KR20100058996A - 염료 감응 태양전지용 염료 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하기의 화학식 1의 구조를 갖는 염료 감응 태양전지용 염료를 제공할 수 있다.
Figure 112008081283891-PAT00001
상기 식에서, X 및 Y는 각각 독립적으로 치환 또는 치환되지 않은 방향족 탄화수소기, 치환 또는 치환되지 않은 방향족 헤테로고리기 및 이들의 조합으로 이루어진 치환기이며, 여기서, 상기 X 및 Y 중 적어도 어느 하나는 알킬기 또는 아릴기로 치환된 실란 유도체를 포함하고, Z는 치환 또는 치환되지 않은 방향족 탄화수소기, 치환 또는 치환되지 않은 헤테로고리기, 비닐기, 치환 또는 치환되지 않은 폴리비닐기이며, A는 산성작용기일 수 있다.
염료 감응 태양전지

Description

염료 감응 태양전지용 염료{Dye-Sensitized Solar Cells Using The Dye}
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 보다 자세하게는 염료 감응 태양전지용 염료에 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 다양한 연구가 진행되어 오고 있다.
이 중 태양전지는 기타 다른 에너지원과는 달리 태양이라는 무한한 자원을 바탕으로 환경 친화적이며, 1983년 Si 태양전지를 개발한 이후로 최근에는 전 세계적인 에너지난으로 인해 각광을 받고 있다.
그러나 이와 같은 실리콘 태양전지는 Si 원재료 수급문제에 따른 국가간 경쟁이 치열하고 이로 인해 제작 단가가 고가이다. 이를 해결하기 위해 국외, 국내의 많은 연구기관에서 자구책을 제시하고 있지만 어려움이 따르는 것이 현실이다. 이 러한 심각한 에너지난을 해결할 수 있는 대안 중 한가지가 바로 염료 감응형 태양전지이며, 1991년 스위스 국립 로잔 고등기술원(EPFL)의 마이클 그라첼 박사(Dr. Micheal Graetzel) 연구팀에 의해 염료 감응형 태양전지가 개발된 이후 학계에 주목을 받으며 많은 연구기관에서 연구가 진행되어 왔다.
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 전이 금속 산화물을 주된 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다. 종래의 염료 감응 태양전지 중에서 대표적인 연구 개발로는 나노입자 산화티타늄을 이용한 염료 감응 태양전지가 있다.
이 염료 감응 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 제조 단가가 저렴하고 투명한 전극으로 인해 건물 외벽 유리창이나 유리 온실 등에 응용이 가능하다는 이점이 있으나, 광전변환 효율이 낮아서 연구가 더 진행되어야 하는 상황이다.
태양전지의 광전변환 효율은 태양빛의 흡수에 의해 생성된 전자의 양에 비례하므로, 효율을 증가시키기 위해서는 산화티타늄 나노입자에 염료의 흡착량을 높여 전자의 생성량을 증가시키고, 태양 빛의 흡수를 증가시키며, 생성된 여기전자가 전자-홀 재결합에 의해 소멸되는 것도 방지해야 한다.
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 태양전지의 광전변환 효율 향상에 한계가 있으며, 이에 따라 효율 향상을 위한 새로운 기술 개발이 시급히 요구 되고 있다.
본 발명은 우수한 광전변환 효율 및 수명특성을 갖는 염료 감응 태양전지용 염료 및 이를 포함하는 태양전지를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 염료 감응 태양전지용 염료는 하기의 화학식 1의 구조를 가질 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112008081283891-PAT00002
상기 식에서, X 및 Y는 각각 독립적으로 치환 또는 치환되지 않은 방향족 탄화수소기, 치환 또는 치환되지 않은 방향족 헤테로고리기 및 이들의 조합으로 이루어진 치환기이며, 여기서, 상기 X 및 Y 중 적어도 어느 하나는 알킬기 또는 아릴기로 치환된 실란 유도체를 포함하고, Z는 치환 또는 치환되지 않은 방향족 탄화수소기, 치환 또는 치환되지 않은 헤테로고리기, 비닐기, 치환 또는 치환되지 않은 폴리비닐기이며, A는 산성작용기일 수 있다.
상기 X 및 Y는 각각 독립적으로 치환 또는 치환되지 않은 탄소수 5 내지 20의 방향족 탄화수소기, 치환 또는 치환되지 않은 방향족 헤테로고리기 및 이들의 조합으로 이루어진 치환기이며, 여기서, 상기 X 및 Y 중 적어도 어느 하나는 알킬 기, 알콕시기, 아릴기, 알케닐기, 아릴렌기, 알킬렌기로 치환된 실란 유도체를 포함할 수 있다.
상기 X 및 Y는 알킬, 알콕시, 아릴기, 아릴렌기, 알킬렌기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 치환기를 포함할 수 있다.
상기 Z는 티오펜, 비닐기, 폴리비닐기, 벤젠, 나프탈렌, 안트라센, 플루오렌, 비페닐, 피란, 피롤, 카바졸 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 치환기를 포함할 수 있다.
상기 Z는 알킬, 알콕시, 아릴기, 알케닐기, 아릴렌기, 알킬렌기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 치환기일 수 있다.
상기 A는 카르복시산기, 아인산기, 슐폰산기, 포스핀산기, 히드록시산기, 옥시카르복시산 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 치환기를 포함할 수 있다.
상기 X-N-Y는 하기 화합물 중 어느 하나일 수 있다.
Figure 112008081283891-PAT00003
여기서, R은 각각 독립적으로 H 또는 C1 내지 C8인 알킬기, 알콕시기, 아릴기, 알케닐기, 아릴렌기, 알킬렌기이고,
Figure 112008081283891-PAT00004
여기서, R은 각각 독립적으로 H 또는 C1 내지 C8인 알킬기, 알콕시기, 아릴기, 알케닐기, 아릴렌기, 알킬렌기이고,
Figure 112008081283891-PAT00005
여기서, R은 각각 독립적으로 H 또는 C1 내지 C8인 알킬기, 알콕시기, 아릴기, 알케닐기, 아릴렌기, 알킬렌기이고,
Figure 112008081283891-PAT00006
여기서, R은 각각 독립적으로 H 또는 C1 내지 C8인 알킬기, 알콕시기, 아릴기, 알케닐기, 아릴렌기, 알킬렌기이고,
Figure 112008081283891-PAT00007
여기서, R1 및 R2는 H 또는 C1 내지 C8인 알킬기, 알콕시기, 아릴기, 알케닐기, 아릴렌기, 알킬렌기일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 염료 감응 태양전지는 상기 기재된 염료를 포함할 수 있다.
본 발명은 우수한 광전변환 효율 및 수명특성을 갖는 염료 감응 태양전지용 염료 및 이를 포함하는 태양전지를 제공하는 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예들을 자세하게 설명 하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 염료 감응 태양전지를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 염료 감응 태양전지(100)는 제 1 전극(120) 및 제 2 전극(140)이 서로 면 접합된 샌드위치 구조로, 보다 자세하게는 제 1 기판(110) 상에 제 1 전극(120)이 위치하고, 상기 제 1 전극(120)과 대향하는 제 2 기판(150) 상에 제 2 전극(140)이 서로 마주보는 구조일 수 있다.
상기 제 1 전극(120)과 상기 제 2 전극(140) 사이에는 전해질(131), 반도체 미립자(132) 및 반도체 미립자(132)에 흡착된 염료(133)를 포함하는 광흡수층(130)이 위치할 수 있다.
상기 제 1 기판(110)은 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있으며, 외부광의 입사가 가능하도록 투명성을 갖는 물질이라면 특별히 한정되지 않는다. 여기서, 플라스틱의 구체적인 예로는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 트라아세틸 셀룰로오스(TAC) 또는 이들의 공중합체 등을 들 수 있다.
여기서, 제 1 기판(110)은 티타늄, 인듐, 갈륨 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택된 물질로 도핑될 수도 있다.
상기 제 1 전극(120)은 전도성 금속 산화막을 포함할 수 있다.
여기서, 전도성 금속 산화막은 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이 드(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(130)은 전해질(131), 반도체 미립자(132) 및 염료(133)를 포함할 수 있다.
상기 전해질(131)은 레독스 전해질을 사용할 수 있으며, 구체적으로는 할로겐 이온을 대이온으로 하는 할로겐 화합물 및 할로겐 분자로 구성되는 할로겐 산화 환원계 전해질, 페로시안산염-페로시안산염이나 페로센-페리시늄 이온, 코발트 착체 등의 금속착체 등의 금속산화 환원계 전해질, 알킬티올-알킬디설피드, 비올로겐 염료, 하이드로퀴논-퀴논 등의 유기산화 환원계 전해질 등을 사용할 수 있으며, 할로겐 산화 환원계 전해질이 바람직하다.
할로겐 화합물-할로겐 분자로 구성되는 할로겐 산화 환원계 전해질에 있어서의 할로겐 분자로서는 요오드 분자가 바람직하다. 또한, 할로겐 이온을 대이온으로 하는 할로겐 화합물로서는 LiI, NaI, CaI2, MgI2, CuI 등의 할로겐화 금속염, 또는 테트라알킬암모늄요오드, 이미다졸리움요오드, 피리디움요오드 등의 할로겐의 유기 암모늄염, 또는 I2를 사용할 수 있다.
또한, 레독스 전해질은 이를 포함하는 용액의 형태로 구성되어 있는 경우, 그 용매로는 전지 화학적으로 불활성인 것을 사용할 수 있다. 구체적인 예로서 아세토니트릴, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 3-메톡시프로피오니트릴, 메 톡시아세토니트릴, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 부틸로락톤, 디메톡시에탄, 디메틸카보네이트, 1,3-디옥소란, 메틸포르메이트, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 3-메톡시-옥사졸리딘-2-온, 설포란, 테트라하이드로퓨란, 물 등을 들 수 있으며, 특히 아세토니트릴, 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 3-메톡시프로피오니트릴, 에틸렌글리콜, 3-메톡시-옥사졸리딘-2-온, 부틸로락톤 등이 바람직하다. 이러한 용매들은 1종 또는 혼합해서 사용할 수 있다.
상기 반도체 미립자(132)는 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 반도체일 수 있고, 상기 화합물 반도체로는 티탄, 주석, 아연, 텅스텐, 지르코늄, 갈륨, 인듐, 이트륨, 니오브, 탄탈, 바나듐으로 이루어진 군에서 선택되는 금속 산화물을 사용할 수 있다. 바람직하게는 산화티탄, 산화주석, 산화아연, 산화니오브, 산화티탄스트론튬 또는 이들의 혼합물을 들 수 있으며, 보다 바람직하게는 아나타제형의 산화티탄을 사용할 수 있다. 상기 반도체의 종류는 이들에 한정되는 것은 아니며, 이들을 단독 또는 두 가지 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다.
또한, 반도체 미립자(132)의 입경은 평균 입경 1 내지 500nm인 것일 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 100nm일 수 있다. 또한, 반도체 미립자(132)는 큰 입경의 것과 작은 입경의 것을 혼합하거나 다층으로 사용할 수도 있다.
반도체 미립자(132)는 반도체 미립자를 스프레이 분무 등으로 직접 기판 상 에 박막으로 형성거나, 기판을 전극으로 하여 전기적으로 반도체 미립자 박막을 석출하거나, 반도체 미립자의 슬러리 또는 반도체 미립자의 전구체를 가수분해함으로써 얻을 수 있는 미립자를 함유하는 페이스트를 기판 상에 도포한 후, 건조, 경화 또는 소성하는 방법 등에 의해 제조할 수 있다.
상기 반도체 미립자(132)의 표면에는 외부광을 흡수하여 여기 전자를 생성하는 염료(133)가 흡착될 수 있다.
상기 광흡수층(130)은 15㎛이하, 바람직하게는 1 내지 15㎛의 두께를 가질 수 있다.
광흡수층(130) 상에 제 2 전극(140)이 위치할 수 있다. 제 2 전극(140)은 투명 전극(141) 및 촉매 전극(142)을 포함할 수 있다.
투명 전극(141)은 인듐 틴 옥사이드, 플루오르 틴 옥사이드, 안티몬 틴 옥사이드, 산화아연, 산화주석, ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3) 등의 투명 물질로 이루어질 수 있다.
촉매 전극(142)은 산화-환원 쌍(redox couple)을 활성화 시키는 역할을 하는 것으로, 백금, 금, 루테늄, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 오스뮴, 탄소, 산화티탄 및 전도성 고분자 등의 전도성 물질을 사용할 수 있다.
또한, 산화 환원의 촉매 효과를 향상시킬 목적으로 제 1 전극(120)과 마주보고 있는 촉매 전극(142)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, 또한 다공질 상태의 카본은 카본 미립자의 소결이나 유기몰리머의 소성 등의 방법에 의해 형성할 수 있다.
상기 제 2 기판(150)은 전술한 제 1 기판(110)과 동일하게 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 상기 플라스틱의 구체적인 예로 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 트리아세틸셀룰로오스 등을 들 수 있다.
이와 같은 구조를 갖는 염료 감응 태양전지(100) 내로 태양광이 입사되면 광양자는 먼저 광흡수층(130) 내의 염료(133)에 흡수되고, 이에 따라 염료(133)는 기저상태에서 여기상태로 전자전이하여 전자-홀쌍을 만들고, 여기상태의 전자는 반도체 미립자(132) 계면의 전도띠(conduction band)로 주입되며, 주입된 전자는 계면을 통해 제 1 전극(120)으로 전달 되고, 이후 외부 회로를 통해 대향전극인 제 2 전극(140)으로 이동한다.
한편, 전자 전이 결과로 산화된 염료(133)는 전해질(131) 내의 산화-환원 커플의 이온에 의해 환원되고, 산화된 상기 이온은 전하중성(charge neutrality)을 이루기 위해 제 2 전극(140)의 계면에 도달한 전자와 환원 반응을 함으로써 상기 염료 감응 태양전지(100)가 작동하게 된다.
이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 염료 감응 태양전지(100)에 사용되는 염료(133)에 대해 자세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 염료 감응 태양전지용 염료는 하기의 화학식 1의 구조를 가질 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112008081283891-PAT00008
상기 식에서, X 및 Y는 각각 독립적으로 치환 또는 치환되지 않은 방향족 탄화수소기, 치환 또는 치환되지 않은 방향족 헤테로고리기 및 이들의 조합으로 이루어진 치환기일 수 있다.
여기서, 방향족 탄화수소기로는 벤젠, 나프탈렌, 안트라센, 플루오렌, 비페닐 및 이들의 조합으로 이루어진 치환기를 포함할 수 있다. 상기 헤테로고리기로는 피란, 피롤, 티오펜, 카바졸 및 이들의 조합으로 이루어진 치환기에서 선택될 수 있다.
또한, 상기 X 및 Y 중 적어도 어느 하나는 알킬기 또는 아릴기로 치환된 실란 유도체를 포함하고, 상기 X 및 Y는 각각 독립적으로 치환 또는 치환되지 않은 탄소수 5 내지 20의 방향족 탄화수소기, 치환 또는 치환되지 않은 방향족 헤테로고리기 및 이들의 조합으로 이루어진 치환기이며, 여기서, 상기 X 및 Y 중 적어도 어느 하나는 알킬기, 알콕시기, 아릴기, 알케닐기, 아릴렌기, 알킬렌기로 치환된 실란 유도체를 포함할 수 있다.
또한, 상기 X 및 Y는 알킬기, 알콕시기, 아릴기, 아릴렌기, 알킬렌기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 치환기를 포함할 수 있다. 상기 알킬기는 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬기로 이루어진 치환기에서 선택될 수 있고, 상기 알콕시기는 탄소수 1 내지 20의 알킬기를 갖는 산소-함유 치환 또는 비치환된 알콕시기로 이루어진 치환기에서 선택될 수 되는 것이 바람직하다. 상기 아릴기는 단독 또는 조합하여 사용될 수 있으며, 페닐, 나프틸, 테트라히드로나프틸, 인단 또는 비페닐과 같이 하나 이상의 고리를 포함하는 탄소수 6 내지 30의 카르보사이클 방향족계 화합물인 것이 바람직하다. 상기 알킬렌기는 알킬기의 양 말단이 결합가능한 라디칼의 형태를 가지며 여기서 알킬기는 전술한 바와 같다.
Z는 치환 또는 치환되지 않은 방향족 탄화수소기, 치환 또는 치환되지 않은 헤테로고리기, 비닐기, 치환 또는 치환되지 않은 폴리비닐기일 수 있으며, 보다 자세하게는 티오펜, 비닐기, 폴리비닐기, 벤젠, 나프탈렌, 안트라센, 플루오렌, 비페닐, 피란, 피롤, 카바졸 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 치환기를 포함할 수 있다. 또한, 상기 Z는 알콕시, 아릴기, 알케닐기, 아릴렌기, 알킬렌기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 치환기를 포함할 수 있다.
A는 산성작용기일 수 있으며, 카르복시산기, 아인산기, 슐폰산기, 포스핀산기, 히드록시산기, 옥시카르복시산 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 치환기를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 X-N-Y는 하기 화합물 중 어느 하나일 수 있다.
Figure 112008081283891-PAT00009
여기서, R은 각각 독립적으로 H 또는 C1 내지 C8인 알킬기, 알콕시기, 아릴기, 알케닐기, 아릴렌기, 알킬렌기이고,
Figure 112008081283891-PAT00010
여기서, R은 각각 독립적으로 H 또는 C1 내지 C8인 알킬기, 알콕시기, 아릴기, 알케닐기, 아릴렌기, 알킬렌기이고,
Figure 112008081283891-PAT00011
여기서, R은 각각 독립적으로 H 또는 C1 내지 C8인 알킬기, 알콕시기, 아릴기, 알케닐기, 아릴렌기, 알킬렌기이고,
Figure 112008081283891-PAT00012
여기서, R은 각각 독립적으로 H 또는 C1 내지 C8인 알킬기, 알콕시기, 아릴기, 알케닐기, 아릴렌기, 알킬렌기이고,
Figure 112008081283891-PAT00013
여기서, R1 및 R2는 H 또는 C1 내지 C8인 알킬기, 알콕시기, 아릴기, 알케닐기, 아릴렌기, 알킬렌기일 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 개시한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 염료의 합성
하기와 같은 반응을 거쳐 본 발명의 염료 감응 태양전지용 염료를 합성하였다.
Figure 112008081283891-PAT00014
1) 4-(트리메틸실릴)-N-페닐벤젠아민의 제조
250ml 트리-넥-둥근바닥플라스크에 아닐린 127.5m몰, (4-브로모페닐)트리메틸실란 102m몰, 트리스(디벤질리덴아세톤)디팔라듐(O) 1.53m몰, BINAP(2,2'-비스(디페닐포스피노)-1,1'-비나프틸 3.06m몰, 소듐-터셔리-부톡사이드 132.6m몰을 톨루엔 100mL에 녹인 후, 100℃의 배쓰에서 24시간 교반 시킨 후 반응이 종료되면 톨루엔을 제거한 후 디클로로메탄과 물을 사용하여 추출한 후 감압 증류하여 실리카 겔 컬럼 후 용매를 감압 증류한 뒤 4-(트리메틸실릴)-N-페닐벤젠아민 액체 0.3g을 얻었다.
2) 4-(N-(4-(트리메틸실릴)페닐)-N-페닐아미노)벤잘디하이드의 제조
250ml 트리-넥-둥근바닥플라스크에 4-(트리메틸실릴)-N-페닐벤젠아민 22.8m몰, 4-브로모벤즈알데히드 29.64m몰, 트리스(디벤질리덴아세톤)디팔라듐(O) 0.342m몰, 트리스-터트-부틸 포스핀 0.684m몰, 소듐-터셔리-부톡사이드 29.64m몰을 톨루엔 100mL에 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 후 용매를 감압 증류한 후 4-(N-(4-(트리메틸실릴)페닐)-N-페닐아미노)벤잘디하이드 액체 4.1g을 얻었다.
3) N-(4-(트리메틸실릴)페닐)-N-페닐-4-비닐벤젠아민의 제조
100ml 드로핑 퓨넬이 장착된 250ml 트리-넥-둥근바닥플라스크에 소듐-터트-부톡사이드 19m몰을 100ml 무수 테트라하이드로퓨란(anhydrous THF)에 용해 시킨 후 메틸트리페닐포스포늄브로마이드 17.8m 몰을 용액에 천천히 가했다. 용액의 색이 짙은 노란색으로 바뀌고 더 이상의 색 변화가 관찰되지 않을 때 N-(4-(트리메틸실릴)페닐)-N-페닐-4-비닐벤젠아민을 30ml의 무수 테트라하이드로퓨란에 용해 시킨 후 천천히 적가하였다. 실온에서 약 12시간 교반 후 무수 테트라하이드로퓨란을 제거하고 디클로로메탄과 n-헥산을 사용하여 실리카 겔 컬럼 후 용매를 감압 증류하여 N-(4-트리메틸실릴)페닐)-N-페닐-4-비닐벤젠아민 고체 3.0g을 얻었다.
4) N-((4-(트리메틸실릴)페닐)-N-페닐-4-(4-아미노스티릴)벤즈알데하이드의 제조
100ml 투-넥-둥근바닥플라스크에 N-(4-트리메틸실릴)페닐)-N-페닐-4-비닐벤 젠아민 8.7m몰, 4-브로모벤즈알데하이드 17.4m몰, 2,6-디터셔리-부틸크레졸 0.87m몰, 소듐-터셔리-부톡사이드 9.57m몰, 트랜스-디(μ-아세타토)비스[(디-o-톨리포스포이노)벤질]-디팔라듐(II) 0.087m몰을 N,N-디메틸아세트아미드 50mL에 녹인 후, 80℃의 배쓰에서 24시간 교반을 시켰다. 반응이 종료가 되면 실리카 겔과 셀라이트를 이용하여 글라스 필터링 후 감압증류로 N,N-디메틸아세트아미드를 제거하였다. 그 후 디클로로메탄과 n-헥산을 사용하여 실리카 겔 컬럼 후 용매를 감압 증류하여 고체인 N-((4-트리메틸실릴)페닐)-N-페닐-4-(4-아미노스티릴)벤즈알데하이드 1.9g을 얻었다.
5) N-((4-트리메틸실릴)페닐)-N-페닐-4-((4-아미노스티릴)-2-시아노)-3-페닐아크릴릭 산의 제조
100ml 투-넥-둥근바닥플라스크에 N-((4-트리메틸실릴)페닐)-N-페닐-4-(4-아미노스티릴)벤즈알데하이드 4.2m몰, 2-시아노아세틱 산 6.3m몰, 피페리딘 10.5m몰을 아세토니트릴 50mL에 녹인 후 12시간 동안 환류 시켰다. 반응이 종료되면 아세토니트릴을 제거한 후 디클로로메탄과 메탄올을 이용하여 실리카 겔 컬럼 후 용매를 감압 증류한 후 메탄올에서 침전 후 여과시켜 고체인 N-((4-트리메틸실릴)페닐)-N-페닐-4-((4-아미노스티릴)-2-시아노)-3-페닐아크릴릭 산 2.1g을 얻었다.
실시예 2 : 염료 감응 태양전지의 제조
(1) 작업 전극 제작
FTO 글라스(Florine-doped tin oxide coated conduction glass, Pilkington, TEC7)를 2㎝×1.5㎝ 크기로 잘라 글라스 세정 세제로 초음파 분해 세척을 10분간 한 후 증류수를 사용하여 비눗물을 완전히 제거하였다. 그 후에 에탄올로 초음파 분해 세척을 15분간 2회 반복하였다. 그 후에 무수 에탄올로 완전히 헹군 후에 100℃ 오븐에서 건조시켰다. 이렇게 준비한 FTO 글라스 위에 TiO2나노파티클과의 접촉력을 향상시키기 위하여 70℃의 40mM 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 글라스 위에 스크린 프린터로 9mm×9mm 마스크(200메쉬)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 0.5mM 농도의 합성한 염료의 무수 에탄올 용액에 24시간 담궈 놓음으로써 염료를 흡착시킬 수 있다. (이때, 무수 에탄올에 염료가 녹지 않을 경우에는 녹일 수 있는 솔벤트를 사용할 수 있다.) 흡착이 끝난 후에 무수 에탄올로 흡착되지 않은 염료를 완전히 워싱해준 후 히트 건을 이용하여 건조시켰다.
(2) 상대 전극 제작
2㎝×1.5㎝ 크기의 FTO 글라스에 Φ0.7mm 다이아몬드 드릴(Dremel multipro395)을 이용해서 전해질이 들어갈 구멍을 두 개 뚫었다. 그 후에 작업 전극에서 제시했던 세척 방법과 동일한 방법으로 세척한 후 건조시켰다. 그 후 하이드로겐 헥사클로로플라티네이트(H2PtCl6)2-프로판올 용액을 FTO 글라스에 입힌 후 450℃에서 60분간 소성하였다.
(3) 샌드위치 셀 제작
작업 전극과 상대 전극 사이에 사각형 띠 모양으로 자른 슈린(Surlyn, SX1170-25 Hot Melt)을 놓고 클립과 100℃오븐을 이용하여 두 전극을 서로 붙인 후에 상대 전극에 있는 2개의 작은 구멍을 통해 전해질을 주입한 후 슈린 스티립과 커버 글라스로 실링하여 샌드위치 셀을 제작하였다. 이때, 전해질 용액으로는 0.1M Lil, 0.05M l2, 0.6M 1-헥실-2,3-디메틸이미드아졸륨 아이오다이드와 0.5M 4-터셔리-부틸피리딘을 3-메톡시프로피오니트릴 용매로하여 제조하였다.
(4) 포토커런트-전압(Photocurrent-voltage) 측정
상기에서 제작한 샌드위치 셀에서 AM 1.5 solar simulating filter를 장착한 Xe 램프(Oriel, 300W Xe arc lamp)로 빛을 조사하여 M236 source measure unit(SMU, Keithley)를 사용하여 전류-전압 곡선을 얻었다. 전위의 범위는 -0.8V에서 0.2V까지이고, 빛의 세기는 100mW/㎠으로 하였다.
이하, 전술한 실시예들에 따라 제조된 태양전지를 제조한 실험예들을 개시한다.
<실험예 1>
하기의 화학식 2로 나타나는 염료를 사용하여 태양 전지를 제조하였다.
Figure 112008081283891-PAT00015
<실험예 2>
하기의 화학식 3으로 나타나는 염료를 사용하여 태양 전지를 제조하였다.
Figure 112008081283891-PAT00016
<실험예 3>
하기의 화학식 4로 나타나는 염료를 사용하여 태양 전지를 제조하였다.
Figure 112008081283891-PAT00017
<비교예>
하기의 화학식 5로 나타나는 염료를 사용하여 태양 전지를 제조하였다.
Figure 112008081283891-PAT00018
상기 실험예 1 내지 3 및 비교예에 따라 제조된 염료 감응 태양전지의 Jsc(short-circuit photocurrent density), Voc(open circuit voltage), FF(fill factor), 광전변환효율(PCE)을 측정하여 하기의 표 1에 나타내었다. 이때, 상기 실험예들 및 비교예는 각각 동일한 조건 하에 2번씩 측정하였다.
# Area(㎠) Jsc(mA) Voc(V) FF(%) PCE(%)
실험예 1
 1 0.271 12.10 0.625 70.02 5.30
2 0.270 12.32 0.653 71.23 5.73
실험예 2
 1 0.274 12.42 0.648 71.56 5.76
2 0.273 12.57 0.646 71.41 5.80
실험예 3
 1 0.272 11.78 0.652 71.29 5.47
2 0.275 11.81 0.671 72.71 5.76
비교예
 1 0.270 16.21 0.755 71.4 8.73
2 0.270 15.9 0.779 71.9 8.90
상기 표 1에 나타나는 바와 같이, 본원 발명의 실험예 1 내지 3에 따라 제조된 태양전지는 비교예에 준하는 개방전압(Voc)을 나타내며, 현재까지 효율이 가장 높은 염료(N719)를 사용한 비교예에 비해 80%에 준하는 광전변환효율(PCE)을 보였다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 염료 감응 태양전지용 염료 및 이를 포함하는 태양전지는 종래 제조단가가 비싼 유기금속계 태양전지에 비해 제조단가가 훨씬 저렴하면서 이에 준하는 광전변환 효율을 보이며 유기금속계 염료보다 수명이 향상될 수 있는 이점이 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 염료 감응 태양전지를 나타낸 도면.

Claims (8)

  1. 하기의 화학식 1의 구조를 갖는 염료 감응 태양전지용 염료.
    [화학식 1]
    Figure 112008081283891-PAT00019
    상기 식에서, X 및 Y는 각각 독립적으로 치환 또는 치환되지 않은 방향족 탄화수소기, 치환 또는 치환되지 않은 방향족 헤테로고리기 및 이들의 조합으로 이루어진 치환기이며, 여기서, 상기 X 및 Y 중 적어도 어느 하나는 알킬기 또는 아릴기로 치환된 실란 유도체를 포함하고, Z는 치환 또는 치환되지 않은 방향족 탄화수소기, 치환 또는 치환되지 않은 헤테로고리기, 비닐기, 치환 또는 치환되지 않은 폴리비닐기이며, A는 산성작용기일 수 있다.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 X 및 Y는 각각 독립적으로 치환 또는 치환되지 않은 탄소수 5 내지 20의 방향족 탄화수소기, 치환 또는 치환되지 않은 방향족 헤테로고리기 및 이들의 조합으로 이루어진 치환기이며, 여기서, 상기 X 및 Y 중 적어도 어느 하나는 알킬기, 알콕시기, 아릴기, 알케닐기, 아릴렌기, 알킬렌기로 치환된 실란 유도체를 포함하는 염료 감응 태양전지용 염료.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 X 및 Y는 알킬, 알콕시, 아릴기, 아릴렌기, 알킬렌기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 치환기를 포함하는 염료 감응 태양전지용 염료.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 Z는 티오펜, 비닐기, 폴리비닐기, 벤젠, 나프탈렌, 안트라센, 플루오렌, 비페닐, 피란, 피롤, 카바졸 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 치환기를 포함하는 염료 감응 태양 전지용 염료.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 Z는 알킬, 알콕시, 아릴기, 알케닐기, 아릴렌기, 알킬렌기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 치환기인 염료 감응 태양전지용 염료.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 A는 카르복시산기, 아인산기, 슐폰산기, 포스핀산기, 히드록시산기, 옥 시카르복시산 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 치환기를 포함하는 염료 감응 태양전지용 염료.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 X-N-Y는 하기 화합물 중 어느 하나인 염료 감응 태양전지용 염료.
    Figure 112008081283891-PAT00020
    여기서, R은 각각 독립적으로 H 또는 C1 내지 C8인 알킬기, 알콕시기, 아릴기, 알케닐기, 아릴렌기, 알킬렌기이고,
    Figure 112008081283891-PAT00021
    여기서, R은 각각 독립적으로 H 또는 C1 내지 C8인 알킬기, 알콕시기, 아릴기, 알케닐기, 아릴렌기, 알킬렌기이고,
    Figure 112008081283891-PAT00022
    여기서, R은 각각 독립적으로 H 또는 C1 내지 C8인 알킬기, 알콕시기, 아릴기, 알케닐기, 아릴렌기, 알킬렌기이고,
    Figure 112008081283891-PAT00023
    여기서, R은 각각 독립적으로 H 또는 C1 내지 C8인 알킬기, 알콕시기, 아릴기, 알케닐기, 아릴렌기, 알킬렌기이고,
    Figure 112008081283891-PAT00024
    여기서, R1 및 R2는 H 또는 C1 내지 C8인 알킬기, 알콕시기, 아릴기, 알케닐기, 아릴렌기, 알킬렌기일 수 있다.
  8. 제 1항에 기재된 염료를 포함하는 염료 감응 태양전지.
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