KR101688683B1 - 전해질 조성물 및 이를 포함하는 염료감응형 태양전지 - Google Patents

전해질 조성물 및 이를 포함하는 염료감응형 태양전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전해질 조성물, 보다 구체적으로는 염료감응형 태양전지용 전해질 조성물, 이를 포함하는 염료감응형 태양전지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 전해질 조성물은 전해질 고분자; 블록화된 경화제; 및 액상 전해질을 포함하고 있어, 이를 이용하여 염료감응형 태양전지의 겔형 고분자 전해질층을 형성할 경우 종래의 액상 전해질층이 가지는 휘발 또는 누출의 문제점을 최소화하면서도, 태양전지 모듈의 광전 변환효율은 종래의 액상 전해질과 동등 또는 그 이상으로 유지할 수 있으며, 온도 상승과 같은 외부 환경변화에 대하여도 장기적으로 전기화학적 안정성을 유지할 수 있다.

Description

전해질 조성물 및 이를 포함하는 염료감응형 태양전지{Electrolyte composition and Dye-sensitized solar cell comprising the same}
본 발명은 전해질 조성물, 이를 포함하는 염료감응형 태양전지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 태양전지는 입사되는 빛에너지를 전기에너지로 직접 전환시키는 소자이다. 태양전지는 무한한 에너지원인 태양광을 이용해 전기를 생산하는 것으로, 실리콘 태양전지가 대표적이며, 차세대 태양전지로 염료감응형 태양전지가 연구되고 있다.
실리콘 태양전지는 태양광을 흡수하여 전자-정공의 쌍(electron-hole pair)을 생성하고, 이를 전달하는 부분이 하나인 것에 반해, 염료감응형 태양전지는 태양광을 흡수하여 전자-정공의 쌍을 생성할 수 있는 염료 분자와 생성된 전자를 전달하는 반도체 산화물 전극으로 나누어진 구조를 가지고 있다. 현재까지 알려진 염료감응형 태양전지의 대표적인 예는 1991년 스위스 그라첼(Gratzel) 등에 의하여 발표된 것이 있으며(M, Gratzel, Nature, 353, 737(1991)), 이는 염료 분자가 화학적으로 흡착되어 있는 반도체 산화물 전극에 광을 조사함으로써, 엑시톤(Exiton)을 형성하고, 이 중 전자가 반도체 산화물의 전도대로 도약하여 전류를 발생시키는 원리를 이용하고 있다. 이러한 염료감응형 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 제조 공정이 간단하고, 전력당 제조 원가가 저렴하기 때문에 기존의 실리콘 태양전지를 대체할 수 있다는 가능성을 가지고 있다.
상기 염료감응형 태양전지는 태양광에 의한 광전기화학적 반응을 이용하여 전기를 생산하는 것으로, 그 구체적인 작동원리는 도 1에 도시된 바와 같다. 반도체 산화물 전극(11)에 흡착된 염료(12)가 태양광을 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성한다. 염료(12)가 태양광을 흡수하여 바닥 상태(ground state, D+/D)에서 들뜬 상태(excited state, D+/D*)로 전이한 후, 전자주입이 이루어진다. 들뜬 상태의 전자는 반도체 산화물의 전도대(conduction band, ECB)로 주입된다. 반도체 산화물 전극(11)으로 주입된 전자는 입자간 계면을 통하여 투명 전도성 기판(13)으로 전달되고, 다시 외부 전선(14)을 통하여 백금층(16)이 코팅된 대전극(15)으로 이동된다. 한편, 반도체 산화물 전극(11)과 대전극(15) 사이에는 산화-환원 유도체(17)을 포함하는 전해질이 주입되어 있다. 태양광 흡수에 의해 산화된 염료(12)는 산화-환원 유도체(17)에 의해 제공되는 전자를 받아 다시 환원되며, 이 때 전자를 공급한 산화-환원 유도체(17)는 대전극(15)에 도달한 전자에 의해 다시 환원되어 염료감응형 태양전지의 작동 과정이 완성된다. 또한, 투명 전도성 기판(13)과 대전극(15)에는 부하(L)가 직렬 연결되어 있어, 단락 전류, 개방 전압 및 충진 계수 등을 측정함으로써 전지의 효율을 알 수 있다.
그러나, 이러한 염료감응형 태양전지는 일반적으로 액상 전해질을 포함하고 있어, 태양전지 모듈의 안정성 문제가 대두되고 있고, 특히 액상 전해질은 밀봉하기가 용이하지 않고, 외부 온도의 상승에 따른 액상 전해질의 휘발 또는 누출의 우려가 있어, 장기간 사용하는 경우 전기화학적으로 안정성이 결여되는 문제점이 있다.
최근에는, 상기와 같은 액상 전해질의 문제점을 해결하고자, 무기 고체 전해질 또는 고분자 고체 전해질 등이 개발되었으나, 이러한 고체 전해질을 사용하는 경우에는 전자 및 이온의 계면 전달이 좋지 않아 액상 전해질을 사용하는 경우에 비해 광전 변환효율이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 이러한 고체 전해질의 문제점을 해결하고자, 겔형 고분자 전해질이 개발되고 있다. 현재까지 개발된 겔형 고분자 전해질은 종래의 액상 전해질이 가지는 휘발 또는 누출의 문제점을 어느 정도 개선하였으나, 전해질 내의 산화-환원 유도체에서 발생하는 전자의 이동 통로를 방해하여 전기화학적 특성에 대한 문제점을 완전하게 개선하지 못하였다.
또한, 자외선 경화형 단량체를 포함하는 겔형 고분자 전해질을 스크린 인쇄한 후 경화시키는 방법도 있으나, 스크린 인쇄한 후 겔형 고분자 전해질을 경화시킬 때에 전이금속 산화물 전극의 공극을 모두 채우지 못하고 있어 광전 변환효율이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
이에 따라, 종래의 액상 전해질이 가지는 전해질의 휘발 또는 누출의 문제점을 최소화하고, 염료감응형 태양전지에 적용 시에 외부의 환경변화에 대하여 장기적으로 전기화학적 안정성을 가지면서, 동시에 종래 액상 전해질과 동등 이상의 광전 변환효율을 가질 수 있는 염료감응형 태양전지용 겔형 고분자 전해질의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 전해질 조성물, 이를 포함하는 염료감응형 태양전지 및 그의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일구현예는 전해질 고분자, 블록화된 경화제 및 액상 전해질을 포함하는 전해질 조성물을 제공한다.
본 발명의 다른 구현예는 음극계 전극; 양극계 전극; 및 음극계 전극과 양극계 전극 사이에 형성되고, 본 발명에 따른 전해질 조성물의 경화물을 포함하는 겔형 고분자 전해질층을 포함하는 염료감응형 태양전지를 제공한다.
본 발명의 또 다른 구현예는 음극계 전극 및 양극계 전극을 부착하는 단계; 및 본 발명에 따른 전해질 조성물을 서로 부착된 음극계 전극 및 양극계 전극 사이의 공간으로 주입하고, 상기 전해질 조성물을 경화시켜 겔형 고분자 전해질층을 형성하는 단계를 포함하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 전해질 조성물은 전해질 고분자, 블록화된 경화제 및 액상 전해질을 포함하고 있어, 이를 이용하여 염료감응형 태양전지의 겔형 고분자 전해질층을 형성할 경우 종래의 액상 전해질층이 가지는 휘발 또는 누출의 문제점을 해소하면서도, 태양전지 모듈의 광전 변환효율은 종래의 액상 전해질과 동등 또는 그 이상으로 유지할 수 있으며, 온도 상승과 같은 외부 환경변화에 대하여도 장기적으로 전기화학적 안정성을 유지할 수 있다.
도 1은 일반적인 염료감응형 태양전지의 작동원리를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일구현예에 따른 염료감응형 태양전지의 단면도를 나타내는 도면이다.
이하에서 첨부하는 도면을 참조하여 본 발명의 구현예들을 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지의 범용적인 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 첨부되는 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위한 개략적인 것으로 본 발명을 보다 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었고, 도면에 표시된 두께, 크기, 비율 등에 의해 본 발명의 범위가 제한되지 아니한다.
본 발명의 일구현예는 전해질 고분자, 블록화된 경화제 및 액상 전해질을 포함하는 전해질 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 전해질 조성물은 전해질 고분자, 블록화된 경화제 및 액상 전해질을 포함하고, 일 예로는 염료감응형 태양전지에 사용되는 전해질 조성물일 수 있다.
본 발명의 전해질 조성물에서, 전해질 고분자는 후술하는 경화제와 가교 반응을 통해 전해질 조성물이 경화되도록 하여, 겔형 고분자 전해질층을 형성할 수 있다.
상기 전해질 고분자는 히드록실기, 카복실기, 아민기 및 에스터기로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 작용기를 포함할 수 있다. 상기 작용기는 상기 전해질 고분자를 후술하는 가교제와 가교 반응을 일으킬 수 있도록 하여 본 발명의 전해질 조성물이 경화되도록 할 수 있다.
본 발명에서 상기 전해질 고분자의 종류는 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 히드록실기 함유 단량체, 카복실기 함유 단량체, 아민기 함유 단량체 및 폴리올계 단량체로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 단량체를 중합된 형태로 포함하는 단독 중합체, 공중합체 또는 이들의 혼합물일 수 있고, 일 구현예에서는 히드록실기 함유 단량체 또는 폴리올계 단량체를 중합된 형태로 포함하는 단독 중합체, 공중합체 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 다른 구현예에서는 폴리올계 단량체를 중합된 형태로 포함하는 단독 중합체, 공중합체 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 히드록실기 함유 단량체의 예로는, 2-히드록시에틸 (메타)아크릴레이트, 2-히드록시프로필 (메타)아크릴레이트, 4-히드록시부틸 (메타)아크릴레이트, 6-히드록시헥실 (메타)아크릴레이트, 8-히드록시옥틸 (메타)아크릴레이트, 2-히드록시에틸렌글리콜 (메타)아크릴레이트 또는 2-히드록시프로필렌글리콜 (메타)아크릴레이트 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 카복실기 함유 단량체의 예로는, 아크릴산, 메타크릴산, 2-(메타)아크릴로일옥시 아세트산, 3-(메타)아크릴로일옥시 프로필산, 4-(메타)아크릴로일옥시 부틸산, 아크릴산 이중체, 이타콘산 또는 말레산 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 아민기 함유 단량체의 예로는, 아크릴아미드 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 폴리올계 단량체의 예로는, 에틸렌글리콜 또는 프로필렌글리콜 등의 알킬렌글리콜; 디에틸렌글리콜 또는 디프로필렌글리콜 등의 디알킬렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜 또는 폴리프로필렌글리콜 등의 폴리알킬렌글리콜; 및 피나콜 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 명세서에서 『중량부』는 중량 비율을 의미한다.
본 발명의 전해질 조성물에서, 전해질 고분자는 전해질 조성물 100 중량부에 대하여 5 중량부 내지 40 중량부로 포함될 수 있다. 상기 전해질 고분자의 함량이 5 중량부 미만이면, 염료감응형 태양전지에 적용 시, 겔 형태의 고분자 전해질층을 형성할 수 없고, 40 중량부를 초과하면, 염료감응형 태양전지에 적용 시, 이온 전도도가 낮아져 광전 변환효율이 저하될 수 있다.
본 발명의 전해질 조성물에서, 블록화된 경화제는 블록제가 경화제로부터 해리된 후, 전술한 전해질 고분자와 가교 반응을 통해 전해질 조성물이 경화되도록 하여, 겔형 고분자 전해질층을 형성할 수 있도록 도와준다.
본 발명에서 상기 블록화된 경화제의 종류는 특별히 제한되지 않으나, 블록제(blocking agent)로 블록화된 이소시아네이트계 화합물을 들 수 있다. 상기 블록화된 이소시아네이트계 화합물은 이소시아네이트계 화합물의 이소시아네이트기(-N=C=O) 말단에 블록제가 결합되어 있는 형태로서, 상기 블록제에 의해 이소시아네이트기의 말단이 차단되어 있기 때문에, 상온에서 이소시아네이트기가 다른 작용기, 예를 들면, 히드록실기, 카복실기, 아민기 또는 에스터기와 반응하는 것이 차단될 수 있다.
그러나, 상기 블록화된 이소시아네이트계 화합물을 일정 온도, 예를 들면, 약 80℃ 이상으로 가열하면, 이소시아네이트기의 말단에 결합된 블록제가 해리되면서, 이소시아네이트기가 다른 작용기와 결합할 수 있는 상태로 존재할 수 있다.
상기 블록화된 경화제로서 블록화된 이소시아네이트계 화합물을 사용할 경우, 상기 이소시아네이트계 화합물의 종류는 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 1 분자 중에 2 개 이상의 이소시아네이트기를 가지는 화합물일 수 있다.
상기 이소시아네이트계 화합물의 구체적인 예로는 톨루엔 디이소시아네이트(Toluene diisocyanate, TDI), 디페닐메탄 디이소시아네이트(diphenylmethane diisocyanate, MDI), 4,4’-디헥실메탄 디이소시아네이트(4,4’-dihexylmethane diisocyanate, H12MDI), 크실렌 디이소시아네이트(xylene diisocyanate, XDI) 및 나프탈렌 디이소시아네이트(naphthalene diisocyanate, NDI) 등의 방향족 디이소시아네이트; 헥사메틸렌 디이소시아네이트(hexamethylene diisocyanate, HMDI), 4,4`-디헥실메탄 디이소시아네이트(4,4`-dihexylmethane diisocyanate, H12MDI) 및 다이머 산 디이소시아네이트(dimer acid diisocyanate) 등의 지방족 디이소시아네이트; 또는 이소포론 디이소시아네이트(isophorone diisocyanate, IPDI), 시클로헥산 디이소시아네이트(cyclohexane diisocyanate, CHDI), 및 수화된 자일렌 디이소시아네이트(hydrogenated xylene diisocyanate, H6XDI) 등의 지환족 디이소시아네이트 등을 들 수 있고, 일 구현예에서는 IPDI, HMDI, H12MDI 및 H6XDI 등의 무황변 타입의 이소시아네이트계 화합물을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 경화제를 블록화하기 위해 사용될 수 있는 블록제의 종류는 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 페놀류, 옥심류, 활성 메틸렌류, ε-카프로락탐류, 트리아졸류 및 피라졸류 블록제로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 들 수 있고, 구체적으로 MEKO(methylethyl keoxime), DMP(3,5-dimethyl pyrazole), DEM(diethyl malonate) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 들 수 있다.
본 발명의 전해질 조성물에서, 블록화된 경화제는 전해질 조성물 100 중량부에 대하여 2 중량부 내지 10 중량부로 포함될 수 있다. 상기 블록화된 경화제의 함량이 2 중량부 미만이면, 전술한 전해질 고분자와의 가교 반응이 충분히 진행되지 않아 전해질 조성물을 경화시키기 어려울 수 있고, 10 중량부를 초과하면, 겔형 고분자 전해질층 내에 잔존하는 불순물의 함량이 증가하고, 경화도가 증가되어 광전 변환효율이 저하될 수 있다.
본 발명의 전해질 조성물에서, 액상 전해질은 산화-환원 반응에 의해 후술하는 염료감응형 태양전지의 전해질층에 적용 시, 전자를 전달하는 역할을 수행할 수 있다. 상기 액상 전해질은 전해질이 용해되어 있는 용액 상태로서, 구체적으로는 산화-환원 유도체 및 유기 용매를 포함할 수 있다. 상기 산화-환원 유도체는 산화-환원 반응을 통해 전자를 전달하는 역할을 수행하고, 상기 유기 용매는 상기 산화-환원 유도체가 용해될 수 있도록 도와준다.
본 발명의 전해질 조성물에서, 액상 전해질은 전해질 조성물 100 중량부에 대하여, 55 중량부 내지 90 중량부로 포함될 수 있다. 상기 액상 전해질의 함량이 55 중량부 미만이면, 이온 전도도가 낮아져 태양전지 모듈의 광전 변환효율이 크게 저하될 수 있고, 90 중량부를 초과하면, 겔형 고분자 전해질층을 형성하기 어려울 수 있다.
상기 산화-환원 유도체의 종류는 특별히 제한되지 않고, 산화-환원 반응을 통해 전자 전달을 용이하게 수행할 수 있는 것이라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있다. 본 발명에서는 산화-환원 유도체의 예로서, 요오드화 리튬, 요오드화 나트륨, 요오드화 칼륨, 브롬화 리튬, 브롬화 나트륨, 브롬화 칼륨, 4급 암모늄염, 이다졸륨염 및 피리디늄염으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 유기 용매의 종류는 특별히 제한되지 않고, 상기 산화-환원 유도체를 잘 용해시킬 수 있는 것이라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있다. 본 발명에서는 유기 용매의 예로서, 아세토니트릴(acetonitrile), 3-메톡시프로피오니트릴(3-methoxypropionitrile), 틸렌카보네이트(ethylenecarbonate), 프로필렌카보네이트(propylenecarbonate), 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate), 디에틸카보네이트(diethylcarbonate), 에틸메틸카보네이트(ethylmethylcarbonate), 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran) 및 감마-부티로락톤(γ-butyrolactone)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 액상 전해질은 유기 용매 100 중량부에 대하여, 0.01 중량부 내지 5 중량부의 산화-환원 유도체를 포함할 수 있다.
본 발명의 전해질 조성물은 상기와 같이, 전해질 고분자, 블록화된 경화제 및 액상 전해질을 포함하고 있고, 이를 염료감응형 태양전지에 적용 시, 경화를 통해 겔형 고분자 전해질층으로 제조할 수 있어, 종래의 액체 전해질층에서 발생할 수 있는 전해질의 휘발 또는 누출의 문제점을 최소화할 수 있다.
본 발명은 또한, 음극계 전극; 양극계 전극; 및 상기 음극계 전극과 상기 양극계 전극 사이에 형성되고, 전술한 본 발명에 따른 전해질 조성물의 경화물을 포함하는 겔형 고분자 전해질층을 포함하는 염료감응형 태양전지에 관계한다.
이하, 첨부된 도 2 를 참고하여, 본 발명의 염료감응형 태양전지를 구체적으로 설명한다.
도 2 는 본 발명의 일 구현예에 따른 염료감응형 태양전지를 나타내는 도면이다. 도 2 에 나타난 바와 같이, 본 발명의 염료감응형 태양전지(20)는 음극계 전극(30); 양극계 전극(40); 및 상기 음극계 전극(30)과 상기 양극계 전극(40) 사이에 형성되고, 전술한 본 발명에 따른 전해질 조성물의 경화물을 포함하는 겔형 고분자 전해질층(50)을 포함할 수 있다.
상기 음극계 전극(30)은 구체적으로, 투명 기판(31); 상기 투명 기판(31) 상에 형성된 투명 전극(32); 상기 투명 전극(32) 상에 형성된 전이금속 산화물층(33); 및 상기 전이금속 산화물층(33)에 흡착되어 있는 염료 분자(34)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 양극계 전극(40)은 구체적으로, 투명 기판(41); 상기 투명 기판(41) 상에 형성된 투명 전극(42); 및 상기 투명 전극(42) 상에 형성된 반사층(43)을 포함할 수 있다.
상기 음극계 전극 및 양극계 전극은 각 전극에 포함되어 있는 투명 전극이 서로 마주보도록 배치될 수 있다.
상기 음극계 전극 또는 양극계 전극에서 사용될 수 있는 투명 기판의 종류는 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 유리 기판 또는 유연성을 가지는 고분자 기판 등이 사용될 수 있다. 상기 고분자 기판의 예로는, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 또는 폴리카보네이트(PC) 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 음극계 전극 또는 양극계 전극에서 사용될 수 있는 투명 전극의 종류 또한 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 인듐-틴-옥사이드(ITO) 또는 불소가 도핑된 틴-옥사이드(FTO) 등이 사용될 수 있다.
본 발명의 염료감응형 태양전지에서, 음극계 전극 및 양극계 전극 중에 투명 기판 및 투명 전극을 사용하는 이유는 태양광(60)이 투과되어 태양전지의 내부로 입사될 수 있도록 하기 위함이다.
상기 음극계 전극에 포함되는 전이금속 산화물층은 전이금속 산화물의 나노입자를 포함할 수 있다.
상기 전이금속 산화물의 종류는 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO) 및 이산화주석(SnO2)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있으며, 일 구현예에서는 이산화티타늄을 사용할 수 있다. 본 발명에서 전이금속 산화물의 나노입자로서 이산화티타늄 나노입자를 사용하는 경우, 전자 전달능력이 우수한 아나타제(anatase) 결정성을 가지는 것을 선택하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 전이금속 산화물 나노입자의 크기는 작을수록 태양전지의 성능이 향상될 수 있다. 이는 전이금속 산화물 나노입자의 크기가 작을수록 비표면적이 늘어나 더 많은 염료 분자가 흡착될 수 있고, 더 많은 염료 분자가 흡착될수록 더 많은 전자가 생성되어 염료감응형 태양전지의 광전 변환 총 효율이 향상될 수 있기 때문이다. 그러나, 전이금속 산화물 나노입자의 크기가 너무 작으면 고온 소결 공정 등의 과정에서 전이금속 산화물 나노입자와 후술할 열가소성 고분자층 사이의 밀착력이 저하되어 박리현상이 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명에서 전이금속 산화물 나노입자의 평균입경은 10 nm 내지 300 nm, 15 nm 내지 100 nm, 또는 20 nm 내지 50 nm일 수 있다.
본 발명에서, 염료 분자는 음극계 전극에 포함되는 전이금속 산화물층의 나노입자의 표면에 흡착될 수 있다. 상기 염료 분자의 종류는 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 루테늄계 염료 분자 또는 쿠마린계 염료 분자 등이 사용될 수 있다.
본 발명에서 전이금속 산화물의 나노입자 표면에 흡착된 염료 분자는 태양전지 내부로 입사된 광을 흡수하면서 전자를 생성할 수 있다.
본 발명에서, 상기 양극계 전극에 포함되는 반사층은 반사도가 높을수록 광전 변환효율이 우수하므로, 반사도가 높은 재료를 선택할 수 있다. 본 발명에서 사용할 수 있는 반사층의 종류는 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 백금층 또는 카본층일 수 있으며, 일 구현예에서는 백금층을 사용할 수 있다. 상기 반사층으로 백금층을 사용할 경우, 반사도가 우수할 뿐만 아니라, 겔형 고분자 전해질층과 접촉하는 면을 통해 산화-환원 유도체의 환원 반응을 촉진시키는 촉매 역할을 할 수 있다.
본 발명에서 겔형 고분자 전해질층은 전술한 본 발명에 따른 전해지 조성물의 경화물을 포함할 수 있고, 상기 전해질 조성물에 대한 구체적인 내용은 전술한 바와 동일하므로 이하 생략한다.
본 발명의 염료감응형 태양전지의 작동 원리를 첨부된 도 2를 참고하여 설명하면 다음과 같다.
외부로부터 태양광(60)이 음극계 전극의 투명 기판(31) 및 투명 전극(32)을 투과하여 전이금속 산화물층(33)에 도달하며, 상기 전이금속 산화물층(33)에 흡착되어 있는 염료 분자(34)가 염료감응형 태양전지(20)의 내부로 입사된 태양광(60)을 흡수하면서 활성화되어 정공과 전자를 발생할 수 있다. 상기 염료 분자(34)로부터 발생된 전자는 음극계 전극(30)의 전이금속 산화물층(33)을 통하여 투명 전극(32)으로 전달될 수 있다. 첨부된 도 2 에는 도시되어 있지 않지만, 음극계 전극(30)의 투명 전극(32) 및 양극계 전극(40)의 투명 전극(42)은 회로(미도시)를 통해 연결되어 있을 수 있다. 따라서, 상기 음극계 전극(30)의 투명 전극(32)으로 전달된 전자는 상기 회로를 통해 양극계 전극(40)의 투명 전극(42)으로 전달되고, 상기 투명 전극(42)으로 전달된 전자는 반사층(43)을 통해 겔형 고분자 전해질층(50)으로 전달될 수 있다. 한편, 음극계 전극(30) 및 양극계 전극(40) 사이, 구체적으로는 음극계 전극(30)의 전이금속 산화물층(33) 및 양극계 전극(40)의 반사층(43) 사이에는 겔형 고분자 전해질층(50)이 형성되어 있고, 상기 태양광(60) 흡수를 통해 산화된 염료 분자(34)는 상기 겔형 고분자 전해질층(50)에 포함되어 있는 산화-환원 유도체에 의해 제공되는 전자를 받아 환원되며, 이 때 상기 염료 분자(34)에게 전자를 공급한 산화-환원 유도체는 상기 양극계 전극(40)의 반사층(43)을 통해 전달된 전자에 의해 환원되어 염료감응형 태양전지(20)의 작동 원리가 완성될 수 있다.
본 발명의 염료감응형 태양전지는 전술한 바와 같이, 전해질 고분자, 블록화된 경화제 및 액상 전해질을 포함하는 전해질 조성물의 경화물을 포함하고 있어, 겔형 고분자 전해질층을 형성할 수 있고, 상기 겔형 고분자 전해질층은 종래의 액체 전해질층에서 발생할 수 있는 전해질의 휘발 또는 누출의 문제점을 최소화하면서도, 액체 전해질층과 동등 또는 그 이상의 광전 변환효율을 발휘할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예는 염료감응형 태양전지의 제조 방법에 관한 것이다. 염료감응형 태양전지는 음극계 전극 및 양극계 전극을 부착하는 단계; 및 본 발명에 따른 전해질 조성물을 상기 서로 부착된 음극계 전극 및 양극계 전극 사이의 공간으로 주입하고, 상기 전해질 조성물을 경화시켜 겔형 고분자 전해질층을 형성하는 단계를 포함할 수 있따.
본 발명의 염료감응형 태양전지를 제조하기 위하여, 별도로 음극계 전극을 제조하는 단계 및 양극계 전극을 제조하는 단계를 수행할 수도 있다.
상기 음극계 전극을 제조하는 단계는 구체적으로, 투명 기판 상에 투명 전극을 형성하는 단계; 상기 투명 전극 상에 전이금속 산화물층을 형성하는 단계; 및 상기 전이금속 산화물층에 염료 분자를 흡착하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 투명 기판의 종류는 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 유리 기판 또는 유연성을 가지는 고분자 기판 등이 사용될 수 있다. 상기 고분자 기판의 예로는, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 또는 폴리카보네이트(PC) 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 투명 기판 상에 투명 전극을 형성하는 단계는 일 예로 투명 기판 상에 투명 전극 조성물을 스퍼터링 방법에 의해 코팅함으로써 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 투명 전극의 예로는, 인듐-틴-옥사이드(ITO) 또는 불소가 도핑된 틴-옥사이드(FTO) 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 투명 전극 상에 전이금속 산화물층을 형성하는 단계는 전이금속 산화물층 형성용 조성물을 제조하고, 이를 상기 투명 전극 상에 코팅한 후, 약 400℃ 내지 600℃의 온도에서 약 10 분 내지 60 분 동안 열처리함으로써 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전이금속 산화물층 형성용 조성물은 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO) 및 이산화주석(SnO2)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 전이금속 산화물의 전구체를 포함할 수 있고, 상기 전이금속 산화물의 전구체를 용매에 분산 또는 용해시켜 전이금속 산화물층 형성용 조성물을 제조할 수 있다.
상기 전이금속 산화물층 형성용 조성물을 투명 전극 상에 코팅하는 방법은 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 오프셋 인쇄법 또는 그라비어 인쇄법 등의 주지의 인쇄 방식이나, 롤 코트, 바 코트, 나이프 엣지 코트, 그라비어 코트 또는 닥터 블레이드 등의 주지의 도포 방식을 포함하여, 균일한 코팅층을 형성할 수 있는 것이라면 어떠한 방식도 적용 가능하다.
열처리 온도를 상기 범위로 조절함으로써, 예를 들어 이산화티타늄(TiO2)의 결정형 중 아나타제형이 성능을 발휘할 수 있으며, 다른 결정형인 루타일형 등이 형성되지 않아 소자 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 투명 전극 상에 전이금속 산화물층을 형성하는 단계에서는 전이금속 산화물층 형성용 조성물의 코팅 공정 및 열처리 공정을 1회 이상 반복 실시하여 원하는 두께의 전이금속 산화물층을 형성할 수 있다. 상기 전이금속 산화물층의 두께는 사용 목적에 따라 적절히 선택될 수 있으나, 예를 들어 5 ㎛ 내지 30 ㎛일 수 있다.
상기 전이금속 산화물층에 염료 분자를 흡착하는 단계는 염료 분자가 용해된 염료 용액을 제조한 후, 상기 전이금속 산화물층 및 투명 전극이 적층된 투명 기판을 상기 염료 용액에 담지시킨 후, 건조함으로써 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 염료 용액은 루테늄계 염료 분자 또는 쿠마린계 염료 분자를 용매에 용해시켜 제조할 수 있고, 상기 제조된 염료 용액에 전이금속 산화물층 및 투명 전극이 적층된 투명 기판을 담지시키는 시간은 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어 5 시간 내지 24 시간일 수 있다.
상기 염료 용액에 전이금속 산화물층 및 투명 전극이 적층된 투명 기판을 담지시킨 후, 이를 건조하는 방법은 특별히 제한되지 않고, 이 분야에서 일반적으로 통용되는 건조 수단을 제한 없이 채용할 수 있다. 본 발명에서는 상기 건조 방법으로 자연 건조 또는 오븐 등을 이용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 양극계 전극을 제조하는 단계는 구체적으로, 투명 기판의 표면에 1개 이상의 구멍을 형성하는 단계; 상기 1개 이상의 구멍이 형성된 투명 기판 상에 투명 전극을 형성하는 단계; 및 상기 투명 전극 상에 반사층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 투명 기판의 종류는 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 유리 기판 또는 유연성을 가지는 고분자 기판 등이 사용될 수 있다. 상기 고분자 기판의 예로는, PET, PEN 또는 PC 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 투명 기판의 표면에 1개 이상, 또는 2개 이상의 구멍을 형성하는 단계는 후술하는 겔형 고분자 전해질층 형성 단계에서 본 발명에 따른 전해질 조성물을 주입하기 위한 입구를 형성하기 위해서 수행될 수 있다.
투명 기판의 표면에 2개 이상의 구멍을 형성하는 이유는 하나의 구멍을 통해 본 발명에 따른 전해질 조성물을 주입한 후, 다른 구멍을 통해 주입된 전해질 조성물이 스며 나오는지 여부를 확인함으로써, 전해질 조성물의 주입 여부를 확인하기 위함이다.
상기 1개 이상의 구멍이 형성된 투명 기판 상에 투명 전극을 형성하는 단계는 스퍼터링 방법으로 투명 기판 상에 투명 전극 조성물을 코팅함으로써 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 투명 전극의 예로는, 인듐-틴-옥사이드(ITO) 또는 불소가 도핑된 틴-옥사이드(FTO) 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 투명 전극 상에 반사층을 형성하는 단계는 반사층 형성용 조성물을 제조하고, 이를 상기 투명 전극 상에 코팅한 후, 400℃ 내지 600℃의 온도에서 10 분 내지 60 분 동안 열처리함으로써 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 반사층 형성용 조성물은 백금 전구체 또는 카본 전구체를 포함할 수 있고, 상기 백금 전구체 또는 카본 전구체를 용매에 분산 또는 용해시켜 반사층 형성용 조성물을 제조할 수 있다.
상기 반사층으로서 백금층을 사용할 경우에는, 스퍼터링 방법, 화학기상증착 방법, 증기증착 방법, 열산화 방법 및 전기화학적 증착 방법 등을 사용할 수도 있다.
본 발명의 염료감응형 태양전지를 제조하기 위하여, 상기 음극계 전극 및 양극계 전극은 다른 방법에 의해서도 제조될 수 있으며, 다른 구성을 추가로 포함할 수도 있고, 시판제품을 구입할 수도 있다.
준비된 음극계 전극 및 양극계 전극은 염료감응형 태양전지를 제조하기 위하여 부착된다. 음극계 전극 및 양극계 전극을 부착하는 단계는 구체적으로, 음극계 전극의 전이금속 산화물층 및 양극계 전극의 반사층이 서로 마주보도록 배치한 상태에서, 상기 음극계 전극 및 양극계 전극의 사이에 열가소성 고분자층을 형성한 후, 가열함으로써 수행될 수 있다.
상기 열가소성 고분자층은 음극계 전극 및 양극계 전극을 부착하는 역할을 수행할 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 전해질 조성물이 태양전지의 내부에서 차지할 수 있는 공간을 형성해주는 역할과 태양전지 셀 전체를 봉합함으로써 전해질이 새어나오는 것을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
상기 열가소성 고분자층의 종류는 특별히 제한되지 않는다.
상기 열가소성 고분자층을 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 열가소성 고분자 필름을 음극계 전극 또는 양극계 전극 사이에 부착한 후, 열에 의해 경화할 수 있다. 상기 열가소성 고분자 필름의 두께는 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 약 30㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기 열가소성 고분자층을 음극계 전극 및 양극계 전극 사이에 형성한 후, 이를 접착하기 위하여 가열하는 공정은 약 80℃ 내지 110℃의 온도에서 약 10초 내지 20초 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 염료감응형 태양전지를 제조하기 위하여, 다음으로 상기 서로 부착된 음극계 전극 및 양극계 전극 사이의 공간으로 전술한 본 발명에 따른 전해질 조성물을 주입하고, 상기 전해질 조성물을 경화시켜 겔형 고분자 전해질층을 형성하는 단계를 수행할 수 있다. 상기 전해질 조성물에 관한 구체적인 설명은 전술한 바와 동일하므로 이하 생략한다.
상기 겔형 고분자 전해질층을 형성하는 단계에서 전해질 조성물의 주입 공정은 양극계 전극의 투명 기판에 형성된 1개 이상의 구멍 중 어느 하나로 전해질 조성물을 주입함으로써 수행될 수 있다. 상기 양극계 전극의 투명 기판에 형성된 구멍으로 본 발명에 따른 전해질 조성물을 주입하게 되면, 상기 전해질 조성물은 음극계 전극 및 양극계 전극 사이에 형성된 열가소성 고분자층 내에서 확산되면서 전이금속 산화물층 내의 공극까지 채울 수 있다. 따라서, 양극계 전극의 투명 기판에 형성된 구멍으로 주입된 전해질 조성물은 태양전지 모듈의 내부에서 전이금속 산화물층과 접촉 계면을 형성할 뿐만 아니라, 반사층과도 접촉 계면을 형성할 수 있다.
상기 겔형 고분자 전해질층을 형성하는 단계에서, 전해질 조성물을 경화시키는 공정 이전에 양극계 전극의 투명 기판에 형성된 모든 구멍을 밀봉하는 공정을 추가로 수행할 수 있다.
구체적으로, 양극계 전극의 투명 기판에 형성된 구멍 중 어느 하나로 전해질 조성물을 주입한 후, 다른 구멍으로 전해질 조성물이 스며 나오면 예를 들어 열경화성 고분자 필름 등으로 구멍을 밀봉할 수 있다. 상기 열경화성 고분자 필름의 종류는 특별히 제한되지 않고, 이 분야에서 통상적으로 사용되는 열경화성 고분자 필름을 사용할 수 있다.
상기 겔형 고분자 전해질층을 형성하는 단계에서 전해질 조성물을 경화시키는 공정은 상기 밀봉 공정 이후, 상기 전해질 조성물이 주입된 태양전지 모듈을 약 12 시간 이상, 또는 약 24 시간 이상 상온에서 방치한 다음, 약 80℃ 이상의 온도에서 유지함으로써 수행될 수 있다.
상기 전해질 조성물이 주입된 태양전지 모듈을 약 12 시간 이상 동안 상온에서 방치하는 이유는 태양전지 모듈의 내부로 주입된 전해질 조성물이 전이금속 산화물층의 공극을 충분히 채울 수 있도록 하기 위함이다.
또한, 경화 온도를 약 80℃ 이상으로 유지하는 이유는, 본 발명의 전해질 조성물에 포함되어 있는 블록화된 경화제로부터 블록제를 해리시킴으로써, 전해질 고분자 및 경화제 간의 가교 반응을 진행시키기 위함이다.
본 발명의 염료감응형 태양전지의 제조 방법에 따라 제조된 염료감응형 태양전지는 겔형 고분자 전해질층을 포함하고 있고, 상기 겔형 고분자 전해질층은 산화-환원 반응을 수행하는 액상 전해질의 휘발 또는 누출을 최소화하면서 액상 전해질의 고정하는 담지체 역할을 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 염료감응형 태양전지의 제조 방법에 따라 제조된 염료감응형 태양전지는 외부 온도 증가와 같은 환경 변화에 대하여도 장기적으로 안정적이며, 액체 전해질층과 동등 또는 그 이상의 전기화학적 특성을 발휘할 수 있다.
이하 본 발명에 따르는 실시예 및 본 발명에 따르지 않는 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
< 제조예 >
액상 전해질의 제조
유기 용매인 3-메톡시프로피오니트릴(MPN) 100 중량부에 대하여, 산화-환원 유도체로서 요오드화리튬(LiI), 요오드(I2) 및 MPImI를 각각 0.1 중량부, 0.05 중량부 및 2 중량부를 혼합하고 용해시켜 액상 전해질을 제조하였다.
전해질 조성물의 제조
제조예 1
상기 제조된 액상 전해질 70 중량부, 폴리카보네이트 폴리올계 우레탄(조광페인트사) 25 중량부 및 블록화된 경화제인 블록 이소시아네이트(조광페인트사) 5 중량부를 혼합하여 전해질 조성물을 제조하였다.
제조예 2 내지 6
상기 제조예 1에서 폴리카보네이트 폴리올계 우레탄 및 블록 이소시아네이트의 함량을 하기 표 1과 같이 변경하여 전해질 조성물을 제조하였다.
전해질 조성물 함량(w%)
액상 전해질 폴리카보네이트 폴리올계 우레탄 블록 이소시아네이트
제조예 2 70 30 5
제조예 3 85 5 10
제조예 4 85 4 11
제조예 5 58 40 2
제조예 6 58 41 1
<염료감응형 태양전지의 제조>
실시예 1
음극계 전극의 제조
FTO glass를 0.04M의 TiCl4 수용액에 담지하고, 70℃의 오븐에서 30 분 동안 열처리한 후, 물로 세척하고 건조시킨 다음, 450℃의 오븐에서 30 분 동안 열처리함으로써, 20 내지 40 nm의 밀집된 이산화티탄(TiO2)층을 형성하였다. 이어서, 상기 이산화티탄(TiO2)층 위에 이산화티탄(TiO2)을 포함하는 전이금속 산화물층 형성용 조성물을 닥터 블레이드 방법으로 코팅하고, 550℃의 오븐에서 30 분 동안 열처리하여 나노 크기의 금속 산화물 간의 접촉 및 충진이 이루어지도록 하여 약 10 ㎛의 두께를 가지는 전이금속 산화물층을 투명전극에 해당하는 FTO 위에 형성하였다. 이어서, 0.5 mM의 루테늄계 염료(N719, Dyesol사) 용액을 제조하고, 상기 염료 용액에 상기 전이금속 산화물층이 형성된 FTO glass를 24 시간 동안 담지시킨 후, 건조하여 전이금속 산화물층에 염료 분자를 흡착시켰다. 이로써, 음극계 전극을 제조하였다.
양극계 전극의 제조
FTO glass에 드릴을 이용하여 2개의 구멍을 형성한 다음, 이를 세척하였다. 이어서, 상기 FTO 위에 육염화백금산(H2PtCl6)이 용해되어 있는 2-프로판 용액을 코팅한 후, 450℃에서 30분 동안 열처리함으로써, 백금층을 FTO 위에 형성하여 양극계 전극을 제조하였다.
음극계 전극 및 양극계 전극의 부착
상기 제조된 음극계 전극의 전이금속 산화물층 및 양극계 전극의 백금층이 서로 마주보도록 한 상태에서 열가소성 고분자 필름(Surlyn, 듀폰사)을 30 ㎛의 두께로 상기 음극계 전극 및 양극계 전극 사이에 형성시키고, 85℃의 온도에서 20 초 동안 유지시켜 2개의 전극을 부착시켰다.
겔형 고분자 전해질층의 형성
상기 제조예 1에서 제조된 전해질 조성물을 양극계 전극 상에 형성된 2개의 구멍 중 어느 하나를 통해 주입한 후, 1 분 내지 5 분 동안 방치하면서 다른 구멍을 통해 전해질 조성물이 스며 나오는지를 확인한 후, 유리를 이용하여 2개의 구멍 모두를 밀봉하였다. 이어서, 상기 전해질 조성물이 음극계 전극의 전이금속 산화물층의 공극을 충분히 채우도록 24 시간 동안 방치한 후, 90℃의 오븐에서 5 분 동안 경화시켜 겔형 고분자 전해질층을 형성하여 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
실시예 2 내지 6
상기 제조예 2 내지 6에서 제조된 전해질 조성물을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
비교예 1
상기 전해질 조성물의 제조 과정에서, 전해질 고분자 및 블록화된 경화제를 사용하지 않고, 상기 제조예에서 제조된 액상 전해질만을 단독으로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
< 실험예 >
광전 변환효율 및 전기화학적 안정성의 측정
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 염료감응형 태양전지에 대하여, ABET사의 SUN 2000 solar simulator를 이용하여, 1 sun의 조건에서 전류 밀도, 전압, 충진계수, 초기 광전 변환효율 및 1주일 경과 후의 광전 변환효율을 측정하였으며, 1주일 경과 후 액상 전해질의 누출 여부를 유관으로 확인하여 전기화학적 안정성을 하기 기준으로 평가하였다. 그 결과를 하기의 표 2에 기재하였다.
<전기화학적 안정성 평가 기준>
○: 액상 전해질이 누출됨
×: 액상 전해질이 누출되지 않음
구분 전류밀도
(mA)
전압
(V)
충진 계수		 초기 광전 변환효율 (%) 1주일 경과 후, 광전 변환효율(%) 1주일 경과 후, 광전 변환효율의 변화율(Δ%) 1주일 경과 후, 액상 전해질의 누출여부


실시예		 1 10.98 0.72 0.61 4.87 4.65 4.5 ×
2 10.28 0.71 0.60 4.38 4.20 4.1 ×
3 10.11 0.64 0.63 4.07 3.85 5.4 ×
4 10.24 0.68 0.60 4.18 3.89 6.9 ×
5 10.07 0.66 0.61 4.05 3.76 7.2 ×
6 10.08 0.66 0.61 4.06 3.60 11.3 ×
비교예 1 10.10 0.63 0.63 4.00 2.34 41.5 ○
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 6의 염료감응형 태양전지는 겔형 고분자 전해질층을 포함하고 있지만, 종래의 액체 전해질층을 포함하는 비교예 1의 염료감응형 태양전지와 비교하여 동등 또는 그 이상의 광전 변환효율을 나타내고 있다.
더욱이, 실시예 1 및 2의 염료감응형 태양전지는 1주일 경과 후에도 초기 광전 변환효율과 거의 동등한 광전 변환효율을 유지하고 있는 반면, 비교예 1의 염료감응형 태양전지는 1주일 경과 후, 초기 광전 변환효율(4.00%)에 비해 약 42% 정도가 감소하였음을 확인할 수 있다.
또한, 1주일 경과 후에도, 실시예 1 내지 6에서 제조된 태양전지에서는 액상 전해질이 누출되지 않는 것이 유관으로 확인되었다.
즉, 본 발명에 따른 전해질 조성물을 이용하여 제조된 염료감응형 태양전지는 겔형 고분자 전해질층을 포함하고 있어, 종래 액체 전해질층이 가지는 휘발 또는 누출의 문제점을 최소화하면서도, 종래 액체 전해질층이 가지는 광전 변환효율 및 전기화학적 특성은 그대로 유지할 수 있음을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지는 외부 환경변화에 대하여 장기적으로 전기화학적 안정성을 가질 수 있음을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 예시적인 실시예를 참고로 본 발명에 대해서 상세하게 설명하였으나, 이들은 단지 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 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.
11: 반도체 산화물 전극 12: 염료
13: 투명 전도성 기판 14: 외부 전선
15: 상대 전극 16: 백금층
17: 산화-환원 유도체(전해질) L: 부하
ECB: 전도대 EVB: 가전도대
EF: 전자가 존재할 확률이 1/2인 지점의 에너지 준위
VOC: 광전압
20: 염료감응형 태양전지 30: 음극계 전극
31, 41: 투명 기판 32,42: 투명 전극
33: 전이금속 산화물층 34: 염료 분자
40: 양극계 전극 43: 반사층
50: 겔형 고분자 전해질층 60: 태양광

Claims (27)

  1. 히드록실기, 카복실기, 아민기 및 에스터기로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 작용기를 포함하는 전해질 고분자;
    블록화된 이소시아네이트계 화합물; 및
    산화-환원 유도체 및 유기 용매를 포함하고, 상기 유기 용매 100 중량부에 대하여 0.01 중량부 내지 5 중량부의 산화-환원 유도체를 포함하는 액상 전해질을 포함하는 전해질 조성물.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질 고분자는 히드록실기 함유 단량체, 카복실기 함유 단량체, 아민기 함유 단량체 및 폴리올계 단량체로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 단량체를 중합된 형태로 포함하는 단독 중합체, 공중합체 또는 이들의 혼합물인 전해질 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질 고분자는 전해질 조성물 100 중량부에 대하여 5 중량부 내지 40 중량부로 포함되는 전해질 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 블록화된 이소시아네이트계 화합물은 블록제로 블록화된 전해질 조성물.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 블록제는 페놀류, 옥심류, 활성 메틸렌류, ε-카프로락탐류, 트리아졸류 및 피라졸류 블록제로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 전해질 조성물.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 블록제는 MEKO(Methylethyl keoxime), DMP(3,5-dimethyl pyrazole) 및 DEM(diethyl malonate)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 전해질 조성물.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 블록화된 이소시아네이트계 화합물은 전해질 조성물 100 중량부에 대하여 2 중량부 내지 10 중량부로 포함되는 전해질 조성물.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 액상 전해질은 전해질 조성물 100 중량부에 대하여 55 중량부 내지 90 중량부로 포함되는 전해질 조성물.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화-환원 유도체는 요오드화 리튬, 요오드화 나트륨, 요오드화 칼륨, 브롬화 리튬, 브롬화 나트륨, 브롬화 칼륨, 4급 암모늄염, 이미다졸륨염 및 피리디늄염으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 전해질 조성물.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기 용매는 아세토니트릴(acetonitrile), 3-메톡시프로피오니트릴(3-methoxypropionitrile), 에틸렌카보네이트(ethylenecarbonate), 프로필렌카보네이트(propylenecarbonate), 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate), 디에틸카보네이트(diethylcarbonate), 에틸메틸카보네이트(ethylmethylcarbonate), 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran) 및 감마-부티로락톤(γ-butyrolactone)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 전해질 조성물.
  14. 음극계 전극;
    양극계 전극; 및
    상기 음극계 전극과 상기 양극계 전극 사이에 형성되고, 제 1 항, 제 3 항 내지 제 9 항, 제 12 항 및 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 전해질 조성물의 경화물을 포함하는 겔형 고분자 전해질층을 포함하는 염료감응형 태양전지.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 음극계 전극은 투명 기판; 상기 투명 기판 상에 형성된 투명 전극; 상기 투명 전극 상에 형성된 전이금속 산화물층; 및 상기 전이금속 산화물층에 흡착되어 있는 염료 분자를 포함하는 염료감응형 태양전지.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 투명 전극은 인듐-틴-옥사이드(ITO) 또는 불소가 도핑된 틴-옥사이드(FTO)인 염료감응형 태양전지.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 전이금속 산화물층은 10 nm 내지 300 nm의 평균 입경을 가지는 전이금속 산화물의 나노입자를 포함하는 염료감응형 태양전지.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 전이금속 산화물은 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO) 및 이산화주석(SnO2)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 염료감응형 태양전지.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 염료 분자는 루테늄계 또는 쿠마린계 염료 분자인 염료감응형 태양전지.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 양극계 전극은 투명 기판; 상기 투명 기판 상에 형성된 투명 전극; 및 상기 투명 전극 상에 형성된 반사층을 포함하는 염료감응형 태양전지.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 반사층은 백금층 또는 카본층인 염료감응형 태양전지.
  22. 음극계 전극 및 양극계 전극을 부착하는 단계; 및
    제 1 항, 제 3 항 내지 제 9 항, 제 12 항 및 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 전해질 조성물을 상기 서로 부착된 음극계 전극 및 양극계 전극 사이의 공간으로 주입하고, 상기 전해질 조성물을 경화시켜 겔형 고분자 전해질층을 형성하는 단계를 포함하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    음극계 전극을 제조하는 단계를 추가로 포함하며,
    음극계 전극을 제조하는 단계는, 투명 기판 상에 투명 전극을 형성하는 단계; 상기 투명 전극 상에 전이금속 산화물층을 형성하는 단계; 및 상기 전이금속 산화물층에 염료 분자를 흡착하는 단계를 포함하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법.
  24. 제 22 항에 있어서,
    양극계 전극을 제조하는 단계를 추가로 포함하며,
    양극계 전극을 제조하는 단계는, 투명 기판의 표면에 1개 이상의 구멍을 형성하는 단계; 상기 1개 이상의 구멍이 형성된 투명 기판 상에 투명 전극을 형성하는 단계; 및 상기 투명 전극 상에 반사층을 형성하는 단계를 포함하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법.
  25. 제 22 항에 있어서,
    음극계 전극 및 양극계 전극을 부착하는 단계는, 음극계 전극의 전이금속 산화물층 및 양극계 전극의 반사층이 서로 마주보도록 한 상태에서 상기 음극계 전극 및 양극계 전극의 사이에 열가소성 고분자층을 형성한 후, 가열함으로써 수행되는 염료감응형 태양전지의 제조 방법.
  26. 제 22 항에 있어서,
    겔형 고분자 전해질층을 형성하는 단계에서 전해질 조성물의 주입 공정은 양극계 전극의 투명 기판에 형성된 1 개 이상의 구멍 중 어느 하나로 전해질 조성물을 주입함으로써 수행되는 염료감응형 태양전지의 제조 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    겔형 고분자 전해질층을 형성하는 단계에서 전해질 조성물을 경화시키는 공정 이전에 양극계 전극의 투명 기판에 형성된 모든 구멍을 밀봉하는 공정을 추가로 수행하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법.
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