KR101267906B1 - 염료감응 태양전지용 전해질, 이를 포함하는 염료감응 태양전지 및 이들의 제조방법 - Google Patents
염료감응 태양전지용 전해질, 이를 포함하는 염료감응 태양전지 및 이들의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 염료감응 태양전지용 전해질, 이를 포함하는 염료감응 태양전지 및 이들의 제조방법을 제공한다. 좀 더 상세하게 본 발명에 따른 염료감응 태양전지용 전해질은 분자 내 한쪽에 소수성 작용기를 포함하고 다른 한쪽에 친수성 작용기를 가지는 화합물과 폴리에틸렌옥사이드계 또는 폴리프로필렌옥사이드계 고분자 또는 올리고머의 복합체를 포함하여 이루어진다. 본 발명에 따른 염료감응 태양전지용 전해질은 그 제조방법이 간단하면서도 고체 전해질의 특성을 보유하여 안정성과 내구성이 우수하면서도 이온 전도도 등의 특성도 우수하다.
Description
본 발명은 염료감응 태양전지용 전해질, 이를 포함하는 염료감응 태양전지 및 이들의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 염료감응 태양전지용 전해질은 분자 내 한쪽에 소수성 작용기를 포함하고 다른 한쪽에 친수성 작용기를 가지는 화합물과 폴리에틸렌 옥사이드계 고분자 또는 올리고머의 복합체를 포함하는 것을 특징으로 하며, 간편한 제조공정으로 고체 전해질의 특성을 확보할 수 있다.
염료감응 태양전지는 색소증감형 태양전지 또는 습식 태양전지로도 불리우며, 가시광선영역대의 파장을 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성하는 감광성 염료분자와 그로부터 생성된 전자를 전달하는 산화물 반도체 전극을 이용한 광전기화학적 태양전지를 말한다. 1991년 오레건과 마이클 그라첼의 선구적인 연구로 탄생하였으며, 실리콘형 태양전지에 비해 상대적으로 간단한 제조공정과 저렴한 제조비용의 특징으로 많은 연구가 진행되고 있다.
염료감응형 태양전지에는 전통적으로 액체 전해질을 사용하여왔는데, 액체 전해질은 액체 특성에 따른 누수 및 용매 증발로 인한 성능의 저하 등의 안정성 문제와, 환경 오염 문제를 일으키는 유기 용매 사용 등의 문제가 대두되어왔다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 연구된 고체 고분자 전해질은 낮은 가격, 제조공정상의 편의성, 기계적 강도와 안정성에서 우수한 특성을 보이지만, 낮은 이온전도도와 전해질과 염료가 흡착된 산화티타늄 전극의 불완전한 접촉의 단점을 가진다. 또한 고체고분자 전해질의 상술된 문제점을 해결하기 위하여 상대적으로 길이가 짧은 에틸렌 옥사이드 올리고머를 사용한 전해질이 제안되었다. 올리고머는 고분자에 비해 짧은 길이로 인해 산화티타늄 전극의 기공 사이로 쉽게 침투가 가능해 염료가 흡착된 산화티타늄 전극과 전해질의 접촉을 향상시키며 증기압이 낮아 태양전지 내에서 증발 가능성이 없고, 그로 인해 올리고머를 사용한 태양전지의 내구성 향상에 기여할 수 있으나, 에틸렌 옥사이드 올리고머는 상온에서 액체 형태를 띠어 우수한 태양전지의 내구성 및 안정화를 위해 고체화 과정을 필요로 한다.
또한 올리고머를 적용한 전해질의 고체화를 위한 방법으로서 다양한 방법이 제안되었으나, 이 중 무기물 나노입자를 사용하는 방법은 많은 양의 무기물 나노 입자를 필요로 하고, 매질에 분산된 무기물이 염료감응형 태양전지 작동이 오래될 수록 매질과 분리되어 무기물 입자들이 석출되는 단점을 가지고 있다. 또한 고체화를 위해 올리고머에 폴리머를 섞는 방법은 올리고머에 의하여 향상된 접촉 특성을 저해하여 염료감응형 태양전지의 성능을 낮추게 된다.
이러한 이유로 특성이 안정성와 전기적 특성이 모두 우수한 염료감응 태양전지용 전해질의 개발에 대한 요구가 계속되고 있다.
본 발명은 이러한 요구에 부응하기 위한 것으로, 올리고머에 따른 전해질의 특성이 우수하면서도 제조방법이 간단한 전해질을 제공하고자 한다.
본 발명은 양친성기를 가지는 화합물과 올리고머가 복합된 전해질을 염료감응형 태양전지에 적용함으로써, 간단한 방법으로 액체 올리고머를 고체화 할 수 있으며, 태양전지 에너지 변환 효율을 향상시키며, 이를 통해 에너지 변환효율이 높은 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 새로운 구성의 염료감응 태양전지용 전해질과 이를 포함하는 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 태양전지용 전해질은, 분자 내 한쪽에 소수성 작용기로 탄소수 12 내지 18의 알킬기를 포함하고 다른 한쪽에 친수성 작용기로 에틸렌 옥사이드 반복단위(repeat unit)가 2 내지 100을 포함하는 계면활성제와, 에틸렌옥사이드 올리고머 또는 폴리머가 혼합되어 제조된 복합체를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
전해질을 구성하는 복합체(complex)는 점도가 낮은 폴리에틸렌 옥사이드 계열 고분자 또는 폴리프로필렌 옥사이드 계열 고분자 또는 올리고머(분자량 200 내지 2000)가 점도가 높은 계면활성제를 만나 분자간 약한 상호작용(반데르발스 힘, 이온 결합, 수소결합 등)에 의해 점도가 증가하고, 계속적인 연속반응이 진행되면 초기에는 액상의 올리고머 또는 폴리머가 고체상을 보이는 복합체로 변하여 염료감응 태양전지에 사용될 수 있는 전해질을 형성하게 된다.
좀 더 상세하게는, 본 발명에 따른 전해질에 포함되는 계면활성제는, 상기 분자 내 한쪽에 소수성 작용기로 탄소수 12 내지 18의 알킬기를 포함하고 다른 한쪽에 친수성 작용기로 에틸렌 옥사이드 반복단위(repeat unit)가 2 내지 100을 포함하는 것이 바람작하며, 하기 화학식1로 표기될 수 있다.
[화학식 1]
상기 식에서 n은 12 내지 18이며, m은 2 내지 100이고, R1은 수소 내지 치환 또는 비치환 된 탄소수 1내지 3이다. n이 탄소수 12미만의 값을 가지면 화합물이 전해질의 고체화를 이루기 어려우며, n이 탄소수 18초과인 경우 전해질의 점도가 크게 상승하여 제조공정시 어려움을 따르게 된다. 따라서 n의 최적 범위는 12 내지 18의 값인 것이 바람직하다. 또한 m이 100을 초과할 경우, 상기 화합물이 에틸렌 옥사이드의 결정화도(crystallinity)를 증가 시켜 전해질의 점도를 크게 상승시키게 되고 이로 인해 전해질의 점도를 크게 상승시켜 제조공정 시에 어려움이 따르게 된다.
상기 화학식 1에서, 치환기인 알킬기는 선형 또는 분지형으로서 메틸, 에틸, 프로필, 이소부틸, sec-부틸, tert-부틸, 펜틸, iso-아밀, 헥실 등을 들 수 있고, 상기 알킬기에 포함되어 있는 하나 이상의 수소 원자는 탄소수 1 내지 10의 알킬기 할로겐 원자, 히드록시기, 니트로기, 아미노기, 시아노기, 알콕시기, 아미디노기, 히드라진기, 또는 카르복실기로 치환될 수 있다.
상기 분자 내 폴리에틸렌 옥사이드 계열 고분자 또는 폴리프로필렌 옥사이드 계열 고분자 또는 올리고머(분자량 200 내지 2000)의 예를 하기 화학식 2와 3으로 표시될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식2]
상기 식에서 n은 5 내지 600이며, R1,R2는 수소 내지 치환 또는 비치환 된 탄소수 1내지 3이다. 그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식]
상기 식에서 n은 5 내지 600이며, R1,R2는 수소 내지 치환 또는 비치환 된 탄소수 1내지 3이다. 그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전해질은 분자 내 한쪽에 소수성 작용기로 탄소수 12 내지 18의 알킬기를 포함하고 다른 한쪽에 친수성 작용기로 에틸렌 옥사이드 반복단위(repeat unit)가 2 내지 100을 포함하는 계면활성제와, 폴리에틸렌 옥사이드 계열 고분자 또는 폴리프로필렌 옥사이드 계열 고분자 또는 올리고머(분자량 200 내지 2000)가 혼합하여 제조할 수 있으며, 혼합된 용액에 산화-환원 유도체를 추가하여 전해질을 제조한다. 이 때 산화환원 상기에서 산화-환원 유도체는 전해질에서 산화-환원 반응을 유도하는 작용체이다. 산화-환원 유도체는 요오드 이온 또는 브롬 이온 등의 할로겐 족 음이온 및 상대 금속 양이온으로 구성된다. 요오드화 리튬(LiI), 요오드화 나트륨(NaI), 요오드화 칼륨(KI), 브롬화 리튬(LiBr), 브롬화 나트륨(NaBr) 또는 브롬화 칼륨(KBr)의 금속염 및 이온성 액체 요오드염 (예:이미다졸리윰 요오드염)을 사용할 수 있다. 상기 산화-환원 유도체로는 이에 제한되지는 않으나, 예를 들어 LiI(lithium iodide), NaI(sodium iodide), KI(potassium iodide), LiBr(lithium bromide), NaBr(sodium bromide), KBr(potassium bromide), DMPII(1,1-dimethyl-3-propyl imidazolium iodide), HMII(1-methyl-3-hexyl imidazolium iodide), EMII(1-ethyl-3-methyl imidazolium iodide) 또는 MBII(1-methyl-3-butyl imidazolium iodide) 로 이루어진 군으로부터 선택된 종이 단독으로 사용되거나 또는 2 가지 또는 그 이상을 혼합하여 사용될 수 있다. 상기 산화-환원 유도체는 상기 대향 전극으로부터 전달받은 전자에 의해 산화-환원 반응을 수행하며, 그 전자를 기저 상태의 유기염료에 전달함으로써 계속해서 전류가 발생하도록 한다.
분자 내 한쪽에 소수성 작용기로 탄소수 12 내지 18의 알킬기를 포함하고 다른 한쪽에 친수성 작용기로 에틸렌 옥사이드 반복단위(repeat unit)가 2 내지 100을 포함하는 계면활성제와, 폴리에틸렌 옥사이드 계열 고분자 또는 폴리프로필렌 옥사이드 계열 고분자 또는 올리고머(분자량 200 내지 2000)가 혼합 되어 전해질을 구성하는 복합체(complex)는 분자 중량비를 기준으로 1:1000 내지 1:1로 혼합하는 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 최소양의 계면활성제를 첨가하여 에틸렌옥사이드 올리고머 또는 고분자를 고체화시키는 1:1000에 근접한 무게비율로 혼합하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 전해질은 실리카 나노입자를 선택적으로 포함할 수 있다. 상기 실리카 나노입자는 전해질을 안정화하여 고체화 속도를 증가시키는 역할을 하게 된다.
본 발명은 또한 상술한 구성의 전해질층을 구비한 염료감응 태양전지를 제공한다. 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 광전극(음극계 전극), 대향전극(양극계 전극) 및 양 전극 사이에 게재된 전해질층을 구비하여 이루어진다.
광전극은, 기판 상에 전도성 물질이 코팅된 투명전극층, 염료가 흡착된 금속산화물로 이루어진 금속산화물층으로 구성될 수 있다. 상기 기판으로는 투명성을 갖고 있는 것이면 특별히 한정되지 않으며 석영 및 유리와 같은 투명 무기 기판 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET; polyethylene terephthalate), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN; polyethylenenaphathalate), 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 폴리프로필렌 등의 투명 플라스틱 기판을 사용할 수 있다. 또한, 상기 기판 상에 코팅되는 전도성 물질로는 인듐틴 옥사이드(ITO), 플로린 도핑된 틴 옥사이드(FTO), ZnOGa2O3,ZnO-Al2O3,SnO2-Sb2O3등을 예로 들 수 있다. 그러나 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다. 금속산화물층은 금속산화물과 금속산화물의 표면에 흡착된 염료로 구성된다. 이러한 금속산화물층은 염료감응 태양전지 작동에서 고효율을 얻기 위해서 태양광 에너지를 최대한 많이 흡수하여야 하므로, 다공성의 금속산화물을 사용하여 표면적을 증대시켜 그 내부에 보다 많은 염료를 흡착시킨다. 상기 금속산화물은 예를 들어 티타늄산화물, 텅스텐 산화물, 니오븀 산화물, 하프늄 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물 및 아연 산화물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 그러나 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다. 상기 금속산화물들은 단독으로 사용되거나 또는 2 가지 또는 그 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 바람직한 금속산화물의 예로는 TiO2,SnO2,ZnO,WO3,Nb2O5,TiSrO3등을 들 수 있고, 특히 아나타제형(anatase)의 TiO2가 바람직하다.
염료로서는 태양전지 분야에서 일반적으로 사용되는 것이라면 아무 제한 없이 사용할 수 있으나, 루테늄 착물이 바람직하다. 전하 분리기능을 갖고 광감응 작용을 나타내는 것이면 특별히 한정되지 않으며, 루테늄 착물 이외에도 로다민 B, 로즈벤갈, 에오신, 에리스로신 등의 크산틴계 염료, 퀴노시아닌, 크립토시아닌 등의 시아닌계 염료, 페노사프라닌, 카르비블루, 티오신, 메틸렌블루 등의 염기성 염료, 클로로필, 아연 포르피린, 마그네슘 포르피린 등의 포르피린계 화합물, 기타 아조 염료, 프탈로시아닌 화합물, 루테늄 트리스비피리딜 등의 착화합물, 안트라퀴논계 염료, 다환퀴논계 염료 등을 들 수 있다. 그러나 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다. 상기 염료는 단독으로 사용되거나 또는 2 가지 또는 그 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 루테늄 착물로써는 RuL2(SCN)2,RuL2(H2O)2,RuL3,RuL2등을 사용할 수 있다(식 중, L은 2,2’-비피리딜 -4,4’-디카르복실레이트 등을 나타낸다).
대향전극은 도전성 물질이면 어느 것이나 사용가능하다. 또 절연성 물질이라도 투명전극에 마주보고 있는 측에 도전층이 설치되어 있으면 이것도 사용 가능하다. 단, 전극으로서 바람직하게 사용하려면 전기화학적으로 안정한 재료를 선택하는 것이 중요하며, 구체적으로는 백금, 금 및 카본, 카본 나노튜브, 그래파이트, 그래핀 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 투명전극과 마주보고 있는 측은 미세구조로 표면적이 증대될 시 산화환원의 촉매 효과를 향상시킬 수 있는 바람직한 방법이며, 특히 백금이면 백금흑 상태로, 카본이면 다공질 상태로 되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 염료감응 태양전지는 다음과 같이 동작한다. 투명전극을 투과하여 금속산화물층에 도달한 빛을 금속산화물층의 표면에 흡착된 염료가 그 빛을 흡수한다. 이에 염료는 광을 흡수함으로써 기저상태에서 여기상태로 전자 전이하고 여기된 전자는 전자-홀 쌍을 이루게 되며, 여기상태의 전자는 상기 금속산화물의 전도대로 주입된 후 전극으로 이동하여 기전력을 발생시킨다. 염료에서 광여기되어 생성된 전자가 금속산화물의 전도대로 이동하면, 전자를 잃은 염료는 전해질층의 홀 전달 물질로부터 전자를 제공 받고 원래의 기저 상태로 복원되면서 염료감응 태양전지의 사이클이 완성된다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법을 제공한다. 구체적으로 본 발명의 구현예들에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법은 광전극, 대향전극 및 광전극과 대향전극 사이에 전해질층을 포함하는 염료감응 태양전지를 제조하는 방법으로서, (1) 분자 내 한쪽에 소수성 작용기로 탄소수 12 내지 18의 알킬기를 포함하고 다른 한쪽에 친수성 작용기로 에틸렌옥사이드 반복단위(repeat unit)가 2 내지 100을 포함하는 계면활성제와 폴리에틸렌 옥사이드 계열 고분자 또는 폴리프로필렌 옥사이드 계열 고분자 또는 올리고머(분자량 200 내지 2000)를 각 분자의 무게비율을 기준으로 1:1000 내지 1:1의 비율로 혼합하여 균일한 용액을 제조한 후, 제조된 용액에 산화-환원 유도체를 첨가하여 전해질을 제조하는 단계; (2) 제조한 전해질을 광전극 및 대향전극의 사이에 주입하여 반응시키는 단계로 이루어진다.
종래의 겔형 또는 고체 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지의 경우 투명 기판 위에 전해질을 코팅하고 건조시킨 뒤 코팅된 전해질에 대향 전극이 형성된 기판을 적층하는 방법을 사용한 것과 달리 점도가 낮은 두 종류의 올리고머를 혼합한 용액을 이미 형성된 광전극 및 대향전극의 사이에 주입하는 공정을 수행함으로써 액체 전해질을 사용하는 염료감응 태양전지의 제조공정과 같이 주입공정이 가능하게 하여 제조공정상 편의성을 제공한다.
이와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 제조방법은 특별히 한정되는 것은 아니며, 종래 기술에 알려져 있는 어느 방법이나 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 전해질층을 이용하여 염료감응 태양전지를 제조하는 경우에는 종래 기술분야에서 널리 알려져 있는 방법에 따라 반도체 전극과 대향전극을 서로 대향하도록 배치함과 동시에 소정의 밀봉부재를 사용하여 전해질층이 밀봉되는 공간을 형성한 후, 이공간에 전해액을 주입하여 제조할 수 있다. 예를 들어, 열가소성 고분자 필름(예: SURLYN (듀퐁사 제품)), 에폭시 수지 또는 자외선(UV) 경화제 등의 접착제를 사용하여 투명전극과 대향전극을 부착할 수 있다. 이러한 열가소성 고분자 필름 등을 두 전극 사이에 위치시킨 후 가열 압착하여 밀폐시킨다.
상기 제조 방법에 의해 만들어진 전해질을 적절한 온도로 가열하면 액상의 성질을 보이며 이를 상기와 같이 제조된 광전극 및 대향전극 사이에 주입하여 셀을 제작한 후에, 상기 전해질은 시간이 경과된 후 전해질의 온도가 하강하면서 고체 전해질을 형성한다.
일반적으로 염료감응 태양전지의 실험은 25℃정도의 상온에서 이루어지며, 실질적으로 외부환경에서 작동하는 태양전지는 60℃이상의 내부 온도를 보인다. 본 발명에 따른 전해질은 60℃ 이하에서는 고체성질을, 60℃이상에서는 액체성질을 나타낸다. 따라서 본 발명에 따른 전해질의 주입시 온도는 55℃~95℃가 바람직하며, 특히 60℃~80℃가 더욱 바람직하나, 반드시 이 범위에 한정되는 것은 아니다. 이러한 온도 범위는 본 발명에 따른 전해질이 액체형태를 보일 수 있는 최적의 온도 범위이다. 전해질 주입시의 온도가 지나치게 낮을 경우에는 전해질의 상태가 약간 고체 형상을 띠므로 주입이 원활하지 않을 수 있으며, 지나치게 높은 경우에는 산화티타늄에 흡착된 색소 또는 대향전극에 코팅된 플라티늄의 탈착을 야기할 수 있기 때문이다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지용 전해질은 분자 내 한쪽에 소수성 작용기를 가지고 다른 한쪽에 친수성 작용기를 가진 양친성계 계면활성제와, 폴리에틸렌 옥사이드계 또는 폴리프로필렌 옥사이드계 고분자 또는 올리고머를 포함함으로써, 소량의 계면활성제만을 투입하고도 준고체 전해질의 제조가 가능하며 안정성이 높다. 또한 본 발명에 따르면 높은 이온전도도를 가지면서도 염료가 흡착된 산화티타늄 전극과 전해질 사이의 우수한 접촉을 통하여 에너지 변환효율이 높고 안정성이 높은 염료감응 태양전지를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 전해질은 적절한 온도로 가열하면 액상의 성질을 보이므로 액상을 유지할 수 있는 온도에서 주입한 뒤 시간이 경과되면 자연히 고체화가 진행되므로, 기존의 고점도 고분자 겔 전해질 주입 후 별도의 고체화 과정을 거쳐야 하는 것에 비하여 제조공정상이 매우 간단하여 적용이 용이하다.
도 1(a)는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 전해질의 사진이며, (b) 는 비교예 1에 따라 제조된 전해질의 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예 2에 따라 제조된 태양전지의 광전류-전압 상관관계 곡선이다. A 는 비교예1에 의하여 수득된 태양전지의, B는 실시예 1에 의하여 수득된 태양전지의 광전류-전압 상관관계 곡선을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예 2에 따라 제조된 태양전지의 광전류-전압 상관관계 곡선이다. A 는 비교예1에 의하여 수득된 태양전지의, B는 실시예 1에 의하여 수득된 태양전지의 광전류-전압 상관관계 곡선을 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 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>
실시예 1: 양친성 계면활성제를 포함하는 전해질 제조
폴리에틸렌 글리콜 옥타데실 이써(상품명: Brij72, 제조사: 알드리치사) 0.05g (0.000279몰)과, 폴리에틸레글리콜-디메틸렌이써 0.95g(0.0217몰)을 혼합하여 균일한 용액을 제조한 뒤, 1-메틸-3-프로필 이미다졸륨 요오드(MPII) 0.534g(0.00218몰)과 요오드(I2)0.0538g(0.000218몰)을 넣고, 12시간 교반하여 전해질 용액을 제조하였다. 제조된 전해질의 사진을 도 1(a)에 나타내었다. 점성이 매우 높음을 확인할 수 있다.
실시예 2: 실시예 1의 전해질을 포함하는 태양전지의 제조
불소가 첨가된 인듐옥사이드(FTO) 기판 위에 산화티타늄(TiO2)전도성 물질이 코팅된 투명전극을 터트-부탄올 및 아세토니트릴 혼합용매에 염료(제조사: Swiss, solaronix사 상품명: N719)를 녹인 용액에 24시간 담그어 흡착시키고 플라티늄 물질로 구성된 대향전극을 결한한 뒤, 실시예 1에서제조한전해질을 60℃ 온도에서 주입한 후, 전해질 침투시간을 유지한 후 다시 상온으로 내려 염료감응 태양전지를 제조하였다.
비교예 1: 계면활성제를 포함하지 않은 전해질 제조
폴리에틸레글리콜-디메틸렌이써 1.00g(0.022몰)에 1-메틸-3-프로필 이미다졸륨 요오드(MPII) 0.555g(0.0022몰)과 요오드(I2)0.0558g(0.00022몰)을 넣고, 12시간 교반하여 전해질 용액을 제조하였다. 제조된 전해질의 사진을 도 1(b)에 나타내었다. 본 발명에 따른 전해질 보다 점성이 매우 낮음을 확인할 수 있다.
비교예 2: 비교예 1의 전해질을 포함하는 태양전지의 제조
불소가 첨가된 인듐옥사이드(FTO) 기판 위에 산화티타늄(TiO2)전도성 물질이 코팅된 투명전극을 터트-부탄올 및 아세토니트릴 혼합용매에 염료(제조사: Swiss, solaronix사 상품명: N719)를 녹인 용액에 24시간 담그어 흡착시키고 플라티늄 물질로 구성된 대향전극을 결한한 뒤, 비교예 1에서제조한전해질을 주입하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.
시험예 1
실시예 2 및 비교예 2에 따라 제조된 태양전지 소자의 광전효율을 측정하기 위해 광전압 및 광전류를 측정하였다. 광원으로는 제논램프(Xenon lamp, Oriel, 01193)를 사용하였으며, 상기 제논 램프의 태양 조건(AM 1.5)은 표준 태양 전지(Furnhofer Institute Solare Engeriessysteme, Certificate No. C-ISE369, Type of material: Mono-Si + KG필터)를 사용하여 보정하였다. 측정된 광전류-전압의 상관관계 곡선을 도 2에 나타내었으며, 상기 곡선으로부터 계산된 단락전류밀도(Jsc, short-circuit current density), 개방전압(Voc, open-circuit voltage) 및 충진 계수(fill factor, FF)를 하기 광전환 효율 계산식을 통해 계산한 광전 효율(ηe)을 측정하였다.
ηe = (Voc·Isc·FF)/(Pinc)
상기 식에서, Pinc는 100mw/cm2(1sun)을 나타낸다.
도2에서 비교예에 따른 측정값은 A로, 실시예에 따른 소자의 측정값은 B로 나타내었다.
(A) 비교예에 따른 올리고머와 산화-환원 유도체 만을 함유하는 액체상태의 전해질을 이용한 태양전지는 10.7mA cm-2의 단락전류밀도(Jsc), 0.646V의 개방전압(Voc) 및65%의 충진계수를 가지며, 이로부터 4.48%의 광변환 효율을 얻었다.
(B) 실시예에 따라 올리고머와 산화-환원 유도체에 Brij72를 중량비율 5%로 섞은 준고체 상태의 전해질을 이용한 태양전지는 13.0mA cm-2의 단락전류밀도(Jsc), 0.613V의 개방전압(Voc) 및56%의 충진계수를 가지며, 이로부터 4.48%의 광변환 효율을 얻었다.
본 발명에 따른 전해질의 경우, 올리고머와 산화-환원 유도체만을 함유하는 액체상태의 전해질과 광변환 효율이 동일한 것을 확인할 수 있었다.
이는, 본 발명에 따른 전해질이 도 1의 사진에서 확인한 바와 같이 점성이 매우 높은 준고체성을 가지고 있어 안정성과 내구성면에서 기존의 액체 전해질보다 우수하면서도, 광변환 효율에서 기존의 액체전해질과 동일한 성능을 가진다는 것을 보여주는 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예를 참고로 본 발명에 대해 상세히 설명하였으나, 이들은 단지 예시적인 것이 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
Claims (20)
- a. 하기 (a-1)과 (a-2) 의 복합체; 및
(a-1) 분자내 한쪽 말단에 소수성 작용기로서의 알킬기를 포함하고, 다른 쪽 말단에 친수성 작용기로서의 에틸렌 옥사이드 반복단위를 포함하는 화합물;
(a-2) 분자량 200 ~ 2,000의 폴리에틸렌옥사이드계 또는 폴리프로필렌 옥사이드계 고분자 또는 올리고머
b. 산화환원 유도체;
를 포함하여 이루어지되,
상기 (a-1) 화합물은 하기 화학식 1로 표기되는 화합물인 것을 특징으로 하는, 염료감응 태양전지용 전해질.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서 n은 12 내지 18이며, m은 2 내지 100이고, R1은 수소 내지 치환 또는 비치환 된 탄소수 1내지 3이다.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 (a-2) 올리고머는 하기 화학식 2 또는 화학식 3의 화합물인 염료감응 태양전지용 전해질.
[화학식2]
상기 식에서 n은 5 내지 600이며, R1,R2는 수소 내지 치환 또는 비치환 된 탄소수 1내지 3이다
[화학식 3]
상기 식에서 n은 5 내지 600이며, R1,R2는 수소 내지 치환 또는 비치환 된 탄소수 1내지 3이다.
- 제1항에 있어서,
상기 (a-1) 와 (a-2) 의 혼합비율은,
분자 중량비를 기준으로 (a-1):(a-2) = 1 : 1000~1
인 것을 특징으로 하는, 염료감응 태양전지용 전해질.
- 제1항에 있어서,
상기 산화환원 유도체는, 요오드화 리튬, 요오드화 나트륨, 요오드화 칼륨, 브롬화 리튬, 브롬화 나트륨, 또는 브롬화 칼륨의 금속염; 및 이미다졸리윰 요오드염 중 선택된 것임을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 전해질.
- 분자내 한쪽 말단에 소수성 작용기로서의 알킬기를 포함하고 다른 쪽 말단에 친수성 작용기로서의 에틸렌 옥사이드 반복단위를 포함하는 화합물(a-1) 과, 분자량 200 ~ 2,000의 폴리에틸렌옥사이드계 고분자 또는 올리고머(a-2) 를 혼합한 후, 산화 환원 유도체를 첨가하여 전해질 용액을 수득하는 단계를 포함하여 이루어지되,
상기 (a-1) 화합물은 하기 화학식 1로 표기되는 화합물인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 전해질 제조방법.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서 n은 12 내지 18이며, m은 2 내지 100이고, R1은 수소 내지 치환 또는 비치환 된 탄소수 1내지 3이다.
- 제6항에 있어서,
상기 (a-1) 와 (a-2) 의 혼합비율은,
분자 중량비를 기준으로 (a-1):(a-2) = 1:1000~1
인 것을 특징으로 하는, 염료감응 태양전지용 전해질 제조방법.
- 삭제
- 제6항에 있어서,
상기 (a-2) 올리고머는 하기 화학식 2 또는 화학식 3의 화합물인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 전해질의 제조방법.
[화학식2]
상기 식에서 n은 5 내지 600이며, R1,R2는 수소 내지 치환 또는 비치환 된 탄소수 1내지 3이다
[화학식 3]
상기 식에서 n은 5 내지 600이며, R1,R2는 수소 내지 치환 또는 비치환 된 탄소수 1내지 3이다.
- 광전극; 대향 전극; 및 상기 광전극과 대향 전극의 사이에 게재된 전해질층;을 포함하여 이루어진 염료감응 태양전지로서,
상기 전해질 층이,
a. 하기 (a-1) 와 (a-2)의 복합체; 및
(a-1) 분자내 한쪽 말단에 소수성 작용기로서의 알킬기를 포함하고, 다른 쪽 말단에 친수성 작용기로서의 에틸렌 옥사이드 반복단위를 포함하는 화합물;
(a-2) 분자량 200 ~ 2,000의 폴리에틸렌옥사이드계 또는 폴리프로필렌옥사이드계 고분자 또는 올리고머
b. 산화환원 유도체
를 포함하여 이루어지되,
상기 (a-1) 화합물은 하기 화학식 1로 표기되는 화합물인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서 n은 12 내지 18이며, m은 2 내지 100이고, R1은 수소 내지 치환 또는 비치환 된 탄소수 1내지 3이다.
- 삭제
- 제10항에 있어서,
상기 (a-2) 올리고머는 하기 화학식 2 또는 화학식 3의 화합물인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
[화학식2]
상기 식에서 n은 5 내지 600이며, R1,R2는 수소 내지 치환 또는 비치환 된 탄소수 1내지 3이다
[화학식 3]
상기 식에서 n은 5 내지 600이며, R1,R2는 수소 내지 치환 또는 비치환 된 탄소수 1내지 3이다.
- 제10항에 있어서,
상기 광전극은, 기판 상에 전도성 물질이 코팅된 투명전극층과 염료가 흡착된 금속산화물로 이루어진 금속산화물층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 광 전극과 대향 전극을 각각 준비하는 제1단계;
제조된 광전극과 대향전극을 부착하는 제2 단계;
분자내 한쪽 말단에 소수성 작용기로서의 알킬기를 포함하고 다른 쪽 말단에 친수성 작용기로서의 에틸렌 옥사이드 반복단위를 포함하는 화합물(a-1) 과, 분자량 200 ~ 2,000의 폴리에틸렌옥사이드계 또는 폴리프로필렌옥사이드계 고분자 또는 올리고머(a-2) 를 혼합한 후, 산화 환원 유도체를 첨가하여 전해질 용액을 제조하는 제3단계; 및
제조된 전해질 용액을 양 전극 사이에 주입하는 제4단계;
를 포함하여 이루어지되,
상기 3단계에 있어서의 (a-1) 화합물은 하기 화학식 1로 표기되는 화합물인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서 n은 12 내지 18이며, m은 2 내지 100이고, R1은 수소 내지 치환 또는 비치환 된 탄소수 1내지 3이다.
- 삭제
- 제14항에 있어서,
상기 (a-2) 올리고머는 하기 화학식 2 또는 화학식 3의 화합물인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
[화학식2]
상기 식에서 n은 5 내지 600이며, R1,R2는 수소 내지 치환 또는 비치환 된 탄소수 1내지 3이다
[화학식 3]
상기 식에서 n은 5 내지 600이며, R1,R2는 수소 내지 치환 또는 비치환 된 탄소수 1내지 3이다.
- 제14항에 있어서,
제3단계에 있어서의 (a-1) 와 (a-2) 의 혼합 비율은
분자 중량비를 기준으로 (a-1):(a-2) = 1:1000~1 인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
- 제14항에 있어서,
제3단계에 있어서의 산화환원 유도체는,
요오드화 리튬, 요오드화 나트륨, 요오드화 칼륨, 브롬화 리튬, 브롬화 나트륨, 또는 브롬화 칼륨의 금속염 및 이미다졸리윰 요오드염 으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상임을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
- 제14항에 있어서,
제3단계에서 제조된 전해질 용액에 실리카 나노입자를 더 혼합하여 제조하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
- 제14항에 있어서,
제4단계에서의 주입시 온도는 55℃~95℃ 인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
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