KR101611082B1 - 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 전하이동층 상에 부도체 나노입자층을 도입하여 전해질의 주입량을 줄임으로써 전하이동층 및 부도체 나노입자층의 두께만큼으로 전해질층의 두께를 줄여 이온이동거리를 단축시킨 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법에 따르면, 전하이동층 상에 부도체 나노입자층을 도입함으로써 광전극과 상대전극 사이에 주입되는 전해질의 주입량을 줄일 수 있고, 전하이동층 및 부도체 나노입자층의 두께만큼으로 전해질층의 두께가 줄어들게 되어 이온 이동거리를 단축시킴으로써 향상된 단략전류 및 광전변환 효율을 나타낼 수 있다.

Description

염료감응 태양전지 및 이의 제조방법{Dye-sensitized solar cells and manufacturing method for thereof}
본 발명은 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 전하이동층 상에 부도체 나노입자층을 도입하여 전해질의 주입량을 줄임으로써 전하이동층 및 부도체 나노입자층의 두께만큼으로 전해질층의 두께를 줄여 이온이동거리를 단축시킨 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 산유국을 중심으로 한 자원민족주의로 원유가격 급등과 온실가스 배출 관련 교토협약으로 인해 에너지 수입의존도가 높은 나라들은 미래의 에너지와 환경문제를 극복할 수 있는 신재생에너지 개발 및 상용화가 절실한 상황이다. 미래 신재생에너지 중 무한한 태양빛을 에너지원으로 하는 환경친화적인 태양전지의 중요성이 부각되고 있다.
이 중 상용화되어 가장 널리 사용되는 것이 실리콘계 태양전지이다. 그러나 실리콘계 태양전지는 대형의 고가 제조 장비, 실리콘 원료 가격 및 설치 장소의 한계로 인해 실질적인 대체에너지원으로 경제성이 미진한 실정이다.
태양에너지는 실제로 무한하며 평균적으로 산술해보면 지구 표면은 약 1.2×1017 W의 태양에너지를 공급받고 있다. 이 태양에너지를 사용하기 편리한 전기로 바꾸는 대표적인 원리가 광기전력이고 이러한 원리를 이용한 것이 태양전지이다.
초기에는 실리콘 태양전지 등의 무기물이 재료로 개발되어 왔으나 이러한 무기물의 대부분은 높은 제조 단가와 대량 생산이 어려운 단점이 있다. 따라서 저비용으로 고효율의 가능성을 지니고 있는 유기태양전지의 연구개발 활성화와 산업화가 반드시 필요한 실정이라고 볼 수 있다. 유기 태양전지 중에서도 최근에 각광받고 있는 염료감응형 태양전지는 유기-무기물을 같이 사용함으로 무기물에 버금가는 높은 효율을 가지면서 제조단가가 낮은 장점이 있어 염료감응형 태양전지의 개발은 반드시 필요한 연구라고 할 수 있다.
그러나 염료감응형 태양전지는 액체전해질의 누수, 장기안정성의 문제를 가지고 있어 이를 보완하기 위해 고체상태의 염료감응형 태양전지의 연구가 요구되고 있다.
종래 염료감응 태양전지는 광음극, 양극, 전해질로 구성된다. 염료감응 태양전지의 전해질은 상에 따라 액체, 준고체, 고체 전해질로 분류되는데 액체 전해질은 빠른 이온 이동도를 갖지만 용매의 휘발성으로 인해 낮은 장기 안정성을 갖는다. 이에 따라 높은 장기 안정성을 갖고 유연성 염료감응 태양전지에 적용 가능한 준고체 및 고체 전해질이 연구되고 있다.
그러나 준고체 및 고체 전해질은 낮은 이온 이동도로 인해 액체 전해질을 사용하는 염료감응 태양전지에 비해 낮은 단락 전류를 보이는 단점이 있다.
특히 종래 염료감응형 태양전지의 장기안정성을 높이고 고효율을 유지하기 위해 졸-겔법을 이용한 고분자 전해질을 이용한 염료감응형 태양전지를 제작하고 광기전 특성을 평가한 결과, 전류밀도를 증가시켰으나, 여전히 효율 향상을 위한 새로운 기술 개발이 시급히 요구 되고 있다.
또한, 최근까지 준고체 및 고체 전해질의 이온 이동도를 높이는 기술에 대한 연구가 이루어지고 있으나, 전해질층의 두께를 줄여 이온 이동거리를 단축시킴으로써 단락 전류를 향상시키는 기술에 대해서는 개시된바 없다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전해질층의 두께를 줄임으로써 이온 이동거리를 단축하여, 단략 전류를 향상시키고 우수한 광전변환효율을 갖는 염료 감응 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 광전극 상에 형성된 전하이동층 및 광전극과 상대전극 사이에 형성된 전해질층을 포함하는 염료감응 태양전지에 있어서, 상기 전하이동층 상에 형성된 부도체 나노입자층을 더 포함하고, 상기 전하이동층 및 부도체 나노입자층의 두께만큼으로 상기 전해질층의 두께가 줄어드는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 부도체 나노입자층은 Al2O3, SiC, SiO2, Nb2O5, MgO 중에서 선택되는 1종 이상의 부도체 나노입자로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 부도체 나노입자층은 20 ㎚ 내지 1 ㎛ 직경의 나노입자로 이루어질 수 있고, 상기 부도체 나노입자층의 두께는 1 내지 20 ㎛일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 의하면, 상기 전하이동층은 염료가 흡착된 10 내지 50 ㎚ 직경의 다공성 나노입자로 이루어진 제1 다공성 나노입자층 및 300 내지 500 ㎚ 직경의 다공성 나노입자로 이루어진 제2 다공성 나노입자층을 포함할 수 있고, 상기 다공성 나노입자는 티타니아(TiO2)일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 의하면, 상기 염료는 루테늄계 염료, 크산텐계 염료, 시아닌계 염료, 포르피린계 염료 및 안드라퀴논계 염료로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 의하면, 상기 전하이동층의 두께는 1 내지 20 ㎛일 수 있다.
또한, 본 발명은 (a) 광전극 상에 염료가 흡착된 티타니아(TiO2) 다공성 나노입자로 이루어진 전하이동층을 형성하는 단계; (b) 상기 전하이동층 상에 Al2O3, SiC, SiO2, Nb2O5, MgO 중에서 선택되는 1종 이상의 부도체 나노입자로 이루어진 1 내지 20 ㎛두께의 부도체 나노입자층을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 광전극과 상대전극 사이에 전해질을 주입하여 전해질층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 전하이동층 및 부도체 나노입자층의 두께만큼으로 상기 전해질층의 두께가 줄어드는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 부도체 나노입자의의 직경은 20 ㎚ 내지 1 ㎛일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 전하이동층은 염료가 흡착된 10 내지 50 ㎚ 직경의 다공성 나노입자로 이루어진 제1 다공성 나노입자층 및 300 내지 500 ㎚ 직경의 다공성 나노입자로 이루어진 제2 다공성 나노입자층을 포함할 수 있고, 상기 전하이동층의 두께는 1 내지 20 ㎛일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 의하면, 상기 염료는 루테늄계 염료, 크산텐계 염료, 시아닌계 염료, 포르피린계 염료 및 안드라퀴논계 염료로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법에 따르면, 전하이동층 상에 부도체 나노입자층을 도입함으로써 광전극과 상대전극 사이에 주입되는 전해질의 주입량을 줄일 수 있고, 전하이동층 및 부도체 나노입자층의 두께만큼으로 전해질층의 두께가 줄어들게 되어 이온 이동거리를 단축시킴으로써 향상된 단락전류 및 광전변환 효율을 나타낼 수 있다.
도 1은 종래 염료감응 태양전지의 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 염료감응 태양전지의 알루미나 나노입자 크기에 따른 전압-전류밀도를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 염료감응 태양전지의 염료 종류에 따른 전압-전류밀도를 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
종래 준고체 및 고체 전해질을 사용하는 염료감응 태양전지는 낮은 이온 이동도로 인해 액체 전해질을 사용하는 염료감응 태양전지에 비해 낮은 단락 전류를 보이는 단점이 있다.
특히 종래 염료감응형 태양전지의 장기안정성을 높이고 고효율을 유지하기 위해 졸-겔법을 이용한 고분자 전해질을 이용한 염료감응형 태양전지를 제작하고 광기전 특성을 평가한 결과, 전류밀도를 증가시켰으나, 여전히 효율 향상을 위한 새로운 기술 개발이 시급히 요구 되고 있다.
또한, 최근까지 준고체 및 고체 전해질의 이온 이동도를 높이는 기술에 대한 연구가 이루어지고 있으나, 전해질의 두께를 줄여 이온 이동거리를 단축시킴으로써 단락 전류를 향상시키는 기술에 대해서는 개시된바 없다.
이에 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 광전극 상에 형성된 전하이동층 및 광전극과 상대전극 사이에 형성된 전해질층을 포함하는 염료감응 태양전지에 있어서, 상기 전하이동층 상에 형성된 부도체 나노입자층을 더 포함하고, 상기 전하이동층 및 부도체 나노입자층의 두께만큼으로 상기 전해질층의 두께가 줄어드는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지를 제공한다.
도 1은 종래 염료감응 태양전지의 구조를 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이 종래에는 광전극(FTO로 표시)과 상대전극(PT로 표시) 사이의 거리를 조절하여 두 전극이 맞닿게 되어 발생하는 단락(short-circuit)을 방지하고 전해질을 가두어 놓는 격벽 역할을 수행하기 위해 간극제(spacer), 예를 들어 surlyn이라는 고분자 물질을 사용하였으며, 이때 상기 광전극과 상대전극이 닿을 확률을 줄이기 위하여 25 ㎛ 이상의 두께를 사용해왔다.
이에 비하여 본 발명은 종래의 간극제를 대체하기 위하여 도 2에 도시된 바와 같이 부도체 나노입자층을 도입하였고, 부도체의 특성상 얇은 두께를 사용해도 단락이 일어나지 않기 때문에 도입된 부도체 나노입자층의 두께가 두 전극 사이의 거리를 결정하게 되고, 결과적으로 얇은 두께의 부도체 나노입자층의 도입으로 인해 짧은 이온 이동 거리를 보장할 수 있도록 하였다. 구체적으로, 상술한 바와 같이 전하이동층 상에 상기 부도체 나노입자층이 형성되면 기존의 간극제를 대체할 수 있는바, 부도체 나노입자층 상에 바로 상대전극을 배치할 수 있고, 이로 인하여 광전극과 상대전극 사이에 주입되는 전해질의 주입량이 줄어들게 되어 전해질층의 두께가 전하이동층 및 부도체 나노입자층의 두께만큼으로 줄어들게 된다. 이로 인하여, 전해질의 이온 이동도를 비롯한 이동 특성은 동일하게 유지되지만 이온의 이동거리가 단축되며, 또한 본 발명에 도입된 부도체 나노입자의 산란 특성으로 인해 투과되는 잔여 빛을 더 이용함으로써, 단락전류 및 광전변환효율이 향상될 수 있다.
이때, 상기 부도체 나노입자층은 산란 특성과 부도체 특성을 가지는 것으로서, 투과되는 잔여 빛을 더 이용하여 단락전류 및 효율 향상에 기여할 수 있는 물질로 이루어지며 구체적으로 Al2O3, SiC, SiO2, Nb2O5, MgO 중에서 선택되는 1종 이상의 부도체 나노입자로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 부도체 나노입자의 직경은 20 ㎚ 내지 1 ㎛ 직경인 것이 바람직하며, 상기 부도체 나노입자층의 두께는 1 내지 20 ㎛인 것이 바람직하다.
또한, 상기 전하이동층은 염료가 흡착된 10 내지 50 ㎚ 직경의 다공성 나노입자로 이루어진 제1 다공성 나노입자층 및 300 내지 500 ㎚ 직경의 다공성 나노입자로 이루어진 제2 다공성 나노입자층을 포함할 수 있고, 상기 다공성 나노입자는 티타니아(TiO2)인 것이 바람직하며, 상기 다공성 나노입자의 입자의 크기를 변화시킴에 따라 흡수되는 광 경로를 불규칙하게 변화시킴으로써 결과적으로 광경로를 길게 하는 효과가 있다.
상기 제1 다공성 나노입자층 및 제2 다공성 나노입자층이 모두 적층된 전하이동층의 두께는 1 내지 20 ㎛인 것이 바람직하다.
상기 염료는 루테늄계 염료, 크산텐계 염료, 시아닌계 염료, 포르피린계 염료 및 안드라퀴논계 염료로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 염료감응 태양전지의 제조방법을 제공하며, 구체적으로 (a) 광전극 상에 염료가 흡착된 티타니아(TiO2) 다공성 나노입자로 이루어진 전하이동층을 형성하는 단계; (b) 상기 전하이동층 상에 Al2O3, SiC, SiO2, Nb2O5, MgO 중에서 선택되는 1종 이상의 부도체 나노입자로 이루어진 1 내지 20 ㎛ 두께의 부도체 나노입자층을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 광전극과 상대전극 사이에 전해질을 주입하여 전해질층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 전하이동층 및 부도체 나노입자층의 두께만큼으로 상기 전해질층의 두께가 줄어드는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법을 제공한다.
이하에서는 바람직한 실시예 등을 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예 등은 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
실시예 : 염료감응 태양전지 제조
상대전극은 백금(PT)을 도포한 투명 유리 전극을 사용하였고, 광전극은 불소가 도핑된 이산화주석(FTO; F-doped SnO2)을 기판으로 사용하였으며, 광전극상에 Z991 염료가 흡착된 20 ㎚의 TiO2 입자를 12 ㎛ 두께로, 400 ㎚ TiO2 입자를 4 ㎛ 두께로 쌓아 전하이동층을 형성하였고, 전하이동층 상에 500 ㎚ Al2O3 입자를 1.5 ㎛ 두께로 쌓아 부도체 나노입자층을 형성하였으며, 광전극과 상대전극 사이에 전해질을 주입하였다.
또한, 부도체 나노입자층을 형성하여 전해질층의 두께를 줄임으로써 간극이 0 ㎛인 태양전지, 부도체 나노입자층을 형성하고 기존의 간극제인 surlyn을 사용하여 간극이 25 ㎛, 60 ㎛인 태양전지를 제조하였다.
이때, 상기 염료감응 태양전지에 사용되는 전해질은 하기와 같이 제조하였다.
(1) 고체 고분자 전해질의 제조
고체 고분자 전해질은 2.0 M 1-메틸-3-프로필이미다졸리움 아이오다이이드, 0.08 M I2, 0.5 M 4-tert-부틸피리딘, 0.1 M KI를 중량비 6:4로 폴리(에틸렌 글리콜)디메틸에테르(PEGDME)와 분자량 600,000의 폴리(에틸렌 옥사이드)에 녹인 전해질을 사용하였다.
(2) 액체 전해질의 제조
액체 전해질은 0.6 M 1-메틸-3-프로필이미다졸리움 아이오다이이드(MPII), 0.05 M 아이오딘(I2), 0.5 M 4-tert-부틸피리딘(t-BP), 0.1 M 포타슘 아이오다이드(KI)를 아세토나이트릴에 혼합하여 제조하였다.
(3) 준고체 고분자 전해질
준고체 고분자 전해질은 6 M 1-메틸-3-프로필이미다졸리움 아이오다이이드(MPII), 0.05 M 아이오딘(I2), 0.5 M 4-tert-부틸피리딘(t-BP), 0.1 M 포타슘 아이오다이드(KI)를 아세토나이트릴에 혼합하여 제조하고 전체 중량비의 10%의 실리카(SiO2)를 혼합하여 만들었다.
(4) 이온성 액체 전해질
이온성 액체 전해질은 0.6 M 1-메틸-3-프로필이미다졸리움 아이오다이이드(MPII), 0.05 M 아이오딘(I2), 0.5 M 4-tert-부틸피리딘(t-BP), 0.1 M 포타슘 아이오다이드(KI)를 1-에틸-3메틸 이미다졸리움 시오시아네이트(1-ethyl-3-methyl imidazolium thiocyanate)에 혼합하여 제조하였다.
실험예 1: 전해질 종류에 따른 태양전지 효율 비교
상기 실시예 1에서와 같이 제조된 태양전지의 전해질 종류에 따른 태양전지의 광기전 특성들을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
전해질 간극(㎛) VOC(V) JSC(mA/cm2) FF Eff(%)
액체 25 0.70 17.5 0.73 9.0
고체
고분자		 0 0.72 16.5 0.69 8.2
25 0.73 15.7 0.70 8.0
60 0.74 14.5 0.69 7.4
준고체 고분자 0 0.72 15.7 0.71 8.1
25 0.72 14.2 0.71 7.3
60 0.73 13.2 0.72 6.9
이온성 액체 0 0.68 17.3 0.68 8.1
25 0.70 16.3 0.69 7.9
60 0.75 14.3 0.70 7.5
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 간극이 25 ㎛인 액체 전해질을 사용한 태양전지가 간극이 25 ㎛로 동일한 고체 고분자, 준고체 고분자 및 이온성 액체 전해질을 사용한 태양전지보다 효율이 높다는 것을 알 수 있다.
그러나, 이들의 간극을 60 ㎛로 넓히면, 공통적으로 전류밀도 및 효율이 떨어지는 것을 확인할 수 있고, 이들의 간극을 0 ㎛로 줄이면 액체 전해질을 사용한 경우에 근접할 정도로 전류밀도 및 효율이 상승한다는 점을 도출할 수 있었다.
이를 통해, 간극제를 사용하지 않고 부도체 나노입자층을 도입하여 전해질층의 두께를 줄이면(간극이 0 ㎛ 인 경우), 이온 이동거리의 단축을 통해 전류밀도 및 효율의 상승을 가져올 수 있다는 사실을 알 수 있다.
실험예 2 : 부도체 나노입자의 종류에 따른 전해질에 따른 태양전지의 효율 비교
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 부도체 종류에 따른 태양전지의 효율을 비교하기 위하여, 부도체 종류를 달리하여 제조된 염료감응 태양전지의 효율을 측정하였다. 구체적으로 부도체 나노입자층을 형성하여 전해질층의 두께를 줄여 간극을 0 로 만든 경우와, 부도체 나노입자층을 형성하고 기존의 간극제인 surlyn을 사용하여 간극을 60 로 만든 경우로 나누어 효율을 측정하였고, 하기 표 2에 그 결과를 나타내었다.
부도체 간극(60 ㎛) 간극(0 ㎛)
Al2O3 6.9 % 8.1 %
SiC 7.2 % 7.9 %
SiO2 7.5 % 7.7 %
Nb2O 5.1 % 5.9 %
MgO 6.0 % 6.4 %
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 간극제를 사용하지 않고 부도체 나노입자층을 도입하여 전해질층의 두께를 줄이면(간극이 0 ㎛인 경우), 공통적으로 효율의 상승효과가 나타난다는 것을 확인할 수 있다.
또한, 부도체 나노입자로 Al2O3를 사용할 경우, 효율이 가장 높다는 것을 확인할 수 있다.
실험예 3: 알루미나 나노입자의 크기에 따른 태양전지 효율
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 태양전지에 사용된 부도체인 알루미나 나노입자의 크기에 따른 태양전지의 효율을 비교하기 위하여, 상기 알루미나 입자 크기를 다르게 하여 제조된 염료감응 태양전지의 효율을 측정하였으며, 그 결과를 하기 도 3a 내지 3d에 나타내었다.
도 3a 내지 3d에 나타낸 바와 같이, 간극제를 사용하지 않고 부도체 나노입자층을 도입하여 전해질층의 두께를 줄이면(간극이 0 ㎛인 경우), 부도체 나노입자층을 구성하는 알루미나 입자 크기에 상관없이 공통적으로 효율의 상승효과가 나타나는 것을 확인할 수 있다.
실험예 4: 부도체 나노입자층의 두께에 따른 태양전지 효율
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 태양전지에 사용된 부도체 나노입자층의 두께에 따른 태양전지의 효율을 비교하기 위하여, 상기 부도체 나노입자층의 두께를 다르게 하여 제조된 염료감응 태양전지의 효율을 측정하였. 구체적으로 부도체 나노입자층을 형성하여 전해질층의 두께를 줄여 간극을 0 ㎛로 만든 경우와, 부도체 나노입자층을 형성하고 기존의 간극제인 surlyn을 사용하여 간극을 60 ㎛로 만든 경우로 나누어 효율을 측정하였고, 하기 표 3에 그 결과를 나타내었다.
필름 두께 효율, 60 ㎛ 효율, 0 ㎛
1 ㎛ 7.1 % 8.4 %
2 ㎛ 7.2 % 8.1 %
4 ㎛ 7.2 % 8.1 %
10 ㎛ 7.0 % 7.5 %
12 ㎛ 6.8 % 7.5 %
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 간극제를 사용하지 않고 부도체 나노입자층을 도입하여 전해질층의 두께를 줄이면(간극이 0 ㎛인 경우), 부도체 나노입자 필름의 두께에 상관없이 공통적으로 효율이 상승하는 것을 확인할 수 있으며, 특히 부도체 나노입자 필름의 두께가 얇아 이온 이동거리가 짧은 경우 효율 증가 효과가 가장 크다는 것을 확인할 수 있다.
실험예 5: 전하이동층의 두께에 따른 태양전지 효율
상기 실시예 1에서와 같이 제조된 태양전지에 사용된 전하이동층의 두께에 따른 태양전지의 효율을 비교하기 위하여, 상기 전하이동층의 두께를 다르게 하여 제조된 염료감응 태양전지에 적용하였다.
상기와 같이 제조된 태양전지 효율을 확인한 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
TiO2 두께 전해질 간극(㎛) VOC(V) JSC(mA/cm2) FF Eff(%)
4 ㎛ 액체 25 0.73 12.5 0.74 6.8
고체고분자 0 0.74 13.4 0.66 6.6
25 0.74 12.2 0.67 6.1
8 ㎛ 액체 25 0.71 14.7 0.73 7.7
고체고분자 0 0.73 14.2 0.71 7.3
25 0.75 14.1 0.66 7.0
12 ㎛ 액체 25 0.71 15.1 0.74 7.9
고체고분자 0 0.71 15.6 0.66 7.3
25 0.73 15.6 0.62 7.1
상기 표 4에 나타낸 바와 같이, 20 ㎚ TiO2 입자층의 두께를 4, 8, 12 ㎛ 변화하면서 실험한 결과, 이전의 실험결과와 같은 경향성을 보였으며 부도체 나노입자층을 도입하고 간극이 줄어들면 공통적으로 효율의 상승효과가 나타난다는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따라 간극제를 사용하지 않고 부도체 나노입자층을 도입하여 전해질층의 두께를 줄인다면 이온 이동거리의 단축으로 인하여 전하이동층의 두께의 변화나 전해질의 종류에 상관없이 이온전도도가 낮은 전해질의 이온 이동 문제를 해결할 수 있음을 확인할 수 있다.
실험예 6: 염료 종류에 따른 태양전지 효율
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 태양전지에 사용된 염료의 종류에 따른 태양전지의 효율을 비교하기 위하여, 염료의 종류를 다르게 하여 제조된 염료감응 태양전지의 효율을 측정하였으며, 상기 염료는 구체적으로 Z991(도 4a), N719(도 4b), C106(도 4c), D1319(도 4d) 염료를 사용하였고, 그 결과는 하기 도 4a 내지 4d에 나타내었다.
도 4a 내지 4d에 나타낸 바와 같이, 간극제를 사용하지 않고 부도체 나노입자층을 도입하여 전해질층의 두께를 줄이면(간극이 0 ㎛인 경우), 사용된 염료의 종류에 상관없이 공통적으로 효율의 상승효과가 나타나는 것을 확인할 수 있다.

Claims (10)

  1. 광전극 상에 형성된 전하이동층 및 광전극과 상대전극 사이에 형성된 전해질층을 포함하는 염료감응 태양전지에 있어서,
    상기 전하이동층 상에 형성된 부도체 나노입자층을 더 포함하고,
    상기 전하이동층 및 부도체 나노입자층의 두께만큼으로 상기 전해질층의 두께가 줄어드는 것을 특징으로 하고,
    상기 전하이동층의 두께는 1 내지 20 ㎛이고,
    상기 부도체 나노입자층의 두께는 1 내지 20 ㎛인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부도체 나노입자층은 Al2O3, SiC, SiO2, Nb2O5, MgO 중에서 선택되는 1종 이상의 부도체 나노입자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 부도체 나노입자층은 20 ㎚ 내지 1 ㎛ 직경의 나노입자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전하이동층은 염료가 흡착된 10 내지 50 ㎚ 직경의 다공성 나노입자로 이루어진 제1 다공성 나노입자층 및 300 내지 500 ㎚ 직경의 다공성 나노입자로 이루어진 제2 다공성 나노입자층을 포함하고,
    상기 다공성 나노입자는 티타니아(TiO2)인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 염료는 루테늄계 염료, 크산텐계 염료, 시아닌계 염료, 포르피린계 염료 및 안드라퀴논계 염료로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  6. 삭제
  7. (a) 광전극 상에 염료가 흡착된 티타니아(TiO2) 다공성 나노입자로 이루어진 전하이동층을 형성하는 단계;
    (b) 상기 전하이동층 상에 Al2O3, SiC, SiO2, Nb2O5, MgO 중에서 선택되는 1종 이상의 부도체 나노입자로 이루어진 부도체 나노입자층을 형성하는 단계; 및
    (c) 상기 광전극과 상대전극 사이에 전해질을 주입하여 전해질층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 전하이동층 및 부도체 나노입자층의 두께만큼으로 상기 전해질층의 두께가 줄어드는 것을 특징으로 하고,
    상기 전하이동층의 두께는 1 내지 20 ㎛이고,
    상기 부도체 나노입자층의 두께는 1 내지 20 ㎛인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 부도체 나노입자의 직경은 20 ㎚ 내지 1 ㎛인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 전하이동층은 염료가 흡착된 10 내지 50 ㎚ 직경의 다공성 나노입자로 이루어진 제1 다공성 나노입자층 및 300 내지 500 ㎚ 직경의 다공성 나노입자로 이루어진 제2 다공성 나노입자층을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 염료는 루테늄계 염료, 크산텐계 염료, 시아닌계 염료, 포르피린계 염료 및 안드라퀴논계 염료로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
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