KR101223734B1 - 염료감응 태양전지용 전해질 및 이를 포함하는 염료감응 태양 전지 - Google Patents

염료감응 태양전지용 전해질 및 이를 포함하는 염료감응 태양 전지 Download PDF

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Abstract

유기 용매; 산화환원 유도체; 및 선형 탄소사슬을 포함하는 첨가제를 포함하고, 상기 첨가제가 선형 탄소사슬의 적어도 한 쪽의 말단 부분에 이온성 또는 비이온성 중성 작용기를 포함하는 염료감응 태양전지용 전해질에 관한 것으로, 고점도 전해질의 점도를 저하시켜 이온 전도도를 증가시키는 동시에 태양전지로부터 누액을 방지하여 내구성 및 충진계수(FF) 등의 효율이 개선된 염료감응 태양 전지를 제공할 수 있다.

Description

염료감응 태양전지용 전해질 및 이를 포함하는 염료감응 태양 전지{Electrolyte for Dye sensitized solar cell and Dye sensitized solar cell including the same}
염료감응 태양전지용 전해질 및 이를 포함하는 염료감응 태양 전지에 관한 것이다.
염료감응 태양전지는 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성할 수 있는 감광성 염료 분자와 생성된 전자를 전달하는 산화티탄으로 이루어지는 산화물 반도체 전극을 이용한 광전기화학적 태양전지로서, 염료가 흡착된 반도체 산화물 나노입자층을 포함한 광음극, 백금 촉매를 포함하는 상대전극 및 산화환원 이온쌍을 포함하는 전해질로 구성된다.
상기 구성요소 중 전해질은 특히 태양전지의 내구성 및 충진계수(FF) 등의 효율을 좌우하는 핵심요소이다.
종래 염료감응 태양전지에서는 저점도 휘발성 유기용매를 이용하는 액체 전해질을 주로 사용한다.
액체 전해질은 이온 전도도 특성이 우수하여 효율은 우수하지만, 휘발 및 누액 현상이 쉽게 발생하여 태양전지의 내구성이 저하된다. 따라서 전해질의 휘발 및 누액을 방지하기 위해서는 비점이 높은 고점도 용매를 사용하여야 한다.
그러나, 고점도 용매를 사용한 전해질의 경우 이온전도도가 낮기 때문에 내부 저항이 크게 발생하고 종래 저점도 휘발성 유기 용매를 사용한 경우에 비해 충진계수(FF) 등의 효율이 크게 저하되므로 개선이 요구된다.
본 발명의 일 구현예는 이온 전도도가 증가된 염료감응 태양전지용 전해질을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 구현예는 상기 염료감응 태양전지용 전해질을 포함하여 내구성 및 충진계수(FF) 등의 효율이 개선된 염료감응 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 구현예에 따라, 유기 용매; 산화환원 유도체; 및
선형 탄소사슬을 포함하는 첨가제를 포함하고,
상기 첨가제가 선형 탄소사슬의 적어도 한 쪽의 말단 부분에 이온성 또는 비이온성 중성 작용기를 포함하는 염료감응 태양전지용 전해질이 제공된다.
다른 구현예에 따라, 일 측면에 염료가 흡착되어 있는 다공질막이 배치된 제 1 전극;
상기 제 1 전극의 다공질막이 배치된 일 측면에 대향하여 배치된 제 2 전극; 및
상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 개재된 상술한 전해질을 포함하는 염료감응 태양 전지가 제공된다.
본 발명의 일 측면에 따른 염료감응 태양전지용 전해질 및 이를 포함하는 염료감응 태양 전지는 고점도 전해질의 점도를 저하시켜 이온 전도도를 증가시키는 동시에 태양전지로부터 누액을 방지하여 염료감응 태양 전지의 내구성 및 충진계수(FF) 등의 효율이 개선될 수 있다.
도 1은 일반적인 염료감응 태양전지의 작동원리를 나타낸 개략도이다.
도 2는 일 구현예에 따른 염료감응 태양전지용 전해질의 원리를 나타내는 모식도이다.
도 3은 종래기술에 따른 염료감응 태양전지용 전해질의 작용을 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
이하, 본 발명의 일 구현예에 따른 염료감응 태양전지용 전해질 및 이를 포함하는 염료감응 태양 전지에 관하여 상세히 설명하기로 한다. 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 특허청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
일 측면으로서 염료감응 태양전지용 전해질은 유기 용매; 산화환원 유도체; 및 선형 탄소사슬을 포함하는 첨가제를 포함하고, 상기 첨가제가 선형 탄소사슬의 적어도 한 쪽의 말단 부분에 이온성 또는 비이온성 중성 작용기를 포함할 수 있다.
도 1은 일반적인 염료감응 태양전지의 작동원리를 나타낸 것이다. 염료감응 태양전지는 태양광이 염료(5)에 흡수되면 염료(5)는 기저상태에서 여기상태로 전자전이하여 전자-홀쌍을 만들고, 여기상태의 전자는 다공질막(3) 입자 계면의 전도띠로 주입되고, 주입된 전자는 제 1 전극(1)으로 전달되고, 외부회로를 통해 제 2 전극(2)으로 이동된다. 한편, 전자전이결과로 산화된 염료는 전해질(4) 내 산화환원쌍(redox couple)의 요오드 이온(I-)에 의해 환원되고, 산화된 3가 요오드이온(I3-)은 전하중성(charge neutrality)을 이루기 위해 제 2 전극(2)의 계면에 도달한 전자와 환원 반응함으로써 전지가 작동하게 된다. 이처럼 염료감응 태양전지는 기존의 p-n 접합성 Si 태양전지와 다르게 계면 반응을 통해 작동하는 전기화학적 원리를 갖는다.
염료감응 태양전지 중 전해질은 I-/I3 -의 산화, 환원에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 염료에 전달하는 역할을 수행한다.
염료감응 태양전지용 전해질은 그 물리적 또는 화학적 특성에 따라 염료감응 태양전지의 내구성 및 충진계수(FF) 등의 효율이 좌우될 수 있다.
예를 들어, 전해질 용매로 저점도 휘발성 유기 용매를 사용할 경우, 누액 및 휘발로 인해 태양전지의 내구성을 저하시킬 수 있다. 또한, 비점이 높은 고점도 유기 용매를 사용할 경우, 이온 전도도가 낮기 때문에 내부 저항이 크게 발생하고, 저점도 휘발성 유기 용매를 사용한 경우에 비해 태양전지의 효율이 저하될 수 있다.
또한, 전해질은 예를 들어, 피롤리디늄 요오드염, 피리디늄 요오드염, 트리아졸륨 요오드염, 테트라부틸 암모늄 요오드염 및 이미다졸륨 요오드염 등의 몰튼솔트(molten salt)을 포함할 수 있고, 예를 들어 이미다졸륨 요오드염을 포함할 수 있다. 이러한 이미다졸륨 요오드염을 포함할 경우, 저온에서 용해도 저하로 인한 침전이 발생되지 않으며 높은 이온전도도를 제공함으로써 태양전지의 특성이 유리할 수 있다.
그러나, 이미다졸륨 요오드염의 점도가 용매 대비 약 300 내지 900배 이상이므로 상기 이미다졸륨 요오드염의 점도에 의해 전해질의 점도가 크게 좌우될 수 있으며, 이러한 고점도 전해질의 경우 이온 전도도가 감소할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 염료감응 태양전지용 전해질은 선형 탄소사슬을 포함하는 첨가제를 포함할 수 있다. 염료감응 태양전지용 전해질은 선형 탄소사슬을 포함하는 첨가제를 포함할 경우 고점도 유기 용매 또는/및 이미다졸륨 요오드염이 포함된 전해질의 점도를 낮출 수 있으며, 이온 전도도를 개선할 수 있다. 상기 첨가제는 예를 들어, 탄소수 3 내지 20의 선형 탄소사슬을 포함할 수 있다.
도 2는 일 구현예에 따른 염료감응 태양전지용 전해질의 원리를 나타내는 모식도이다. 도 3은 종래기술에 따른 염료감응 태양전지용 전해질의 작용을 나타내는 모식도이다.
도 2를 참조하면, 선형 탄소사슬을 포함하는 첨가제 중 선형 탄소사슬 부분이 전해질에 포함된 용질 또는 몰튼솔트의 음이온(예: 요오드 이온) 및 양이온(예: 요오드 이온의 반대이온) 주위를 각각 둘러싸고 있어 이온 상호간에 차폐시키는 효과를 나타내고 있다. 따라서, 상기 선형 탄소사슬을 포함하는 첨가제가 전해질에 포함된 경우, 전해질의 점도를 낮출 수 있으며, 전해질 내의 양이온 및 음이온의 확산 또한 촉진시킬 수 있게 된다.
그러나, 도 3을 참조하면, 선형 탄소사슬을 포함하는 첨가제가 전해질에 포함되지 않아 용질 또는 몰튼솔트의 음이온(예: 요오드 이온) 및 양이온(예: 요오드 이온의 반대이온) 간에 강한 인력을 유지하게 되므로 점도가 높고, 이온의 확산 또한 유체 저항에 의해 저해될 수 있다.
상기 첨가제가 상기 선형 탄소사슬 내에 헤테로 원자, 아릴렌기 및 헤테로아릴렌기 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 헤테로 원자는 예를 들어, S원자, N원자 또는 O원자를 포함할 수 있으며, 예를 들어 상기 선형 탄소사슬 내에 O원자를 포함하는 화합물은 에테르 결합을 포함할 수 있다. 상기 선형 탄소사슬 내에 헤테로 원자를 포함하는 화합물은 비공유 전자쌍을 포함하고 있어 이온 전달이 용이할 수 있고, 용해도가 높아질 수 있다. 또한, 선형 탄소사슬 내에 아릴렌기 및 S, N, O가 포함된 헤테로아릴렌기를 포함할 수 있다.
상기 첨가제는 선형 탄소사슬의 적어도 한 쪽의 말단 부분에 이온성 또는 비이온성 중성 작용기를 포함할 수 있으며, 예를 들어 상기 중성 작용기는 극성 작용기를 포함할 수 있다.
선형 탄소사슬의 말단 부분에 산성 작용기를 포함하는 경우, 산성 작용기가 염료 표면에 붙어 있는 TiO2의 페르미 준위(Fermi level)를 포지티브 시프트(positive shift)시켜 개방전압을 감소시킬 수 있다. 또한, 선형 탄소사슬의 말단 부분에 염기성 작용기를 포함하는 경우, 염기성 작용기에 의해 전해질의 pH값이 커지면서 염료의 이온화가 진행되고, 이온상태에서 염료는 전해질에 용해될 수 있다.
그러나, 상기 첨가제는 선형 탄소사슬의 적어도 한 쪽의 말단 부분에 이온성 또는 비이온성 중성 작용기를 포함하고 있기 때문에 염료의 안정성을 확보하면서 전압이 향상될 수 있어 염료감응 태양전지의 효율이 높아질 수 있다.
상기 첨가제는 예를 들어, -F, -Cl, -Br, -I, -NO3, -CN, -OH, -SH, -CHO, -SbF6 -, -PF6 -, -AsF6 -, -(CF3CO2)-, -(C2F6CO2)-, -(CF3CF2CF2CO2)-, -ClO4 -, -(р-CH3C6H4SO3)-, -(SO3CF3)-, -SO4 - 및 -HPO3 -로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 이온성 또는 비이온성 중성 작용기를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 당해 기술분야에서 통상적으로 사용될 수 있는 모든 중성 작용기가 가능하다.
상기 첨가제는 예를 들어, 1, 6-디브로모헥산, 도데실 황산 나트륨(Sodium Dodecyl Sulfate; SDS), 폴리옥시에틸렌파라터셔리옥틸페닐에테르(polyoxyethylene-p-tertoctylphenylether) 또는 그 혼합물을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않으며 당해 기술분야에서 사용되는 선형 탄소사슬의 적어도 한 쪽의 말단 부분에 이온성 또는 비이온성 중성 작용기를 포함하는 모든 화합물 또는 혼합물이 가능하다.
상기 첨가제는 상기 유기 용매 100 중량부에 대해 0.15 내지 20 중량부의 함량을 가질 수 있고, 예를 들어 1 내지 5 중량부의 함량을 가질 수 있다. 상기 첨가제가 상기 범위 내의 함량을 갖는 경우, 전해질의 점도를 적절하게 유지할 수 있고, 또한 전해질 내의 양이온 및 음이온의 확산을 촉진시켜 이온 전도도를 증가시킬 수 있다.
전해질은 나노 입자 충진재를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 입자 충진재는 상기 선형 탄소사슬을 포함하는 첨가제와 동시에 전해질에 포함될 수 있다.
상기 나노 입자 충진재는 전해질의 이온 전도도를 증가시키는 동시에 전해질을 고체화 또는 준고체화함으로써 태양전지로부터 누액을 방지하는 역할을 한다.
예를 들어, 상기 충진재는 나노 무기 산화물을 포함할 수 있다. 상기 나노 입자 충진재는 예를 들어, TiO2, SiO2, SnO2, WO3, ZnO, ITO, BaTiO3, Nb2O4, In2O3, ZrO2, Ta2O5, La2O3, SrTiO3, Y2O3, Ho2O3, Bi2O3, CeO2 및 Al2O3로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 예를 들어 TiO2를 사용할 수 있으며, 예를 들어 아나타제형 TiO2를 사용할 수 있다. 상기 아나타제형 TiO2은 시판의 분말, 솔, 슬러리의 형태일 수 있고, 또는 산화티탄알콕시드를 가수분해되는 등의 공지의 방법에 따라 상기 범위 내의 입경을 만들 수 있다. 상기 나노 무기 산화물은 유기 용매에 용해되지 않아 전해질을 고체화 또는 준고체화시킬 수 있어 태양전지로부터 누액을 방지할 수 있다.
또한, 카본 블랙 또는 카본 나노 튜브 등을 사용할 수 있다. 상기 카본 나노 튜브는 단층 카본 나노 튜브, 다층 카본 나노 튜브 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 당해 기술분야에서 사용될 수 있는 모든 나노 입자 충진재가 가능하다.
상기 충진재가 5 내지 400nm의 평균 입경을 가질 수 있고, 예를 들어 10 내지 100nm의 평균 입경을 가질 수 있고, 예를 들어 10 내지 50nm의 평균 입경을 가질 수 있다. 상기 충진재가 상기 범위 내의 평균 입경을 갖는 경우, 넓은 비표면적을 갖는 입자표면에 이온들이 흡착 및 정렬하여 이온전도도가 촉진될 수 있다.
상기 충진재가 상기 유기 용매 100 중량부에 대해 0.2 내지 40 중량부의 함량을 가질 수 있고, 예를 들어 2 내지 20 중량부의 함량을 가질 수 있다. 상기 충진재가 상기 범위 내의 함량을 갖는 경우, 태양전지의 제조공정이나 셀 파손시에 전해질이 노출되어도 누액을 감소시킬 수 있고, 용매가 일부 누출되는 경우에도 일정한 전도도를 유지할 수 있다.
상기 유기 용매는 비점이 140℃ 이상인 유기 용매일 수 있다. 예를 들어, 상기 유기 용매가 비점이 140℃ 내지 250℃일 수 있다.
예를 들어, 3-메톡시프로피오니트릴(MPN), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 감마-부티로락톤(GBL), 발레로니트릴, 디메틸설폭시드, 디메틸포름아미드, 디에틸포름아미드 및 디메틸아세트아미드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 유기 용매는 비점이 높은 고점도 용매로 전해질의 휘발 및 누액을 방지할 수 있다.
상기 산화환원 유도체는 I-/I3 -의 산화환원쌍을 제공할 수 있다. 상기 산화환원쌍은, 예를 들어 상기 유기 용매 중 0.1 내지 1.5M의 농도로 존재할 수 있다. 상기 I- 및 I3 -이온은 요오드염으로부터 생성될 수 있고, I- 및 I3 -이온은 서로 공존하면서 가역반응을 일으킨다.
요오드염으로는 제한되지 않으나, 예를 들어 요오드화리튬, 요오드화나트륨, 요오드칼륨, 요오드마그네슘, 요오드화구리, 요오드화규소, 요오드화망간, 요오드화바륨, 요오드화몰리브덴, 요오드화칼슘, 요오드화철, 요오드화세슘, 요오드화아연, 요오드화수은, 요오드화암모늄, 요오드화메틸, 요오드화메틸렌, 요오드화에틸, 요오드화에틸렌, 요오드화이소프로필, 요오드화이소부틸, 요오드화벤질, 요오드화벤조일, 요오드화알릴, 요오드화이미다졸륨 및 요오드화 1-프로필-3-메틸이미다졸륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 요오드염은 요오드(I2) 중량부를 기준으로 하여 150 내지 3,000중량부일 수 있으며, 상기 범위 내에서 산화환원반응이 원활하게 진행될 수 있고, 전자 흐름을 유지하여 전류값을 증가시킬 수 있다.
다른 측면에 따른 염료감응 태양 전지는, 일 측면에 염료가 흡착되어 있는 다공질막이 배치된 제 1 전극; 상기 제 1 전극의 다공질막이 배치된 일 측면에 대향하여 배치된 제 2 전극; 및 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 개재된 상술한 전해질을 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시형태에 따른 태양 전지는 제 1 전극(11), 다공질막(13) 및 염료(15)가 형성되는 제 1 기판(10)과 제 2 전극(21)이 형성되는 제 2 기판(20)이 서로 대향 배치되고, 제 1 전극(11)과 제 2 전극(21) 사이에 전해질(30)이 위치하여 구성된다. 제 1 기판(10)과 제 2 기판(20)의 외측으로 별도의 케이스(도시하지 않음)가 배치될 수 있다. 이에 대하여 좀더 상세하게 설명한다.
본 실시 형태에서 제 1 전극(11)을 지지하는 지지체 역할을 하는 제 1 기판(10)은 외부광의 입사가 가능하도록 투명하게 형성된다. 이에 제 1 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.
제 1 기판(10)에 형성되는 제 1 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. 제 1 전극(11)은 상기 투명 물질의 단일막 또는 적층막으로 이루어질 수 있다.
제 1 전극(11) 위에는 다공질막(13)이 형성된다. 이러한 다공질막(13)은 자기 조립 방법에 의해 형성된 매우 미세하고 균일한 평균 입경을 가지는 금속 산화물 입자들(131)을 포함한다. 그리고, 다공질막(13)은 기공 크기 또한 매우 미세하고 균일하여 나노 다공성(nanoporous) 특성을 가질 수 있다. 그리고, 다공질막(13)의 평균 기공 입경은 7.5nm 내지 15nm의 범위에 속할 수 있고, 다공질막(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, 다공질막(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, 아연 산화물, 주석 산화물, 스트론튬 산화물, 인듐 산화물, 이리듐 산화물, 란탄 산화물, 바나듐 산화물, 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 니오븀 산화물, 마그네슘 산화물, 알루미늄 산화물, 이트륨 산화물, 스칸듐 산화물, 사마륨 산화물, 갈륨 산화물, 스트론튬 티타늄 산화물 등으로 이루어질 수 있다. 여기서, 금속 산화물 입자들(131)은 티타늄 산화물인 TiO2, 틴 산화물인 SnO2, 텅스텐 산화물인 WO3, 징크 산화물 ZnO, 또는 이들의 복합체 등으로 이루어지는 것이 바람직하다.
이러한 다공질막(13)의 표면에는 외부광을 흡수하여 여기 전자를 생성하는 염료(15)가 흡착된다. 상기 염료(15)로는 루테늄계 및 유기계 광감응제를 사용한다. 상기 루테늄계 염료는 예를 들어, N719 염료[cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato)-ruthenium(II)-bis tetrabutylammonium])또는 N3 염료[cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato)-ruthenium(II)] 등을 사용할 수 있고, 유기계 광감응제로는 예를 들어, (2-Cyano-3-[5"'-(9-Ethyl-9H-carbazol-3-yl)-3',3",3"',4-tetra-n-hexyl-[2,2',5',2",5",2"']-quaterthiophenyl-5-yl]acrylic acid (MK-2)), (2-Cyano-3-{5'-[1-cyano-2-(1,1,6,6-tetramethyl-10-oxo-2,3,5,6-tetrahydro-1H,4H,10H-11-oxa-3a-aza-benzo[de]anthracen-9-yl)-vinyl]-[2,2']bithiophenyl-5-yl}-acrylic acid (NKX-2883)) 또는 (3-{5-[N,N-bis(9,9-dimethylfluorene-2-yl)phenyl]-2,2-bisthiophene-5-yl}-2-cyano-acrylic acid (JK-2)) 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 제 1 기판(10)에 대향 배치되는 제 2 기판(20)은 제 2 전극(21)을 지지하는 지지체 역할을 하는 것으로, 투명하게 형성될 수 있다. 이에 제 2 기판(20)은 제 1 기판(10)과 같이 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다.
제 2 기판(20)에 형성되는 제 2 전극(21)은 대향전극(counter electrode)으로서, 제 1 전극(11)과 대향 배치되도록 형성되며, 투명 전극(21a)과 촉매 전극(21b)을 포함할 수 있다.
상기 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.
상기 촉매 전극(21b)은 산화-환원 쌍(redox couple)을 활성화시키는 역할을 하는 것으로, 본 발명에 따른 이종상 백금 촉매, 특히 백금-티타늄 산화물 이종상 촉매로 이루어진다.
상기 제 1 기판(10)과 제 2 기판(20)은 접착제(42)에 의해 접합되고, 제 2 기판(20)과 제 2 전극(21)을 관통하는 홀(25a)을 통해 전해질(30)이 주입되어 제 1 전극(11)과 제 2 전극(21) 사이에 전해질(30)이 함침된다. 이러한 전해질(30)은 다공질막(13)의 내부로 균일하게 분산된다. 전해질(30)은 산화 환원에 의해 제 2 전극(21)으로부터 전자를 받아 염료(15)에 전달하는 역할을 수행한다. 제 2 기판(20) 및 제 2 전극(21)을 관통하는 홀(25a)은 접착제(42) 및 커버 글라스(43)에 의해 밀봉된다.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시에는 본 발명의 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
(염료감응용 전해질의 제조)
제조예 1
N-메틸피롤리돈(NMP, 알드리치사 제)의 용매에 1.20M의 1-프로필-3-메틸이미다졸륨 아이오다이드(1-propyl-3-methylimidazolium iodide, 알드리치사 제) 및 0.12M의 이오딘(iodine, 알드리치사 제)을 혼합하였고, 유기 용매 100 중량부에 대해 2 중량부의 1,6-디브로모헥산(알드리치사 제) 첨가제를 첨가하여 전해질을 제조하였다.
제조예 2
1,6-디브로모헥산(알드리치사 제) 첨가제 대신 폴리옥시에틸렌파라터셔리옥틸페닐에테르(polyoxyethylene-p-tertoctylphenylether)(알드리치사 제) 첨가제를 사용한 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일하게 수행하여 전해질을 제조하였다.
제조예 3
1,6-디브로모헥산(알드리치사 제) 첨가제 대신 도데실 황산 나트륨(Sodium Dodecyl Sulfate; SDS, 알드리치사 제)첨가제를 사용한 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일하게 수행하여 전해질을 제조하였다.
제조예 4
유기 용매 100 중량부에 대해 15 중량부의 20nm 평균 입경의 나노 막대 형태의 아나타제형 TiO2 입자(DT51D, Millennium Chemicals사 제, S.A.= 87m2/g, d= 15-25nm)를 500℃에서 30분간 소결 후 첨가하였고, 이 후 2,000rpm의 속도로 30분간 원심 컨디셔닝 믹서(centrifugal conditioning mixer, Thinky mixer)로 혼합하여 겔형 전해질을 제조한 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일하게 수행하여 전해질을 제조하였다.
비교 제조예 1
1,6-디브로모헥산(알드리치사 제) 첨가제를 첨가하지 않은 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일하게 수행하여 전해질을 제조하였다.
비교 제조예 2
1,6-디브로모헥산(알드리치사 제) 첨가제 대신 터지톨-아민(tergitol-amine, 알드리치사 제) 첨가제를 사용한 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일하게 수행하여 전해질을 제조하였다.
비교 제조예 3
1,6-디브로모헥산(알드리치사 제) 첨가제 대신 데카린산(알드리치사 제)첨가제를 사용한 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일하게 수행하여 전해질을 제조하였다.
비교 제조예 4
1,6-디브로모헥산(알드리치사 제) 첨가제를 첨가하지 않고, 유기 용매 100 중량부에 대해 15 중량부의 20nm 평균 입경의 나노 막대 형태의 아나타제형 TiO2 입자(DT51D, Millennium Chemicals사 제, S.A.= 87m2/g, d= 15-25nm)를 500℃에서 30분간 소결 후 첨가하였고, 이 후 2,000rpm의 속도로 30분간 원심 컨디셔닝 믹서(centrifugal conditioning mixer, Thinky mixer)로 혼합하여 겔형 전해질을 제조한 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일하게 수행하여 전해질을 제조하였다.
(염료감응 태양전지의 제조)
실시예 1
제 1 전극의 불소 함유 산화주석(FTO)으로 이루어진 제 1 전도성 필름(두께: 2.3mm) 위에 약 20㎛ 정도 입경을 갖는 TiO2 페이스트(PST-18NR, JGC C&C, Japan 제)를 스크린 인쇄를 통해 12㎛의 두께로 도포하고, 500℃에서 30분간 소성하여 12㎛ 두께의 다공질막을 제조하였다. 이어 상기 결과물을 80℃에서 유지하고, 에탄올에 용해된 0.2mN N719 염료 용액에 침지하여, 염료 흡착처리를 24시간 수행하였다. 그 후 염료흡착된 다공질막을 에탄올을 이용하여 씻어내고 상온 건조하여 광흡수층이 형성된 제 1 전극을 제조하였다. 제 2 전극은 상기 불소 함유 산화주석으로 이루어진 제 1 전도성 필름 위에 20분간 스퍼터링을 하여 Pt로 이루어진 제 2 전도성 필름을 증착하였고, 전해질 주입을 위해 0.1mm 직경의 드릴을 이용하여 홀을 만들었다. 60㎛ 두께의 핫 멜트 필름(Hot melt film, Suryln, Dupont사 제)으로 이루어진 지지대를 다공질막이 형성된 제 1 전극과 홀이 형성된 제 2 전극 사이에 두고 핫 프레스를 이용하여 130℃에서 15초간 압착시켜 두 전극을 압착하였다. 이후 상기 제조예 1에 따라 제조된 전해질을 제 2 전극에 형성된 홀을 통하여 주입하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.
실시예 2
상기 제조예 2에 따라 제조된 전해질을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.
실시예 3
상기 제조예 3에 따라 제조된 전해질을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.
실시예 4
상기 제조예 4에 따라 제조된 전해질을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.
비교예 1
상기 비교 제조예 1에 따라 제조된 전해질을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.
비교예 2
상기 비교 제조예 2에 따라 제조된 전해질을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.
비교예 3
상기 비교 제조예 3에 따라 제조된 전해질을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.
비교예 4
상기 비교 제조예 4에 따라 제조된 전해질을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.
(염료감응 태양전지의 효율 등 평가)
평가예 1
실시예 1~4 및 비교예 1~4에 따라 제조된 염료감응 태양전지에 대하여 광전류전압을 측정하고 측정된 광전류 곡선으로부터 개방전압, 전류밀도 및 충진계수를 계산하고 이로부터 태양전지의 효율 및 비교예 1의 효율을 기준으로 하여 실시예 1~4 및 비교예 2~4의 각각의 효율 증가를 %로 계산한 태양전지의 효율증가율의 결과를 하기 표 1에 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, 1 sun (광원의 세기는 100mW/cm2 이고 태양광 스펙트럼은 AM 1.5G 조건을 만족시키는 태양전지 특성 측정 표준조건임) 빛을 조사하고 전력밀도 100mW/cm2에서 측정하였다.
구분 전류밀도(Jsc)
(mAcm-2)		 개방전압(Voc)(V) 충진계수(FF)(%) 효율
(%)		 효율증가율
(%)
실시예 1 9.834 0.639 76.3 4.79 17.38
실시예 2 9.457 0.633 74.1 4.44 8.60
실시예 3 9.564 0.627 73.8 4.43 8.35
실시예 4 10.361 0.685 74.2 5.27 28.93
비교예 1 9.074 0.634 71.0 4.08 -
비교예 2 7.687 0.655 71.2 3.58 -12.13
비교예 3 9.279 0.587 68.9 3.75 -8.02
비교예 4 9.161 0.683 73.4 4.59 12.44
상기 표 1를 참조하면, 실시예 1~4가 비교예 1~4에 비해 전류밀도 및 충진계수(FF)가 향상됨을 나타내고 있다.
또한 실시예 1~4가 비교예 1~3에 비해 효율 및 효율 증가율이 향상됨을 나타내고 있으며, 실시예 4가 비교예 4에 비해 효율 및 효율 증가율에 있어 보다 향상됨을 나타내고 있다.
이는 선형 탄화수소 사슬을 포함하고, 상기 선형 탄화수소 사슬의 말단 부분에 이온성 또는 비이온성 중성 작용기를 포함하는 첨가제가 포함된 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지의 효율이 개선되었고, 또한 상기 첨가제에 나노 입자 충진재를 더 포함하는 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지의 효율이 보다 개선됨을 의미한다.
이상을 통해 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 제 1 기판, 20: 제 2 기판, 1, 11: 제 1 전극, 2, 21: 제 2 전극, 21a: 투명 전극, 21b: 촉매 전극, 3, 13: 다공질막, 4, 30: 전해질, 5, 15: 염료, 25a: 홀, 42: 접착제, 43: 커버 글라스, 131: 금속 산화물 입자들

Claims (16)

  1. 유기 용매; 산화환원 유도체; 및
    선형 탄소사슬을 포함하는 첨가제를 포함하고,
    상기 첨가제가 선형 탄소사슬의 적어도 한 쪽의 말단 부분에 이온성 또는 비이온성 중성 작용기를 포함하고,
    나노 입자 충진재를 더 포함하는 염료감응 태양전지용 전해질.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 첨가제가 탄소수 3 내지 20의 선형 탄소사슬을 포함하는 염료감응 태양전지용 전해질.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 첨가제가 상기 선형 탄소사슬 내에 헤테로 원자, 아릴렌기 및 헤테로아릴렌기 중 적어도 하나를 포함하는 염료감응 태양전지용 전해질.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 첨가제가 -F, -Cl, -Br, -I, -NO3, -CN, -OH, -SH, -CHO, -SbF6 -, -PF6 -, -AsF6 -, -(CF3CO2)-, -(C2F6CO2)-, -(CF3CF2CF2CO2)-, -ClO4 -, -(р-CH3C6H4SO3)-, -(SO3CF3)-, -SO4 - 및 -HPO3 -로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 이온성 또는 비이온성 중성 작용기를 포함하는 염료감응 태양전지용 전해질.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 첨가제가 1, 6-디브로모헥산, 도데실 황산 나트륨(Sodium Dodecyl Sulfate:SDS), 폴리옥시에틸렌파라터셔리옥틸페닐에테르(polyoxyethylene-ρ-tertoctylphenylether) 또는 그 혼합물을 포함하는 염료감응 태양전지용 전해질.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 첨가제가 상기 유기 용매 100 중량부에 대해 0.15 내지 20 중량부의 함량을 갖는 염료감응 태양전지용 전해질.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 충진재가 나노 무기 산화물을 포함하는 염료감응 태양전지용 전해질.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 충진재가 TiO2, SiO2, SnO2, WO3, ZnO, ITO, BaTiO3, Nb2O4, In2O3, ZrO2, Ta2O5, La2O3, SrTiO3, Y2O3, Ho2O3, Bi2O3, CeO2 및 Al2O3로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 염료감응 태양전지용 전해질.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 충진재가 5 내지 400nm의 평균 입경을 갖는 염료감응 태양전지용 전해질.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 충진재가 상기 유기 용매 100 중량부에 대해 0.2 내지 40 중량부의 함량을 갖는 염료감응 태양전지용 전해질.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기 용매가 비점이 140℃ 이상인 유기 용매인 염료감응 태양전지용 전해질.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기 용매가 비점이 140℃ 내지 250℃인 유기 용매인 염료감응 태양전지용 전해질.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기 용매가 3-메톡시프로피오니트릴(MPN), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC) 및 감마-부티로락톤(GBL), 발레로니트릴, 디메틸설폭시드, 디메틸포름아미드, 디에틸포름아미드 및 디메틸아세트아미드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 염료감응 태양전지용 전해질.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화환원 유도체가 I-/I3 -의 산화환원쌍을 제공하는 염료감응 태양전지용 전해질.
  16. 일 측면에 염료가 흡착되어 있는 다공질막이 배치된 제 1 전극;
    상기 제 1 전극의 다공질막이 배치된 일 측면에 대향하여 배치된 제 2 전극; 및
    상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 개재된 제 1 항 내지 제 6 항, 및 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 전해질을 포함하는 염료감응 태양 전지.
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