KR20090055302A - 염료 감응 태양 전지용 염료 및 이를 포함하는 염료 감응태양 전지 - Google Patents

염료 감응 태양 전지용 염료 및 이를 포함하는 염료 감응태양 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 염료 감응 태양 전지용 염료 및 이를 포함하는 염료 감응 태양 전지에 관한 것으로, 상기 염료는 하기 화학식 1의 구조를 갖는 화합물을 포함한다.
Figure 112007085826752-PAT00001
(1)
상기 화학식에서 각 치환기의 정의는 명세서에 기재된 바와 같다.
본 발명의 염료 감응 태양 전지용 염료는 태양 전지용 광흡수층에 적용되어 태양 전지의 광전 변환 효율을 개선시키고 개방 전압을 상승시킬 수 있다.
태양전지, 염료, 실란, 개방전압, 광전 변환 효율

Description

염료 감응 태양 전지용 염료 및 이를 포함하는 염료 감응 태양 전지{PHOTOSENSITIZER FOR PHOTOVOLTAIC CELL, AND PHOTOVOLTAIC CELL INCLUDING SAME}
본 발명은 염료 감응 태양 전지용 염료 및 이를 포함하는 염료 감응 태양 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양 전지의 광전 변환 효율을 개선시키고 개방 전압을 증가시킬 수 있는 염료 및 이를 채용하여 광전 효율이 개선된 염료 감응 태양 전지에 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 환경 친화적이므로 1983년 Se 태양 전지를 개발한 이후로 최근에는 실리콘 태양 전지가 각광을 받고 있다.
그러나 이와 같은 실리콘 태양 전지는 제작 비용이 상당히 고가이기 때문에 실용화가 곤란하고, 전지효율을 개선하는데도 많은 어려움이 따르고 있다. 이러한 문제를 극복하기 위하여 제작 비용이 현저히 저렴한 염료 감응 태양 전지의 개발이 적극 검토되어 오고 있다.
염료 감응 태양 전지는 실리콘 태양 전지와는 달리 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료 분자, 및 생성된 전자를 전달하는 전이 금속 산화물을 주된 구성 재료로 하는 광전기 화학적 태양 전지이다. 이 염료 감응 태양 전지는 기존의 실리콘 태양 전지에 비해 제조 단가가 저렴하고 투명한 전극으로 인해 건물 외벽 유리창이나 유리 온실 등에 응용이 가능하다는 이점이 있으나, 광전변환 효율이 낮아서 실제 적용에는 제한이 있는 상황이다.
태양 전지의 광전변환 효율은 태양빛의 흡수에 의해 생성된 전자의 양에 비례하므로, 효율을 증가시키기 위해서는 태양빛의 흡수를 증가시키거나 염료의 흡착량을 높여 전자의 생성량을 늘일 수도 있고, 또는 생성된 여기전자가 전자-홀 재결합에 의해 소멸되는 것을 막아줄 수도 있다.
단위면적당 염료의 흡착량을 늘이기 위해서는 산화물 반도체의 입자를 나노미터 수준의 크기로 제조하여야 하며 태양빛의 흡수를 높이기 위해 백금전극의 반사율을 높이거나, 수 마이크로 크기의 반도체 산화물 광산란자를 섞어서 제조하는 방법 등이 개발되어 있다. 그러나 이러한 종래 방법으로는 태양 전지의 광전변환 효율 향상에 한계가 있으며, 따라서 효율 향상을 위한 새로운 기술 개발이 절실히 요청되고 있는 실정이다.
본 발명은 고효율을 나타내는 염료 감응 태양 전지용 유기염료를 제공하고자 한다.
본 발명은 또한 상기 유기염료를 포함하여 광전 효율이 개선된 염료 감응 태양 전지를 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1의 구조를 갖는 화합물을 포함하는 염료 감응 연료전지용 염료를 제공한다:
[화학식 1]
Figure 112007085826752-PAT00002
(상기 화학식에서,
상기 A 및 B는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 방향족 탄화수소기, 치환 또는 비치환된 헤테로고리기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이고,
상기 C 및 D는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 알킬렌기, 치환 또는 비 치환된 사이클로알킬렌기, 치환 또는 비치환된 알케닐렌기, 치환 또는 비치환된 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 2가의 헤테로고리기(divalent heterocyclic group) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이며,
상기 E는 산성 작용기이고,
상기 F 및 G는 각각 독립적으로 에테르기, 티오에테르기, 치환 또는 비치환된 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 사이클로알킬렌기, 치환 또는 비치환된 알케닐렌기, 치환 또는 비치환된 아릴렌기, 및 치환 또는 비치환된 2가의 헤테로고리기로 이루어진 군에서 선택되는 것이고,
상기 F' 및 G'는 각각 독립적으로 수소, 히드록시기, 할로겐기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아실기, 아실옥시기, 아실아미노기, 카르복시기, 술포닐기, 알킬기, 시클로알킬기, 할로알킬기, 알킬아미노기, 알킬술포닐기, 아미노술포닐기, 알킬티오기, 알콕시기, 알콕시술포닐기, 알콕시카르보닐기, 아릴기, 아릴옥시기, 아릴옥시카르보닐기, 알케닐기, 알키닐기, 아랄킬기, 및 헤테로고리기로 이루어진 군에서 선택되는 것이며,
상기 m 및 n은 0 내지 20의 정수이다.)
본 발명은 또한, 전도성 투명 기판을 포함하는 제1전극; 상기 제1전극의 일면에 형성된 광흡수층; 상기 광흡수층이 형성된 제1전극에 대향하여 배치되는 제2전극; 및 상기 제1전극과 제2전극 사이에 위치하는 전해질을 포함하며, 상기 광흡수층은 반도체 미립자 및 상기 염료를 포함하는 것인 염료 감응 태양 전지를 제공한다.
본 발명의 염료 감응 태양 전지용 염료는 태양 전지용 광흡수층에 적용되어 광전 변환 효율을 개선시킬 수 있다.
특별한 언급이 없는 한, 본 명세서에서 '알킬기'란 탄소수 1 내지 20의 알킬기를 의미하고, '시클로알킬기'란 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기를, '알콕시기'란 1 내지 20의 알콕시기를, '아릴기'란 탄소수 6 내지 30의 아릴기를, '알케닐기'란 탄소수 2 내지 20의 알케닐기를, '알키닐기'란 탄소수 2 내지 20의 알키닐기를, '아랄킬기'란 탄소수 6 내지 30의 아랄킬기를, '알킬렌기'란 탄소수 1 내지 20의 알킬렌기를, '사이클로알킬렌기'란 탄소수 3 내지 18의 사이클로알킬렌기를, '알케닐렌기'란 탄소수 2 내지 20의 알케닐렌기를, '아릴렌기'란 탄소수 6 내지 30의 아릴렌기를 의미한다.
또한 "치환된"이란 화합물중의 하나 이상의 수소원자가 할로겐 원자(F, Cl, Br, 또는 I); 히드록시기; 니트로기; 시아노기; 아미노기; 아지도기; 아미도기; 히드라진기; 히드라존기; 알데히드기; 치환된 또는 비치환된 에스테르기; 카르바밀기; 치환된 또는 비치환된 C1-C20의 알콕시기; 치환된 또는 비치환된 카르복실기나 그의 염; 치환된 또는 비치환된 술폰산기나 그의 염; 치환된 또는 비치환된 인산기이나 그의 염; 메틸, 에틸, 프로필, 이소프로필, 이소부틸 등과 같은 치환된 또는 비치환된 C1-C15의 알킬기; 비닐, 프로펜일, 부텐일 등과 같은 치환된 또는 비치환 된 C2-C16의 알케닐기; 에틴일 등과 같은 치환된 또는 비치환된 C2-C16의 알키닐기; 페닐, 나프틸, 테트라하이드로나프틸, 인단, 사이클로펜타디엔일 및 비페닐(biphenyl) 등과 같은 치환된 또는 비치환된 C6-C18의 아릴기; 벤질, 페닐에틸 등과 같은 치환된 또는 비치환된 C7-C18의 아릴알킬기; 알킬기가 질소 원자, 황 원자, 산소 원자 또는 인 원자를 함유하고 있는 치환된 또는 비치환된 C1-C20의 헤테로알킬기; 질소 원자, 황 원자, 산소 원자 또는 인 원자 중에서 선택된 1, 2 또는 3개의 헤테로원자를 포함하는 치환된 또는 비치환된 C1-C20의 헤테로사이클기; 치환된 또는 비치환된 C1-C20의 헤테로아릴알킬기; 치환 또는 비치환된 C3-C15의 사이클로알킬기; 치환된 또는 비치환된 C3-C15의 사이클로알케닐기; 치환된 또는 비치환된 C6-C15의 사이클로알키닐기; 또는 치환된 또는 비치환된 C1-C20의 헤테로사이클로알킬기 등의 치환기로 치환될 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
염료 감응 태양 전지에서 태양 전지가 구동되는 첫 단계는 광에너지로부터 광전하를 생성하는 과정이다. 통상적으로 광전하 생성을 위하여 염료 물질을 사용하는데, 상기 염료 물질은 전도성 투명기판을 투과한 빛을 흡수하여 여기된다.
상기 염료로는 금속 복합체가 널리 사용되고 있으며, 상기 금속 복합체 중에서도 루테늄의 모노, 비스 또는 트리스(치환 2,2'-비피리딘)착염 등이 일반적으로 사용되고 있다. 그러나 이들은 금속 복합체의 바닥상태에서 빛에 의해 여기된 전자 가 다시 바닥상태로 떨어지는 속도가 비교적 빨라 효율이 낮다는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 공유결합을 통해 금속 복합체에 다양한 전자 전달 물질을 도입하는 사례가 많이 보고되었다. 하지만 공유결합을 통한 전자 전달 물질 도입은 그 과정이 매우 복잡하고 어려워 다양한 전자 전달물질을 도입하기 어려운 문제가 있다.
이에 대해 본 발명에서는 실란기 함유 화합물을 염료로 사용함으로써 사용함으로써, 염료 감응 태양 전지의 광전 변환 효율을 개선할 수 있다.
보다 상세하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 염료 감응 태양 전지용 염료는 하기 화학식 1의 화합물을 포함한다:
Figure 112007085826752-PAT00003
(1)
상기 화학식 1에서, 상기 A 및 B는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 방향족 탄화수소기, 치환 또는 비치환된 헤테로고리기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이고,
상기 C 및 D는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 사이클로알킬렌기, 치환 또는 비치환된 알케닐렌기, 치환 또는 비치환된 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 2가의 헤테로고리기(divalent heterocyclic group) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이며,
상기 E는 산성 작용기이고,
상기 F 및 G는 각각 독립적으로 에테르기, 티오에테르기, 치환 또는 비치환된 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 사이클로알킬렌기, 치환 또는 비치환된 알케닐렌기, 치환 또는 비치환된 아릴렌기, 및 치환 또는 비치환된 2가의 헤테로고리기로 이루어진 군에서 선택되는 것이고,
상기 F' 및 G'는 각각 독립적으로 수소, 히드록시기, 할로겐기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아실기, 아실옥시기, 아실아미노기, 카르복시기, 술포닐기, 알킬기, 시클로알킬기, 할로알킬기, 알킬아미노기, 알킬술포닐기, 아미노술포닐기, 알킬티오기, 알콕시기, 알콕시술포닐기, 알콕시카르보닐기, 아릴기, 아릴옥시기, 아릴옥시카르보닐기, 알케닐기, 알키닐기, 아랄킬기, 및 헤테로고리기로 이루어진 군에서 선택되는 것이며,
상기 m 및 n은 0 내지 20의 정수이다.
상기 화학식 1의 화합물에 있어서, 상기 A 및 B는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 방향족 탄화수소기, 치환 또는 비치환된 헤테로고리기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.
상기 방향족 탄화수소기의 구체적인 예로는 페닐기(phenyl), 나프틸기(naphthyl), 크실릴(xylyl), 안트릴기(anthryl), 페난트릴기(phenanthryl), 나프타세닐기(naphthacenyl), 피레닐기(pyrenyl), 비페닐일기(biphenylyl), 터페닐일(terphenylyl), 톨릴(tolyl), 플루오레닐기(fluorenyl), 인데닐기(indenyl), 페 릴레닐(perylenyl) 등을 들 수 있다.
또한 상기 헤테로고리기는 치환 또는 비치환된 헤테로사이클기; 치환 또는 비치환된 헤테로사이클로알킬기, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다.
상기 헤테로사이클기는 N, O, P 또는 S 중에서 선택된 1, 2 또는 3개의 헤테로원자를 포함하고, 나머지 고리원자가 C인 고리원자수 4 내지 23의 사이클릭 라디칼을 의미한다.　 또한, 상기 용어는 고리내 헤테로원자가 산화되거나 사원화되어, 예를 들어 N-옥사이드 또는 4차 염을 형성하는 사이클릭 방향족 라디칼을 의미한다.　 대표적인 예로는 티에닐, 푸릴, 벤조티에닐, 피리딜, 피라지닐, 피리미디닐, 피리다지닐, 퀴놀리닐, 퀴녹살리닐, 이미다졸릴, 푸라닐, 벤조푸라닐, 티아졸릴, 이속사졸릴, 벤즈이속사졸릴, 벤즈이미다졸릴, 트리아졸릴, 피라졸릴, 피롤릴, 인돌릴, 피리도닐, N-알킬-2-피리도닐, 피라지노닐, 피리다지노닐, 피리미디노닐, 옥사졸로닐 및 이들의 상응하는 N-옥사이드(예를 들어, 피리딜 N-옥사이드, 퀴놀리닐 N-옥사이드), 이들의 4차 염 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.　
상기 헤테로사이클로알킬기는 N, O, P 또는 S 중에서 선택된 1, 2 또는 3개의 헤테로원자를 포함하고, 나머지 고리원자가 C인 고리원자수 4 내지 23의 사이클릭 라디칼을 의미한다. 즉, 상기 사이클로알킬기의 수소원자 일부가 알킬기로 치환되되, 헤테로 원자를 포함하는 것을 의미한다. 구체적인 예로는 아지리디닐(aziridinyl), 피롤리디닐(pyrrolidinyl), 피페리디닐(piperidinyl), 피페라지닐(piperazinyl), 몰포리닐(morpholinyl), 티오몰포리닐(thiomorpholinyl), 테트라하이드로퓨라닐(tetrahydrofuranyl), 테트라하이드로티오퓨라 닐(tetrahydrothiofuranyl), 테트라하이드로피라닐(tetrahydropyranyl), 피라닐(pyranyl) 등을 들 수 있다.
바람직하게는 상기 헤테로고리기는 티아졸일(thiazolyl), 벤조티아졸일(benzothiazolyl), 나프토티아졸일(naphtothiazolyl), 벤족사졸일(benzoxazolyl), 나프톡사졸일(naphtoxazolyl), 이미다졸일(imidazolyl), 벤조이미다졸일(benzoimidazolyl), 나프토이미다졸일(naphtoimidazolyl), 티아졸일(thiazolyl), 피롤일(pyrrolyl), 피라지닐(pyrazinyl), 피리딜(pyridyl), 인돌일(indolyl), 이소인돌일(isoindolyl), 푸릴(furyl), 벤조푸릴(benzofuryl), 이소벤조푸릴(isobenzofuryl), 퀴놀일(quinolyl), 이소퀴놀일(isoquinolyl), 퀴녹살리닐(quinoxalinyl), 카르바졸일(carbazolyl), 페난트리디닐(phenantridinyl), 아크리디닐(acridinyl), 페난트롤린-일(phenanthroline-yl), 페난지닐(phenazinyl), 페노티아지닐(phenothiazinyl), 페녹사지닐(phenoxazinyl), 옥사졸일(oxazolyl), 옥사디아졸일(oxadiazolyl), 푸라자닐(furazanyl), 티에닐(thienyl) 등을 들 수 있다.
또한 상기 C 및 D는 각각 독립적으로 치환 또는 비피환된 탄소수 2 내지 20의 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 18의 사이클로알킬렌기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 알케닐렌기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴렌기, 산소, 황, 질소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소를 포함하는 치환 또는 비치환된 2가의 헤테로고리기(divalent heterocyclic group) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.
구체적으로는 시클로프로필렌기, 시클로펜틸렌기, 시클로헥실렌기, 2-부테닐렌기, p-페닐렌기, 나프틸렌기, 2,3-테트라졸-디일기, 1,3-트리아졸-디일기, 1, 5-벤즈이미다졸-디일기, 2,5-벤조티아졸-디일기, 2,5-피리미딘-디일기, 3-페닐-2,5-테트라졸-디일기, 2,5-피리딘-디일기, 2,4-퓨란-디일기, 1,3-피페리딘-디일기, 2,4-몰포린-디일기, 1,2-티오펜-디일기, 1,4-티오펜-디일기 등을 들 수 있다.
상기 A, B, C 및 D는 각각 독립적으로 수소, 히드록시기, 할로겐기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아실기, 아실옥시기, 아실아미노기, 카르복시기, 술포닐기, 알킬기, 시클로알킬기, 할로알킬기, 알킬아미노기, 알킬술포닐기, 알킬티오기, 아미노술포닐기, 알콕시기, 알콕시술포닐기, 알콕시카르보닐기, 아릴기, 아릴옥시기, 아릴옥시카르보닐기, 알케닐기, 알키닐기, 아랄킬기, 및 헤테로고리기로 이루어진 군에서 선택되는 치환기를 포함할 수도 있다.
보다 상세하게는 상기 치환기에 있어서, 상기 아미노기는 -NX1X2로 표시되는 작용기로, 상기 X1 및 X2는 수소, 히드록시기, 할로겐기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아실기, 아실옥시기, 아실아미노기, 카르복시기, 술포닐기, 알킬기, 시클로알킬기, 할로알킬기, 알킬아미노기, 알킬술포닐기, 알킬티오기, 아미노술포닐기, 알콕시기, 알콕시술포닐기, 알콕시카르보닐기, 아릴기, 아릴옥시기, 아릴옥시카르보닐기, 알케닐기, 알키닐기, 아랄킬기, 및 헤테로고리기로 이루어진 군에서 선택되는 치환기를 의미한다.
구체적인 예로는 N-메틸아미노기, N-에틸아미노기, N,N-디에틸아미노기, N,N-디이소프로필아미노기, N,N-디부틸아미노기, N-벤질아미노기, N,N-디벤질아미노기, N-페닐아미노기, N-페닐-N-메틸아미노기, N,N-디페닐아미노기, N,N-비스(m-톨릴)아미노기, N,N-비스(p-톨릴)아미노기, N,N-비스(p-페닐일)아미노기, 비스[4-(4-메틸)비페닐]아미노기, N-N-비페닐-N-페닐아미노기, N-α-나프틸-N-페닐아미노기, N-β-나프틸-N-페닐아미노기, N-페난트릴-N-페닐아미노기, 아세틸아미노기 등을 들 수 있다.
상기 아실기는 -OCR로 표시되는 작용기로, 상기 R 은 본 발명에서 정의하는 알킬기를 의미한다. 구체적인 예로는 아세틸, 페녹시카르보닐, 메톡시카르보닐 등을 들 수 있다.
상기 아실옥시기는 -OCOR로 표시되는 작용기로 상기 R은 하기에서 정의하는 알킬기를 의미한다. 구체적인 예로는 아세틸옥시, 벤조일옥시, 옥타테카노일옥시, 시클로헥실카르보닐옥시, 페닐카르바모일옥시 등을 들 수 있다.
상기 알킬기는 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬기로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 탄소수 1 내지 12의 치환 또는 비치환된 알킬기로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 보다 더 바람직하게는 상기 알킬기는 메틸, 에틸, n-프로필, 이소프로필, n-부틸, 이소부틸, sec-부틸, t-부틸, 펜틸, iso-아밀, 또는 헥실 등을 포함하는 탄소수 1 내지 6의 저급 알킬기이고, 가장 바람직하게는 탄소수 1 내지 3의 저급 알킬기이다.
상기 시클로알킬기는 탄소수 3 내지 20의 고리형 알킬기로, 시클로프로필, 시클로부틸, 시클로펜틸 등을 들 수 있다.
상기 할로알킬기는 할로겐원자로 치환된 알킬기를 의미하며, 상기 알킬기는 앞서 설명한 바와 동일하다.
상기 알킬술포닐기는 R-SO2-로 표현되는 것으로, 상기 알킬(R)에 대한 정의는 상기한 바와 같다. 상기 알킬술포닐기는 탄소수 1 내지 12의 치환 또는 비치환된 알킬기를 포함하며, 구체적인 예로는, 메틸술포닐, 옥틸술포닐, 에틸헥실 술포닐 등을 들 수 있다.
상기 알킬티오기는 R-S-를 의미하며, 상기 알킬(R)에 대한 정의는 상기한 바와 같다. 보다 바람직하게는 상기 알킬티오기는 탄소수 1 내지 12의 치환 또는 비치환된 알킬기를 포함한다.
상기 알콕시기는 탄소수 1 내지 20의 알킬기를 갖는 산소-함유 치환 또는 비치환된 작용기로 이루어진 군에서 선택되며, 보다 바람직하게는 메톡시, 에톡시, 프로폭시, 부톡시 또는 t-부톡시 등을 포함하는 탄소수 1 내지 6의 저급 알콕시기이다. 또한 상기 알콕시기는 플루오로, 클로로 또는 브로모와 같은 하나 이상의 할로겐 원자로 치환된 할로알콕시기를 포함한다. 보다 바람직하게는 플루오로메톡시, 클로로메톡시, 트리플루오로메톡시, 트리플루오로에톡시, 플루오로에톡시 또는 플루오로프로폭시과 같은 탄소수 1 내지 3의 할로알콕시 라디칼이다.
상기 알콕시술포닐기는 알콕시기를 갖는 술포닐기로, 이때 알콕시는 상기 정의한 바와 같다. 구체적인 예로는, 메톡시술포닐, 페녹시술포닐 등을 들 수 있다.
상기 알콕시카르보닐기는 -COOX3로 표현되는 것으로, 상기 X는 수소, 할로 겐, 알킬기, 아실기 등의 치환기를 의미한다.
상기 아릴기는 단독 또는 조합하여 사용될 수 있으며, 페닐기, 나프틸기, 테트라히드로나프틸기, 인돌릴기 또는 비페닐기와 같이 하나 이상의 고리를 포함하는 탄소수 6 내지 30의 카르보사이클방향족계 화합물(carbocyclic aromatic compound)인 것이 바람직하고, 상기 고리들은 펜던트 방법으로 함께 부착되거나 또는 융합될 수 있다.　 보다 바람직하게는 상기 아릴기는 페닐기이다. 또한 상기 아릴기는 히드록시, 할로, 할로알킬, 니트로, 시아노, 알콕시, 탄소수 1 내지 6의 저급 알킬아미노, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 1 내지 3개의 치환기를 갖는 것이 보다 바람직하다.
상기 아릴옥시기는 아릴-O-를 의미하며, 여기서 아릴은 상기 정의한 바와 같다.
상기 알케닐기는 알킬기의 중간 또는 맨 끝단에 탄소 탄소간 이중결합을 포함하고 있는 작용기로, 탄소수 2 내지 20의 알케닐기를 의미한다. 구체적인 예로는 비닐기, 알릴기(allyl), 1-부테닐기, 1,3-부타니에닐기, 1-메틸비닐기, 스티릴기 등을 들 수 있다.
상기 알키닐기는 알킬기의 중간 또는 맨 끝단에 탄소 탄소간 삼중결합을 포함하고 있는 작용기로, 탄소수 2 내지 20의 알키닐기를 의미한다. 구체적인 예로는 에틴일기 등을 들 수 있다.
상기 아랄킬기(aralkyl)로는 벤질, 1-페닐에틸, 2-페닐에틸, 페닐이소프로필, 메틸벤질, 1-α-나프틸에틸, 아미노벤질, 히드록시벤질, 클로로벤질, 시아노벤 질, 나프틸이소프로필 등을 들 수 있다.
상기 헤테로 고리기는 앞서 설명한 바와 동일하다.
상기 화학식 1에 있어서, E는 산성 작용기이다.
구체적으로는 상기 E는 카르복시기, 아인산기, 술폰산기, 포스핀산기, 히드록시기, 옥시카르복시산, 산아미드, 붕산기, 스쿠아린산기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 치환기인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 카르복시기이다.
또한 F 및 G는 각각 독립적으로 에테르기, 티오에테르기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 18의 사이클로알킬렌기, 탄소수 2 내지 20의 알케닐렌기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴렌기, 및 산소, 황, 질소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소를 포함하는 치환 또는 비치환된 2가의 헤테로고리기로 이루어진 군에서 선택되는 것이다.
상기 F' 및 G'는 각각 독립적으로 수소, 히드록시기, 할로겐기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아실기, 아실옥시기, 아실아미노기, 알킬아미노기, 아미노술포닐기, 카르복시기, 술포닐기, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 탄소수 1 내지 20의 할로알킬기, 탄소수 1 내지 20의 알킬술포닐기, 탄소수 1 내지 20의 알킬티오기, 탄소수 1 내지 20의 알콕시기, 탄소수 1 내지 20의 알콕시술포닐기, 탄소수 1 내지 20의 알콕시카르보닐기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 탄소수 6 내지 30의 아릴옥시기, 탄소수 6 내지 30의 아릴옥시카르보닐기, 탄소수 2 내지 20의 알케닐기, 탄소수 2 내지 20의 알키닐기, 탄소수 6 내지 30의 아랄킬기, 및 산소, 황, 질소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소를 포함하는 헤테로고리기로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.
보다 바람직하게는 상기 화학식 1에 있어서, 상기 A 및 B는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 방향족 탄화수소기, 치환 또는 비치환된 헤테로고리기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되며, 이때 상기 A 및 B중 적어도 하나는 플루오레닐기이고,
상기 C는
Figure 112007085826752-PAT00004
이며,
상기 D는
Figure 112007085826752-PAT00005
이고,
상기 R1 , R2 및 R3은 각각 독립적으로 수소, 히드록시기, 할로겐기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아실기, 아실옥시기, 아실아미노기, 카르복시기, 술포닐기, 알킬기, 시클로알킬기, 할로알킬기, 알킬아미노기, 알킬술포닐기, 알킬티오기, 아미노술포닐기, 알콕시기, 알콕시술포닐기, 알콕시카르보닐기, 아릴기, 아릴옥시기, 아릴옥시카르보닐기, 알케닐기, 알키닐기, 아랄킬기, 및 헤테로고리기로 이루어진 군에서 선택되는 것이고, 상기 o는 0 내지 6의 정수이고, p은 0 내지 3의 정수이며, q는 0 또는 1이고, x 및 y는 각각 1 또는 2인 것이며,
상기 E는 카르복시기이고,
상기 Y는 O, S, 및 NR'(R'은 수소 또는 알킬기임)로 이루어진 군에서 선택되는 것이다.
가장 바람직하게는 상기 염료는 하기 화학식 2의 구조를 갖는 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있다:
[화학식 2]
Figure 112007085826752-PAT00006
상기 염료 감응 태양 전지용 염료는 상기 화학식 1로 표현되는 아닐린 구조와 산기 사이의 연결기에 실란기를 도입함으로써 태양 전지용 광흡수층 등에 적용되어 광전 변환 효율을 개선시킨다.
상기와 같은 구조를 갖는 염료는 디알킬디할로실란을 부틸리튬과 같은 알킬리튬을 이용하여 리튬화 반응(Lithiation)하는 단계; 염 제거 반응 (Salt Elimination) 또는 마그네슘을 이용하는 그린냐드 반응(grignard reaction)을 통한 실란기의 도입 단계를 포함하는 제조방법에 의해 제조될 수 있다. 상기 리튬화 반응, 염제거 반응 및 그린냐드 반응은 당해 기술분야에서 널리 알려진 것인 바 본 명세서에서 그 상세한 설명은 생락한다.
본 발명은 또한 상기 염료를 포함하는 염료 감응 태양 전지를 제공한다.
보다 상세하게는 상기 염료 감응 태양 전지는, 전도성 투명 기판을 포함하는 제1전극, 상기 제1전극의 어느 한 일면에 형성된 광흡수층, 상기 광흡수층이 형성된 제1전극에 대향하여 배치되는 제2전극, 및 상기 제1전극과 제2전극 사이에 위치하는 전해질을 포함하며, 상기 광흡수층은 반도체 미립자 및 상기 염료를 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료 감응 태양 전지의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하여 보다 상세히 설명하면, 염료 감응 태양 전지(10)는 두 개의 투명 판상 전극(제1전극(11) 및 제2전극(14))이 서로 면 접합된 샌드위치 구조이다. 상기 투명 전극중 어느 한 투명 전극(11)은 그 상대 전극(14)과 마주보는 일면에 광흡수층(12)이 형성되어 있으며, 상기 광흡수층(12)에는 반도체 미립자와, 상기 반도체 미립자에 흡착되며 가시광 흡수로 전자가 여기되는 광 감응 염료가 포함되어 있다. 또한 이 두 전극 사이의 공간은 산화 환원용 전해질(13)로 채워져 있다.
따라서, 염료감응 태양전지(10) 내로 태양광이 입사되면 광양자는 먼저 광흡수층(12)내 염료분자에 흡수되고, 이에 따라 염료분자는 기저상태에서 여기상태로 전자전이하여 전자-홀쌍을 만들고, 여기상태의 전자는 금속 산화물 입자 계면의 전도띠(conduction band)로 주입되며, 주입된 전자는 계면을 통해 제1전극(11)으로 전달되고, 이후 외부 회로를 통해 대향전극인 제2전극(14)으로 이동한다. 한편 전자 전이 결과로 산화된 염료는 전해질(13)내 산화-환원 커플의 이온에 의해 환원되고, 산화된 상기 이온은 전하중성(charge neutrality)을 이루기 위해 제2전극(14)의 계면에 도달한 전자와 환원 반응을 함으로써 상기 염료감응 태양전지(10)가 작동하게 된다.
상기 제1전극(working electrode, 반도체 전극)(11)은 투명 기판 및 상기 투명 기판상에 형성되는 도전층을 포함한다.
상기 투명 기판으로는 외부광의 입사가 가능하도록 투명성을 갖는 물질이라면 특별히 한정됨 없이 사용할 수 있다. 이에 따라 상기 투명 기판은 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 상기 플라스틱의 구체적인 예로는 폴리에틸렌테레프탈레이트(poly ethylene terephthalate, PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(poly ethylene naphthalate, PEN), 폴리카보네이트(poly carbonate, PC), 폴리프로필렌(poly propylene, PP), 폴리이미드(poly imide, PI), 트리아세틸 셀룰로오스(tri acetyl cellulose, TAC), 또는 이들의 공중합체 등을 들 수 있다.
또한 상기 투명 기판은 Ti, In, Ga 및 Al로 이루어진 군에서 선택된 물질로 도핑될 수 있다.
상기 투명 기판 위에는 도전층이 위치한다.
상기 도전층은 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide: ITO), 플루오린 틴 옥사이드(fluorine tin oxide: FTO), ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), 주석계 산화물, 안티몬 틴 옥사이드(antimony tin oxide, ATO), 산화아연(zinc oxide), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 전도성 금속 산화물을 포함하며, 보다 바람직하게는 전도성, 투명성 및 내열성이 우수한 SnO2 또는 비용면에서 저렴한 ITO를 포함할 수 있다.
상기 도전층은 상기 전도성 금속 산화물의 단일막 또는 다층막으로 이루어질 수 있다.
상기와 같은 제1전극(11) 위에는 반도체 미립자 및 본 발명의 일 구현예에 따른 염료를 포함하는 광흡수층(12)이 형성된다. 이때 상기 반도체 미립자는 다공성 막의 형태로 광흡수층(12)내에 포함될 수 있으며, 상기 염료는 다공성 막 표면에 흡착되어 포함된다.
상기 다공성 막은 매우 미세하고 균일한 나노 다공성(nanoporous)으로, 매우 미세하고 균일한 평균 입경을 가지는 반도체 미립자를 포함한다.
상기 반도체 미립자로는 실리콘으로 대표되는 단체 반도체 외에, 화합물 반도체 또는 페로브스카이트 구조를 갖는 화합물 등을 사용할 수 있다.
상기 반도체로는 광 여기하에서 전도대 전자가 캐리어로 되어 애노드 전류를 제공하는 n형 반도체인 것이 바람직하고, 상기 화합물 반도체로는 Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga, In, 및 TiSr로 이루어진 군에서 선택되는 금속의 산화물을 사용할 수 있다. 바람직하게는 TiO2, SnO2, ZnO, WO3, Nb2O5, TiSrO3 또는 이들의 혼합물을 들 수 있으며, 보다 바람직하게는 아나타 제형의 TiO2를 사용할 수 있다. 상기 반도체의 종류는 이들에 한정되는 것은 아니며, 이들을 단독 또는 두 가지 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
또한 상기 반도체 미립자는 표면에 흡착된 염료가 보다 많은 빛을 흡수하도록 하기 위하여 표면적을 크게 하는 것이 바람직하다. 이에 따라 상기 반도체 미립자는 50nm 이하의 평균 입자 직경을 갖는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 15 내지 25nm의 평균 입자 직경을 가질 수 있다. 입자 직경이 50nm를 초과할 경우, 표면적이 작아져 촉매 효율이 저하될 우려가 있기 때문에 바람직하지 않다.
상기 다공성 막은 통상의 다공성 막 제조방법에 의해 제조될 수 있으며, 보다 바람직하게는 열처리가 불필요하고, 처리시의 조건을 적절히 조절함으로써 다공성 막의 막 밀도를 조절할 수 있는 메케니컬 네킹 처리에 의해 제조되는 것이 좋다.
상기 다공성 막의 표면에는 외부광을 흡수하여 여기 전자를 생성하는 염료가 흡착된다.
상기 염료는 앞서 설명한 바와 동일하다.
상기 광흡수층은 또한 태양 전지의 광전 효율을 향상시키기 위하여 상기 염료와 함께 하기 화학식 3의 구조를 갖는 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 첨가제를 더 포함할 수 있다.
[화학식 3]
Figure 112007085826752-PAT00007
(상기 화학식 3에서, 상기 Z는 알킬기, 시클로알킬기, 할로알킬기, 알킬술포닐기, 알킬티오기, 알콕시기, 알콕시술포닐기, 알콕시카르보닐기, 아릴기, 아릴옥시기, 알케닐기, 알키닐, 아랄킬기, 및 헤테로고리기로 이루어진 군에서 선택되는 것이다.)
바람직하게는 수소 히드록시기, 할로겐기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아실기, 아실옥시기, 카르복시기, 술포닐기, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 탄소수 1 내지 20의 할로알킬기, 탄소수 1 내지 20의 알킬술포닐기, 탄소수 1 내지 20의 알킬티오기, 탄소수 1 내지 20의 알콕시기, 탄소수 1 내지 20의 알콕시술포닐기, 탄소수 1 내지 20의 알콕시카르보닐기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 탄소수 6 내지 30의 아릴옥시기, 탄소수 2 내지 20의 알케닐기, 탄소수 6 내지 30의 아랄킬기, 및 산소, 황, 질소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소를 포함하는 헤테로고리기로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.
보다 바람직하게는 상기 첨가제는 하기 화학식 4의 구조를 갖는 디옥시콜린산인 것이다.
[화학식 4]
Figure 112007085826752-PAT00008
상기 첨가제는 염료 100중량부에 대하여 100 내지 3000중량부로 포함되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 100 내지 2000중량부로 포함될 수 있다. 첨가제의 함량이 100중량부 미만이면 염료 뭉침 현상이 일어나 바람직하지 않고, 3000중량부를 초과하면 염료 흡착량이 떨어져 바람직하지 않다.
상기와 같은 구성을 갖는 광흡수층은 25㎛ 이하, 바람직하게는 1 내지 25㎛의 두께, 보다 바람직하게는 5 내지 25㎛의 두께를 가질 수 있다. 광흡수층의 두께가 25㎛를 초과하면 구조상의 이유에서 직렬 저항이 커지게 되고, 결과 투명전극까지의 전자전달 효율이 떨어져, 변환 효율이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다. 따라서, 광흡수층의 막 두께를 25㎛ 이하로 함으로써 그 기능을 유지하면서 직렬 저항을 낮게 유지하여 변환효율의 저하를 방지할 수 있게 된다.
상기 광흡수층(12)이 형성된 제1전극(11)에 대향하여 제2전극(counter electrode, 상대전극)(14)이 위치한다. 상기 제2전극(14)은 투명 기판과, 상기 제1 전극(11)과 대향 배치되도록 상기 투명 기판 위에 형성되는 투명 전극 및 촉매 전극(미도시)을 포함한다.
상기 투명 기판은 제1전극에서와 동일하게 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 상기 플라스틱의 구체적인 예로 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 트리아세틸셀룰로오스 등을 들 수 있다.
상기 투명 기판 위에는 투명 전극이 형성되며, 상기 투명 전극은 인듐 틴 옥사이드, 프루오르 틴 옥사이드, 안티몬 틴 옥사이드, 산화아연, 산화주석, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3 등의 투명 물질로 이루어질 수 있다. 이 때 투명 전극은 상기 투명 물질의 단일막 또는 다층막으로 이루어질 수 있다.
또한 상기 투명 전극 위에는 촉매 전극이 형성된다. 상기 촉매 전극은 산화-환원 쌍(redox couple)을 활성화시키는 역할을 하는 것으로, 백금(Pt), 금(Au), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 탄소(C), WO3, TiO2 및 전도성 고분자 등의 전도성 물질을 포함한다.
또한 산화 환원의 촉매 효과를 향상시킬 목적으로 제1전극과 마주보고 있는 촉매 전극 측은 미세구조를 가져 표면적을 증가시킬 수 있는 것이 바람직하다. 예를 들면 Pt 또는 Au의 경우 블랙 상태(본 발명에서의 "블랙 상태"란 담지체에 담지되지 않은 상태를 의미한다)로, 카본의 경우 다공질 상태인 것인 바람직하다. 특히 백금흑 상태는 백금의 양극 산화법, 염화 백금산 처리 등에 의해, 또한 다공질 상태의 카본은, 카본 미립자의 소결이나 유기폴리머의 소성 등의 방법에 의해 형성할 수 있다.
상기 제2 전극(14)은 제2전극을 관통하는 구멍(미도시)을 포함하고 있다.
상기 구멍은 이후 제1전극(11)과 제2전극(14)의 접착시 잉여의 전해질(13)을 배출시키는 역할을 한다. 이와 같이 구멍을 통해 잉여의 전해질을 배출시킴으로써 태양전지 내부에 기공의 발생없이 전해질을 고르게 채워넣을 수 있다.
상기 전해질층(13)은 전해액으로 이루어진다. 상기 전해액은 아이오다이드(iodide)/트리오다이드(triodide) 쌍으로서 산화, 환원에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 염료에 전달하는 역할을 수행하며, 이때 개방회로 전압은 염료의 에너지 준위와 전해질의 산환, 환원 준위의 차이에 의해 결정된다.
상기 전해액은 제1전극 및 제2전극 사이에 균일하게 분산되어 있으며, 또한 광흡수층에 침윤될 수도 있다.
상기 전해액으로서는 예를 들면 요오드를 아세토나이트릴에 용해시킨 용액 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 홀 전도 기능이 있는 것이라면 제한 없이 사용할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조를 갖는 본 발명의 일 실시형태에 따른 염료 감응 태양 전지는, 전도성 투명 기판을 사용하여 제1전극을 제조하는 단계; 상기 제1전극의 일면에 반도체 미립자 및 염료를 포함하는 광흡수층을 형성하는 단계; 제2전극을 제조하는 단계; 상기 광흡수층이 형성된 제1전극과 제2전극이 서로 마주보도록 제1전극 및 제2전극을 배치시킨 후 제1전극과 제2전극 사이에 전해질을 매립, 밀봉하는 단계를 포함하는 제조방법에 의하여 제조될 수 있다.
상술한 구조를 갖는 태양 전지의 제조 방법은 당해 분야에 널리 알려져 있어 당해 분야에 종사하는 사람들에게는 충분히 이해될 수 있는 내용이므로 본 명세서에서 상세한 설명은 생략한다. 다만, 본 발명의 주요 특징인 광흡수층의 형성 공정에 대해서만 상세히 설명하기로 한다.
먼저 전도성 투명 기판을 준비하여 제1전극으로 한다.
다음으로, 반도체 미립자를 포함하는 페이스트를 상기 전도성 투명 기판의 일면에 코팅하고 열처리하여 다공질막의 형태로 반도체 미립자층을 형성할 수 있다.
이때 코팅법에 따라 요구되는 페이스트의 물성도 조금씩 달라지는데, 일반적으로 닥터 브레이드 또는 스크린 프린트 등의 방법으로 페이스트를 코팅할 수도 있고, 투명막 형성을 위해서는 스핀 코팅 또는 스프레이 방법을 이용할 수도 있다. 이 외에도 일반적인 습식 코팅 방법을 적용할 수 있다. 열처리는 바인더를 첨가한 경우 400 내지 600℃에서 30분 정도 실시하는 것이 바람직하고, 바인더를 첨가하지 않은 경우에는 200℃이하의 온도에서 실시할 수 있다.
또한, 다공질막의 다공성을 유지하기 위한 목적으로 다공질막에 고분자를 첨가하여 열처리(400 내지 600℃)하면 다공성이 더욱 높일 수 있다. 이 때 고분자로는 열처리 후 유기물이 잔존하지 않는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 히드록시프로필셀룰로오스 (HPC), 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리비닐알코올(PVA), 또는 폴리비닐피리돈(PVP) 등을 사용할 수 있다. 이 중 도포법을 포함한 도포 조건을 고려하여 적합한 분자량을 갖는 것을 적절히 선택하여 사용한다. 이와 같은 고분자를 첨가하면 다공성 향상 이외에도 분산성 향 상, 점도 증가로 성막성 및 기반과의 부착력도 향상시킬 수 있다.
상기 제조된 반도체 미립자층에 염료를 포함하는 분산액을 분사, 도포 또는 침지하여 반도체 미립자에 염료를 흡착함으로써 염료층을 형성할 수 있다. 상기 분산액은 염료와 함께 태양 전지의 광전 효율을 높일 수 있는 첨가제를 더 포함할 수 있다.　 상기 첨가제는 앞서 설명한 바와 동일하다. 상기 첨가제는 최종 제조된 태양 전지의 광촉매층내에 염료 100중량부에 대하여 100 내지 3000중량부로 포함될 수 있도록 분산액중에 0.3 내지 60mM의 농도로 포함되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 5 내지 40mM의 농도로 포함될 수 있다. 분산액중의 첨가제 함량이 0.3mM 미만이면 염료 뭉침현상이 일어나 바람직하지 않고, 60mM을 초과하면 염료 흡착량이 떨어져 바람직하지 않다.
염료의 흡착은 염료를 포함하는 분산액에 반도체 미립자층이 형성된 제1전극을 침지시킨 후 12시간 정도 지나면 자연 흡착되게 된다. 상기 염료는 앞서 설명한 바와 동일하다. 또한 상기 염료를 분산시키는 용매로서는 특별히 한정되는 것은 아니나, 아세토나이트릴, 디클로로메탄, 또는 알코올계 용매 등을 사용할 수 있다.
또한, 상기 염료를 포함하는 분산액은, 장파장의 가시광 흡수를 개선하여 효율을 향상시키기 위하여 다양한 칼라의 유기 색소를 더 포함할 수 있다. 이때 유기 색소로는 큐마린(Cumarine), 또는 포피린(porphyrin)의 일종인 페오포바이드 에이(pheophorbide a) 등을 사용할 수 있다.
상기 염료층 형성 후, 용매 세척 등의 방법으로 흡착되지 않은 염료를 세척함으로써 광흡수층을 제조할 수 있다.
별도의 전도성 투명 기판상에 전해도금, 또는 스퍼터링, 전자빔 증착 등의 물리 기상 증착법(PVD)을 이용하여 도전성 물질을 포함하는 도전층을 형성하여 제2전극을 준비한다.
상기 광흡수층과 제2전극이 서로 마주보도록 제1전극 및 제2전극을 배치시킨 후, 광흡수층과 제2전극 사이에 전해질을 매립하고 밀봉하여 본 발명의 일 실시예에 따른 염료 감응 태양 전지를 제조한다.
상기 제1전극 및 제2전극은 접착제를 사용하여 서로 면 접합될 수 있다. 접착제로는 열 가소성 고분자 필름을 사용할 수 있으며, 일 예로 상품명 surlyn(듀퐁사제)을 사용할 수 있다. 이러한 열가소성 고분자 필름을 두 전극 사이에 위치시킨 후 가열 압착하여 밀폐시킨다. 접착제의 또 다른 종류로는 에폭시 수지 또는 자외선(UV) 경화제를 사용할 수 있으며, 이 경우 열처리 또는 UV 처리 후에 경화시킬 수도 있다.　
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다.　 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
제조예 1: 염료의 제조
하기와 같은 반응식 1에 나타난 단계에 따라 실시하여 (E)-3-(5-((5-(4-(비스(9,9-디메틸-9H-풀루렌-2-일)아미노)페닐)티오펜-2-일)디메틸실릴)티오펜-2-일)-2-시아노아세트산을 제조하였다.
[반응식 1]
Figure 112007085826752-PAT00009
step 1: 디메틸 디티오펜 -2-일 실란(1)의 제조
티오펜(8.4g, 100 mmol)을 디에틸 에테르(100ml)에 용해시킨 후 -78℃로 냉각하였다. 냉각된 용액에 노르말 부틸리튬 (62.5ml, 1.6M 헥산 용액, 100 mmol)을 천천히 첨가하고, 한 시간뒤 디클로로디메틸실란(6.4 g, 50 mmol)을 더 첨가하여 혼합용액을 제조하였다. 제조된 혼합용액을 4시간 이상 상온에서 교반을 시켜준 후, 물과 디에틸 에테르로 추출하였다. 추출 결과 얻어진 추출물을 크로마토그래피(전개제: 헥산)으로 분리하여 표제 화합물(1)을 얻었다(수율 65%).
Step 2: 5-( 디메틸(티오펜-2-일)실릴 )티오펜-2- 카바알데하이드(2)의 제조
상기 Step 1에서 제조된 디메틸 디티오펜-2-일 실란(10g, 40 mmol)(1)을 디에틸 에테르(100 ml)에 용해시켜 제조한 용액을 -78℃ 로 냉각하였다. 냉각된 상기 용액에 노르말 부틸리튬(25ml, 1.6M 헥산 용액, 40 mmol)을 천천히 첨가하고, 한시간 뒤 디메틸 포름아미드(3.6g, 50 mmol)을 더 첨가하여 혼합용액을 제조하였다. 제조된 혼합용액을 4시간 이상 상온에서 교반시킨 후, 물과 디에틸 에테르를 이용하여 추출하였다. 결과로 얻어진 추출물을 크로마토그래피(전개제: 디클로르메탄:헥산=3:1)로 분리하여, 표제 화합물(2)을 수득하였다(수율 82%).
Step 3: (5-(5,5-디메틸-1,3-디옥산-2-일)티오펜-2-일)디메틸(티오펜-2-일)실란( 3)의 제조
상기 Step 2에서 제조된 5-(디메틸(티오펜-2-일)실릴)티오펜-2-카바알데하이드(3.38g, 10mmol)(2)를 네오펜틸글리콜(1.25g, 12 mmol) 및 파라 톨루엔설폰산(0.02g)과 혼합한 혼합물을 벤젠(50 ml)중에 용해시킨 후 세시간 환류 교반하여 혼합용액을 제조하였다. 제조된 혼합용액을 중탄산 나트륨(5% w/v, 50ml)를 이용하여 추출하고, 분리된 유기층을 건조한 후 크로마토 그래피(전개제: 디클로로메탄:헥산=3:1)로 분리하여 표제 화합물(3)을 수득하였다(수율 85%).
Step 4: (5-(5,5-디메틸-1,3-디옥산-2-일)티오펜-2-일)디메틸(5-( 트리메틸스타닐 )티오펜-2-일) 실란 (4)의 제조
상기 Step 3에서 제조한 (5-(5,5-디메틸-1,3-디옥산-2-일)티오펜-2-일)디메틸(티오펜-2-일)실란(0.50g, 1mmol)(3)을 디에틸에테르(25ml)에 용해시켜 제조한 용액을 -78℃로 냉각하였다. 냉각된 용액에 노르말 부틸리튬(0.62ml, 1.6M 헥산 용액, 1mmol)을 천천히 첨가하고 한시간 뒤 트리메틸클로로스타난(trimethylchlorostannane, 1ml, 1.0M in 테트라히드로퓨란 용액, 1mmol)을 더 첨가하여 혼합용액을 제조하였다. 제조된 혼합용액을 4시간 이상 상온에서 교반시킨 후 디에틸 에테르를 이용하여 추출하였다. 결과로 얻어진 추출물을 건조하여 표제 화합물(4)을 수득하였다(수율 76%).
Step 5: N-(4-(5-((5-(5,5-디메틸-1,3-디옥산-2-일)티오펜-2-일) 디메틸실릴 )티오펜-2-일) 페닐 )-N-(9,9-디메틸-9H- 풀루렌 -2-일)-9,9-디메틸-9H- 풀루렌 -2- 아민(5)의 제조
상기 Step 4에서 제조된 화합물(0.50g, 1 mmol)을 N-(4-브로모페닐)-N-(9,9-디메틸-9H-풀루렌-2-일)-9,9-디메틸-9H-풀루렌-2-아민(0.55g, 1mmol)(4) 및 Pd(PPh3)4(33mg, 0.03mmol)과 함께 톨루엔(25 ml)에 용해시킨 후 환류 교반하여 혼합용액을 제조하였다. 12시간 후 제조된 혼합용액을 상온까지 식혀준 후, 물과 소량의 툴루엔을 이용하여 유기물을 추출하였다. 추출된 유기물을 분리, 건조한 후 크로마토 그래피(전개제: 디클로로메탄:헥산=2:1)로 분리하여 순수한 표제 화합물(5)을 얻었다(수율 63%).
Step 6: 5-((5-(4-( 비스(9,9-디메틸-9H-풀루렌-2-일)아미노 ) 페닐 )티오펜-2-일) 디메틸실릴 )티오펜-2- 카바알데하이드 (6)의 제조
상기 Step 5에서 제조된 화합물(0.51g, 0.7mmol)(5)을 테트라히드로 퓨 란(20ml), 트리플루오로아세트산(2ml) 및 물(3ml)에 첨가한 후 상온에서 3 시간 이상 교반하여 혼합 용액을 제조하였다. 제조된 혼합용액을 물과 디에틸에테르를 이용하여 추출한 후 얻어진 추출물을 건조하고, 크로마토 그래피(전개제: 디클로로메탄:헥산=2:1)로 분리하여 순수한 표제 화합물(6)을 얻었다(수율 81%).
Step 7: (E)-3-(5-((5-(4-( 비스(9,9-디메틸-9H-풀루렌-2-일)아미노 ) 페닐 )티오펜-2-일) 디메틸실릴 )티오펜-2-일)-2- 시아노아세트산(7)의 제조
상기 Step 6에서 제조된 화합물(0.15g, 0.2mmol)을 시아노아세트산(34mg, 0.4mmol)(6), 피페리딘(18㎍, 0.2mmol), 클로로포름(30ml) 및 아세토니트릴(10ml)과 혼합하여 제조한 혼합용액을 12시간 동안 가열하여 모든 용매를 제거하였다. 결과로 얻어진 건조물을 디클로로메탄으로 용해시키고, 물로 세척한 후 디클로로메탄 유기용매만 추출, 건조한 후 크로마토그래피(전개제: 디클로로메탄:메탄올=9:1)로 분리하여 순수한 표제 화합물(7)을 제조하였다(수율 57%).
실시예 1: 염료 감응 태양 전지의 제조
인듐 도핑된 주석산화물 투명전도체 위에 입경 5 내지 15nm 정도 크기의 산화 티타늄 분산액을 닥터블레이드법을 이용하여 1cm2 면적에 도포하고, 450℃에서 30분간 열처리 소성공정을 통해 18㎛ 두께의 다공성 산화 티타늄 후막을 제작하였다. 그 후 80℃에서 시편을 유지한 후 상기 제조예 1에서 제조된 하기 화학식 2의 구조를 갖는 화합물을 에탄올에 용해시킨 0.3mM 염료 분산액에 10mM 농도로 디옥시콜린산을 첨가한 후 침지하여 염료 흡착 처리를 12시간 이상 실시하였다. 이후 염 료 흡착된 다공성 산화 티타늄 후막을 에탄올을 이용하여 세척하고 상온 건조하여 광흡수층이 형성된 제1전극을 제조하였다.
제2전극으로는 인듐 도핑된 산화 주석 투명전도체 위에 스퍼터를 이용하여 약 200nm 두께로 Pt층을 증착하였다. 전해액 주입을 위해 0.75 mm 직경의 드릴을 이용하여 미세 구멍을 만들어 제2전극을 제작하였다.
60㎛ 두께의 열가소성 고분자 필름을 제1전극과 제2전극 사이에 두고 100℃에서 9초 압착시킴으로써 두 전극을 접합시켰다. 제2전극에 형성된 미세구멍을 통하여 산화환원 전해질을 주입시키고, 커버 글라스와 열가소성 고분자 필름을 이용하여 미세 구멍을 밀봉함으로써 염료 감응 태양 전지를 제작하였다. 이때 이용된 산화-환원 전해질은 0.62M의 1,2-디메틸-3-헥실이미다졸리움아이오다이드(1,2-dimethyl-3-hexylimidazolium iodide), 0.5M의 2-아미노피리미딘(2-aminopyrimidine), 0.1M 의 LiI와 0.05M의 I2를 아세토나이트릴(acetonitrile) 용매에 용해시킨 것을 이용하였다.
[화학식 2]
Figure 112007085826752-PAT00010
실시예 2: 염료감응 태양전지의 제조
상기 실시예 1에 있어서, 디옥시콜린산을 첨가하지 않은 염료 분산액을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.
비교예 1: 염료 감응 태양 전지의 제조
인듐 도핑된 산화주석 투명전도체 위에 입경 5 내지 15nm 정도 크기의 산화티타늄분산액을 닥터블레이드법을 이용하여 1cm2 면적에 도포하고, 450℃에서 30분간 열처리 소성공정을 통해 18㎛ 두께의 다공성 산화티타늄 후막을 제작하였다. 그 후 80℃에서 시편을 유지한 후 하기 화학식 5의 구조를 갖는 화합물(일본 AIST, NKX-2553, Chem. Commun. 2003, 252. Arakawa et. al., Japan)을 에탄올에 용해시킨 0.3mM 염료 분산액에 침지하여 염료 흡착 처리를 12시간 이상 실시하였다. 이후 염료 흡착된 다공성 산화티타늄 후막을 에탄올을 이용하여 세척하고 상온 건조하여 광흡수층이 형성된 제1전극을 제조하였다.
제2전극으로는 인듐 도핑된 산화주석 투명전도체 위에 스퍼터를 이용하여 약 200nm 두께로 Pt층을 증착하였다. 전해액 주입을 위해 0.75 mm 직경의 드릴을 이용하여 미세 구멍을 만들어 제2전극을 제작하였다.
60㎛ 두께의 열가소성 고분자 필름을 제1전극과 제2전극 사이에 두고 100℃에서 9초 압착시킴으로써 두 전극을 접합시켰다. 제2전극에 형성된 미세구멍을 통하여 산화환원 전해질을 주입시키고, 커버 글라스와 열가소성 고분자 필름을 이용하여 미세 구멍을 밀봉함으로써 염료 감응 태양 전지를 제작하였다. 이때 이용된 산화-환원 전해질은 0.62M의 1,2-디메틸-3-헥실이미다졸리움아이오다이드(1,2-dimethyl-3-hexylimidazolium iodide), 0.5M의 2-아미노피리미딘(2-aminopyrimidine), 0.1M 의 LiI와 0.05M의 I2를 아세토나이트릴(acetonitrile) 용매에 용해시킨 것을 이용하였다.
[화학식 5]
Figure 112007085826752-PAT00011
비교예 2: 염료 감응 태양 전지의 제조
염료로서 하기 화학식 6의 화합물(일본 AIST, NKX-2593, New. J. Chem. 2003, 27, 783. Arakawa et. al., Japan)을 사용한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 실시하여 염료 감응 태양 전지를 제조하였다.
[화학식 6]
Figure 112007085826752-PAT00012
비교예 3: 염료 감응 태양 전지의 제조
염료로서 하기 화학식 7의 화합물(일본 AIST, NKX-2593, New. J. Chem. 2003, 27, 783. Arakawa et. al., Japan)을 사용한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 실시하여 염료 감응 태양 전지를 제조하였다.
[화학식 7]
Figure 112007085826752-PAT00013
비교예 4: 염료 감응 태양 전지의 제조
염료 분산액중에 40mM 농도로 디옥시콜린산을 더 첨가하는 것을 제외하고는 상기 비교예 3과 동일한 방법으로 실시하여 염료 감응 태양 전지를 제조하였다.
상기 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 4에서 제조된 염료 감응 태양 전지에 대하여 광전류 전압을 측정하고, 측정된 광전류 곡선으로부터 개방전압(open-circuit voltage: Voc), 전류 밀도(short-circuit current: Jsc) 및 충진계수(fill factor: FF)를 계산하였다. 또한 이로부터 태양 전지의 효율을 평가하였다.
이때, 광원으로는 제논 램프(xenon lamp, Oriel, 01193)을 사용하였으며, 상기 제논 램프의 태양 조건(AM 1.5)은 표준 태양 전지(Frunhofer Institute Solare Engeriessysteme, Certificate No. C-ISE369, Type of material: Mono-Si + KG 필터)를 사용하여 보정하였다. 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
상기 충진 계수는 최대전력점에서의 전류밀도와 전압값의 곱(Vmp×Jmp) 을 Voc와 Jsc의 곱으로 나눈 값이며, 태양전지의 광전 변환 효율(η )은 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 효율로서 하기 수학식 1에서와 같이 단위 면적당 입사된 에너지(Pinc)에 대하여 전지에 의해 발생된 전기 에너지(전류×전압×충진 계수)의 비로 계산하였다.
η=(Voc·Jsc·FF)/(Pinc)
상기 Pinc는 100mW/cm2(1sun)을 나타낸다.
실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4
개방전압 (V) 0.76 0.67 0.53 0.55 0.56 0.57
전류밀도 (mA/cm2) 13.45 12.12 4.57 7.35 9.07 10.61
F.F 68 69 53 64 58 65
효율(%) 6.88 5.60 1.29 2.61 2.91 3.93
결과, 실시예 1 및 2의 태양 전지에서의 개방전압(Voc)은 0.67 V 이상인 반면, 비교예 1 내지 4의 태양 전지의 개방전압은 0.6V 이하이었다. 또한, 전류밀도 및 충진계수 또한 실시예 1및 2의 염료 감응 태양 전지가 비교예 1 내지 4의 염료 감응 태양 전지에 비해 높았으며, 결과 현저히 높은 광전 변환 효율을 나타내었다. 이로부터 실시예 1및 2의 염료 감응 태양 전지에 포함된 본 발명의 염료가 비교예 1 내지 4에 사용된 염료에 비해 우수한 효과를 나타냄을 확인할 수 있었다.
도 2는 상기 실시예 1의 염료 감응 태양 전지의 파장에 따른 광전하 수율 변화(IPCE: Incident photon to Current Efficiency)를 관찰한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실란기 함유 유기 염료를 포함하는 실시예 1의 염료 감응 태양 전지는 우수한 광전하 수율을 나타내었다. 이 같은 우수한 광전하 수율은 유기 염료 자체의 우수한 효과와 더불어 첨가제로 사용된 디옥시콜린산이 상기 유기 염료와 함께 TiO2에 공흡착됨으로써 광전하 수율을 보다 개선시켰기 때문이다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 염료감응 태양 전지를 개략적으로 나타낸 모식도.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 염료 감응 태양 전지의 파장 에 따른 광전하 수율의 변화(IPCE: Incident photon to Current Efficiency)를 관찰한 결과를 나타낸 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 염료감응 태양전지, 11: 제1전극,
12: 광흡수층, 13: 전해질층,
14: 제2전극

Claims (16)

  1. 하기 화학식 1의 구조를 갖는 화합물을 포함하는 염료 감응 태양 전지용 염료:
    Figure 112007085826752-PAT00014
    (1)
    (상기 화학식에서, 상기 A 및 B는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 방향족 탄화수소기, 치환 또는 비치환된 헤테로고리기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이고,
    상기 C 및 D는 각각 치환 또는 비치환된 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 사이클로알킬렌기, 치환 또는 비치환된 알케닐렌기, 치환 또는 비치환된 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 2가의 헤테로고리기(divalent heterocyclic group) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이며,
    상기 E는 산성 작용기이고,
    상기 F 및 G는 각각 독립적으로 에테르기, 티오에테르기, 치환 또는 비치환된 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 사이클로알킬렌기, 치환 또는 비치환된 알케닐렌기, 치환 또는 비치환된 아릴렌기, 및 치환 또는 비치환된 2가의 헤테로고리기로 이루어진 군에서 선택되는 것이고,
    상기 F' 및 G'는 각각 독립적으로 수소, 히드록시기, 할로겐기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아실기, 아실옥시기, 아실아미노기, 카르복시기, 술포닐기, 알킬기, 시클로알킬기, 할로알킬기, 알킬술포닐기, 아미노술포닐기, 알킬티오기, 알콕시기, 알콕시술포닐기, 알콕시카르보닐기, 아릴기, 아릴옥시기, 아릴옥시카르보닐기, 알케닐기, 알키닐기, 아랄킬기, 및 헤테로고리기로 이루어진 군에서 선택되는 것이며,
    상기 m 및 n은 0 내지 20의 정수이다.)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 A 및 B는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 방향족 탄화수소기, 산소, 황, 질소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소를 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 염료 감응 태양 전지용 염료.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 A 및 B 중 적어도 하나는 플루오레닐(fluorenyl)기인 염료 감응 태양 전지용 염료.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 C 및 D는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 18의 사이클로알킬렌기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 알케닐렌기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴렌기, 산소, 황, 질소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소를 포함하는 치환 또는 비치환된 2가의 헤테로고리기(divalent heterocyclic group) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 염료 감응 태양 전지용 염료.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 C 및 D는 각각 독립적으로 시클로프로필렌기, 시클로펜틸렌기, 시클로헥실렌기, 에텐기, 2-부테닐렌기, p-페닐렌기, 나프틸렌기, 2,3-테트라졸-디일기, 1,3-트리아졸-디일기, 1, 5-벤즈이미다졸-디일기, 2,5-벤조티아졸-디일기, 2,5-피리미딘-디일기, 3-페닐-2,5-테트라졸-디일기, 2,5-피리딘-디일기, 2,4-퓨란-디일기, 1,3-피페리딘-디일기, 2,4-몰포린-디일기, 1,2-티오펜-디일기, 및 1,4-티오펜-디일기로 이루어진 군에서 선택되는 것인 염료 감응 태양 전지용 염료.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 A, B, C 및 D는 각각 독립적으로 수소, 히드록시기, 할로겐기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아실기, 아실옥시기, 아실아미노기, 카르복시기, 술포닐기, 알킬기, 시클로알킬기, 할로알킬기, 알킬술포닐기, 아미노술포닐기, 알킬티오기, 알콕시기, 알콕시술포닐기, 알콕시카르보닐기, 아릴기, 아릴옥시기, 아릴옥시 카르보닐기, 알케닐기, 알키닐기, 아랄킬기, 및 헤테로고리기로 이루어진 군에서 선택되는 치환기를 포함하는 것인 염료 감응 태양 전지용 염료.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 E는 카르복시기, 아인산기, 술폰산기, 포스핀산기, 히드록시기, 옥시카르복시산기, 산아미드기, 붕산기, 스쿠아린산기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 치환기인 염료 감응 태양 전지용 염료.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 F 및 G는 각각 독립적으로 에테르기, 티오에테르기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 탄소수 3 내지 18의 사이클로알킬렌기, 탄소수 2 내지 20의 알케닐렌기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴렌기, 및 산소, 황, 질소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소를 포함하는 치환 또는 비치환된 2가의 헤테로고리기로 이루어진 군에서 선택되는 것인 염료 감응 태양 전지용 염료.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 F' 및 G'는 각각 독립적으로 수소, 히드록시기, 할로겐기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아실기, 아실옥시기, 아실아미노기, 카르복시기, 술포닐기, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 탄소수 1 내지 20 의 할로알킬기, 탄소수 1 내지 20의 알킬술포닐기, 탄소수 1 내지 20의 아미노술포닐기, 탄소수 1 내지 20의 알킬티오기, 탄소수 1 내지 20의 알킬아미노기, 탄소수 1 내지 20의 알콕시기, 탄소수 1 내지 20의 알콕시술포닐기, 탄소수 1 내지 20의 알콕시카르보닐기, 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 탄소수 6 내지 30의 아릴옥시기, 탄소수 1 내지 20의 아릴옥시카르보닐기, 탄소수 2 내지 20의 알케닐기, 탄소수 2 내지 20의 알키닐기, 탄소수 6 내지 30의 아랄킬기, 및 산소, 황, 질소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소를 포함하는 헤테로고리기로 이루어진 군에서 선택되는 것인 염료 감응 태양 전지용 염료.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 A 및 B는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 방향족 탄화수소기, 치환 또는 비치환된 헤테로고리기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되며, 이때 상기 A 및 B중 적어도 하나는 플루오레닐기이고,
    상기 C는
    Figure 112007085826752-PAT00015
    이며,
    상기 D는
    Figure 112007085826752-PAT00016
    이고,
    상기 R1 , R2 및 R3은 각각 독립적으로 수소, 히드록시기, 할로겐기, 니트로 기, 시아노기, 아미노기, 아실기, 아실옥시기, 아실아미노기, 카르복시기, 술포닐기, 알킬기, 시클로알킬기, 할로알킬기, 알킬술포닐기, 아미노술포닐기, 알킬티오기, 알콕시기, 알콕시술포닐기, 알콕시카르보닐기, 아릴기, 아릴옥시기, 아릴옥시카르보닐기, 알케닐기, 알키닐기, 아랄킬기, 및 헤테로고리기로 이루어진 군에서 선택되는 것이고, 상기 o는 0 내지 6의 정수이고, p은 0 내지 3의 정수이며, q는 0 또는 1이고, x 및 y는 각각 1 또는 2인 것이며,
    상기 E는 카르복시기이고,
    상기 Y는 O, S, 및 NR'(R'은 수소 또는 알킬기임)로 이루어진 군에서 선택되는 것인 염료 감응 태양 전지용 염료.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 염료는 하기 화학식 2의 구조를 갖는 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인 염료 감응 태양 전지용 염료.
    (2)
  12. 제1전극;
    상기 제1전극의 일면에 형성된 광흡수층;
    상기 광흡수층이 형성된 제1전극에 대향하여 배치되는 제2전극; 및
    상기 제1전극과 제2전극 사이에 위치하는 전해질을 포함하며,
    상기 광흡수층은 반도체 미립자, 및 상기 제1항 내지 제11항중 어느 한 항에 따른 염료를 포함하는 것인 염료 감응 태양 전지.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 광흡수층은 하기 화학식 3의 구조를 갖는 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 첨가제를 더 포함하는 것인 염료 감응 태양 전지.
    Figure 112007085826752-PAT00018
    (3)
    (상기 화학식 3에 있어서, Z는 알킬기, 시클로알킬기, 할로알킬기, 알킬술포닐기, 알킬티오기, 알콕시기, 알콕시술포닐기, 알콕시카르보닐기, 아릴기, 아릴옥시기, 알케닐기, 아랄킬기, 및 헤테로고리기로 이루어진 군에서 선택되는 것이다)
  14. 제13항에 있어서,
    상기 첨가제는 디옥시콜린산인 염료 감응 태양 전지.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 첨가제는 염료 100중량부에 대하여 100 내지 3000중량부로 포함되는 것인 염료 감응 태양 전지.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 광흡수층은 25㎛ 이하의 두께를 갖는 것인 염료 감응 태양 전지.
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