KR20130078286A - 염료감응 태양전지용 페노티아진 함유 염료 및 이를 함유하는 태양전지 - Google Patents

염료감응 태양전지용 페노티아진 함유 염료 및 이를 함유하는 태양전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 염료감응 태양전지용 염료에 관한 것으로, 본 발명에 의한 염료는 높은 광 흡수도를 가지며 태양전지용 광 흡수층에 적용되어 광전전류 변환효율을 향상시킬 수 있다.

Description

염료감응 태양전지용 페노티아진 함유 염료 및 이를 함유하는 태양전지 {Phenothiazine Containing Dyes for Dye-Sensitized Solar Cells and Solar Cells Comprising the Same}
본 발명은 염료감응 태양전지에 사용하는 염료와 이를 이용한 염료감응 태양전지에 관한 것으로, 보다 자세 하게는 높은 흡광도를 가지는 신규염료를 제조하고 이를 태양전지용 광 흡수층에 적용하여 광전 변환효율을 향상시킬 수 있는 염료에 관한 것이다.
최근 들어 지구온난화의 주범으로 지목되는 이산화탄소의 배출량을 감소시키고 직면하는 에너지 문제를 해결하기 위하여 기존의 화석 연료를 대체할 수 있는 다양한 연구가 진행되어 오고 있다. 특히 수십 년 이내에 고갈될 석유 자원을 대체하기 위하여 풍력, 원자력, 태양력 등의 환경 친화적 에너지를 활용하기 위한 연구가 광범위하게 진행되어 오고 있다. 이 중 태양에너지를 이용한 태양 전지는 가장 환경 친화적이며, 다른 에너지원과는 달리 적절한 활용법만 개발하면 무한한 자원이다. 셀레늄(Se)을 이용한 태양전지가 1983년 개발된 이후로 최근에는 실리콘 태양전지가 각광받고 있으나, 제조 및 설치비용이 고가이며, 중량이 무거워 휴대가 힘들다는 단점으로 사용이 제한적이다. 이러한 문제를 극복하기 위하여 제작비용이 저렴하고 얇고 가벼워서 다양한 산업분야에 활용가능한 염료감응 태양전지의 개발이 적극 검토되어 오고 있다.
염료감응 태양전지는 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성하는 메카니즘이며, 감광성 염료분자 및 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물을 주된 구성 재료로 하는 광 전기화학적 태양전지이다. 스위스 로잔공대(EPFL) 마이클 그라첼(Michael Graezel) 연구팀이 1991년 개발한 나노입자 산화티타늄을 이용한 염료감응 태양 전지가 종래의 염료감응 태양전지 중에 대표적인 연구사례이다.
이들이 개발한 염료감응 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 제조 단가가 저렴하며, 얇고 가볍고 투명하여 건물 외벽 유리창이나 유리온실 등에 이용가능하지만, 광전변환효율이 낮아 실제 적용에는 한계가 있다.
광전변환효율은 빛 흡수에 의해 생성된 전자의 양에 비례한다. 효율을 극대화 시키기 위해서는, 전지의 빛 흡수 양을 증가시키거나, 염료의 흡착량을 높여 생성된 전자의 양을 증가시켜야 하며, 또한 생성된 여기 상태의 전자가 전자-홀 재결합에 의해 소멸 되는 것을 막아야 한다. 단위면적당 염료 흡착을 높이기 위해서, 산화물 반도체의 입자를 나노미터 수준의 크기로 제조하여야 하며, 빛 흡수를 높이기 위해 백금전극의 반사율을 높이거나, 수 마이크로 크기의 반도체 산화물 광 산란자를 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 요구되고 있는 실정이다.
본 발명의 목적은 높은 광 흡수도를 나타내는 염료감응 태양전지용 염료를 제공하여, 상기 염료를 포함하는 광전변환 효율이 개선된 염료감응 태양전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1의 구조를 갖는 화합물 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지용 염료를 제공한다.
[화학식 1]
Figure pat00001
[상기 화학식 1에서,
X1은 독립적으로 (C6~C60)아릴기, (C6~C60)헤테로아릴기, 이들의 조합으로 이루어진 치환기, 또는
Figure pat00002
로부터 선택되고, 상기 X2 X3는 독립적으로 (C6~C60)아릴기, (C6~C60)헤테로아릴기, 이들의 조합으로 이루어진 치환기로부터 선택되며, 이때 X1 내지 X3 중 적어도 하나는 쿠마리닐기, 페노티아지닐기, 플루오레닐기, 트리페닐아미닐기, 포피리닐기, 프탈로시아닐기를 포함하고;
Y1은 독립적으로 (C6~C60)아릴기, (C6~C60)헤테로아릴기, (C1~C20)알킬기, 또는 이들의 조합으로부터 선택되고;
Z1 Z2는 독립적으로 화학결합이거나, (C6~C30)아릴렌, 1 이상의 (C3~C30)헤테로아릴렌, 1 이상의 비닐렌, 또는 이들의 조합으로부터 선택되고;
A는 산성작용기이며;
상기 아릴, 헤테로아릴, 아릴렌, 헤테로아릴렌, 또는 비닐렌기는 (C1~C20)알킬, (C1~C20)알콕시, 할로겐원소, 아미노기, 니트로기 및 시아노기(CN)로부터 선택되는 1 이상의 치환기로 더 치환될 수 있다.]
이하, 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.
염료감응 태양전지에서 태양전지가 구동되는 첫 단계는 광 에너지로부터 광 전하를 생성하는 과정이다. 통상적으로 광 전하 생성을 위하여 염료물질을 사용하는데, 상기 염료물질은 전도성 투명기판을 투과한 빛을 흡수하여 여기된다.
상기 염료물질로는 금속 복합체가 널리 사용되고 있으며, 상기 금속 복합체 중에서도 루테늄의 모노, 비스 또는 트리스(치환 2,2'-비피리딘)착염 등이 일반적으로 사용되고 있다. 특히 이들은 금속 복합체의 바닥상태에서 빛에 의해 여기된 전자가 다시 바닥상태로 떨어지는 속도가 비교적 빨라 효율이 낮다는 문제가 있었다. 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 도입하기가 어렵다는 문제가 있다.
이에 대해 본 발명에서는 태양전지용 염료로 페노티아진 구조에 다양한 치환체를 도입한 화합물을 제공함으로써 높은 광 흡수도를 가진 새로운 염료를 합성하였으며, 이를 염료감응 태양전지에 이용 시 광전전류 변환효율의 향상이 기대된다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지용 염료는 상기 화학식 1의 화합물로부터 선택된다.
상기 화학식 1에서 상기 아릴은 방향족 탄화수소기로서 페닐기, 나프틸기, 안트라세닐기, 플루오레닐기, 비페닐기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되며 탄소수 6 내지 30의 카르보사이클 방향족계 화합물 (carbocyclic aromatic compound)인 것이 바람직하다. 또한 상기 헤테로아릴은 방향족 헤테로고리로서 질소(N), 황(S), 산소(O) 등의 헤테로원소가 포함되어 방향족고리를 형성하는 것으로서 피란, 피롤, 티오펜, 카바졸 및 이들의 조합으로 이루어진 치환기에서 선택되는 것이 바람직하다.
또한 Z1 및 Z2 는 화학결합이거나, 양 말단이 결합가능한 라디칼의 형태를 가지며, 아릴렌, 헤테로아릴렌, 비닐렌 및 이들의 조합으로부터 선택되며, 구체적으로는 비닐렌, 폴리비닐렌, 페닐렌, 나프틸렌, 안트라세닐렌, 플루오레닐렌, 비페닐렌, 피란일렌, 피롤렌, 티오펜일렌, 카바졸일렌기 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다.
상기 A는 산성 작용기로서 구체적으로는 카르복시기, 아인산기, 술폰산기, 포스핀산기, 히드록시기, 옥시카르복시산, 산아미드 및 이들의 조합으로 이루어진 치환기에서 선택되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 카르복시기이다.
또한 상기 염료는 화합물 내에 쿠마리닐기, 페노티아지닐기, 트리페닐아미닐기, 플루오레닐기, 포피리닐기 또는 프탈로시아닐기에서 선택되는 기능기를 적어도 하나 이상 포함하는 것으로, 하나의 화합물 내에 쿠마리닐기, 페노티아지닐기, 트리페닐아미닐기, 플루오레닐기, 포피리닐기 또는 프탈로시아닐기로부터 선택되는 기능기가 2개 이상 함유되는 것이 더욱 바람직하다.
상기 화학식 1의 화합물은 보다 구체적으로 하기 화학식 2 또는 화학식 3의 화합물로부터 선택된다.
[화학식 2]
Figure pat00003
[화학식 3]
Figure pat00004
상기 화학식 2 및 화학식 3에서 X4 내지 X6은 독립적으로 하기 구조로부터 선택되고
Figure pat00005
Z3 내지 Z5는 독립적으로
Figure pat00006
내지
Figure pat00007
로부터 선택되고
m은 0 내지 4의 정수이고, n은 0 내지 2의 정수이고,
o는 0 내지 2의 정수이고, p는 0 내지 4의 정수이고,
h는 0 내지 2의 정수이고, i는 0 내지 4의 정수이고,
j는 0 내지 2의 정수이고, k는 0 내지 4의 정수이다.
R1 내지 R10은 독립적으로 수소이거나, (C1~C20)알킬, (C1~C20)알콕시, 할로겐원소, 아미노기, 니트로기, 시아노기(CN) 또는 이들의 조합으로부터 선택된다.
Y2 내지 Y7은 독립적으로 수소이거나, (C1~C20)알킬, (C1~C20)알콕시, 할로겐원소, 아미노기, 니트로기, 시아노기(CN), (C6~C60)아릴기, (C6~C60)헤테로아릴기 또는 이들의 조합으로부터 선택된다.
본 발명은 본 발명에 따른 염료물질 중 하나 이상을 광 흡수층에 함유하는 태양전지를 제공한다.
본 발명에 따른 염료물질을 함유하는 태양전지의 일례로서 그 수직 구조를 도 1에 도시하였다. 도 1을 참조하면 FTO 유리기판 상에 티타늄알콕사이드 용액을 건조한 후 티타니아 졸을 코팅 및 건조하고 열처리하여 티타니아 막을 형성한다. 티타니아 막이 형성된 기판을 염료함유 용액에 침지한 후 건조하여 티타니아 입자로 이루어진 티타니아 막에 염료를 흡착시킨다. 또 다른 FTO 유리기판 상에 백금 전극층을 형성한 후 염료층이 형성된 기판 및 전극층이 형성된 기판을 서로 접합하여 도 1에 도시한 바와 같은 구조의 태양전지 셀을 제조하였다.
본 발명에 따른 염료는 높은 광 흡수도를 나타내며, 상기 염료를 포함하는 염료감응 태양전지는 우수한 광전 변환효율을 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지 소자의 단면 모식도이다.
도 2는 화합물 1의 흡광도 그래프이고,
도 3은 화합물 2의 흡광도 그래프이고,
도 4는 화합물 3의 흡광도 그래프이고,
도 5는 화합물 4의 흡광도 그래프이고,
도 6은 화합물 5의 흡광도 그래프이고,
도 7은 화합물 6의 흡광도 그래프이고,
도 8은 화합물 7의 흡광도 그래프이고,
도 9는 화합물 8의 흡광도 그래프이고,
도 10은 화합물 9의 흡광도 그래프이고,
도 11은 화합물 10의 흡광도 그래프이고,
도 12는 화합물 11의 흡광도 그래프이고,
도 13은 화합물 12의 흡광도 그래프이고,
도 14는 화합물 13의 흡광도 그래프이고,
도 15는 화합물 14의 흡광도 그래프이고,
도 16은 화합물 15의 흡광도 그래프이고,
도 17은 화합물 16의 흡광도 그래프이다.
아래에 실시예를 통하여 본 발명을 더 구체적으로 설명한다. 단 하기 실시예는 본 발명의 예시에 불과한 것으로서 본 발명의 특허 청구 범위가 이에 따라 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 : 신규 합성한 염료의 구조 및 광학적 특성 규명
본 발명에 따라 신규 합성한 염료는 하기 구조와 같다.
[화합물 1]
Figure pat00008
[화합물 2]
Figure pat00009
[화합물 3]
Figure pat00010
[화합물 4]
Figure pat00011
[화합물 5]
Figure pat00012
[화합물 6]
Figure pat00013
[화합물 7]
Figure pat00014
[화합물 8]
Figure pat00015
[화합물 9]
Figure pat00016
[화합물 10]
Figure pat00017
[화합물 11]
Figure pat00018
[화합물 12]
Figure pat00019
[화합물 13]
Figure pat00020
[화합물 14]
Figure pat00021
[화합물 15]
Figure pat00022
[화합물 16]
Figure pat00023

상기 화합물 1 내지 화합물 16의 광학적 특성을 규명하기 위하여 DMF를 용매로 하여, 자외선-가시광선 영역의 흡광도를 측정하였다. 각각의 자외선-가시광선 흡광 스펙트럼을 도 2 내지 도 17에 도시하였으며, 기존 염료인 N719와의 분광학적 특성 비교를 하기 표 1에 기술하였다.
[표 1]
Figure pat00024
상기 화합물 1 내지 화합물 16은 200~700nm 범위에서 강한 흡수를 보이며, 최대흡수파장의 위치는 440~490nm 사이에 위치한다. 몰흡광계수 (ε, M-1cm-1)는 40,000~80,000 사이로 계산되었으며, 상기 표 1에서 나타낸 바와 같이 기존의 루테늄 착염계 염료 N719가 12,000인 것과 비교하면, 4배 내지 7배 높은 것이다. 이러한 높은 흡광도는 신규 염료를 태양전지에 적용 시, 보다 효율적으로 빛을 흡수하게 하며 따라서 태양전지의 광전변환 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
실시예 2 : 염료감응 태양전지의 제조
태양전지 소자의 제조 및 특성확인 방법
(1) 작업 전극 제작
FTO 글라스(Fluorine-doped tin oxide coated conduction glass, Pilkington, TEC7)를 1.5cm X 1.5cm 크기로 잘라 비눗물로 초음파 세척을 5분간 한 후 비눗물을 완전히 제거를 한다. 그 후에 에탄올로 초음파 세척을 5분간 3회 반복한다. 그 후에는 무수 에탄올(Anhydrous ethanol)로 완전히 헹군 후에 오븐에서 건조시킨다. 이렇게 준비한 FTO 글라스 위에 TiO2와의 접촉력을 향상시키기 위하여 0.2M 티타늄(Ⅳ) 부톡사이드(Titanium(Ⅳ) butoxide) 용액을 스핀코팅 방법으로 입히고, 오븐에서 용매를 완전히 건조시킨다.
그 후에 다이졸 티타니아 (Dyesol titania, TiO2)를 FTO 글라스 위에 닥터 블레이드법으로 코팅한다. 코팅된 필름을 100oC 오븐에서 10분 동안 말린 다음, 450oC로 30분간 열처리함으로써 10 마이크로미터 두께의 TiO2 필름을 얻는다. 열처리 과정이 끝난 TiO2 필름을 0.5mM 농도로 합성한 염료를 녹인 무수 에탄올 용액에 24시간 담궈 놓음으로써 염료를 흡착시킬 수 있다.(무수 에탄올에 염료가 녹지 않을 경우에는 녹일 수 있는 용매를 사용). 흡착이 끝난 후에 무수 에탄올로 흡착되지 않은 염료를 완전히 씻어 준 후 건조시킨다. 염료가 흡착된 필름을 4mm X 4mm 크기만 남기고 나머지는 긁어낸다.
(2) 상대 전극 제작
1.5cm X 1.5cm 크기의 FTO 글라스에 다이아몬드 드릴(Bosch, Dremel multipro395)을 이용해서 전해질이 들어갈 구멍 두 개를 뚫는다. 그 후에는 위에서 제시했던 세척 방법과 동일한 방법으로 세척한 후 건조시킨다. 그 후, hydrogen hexachloroplatinate (H2PtCl6) 2-propanol 용액을 FTO 글라스에 입힌 후 450oC에서 30분간 열처리 한다.
(3) Sandwich cell 제작
작업전극과 상대전극 사이에 사각형 띠 모양으로 자른 설린(Surlyn, Solaronix, SX1170-25 Hot Melt)을 놓고 핫 프레스기를 이용하여 두 전극을 서로 붙인 후에 상대전극에 있는 두 개의 작은 구멍을 통해 전해질을 주입한 후 설린 스트립(Surlyn strip)과 커버 글라스(cover glass)로 실링(sealing)하여 샌드위치 셀(sandwich cell)을 제작한다. 전해질 용액으로는 0.1M 리튬 아오다이드(LiI), 0.05M 아이오딘(I2), 0.6M 1-헥실-2,3-디메틸이미다졸리움 아이오다이드(1-hexyl-2,3-dimethylimidazolium iodide)와 0.5M 4-터셔리-부틸피리딘(4-tert-butylpyridine)을 3-메톡시프로피오니트릴(3-metoxypropionitrile) 용매로 제조하였다.
(4) 광전류-전압(Photocurrent-voltage) 측정
앞에서 제작한 샌드위치 셀에 AM 1.5 솔라 시뮬레이터 필터(solar simulating filter)를 장착한 제논 램프(Xe lamp, Oriel, 300 W Xe arc lamp)로 빛을 조사한 후, M236 소스 측정 유닛 (source measure unit, SMU, Keithley)를 사용하여 전류-전압 곡선을 얻었다. 전위의 범위는 -0.8V에서 0.2V까지 이고, 빛의 세기는 100 mW/cm2 으로 하였다.
염료의 종류에 따른 태양전지 소자의 특성확인
상기 화합물 1 내지 화합물 16을 위에서 기재한 방법으로 태양전지 소자를 제작하여 그 특성을 확인하였으며, 사용 염료 및 제조된 태양전지 소자로부터 측정된 개방전압(Voc), 단락전류(Jsc), fill factor(FF), 광전 변환효율(%)을 하기 표 2에 나타냈으며, 하기 실시예에 의한 효율은 흡착용매의 용해도, 소자구조, 티타늄 옥사이드의 크기, 공흡착제(co-adsorbant)의 농도 및 종류, 전해질의 농도 및 종류 등에 따라 변화하며, 따라서 아래의 예시값에 한정되는 것은 아님을 밝힌다.
[표 2]
Figure pat00025

FTO : 플루오린(Fluorine) 처리된 전도성 유리기판
Pt : 백금전극
electrolyte : 전해질

Claims (5)

  1. 하기 화학식 1의 화합물로부터 선택되는 염료감응 태양전지용 염료.
    [화학식 1]
    Figure pat00026

    [상기 화학식 1에서,
    X1은 독립적으로 (C6~C60)아릴기, (C6~C60)헤테로아릴기, 이들의 조합으로 이루어진 치환기, 또는
    Figure pat00027
    로부터 선택되고, 상기 X2 X3는 독립적으로 (C6~C60)아릴기, (C6~C60)헤테로아릴기, 이들의 조합으로 이루어진 치환기로부터 선택되며, 이때 X1 내지 X3 중 적어도 하나는 쿠마리닐기, 페노티아지닐기, 플루오레닐기, 트리페닐아미닐기, 포피리닐기, 프탈로시아닐기를 포함하고;
    Y1은 독립적으로 (C6~C60)아릴기, (C6~C60)헤테로아릴기, (C1~C20)알킬기, 또는 이들의 조합으로부터 선택되고;
    Z1 Z2는 독립적으로 화학결합이거나, (C6~C30)아릴렌, 1 이상의 (C3~C30)헤테로아릴렌, 1 이상의 비닐렌, 또는 이들의 조합으로부터 선택되고;
    A는 산성작용기이며;
    상기 아릴, 헤테로아릴, 아릴렌, 헤테로아릴렌, 또는 비닐렌기는 (C1~C20)알킬, (C1~C20)알콕시, 할로겐원소, 아미노기, 니트로기 및 시아노기(CN)로부터 선택되는 1 이상의 치환기로 더 치환될 수 있다.]
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 A는 카르복시기, 아인산기, 술폰산기, 포스핀산기, 히드록시기, 옥시카르복시산, 산아미드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 염료감응 태양전지용 염료.
  3. 제 1항에 있어서,
    Z1 및 Z2 는 독립적으로 화학결합이거나, 비닐렌, 폴리비닐렌, 페닐렌, 나프틸렌, 안트라세닐렌, 플루오레닐렌, 비페닐렌, 피란일렌, 피롤렌, 티오펜일렌, 카바졸일렌기 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 염료감응 태양전지용 염료.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 화학식 1의 화합물은 하기 화학식 2 또는 화학식 3의 화합물로부터 선택되는 염료감응 태양전지용 염료.
    [화학식 2]
    Figure pat00028

    [화학식 3]
    Figure pat00029

    [상기 화학식 2 및 화학식 3에서 X4 내지 X6은 독립적으로 하기 구조로부터 선택되고
    Figure pat00030

    Z3 내지 Z5는 독립적으로
    Figure pat00031
    내지
    Figure pat00032
    로부터 선택되고
    m은 0 내지 4의 정수이고, n은 0 내지 2의 정수이고,
    o는 0 내지 2의 정수이고, p는 0 내지 4의 정수이고,
    h는 0 내지 2의 정수이고, i는 0 내지 4의 정수이고,
    j는 0 내지 2의 정수이고, k는 0 내지 4의 정수이다.
    R1 내지 R10은 독립적으로 수소이거나, (C1~C20)알킬, (C1~C20)알콕시, 할로겐원소, 아미노기, 니트로기, 시아노기(CN) 또는 이들의 조합으로부터 선택된다.
    Y2 내지 Y7은 독립적으로 수소이거나, (C1~C20)알킬, (C1~C20)알콕시, 할로겐원소, 아미노기, 니트로기, 시아노기(CN), (C6~C60)아릴기, (C6~C60)헤테로아릴기 또는 이들의 조합으로부터 선택된다.]
  5. 제 1항의 염료를 광 흡수층에 포함하는 태양전지 소자.
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