KR101205922B1 - 루테늄 착화합물 및 이를 포함하는 염료 감응형 태양전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 루테늄 착화합물 및 이를 포함하는 염료 감응형 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 새로운 구조를 갖는 신규한 루테늄 착화합물 및 이를 염료로서 포함하는 염료 감응형 태양전지에 관한 것이다.
본 발명의 루테늄 착화합물 및 이를 포함하는 염료 감응형 태양전지는 화합물 내부의 콘쥬게이션(conjugation)을 증가시켜 구조적인 안정성을 높이고, 전자 재조합율을 증가시킴으로써 염료 감응 태양전지의 염료로써 효율적으로 도입이 가능하다. 본 발명의 루테늄 착화합물을 이용하여 광전 소자를 제조하는 경우, 효율이 높은 광전 소자의 제조가 가능한 장점이 있다.

Description

루테늄 착화합물 및 이를 포함하는 염료 감응형 태양전지{Ruthenium Complex Compound And Dye-sensitized Solar Cells Comprising The Same}

본 발명은 루테늄 착화합물 및 이를 포함하는 염료 감응형 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 새로운 구조를 갖는 신규한 루테늄 착화합물 및 이를 염료로서 포함하는 염료 감응형 태양전지에 관한 것이다.

최근 세계적으로 한정적인 에너지 자원 문제와 원유가격의 급등, 가스 배출과 온실 가스 등과 같은 환경 문제 등의 이유로 신재생에너지 개발 및 상용화가 절실한 상황이다. 미래 신재생에너지 중 무한한 태양빛을 에너지원으로 하는 환경 친화적인 태양전지의 중요성이 더욱 부각되고 있다. 현재 전 세계적으로 다양한 종류의 태양전지가 개발되어 있으며, 이중 상용화되어 가장 널리 사용되는 것이 실리콘계 태양전지이다. 그러나 실리콘계 태양전지는 대형의 고가제조장비, 실리콘 원료 가격 및 설치장소의 한계로 인해 실질적인 대체 에너지원으로의 경제성이 미진한 실정이다. 태양전지의 대규모 상용화를 위한 방안으로 고효율화와 저가화의 두 가지 기본 방향이 있다. 이중 저가화는 전지의 제조 단가를 낮추어 초기 설치 투자비부담을 줄이는 방향으로써 광합성 원리를 이용한 염료 감응형 태양전지가 이에 해당된다.

염료 감응 태양전지는 실리콘 태양 전지와는 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 광전기 화학적 태양전지이다. 지금까지 알려진 염료 감응 태양전지 중 대표적인 예로는 1991년 스위스의 그라첼에 의해 발표된 것이 알려져 있다. 이 전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비하여 전력당 제조원가가 저렴하기 때문에 기존의 태양전지를 대체할 수 있는 기능성이 있다는 점에서 주목을 받아왔다.

염료 감응형 태양전지에서 염료는 전지의 효율에 결정적인 영향을 미치는 중요한 요소이며, 다음과 같은 조건을 갖추어야 한다. 첫째 가시광선 전 영역의 빛을 흡수할 수 있어야 하며, 둘째 나노 산화물 표면과 견고한 화학결합을 이루고 있어야하며, 셋째 열 및 광학적 안정성을 지니고 있어야 한다. 특히, 루테늄 폴리피리딜 화합물들은 분자로부터 빛을 효율적으로 얻어낼 수 있는 물질로서 많이 알려져 있으며, 연료 감응형 태양전지(DSSC, Dye-sensitized Solar Cells)에 적용하기 위한 많은 연구들이 이루어지고 있다. 대표적으로 스위스의 그라첼의 연구소는 오랜 기간에 걸쳐 루테늄 금속착물을 이용하여 염료 감응형 태양전지의 연구를 진행하여 왔으며, 현재까지 11.04%로 가장 효율적인 염료로 알려진 N719 염료로 제조된 염료 감응형 태양 전지를 발표하였다. N719 염료의 구조는 하기 화학식 5와 같다.

또한, 많은 연구들이 염료의 안정성을 증가 시키고자, 리간드 자체의 안정성을 증가시키는데 주목하게 되었다. 이러한 연구들에서 오쏘-페난트로린 리간드가 비피리딘 리간드와 유사한 성향을 보이지만, 구조적으로 좀 더 고정된다는 장점을 가지기 때문에 염료로써 효율성을 보일 것이라 예상하고, 지속적인 연구가 진행되어지고 있는 실정이다.

한편, 비피리딘 리간드 대신 오쏘-페난트로린 리간드를 이용한 하기 화학식 6의 착화합물 염료가 보고되었다.

그러나, 여전히 구조적으로 안정하고 효율이 좋은 염료용 화합물을 개발하고자 하는 요구가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 화합물 내부의 콘쥬케이션(conjugation)을 증가시켜 구조적 안정성을 높이고, 전자 재조합율을 증가시킨 신규한 루테늄 착화합물을 제공하고, 효율적인 염료로써 본 발명의 루테늄 착화합물을 포함하는 염료 감응형 태양전지를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 해결하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 루테늄 착화합물을 제공한다.

A는 카르복시기나 그의 염, 또는 -C=C-로 연결된 카르복시기나 그의 염이고,

B는 -C=C-로 연결된 카르복시기나 그의 염이고,

n은 0 내지 2의 정수이고,

상기 n이 0인 경우, 비피리딘 유도체 리간드에 치환된 A는 서로 각각 다를 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적으로는 본 발명의 루테늄 착화합물을 염료로써 포함하는 염료 감응 태양전지를 제공하는데 있다.

본 발명의 루테늄 착화합물 및 이를 포함하는 염료 감응형 태양전지는 화합물 내부의 콘쥬게이션(conjugation)을 증가시켜 구조적인 안정성을 높이고, 전자 재조합율을 증가시킴으로써 염료 감응 태양전지의 염료로써 효율적으로 도입이 가능하다. 본 발명의 루테늄 착화합물을 이용하여 광전 소자를 제조하는 경우, 효율이 높은 광전 소자의 제조가 가능한 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예의 UV-Vis 흡수 스펙트럼 결과이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예의 전류효율(I)-바이어스 전압(V)의 그래프이다.
도 3은 일반적인 염료감응 태양전지의 기본적인 구조를 나타낸다.

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 루테늄 착화합물을 제공한다.

<화학식 1>

상기 식에서,

A는 카르복시기나 그의 염, 또는 -C=C-로 연결된 카르복시기나 그의 염이고,

B는 -C=C-로 연결된 카르복시기나 그의 염이고,

n은 0 내지 2의 정수이고,

상기 n이 0인 경우, 비피리딘 유도체 리간드에 치환된 A는 서로 각각 다를 수 있다.

여기서, 상기 화학식 1은 Ru(L₁)_2-n(L₂)_n(NCS)₂로도 나타낼 수 있으며,

이때, 상기 L₁은 비피리딘 유도체 리간드로,

를 나타낸 것이며,

상기 L₂는 오쏘-페난트로린 유도체 리간드로,

를 나타낸 것이다.

이때, 비피리딘 유도체 리간드는 상기 A가 카르복실기 또는 -C=C-로 연결된 카르복실기인 하기 화학식 2 또는 화학식 3으로부터 선택된 것인 것이 바람직하다.

또한, 오쏘-페난트로린 유도체 리간드는 상기 B가 -C=C-로 연결된 카르복실기인 하기 화학식 4인 것이 바람직하다.

상기 화학식 1의 루테늄 착화합물은 하기 화학식 7 내지 화학식 10으로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다.

본 발명에서, 상기 화합물은 카르복실기가 염의 형태로 존재하는 염일 수 있고, 보다 바람직하게는 알칼리 금속염 또는 4차 암모늄염일 수 있다.

본 발명에서 화학식 1의 루테늄 착화합물은 다양한 형태의 방법을 통해서 제조하는 것이 가능하며, 일반적인 착화합물의 제조방법이면 제한없이 사용가능하다. 바람직하게는 루테늄 착화합물 제조방법으로서, 오쏘-페난트로닌 리간드 또는 비피리딘 리간드를 합성하는 단계; 및 질소 분위기 하에서 중심금속 루테늄을 함유하는 화합물과 상기 합성된 리간드를 반응시켜서, 화학식 1의 루테늄 착화합물을 합성하는 단계를 포함하는 루테늄 착화합물 제조방법이다.

이때, 상기 루테늄 착화합물 제조방법은 광조사에 의한 이성질화를 방지하기 위하여 반드시 어둠 속에서 수행되어야 한다.

일예로, 본 발명의 리간드는 하기 반응식 1에서 반응식 3의 반응 경로에 따라 합성될 수 있다.

[반응식 1]

[반응식 2]

[반응식 3]

일예로, 본 발명의 루테늄 착화합물은 하기 반응식 4 및 5의 반응 경로에 따라 합성될 수 있다.

[반응식 4]

<화학식 7>

[반응식 5]

먼저, 화학식 11의 화합물을 제조하기 위해, 반응식 1에 나타낸 것과 같이 트리페닐포스핀(PPh₃)과 메틸 브로모아세테이트를 비티히 반응(Wittig reaction)으로 반응시키고, 50% 소듐하이드록사이드(NaOH)로 처리하였다.

비티히 반응은 알데하이드 또는 케톤과 알킬 할라이드가 탄소-탄소 이중결합으로 결합되는 반응으로서, 생성물에 있어 이중결합을 원하는 위치에 도입할 수 있게 하는 반응이다.

두 번째로, 반응식 2와 반응식 3에 나타낸 것과 같이, 4,7-디메틸-1,10-페난트로린과 4,4’-디메틸-2,2’-비피리딘을 각각 셀레늄다이옥사이드(SeO₂)와 반응시켜 각각 4,7-디포르밀-1,10-페난트로린과 4,4’-디포르밀-2,2’-비피리딘을 제조하였고, 상기 4,7-디포르밀-1,10-페난트로린과 상기 4,4’-디포르밀-2,2’-비피리딘을 각각 반응식 1에서 제조된 화학식 11의 화합물과 반응시켜 각각 화학식 12 리간드와 화학식 13의 리간드를 제조하였다.

세 번째로, 반응식 4에 나타낸 것과 같이, 디클로로(파라-사이멘)루테늄(II)다이머와 상기 화학식 12의 리간드를 디메틸 포름아미드(DMF)에 용해시킨 후, 질소 분위기하에서 140 내지 160℃에서 4시간 동안 환류 교반하였다. 이후, 온도를 유지하면서 과량의 암모늄티오시아네이트를 반응용기 내에 첨가하고 4시간 동안 환류 교반하여 화학식 7의 루테늄 착물을 제조하였다. 이러한 과정들은 광조사(light illumination)에 의한 이성질화를 방지하기 위해 반드시 어둠 속에서 수행되어야 한다.

반응식 5에 나타낸 것과 같이, 디클로로(파라-사이멘)루테늄(II)다이머와 상기 화학식 13의 리간드를 디메틸 포름아미드(DMF)에 용해시킨 후, 질소 분위기하에서 60 내지 100℃에서 4시간 동안 환류 교반하였다. 이어서, 4,4’-디카르복실산-2,2’-비피리딘를 반응 용기에 첨가하여 다시 140 내지 160℃에서 4시간 동안 환류 교반하였다. 이후, 온도를 유지하면서 과량의 암모늄티오시아네이트를 반응용기 내에 첨가하고 4시간 동안 환류 교반하여 화학식 8의 루테늄 착물을 제조하였다. 이러한 과정들은 광조사(light illumination)에 의한 이성질화를 방지하기 위해 반드시 어둠 속에서 수행되어야 한다. 화학식 9 및 화학식 10의 루테늄 착화합물은 반응식 5에 준해서 제조하였다.

또한, 본 발명의 루테늄 착화합물을 염료로써 포함하는 염료 감응 태양전지를 제공한다. 염료 감응 태양전지는 도 3에 나타낸 바와 같이, 포토 애노드층(15), 전해질층(14), 캐소드(16)를 포함한다. 상기 포토 애노드층(15)는 투명전극(10), 광흡수층(13)으로 구성되어지며, 상기 광흡수층(13)은 금속산화물(11) 및 염료(12)를 포함한다. 이때, 본 발명의 루테늄 착화합물은 광흡수층의 일 성분인 염료로써 포함될 수 있다.

이하 실시예 및 시험예를 통해 본 발명의 제조방법을 상세히 설명한다. 그러나 이러한 실시예 및 시험예는 단지 상세히 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예 및 시험예에 의해 제한되는 것은 아니다.

실시예 1: <화학식 11> 화합물의 합성

트리페닐포스핀(18 g, 68.6 mmol)을 에틸아세테이트에 용해시킨 후, 메틸 브로모아세테이트(6.5 mL, 68.6 mmol)를 가하고 12시간 동안 환류 교반시켰다. 반응 혼합물을 실온으로 식힌 후, 여과한다. 얻어진 고체를 30 mL 디에틸에테르로 세척하고 진공으로 건조시킨 후, 증류수 20 mL에 용해시킨다. 그 후, 50% 소듐하이드록사이드를 가하여 pH 8로 맞추었다. 반응 혼합물을 여과한 후, 얻어진 고체를 30 mL 증류수로 세척하고 진공으로 건조시킨 후, 화학식 11 화합물의 흰색 고체를 얻었다. 상기 화학식 11의 화합물의 구조는 NMR 및 IR 스펙트럼 분석을 통해 확인하였다.

¹H-NMR(400 MHz, CDCl₃) : δ 7.68-7.43 (m, 15H), 3.51 (s, 3H) (CH 피크는 보이지 않음);

¹³C-NMR(100 MHz, CDCl₃) : δ 171.6 (d, J = 12.4 Hz, 1C), 132.9 (d, J = 10.3 Hz, 6C), 131.9 (d, J = 2.5 Hz, 3C), 128.7 (d, J = 12.0 Hz, 6C), 127.7 (d, J = 91.4 Hz, 3C), 49.7 (s, 1C), 12.8 (d, J = 126.2 Hz, 1C);

IR(KBr) : 3059, 2961, 2943, 2843, 1616, 1437, 1344, 1120, 1103 cm^-1

실시예 2: <화학식 12> 리간드의 합성

4,7-디메틸-1,10-페난트로린(1.0 g, 5.0 mmol)과 셀레늄다이옥사이드(2.2 g, 20 mmol)를 부피비로 4%의 증류수를 포함하고 있는 다이옥세인(40 mL)에 용해시킨 후, 1시간 동안 환류 교반하였다. 이후, 뜨거운 상태의 혼합물을 셀라이트를 채운 소결 유리 여과기(sintered glass filter)를 통해 걸렀다. 얻어진 여액을 12시간 동안 냉장 보관하였다. 이후, 반응 혼합물의 온도를 실온에서 올린 후, 여과하였다. 얻어진 고체를 테트라하이드로퓨란으로 세척하고 진공으로 건조시켜 연한 노란색의 고체를 얻었다. 4,7-디포르밀-1,10-페난트로린(472 mg, 2.0 mmol)과 화학식 11의 화합물(2.0 g, 6 mmol)을 톨루엔(40 mL)에 용해시킨 후, 18시간 동안 환류 교반하였다. 상기 반응의 종료 후, 회전 증발기로 용매를 제거한 후, 얻어진 혼합물은 속성 크로마토그래피법을 이용하여 순수한 연한 노란색 고체를 얻을 수 있었다. 이를 메탄올에 용해시키고, 여기에 1 노르말 소듐하이드록사이드를 가한 후, 50 ^oC에서 4시간 동안 교반하였다. 이후, 1 노르말 염산을 사용하여 용액의 산도를 pH 3.5로 낮춰주었다. 이후, 4시간 동안 냉장 보관하고, 반응 혼합물의 온도를 실온에서 올린 후, 여과하였다. 얻어진 고체를 물로 세척하고 진공으로 건조시켜 화학식 12 리간드를 얻었다. 상기 얻어진 화학식 12 리간드의 구조를 NMR 및 IR의 스펙트럼 분석을 통해 확인하였다.

¹H-NMR(400 MHz, DMSO-d₆):δ 9.04 (d, J = 4.4 Hz, 2H), 8.27 (d, J = 15.9 Hz, 2H), 8.17 (s, 2H), 8.01 (d, J = 4.4 Hz, 2H), 6.80(d, J = 15.9 Hz, 2H);

¹³C-NMR(100 MHz, DMSO-d₆):δ 166.5, 148.1, 143.4, 140.4, 136.2, 128.9, 126.3, 123.4, 122.1;

IR(KBr):broad 3300-2500, 3128, 1735, 1676, 1643, 1326, 1194, 1174 cm^-1.

실시예 3 : <화학식 7> 루테늄 착화합물의 합성

질소 분위기하에서, 디클로로(파라-사이멘)루테늄(II)다이머(77mg,0.125mmol)과 화학식 12의 리간드(160 mg, 0.5 mmol)를 디메틸 포름아미드(DMF)에 용해시킨 후, 150 ^oC에서 4시간 동안 환류 교반하였다. 이후, 암모늄티오시아네이트(618 mg, 8.12 mmol)를 혼합용기 내에 첨가하였고, 4시간 동안 환류 교반하였다. 상기 이러한 과정들은 광조사(light illumination)에 의한 이성질화를 방지하기 위해 반드시 어둠 속에서 수행되어야 한다. 이후, 실온에서 혼합물의 온도를 낮추고, 회전 증발기를 이용하여 용매를 제거하였다. 이후, 상기 생성물을 메탄올에 용해 시켰고, Sephadex LH-20 컬럼에서 메탄올을 이용하여 용리, 유리 및 정제하였다. 이후 회전 증발기를 이용하여 용매를 제거하고, 5 mL증류수로 녹인 후, 0.5 몰농도의 질산 수용액을 첨가하여 pH 3.5로 낮춰주었다. 이를 냉장고에서 12시간 동안 보관하고, 이후 소결 유리 여과기(sintered glass filter)를 통해 고체 생성물을 얻었다. 이를 pH 3.5의 질산 수용액으로 세척한 후, 건조하였다. 상기 얻어진 화학식 7의 류테늄 착화합물의 NMR과 UV-Vis 스펙트럼은 염 형태의 착화합물을 이용하여 수행하였다.

¹H-NMR(400 MHz, DMSO-d₆) : δ 9.64 (d, J = 5.1 Hz, 1H), 8.72-8.66 (m, 2H), 8.54-8.49 (m, 2H), 8.21 (d, J = 14.9 Hz, 1H), 7.84 (d, J = 4.9 Hz, 1H), 7.69 (d, J = 4.9 Hz, 1H), 7.19 (d, 14.9 Hz, 1H), 6.76 (d, J = 14.9 Hz, 1H), 3.50 (m, 6H), 1.54 (m, 6H), 1.28 (q, 7.2 Hz, 6H), 0.91 (t, 7.2 Hz, 9H);

UV (MeOH) : 305, 384, 527 nm.

실시예 4: <화학식 13> 리간드의 합성

4,4’-디메틸-2,2’-비피리딘(1.8 g, 10 mmol)과 셀레늄다이옥사이드(5.3 g, 48 mmol)를 다이옥세인(40 mL)에 용해시킨 후, 이틀 동안 환류 교반시켰다. 이후, 뜨거운 상태의 혼합물을 셀라이트를 채운 소결 유리 여과기(sintered flass filter)를 통해 걸렀다. 얻어진 여액을 12시간 동안 냉장 보관하였다. 이후, 반응 혼합물의 온도를 실온에서 올린 후, 여과하였다. 얻어진 고체를 테트라하이드로퓨란으로 세척하고 진공으로 건조시켜 연한 노란색의 고체를 얻었다. 4,4’-디포르밀-2,2’-비피리딘(424 mg, 2.0 mmol)과 화학식 11의 화합물(2.0 g, 6 mmol)을 톨루엔(40 mL)에 용해시킨 후, 18시간 동안 환류 교반하였다. 상기 반응의 종료 후, 회전 증발기로 용매를 제거한 후, 실리카 겔을 채운 소결 유리 여과기(sintered glass filter)를 통해 걸렀다. 이후, 회전 증발기로 용매를 제거한 후 얻어진 혼합물은 속성 크로마토그래피법을 이용하여 순수한 연한 노란색 고체를 얻을 수 있었다. 이를 메탄올에 용해시키고, 여기에 1 노르말 소듐하이드록사이드를 가한 후, 50 ^oC에서 4시간 동안 교반한다. 이후, 1 노르말 염산을 사용하여 용액의 산도를 pH 3.5로 낮춰준다. 이후, 4시간 동안 냉장 보관하고, 반응 혼합물의 온도를 실온에서 올린 후, 여과한다. 얻어진 고체를 물로 세척하고 진공으로 건조시켜 화학식 13의 리간드를 얻었다. 화학식 13 리간드의 구조 확인은 NMR 용매에 잘 녹지 않아 소듐염의 형태로 변환시켜 NMR을 수행하였다.

¹H-NMR(400 MHz, DMSO-d₆/D₂O : ８/２) :δ 8.59 (d, J = 5.0 Hz, 2H), 8.26 (s, 2H), 7.57 (d, J = 5.0 Hz, 2H), 7.20 (d, J = 16.0 Hz, 2H), 6.67(d, J = 16.0 Hz, 2H);

¹³C-NMR(100 MHz, DMSO-d₆/D₂O : 8/2) : δ 172.6, 156.4, 151.0, 146.2, 136.3, 133.3, 123.4, 120.2;

IR(KBr):broad 3400-2450, 3078, 3039, 1712, 1597, 1315, 1218, 1189 cm^-1.

실시예 5: <화학식 8> 루테늄 착화합물의 합성

질소 분위기하에서, 디클로로(파라-사이멘)루테늄(II)다이머(92 mg, 0.15 mmol)과 화학식 13의 리간드(88 mg, 0.3 mmol)를 디메틸 포름아미드(DMF)에 용해시킨다. 이후, 80 ^oC에서 4시간 동안 환류 교반하였다. 이어서, 4,4’-디카르복실산-2,2’-비피리딘(73 mg, 0.3 mmol)을 반응용기에 첨가하였고, 150 ^oC에서 다시 4시간 동안 환류 교반하였다. 이후, 암모늄티오시아네이트(742 mg, 9.75 mmol)를 혼합용기 내에 첨가하였고, 4시간 동안 환류 교반하였다. 상기 이러한 과정들은 광조사(light illumination)에 의한 이성질화를 방지하기 위해 반드시 어둠 속에서 수행되어야 한다. 이후, 실온에서 혼합물의 온도를 낮추고, 회전 증발기를 이용하여 용매를 제거하였다. 이후, 상기 생성물을 메탄올에 용해 시켰고, Sephadex LH-20 컬럼에서 메탄올을 이용하여 용리, 유리 및 정제하였다. 이후 회전 증발기를 이용하여 용매를 제거하고, 5 mL증류수로 녹인 후, 0.5 몰농도의 질산 수용액을 첨가하여 pH 3.5로 낮춰주었다. 이를 냉장고에서 12시간 동안 보관하고, 이후 소결 유리 여과기(sintered glass filter)를 통해 고체 생성물을 얻었다. 이를 pH 3.5의 질산 수용액으로 세척한 후, 건조하였다. NMR과 UV-Vis 스펙트럼은 염 형태의 착화합물을 이용하여 수행되었다.

¹H-NMR(400 MHz, DMSO) : δ 9.31 (d, J = 5.5 Hz, 1H), 9.25 (d, J = 5.5 Hz, 1H), 9.16 (s, 1H), 9.10 (s, 1H), 8.99 (s, 1H), 8.94 (s, 1H), 8.24 (t, J = 6.5 Hz, 2H), 7.81 (d, J = 16.0 Hz, 1H), 7.72-7.43 (m, 5H), 7.22 (d, J = 16.0 Hz, 1H), 6.99 (d, J = 16.0 Hz, 1H), 3.16 (m, 8H), 1.56 (m, 8H), 1.30(q, J = 7.1 Hz, 8H), 0.93 (t, J = 7.1 Hz, 12H);

UV (MeOH) : 308, 399, 536 nm.

시험예 1: UV-Vis 스펙트럼

상기 실시예 3으로부터 합성한 루테늄 착화합물(화학식 7) 염료의 흡수 특성을 조사하기 위하여 상기 화학식 7의 루테늄 착화합물 염료 및 N719 염료에 메탄올을 용매로 사용하여 5.0×10^-6M의 농도를 가진 염료액으로 제조하였다. 상기 제조된 염료액을 UV-Vis spectroscopy(Sinco Co.(S-3100))로 흡광도를 측정하여 그 결과를 도 1에 도시하였다. 이 때, N719 염료를 비교예로 하여 실험을 진행하였다. 도 1의 결과로부터, 본 발명에 의한 염료와 기존의 염료인 N719와 유사한 흡수 세기와 흡수 영역을 갖고 있음을 알 수 있었다.

시험예 2: 염료 감응형 태양전지의 제조 및 실험

본 발명의 루테늄 착화합물 염료를 부탄올과 아세토니트릴을 1:1 부피비로 섞은 혼합 용매에 0.3 mM 농도로 용해시켰다. 상기 용액에 TiO₂나노 결정 입자를 포함하는 전극을 24시간 동안 침적한 후 건조시켜 루테늄 착화합물 염료가 상기 전극의 TiO₂나노 결정 입자에 흡착되도록 하였다. 그 다음 상기 전극은 상대 전극인 카본/인듐틴 옥사이드(Indium Tin Oxide; ITO)로 코팅되고 밀봉되었다. 이후, 산화-환원 전해액이 이에 주입되었고, 주입구가 에폭시로 밀봉되어 유효면적이 0.38 cm²인 염료 감응형 태양 전지를 제조하였다. 상기 전해질 용액은 0.05 M I₂,0.5MLiI및 0.5 M 4-tert-부틸 피리딘(TBP)으로 이루어진 아세토니트릴 용액을 사용하였다. 광원으로는 제논 램프(Xenon lamp, Oriel, 6225)를 사용하였으며, 상기 제조된 염료 감응형 태양 전지의 개회로 전압(Open circuit voltage)(V_oc), 단락 전류(short circuit voltage)(J_sc), 충진계수(fill factor, FF) 및 광전변환효율(η)을 자극광의 조도 AM 1.5G에서 측정하였다.

상기 염료 감응 태양전지에 대한 실험 결과는 하기 표 1에 나타내었다.

염료		개회로 전압(Voc) (V)	단락 전류(Jsc) (mA/cm2)	충진계수(FF) (%)	광전변환효율(η) (%)
실시예 3	화학식 7	0.301	-0.533	56.18	0.04
비교예	N719	0.309	-0.572	78.09	0.06

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 루테늄 착화합물을 염료로 사용하여 광전 소자를 제조하는 경우, 우수한 광전효율을 나타냄을 알 수 있었다.

또한, 상기 실시예 및 비교예의 I-V 곡선도를 도 2에 나타내었다.

10 : 투명전극 11 : 금속산화물
12 : 염료 13 : 광흡수층
14 : 전해질층 15 : 포토 애노드
16 : 캐소드

Claims (7)

1. 하기 화학식 7 내지 화학식 10으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 화합물인 것을 특징으로 하는 루테늄 착화합물.
   <화학식 7>
   

   

   
   <화학식 8>
   

   

   
   <화학식 9>
   

   

   
   <화학식 10>
   

   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 청구항 1에 기재된 루테늄 착화합물을 염료로써 포함하는 염료 감응 태양전지.

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