KR20150089689A - 염료감응형 태양전지용 전해질 용액 및 이를 포함하는 염료감응형 태양전지 - Google Patents

염료감응형 태양전지용 전해질 용액 및 이를 포함하는 염료감응형 태양전지 Download PDF

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Abstract

염료감응형 태양전지용 전해질 용액 및 이를 포함하는 염료감응형 태양전지를 제공한다. 염료감응형 태양전지용 전해질 용액은 유기 용매, 금속 음이온 화합물(M(Y-)n) 및 4급 암모늄염 화합물(R4N+X-)을 포함한다. X- 및 Y-는 서로 화학적 평형 관계를 이루는 다중 산화환원계이다.

Description

염료감응형 태양전지용 전해질 용액 및 이를 포함하는 염료감응형 태양전지{ELECTROLYTE FOR DYE-SENSITIZED SOLAR CELL AND DYE-SENSITIZED SOLAR CELL INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전해질 용액에 관련된 것으로 더욱 상세하게는 염료감응형 태양전지용 전해질 용액 및 이를 포함하는 염료감응형 태양전지에 관련된 것이다.
최근 심각한 환경오염 문제와 화석 에너지 고갈로 차세대 청정 에너지 개발에 대한 중요성이 증대되고 있다. 그 중에서도 태양전지는 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 전환시키는 장치로서, 공해가 적고, 자원이 무한적이며, 반영구적인 수명을 가지고 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다. 태양전지는 내부의 반도체가 빛을 흡수하여 전자와 정공이 발생되는 광기전 효과를 이용하여 전류를 흐르게 하는 전지를 말한다. 종래 태양전지는 실리콘이나 갈륨 아세나이드(GaAs)와 같은 무기물 반도체를 p-n 접합하여 다이오드 형태로 한 반도체 소자가 주로 사용되었다. 그러나 상기의 무기물 반도체는 에너지변환 효율이 높은 반면 제조비용이 높아 태양전지분야에서 그 활용 실적이 충분하지 못하였다. 상기와 같은 무기물 반도체의 문제점을 극복하기 위하여 상기 무기물 반도체를 염료로 대체하는 기술이 제안되었다.
통상적으로, 염료는 주로 가시광선대역의 빛을 잘 흡수함으로써 고유의 색을 갖는 것인데, 이를 이용한 태양전지는 염료가 빛을 흡수할 때, 전자와 정공으로 분리 된 후 다시 결합하는 소위 산화-환원(redox) 반응을 통하여 전류를 생성시키는 것이다. 이러한 유형의 태양전지를 염료감응형 태양전지(Dye-sensitized solar cell)라 한다.
1991년도 스위스 국립 로잔 고등기술원(EPFL)의 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 연구팀에 의해 염료감응 나노입자 산화티타늄 태양전지가 개발된 이후 이 분야에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. 기존의 실리콘 태양전지와 달리 염료감응 태양전지는 가시광선을 흡수하여 전자-홀(hole) 쌍을 생성할 수 있는 염료분자와 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물을 주 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다.
지금까지 알려진 염료감응 태양전지 중 대표적인 예가 스위스의 그라첼 (Gratzel) 등에 의하여 발표된 염료감응 태양전지이다. 일반적으로 그라첼 등에 의한 염료감응 태양전지들은 염료분자가 입혀진 나노입자 이산화티탄(TiO2)으로 이루어지는 반도체 전극, 백금 전극, 그리고 이들 사이에 채워진 전해질 용액으로 구성되어 있다. 상기와 같은 염료감응 태양전지는 실리콘 태양전지에 비해 전력당 제조 원가가 저렴하기 때문에 태양전지로 유용성이 있다는 점에서 주목받아 왔다. 또한, 염료감응 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 투명성이 뛰어나기 때문에 BIPV용이나 식물을 재배할 수 있는 온실과 같은 다양한 분야에 적용 할 수 있다는 것이 큰 장점이다. 하지만, 종래 염료감응 태양전지에서 사용한 전해질에는 I-/I3 - 와 같은 요오드 이온이 포함되어있으며, 요오드의 부식성이 셀의 안정성을 해치는 문제가 있다. 이러한 셀의 안정성에 대한 문제점을 해결하기 위해 개발된 전해질이 Co2+/Co3+ 산화환원쌍(redox couple)이다. 하지만, C+/Co3 + 전해질은 cobalt 화합물의 이동도가 매우 낮은 단점이 있고, 널리 사용되는 Ruthenium 염료에서는 낮은 이동도로 인해 효율이 매우 낮다. 따라서 특정 유기염료에만 제한적으로 사용 가능하다. 이러한 한계가 있기 때문에 안정성을 향상시킴과 동시에 효율도 향상시킬 수 있는 새로운 전해질의 개발이 절실하다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 높은 안정성과 향상된 효율을 갖는 염료감응형 태양전지용 전해질 용액을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 상기 전해질 용액을 포함하는 상기 염료감응형 태양전지를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 개념에 따른 일 실시예는 염료감응형 태양전지용 전해질 용액을 제공한다. 상기 염료감응형 태양전지용 전해질 용액은, 유기 용매; 금속 음이온 화합물(M(Y-)n); 및 4급 암모늄염 화합물(R4N+X-)을 포함하되, 상기 X- 및 Y-는 서로 화학적 평형 관계를 이루는 다중 산화환원계이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 다중 산화환원계는 (X-, Y-)/(X3 -, X2Y-, Y- 2X-, Y- 3)를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 X-는 할로겐 음이온, 알킬 음이온, 알킬옥시 음이온, 아세톡시 음이온 또는 알킬티올 음이온을 포함하며, 상기 Y-는 알킬 음이온, 알킬옥시 음이온, 아세톡시 음이온, 페닐 음이온, 페닐옥시 음이온 또는 알킬티올 음이온을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 M은 Pb, Pd, Zn, Sn, Co, Li 또는 Cu을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 4급 암모늄염 화합물은 HDMII(hexyldimethylimidazolium iodide), ETMII(ethyltrimethylindolium iodide) 및 Bu4N+I-(tetrabutylammonium iodide)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 유기 용매는 아세토니트릴, 바레로니트릴, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 에틸에테르, 아세톤, 디메틸카보네이트, 3-메톡시프로피오니트릴, 테트라하이드로퓨란, 디클로로메탄, 디클로로에탄 및 클로로포름으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 염료감응형 태양전지용 전해질 용액은 첨가제를 더 포함하되, 상기 첨가제는 구아니딘 티오시아네이트 및 t-부틸피리딘을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 금속 음이온 화합물(M(Y-)n)은 상기 유기 용매에 대하여 0.05M이고, 상기 4급 암모늄염 화합물(R4N+X-)은 상기 유기 용매에 대하여 0.05 내지 0.6M이고, 상기 t-부틸피리딘은 상기 유기 용매에 대하여 0.5M이고, 상기 구아니딘 티오시아네이트는 상기 유기 용매에 대하여 0.1M일 수 있다.
본 발명의 개념에 따른 다른 실시예는 염료감응형 태양전지를 제공한다. 상기 염료감응형 태양전지는, 제1 기판 상에 형성된 제1 전극; 제2 기판 상에 형성되고, 상기 제1 전극과 마주하는 제2 전극; 및 상기 제1 및 제2 전극들 사이를 충진하며, 유기 용매, 금속 음이온 화합물(M(Y-)n) 및 4급 암모늄염 화합물(R4N+X-)을 포함하고, 상기 X- 및 Y-는 서로 화학적 평형 관계를 이루는 다중 산화환원계인 전해질 용액을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전극은, 상기 제2 전극과 마주하는 제1 기판 상에 형성된 염료가 흡착된 나노 입자 금속 산화물층을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제2 전극은, 상기 제1 전극과 마주하는 제2 기판 상에 형성된 백금층을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 X-는 할로겐 음이온, 알킬 음이온, 알킬옥시 음이온, 아세톡시 음이온 또는 알킬티올 음이온을 포함하며, 상기 Y-는 알킬 음이온, 알킬옥시 음이온, 아세톡시 음이온, 페닐 음이온, 페닐옥시 음이온 또는 알킬티올 음이온을 포함하고, 상기 M은 Pb, Pd, Zn, Sn, Co, Li 또는 Cu을 포함할 수 있다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들에 의하면, (X-, Y-)/(X3 -, X2Y-, Y- 2X-, Y- 3)를 포함하는 다중 산화환원계를 통해 염료감응형 태양전지의 개방전압을 조절할 수 있다. 상기 개방전압을 향상시켜 태양전지의 전체 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 태양전지는 태양전지의 부식을 초래하는 요오드(I2)가 제거된 전해질을 포함함으로써, 태양전지의 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 염료감응형 태양전지의 실험예 1, 4 내지 6과 비교예 대한 광전압 및 광전류를 측정한 전류-전압 그래프이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다.
(염료감응형 태양전지용 전해질 용액)
본 발명의 일 실시예 따른 전해질 용액은 유기 용매, 금속 음이온 화합물(M(Y-)n) 및 4급 암모늄염 화합물(R4N+X-)을 포함할 수 있다.
상기 유기 용매는 아세토니트릴, 바레로니트릴, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올과 같은 알코올류, 에틸에테르, 아세톤, 디메틸카보네이트, 3-메톡시프로피오니트릴, 테트라하이드로퓨란, 디클로로메탄, 디클로로에탄, 클로로포름으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 발명에서는 상기 유기 용매를 이로 한정하지는 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 음이온 화합물(M(Y-)n) 및 4급 암모늄염 화합물(R4N+X-)에서, X- 및 Y-는 서로 화학적 평형 관계를 이루는 다중 산화환원계일 수 있다. 일 측면에 따르면, 상기 다중 산화환원계는 (X-, Y-)/(X3 -, X2Y-, Y- 2X-, Y- 3)를 포함할 수 있다. 더욱 상세하게 설명하면, 전해질 용액 내에 X- 및 Y-이 동시에 존재하고, 상기 X- 및 Y-은 산화되어 X3 -, X2Y-, Y- 2X-, Y- 3과 같은 다중 이온을 형성하면서 전해질 용액에서 적어도 4개의 산화환원 반응을 일으킬 수 있다.
상기 X-는 I- 또는 Br-와 같은 할로겐 음이온, 알킬 음이온, 알킬옥시 음이온, 아세톡시 음이온 또는 알킬티올 음이온을 포함할 수 있으나, 이로 한정되지는 않는다. 상기 Y-는 알킬 음이온, 알킬옥시 음이온, 아세톡시 음이온, 페닐 음이온, 페닐옥시 음이온 또는 알킬티올 음이온을 포함할 수 있으나, 이로 한정되지는 않는다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 Y-는 할로겐 음이온을 포함하지 않을 수 있다.
일반적으로 염료감응형 태양전지는 염료가 빛을 흡수하여 여기됨으로써 산화상태가 되면 즉시 원상태로 회복(regeneration)되어야 하는데, 이때 전해질 용액 내에 존재하는 산화환원 매개체가 즉시 산화상태의 염료를 환원시켜주고 스스로는 산화상태가 된다. 이렇게 산화된 매개체는 확산을 통하여 상대전극(counter electrode)으로 이동한 후 전자를 전달받아 환원될 수 있다. 상기 전해질 용액 내에 포함되는 산화환원쌍은 염료의 원상회복(regeneration)을 촉진하는 것 외에 염료감응형 태양전지의 개방전압의 결정에 큰 역할을 한다. 상세하게, 염료감응형 태양전지의 개방전압은 전극의 전자에너지 레벨에 해당하는 광전극의 페르미 레벨과 전해질 용액의 페르미 레벨의 차이에 의하여 결정되며, 상기 전해질 용액의 페르미 레벨은 산화환원쌍의 산화환원 전위(E)와 동일할 수 있다. 상기 염료감응형 태양전지에 사용되는 요오드계 외에 새로운 음이온으로 이루어진 산화환원쌍 (X-, Y-)/(X3 -, X2Y-, Y- 2X-, Y- 3)을 포함하는 경우, 전기 화학적으로 산화환원 전위를 보다 양의 방향으로 변화가 이루어져, (X-, Y-)/(X3 -, X2Y-, Y- 2X-, Y- 3)을 포함하는 다중 산화환원계를 통해 염료감응형 태양전지의 개방전압을 조절할 수 있다.
상기 금속 음이온 화합물(M(Y-)n)에서, M은 Pb, Pd, Zn, Sn, Co, Li, Cu와 같은 금속들을 포함할 수 있되, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 4급 암모늄염 화합물(R4N+X-)은 할로겐 음이온 또는 할로겐 이외의 음이온과 염을 형성할 수 있는 이미다졸(imidazole), 피리딘(pyridine), 인돌(indole), 트리아졸(triazole), 테트라졸(tetrazole) 등을 포함할 수 있으나, 이로 한정되는 것을 아니다.
예를 들면, 상기 4급 암모늄염 화합물(R4N+X-)은 HDMII(hexyldimethylimidazolium iodide), ETMII(ethyltrimethylindolium iodide) 및 Bu4N+I-(tetrabutylammonium iodide)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 HDMII(hexyldimethylimidazolium iodide)은 하기의 화학식 1로 나타낸다.
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 ETMII(ethyltrimethylindolium iodide)은 하기의 화학식 2로 나타낸다.
[화학식 2]
Figure pat00002
상기와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 염료감응형 태양전지용 전해질 용액은 부식성이 강한 요오드를 첨가하지 않고, 4급 암모늄 염 화합물과 금속음이온 화합물을 포함함으로써, 태양전지의 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 (X-, Y-)/(X3 -, X2Y-, Y- 2X-, Y- 3)를 포함하는 산화환원계를 통해 염료감응형 태양전지의 개방전압을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 염료감응형 태양전지용 전해질 용액은 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 첨가제는 구아니딘 티오시아네이트 및 t-부틸피리딘을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 금속 음이온 화합물(M(Y-)n)은 상기 유기 용매에 대하여 0.05M이고, 상기 4급 암모늄염 화합물(R4N+X-)은 상기 유기 용매에 대하여 0.05 내지 0.6M이고, 상기 t-부틸피리딘은 상기 유기 용매에 대하여 0.5M이고, 상기 구아니딘 티오시아네이트는 상기 유기 용매에 대하여 0.1M일 수 있다.
(염료감응형 태양전지)
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지를 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 염료감응형 태양전지는, 서로 마주보며 이격된 제1 기판(100) 및 제2 기판(200)과, 상기 제1 및 제2 기판들(100, 200) 사이에 충진된 전해질 용액(300)을 포함할 수 있다.
상기 제1 기판(100)은 전도성 유리를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 기판(100)은 유리 기판 상에 ITO(indium tin oxide), FTO(fluorine-doped tin oxide)가 코팅될 수 있다. 상세하게 도시되지 않았으나 다른 측면에 따르면, 상기 제1 기판(100) 및 반도체 전극 사이에는 TiCl4층이 더 배치될 수 있다.
제1 전극(110)은 상기 제2 기판(200)과 마주하는 상기 제1 기판(100) 상에, 약 5 내지 15 μm정도의 두께로 형성될 수 있다. 상기 제1 전극(110)은 나노 입자 금속 산화물(102)을 포함할 수 있다. 예컨대, 나노 입자 금속 산화물(102)은 이산화티탄(TiO2), 이산화 주석(SnO2) 또는 산화아연(ZnO)을 포함할 수 있다. 상기 나노 입자 금속 산화물(102)의 입자 직경은 약 5 내지 30nm 정도의 크기를 가질 수 있다.
상기 제1 전극(110)은, 상기 나노 입자 금속 산화물(102)에 흡착된 염료(104)를 더 포함할 수 있다. 상기 염료(104)는 유기금속 화합물 및 유기 화합물을 포함할 수 있다.
상기 제2 기판(200)은 전도성 유리를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 기판(200)은 ITO 또는 FTO가 코팅되어 있는 유리 기판일 수 있다.
제2 전극(210)은 상기 제1 기판(100)과 마주하는 상기 제2 기판(200) 상에 형성될 수 있다. 상기 제2 전극(210)은 백금(Pt)과 같은 금속을 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이 상기 제1 및 제2 전극들(110, 210)은 서로 마주할 수 있다.
상기 전해질 용액(300)은 상기 제1 및 제2 전극들(110, 210) 사이의 공간을 채울 수 있다. 상기 전해질 용액(300)은 유기 용매, 금속 음이온 화합물(M(Y-)n) 및 4급 암모늄염 화합물(R4N+X-)을 포함할 수 있다. 상기 전해질 용액(300)에 대한 상세한 설명은 상술한 것과 실질적으로 동일하여 생략하기로 한다.
상기 염료감응형 태양전지는 격벽(400)들을 더 포함할 수 있다. 상기 격벽(400)은 상기 제1 기판(100) 또는 제2 기판(200)의 표면에 대하여 수직 방향으로 연장하며, 상기 제1 및 제2 기판들(100, 200) 사이를 연결할 수 있다. 상기 제1 및 제2 기판들(100, 200)과 상기 격벽(400)들에 의해 상기 전해질 용액(300)이 충진될 수 있는 공간이 한정될 수 있다. 상기 격벽(400)들은 고분자를 포함할 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 전해질 용액(300)을 포함하는 염료감응형 태양전지는 부식성이 강한 요오드를 첨가하지 않고, 4급 암모늄 염 화합물과 금속음이온 화합물을 포함함으로써, 태양전지의 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 (X-, Y-)/(X3 -, X2Y-, Y- 2X-, Y- 3)를 포함하는 산화환원계를 통해 염료감응형 태양전지의 개방전압을 조절할 수 있다.
이하에서는 상술된 염료감응형 태양전지의 작동을 간략하게 설명하기로 한다.
제1 기판(100)을 투과한 태양광이 제1 전극(110)의 나노 입자 금속 산화물(102)에 흡착된 염료(104) 분자에 의하여 흡수되면, 여기 상태로 들뜨게 된 염료(104) 분자는 전자를 나노 입자 금속산화물의 전도대로 주입하게 될 수 있다. 나노 입자 금속 산화물(102)로 주입된 전자는 입자간 계면을 통하여 제1 기판(100)에 전달되고 외부 전선을 통하여 제2 전극(210)으로 이동할 수 있다. 상기 전자 전이의 결과로 산화된 염료(104) 분자는 전해질 용액(300)에 의하여 제공되는 전자를 받아 다시 환원되며, 산화된 이온(X, Y)은 제2 전극(210)에 도달한 전자에 의해 다시 환원되어 염료감응형 태양전지의 작동과정이 완성될 수 있다.
(염료감응형 태양전지의 제조 방법)
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2를 참조하면, ITO 또는 FTO이 코팅된 제1 기판(100) 상에 염료(104)가 흡착된 나노 입자 금속 산화물(102)을 포함하는 제1 전극(110)을 형성할 수 있다.
더욱 구체적으로 설명하면, ITO 또는 FTO이 코팅된 제1 기판(100) 상에 나노 입자 금속 산화물(102)을 포함하는 인쇄용 페이스트를 약 5 내지 30㎛ 두께로 코팅할 수 있다. 이어서, 상기 인쇄용 페이스트가 코팅된 제1 기판(100)은 약 450 내지 550℃의 온도로 열처리하여 나노 입자 금속 산화물(102) 박막을 형성할 수 있다. 이어서, 상기 나노 입자 금속 산화물(102) 박막이 형성된 제1 기판(100)을 염료(104)를 포함하는 용액에 침지시켜, 상기 나노 입자 금속 산화물(102)에 염료(104)가 흡착된 제1 전극(110)을 형성할 수 있다.
도 3을 참조하면, ITO 또는 FTO이 코팅된 제2 기판(200) 상에 백금을 포함하는 제2 전극(210)을 형성할 수 있다.
더욱 구체적으로 설명하면, ITO 또는 FTO이 코팅된 제2 기판(200) 상에 백금 이온이 포함된 용액을 스핀 코팅한 후, 기판은 약 450 내지 550℃의 온도로 열처리하여 제2 전극(210)을 형성할 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 제1 및 제2 전극들(110, 210)이 서로 마주하도록 상기 제1 및 제2 기판들(100, 200)을 배치한 후, 상기 제1 및 제2 기판들(100, 200) 사이에 격벽(400)들을 형성할 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 제1 및 제2 기판들(100, 200)과 격벽(400)들에 의해 한정된 공간으로 전해질 용액(300)을 주입할 수 있다.
상기 전해질 용액(300)은 유기 용매, 금속 음이온 화합물(M(Y-)n) 및 4급 암모늄염 화합물(R4N+X-)을 포함할 수 있다. 상기 전해질 용액(300)은 전술한 것과 실질적으로 동일하여 그 상세한 설명을 생략한다.
상기와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 전해질 용액(300)을 포함하는 염료감응형 태양전지는 부식성이 강한 요오드를 첨가하지 않고, 4급 암모늄 염 화합물과 금속음이온 화합물을 포함함으로써, 태양전지의 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 (X-, Y-)/(X3 -, X2Y-, Y- 2X-, Y- 3)를 포함하는 산화환원계를 통해 염료감응형 태양전지의 개방전압을 조절할 수 있다.
( 실험예 )
이하에서는 본 발명의 실시예들에서 따라 제작된 염료감응형 태양전지들과 일반적인 방법으로 제작된 염료감응형 태양전지의 광전변환효율을 알아본다.
FTO(fluorine-tin dioxide) 투명전도성 유리기판 상에 이산화티탄(TiO2) 페이스트를 닥터블레이드(doctor-blade) 방법으로 이산화티탄(TiO2)을 포함하는 인쇄용 페이스트를 약 5 내지 30㎛ 두께로 코팅하였다. 이산화티탄을 포함하는 인쇄용 페이스트를 약 450℃ 내지 약 550℃에서 약 30분 열처리하여, 약 5 내지 30㎛ 두께의 이산화티탄 박막을 형성하였다. 이후 상기 이산화티탄 박막에 JJ-7루테늄계 염료를 포함한 용액에 18시간 동안 침지시킴으로서 염료를 흡착시켜 광전극을 제조하였다. 또한, 투명 전도성 유리기판 상에 약 10mM의 백금 이온이 포함된 이소프로필알코올(isopropylalcohol) 용액을 약 1,000RPM의 속도로 스핀 코팅한 후, 약 450℃ 내지 약 550℃에서 약 30분 열처리하여, 상대전극을 제조하였다. 이와 같이 제조된 광전극과 전해질을 주입할 수 있도록 구멍을 낸 상대전극을 설린 필름(surlyn film)을 사용하여 결합시켰다. 이 후 유기용매 아세토니트릴:발레로니트릴(85:15)를 사용하여 0.05M의 테트라아세테이트 납, 0.6M의 헥실 디메틸이미다졸늄 아오다이드, 0.5M t-부틸피리딘 및 0.1M 구아니딘 티오시아네이트의 조성을 가지도록 혼합하여 제조한 전해질을 상기 상대전극의 구멍에 주입하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.
전해질 용액 제조 시에 헥실 디메틸이미다졸늄 아이오다이드의 농도를 0.05M을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
전해질 용액 제조 시에 헥실 디메틸이미다졸늄 아이오다이드의 농도를 0.1M을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
전해질 용액 제조 시에 헥실 디메틸이미다졸늄 아이오다이드의 농도를 0.2M을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
전해질 용액 제조 시에 헥실 디메틸이미다졸늄 아이오다이드의 농도를 0.4M을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
전해질 용액 제조 시에 헥실 디메틸이미다졸늄 아이오다이드의 농도를 0.8M을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
전해질 용액 제조 시에 유기용매를 디메틸암모늄포름아마이드를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
전해질 용액 제조 시에 유기용매를 3-메톡시프로피온니트릴을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
전해질 용액 제조 시에 유기용매를 에탄올을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
전해질 용액 제조 시에 4급 암모늄염을 에틸 트리메틸인돌리늄 아이오다이드를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
전해질 용액 제조 시에 4급 암모늄염을 테트라부틸암모늄 아이오다이드를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
[비교예]
전해질로서 유기용매 아세토니트릴:발레로니트릴(85:15)를 사용하여 1.0M의 디메틸이미다졸늄 아오다이드, 0.05M의 리튬 아이오다이드, 0.03M의 아이오딘, 0.5M t-부틸피리딘 및 0.1M 구아니딘 티오시아네이트의 조성을 가지도록 혼합하여 제조한 머크사 전해질을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 염료감응 태양전지를 제조하였다.
실시예 1 내지 11 및 비교예의 전해질 용액의 구성 요소들은 하기의 표 1을 참조한다.
유기용매 4급 암모늄염 화합물 테트라아세테이트 납(금속음이온화합물) t-부틸피리딘 구아니딘 티오시아네이트
실시예 1 아세토니트릴:발레로이니트릴(85:15) 헥실 디메틸이미다졸늄 아오다이드
0.6M		 0.05M 0.5M 0.1M
실시예 2 아세토니트릴:발레로이니트릴(85:15) 헥실 디메틸이미다졸늄 아오다이드 0.05M 0.05M 0.5M 0.1M
실시예 3 아세토니트릴:발레로이니트릴(85:15) 헥실 디메틸이미다졸늄 아오다이드 0.1M 0.05M 0.5M 0.1M
실시예 4 아세토니트릴:발레로이니트릴(85:15) 헥실 디메틸이미다졸늄 아오다이드 0.2M 0.05M 0.5M 0.1M
실시예 5 아세토니트릴:발레로이니트릴(85:15) 헥실 디메틸이미다졸늄 아오다이드 0.4M 0.05M 0.5M 0.1M
실시예 6 아세토니트릴:발레로이니트릴(85:15) 헥실 디메틸이미다졸늄 아오다이드 0.8M 0.05M 0.5M 0.1M
실시예 7 디메틸암모늄포름아마이드 헥실 디메틸이미다졸늄 아오다이드 0.6M 0.05M 0.5M 0.1M
실시예 8 3-메톡시프로피온니트릴 헥실 디메틸이미다졸늄 아오다이드 0.6M 0.05M 0.5M 0.1M
실시예 9 에탄올 헥실 디메틸이미다졸늄 아오다이드 0.6M 0.05M 0.5M 0.1M
실시예 10 아세토니트릴:발레로이니트릴(85:15) 에틸 트리메틸인돌리늄 아이오다이드 0.6M 0.05M 0.5M 0.1M
실시예 11 아세토니트릴:발레로이니트릴(85:15) 테트라부틸암모늄 아이오다이드 0.6M 0.05M 0.5M 0.1M
비교예 아세토니트릴:발레로이니트릴(85:15) 디메틸이미다졸늄 아오다이드 1.0M
리튬 아이오다이드 0.05M
아이오딘 0.03M		 0.5M 0.1M
상기 실시예 1 내지 11 및 비교예에서 제조한 염료감응형 태양전지의 광전변환 효율을 평가하기 위하여 광원으로는 300W 제논 램프(Xenon lamp, Oriel)를 사용하였으며, 상기 제논 램프의 태양조건(AM 1.5)은 표준태양전지를 사용하여 보정하였다. 상기와 같은 방법으로 광전압 및 광전류를 측정하여 광전기적 특성을 관찰하고, 이를 통하여 얻어진 전류밀도(Isc), 전압(Voc), 및 충진계수(fill factor, FF)를 이용하여 광전변환 효율(ηe)를 하기 수학식 1로 계산하였고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
Figure pat00003
상기 수학식 1에서, (Pine)는 100 mW/cm2(1 sun)을 나타낸다.
상기와 같이 수학식 1에 따라 측정된 값들을 하기 표 2에 나타내었다.
구분 Voc(mV) Jsc(mA/cm2) 충진계수(FF) 광전변환효율(%)
실시예 1 838 9.42 66.2 5.23
실시예 2 738 7.47 46.1 2.54
실시예 3 777 6.61 62.2 3.20
실시예 4 812 10.04 63.5 5.18
실시예 5 820 9.94 65.9 5.37
실시예 6 835 9.48 66.9 5.30
실시예 7 870 5.58 65.1 3.16
실시예 8 818 9.01 49.4 3.64
실시예 9 731 5.45 72.4 2.88
실시예 10 664 0.80 23.1 0.12
실시예 11 860 9.78 46.5 3.91
비교예 761 11.20 62.0 5.29
상기 표 2에 나타낸 바와 같이 요오드가 첨가되지 않은 전해질을 사용한 실시예 1 또는 4 내지 6은 비교예에서 사용된 요오드가 첨가된 일반적으로 사용되는 머크사(Merck) 전해질과 광전변환효율은 비슷한 것을 알 수 있었다.
도 6은 실시에 1, 실시예 4, 실시예 5, 실시예 6 및 비교예에서 제조한 염료감응형 태양전지에 대해 광전압 및 광전류를 측정한 전류-전압 그래프이다.
도 6을 참조하면, 실시예 1, 4 내지 6은 비교예보다 전류가 다소 떨어지나, 전압이 향상되는 것을 알 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징으로 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 제1 기판
110: 제1 전극
200: 제2 기판
210: 제2 전극
300: 전해질 용액

Claims (12)

  1. 유기 용매;
    금속 음이온 화합물(M(Y-)n); 및
    4급 암모늄염 화합물(R4N+X-)을 포함하되,
    상기 X- 및 Y-는 서로 화학적 평형 관계를 이루는 다중 산화환원계인 염료감응형 태양전지용 전해질 용액.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다중 산화환원계는 (X-, Y-)/(X3 -, X2Y-, Y- 2X-, Y- 3)를 포함하는 염료감응형 태양전지용 전해질 용액.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 X-는 할로겐 음이온, 알킬 음이온, 알킬옥시 음이온, 아세톡시 음이온 또는 알킬티올 음이온을 포함하며, 상기 Y-는 알킬 음이온, 알킬옥시 음이온, 아세톡시 음이온, 페닐 음이온, 페닐옥시 음이온 또는 알킬티올 음이온을 포함하는 염료감응형 태양전지용 전해질 용액.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 M은 Pb, Pd, Zn, Sn, Co, Li 또는 Cu을 포함하는 염료감응형 태양전지용 전해질 용액.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 4급 암모늄염 화합물은 HDMII(hexyldimethylimidazolium iodide), ETMII(ethyltrimethylindolium iodide) 및 Bu4N+I-(tetrabutylammonium iodide)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 염료감응형 태양전지용 전해질 용액.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유기 용매는 아세토니트릴, 바레로니트릴, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 에틸에테르, 아세톤, 디메틸카보네이트, 3-메톡시프로피오니트릴, 테트라하이드로퓨란, 디클로로메탄, 디클로로에탄 및 클로로포름으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 염료감응형 태양전지용 전해질 용액.
  7. 제1항에 있어서,
    첨가제를 더 포함하되,
    상기 첨가제는 구아니딘 티오시아네이트 및 t-부틸피리딘을 포함하는 염료감응형 태양전지용 전해질 용액.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 금속 음이온 화합물(M(Y-)n)은 상기 유기 용매에 대하여 0.05M이고,
    상기 4급 암모늄염 화합물(R4N+X-)은 상기 유기 용매에 대하여 0.05 내지 0.6M이고,
    상기 t-부틸피리딘은 상기 유기 용매에 대하여 0.5M이고,
    상기 구아니딘 티오시아네이트는 상기 유기 용매에 대하여 0.1M인 염료감응형 태양전지용 전해질 용액.
  9. 제1 기판 상에 형성된 제1 전극;
    제2 기판 상에 형성되고, 상기 제1 전극과 마주하는 제2 전극; 및
    상기 제1 및 제2 전극들 사이를 충진하며, 유기 용매, 금속 음이온 화합물(M(Y-)n) 및 4급 암모늄염 화합물(R4N+X-)을 포함하고, 상기 X- 및 Y-는 서로 화학적 평형 관계를 이루는 다중 산화환원계인 전해질 용액을 포함하는 염료감응 태양전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 전극은,
    상기 제2 전극과 마주하는 제1 기판 상에 형성된 염료가 흡착된 나노 입자 금속 산화물층을 포함하는 염료감응 태양전지.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제2 전극은,
    상기 제1 전극과 마주하는 제2 기판 상에 형성된 백금층을 포함하는 염료감응 태양전지.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 X-는 할로겐 음이온, 알킬 음이온, 알킬옥시 음이온, 아세톡시 음이온 또는 알킬티올 음이온을 포함하며, 상기 Y-는 알킬 음이온, 알킬옥시 음이온, 아세톡시 음이온, 페닐 음이온, 페닐옥시 음이온 또는 알킬티올 음이온을 포함하고, 상기 M은 Pb, Pd, Zn, Sn, Co, Li 또는 Cu을 포함하는 염료감응형 태양전지.
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