KR101294704B1 - 다층 구조의 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

다층 구조의 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고분자 젤형 전해질과 나노젤형 전해질을 다층 구조로 포함함으로써 광전변환효율이 향상된 염료감응 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 고분자 젤형 전해질과 나노젤형 전해질 각각의 장점, 예컨대, 장기 안정성의 향상 등을 모두 보유하고, 기존에 보고된 염료감응 태양전지에 비해 더욱 향상된 광전변환 효율을 나타낼 수 있다.

Description

다층 구조의 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지 및 그 제조방법{DYE-SENSITIZED SOLAR CELL COMPRISING MULTILAYER ELECTROLYTE AND PREPARATION METHOD THEREOF}
본 발명은 염료감응 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고분자 젤형 전해질과 나노젤형 전해질을 다층 구조로 포함함으로써 광전변환효율이 향상된 염료감응 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 심각한 환경오염 문제와 화석 에너지 고갈로 차세대 청정에너지 개발에 대한 중요성이 증대되고 있다. 그 중에서도 태양전지는 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 전환시키는 장치로서, 공해가 적고, 자원이 무한적이며 반영구적인 수명이 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다. 이와 같은 태양전지를 물질별로 크게 구분하면 무기물 태양전지(inorganic solar cell), 염료감응 태양전지(dye-sensitized solar cell) 및 유기물 태양전지(organic solar cell)가 있다. 무기물 태양전지로서 단결정 실리콘이 주로 사용되고 있고, 이러한 단결정 실리콘계 태양전지는 박막형 태양전지로 제조될 수 있는 장점을 가지나, 많은 비용이 소요되고, 안정성이 낮은 문제점이 있다.
1991년 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의해 개발된 염료감응 태양전지는 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료분자와 생성된 전자를 전달하는 나노결정성 산화티타늄입자로 이루어진 산화물 반도체 전극을 이용한 광전기화학적 태양전지로서, 색소증감형 태양전지 또는 습식 태양전지라고도 불린다. 이와 같은 태양전지는 실리콘형 태양전지와 비교하여 제조공정이 간단하고 제조비용이 저렴하며 실용적으로 사용가능한 광전변환 효율을 갖는 특징이 있어, 이에 관하여 많은 연구가 진행되고 있다.
일반적으로 염료감응 태양전지에는 액체 전해질을 사용하여 전지모듈의 안정성 문제가 대두되고 있으며, 특히 액체 전해질은 밀봉이 어렵고 외부 온도의 상승으로 인한 전해질의 휘발 또는 누출의 문제가 있어, 장기간 사용하는 경우 전기화학적 안정성이 결여되는 등의 문제점이 발생한다.
이러한 문제점을 해결하고자, 최근에는 액체 전해질(한국공개특허 제2001-0030478호 등) 대신 무기 고체 전해질, 고분자 고체 전해질 등이 개발되었으나 이러한 고체형 전해질을 사용하는 경우에는 전자 및 이온의 계면 전달 특성이 좋지 않아 액체 전해질과 비교하여 광전변환 효율이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 이러한 비액체계 전해질의 광전변환 효율을 향상시키고자, 이온성 액체를 이용한 젤형 전해질 제조 등을 통해 "quasi-solid state" 또는 "solid-state"의 염료감응 태양전지를 개발하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이전에 발표된 논문 [Journal of Fluorine Chemistry Volume 125 (August 2004), Pages 1241-1245]에서는 나노실리카 물질과 액체 전해질을 혼합한 젤형 전해질에 대한 연구가 발표된바 있다. 상기 논문에 개시된 나노실리카 물질과 액체 전해질을 혼합하여 제조된 젤형 전해질은 나노실리카와 액체 전해질 간의 친화력이 좋지 않아서 고온에서 액체 전해질이 쉽게 증발되는 단점이 있으며, 여전히 용매를 함유하고 있기 때문에 장기 안정성 향상 정도가 제한적이다.
본 발명자들은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 예의 연구를 거듭하였고, 한국등록특허 제10-1034618호 등에서는 염료감응 태양전지용 고분자 젤형 전해질을 제안하였고, 한국등록특허 제10-108938호, 제10-1070774호 등에서는 염료감응 태양전지용 나노젤형 전해질을 제안하였으며, 그 결과 고분자 젤형 전해질과 나노젤형 전해질 각각이 염료감응 태양전지의 장기 안정성을 향상시킬 수 있으며 동시에 광전변환효율을 향상시킬 수 있음을 입증하였다. 그러나, 염료감응 태양전지의 상업화를 위해서는 광전변환효율을 더 향상시킬 필요가 있다.
본 발명의 목적은 종래에 보고된 염료감응 태양전지에 비해 광전변환효율을 향상시킬 수 있는 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 광전극, 상기 광전극과 대향하여 배치되는 상대전극, 및 상기 두 전극 사이에 위치하는 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지로서, 상기 전해질은 고분자 젤형 전해질층과 나노젤형 전해질층으로 구성되는 다층 구조인 것을 특징으로 하는 다층 구조의 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 (S1) 광전극을 제조하는 단계; (S2) 상대전극을 제조하는 단계; (S3) 상기 광전극의 일면에 고분자 젤형 전해질층과 나노젤형 전해질층을 다층 구조로 적층하는 단계; 및 (S4) 상대전극을 대향시킨 후 밀봉재로 밀봉하는 단계를 포함하는 다층 구조의 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 고분자 젤형 전해질층과 나노젤형 전해질층으로 구성되는 다층 구조의 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지는 고분자 젤형 전해질과 나노젤형 전해질 각각의 장점, 예컨대, 장기 안정성의 향상 등을 모두 보유하고, 기존에 보고된 염료감응 태양전지에 비해 더욱 향상된 광전변환 효율을 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 구조의 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따르면, 광전극, 상기 광전극과 대향하여 배치되는 상대전극, 및 상기 두 전극 사이에 위치하는 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지로서, 상기 전해질은 고분자 젤형 전해질층과 나노젤형 전해질층으로 구성되는 다층 구조인 것을 특징으로 하는 다층 구조의 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지가 제공된다. 본 발명에 따라 염료감응 태양전지의 전해질을 고분자 젤형 전해질과 나노젤형 전해질을 사용하여 2 이상의 다층 구조로 형성하면, 고분자 젤형 전해질과 나노젤형 전해질을 개별 적용함으로써 얻을 수 있는 장기 안정성의 개선과 같은 장점뿐 아니라 태양전지의 광전변환 효율이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 구조의 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지의 구조를 나타낸 것이다. 도 1에 도시되는 바와 같이, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 투명전도성 기판(1) 위에 염료가 코팅된 나노 산화물층(2)을 형성하여 제조된 광전극(7)과 투명전도성 기판 위에 백금층이 형성된 상대전극(6)이 밀봉재(4)에 의해 서로 대향하는 구조로 배치되고, 이들 전극 사이에 2 이상의 다층 구조로 고분자 젤형 전해질(3)과 나노젤형 전해질(5)이 형성된다. 바람직하게는, 전해질이 광전극 위에 고분자 젤형 전해질층과 나노젤형 전해질층이 순서대로 적층된 이층 구조로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 광전극(7)은 투명전도성 기판(1) 위에 염료가 코팅된 나노 산화물층(2)을 형성함으로써 제조될 수 있다. 이때, 투명전도성 기판(1)은 투명 기판의 상부에 투명전도성 산화물층이 형성된 기판으로서, 투명 기판은 폴리에테르술폰, 폴리아크릴레이트, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리아릴레이트, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 셀룰로오스 트리아세테이트 및 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 플라스틱재 또는 유리재일 수 있고, 투명전도성 산화물층은 불소가 도핑된 인듐 틴 옥사이드(FTO) 또는 인듐 틴 옥사이드(ITO)로부터 형성된 층이나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 염료가 코팅된 나노 산화물층은 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2) 및 산화아연(SnO)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속 산화물을 포함하는 조성물로부터 형성되며, 염료가 흡착되어 있는 층이다. 나노 산화물층은 두께가 5 내지 30 ㎛인 것이 바람직하다.
염료는 루테늄(Ru) 착물 또는 유기염료가 담지된 용액을 이용하여 흡착시킬 수 있다. 염료로는 루테늄 복합체를 포함하여 가시광을 흡수할 수 있는 루테늄 착물과, 이외에도 가시광 내의 장파장 흡수를 개선하여 효율을 향상시키는 특성 및 전자 방출을 효율적으로 할 수 있는 염료라면 어떠한 것이든 사용할 수 있음은 물론이다. 구체적으로, 로다민B, 로즈벤갈, 에오신, 에리스로신 등의 크산틴계 염료; 퀴노시아닌, 크립토시아닌 등의 시아닌계 염료; 페노사프라닌, 카브리블루, 티오신, 메틸렌블루 등의 염기성 염료; 클로로필, 아연 포르피린, 마그네슘 포르피린 등의 포르피린계 화합물; 기타 아조계 염료; 프탈로시아닌 화합물; 안트라퀴논계 염료; 또는 다환 퀴논계 염료 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 전해질은 고분자 젤형 전해질과 나노젤형 전해질이 적층된 다층 구조로 포함된다. 고분자 젤형 전해질(3)은 현재 본 기술 분야에 공지되어 있는 것을 모두 포함하며, 특정 성분으로 한정되지 않는다. 바람직하게는, 자외선 경화형 우레탄아크릴레이트 단량체, 이의 올리고머, 이의 중합체 및 이의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 고분자 성분, 광중합 개시제, 및 이온성 액체, 산화-환원 유도체와 유기용매로 이루어진 액체 전해액을 포함하여 이루어진 것을 사용할 수 있다. 이때, 광중합개시제는 에틸벤조인 에테르, 이소프로필벤조인 에테르, α-메틸벤조인 에틸에테르, 벤조인 페닐에테르, α-아실옥심 에스테르, α,α-디에톡시 아세토페논, 1,1-디클로로아세토페논, 2-하이드록시-2-메틸-1-페닐프로판-1-온, 1-하이드록시 사이클로헥실 페닐 케톤, 안트라퀴논, 2-안트라퀴논, 2-클로로안트라퀴논, 티옥산톤, 이소프로필 티옥산톤, 클로로티옥산톤, 벤조페논, ρ-클로로벤조페논, 벤질 벤조에이트, 벤조일 벤조에이트 및 미클러 케톤으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 이온성 액체는 n-메틸이미다졸륨 아이오다이드, n-에틸이미다졸륨 아이오다이드, 에틸-메틸이미다졸륨 아이오다이드, 1-벤질-2-메틸이미다졸륨 아이오다이드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 아이오다이드, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 아이오다이드, 메틸피리디늄 아이오다이드, 에틸피리디늄 아이오다이드, 프로필 피리디늄 아이오다이드, 1-에틸-1-메틸피롤리디늄 아이오다이드, 다이메틸피롤리디늄 아이오다이드, 에틸메틸이미다졸륨 디시아나마이드 및 구아니듐 티오시아네이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 혼합하여 제조할 수 있고, 산화-환원 유도체는 오오드화 리튬, 아이오다이드화 나트륨, 아이오다이드화 칼륨, 브롬화 리튬, 브롬화 나트륨, 브롬화 칼륨, 4급 암모늄염, 이미다졸륨염 및 피리디늄염으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 유기용매는 3-메톡시프로피오나이트릴, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 테트라하이드로퓨란 및 감마-부티로락톤으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 사용할 수 있으나, 이러한 물질 모두는 본 발명이 속하는 기술분야에서 알려진 것을 제한없이 사용할 수 있다.
나노젤형 전해질(5) 역시 현재 본 기술 분야에 공지되어 있는 것을 모두 포함하며, 특정 성분으로 한정되지 않는다. 바람직하게는, 나노실리카, 및 이온성 액체, 산화-환원 유도체와 유기용매로 이루어진 액체 전해질을 포함하여 이루어진 것을 사용할 수 있다. 이온성 액체, 산화-환원 유도체와 유기용매는 고분자 젤형 전해질에서 언급한 바와 동일하며, 나노실리카는 상업적으로 시판하는 나노실리카 분말, 실릴프로필메타크릴레이트가 결합된 나노실리카 분말 또는 실릴프로피오나이트릴이 결합된 나노실리카 분말을 합성하여 사용할 수 있다.
상대전극(6)은 투명 기판; 상기 투명기판의 상부에 형성된 투명전도성 산화물층; 및 상기 투명전도성 산화물층의 상부에 형성된 백금층을 포함한다. 투명기판, 투명전도성 산화물층은 광전극에서 언급한 바와 동일하며, 백금층은 전해질의 환원반응을 촉진시키는 역할을 하는 백금촉매로부터 형성된 층이다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법은 (S1) 광전극을 제조하는 단계; (S2) 상대전극을 제조하는 단계; (S3) 상기 광전극의 일면에 고분자 젤형 전해질층과 나노젤형 전해질층을 다층 구조로 적층하는 단계; 및 (S4) 상대전극을 대향시킨 후 밀봉재로 밀봉하는 단계를 포함한다.
광전극을 제조하는 S1 단계는, 투명기판을 준비하는 단계; 준비된 투명 기판의 상부에 투명전도성 산화물층을 형성하는 단계; 형성된 투명전도성 산화물층의 상부에 금속 산화물을 포함하는 조성물을 적용하여 나노 산화물층을 형성하는 단계; 및 형성된 나노 산화물층에 염료가 용해된 용액을 적용하여 염료를 흡착시키는 단계를 포함하여 이루어진다. 구체적으로, 먼저 투명기판을 준비한 후, 상기 투명기판의 상부에 투명전도성 산화물인 불소가 도핑된 인듐 틴 옥사이드 또는 인듐 틴 옥사이드를 접착제를 이용하여 접착시키거나 또는 스퍼터링 방법으로 도막을 코팅하여 투명전도성 산화물층을 형성할 수 있다. 다음으로, 나노 산화물층을 형성하기 위하여 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2) 및 산화아연(SnO)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속 산화물을 포함하는 코팅 조성물을 제조한 후, 상기 형성된 투명전도성 산화물층의 상부에 코팅 조성물을 닥터블레이드 방법으로 도포하고, 400 내지 500℃의 온도에서 10 내지 60분 동안 열처리하여 두께가 5 내지 30 ㎛인 나노 산화물층을 형성할 수 있다. 이때, 나노 산화물층을 형성하는 단계를 1회 이상 더 반복하여 원하는 두께의 나노 산화물층을 형성할 수 있다. 그 다음으로, 상기 형성된 나노 산화물층의 금속 산화물에 염료를 흡착시키기 위하여 염료를 용매에 용해시켜 농도가 0.01 내지 5 μM인 염료 용액을 제조한 후, 여기에 상기 나노 산화물층이 형성된 기판을 5 내지 72시간 동안 담지시킨 후 건조하여 염료를 흡착시킬 수 있다.
상대전극을 제조하는 S2 단계는, 투명기판을 준비하는 단계; 준비된 투명 기판의 상부에 투명전도성 산화물층을 형성하는 단계; 및 형성된 투명전도성 산화물층의 상부에 백금층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다. 구체적으로, 먼저 투명기판을 준비한 후, 상기 투명기판의 상부에 투명전도성 산화물인 불소가 도핑된 인듐 틴옥사이드 또는 인듐 틴 옥사이드를 접착제를 이용하여 접착시키거나 또는 스퍼터링 방법으로 도막을 코팅하여 투명전도성 산화물층을 형성할 수 있다. 다음으로, 상기 투명전도성 산화물층의 상부에 백금이 녹아있는 용액을 떨어뜨린 후, 400 내지 600℃에서 10 내지 60분 동안 열처리하여 백금층을 형성할 수 있다. 이때, 백금층은 스퍼터링 방법, 화학기상증착 방법, 증기증착 방법, 열산화 방법, 전기화학적 증착 방법 등을 사용하여 형성할 수도 있다.
광전극의 일면에 고분자 젤형 전해질층과 나노젤형 전해질층을 다층 구조로 적층하는 S3 단계는, 광전극의 일면에 고분자 젤형 전해질층을 형성하고, 상기 고분자젤형 전해질층의 상부에 나노젤형 전해질층을 적층하는 방식으로 2 이상의 다층 구조로 형성할 수 있다.
고분자 젤형 전해질층은, 제조된 광전극의 표면에 자외선 경화형 우레탄아크릴레이트 단량체, 이의 올리고머, 이의 중합체 및 이의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 고분자 성분을 포함하여 이루어진 고분자 젤형 전해질을 도포하고, 자외선 경화하여 고분자 젤형 전해질층을 형성할 수 있다. 구체적으로, 산화-환원계 유도체와 유기용매로 이루어진 액체 전해액을 제조한 후, 여기에 자외선 경화형 고분자 성분과 광중합개시제를 첨가하여 겔형 고분자 전해질을 제조한다. 제조된 고분자 겔형 전해질을 광전극의 염료가 흡착된 나노 산화물층의 표면에 스크린프린팅 방법으로 도포하고, 5 내지 60초 동안 자외선을 조사하여 경화시킴으로써 고분자 젤형 전해질층을 형성할 수 있다.
나노젤형 전해질층은 고분자 젤형 전해질층 상부에 나노 실리카를 포함하여 이루어진 나노젤형 전해질을 도포하여 형성할 수 있다. 구체적으로, 이온성 액체, 산화-환원계 유도체와 유기용매로 이루어진 액체 전해액을 제조한 후, 여기에 나노실리카를 첨가하여 나노젤형 전해질을 제조한다. 제조된 나노젤형 전해질을 고분자 젤형 전해질층 상부에 스크린 프린팅 방법으로 도포하여 형성할 수 있다.
상대전극을 대향시킨 후 밀봉재로 밀봉하는 S4 단계는, S3 단계에서 다층 구조의 전해질층이 형성된 광전극과 S2 단계에서 제조된 상대전극을 대향시킨 후 밀봉재로 밀봉하는 단계이다. 구체적으로, 광전극과 상대전극의 전도성 표면이 안쪽으로 오도록 하여, 이들이 서로 대향되도록 부착한다. 광전극과 상대전극 사이에 SURLYN(Du Pont사 제조)으로 이루어지는 20 내지 100 ㎛ 두께의 열가소성 고분자층을 형성한 후, 이를 120 내지 140℃의 온도에서 1 내지 2분 동안 유지하여 두 전극을 밀봉시킬 수 있다.
이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술 사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정할 수 있음은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예 : 다층 구조의 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지의 제조
(1) 불소가 도핑된 틴 옥사이드 투명전도성 산화물층이 형성된 투명 유리 기판을 준비하였다. 상기 기판의 투명전도성 산화물층 상부에 이산화티탄을 포함하는 코팅용 조성물을 닥터블레이드법으로 도포하고, 500℃에서 30분 동안 열처리하여, 나노크기의 금속 산화물 간의 접촉 및 충진이 이루어지도록 하여 약 8 두께의 나노 산화물층을 형성시켰다. 0.2 mM의 루테늄 디티오시아네이트 2,2-비피리딜-4,4-디카르복실레이트 염료 용액을 제조하였다. 여기에 상기 나노 산화물층이 형성된 기판을 24시간 동안 담지한 후 건조시켜 나노크기의 금속 산화물에 염료를 흡착시켜 광전극을 제조하였다.
(2) 3-메톡시프로피오나이트릴 용매에 0.1M LiI, 0.05M I2, 0.5M 4-tert-부틸피리딘과 이온성 액체인 0.6M 1-에틸-1-메틸피롤리디늄 아이오다이드를 용해시켜 액체 전해액을 제조하였다. 여기에 알리파틱 우레탄아크릴레이트(Sartomer Company사 제조) 25 중량%와 광중합개시제인 IRG-184(MNP Compnay사 제조) 5 중량%를 첨가하여 총 함량이 100 중량%인 겔형 고분자 전해질을 제조하였다. 제조된 고분자 겔형 전해질을 광전극의 염료가 흡착된 나노이산화티타늄 코팅된 쪽 표면에 도포하고, 스크린 프린팅법으로 코팅한 후, 자외선 조사기를 이용하여 경화시킴으로써 고분자 겔형 전해질 층을 형성시켰다.
(3) 3-메톡시프로피오나이트릴 용매에 0.1M LiI, 0.05M I2, 0.5M 4-tert-부틸피리딘과 이온성 액체인 0.6M 1-에틸-1-메틸피롤리디늄 아이오다이드를 용해시켜 액체 전해액을 제조하였다. 여기에 나노실리카(nano-silica, 17nm)를 10 중량%를 섞어 총 중량의 합이 100 중량%인 나노젤형 전해질을 제조하였다. 제조된 나노젤형 전해질을 광전극의 고분자 젤형 전해질이 코팅된 쪽 표면에 도포하고, 스크린 프린팅법으로 코팅하여 나노젤형 전해질 층을 형성시켰다.
(4) 불소가 도핑된 틴 옥사이드 투명전도성 산화물층이 형성된 투명 유리 기판을 준비하였다. 상기 기판의 투명전도성 산화물층 상부에 육염화백금산(H2PtCl6)이 녹아있는 2-프로판올 용액을 떨어뜨린 후, 450℃에서 30분 동안 열처리하여 백금층을 형성시켜 상대전극을 제조하였다.
(5) 제조된 광전극과 상대전극을 서로 대향시킨 후, SURLYN(Du Pont사 제조)으로 이루어지는 약 60 ㎛ 두께의 열가소성 고분자층을 형성한 후, 130℃의 오븐에 넣어 2분 동안 유지하여 두 전극을 부착하여 밀봉함으로써 염료감응 태양전지를 제조하였다.
비교예 1
실시예 1에서 광전극 표면에 고분자 겔형 전해질층 및 나노젤형 전해질층을 형성하지 않고 종래 보고된 액체 전해질을 주입한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 염료감응 태양전지를 제조하였다.
비교예 2
실시예 1에서 광전극 표면에 고분자 겔형 전해질 층만을 형성하고 나노젤 층을 형성하지 않은 채 비교예 1에서 사용한 액체 전해질을 주입한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 염료감응 태양전지를 제조하였다.
비교예 3
실시예 1에서 광전극 표면에 고분자 겔형 전해질층을 형성하지 않고, 나노젤층 만을 형성한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 염료감응 태양전지를 제조하였다.
시험예 : 광전환 효율의 측정
실시예 및 비교예 1 내지 3에서 제조한 염료감응 태양전지의 광전환 효율을 평가하기 위하여 하기와 같은 방법으로 광전압 및 광전류를 측정하여 광전기적 특성을 관찰하고, 이를 통하여 얻어진 전류밀도(Isc), 전압(Voc), 및 충진계수(fillfactor, ff)를 이용하여 광전환 효율(e)를 하기 수학식 1로 계산하였다. 이때, 광원으로는 제논 램프(Xenon lamp, Oriel)를 사용하였으며, 상기 제논 램프의 태양조건(AM 1.5)은 표준 태양전지를 사용하여 보정하였다.
[수학식 1]
e = (Voc Isc ff) / (Pine)
상기 수학식 1에서, (Pine)는 100 /(1 sun)을 나타낸다.
상기와 같이 측정된 값들을 하기 표 1에 나타내었다.
구분 전류밀도(㎃) 전압(mV) 충진계수(%) 광전환 효율(%)
실시예 1 15.8 793 61.3 7.65
비교예 1 16.0 744 52.9 6.32
비교예 2 14.7 735 47.5 5.14
비교예 3 14.6 823 60.0 7.26
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 고분자 겔형 전해질 및 나노겔형 전해질이 복층구조로 적용된 염료감응 태양전지(실시예 1)의 경우 액체 전해질을 적용한 염료감응 태양전지(비교예 1), 고분자 겔형 전해질만 적용한 염료감응 태양전지(비교예 2), 나노젤형 전해질만을 적용한 염료감응 태양전지(비교예 3)과 비교하여 전류밀도가 높아지거나 전압이 상승하고, 충진계수가 향상되어 광전환효율이 향상된 것을 확인할 수 있었다. 또한 본 발명의 염료감응 태양전지의 경우 액체 전해질을 적용한 염료감응 태양전지 및 나노겔형 전해질을 적용한 염료감응 태양전지보다 고온안정성이 향상되는 장점도 가진다.
1: 투명전도성 기판(광전극)
2: 염료가 코팅된 반도체(이산화티타늄)
3: 고분자 젤형 전해질
4: 밀봉재
5: 나노젤형 전해질
6: 투명전도성 기판(상대전극)

Claims (12)

  1. 광전극, 상기 광전극과 대향하여 배치되는 상대전극, 및 상기 두 전극 사이에 위치하는 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지로서,
    상기 전해질은 고분자 젤형 전해질층과 나노젤형 전해질층으로 구성되는 다층 구조인 것을 특징으로 하는 다층 구조의 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전해질은 광전극 위에 고분자 젤형 전해질층과 나노젤형 전해질층이 순서대로 적층된 이층 구조인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 광전극은 투명전도성 기판, 및 상기 기판의 일면에 형성되는 염료가 코팅된 나노 산화물층으로 구성되고,
    상기 상대전극은 투명전도성 기판, 및 상기 기판의 일면에 형성되는 백금층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 고분자 젤형 전해질층은 자외선 경화형 우레탄아크릴레이트 단량체, 이의 올리고머, 이의 중합체 및 이의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 고분자 성분, 광중합개시제, 및 이온성 액체, 산화-환원 유도체와 유기용매로 이루어진 액체 전해액을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노젤형 전해질층은
    나노실리카 분말, 실릴프로필메타크릴레이트가 결합된 나노실리카 분말 및 실릴프로피오나이트릴이 결합된 나노실리카 분말로 이루어지는 군으로부터 선택되는 나노실리카, 및 이온성 액체, 산화-환원 유도체와 유기용매로 이루어진 액체 전해액을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  6. (S1) 광전극을 제조하는 단계;
    (S2) 상대전극을 제조하는 단계;
    (S3) 상기 광전극의 일면에 고분자 젤형 전해질층과 나노젤형 전해질층을 다층 구조로 적층하는 단계; 및
    (S4) 상대전극을 대향시킨 후 밀봉재로 밀봉하는 단계를 포함하는 다층 구조의 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 S1 단계는, 투명기판을 준비하는 단계; 준비된 투명 기판의 상부에 투명전도성 산화물층을 형성하는 단계; 형성된 투명전도성 산화물층의 상부에 금속 산화물을 포함하는 조성물을 적용하여 나노 산화물층을 형성하는 단계; 및 형성된 나노 산화물층에 염료가 용해된 용액을 적용하여 염료를 흡착시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 S2 단계는, 투명기판을 준비하는 단계; 준비된 투명 기판의 상부에 투명전도성 산화물층을 형성하는 단계; 및 형성된 투명전도성 산화물층의 상부에 백금층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 S3 단계는, 광전극의 일면에 고분자 젤형 전해질층을 형성하고, 상기 고분자젤형 전해질층의 상부에 나노젤형 전해질층을 적층하는 방식으로 2 이상의 다층 구조로 형성하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 S3 단계는,
    자외선 경화형 우레탄아크릴레이트 단량체, 이의 올리고머, 이의 중합체 및 이의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 고분자 성분, 광중합개시제, 및 산화-환원 유도체와 유기용매로 이루어진 액체 전해액을 포함하여 이루어진 고분자 젤형 전해질을 제조된 광전극의 표면에 도포하고, 자외선 경화하여 고분자 젤형 전해질층을 형성하는 단계; 및
    나노실리카, 및 이온성 액체, 산화-환원계 유도체와 유기용매로 이루어진 액체 전해액을 포함하여 이루어진 나노젤형 전해질을 상기 고분자 젤형 전해질층의 상부에 도포하여 나노젤형 전해질층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 고분자 젤형 전해질 및 나노젤형 전해질은 스크린프린팅 방법으로 도포하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
  12. 청구항 6에 있어서,
    상기 S4 단계는,
    광전극과 상대전극 사이에 이루어지는 20 내지 100 ㎛ 두께의 열가소성 고분자층을 형성한 후, 이를 120 내지 140℃의 온도에서 1 내지 2분 동안 유지하여 두 전극을 밀봉하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
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