KR20110105449A - 염료감응태양전지용 고분자전해질 및 이를 이용한 염료감응태양전지의 제조방법 - Google Patents

염료감응태양전지용 고분자전해질 및 이를 이용한 염료감응태양전지의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20110105449A
KR20110105449A KR1020100024570A KR20100024570A KR20110105449A KR 20110105449 A KR20110105449 A KR 20110105449A KR 1020100024570 A KR1020100024570 A KR 1020100024570A KR 20100024570 A KR20100024570 A KR 20100024570A KR 20110105449 A KR20110105449 A KR 20110105449A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
dye
sensitized solar
solar cell
polymer electrolyte
solar cells
Prior art date
Application number
KR1020100024570A
Other languages
English (en)
Inventor
심창훈
김상필
문기정
Original Assignee
도레이첨단소재 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 도레이첨단소재 주식회사 filed Critical 도레이첨단소재 주식회사
Priority to KR1020100024570A priority Critical patent/KR20110105449A/ko
Priority to EP10840218.1A priority patent/EP2385559B1/en
Priority to JP2012505804A priority patent/JP5445987B2/ja
Priority to PCT/KR2010/001751 priority patent/WO2011115319A1/ko
Priority to US13/254,241 priority patent/US8263428B2/en
Priority to CN201080009780.6A priority patent/CN102334195B/zh
Publication of KR20110105449A publication Critical patent/KR20110105449A/ko

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/20—Light-sensitive devices
    • H01G9/2004—Light-sensitive devices characterised by the electrolyte, e.g. comprising an organic electrolyte
    • H01G9/2009—Solid electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/20—Light-sensitive devices
    • H01G9/2027—Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode
    • H01G9/2031—Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode comprising titanium oxide, e.g. TiO2
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/20—Light-sensitive devices
    • H01G9/2059—Light-sensitive devices comprising an organic dye as the active light absorbing material, e.g. adsorbed on an electrode or dissolved in solution
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/542—Dye sensitized solar cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 염료감응태양전지용 고분자전해질 및 이를 이용한 염료감응태양전지의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 종래의 액상전해질을 사용하는 염료감응태양전지의 최대 단점인 누액을 원천적으로 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 고분자전해질과 비교해 높은 광전환효율을 나타내고, 대면적의 염료감응태양전지나 플렉시블(flexible) 염료감응태양전지의 제조공정에 적용할 수가 있는 등의 우수한 염료감응태양전지용 고분자전해질 및 이를 이용한 염료감응태양전지의 제조방법에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명에 따른 염료감응태양전지용 고분자전해질은 열경화형 에폭시수지, 이미다졸계 경화촉진제 및 금속염을 포함하는 것을 특징으로 하고, 염료감응태양전지용 고분자전해질을 이용한 염료감응태양전지의 제조방법은 상기 염료감응태양전지용 고분자전해질을 사용하되, 상기 염료감응태양전지용 고분자전해질을 작동전극과 상대전극간의 접착물로 이용하고 최종적인 접합의 형태가 고체상을 유지하는 것을 특징으로 한다.

Description

염료감응태양전지용 고분자전해질 및 이를 이용한 염료감응태양전지의 제조방법{Polymer Electrolytes and Preparation of Modules for Dye-Sensitized Solar Cells Using the Same}
본 발명은 염료감응태양전지용 고분자전해질 및 이를 이용한 염료감응태양전지의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 종래의 액상전해질을 사용하는 염료감응태양전지의 최대 단점인 누액을 원천적으로 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 고분자전해질과 비교해 높은 광전환효율을 나타내고, 대면적의 염료감응태양전지나 플렉시블(flexible) 염료감응태양전지의 제조공정에 적용할 수가 있는 등의 우수한 염료감응태양전지용 고분자전해질 및 이를 이용한 염료감응태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
최근, 태양전지(photovoltaic, or solar cell)시장은 전세계적인 대체에너지산업의 발굴 및 녹색성장정책에 맞물려 급속한 속도로 성장하고 있으며 이와 관련되어 태양전지의 모듈생산의 경우 매년 50%이상의 성장율을 기록할 것으로 예상되고 있으며, 나노마켓(Nanomarkets, a photovoltaic industry analyst, in Glen Allen, Va.)에 따르면, 태양전지모듈의 태양전지는 2008년에 6기가와트(GW)에서 2015년에는 34.7기가와트까지 성장할 것으로 전망되고 있다.
그러나 결정성실리콘을 사용하는 태양전지의 경우 제조공정이 매우 까다롭고 배치생산(batch production)에 따른 낮은 생산성으로 인해 모듈가격이 고가일 수밖에 없는 구조적 문제점들로 인해 최근에는 비정질실리콘을 사용하는 박막태양전지(thin-film solar cell)나 유연성이 좋으면서 얇고 가벼운 스테인레스스틸(stainless-steel)이나 폴리이미드(polyimide)를 기판으로 사용하여 실리콘을 증착하는 제품들이 개발되고 있으나, 이러한 제품들은 상대적으로 가볍고 원가를 낮출 수 있는 장점이 있는 반면 셀의 효율이 6%선으로 결정성실리콘 태양전지의 7~20%선에 미치지 못하고 있고 수명 또한 길지 못한 단점이 있다.
이와 같은 문제점으로 실리콘을 대신하여 유기물질의 광기전 현상을 이용한 태양전지에 대한 연구가 시도된 바 있으나 이러한 유기물질을 이용한 태양전지의 경우 에너지전환효율이 낮고 가장 중요하게는 내구성에 문제가 있었다. 1991년 스위스 연방공대의 그라첼(Gratzel) 교수는 감광성염료분자와 나노입자의 이산화티탄으로 이루어지는 소위 염료감응태양전지를 제안하였고 기존의 무기태양전지 중 비정질실리콘계열의 태양전지에 버금가는 10%정도의 높은 에너지전환효율을 발표하였다. 상기 염료감응태양전지의 경우 제조단가가 실리콘태양전지의 20%정도에 불과하여 상업화의 가능성이 매우 높은 것으로 알려져 있으며 본격적인 상용화를 위해 현재 전세계적으로 많은 연구들이 이루어지고 있다.
결국, 상기와 같은 태양전지의 개발과정을 보면 가장 중요하게는 실리콘 태양전지의 높은 제조단가와 셀 자체의 효율의 한계로 인한 낮은 경제성이 문제가 되고 있으며 이와 더불어 또한 중요하게는 생활속 대체에너지로서의 접근용이성을 가진 태양전지모듈의 개발이 절실해지고 있다. 실제 당업계에서 지금까지의 개발은 주로 실리콘 기반의 태양전지를 설치하는 분야에 집중되어 왔다고 한다면 향후 태양전지의 개발은 상기 염료감응태양전지, 유기태양전지 및 박막태양전지가 각각의 특성에 맞는 새로운 활용범위를 개척할 것으로 예상됨과 동시에 새로운 기술개발의 확대가 요구되어지고 있는데, 특히 실리콘 태양전지가 매우 강한 고광량하에서만 발전이 가능한 것에 비해 염료감응 태양전지는 직사광선량이 적은 저광량에서도 발전이 가능하기 때문에, 건물 벽이나 창문 등을 이용하여 발전하는 건물일체형 태양전지로는 실리콘 태양전지보다 오히려 효율적으로 전력을 생산할 수 있다. 따라서 향후 대규모 발전소용으로는 실리콘 태양전지가 계속 발전하더라도, 건물을 이용한 생활 속 태양광 발전의 많은 부분은 염료감응형 태양전지가 감당할 것으로 기대되고 있다. 이 밖에도 친환경성, 투명성과 채색성, 저광량에서의 실효율성 등으로 인해 실내조명을 이용한 각종 전자기기나 소형 모바일기기, 자동차, 심지어 의류분야까지 그 적용가능성이 예상되고 있어 상업화를 위한 당업계의 많은 연구들이 이루어지고 있다.
이러한 염료감응태양전지는 스위스의 Gratzel 교수가 식물의 광합성 작용에서 아이디어를 얻어 고안한 전지로써, 작동 전극(working electrode), 염료가 흡착된 이산화티탄과 같은 무기 산화물층, 액상전해질(liquid electrolyte), 상대전극(counter electrode)으로 구성되며 전극간의 광전기화학반응을 이용하여 광전기변환이 이루어지는데 이를 간단하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 작동 전극은 태양 빛을 받아 전자를 방출하는 염료분자가 부착된 나노크기의 산화물 반도체로 구성되어 있다. 외부의 빛이 염료에 닿으면, 염료에서 전자가 에너지를 얻어 높은 에너지의 전자가 되고, 이를 산화물 반도체가 받아 외부로 전달하게 되는데, 높은 에너지의 전자는 외부 회로를 타고 흐르면서 자신의 에너지를 소모하게 되고, 다시 상대 전극에 도달하게 된다. 전자를 방출한 작동 전극의 염료는 전해질을 통해 다시 전자를 받게 되고 이러한 염료의 산화환원과정이 전해질내부의 이온전달을 통해 에너지 공급과정에 연속적으로 이루어지게 된다.
따라서, 이온을 통한 전자의 전달이 이루어지는 전해질의 역할은 매우 중요하며 특히 전극과 전해질간의 접촉면적은 전력의 생산량을 좌우하게 된다. 즉 접촉면적이 넓을수록 많은 반응이 빠르게 진행될 수 있고 많은 양의 염료를 부착시킬 수가 있기 때문에 각각의 전극의 소재로 나노 입자를 사용하게 되는데, 나노 입자를 사용하는 경우, 동일 부피에서 물질의 표면적이 극단적으로 증가하기 때문에 많은 양의 염료를 표면에 부착할 수 있고, 전극과 전해질 사이의 전기화학 반응의 속도를 증가시킬 수 있다. 일반적으로 작동 전극을 형성하는 이산화티탄 반도체산화물전극의 경우, 20~50nm 수준의 나노입자가 10~20㎛ 두께로 도포되어 있고, 그 표면에 염료를 부착시키게 된다. 아울러 상대전극은 10nm 미만의 크기를 갖는 백금 입자가 기판에 얇게 도포되어 있다.
그런데, 종래의 액체전해질을 이용한 염료감응 태양전지는 원천적으로 전해액의 누수와 용매의 증발로 인한 특성저하 등 내구성과 안정성의 문제가 있으며 이는 상용화에 큰 걸림돌이 되고 있다. 특히 전해액을 주입하는 공정방식으로 인해 염료감응 태양전지의 대면적화가 불가능하여 염료감응 태양전지가 갖는 큰 장점 중의 하나인 낮은 제조단가를 실현하기가 힘들다는 점에서 액체전해질을 대체할 고체 또는 반고체형 전해질의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
상기와 같은 이유로 당업계에서는 액체전해질을 고체 또는 반고체형 전해질로 대체하려는 많은 노력을 해 오고 있다. 고체 또는 반고체형 전해질은 유기계의 고분자 또는 무기계의 정공전달물질(HTM, hole transfer materials)을 이용하여 연구 및 개발이 이루어지고 있으며, 주로 대부분은 상업화에 유리한 유기계의 고분자전해질이 그 대상이 되고 있다. 이는 고체형 염료감응 태양전지의 제조시 모양에 대한 변형이 가능하여 유연성을 제공해주고, 일반적으로 스핀코팅 등과 같은 방법을 이용하여 박막제조가 가능하기 때문에 이 역시 장점으로 작용한다. 그리고 액체전해질에 비해 thermal stress나 light soaking 하에서 안정적인 성능을 유지할 수 있으며, 장기 안정성의 향상에 기여할 수 있고 제조단가가 싼 장점이 있다. 흔히 사용되는 고분자는 PEO, poly(propylene oxide)(PPO), poly(ethylene imine)(PEI), poly(ethylene sulphide)(PES), poly(vinyl acetate)(PVAc), poly(ethylene succinate)(PESc) 등으로 고분자전해질 내에서 이온의 이동은 고분자사슬의 분절운동에 의해 무정형 영역에서 일어난다고 알려져 있어 상기와 같은 고분자들이 연구되어 왔다. 그 중 가장 널리 연구된 고분자 전해질은 PEO와 알칼리 금속염의 착체이다.
한편, 1975년 Wright 그룹에서 poly(ethylene oxide)(PEO)와 알칼리 금속염(metal salt)의 착체(complex)를 제조함으로써 처음으로 고분자전해질이 제시되었으며, 그 후 1978년 Armand 등에 의해 고분자전해질의 리튬전지 및 전기화학에의 응용이 시작되었다. 따라서, 지금까지 발표된 종래의 고분자전해질은 대부분 PEO(poly ethylene oxide)를 기본으로 하는데, 금속염과의 혼합에 의한 전기전도성이 보고된 이후 연료전지분야에서 고분자전해질의 대표적 원료로서 가장 많이 보고가 되어 왔으며 이를 바탕으로 염료감응태양전지용 고분자전해질분야에서도 가장 많은 연구가 이루어지고 있다. 이는 PEO가 분자량에 따라 다양한 특성을 나타내고 특히 화학 안정성이 우수하며, 액체 전해질에 비해 높은 기계적 강도를 갖는 장점이 있어 고체형 염료감응 태양전지에 적용 가능하다는 점 때문이다. 특히 PEO의 경우 다량의 규칙적인 산소원자의 배열을 가지고 있고 고분자사슬이 형성하는 나선구조를 매개로 금속 양이온이 전달되는 이온전도의 메커니즘을 가진 것으로 알려지고 있는데, 고분자 전해질은 격자에너지가 작은 금속염, 예를 들어, LiI, KI, NaI 등과 같은 알칼리 금속계열과 이를 해리시킬 수 있는 극성그룹을 갖는 고분자로 구성되는 것이 바람직하다. 때문에 고분자는 산소(O)나 질소(N)와 같이 전자를 줄 수 있는 비공유전자쌍(lone pair electron)을 포함하고 있어야 하고, 이러한 극성그룹들은 금속 양이온과 배위결합을 함으로써 고분자-금속염의 착체(polymer-metal salt complex)를 형성한다.
그러나 기본적으로 PEO는 높은 분자량의 경우 높은 결정화 특성을 보이므로 내구성을 고려한 고분자량화가 근본적으로 제한을 받는데 PEO의 이러한 결정화특성(crystallinity)(∼80%)은 상온에서 낮은 이온 전도도(10-8∼10-5Scm-1)와 확산계수를 갖는 단점으로 작용하게 된다. 또한 고분자의 사슬 크기에 따라, 나노크기를 갖는 이산화티탄 산화물층의 기공 속으로 고분자전해질이 얼마나 침투할 수 있느냐가 중요한 관건이 되는데, 높은 분자량을 갖는 PEO의 경우 이산화티탄 산화물층으로 침투하기가 어렵고 이는 에너지 변환 효율을 감소시킬 뿐만 아니라 실제 태양전지 제조상의 한계를 보여준다. 따라서 이러한 PEO를 기본으로 한 전해질의 결정성을 낮추며 이온 전도도와 확산계수를 높이고, 계면 접촉을 향상시켜 에너지 변환 효율을 높이기 위한 다양한 방법들이 연구되고 있으나 그 성과는 아직 미약하다고 하겠다.
상술한 것의 가장 주요한 이유는 고체상에서의 이온 전도성이 본질적으로 느리기 때문으로 이를 극복하기 위하여 액체와 고체의 중간 특성을 이용한 반고체형 혹은 젤형 고분자전해질에 대한 연구도 당업계에서 아울러 활발하게 진행되고 있다. 대한민국 공개특허공보 제2003-65957호에서는 반고체형 고분자전해질을 그 예로서 기술하고 있는데 상기 반고체형 고분자전해질은 상온에서 액체전해질과 비슷한 높은 이온전도도를 나타내는 것으로 주장하였다. 하지만 유리전이온도(Tg, temperature of glass transition)와 같은 기계적물성이 떨어지기 때문에 고체형 고분자전해질에 비해서 내구성이 약하고 또한 반고체특성으로 인해 전지를 제조하는 과정이 어려울 뿐만 아니라, 용매가 혼합되어 있으므로 원천적인 누수방지를 기대하기가 어렵다.
상술한 바와 같이 고분자 전해질은 대부분 poly(ethylene oxide) PEO를 기본으로 이루어지며, PEO의 결정성을 낮추어 무정형 영역을 늘리는 것이 중요하다. 이를 위한 공중합체 형성 또는 블렌드, 가교화, 나노입자의 첨가 등을 통한 결정성 감소 및 이온 전도도 향상이 고분자전해질의 주요 연구 분야이며, 고분자의 분자량이나 말단기 등을 조절하여 추가적인 성능 향상을 얻을 수 있다.
예를 들어, 용매가 없는 고분자전해질을 이용한 최초의 염료감응 태양전지는 2001년 브라질의 De Paoli교수의 연구그룹에서 발표하였으며 poly(epichlorohydrin-co-ethylene oxide) / NaI / I2 로 구성되는 고분자전해질을 제조하여 100mW/cm2에서 약 1.6%의 효율을 보고하였다. 2002년 그리스의 Flaras그룹은 결정성이 높은 PEO전해질에 티타늄 산화물 나노입자를 배합하여 PEO의 결정성을 감소시키는 결과를 보고하였고, 2007년 Flavia Nogueira그룹에서는 앞선 Paoli그룹과 같은 poly(epichlorohydrin-co-ethylene oxide)를 사용하고 이산화티탄을 나노튜브(nano tube)형태로 만들어 결정성을 감소시켜 광전환효율이 3.5%에 달하는 결과를 보고하였다.
그러나 상기와 같은 종래의 연구들은 연구자체의 성과에 있어서 매우 미미한 실정이며 더구나 상용화된 제품개발은 아직 전무한 상태로서, 염료감응 태양전지의 성능과 내구성을 향상시켜 조기에 상업화를 달성하기 위해서는, 반드시 새로운 고분자전해질의 개발이 시급히 요구되고 있다.
이에 본 발명자들은 종래의 PEO를 기반으로 하는 고분자전해질의 한계를 극복하는 새로운 고분자전해질 및 조립공정을 창안하기에 이르렀다. 염료감응 태양전지의 제조에 있어서 새로운 투명 전극의 개발이나, 새로운 반도체 소재 및 제조 기술, 넓은 파장대를 흡수하는 염료기술, 상대전극의 새로운 소재 및 제조기술 개발 등은 이미 상용화수준에 와 있음에도 여전히 액체전해질을 사용하는 한계를 극복하지 못하고 있는 당업계의 종래의 기술을 감안할 때, 본 발명에 따른 고분자전해질은 당해 기술분야에서 그 파급효과가 매우 크다고 할 것이다.
대한민국 공개특허공보 제2003-65957호
Kinetics study of imidazole-cured epoxy-phenol resins, Yi-Cheng Chen et al, :PolymerChemistry,Vol37,Issue16,Pg3233-3242
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 종래의 액상전해질을 사용하는 염료감응태양전지의 최대 단점인 누액을 원천적으로 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 고분자전해질과 비교해 높은 광전환효율을 나타내고, 대면적의 염료감응태양전지나 플렉시블(flexible) 염료감응태양전지의 제조공정에 적용할 수가 있는 등의 우수한 염료감응태양전지용 고분자전해질 및 이를 이용한 염료감응태양전지의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 보다 분명해 질 것이다.
상기 목적은, 열경화형 에폭시수지, 이미다졸계 경화촉진제 및 금속염을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지용 고분자전해질에 의해 달성된다.
여기서, 상기 에폭시수지는 2 내지 8관능기를 가지고, 분자량이 500 내지 8000인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 이미다졸계 경화촉진제의 함량은 상기 에폭시수지 100중량부 당 0.1중량 내지 20중량인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 금속염의 함량은 상기 열경화형 에폭시수지 100중량부 당 1중량 내지 200중량인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 염료감응태양전지용 고분자전해질의 점도는 10cp(centi poise) 내지 8,000cp 인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 목적은 상기 염료감응태양전지용 고분자전해질을 사용하되, 상기 염료감응태양전지용 고분자전해질을 작동전극과 상대전극간의 접착물로 이용하고 최종적인 접합의 형태가 고체상을 유지하는 것을 특징으로 하는 염료감응태양전지용 고분자전해질을 이용한 염료감응태양전지의 제조방법에 의해 달성된다.
바람직하게는, 상기 전극기판간의 접합은 핫멜트 접합인 것을 특징으로 한다.
보다 바람직하게는, 상기 전극기판간의 접합은 플렉시블기판을 이용하여 연속적인 롤 코팅 또는 연속적인 롤 핫멜트 접합인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 종래의 액상전해질을 사용하는 염료감응태양전지의 최대 단점인 누액을 원천적으로 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 고분자전해질과 비교해 높은 광전환효율을 나타내고, 대면적의 염료감응태양전지나 플렉시블(flexible) 염료감응태양전지의 제조공정에 적용할 수가 있는 등의 우수한 효과를 가진다.
이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.
본 발명은 염료감응태양전지(Dye-Sensitized Solar Cells)를 구성하는 고분자전해질에 관한 것으로, 상기 고분자전해질이 열경화형 에폭시수지로 이루어지고 이미다졸계의 경화촉진제와 금속염(metal salts)을 함유하는 것을 특징으로 한다. 이렇게 함으로써 종래의 액상전해질을 사용하는 염료감응태양전지의 최대 단점인 누액을 원천적으로 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 대면적의 염료감응태양전지나 플렉시블(flexible) 염료감응태양전지의 제조공정에 적용할 수가 있는 우수한 염료감응 태양전지용 고체고분자전해질을 제공할 수가 있게 된다.
본 발명의 발명자들은 종래의 액상전해질이 갖는 누액의 문제를 원천적으로 해결하고 대면적 및 플렉시블 태양전지의 제조공정에 적용할 수 있는 새로운 고분자전해질을 고안하기 위하여 다음과 같은 고분자조성물의 특성기준을 설계하였다.
1) 결정화가 어려운 가지구조(branch structure)를 갖는 고분자조성물,
2) 이산화티탄 산화물의 나노기공 내 침투가 용이하고 계면접착력이 우수한 기능을 갖는 고분자조성물,
3) 작동전극과 상대전극간 접착력이 우수하고 내구성이 우수한 고분자조성물,
4) 금속염의 해리와 이온전달이 가능한 고분자조성물,
5) 염료감응 태양전지의 제조과정에서 용액코팅 및 핫멜트형 필름접착이 동시에 가능한 조립공정.
상기 기준을 달성하기 위하여 본 발명의 발명자들은 새로운 고분자전해질로서 열경화성 에폭시수지를 사용하는 것을 고안하게 되었는데, 통상적으로 에폭시수지는 절연재료로 사용되는 일반상식 하에 있어 전해질로서의 그 이용이 제한되지만 본 발명자들은 염료감응태양전지에 요구되는 고체전해질의 특성을 면밀히 연구한 바, 다음과 같은 역발상의 창의적인 설계근거를 갖기에 이르렀다.
1) 에폭시수지가 금속양이온을 전달시킬 수 있는 3차원 망상가교구조를 형성한다는 점,
2) 에폭시수지가 금속염을 해리시킬 수 있는 다량의 극성그룹을 가지고 있다는 점,
3) 에폭시수지는 경화초기에 낮은 분자량을 가지고 있어 태양전지의 제조과정에서 나노크기의 이산화티탄 산화물층에 침투하기 용이하다는 점,
4) 에폭시수지의 접착력과 경화 후 내구성이 뛰어나다는 점,
5) 에폭시수지는 용매가 없는 상태의 액형, 반고체형 및 완전고체형으로 제조가 가능하여 태양전지의 제조과정에서 용액코팅은 물론 필름형 핫멜트접합이 가능하다는 점이다.
본 발명에 따른 염료감응태양전지용 고분자전해질은 기반고분자(matrix polymer)로 열경화형 에폭시수지로 이루어지고 이미다졸계의 경화촉진제와 이온전달체(ion, or charge transfer carrier)로서 금속염(metal salts)을 함유하는 것을 특징으로 한다. 상기 열경화형 에폭시수지는 주사슬에 다량의 규칙적인 산소원자를 가지고 있어 금속염을 해리하기에 용이하여 전해질로서의 사용이 가능하며 분자량이 낮은 액형에서 고형까지 전해질의 제조가 가능하다. 이렇게 함으로써, 이를 염료감응태양전지의 제조공정에 적용할 경우, 용액코팅 또는 핫멜트형 모듈접합공정이 가능하고 열경화를 통해 고체화를 이룸으로써 모듈접착성과 내구성이 우수한 염료감응태양전지의 제조를 가능하게 한다.
또한 본 발명에 따른 염료감응태양전지용 고분자전해질은 액상 또는 고상의 열경화형 에폭시수지에 이미다졸계의 경화촉진제를 배합한 후, 이온전달체인 금속염을 요구되는 함량에 따라 배합하게 되며, 그 혼합방식은 통상의 컴파운딩(compounding)기술을 이용하여 제조된다. 특별히 고상의 열경화형 에폭시수지를 사용할 경우에는 액형으로 제조하기 위하여 에틸메틸케톤(ethyl methyl keton)과 같은 극성용매를 함께 사용하게 된다.
본 발명에 따른 염료감응태양전지용 고분자전해질의 혼합방법으로서는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예컨대, 밴버리 믹서, 단축 압출기, 2축 압출기 등에 의해 용융혼련하는 방법, 교반에 의해 용액혼합하는 방법(용액블랜드) 등을 들 수 있다. 이들 중에서도 용액혼합하는 방법이 바람직하다. 또한, 용액혼합을 하는 과정에서 금속염이 에폭시수지 내에 균형 있는 분포로 존재하게 하기 위해서는 분산혼합(dispersion mixing)과 분배혼합(distribution mixing)을 적절히 공용하는 것이 바람직하다. 이를 위해서 사전에 금속염을 소량의 에폭시수지에 용해하여 마스터배치(master batch)를 만들고 이를 혼합시에 투입하는 방법이 바람직하다.
본 발명에 사용되는 상기 에폭시수지는 사용초기에 있어서 액상 또는 고상의 형태로 사용이 가능하며 또한 이것들은 필요에 따라 2종 이상 혼합하여 사용이 가능하다. 예를 들어, 전해질 코팅층의 형성과정에서 용매를 사용하지 않는 경우에는 액상의 에폭시수지를 사용하여 이산화티탄산화물층이 형성된 상대전극에 용액코팅이 가능하며, 또한 용매를 사용하여 건조과정을 거칠 경우에는 고상의 에폭시수지를 용매에 용해한 후 상대전극에 코팅하는 과정에서 용매의 비점 이상으로 건조온도를 높여 고체상의 전해질 코팅층을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 염료감응태양전지용 고분자전해질은 용액코팅이 가능한 점도를 가지며, 바람직하게는 10cp(centi poise) 내지 8,000cp가 좋으며, 더욱 바람직하게는 50cp 내지 3,000cp가 좋고 더욱 바람직하게는 100cp 내지 500cp가 좋다. 점도가 10cp 이하가 되게 되면 산화물 반도체층이 형성된 작동전극에 전해질층을 형성할 때 상대전극과의 공간을 확보하기가 힘들어지며, 점도가 8,000cp이상이 되면 산화물 반도체층의 나노크기의 기공으로 전해질층이 침투하기가 어려워지기 때문이다. 고체형 염료감응 태양전지는 액체형 염료감응 태양전지보다 낮은 에너지 변환 효율을 나타내고 있으며, 이는 고체형 전해질의 낮은 전도도와 전해질과 전극의 불완전한 접촉이 주요 원인이다. 이로 인해 광전극과 고체형 전해질 사이의 높은 전자 재결합(recombination) 속도가 생성되어 전체 효율에 큰 영향을 미치게 된다. 나노크기를 갖는 반도체 산화물층의 기공 속으로 고분자전해질이 잘 침투하지 못할 경우에는 염료에서 방출한 전자의 전달효율이 감소하고 이는 직접적으로 에너지 변환 효율을 감소시킬 뿐만 아니라 실제 태양전지 제조상의 한계를 보여준다. 따라서 본 발명에서와 같이 전해질의 구성에 있어서 기반고분자를 저분자량의 에폭시수지를 사용하게 되면 반도체 산화물층으로의 전해질 침투력이 향상되어 작동전극의 전류발생이 높아지게 되고 결과적으로 고체상의 전해질이 갖는 낮은 전극접촉의 문제가 해결되게 된다.
또한, 상기 에폭시수지는 접착제(adhesive)로서의 본연의 특성이 있는 바, 전지의 모듈(module)제작과정에서 작동전극과 상대전극간의 접합시에 접착력을 발휘하여 내구성을 부여할 뿐만 아니라 종래의 액상전해질을 사용하는 경우에 필수적으로 따라야 하는 모듈봉지(encapsulation)공정이 필요가 없어 대면적의 태양전지를 제조할 경우, 대폭적인 생산성의 향상을 가져오게 된다.
또한 본 발명에 따른 염료감응태양전지용 고분자전해질은 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 대면적의 전지모듈을 제조하는 경우에 있어서 반도체산화물층이 형성된 기재상에 상기 고분자전해질 배합물을 공지된 롤 나이프 코터, 그라비어 코터, 다이 코터, 또는 리버스 코터 등에 의해 도포한 후에 건조시켜 고분자전해질층을 형성하고, 상대전극을 롤 라미네이션방식에 의해 상기 고분자전해질층상에 합지하거나, 또는 상기 고분자전해질층을 상대전극에 별도로 공지된 방법으로 코팅하여 건조시킨 후 작동전극에 라미네이션하여 열을 가한 다음 고분자전해질을 반도체 산화물층으로 침투시키는 방법이 가능하다. 또한 소면적의 전지를 제작할 경우에는 간단히 고분자전해질용액을 제조한 다음 각각의 전극상에서 스핀코팅에 의해 도포할 수도 있다.
상기 모듈제조과정에 있어서 보다 중요하게는, 대면적의 유리기판에 전해질층을 형성할 경우 종래의 방식으로는 액상의 전해질을 오랜 시간동안 주입하고 밀봉을 하는 공정을 거쳐야 하지만 본 발명의 고분자전해질을 사용할 경우에는 용액코팅은 물론 핫멜트접합이 가능하고 고분자필름과 같은 플렉시블 기판을 전극재료로 사용할 경우에는 연속공정이 가능함으로써 대면적 염료감응 태양전지의 대량생산이 가능하게 된다.
또한 본 발명에 사용되는 에폭시수지는 경화되어서 접착작용을 나타내는 것이면 특별히 한정하지 않고 사용이 가능하다. 2관능기 내지 8관능기에서, 바람직하게는 분자량이 500 내지 8000, 보다 바람직하게는 500 내지 3000인 에폭시 수지를 사용할 수 있다. 예를 들면, 비스페놀 A(bisphenol A)형 에폭시 수지나 비스페놀 F형 에폭시 수지 등의 2관능 에폭시 수지, 페놀 노볼락형(phenol novolac) 에폭시 수지나 크레졸노볼락형(cresol novolac) 에폭시 수지 등의 노볼락형 에폭시 수지 등을 사용할 수 있다. 또, 다관능 에폭시 수지나 복소환 함유 에폭시수지 등을 사용할 수도 있다.
또한 본 발명에 따른 염료감응태양전지용 고분자전해질은 열경화형 에폭시수지의 경화개시반응을 위해 이미다졸계의 경화촉진제를 사용하는 것을 특징으로 한다. 상기 이미다졸계의 경화촉진제는 에폭시수지의 경화반응을 개시하고 비정질경화구조(amorphous cure structure)를 구현케 함과 동시에 에폭시수지와 반응 후 양이온성(cationic) 결합점을 형성함으로써 금속염의 해리(dissociation) 및 이온전달(ionic transfer)을 촉진시켜 염료감응태양전지의 효율을 높이는 것이 가능하다.
보다 상세하게는, 본 발명의 고체형 고분자전해질은 가지구조의 경화구조를 형성하기 위해 이미다졸계 경화촉진제를 사용하는 것을 특징으로 한다. 상기 고분자전해질은 에폭시수지와 이미다졸계 경화제의 측사슬에 붙은 질소원자의 폴리에테르화반응(polyetherification)을 통해 가지구조를 형성하게 된다(학술문헌, Kinetics study of imidazole-cured epoxy-phenol resins, Yi-Cheng Chen et al, :PolymerChemistry,Vol37,Issue16,Pg3233-3242). 이렇게 함으로써 이온중합에 의한 에폭시수지의 비정질(amorphous)경화구조를 수득할 수 있고 이렇게 수득된 에폭시경화구조는 내부의 가지화 자유부피(free volume)가 존재함으로써 금속양이온과 음이온의 이동을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 염료감응태양전지용 고분자전해질에 사용되는 경화 촉진제는 이미다졸계로 한정하여 사용이 가능하다. 예를 들면 2-methylimidazole, 2-ethyl-4-methylimidazole, 2-benzyl-4-methylimidazole, 1-(2-cyanoethyl)-2-ethyl-4-methylimidazole, 1-cyanoethyl-2-methylimidazole, 1-(2-cyanoethyl)2-phenyl-4,5-di-(cyanoethoxymethyl) Imidazole 등을 들 수 있고, 이것들은 1종 또는 2종 이상을 병용할 수도 있다. 상업적으로 시판되는 이미다졸계는 예를 들면 시코쿠 가세이 공업(주)에서, 2,4EMIZ, 2B4MIZ, 2-EI, 2-PI, 2-PDHMI, 2E4MZ, 2PZ-CN, 2PZ-CNS라고 하는 상품명으로 시판되고 있다. 상기 이미다졸계 경화촉진제의 함량은 상기 에폭시수지 100중량부 당 0.1중량 내지 20중량인 것이 바람직한데, 0.1중량 미만일 경우에는 에폭시수지의 경화가 잘 이루어지지 않아 가지구조를 형성하기 힘들고 20중량을 초과할 경우에는 에폭시수지의 경화가 너무 급속도로 진행되어 전해질제조시에 경시변화가 심하게 되기 때문에 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 염료감응태양전지용 고분자전해질에 사용되는 경화촉진제로서 1급 또는 2급 아민그룹을 가진 아민경화제도 사용이 가능하지만, 이 경우 최종경화구조가 선형구조(linear chain)를 형성하게 되고 이로 인해 최종적으로 결정화가 높아지는 단점이 있다. 따라서 가교형태의 이온중합이 가능한 이미다졸계를 사용하는 것이 가장 바람직하다.
또한 고분자전해질은 통상적으로 극성 그룹을 포함한 고분자를 기본 골격으로 하고, 산화/환원 쌍을 제공하는 낮은 격자 에너지를 갖는 알칼리 계열의 금속염으로 구성된다. 전해질 내에서 금속염의 양이온과 고분자의 산소 또는 질소와 같은 극성그룹이 Lewis acid-base 상호작용을 통한 배위결합을 이뤄 I-, I3-와 같은 산화/환원 쌍이 생성된다. 생성된 산화/환원 쌍은 산화/환원 반응을 통해 필요한 전자를 생성하거나 소비한다. 또한 상기 전자는 고분자전해질 내에서 이온의 이동에 의해 전달되고 고분자전해질 내에서의 이온의 이동은 고분자 사슬의 분절 운동에 의한 무정형 영역에서 일어나게 되는 것으로 알려져 있으며 따라서, 이온 전도도는 고분자 사슬의 이동도에 직접적으로 의존하며, 전하 운반체의 농도 역시 큰 영향을 미치게 된다. 2004년 Mitate 그룹은 준고체형 염료감응 태양전지(quasi solid state DSSCs)의 에너지변환 효율을 높이려면, 고분자 네트워크(network)가 화학결합(chemical bond)을 통한 구조를 이뤄 많은 양의 액체 전해질을 함유하여야 한다고 제시하였다. 고분자 네트워크내의 가교화 반응(crosslinking)을 통해 반응성분자들은 화학결합으로 연결되고, 3-D 네트워크 구조를 형성한다. 본 발명에서는 에폭시수지를 사용하여 고체상의 가지형 고분자 네트워크를 형성하고 이미다졸계 경화촉진제를 가교점으로 I-, I3-와 같은 산화/환원쌍에 의한 음이온의 이동을 높이게 된다.
본 발명의 고체형 고분자전해질에 사용되는 산화-환원 유도체는 산화환원쌍을 제공할 수 있는 물질로 요오드화 리튬(LiI), 요오드화 나트륨(NaI), 요오드화 칼륨(KI), 브롬화 리튬(BrI), 브롬화 나트륨, 브롬화 칼륨과 같은 할로겐화 금속염; 및 이미다졸리움(imidazolium)염, 피리디늄(pyrridinium)염, 제4급암모늄염, 피롤리디늄(pyrolidium)염, 피라졸리듐(pyrazolidium)염, 이소티아졸리디늄(isothiazolidinium)염, 이소옥사졸리디늄(isooxazolidinium)염 등과 같은 복소환 함질소 화합물의 요오드화물을 사용할 수 있다. 상기 유기용매로는 아세토니트릴(acetonitrile), 3-메톡시프로피오니트릴(3-methoxypropionitrile), 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate), 디메틸카보네이트(dimethyl carbonate), 디에틸카보네이트(diethyl carbonate), 에틸메틸카보네이트(ethyl methyl carbonate), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran) 또는 감마-부티로락톤(gama-butyrolacton) 등을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 염료감응태양전지용 고분자전해질에서 상기 금속염의 함량은 상기 열경화형 에폭시수지 100중량부 당 1중량 내지 200중량인 것이 바람직한데, 상기 금속염의 함량이 1중량 미만일 경우에는 이온전도성이 거의 발현되지 못하고 200중량을 초과할 경우에는 금속염의 응집현상이 심하게 되어 전해질의 제조가 불가능하기 때문에 상기 범위로 하는 것이 가장 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 염료감응태양전지용 고분자전해질을 이용한 염료감응태양전지의 제조방법은 상술한 염료감응태양전지용 고분자전해질을 사용하여 태양전지를 제조하는 방법으로, 상기 염료감응태양전지용 고분자전해질을 작동전극과 상대전극간의 접착물로 이용하고 최종적인 접합의 형태가 고체상을 유지하는 것을 특징으로 한다.
상기 전극기판간의 접합은 핫멜트 접합인 것을 특징으로 하거나 또는 상기 전극기판간의 접합은 플렉시블기판을 이용하여 연속적인 롤 코팅 또는 연속적인 롤 핫멜트 접합인 것을 특징으로 한다.
하기 실시예로써 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다.
[실시예 1]
(1) 작동전극의 제조
FTO glass기판을 준비하였고 상기 기판의 투명전도성 산화물층 상부에 이산화티탄(TiO2)을 포함하는 코팅용 조성물을 닥터블레이드법으로 도포하고, 520 ℃에서 40분 동안 열처리하여, 나노크기의 금속산화물 간의 접촉 및 충진이 이루어지도록 하여 약 7 ㎛ 두께의 나노 산화물층을 형성시켰다. 두께는 3M사의 매직테이프를 스페이서로 이용하여 조절하였다. 이어서, 상기 나노 산화물층의 상부에 동일한 코팅용 조성물을 동일한 방법으로 도포하고, 520 ℃의 온도에서 40분 동안 열처리하여 약 15 ㎛ 두께의 나노 산화물층을 형성시켰다. 솔라닉스사의 N-719염료를 에탄올과 함께 염료용액을 제조한 다음, 여기에 상기 나노 산화물층이 형성된 기판을 48시간 동안 담지한 후 건조시켜 나노크기의 금속 산화물에 염료를 흡착시켜 음극계 전극을 제조하였다.
(2)상대전극의 제조
FTO glass기판을 준비하였고 상기 기판의 투명전도성 산화물층 상부에 육염화백금산(H2PtCl6)이 녹아있는 2-프로판올 용액을 스핀코팅방법으로 도포한 후, 480 ℃에서 30분 동안 열처리하여 백금층을 형성시켜 양극계 전극을 제조하였다.
(3)고분자전해질의 제조
시료-1
크레졸노볼락 에폭시수지(도토가세이 주식회사, YDCN 8P) 100중량, 1-시아노 에틸-2-페닐 이미다졸(시코쿠 가세이 공업주식회사, 큐어졸 2PZ-CN) 2중량을 투입하여 메틸에틸케톤의 용매하에서 3시간 교반하고, 요오드화리튬(시그마알드리치, LiI) 5중량을 혼합하여 12시간 교반하여 고분자전해질 혼합용액을 얻었다.
시료-2
상기 시료-1에서 요오드화리튬 10중량을 사용한 것을 제외하고는 상기 시료-1과 동일한 방법으로 제조하였다.
시료-3
상기 시료-1에서 요오드화리튬 30중량을 사용한 것을 제외하고는 상기 시료-1과 동일한 방법으로 제조하였다.
시료-4
상기 시료-1에서 요오드화리튬 50중량을 사용한 것을 제외하고는 상기 시료-1과 동일한 방법으로 제조하였다.
(4) 염료감응 태양전지모듈의 제조
제조된 작동전극상에 상기 제조된 고분자전해질용액을 메이어바코팅으로 도포한 후, 80℃에서 5분 건조하여 용매를 제거하고 약 50㎛두께의 고분자전해질층을 수득하였다. 이어서 상대전극을 합지한 후 핫프레스에서 130 ℃ x 0.01Mpa의 조건에서 압착하여 별도의 밀봉공정이 없이 염료감응 태양전지를 제조하였다.
[실시예 2]
상기 실시예 1에서 (3) 고분자전해질의 제조에서 크레졸노볼락 에폭시수지 대신 비스페놀A형 액상에폭시수지(도토가세이 주식회사, YD128) 100중량을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
[비교예 1]
상기 실시예 1에서 (3) 고분자전해질의 제조에서 크레졸노볼락 에폭시수지 대신 폴리에틸렌옥사이드(시그마알드리치, PEO) 100중량을 사용하고 경화촉진제를 배제하였으며 용매를 아세토니트릴(시그마알드리치, acetonitrile)을 사용하여 희석비율을 고형분 5중량부와 30중량부로 용액을 나누어 5중량부를 먼저 도포한 후 2시간 동안 대기하고 이어 30중량부를 도포하여 전해질층의 형성을 완료하였고, 상기를 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
[실험예 1]
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 고분자전해질의 이온전도도를 평가하기 위하여 impedence analyzer를 사용하였고 하기 수학식에 의해 이온전도도값을 측정하였다.
[수학식 1]
R = r x (l/A)
여기서, "R"은 저항, "r"은 이온전도도, "l"은 전극간 거리, 그리고 "A"는 시료의 측정단면적이다.
[실험예 2]
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 염료감응 태양전지의 광전환 효율을 평가하기 위하여 하기와 같은 방법으로 광전압 및 광전류를 측정하여 광전기적 특성을 관찰하고, 이를 통하여 얻어진 전류밀도(Isc),개방전압(Voc),및 충진계수(fillfactor, ff)를 이용하여 광전환 효율(η)를 하기 수학식 1로 계산하였다. 이때, 광원으로는 제논 램프(Xenon lamp, Oriel)를 사용하였으며, 상기 제논 램프의 태양조건(AM 1.5)은 표준 태양전지를 사용하여 보정하였다.
[수학식 2]
η(%)=(Voc × Isc × ff)/(P)
상기 수학식 2 에서, "P"는 100 ㎽/㎠(1 sun)을 나타낸다.
상기 실험예 1, 2에서 측정된 값들은 모두 상온(room temperature)에서 측정한 값들이며 이를 하기 표 1에 나타내었다.

구분		 Ionic
Conductivity
(cm/(Ω×cm2)		 Isc Voc Fillfactor (ff) η(%)

실시예 1		 시료-1 6.2 x 10E-4 9.78 0.569 0.498 2.77
시료-2 9.8 x 10E-4 10.52 0.565 0.498 2.96
시료-3 1.3 x 10E-3 11.10 0.570 0.490 3.10
시료-4 1.5 x 10E-3 10.82 0.481 0.472 2.45

실시예 2		 시료-1 4.9 x 10E-3 10.28 0.718 0.536 3.95
시료-2 5.2 x 10E-3 11.31 0.723 0.535 4.37
시료-3 5.8 x 10E-3 10.97 0.730 0.541 4.33
시료-4 6.4 x 10E-3 9.69 0.711 0.544 3.74

비교예 1		 시료-1 2.3 x 10E-9 7.66 0.326 0.272 0.67
시료-2 4.8 x 10E-9 7.92 0.323 0.315 0.80
시료-3 1.2 x 10E-8 8.23 0.390 0.314 1.00
시료-4 5.6 x 10E-9 8.11 0.341 0.366 1.01
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 2의 고분자전해질은 상온에서 높은 이온전도도를 보여주었으며, 상기 본 발명에 따른 실시예 1 내지 2의 고분자 전해질로부터 형성된 코팅층을 포함하는 염료감응 태양전지는 종래의 고분자 성분인 폴리에틸렌옥사이드를 포함하는 고분자 전해질로부터 형성된 코팅층을 포함하는 비교예 1 의 염료감응 태양전지와 비교하여 전류밀도와 전압이 높아지고, 광전환효율이 향상된 것을 확인할 수 있었다.

Claims (8)

  1. 염료감응태양전지용 고분자전해질에 있어서,
    열경화형 에폭시수지, 이미다졸계 경화촉진제 및 금속염을 포함하는 것을 특징으로 하는, 염료감응태양전지용 고분자전해질.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에폭시수지는 2 내지 8관능기를 가지고, 분자량이 500 내지 8000인 것을 특징으로 하는, 염료감응태양전지용 고분자전해질.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이미다졸계 경화촉진제의 함량은 상기 에폭시수지 100중량부 당 0.1중량 내지 20중량인 것을 특징으로 하는, 염료감응태양전지용 고분자전해질.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속염의 함량은 상기 열경화형 에폭시수지 100중량부 당 1중량 내지 200중량인 것을 특징으로 하는, 염료감응태양전지용 고분자전해질.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 염료감응태양전지용 고분자전해질의 점도는 10cp(centi poise) 내지 8,000cp 인 것을 특징으로 하는, 염료감응태양전지용 고분자전해질.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 염료감응태양전지용 고분자전해질을 사용하되, 상기 염료감응태양전지용 고분자전해질을 작동전극과 상대전극간의 접착물로 이용하고 최종적인 접합의 형태가 고체상을 유지하는 것을 특징으로 하는, 염료감응태양전지용 고분자전해질을 이용한 염료감응태양전지의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전극기판간의 접합은 핫멜트 접합인 것을 특징으로 하는, 염료감응태양전지용 고분자전해질을 이용한 염료감응태양전지의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 전극기판간의 접합은 플렉시블기판을 이용하여 연속적인 롤 코팅 또는 연속적인 롤 핫멜트 접합인 것을 특징으로 하는, 염료감응태양전지용 고분자전해질을 이용한 염료감응태양전지의 제조방법.
KR1020100024570A 2010-03-19 2010-03-19 염료감응태양전지용 고분자전해질 및 이를 이용한 염료감응태양전지의 제조방법 KR20110105449A (ko)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100024570A KR20110105449A (ko) 2010-03-19 2010-03-19 염료감응태양전지용 고분자전해질 및 이를 이용한 염료감응태양전지의 제조방법
EP10840218.1A EP2385559B1 (en) 2010-03-19 2010-03-22 Polymer electrolyte for dye-sensitized solar cells and a fabrication method of dye-sensitized solar cells using the polymer electrolyte
JP2012505804A JP5445987B2 (ja) 2010-03-19 2010-03-22 色素増感太陽電池用高分子電解質及びこれを利用した色素増感太陽電池の製造方法
PCT/KR2010/001751 WO2011115319A1 (ko) 2010-03-19 2010-03-22 염료감응태양전지용 고분자전해질 및 이를 이용한 염료감응태양전지의 제조방법
US13/254,241 US8263428B2 (en) 2010-03-19 2010-03-22 Polymer electrolytes for dye-sensitized solar cells and method for manufacturing modules of dye-sensitized solar cells using the same
CN201080009780.6A CN102334195B (zh) 2010-03-19 2010-03-22 染料敏化太阳能电池用聚合物电解质和使用其制造染料敏化太阳能电池模块的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100024570A KR20110105449A (ko) 2010-03-19 2010-03-19 염료감응태양전지용 고분자전해질 및 이를 이용한 염료감응태양전지의 제조방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20110105449A true KR20110105449A (ko) 2011-09-27

Family

ID=44649396

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100024570A KR20110105449A (ko) 2010-03-19 2010-03-19 염료감응태양전지용 고분자전해질 및 이를 이용한 염료감응태양전지의 제조방법

Country Status (6)

Country Link
US (1) US8263428B2 (ko)
EP (1) EP2385559B1 (ko)
JP (1) JP5445987B2 (ko)
KR (1) KR20110105449A (ko)
CN (1) CN102334195B (ko)
WO (1) WO2011115319A1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160090409A (ko) 2015-01-21 2016-08-01 상명대학교 천안산학협력단 유연 필름형 고분자 전해질 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지
KR20200072290A (ko) * 2018-12-12 2020-06-22 한국전기연구원 염료감응형 태양전지용 준고체 전해질 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지 제조방법

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120160295A1 (en) * 2010-06-25 2012-06-28 International Business Machines Corporation Solar cell classification method
KR101351303B1 (ko) * 2011-08-04 2014-01-16 포항공과대학교 산학협력단 고 전도도 정공전달물질 및 이를 이용한 염료감응 태양전지
KR101381873B1 (ko) * 2012-04-13 2014-04-14 한국과학기술연구원 고분자 젤 전해질 조성물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지
KR101574516B1 (ko) * 2014-03-17 2015-12-07 주식회사 상보 플랙서블 염료감응 태양전지 제조방법 및 장치
CN106601487A (zh) * 2017-01-06 2017-04-26 西北工业大学 一种低成本的聚合物电解质及其制备与应用
KR102229457B1 (ko) * 2017-09-21 2021-03-18 주식회사 엘지화학 고분자 전해질 및 이의 제조방법
JP2019117889A (ja) * 2017-12-27 2019-07-18 太陽誘電株式会社 色素増感太陽電池
JP7063454B2 (ja) * 2018-03-30 2022-05-09 太陽誘電株式会社 色素増感太陽電池及びその製造方法
KR102695915B1 (ko) 2022-03-31 2024-08-19 주식회사 엘지에너지솔루션 가교 시간이 단축된 겔 폴리머 전해질 조성물, 이를 포함하는 이차전지와 이차전지의 제조방법

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000306605A (ja) * 1999-04-22 2000-11-02 Dainippon Ink & Chem Inc 活性エネルギー線硬化性高分子固体電解質およびその製造方法
JP4620224B2 (ja) * 1999-08-04 2011-01-26 富士フイルム株式会社 電解質組成物
ATE324662T1 (de) 1999-08-04 2006-05-15 Fuji Photo Film Co Ltd Elektrolytzusammensetzung und photolektrochemische zelle
US6384321B1 (en) * 1999-09-24 2002-05-07 Kabushiki Kaisha Toshiba Electrolyte composition, photosensitized solar cell using said electrolyte composition, and method of manufacturing photosensitized solar cell
US7126054B2 (en) * 2001-06-28 2006-10-24 Kabushiki Kaisha Toshiba Raw material kit for electrolytic composition, electrolytic composition, and dye-sensitized solar cell
JP3977696B2 (ja) * 2001-06-28 2007-09-19 株式会社東芝 電解質組成物用原料キット、電解質組成物及び光増感型太陽電池
JP3735570B2 (ja) * 2001-12-28 2006-01-18 株式会社東芝 電解質組成物用原料キット、光増感型太陽電池のゲル電解質用電解質組成物、光増感型太陽電池及び光増感型太陽電池の製造方法
KR20030065957A (ko) 2002-02-02 2003-08-09 한국전자통신연구원 폴리비닐리덴 플로라이드 함유 겔형 고분자 전해질을포함하는 염료감응 태양전지
CA2526185A1 (en) * 2003-05-30 2004-12-23 Fujikura Ltd. Electrolyte composition and photoelectric conversion element using same
JP2005294020A (ja) * 2004-03-31 2005-10-20 Sk Kaken Co Ltd 固体電解質
KR200365957Y1 (ko) 2004-07-09 2004-11-02 한국스틸산업 주식회사 천정패널 고정행거
TW200623492A (en) * 2004-11-08 2006-07-01 Tokai Carbon Kk Separator material for solid polymer fuel cell and process for producing the same
JP2006302530A (ja) * 2005-04-15 2006-11-02 Sharp Corp 色素増感太陽電池およびその製造方法
US7864397B2 (en) * 2006-12-04 2011-01-04 3M Innovative Properties Company Curable electrolyte
TW200921963A (en) 2007-11-02 2009-05-16 Univ Nat Yunlin Sci & Tech Dye-sensitized solar cell

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160090409A (ko) 2015-01-21 2016-08-01 상명대학교 천안산학협력단 유연 필름형 고분자 전해질 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지
KR20200072290A (ko) * 2018-12-12 2020-06-22 한국전기연구원 염료감응형 태양전지용 준고체 전해질 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
US20120009715A1 (en) 2012-01-12
JP5445987B2 (ja) 2014-03-19
US8263428B2 (en) 2012-09-11
WO2011115319A1 (ko) 2011-09-22
CN102334195A (zh) 2012-01-25
EP2385559A1 (en) 2011-11-09
EP2385559B1 (en) 2016-03-16
JP2012514847A (ja) 2012-06-28
CN102334195B (zh) 2014-06-18
EP2385559A4 (en) 2013-02-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5445987B2 (ja) 色素増感太陽電池用高分子電解質及びこれを利用した色素増感太陽電池の製造方法
CN101182384B (zh) 电解质组合物、染料敏化太阳能电池及制造方法
Wang Recent research progress on polymer electrolytes for dye-sensitized solar cells
Mahmood Recent research progress on quasi-solid-state electrolytes for dye-sensitized solar cells
Dwivedi et al. Dye-sensitized solar cells with polyaniline: A review
Akhtar et al. Advanced composite gel electrolytes prepared with titania nanotube fillers in polyethylene glycol for the solid-state dye-sensitized solar cell
Teo et al. Polyacrylonitrile-based gel polymer electrolytes for dye-sensitized solar cells: a review
Venkatesan et al. Graphene oxide sponge as nanofillers in printable electrolytes in high-performance quasi-solid-state dye-sensitized solar cells
KR20050032245A (ko) 복합 고분자 전해질을 포함하는 고체상 염료감응 태양전지
Lin et al. A template-free synthesis of the hierarchical hydroxymethyl PEDOT tube-coral array and its application in dye-sensitized solar cells
Lu et al. Quasi-solid-state dye-sensitized solar cells with cyanoacrylate as electrolyte matrix
Chen et al. Iodine-free quasi solid-state dye-sensitized solar cells based on ionic liquid and alkali salt
TWI833810B (zh) 染料敏化光伏電池
Akhtar et al. Composite electrolyte of heteropolyacid (HPA) and polyethylene oxide (PEO) for solid-state dye-sensitized solar cell
Lee et al. Dye-sensitized solar cells with a micro-porous TiO2 electrode and gel polymer electrolytes prepared by in situ cross-link reaction
Mozaffari et al. Effect of single-wall carbon nanotubes on the properties of polymeric gel electrolyte dye-sensitized solar cells
Balanay et al. The photovoltaic performances of PVdF-HFP electrospun membranes employed quasi-solid-state dye sensitized solar cells
Tseng et al. An imidazolium iodide–containing hyperbranched polymer ionic liquid that improves the performance of dye-sensitized solar cells
Rokesh et al. Polymer electrolytes in dye sensitized solar cells
Vijayakumar et al. New liquid crystal-embedded PVdF-co-HFP-based polymer electrolytes for dye-sensitized solar cell applications
TWI445232B (zh) 用於染料敏化太陽電池之聚合物電解質以及使用所述聚合物電解質製造染料敏化太陽電池之模組的方法
CN104616899A (zh) 一种染料敏化太阳能光电板的制备方法
Jin et al. Poly (glycidyl methacrylate-acrylonitrile)-Based Polymeric Electrolytes for Dye-Sensitized Solar Cell Applications
CN101826396B (zh) 电解质组合物及使用其的染料敏化太阳能电池
KR102647065B1 (ko) 유-무기 복합 태양전지

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid