KR101885480B1 - 염료 감응 태양전지용 염료 및 이를 적용한 염료 감응 태양전지 - Google Patents
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Abstract
실시예는 하기의 화학식 1의 구조를 갖는 염료 및 이를 적용한 염료 감응 태양전지를 제공한다:
[화학식 1]
.
일 실시예는 이중수소를 함유하는 트리페닐아민 화합물을 염료로 사용하여 광전변환 효율을 개선시키고, 적황색의 셀을 제공할 수 있다.
[화학식 1]
일 실시예는 이중수소를 함유하는 트리페닐아민 화합물을 염료로 사용하여 광전변환 효율을 개선시키고, 적황색의 셀을 제공할 수 있다.
Description
실시예는 염료 감응 태양전지용 염료 및 이를 적용한 염료 감응 태양전지에 관한 것이다.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지들에 대한 개발이 진행되고 있다. 이러한 태양전지들에는 CIGS 태양전지, 실리콘 계열 태양전지, 염료감응 태양전지, 반도체 태양전지 등이 있다.
일반적으로 태양전지는, 외부에서 들어온 빛에 의해 태양전지의 반도체 내부에서 전자와 정공의 쌍이 생성되고, 이러한 전자와 정공의 쌍에서 pn 접합에서 발생한 전기장에 의해 전자는 n형 반도체로 이동하고 정공은 p형 반도체로 이동함으로써 전력을 생산한다.
태양전지는 다른 에너지원과는 달리 태양이라는 무한한 자원을 바탕으로 환경친화적이며, 1983년 Si 태양전지를 개발한 이후로 최근에는 전세계적인 에너지난으로 인해 각광을 받고 있다.
그러나, 이와 같은 실리콘 태양전지는 Si 원재료 수급 문제에 따른 국가간 경쟁이 치열하고 이로 인해 제작 단가가 고가이다. 이를 해결하기 위해 국외, 국내의 많은 연구기관에서 자구책을 제시하고 있지만, 어려움이 따르는 것이 현실이다. 이러한 심각한 에너지난을 해결할 수 있는 대안 중 한 가지로 염료 감응 태양전지가 있으며, 이는 1991년 스위스 국립 로잔 고등기술원(EPEL)의 마이클 그라첼 박사 연구팀에 의해 개발되었다.
염료 감응 태양전지는 실리콘 태양전지와는 달리 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료 분자 및 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물을 주된 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다.
이 염료 감응 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 제조 단가가 저렴하고 투명한 전극으로 인해 건물 외벽 유리창이나 유리 온실 등에 응용이 가능하다는 이점이 있다, 그러나, 유기금속화합물을 사용함으로써 염료 제조 단가가 높고 염료의 몰 흡광계수가 유기 화합물에 비해 상대적으로 낮아 양산시에는 한계가 있다.
종래 염료 감응 태양전지에 사용하던 루테늄계 유기금속 염료는 합성시 출발물질인 루테늄클로라이드가 고가이므로 제조단가를 낮추는 데에 한계가 있고, 리간드와 금속 간의 배위결합이 공유결합에 비하여 견고하지 못해 장기적인 안정성이 확보되지 못한다. 이로 인해 금속을 포함하지 않는 순수한 유기화합물만으로 이루어져 있는 염료의 개발이 활발히 진행되고 있다.
실시예는 금속을 포함하지 않고 우수한 광전변환 효율을 갖는 염료 감응 태양전지용 염료 이를 적용한 태양전지를 제공하고자 한다.
일 실시예에서, 염료 감응 태양전지용 염료는 하기의 화학식 1의 구조를 갖는다:
[화학식 1]
상기 화학식 1에서, X 및 Y는 각각 독립적으로 치환 또는 치환되지 않은 방향족 탄화수소기, 치환 또는 치환되지 않은 방향족 헤테로고리기 및 이들의 조합으로 이루어진 치환기이며, 상기 X 및 Y 중 적어도 어느 하나는 이중수소를 포함하고, Z는 치환 또는 치환되지 않은 방향족 탄화수소기, 치환 또는 치환되지 않은 헤테로고리기, 비닐기, 치환 또는 치환되지 않은 폴리비닐기이며, A는 산성작용기이다.
다른 실시예에서는 상기 염료를 포함하는 염료 감응 태양전지를 제공한다.
실시예는 이중수소를 함유하는 트리페닐아민 화합물을 제공한다. 또한, 실시예는 금속을 포함하지 않은 염료를 제공한다. 따라서, 실시예에 따른 태양전지는 상기의 염료를 사용함으로써 기존의 유기염료에 비하여 광전변환 효율이 개선되고, 적황색의 셀을 포함한다. 또한, 상기 염료의 사용으로 인해 제조 단가를 낮출 수 있으며, 장기적인 안정성을 확보할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 염료 감응 태양전지의 단면을 나타낸다.
실시예의 설명에 있어서, 각 기판, 막, 전극 또는 층 등이 각 기판, 전극, 막 또는 층 등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여(indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한, 각 구성요소의 상 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
도 1은 일 실시예에 따른 염료 감응 태양전지의 단면을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 태양전지는 제 1 기판(100), 제 1 전극(200), 광흡수층(300), 제 2 전극(400) 및 제 2 기판(500)을 포함한다. 상기 광흡수층(300)은 염료(310), 반도체 미립자(320) 및 전해질(330)을 포함한다. 상기 제 2 전극(400)은 촉매전극(410) 및 투명전극(420)을 포함한다.
제 1 기판(100)은 투명하며, 절연체이다. 상기 제 1 기판(100)은, 예를 들어 유리 기판, 석영 기판 또는 플라스틱 기판일 수 있다. 여기서, 상기 플라스틱은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 트라아세틸 셀룰로오스(TAC) 또는 이들의 공중합체 등을 포함하나 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기 제 1 기판(100)은 티타늄, 인듐, 갈륨 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 도핑될 수도 있다.
제 1 전극(200)은 상기 제 1 기판(100) 상에 배치된다. 상기 제 1 전극(200)은 전도성 금속 산화막을 포함할 수 있다. 상기 전도성 금속 산화막은 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), 주석계 산화물, 안티몬 틴 옥사이드(ATO), 산화아연(ZnO) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 보다 바람직하게는 F:SnO2를 사용할 수 있다.
광흡수층(300)은 상기 제 1 전극(200) 상에 배치된다. 상기 광흡수층(300)은 염료(310), 반도체 미립자(320) 및 전해질(330)을 포함한다. 염료에 대해서는 하기에서 더 상세하게 설명한다.
상기 반도체 미립자(320)는 실리콘으로 대표되는 반도체 외에, 화합물 반도체 또는 페로브스카이트 구조를 갖는 화합물 등일 수 있다.
상기 반도체로는 광 여기하에서 전도대 전자가 캐리어로 되어 애노드 전류를 제공하는 n형 반도체일 수 있다. 또한, 상기 화합물 반도체로는 티탄, 주석, 아연, 텅스텐, 지르코늄, 갈륨, 인듐, 이트륨, 니오브, 탄탈, 바나듐으로 이루어진 군에서 선택되는 금속 산화물을 사용할 수 있다. 바람직하게는, 그 예로 산화티탄, 산화주석, 산화아연, 산화니오브, 산화티탄스트론튬 또는 이들의 혼합물을 들 수 있다. 보다 바람직하게는, 그 예로 아나타제형의 산화티탄을 들 수 있다. 상기 반도체의 종류는 이들에 한정되는 것은 아니며, 이들을 단독 또는 2개 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다.
또한, 반도체 미립자(320)의 입경은 평균 입경 1 nm 내지 500 nm인 것일 수 있으며, 바람직하게는 1 nm 내지 100 nm일 수 있다. 또한, 반도체 미립자(320)는 큰 입경의 것과 작은 입경의 것을 혼합하거나 다층으로 사용할 수도 있다.
상기 반도체 미립자(320)는 반도체 미립자를 스프레이 등으로 직접 기판상에 박막으로 형성되거나, 기판을 전극으로 하여 전기적으로 반도체 미립자 박막을 석출하거나, 반도체 미립자의 슬러리 또는 반도체 미립자의 전구체를 가수분해함으로써 얻을 수 있는 미립자를 함유하는 페이스트를 기판상에 도포한 후, 건조, 경화 또는 소성하는 방법 등에 의해 제조할 수 있다.
상기 반도체 미립자(320)의 표면에는 외부 광을 흡수하여 여기 전자를 생성하는 염료(310)가 흡착될 수 있다. 상기 염료(310)에 대해서는 하기에서 상세하게 설명한다.
전해질(330)로는 산화환원(redox) 전해질을 사용할 수 있다. 구체적으로는, 상기 전해질(330)로는 할로겐 화합물 및 할로겐 분자로 구성되는 할로겐 산화 환원계 전해질, 페로시안산염-페로시안산염이나 페로센-페리시늄 이온, 코발트 착물 등의 금속착물 등의 금속산화 환원계 전해질, 알킬티올-알킬디설피드, 비올로겐 염료, 하이드로퀴논-퀴논 등의 유기산화 환원계 전해질 등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 전해질(330)로는 할로겐 산화 환원계 전해질이 바람직하다.
또한, 상기 할로겐 산화 환원계 전해질에 있어서, 할로겐 분자로는 요오드 분자가 바람직하다. 또한, 할로겐 화합물로는 LiI, NaI, CaI2, MgI2, CuI 등의 할로겐화 금속염, 또는 테트라알킬암모늄요오드, 이미다졸리움요오드, 피리디움요오드 등의 할로겐의 유기 암모늄염, 또는 I2를 사용할 수 있다.
또한, 산화환원 전해질은 이를 포함하는 용액의 형태로 구성될 수 있다. 이때, 상기 용액을 구성하는 용매로는 전지 화학적으로 불활성인 것을 사용할 수 있다. 구체적인 예는 아세토니트릴, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 3-메톡시프로피오니트릴, 메톡시아세토니트릴, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 부틸로락톤, 디메톡시에탄, 디메틸카보네이트, 1,3-디옥소란, 메틸포르메이트, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 3-메톡시-옥사졸리딘-2-온, 설포란, 테트라하이드로퓨란, 물 등을 포함할 수 있다. 특히 아세토니트릴, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 3-메톡시프로피오니트릴, 에틸렌글리콜, 3-메톡시-옥사졸리딘-2-온, 부틸로락톤 등이 바람직하다. 이러한 용매들은 1종 또는 혼합해서 사용할 수 있다.
제 2 전극(400)은 상기 광흡수층(300) 상에 배치된다. 상기 제 2 전극(400)은 촉매 전극(410) 및 투명 전극(420)을 포함할 수 있다.
촉매 전극(410)은 산화-환원 쌍(redox couple)을 활성화시키는 역할을 한다. 상기 촉매 전극(410)으로는 백금, 금, 루테늄, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 오스뮴, 탄소, 산화티탄 및 전도성 고분자 등의 전도성 물질을 사용할 수 있다.
투명 전극(420)은 인듐 틴 옥사이드, 플루오르 틴 옥사이드, 안티몬 틴 옥사이드, 산화아연, 산화주석, ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3) 등의 투명 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 산화 환원의 촉매 효과를 향상시킬 목적으로 제 1 전극(200)과 마주보고 있는 촉매 전극(410)은 미세구조를 가져 표면적을 증가시킬 수 있는 것이 바람직하다. 예를 들면, 납 또는 금의 경우 블랙 상태로, 카본의 경우 다공질 상태인 것이 바람직하다. 특히 백금흑 상태는 백금의 양극 산화법, 염화 백금산 처리 등에 의해 형성될 수 있다. 또한 다공질 상태의 카본은 카본 미립자의 소결이나 유기폴리머의 소성 등의 방법에 의해 형성될 수 있다.
상기 제 2 기판(500)은 전술한 제 1 기판(100)과 동일하게 투명하며, 절연체이다. 상기 제 2 기판(500)은, 예를 들어 유리 기판, 석영 기판 또는 플라스틱 기판일 수 있다. 상기 플라스틱의 구체적인 예로 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 트리아세틸셀룰로오스 등을 들 수 있다.
이와 같은 구조를 갖는 염료 감응 태양전지 내로 태양광이 입사되면 광양자는 먼저 광흡수층(300) 내의 염료(310)에 흡수되고, 이에 따라 염료(310)는 기저상태에서 여기상태로 전이하여 전자-홀 쌍을 만들고, 여기상태의 전자는 반도체 미립자(320) 계면의 전도띠(conduction band)로 주입되며, 주입된 전자는 계면을 통해 제 1 전극(200)으로 전달되고, 이후 외부 회로를 통해 대향전극인 제 2 전극(400)으로 이동한다.
한편, 전자의 전이 결과로 산화된 염료(310)는 전해질(330) 내의 산화-환원 커플의 이온에 의해 환원되고, 산화된 이온은 전하중성(charge neutrality)을 이루기 위해 제 2 전극(400)의 계면에 도달한 전자와 환원 반응을 함으로써 상기 염료 감응 태양전지가 작동하게 된다.
이하에서는, 일 실시예에 따른 염료 감응 태양전지에 사용되는 염료에 대해 상세하게 설명한다.
염료 감응 태양전지에서 태양전지가 구동되는 첫 단계는 광 에너지로부터 광 전하를 생성하는 과정이다. 통상적으로 광 전하 생성을 위하여 염료 물질을 사용하는데, 상기 염료 물질은 전도성 투명기판을 투과한 빛을 흡수하여 여기된다. 상기 염료물질로는 루테늄계 유기금속 화합물이 널리 사용되고 있으며, 상기 루테늄계 유기금속 화합물 중에서도 모노(mono-), 비스(bis-) 또는 트리스(tris-) 2,2'-바이피리딘(bipyridine) 착염 등이 주로 사용되고 있다. 그러나 이들은 금속 복합체의 바닥 상태에서 빛에 의해 여기된 전자가 다시 바닥 상태로 떨어지는 속도가 비교적 빨라 효율이 낮다는 문제가 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 공유결합을 통해 금속 복합체에 다양한 전자 전달 물질을 도입하는 사례가 많이 보고되었다. 하지만, 공유결합을 통한 전자 전달 물질 도입은 합성과정이 어려워 다양한 전자 전달 물질을 도입하기 어렵다는 문제가 있다. 이에 대해 본 발명에서는 아닐린 구조에서 플루오로기(fluoro)가 치환된 방향족을 도입한 화합물의 염료를 제조하여 사용함으로써, 기존 유기 염료에 비하여 광전변환 효율을 개선할 수 있다. 보다 상세하게는, 본 발명의 염료 감응 태양전지용 염료는 하기의 화학식 1의 화합물을 포함한다.
[화학식 1]
상기 화학식의 화합물에 있어서, X 및 Y는 각각 독립적으로 치환 또는 치환되지 않은 탄소수 5 내지 20의 방향족 탄화수소기, 치환 또는 치환되지 않은 헤테로고리기 및 이들의 조합으로 이루어진 치환기이며, 상기 X 및 Y 중 적어도 하나는 이중수소로 치환된 방향족을 포함한다.
상기 방향족 탄화수소기로는 벤젠, 나프탈렌, 안트라센(anthracene), 플루오렌(fluorene), 바이페닐(biphenyl) 및 이들의 조합으로 이루어진 치환기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 헤테로고리기로는 피란(pyrane), 피롤(pyrrole), 티오펜(thiophene), 카바졸(carbazole) 및 이들의 조합으로 이루어진 치환기에서 선택되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 X 및 Y는 알킬(alkyl), 알콕시(alkoxy), 아릴기(aryl), 알케닐기(alkenyl), 아릴렌기(arylene) 및 이들의 조합으로 이루어진 치환기를 포함할 수도 있다.
상기 치환기에 있어서, 상기 알킬기는 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 치환되지 않은 알킬기로 이루어진 치환기에서 선택되는 것이 바람직하다. 상기 알콕시기는 탄소수 1 내지 20의 알킬기를 갖는 산소-함유 치환 또는 치환되지 않은 알콕시기로 이루어진 치환기에서 선택되는 것이 바람직하다. 상기 아릴기는 단독 또는 조합하여 사용될 수 있으며, 페닐, 나프틸, 테트라히드로나프틸(tetrahydronaphthyl) 또는 바이페닐과 같이 하나 이상의 고리를 포함하는 탄소수 6 내지 30의 카보사이클 방향족계 화합물(carbocyclic aromatic compound)인 것이 바람직하다. 상기 알킬렌기는 알킬기의 양 말단이 결합가능한 라디칼의 형태를 갖는다.
상기 화학식 1에 있어서, Z는 비닐기(vinyl), 폴리비닐기(polyvinyl), 벤젠, 나프탈렌, 안트라센, 플루오렌, 바이페닐, 피란, 피롤, 티오펜, 카바졸 및 이들의 조합으로 이루어진 치환기에서 선택되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 Z는 상기 X 및 Y에서와 마찬가지로 알킬, 알콕시, 아릴기, 알케닐기, 아릴렌기, 알킬렌기(alkylene) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 치환기를 포함할 수도 있다.
상기 치환기는 앞서 X 및 Y에서 설명한 바와 동일하다. 또한 상기 염료는 상기 화학식 1에 있어서, X 및 Y 중 적어도 하나는 플루오로기로 치환된 방향족 고리 화합물이다.
염료의 합성 방법
1) N- 펜타듀테로페닐 -N- 페닐아민 (N- pentadeuterophenyl -N- phenylamine )의 제조
250 mL 3구(three-neck)-둥근바닥플라스크에 펜타듀테로브로보벤젠(pentadeuterobromobenzene)(50 밀리몰(mmole)), 1-브로모-4-부틸벤젠(45 밀리몰), 팔라듐(Ⅱ) 아세테이트(0.4 밀리몰)와 BINAP(2,2'-비스(디페닐포스피노)-1,1'-바이나프틸, 0.9 밀리몰), 포타슘-터셔리-부톡사이드(44 밀리몰)를, 톨루엔(100 mL)에 녹인 후, 100℃의 배쓰(bath)에서 24시간 교반을 시킨 후 반응이 종료되면 톨루엔을 제거한 후 디클로로메탄과 물을 사용하여 추출한 후 감압 증류하여 실리카 겔 컬럼 크로마토그래피 후 용앰를 감압 증류한 후 N-펜타듀테로페닐-N-페닐아민인 액체 9.0 g을 얻었다.
2) 4-(N-펜타듀테로페닐-N-페닐아미노)벤즈알데히드의 제조
250 mL 3구-둥근바닥플라스크에 N-펜타듀테로페닐-N-페닐아민(30 밀리몰), 4-브로모벤즈알데히드(33 밀리몰), 트리스(디벤질리덴아세톤)디팔라듐(0.5 밀리몰)과 트리스-터셔리-부틸 포스핀(0.9 밀리몰), 소듐-터셔리-부톡사이드(40 밀리몰)를, 톨루엔(100 mL)에 녹인 후, 100℃의 배쓰에서 24시간 교반을 시킨 후 반응이 종료가 되면 톨루엔을 제거한 후 디클로로메탄과 물을 사용하여 추출한 후 감압 증류하여 실리카 겔 컬럼 크로마토그래피 후 용매를 감압 증류한 후 4-(N-펜타듀테로페닐-N-페닐아미노)벤즈알데히드인 액체 6.9 g을 얻었다.
3) N-
펜타듀테로페닐
-N-(4-
비닐페닐
)
벤젠아민의
제조
100 mL 적가 깔대기(dropping funnel)가 장착된 250 mL 3구-둥근바닥플라스크에 소듐-터셔리-부톡사이드(20 밀리몰)를 100 mL 무수 THF(테트라하이드로퓨란)에 용해시킨 후, 메틸 트리페닐 포스포늄 염(27 밀리몰)을 용액에 천천히 가했다. 용액의 색이 짙은 적색으로 바뀌고 더 이상의 색 변화가 관찰되지 않을 때, 4-(N-펜타듀테로페닐-N-페닐아미노)벤즈알데히드(18 밀리몰)를 30 mL의 무수 테트라하이드로퓨란에 용해시킨 후 천천히 적가한다. 실온에서 약 12시간 교반 후, 테트라하이드로퓨란을 제거하고 디클로로메탄과 n-헥산을 사용하여 실리카 겔 컬럼 크로마토그래피 후 용매를 감압 증류한 후 디클로로메탄과 n-헥산을 사용하여 재결정을 하여 필터를 하면, N-펜타듀테로페닐-N-(4-비닐페닐)벤젠아민인 고체 4.0 g을 얻었다.
4) 4-(4-(N-펜타듀테로페닐-N-페닐아미노)스티릴)벤즈알데히드의 제조
100 mL 적가 깔대기가 장착된 100 mL 3구-둥근바닥플라스크에 N-펜타듀테륨페닐-N-(4-비닐페닐)벤젠아민(10 밀리몰), 2,6-디터셔리-부틸크레졸(5 mL), 탄산나트륨, 트랜스-디(μ-아세테이토)비스[(디-o-톨릴포스포이노)벤질]-디팔라듐(Ⅱ)(0.15 밀리몰)을 넣고, 50 mL의 DMAC에 녹인다. 140℃의 배쓰에서 24시간 교반을 시킨 후, 반응이 종료되면 DMAC를 제거한 후 디클로로메탄과 물을 사용하여 추출한 후 감압 증류하여 실리카 겔 컬럼 크로마토그래피 후 용매를 감압 증류한 후 4-(4-(N-펜타듀테로페닐-N-페닐아미노)스티릴)벤즈알데히드인 고체 3.2 g을 얻었다.
5) 3-(4-(4-(N- 펜타듀테로페닐 -N- 페닐아미노 ) 스티릴 )페닐)-2- 시아노아크릴산의 제조
100 mL 2구-둥근바닥플라스크에 4-(4-(N-펜타듀테로페닐-N-페닐아미노)스티릴)벤즈알데히드(2.9 밀리몰), 2-시아노아세트산(4.3 밀리몰), 피페리딘(7 밀리몰)을 아세토니트릴(50 mL)에 녹인 후, 12시간 동안 환류시켰다. 반응이 종료되면 아세토니트릴을 제거한 후 소량의 디클로로메탄에 용해시켜 실리카 겔 컬럼 크로마토그래피 후 용매를 감압 증류한 후 메탄올에서 침전 후 여과시켜 3-(4-(4-(N-펜타듀테로페닐-N-페닐아미노)스티릴)페닐)-2-시아노아크릴산 1.4 g을 얻었다.
염료 감응 태양전지의 제조
(1) 작업 전극 제작
FTO 유리(전도 유리로 코팅된 플루오르-도핑된 틴 옥사이드, Pilkington, TEC7)를 1.5 ㎝ × 1.5 ㎝ 크기로 잘라 유리 세정제로 초음파분해 세척을 10분간 한 후 증류수를 사용하여 비눗물을 완전히 제거하였다. 그 후에 에탄올로 초음파분해 세척을 15분간 2회 반복하였다. 그 후에 무수 에탄올로 완전히 헹군 후에 100℃ 오븐에서 건조시켰다. 이렇게 준비한 FTO 유리 위에 TiO2와의 접촉력을 향상시키기 위하여 70℃의 40 mM 티타늄(Ⅳ) 클로라이드 용액에 40분간 담근 후 증류수로 세정한 후, 100℃ 오븐에서 수분을 완전히 건조시켰다. 그 후에 CCIC사의 티타니아(TiO2) 페이스트(18-NR)를 FTO 유리 위에 스크린 프린터로 9 mm × 9 mm 마스크(200 메쉬)를 이용하여 코팅하였다. 코팅된 필름을 100℃ 오븐에서 20분 동안 말린 후 이 과정을 3회 반복하였다. 이후 코팅된 필름을 450℃로 60분간 소성함으로써 약 10㎛ 두께의 TiO2 필름을 얻었다. 열처리 과정이 끝난 TiO2 필름을 0.5 mM 농도의 합성한 염료의 무수 에탄올 용액에 24시간 담궈 놓음으로써 염료를 흡착시킬 수 있다. (이때, 무수 에탄올에 염료가 녹지 않을 경우에는 녹일 수 있는 용매를 사용할 수 있다.) 흡착이 끝난 후에 무수 에탄올로 흡착되지 않은 염료를 완전히 세척한 후 히트 건(heat gun)을 이용하여 건조시켰다.
(2) 상대 전극 제작
1.5 ㎝ × 1.5 ㎝ 크기의 FTO 유리에 Φ0.7mm 다이아몬드 드릴(Dremel multipro395)을 이용해서 전해질이 들어갈 구멍을 2개를 뚫었다. 그 후에 작업 전극에서 제시했던 세척 방법과 동일한 방법으로 세척한 후 건조시켰다. 그 후 하이드로겐 헥사클로로플라티네이트(H2PtCl6) 2-프로판올 용액을 FTO 유리에 입힌 후 450℃에서 60분간 소성하였다.
(3) 샌드위치 셀 제작
작업 전극과 상대 전극 사이에 사각형 띠 모양으로 자른 슈린(Surlyn, Solaronix1170-25 Hot Melt)을 놓고 클립과 오븐을 이용하여 두 전극을 서로 붙인 후에 상대 전극에 있는 2개의 작은 구멍을 통해 전해질을 주입한 후, 슈린 스트립과 커버 유리로 봉인하여 샌드위치 셀을 제작하였다. 이때, 전해질 용액으로는 0.1M Lil, 0.05M I2, 0.6M 1-헥실-2,3-디메틸이미드아졸륨 아이오다이드와 0.5M 4-터셔리-부틸피리딘을 3-메톡시프로피오니트릴 용매로 하여 제조하였다.
(4) 광전류-전압(photocurrent-voltage) 측정
상기에서 제작한 샌드위치 셀에서 AM 1.5 태양 시뮬레이팅 필터(solar simulating filter)를 장착한 Xe 램프(Yamashita Denso, 300W Xe 아크 램프)로 빛을 조사하면 2400 소스 측정 단위(SMU, Keithley)를 사용하여 전류-전압 곡선을 얻었다. 전위의 범위는 -0.8V에서 0.0V까지이고, 빛의 세기는 100 mW/㎠으로 하였다. 1SUN 전류 보정은 NREL에서 검증한 광다이오드를 사용하였다.
<실험예 1>
하기의 화학식 2의 구성을 갖는 염료를 사용하여 태양전지를 제조하였다.
하기의 화학식 2의 구성을 갖는 이중수소로 치환된 염료 화합물을 사용하여 만든 소자의 경우 Voc(open circuit voltage) 0.76 V, Jsc(short-circuit photocurrent density)가 10.6 mA, 충진율(fill factor)이 65.2%, 광전변환효율이 5.3%를 나타내었다. 이는 현재 가장 널리 쓰이는 염료인 N-719 대비 80%에 이르는 결과이며, 이중수소로 치환되지 않은 염료 대비 115%의 효율 향상을 보였다.
[화학식 2]
<
비교예
1>
하기의 화학식 3의 구성을 갖는 염료를 사용하여 태양전지를 제조하였다.
하기의 화학식 3의 구성을 갖는 이중수소를 포함하지 않은 염료 화합물을 사용하여 만든 소자의 경우 Voc 0.71 V, Jsc가 9.8 mA, 충진율(fill factor)이 65.4%, 광전변환효율이 4.6%를 나타내었다. 이는 실험예 1에 비해 87%의 효율을 보였다.
[화학식 3]
<
비교예
2>
하기의 화학식 4의 구성을 갖는 염료를 사용하여 태양전지를 제조하였다.
하기의 화학식 4의 구성을 갖는 염료 화합물(N-719)를 사용하여 만든 소자의 경우 Voc 0.72 V, Jsc가 15.1 mA, 충진율(fill factor)이 68%, 광전변환효율이 7.4%를 나타내었다.
[화학식 4]
상기 실험예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 결과값을 하기의 표 1에서 요약하였다. 이때, 상기 실험예 1, 비교예 1 및 비교예 2는 각각 동일한 조건 하에서 2번씩 측정하였다.
| # | Area(㎠) | Jsc(mA) | Voc(V) | FF(%) | PCE(%) | |
| 실시예 1 |
1 | 0.25 | 10.64 | 0.76 | 65.2 | 5.27 |
| 2 | 0.25 | 10.93 | 0.73 | 65.3 | 5.27 | |
| 비교예 1 |
1 | 0.25 | 9.80 | 0.71 | 65.4 | 4.57 |
| 2 | 0.25 | 9.45 | 0.71 | 66.5 | 4.56 | |
| 비교예 2 |
1 | 0.25 | 15.29 | 0.72 | 68.3 | 7.44 |
| 2 | 0.25 | 15.23 | 0.71 | 67.9 | 7.33 |
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 일 실시예인 실험예 1에 따라 제조된 태양전지는 비교예 보다 높은 개방전압(Voc)을 나타낸다. 또한, 현재까지 효율이 가장 높은 염료(비교예 2의 N-719)와 비교할 때, 80%에 준하는 광전변환 효율(PCE)을 나타내었다.
따라서, 일 실시예에 따른 염료 감응 태양전지는 이중수소를 함유하나 금속을 포함하지 않은 염료를 제공한다. 따라서, 상기의 염료를 사용함으로써 기존의 유기염료에 비하여 광전변환 효율을 개선시킨다. 또한, 상기 염료의 사용으로 인해 제조 단가를 낮출 수 있으며, 장기적인 안정성을 확보할 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 평균적 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (8)
- 하기의 화학식 1의 구조를 갖는 염료 감응 태양전지용 염료:
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
X 및 Y는 각각 독립적으로 치환 또는 치환되지 않은 방향족 탄화수소기이며, 상기 X 및 Y 중 적어도 어느 하나는 이중수소를 포함하고,
Z는 치환 또는 치환되지 않은 방향족 탄화수소기, 비닐기, 치환 또는 치환되지 않은 폴리비닐기이며,
A는 산성작용기이고,
상기 X, Y, Z 및 A는 헤테로고리기를 치환기로 포함하지 않는다. - 제 1 항에 있어서,
상기 X 및 Y는 각각 독립적으로 치환 또는 치환되지 않은 탄소수 5 내지 20의 방향족 탄화수소기이며, 상기 X 및 Y 중 적어도 어느 하나는 플루오로기를 포함하는 염료 감응 태양전지용 염료. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 Z는 비닐기, 폴리비닐기, 벤젠, 나프탈렌, 안트라센, 플루오렌, 바이페닐 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 치환기를 포함하는 염료 감응 태양전지용 염료. - 제 1 항에 있어서,
상기 Z는 알킬기, 알콕시기, 아릴기, 알케닐기, 아릴렌기, 알킬렌기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 치환기인 염료 감응 태양전지용 염료. - 제 1 항에 있어서,
상기 A는 카복시산기, 아인산기, 술폰산기, 포스핀산기, 히드록시기, 옥시카복시산기, 산 아미드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 치환기를 포함하는 염료 감응 태양전지용 염료. - 제 1 항에 있어서,
상기 X-N-Y는 하기의 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 염료 감응 태양전지용 염료:
여기서, R은 H, C1 내지 C8의 알킬기 또는 트리메틸실릴기이다. - 하기의 화학식 1의 구조를 갖는 염료를 포함하는 염료 감응 태양전지:
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
X 및 Y는 각각 독립적으로 치환 또는 치환되지 않은 방향족 탄화수소기이며, 상기 X 및 Y 중 적어도 어느 하나는 이중수소를 포함하고,
Z는 치환 또는 치환되지 않은 방향족 탄화수소기, 비닐기, 치환 또는 치환되지 않은 폴리비닐기이며,
A는 산성작용기이고,
상기 X, Y, Z 및 A는 헤테로고리기를 치환기로 포함하지 않는다.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2000012882A (ja) | 1998-06-25 | 2000-01-14 | Fuji Photo Film Co Ltd | 反応性芳香族アミンをホール輸送層に含む光起電力素子およびその製造方法 |
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|---|---|---|---|---|
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2017
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Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000012882A (ja) | 1998-06-25 | 2000-01-14 | Fuji Photo Film Co Ltd | 反応性芳香族アミンをホール輸送層に含む光起電力素子およびその製造方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Chem. Pharm. Bull. Vol. 29, No. 2, 1981, pp. 370-378 |
| J. Phys. Chem. C, Vol. 111, No. 11, 2007, pp.4465-4472 |
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| Publication number | Publication date |
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| KR20170085476A (ko) | 2017-07-24 |
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