KR101429759B1 - 염료감응형 태양전지용 전해 조성물 및 상기 전해 조성물을 포함한 염료감응형 태양전지 - Google Patents
염료감응형 태양전지용 전해 조성물 및 상기 전해 조성물을 포함한 염료감응형 태양전지 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101429759B1 KR101429759B1 KR1020130117906A KR20130117906A KR101429759B1 KR 101429759 B1 KR101429759 B1 KR 101429759B1 KR 1020130117906 A KR1020130117906 A KR 1020130117906A KR 20130117906 A KR20130117906 A KR 20130117906A KR 101429759 B1 KR101429759 B1 KR 101429759B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- dye
- solar cell
- sensitized solar
- energy transfer
- electrolyte
- Prior art date
Links
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 title claims abstract description 39
- 239000000203 mixture Substances 0.000 title claims description 49
- 239000000975 dye Substances 0.000 title abstract description 76
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 64
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 60
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 claims description 31
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 claims description 18
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 10
- 238000002866 fluorescence resonance energy transfer Methods 0.000 claims description 9
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims description 7
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims description 6
- FWBHETKCLVMNFS-UHFFFAOYSA-N 4',6-Diamino-2-phenylindol Chemical compound C1=CC(C(=N)N)=CC=C1C1=CC2=CC=C(C(N)=N)C=C2N1 FWBHETKCLVMNFS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 claims description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 9
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 6
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 abstract description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract 7
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 21
- 238000001327 Förster resonance energy transfer Methods 0.000 description 16
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 15
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical group [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 7
- 239000003504 photosensitizing agent Substances 0.000 description 7
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 6
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 5
- 238000004768 lowest unoccupied molecular orbital Methods 0.000 description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 3
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- YYGNTYWPHWGJRM-UHFFFAOYSA-N (6E,10E,14E,18E)-2,6,10,15,19,23-hexamethyltetracosa-2,6,10,14,18,22-hexaene Chemical compound CC(C)=CCCC(C)=CCCC(C)=CCCC=C(C)CCC=C(C)CCC=C(C)C YYGNTYWPHWGJRM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- -1 4-hexylthiophen-2-yl Chemical group 0.000 description 2
- BHEOSNUKNHRBNM-UHFFFAOYSA-N Tetramethylsqualene Natural products CC(=C)C(C)CCC(=C)C(C)CCC(C)=CCCC=C(C)CCC(C)C(=C)CCC(C)C(C)=C BHEOSNUKNHRBNM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- PRAKJMSDJKAYCZ-UHFFFAOYSA-N dodecahydrosqualene Natural products CC(C)CCCC(C)CCCC(C)CCCCC(C)CCCC(C)CCCC(C)C PRAKJMSDJKAYCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001678 elastic recoil detection analysis Methods 0.000 description 2
- 208000038004 exacerbated respiratory disease Diseases 0.000 description 2
- 238000004770 highest occupied molecular orbital Methods 0.000 description 2
- 239000003446 ligand Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- PYWVYCXTNDRMGF-UHFFFAOYSA-N rhodamine B Chemical compound [Cl-].C=12C=CC(=[N+](CC)CC)C=C2OC2=CC(N(CC)CC)=CC=C2C=1C1=CC=CC=C1C(O)=O PYWVYCXTNDRMGF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229940043267 rhodamine b Drugs 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 229940031439 squalene Drugs 0.000 description 2
- TUHBEKDERLKLEC-UHFFFAOYSA-N squalene Natural products CC(=CCCC(=CCCC(=CCCC=C(/C)CCC=C(/C)CC=C(C)C)C)C)C TUHBEKDERLKLEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 2
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 2
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MXLZUALXSYVAIV-UHFFFAOYSA-N 1,2-dimethyl-3-propylimidazol-1-ium Chemical compound CCCN1C=C[N+](C)=C1C MXLZUALXSYVAIV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XIPAKHFRTWWLRB-UHFFFAOYSA-N 1,6,7,12-tetrakis(4-tert-butylphenoxy)-9,10-bis[N-[2,6-di(propan-2-yl)phenyl]-C-hydroxycarbonimidoyl]perylene-3,4-dicarboxylic acid Chemical compound C(C)(C)(C)C1=CC=C(OC2=CC(=C3C(=CC(=C4C5=C(C=C(C=6C(=CC(=C(C2=C34)C5=6)OC2=CC=C(C=C2)C(C)(C)C)C(=O)O)C(=O)O)OC2=CC=C(C=C2)C(C)(C)C)OC2=CC=C(C=C2)C(C)(C)C)C(O)=NC2=C(C=CC=C2C(C)C)C(C)C)C(O)=NC2=C(C=CC=C2C(C)C)C(C)C)C=C1 XIPAKHFRTWWLRB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- SFPQDYSOPQHZAQ-UHFFFAOYSA-N 2-methoxypropanenitrile Chemical compound COC(C)C#N SFPQDYSOPQHZAQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OOWFYDWAMOKVSF-UHFFFAOYSA-N 3-methoxypropanenitrile Chemical compound COCCC#N OOWFYDWAMOKVSF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- SKZWFYFFTOHWQP-UHFFFAOYSA-L 4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline;ruthenium(2+);dichloride Chemical compound Cl[Ru]Cl.C1=CC=CC=C1C1=CC=NC2=C1C=CC1=C(C=3C=CC=CC=3)C=CN=C21.C1=CC=CC=C1C1=CC=NC2=C1C=CC1=C(C=3C=CC=CC=3)C=CN=C21.C1=CC=CC=C1C1=CC=NC2=C1C=CC1=C(C=3C=CC=CC=3)C=CN=C21 SKZWFYFFTOHWQP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 7553-56-2 Chemical compound [I] ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PONZBUKBFVIXOD-UHFFFAOYSA-N 9,10-dicarbamoylperylene-3,4-dicarboxylic acid Chemical compound C=12C3=CC=C(C(O)=O)C2=C(C(O)=O)C=CC=1C1=CC=C(C(O)=N)C2=C1C3=CC=C2C(=N)O PONZBUKBFVIXOD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- SNFCXVRWFNAHQX-UHFFFAOYSA-N 9,9'-spirobi[fluorene] Chemical compound C12=CC=CC=C2C2=CC=CC=C2C21C1=CC=CC=C1C1=CC=CC=C21 SNFCXVRWFNAHQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910003609 H2PtCl4 Inorganic materials 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920003182 Surlyn® Polymers 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000002313 adhesive film Substances 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 125000005605 benzo group Chemical group 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000001506 fluorescence spectroscopy Methods 0.000 description 1
- ZZUFCTLCJUWOSV-UHFFFAOYSA-N furosemide Chemical compound C1=C(Cl)C(S(=O)(=O)N)=CC(C(O)=O)=C1NCC1=CC=CO1 ZZUFCTLCJUWOSV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 1
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011630 iodine Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- HSZCZNFXUDYRKD-UHFFFAOYSA-M lithium iodide Chemical compound [Li+].[I-] HSZCZNFXUDYRKD-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 239000002073 nanorod Substances 0.000 description 1
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 1
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 1
- IEQIEDJGQAUEQZ-UHFFFAOYSA-N phthalocyanine Chemical compound N1C(N=C2C3=CC=CC=C3C(N=C3C4=CC=CC=C4C(=N4)N3)=N2)=C(C=CC=C2)C2=C1N=C1C2=CC=CC=C2C4=N1 IEQIEDJGQAUEQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000006862 quantum yield reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 125000000437 thiazol-2-yl group Chemical group [H]C1=C([H])N=C(*)S1 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-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
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-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
- H01G9/2059—Light-sensitive devices comprising an organic dye as the active light absorbing material, e.g. adsorbed on an electrode or dissolved in solution
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-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
- H01G9/2031—Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode comprising titanium oxide, e.g. TiO2
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-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
- H01G9/2036—Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode comprising mixed oxides, e.g. ZnO covered TiO2 particles
-
- 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
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Hybrid Cells (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
본 발명은 염료감응형 태양전지용 전해 조성물 및 상기 전해 조성물을 포함한 염료감응형 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양광을 투과할 수 있는 재질의 윈도우와, 상기 윈도우의 일면상에 형성되고 광민감성 염료가 흡착된 나노 금속산화물을 포함한 광전극 및 상기 광전극과 이격되어 대면하는 상대전극을 포함하며, 상기 광전극과 상대전극 사이에 충진되는 전해질을 포함한 염료감응형 태양전지에 적용되는 전해 조성물에 있어서, 상기 전해 조성물은 상기 광 민감성 염료의 흡광도가 60% 이하인 단파장 범위에서 광흡수를 하며 상기 염료의 흡광도가 60% 이상인 파장대에서 광에너지를 방출하는 에너지 전달물질을 포함한 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 전해 조성물 및 상기 전해 조성물을 포함한 염료감응형 태양전지에 관한 것으로, 본 발명의 염료감응형 태양전지용 전해 조성물 및 염료감응형 태양전지는 에너지 전달 물질(energy relay dyes, ERDs)을 전해질에 혼입하여 전해 조성물의 형태로 제조하여 사용하기 때문에 제조과정이 간단하고 종래의 염료감응형 태양전지의 구조를 변경하거나 복잡한 제조과정을 거치지 않고도 염료감응형 태양전지의 효율을 크게 향상하였다.
Description
본 발명은 염료감응형 태양전지용 전해 조성물 및 상기 전해 조성물을 포함한 염료감응형 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양광을 투과할 수 있는 재질의 윈도우와, 상기 윈도우의 일면상에 형성되고 광민감성 염료가 흡착된 나노 금속산화물을 포함한 광전극 및 상기 광전극과 이격되어 대면하는 상대전극을 포함하며, 상기 광전극과 상대전극 사이에 충진되는 전해질을 포함한 염료감응형 태양전지에 적용되는 전해 조성물에 있어서, 상기 전해 조성물은 상기 광 민감성 염료의 흡광도가 60% 이하인 단파장 범위에서 광흡수를 하며 상기 염료의 흡광도가 60% 이상인 파장대에서 광에너지를 방출하는 에너지 전달물질을 포함한 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 전해 조성물 및 상기 전해 조성물을 포함한 염료감응형 태양전지에 관한 것이다.
요즘 신재생 에너지에 대한 관심이 높아지면서 태양광, 수력, 지열, 원자력 등 다양한 대체 에너지원에 대한 관심이 높아지고 있다. 수많은 대체 에너지원이 있지만 이중에서도 가장 지리적인 조건의 영향을 적게 받고 많은 에너지를 만들 수 있는 태양광을 가장 성장 가능성이 높은 에너지원으로 보았다.
태양광을 이용하는 태양전지는 크게 실리콘태양전지와 염료감응형태양전지로 나눌 수 있다. 아직 까지는 실리콘 태양전지의 효율이 다른 종류의 태양전지보다 높기 때문에 주로 실리콘 태양전지가 주를 이루고 있다. 태양전지를 제작 할 때에 무기소재를 이용하며 Pn 접합을 할 때 실리콘을 이용하는 전지를 실리콘태양전지라고 부른다. 실리콘 태양전지는 효율은 높지만 값이 비싸고 태양전지를 사용했을 때에는 친환경적인 에너지원이 될 수 있을지 몰라도 태양전지의 제작 과정과 원료 자체가 환경 친화적이지 못한 것이 단점이다.
반면, 염료감응형 태양전지는 아직까지 널리 사용되고 있지는 않지만 차세대 태양전지로 주목을 받고 있다. 염료감응형 태양전지는 염료를 이용하기 때문에 투명하다는 큰 장점이 있다. 이를 이용하여 미래에는 창문을 태양전지로 만들 수 있고 이는 디자인적인 측면에서도 많은 효과를 거둘 수 있어 염료감응형 태양전지를 활용하여 더 효율적인 전력생산에 큰 도움을 줄 것이다. 이러한 염료감응형 태양전지를 상용화를 위해서는 효율을 높여야 한다. 도 1은 염료감응형 태양전지의 구조를 도식적으로 나타낸 구조도이다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 염료감응형태양전지의 구조를 크게 4가지로 나눌 수 있다. (-)전극, 염료, 전해질, (+)전극으로 나눌 수 있다. 각각의 전극은 빛이 통과해야 하기 때문에 투명한 유리로 만들어져 있다. (-)전극에는 산화티타늄(TiO2)을 바르게 되는데 이는 전자의 흐름을 일정한 방향으로 유지시키기 위한 것이다. (-)전극 밑에는 염료가 흡착되어 있는데, 빛을 받은 염료는 전자를 방출하여 산화티타늄으로 전달시킨다. (+)전극은 백금코팅이 되어 있어 산화티타늄이 전달시킨 전자를 받아 전류가 흐르는 회로를 만들어준다. 마지막으로 전해질은 빠져나간 염료의 전자를 보충시켜주기 위해서 (+)전극에서 전자를 받아 다시 염료에 전달시킨다.
한편, 형광공명에너지전이는 FRET(Forster resonance energy transfer)이라고도 하는데 이는 형광물질과 감광제가 서로 10 나노미터 이내로 가까워지면 두 물질 사이에 에너지 전달이 일어나는 현상을 말한다. 염료감응형태양전지에서 형광공명에너지전이를 일으키기 위해서는 각각 에너지 전달 물질(Energy relay dye)과 감광제로 사용될 두 가지 염료가 필요하다. 전지로 들어온 빛 중에 감광제가 흡수하지 못하는 파장의 빛을 형광물질이 흡수한 후 그 에너지를 감광제에 전달하면 감광제는 높은 에너지 상태가 되어 전자를 방출한다. 에너지 전달 물질에서 방출된 에너지의 전달 영역이 감광제가 흡수할 수 있는 에너지의 영역과 유사할 때 형광공명에너지전이는 더 크게 일어난다. 형광공명에너지전이가 일어나면 감광제는 단독으로 사용할 때 흡수하는 빛의 영역 외에 에너지 전달 물질이 흡수하는 영역의 에너지도 이용할 수 있게 되므로, 루테늄계 염료처럼 넓은 파장대의 빛을 흡수할 있는 염료를 사용하는 것과 비슷한 효과를 볼 수 있다.
이러한 FRET 효과를 이용하여 염료감응형 태양전지의 광전환 효율을 높이기 위한 노력이 있어왔다. 기존에 에너지 전달물질로서 tris(4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline)ruthenium(II)chloride(N877), 4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p-dimethylamino-styryl-4H-pyran(DCM), N,N'-di(2,6-diisopropylphenyl)-1,6,7,12-tetra(4-tert-butyl phenyoxy)-perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic diimide (PTCDI) 및 2,2',7,7'-tetrakis(3-hexyl-5-(7-(4-hexylthiophen-2-yl)benzo[c][1,2,5]tdiazol-4-yl)thiophen-2-yl) 9,9' spirobifluorene (Spiro-TBT), and Rhodamine B (RB)등은 스쿠알렌(squaraine (SQ-1)) 및 프탈로시아닌계 등의 감광제(염료) 등과 커플링되어 spiro-OMETAD 기반 고상 DSSC 및 I-/I3 - 기반의 액상 DSSCs에 적용된 사례를 보고한 바 있다(Yum, J.-H.; Hardin, B. E.; Moon, S.-J.; Baranoff, E.; Nuesch, F.;McGehee, M. D.; Gratzel, M.; Nazeeruddin, M. K. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 9277 -9280., Mor, G. K., Basham, J.; Paulose, M.; Kim, S.; Varghese, O. K.; Vaish, A.; Yoriya, S.; Grimes, C. A. Nano Lett . 2010, 10, 2387-2394., J.-H. Yum,B. E. Hardin,E. T. Hoke,E. Baranoff,S. M. Zakeeruddin,M. K. Nazeeruddin,T. Torres,M. D. McGehee,M. Gratzel ,Chem. Phys. Chem., 2011,12,657-661., Hardin, B. E.; Hoke, E. T.; Armstrong, P. B.; Yum, J.- H.; Comte, P.; Torres, T.; Frechet, J. M. J.; Nazeeruddin, M. K.; Gratzel, M.; McGehee, M. D. Nat. Photonics 2009, 3, 406-411., Driscoll, K., Fang, J.; Humphry-Baker, N.; Torres, T.; Huck, W. T. S.; Snaith, H. J.; Friend, R. H. Nano Lett. 2010, 10, 4981-4988.). 또한,대한민국 특허 제773147호에는 투명유리기판에 FTO(Fluorine-doped tin oxide) 박막을 증착시킨 투광층과 상기 FTO(Fluorine-doped tinoxide) 박막에 백금을 증착시킨 촉매층을 포함하는 상대 전극, 및 유리기판에 FTO(Fluorine-doped tin oxide) 박막을 증착시킨 투광층을 포함하는 광 전극을 포함하며; 상기 광 전극은 이산화 티타늄을 포함한 전이금속산화물과 형광물질의 혼합물로 코팅되어 염료가 흡착되고, 상기 상대 전극과 광 전극 사이는 접착필름으로 밀봉되고 전해액으로 충진되는 것을 특징으로 하는 형광물질이 함유된 염료 감응형 태양전지가 개시되어 있다. 또한, 대한민국 공개특허공보 제10-2012-40666호에는 광전극(음극), 대전극(양극), 및 상기 전극들 사이에 전해질을 포함하는 염료감응형 태양전지에 있어서, 상기 광전극이 염료 및 형광체가 화학적 결합을 통해 순차적으로 흡착된 반도체 산화물 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지가 개시되어 있다. 그러나, 상기 문헌에 개시된 염료감응형 태양전지들의 경우 FRET 효과에 의해 효율을 높이는 것이어서 염료와 형광물질이 Forster radius 내(1 내지 2nm 내외)에 가까이 존재하여야만 효과가 발현될 수 있기 때문에 TiO2-감광제-에너지 전달물질이 모두 흡착 구조로 되어 있어야 하는 구조적 제한이 있으며, 이를 제조하기 위한 제조공정 역시 복잡해 질 수밖에 없다.
Yum, J.-H.; Hardin, B. E.; Moon, S.-J.; Baranoff, E.; Nuesch, F.;McGehee, M. D.; Gratzel, M.; Nazeeruddin, M. K. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 9277 -9280.,
Mor, G. K., Basham, J.; Paulose, M.; Kim, S.; Varghese, O. K.; Vaish, A.; Yoriya, S.; Grimes, C. A. Nano Lett. 2010, 10, 2387-2394.,
J.-H. Yum,B. E. Hardin,E. T. Hoke,E. Baranoff,S. M. Zakeeruddin,M. K. Nazeeruddin,T. Torres,M. D. McGehee,M. Gratzel ,Chem. Phys. Chem., 2011,12,657-661.,
Hardin, B. E.; Hoke, E. T.; Armstrong, P. B.; Yum, J.- H.; Comte, P.; Torres, T.; Frechet, J. M. J.; Nazeeruddin, M. K.; Gratzel, M.; McGehee, M. D. Nat. Photonics 2009, 3, 406-411.,
Driscoll, K., Fang, J.; Humphry-Baker, N.; Torres, T.; Huck, W. T. S.; Snaith, H. J.; Friend, R. H. Nano Lett. 2010, 10, 4981-4988.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래 FRET 효과에만 의존하던 염료감응형 태양전지의 광효율 증가를 FRET 외 다른 메카니즘에 의해서도 도모할 수 있는 에너지 전달물질을 염료감응형 태양전지의 전해질에 첨가하여 보다 간단하고 광전환 효율을 높일 수 있는 염료감응형 태양전기용 전해 조성물 및 상기 전해 조성물을 포함한 염료감응형 태양전지를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 태양광을 투과할 수 있는 재질의 윈도우와, 상기 윈도우의 일면상에 형성되고 광민감성 염료가 흡착된 나노 금속산화물을 포함한 광전극 및 상기 광전극과 이격되어 대면하는 상대전극을 포함하며, 상기 광전극과 상대전극 사이에 충진되는 전해질을 포함한 염료감응형 태양전지에 적용되는 전해 조성물에 있어서, 상기 전해 조성물은 상기 광민감성 염료의 흡광도가 60% 이하인 단파장 범위에서 광흡수를 하며 상기 염료의 흡광도가 60% 이상인 파장대에서 광에너지를 방출하는 에너지 전달물질을 포함한 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 전해 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 전해 조성물이 액상인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 전해 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 금속산화물이 이산화티타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화아연(ZnO2)으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 전해 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 광민감성 염료가 500~600 nm사이에 큐-밴드(Q-bands)를 가지고 있는 물질인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 전해 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 광민감성 염료가 포피린(porpyrine) 염료, 스쿠알린(squarine) 염료 또는 루테늄계 염료인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 전해 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 루테늄계 염료가 N719, N3, Ru505 및 Z907로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 전해 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 광민감성 염료의 흡광도가 60% 이하인 단파장 범위는 200 내지 400nm 범위이고, 상기 염료의 흡광도가 60% 이상인 파장대는 400 내지 600nm 범위인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 전해 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 에너지 전달물질이 4',6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) 또는 H33342인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 전해 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 에너지 전달물질은 전체 전해 조성물을 기준으로 1 내지 10mM 범위의 농도로 포함되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 전해 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 에너지 전달물질로부터 광민감성 염료로의 에너지 전달이 FRET 및 RET를 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 전해 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 염료감응형 태양전지용 전해 조성물을 포함한 염료감응형 태양전지를 제공한다.
본 발명의 염료감응형 태양전지용 전해 조성물 및 염료감응형 태양전지는 에너지 전달 물질(energy relay dyes, ERDs)을 전해질에 혼입하여 전해 조성물의 형태로 제조하여 사용하기 때문에 제조과정이 간단하고 종래의 염료감응형 태양전지의 구조를 변경하거나 복잡한 제조과정을 거치지 않고도 염료감응형 태양전지의 효율을 크게 향상할 수 있다.
도 1은 염료감응형 태양전지의 구조를 설명하기 위한 구조도
도 2는 N719의 화학구조식
도 3은 실시예에서 제조한 셀의 전기화학적 특성을 나타낸 그래프
도 4는 염료감응태양전지 내에서 일어나는 형광공명에너지 전달 현상을 도식화한 그림
도 5(a)와 (b)는 각각 DAPI(왼쪽) 및 H33342(오른쪽)의 화학적 구조를 나타낸 것 및 그 흡광도를 N719의 흡광도와 대비하여 나타낸 스펙트럼
도 6은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 광효율 증가 효과를 설명하기 위한 구조도
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 염료감응형 태양전지를 구성하는 DAPI, H33342, N719, TiO2 의 에너지 준위 및 전해질인 I-/I3 -의 산화환원전위를 도시한 것
도 8의 A 및 B는 각각 0.02μM 농도에서 N719의 농도를 0에서 3ㅅM까지 변화시키면서 DAPI alc H33342의 발광도를 측정한 결과이고, C 및 D(a)는 DAPI 및 H33343의 농도 변화에 따른 광흡수율 향상도를 나타낸 것이며, (b)는 N719의 전체 흡광도 변화를 나타낸 것이고(ΔOD), (c)는 상대적 흡광도 변화를 나타낸 것(Δα/α)
도 9A는 N3, Ru505 및 Z907의 흡광도와 DAPI and H33342의 발광도를 대비한 광학특성 그래프이고, B 내지 D는 각각 광민감성 염료로서 N3, Ru505 및 Z907을 TiO2에 흡착시키고 I-/I3 - 기반 전해 조성물에 에너지 전달물질을 첨가하거나 첨가하지 않았을 경우의 셀의 전류-전압 특성을 나타낸 것
도 10은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지용 전해 조성물에 있어서 에너지 전달물질인 DAPI H33342의 농도를 변화시키면서 측정한 광전류-전압(J-V) 특성 그래프
도 2는 N719의 화학구조식
도 3은 실시예에서 제조한 셀의 전기화학적 특성을 나타낸 그래프
도 4는 염료감응태양전지 내에서 일어나는 형광공명에너지 전달 현상을 도식화한 그림
도 5(a)와 (b)는 각각 DAPI(왼쪽) 및 H33342(오른쪽)의 화학적 구조를 나타낸 것 및 그 흡광도를 N719의 흡광도와 대비하여 나타낸 스펙트럼
도 6은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 광효율 증가 효과를 설명하기 위한 구조도
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 염료감응형 태양전지를 구성하는 DAPI, H33342, N719, TiO2 의 에너지 준위 및 전해질인 I-/I3 -의 산화환원전위를 도시한 것
도 8의 A 및 B는 각각 0.02μM 농도에서 N719의 농도를 0에서 3ㅅM까지 변화시키면서 DAPI alc H33342의 발광도를 측정한 결과이고, C 및 D(a)는 DAPI 및 H33343의 농도 변화에 따른 광흡수율 향상도를 나타낸 것이며, (b)는 N719의 전체 흡광도 변화를 나타낸 것이고(ΔOD), (c)는 상대적 흡광도 변화를 나타낸 것(Δα/α)
도 9A는 N3, Ru505 및 Z907의 흡광도와 DAPI and H33342의 발광도를 대비한 광학특성 그래프이고, B 내지 D는 각각 광민감성 염료로서 N3, Ru505 및 Z907을 TiO2에 흡착시키고 I-/I3 - 기반 전해 조성물에 에너지 전달물질을 첨가하거나 첨가하지 않았을 경우의 셀의 전류-전압 특성을 나타낸 것
도 10은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지용 전해 조성물에 있어서 에너지 전달물질인 DAPI H33342의 농도를 변화시키면서 측정한 광전류-전압(J-V) 특성 그래프
이하에서 본 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명의 염료감응형 태양전지용 전해 조성물은 태양광을 투과할 수 있는 재질의 윈도우와, 상기 윈도우의 일면상에 형성되고 광민감성 염료가 흡착된 나노 금속산화물을 포함한 광전극 및 상기 광전극과 이격되어 대면하는 상대전극을 포함하며, 상기 광전극과 상대전극 사이에 충진되는 전해질을 포함한 염료감응형 태양전지에 적용되며, 상기 전해 조성물은 상기 광 민감성 염료의 흡광도가 60% 이하인 300~400 nm의 단파장 범위에서 광흡수를 하며 상기 염료의 흡광도가 60% 이상인 450~600 nm의 파장대에서 광에너지를 방출하는 단분자를 사용한 것이다. 이러한 스토크 시프트(stokes shift) 현상을 갖는 단분자를 상기 전해 조성물에 도입하였을 때, 전해질의 단분자에서 방출된 에너지는 광민감성 염료로 전이 하게 되고 이를 형광공명에너지전이[Fㆆrster resonance energy transfer(FRET)] 칭한다. 이러한 FRET현상을 이용하여 에너지 전달물질을 포함한 것을 특징으로 한다.
염료감응형 태양전지는 고상 전해질을 사용하는 타입이나 액상 전해질을 적용하는 타입으로 나누어 질 수 있는데, 본 발명의 염료감응형 태양전지용 전해 조성물의 경우 양 쪽 모두 적용가능하다. 하지만 염료가 흡착이 된 이산화티타늄옥사이드 사이로 전해질이 잘 침투를 하기 위해서는 액상전해질을 적용한 염료감응형 태양전지인 것이 바람직하며, 특히 I-/I3 - 기반 액상 전해질이 더욱 바람직하다. 본 발명의 염료감응형 태양전지용 전해 조성물이 적용되는 염료감응형 태양전지의 구조는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 그 구체적 구조를 모두 잘 알고 있을 것이므로 본 명세서에서 전지 또는 전지 셀의 구조에 관한 더 이상의 상세한 설명은 하지 않기로 한다.
본 명세서에서 '나노 금속산화물'의 용어는 1 내지 1,000 nm 범위의 단위 크기를 갖는 금속산화물을 의미하며, 그 형태는 특별히 제한되는 것은 아니다. 가령, 1 내지 1,000 nm 범위의 나노로드, 나노파티클, 나노와이어, 나노할로우 형태 등이 금속산화물이 상기 '나노 금속산화물'의 의미에 모두 포함된다. 또한, 상기 금속산화물은 특별히 제한되는 것은 아니며 공지의 염료감응형 태양전지에 적용가능한 것을 모두 포함하며, 전자의 포집 및 이동에 방해되지 않고 유리한 것이면 족하다. 상기 금속산화물의 바람직한 예로는 이산화티타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화아연(ZnO2)으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다.
상기 광민감성 염료는 특별히 제한되는 것은 아니나, 에너지 전달물질과의 관계에서 결정되는 것이 바람직하며 가시광 영역인 500~600 nm의 파장 사이에 큐밴드(Q bands)를 가지고 있는 포피린(porpyrine) 염료, 스쿠알린(squarine) 염료 또는 루테늄계 염료인 것이 바람직하다. 특히, 상기 루테늄계 염료는 MLCT(metal to ligand charge transfer)밴드를 가지고 있기 때문에 UV파장이 약 530~610nm사이에서 높은 흡광도를 가지고 있기 때문에 광민감성 염료의 예로 더욱 바람직하다. 상기 루테늄계 염료는 N719, N3, Ru505 및 Z907로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이 바람직하다.
본 발명의 염료감응형 태양전지용 전해 조성물에 포함되는 에너지 전달물질은 상기 광민감성 염료의 흡광도가 60% 이하인 단파장 범위에서 광흡수를 하며 상기 염료의 흡광도가 60% 이상인 파장대에서 광에너지를 방출하는 특성을 가지고 있다. 에너지 전달물질의 흡광도가 광민감성 염료의 흡광도에 비해 60% 이하인 단파장범위에서 광흡수를 하고 염료의 흡광도가 60% 이상인 파장대에서 광에너지를 방출하는 특성을 가져야 에너지 효율이 높기 때문이다. 통상 광민감성 염료의 경우 가시광선 영역에서 최대흡광도를 가지기 때문에 에너지 전달물질은 청자색의 가시광 내지 자외선 영역에서 빛을 흡수하고 광민감성 염료의 흡광도가 높은 영역의 파장의 광을 방출하는 특성을 가지는 것이 광효율을 높이게 된다. 광민감성 염료가 전술한 루테늄계 염료인 경우 상기 에너지 전달물질의 바람직한 예로는 DAPI 또는 H33342을 들 수 있다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 광민감성 염료의 일예인 루테늄계 염료의 경우 MLCT(metal to ligand charge transfer)밴드를 가지고 있기 때문에 파장이 약 530~610nm사이에서 높은 흡광도를 보이는데, DAPI 또는 H33342은 350~500nm 사이의 흡수 파장대를 이루고 있고 스토크스 이동(scokes shift)에 따라 약 100nm의 파장 이후인 450~600 nm의 영역에서 형광 파장대를 방출하기 때문에 특히 바람직하나, 본 발명의 에너지 전달물질이 이에 한정되는 것은 아니다.
DAPI 및 H33342는 형광분광학에서 DNA의 염색제로 널리 사용되는 염료로 특히 자외선 영역의 빛에 강한 흡광도를 보이는 것으로 알려져 있다. 도 5(a)와 (b)는 각각 DAPI(왼쪽) 및 H33342(오른쪽)의 화학적 구조를 나타낸 것 및 그 흡광도를 N719의 흡광도와 대비하여 나타낸 스펙트럼이다. 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, DAPI 및 H33342는 모두 N719의 흡광도가 60% 이하이고 단파장 영역인 300 내지 400nm 범위의 파장대의 빚에 최대 흡광도를 보이며, 반면 DAPI 및 H33342의 광에너지 방출영역은 N719의 흡광도가 60% 이상인 400 내지 600nm 범위의 파장대에서 이루어지고 있음을 알 수 있다. 또한, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 염료감응형 태양전지를 구성하는 DAPI, H33342, N719, TiO2 의 에너지 준위 및 전해질인 I-/I3 -의 산화환원전위를 도시한 것이다. 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 루테늄 염료와 에너지 전달물질을 동시에 적용하였을 때, 전류의 값이 향상으로 인한 전체적인 효율이 향상되는 걸 확인 할 수 있다. 도 7에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 있어서 에너지 전달물질인 DAPI 및 H33342과 광민감성 염료인 루테늄 염료는 각각의 HOMO준위와 LUMO준위를 가지고 있으며, 루테늄 염료의 경우 LUMO로 들뜬 전자는 산화옥사이드(TiO2)의 전도대(conduction band)로 전이를 할 수 있지만 에너지 전달물질의 경우 각각의 LUMO값과 산화옥사이드(TiO2)의 전도대(conduction band)값의 에너지 준위차가 크기 때문에 전자가 이동을 하기가 쉽지 않음을 알 수 있다. 이는 표1을 통해서도 알 수 있다. 루테늄 염료의 경우 전류값이 15.4 mA/cm2인 반면 에너지전달물질만을 사용하였을 시, 전류값이 각각 0.11, 0.054 mA/cm2임을 확인할 수 있고 이는 전자가 원활히 전이 되지 못하고 있다는 사실을 보여준다. 이러한 결과는 광민감성 염료로 N719를 사용할 때 에너지 전달물질로서 DAPI 또는 H33342의 적합성을 보여주는 것이라 할 수 있다. 상기 에너지 전달물질로부터 광민감성 염료로의 에너지 전달은 FRET 및 RET를 통해 수행되는 것으로 보인다. 도 4는 염료감응태양전지 내에서 일어나는 형광공명에너지 전달 현상을 도식화한 그림이고, 도 5는 에너지 전달물질과 광민감성 염료의 흡광스펙트럼과(실선) 형광스펙트럼(점선)((A)DAPI 와 N719, (B) H33342 와 N719)이다. 도4에서 볼 수 있는 바와 같이, N719와 DAPI 또는 H33342를 조합하는 경우 형광공명 에너지전달이 발생하는 것을 알 수 있으며, 이러한 형광공명 에너지전달효과로 인해 태양전지의 효율증대를 기대할 수 있다.
또한, 본 발명의 염료감응형 태양전지용 전해 조성물에 있어서 에너지 전달물질로부터 광민감성 염료로의 에너지 전달은 FRET 뿐 아니라 RET(radiative energy transfer) 메카니즘에 의해서도 이루어진다. 도 10은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지용 전해 조성물에 있어서 에너지 전달물질인 DAPI H33342의 농도를 변화시키면서 측정한 광전류-전압(J-V) 특성 그래프이다. 상기 에너지 전달물질은 전체 전해 조성물을 기준으로 1 내지 10mM 범위의 농도로 포함되는 것이 바람직하다. 실험적 결과값을 토대로 약 5 mM의 에너지 전달물질을 적용하였을 때, 전류값의 향상으로 인한 전체적인 효율이 향상되는 걸 확인할 수 있다. 이는 에너지 전달 물질와 루테늄 염료 사이에서 FRET와 RET효과가 잘 이루어지고 있음을 알 수 있다. 상기 에너지 전달물질의 농도가 전체 전해 조성물을 기준으로 1 mM 미만이면 에너지 전달효과가 미미하고, 반면 10 mM을 초과하는 경우에도 태양전지의 전체 광전환 효율이 저하되기 때문이다.
이러한 본 발명의 염료감응형 태양전지용 전해 조성물을 적용하는 경우 종래의 염료감응형 태양전지의 구조를 변경하거나 FRET효과를 위하여 별도의 에너지 전달물질을 전극에 흡착시키는 등의 별도의 노력을 하지 않고 단순히 본 발명의 전해 조성물을 태양전지 셀에 충진하는 것만으로도 광전환 효율을 10 내지 20% 상승시킬 수 있다.
이하에서 본 발명의 구체적 태양인 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
제조예(전극 및 셀(cell) 제조)
셀은 하기와 같은 과정을 거쳐 제작되었다.
유리판에 TiO2 코팅
- 유리판의 전기가 통하는 면을 위로 올라오게 놓는다.
- TiO2를 바르고 싶은 부분을 제외하고 테이프를 붙여서 가린다.
- 유리판 위에 전체적으로 TiO2를 바른 후 테이프를 떼어낸다.
- Furnace에서 건조 (500 C, 2시간)후 dye에 담근다.
백금코팅
- H2PtCl4를 FTO면 위에 고루 퍼지게 한 다음 공기 중에서 건조.
- 충분히 건조 후 heat gun으로 백금 외의 다른 물질을 날림 (400C, 30분)
Sealing
- 유리판에 감광제를 흡착시킨 판과 surlyn tape를 붙인다.
- Furnace에서 (150C, 15분)가열하면 판이 서로 붙는다.
실시예(전해 조성물 제조)
본 실시예의 전해 조성물은 하기와 같이 제조되었다
0.6 M 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodidel (DMPII, Solaronix SA), 0.1 M lithium iodide (LiI), 0.1 M iodine (I2),and 0.5M 4-tert-butylpyrindine (tBP)을 3-methoxypropionitrile (MPN)에 녹여 액체전해질을 제조하였다. 제조된 액체 전해질에 다음과 같은 에너지 전달 물질을 4′,6-diamidino-2-phenylindole (DAPI), 2′-(4-ethoxyphenyl)-5-(4-methyl-1-piperazinyl)-2,5′-bi-1H-benzimidazole tri-hydrochloride (H33342) 각각의 농도에 맞추어서 도입을 해주었다.
실시예 및 비교예(염료감응형 태양전지의 물성 측성)
상기 제조예에서 제조한 셀의 전극에 광민감성 염료 또는 에너지 전달물질을 각각 흡착시키거나 광민감성 염료를 전극에 흡착시킨 후 위 실시예에서 제조한 전해 조성물을 켜 감광제 별로 기준셀을 제작한 후 셀 별로 전해 조성물을 첨가하여 제작하였다. 셀 종류별로 3개 이상 제작한 후 여러 가지 전기화학적 특성 및 효율을 측정하였다. 측정은 한 개의 셀에 대해서도 효율을 여러 번 측정한 후 평균을 재었다.
또한, 비교를 위하여 상기 에너지 전달물질을 N719/TiO2 전극에 흡착을 한 후 FRET효과만 나타나도록 하여 동일한 측정을 수행하였다. 이렇게 에너지 전달물질을 전극에 흡착시킨 경우를 타입 B로 명명하였다.
또한, 본 발명의 실시예 및 제조예에 적용된 물질 또는 이를 통해 제조된 전해 조성물이나 각 셀의 특성은 아래의 장치 및 방법을 사용하여 측정하였다.
-UV-Vis 흡광도 등의 측정: spectrophotometer(Perkin Elmer, Lambda 35, USA) 및 스spectrofluorometer (Horiba, Flourolog-3, USA).
- 전기화학적 특성: potentiostat (CHI 430A, CH Instruments Inc., USA)
-태양광 시뮬레이션 및 광전환효율 측정: A solar simulator equipped with a 200W Xenon lamp (McScience, Polaronixⓡ K201) 사용. current density-voltage (J-V) 측정시 photovoltaic power meter (McScience, Polaronixⓡ K101 LAB20).
-Incident-photon-to-current conversion efficiency (IPCE): IPCE measurement system (McScience, Polaronixⓡ K3100) with 300W xenon light source
하기 표 1 및 도 3에 상기와 같이 제조된 셀의 전기화학적 특성을 정리하였다.
| Cells Types | Cells | J sc (mA/cm2) | V oc (mV) | FF (%) | η (%) | k T/E |
| N719/TiO2 DAPI/TiO2 H33342/TiO2 N3/TiO2 Ru505/TiO2 Z907/TiO2 |
15.40 0.11 0.054 10.73 4.93 4.15 |
699 356 364 678 617 619 |
70.31 46.59 49.43 72.57 74.69 64.56 |
7.6 0.08 0.04 5.3 2.3 1.7 |
14.0 |
|
| Type A |
DAPI|N719/TiO2 H33342|N719/TiO2 DAPI|N3/TiO2 H33342|N3/TiO2 DAPI|Ru505/TiO2 H33342|Ru505/TiO2 DAPI|Z907/TiO2 H33342|Z907/TiO2 |
16.30 16.26 11.44 11.32 5.44 5.54 5.09 4.46 |
723 716 695 707 633 662 630 650 |
71.13 70.16 71.66 68.80 77.49 76.04 68.21 65.02 |
8.4 8.2 5.5 5.7 2.7 2.8 2.2 1.9 |
9.6 10.4 |
| Type B |
DAPI-N719/TiO2 H33342-N719/TiO2 |
16.25 16.31 |
720 732 |
70.43 68.15 |
8.3 8.1 |
상기 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 염료조성물은 종래의 염료에 비해 광전환 효율이 약 10 내지 20% 이상 향상됨을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 전술한 효과가 FRET효과에 의한 것인지를 검증해 보았다. 전술한 바와 같이, FERT(Forster resonance energy transfer,)효과는 광민감성 염료와 에너지 전달물질이 Forster 반경 내에 근접해야 효과가 발생한다. 본 발명의 실시예에 사용된 광민감성 염료의 예인 N719와 에너지 전달물질의 예인 DAPI 및 H33342의 Forster 반경은 Forster 반경은 왕(Wang etc.,)등의 논문에 제시된 바와 같이, 아래의 식으로부터 구해진다(참조:Wang, P.; Klein, C.; Humphry-Baker, R.; Zakeeruddin, S. M.; Gratzel, M. J. Am . Chem . Soc . 2005, 127, 808-809.).
상기 식에서 J는 spectral overlap이고, Qd, orientation factor for the dipole moment (k 2) = 2/3이며, n은 refractive index(=1.5)이다. 이러한 계산은 참고문헌(Yum, J.-H.; Hardin, B. E.; Moon, S.-J.; Baranoff, E.; Nuesch, F.;McGehee, M. D.; Gratzel, M.; Nazeeruddin, M. K. Angew . Chem . Int . Ed . 2009, 48, 9277 -9280.)에 의해 계산되었다. 상기 식을 이용하여 계산한 결과 N719/DAPI 및 N719/H33342의 Forster 반경은 각각 2.14 및 1.93 nm이었다. 하기 표 2는 에너지 전달물질로 사용된 DAPI H33342 및 광민감성 염로로 사용된 N719의 광학 파라미터, 에너지 갭(Eg)과 밴드 포지션(energy band position), 퀀텀일드(quantum yield (Qd)), 스펙트럴 오버랩 인테그랄(spectral overlap integral (J)) 및 포스터 반경(Forsters radius (R0))을 측정하거나 계산된 값들을 정리한 것이다.
| Dye / ERDs | λ max,abs (nm) | λ max,em (nm) | ε (M-1cm-1) |
Eg (eV) |
EHOMO (eV)[a] | ELUMO (eV)[a] | Qd | J (M-1cm3) |
Ro (nm) |
| N719 | 380, 517 | - | 14.0x103 [b] | 1.80[a], 1.97[b],, 1.60 [b] |
-5.61 | -3.81 | - | - | - |
| DAPI | 348 | 457 | 2.8x105 | 2.27 [a] | -5.69 | -3.42 | 0.69 [a] | 1.22×10-15 |
2.14 |
| H33342 | 340 | 460 | 2.0x105 | 3.23 [a] | -6.04 | -2.81 | 0.63 [ a] , | 7.37×10-16 | 1.93 |
(상기 표 중 a는 실측치이고, b는 문헌을 통해 보고된 값)
표 2에서 보는 바와 같이 에너지 전달 물질의 Qd값은 각각 0.69와 0.63으로, 에너지 전달 물질의 형광값이 높음을 알 수 있고, 에너지 전달 물질의 많은 양의 에너지가 루테늄 염료로 전이 될 수 있음을 알 수 있다. J값은 에너지 전달 물질의 형광과 루테늄 염료의 빛 흡수량의 오버랩량을 측정한 값으로 각각 1.22× 10-15과 7.37× 10-16 M-1cm3으로 많은 부분이 오버랩 되어 있음을 알 수 있고 그에 대한 데이터는 J-V값으로 확인을 하였다. Ro값은 루테늄 염료와 에너지 전달 물질의 거리를 측정한 결과로써 각각 2.14와 1.93 nm로 측정하였다. 이는 에너지 전달 물질의 에너지가 루테늄 염료에 충분히 전이 될 수 있는 거리임을 알 수 있다. 위와 같은 실험적 결과로 전류값이 에너지 전달 물질이 없을 때보다 향상 되었고 그에 따른 전체적인 효율이 증가를 하였음을 알 수 있다.
앞에서 설명된 본 발명의 일실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
Claims (11)
- 태양광을 투과할 수 있는 재질의 윈도우와, 상기 윈도우의 일면상에 형성되고 광민감성 염료가 흡착된 나노 금속산화물을 포함한 광전극 및 상기 광전극과 이격되어 대면하는 상대전극을 포함하며, 상기 광전극과 상대전극 사이에 충진되는 전해질을 포함한 염료감응형 태양전지에 적용되는 전해 조성물에 있어서,
상기 전해 조성물은 상기 광민감성 염료의 흡광도가 60% 이하인 단파장 범위에서 광흡수를 하며 상기 염료의 흡광도가 60% 이상인 파장대에서 광에너지를 방출하는 에너지 전달물질을 포함한 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 전해 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 금속산화물은 이산화티타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화아연(ZnO2)으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 전해 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 전해 조성물은 액상인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 전해 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 광민감성 염료는 500~600 nm사이에 큐-밴드(Q-bands)를 가지고 있는 물질인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 전해 조성물. - 제4항에 있어서,
상기 광민감성 염료는 포피린(porpyrine) 염료, 스쿠알린(squarine) 염료 또는 루테늄계 염료인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 전해 조성물. - 제5항에 있어서,
상기 루테늄계 염료는 N719, N3, Ru505 및 Z907로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 전해 조성물. - 제4항에 있어서,
상기 광민감성 염료의 흡광도가 60% 이하인 단파장 범위는 200 내지 400nm 범위이고, 상기 염료의 흡광도가 60% 이상인 파장대는 400 내지 600nm 범위인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 전해 조성물. - 제7항에 있어서,
상기 에너지 전달물질은 DAPI 또는, H33342인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 전해 조성물. - 제7항에 있어서,
상기 에너지 전달물질은 전체 전해 조성물을 기준으로 1 내지 10mM 범위의 농도로 포함되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 전해 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 에너지 전달물질로부터 광민감성 염료로의 에너지 전달은 FRET 및 RET를 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 전해 조성물. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 염료감응형 태양전지용 전해 조성물을 포함한 염료감응형 태양전지.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130117906A KR101429759B1 (ko) | 2013-10-02 | 2013-10-02 | 염료감응형 태양전지용 전해 조성물 및 상기 전해 조성물을 포함한 염료감응형 태양전지 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130117906A KR101429759B1 (ko) | 2013-10-02 | 2013-10-02 | 염료감응형 태양전지용 전해 조성물 및 상기 전해 조성물을 포함한 염료감응형 태양전지 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101429759B1 true KR101429759B1 (ko) | 2014-08-14 |
Family
ID=51750341
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020130117906A KR101429759B1 (ko) | 2013-10-02 | 2013-10-02 | 염료감응형 태양전지용 전해 조성물 및 상기 전해 조성물을 포함한 염료감응형 태양전지 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101429759B1 (ko) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20160098870A (ko) * | 2015-02-11 | 2016-08-19 | 영남대학교 산학협력단 | 염료감응형 태양전지 및 염료감응형 태양전지의 제조방법 |
| WO2017122937A1 (ko) * | 2016-01-14 | 2017-07-20 | 동국대학교 산학협력단 | 염료감응형 태양전지용 전해 조성물 및 상기 전해 조성물을 포함한 염료감응형 태양전지 |
| KR20180053813A (ko) | 2016-11-14 | 2018-05-24 | 동국대학교 산학협력단 | 염료감응형 태양전지용 전해조성물 및 상기 전해조성물을 포함한 염료감응형 태양전지 |
| WO2023048350A1 (ko) * | 2021-09-27 | 2023-03-30 | 동국대학교 산학협력단 | 광에너지의 수집 및 재활용을 위한 조명용 확산판 및 이를 포함하는 조명 장치 시스템 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20090013530A (ko) * | 2007-08-02 | 2009-02-05 | 한국전자통신연구원 | 증가된 에너지 변환 효율을 갖는 태양전지 및 그 제조 방법 |
| KR100994790B1 (ko) | 2008-07-17 | 2010-11-17 | 주식회사 삼보모토스 | 식물체 광합성 증진겸용 염료감응형 태양전지 |
| KR20120040666A (ko) * | 2010-10-19 | 2012-04-27 | 주식회사 동진쎄미켐 | 고효율 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법 |
| JP2013157292A (ja) | 2012-01-31 | 2013-08-15 | Fujikura Ltd | 色素増感太陽電池 |
-
2013
- 2013-10-02 KR KR1020130117906A patent/KR101429759B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20090013530A (ko) * | 2007-08-02 | 2009-02-05 | 한국전자통신연구원 | 증가된 에너지 변환 효율을 갖는 태양전지 및 그 제조 방법 |
| KR100994790B1 (ko) | 2008-07-17 | 2010-11-17 | 주식회사 삼보모토스 | 식물체 광합성 증진겸용 염료감응형 태양전지 |
| KR20120040666A (ko) * | 2010-10-19 | 2012-04-27 | 주식회사 동진쎄미켐 | 고효율 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법 |
| JP2013157292A (ja) | 2012-01-31 | 2013-08-15 | Fujikura Ltd | 色素増感太陽電池 |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20160098870A (ko) * | 2015-02-11 | 2016-08-19 | 영남대학교 산학협력단 | 염료감응형 태양전지 및 염료감응형 태양전지의 제조방법 |
| KR101698549B1 (ko) | 2015-02-11 | 2017-01-20 | 영남대학교 산학협력단 | 염료감응형 태양전지 및 염료감응형 태양전지의 제조방법 |
| WO2017122937A1 (ko) * | 2016-01-14 | 2017-07-20 | 동국대학교 산학협력단 | 염료감응형 태양전지용 전해 조성물 및 상기 전해 조성물을 포함한 염료감응형 태양전지 |
| KR101791774B1 (ko) * | 2016-01-14 | 2017-10-31 | 동국대학교 산학협력단 | 염료감응형 태양전지용 전해 조성물 및 상기 전해 조성물을 포함한 염료감응형 태양전지 |
| KR20180053813A (ko) | 2016-11-14 | 2018-05-24 | 동국대학교 산학협력단 | 염료감응형 태양전지용 전해조성물 및 상기 전해조성물을 포함한 염료감응형 태양전지 |
| KR101978022B1 (ko) | 2016-11-14 | 2019-05-13 | 동국대학교 산학협력단 | 염료감응형 태양전지용 전해조성물 및 상기 전해조성물을 포함한 염료감응형 태양전지 |
| WO2023048350A1 (ko) * | 2021-09-27 | 2023-03-30 | 동국대학교 산학협력단 | 광에너지의 수집 및 재활용을 위한 조명용 확산판 및 이를 포함하는 조명 장치 시스템 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Tsai et al. | A large, ultra-black, efficient and cost-effective dye-sensitized solar module approaching 12% overall efficiency under 1000 lux indoor light | |
| Younas et al. | Performance enhancement of dye-sensitized solar cells via co-sensitization of ruthenium (II) based N749 dye and organic sensitizer RK1 | |
| Sharifi et al. | Recent Developments in Dye‐Sensitized Solar Cells | |
| Gong et al. | Review on dye-sensitized solar cells (DSSCs): Fundamental concepts and novel materials | |
| Sharma et al. | Enhancement of power conversion efficiency of dye-sensitized solar cells by co-sensitization of zinc-porphyrin and thiocyanate-free ruthenium (II)-terpyridine dyes and graphene modified TiO 2 photoanode | |
| KR101223558B1 (ko) | 염료 감응 태양 전지용 염료 및 이로부터 제조된 염료 감응태양 전지 | |
| Dong et al. | Titania nanobundle networks as dye-sensitized solar cell photoanodes | |
| KR20130044340A (ko) | 개선된 안정성을 갖는 염료 태양 전지 | |
| JP2004152613A (ja) | 色素増感型太陽電池 | |
| EP2272920B1 (en) | Dye for dye-sensitized solar cell and dye-sensitized solar cell including the same | |
| Degbia et al. | Carbazole based hole transporting materials for solid state dye sensitizer solar cells: role of the methoxy groups | |
| KR101429759B1 (ko) | 염료감응형 태양전지용 전해 조성물 및 상기 전해 조성물을 포함한 염료감응형 태양전지 | |
| Kaliramna et al. | A review and comparative analysis of different types of dyes for applications in dye-sensitized solar cells | |
| Zhang et al. | Highly efficient dye-sensitized solar cells based on low concentration organic thiolate/disulfide redox couples | |
| JP4387652B2 (ja) | 炭素電極及びこれを備えた色素増感型太陽電池 | |
| JP2010100847A (ja) | ルテニウム錯体及びそれを使用した光電部品 | |
| Cheng et al. | An imidazolium iodide salt as a bifunctional co-adsorbent for quasi-solid-state dye-sensitized solar cells: improvements of electron lifetime and charge collection efficiency | |
| US8668846B2 (en) | Photoelectric conversion element and solar cell | |
| KR101054250B1 (ko) | 극소수성 화합물이 도입된 금속산화물 반도체 전극. 이를 포함하는 염료감응 태양전지 및 그 제조 방법 | |
| EP2246916A2 (en) | Amine dye for a dye sensitized solar cell | |
| JP4185286B2 (ja) | 多孔質半導体層を用いた色素増感型太陽電池およびその製造方法 | |
| KR101551074B1 (ko) | 피리딘계 첨가제가 함유된 장기안정성 고체상 염료감응 태양전지 | |
| KR101054470B1 (ko) | 염료감응 태양전지용 전해질 및 이를 이용한 염료감응 태양전지 | |
| Luo et al. | Enhanced light harvesting in dye‐sensitized solar cells enabled by TiO2: Er3+, Yb3+ upconversion phosphor particles as solar spectral converter and light scattering medium | |
| JP2007073198A (ja) | 色素増感型太陽電池 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20170801 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20180801 Year of fee payment: 5 |