KR20110044160A - 고분자 공흡착제를 갖는 염료감응형 태양전지용 광전극 - Google Patents

고분자 공흡착제를 갖는 염료감응형 태양전지용 광전극 Download PDF

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Abstract

본 발명은 염료감응형 태양전지용 광전극에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 염료가 흡착된 반도체 산화물층을 포함하는 염료감응형 태양전지용 광전극에 있어서, 상기 반도체 산화물층에 고분자 공흡착제가 흡착 또는 반응되어 있는 것을 특징으로 하며, 이에 따라 단분자 공흡착제 보다 넓은 면적에 걸쳐 전자재결합 현상을 효과적으로 차단하여 염료감응형 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

고분자 공흡착제를 갖는 염료감응형 태양전지용 광전극{Photoelectrode with polymer co-adsorbent for dye-sensitized solar cell}
본 발명은 염료감응형 태양전지용 광전극에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 전자재결합을 효과적으로 차단할 수 있는 고분자 공흡착제를 갖는 염료감응형 태양전지용 광전극에 관한 것이다.
태양전지는 광전효과에 의해 태양에너지를 전기에너지로 변환시키는 전기 발생 장치로서, 소재에 따라 실리콘 태양전지, 화합물 반도체 태양전지, 적층형 태양전지, 나노 태양전지 등이 있으며, 최근에 염료감응형 태양전지가 기존의 실리콘 태양전지에 비하여 제조 단가가 낮고, 셀의 투명 특성, 플렉서블 특성(flexibility)이 좋은 전지의 제조가 가능하여 주목을 받고 있다.
염료감응형 태양전지의 가장 기본적인 구조는, 반도체로서 이산화티탄을 주성분으로 하는 나노입자가 코팅된 광전극, 전해질, 백금 상대전극으로 나눌 수 있으며, 상기 광전극에 코팅된 이산화티탄 나노입자에 태양광을 흡수하는 염료가 흡착되어 있다.
이산화티탄과 같은 반도체가 코팅된 광전극을 염료용액에 담그면 염료의 카르복실기가 반도체와 화학적으로 결합하여, 염료는 반도체의 표면에 흡착되고 빛을 받아서 전자를 생산하게 된다. 반도체의 표면에 염료가 흡착될 때 염료는 반도체의 표면에 완벽하게 증착하지 못하고, 반도체 표면의 약 70% 정도만 흡착하고, 30% 정도는 전해질에 그대로 노출이 되는데, 이때 염료가 흡착되지 않은 반도체의 표면이 염료감응형 태양전지의 전해질과 직접 닿게 되면 전자재결합이 일어나게 되어, 염료에서 발생된 전자는 반도체를 따라서 광전극으로 흘러가지 못하고 전해질로 흘러 들어가서, 이러한 전자의 흐름은 태양전지의 구동에 좋지 않은 영향을 미치게 된다.
이러한 전자재결합 문제를 해결하기 위하여, 염료가 흡착되지 않은 반도체의 표면을 공흡착제(coadsorbent)를 이용하여 전해질과 직접 닿지 않게 하는 방법이 제시되었다. 예를 들어, 공흡착제로서 암모니아, 4-ter-butylpyridine, chenodeoxylcholate, HDMA, DPA(1-decylphosphonic acid), 4-Guanidinobutyric Acid 등의 단분자가 사용되어 왔다.
본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 올리고머 수준 이상의 분자량을 가진 고분자계 공흡착제가 반도체산화물층에 흡착 또는 반응된 염료감응형 태양전지용 광전극을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상기 고분자계 공흡착제가 반도체산화물층 흡착 또는 반응된 광전극을 포함하는 염료감응형 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 해결하기 위하여, 염료가 흡착된 반도체 산화물층을 포함하는 염료감응형 태양전지용 광전극에 있어서, 상기 반도체 산화물층에 하기 화학식 (1)의 고분자 공흡착제가 흡착 또는 반응되어 있는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 광전극을 제공한다.
R 1 - P - L - R 2 .........(1)
상기 식에서,
P는 수평균 분자량(Mn)이 500 - 5,000인 고분자이고,
L은 (CH2)n (n = 0 - 12의 정수) 또는 (C6H4)n (n = 0 - 3의 정수) 또는 이들의 혼합 구조를 갖는 연결기이며,
R1 및 R2은 상기 반도체 산화물층에 흡착 또는 반응 가능한 작용기이다.
본 발명에 따른 광전극에서 반도체 산화물층은 TiO2 층인 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 고분자 P의 예시로는 폴리글리콜계, 폴리비닐계, 폴리올레핀계, 폴리에스테르계, 폴리아미드계, 폴리이미드계, 폴리스타이렌계, 폴리에테르계, 폴리실리콘계, 폴리불소계, 나일론계, 폴리우레탄계 고분자 등을 들 수 있다.
보다 구체적으로 상기 고분자 P는 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌, 폴리이소부틸렌, 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌아민, 폴리비닐아세테이트, 아라미드, 폴리이미드, 폴리스타이렌, 폴리스타이렌공중합체, 폴리페닐렌설파이드, 폴리메틸메타크릴레이트, 실리콘중합체, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리우레탄을 사용하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 고분자(P)의 일말단기인 R1은 -H, -CH3, -OH, -COOH,
Figure pat00001
,
Figure pat00002
또는
Figure pat00003
중에서 선택되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 고분자(P)의 말단기(R2)는 광전극의 TiO2 반도체층에 흡착 또는 반응될 수 있도록 카르복실기, 포스포늄기, 술폰기, 말레산기, 숙신산기,
Figure pat00004
또는
Figure pat00005
와 같은 산(acid) 작용기 중에서 선택되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 고분자 공흡착제의 분자 반경은 1 nm ~ 10 nm 인 것이 바람직하며, 상기 TiO2 반도체 100 중량부에 대하여 상기 공흡착제는 30 내지 50 중량부가 흡착 또는 반응되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 해결하기 위하여, 염료 및 상기 화학식 (1)의 고분자 공흡착제가 흡착 또는 반응되어 있는 반도체 산화물층을 포함하는 광전극을 채용한 염료감응형 태양전지를 제공한다. 이때, 상기 반도체 산화물층은 TiO2 반도체층인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 고분자 공흡착제를 사용한 염료감응형 태양전지용 광전극은 단분자 공흡착제와 달리 고분자 사슬의 길이가 길어서 TiO2 반도체층의 넓은 영역을 차지하므로, 전해질 중 I3 -가 염료에서 생성된 전자와 재결합하는 것을 효과적으로 차단할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고분자 공흡착제에 의해 전자 재결합이 차단되는 원리를 보여주는 개요도이다.
도 2 내지 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 고분자 공흡착제를 사용한 염료감응형 태양전지용 광전극의 효율을 나타내는 그래프이다
이하 실시예 및 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명의 기술적 특징을 설명하는 개요도가 나타나있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고분자 공흡착제는 단분자에 비해 사슬의 길이가 길기 때문에 TiO2 반도체 표면에 넓은 범위에 걸쳐 흡착 또는 반응할 수 있다. 따라서 전해질 중 I3 - 이온이 염료에서 생성된 전자와 재결합하는 것을 더욱 효과적으로 차단할 수 있다. 또한 엔트로피가 높기 때문에 TiO2 기공 속으로 더 잘 들어갈 수 있다. 이와 같이 고분자 공흡착제가 흡착 또는 반응된 광전극을 사용하면 궁극적으로 태양전지의 효율을 증가시킬 수 있다.
본 발명은 염료가 흡착된 반도체 산화물층을 포함하는 염료감응형 태양전지용 광전극으로서, 반도체 산화물층에 하기 화학식 (1)의 고분자 공흡착제가 흡착 또는 반응되어 있는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 광전극에 관한 것이다.
R 1 - P - L - R 2 .............(1)
상기 식에서,
P는 수평균 분자량(Mn)이 500 - 5,000인 고분자이고,
L은 (CH2)n (n = 0 - 12의 정수) 또는 (C6H4)n (n = 0 - 3의 정수) 또는 이들의 혼합 구조를 갖는 연결기이며,
R1 및 R2는 상기 반도체 산화물층에 흡착 또는 반응가능한 작용기이다.
본 발명에 따른 광전극에서 반도체 산화물층은 TiO2 층인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 공흡착제에 사용될 수 있는 고분자(P)는 반복단위의 수가 20-100 정도로서, 수평균 분자량(Mn)이 500 내지 5000 정도인 고분자가 적당하다. 이는 고분자 반복단위의 수가 20-100 정도 또는 수평균 분자량이 500 내지 5000 정도인 고분자가 염료감응형 태양전지에서 전하이동층으로 주로 사용되는 TiO2 기공안으로의 침투가 용이하기 때문이다. 통상 TiO2 기공의 직경은 15nm 내외로서 시스템에 따라 달라질 수 있는데, 고분자 반복단위가 20 이하 또는 수평균 분자량이 500 이하인 경우에는 TiO2의 패시베이션(passivation)이 충분히 이루어지지 않을 수 있고, 반복단위가 100 이상이거나 수평균 분자량이 5000 이상인 경우에는 TiO2의 기공침투 또는 TiO2 흡착 혹은 반응이 용이하지 않아 성능 개선 효과가 낮을 수 있다.
본 발명에서 사용가능한 고분자의 예시로는 폴리글리콜계, 폴리비닐계, 폴리올레핀계, 폴리에스테르계, 폴리아미드계, 폴리이미드계, 폴리스타이렌계, 폴리에테르계, 폴리실리콘계, 폴리불소계, 나일론계, 폴리우레탄계 고분자 등을 들 수 있다. 보다 구체적으로 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌, 폴리이소부틸렌, 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌아민, 폴리비닐아세테이트, 아라미드, 폴리이미드, 폴리스타이렌, 폴리스타이렌공중합체, 폴리페닐렌설파이드, 폴리메틸메타크릴레이트, 실리콘중합체, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리우레탄 등을 선택하는 것이 바람직하다.
이 중에서 폴리스타이렌의 경우에는 소수성 고분자로서, 물의 접근을 막아서 전하이동층에 흡착된 염료의 탈착을 저지할 수 있어 더욱 바람직하다.
또한 사용되는 고분자의 일말단기에 해당하는 R1은 -H, -CH3, -OH, -COOH,
Figure pat00006
,
Figure pat00007
또는
Figure pat00008
중에서 선택되는 것이 바람직하다.
또한 반도체 산화물층에 고분자가 흡착 또는 반응될 수 있도록 고분자 사슬의 말단기 R2는 카르복실기, 포스포늄기, 술폰기, 말레산기, 숙신산기,
Figure pat00009
또는
Figure pat00010
와 같은 산(acid) 작용기 중에서 선택되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 고분자(P)와 산 작용기(R2)를 연결하는 연결기 L은 사용하여도 되고, 사용하지 않을 수도 있으며, 지방족 또는 방향족 연결기로서 예를 들어 에틸렌기-(CH2)n (n = 0 - 12의 정수) 또는 페닐렌기-(C6H4)n (n = 0 - 3의 정수) 또는 이들이 혼합된 작용기를 사용하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 사용되는 고분자 공흡착제의 분자 반경은 1 nm ~ 10 nm 범위인 것이 바람직하며, TiO2 반도체 100 중량부에 대하여 고분자 공흡착제는 30 내지 50 중량부 흡착 또는 반응되어 있는 것이 바람직하다. 고분자 공흡착제의 분자 반경이 상기 범위를 벗어나는 경우에는 TiO2 층 흡착 또는 반응에 비효율적이며, 고분자 공흡착제의 함량이 상기 30 중량부 이하인 경우에는 전자 재결합 효과를 발휘하기 어렵고, 50 중량부 이상인 경우에는 오히려 염료의 흡착량이 줄어들 수 있어 태양전지의 효율이 떨어진다.
이하에서는 실시예를 통해 본 발명에 따른 고분자 공흡착제가 사용된 광전극의 제조 방법을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 실시예에 기재된 내용은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.
실시예 1: 폴리에틸렌글리콜 공흡착제를 사용한 광전극
도전층으로 FTO(Fluorine-doped Tin Oxide)가 코팅된 투명기판 위에 TiO2를 닥터블레이드 방식으로 2회 코팅한 후, 450℃에서 30분간 소성하여, 약 12μm두께의 TiO2 반도체 층이 형성된 광전극을 제조하였다.
아세토니트릴과 t-부탄올이 1:1의 부피비로 섞인 용매에 루테늄계 염료인 N719(Ru(dcbpy)2(NCS)2 containing 2 protons)를 0.3 mM로 녹인 염료 용액을 준비하고, 18시간 동안 상기 광전극을 담가 반도체 TiO2에 염료를 흡착시켰다. 염료용액에서 꺼낸 상기 광전극에서 흡착되지 않은 N719 염료는 용매 아세토니트릴로 씻어내고 질소로 불어낸 후 상온에서 건조하였다.
고분자 공흡착제로 Mn = 2,500, 말단기(R1)로 페닐기를 갖는 폴리에티렌글리콜과, L = (CH2)3, R2는 숙신산인 R1 - P - L - R2 형태로 합성된 고분자 공흡착제를 준비하였다. 상기 고분자 공흡착제를 아세토니트릴에 10 mM농도로 용해시킨 후, 상기 염료가 흡착된 광전극을 18시간 동안 담가 공흡착제를 흡착 또는 반응시켰다. 공흡착제 용액에서 꺼낸 전극에서 흡착 또는 반응되지 않은 공흡착제는 아세토니트릴로 씻어내고 질소로 불어낸 후 상온에서 건조하였다.
실시예 2: 폴리프로필렌 공흡착제를 사용한 광전극
P는 Mn = 4,000의 폴리프로필렌, L = (CH2)3, R2 = 포스포늄기를 사용하였으며, 상기에서 제조된 고분자 공흡착제를 아세토니트릴에 0.3 mM의 농도로 용액을 제조하여 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 3: 폴리이소부틸렌 공흡착제를 사용한 광전극
P는 Mn = 4,000의 폴리이소부틸렌, L = (CH2)3, R2 = 포스포늄기를 사용하였으며, 상기에서 제조된 고분자 공흡착제를 아세토니트릴에 0.3 mM의 농도로 용액을 제조하여 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 4: 폴리부타디엔 공흡착제를 사용한 광전극
P는 Mn = 4,000의 폴리부타디엔, L = (CH2)3, R2 = 말레산기를 사용하였으며, 상기에서 제조된 고분자 공흡착제를 아세토니트릴에 0.3 mM의 농도로 용액을 제조하여 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 5: 폴리이소프렌를 사용한 광전극를 사용한 광전극
P는 Mn = 4,000의 폴리이소프렌, L = (CH2)3, R2 = 말레산기를 사용하였으며, 상기에서 제조된 고분자 공흡착제를 아세토니트릴에 0.3 mM의 농도로 용액을 제조하여 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 6: 폴리카보네이트 공흡착제를 사용한 광전극
P는 Mn = 5000의 폴리카보네이트, L = (C6H5)2, R2 = 숙신산기를 사용하였으며, 상기에서 제조된 고분자 공흡착제를 톨루엔에 0.5 mM의 농도로 용액을 제조하여 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 7: 폴리에틸렌테레프탈레이트 공흡착제를 사용한 광전극
P는 Mn = 3000의 폴리에틸렌테레프탈레이트, L = -C6H5, R2 = 카르복실기를 사용하였으며, 상기에서 제조된 고분자 공흡착제를 톨루엔에 1 mM의 농도로 용액을 제조하여 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 8: 폴리아크릴로니트릴 공흡착제를 사용한 광전극
P는 Mn = 2000의 폴리아크릴로니트릴, L = (-C6H5)3, R2 =
Figure pat00011
를 사용하였으며, 상기에서 제조된 고분자 공흡착제를 아세토니트릴에 0.3 mM의 농도로 용액을 제조하여 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 9: 폴리에틸렌나프탈레이트 공흡착제를 사용한 광전극
P는 Mn = 2000의 폴리에틸렌나프탈레이트, L = (-C6H5)3, R2 =
Figure pat00012
를 사용하였으며, 상기에서 제조된 고분자 공흡착제를 톨루엔에 0.3 mM의 농도로 용액을 제조하여 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 10: 폴리에틸렌아민 공흡착제를 사용한 광전극
P는 Mn = 5000의 폴리에틸렌아민, L = (-CH2)3, R2 =
Figure pat00013
를 사용하였으며, 상기에서 제조된 고분자 공흡착제를 아세토니트릴에 0.3 mM의 농도로 용액을 제조하여 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 11: 폴리비닐아세테이트를 사용한 광전극
P는 Mn = 2500의 폴리비닐아세테이트, L = (-C6H5)2, R2 = -COOH를 사용하였으며, 상기에서 제조된 고분자 공흡착제를 아세토니트릴에 0.3 mM의 농도로 용액을 제조하여 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 12: 아라미드 공흡착제를 사용한 광전극
P는 Mn = 3500의 아라미드, L = (-C6H5)2, R2 = -COOH를 사용하였으며, 상기에서 제조된 고분자 공흡착제를 톨루엔에 0.3 mM의 농도로 용액을 제조하여 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 13: 폴리이미드 공흡착제를 사용한 광전극
P는 Mn = 3000의 폴리이미드, L = (-C6H5)2, R2 = -COOH를 사용하였으며, 상기에서 제조된 고분자 공흡착제를 톨루엔에 0.3 mM의 농도로 용액을 제조하여 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 14: 폴리스타이렌 공흡착제를 사용한 광전극
P는 Mn = 5000의 폴리스타이렌, L = -C6H5, R2 = -COOH를 사용하였으며, 상기에서 제조된 고분자 공흡착제를 톨루엔에 0.5 mM의 농도로 용액을 제조하여 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 15: SBS ( 스타이렌 -부타디엔- 스타이렌 공중합체) 공흡착제를 사용한 광전극
P는 Mn = 2500의 SBS, L = -C6H5, R2 =
Figure pat00014
를 사용하였으며, 상기에서 제조된 고분자 공흡착제를 톨루엔에 0.3 mM의 농도로 용액을 제조하여 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 16: 폴리페닐렌설파이드 공흡착제를 사용한 광전극
P는 Mn = 3000의 폴리페닐렌설파이드, L = (-C6H5)2, R2 = -COOH를 사용하였으며, 상기에서 제조된 고분자 공흡착제를 톨루엔에 0.3 mM의 농도로 용액을 제조하여 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 17: 폴리메틸메타크릴레이트 공흡착제를 사용한 광전극
P는 Mn = 4000의 폴리메타크릴레이트, L = (-C6H5)2, R2 = -COOH를 사용하였으며, 상기에서 제조된 고분자 공흡착제를 아세토니트릴에 0.3 mM의 농도로 용액을 제조하여 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 18: 실리콘중합체 공흡착제를 사용한 광전극
P는 Mn = 5000의 실리콘중합체, L = (CH2)3, R2 = -COOH를 사용하였으며, 상기에서 제조된 고분자 공흡착제를 아세토니트릴에 0.3 mM의 농도로 용액을 제조하여 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 19: 폴리테트라플루오로에틸렌 공흡착제를 사용한 광전극
P는 Mn = 4000의 폴리테트라플루오로에틸렌, L = (CH2)3, R2 = -COOH를 사용하였으며, 상기에서 제조된 고분자 공흡착제를 아세토니트릴에 0.3 mM의 농도로 용액을 제조하여 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 20: 나일론 공흡착제를 사용한 광전극
P는 Mn = 3000의 나일론, L = (CH2)3, R2 = 숙신산기를 사용하였으며, 상기에서 제조된 고분자 공흡착제를 아세토니트릴에 0.3 mM의 농도로 용액을 제조하여 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 21: 폴리우레탄 공흡착제를 사용한 광전극
P는 Mn = 2000의 폴리우레탄, L = (-C6H5)2, R2 = -COOH를 사용하였으며, 상기에서 제조된 고분자 공흡착제를 톨루엔에 0.3 mM의 농도로 용액을 제조하여 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 22: 폴리에틸렌글리콜 공흡착제를 사용한 광전극
P는 Mn = 2500의 폴리에틸렌글리콜), L = 사용 안함, R2 = 숙신산기를 사용하였으며, 상기에서 제조된 고분자 공흡착제를 아세트니트릴에 10 mM의 농도로 용액을 제조하여 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 23: 폴리스타이렌 공흡착제를 사용한 광전극
폴리스타이렌 공흡착제는 원자 전이 라디칼 중합법(atom transfer radical polymerization: ATRP)을 이용하여 합성하였으며, 카르복실기를 말단기로 하는 폴리스타이렌 즉, P는 Mn = 5000의 폴리스타이렌, R2 = -COOH를 사용하였으며, 상기에서 제조된 고분자 공흡착제를 톨루엔에 0.5 mM의 농도로 용액을 제조하여 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
비교예 : 공흡착제 미사용 광전극
고분자 공흡착제를 사용하지 않은 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 광전극을 제조하였다.
실험예 : 전지 성능 실험
용매 아세토니트릴에 MPII(1-methyl-3-propylimidazolium iodide) 0.5 M, I2 0.05 M의 농도로 용해시켜서 액체형 전해질을 제조하였으며, 상대전극은 이소프로판올 용매에 염화백금산(chloroplatinic acid)을 0.01 M 농도로 녹여서 만든 용액을 스핀코팅 방식으로 FTO전극에 코팅한 후, 450℃에서 30분간 소성하여 제조하였다. 두께가 25 μm 정도 되는 설린(Surlyn, hot melt sealing material)을 이용하여 실험예 1 내지 실험예 23 및 비교예의 광전극과 구멍이 뚫려 있는 상대전극을 전도성 면이 맞닿도록 한 후 90℃ 정도의 열 압착을 가하여, 광전극과 상대전극을 접합한 후, 상대전극에 미리 뚫어 놓은 구멍을 이용하여 전해질을 주입하고 슬라이드 글라스를 이용하여 구멍을 막아 염료감응형 태양전지를 완성하였다.
상기 샘플들에 대하여 개방전압(open-circuit voltage), 단락전류(short-circuit current), 필팩터(fill factor) 및 효율을 측정하였으며, 그 결과 첨부한 도 2와 하기의 [표 1]과 같았다.
샘플명 개방전압
(V)		 단락전류
(mA/cm2)		 FF
(Fill Factor)		 효율(%)
비교예 0.670 8.80 0.72 4.29
실시예 1 0.676 13.47 0.72 6.60
실시예 2 0.731 9.19 0.73 4.92
실시예 3 0.666 9.12 0.72 4.35
실시예 4 0.735 9.82 0.71 5.10
실시예 5 0.718 10.78 0.74 5.70
실시예 6 0.676 8.80 0.72 4.30
실시예 7 0.624 11.95 0.71 5.32
실시예 8 0.723 10.35 0.71 5.33
실시예 9 0.756 9.46 0.72 5.17
실시예 10 0.664 9.09 0.73 4.43
실시예 11 0.757 9.46 0.72 5.17
실시예 12 0.731 9.19 0.73 4.92
실시예 13 0.660 10.66 0.72 5.04
실시예 14 0.640 14.90 0.69 6.54
실시예 15 0.660 10.66 0.72 5.04
실시예 16 0.735 9.82 0.71 5.10
실시예 17 0.718 10.78 0.74 5.70
실시예 18 0.639 11.64 0.72 5.34
실시예 19 0.723 10.35 0.71 5.33
실시예 20 0.623 12.24 0.69 5.28
실시예 21 0.714 12.85 0.69 6.36
실시예 22 0.723 11.64 0.72 6.08
실시예 23 0.700 11.84 0.71 5.86
상기 표 1의 결과와 같이 본 발명과 같이 고분자 공흡착제를 사용한 경우, 고분자 공흡착제를 사용하지 않은 비교예에 비하여 효율이 증가하였음을 알 수 있었다.
도 2 내지 도 4에는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전압과 전류 변화 그래프가 도시되어 있다. 이러한 전류, 전압 특성을 고려하여 흡착제가 사용되는 태양전지 시스템에 맞는 공흡착제를 채용할 수 있을 것이다.
구체적으로 본 발명에 따른 공흡착제의 기능으로는 반도체 전하이동층의 밴드 변화, 반도체 전하이동층 패시베이션(passivation), 염료간의 응집 방지, 염료와의 상호작용 등을 들 수 있다.
이 중에서 반도체 전하이동층의 밴드 변화에 따라 개방전압 상승, 단락전류 감소 혹은 개방전압 감소, 단략전류 상승의 일어날 수 있다. 또한 반도체 전하이동층 패시베이션을 통해서는 전하이동층의 전자와 전해질의 산화/환원쌍의 전자재결합 반응을 감소시켜 주로 개방전압의 상승 효과를 기대할 수 있다.
한편 염료의 응집을 억제하게 되면 효율적인 염료수의 증가로 인해 광전환 효율이 증가하여 단락전류의 상승을 기대할 수 있으며, 염료와의 상호작용은 공흡착제의 dipole에 따라서 염료의 전자 생산 및 전달 메커니즘에 영향을 주어 단락전류의 변화에 영향을 줄 수 있다.
도 2 내지 도 4의 그래프에 나타난 개방전압과 단락전류의 변화는 이러한 공흡착제의 복합적인 작용에 의해서 변화될 수 있으며, 염료감응 태양전지의 시스템(전해질, 염료, 전하이동층, 촉매전극의 종류 등)에 따라서 높은 개방전압을 갖는 것이 유리한 경우가 있을 수 있고, 높은 단락 전류를 갖는 게 유리할 수 있다. 따라서 이러한 변수를 고려하여 시스템에 맞는 특성을 가진 공흡착제를 이용하면 그 효과가 더욱 증대될 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 염료가 흡착된 반도체 산화물층을 포함하는 염료감응형 태양전지용 광전극에 있어서, 상기 반도체 산화물층에 하기 화학식 (1)의 고분자 공흡착제가 흡착 또는 반응되어 있는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 광전극:
    R 1 - P - L - R 2 .............(1)
    상기 식에서,
    P는 수평균 분자량(Mn)이 500 - 5,000인 고분자이고,
    L은 (CH2)n (n = 0 - 12의 정수) 또는 (C6H4)n (n = 0 - 3의 정수) 또는 이들의 혼합 구조를 갖는 연결기이며,
    R1 및 R2은 상기 반도체 산화물층에 흡착 또는 반응가능한 작용기이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 산화물층은 TiO2층인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 광전극.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 P는 폴리글리콜계, 폴리비닐계, 폴리올레핀계, 폴리에스테르계, 폴리아미드계, 폴리이미드계, 폴리스타이렌계, 폴리에테르계, 폴리실리콘계, 폴리불소계, 나일론계, 폴리우레탄계 고분자로 이루어진 군중에서 선택된 고분자인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 광전극.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 P는 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌, 폴리이소부틸렌, 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌아민, 폴리비닐아세테이트, 아라미드, 폴리이미드, 폴리스타이렌, 폴리스타이렌공중합체, 폴리페닐렌설파이드, 폴리메틸메타크릴레이트, 실리콘중합체, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리우레탄으로 이루어진 군중에서 선택된 고분자인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 광전극.
  5. 제1항에서,
    상기 R1은 -H, -CH3, -OH, -COOH,
    Figure pat00015
    , 또는
    Figure pat00017
    중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 광전극.
  6. 제1항에서,
    상기 R2는 카르복실기, 포스포늄기, 술폰기, 말레산기, 숙신산기,
    Figure pat00018
    또는
    Figure pat00019
    중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 광전극.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 공흡착제의 반경은 1 nm ~ 10 nm 인 것을 특징으로 염료감응형 태양전지용 광전극.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 TiO2 반도체 100 중량부에 대하여 상기 공흡착제가 30 내지 50 중량부가 흡착 또는 반응되어 있는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 광전극.
  9. 염료 및 고분자 공흡착제가 흡착 또는 반응된 반도체 산화물층을 포함하는 제1항에 따른 광전극을 채용한 염료감응형 태양전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 반도체 산화물층은 TiO2층인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
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