KR20140112141A - 염료감응 태양전지용 전해질 및 이를 이용한 염료감응 태양전지 - Google Patents

염료감응 태양전지용 전해질 및 이를 이용한 염료감응 태양전지 Download PDF

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강문성
이맹은
강용수
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Abstract

하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 산화환원쌍을 함유하는 염료감응 태양전지용 전해질 및 이를 채용한 염료감응 태양전지가 제공된다.
[화학식 1]
Figure pat00012

상기 화학식 1의 R 및 R1은 상세한 설명에 기재된 바와 같다.

Description

염료감응 태양전지용 전해질 및 이를 이용한 염료감응 태양전지 {Electrolyte for dye sensitized solar cell and Dye sensitized solar cell using the same}
염료감응 태양전지용 전해질 및 이를 이용한 염료감응 태양전지가 제시된다.
염료감응 태양전지는 염료 분자가 흡착된 반도체 광음극, 산화/환원 이온쌍을 포함한 전해질 및 백금 촉매가 포함된 상대전극으로 구성된다.　
염료가 빛을 받아 여기 상태가 되어 전자를 반도체층으로 내준 후, 외부 전선을 따라 상대전극으로 이동하고, 그 후 상대전극의 표면에 코팅된 촉매에 의하여 산화된 산화/환원쌍이　다시 환원된다. 이와 같이 환원된 산화/환원쌍은 산화된 염료를 환원시켜 다시 여기될 수 있는 상태로 만들어준다.　이 때 반도체층의 전도대(conduction band)와 산화/환원쌍의 전위차가 개방전압(Voc)를 나타낸다.
염료감응 태양전지에서 전해질은 상대전극으로부터 전자를 전달받아 광음극의 염료분자의 기저상태에 전자를 전달하는 역할을 한다. 전해질은 가역적인 산화-환원 반을 일으킬 수 있는 산화-환원쌍(redox couple)과 이를 용해시킬 수 있는 용매로 이루어진다. 이와 같은 전해질의 물리적 및 화학적 특성은 염료감응 태양전지의 내구성을 좌우하는 중요인자이다.
상기 산화/환원쌍은 전자전달을 위한 필수적인 물질로서, 전해질의 전반적인 성능을 결정하는 핵심 구성요소로서 요오드계 (I-/I3) 물질이 주로 사용된다.　
그런데 상기 요오드계 물질을 이용하면 요오드에 의한 전극 부식으로 이를 이용한 태양전지의 에너지 변환효율 및 내구성이 만족할만한 수준에 이르지 못하여 개선의 여지가 많다.
한 측면은 전극을 부식하는 문제점이 없는 염료감응 태양전지용 전해질 및 이를 채용하여 내구성 및 효율이 개선된 염료감응 태양전지를 제공하는 것이다.
한 측면에 따라 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 산화환원쌍을 함유하는 염료감응 태양전지용 전해질이 제공된다.
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 화학식 1 중 R 및 R1은 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1-C20 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6-C20 아릴기, 치환 또는 비치환된 C1-C20 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C4-C20 탄소고리기, 치환 또는 비치환된 C1-C20 헤테로고리기로 이루어진 군으로부터 선택된다.
다른 한 측면에 따라, 제 1 전극; 상기 제 1 전극의 어느 한 면에 형성된 광흡수층; 상기 광흡수층이 형성된 제 1 전극에 대향하여 배치되는 제 2 전극; 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 위치한 상술한 전해질을 포함하는 염료감응형 태양전지가 제공된다.
일구현예에 따른 염료감응 태양전지용 전해질을 포함하는 태양전지는 전극 부식에 의한 신뢰성 감소 문제점을 해결하여 효율이 개선된다.
도 1은 일구현예에 따른 염료 감응 태양 전지의 개략적인 구조를 나타낸 것이다.
하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 산화환원쌍을 함유하는 염료감응 태양전지용 전해질이 제공된다.
[화학식 1]
Figure pat00002
상기 화학식 1 중, R 및 R1은 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1-C20 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6-C20 아릴기, 치환 또는 비치환된 C1-C20 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C4-C20 탄소고리기, 치환 또는 비치환된 C1-C20 헤테로고리기로 이루어진 군으로부터 선택된다.
상기 화학식 1에서 R은 C1-C10 알킬기로서 예를 들어 메틸, 에틸, 또는 프로필이다.
상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 화학식 3으로 표시되는 티올레이트(thiolate) 음이온; 및 하기 화학식 4로 표시되는 디설파이드(disulfide)의 반응으로 얻어진다.
[화학식 3]
Figure pat00003
[화학식 4]
Figure pat00004
상기 화학식 3으로 표시되는 티올레이트 음이온은, 예를 들어 하기 화학식 5로 표시되는 화합물을 들 수 있다.
[화학식 5]
Figure pat00005
상기 화학식 4로 표시되는 디설파이드는 예를 들어 하기 화학식 6으로 표시되는 화합물이 있다.
[화학식 6]
Figure pat00006
상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 예로서 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 들 수 있다.
[화학식 2]
Figure pat00007
하기 반응식 1을 참조하여, 화학식 5의 티올레이트 음이온(M-), 화학식 6의 디설파이드(T2) 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물(MT)의 전자 전달 반응을 설명하기로 한다.
[반응식 1]
Figure pat00008
상기 반응식 1을 참조하여, 화학식 2의 화합물의 형성과정을 파악할 수 있다.
상기 전해질은 비점이 150℃ 이상인 유기용매를 포함한다.
상기 유기 용매는, 예를 들어 3-메톡시프로피온니트릴, N-메틸피롤리돈(NMP), 1-메틸-3-메틸이미다졸륨 테트라시아노보레이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸늄 디시안아미드, 1-부틸-3-메틸이미다졸늄 디시안아미드, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드, γ-부티로락톤(GBL), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 벤조니트릴(BN), 디메틸술폭사이드(DMSO), N,N-디메틸 아세트아미드(DMAA), N,N-디메틸에탄아미드(N,N-dimethylethanamide:DMEA), 3-메톡시프로피온니트릴(MPN), 디글라임(diglyme), N,N-디에틸포름아미드(DEF), 및 N,N-디메틸포름아미드(DMF)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이다.
상기 유기용매의 함량은 화학식 1의 화합물 100 중량부를 기준으로 하여 100 내지 2000 중량부이다.
상기 유기용매의 함량이 상기 범위일 때, 전해질의 효율 저하 없이 안정성이 우수하다.
상기 전해질은 태양전지의 전류 및 전압 특성을 향상시켜주는 첨가제를 더 함유할 수 있다.
상기 첨가제의 함량은 화학식 1의 화합물 100 중량부를 기준으로 하여 100 내지 1500 중량부이다.
상기 첨가제의 함량이 상기 범위일 때 효율 및 안정성이 우수한 전해질을 제조할 수 있다.
상기 첨가제의 예로는, 리튬 퍼클로레이트(Lithium perchlorate), 테트라부틸암모늄 퍼클로레이트(Tetrabutylammonium perchlorate), 테트라부틸암모늄 헥사플루오포스페이트(Tetrabutylammonium hexafluorophosphate), 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트(Tetrabutylammonium tetrafluoroborate), 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 테트라시아노보레이트(1-Ethyl-3-methylimidazolium tetracyanoborate), 4-터트부틸피리딘(TBP), 4-부틸피리딘, 피라졸, 이미다졸, 1,2,3-트리아졸, 1,2,3-트리아졸, 1,2,4-트리아졸, 테트라졸, 피리다진, 피리미딘, 피라진, 1,3,5-트리아진과같은 피리딘계, 2-아미노퀴놀린, 3-아미노퀴놀린, 5-아미노퀴놀린, 6-아미노퀴놀린중에서 선택된 하나 이상을 사용한다.
상기 첨가제는 예를 들어 리튬 퍼클레이트(LiClO4) 및 4-터트부틸피리딘을 사용한다. 이러한 첨가제르 사용하면 효율 및 안정성이 개선된 전해질을 제조할 수 있다.
상기 전해질은 이온전도도가 우수하면서 요오드 함량이 최소화되어 효율 및 안정성이 확보된다.
도 1은 예시적인 일구현예에 따른 염료감응 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 예시적인 일 구현 형태에 따른 염료감응 태양전지는 제 1 전극(11), 염료(15)가 담지된 염료감응 광음극(13)이 형성되는 제 1 기판(10)과 제 2 전극(21)이 형성되는 제 2 기판(20)이 서로 대향 배치되고, 제1 전극(11)과 제 2 전극(21) 사이에 전해질(30)이 위치하여 구성된다. 제 1 기판(10)과 제 2 기판(20)의 외측으로 별도의 케이스(도시하지 않음)가 배치될 수 있다. 이에 대하여 좀더 상세하게 설명한다.
본 실시 형태에서 제 1 전극(11)을 지지하는 지지체 역할을 하는 제1 기판(10)은 외부광의 입사가 가능하도록 투명하게 형성된다. 이에 제1 기판(10)은 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 플라스틱의 구체적인 예로는 폴리 에틸렌 테레프탈레이트(poly ethylene terephthalate, PET), 폴리 에틸렌 나프탈레이트(poly ethylene naphthalate, PEN), 폴리 카보네이트(poly carbonate, PC), 폴리 프로필렌(poly propylene, PP), 폴리 이미드(poly imide, PI), 트리 아세틸 셀룰로오스(tri acetyl cellulose, TAC) 등을 들 수 있다. 상기 제 1 기판(10)은 가시광선 투과율이 91% 이상일 수 있으며, Fe2O3로 환산된 전체 철분 함량이 150ppm 이하일 수 있다. 상기 제 1 기판(10)의 두께는 1 내지 5mm일 수 있다.
제 1 기판(10)의 일면에 형성되는 제 1 전극(11)은 인듐 주석 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물, 아연 산화물, 황 산화물, 불소 산화물 및 이들 혼합물중에서 선택된 하나 이상, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3 등의 투명 물질로 이루어질 수 있다. 제 1 전극(11)은 상기 투명 물질의 단일막 또는 적층막으로 이루어질 수 있다.
제 1 전극(11) 위에는 염료감응 광음극(13)이 형성된다. 이러한 염료감응 광음극(13)은 이탄화티탄 나노입자들(131)을 포함할 수 있다. 상기 염료감응 광음극(13)은 5000nm 내지 20000nm의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것이 아니며 상기 두께는 용도 및 기술 발전 등에 의해 변화될 수 있음은 물론이다.
예를 들어, 상기 광음극은 다음과 같이 준비될 수 있다.
먼저 상술한 이산화티탄 나노입자(산화물 반도체 입자), 산, 바인더 및 용매를 혼합하여 산화물 반도체층(광음극) 형성용 조성물을 준비한다.
상기 산으로는 염산, 질산, 아세트산 등을 사용할 수 있으며, 그 함량은 이산화티탄 나노입자 100 중량부를 기준으로 하여 50 내지 300 중량부일 수 있다. 산의 함량이 상기 범위일 때 이로부터 형성된 상기 산화물 반도체층으로부터 제조되는 광음극의 광전류 특성이 양호할 수 있다.
상기 바인더로는 에틸셀룰로오즈, 하이드로프로필셀루로오즈 등을 사용할 수 있으며, 바인더용 고분자의 함량은 이산화티탄 나노입자 100 중량부를 기준으로 하여 5 내지 50 중량부일 수 있다. 바인더의 함량이 상기 범위일 때 이로부터 형성된 상기 산화물 반도체층으로부터 제조되는 광음극의 광전류 특성이 양호할 수 있다.
상기 용매로는 테르피네올, 에탄올, 증류수, 에틸렌글리콜, 알파-테르피네올 등을 이용할 수 있으며, 그 함량은 이산화티탄 100 중량부를 기준으로 하여 200 내지 900 중량부일 수 있다. 용매의 함량이 상기 범위일 때 이로부터 형성된 상기 산화물 반도체층으로부터 제조되는 광음극의 광전류 특성이 양호할 수 있다.
상기 산화물 반도체층 형성용 조성물을 기재 즉 제1기판의 제1전극상에 도포한 후, 이를 400 내지 550℃에서 열처리하면 산화물 반도체층이 형성된다.
상기 산화물 반도체층 형성용 조성물을 기판에 도포하는 방법으로는, 스핀코팅, 딥코팅, 캐스팅, 스크린 프린팅 등의 방법을 이용할수 있고, 산화물 반도체층의 두께는 1000 내지 20000nm의 두께로 형성할 수 있다. 상기 도포 및 열처리는 수차례 반복될 수 있다.
상기 염료감응 광음극(13)의 표면에는 외부광을 흡수하여 여기 전자를 생성하는 염료(15)가 흡착된다.
상기 염료(15)는 Aol, Pt, Pd, Eu, Pb, Ir 및 Ru 로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 염료일 수 있다. 예를 들어, 상기 염료(15)는 루테늄계 염료일 수 있으나, 반드시 이러한 화합물로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 태양광에 감응할 수 있는 염료로 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용 가능하다.
예를 들어, 이러한 화합물은 몰 흡광계수가 우수하고, 가시광선 영역에서의 광전효율이 개선되며, 제조단가가 저렴하여 고가의 무기 염료인 루테늄 염료를 대체할 수 있는 유기 염료이다.
예를 들어, 상기 감광성 염료는 루테늄계 염료, N3, N719, 블랙다이(Blac dye) 등을 사용할 수 있다. 상기 N3은 RuL2 (NCS)2 (L=2,2'-bibyridyl-4,4'-dicarboxylic acid)이고, N719는 RuL2(NCS)2]: 2 TBA (L=2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylic acid, TBA=tetra-n-butylammonium)을 나타낸다.
상기 감광성 염료의 농도 0.1 내지 7 mM인 용액을 제조하여 광음극을 침적시켜 염료를 흡착 시킬 수 있다. 상기 염료의 농도는 염료의 흡착이 가능한 범위라면 모두 사용될 수 있다. 이때 사용되는 용매로는 에탄올, 아이오프로판올, 아세토니트릴, 발레로니트릴이 사용될 수 있으나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 사용되는 용매라면 모두 사용될 수 있다.
한편, 제1 기판(10)에 대향 배치되는 제2 기판(20)은 제2 전극(21)을 지지하는 지지체 역할을 하는 것으로, 투명하게 형성될 수 있다. 상기 제2 기판(20)은 제1 기판(10)과 동일한 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다.
제2 기판(20)에 형성되는 제2 전극(21)은 제1 전극(11)과 대향 배치되도록 형성되며, 투명 전극(21a)과 촉매 전극(21b)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 투명 전극(21a)의 두께는 100 내지 1000nm일 수 있다. 예를 들어, 상기 촉매 전극(21b)의 두께는 1 내지 100nm일 수 있다.
상기 투명 전극(21a)은 인듐 틴 산화물, 프루오르 틴 산화물, 안티몬 주석 산화물, 아연 산화물, 틴 산화물, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3 등의 투명 물질로 이루어질 수 있다. 이 때 투명 전극(21a)은 상기 투명 물질의 단일막 또는 적층막으로 이루어질 수 있다. 촉매 전극(21b)은 산화-환원 쌍(redox couple)을 활성화시키는 역할을 하는 것으로, 백금, 루테늄, 팔라듐. 이리듐, 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 탄소(C), WO3, TiO2 등으로 이루질 수 있다.
상기 제1 기판(10)과 제2 기판(20)은 접착제에 의해 접합되고, 제2 기판(20)과 제2 전극(21)을 관통하는 홀(25a)을 통해 본 발명의 일구현예에 따른 전해질(30)이 주입되어 제1 전극(11)과 제2 전극(21) 사이에 전해질(30)이 함침된다. 이러한 전해질(30)은 광음극(13) 및 광산란층(18)의 내부로 균일하게 분산된다. 전해질(30)은 산화 환원에 의해 제2 전극(21)으로부터 전자를 받아 염료(15)에 전달하는 역할을 수행한다. 제2 기판(20) 및 제2 전극(21)을 관통하는 홀(25a)은 접착제(42) 및 커버 글라스(43)에 의해 밀봉된다.
도 1에는 나타나 있지 않으나, 상기 제1전극 (11) 상부 그리고 상기 염료감응 광음극(13) 하부에는 통상적인 다공질막인 금속 산화물막이 더 형성될 수 있다.
상기 다공질막은 금속 산화물 입자로 구성되며, 이산화티탄(titanium oxide), 징크 산화물, 틴 산화물, 스트론튬 산화물(strontium oxide), 인듐 산화물(indium oxide), 이리듐 산화물(iridium oxide), 란탄 산화물(lanthan oxide), 바나듐 산화물(vanadium oxide), 몰리브덴 산화물(molybdenum oxide), 텅스텐 산화물(tungsten oxide), 니오브 산화물(niobium oxide), 마그네슘 산화물(magnesium oxide), 알루미늄 산화물(aluminium oxide), 이트륨 산화물(yttrium oxide), 스칸듐 산화물(scandium oxide), 사마륨 산화물(samarium oxide), 갈륨 산화물(galluim oxide), 스트론튬 이산화티탄(strontium titanium oxide)등으로 이루어질 수 있다. 여기서, 금속 산화물 입자들은 일구현예에 따르면, 이산화티탄인 TiO2, 주석 산화물인 SnO2, 텅스텐 산화물인 WO3, 아연 산화물 ZnO, 또는 이들의 복합체 등으로 이루어진다.
이하 화학식에서 사용되는 치환기의 정의에 대하여 살펴 보면 다음과 같다.
상기 화학식에서, 알킬기는 선형 및 분지형일 수 있으며, 이의 비제한적인 예로는 메틸, 에틸, 프로필, 이소부틸, sec-부틸, 펜틸, iso-아밀, 헥실, 헵틸, 옥틸, 노나닐, 도데실 등을 들 수 있고, 상기 알킬기 중 하나 이상의 수소 원자는 중수소 원자, 할로겐 원자, 히드록시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아미디노기, 히드라진, 히드라존, 카르복실기나 그의 염, 술폰산기나 그의 염, 인산이나 그의 염, 또는 C1-C10 알킬기, C1-C10 알콕시기, C2-C10 알케닐기, C2-C10 알키닐기, C6-C16 아릴기, 또는 C4-C16 헤테로아릴기로 치환될 수 있다.
화학식에서 사용되는 아릴기는 단독 또는 조합하여 사용되어, 하나 이상의 고리를 포함하는 방향족 시스템을 의미하며 상기 고리들은 펜던트 방법으로 함께 부착되거나 또는 융합될 수 있다. 아릴이라는 용어는 페닐, 나프틸, 테트라히드로나프틸과 같은 방향족 라디칼을 포함한다. 상기 아릴기는 상술한 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환가능하다.
화학식에서 사용되는 헤테로아릴기는 N, O, P 및 S 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 헤테로원자를 포함하고, 나머지 고리원자가 C인 방향족 유기 화합물을 의미한다. 상기 헤테로아릴기중 하나 이상의 수소원자는 상술한 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환가능하다.
화학식에서 사용되는 헤테로고리기는 질소, 황, 인, 산소 등과 같은 헤테로원자를 함유하고 있는 고리기를 지칭하며, 이러한 헤테로고리기중 하나 이상의 수소 원자는 상술한 아릴기의 경우와 마찬가지로 치환가능하다.
화학식에서 탄소고리기는 고리 형태의 알킬기를 나타내며, 이러한 탄소고리기중 하나 이상의 수소 원자는 상술한 아릴기의 경우와 마찬가지로 치환가능하다.
이하 실시예를 통하여 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위해 예시되는 것일 뿐, 이것만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
제조예 1. 전해질의 제조
화학식 6의 디-5-(1-메틸테트라졸) 디설파이드(T2)를 감마부티로락톤에 용해하여 0.1M의 디-5-(1-메틸테트라졸) 디설파이드(T2)의 감마부티로락톤 용액을 얻었다.
이와 별도로 소듐 디메틸디싸이오카아메이트 하이드레이트 (Na+M)을 감마부티로락톤에 용해하여 0.1M의 소듐 디메틸디티오카바메이트 하이드레이트 의 감마부티로락톤 용액을 얻었다.
상기 0.1M의 디-5-(1-메틸테트라졸) 디설파이드(T2)의 감마부티로락톤 용액 3ml 및 상기 0.1M의 소듐 디메틸디싸이오카아메이트 하이드레이트 의 감마부티로락톤 용액 3ml를 0.5M 4-터트부틸피리딘(TBP)의 감마부티로락톤 용액 0.0213g 와 혼합하여 화학식 2의 화합물을 포함하는 0.4M 전해질(in 감마부티로락톤)을 제조하였다.
제조예 2-3: 전해질의 제조
상기 T2와 M-의 몰농도는 하기 표 1의 시료명2-3과 같이 변화한 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 전해질을 제조하였다.
시료명 [M-]의 농도(M) [T2]의 농도 (M)
1 0.1 0.1
2 0.1 0.2
3 0.1 0.4
비교제조예 1: 전해질의 제조(T - / T 2 )
디-5-(1-메틸테트라졸) 디설파이드(T2)을 감마부티로락톤에 용해하여 0.1M 디-5-(1-메틸테트라졸) 디설파이드(T2)의 감마부티로락톤 용액을 얻었다.
5-메르캅토-1-메틸테트라졸 N-테트라메틸암모늄 (NMe4 +T-)을 감마부티로락톤에 용해하여 0.1M 5-메르캅토-1-메틸테트라졸 N-테트라메틸암모늄 (NMe4 +T-)의 감마부티로락톤 용액을 얻었다.
상기 0.1M 디-5-(1-메틸테트라졸) 디설파이드(T2)의 감마부티로락톤 용액 3ml, 0.1M 5-메르캅토-1-메틸테트라졸 N-테트라메틸암모늄 (NMe4 +T-)의 감마부티로락톤 용액 3ml 및 0.5M의 4-터트부틸피리딘(TBP)의 감마부티로락톤 용액 0.0213g을 혼합하여 0.4M 전해질(in 감마부티로락톤)을 제조하였다.
비교제조예 2. 전해질의 제조 (T - / M 2 )
테트라메틸티우람 디설파이드 (M2)을 감마부티로락톤에 용해하여 0.1M 테트라메틸티우람 다이설파이드의 감마부티로락톤 용액을 얻었다.
5-메르캅토-1-메틸테트라졸 N-테트라메틸암모늄 (NMe4 +T-)을 감마부티로락톤에 용해하여 0.1M 5-메르캅토-1-메틸테트라졸 N-테트라메틸암모늄의 감마부티로락톤 용액을 얻었다.
상기 0.1M 테트라메틸티우람 다이설파이드의 감마부티로락톤 용액 3ml와 상기 0.1M 5-메르캅토-1-메틸테트라졸 N-테트라메틸암모늄의 감마부티로락톤 용액 3ml를 0.5M의 4-터트부틸피리딘(TBP)의 감마부티로락톤 용액 0.0213g와 혼합하여 0.4M 전해질(in 감마부티로락톤)을 제조하였다.
비교제조예 3. 전해질의 제조 (M - / M 2 )
테트라메틸티우람 디설파이드 (M2)를 감마부티로락톤에 용해하여 0.1M 테트라메틸티우람 다이설파이드의 감마부티로락톤 용액을 얻었다.
소듐 디메틸디싸이오카아메이트 하이드레이트 (Na+M-)를 감마부티로락톤에 용해하여 0.1M 소듐 디메틸디싸이오카아메이트 하이드레이트의 감마부티로락톤 용액을 얻었다.
0.1M 테트라메틸티우람 다이설파이드의 감마부티로락톤 용액 3ml, 0.1M 소듐 디메틸디싸이오카아메이트 하이드레이트의 감마부티로락톤 용액 3ml를 TBP 0.0213g 와 혼합하여 0.4M 전해질(in 감마부티로락톤)을 제조하였다.
실시예 1. 염료감응 태양전지의 제조
불소 함유 산화주석(FTO) 기판 (두께: 2.3mm) 위에 TiO2 페이스트　(PST-18NR, JGC C&C, Japan)를 스크린 인쇄를 통해　12 μm 두께로 도포하고 10 ℃/min의 승온 속도로 500℃에서 30분간 소성하였고, 이어 산란입자 페이스트　(400c, JGC C&C, Japan)를 동일한 방법으로 인쇄/소성하여 소성 후에 약 4 μm 두께의 광음극을 제조하였다.
제조된 광음극은 염료용액(0.2　mM N719/EtOH)에 침적하여 24시간 동안 방치하였다.
이와 별도로 카본블랙 페이스트를 도포한 후 이를 120℃에서 20분동안 건조하여 탄소 전극을 얻었다. 이 탄소 전극을 상대전극으로 사용하였다.
핫 멜트 필름(Hot melt film) (Suryln, DuPont, 60　μm)　을 광음극과 홀이 형성된 상대전극　사이에 삽입한 후 핫프레스를 이용하여　열접착　(130 oC/ 15 sec) 하였다. 상기 제조예 1에 따라 제조된 전해질을 상대전극에 형성된 홀을 통하여 주입하였다.
실시예 2-3: 염료감응 태양전지의 제조
제조예 1의 전해질 대신 제조예 2-3의 전해질을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.
비교예 1: 염료감응 태양전지의 제조
제조예 1에 따라 제조된 전해질 대신 비교 제조예 1에 따라 제조된 전해질을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 염료감응 태양전지를 제조하였다.
비교예 2: 염료감응 태양전지의 제조
제조예 1에 따라 제조된 전해질 대신 비교 제조예 2에 따라 제조된 전해질을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 염료감응 태양전지를 제조하였다.
비교예 3: 염료감응 태양전지의 제조
제조예 1에 따라 제조된 전해질 대신 비교 제조예 3에 따라 제조된 전해질을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 염료감응 태양전지를 제조하였다.
평가예 1; 염료감응 태양전지의 성능 평가
1) 실시예 1-16 및 비교예 1-3의 염료감응 태양전지의 성능
상기 실시예 1-16 및 비교예 1-3에 따라 제작된 염료감응 태양전지에 있어서 표준측정 조건 (AM1.5G, 100 mW cm-2)에서 전류-전압 곡선을 평가하였다.
또한 실시예 1에 따라 제작된 염료감응 태양전지의 개방전압, 광전류밀도, 에너지 변환효율 및 충진계수의 측정 조건은 다음과 같다.
(1) 개방전압(VOC) 및 광전류밀도(Jsc)
개방전압과 광전류 밀도는 Keithley SMU2400을 이용하여 측정하였다.
(2) 에너지 변환효율(eff) 및 충진계수(FF)
에너지 변환효율의 측정은 1.5AM 100 mW/㎠의 솔라 시뮬레이터(Xe 램프 [300W, Oriel], AM1.5 filter, 및 Keithley SMU2400으로 구성됨)를 이용하였고, 충진계수는 앞서 얻은 변환효율 및 하기 계산식을 이용하여 계산하였다.
[계산식]
Figure pat00009
상기 계산식에서, J는 변환효율 곡선의 Y축값이고, V는 변환효율 곡선의 X축 값이며, Jsc 및 Voc는 각 축의 절편값이다.
상기 제조예 1 및 비교 제조예 1에 따른 전해질을 사용하여 실시예 1-16과 비교예 1의 염료감응 태양전지를 제조하고 이러한 염료감응 태양전지에 대해 100 mW/㎠ 제논램프를 광원으로 하여 전류-전압 특성을 분석하고, 이를 하기 표 2에 나타내었다.
구분 초기효율
Voc (V) Jsc (mA cm-2) FF (%) eff. (%)
비교예 1 0.646 6.4 18.8 0.78
비교예 2 0.626 6 30.3 1.3
비교예 3 0.616 4.7 45 1.3
실시예 1 0.590 8.7 58 3.1
실시예 2 0.580 9.5 52 2.9
실시예 3 0.390 6.8 50 0.9
상기 표 2로부터, 실시예 1-3의 염료감응 태양전지는 비교예 1-3의 경우 대비 개방전압, 광전류밀도, 에너지 변환효율 및 충진계수 성능이 개선됨을 알 수 있었다.
상기에서 한정된 실시예를 중심으로 설명하였으나, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 실시예가 가능하다. 또한 설명되지는 않았으나, 균등한 수단도 또한 본 발명에 그대로 결합되는 것이라 할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
10. 제1판 11. 전극
15. 염료 20. 제2기판
21. 제2전극 30. 전해질

Claims (12)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 함유하는 산화환원쌍을 포함하는 염료감응 태양전지용 전해질.
    [화학식 1]
    Figure pat00010

    상기 화학식 1중 R 및 R1은 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1-C20 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6-C20 아릴기, 치환 또는 비치환된 C1-C20 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C4-C20 탄소고리기, 치환 또는 비치환된 C1-C20 헤테로고리기로 이루어진 군으로부터 선택된다.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 화학식 1에서 R 및 R1은 C1-C10 알킬기인 염료감응 태양전지용 전해질.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 화학식 1에서 R 및 R1은 메틸, 에틸 또는 프로필인 염료감응 태양전지용 전해질.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 하기 화학식 2로 표시되는 화합물인 염료감응 태양전지용 전해질.
    [화학식 2]
    Figure pat00011
  5. 제1항에 있어서,
    유기 용매를 더 포함하는 염료감응 태양전지용 전해질.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유기 용매의 비점이 150℃ 이상인 염료감응 태양전지용 전해질.
  7. 제5항에 있어서, 상기 유기 용매는,
    3-메톡시프로피온니트릴, N-메틸피롤리돈(NMP), 1-메틸-3-메틸이미다졸륨 테트라시아노보레이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸늄 디시안아미드, 1-부틸-3-메틸이미다졸늄 디시안아미드, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드, γ-부티로락톤(GBL), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 벤조니트릴(BN), 디메틸술폭사이드(DMSO), N,N-디메틸 아세트아미드(DMAA), N,N-디메틸에탄아미드(N,N-dimethylethanamide:DMEA), 3-메톡시프로피온니트릴(MPN), 디글라임(diglyme), N,N-디에틸포름아미드(DEF), 및 N,N-디메틸포름아미드(DMF)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 염료감응 태양전지용 전해질.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 유기용매의 함량은,
    화학식 1의 화합물 100 중량부를 기준으로 하여 100 내지 2000 중량부인 염료감응 태양전지용 전해질.
  9. 제1항에 있어서,
    첨가제가 더 포함되며,
    상기 첨가제가 리튬 퍼클로레이트(Lithium perchlorate), 테트라부틸암모늄 퍼클로레이트(Tetrabutylammonium perchlorate), 테트라부틸암모늄 헥사플루오포스페이트(Tetrabutylammonium hexafluorophosphate), 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트(Tetrabutylammonium tetrafluoroborate), 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 테트라시아노보레이트(1-Ethyl-3-methylimidazolium tetracyanoborate), 4-터트부틸피리딘(TBP), 4-부틸피리딘, 피라졸, 이미다졸, 1,2,3-트리아졸, 1,2,3-트리아졸, 1,2,4-트리아졸, 테트라졸, 피리다진, 피리미딘, 피라진, 1,3,5-트리아진, 2-아미노퀴놀린, 3-아미노퀴놀린, 5-아미노퀴놀린 및 6-아미노퀴놀린 중에서 선택된 하나 이상인 염료감응 태양전지용 전해질.
  10. 제1항에 있어서,
    리튬 퍼클로레이트(Lithium perchlorate) 및 4-터트부틸피리딘(TBP)를 더 포함하는 염료감응 태양전지용 전해질.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 첨가제의 함량은 화학식 1의 화합물 100 중량부를 기준으로 하여 100 내지 1500 중량부인 염료감응 태양전지용 전해질.
  12. 제 1 전극;
    상기 제 1 전극의 어느 한 면에 형성된 광흡수층;
    상기 광흡수층이 형성된 제 1 전극에 대향하여 배치되는 제 2 전극;
    상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 위치하며, 제1항 내지 제11항중 어느 한 항 전해질을 포함하는 염료감응형 태양전지.



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