KR20130032139A - 염료감응 태양전지용 겔형 전해질 - Google Patents

염료감응 태양전지용 겔형 전해질 Download PDF

Info

Publication number
KR20130032139A
KR20130032139A KR1020110095865A KR20110095865A KR20130032139A KR 20130032139 A KR20130032139 A KR 20130032139A KR 1020110095865 A KR1020110095865 A KR 1020110095865A KR 20110095865 A KR20110095865 A KR 20110095865A KR 20130032139 A KR20130032139 A KR 20130032139A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
dye
electrolyte
sensitized solar
solar cell
cellulose
Prior art date
Application number
KR1020110095865A
Other languages
English (en)
Inventor
김재상
Original Assignee
주식회사 세원
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 주식회사 세원 filed Critical 주식회사 세원
Priority to KR1020110095865A priority Critical patent/KR20130032139A/ko
Publication of KR20130032139A publication Critical patent/KR20130032139A/ko

Links

Images

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
    • H01G9/2013—Light-sensitive devices characterised by the electrolyte, e.g. comprising an organic electrolyte the electrolyte comprising ionic liquids, e.g. alkyl imidazolium iodide
    • 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
    • H01G9/2018—Light-sensitive devices characterised by the electrolyte, e.g. comprising an organic electrolyte characterised by the ionic charge transport species, e.g. redox shuttles
    • 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

Landscapes

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

Abstract

본 발명은 염료감응 태양전지용 겔형 전해질에 관한 것이다. 본 발명의 염료감응 태양전지용 겔형 전해질은, 유기 용매, 산화-환원 유도체 및 첨가제를 포함하는 액체 전해질; 및 셀룰로오스와 나노 금속산화물을 포함하는 염료감응 태양전지용 겔형 전해질 그 제조 방법 및 상기 겔형 전해질을 포함하는 태양전지가 제공된다.
본 발명에 따르면, 소량으로도 겔형 전해질의 형성이 가능한 셀룰로오스와 전기전도도 및 이온전도도를 상승 시키기 위해 나노 금속산화물을 첨가함으로써, 장기안정성과 전기전도도 및 이온전도도가 우수한 고효율 염료감응 태양전지용 겔형 전해질을 제공한다.

Description

염료감응 태양전지용 겔형 전해질{GEL TYPE ELECTROLYTE FOR DYE-SENSITIZED SOLARCELL}
본 발명은 염료감응 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안정성 및 전기전도도와 이온전도도가 우수한 염료감응 태양전지용 겔형 전해질 및 이를 이용한 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
최근 들어 직면하는 에너지 문제를 해결하기 위하여 기존의 화석 연료를 대체할 수 있는 다양한 연구가 진행되고 있다. 특히 수십년 이내에 고갈될 석유 자원을 대체하기 위하여 풍력, 원자력, 태양력 등의 자연 에너지를 활용하기 위한 광범위한 연구가 진행되고 있다. 이들 중 태양에너지를 이용한 태양전지는 기타 다른 에너지원과는 달리 자원이 무한하고 환경 친화적이므로 1983년 Se 태양전지를 개발한 이후로 꾸준한 연구가 계속되어 최근에는 실리콘 태양전지가 각광을 받고 있다.
그러나, 이와 같은 실리콘 태양전지는 제조비용이 상당히 고가이기 때문에 실용화가 곤란하고, 전지효율을 개선하는데도 많은 어려움이 따르고 있다. 이러한 문제를 극복하기 위하여 제조비용이 현저히 저렴한 염료감응 태양전지의 개발이 적극 검토되어 오고 있다.
1991년 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의해 개발된 염료감응 태양전지는 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료분자와 생성된 전자를 전달하는 나노결정성 산화티타늄 입자로 이루어진 산화물 반도체 전극을 이용한 광전기화학적 태양전지로서, 색소증감형 태양전지 또는 습식 태양전지라고도 불린다. 이와 같은 태양전지는 실리콘형 태양전지와 비교하여 제조공정이 간단하고 제조비용이 저렴하며 실용적으로 사용가능한 광전변환 효율을 갖는 특징이 있어, 이에 관하여 많은 연구가 진행되고 있다.
이와 같은 염료감응 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 제조단가가 저렴하고 투명한 전극으로 인해 건물 외벽 유리창이나 유리온실 등에 응용이 가능하다는 이점이 있으나, 광전변환 효율이 낮아서 실제 적용에는 제한이 있는 상황이다.
일반적으로, 염료감응 태양전지는 공개특허 10-2011-0000365에 개시된 바와 같이 반도체 전극, 상대 전극, 액체 전해액을 포함하여 이루어진다. 반도체 전극은 투명기판과 상기 투명기판 상부에 형성된 투명전도성 산화물층, 예를 들어, 불소가 도핑된 틴 옥사이드(FTO) 또는 인듐 틴 옥사이드(ITO)를 포함하는 전도성 투명기재 상에 다공질의 나노 산화물층에 염료가 흡착된 구조를 갖는다. 상대 전극은 투명기판과 상기 투명기판 상부에 형성된 투명전도성 산화물층을 포함하는 전도성 투명기재 상에 액체 전해액 중의 전해질의 환원반응을 촉진시키는 역할을 하는 백금촉매로부터 형성된 촉매층으로 이루어지는 구조를 갖는다. 액체 전해액은 일반적으로 전해질을 용해시킨 용액이 사용되고 있으며, 반도체 전극과 상대 전극 사이에 공간을 형성하도록 넣어준 열가소성 고분자 수지 등으로 이루어진 측벽 내에 게재되어 양 전극과 전기화학적으로 접하고 있다.
그러나, 이러한 염료감응 태양전지는 액체 전해액을 포함하고 있어, 전지모듈의 안정성 문제가 대두되고 있으며, 특히 액체 전해액은 밀봉이 어렵고 외부 온도의 상승으로 인한 전해액의 휘발 및 누액의 문제가 있어, 광변환 효율의 저하 및 장기간 사용하는 경우 전기화학적 안정성이 결여되는 등의 문제점이 발생한다.
본 발명의 목적은, 전해액의 휘발 및 누액의 문제를 없애 안정성이 우수할 뿐만 아니라, 높은 전기전도도 및 이온전도도를 가짐으로써 전지 효율을 향상시킬 수 있는 염료감응 태양전지용 겔형 전해질을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 유기 용매, 산화-환원 유도체 및 첨가제를 포함하는 액체 전해질; 및 셀룰로오스를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 겔형 전해질을 제공한다.
상기 셀룰로오스로는, 예를 들어 , 하이드로 프로필 메틸 셀룰로오스(Hydropropyl methyl cellulose), 카복실 메틸 셀룰로오스(Carboxyl methyl cellulose) 또는 에틸 메틸 셀룰로오스(Ethyl methyl cellulose)가 사용될 수 있다.
상기 셀룰로오스의 함량은 상기 액체 전해질 100 중량부 대비 1 내지 5 중량부인 것이 바람직하다.
상기 겔형 전해질은 Al, Si, Sn, Zr, Ti, W, Zn, In, Ba, Nb, Ta, La, Sr, Y, Ho, Bi, Ce 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 금속 원소의 산화물을 더 포함할 수 있다.
상기 금속 원소의 산화물 및 셀룰로오스의 중량비는 3:7 내지 7:3인 것이 바람직하다.
상기 유기 용매로는, 예를 들어 아세토나이트릴, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 테트라하이드로퓨란, 3-메톡시프로피온니트릴 또는 감마-부티로락톤이 사용될 수 있다.
상기 산화-환원 유도체로는 요오드; 및 요오드화 리튬, 요오드화 나트륨, 요오드화 칼륨, 브롬화 리튬, 브롬화 나트륨, 브롬화 칼륨, 4급 암모늄염, 이미다졸륨염 및 피리디니움염으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
상기 첨가제로는 예를 들어 t-부틸피리딘(t-Butylpyridine) 또는 2-디메틸아미노피리딘(2-dimethylamino pyridine)이 사용될 수 있다.
상기 겔형 전해질은 이미다졸리움계 아이오다이드, 피리디늄계 아이오다이드 및 피롤리늄계 아이오다이드로 이루어진 군에서 선택되는 지지전해질을 더 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 겔형 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지를 제공한다.
본 발명의 염료감응 태양전이용 겔형 전해질에 따르면, 종래 액체 전해질의 단점인 전해액의 휘발 및 누액의 문제를 제거하여 우수한 안정성을 갖는다. 특히, 겔형 전해질 제조를 위해 첨가되는 셀룰로오스는 다른 전해질 성분과의 반응이 없어 장기간 사용에도 안정성이 우수하며, 소량으로도 겔형 전해질의 제조가 가능한 장점이 있다.
아울러, 셀룰로오스와 함께 금속산화물을 첨가함으로써 겔형 전해질의 전기전도도 및 이온전도도를 증가시켜 염료감응 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하여 본 발명의 염료감응 태양전지에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 염료감응 태양전지는 반도체 전극(100), 상대 전극(200) 및 반도체 전극(100)과 상대 전극(200) 사이에 게재된 상기 겔형 전해질(300)을 포함하여 이루어진다.
상기 반도체 전극(100)은 투명기판(110), 상기 투명기판(110)의 상부에 형성된 투명 도전막(120) 및 상기 투명 도전막(120)의 상부에 형성되는 광전극(130)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 투명기판(110)은 폴리에테르술폰, 폴리아크릴레이트, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리아릴레이트, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 셀룰로오스 트리아세테이트 및 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 플라스틱재 또는 유리재일 수 있다.
상기 투명 도전막(120)은 불소가 도핑된 인듐 틴 옥사이드(FTO) 또는 인듐 틴 옥사이드(ITO)로 형성될 수 있다.
상기 광전극(130)은 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2) 및 산화아연(SnO)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속 산화물을 포함하는 조성물로 형성될 수 있으며, 광전극(130) 염료가 흡착된다. 광전극(130)의 두께는 5 내지 30 ㎛인 것이 바람직하다.
상기 염료는 루테늄(Ru) 착물 또는 유기염료가 담지된 용액을 이용하여 흡착시킬 수 있다. 염료로는 루테늄 복합체를 포함하여 가시광을 흡수할 수 있는 루테늄 착물과, 이외에도 가시광 내의 장파장 흡수를 개선하여 효율을 향상시키는 특성 및 전자 방출을 효율적으로 할 수 있는 염료라면 어떠한 것이든 사용할 수 있음은 물론이다. 구체적으로, 로다민B, 로즈벤갈, 에오신, 에리스로신 등의 크산틴계 염료; 퀴노시아닌, 크립토시아닌 등의 시아닌계 염료; 페노사프라닌, 카브리블루, 티오신, 메틸렌블루 등의 염기성 염료; 클로로필, 아연 포르피린, 마그네슘 포르피린 등의 포르피린계 화합물; 기타 아조계 염료; 프탈로시아닌 화합물; 안트라퀴논계 염료; 또는 다환 퀴논계 염료 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
한편, 상기 상대 전극(200)은 투명기판(210), 상기 투명기판(210)의 상부에 형성된 투명 도전막(220) 및 상기 투명 도전막(220)의 상부에 형성된 촉매층(230)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 투명기판(210), 투명 도전막(220)은 상기 반도체 전극(100)에서 언급된 바와 동일한 것을 사용할 수 있으며, 상기 촉매층(230)은 전해질의 환원반응을 촉진시키는 역할을 하는 촉매가 사용될 수 있으며, 대표적으로 백금 촉매가 사용될 수 있다.
상기 반도체 전극(100)과 상대 전극(200) 사이에 게재된 상기 겔형 전해질(300)은 유기 용매, 산화-환원 유도체 및 첨가제를 포함하는 액체 전해질과 셀룰로오스를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 유기 용매는 예를 들어 아세토나이트릴, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 테트라하이드로퓨란, 3-메톡시프로피온니트릴, 감마-부티로락톤 등이 사용될 수 있다.
또한, 상기 산화-환원 유도체는 예를 들어 요오드; 및 요오드화 리튬, 요오드화 나트륨, 요오드화 칼륨, 브롬화 리튬, 브롬화 나트륨, 브롬화 칼륨, 4급 암모늄염, 이미다졸륨염 및 피리디니움염으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 첨가제는 예를 들어 t-부틸피리딘(t-Butylpyridine) 또는 2-디메틸아미노피리딘(2-dimethylamino pyridine)일 수 있다.
셀룰로오스는 포도당으로 된 단순 다당류의 하나로서, 지구상에서 가장 흔한 유기화합물로 본 명세서에서 셀룰로오스는 일부분이 타 작용기로 치환된 셀룰로오스 유도체를 포함하는 의미로 사용된다.
셀룰로오스는 액체 전해질에 첨가되어 겔형 전해질을 형성하는 물질로서, 액체 전해질을 구성하는 성분들과 반응을 하지 않으므로 장기간 사용에도 매우 안정하다. 또한, 소량으로도 겔형 전해질의 형성이 가능하므로 전기전도도 및 이온전도도가 우수하고 제조 비용을 절감할 수 있다.
셀룰로오스는 예를 들어, 하이드로 프로필 메틸 셀룰로오스(Hydropropyl methyl cellulose), 카복실 메틸 셀룰로오스(Carboxyl methyl cellulose) 및 에틸 메틸 셀룰로오스(Ethyl methyl cellulose)등이 사용될 수 있으며, 그 중에서 비이온성을 나타내며 낮은 온도에서도 잘 용해되고, 특정온도에서 겔로 변화하는 성질로 점성이 있는 콜로이드 용액을 형성할 수 있는 하이드로 프로필 메틸 셀룰로오스가 가장 바람직하게 사용될 수 있다.
셀룰로오스는 액체 전해질 100 중량부 대비 1 내지 5 중량부로 첨가되는 것이 바람직한데, 셀룰로오스의 함량이 5를 초과하는 경우 점도가 증가하여 전해질의 균일한 분산 분포의 문제 및 전지 내부의 이온전도도를 저하하여 광전환 효율이 저하되는 문제점이 있고, 1에 미달하는 경우 광전극 상부에 겔형 전해질을 도포하는 문제점이 있어 바람직하지 못하다.
상기 겔형 전해질은 셀룰로오스와 함께 금속산화물을 더 포함할 수 있으며, 이를 통해 양이온들의 흡착을 증가시키고 음이온의 이동을 용이하게 하여 이온전도도 및 전기전도도를 향상시킬 수 있다.
금속산화물로는 Al, Si, Sn, Zr, Ti, W, Zn, In, Ba, Nb, Ta, La, Sr, Y, Ho, Bi, Ce 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 금속 원소의 산화물이 사용될 수 있으며, 그 예로서 TiO2, SnO2, SiO2, WO3, ZnO, BaTiO3, Nb2O5, In2O3, ZrO2, Ta2O5, La2O3, SrTiO3, Y2O3, Ho2O3, CeO2, Al2O3및 제올라이트 등을 들 수 있다. 그 중에서 TiO2, SnO2, SiO2 및 제올라이트 등이 바람직하게 사용할 수 있으며, 나노 입자 표면에서의 이온 흡착 특성이 우수한 TiO2가 가장 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 금속 원소의 산화물 및 셀룰로오스의 중량비는 3:7 내지 7:3인 것이 바람직한데, 금속산화물의 비가 7을 초과하는 경우 고분자 겔화 상태를 유지하기 어려운 문제점이 있고, 3에 미달하는 경우 금속산화물 나노 입자간 거리가 멀어져 이온전도도 향상 효과가 감소하는 문제점이 있어 바람직하지 못하다.
한편, 상기 액체 전해질은 유기 용매, 산화-환원 유도체 및 첨가제 외에 지지전해질을 더 포함하여 이루어질 수 있으며, 지지전해질로는 이미다졸륨계 아이오다이드, 피리디늄계 아이오다이드 또는 피롤리늄계 아이오다이드 등이 사용될 수 있다. 그 구체적인 예로는 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 아이오다이드(1-Ethyl-3-methylimidazolium iodide), 1-메틸-3-메틸이미다졸리움 아이오다이드(1-Methyl-3-methylimidazolium iodide) 또는 1-부틸피리디늄 아이오다이드(1-Butylpyridinium iodide) 등이 대표적이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법을 나타낸 흐름도이다. 도 2를 참조하여 본 발명의 염료감응 태양전지의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법은 반도체 전극(100)을 제조하는 단계, 상대 전극(200)을 제조하는 단계. 겔형 전해질(300)을 제조하여 반도체 전극(100) 또는 상대 전극(200) 표면에 도포하는 단계 및 반도체 전극(100) 및 상대 전극(200)을 접합하는 단계를 포함하여 이루어진다.
반도체 전극(100)을 제조하는 단계는, 투명기판(110)을 준비하는 단계, 준비된 투명 기판(110)의 상부에 투명도전막(120)을 형성하는 단계; 형성된 투명도전막(120)의 상부에 금속 산화물을 포함하는 조성물을 적용하여 광전극(130)을 형성하는 단계; 및 형성된 광전극(130)에 염료가 용해된 용액을 적용하여 염료를 흡착시키는 단계를 포함하여 이루어진다.
구체적으로, 먼저 투명기판(110)을 준비한 후, 상기 투명기판(110)의 상부에 투명전도성 산화물인 불소가 도핑된 인듐 틴 옥사이드 또는 인듐 틴 옥사이드를 접착제를 이용하여 접착시키거나 또는 스퍼터링 방법으로 도막을 코팅하여 투명도전막(120)을 형성할 수 있다. 다음으로, 광전극(130)을 형성하기 위하여 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2) 및 산화아연(SnO)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속 산화물을 포함하는 코팅 조성물을 제조한 후, 상기 형성된 투명도전막(120)의 상부에 코팅 조성물을 닥터블레이드 방법으로 도포하고 열처리하여 광전극(130)을 형성할 수 있다. 그 다음으로, 상기 형성된 광전극(130)의 금속 산화물에 염료를 흡착시키기 위하여 염료를 용매에 용해시켜 염료 용액을 제조한 후, 여기에 상기 광전극(130)이 형성된 기판을 침지시킨 후 건조하여 염료를 흡착시킬 수 있다.
상대 전극(200)을 제조하는 단계는, 투명기판(210)을 준비하는 단계; 준비된 투명 기판(210)의 상부에 투명도전막(220)을 형성하는 단계; 및 형성된 투명도전막(220)의 상부에 촉매층(230)을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
구체적으로, 먼저 투명기판(210)을 준비한 후, 상기 투명기판(210)의 상부에 투명전도성 산화물인 불소가 도핑된 인듐 틴 옥사이드 또는 인듐 틴 옥사이드를 접착제를 이용하여 접착시키거나 또는 스퍼터링 방법으로 코팅하여 투명도전막(220)을 형성할 수 있다. 다음으로, 상기 투명도전막(220)의 상부에 백금 용액을 도포한 후 열처리하여 백금 촉매층을 형성할 수 있다. 이때, 백금 촉매층은 스퍼터링 방법, 화학기상증착 방법, 증기증착 방법, 열산화 방법, 전기화학적 증착 방법 등을 사용하여 형성할 수도 있다.
다음으로, 겔형 전해질(300)을 제조하는 단계는 유기용매, 산화-환원 유도체, 첨가제 등을 혼합하여 액체 전해질을 제조한 후, 제조된 액체 전해질에 셀룰로오스를 혼합하여 교반함에 의해 이루어질 수 있다.
마지막으로, 겔형 전해질(300)을 반도체 전극(100)의 염료가 흡착되어 있는 광전극(130) 상에 도포한 후 상대전극(200)을 대향시켜 접합시킨다. 반도체 전극(100)과 상대 전극(200)의 접합은 반도체 전극(100)(또는 상대 전극(200))의 접합 면에 SURLYN(Du Pont사 제조) 등의 열가소성 고분자를 도포한 후 상대 전극(200)(또는 반도체 전극(100))을 위치시키고 열처리 함에 의해 이루어질 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
[실시예 1]
(1) 반도체 전극의 제조
면저항 8Ω의 FTO 기판을 다이아몬드 글라스 커터를 이용하여 2cm*2cm 크기로 절단하고, 탈이온수, 알코올, 아세톤, 이소프로판올을 사용하여 4단계 초음파 세척을 하였다. 이후 입자크기가 20nm인 콜로이드 상태의 TiO2 나노 페이스트를 스크린 프린터를 이용하여 상기 FTO 기판 상에 0.1cm2의 면적, 100μm의 두께로 도포하였고 전기로에 넣어 실온에서 550℃까지 1시간의 승온단계를 거쳐 30분간 소결시켰다. 이후 무수알콜과 루테늄계 염료 N719(대만, EVERLIGHT)를 0.3mM의 농도로 제조한 후, 소결된 TiO2 반도체 전극을 40℃에서 18시간 동안 침지시켜 염료가 흡착되도록 한다.
(2) 상대 전극의 제조
면저항 8Ω의 FTO 기판을 다이아몬드 글라스 커터를 이용하여 2cm*2cm 크기로 절단하고, 탈이온수, 알코올, 아세톤, 이소프로판올을 사용하여 4단계 초음파 세척한 후, Pt 용액을 드로핑 방식으로 도포하였다. 사용된 Pt용액은 2-프로판올과 H2PtCl6·6H2O을 넣어서 제조하였다. Pt가 도포 된 전극을 60℃에서 5분간 건조 후, 1시간의 승온단계를 거쳐 400℃에서 1시간의 승온단계를 거쳐 30분간 소결시켜 상대 전극을 제조하였다.
(3) 겔형 전해질의 제조
3-Methoxypropionitrile 5ml, 0.1M LiI, 0.05M I2, 0.6M 1-Ethyl-3-methylimidazolium iodide, 0.5M t-Butylpyridine을 혼합하여 액체전해질을 제조하였다. 액체 전해질에서 상기한 LiI, I2, 1-Ethyl-3-methylimidazolium iodide 및 t-Butylpyridine의 농도는 유기용매를 기준으로 한 농도이다. 다음으로, 액체 전해질 중량을 기준으로 2중량%의 하이드로프로필 메틸 셀룰로오스(Hydropropyl methyl cellulose)를 액체 전해질과 혼합하여 겔형 전해질을 제조하였다.
(4) 염료감응 태양전지 제조
상기 겔형 전해질을 스크린 프린터를 이용하여 반도체 전극의 염료가 흡착되어 있는 광전극 상의 0.1cm2의 면적에 도포한 후, 상대전극을 대향시켜 접합하였다. 반도체 전극과 상대 전극의 접합면에 SURLYN(Dy Pont사 제조)으로 이루어지는 약 60μm 두께의 열가소성 고분자층을 형성한 후, 100~140℃에서 1~4분간 소결하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.
[실시예 2]
겔형 전해질의 제조시에 하이드로프로필 메틸 셀룰로오스와 함께 금속산화물 입자 TiO2(Deggussa p-25, 입경 20~25nm)를 함께 액체 전해질과 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 염료감응 태양전지를 제조하였다. 여기서, TiO2는 하이드로프로필 메틸 셀룰로오스와 동일 중량으로 액체 전해질에 첨가하였다.
[비교예 1]
겔형 전해질의 제조시에 하이드로프로필 메틸 셀룰로오스 대신 PEO(poly ethylene oxide)를 액체 전해질의 20 중량%로 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 염료감응 태양전지를 제조하였다.
[시험예 1]
상기 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1을 통해 제조된 염료감응 태양전지에 대하여 전해질의 장기안정성 실험을 통하여 전해질의 누액 여부를 확인한 결과 3개의 샘플 모두 200 시간 동안 전해질의 누액 없이 가동됨을 확인할 수 있었다.
[시험예 2]
실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1에서 제조한 염료감응 태양전지의 광전환 효율을 아래와 같은 방법으로 평가하였다.
광전압 및 광전류를 측정하여 광전기적 특성을 관찰하고, 이를 통하여 얻어진 전류밀도(Jsc), 전압(Voc), 및 충진계수(fillfactor, ff)를 이용하여 광전환 효율(ηe)를 구하였다. 광전환 효율의 계산을 위하여 아래 수학식 1을 이용하였다. 이때, 광원으로는 제논 램프(Xenon lamp, Oriel)를 사용하였으며, 상기 제논 램프의 태양조건(AM 1.5)은 표준태양전지를 사용하여 보정하였다.
[수학식 1]
ηe = (Voc × Jsc × ff) / (Pine)
(여기에서, (Pine)는 100 ㎽/㎠(1 sun)을 나타냄)
위의 과정을 통해 측정된 값들을 하기 표 1에 나타내었다.
구분 전류밀도
(mA/cm2)		 전압(V) 충진계수 광전환 효율(%)
실시예 1 11.264 0.667 0.657 4.938
실시예 2 11.444 0.707 0.694 5.626
비교예 1 11.354 0.623 0.621 4.400
상기 표 1의 결과를 통해, 겔형 전해질 제조시에 셀룰로오스를 첨가한 실시예 1 및 실시예 2의 겔형 전해질을 이용한 염료감응 태양전지는 PEO를 첨가한 비교예 1의 겔형 전해질을 이용한 염료감응 태양전지에 비해 전류밀도(Jsc)가 매우 우수하고, 이로 인해 높은 광전환 효율을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
또한, 실시예 2의 겔형 전해질은 금속 산화물의 첨가에 의해 충진계수 및 전압이 실시예 1에 비해 향상되었음을 확인할 수 있었다.
상기에서는 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.
100: 반도체 전극 110: 투명기판
120: 투명 도전막 130: 광전극
200: 상대 전극 210: 투명기판
220: 투명 도전막 230: 촉매층
300: 겔형 전해질 400: 측벽

Claims (10)

  1. 유기 용매, 산화-환원 유도체 및 첨가제를 포함하는 액체 전해질; 및
    셀룰로오스를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 겔형 전해질.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀룰로오스는 하이드로 프로필 메틸 셀룰로오스(Hydropropyl methyl cellulose), 카복실 메틸 셀룰로오스(Carboxyl methyl cellulose), 및 에틸 메틸 셀룰로오스(Ethyl methyl cellulose)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 겔형 전해질.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 셀룰로오스의 함량은 상기 액체 전해질 100 중량부 대비 1 내지 5 중량부인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 겔형 전해질.
  4. 제1항에 있어서,
    Al, Si, Sn, Zr, Ti, W, Zn, In, Ba, Nb, Ta, La, Sr, Y, Ho, Bi, Ce 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 금속 원소의 산화물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 겔형 전해질.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 원소의 산화물 및 셀룰로오스의 중량비는 3:7 내지 7:3인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 겔형 전해질.
  6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 유기 용매는 아세토나이트릴, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 테트라하이드로퓨란, 3-메톡시프로피온니트릴 및 감마-부티로락톤으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 겔형 전해질.
  7. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 산화-환원 유도체는 요오드; 및 요오드화 리튬, 요오드화 나트륨, 요오드화 칼륨, 브롬화 리튬, 브롬화 나트륨, 브롬화 칼륨, 4급 암모늄염, 이미다졸륨염 및 피리디니움염으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 겔형 전해질.
  8. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 첨가제는 t-부틸피리딘(t-Butylpyridine) 또는 2-디메틸아미노피리딘(2-dimethylamino pyridine)인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 겔형 전해질.
  9. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서,
    이미다졸리움계 아이오다이드, 피리디늄계 아이오다이드 및 피롤리늄계 아이오다이드로 이루어진 군에서 선택되는 지지전해질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지용 겔형 전해질.
  10. 제1항 내지 제9항 중에서 선택되는 겔형 전해질을 포함하는 염료감응형 태양전지.
KR1020110095865A 2011-09-22 2011-09-22 염료감응 태양전지용 겔형 전해질 KR20130032139A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110095865A KR20130032139A (ko) 2011-09-22 2011-09-22 염료감응 태양전지용 겔형 전해질

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110095865A KR20130032139A (ko) 2011-09-22 2011-09-22 염료감응 태양전지용 겔형 전해질

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20130032139A true KR20130032139A (ko) 2013-04-01

Family

ID=48435110

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110095865A KR20130032139A (ko) 2011-09-22 2011-09-22 염료감응 태양전지용 겔형 전해질

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20130032139A (ko)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101231935B1 (ko) 광전 변환 소자용 전해액 조성물 및 그것을 이용한 광전변환 소자
JP2007066526A (ja) 半導体電極，色素増感太陽電池およびその製造方法
JP4963165B2 (ja) 色素増感型太陽電池及び色素増感型太陽電池モジュール
TWI449236B (zh) 膠態電解液、其製法及其染料敏化太陽能電池
JP2004152613A (ja) 色素増感型太陽電池
JP2004127849A (ja) 炭素電極及びこれを備えた色素増感型太陽電池
CN103700509A (zh) 一种固态敏化电池的制备方法
KR101088676B1 (ko) 요오드화피롤리디니움계 이온성 액체를 포함한 염료감응 태양전지용 전해질 용액, 이를 포함하는 염료감응 태양전지 및 염료감응 태양전지의 제조방법
KR101054470B1 (ko) 염료감응 태양전지용 전해질 및 이를 이용한 염료감응 태양전지
KR101088675B1 (ko) 요오드화피리디니움계 이온성 액체를 포함한 염료감응 태양전지용 전해질 용액, 이를 포함하는 염료감응 태양전지 및 염료감응 태양전지의 제조방법
KR101532421B1 (ko) 염료감응 태양전지용 준고체 전해질 및 그 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지
KR20130044462A (ko) 염소 이온이 흡착된 이산화티탄 나노입자 및 이의 제조방법
JP2004152747A (ja) 炭素電極並びにこれを備える電極及び色素増感型太陽電池
KR20090123197A (ko) 에르븀 이온 및 이테르븀 이온이 도핑된 이산화티탄 분말의제조방법 및 이를 산란층으로 적용한 염료감응 태양전지
KR101044338B1 (ko) 염료 및 다원자음이온이 흡착된 나노 산화물층을 포함한 음극계 전극을 포함하는 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법
JP2007200714A (ja) 色素増感型太陽電池及びその製造方法
KR20130019849A (ko) 염료감응 태양전지
JP5566681B2 (ja) 光電変換素子用電解質組成物及び光電変換素子
KR20130005918A (ko) 염료감응 태양전지용 겔형 전해질
KR20120125887A (ko) 전도성 고분자를 포함하는 염료감응 태양전지용 고분자 전해질
KR20130120846A (ko) 고효율 염료감응 태양전지용 전해질
KR20130142423A (ko) 염료감응 태양전지용 전해질
KR20130032139A (ko) 염료감응 태양전지용 겔형 전해질
Wang et al. Effect of the self-assembled gel network formed from a low molecular mass organogelator on the electron kinetics in quasi-solid-state dye-sensitized solar cells
KR101294704B1 (ko) 다층 구조의 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지 및 그 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right