KR101136942B1 - 양자점으로 도핑된 고분자 전해질 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지 - Google Patents

양자점으로 도핑된 고분자 전해질 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지 Download PDF

Info

Publication number
KR101136942B1
KR101136942B1 KR1020090100911A KR20090100911A KR101136942B1 KR 101136942 B1 KR101136942 B1 KR 101136942B1 KR 1020090100911 A KR1020090100911 A KR 1020090100911A KR 20090100911 A KR20090100911 A KR 20090100911A KR 101136942 B1 KR101136942 B1 KR 101136942B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
dye
polymer electrolyte
doped
quantum dot
substrate
Prior art date
Application number
KR1020090100911A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20110044089A (ko
Inventor
이희우
김강욱
프라모드 쿠마 싱
Original Assignee
서강대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서강대학교산학협력단 filed Critical 서강대학교산학협력단
Priority to KR1020090100911A priority Critical patent/KR101136942B1/ko
Publication of KR20110044089A publication Critical patent/KR20110044089A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101136942B1 publication Critical patent/KR101136942B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/20—Light-sensitive devices
    • H01G9/2004—Light-sensitive devices characterised by the electrolyte, e.g. comprising an organic electrolyte
    • H01G9/2018—Light-sensitive devices characterised by the electrolyte, e.g. comprising an organic electrolyte characterised by the ionic charge transport species, e.g. redox shuttles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/20—Light-sensitive devices
    • H01G9/2027—Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/542—Dye sensitized solar cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S977/00—Nanotechnology
    • Y10S977/70—Nanostructure
    • Y10S977/773—Nanoparticle, i.e. structure having three dimensions of 100 nm or less
    • Y10S977/774—Exhibiting three-dimensional carrier confinement, e.g. quantum dots

Abstract

본원은, 양자점으로 도핑된 고분자 전해질, 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 양자점으로 도핑된 고분자 전해질을 개발하고, 이러한 고분자 전해질을 염료감응형 태양전지에 도입함으로써, 종래의 염료감응형 태양전지에 있어서 액체 전해질의 문제점을 개선하고, 우수한 효율을 나타내는 염료감응형 태양전지 및 그의 제조 방법을 제공한다.
고분자 전해질, 양자점, 도핑, 코어/쉘, 염료감응형 태양전지

Description

양자점으로 도핑된 고분자 전해질 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지 {POLYMER ELECTROLYTE DOPED WITH QUANTUM DOT AND DYE-SENSITIZED SOLAR CELL USING THE SAME}
본원은, 양자점으로 도핑된 고분자 전해질. 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
환경 오염에 따른 문제 및 에너지 고갈에 따른 문제를 해결하기 위한 기술 분야 중 하나로서 환경오염 물질을 발생시키지 않고 전기를 발생하는 태양전지에 대한 관심이 점차 증가하고 있다. 특히 태양 에너지를 이용한 태양 전지는 기타 다른 에너지원과는 달리 자원이 무한하고 환경 친화적이므로 1983년 실리콘 태양전지를 개발한 이후로 최근에는 실리콘 태양전지가 각광을 받고 있다. 그러나 이와 같은 실리콘 태양전지는 제조 비용이 상당히 고가이기 때문에 실용화가 곤란하고, 전지효율을 개선하는데도 많은 어려움이 따르고 있다. 이러한 문제를 극복하기 위하여 제조비용이 저렴한 염료 감응 태양 전지의 개발이 최근 적극 검토되어 오고 있다.
이에 따라 최근 염료 감응형 태양 전지(DSSC = Dye-Sensitized Solar Cell) 가 저비용 및 고효율로 인하여 재료 과학 분야에서 떠오르고 있는 분야이다. 염료 감응 태양전지는 실리콘 태양전지와는 달리 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료 분자, 및 생성된 전자를 전달하는 전이 금속 산화물을 주된 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다. 지금까지 알려진 염료 감응 태양전지 중 대표적인 예로는 1991년 스위스의 Gratzel 등에 의해 발표된 것이 알려져 있다. 이러한 전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비하여 전력당 제조원가가 저렴하기 때문에 기존의 태양전지를 대체할 수 있는 기능성이 있다는 점에서 주목을 받아왔다.
구체적으로, DSSC의 일례는 염료로 감응된(sensitized) 다공성 TiO2 필름으로 코팅된 불소-도핑 주석 산화물(FTO) 전극(광전극), 백금-코팅 상대 전극, 및 상기 전극들 사이에 샌드위치된 산화환원쌍(redox couple)을 포함하는 전해질을 포함한다. TiO2 다공성 필름은 다른 일반적인 광전극에 비해 우수성을 보여 주는데, 이는 TiO2의 높은 비표면적(specific surface area)이 많은 수의 염료 분자의 흡착을 가능하게 하기 때문이다. 광전극의 합성에 관하여, 닥터-블레이드 방법(doctor-blade method)은 크랙(crack)이 없는 우수한 필름을 제공하기 때문에 자주 사용된다 [참고문헌: W. Chen, X. Sun, Q. Cai, D. Weng, H. Li, Electrochem. Commun. 9 (2007) 382.].
지금까지 보고된 고효율 달성을 위한 DSSC는 액체 전해질(요오드화물/요오드를 포함하는 유기 용매) 및 루테늄계 염료를 기반으로 하였다. 그러나, 부식, 누 출, 증발 등과 같은 액체 전해질의 단점은 장기적인 DSSC의 안정성을 제한한다. 또한, 종래에 염료감응형 태양전지에 사용하였던 고가 염료의 사용 등의 문제점이 존재하였다.
따라서, 상기한 문제점을 갖는 액체 전해질을 대체할 수 있는 고체 전해질을 개발하고 새로운 저가의 염료를 개발하여 염료감응형 태양전지의 광전환 효율을 향상시키기 위한 기술에 대한 관심과 요구가 대두되고 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여, 본원은, 양자점(quantum dot)으로 도핑된 고분자 전해질, 및 상기 양자점으로 도핑된 고분자 전해질을 광전극과 상대 전극과의 사이의 소정 공간 내에 주입하여 형성한 염료감응형 태양전지 및 그의 제조 방법을 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본원의 일 측면은, 전해질용 고분자 및 상기 고분자 내에 도판트로서 분산된 양자점(quantum dot)을 포함하는, 양자점으로 도핑된 고분자 전해질을 제공한다.
본원의 다른 측면은, 하기를 포함하는 염료감응형 태양전지를 제공한다:
전도성 제 1 기판, 상기 제 1 기판 상에 형성된 금속산화물 반도체층, 및 상기 금속산화물 반도체층에 흡착된 염료를 포함하는 광전극;
전도성 제 2 기판 및 상기 제 2 기판 상에 형성된 금속층을 포함하는 상대 전극; 및
상기 광전극과 상기 상대 전극과의 사이에 개재되어 있으며, 상기 양자점으로 도핑된 고분자 전해질.
본원의 또 다른 측면은, 하기를 포함하는, 상기 염료감응형 태양전지의 제조 방법을 제공한다:
전도성 제 1 기판 상에 금속산화물 반도체층을 형성하고, 상기 금속산화물 반도체층에 염료를 흡착시켜 광전극을 준비하고;
전도성 제 2 기판 상에 금속층을 형성하여 상대 전극을 준비하고;
상기 광전극의 염료가 흡착된 금속산화물 반도체층과 상기 상대 전극의 금속층이 소정 공간을 사이에 두고 상호 대향하도록 상기 광전극 및 상기 상대 전극을 정렬하고;
상기 양자점으로 도핑된 고분자 전해질을 상기 광전극과 상기 상대 전극과의 사이의 소정 공간 내에 주입함.
본원의 또 다른 측면은, 하기를 포함하는, 상기 염료감응형 태양전지의 제조 방법을 제공할 수 있다:
전도성 제 1 기판 상에 금속산화물 반도체층을 형성하고, 상기 금속산화물 반도체층에 염료를 흡착시켜 광전극을 준비하고;
상기 광전극의 염료가 흡착된 금속산화물 반도체층 상에 상기 양자점으로 도핑된 고분자 전해질 막을 형성하고;
전도성 제 2 기판 상에 금속층을 형성하여 상대 전극을 준비하고;
상기 광전극의 염료가 흡착된 금속산화물 반도체층 상에 형성된 양자점으로 도핑된 고분자 전해질 막과 상기 상대 전극의 금속층을 접촉시키고 상기 광전극과 상기 상대전극을 고정시킴.
본원에 의하면, 양자점으로 도핑된 고분자 전해질을 제조할 수 있으며, 상기한 고분자 전해질은 도핑된 양자점으로 인하여 우수한 전기적 특성 및 광전화학적 특성을 나타낸다. 이에, 상기 양자점으로 도핑된 젤형 또는 고체형 고분자 전해질을 염료 감응형 태양전지의 전해질로서 적용함으로써, 종래 액체 전해질이 갖는 문제점을 개선할 수 있다. 또한, 상기 양자점으로 도핑된 고분자 전해질을 도입한 염료감응형 태양전지는 전기적 특성 및 광전화학적 특성이 개선 및 향상되어 염료감응형 태양전지의 광전 효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원의 일 측면에 있어서, 전해질용 고분자 및 상기 고분자 내에 도판트로서 분산된 양자점(quantum dot)을 포함하는, 양자점으로 도핑된 고분자 전해질을 제공할 수 있다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 양자점은 코어/쉘 구조를 갖는 것일 수 있다, 예를 들어, 상기 양자점은 II-VI족 화합물 반도체, II-V 화합물 반도체, III-VI족 화합물 반도체, III- V족 화합물 반도체, IV-VI 화합물 반도체, I-III-VI 화합물 반도체, II-IV-VI족 화합물 반도체, II-IV-V족 화합물 반도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 화합물 반도체를 포함하는 것일 수 있다. 상기 코어/쉘 구조를 갖는 양자점에 있어서 코어 및 쉘은 각각 상기한 화합물 반도체를 포함하는 것일 수 있다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 전해질용 고분자는 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide): PEO), 폴리비닐리덴 플루오라이드 (poly(vinylidene fluoride): PVDF), 폴리에틸렌글리콜(poly(ethylene glycol): PEG), 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 고분자를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 고분자 전해질은 젤형 또는 고체형일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 양자점으로 도핑된 고분자 전해질은 산화환원쌍을 추가 포함할 수 있다.
상기 본원에 따른 양자점으로 도핑된 고분자 전해질은 양자점으로 도핑됨으로써 이온전도도 등이 향상되어 장기적으로 안정되고 전기적 특성 및 광전기화학적 특성 등이 향상될 수 있다.
본원의 다른 측면에 있어서, 하기를 포함하는 염료감응형 태양전지를 제공할 수 있다:
전도성 제 1 기판, 상기 제 1 기판 상에 형성된 금속산화물 반도체층, 및 상기 금속산화물 반도체층에 흡착된 염료를 포함하는 광전극;
전도성 제 2 기판 및 상기 제 2 기판 상에 형성된 금속층을 포함하는 상대 전극; 및
상기 광전극과 상기 상대 전극과의 사이에 개재되어 있는 상기 양자점으로 도핑된 고분자 전해질.
본원의 또 다른 측면에 있어서, 하기를 포함하는, 상기 염료감응형 태양전지의 제조 방법을 제공할 수 있다:
전도성 제 1 기판 상에 금속산화물 반도체층을 형성하고, 상기 금속산화물 반도체층에 염료를 흡착시켜 광전극을 준비하고;
전도성 제 2 기판 상에 금속층을 형성하여 상대 전극을 준비하고;
상기 광전극의 염료가 흡착된 금속산화물 반도체층과 상기 상대 전극의 금속층이 소정 공간을 사이에 두고 상호 대향하도록 상기 광전극 및 상기 상대 전극을 정렬하고;
상기 양자점으로 도핑된 고분자 전해질을 상기 광전극과 상기 상대 전극과의 사이의 소정 공간 내에 주입함.
본원의 또 다른 측면에 있어서, 하기를 포함하는, 상기 염료감응형 태양전지의 제조 방법을 제공할 수 있다:
전도성 제 1 기판 상에 금속산화물 반도체층을 형성하고, 상기 금속산화물 반도체층에 염료를 흡착시켜 광전극을 준비하고;
상기 광전극의 염료가 흡착된 금속산화물 반도체층 상에 상기 양자점으로 도핑된 고분자 전해질 막을 형성하고;
전도성 제 2 기판 상에 금속층을 형성하여 상대 전극을 준비하고;
상기 광전극의 염료가 흡착된 금속산화물 반도체층 상에 형성된 양자점으로 도핑된 고분자 전해질 막과 상기 상대 전극의 금속층을 접촉시키고 상기 광전극과 상기 상대전극을 고정시킴.
예시적 구현예에 있어서, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판은 각각 ITO(indium tin oxide), FTO (fluorine-doped tin oxide), 표면에 SnO2가 코팅되어 있는 유리 기판, 또는 전도성 고분자 기판일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 금속산화물 반도체층은 염료감응형 태양전지의 광전극 제조 시 사용되는 공지의 금속 산화물 반도체를 모두 사용할 수 있으며, 예를 들어, 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 고분자 전해질은 산화환원쌍을 추가 포함할 수 있으며, 예를 들어, 산화환원쌍으로서 요오드계 산화-환원종을 추가적으로 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에 의하면, 액체 전해질의 경우 외부 요인에 의한 온도 증가로 인해 초래될 수 있는 장기적 안정성의 문제를 고분자 전해질을 사용함으로써 해결하는 동 시에, 상기 양자점에 의해 도핑된 고분자 전해질에서의 이온전도도가 향상되어 장기적으로 안정되고 에너지 변환 효율이 개선된 염료감응 태양전지를 제공할 수 있다.
이하, 본원의 구현예 및 실시예에 대하여 도면을 이용하여 자세히 설명한다. 그러나, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 양자점으로 도핑된 고분자 전해질은 전해질용 고분자를 적절한 용매를 용해시킨 용액에 원하는 양의 양자점을 첨가하여 상기 양자점이 균질하게 분산되도록 교반하여 제조할 수 있다. 상기 교반된 용액은 분산된 양자점에 기인한 특유의 색을 나타내며 점성을 나타낼 수 있다.
상기 양자점으로 도핑된 고분자 전해질은 산화환원쌍을 추가 포함할 수 있다. 필요에 따라, 전해질용 고분자 및 산화환원쌍을 제공하는 물질을 적절한 용매를 용해시킨 용액을 교반한 후 원하는 양의 양자점을 첨가하여 상기 양자점이 균질하게 분산되도록 교반하여 제조할 수 있다.
상기 산화환원쌍은 요오드계일 수 있으며, 예를 들어 I3 -/I- 산화환원쌍을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 요오드계 산화환원쌍은 KI와 I2의 1 : 10 중량% 혼합물, 또는, 0.7 M의 1-비닐-3-메틸-이미다졸륨 아이오다이드 (1-vinyl-3-methylimidazolium iodide), 0.1 M의 LiI 및 40 mM의 I2를 3-메톡시프로피오니트릴 (3-methoxypropionitrile) 또는 N-메틸-2-피롤리돈 (N-methyl-2-pyrrolidone: NMP) 용매에 녹인 혼합물을 이용하여 수득될 수 있다.
상기 전해질용 고분자는, 예를 들면, 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide): PEO), 폴리비닐리덴 플루오라이드 (poly(vinylidene fluoride): PVDF), 폴리에틸렌글리콜(poly(ethylene glycol): PEG), 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 고분자일 수 있다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 고분자 전해질 내에서 상기 양자점은 상기 고분자 전해질(50)의 총중량을 기준으로 약 1 ～ 30 중량%, 바람직하게는 약 15 ～ 25 중량%의 양으로 포함될 수 있다. 상기 고분자 전해질 내에서 상기 양자점의 함량이 너무 많으면 상기 전해질의 제조 과정 중에 용매에 고분자, 요오드계 산화-환원종 및 양자점을 포함하는 용액의 점성이 증가하여 상기 전해질 내에서 상기 양자점의 균일한 분산 분포를 확보하는 데 있어서 어려움이 따를 수 있다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 고분자 전해질을 제조하기 위해서는, 예를 들어, 요오드계 산화환원쌍을 제공하는 염(KI 및 I--2) 및 폴리에틸렌 옥사이드(PEO) 등과 같은 전해질용 고분자를 적절한 유기 용매에 용해시켜 혼합함으로써 균질한 용액을 제조할 수 있다. 이후, 상기 균질한 용액에 상기에서 설명한 양자점들을 첨가하고 원하는 점도가 얻어질 때까지 교반하여 상기 양자점을 균일하게 분산시킴으로써 양자점으로 도핑된 고분자 전해질을 형성할 수 있다. 필요한 경우, 상기 양자점이 분산된 고분자 전해질 용액을 적절한 용기에 캐스팅(casting)하고 용매를 제거하여 필름 형태 또는 기타 원하는 형태로 주조할 수 있다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 양자점으로 도핑된 상기 고분자 전해질(52)은 젤형 또는 고체형일 수 있다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 양자점은 코어/쉘 구조를 갖는 것일 수 있다.
상기 양자점은, 예를 들어, II-VI족 화합물 반도체, II-V 화합물 반도체, III-VI족 화합물 반도체, III- V족 화합물 반도체, IV-VI 화합물 반도체, I-III-VI 화합물 반도체, II-IV-VI족 화합물 반도체, II-IV-V족 화합물 반도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 화합물 반도체를 포함하는 것일 수 있다. 상기 코어/쉘 구조를 갖는 양자점에 있어서, 코어 및 쉘은 각각 상기한 화합물 반도체를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 양자점 또는 상기 양자점의 코어 및 쉘은 각각 MgO, MgS, MgSe, MgTe, CaO, CaS, CaSe, CaTe, SrO, SrS, SrSe, SrTe, BaO, BaS, BaSe, BaTE, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, HgO, HgS, HgSe, HgTe, Al2O3, Al2S3, Al2Se3, Al2Te3, Ga2O3, Ga2S3, Ga2Se3, Ga2Te3, In2O3, In2S3, In2Se3, In2Te3, SiO2, GeO2, SnO2, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbO2, PbS, PbSe, PbTe, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, BP, Si, Ge, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 화합물 반도체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 코어/쉘 구조를 갖는 양자점은, CdSe/ZnS 코 어/쉘 양자점 등과 같은, 코어 및 쉘이 각각 II-VI족 화합물 반도체를 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 양자점은 약 1 ～ 20 nm, 예를 들어, 약 5 ～ 20 nm, 또는 약 5 ～ 10 nm의 입경 사이즈를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1은 본원의 실시예에 따른 상기 양자점으로 도핑된 고분자 전해질을 포함하는 염료감응형 태양전지(100)의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본원에 따른 상기 양자점으로 도핑된 고분자 전해질을 포함하는 염료감응형 태양전지(100)는 상호 대향하고 있는 광전극(10) 및 상대 전극(20)을 포함할 수 있다.
상기 광전극(10)은 전도성 제 1 기판(12)과, 상기 제 1 기판(12) 상에 형성되어 있는 금속산화물 반도체층(14)을 포함할 수 있다. 상기 금속산화물 반도체층(14)에는 염료(도시 생략)가 흡착될 수 있다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 금속산화물 반도체층(14)은, 예를 들면, 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 금속산화물 반도체층(14)은 약 5 ～ 30 nm의 입경을 가지는 나노입자 이산화티탄(TiO2)으로 이루어질 수 있으며, 약 5 ～ 30 ㎛의 두께를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 금속산화물 반도체층(14)에 흡착된 염료는 DSSC 제조에 일반적으로 사용되는 염료는 모두 사용 가능하여, 비제한적 예로서, 루테늄 착물, 크산틴계 색소, 시아닌계 색소, 페노사프라닌, 카브리블루, 티오신, 염기성 염료, 포르피린계 화합물, 아조 색소, 프탈로시아닌 화합물, Ru 트리스비피리딜 착화합물, 안트라퀴논계 색소, 다환 퀴논계 색소 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 상대 전극(20)은 전도성 제 2 기판(22), 상기 제 2 기판(22) 상에 형성된 금속층(24)을 포함할 수 있으며, 상기 금속층(24)은 예를 들어, 백금으로 이루어질 수 있다.
상기 제 1 기판(12) 및 제 2 기판(22)은 각각 ITO(indium tin oxide), FTO (fluorine-doped tin oxide), 표면에 SnO2가 코팅되어 있는 유리 기판, 또는 전도성 고분자 기판으로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 광전극(10) 및 상대 전극(20)은 상기 광전극(10)의 금속산화물 반도체층(14)과 상기 상대 전극(20)의 금속층(24)이 상호 대향하도록 배치될 수 있다. 상기 광전극(10)과 상기 상대 전극(20)은 이들 사이에 지지되어 있는 별도의 지지용 고분자층(40)에 의해 소정 간격을 유지하는 상태로 이격되어 있다.
상기 광전극(10)과 상기 상대 전극(20)과의 사이의 공간에는 상기에서 언급한 양자점으로 도핑된 고분자 전해질(50)을 채울 수 있다. 또는, 상기 광전극(10) 상에 상기 양자점으로 도핑된 고분자 전해질(50) 막을 형성한 후 상기 상대 전극(20)과 결착하여 이들을 고정시킬 수 있다.
도 2는 본원의 실시예에 따른 양자점으로 도핑된 고분자 전해질을 포함하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2를 참조하면, 염료가 흡착된 금속산화물 반도체층(14)을 포함하는 광전극(10)과, 금속층(24)을 포함하는 상대 전극(20)을 각각 준비할 수 있다(S210).
이를 위하여, 예를 들면 다음과 같은 과정을 행할 수 있다.
상기 광전극(10)을 제조하기 위하여, 먼저, 예를 들어, 닥터-블레이드 방법(doctor-blade technique)을 이용하여 콜로이드 TiO2 페이스트를, 예를 들어, 제 1 기판으로서 FTO, ITO 또는 SnO2가 코팅되어 있는 투명한 전도성 유리 기판 상에 도포(spread)한 후 소결하여, 다공성 TiO2 필름을 형성할 수 있다. 상기 다공성 TiO2 필름의 두께는 ~50 μm 두께를 갖는 스카치 테이프에 의해 제어될 수 있다.
상기 이산화티탄 필름과 같은 금속산화물 반도체층(14)이 형성되어 있는 상기 제 1 기판(12)을, 예를 들어, 루테늄 착물, 크산틴계 색소, 시아닌계 색소, 페노사프라닌, 카브리블루, 티오신, 염기성 염료, 포르피린계 화합물, 아조 색소, 프탈로시아닌 화합물, Ru 트리스비피리딜 착화합물, 안트라퀴논계 색소, 다환 퀴논계 색소 또는 이들의 혼합물을 포함하는 염료 용액 내에 일정 시간 이상 함침시킴으로써 염료가 흡착된 금속산화물 반도체층(14)을 포함하는 광전극을 완성할 수 있다.
필요한 경우, 활성 영역을 갖는 염료감응형 태양전지(DSSC)는 하기의 과정에 의해 제조될 수 있다.
예를 들어, 블록킹층(blocking layer)으로서 사용하기 위하여, Ti(Ⅳ) 비스 (에틸 아세토아세테이토)-디이소프로폭사이드 [Ti(Ⅳ) bis(ethyl acetoacetato)-diisopropoxide] 용액 (1-부탄올 내에 2 중량%)을 상기한 다공성 TiO2 필름이 형성되어 있는 상기 제 1 기판 (예를 들어, FTO, ITO 또는 SnO2가 코팅되어 있는 투명한 전도성 유리 기판 등) 상에 적가하여 스핀-코팅법을 사용하여 균일하게 도포할 수 있다. 상기 블록킹층을 갖는 상기 다공성 TiO2 필름을 염료 용액에 함침시킴으로써 염료를 흡착시켜 광전극을 제조할 수 있다.
상기 상대 전극(20)을 형성하기 위하여, 상기 제 2 기판(20), 예들 들면 FTO, ITO 또는 SnO2가 코팅되어 있는 투명한 전도성 유리 기판 위에 백금층을 코팅할 수 있다.
이후, 상기 양자점으로 도핑된 고분자 전해질을 참고문헌 [P.K. Singh, K.W. Kim, H.W. Rhee, Electrochem. Commun. 10 (2008) 1769; A.F. Nogueira, J.R. Durrant, M.A. De Paoli, Adv. Mater. 13 (2001) 826.]에 기재된 2 단계의 캐스팅(casting) 방법에 따라 상기 염료가 흡착된 금속산화물 반도체층(14)을 포함하는 광전극 상에 캐스팅할 수 있다. 이에 따라 수득된 양자점으로 도핑된 고분자 전해질을 포함하는 광전극 및 상대 전극을 굳게 클램핑하고 측정 전에 진공 건조시켜 염료감응형 태양전지를 완성할 수 있다.
또는, 상기 광전극(10) 및 상기 상대 전극(20)에서 상기 염료가 흡착된 금속산화물 반도체층(14)과 상기 금속층(24)이 상호 대향하도록 정렬한 후(S220), 상기 광전극(10) 및 상기 상대 전극(20) 사이에 예를 들면 SURLYN (Du Pont사제의 상품 명)으로 이루어지는 약 30 ～ 50 ㎛ 두께의 고분자층(40)을 놓고 약 100 ～ 140 ℃의 가열판 상에서 약 1 ～ 3 기압으로 상기 두 전극을 밀착시키는 공정을 이용할 수 있다. 다음으로, 상기 양자점으로 도핑된 고분자 전해질(50)을 상기 광전극(10)과 상기 상대 전극(20)과의 사이의 소정 공간 내에 주입할 수 있다(S230). 보다 상세하게는, 상기 양자점으로 도핑된 고분자 전해질(50)을 상기 상대 전극(20)에 형성된 미세 구멍(도시 생략)을 통해 상기 광전극(10)과 상기 상대 전극(20)과의 사이의 소정 공간 내에 주입하여 상기 소정 공간을 완전히 채울 수 있다. 마지막으로 상기 미세 구멍을 막음으로써 본원의 염료감응형 태양전지를 완성할 수 있다.
1. 양자점(QD)으로 도핑된 고분자 전해질 및 그의 필름 제조
폴리(산화 에틸렌) PEO (Mw ~ 1 X 106, Aldrich), 요오드화 칼륨 및 요오드(KI, I--2, Aldrich, USA)을 준비하여 사용하였다. 클로로포름 내 분산된 CdSe/ZnS 코어/쉘 양자점 (QD, 크기 ca. 5.8 nm)은 Evident Technologies사로부터 구입하였다. 75 : 25 : 2.5 조성(w/w)의 고분자(PEO) 및 염(KI 및 I--2)을 아세토니트릴 용매에 50℃에서 하룻밤 동안 용해시켜 균질한 용액을 제조하였다. 요오드화물/요오드 염 비율은 10 : 1(중량비%)로 고정되었는데, 상기 조성에서 상기 전해질 필름이 안정하고 최대의 이온 전도도를 보여 주기 때문이다. 원하는 양의 양자 점(QD)을 상기 고분자 전해질 용액에 첨가하고, 최종 용액은 다시 완전히 교반하여 유색의 점성 용액을 수득하였다. 양자점이 도핑되기 전 본래(bare) 고분자 전해질 용액(PE)과 상기 양자점 도핑된 고분자 전해질(QDPE) 용액을 각각 폴리프로필렌 디쉬(dish) 내로 캐스트(cast)하였다. 상기 용매를 실온에서 천천히 증발시켜 수득된 고분자 전해질 필름을 진공 하에서 건조시켜 용매 잔류물(trace)을 제거하였다.
2. 닥터-블레이드 기술을 사용한 다공성 TiO 2 필름의 제조
우수한 특성을 갖는 다공성 TiO2 필름을 닥터-블레이드 방법(doctor-blade technique)에 의해 제조하였다. 이 방법에서, 콜로이드 TiO2 페이스트 [Ti-Nanoxide: D, Solaronix 사(스위스)로부터 구입]를 닥터-블레이드 법을 사용하여 전도성 FTO 유리 기판 상에 도포(spread)하고, 30 분 동안 500℃에서 소결하여 ~10-15 nm 기공 직경 및 10 μm의 두께를 갖는 다공성 TiO2 필름을 형성하였다. 상기 다공성 TiO2 필름의 두께는 ~50 μm 두께를 갖는 스카치 테이프에 의해 제어되었다.
3. 염료감응형 태양전지의 제조
0.25 cm2 의 활성 영역을 갖는 염료감응형 태양전지(DSSC)는 하기의 과정에 의해 제조되었다. 블록킹층(blocking layer)으로서 사용하기 위하여, Ti(Ⅳ) 비스(에틸 아세토아세테이토)-디이소프로폭사이드 [Ti(Ⅳ) bis(ethyl acetoacetato)-diisopropoxide] 용액 (1-부탄올 내에 2 중량%)을 상기한 다공성 TiO2 필름이 형성되어 있는 FTO-기판 상에 적가하여 스핀-코팅법을 사용하여 균일하게 도포하였다. 상기 블록킹층을 갖는 상기 다공성 TiO2 필름을 에탄올 내 0.5 mM 염료 (N 719, Solaronix, 스위스) 용액에 함침시킴으로써 감응시켰다. Pt 상대 전극은 H2PtCl6 용액 (이소프로필 용매 내 0.05 moldm-3)을 전도성 FTO 글래스 (30 분간 400℃에서 소결) 상에 스핀-코팅함으로써 제조되었다. 이후, 상기 고분자/양자점 전해질을 참고문헌 [P.K. Singh, K.W. Kim, H.W. Rhee, Electrochem. Commun. 10 (2008) 1769; A.F. Nogueira, J.R. Durrant, M.A. De Paoli, Adv. Mater. 13 (2001) 826.]에 기재된 2 단계의 캐스팅(casting) 방법에 따라 상기 감응된 TiO2 전극 상에 캐스팅하였다. 이에 따라 수득된 고분자/양자점 (maximum σ)을 포함하는 감응된 TiO2 전극 및 상대 전극을 굳게 클램핑하고 측정 전에 진공 건조시켰다.
4. 염료감응형 태양전지의 특성 분석
상기 고분자 전해질 필름의 이온 전도도(σ)는 주파수 범위 0.65 Hz ~ 65 kHz로 컴퓨터에 연결(coupled)된 Solartron bridge(SI 1287 및 1252 FRA)을 사용하여 측정되었다. 상기 전해질 필름의 표면 모폴로지는 탭핑 모드(tapping mode)에 서 작동되는 원자힘 현미경(AFM, atomic force microscopy, multimode nanoscope Ⅳ Digital Instruments, 캐나다)를 사용하여 수득하였다. CHI 600 일정전위기(potentiostat)가 pH 7에서 0.1 인산염 버퍼 용액 내에서의 순환전압전류법(cyclic voltammetry)을 위해 사용되었다. 염료감응형 태양전지 성능(J-V 곡선)은 솔라시뮬레이터(Solar simulator, Oriel 사, 91193)에 의해 시뮬레이션된 태양광 강도(100 mWcm-2) 하에서 Keithley 2400 소스 미터로 측정되었다.
(1) 전도도 측정
상기 양자점에 의해 도핑된 폴리에틸렌 옥사이드 전해질(QDPE) 필름 및 폴리에틸렌 옥사이드 전해질(PE) 필름의 실온 이온 전도도를 계산하기 위해 복합 임피던스 분광법(complex impedance spectroscopy)을 사용하였다. 하기 표 1 및 도 3을 참조하면, 계산값을 확인할 수 있다.
Figure 112009064861110-pat00001
표 1을 참조하면, 75 : 25 : 2.5의 조성을 갖는 호스트 고분자 전해질(양자점으로 도핑되지 않음)은 2.02 x 10-5 Scm-1의 σ값을 보여 주며, 이는 본래 PEO 고분자 필름의 σ값이 10-8 Scm-1 내지 10-9 Scm-1 내에 있는 것과 비교하여 훨씬 높은 값이다. 고분자 전해질 내로 양자점(QD)을 도핑하면, σ값은 증가되며, 20 중량% 양자점 농도에서는 1.92 x 10-4 Scm-1까지 도달하고, 이후에 감소한다. σ vs. 조성으로 나타낸 이러한 피킹(peaking)은 "이온성 도체-반도체 복합체"의 이온 전도도에 대한 일반적인 특징이며, 여기서 최대 전도도(피크)는 경계면 공간-전하 모델(interfacial space-charge model) [J. Maier, Prog. Solid State Chem. 23 (1995) 171.] 및 percolation threshold model [A. Bunde, W. Dieterich, E. Roman, Phys. Rev. Lett. 55 (1985) 5.]에 기반하여 설명될 수 있다.
(2) AFM 측정
도 4는 본원의 실시예에 따른 (a) 양자점(QD)으로 도핑되지 않은 고분자 전해질 필름, 및 (b) 양자점으로 도핑된 고분자 전해질 필름에 대한 2 차원 AFM 토폴로지를 보여 주는 탭핑 모드 AFM 사진으로서 상기 고분자 전해질 필름의 표면 특징에 대한 정보를 보여 주었다. 보다 상세하게는, 도 4는 [PEO : KI] 고분자 전해질 필름 및 [PEO : KI + 20% QD] 고분자 전해질 필름에 대한 2 차원 AFM 사진을 보여 준다. QD로 도핑되지 않은 고분자 전해질(PE) 모폴로지는 기공/크랙이 없는 상대적으로 평탄하고 연속적인 매트릭스를 보여 준다(도 4a 참조). QD로 도핑된 고분자 전해질 매트릭스(QDPE)에 대해 상세히 살펴 보면, 상기 QD 입자는 10 ~ 30 nm의 크기 분포를 보여 주며 고분자 전해질 매트릭스 내에 균일하게 분포되어 있음을 명확히 보여 준다(도 4b 참조). 이러한 결과는 고분자 매트릭스 내로 QD를 도핑하는 동안, 상기 고분자가 QD 주위를 랩핑하여 수득된 입자 크기가 순수한 QD(평균 크기 ~ 5.8 nm)의 크기와 비교하여 상대적으로 크다는 것으로부터 알 수 있다.
(3) 전기화학적 측정
QD-도핑 PEO : KI : I-2 필름뿐 아니라 본래 상태의 PEO : KI : I-2의 전기화학적 반응을 확인하기 위하여, 순환전압전류법 실험을 수행하였다. 도 5는 0.1 M 인산염 버퍼 용액 내에서 측정된 상기 고분자 전해질 필름들의 순환 전압 전류 곡선(cyclic voltammograms) 을 보여 주며, 50 mV/s의 스캔 속도로 양자점이 없는 경우(검은 실선) 및 양자점을 포함하는 경우(빨간 점선)의 고분자 전해질 필름의 순환 전압 전류 곡선을 나타내는 그래프이다. 상기 양자점이 없는 고분자 전해질 시스템(PE)은 각각 ΔE = 0.465 및 0.560 V을 중심으로 한 두 개의 명확한 산화환원 피크들(검은 실선)를 보여 준다. 이 피크들은 요오드화물(iodide) 및 요오드(iodine)으로부터 생성된 삼요오드화 음이온 (triiodide)의 형성을 나타낸다. 양자점의 존재 하에서는, 상기 고분자 전해질 시스템(QDPE)이 두 개의 피크를 보여 주나, 이들은 잘 분리되지 않는다. 흥미롭게도, 상기 양자점이 도핑된 고분자 전해질에서 관찰된 두 개의 산화환원 피크는 그 피크 위치에서 약 100 mV 양방향 이동 (positive shift)을 보여 준다. 피크 위치에서 이러한 이동은 양자점, 고분자 매트릭스 및 요오드화물/요오드 착체(complex) 사이의 상호 작용에 기인할 수 있다. 게다가, PEO 및 양자점이 스캔된 전기화학적 영역(scanned electrochemical window)에서 전기화학적으로 비활성임을 관찰하였다.
(4) 염료감응형 태양전지의 성능 평가
상기한 바와 같이 제조된 염료감응형 태양전지의 광전 성능 (photovoltaic performance; J-V 곡선)은 AM 1.5 G 필터를 갖는 솔라 시뮬레이터(Oriel 사, 1000W 제논 램프를 포함하는 91193 모델)로 시뮬레이션된 1 태양광 강도 (100 mWcm--2) 하에서 Keithley 2400 소스 미터로 측정되었다. 상기 태양광은 1 태양광 강도를 맞추기 위하여 KG5 필터를 갖는 결정성 Si 태양 전지로 조절되었다. 도 6은 본원의 실시예에 따른 100 mWcm-2 광 강도에서 (a) 양자점으로 도핑되지 않은 고분자 전해질 및 (b) 양자점으로 도핑된 고분자 전해질을 각각 포함하는 염료감응형 태양전지(DSSC)의 광전 곡선(photovoltaic curve)을 보여 주는 그래프로서, DSSC에 대한 광전류 밀도-전압 곡선이 제시된다. 양자점으로 도핑되지 않은 고분자 전해질을 포함하는 염료감응형 태양전지는 2.01 mA cm-2 단락광전류밀도(short-circuit current density, Jsc), 0.83 V의 개방 회로 전압(open circuit voltage, Voc) 및 0.63의 충진율(fill factor, FF)을 나타내었으며, 1.07%의 효율을 보여 주었다. 반면, 20% 중량비의 양자점으로 도핑된 고체 고분자 전해질(maximum σ)을 포함하는 염료감응형 태양전지는 5.87 mA cm-2 단락광전류밀도(short-circuit current density, Jsc), 0.71 V의 개방 회로 전압(open circuit voltage, Voc) 및 0.55의 충진율(fill factor, FF)을 가지며, 효율은 2.33%로서 향상된 값을 보여 주었다. 양자점으로 도핑된 고분자 전해질(QDPE) 시스템의 연속 저항은 양자점이 부존재하는 경우보다 높은 것을 확인할 수 있었다. 이는 Voc 값의 변화와 관계될 수 있다. 양자점을 도핑하는 것은 Jsc 값을 향상시키며 (2.01에서 5.87 mA cm-2로), 최종적으로 태양 전지 효율을 향상시킨다는 것을 알 수 있다. Jsc 값이 전하 캐리어(이온성 전도도)의 이동도(mobility)와 직접적으로 관계되고 양자점으로 도핑된 전해질(QDPE) 시스템에서 1 차수 더 큰 값을 나타내기 때문에, 상기 결과들은 본원의 전도도 데이터와 잘 일치함을 보여준다. 그러나 또한 빛의 일부가 양자점에 의해 흡수됨으로써 상기 향상된 Jsc 값에 기여할 수 있다.
요약하면, 고분자 전해질 매트릭스에 양자점(QD)을 도핑함으로써 안정하고, 전도성이 좋으며, 우수한 효율의 염료감응형 태양전지를 개발할 수 있다. AFM 측정에 의해 확인된 바로는, 상기 양자점은 전해질 내에 균일하게 분산되어 있다. 전도도 측정은 양자점에 의하여 제공되는 추가적인 전하로 인해 σ이 향상된다는 것을 보여 준다. 순환전압전류법은 산화/환원 반응과 관계된 두 개의 잘 분리된 피크를 보여 준다. 본원에 따른 최대 σ를 갖는 양자점으로 도핑된 고체 전해질을 적용하여 개발된 신규 염료감응형 태양전지는 2.33%의 높은 효율을 나타내며 이러한 효율은 양자점이 도핑되지 않은 종래 염료감응형 태양전지 경우의 효율(1.07)보다 훨씬 향상된 것이다. 이러한 광전지화학적 특성의 향상은 양자점으로 도핑된 고분자 전해질의 이온성 전도도의 향상 (~1 차수의 양)에 기인된다.
이상, 실시예를 들어 본원을 상세하게 설명하였으나, 본원은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 여러 가지 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본원의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함이 명백하다.
도 1은 본원의 실시예에 따른 양자점으로 도핑된 고분자 전해질을 이용한 염료감응형 태양전지(100)의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 2는 본원의 실시예에 따른 양자점으로 도핑된 고분자 전해질을 이용한 염료감응형 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고,
도 3은 본원의 실시예에 따른 고분자 전해질 내 양자점의 중량비에 따른 이온 전도도를 나타내는 그래프이고,
도 4는 본원의 실시예에 따른 (a) 양자점이 도핑되지 않은 고분자 전해질 필름, 및 (b) 양자점으로 도핑된 고분자 전해질 필름에 대한 2 차원 AFM 토폴로지를 보여 주는 사진이고,
도 5은 본원의 실시예에 따른 50 mV/s의 스캔 속도에서 양자점이 도핑되지 않은 고분자 전해질 필름 (검은 실선) 및 양자점으로 도핑된 고분자 전해질 필름 (빨간 점선)의 순환 전압 전류 곡선을 나타내는 그래프이며,
도 6은 본원의 실시예에 따른 100 mWcm-2 광 강도에서 (a) 양자점이 도핑되지 않은 경우의 고분자 전해질, 및 (b) 양자점으로 도핑된 고분자 전해질을 각각 포함하는 염료감응형 태양전지의 광전 곡선(photovoltaic curve)을 보여 주는 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 광전극
12: 제 1 기판
14: 금속산화물 반도체층
20: 상대 전극
22: 제 2 기판
24: 금속층
40: 고분자층
50: 전해질
52: 고분자 전해질
54: 양자점
100: 염료감응형 태양전지

Claims (15)

  1. 전해질용 고분자 및 상기 고분자 내에 도판트로서 분산된 양자점(quantum dot)을 포함하는, 양자점으로 도핑된 고분자 전해질.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 양자점은 II-VI족 화합물 반도체, II-V 화합물 반도체, III-VI족 화합물 반도체, III- V족 화합물 반도체, IV-VI 화합물 반도체, I-III-VI 화합물 반도체, II-IV-VI족 화합물 반도체, II-IV-V족 화합물 반도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 화합물 반도체를 포함하는 것인, 양자점으로 도핑된 고분자 전해질.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 양자점은 MgO, MgS, MgSe, MgTe, CaO, CaS, CaSe, CaTe, SrO, SrS, SrSe, SrTe, BaO, BaS, BaSe, BaTE, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, HgO, HgS, HgSe, HgTe, Al2O3, Al2S3, Al2Se3, Al2Te3, Ga2O3, Ga2S3, Ga2Se3, Ga2Te3, In2O3, In2S3, In2Se3, In2Te3, SiO2, GeO2, SnO2, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbO2, PbS, PbSe, PbTe, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, BP, Si, Ge, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 화합물 반도체를 포함하는 것인, 양자점으로 도핑된 고분자 전해질.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 양자점이 코어/쉘 구조를 갖는 것인, 양자점으로 도핑된 고분자 전해질.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 양자점의 코어 및 쉘은 각각 II-VI족 화합물 반도체, II-V 화합물 반도체, III-VI족 화합물 반도체, III- V족 화합물 반도체, IV-VI 화합물 반도체, I-III-VI 화합물 반도체, II-IV-VI족 화합물 반도체, II-IV-V족 화합물 반도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 화합물 반도체를 포함하는 것인, 양자점으로 도핑된 고분자 전해질.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 양자점의 코어 및 쉘은 각각 II-VI족 화합물 반도체를 포함하는 것인, 양자점으로 도핑된 고분자 전해질.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질용 고분자는 폴리에틸렌옥사이드(poly(ethylene oxide): PEO), 폴리비닐리덴 플루오라이드 (poly(vinylidene fluoride): PVDF), 폴리에틸렌글리콜(poly(ethylene glycol): PEG), 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 고분자를 포함하는 것인, 양자점으로 도핑된 고분자 전해질.
  8. 제 1 항에 있어서,
    산화환원쌍(redox couple)을 추가 포함하는, 양자점으로 도핑된 고분자 전해질.
  9. 전도성 제 1 기판, 상기 제 1 기판 상에 형성된 금속산화물 반도체층, 및 상기 금속산화물 반도체층에 흡착된 염료를 포함하는 광전극;
    전도성 제 2 기판 및 상기 제 2 기판 상에 형성된 금속층을 포함하는 상대 전극; 및
    상기 광전극과 상기 상대 전극과의 사이에 개재되어 있는 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 양자점으로 도핑된 고분자 전해질을 포함하는, 염료감응형 태양전지.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 양자점으로 도핑된 고분자 전해질은 젤형 또는 고체형인, 염료감응형 태양전지.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 기판 및 제 2 기판은 각각 ITO(indium tin oxide), FTO (fluorine-doped tin oxide), 표면에 SnO2가 코팅되어 있는 유리 기판, 또는 전도성 고분자 기판인, 염료감응형 태양전지.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 금속산화물 반도체층은 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO), 또는 이들의 조합을 포함하는 것인, 염료감응형 태양전지.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 양자점으로 도핑된 고분자 전해질은 요오드계 산화환원쌍을 포함하는 것인, 염료감응형 태양전지.
  14. 하기를 포함하는, 양자점으로 도핑된 고분자 전해질을 이용한 염료감응형 태양전지의 제조방법:
    전도성 제 1 기판 상에 금속산화물 반도체층을 형성하고, 상기 금속산화물 반도체층에 염료를 흡착시켜 광전극을 준비하고;
    전도성 제 2 기판 상에 금속층을 형성하여 상대 전극을 준비하고;
    상기 광전극의 염료가 흡착된 금속산화물 반도체층과 상기 상대 전극의 금속층이 소정 공간을 사이에 두고 상호 대향하도록 상기 광전극 및 상기 상대 전극을 정렬하고;
    제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 양자점으로 도핑된 고분자 전해질을 상기 광전극과 상기 상대 전극과의 사이의 소정 공간 내에 주입함.
  15. 하기를 포함하는, 양자점으로 도핑된 고분자 전해질을 이용한 염료감응형 태양전지의 제조방법:
    전도성 제 1 기판 상에 금속산화물 반도체층을 형성하고, 상기 금속산화물 반도체층에 염료를 흡착시켜 광전극을 준비하고;
    상기 광전극의 염료가 흡착된 금속산화물 반도체층 상에 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 양자점으로 도핑된 고분자 전해질의 막을 형성하고;
    전도성 제 2 기판 상에 금속층을 형성하여 상대 전극을 준비하고;
    상기 광전극의 염료가 흡착된 금속산화물 반도체층 상에 형성된 양자점으로 도핑된 고분자 전해질 막과 상기 상대 전극의 금속층을 접촉시키고 상기 광전극과 상기 상대전극을 고정시킴.
KR1020090100911A 2009-10-22 2009-10-22 양자점으로 도핑된 고분자 전해질 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지 KR101136942B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090100911A KR101136942B1 (ko) 2009-10-22 2009-10-22 양자점으로 도핑된 고분자 전해질 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090100911A KR101136942B1 (ko) 2009-10-22 2009-10-22 양자점으로 도핑된 고분자 전해질 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20110044089A KR20110044089A (ko) 2011-04-28
KR101136942B1 true KR101136942B1 (ko) 2012-04-20

Family

ID=44049009

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020090100911A KR101136942B1 (ko) 2009-10-22 2009-10-22 양자점으로 도핑된 고분자 전해질 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101136942B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101382441B1 (ko) 2012-07-26 2014-04-09 한국과학기술원 이동 양자점을 매개체로 이용한 염료 감응형 태양전지
KR101388598B1 (ko) 2012-07-27 2014-04-24 포항공과대학교 산학협력단 다공성 고분자 박막으로 도포된 금속산화물 반도체전극 및 이를 이용한 염료감응 태양전지의 제조 방법

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103560009B (zh) * 2013-09-24 2017-02-08 石家庄铁道大学 多级孔TiO2/量子点/染料叠层薄膜太阳能电池光阳极及其制备方法
CN105086992B (zh) * 2015-06-26 2018-07-03 中翰盛泰生物技术股份有限公司 一种量子点荧光微球的制备方法
KR20180082183A (ko) * 2017-01-10 2018-07-18 한양대학교 산학협력단 전도성 전극, 이를 포함하는 양자점 태양전지, 이를 포함하는 물 분해 수소발생장치 및 이의 제조방법

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100682928B1 (ko) 2005-02-03 2007-02-15 삼성전자주식회사 양자점 화합물을 포함하는 에너지 변환막 및 양자점 박막
KR100825730B1 (ko) 2006-09-28 2008-04-29 한국전자통신연구원 전도성 입자가 분산된 고분자 전해질을 포함하는 염료감응태양전지 및 그 제조 방법
KR100934732B1 (ko) 2007-06-01 2009-12-30 한국기계연구원 양자점을 이용한 태양전지 및 이의 제조방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100682928B1 (ko) 2005-02-03 2007-02-15 삼성전자주식회사 양자점 화합물을 포함하는 에너지 변환막 및 양자점 박막
KR100825730B1 (ko) 2006-09-28 2008-04-29 한국전자통신연구원 전도성 입자가 분산된 고분자 전해질을 포함하는 염료감응태양전지 및 그 제조 방법
KR100934732B1 (ko) 2007-06-01 2009-12-30 한국기계연구원 양자점을 이용한 태양전지 및 이의 제조방법

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101382441B1 (ko) 2012-07-26 2014-04-09 한국과학기술원 이동 양자점을 매개체로 이용한 염료 감응형 태양전지
KR101388598B1 (ko) 2012-07-27 2014-04-24 포항공과대학교 산학협력단 다공성 고분자 박막으로 도포된 금속산화물 반도체전극 및 이를 이용한 염료감응 태양전지의 제조 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20110044089A (ko) 2011-04-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Nogueira et al. Polymers in dye sensitized solar cells: overview and perspectives
Wu et al. Gel polymer electrolyte based on poly (acrylonitrile-co-styrene) and a novel organic iodide salt for quasi-solid state dye-sensitized solar cell
Biancardo et al. Quasi-solid-state dye-sensitized solar cells: Pt and PEDOT: PSS counter electrodes applied to gel electrolyte assemblies
KR100540157B1 (ko) 복합 고분자 전해질을 포함하는 고체상 염료감응 태양전지
KR101166018B1 (ko) 대향전극의 표면개질방법 및 표면개질된 대향전극
KR101381873B1 (ko) 고분자 젤 전해질 조성물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지
KR100825730B1 (ko) 전도성 입자가 분산된 고분자 전해질을 포함하는 염료감응태양전지 및 그 제조 방법
KR100637421B1 (ko) 다공성 멤브레인을 이용한 고체 염료감응형 태양전지 및그 제조방법
KR20060030574A (ko) 염료감응 태양전지용 고효율 대향전극 및 그 제조방법
Lim et al. Photovoltaic performance of dye-sensitized solar cells assembled by in-situ chemical cross-linking
KR101635758B1 (ko) 감광성 염료 용액, 이를 이용해서 제조된 염료감응 태양전지의 광전극, 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지
Chang et al. Preparation of nano-composite gel electrolytes with metal oxide additives for dye-sensitized solar cells
Lee et al. A photo-physical and electrochemical impedance spectroscopy study on the quasi-solid state dye-sensitized solar cells based on poly (vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)
KR101136942B1 (ko) 양자점으로 도핑된 고분자 전해질 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지
Lan et al. Influence of ionic additives NaI/I2 on the properties of polymer gel electrolyte and performance of quasi-solid-state dye-sensitized solar cells
Dissanayake et al. Efficiency enhancement by mixed cation effect in polyethylene oxide (PEO)-based dye-sensitized solar cells
Li et al. A novel polymer quaternary ammonium iodide and application in quasi-solid-state dye-sensitized solar cells
Venkatesan et al. Quasi-solid-state composite electrolytes with Al2O3 and ZnO nanofillers for dye-sensitized solar cells
Lee et al. High efficiency quasi-solid-state dye-sensitized solar cell based on polyvinyidene fluoride-co-hexafluoro propylene containing propylene carbonate and acetonitrile as plasticizers
Kushwaha et al. Ionic liquid integrated polyethylene glycol (PEG)-based quasi-solid electrolyte for efficiency enhancement of dye-sensitized solar cell
Kang et al. A new ionic liquid for a redox electrolyte of dye‐sensitized solar cells
Singh et al. Quantum dot doped solid polymer electrolyte for device application
KR20150089689A (ko) 염료감응형 태양전지용 전해질 용액 및 이를 포함하는 염료감응형 태양전지
KR101044338B1 (ko) 염료 및 다원자음이온이 흡착된 나노 산화물층을 포함한 음극계 전극을 포함하는 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법
Lan et al. A highly efficient electric additive for enhancing photovoltaic performance of dye-sensitized solar cells

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160407

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170330

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180416

Year of fee payment: 7

LAPS Lapse due to unpaid annual fee