KR20140102429A - 광전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 태양전지 - Google Patents

광전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 태양전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 태양전지에 관한 것으로, 상기 광전극은 정공수송물질 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 정공수송물질은 광전변환 효율이 높아, 본 발명에 따른 태양전지에 사용될 경우, 태양전지의 높은 효율을 구현할 수 있고, 단순한 제조공정을 통해 공정비용을 절감할 수 있으며, 환경오염을 피할 수 있다.

Description

광전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 태양전지{PHOTOELECTRODE, PREPARATION METHOD THEROF AND SOLAR CELL COMPRISING THE SAME}
본 발명은 광전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 태양전지에 관한 것으로, 상기 광전극은 정공수송물질 화합물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
화석 에너지의 고갈, 환경오염, 질소산화물 및 이산화황 발생에 의한 환경 및 에너지 문제의 해결을 위한 기술 분야 중 하나로, 환경오염 물질을 발생시키지 않으면서도 전기를 발생시킬 수 있는 대체에너지원 중 하나인 태양전지 기술에 대한 관심이 커지고 있다.
태양전지는 구성하는 물질에 따라 실리콘 화합물 반도체와 같은 무기소재로 이루어진 무기태양전지와 유기물질을 포함하는 유기태양전지로 나눌 수 있고, 유기태양전지는 염료감응형 태양전지와 유기분자접합형 태양전지로 나눌 수 있다.
이 중 염료감응형 태양전지는 환경적으로 무해한 재료들을 사용할 뿐만 아니라, 제조단가가 실리콘 태양전지의 1/5 수준이어서 현 발전 단가 수준의 신재생 에너지원으로 주목을 받고 있으며, 이에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.
염료감응형 태양전지와 기존의 p-n 접합에 의한 실리콘 태양전지와의 차이점은, 기존의 태양전지에서 태양에너지의 흡수과정과 전자-정공 쌍이 분리되어 전기의 흐름을 만드는 과정이 반도체 내에서 동시에 일어나는 것에 비해, 염료감응 태양전지에서는 태양에너지의 흡수과정과 전하이동 과정이 분리되어 태양에너지 흡수는 염료가 담당하고, 전하의 이동은 전자의 형태로 반도체에서 담당한다는 것이다.
일반적으로 염료감응 태양전지는 두 개의 전극(광전극과 상대전극), 반도체 나노입자, 염료 그리고 액체 전해질로 구성되어 있으며, 이 중 액체 전해질 구성 요소 부분이 소자의 장기 안정성과 아주 밀접하게 관련되어 있다.
종래의 전해질은 요오드를 포함하여 에너지 변환 효율 측면에서는 우수한 장점을 가지고 있지만, 요오드의 높은 휘발성 때문에 사용기간 동안 전해액이 누출 또는 휘발될 수 있고, 장시간 구동 시 염료 분자의 분해를 유발하며, 소량의 산소와 수분과의 작용에 의한 금속 성분을 부식시켜 소자의 안정성 문제를 유발할 뿐만 아니라, 요오드의 독성이 치명적인 문제점으로 부각되었다.
이러한 용액 상태의 전해질이 가진 문제점들을 해결하기 위해, 최근 요오드를 대체할 정수송달물질(Hole Transporting Material, HTM)로서, 무기물질과 유기물질이 대두되었다. 무기물질로는 CuBr, CuI, CuSCN 등이 사용될 수 있으며, 최근 CuI 을 정공수송물질로 사용하여 7.4% 의 효율을 보여주는 연구가 보고되었다. 하지만, 무기물질을 정공수송물질로 사용한 염료감응형 태양전지는 수 차례 고온처리과정 및 전기증착 등의 복잡한 합성공정이 요구되기 때문에, 적용이 매우 제한적이고, 대량생산에 적합하지 못하며, 경제성이 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 정공수송물질로 사용되는 유기물질로는 단분자와 고분자로 나눌 수 있는데, 예를 들어, 유기 단분자는 Spiro-OMeTAD((2,2-7.7-tetrakis(N,N -diparamethoxyphenyl-amine-9,9-spirobifluo-rene)이 있으며, 최대 5%의 효율을 나타낼 수 있다는 것이 보고되어 있다. 하지만, 이러한 유기 단분자를 정공수송물질로 사용하는 경우에는 태양열에 의해 물질이 쉽게 변질 될 수 있으며, 이는 태양전지의 효율 감소에 큰 영향을 미칠 수 있다. 또한, Spiro-OMeTAD의 비싼 가격에 비하여 최고 5%의 효율을 보여주고 있어, 효율 및 경제성 측면에 문제점이 있다.
이러한 유기 단분자의 문제점들을 해결하기 위하여, 유기 고분자를 정공수송물질로 사용하는 연구가 진행되고 있다. 그러나, 일반적으로 전도성 고분자는 대부분의 용매에 잘 녹지 않고, 중합된 고분자의 크기도 매우 크기 때문에 광전극 기공 내부에 어려운 문제점이 있다. 또한, 단량체 형태로 침투시키더라도 전기, 열 또는 광중합 등의 복잡한 공정을 요구하여, 간편한 스핀코팅 및 드롭 캐스팅 등의 방법으로는 전도성 고분자를 효과적으로 침투시킬 수 없다.
그 이후, 무기물질 및 유기물질의 단점을 보완하고자 합성된 방사형 또는 대칭형의 트리알릴아민계 올리고머 단분자가 고안되었다. 상기 올리고머 단분자는 기존의 고분자에 비해 침투성은 향상되었지만 금속산화물 및 염료와의 계면간 상호작용에 문제가 있고, 에너지 띠간격의 부조합으로 인해 높은 효율을 구현하지 못하였다.
따라서, 상기 문제점을 보완할 수 있으며, 높은 효율을 구현할 수 있는 정공수송물질에 대한 연구가 필요한 실정이다.
한국공개특허 제2011-0135663호 일본공개특허 제2011-204546호
본 발명은 선행기술의 문제점을 보완할 수 있는 정공수송물질을 포함하는 광전극에 관한 것으로, 이의 제조방법 및 상기 광전극을 포함하는 태양전지를 제공하고자 한다.
본 발명은 광전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 태양전지에 관한 것으로, 상기 광전극의 하나의 예로서,
투명 전극; 및
상기 투명 전극의 일면 또는 양면에 형성된 금속 산화물층을 포함하며,
상기 금속 산화물층은 금속 산화물 매트릭스 구조에 염료 및 유기반도체 물질이 분산된 구조이며, 상기 유기반도체 물질은 하기 화학식 1 내지 7로 나타내는 화합물 중 1 종 이상을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00001
[화학식 2]
Figure pat00002
[화학식 3]
Figure pat00003
[화학식 4]
Figure pat00004
[화학식 5]
Figure pat00005
[화학식 6]
Figure pat00006
[화학식 7]
Figure pat00007
상기 화학식 1 내지 화학식 7에서,
X1 내지 X10은 각각 독립적으로 S, NR21, Se 또는 Te을 나타내고,
Y1 내지 Y14는 각각 독립적으로 I, Br, Cl 또는 F를 나타내고,
Z1 내지 Z12는 각각 독립적으로 CR22R23, NR24, O 또는 S을 나타내고,
R1 내지 R24는 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 60을 갖는 알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 헤테로알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 알킬에스테르기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 알킬카보네이트기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 시클로알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 헤테로시클로알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 아릴기 또는 탄소수 1 내지 60을 갖는 헤테로아릴기를 나타내고,
n 및 m은 각각 독립적으로 1 내지 30의 정수를 나타내며,
상기 화학식 1 내지 화학식 7의 수소들 중 하나 이상은 할로겐 원자, 하이드록시기, 카르복시기, 시아노기, 니트로기, 아미노기, 사이오기, 메틸사이오기, 알콕시기, 나이트릴기, 알데하이드기, 에폭시기, 에테르기, 에스테르기, 카르보닐기, 아세탈기, 케톤기, 벤질기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 시클로알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 헤테로시클로알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 아릴기 및 탄소수 1 내지 60을 갖는 헤테로아릴기로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 치환기로 치환 또는 비치환된다.
또한, 본 발명은 광전극 제조방법을 제공할 수 있으며, 하나의 예로서,
다공성 금속 산화물층에 염료 및 유기반도체 물질을 공급하는 단계를 포함하며,
상기 유기반도체 물질은 하기 화학식 9 내지 15로 표시되는 화합물 중 1 종 이상일 수 있다.
[화학식 9]
Figure pat00008
[화학식 10]
Figure pat00009
[화학식 11]
Figure pat00010
[화학식 12]
Figure pat00011
[화학식 13]
Figure pat00012
[화학식 14]
Figure pat00013
[화학식 15]
Figure pat00014
상기 화학식 9 내지 화학식 15에서,
X1 내지 X10은 각각 독립적으로 S, NR21, Se 또는 Te을 나타내고,
Y1 내지 Y14는 각각 독립적으로 H, I, Br, Cl 또는 F를 나타내고,
Z1 내지 Z12는 각각 독립적으로 CR22R23, NR24, O 또는 S을 나타내고,
R1 내지 R24는 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 60을 갖는 알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 헤테로알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 알킬에스테르기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 알킬카보네이트기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 시클로알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 헤테로시클로알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 아릴기 또는 탄소수 1 내지 60을 갖는 헤테로아릴기를 나타내고,
n 및 m은 각각 독립적으로 1 내지 100의 정수를 나타내며,
상기 화학식 1 내지 화학식 7의 수소들 중 하나 이상은 할로겐 원자, 하이드록시기, 카르복시기, 시아노기, 니트로기, 아미노기, 사이오기, 메틸사이오기, 알콕시기, 나이트릴기, 알데하이드기, 에폭시기, 에테르기, 에스테르기, 카르보닐기, 아세탈기, 케톤기, 벤질기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 시클로알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 헤테로시클로알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 아릴기 및 탄소수 1 내지 60을 갖는 헤테로아릴기로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 치환기로 치환 또는 비치환된다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 광전극을 포함하는 태양전지를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 광전극은 광전변환 효율이 높은 정공수송물질을 포함하고 있어, 본 발명에 따른 태양전지에 사용될 경우, 태양전지의 높은 효율을 구현할 수 있고, 단순한 제조공정을 통해 공정비용을 절감할 수 있으며, 환경오염을 피할 수 있다.
도 1은 일 실시예에서, 유기반도체 소자의 자기공명 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 2는 일 실시예에서, TiO2 박막의 단면을 나타낸 SEM 사진이다.
도 3은 일 실시예에서, 본 발명에 따른 태양전지의 전류 전압 곡선을 나타낸 것이다.
도 4는 일 실시예에서, 본 발명에 따른 태양전지 및 비교예에 따른 태양전지의 광전변환 효율을 비교한 그래프이다.
본 발명은 광전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 태양전지에 관한 것으로,
상기 광전극의 하나의 예로서,
투명 전극; 및
상기 투명 전극의 일면 또는 양면에 형성된 금속 산화물층을 포함하며,
상기 금속 산화물층은 금속 산화물 매트릭스 구조에 염료 및 유기반도체 물질이 분산된 구조이며, 상기 유기반도체 물질은 하기 화학식 1 내지 7로 나타내는 화합물 중 1 종 이상을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00015
[화학식 2]
Figure pat00016
[화학식 3]
Figure pat00017
[화학식 4]
[화학식 5]
Figure pat00019
[화학식 6]
Figure pat00020
[화학식 7]
Figure pat00021
상기 화학식 1 내지 화학식 7에서,
X1 내지 X10은 각각 독립적으로 S, NR21, Se 또는 Te을 나타내고,
Y1 내지 Y14는 각각 독립적으로 H, I, Br, Cl 또는 F를 나타내고,
Z1 내지 Z12는 각각 독립적으로 CR22R23, NR24, O 또는 S을 나타내고,
R1 내지 R24는 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 60을 갖는 알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 헤테로알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 알킬에스테르기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 알킬카보네이트기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 시클로알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 헤테로시클로알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 아릴기 또는 탄소수 1 내지 60을 갖는 헤테로아릴기를 나타내고,
n 및 m은 각각 독립적으로 1 내지 100의 정수를 나타내며,
상기 화학식 1 내지 화학식 7의 수소들 중 하나 이상은 할로겐 원자, 하이드록시기, 카르복시기, 시아노기, 니트로기, 아미노기, 사이오기, 메틸사이오기, 알콕시기, 나이트릴기, 알데하이드기, 에폭시기, 에테르기, 에스테르기, 카르보닐기, 아세탈기, 케톤기, 벤질기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 시클로알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 헤테로시클로알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 아릴기 및 탄소수 1 내지 60을 갖는 헤테로아릴기로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 치환기로 치환 또는 비치환된다.
본 명세서 상에서, 상기 상기 화학식 1 내지 화학식 7에서, 접두어 '헤테로'란, -N-, -O-, -S- 및 -P-로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 헤테로 원자가 탄소 원자를 치환하고 있는 것을 의미할 수 있다. 예를 들어, 헤테로알킬기는 알킬기의 탄소원자 중 하나 이상의 탄소 원자를 상기 헤테로 원자가 치환하고 있는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서 상에서, '알킬에스테르기'는 에스테르기 및 알킬기를 포함하는 화합물 및 이의 유도체를 의미할 수 있고, '알킬카보네이트기'는 카보네이트기 및 알킬기를 포함하는 화합물 및 이의 유도체를 의미할 수 있다.
상기 광전극에 포함되는 유기반도체 물질인 화학식 1 내지 7의 정의 부분에서,
X1 내지 X10은 각각 독립적으로 S를 나타내고,
Y1 내지 Y14는 각각 독립적으로 H, I, Br, Cl 또는 F를 나타내고,
Z1 내지 Z12는 각각 독립적으로 C 또는 O를 나타내고,
R1 내지 R20은 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 60을 갖는 알킬기 또는 탄소수 1 내지 60을 갖는 아릴기를 나타내고,
n 및 m은 각각 독립적으로 1 내지 10의 정수를 나타낼 수 있다.
상기 유기반도체 물질의 반복단위인 n 및 m은 1 내지 10의 정수를 나타낼 수 있어, 소중합체 또는 소공중합체로 표현할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유기반도체 물질 중 상기 화학식 5 내지 화학식 7은,
X5 내지 X10은 각각 독립적으로 S를 나타내고,
Y9 내지 Y14는 각각 독립적으로 I 또는 Br을 나타내고,
Z7 내지 Z12는 각각 독립적으로 C 또는 O를 나타내고,
R9 내지 R20은 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 30을 갖는 알킬기 또는 탄소수 1 내지 30을 갖는 아릴기를 나타내고,
m은 1 내지 10의 정수를 나타낼 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유기반도체 물질 상기 화학식 1 내지 화학식 4는,
X1 내지 X4는 각각 독립적으로 S를 나타내고,
Y1 내지 Y8은 각각 독립적으로 I 또는 Br을 나타내고,
Z1 내지 Z6은 각각 독립적으로 C 또는 O를 나타내고,
R1 내지 R8은 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 30을 갖는 알킬기 또는 탄소수 1 내지 30을 갖는 아릴기를 나타내고,
n은 1 내지 10의 정수를 나타낼 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유기반도체 물질은 3-헥실티오펜 육중합체일 수 있으며, 상기 3-헥실티오펜 육중합체의 구조이성질체를 포함할 수 있다.
상기 유기반도체 물질들은 정공수송물질로 사용될 수 있으며, 이는 광전극의 다공성 금속 산화물층에 충분히 침투될 수 있고, 높은 효율 및 경제성을 나타낼 수 있어, 태양전지의 경제적 대량생산이 가능할 수 있다.
또한, 상기 화합물들은 에너지 릴레이 염료로 사용될 수 있다. 상기 에너지 릴레이 염료란, 태양전지의 염료층이 흡수하지 않는 빛의 영역을 흡수하면서 염료가 흡수하는 영역에서 발광하는 물질을 의미할 수 있다. 구체적으로, 염료감응형 태양전지가 높은 에너지 변환효율을 갖기 위해서는 염료가 흡착된 금속 산화물층은 350 내지 900 nm 영역의 빛을 80% 이상 흡수해야 하는 것으로 알려져 있다. 보통 400 nm 이하의 자외선 영역의 빛은 금속산화물의 나노입자들이 흡수하게 되고, 그 이상의 빛은 염료 분자가 흡수하게 된다. 이 때, 에너지 릴레이 염료는 염료 분자가 흡수하지 않는 빛의 영역을 흡수하면서 염료가 흡수하는 영역에서 발광하는 물질로, 이 빛 에너지는 금속 산화물층에 흡착된 염료와 쌍극자-쌍극자 결합(dipole-dipole coupling)을 통해 Foster resonance energy transfer (FRET) 방법으로 전달되어, 염료가 추가로 에너지를 사용할 수 있게 하는 역할을 할 수 있다.
결과적으로, 상기 화합물들은 정공수송물질 및 에너지 릴레이 염료로 사용할 수 있는 다중 기능성 물질일 수 있다.
상기 광전극의 투명 전극은 기판 상에 형성될 수 있으며, 상기 기판은 태양전지에서 통상적으로 사용되는 기판이면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 유리 또는 플라스틱 기판을 포함할 수 있다. 상기 플라스틱 기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(poly(ethylene terephthalate)), 폴리에틸렌나프탈레이트(poly(ethylene naphthalate)), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리이미드(polyimide), 트리아세틸셀룰로오스(triacetyl cellulose) 및 폴리에테르술폰(polyethersulfone) 중 1 종 이상을 포함할 수 있다.
상기 투명 전극은 전도성 투명 전극일 수 있고, 상기 전도성 투명 전극은 통상적으로 전도성 투명 전극으로 사용되는 물질이라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide: ITO), 플루오린 틴 옥사이드(fluorine tin oxide: FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, 산화주석, 안티몬 틴옥사이드(antimony tin oxide, ATO) 및 산화아연(zinc oxide) 중 1 종 이상을 포함할 수 있다.
상기 투명 전극의 일면 또는 양면에 형성된 금속 산화물층은 하기 화학식 8로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 8]
M1-O-M2
상기 화학식 8에서,
M1 및 M2는 각각 독립적으로 티타늄(Ti), 아연(Zn), 니오븀(Nb) 및 텅스텐(W)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상이다. 이는, 전도성 투명 전극 상에 형성될 수 있다.
상기 형성된 금속 산화물층의 두께는 1 내지 50 ㎛일 수 있다. 예를 들어, 상기 박막층의 두께는 1 내지 30 ㎛, 20 내지 50 ㎛, 15 내지 30 ㎛ 또는 5 내지 30 ㎛일 수 있다. 상기 박막층의 두께 범위 내에서, 높은 염료 흡착량을 구현할 수 있어, 전류밀도 증가에 유리하며, 상기 박막층 내부로 본 발명에 따른 화합물의 침투를 용이하게 할 수 있어, 높은 광전변환 효율을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명은 광전극 제조방법을 포함할 수 있다. 하나의 예로서,
다공성 금속 산화물층에 염료 및 유기반도체 물질을 공급하는 단계를 포함하며,
상기 유기반도체 물질은 하기 화학식 9 내지 15로 표시되는 화합물 중 1 종 이상일 수 있다.
[화학식 9]
Figure pat00022
[화학식 10]
Figure pat00023
[화학식 11]
Figure pat00024
[화학식 12]
Figure pat00025
[화학식 13]
Figure pat00026
[화학식 14]
Figure pat00027
[화학식 15]
Figure pat00028
상기 화학식 9 내지 화학식 15에서,
X1 내지 X10은 각각 독립적으로 S, NR21, Se 또는 Te을 나타내고,
Y1 내지 Y14는 각각 독립적으로 H, I, Br, Cl 또는 F를 나타내고,
Z1 내지 Z12는 각각 독립적으로 CR22R23, NR24, O 또는 S을 나타내고,
R1 내지 R24는 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 60을 갖는 알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 헤테로알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 알킬에스테르기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 알킬카보네이트기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 시클로알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 헤테로시클로알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 아릴기 또는 탄소수 1 내지 60을 갖는 헤테로아릴기를 나타내고,
n 및 m은 각각 독립적으로 1 내지 100의 정수를 나타내며,
상기 화학식 1 내지 화학식 7의 수소들 중 하나 이상은 할로겐 원자, 하이드록시기, 카르복시기, 시아노기, 니트로기, 아미노기, 사이오기, 메틸사이오기, 알콕시기, 나이트릴기, 알데하이드기, 에폭시기, 에테르기, 에스테르기, 카르보닐기, 아세탈기, 케톤기, 벤질기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 시클로알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 헤테로시클로알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 아릴기 및 탄소수 1 내지 60을 갖는 헤테로아릴기로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 치환기로 치환 또는 비치환된다.
예를 들어, 상기 다공성 금속 산화물층은 투명 전극 상에 형성될 수 있으며, 투명 전극을 형성하는 물질은 상기 설명한 바와 동일 또는 상이할 수 있다.
상기 다공성 금속 산화물층은 금속 산화물 나노입자 졸을 이용하여 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 금속 산화물 나노입자 졸에 함유된 나노입자의 직경은 1 내지 1,000 nm일 수 있으며, 예를 들어, 1 내지 800 nm, 5 내지 500 nm, 10 내지 200 nm 또는 10 내지 60 nm일 수 있다. 상기 나노입자 졸을 이용하여 다공성 금속 산화물층을 형성할 경우, 전도성 투명 전극과 다공성 금속 산화물층 사이의 접착성 및 내구성을 향상시킬 수 있다. 상기 금속 산화물 나노입자 졸을 투명 전극 상에 도포할 때, 도포 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 그라비아 코팅법, 딥코팅법, 실크스크린법, 페인팅법, 슬릿다이를 이용한 코팅법, 스핀코팅법, 롤코팅법 또는 전사코팅법을 사용할 수 있으며, 구체적으로는, 닥터 블레이드법을 사용하여 다공성 금속 산화물층을 균일한 두께로 형성시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 광전극 제조방법은,
다공성 금속 산화물층에 염료를 흡착시키는 단계; 및
염료가 흡착된 다공성 금속 산화물층에 유기반도체 물질을 침투시키는 단계를 포함할 수 있다.
다공성 금속 산화물층에 염료를 흡착시키는 단계에서, 상기 염료는 염료는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 알루미늄(Al), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 유로퓸(Eu), 납(Pb), 이리듐(Ir) 및 루테늄(Ru)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속 복합체; 인돌린(indoline)계 염료; 및 트리페닐아민(triphenylamine)계 염료 중 1 종 이상을 포함할 수 있다.
염료가 흡착된 다공성 금속 산화물층에 유기반도체 물질을 침투시키는 단계에서, 상기 유기반도체 물질은 유기반도체 물질의 분산액 상태이며, 상기 유기반도체 물질의 분산액은 비수성 용매를 포함할 수 있다.
상기 비수성 용매는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 디클로로메탄, 클로로포름, 아세토니트릴, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 디메틸비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트, 메틸에틸 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트, 메틸부틸 카보네이트, 에틸프로필 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 디프로필 카보네이트, 디부틸 카보네이트, 메탄올, 에탄올, 부탄올, 프로판올, 아이소프로필알콜, 헥산올, 헵탄올, 옥탄올, 헵타올, 데카올, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 피나콜, 프로피온산메틸, 피발린산메틸, 피발린산부틸, 피발린산헥실, 피발린산옥틸, 옥살산디메틸, 옥살산에틸메틸, 옥살산디에틸, 테트라하이드로퓨란, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 1,4-디옥세인, 1,2-디메톡시에탄, 1,2-디에톡시에탄, 1,2-디부톡시에탄, 디메틸포름아마이드, 인산트리메틸, 인산트리부틸, 인산트리옥틸, 디비닐 술폰, γ-부티로락톤, δ-발레로락톤, α-안겔리카락톤, 아디포니트릴, 1,4-프로판 술톤, 1,4-부탄디올 디메탄 술포네이트, 프로필렌 술파이트, 글리콜 술페이트, 프로필렌 술페이트, 디프로파길 술파이트, 메틸 프로파길 술파이트, 에틸 프로파길 술파이트, 프로필렌 술파이트, 글리콜 술페이트, 프로필렌 술페이트, 톨루엔, 헥산, 자일렌 및 아세톤 중 1 종 이상을 포함할 수 있다. 상기 비수성 용매를 사용할 경우, 본 발명에 따른 화합물이 다공성 금속 산화물층 내부에 효과적으로 침투할 수 있다.
상기 유기반도체 물질 분산액은, 비수성 용매 100 중량부를 기준으로, 유기반도체 물질 10-7 내지 103 중량부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 유기반도체 물질은 10-7 내지 102 중량부, 10-5 내지 102 중량부, 10-2 내지 10 중량부 또는 10-1 내지 10 중량부를 포함할 수 있다. 상기 유기반도체 물질 함량 범위 내에서, 광전변환 효율이 높은 고체상 염료감응형 태양전지의 제조할 수 있다.
염료가 흡착된 다공성 금속 산화물층에 유기반도체 물질을 침투시키는 단계 이후에, 다공성 금속 산화물층에 비휘발성 이온성 액체와 이온염을 포함하는 첨가액을 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 비휘발성 이온성 액체의 음이온과 이온염은 형태와 크기가 다를 수 있다.
상기 첨가액 중 비휘발성 이온성 액체는 예를 들어, 1-메틸-3-프로필이미다졸리움 요오드, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 디시아나미드, 1-부틸-3-메틸-이미다졸리움 크로라이드, 1-부틸-3-메틸-이미다졸리움 테트라플로오로보레이트, 1-부틸-3-메틸-이미다졸리움 헥사플루오로포스페이트, 1-부틸-3-메틸-이미다졸리움 비스(트리플루오로메테인술포닐)이미드, 1-부틸-3-메틸-이미다졸리움 트리플루오로메테인술포네이트, 1-부틸-3-메틸-이미다졸리움 트리플루오로아세테이트, 1-부틸-3-메틸-이미다졸리움 디시아나미드, 1-부틸-3-메틸-이미다졸리움 티오시아네이트, 1-부틸-3-메틸-이미다졸리움 염, 1-부틸-3-메틸-이미다졸리움 테트라클로로페레이트 및 4-터트-부틸피리딘 중 1 종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 비휘발성 이온성 액체는 4-터트-부틸피리딘일 수 있으며, 상기 비휘발성 이온성 액체를 통해 광전변환 효율을 높일 수 있다.
상기 이온염은 예를 들어, 암모늄염, 나트륨염 및 리튬염 중 1 종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 암모늄염은 예를 들어, n-Bu4NClO4, n-Bu4NPF6, n-Bu4NBF4 및 n-Et4NClO4 중 1 종 이상을 포함할 수 있고, 상기 나트륨염은 NaPF6, NaBF4 및 NaClO4 중 1 종 이상을 포함할 수 있으며, 상기 리튬염은 LiClO4, LiPF6, LiBF4, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2C2F5)2, LiCF3SO3, LiC(SO2CF3)3, LiPF4(CF3)2, LiPF3(C2F5)3, LiPF3(CF3)3, LiPF3(iso-C3F7)3, LiPF5(iso-C3F7), (CF2)2(SO2)2NLi 및 (CF2)3(SO2)2NLi 중 1 종 이상을 포함할 수 있다. 또한, 상기 이온염의 수소들 중 하나 이상은 탄소수 1 내지 30을 갖는 알킬기로 치환 또는 비치환될 수 있다.
구체적으로, 상기 이온염은, n-Bu4NClO4, n-Bu4NPF6, n-Bu4NBF4, NaClO4, n-Et4NClO4, NaClO4, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2C2F5)2, LiCF3SO3, LiC(SO2CF3)3, LiPF4(CF3)2, LiPF3(C2F5)3, LiPF3(CF3)3, LiPF3(iso-C3F7)3 및 LiPF5(iso-C3F7) 중 1 종 이상을 포함할 수 있으며, 상기 이온염을 통해 전류의 양을 증가시킬 수 있다.
상기 첨가액은, 비휘발성 이온성 액체 100 중량부를 기준으로, 이온염 10-7 내지 200 중량부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 이온염은 10-5 내지 200 중량부, 10-3 내지 200 중량부, 0.1 내지 200 중량부, 10-3 내지 100 중량부 또는 0.1 내지 80 중량부를 포함할 수 있다. 상기 첨가액의 함량 범위 내에서 높은 광전변환 효율을 구현할 수 있고, 전류의 양을 증가시킬 수 있다.
상기 다공성 금속 산화물층에 비휘발성 이온성 액체와 이온염을 포함하는 첨가액을 공급하는 단계 이후에 용매 증발단계를 더 포함할 수 있으며, 이를 통해, 본 발명에 따른 광전극을 제조할 수 있다.
본 발명은 본 발명에 따른 광전극을 포함하는 태양전지를 포함할 수 있다. 상기 태양전지의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 염료감응형 태양전지, 유무기 하이브리드 태양전지, 박막 실리콘 태양전지, 양자점 태양전지 및 상기 태양전지의 하이브리드형 등을 포함할 수 있으며, 구체적으로, 염료감응형 태양전지일 수 있다. 또한, 상기 태양전지의 광활성 물질로, 본 발명에 따른 유기반도체 물질 또는 양자점을 사용할 수 있다.
구체적으로, 상기 태양전지의 제조방법은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 본 발명에 따른 광전극에 반대 전극을 가압 및 실링하여 제조할 수 있다.
상기 반대 전극은 기판 상에 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide: ITO), 플루오린 틴 옥사이드(fluorine tin oxide: FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, 산화주석, 안티몬 틴옥사이드(antimony tin oxide, ATO) 및 산화아연(zinc oxide) 중 1 종 이상을 포함하는 도전층을 갖는 기판으로서, 상기 기판은 본 발명에 따른 광전극에 사용되는 기판과 동일할 수 있다.
결과적으로, 본 발명에 따른 광전극을 포함하는 태양전지는 기존의 태양전지의 복잡한 제조방법을 개선하여, 간단한 제조방법으로 양산화가 가능할 수 있고, 안정성이 높으며, 기존에 요오드 사용으로 인한 환경오염을 피할 수 있다.
이하, 상기 서술한 내용을 바탕으로, 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위를 한정하려는 것은 아니다.
제조예 1: 유기반도체 물질의 제조
둥근 바닥플라스크 안에 DMF 30 mL, 2 mol%의 Pd(PPh3)4, 0.1 g의 3-Hexyl-5(trimethylstannyl)thiophene 및 0.18 g의 2-bromo-trimer of 3-hexylthiophene을 넣고 아르곤 분위기 하에서 2 일 동안 환류하였다. 그런 다음, 반응 혼합물을 실온으로 냉각하고 염산용액으로 반응을 종료시킨 후, 탄산수소나트륨을 이용하여 중화하였다. 그런 다음, 에틸에테르와 헥산의 혼합용액을 이용하여 추출하고 증류수로 세척한 후, n-Hexane을 이동상으로 사용한 컬럼 크로마토그래피를 통해 하기 화학식 9로 나타내는 유기반도체 물질을 분리하였다.
[화학식 9]
Figure pat00029

제조예 2: 유기반도체 물질의 제조
둥근 바닥플라스크 안에 DMF 50 mL, 2 mol%의 Pd(PPh3)4, 0.1 g의 3-Hexyl-5(trimethylstannyl)thiophene 및 0.3 g의 2-bromo-pentamer of 3-hexylthiophene을 넣고 아르곤 분위기 하에서 2 일 동안 환류하였다. 그런 다음, 반응 혼합물을 실온으로 냉각하고 염산용액으로 반응을 종료시킨 후, 탄산수소나트륨을 이용하여 중화하였다. 그런 다음, 에틸에테르와 헥산의 혼합용액을 이용하여 추출하고 증류수로 세척한 후, n-Hexane을 이동상으로 사용한 컬럼 크로마토그래피를 통해 하기 화학식 10으로 나타내는 유기반도체 물질을 분리하였다. 본 제조예 2에서 제조된 유기반도체 물질의 자기공명 스펙트럼을 도 1에 나타내었다.
[화학식 10]
Figure pat00030

제조예 3: 유기반도체 물질의 제조
둥근 바닥플라스크 안에 DMF 50 mL, 2 mol%의 Pd(PPh3)4, 0.1 g의 2-(3-ethylhexyl-5-trimethylstannyl-thiophene-2-yl)-3,4-ethylenedioxythiophene 및 0.1 g의 2-bromo-dimer of EDOT-EHT(5-(3-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)-2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxine)을 넣고 아르곤 분위기 하에서 2 일 동안 환류하였다. 그런 다음, 반응 혼합물을 실온으로 냉각하고 염산용액으로 반응을 종료시킨 후, 탄산수소나트륨을 이용하여 중화하였다. 그런 다음, 에틸에테르와 헥산의 혼합용액을 이용하여 추출하고 증류수로 세척한 후, n-Hexane을 이동상으로 사용한 컬럼 크로마토그래피를 통해 하기 화학식 11로 나타내는 유기반도체 물질을 분리하였다.
[화학식 11]
Figure pat00031

제조예 4: 광전극의 제조
1. 이산화티타늄 박막층의 형성
1.5 x 2.0 cm 크기의 FTO 유리기판 위에 20 내지 100 nm 나노입자 직경을 갖는 TiO2 졸을 드랍 캐스팅(drop casting)하고, 닥터 블레이드(doctor blade) 방법으로 도포하였다. 그런 다음, 70℃의 오븐에서 약 30 분 정도 건조한 후, 450℃에서 소성시켜 TiO2 졸에 포함되어 있는 고분자 물질과 잔존물을 제거하면서, 상기 TiO2의 아나타제(anatase) 결정성을 향상시켜 기공이 많이 존재하며, 큰 표면적을 갖는 TiO2 박막을 제조하였다. 상기 박막의 두께는 각각 11 ㎛와 15 ㎛로 조절하여 제조하였다.
2. 염료의 흡착
상기 기판의 TiO2 박막층에 염료를 흡착시키기 위하여, 에탄올을 용매 100 중량부를 기준으로, 루테늄계 염료인 N719(쏠라로닉스(solaronix)사)를 0.02 중량부포함하여 염료함유 용액을 제조하였다. 그런 다음, 상기 기판을 상기 염료함유 용액에 25℃에서 24 시간 동안 함침하여 염료가 흡착된 기판을 제조하였다.
3. 유기반도체 물질의 침투
상기 염료가 흡착된 기판을 알코올로 세척하여 염료 잔류물을 제거하고, 진공오븐에서 50℃로 건조하였다. 그런 다음, 상기 건조된 염료가 흡착된 기판에 헥산 용매 100 중량부를 기준으로 본 발명에 따른 유기반도체 물질 1 내지 10 중량부를 포함한 용액을 드랍 캐스팅하여 침투시켰다. 그런 다음, 상기 헥산 용매를 50℃에서 증발시켜 광전극을 제조하였다.
실시예 1
상기 제조예 4의 방법으로 11 ㎛ 두께의 TiO2 박막을 갖는 광전극을 제조하되, 제조예 2에서 제조된 유기반도체 물질을 1 중량부 포함하며, 상기 광전극에 MPII(1-methyl-3-propylimidazolium iodide), LiTFSI 및 4-터트-부틸피리딘(4-tert-butylpyridine)을 포함하는 첨가액을 드랍 캐스팅하고, 상대 전극으로 백금(Pt)이 코팅된 전도성 유리를 조립하여, 가압한 후, 에폭시 본드를 이용하여 밀봉(sealing)하여 태양전지를 제작하였다.
실시예 2
상기 제조예 4의 방법으로 15 ㎛ 두께의 TiO2 박막을 갖는 광전극을 제조하되, 제조예 2에서 제조된 유기반도체 물질을 1 중량부 포함하며, 상기 광전극에 MPII(1-methyl-3-propylimidazolium iodide), LiTFSI 및 4-터트-부틸피리딘(4-tert-butylpyridine)을 포함하는 첨가액을 드랍 캐스팅하고, 상대 전극으로 백금(Pt)이 코팅된 전도성 유리를 조립하여, 가압한 후, 에폭시 본드를 이용하여 밀봉(sealing)하여 태양전지를 제작하였다. 상기 태양전지 제조 시 TiO2 박막의 단면에 대한 SEM 사진을 도 2에 나타내었다.
실시예 3
상기 제조예 4의 방법으로 11 ㎛ 두께의 TiO2 박막을 갖는 광전극을 제조하되, 제조예 2에서 제조된 유기반도체 물질을 5 중량부 포함하며, 상기 광전극에 MPII(1-methyl-3-propylimidazolium iodide), LiTFSI 및 4-터트-부틸피리딘(4-tert-butylpyridine)을 포함하는 첨가액을 드랍 캐스팅하고, 상대 전극으로 백금(Pt)이 코팅된 전도성 유리를 조립하여, 가압한 후, 에폭시 본드를 이용하여 밀봉(sealing)하여 태양전지를 제작하였다.
실시예 4
상기 제조예 4의 방법으로 11 ㎛ 두께의 TiO2 박막을 갖는 광전극을 제조하되, 제조예 2에서 제조된 유기반도체 물질을 10 중량부 포함하며, 상기 광전극에 MPII(1-methyl-3-propylimidazolium iodide), LiTFSI 및 4-터트-부틸피리딘(4-tert-butylpyridine)을 포함하는 첨가액을 드랍 캐스팅하고, 상대 전극으로 백금(Pt)이 코팅된 전도성 유리를 조립하여, 가압한 후, 에폭시 본드를 이용하여 밀봉(sealing)하여 태양전지를 제작하였다.
실시예 5
1.5 x 2.0 cm 크기의 FTO 유리기판 위에 20 내지 100 nm 나노입자 직경을 갖는 TiO2 졸을 드랍 캐스팅(drop casting)하고, 닥터 블레이드(doctor blade) 방법으로 도포하였다. 그런 다음, 70℃의 오븐에서 약 30 분 정도 건조한 후, 450℃에서 소성시켜 TiO2 졸에 포함되어 있는 고분자 물질과 잔존물을 제거하면서, 상기 TiO2의 아나타제(anatase) 결정성을 향상시켜 기공이 많이 존재하며, 큰 표면적을 갖는 TiO2 박막을 제조하였다. 상기 기판의 TiO2 박막에 광감응제로 CdSe를 캐스팅하고, 용매를 증발시킨 후, 금(Au)을 증착하여 태양전지를 제작하였다.
비교예 1
상기 제조예 4의 방법으로 11 ㎛ 두께의 TiO2 박막을 갖는 광전극을 제조하되, 2. 염료 및 3. 유기반도체 물질의 침투 단계를 거치지 않고 제조하였다. 상기 광전극에 MPII(1-methyl-3-propylimidazolium iodide), LiTFSI 및 4-터트-부틸피리딘(4-tert-butylpyridine)을 포함하는 첨가액을 드랍 캐스팅하고, 상대 전극으로 백금(Pt)이 코팅된 전도성 유리를 조립하여, 가압한 후, 에폭시 본드를 이용하여 밀봉(sealing)하여 태양전지를 제작하였다.
비교예 2
상기 제조예 4의 방법으로 11 ㎛ 두께의 TiO2 박막을 갖는 광전극을 제조하되, 3. 유기반도체 물질의 침투 단계를 거치지 않고 제조하였다. 상기 광전극에 MPII(1-methyl-3-propylimidazolium iodide), LiTFSI 및 4-터트-부틸피리딘(4-tert-butylpyridine)을 포함하는 첨가액을 드랍 캐스팅하고, 상대 전극으로 백금(Pt)이 코팅된 전도성 유리를 조립하여, 가압한 후, 에폭시 본드를 이용하여 밀봉(sealing)하여 태양전지를 제작하였다.
실험예
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 및 2에서 제조된 태양전지의 효율을 평가하였다. 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
Sample Pin (mW/cm2) Jsc (mA/cm2) Voc (mV) FF (%) Efficiency (%)
실시예 1 100 13.17 0.68 65.96 5.66
실시예 2 100 12.26 0.68 61.74 5.16
실시예 3 100 7.936 0.63 61.85 3.08
실시예 4 100 8.435 0.60 60.01 3.04
비교예 1 100 2.887 0.57 59.41 0.98
비교예 2 100 1.357 0.51 58.56 0.41
상기 표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 실시예 4 중 최고 약 5.66%의 효율을 나타내는 것을 확인할 수 있으며, 이에 비해, 비교예 1 및 비교예 2의 경우 최고 약 0.98%의 효율을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 결과적으로 본 발명에 따른 유기반도체 물질을 포함하는 태양전지의 효율이 약 5 배 이상 높은 것을 알 수 있었다.
또한, 상기 실시예 1(A) 및 실시예 2(B)를 통해 제조된 태양전지의 전류 전압 곡선을 도 3에 나타내었다.
또한, 상기 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2를 통해 제조된 태양전지의 입사광자 대 전류변환 효율(incident photon to current efficiency, IPCE) 그래프를 도 4에 나타내었다. 상기 입사광자 대 전류변환 효율은 광전변환 효율을 의미할 수 있다.
결과적으로, 상기 실험 결과들을 통해, 본 발명에 따른 유기반도체 물질을 포함하는 태양전지는 높은 효율, 전류양 및 광전변환 효율을 구현할 수 있다는 것을 알 수 있었다.

Claims (16)

  1. 투명 전극; 및
    상기 투명 전극의 일면 또는 양면에 형성된 금속 산화물층을 포함하며,
    상기 금속 산화물층은 금속 산화물 매트릭스 구조에 염료 및 유기반도체 물질이 분산된 구조이며, 상기 유기반도체 물질은 하기 화학식 1 내지 7로 나타내는 화합물 중 1 종 이상을 포함하는 광전극:
    [화학식 1]
    Figure pat00032

    [화학식 2]
    Figure pat00033

    [화학식 3]
    Figure pat00034

    [화학식 4]
    Figure pat00035

    [화학식 5]
    Figure pat00036

    [화학식 6]
    Figure pat00037

    [화학식 7]
    Figure pat00038

    상기 화학식 1 내지 화학식 7에서,
    X1 내지 X10은 각각 독립적으로 S, NR21, Se 또는 Te을 나타내고,
    Y1 내지 Y14는 각각 독립적으로 H, I, Br, Cl 또는 F를 나타내고,
    Z1 내지 Z12는 각각 독립적으로 CR22R23, NR24, O 또는 S을 나타내고,
    R1 내지 R24는 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 60을 갖는 알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 헤테로알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 알킬에스테르기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 알킬카보네이트기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 시클로알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 헤테로시클로알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 아릴기 또는 탄소수 1 내지 60을 갖는 헤테로아릴기를 나타내고,
    n 및 m은 각각 독립적으로 1 내지 100의 정수를 나타내며,
    상기 화학식 1 내지 화학식 7의 수소들 중 하나 이상은 할로겐 원자, 하이드록시기, 카르복시기, 시아노기, 니트로기, 아미노기, 사이오기, 메틸사이오기, 알콕시기, 나이트릴기, 알데하이드기, 에폭시기, 에테르기, 에스테르기, 카르보닐기, 아세탈기, 케톤기, 벤질기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 시클로알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 헤테로시클로알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 아릴기 및 탄소수 1 내지 60을 갖는 헤테로아릴기로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 치환기로 치환 또는 비치환된다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    화학식 1 내지 7의 정의 부분에서,
    X1 내지 X10은 각각 독립적으로 S를 나타내고,
    Y1 내지 Y14는 각각 독립적으로 H, I, Br, Cl 또는 F를 나타내고,
    Z1 내지 Z12는 각각 독립적으로 C 또는 O를 나타내고,
    R1 내지 R20는 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 60을 갖는 알킬기 또는 탄소수 1 내지 60을 갖는 아릴기를 나타내고,
    n 및 m은 각각 독립적으로 1 내지 10의 정수를 나타내는 것을 특징으로 하는 광전극.
  3. 제 1 항에 있어서,
    금속 산화물층은 하기 화학식 8로 표시되는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전극:
    [화학식 8]
    M1-O-M2
    상기 화학식 8에서,
    M1 및 M2는 각각 독립적으로 티타늄, 아연, 니오븀 및 텅스텐으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1 종 이상이다.
  4. 제 1 항에 있어서,
    금속 산화물층의 두께는 1 내지 50 ㎛인 것을 특징으로 하는 광전극.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 염료는 알루미늄, 백금, 팔라듐, 유로퓸, 납, 이리듐 및 루테늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속 복합체; 인돌린계 염료; 및 트리페닐아민계 염료 중 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 광전극.
  6. 다공성 금속 산화물층에 염료 및 유기반도체 물질을 공급하는 단계를 포함하며,
    상기 유기반도체 물질은 하기 화학식 9 내지 15로 표시되는 화합물 중 1 종 이상인 광전극 제조방법:
    [화학식 9]
    Figure pat00039

    [화학식 10]
    Figure pat00040

    [화학식 11]
    Figure pat00041

    [화학식 12]
    Figure pat00042

    [화학식 13]
    Figure pat00043

    [화학식 14]
    Figure pat00044

    [화학식 15]
    Figure pat00045

    상기 화학식 9 내지 화학식 15에서,
    X1 내지 X10은 각각 독립적으로 S, NR21, Se 또는 Te을 나타내고,
    Y1 내지 Y14는 각각 독립적으로 H, I, Br, Cl 또는 F를 나타내고,
    Z1 내지 Z12는 각각 독립적으로 CR22R23, NR24, O 또는 S을 나타내고,
    R1 내지 R24는 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 60을 갖는 알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 헤테로알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 알킬에스테르기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 알킬카보네이트기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 시클로알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 헤테로시클로알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 아릴기 또는 탄소수 1 내지 60을 갖는 헤테로아릴기를 나타내고,
    n 및 m은 각각 독립적으로 1 내지 100의 정수를 나타내며,
    상기 화학식 1 내지 화학식 7의 수소들 중 하나 이상은 할로겐 원자, 하이드록시기, 카르복시기, 시아노기, 니트로기, 아미노기, 사이오기, 메틸사이오기, 알콕시기, 나이트릴기, 알데하이드기, 에폭시기, 에테르기, 에스테르기, 카르보닐기, 아세탈기, 케톤기, 벤질기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 시클로알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 헤테로시클로알킬기, 탄소수 1 내지 60을 갖는 아릴기 및 탄소수 1 내지 60을 갖는 헤테로아릴기로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 치환기로 치환 또는 비치환된다.
  7. 제 6 항에 있어서,
    다공성 금속 산화물층은 투명 전극 상에 형성된 것을 특징으로 하는 광전극 제조방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    다공성 금속 산화물층은 금속 산화물 나노입자 졸을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 광전극의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    금속 산화물 나노입자 졸에 함유된 나노입자의 평균 입경은 1 내지 1,000 nm인 것을 특징으로 하는 광전극의 제조방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 광전극 제조방법은,
    다공성 금속 산화물층에 염료를 흡착시키는 단계; 및
    염료가 흡착된 다공성 금속 산화물층에 유기반도체 물질을 침투시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전극 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    다공성 금속 산화물층에 염료를 흡착시키는 단계에서,
    상기 염료는 알루미늄, 백금, 팔라듐, 유로퓸, 납, 이리듐 및 루테늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속 복합체; 인돌린계 염료; 및 트리페닐아민계 염료 중 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 광전극 제조방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    염료가 흡착된 다공성 금속 산화물층에 유기반도체 물질을 침투시키는 단계에서,
    상기 유기반도체 물질은 유기반도체 물질의 분산액 상태이며, 상기 유기반도체 물질의 분산액은 비수성 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전극 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    유기반도체 물질 분산액은, 비수성 용매 100 중량부를 기준으로, 유기반도체 물질 10-7 내지 103 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전극의 제조방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    염료가 흡착된 다공성 금속 산화물층에 유기반도체 물질을 침투시키는 단계 이후에,
    다공성 금속 산화물층에 비휘발성 이온성 액체와 이온염을 포함하는 첨가액을 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광전극의 제조방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    첨가액은, 비휘발성 이온성 액체 100 중량부를 기준으로, 이온염 10-7 내지 200 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전극의 제조방법.
  16. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 광전극을 포함하는 태양전지.
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