 산화물, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3 등의 투명 물질로 이루어질 수 있다. 이 때 투명 전극(21a)은 상기 투명 물질의 단일막 또는 적층막으로 이루어질 수 있다. 촉매 전극(21b)은 산화-환원 쌍(redox couple)을 활성화시키는 역할을 하는 것으로, 백금, 루테늄, 팔라듐. 이리듐, 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 탄소(C), WO3, TiO2 등으로 이루질 수 있다.
상기 제1 기판(10)과 제2 기판(20)은 접착제(41)에 의해 접합되고, 제2 기판(20)과 제2 전극(21)을 관통하는 홀(25a)을 통해 전해질(30)이 주입되어 제1 전극(11)과 제2 전극(21) 사이에 본 발명의 일실시예에 따른 전해질(30)이 함침된다. 이러한 전해질(30)은 다공성막(13)의 내부로 균일하게 분산된다. 전해질(30)은 산화 환원에 의해 제2 전극(21)으로부터 전자를 받아 염료(15)에 전달하는 역할을 수행한다. 제2 기판(20) 및 제2 전극(21)을 관통하는 홀(25a)은 접착제(42) 및 커버 글라스(43)에 의해 밀봉된다.
이하, 본 발명을 하기 실시예를 들어 보다 상세하게 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.
제조예 1: 전해질의 제조
TEMPO 1M, 도펀트인 NOBF4 0.1M에 LiTFSI과 벤즈이미다졸을 각각 0.1M과 1.2M로 첨가하여 전해질을 제조하였다. 이 때 용매로는 3-메톡시프로피오니트릴을 사용하였다.
제조예 2-3: 전해질의 제조
LiTFSI 대신 KTFSI및 NaTFSI 를 각각 사용한 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 전해질을 제조하였다.
상기 NaTFSI및 KTFSI는 각각 (CF3SO2)2NH를 Na2CO3 또는 K2CO3 와 반응시켜 합성하였다. 아세토니트릴에 Na2CO3 또는 K2CO3 를 0.89 M 농도로 부가하여 15분간 진공을 걸어 준 후 30분 동안 질소 가스를 채워준다.
이후 아세토니트릴에 용해한 (CF3SO2)2NH 를 주사기를 통하여 주입하여 12시간 동안 질소조건에서 몰비 (CF3SO2)2NH:Na2CO3/ K2CO3 = 2 : 1로 반응시켰다. 이후 여과를 통하여 과량의 Na2CO3 또는 K2CO3 를 제거한 후 72시간 이상 진공오븐에서 건조시켰다. 유도결합 플라즈마 발광 분광계(Inductively Coupled Plasma (ICP) emission spectrometer) 를 이용해서 NaTFSI및 KTFSI의 순도를 계산하였다.
제조예 4: 전해질의 제조
LiTFSI 대신 LiTFSI와 KTFSI의 혼합몰비가 각각 10:0, 8:2, 6:4, 4:6, 2:8인 혼합물을 사용한 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 전해질을 제조하였다.
제조예 5: 전해질의 제조
벤즈이미다졸(BI) 대신 1-메톡시벤즈이미다졸(1MBI), 2-메틸벤즈이미다 졸(2MBI), 5-메틸벤즈이미다졸(5MBI), N-부틸벤즈이미다졸(NBB)을 각각 사용한 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일한 방법에 따라 실시하였다.
제조예 6: 전해질의 제조
벤즈이미다졸(BI) 대신 2-메틸벤즈이미다졸(2MBI) 또는 5-메틸벤즈이미다졸을 사용하고, 상기 5-메틸벤즈이미다졸의 농도를 0.1M, 0.3M. 0.5M, 0.7M, 0.9M 또는1.2M로 변화시킨 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일한 방법에 따라 실시하였다.
참조제조예 1: 전해질의 제조
1-메틸-프로필 이미다졸리움 아이오다이드 (MPII) 1M 및 I2 0.1M 에 LiTFSI과 벤즈이미다졸을 각각 0.5M과 1.2M로 첨가하여 전해질을 제조하였다. 이 때 용매로는 3-메톡시프로피오니트릴을 사용하였다.
실시예 1: 염료감응 태양전지의 제조
제1전극의 ITO로 이루어진 전도성 필름 상에 입경 약 10nm 정도 입경을 갖는 티타늄산화물 입자의 분산액을 닥터 블레이드법을 이용하여 1㎠ 면적에 도포하고, 이를 450℃에서 30분동안 열처리 소성공정을 하여, 10 ㎛ 두께의 다공질막을 제작하였다.
이어서, 상기 결과물을 80℃에서 유지하고 이를 염료인 JK-2을 에탄올에 용해한 0.3 mM 염료 분산액에 침지하여 염료 흡착 처리를 12시간 이상 수행하였다.
Figure 112009011756508-pat00005
그 후 염료 흡착된 다공질막을 에탄올을 이용하여 씻어내고 상온 건조하여 광흡스수층이 형성된 제1전극을 제조하였다.
이와 별도로 제2전극은, ITO로 이루어진 제1전도성 필름 위에 스퍼터를 이용하여 Pt로 이루어진 제2전도성 필름을 증착하였고, 전해액 주입을 위해 0.75 mm 직경의 드릴을 이용하여 미세 구멍을 만들었다.
60㎛ 두께의 열가소성 고분자 필름 (Surlyn, DuPont, USA) 으로 이루어진 지지대를 다공질막이 형성된 제1전극과 제2전극 사이에 두고 100℃에서 9초 압착시킴으로서 두 전극을 접합시켰다. 그리고, 제2전극에 형성된 미세구멍을 통하여 제조예 1의 전해질을 주입하고 커버 글라스와 열가소성 고분자 필름을 이용하여 미세 구멍을 밀봉하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.
실시예 2-6: 염료감응 태양전지의 제조
제조예 1의 전해질 대신 제조예 2-6의 전해질을 각각 사용한 것을 제외하고는, 염료감응 태양전지를 제조하였다.
실시예 7: 염료감응 태양전지의 제조
염료로서JK-2 대신 JK-16, JK-17, JK-41. JK-42, JK-43, JK-51 또는 JK-52를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.
참조예 1: 염료감응 태양전지의 제조
제조예 1의 전해질 대신 참조제조예 1의 전해질을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.
상기 실시예 1-3 및 참조예 1에 따라 제조된 염료감응 태양전지에서, 1 sun(태양광원 1개에 대응되는 광원의 세기임), AM 1.5(태양광과 파장을 맞추어주는 필터임)의 빛을 조사한 조건과 빛을 조사하지 않은 dark조건에서 전류-전압 특성을 측정하였고, 그 결과는 도 2 및 도 3에 나타내었다.
상기 실시예 1-3 및 참조예1에 다른 염료 감응 태양전지에 대하여 광전류전압을 측정하고 측정된 광전류 곡선으로부터 개방전압, 전류밀도 및 충진계수를 계산하고 이로부터 태양전지의 효율을 평가하여 하기 표1에 나타내었다. 여기에서 광원으로는 제논 램프를 사용하였고, 상기 제논 램프의 태양조건은 표준 태양전지(Frunhofer Institute Solare Engeriessysysteme, Certificate No. C-ISE369, Type ofmaterial: Mono-Si+KG 필터)를 사용하여 보정하였고, 전력밀도100mW/cm2에서 측정하였다.
[표 1]
구분 전류밀도(Jsc)
(mAcm-2)		 개방전압(Voc)
(V)		 충진계수(FF) 효율 η(%)
실시예1 7.28 0.739 0.37 1.98
실시예 2 5.50 0.875 0.55 3.12
실시예 3 6.27 0.801 0.56 3.31
참조예 1 12.02 0.674 0.56 4.50
상기 도 2, 도 3 및 상기 표 1을 참조하여, 각 TFSI 첨가제 종류별 소자의 개방전압(Voc)은 KTFSI > NaTFSI > LiTFSI의 순서로 나타났으며 dark 상태에서의 재결합(recombination) 반응에 의한 전류의 크기 순서는 LiTFSI > NaTFSI > KTFSI로 동일한 경향을 보였다. 이는 양이온의 크기 및 TiO2 표면흡착특성의 차이에 의한 것으로 사료되며 즉 TiO2 표면에 흡착이 많이 되는 Li 의 경우 TiO2 주변의 전해질 농도를 증가시킴으로써 TiO2로 주입된 전자가 전해질과 반응하는 전자재결합 반응을 촉진하기 때문이다. 그리고 TiO2 표면에 흡착된 이온농도를 ICP 분석을 통해 측정해 본 결과 Li>Na>K 순으로 확인 되었다.
동일한 산화-환원쌍 농도 조건에서 기존의 요오드 전해질의 경우 효율은 다소 높게 측정되었지만 전압특성이 상대적으로 유기라디칼 전해질에 비해 크게 낮음을 알 수 있다.
상기 실시예 4 에 따라 제조된 염료감응 태양전지에서1 sun, AM 1.5 빛을 조사한 조건과 빛을 조사하지 않은dark 조건에서 전류-전압 특성을 측정하였고, 그 결과는 도 4 및 도 5에 나타내었다.
또한 상기 상기 실시예 4에 따라 제조된 염료감응 태양전지에서 광전류전압을 측정하고 측정된 광전류 곡선으로부터 개방전압, 전류밀도 및 충진계수를 계산하고 이로부터 태양전지의 효율을 평가하여 하기 표 2에 나타내었다. 여기에서 광원으로는 제논 램프를 사용하였고, 상기 제논 램프의 태양조건은 표준 태양전지(Frunhofer Institute Solare Engeriessysysteme, Certificate No. C-ISE369, Type ofmaterial: Mono-Si+KG 필터)를 사용하여 보정하였고, 전력밀도100mW/cm2에서 측정하였다.
[표 2]
LiTFSI와 KTFSI의 혼합몰비 전류밀도(Jsc)
(mAcm-2)		 개방전압(Voc)
(V)		 충진계수(FF) 효율 η(%)
실시예4 10:0 7.28 0.739 0.37 1.98
8:2 7.08 0.75 0.48 2.57
6:4 7.21 0.75 0.56 3.05
4:6 8.61 0.81 0.76 5.32
2:8 8.09 0.85 0.62 4.2
상기 결과로부터, Li 이온은 태양전지의 전류특성을 높이는 특성이 있으며 K 이온은 전압특성을 향상시키는 특성이 있음을 확인하였다. 따라서 전류와 전압특성을 동시에 향상시키기 위해 KTFSI 와 LiTFSI 를 일정 비율로 섞어 전해질을 제조하는 것이 바람직하다. K/Li 비율이 커짐에 따라 앞선 결과로 예측할 수 있듯이 전압 특성이 향상되었으며 반면 전류특성은 Li:K=4:6 에서 최대값을 나타내었다. 또한 태양전지의 내부저항을 나타내는 충밀계수 (fill factor, FF) 도 동일 조성에서 가장 높은 수치를 나타내었다. 이러한 결과로부터 유기라디칼 전해질의 첨가제에 포 함되는 양이온의 종류는 전압특성을 향상시킬 수 있는 K 와 전류특성을 향상시킬 수 있는 Li 이온의 혼합으로 구성되는 것이 바람직하며 이 두 이온화합물의 최적 몰비율은 Li:K=4:6 임을 알 수 있었다.
상기 실시예5에 따라 제조된 염료감응 태양전지에서, 1 sun, AM 1.5 빛을 조사한 조건과 빛을 조사하지 않은dark조건에서 전류-전압 특성을 측정하였고, 그 결과는 도 6 및 도 7에 나타내었다.
또한 상기 상기 실시예 5에 따라 제조된 염료감응 태양전지에서 광전류전압을 측정하고 측정된 광전류 곡선으로부터 개방전압, 전류밀도 및 충진계수를 계산하고 이로부터 태양전지의 효율을 평가하여 하기 표3에 나타내었다. 여기에서 광원으로는 제논 램프를 사용하였고, 상기 제논 램프의 태양조건은 표준 태양전지(Frunhofer Institute Solare Engeriessysysteme, Certificate No. C-ISE369, Type of material: Mono-Si+KG 필터)를 사용하여 보정하였고, 전력밀도100mW/cm2에서 측정하였다.
[표 3]
LiTFSI와 KTFSI의 혼합몰비 전류밀도(Jsc)
(mAcm-2)		 개방전압(Voc)
(V)		 충진계수(FF) 효율 η(%)
실시예5 TEMPO-BI 8.318 0.773 62.4 4.02
TEMPO-1MBI 9.292 0.782 65.2 4.74
TEMPO-2MBI 9.281 0.848 76.9 6.05
4 TEMPO-5MBI 8.897 0.796 68.3 4.84
TEMPO-NBB 8.468 0.761 71.2 4.59
이미다졸계 화합물은 태양전지의 전압특성을 향상시키기 위해 전해질에 첨가 되는 물질로서, 상기 결과로부터 벤즈이미다졸에 메틸, 부틸과 같은 곁가지 치환기를 갖는 구조가 태양전지의 전압 및 효율 특성을 더 향상시킬 수 있음을 알 수 있고, 그중에서도 2-메틸벤즈이미다졸(2MBI )가 가장 우수한 전압특성 및 충밀계수를 나타낸다는 것을 알 수 있었다
상기 상기 실시예 6에 따라 제조된 염료감응 태양전지에서 광전류전압을 측정하고 측정된 광전류 곡선으로부터 개방전압, 전류밀도 및 충진계수를 계산하고 이로부터 태양전지의 효율을 평가하여 하기 표 4에 나타내었다. 여기에서 광원으로는 제논 램프를 사용하였고, 상기 제논 램프의 태양조건은 표준 태양전지(Frunhofer Institute Solare Engeriessysysteme, Certificate No. C-ISE369, Type ofmaterial: Mono-Si+KG 필터)를 사용하여 보정하였고, 전력밀도100mW/cm2에서 측정하였다.
[표 4]
2MBI의 농도(M) 전류밀도(Jsc)
(mAcm-2)		 개방전압(Voc)
(V)		 충진계수(FF) 효율 η(%)
실시예5 0.1 9.330 0.802 70.8 5.30
0.3 9.321 0.826 76.3 5.87
0.5 9.281 0.848 76.9 6.05
0.7 9.275 0.844 75.2 5.89
0.9 9.201 0.837 72.3 5.57
1.2 9.122 0.824 71.9 5.40
,
상기 실시예 7에 따라 제조된 염료감응 태양전지에 있어서, 1 sun, AM 1.5 빛을 조사한 조건과 빛을 조사하지 않은dark조건에서 전류-전압 특성을 측정하였고, 그 결과는 도 8 및 도 9에 나타내었다.
상기 실시예 7에 따라 제조된 염료감응 태양전지에 있어서, 광전류전압을 측정하고 측정된 광전류 곡선으로부터 개방전압, 전류밀도 및 충진계수를 계산하고 이로부터 태양전지의 효율을 평가하여 하기 표 5에 나타내었다. 여기에서 광원으로는 제논 램프를 사용하였고, 상기 제논 램프의 태양조건은 표준 태양전지(Frunhofer Institute Solare Engeriessysysteme, Certificate No. C-ISE369, Type ofmaterial: Mono-Si+KG 필터)를 사용하여 보정하였고, 전력밀도100mW/cm2에서 측정하였다.
[표 5]
Figure 112009011756508-pat00006
상기 표 5로부터 염료 JK-2를 사용한 경우가 효율이 가장 높다는 것을 알 수 있었다.
상기에서 본 발명의 바람직한 제조예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지인 염료감응 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이고,
도 2 및 도 3은 실시예 1-3 및 참조예 1에 따라 제조된 염료감응 태양전지에서, AM 1.5, 1sun 조건과 dark에서 전류-전압 특성을 측정한 결과이고,
도 4 및 도 5는 실시예 4 에 따라 제조된 염료감응 태양전지에서, AM 1.5, 1sun 조건과 dark에서 전류-전압 특성을 측정한 결과이고,
도 6 및 도 7은 각각 상기 실시예5에 따라 제조된 염료감응 태양전지에서, AM 1.5, 1sun 조건과 dark 에서 전류-전압 특성을 측정한 결과이고,
도 8 및 도 9는 각각 실시예 7에 따라 제조된 염료감응 태양전지에 있어서, 1 sun, AM 1.5 빛을 조사한 조건과 빛을 조사하지 않은 dark조건에서 전류-전압 특성을 측정한 결과이고,
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 전해질의 리독스 포텐셜과 염료의 HOMO 레벨을 나타내는 에너지다이어그램이다.

Claims (14)

  1. 2,2,6,6-테트라메틸-1-피페리딜옥시계 화합물, 도펀트, 이온성 첨가제, 이미다졸계 화합물 및 용매를 포함하며,
    상기 2,2,6,6-테트라메틸-1-피페리딜옥시계 화합물은,
    2,2,6,6-테트라메틸-1-피페리딜옥시, 4-하이드록시-4-아미노-2,2,6,6-테트라메틸-1-피페리딜옥시 및 그 알킬레이티드 유도체로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이고,
    상기 도펀트의 함량은 2,2,6,6-테트라메틸-1-피페리딜옥시계 화합물 100 중량부를 기준으로 하여 2 내지 20 중량부이고,
    상기 이온성 첨가제의 함량은 2,2,6,6-테트라메틸-1-피페리딜옥시계 화합물 100 중량부를 기준으로 하여 50 내지 170 중량부이고,
    상기 이미다졸계 화합물의 함량은 2,2,6,6-테트라메틸-1-피페리딜옥시계 화합물 100 중량부를 기준으로 하여 5 내지 45 중량부이고,
    상기 용매의 함량은 2,2,6,6-테트라메틸-1-피페리딜옥시계 화합물 100 중량부를 기준으로 하여 150 내지 600 중량부인 염료감응 태양전지용 전해질.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 도펀트는,
    NOBF4(nitrosonyl fluoroborate), DDQ(2,3-dichloro-5,6-dicyanobenzo-1,4-quinone), 및 TCNQF4(2,3,5,6-tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 전해질.
  4. 제1항에 있어서, 상기 이온성 첨가제는,
    리튬 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드, 포타슘 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드 및 소듐 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 전해질.
  5. 제4항에 있어서, 상기 이온성 첨가제는,
    리튬 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드와 포타슘 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드를 포함하며,
    상기 리튬 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드와 포타슘 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드의 혼합 몰비는 8:2 내지 2:8인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 전해질.
  6. 제1항에 있어서, 상기 이미다졸계 화합물은,
    1-메틸벤즈이미다졸, 2-메틸벤즈이미다졸, 5-메틸벤즈이미다졸, N-부틸벤즈이미다졸로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 전해질.
  7. 제1항에 있어서, 상기 용매는,
    아세토니트릴, 발레로니트릴(valeronitrile), 3-메톡시 프로피오니트릴, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 에탄올, 벤조니트릴(bebzonitrile), 산화중수소(deuterium oxide) 및 테트라하이드로퓨란으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 전해질.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 서로 대향된 제1전극 및 제2전극;
    상기 제1전극 및 제2전극 사이에 개재되며 염료가 흡착되어 있는 다공질막; 및 상기 제1전극과 제2전극 사이에 개재된 제1항, 제3항 내지 제7항중 어느 한 항의 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지.
  13. 제12항에 있어서, 상기 염료가 HOMO 에너지 준위가 0.94eV 이상인 디메틸플루오레닐 모이어티를 갖는 공액 유기 염료인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  14. 제13항에 있어서, 상기 공액 유기 염료가 하기식으로 표시되는 화합물중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
    Figure 112009011756508-pat00007
    Figure 112009011756508-pat00008
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