KR20060090002A - 겔형 전해질 및 이를 채용한 염료감응 태양전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 겔형 전해질 및 이를 채용한 염료감응 태양전지에 관한 것으로, 구체적으로는 장기 안정성 및 전지 효율이 향상된 겔형 전해질 및 이를 채용한 염료감응 태양전지에 관한 것이다.

본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 반도체 전극과 대향 전극 사이에 개재되어 있는 겔형 전해질로서 양이온성 4급 암모늄 화합물을 채용한다. 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 기존의 유기 용매에서의 휘발성에 따른 문제를 개선하여, 용매의 휘발성을 억제하고, 그에 따라 장기적으로 안정된 광전기화학적 특성을 제공할 수 있으며, 빛의 세기에 비례하는 광전기화학적 특성을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 종래 기술에 따른 태양전지에 비하여 광전압을 증가시킬 수 있으며, 광전환 효율의 감소 없이 용매의 휘발성을 억제함으로써 태양 직사광에 의한 태앙전지의 외부 온도 증가 등과 같은 외부 요인에 대하여 장기적인 안정성을 향상시킬 수 있다.

Description

겔형 전해질 및 이를 채용한 염료감응 태양전지{Gel type electrolyte and dye sensitized solar cell}

도 1은 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 겔형 전해질에서 전화 환원 쌍의 이동 경로를 나타낸 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 반도체 전극, 11: 전도성 투명기판, 12: 광흡수층, 12a: 금속 산화물, 12b: 염료, 13: 전해질층, 14: 대향 전극

본 발명은 겔형 전해질 및 이를 채용한 염료감응 태양전지에 관한 것으로, 구체적으로는 장기 안정성 및 전지 효율이 향상된 겔형 전해질 및 이를 채용한 염료감응 태양전지에 관한 것이다.

최근 들어 직면하는 에너지 문제를 해결하기 위하여 기존의 화석 연료를 대체할 수 있는 다양한 연구가 진행되어 오고 있다. 특히 수십년 이내에 고갈될 석유 자원을 대체하기 위하여 풍력, 원자력, 태양력 등의 자연 에너지를 활용하기 위한 광범위한 연구가 진행되어 오고 있다. 이들 중 태양에너지를 이용한 태양 전지는 기타 다른 에너지원과는 달리 자원이 무한하고 환경친화적이므로 1983년 Se 태양전지를 개발한 이후로 최근에는 실리콘 태양전지가 각광을 받고 있다.

그러나 이와 같은 실리콘 태양전지는 제작 비용이 상당히 고가이기 때문에 실용화가 곤란하고, 전지효율을 개선하는데도 많은 어려움이 따르고 있다. 이러한 문제를 극복하기 위하여 제작 비용이 현저히 저렴한 염료 감응형 태양 전지의 개발이 적극 검토되어 오고 있다.

염료 감응 태양전지는 실리콘 태양전지와는 달리 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료 분자, 생성된 전자를 전달하는 전이 금속 산화물을 주된 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다. 지금까지 알려진 염료 감응 태양전지 중 대표적인 예로는 1991년 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의해 발표된 것이 알려져 있다. 그라첼 등에 의한 태양전지는 염료분자가 입혀진 나노입자 이산화티탄(TiO₂)으로 이루어지는 반도체 전극, 대향 전극(백금 전극), 및 그 사이에 채워진 전해질로 구성되어 있다. 이 전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비하여 전력당 제조원가가 저렴하기 때문에 기존의 태양전지를 대체할 수 있는 기능성이 있다는 점에서 주목을 받아왔다.

일반적으로 염료감응 태양전지는 나노입자 산화물 반도체 음극, 백금 양극, 상기 음극에 코팅된 염료, 및 유기용매를 사용한 산화/환원 전해질로 구성되어 있 다. 이와 같이 유기용매로부터 얻어지는 전해질을 포함하는 종래의 염료감응 태양전지는 태양광에 의해 태양전지의 외부 온도가 증가될 때 전해질 용매가 태양전지로부터 휘발될 가능성이 있다. 따라서 염료감응 태양전지의 장기적 안정성 및 실용화가 불리하다는 문제가 있다.

이를 개선하기 위하여 겔형 전해질이 개발되고 있으나, 이는 단순히 액상을 겔형으로 전환하기 위하여 고분자 등의 매트릭스를 사용한 것에 불과하여, 종래의 액상 전해질이 갖는 휘발성 또는 누액 가능성 등에 대해서는 어느 정도 개선이 되나 그 구조가 단순 고분자 형태에 불과하여 불규칙한 구조를 형성하고 금속 산화물층과의 접착력이 부족하여 전해질 내의 산화 환원 쌍에서 발생하는 전자의 이동통로를 방해하여 전도성을 저하시키는 문제가 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전도성이 개선된 겔형 전해질을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 겔형 전해질을 채용한 염료감응 태양전지를 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,

양이온성 4급 암모늄 화합물을 포함하는 겔형 전해질을 제공한다.

상기 양이온성 4급 암모늄 화합물로서는 하기 화학식 1 내지 4의 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 화합물이 바람직하다.

식중, R₁ 내지 R₈은 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐원자, 히드록시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 4의 알킬기를 나타내며;

Z은 단순 결합, -O-, -S-, -NH-, 카르보닐옥시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기, 혹은 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 10의 알케닐렌기를 나타내고;

n 및 n'은 각각 독립적으로 4 내지 20의 정수를 나타낸다.

상기 양이온성 4급 암모늄 화합물에 대한 대이온으로서는 할로겐 이온이 바람직한 바, 요오드 이온이 더욱 바람직하다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 상기 겔형 전해질을 채용한 염료 감응 태양전지를 제공한다.

이하에서 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명에서 사용되는 전해질을 겔형 전해질로서, 이는 양이온성 4급 암모늄 이온을 포함하며 대이온으로서는 할로겐 이온, 특히 요오드 이온을 사용한다. 이와 같은 겔형 전해질은 액상 전해질과 달리 누액 및 휘발성의 염려가 거의 없어 전해질의 장기 안정성을 개선하게 되며, 특히 염료 감응 태양전지에 사용되는 경우 에너지 변환 효율을 개선하는 효과를 제공하게 된다.

이와 같은 겔형 전해질은 염료 감응 태양 전지에 사용되는 경우 반도체 음극 및 대향 전극 사이에 개재되며, 내부에 산화 환원 쌍을 포함하고 있어 전자의 이동 경로를 제공하게 된다. 상기 산화 환원 쌍으로서는 일반적으로 I₃ ^-/I^-를 사용하며, 본 발명에서는 상기 양이온성 4급 암모늄 이온에 대한 대이온으로서 바람직하게는 I^-를 사용하므로 상기 산화 환원 쌍의 농도를 낮출 수 있는 이점도 제공하게 된다.

특히 본 발명에 따른 양이온성 4급 암모늄 이온은 그 특성상 분자 내부에 소수성기와 친수성기를 모두 포함하는 바, 극성 용매 내에서 마이셀(micell) 구조를 형성하게 된다. 도 2에 나타낸 바와 같이 마이셀 구조는 물에 잘 녹은 친수성부분은 바깥쪽으로 물에 안 녹는 소수성기는 안쪽으로 몰려 있는 구조를 나타내며, 이와 같은 구조에서는 마이셀은 구상, 층상, 또는 원통형 구조를 갖게 된다. 이와 같은 구조에서 친수성기가 마이셀의 표면 상에 존재하게 되므로 대이온인 할로겐 이온도 마이셀의 표면에서 전기적인 결합을 통해 존재하게 되는 바, 이와 같은 외곽의 표면을 통해 대이온이 이동할 수 있는 경로를 제공하게 된다. 더욱이 상기 마이셀 구조가 일반 고분자를 사용하는 겔형 고분자 전해질과 비교해서 상당히 규칙적인 구조를 가지므로 이동 경로에서 장애가 되는 물질이 거의 없어 보다 용이한 이동이 가능해진다. 즉, 도 2의 화살표를 통해 나타낸 바와 같이 대이온, 예를 들어 산화 환원 쌍의 요오드 이온은 마이셀 구조의 표면을 따라 이동하여 산화물층 상에 보다 용이하게 도달할 수 있게 되므로 전도도 향상의 개선이 가능하게 된다.

또한 이와 같은 친수성기를 갖는 겔형 전해질의 구조로 인하여 친수성인 금속 산화물층에 보다 용이하게 접착이 가능해져 계면 접착력이 향상되는 효과도 아울러 제공하게 된다. 이와 같이 강화된 접착력으로 인해 상기 마이셀 구조를 통해 이동한 이온 혹은 전자가 금속 산화물층에 보다 더 용이하게 도달할 수 있게 된다. 그에 따라 전도도 향상이 가능해진다.

본 발명에 따른 겔형 전해질은 극성 용매에 용해시킨 후 전해질 필름을 석출 사용하는 바, 이때 사용가능한 극성 용매로서는 아세토니트릴, DMSO, DMF, 메톡시아세토니트릴 등을 사용할 수 있고, 그 농도로서는 0.005 내지 0.2M을 사용할 수 있다. 상기 농도가 0.2M을 초과하는 경우에는 초기에 용해가 되지 않는 문제가 있 고, 0.005M 미만인 경우에는 전해질 용매에 녹아서 필름으로 석출되지 않는 문제가 있어 바람직하지 않다.

본 발명에 따른 양이온성 4급 암모늄 화합물로서는 하기 화학식 1 내지 4로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.

<화학식 1>

<화학식 2>

<화학식 3>

<화학식 4>

식중, R₁ 내지 R₈은 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐원자, 히드록시기, 치 환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 4의 알킬기를 나타내며;

Z은 단순 결합, -O-, -S-, -NH-, 카르보닐옥시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기, 혹은 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 10의 알케닐렌기를 나타내고;

n 및 n'은 각각 독립적으로 4 내지 20의 정수를 나타낸다.

상기 화학식 1의 화합물은 일반적인 4급 암모늄 이온의 형태로서 친수성인 양이온 부분을 제외한 직쇄 부분이 소수성기를 형성하게 된다. 이와 같은 직쇄 부분의 소수성 기로서는 탄소수 6 내지 22, 바람직하게는 8 내지 20, 더욱 바람직하게는 탄소수 12 이상의 직쇄가 바람직하다. 이와 같은 화학식 1의 화합물의 예로서는 도데실트리메틸암모늄 아이오다이드(dodecyltrimethylammonium iodide), 헥사데실트리메틸암모늄 아이오다이드(hexadecyltrimethylammonum iodide), 옥타데실트리메틸암모늄 아이오다이드( octadecyltrimethylammonium iodide) 등을 예로 들 수 있다.

상기 화학식 2의 화합물은 상기 화학식 1의 화합물에서 친수성인 양이온 부분이 서로 결합한 구조를 나타내며, 이 경우, 링커인 Z에 의해서 서로 결합이 이루어진다. 이와 같은 화학식 2의 화합물의 예로서는 제미니 형태의 트리알킬 암모늄 염 요드 등을 예로 들 수 있다.

상기 화학식 3의 화합물은 이미다졸기를 포함하는 암모늄 이온을 나타내며, 이 경우 이미다졸에 비휘발성 효과를 더 제공하게 되며, 이와 같은 화합물의 예로서는 1-메틸-3-옥틸이미다졸륨 아이오다이드(1-methyl-3-octylimidazolium iodide) 등을 예로 들 수 있다.

상기 화학식 4의 화합물은 상기 화학식 3의 화합물에서 친수성인 양이온 부분이 서로 결합한 구조를 나타내며, 이 경우, 링커인 Z에 의해서 서로 결합이 이루어진다. 이와 같은 화학식 2의 화합물의 예로서는 제미니 형태의 이미다졸륨 염 요드 등을 예로 들 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 겔형 전해질은 염료 감응 태양전지에 사용될 수 있으며, 도 1에 도시한 바와 같이 일반적인 태양전지는 반도체 전극(10), 전해질층(13) 및 대향전극(14)을 구비하며, 상기 반도체 전극(10)은 전도성 투명기판(11) 및 광흡수층(12)으로 구성된다. 또한 상기 광흡수층(12)은 금속 산화물(12a) 및 염료(12b)를 포함한다. 본 발명에 따른 겔형 전해질은 상기 반도체 전극(10) 및 대향전극(14) 사이에 형성된다.

상기 전도성 투명기판(11)에 사용되는 투명기판으로서는 투명성을 갖고 있는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 유리 기판 등을 사용할 수 있다. 상기 투명기판에 전도성을 부여하기 위한 재료로서는 도전성 및 투명성을 갖고 있는 것이면 어떠한 것이라도 채용할 수 있지만, 도전성, 투명성, 특히 내열성을 높은 수준으로 갖는 다는 측면에서는 불소가 도핑된 주석계 산화물(예를 들어 SnO₂) 등이 적합하고, 비용적인 측면에서는 인듐 틴 옥사이드(ITO), 불소가 도핑된 인듐 틴 옥사이드(FTO)가 바람직하다.

본 발명에 따른 광흡수층(12)에 포함되는 금속 산화물(12a)은 반도체 미립자로서 실리콘으로 대표되는 단체 반도체 외에 화합물 반도체 또는 페로브스카이트 구조를 갖는 화합물 등을 사용할 수 있다. 이들 반도체는 광 여기하에서 전도대 전자가 캐리어로 되어 애노드 전류를 제공하는 n형 반도체인 것이 바람직하다. 구체적으로 예시하면 TiO₂(이산화티탄), SnO₂, ZnO, WO₃, Nb₂O ₅, TiSrO₃ 등을 들 수 있으며, 특히 바람직하게는 아나타제형의 TiO₂이다. 또한 반도체의 종류는 이들에 한정되는 것은 아니며, 이들을 단독 또는 두 가지 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 이와 같은 반도체 미립자는 표면에 흡착된 염료가 보다 많은 빛을 흡수하도록 하기 위하여 표면적을 크게 하는 것이 바람직하며, 이를 위해 반도체 미립자의 입경이 20nm 이하 정도로 되는 것이 바람직하며, 5 내지 20nm가 더욱 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 광흡수층(12)에 포함되는 염료(12b)는 태양 전지 혹은 광전지 분야에서 일반적으로 사용되는 것이라면 아무 제한 없이 사용할 수 있으나, 루테늄 착물이 바람직하다. 상기 루테늄 착물로서는 RuL₂(SCN)₂, RuL₂(H ₂O)₂, RuL₃, RuL_2, RuLL'(SCN)₂등을 사용할 수 있다(식중 L은 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복실레이트를 나타낸다).

그렇지만 이와 같은 염료로서는 전하 분리기능을 갖고 감응 작용을 나타내는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니며, 루테늄 착물 이외에도 예를 들어 로다민 B, 로즈벤갈, 에오신, 에리스로신 등의 크산틴계 색소, 퀴노시아닌, 크립토시아닌 등의 시아닌계 색소, 페노사프라닌, 카브리블루, 티오신, 메틸렌블루 등의 염기성 염 료, 클로로필, 아연 포르피린, 마그네슘 포르피린 등의 포르피린계 화합물, 기타 아조 색소, 프탈로시아닌 화합물, Ru 트리스비피리딜 등의 착화합물, 안트라퀴논계 색소, 다환 퀴논계 색소 등을 들 수 있으며, 이들을 단독 또는 두가지 이상 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 금속 산화물(12a) 및 염료(12b)를 포함하는 광흡수층(12)의 두께는 15미크론 이하, 바람직하게는 5 내지 15미크론이 좋다. 왜냐하면 이 광흡수층은 그 구조상의 이유에서 직렬저항이 크고, 직렬저항의 증가는 변환효율의 저하를 초래하는 바, 막 두께를 15미크론 이하로 함으로써 그 기능을 유지하면서 직렬저항을 낮게 유지하여 변환효율의 저하를 방지할 수 있게 된다.

상기 전해질층(13)은 본 발명에 따른 상기 양이온성 4급 암모늄 화합물을 포함하며, 상기 광흡수층(12)을 포함하거나, 또는 상기 겔형 전해질이 광흡수층(12)에 침윤되도록 형성된다. 이미 상술한 바와 같이 상기 겔형 전해질은 극성 용매를 포함하나 제조 공정에서 이들을 대부분 휘발시켜 용매가 거의 남아 있지 않는 경우도 가능하다.

상기 대향전극(14)은 도전성 물질이면 어느 것이나 제한 없이 사용가능하나, 절연성의 물질이라도 반도체 전극에 마주보고 있는 측에 도전층이 설치되어 있으면, 이것도 사용 가능하다. 단, 전기화학적으로 안정한 재료를 전극으로서 사용하는 것이 바람직하며, 구체적으로는 백금, 금, 및 카본 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 산화환원의 촉매 효과를 향상시킬 목적으로 반도체 전극과 마주보고 있는 측은 미세구조로 표면적이 증대하고 있는 것이 바람직하며, 예를 들어 백금이면 백금흑 상태로, 카본이면 다공질 상태로 되어 있는 것이 바람직하다. 백금흑 상태는 백금의 양극 산화법, 염화백금산 처리 등에 의해, 또한 다공질 상태의 카본은, 카본 미립자의 소결이나 유기폴리머의 소성 등의 방법에 의해 형성할 수 있다.

이와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법은 특별히 한정되는 것은 아니며, 종래기술에 알려져 있는 어느 방법이나 제한 없이 사용할 수 있다.

이하에서 본 발명을 실시예 및 비교예를 들어 보다 상세히 설명하나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

티타늄 이소프로폭시드 및 아세트산을 220℃로 유지되는 오토클레이브에서 수열합성법에 의해 이산화티탄 콜로이드 용액을 제조하였다. 얻어진 용액 내에서 상기 이산화티탄의 함량이 12중량%가 될 때까지 용매를 증발시켜 나노 수준의 입자 크기(약 5 내지 30nm)를 갖는 이산화티탄 콜로이드 용액을 제조하였다.

다음으로 상기 금속 산화물 농축 용액에 히드록시 프로필 셀룰로오스(분자량 80,000)를 첨가한 후, 24시간 동안 교반하여 이산화티탄 코팅용 슬러리를 제조하였다. 이어서 상기 이산화티탄 코팅용 슬러리를, 인듐 틴 옥사이드(ITO)가 코팅되어 있고 투과율이 80%인 투명 전도성 유리기판 상에 닥터 블레이드법으로 코팅한 후 약 450℃의 온도에서 1시간 동안 열처리하여 유기 고분자를 제외하고 나노 입자 산화물들간의 접촉 및 충진이 이루어지도록 하여 표면에 약 6미크론 두께의 이산화티 탄층이 형성된 전도성 투명 기판을 10미크론의 두께로 얻었다.

이어서 상기 이산화티탄층이 형성된 전도성 투명 기판을 0.2mM농도를 갖는 루테늄 디티오시아네이트 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복실레이트 용액에 24시간 동안 침지한 후 건조시켜 염료를 상기 기판 상에 흡착시켰다.

이와는 별도로 ITO가 코팅된 전도성 투명 유리 기판 표면 상에 백금을 코팅하여 대향전극을 제조하였다. 이어서 양극인 대향전극과 음극인 상기 반도체 전극을 조립하였다. 양 전극을 조립할 경우에는 양극 및 음극에서 전도성 표면이 전지 내부로 오도록 하여 상기 백금층과 상기 광흡수층이 서로 대향하도록 한다. 이때 양극 및 음극 사이에 SURLYN (Du Pont사 제조)으로 이루어지는 약 40미크론 두께의 고분자를 놓고 약 100 내지 140℃의 가열판 상에서 약 1 내지 3기압으로 상기 두 전극을 밀착시켰다. 열 및 압력에 의하여 상기 고분자가 상기 두 전극의 표면에 밀착되었다.

다음으로 상기 양극의 표면에 형성된 미세 구멍을 통하여 상기 두 전극 사이의 공간에 대이온이 I^-인 하기 화학식 1의 화합물 아세토나이트릴에 용해시킨 0.5M 용액 및 요오드계 산화/환원종(LiI 0.5M, I2 0.1M)을 충진하여 겔을 형성한 후, 상기 아세토나이트릴을 분리 제거하여 본 발명에 따른 염료 감응 태양전지를 완성하였다.

<화학식 1>

(식중, R₁=CH₃, R₂= CH₃, R₃= CH₃, n=10)

실시예 2

상기 실시예 1에서 상기 화학식 1의 화합물 대신에 하기 화학식 2의 화합물을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 과정을 수행하여 목적하는 염료 감응 태양전지를 제조하였다.

<화학식 2>

(식중, R₄= CH₃, R₅= CH₃, R₆= CH₃, R₇= CH₃, n=12, n'=12)

실시예 3

상기 실시예 1에서 상기 화학식 1의 화합물 대신에 하기 화학식 3의 화합물을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 과정을 수행하여 목적하는 염료 감응 태양전지를 제조하였다.

<화학식 3>

(식중, R₈= CH₃, n=12)

실시예 4

상기 실시예 1에서 상기 화학식 1의 화합물 대신에 하기 화학식 4의 화합물을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 과정을 수행하여 목적하는 염료 감응 태양전지를 제조하였다.

<화학식 4>

(식중, n=12, n'=12)

비교예 1

상기 실시예 1에서 겔 전해질 대신에 전해질 용액으로서 0.6M의 1,2-디메틸-3-옥틸-이미다졸륨 아이오다이드 (1,2-디메틸-3-옥틸-이미다졸륨 아이오다이드), 0.2M LiI, 0.04M I₂ 및 0.2M 4-tert-부틸 피리딘(TBP: 4-tert-부틸피리딘)을 아세토나이트릴에 용해시킨 I₃ ^-/I^-의 전해질 용액을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 과정을 수행하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.

비교예 2

상기 실시예 1에서 겔 전해질 대신에 전해질 용액으로서 0.6M의 1,2-디메틸-3-옥틸-이미다졸륨 아이오다이드 (1,2-디메틸-3-옥틸-이미다졸륨 아이오다이드), 0.2M LiI, 0.04M I₂ 및 0.2M 4-tert-부틸 피리딘(TBP: 4-tert-부틸피리딘)을 3-메톡시 프로피오니트릴에 용해시킨 I₃ ^-/I^-의 전해질 용액을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 과정을 수행하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.

비교예 3

상기 실시예 1에서 겔 전해질 대신에 전해질 용액으로서 0.6M의 1,2-디메틸-3-옥틸-이미다졸륨 아이오다이드 (1,2-디메틸-3-옥틸-이미다졸륨 아이오다이드), 0.2M LiI, 0.04M I₂ 및 0.2M 4-tert-부틸 피리딘(TBP: 4-tert-부틸피리딘)을 NMP에 용해시킨 I₃ ^-/I^-의 전해질 용액을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 과정을 수행하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.

실험예

상기 실시예 1 내지 4, 및 비교예 1 내지 3에서 제조한 염료감응 태양전지의 광전환 효율을 평가하기 위하여 광전압 및 광전류를 측정하여 광전기적 특성 변화를 관찰하여 얻어진 전류 밀도(I_sc), 전압(V_oc), 및 충진 계수(fillfactor, ff)를 이 용하여 광전환효율(η_e )을 하기 식에 따라 계산한 후 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

η_e = (V_ocI_scFF) / (P_inc)

식중, P_inc는 100mw/cm² (1sun)을 나타낸다.

광원으로는 제논 램프 (xenon lamp, Oriel, 91193)를 사용하였으며, 상기 제논 램프의 태양 조건(AM 1.5)은 표준 태양전지 (Frunhofer Institute Solare Engeriessysteme, Certificate No. C-ISE369, Type of material: Mono-Si + KG filter)를 사용하여 보정하였다.

구분	광전환효율 (%)
실시예 1	4.1
실시예 2	4.3
실시예 3	4.2
실시예 4	4.4
비교예 1	3.5
비교예 2	3.4
비교예 3	3.3

상기 표 1에 나타낸 바와 같은 결과로부터, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지에서와 같이 양이온성 4급 암모늄 화합물을 사용하여 겔 전해질을 구성함으로써 전류 밀도(I_sc)와 전압(V_oc)의 감소 없이 충진 계수(ff)를 향상 시킬 수 있어 광전환 효율이 개선됨을 알 수 있다. 이는 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 겔형 전해질이 마이셀 구조를 형성하여 이온의 이동 경로를 제공하고, 금속 산화물(이산화티탄)에 대한 표면 접착력이 개선됨으로써 전도도가 향상되기 때문인 것으로 여겨진 다. 더욱이 본 발명에 따른 염료감응 태양전지에서 사용되는 겔형 전해질은 기존 액상 전해질에 비하여 휘발성이 매우 낮아 태양전지 제조 과정에서 매우 유리하며, 또한 태양전지의 장기적 외부 요인에 따른 휘발성 문제를 해결할 수 있는 우수한 특성을 가지는 전해질인 것임을 알 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 반도체 전극과 대향 전극 사이에 개재되어 있는 겔형 전해질로서 양이온성 4급 암모늄 화합물을 채용한다. 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 기존의 유기 용매에서의 휘발성에 따른 문제를 개선하여, 용매의 휘발성을 억제하고, 그에 따라 장기적으로 안정된 광전기화학적 특성을 제공할 수 있으며, 빛의 세기에 비례하는 광전기화학적 특성을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 종래 기술에 따른 태양전지에 비하여 광전환 효율의 감소 없이 용매의 휘발성을 억제함으로써 태양 직사광에 의한 태앙전지의 외부 온도 증가 등과 같은 외부 요인에 대하여 장기적인 안정성을 향상시킬 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형이 가능하다.

Claims (5)

1. 양이온성 4급 암모늄 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 겔형 전해질.
2. 제1항에 있어서, 상기 양이온성 4급 암모늄 화합물이 하기 화학식 1 내지 4의 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 겔형 전해질.

   <화학식 1>

   

   <화학식 2>

   

   <화학식 3>

   

   <화학식 4>

   

   식중, R₁ 내지 R₈은 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐원자, 히드록시기, 치 환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 4의 알킬기를 나타내며;

   Z은 단순 결합, -O-, -S-, -NH-, 카르보닐옥시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기, 혹은 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 10의 알케닐렌기를 나타내고;

   n 및 n'은 각각 독립적으로 4 내지 20의 정수를 나타낸다.
3. 전도성 투명기판;

   광흡수층;

   상기 제1항 또는 제2항에 따른 겔형 전해질을 포함하는 전해질층; 및

   대향전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
4. 제3항에 있어서, 상기 광흡수층이 금속 산화물 및 염료를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
5. 제3항에 있어서, 상기 전해질층이 요오드계 산화/환원쌍을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.

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