KR20130081548A - 염료감응형 태양전지용 고분자 전해질 조성물 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지 - Google Patents

염료감응형 태양전지용 고분자 전해질 조성물 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 염료감응형 태양전지용 고분자 전해질 조성물 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이온 전도도 및 내구성이 우수하고 롤투롤(roll-to-roll)제조가 가능한 고분자 전해질을 제공하므로 대형화 및 플렉서블이 가능하고 우수한 광에너지 변환효율 가지는 염료감응형 태양전지용 고분자 전해질 조성물 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지용 고분자 전해질 조성물은 다관능성 가교 붕소화합물, 니트릴 부타디엔 고분자, 페놀 수지, 경화제, 금속염 및 유기용매를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

염료감응형 태양전지용 고분자 전해질 조성물 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지{Composition of Polymer Electrolyte for Dye-Sensitized Solar Cells and Dye-Sensitized Solar Cells using the Same}
본 발명은 염료감응형 태양전지용 고분자 전해질 조성물 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이온 전도도 및 내구성이 우수하고 롤투롤(roll-to-roll)제조가 가능한 고분자 전해질을 제공하므로 대형화 및 플렉서블이 가능하고 우수한 광에너지 변환효율 가지는 염료감응형 태양전지용 고분자 전해질 조성물 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지에 관한 것이다.
일반적으로, 염료감응형 태양전지의 원형은 1991년 로잔 공과 대학의 그라이젤 등에 의해 보고된 광전 변환 소자 즉 태양 전지(M. Graezel, Nature, 353,737(1991))이다. 이러한 염료감응형 태양전지는 실리콘형 태양전지에 비해 제조비용이 저렴하고 실용적으로 사용가능한 광전 변환 효율을 갖는다.
상기 염료감응형 태양전지는 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성할 수 있는 감광성 염료 분자와 생성된 전자를 전달하는 산화티탄으로 이루어지는 산화물 반도체 전극을 이용한 광전기화학적 태양전지로서, 염료분자가 흡착된 반도체 산화물 나노입자층을 포함한 광음극, 백금 촉매를 포함하는 상대전극 및 산화환원 이온쌍을 포함하는 전해질로 구성되는데, 상기 구성요소 중 전해질은 특히 태양전지의 광에너지 변환효율과 내구성을 좌우하는 핵심요소이다.
종래 염료감응형 태양전지에서는 휘발성 유기용매를 이용하는 액체 전해질을 주로 사용하였다(한국 공개특허공보 제2001-0030478호). 이러한 액체 전해질은 이온 전도도 특성이 우수하기 때문에 광에너지 변환 효율은 우수하지만, 휘발 및 누액 현상이 쉽게 발생하여 태양전지의 내구성이 저하된다.
따라서 이러한 액체 전해질을 대체할 수 있는 반고체 전해질의 개발이 시급한 실정이다. 반고체 전해질을 형성하는 방법으로는 전해질 형성용 고분자에 가소제를 첨가하는 방법, 액체 전해질에 유기 단분자 겔화제를 부가하는 방법, 유기 단분자의 고분자화 또는 가교반응을 이용하는 방법, 수소 결합기를 가진 단분자를 이용하는 방법 등이 알려져 있다.
그런데, 상기 방법들에 따라 제조된 반고체 전해질은 온도 상승에 따른 안정성이 취약하고 이온 전도도 특성이 만족할 만한 수준에 도달하지 못하여 개선의 여지가 많은 문제점이 있다.
이를 개선하기 위해 제조된 반고체 전해질(한국 공개특허공보 제2009-0022383호)에 있어서도 이온 전도도가 우수한 반고체 전해질을 기재하고, 염료감응형 태양전지의 장기안정성 및 내구성을 유지하기에는 부족하다는 문제점이 있다.
한국 공개특허공보 제2001-0030478호 한국 공개특허공보 제2009-0022383호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 이온 전도도 및 내구성이 우수하고 롤투롤(roll-to-roll)제조가 가능한 고분자 전해질을 제공하므로 대형화 및 플렉서블이 가능하고 우수한 광에너지 변환효율 가지는 염료감응형 태양전지용 고분자 전해질 조성물 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 보다 분명해 질 것이다.
상기 목적은, 다관능성 가교 붕소화합물, 니트릴 부타디엔 고분자, 페놀 수지, 경화제, 금속염 및 유기용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 고분자 전해질 조성물에 의해 달성된다.
여기서, 상기 다관능성 가교 붕소화합물은 하기 화학식 1로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 화합물이되,
[화학식 1]
Figure pat00001
여기서, Ra는
Figure pat00002
이고,
Rb, Rc 및 Rd는
Figure pat00003
또는
Figure pat00004
또는
Figure pat00005
또는
Figure pat00006
또는 아크릴레이트계 말단기이거나 에폭사이드(Epoxide), 우레탄(Urethane), 아크릴로니트릴(Acrylonitrile), 비닐렌(Vinylene), 산무수물(Anhydride), 디엔(Diene) 또는 스티렌(Styrene) 등의 가교 구조를 이룰 수 있는 말단기로서 동일하거나 서로 상이하고, n은 0 또는 양의 정수이며, Re는 수소 또는 메틸기인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 화학식 1에서 n은 0 내지 23의 정수인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 니트릴 부타디엔 고분자는 아크릴로니트릴-부타디엔 공중합체 또는 아크릴로니트릴-부타디엔-아크릴산 삼원공중합체로서, 중량평균분자량이 2,000~2,000,000인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 니트릴 부타디엔 고분자는 사슬 말단에 1~20%의 카르복실기를 함유하고, 1~40%의 아크릴로 니트릴기를 함유하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 유기용매는 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 테트라하이드로퓨란, 2-메틸하이드로퓨란, 디에톡시에탄, 메틸포르메이트 및 감마부티로락톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 금속염은 요오드화리튬, 요오드화나트륨, 요오드칼륨, 요오드화마그네슘, 요오드화구리, 요오드화규소, 요오드화망간, 요오드화바륨, 요오드화몰리브덴, 요오드화칼슘, 요오드화철, 요오드화세슘, 요오드화아연, 요오드화수은, 요오드화암모늄, 요오드화메틸, 요오드화메틸렌, 요오드화에틸, 요오드화에틸렌, 요오드화이소프로필, 요오드화이소부틸, 요오드화벤질, 요오드화벤조일, 요오드화알릴 및 요오드화이미다졸리움로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 경화제는 지방족 폴리아민 경화제 또는 방향족 아민 경화제인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 목적은, 상술한 염료감응형 태양전지용 고분자 전해질 조성물로 형성된 고분자 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 이온 전도도 및 내구성이 우수하고 롤투롤(roll-to-roll)제조가 가능한 고분자 전해질을 제공하므로 대형화 및 플렉서블이 가능하고 우수한 광에너지 변환효율 가지는 등의 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 태양전지의 개방회로 전압과 전류밀도 그래프.
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 발명에 따른 염료감응형 태양전지용 고분자 전해질 조성물은 다관능성 가교 붕소화합물, 니트릴 부타디엔 고분자, 페놀 수지, 경화제, 금속염 및 유기용매를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 고체 고분자 전해질 형성용 이온 전도성 고분자의 모노머로는 에틸렌옥사이드를 기본단위로 하는 호모폴리머 또는 코폴리머의 선형 고분자나 가교 고분자가 주로 이용되는데, 바람직하게는 상기 다관능성 가교 붕소화합물로서, 하기 화학식 1로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 화합물이다.
[화학식 1]
Figure pat00007
여기서, Ra는
Figure pat00008
이고,
Rb, Rc 및 Rd는
Figure pat00009
또는
Figure pat00010
또는
Figure pat00011
또는
Figure pat00012
또는 아크릴레이트계 말단기이거나 에폭사이드(Epoxide), 우레탄(Urethane), 아크릴로니트릴(Acrylonitrile), 비닐렌(Vinylene), 산무수물(Anhydride), 디엔(Diene) 또는 스티렌(Styrene) 등의 가교 구조를 이룰 수 있는 말단기로서 동일하거나 서로 상이하고, n은 0 또는 양의 정수이며, Rc 및 Rd는 Rb와 동일하거나 상이하며, Re는 수소 또는 메틸기이다. 바람직하게는 상기 화학식 1에서 n은 0 내지 23의 정수인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 다관능성 가교 붕소화합물과 유기 용매의 혼합 중량비는 1:20 내지 1:500인 것이 바람직하다. 만약, 상기 다관능성 가교 붕소 화합물의 함량이 유기 용매에 대하여 상기 범위를 초과하는 경우에는 겔 형성이 안 되고, 상기 범위 미만인 경우에는 이온 전도도가 급격히 나빠져 전지성능이 저하되므로 바람직하지 못하다.
또한 본 발명에서 사용되는 니트릴 부타디엔 고분자는 아크릴로니트릴-부타디엔 공중합체 또는 아크릴로니트릴-부타디엔-아크릴산 삼원공중합체로서, 중량평균분자량이 2,000~2,000,000인 것으로서, 바람직하게는 사슬 말단에 1~20%의 카르복실기를 함유하고, 1~40%의 아크릴로 니트릴기를 함유하는 것이다. 이 경우 공중합체와 다른 수지 및 접착기재와의 결합이 용이하게 되므로 접착이 용이하게 된다. 상기 중량평균분자량이 2,000보다 작으면 열안정성 및 저장안정성이 불안해지고 2,000,000보다 많으면 용매에 대한 용해도가 낮아지게 되어 도포 작업에 대한 작업성이 떨어지게 되고, 접착력 또한 낮아지게 되기 때문에 중량평균분자량은 상기 범위로 하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 사용되는 상기 페놀 수지는 레졸형 페놀 수지로서 분자 중에 페놀성 수산기와 메틸롤기를 가지고 있는 것이 바람직하고, 페놀형, 크레졸형, 알킬형, 비스페놀A형 및 이들의 공중합체로 이루어진 것이 있다. 예를 들어, KPA1800 CKA908, CKA1634, KRDHM2(코오롱유화), NKM2620, CRM0803(소화고분자)등 중에 1종 이상을 사용할 수 있으며, 상기에 한정된 것은 아니다. 이러한 페놀 수지는 니트릴 부타디엔 고분자의 중합 개시제로 사용되고, 그 함량은 니트릴 부타디엔 고분자 100중량부에 대하여 0.5 내지 60중량부인 것이 바람직하다. 이 함량이 0.5중량부 미만일 경우, 아크릴 공중합체의 가교 반응이 일어나기에 부족하며, 60중량부 초과일 경우 미반응물이 잔존하게 되어 리튬염이 이동하는데 방해가 되어 이온전도도의 저하를 초래하게 되기 때문이다.
또한 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지용 고분자 전해질 조성물은 중합체 형성을 위한 경화제를 더 포함할 수 있다. 상기 경화제는 지방족 폴리아민 경화제로 디에틸렌트리아민, 디에틸렌테트라민, 디에틸아미노프로필아민, 메탄다이아민, N-아미노에틸피페라진, M-자일렌다이아민, 아이소포론다이아민 또는 방향족 아민경화제로 메타페닐렌디아민, 4-4'-디메틸아닐린, 다이아미노다이페닐설폰 디벤조일 퍼옥사이드 (dibenzoyl peroxide), 숙신산 퍼옥사이드(succinic peroxide), 디라우릴 퍼옥사이드(dilauryl peroxide), 디데카노일 퍼옥사이드(didecanoyl peroxide), 디큐밀 퍼옥사이드(dicumyl peroxide), 디터트부틸 퍼옥사이드(d-t-butyl peroxide), 2,5-디메틸-2,5-디(터트-부틸퍼옥시)헥산(2,5-dimethyl-2,5-di-(t-butyl peroxy)hexane), α-큐밀 퍼옥시-네오데카보네이트(α-cumyl peroxy-neodecabonate), 1,1-디메틸-3-하이드록시 부틸 퍼옥시-2-에틸헥사노에이트(1,1-dimethyl-3-hydroxybutyl peroxy -2-ethyl hexanoate), 터트-암밀퍼옥시 벤조에이트(t-amyl peroxy-benzoate), 터트-부틸 퍼옥시 피발레이트(t-butyl peroxy-pivalate), 2,5-디하이드록시 퍼옥시-2,5-디메틸헥산(2,5-dihydroxyperoxy-2,5-dimethyl hexane), 쿠멘 하이드로퍼옥사이드-디메틸헥산(cumene hydroperoxide-dimethyl hexane), 터트-부틸 하이드로퍼옥사이드(t-butyl hydroperoxide), 1,1-디-(터트-암밀 퍼옥시)-사이크로 헥산(1,1-di-(t-amyl peroxy)-cyclohexane), 2,2-디-(터트-부틸 퍼옥시)부틸레이트(2,2-di-(t-butylperoxy)butylate), 에틸 3,3-디-(터트-부틸퍼옥시)-부틸레이트 (Ethyl 3,3-di-(t-butylperoxy)-buthylate), 디(n-프로필)퍼옥시-디카보네이트 (di(n-propyl)peroxy-dicarbonate),디(sec-부틸)퍼옥시-디카보네이트(di(sec-butyl)peroxy-dicarbonate), 디(2-에틸헥실)퍼옥시-디카보네이트(di(2-ethylhexyl)peroxy-dicarbonate) 및 아조비스이소부티로니트릴로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이고, 그 함량은 상기 다관능성 가교 붕소화합물 100중량부에 대하여 0.01내지 10중량부인 것이 바람직하다. 이 함량이 0.01중량부 미만일 경우, 전해질의 겔형성이 되지 않는 문제가 야기되고, 10중량부를 초과할 경우는 전해질내에 미반응 경화제가 다량잔존하여 전지용량을 저하시키는 문제점을 일으키게 된다.
또한 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지용 고분자 전해질 조성물을 구성하는 유기용매로는 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 테트라하이드로퓨란, 2-메틸하이드로퓨란, 디에톡시에탄, 메틸포르메이트, 및 감마부티로락톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이고, 그 함량은 전체 전해질 100중량부에 대하여 70중량부 내지 99중량부인 것이 바람직하다.
또한 상기 고분자 전해질을 구성하는 I-소스 또는 I3-소스를 제공하는 금속염은 요오드화리튬, 요오드화나트륨, 요오드칼륨, 요오드화마그네슘, 요오드화구리, 요오드화규소, 요오드화망간, 요오드화바륨, 요오드화몰리브덴, 요오드화칼슘, 요오드화철, 요오드화세슘, 요오드화아연, 요오드화수은, 요오드화암모늄, 요오드화메틸, 요오드화메틸렌, 요오드화에틸, 요오드화에틸렌, 요오드화이소프로필, 요오드화이소부틸, 요오드화벤질, 요오드화벤조일, 요오드화알릴 및 요오드화이미다졸리움으로 이루어지는 군으로부터 적어도 하나이고, 그 함량은 상기 유기용매 100 중량부에 대하여 0.1 내지 100 중량부인 것이 바람직하다. 상기 금속염의 함량이 0.1중량 미만일 경우에는 이온전도도가 나타나지 않으며 100중량부 초과시에는 금속염의 응집현상으로 전해질의 제조가 불가능하게 된다.
이하, 실시예와 비교예를 통하여 본 발명의 구성 및 그에 따른 효과를 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
[합성예 1]
상기 화학식 1로 표시되는 화합물 중 가교 구조로서 아크릴레이트계를 채용한 트리스폴리에틸올아크릴릭 보레이트를 하기와 같은 방법으로 제조하였다.
먼저, 250ml 둥근 플라스크에 붕산(Mw: 62.02, 3.1g, 0.05mol), 폴리에틸렌글라이콜(Fw=400, 60g, 0.15mol)과 헥산 150ml를 넣고 진공 상태에서 교반하였다. 이때, 반응온도는 60~70℃로 하였고 5~6시간동안 반응시켰다. 반응 종료 후에 헥산을 감압장치를 이용하여 제거하고 얻은 반응 생성물에 하이드록시모노에틸옥시란(5.2g)과 하이드로퀴논 모노메틸에테르(0.008g)을 넣고 질소 분위기하에서 교반하였다. 이때, 반응온도는 30~60℃로 3~5시간동안 반응시켰다. 반응 후 헥산을 제거하고 생성물을 얻었다.
[합성예 2]
상기 화학식 1의 n=0로 표시되는 화합물인 트리스메타아크릴올 보레이트를 하기와 같은 방법으로 제조하였다.
먼저, 250ml 둥근 플라스크에 붕산(Mw: 62.02, 3.1g, 0.05mol), 하이드록시에틸메틸아크릴레이트(Mw:129.06, 19.36g, 0.15mol), 디메틸포름아미드 100ml, 하이드로퀴논 모노메틸에테르(0.004g)을 넣고 질소 분위기하에서 교반하였다. 이때, 반응온도는 30~60℃로 3~5시간동안 반응시켰다. 반응 후 헥산을 제거하고 생성물을 얻었다.
[실시예 1]
상기 합성예 1에 따라 제조된 화학식 1로 표시되는 화합물인 트리스폴리에틸올아크릴릭 보레이트 2g을 유기용매인 에틸렌카보네이트(EC): 에틸메틸카보네이트(EMC): 프로필렌카보네이트(PC)의 혼합용매(부피비 3:1:2) 38g에 부가하여 혼합한 후, 아크릴로니트릴부타디엔 고분자(PNR, 15g, JSR), 페놀수지(CPA1800,4g, 코오롱유화), 중합개시제인 다이큐밀 퍼옥사이드 0.01g과 디에틸렌트리아민 0.01g, 금속염으로 요오드화리튬(LiI) 1M을 첨가하여 균일하게 혼합함으로써 고분자 전해질 형성용 조성물을 얻었다. 이를 투명한 필름상인 PET, PI, PEN, PES 등에 메이어바를 이용하여 코팅하고 60℃~80℃ 조건하에 3시간 건조 후 100㎛ 두께의 필름상의 고분자 전해질을 얻었다.
[실시예 2]
상기 실시예 1에 따라 제조된 고분자 전해질 형성용 조성물을 인듐틴옥사이드(면저항 15Ω/㎠)위에 이산화티타늄 코팅 및 염료(solaronix사) 함침을 통하여 제조한 작동전극과 인듐틴옥사이드(면저항 15Ω/㎠)위에 백금을 코팅한 상대전극을 접합시킨 후, 상기 작동전극 및 상대전극 사이에 주입한다. 이를 60℃~80℃ 조건하에 3시간 중합하여 고분자 전해질이 포함된 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
[실시예 3]
상기 합성예 2에 따라 제조된 화학식 1로 표시되는 화합물인 트리스메타아크릴올 보레이트 2g을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 고분자 전해질 형성용 조성물을 얻었다. 이를 투명한 필름상인 PET, PI, PEN, PES 등에 메이어바를 이용하여 코팅하고 60℃~80℃ 조건하에 3시간 건조 후 100㎛ 두께의 필름상의 고분자 전해질을 얻었다.
[실시예 4]
상기 실시예 3에 따라 제조된 고분자 전해질 형성용 조성물을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일한 방법에 따라 실시하여 고분자 전해질이 포함된 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
[비교예 1]
고분자 전해질 형성용 조성물 제조 시, 상기 합성예 1에 따라 제조된 다관능성 아크릴레이트계 화합물 대신 디트리메틸올프로판 트리에폭사이드(2g)을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 전해질 형성용 조성물을 얻었다. 이를 투명한 필름상인 PET, PI, PEN, PES등 에 메이어바를 이용하여 코팅하고 60℃~80℃ 조건하에 3시간 건조 후 100㎛ 두께의 필름상의 고분자 전해질을 얻었다.
[비교예 2]
고분자 전해질 형성용 조성물 제조 시, 상기 합성예 1에 따라 제조된 다관능성 에폭사이드계 화합물 대신 디트리메틸올프로판 트리에폭사이드(2g)을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 2과 동일한 방법에 따라 실시하여 고분자 전해질이 포함된 염료감응형 태양전지를 제조하였다.
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1, 2에 따른 염료감응형 태양전지용 고분자 전해질 조성물을 사용하여 다음과 같은 실험예를 통해 물성을 측정하고 그 결과를 다음 표 1, 2 및 도 1에 나타내었다.
[실험예]
1. 이온전도도(ion conductivity) 측정
상기 실시예 1, 3 및 비교예 1에서 제조한 이온전도도 측정 샘플의 이온전도도를 평가하기 위하여 하기와 같은 방법으로 이온전도도를 측정하였다.
임피던스 분석장비(impedence analyzer, Solartron 1286)을 사용하고 주파수 범위는 100mHz ~ 1000kHz에서 측정하였다. 샘플의 두께는 100㎛로 하여 상기 샘플을 알루미늄 전극 사이에 위치시켰다. 이때 샘플의 직경은 18mm이었고 전압은 10mV AC를 인가하였다. 상온과 고온 안정성을 평가하기 위해 80℃에서의 이온전도도도 평가하여 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.
구분 실시예1 실시예3 비교예1
이온전도도(mS/㎝, 상온) 7.25 6.97 3.21
이온전도도(mS/㎝, 80℃) 8.81 7.44 3.05
상기 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 상온과 고온에서의 고분자 전해질의 이온전도도를 평가한 결과에서 붕소화합물을 함유한 고분자 전해질인 실시예 1,3이 일반 고분자 전해질인 비교예 1보다 우수한 이온전도도를 나타내었다.
2. 광에너지 변환 효율 측정
상기 실시예 2, 4 및 비교예 2에서 제조한 염료감응형 태양전지의 광에너지 변환효율을 평가하기 위하여 하기와 같은 방법으로 광전압 및 광전류를 측정하여 광전기적 특성을 관찰하고, 이를 통하여 얻어진 전류밀도(Isc), 개방회로 전압(Voc) 및 충전인자(fill factor; FF)를 이용하여 광에너지변환 효율(η%)을 하기 수학식 1로 계산하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 이때, 광원으로는 제논 램프를 사용하였으며, 상기 제논 램프의 태양조건(AM 1.5)은 표준 태양전지를 사용하여 보정하였다.
(수학식 1)
η = (Voc x Isc x FF) / (Pine)
상기 수학식 1에서, Pine는 100mW/㎠(1 sun)이다.
구분 전류밀도, Isc(mA/㎠) 전압(Voc) 충진인자 광변환효율(η%)
실시예2 13.63 0.764 0.523 4.25
실시예4 13.79 0.652 0.487 3.91
비교예2 13.32 0.598 0.358 2.87
상기 표 1 및 상기 실시예 2, 4 및 비교예 2를 조사한 결과인 도 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 염료감응형 태양전지가 비교예에 따른 태양전지보다 광변환효율에서 매우 우수하다는 것을 알 수 있다.
본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

Claims (9)

  1. 염료감응형 태양전지용 고분자 전해질 조성물에 있어서,
    다관능성 가교 붕소화합물, 니트릴 부타디엔 고분자, 페놀 수지, 경화제, 금속염 및 유기용매를 포함하는 것을 특징으로 하는, 염료감응형 태양전지용 고분자 전해질 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다관능성 가교 붕소화합물은 하기 화학식 1로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 화합물이되,
    [화학식 1]
    Figure pat00013

    여기서, Ra는
    Figure pat00014
    이고,
    Rb, Rc 및 Rd는
    Figure pat00015
    또는
    Figure pat00016
    또는
    Figure pat00017
    또는
    Figure pat00018
    또는 아크릴레이트계 말단기이거나 에폭사이드(Epoxide), 우레탄(Urethane), 아크릴로니트릴(Acrylonitrile), 비닐렌(Vinylene), 산무수물(Anhydride), 디엔(Diene) 또는 스티렌(Styrene) 등의 가교 구조를 이룰 수 있는 말단기로서 동일하거나 서로 상이하고, n은 0 또는 양의 정수이며, Re는 수소 또는 메틸기인 것을 특징으로 하는, 염료감응형 태양전지용 고분자 전해질 조성물.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 화학식 1에서 n은 0 내지 23의 정수인 것을 특징으로 하는, 염료감응형 태양전지용 고분자 전해질 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 니트릴 부타디엔 고분자는 아크릴로니트릴-부타디엔 공중합체 또는 아크릴로니트릴-부타디엔-아크릴산 삼원공중합체로서, 중량평균분자량이 2,000~2,000,000인 것을 특징으로 하는, 염료감응형 태양전지용 고분자 전해질 조성물.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 니트릴 부타디엔 고분자는 사슬 말단에 1~20%의 카르복실기를 함유하고, 1~40%의 아크릴로 니트릴기를 함유하는 것을 특징으로 하는, 염료감응형 태양전지용 고분자 전해질 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유기용매는 프로필렌카보네이트, 에틸렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 테트라하이드로퓨란, 2-메틸하이드로퓨란, 디에톡시에탄, 메틸포르메이트 및 감마부티로락톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는, 염료감응형 태양전지용 고분자 전해질 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속염은 요오드화리튬, 요오드화나트륨, 요오드칼륨, 요오드화마그네슘, 요오드화구리, 요오드화규소, 요오드화망간, 요오드화바륨, 요오드화몰리브덴, 요오드화칼슘, 요오드화철, 요오드화세슘, 요오드화아연, 요오드화수은, 요오드화암모늄, 요오드화메틸, 요오드화메틸렌, 요오드화에틸, 요오드화에틸렌, 요오드화이소프로필, 요오드화이소부틸, 요오드화벤질, 요오드화벤조일, 요오드화알릴 및 요오드화이미다졸리움로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는, 염료감응형 태양전지용 고분자 전해질 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 경화제는 지방족 폴리아민 경화제 또는 방향족 아민 경화제인 것을 특징으로 하는, 염료감응형 태양전지용 고분자 전해질 조성물.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 염료감응형 태양전지용 고분자 전해질 조성물로 형성된 고분자 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는, 염료감응형 태양전지.
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