KR20150145010A - 감광성 염료 용액, 이를 이용해서 제조된 염료감응 태양전지의 광전극, 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지 - Google Patents

감광성 염료 용액, 이를 이용해서 제조된 염료감응 태양전지의 광전극, 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 염료감응 태양전지용 염료의 흡착방법, 이를 이용한 광전극 및 염료감응 태양전지에 관한 것으로 산화티타늄 박막의 상면에 금속 산화물 나노입자를 포함하는 페이스트를 코팅한 후 소성하여 다공질 막을 형성하는 단계, 감광성 염료 용액에 염료 흡착을 빠르게 할 수 있는 첨가제 첨가 및 다공질 막을 유기 용매에 분산된 감광성 염료에 침지시켜 다공질 막 표면에 감광성 염료를 흡착시키는 단계를 포함함으로써, 첨가제를 통한 염료 흡착의 시간을 단축하며, 흡착시간이 단축되어도 장, 단기적으로 염료 탈착이 일어나지 않아 태양전지의 장기 안정성을 보장할 수 있다.

Description

감광성 염료 용액, 이를 이용해서 제조된 염료감응 태양전지의 광전극, 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지{Sensitizing dye solution, working electrode prepared thereby, and dye-sensitized solar cell comprising the same}
본 발명은 감광성 염료 용액, 이를 이용해서 제조된 염료감응 태양전지의 광전극, 이를 포함하는 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
점차 고갈되어가고 있는 화석연료와 최근 심각한 환경오염 문제의 대두로 차세대 에너지 개발에 대한 중요성이 날로 증가되고 있다. 그 중에서도 태양광으로부터 나오는 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 전환시키는 태양전지는 공해가 적고, 무한한 자원을 가지고 있으며, 수명도 반영구적이기 때문에 미래의 에너지원으로 기대되고 있다.
이러한 태양전지를 물질별로 크게 구분하면 무기물 태양전지(inorganic solar cell), 염료감응 태양전지(dye-sensitized solar cell) 및 유기물 태양전지(organic solar cell)가 있다. 주로 단결정 실리콘이 사용되고 있는데 이것은 무기물 태양전지에 속하고, 이러한 단결정 실리콘계 태양전지는 박막형 태양전지로 제조될 수 있는 장점을 가지나, 많은 비용이 소요되고, 안정상이 낮은 문제점을 가지고 있다.
염료감응 태양전지는 1991년 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의하여 발표된 광전기 화학 태양전지로서, 일반적인 태양전지의 기본이 되는 p-n접합형 태양전지와는 달리 접합이 필요치 않는 무접합형 태양전지이다.
이러한 염료감응 태양전지는 다공성 TiO2를 입힌 광전극(Working electrode) 및 백금을 입힌 상대전극(Counter electrode)으로 이루어지고, 광전극과 상대전극 사이에는 이온을 이동시켜 주는 전해질이 위치한다. 광전극에는 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료가 흡착된다.
염료감응 태양전지는 염료가 전자를 여기시키고, 여기된 전자가 광전극의 TiO2 입자를 통과해서 상대전극으로 이동하고, 전해질 하에서 산화/환원 반응이 진행됨으로써 구동된다. 이와 같은 태양전지는 실리콘형 태양전지와 비교하여 제조공정이 간단하고 제조비용이 저렴한 것에 비해 높은 에너지 변환 효율을 가지기 때문에 기존 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 차세대 태양전지로 각광받고 있다.
염료감응 태양전지의 에너지 변환 효율은 2011년 기준으로 약 12%로 보고되어 있는데, 이는 액체 전해질을 사용한 경우이다. 전자-홀 쌍을 생성시키는 염료의 흡착 공정은 많은 시간이 소요되어 염료감응 태양전지의 상업화에 문제가 되고 있다.
따라서 염료 흡착이 빠르게 진행되고 흡착시간이 단축되어도 염료 탈착이 일어나지 않아 태양전지의 장기 안정성 및 고효율을 보장할 수 있는 광전극 및 이를 이용한 염료감응 태양전지가 요구되고 있다.
특허출원 제10-2012-0078839호
Electrochimica Acta Vol 55, Issue 13, 4120-4123, 2010 ACS Appl. Mater. Interfaces 2013, 5, 5201-5207
본 발명은 다공질 막의 표면에 염료 흡착이 빠르게 진행되고 흡착시간이 단축되어도 태양전지의 장기 안정성을 보장할 수 있는 염료감응 태양전지 광전극 제조용 감광성 염료 용액, 이를 이용해서 제조된 염료감응 태양전지의 광전극, 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면은 감광성 염료, 유기 용매 및 첨가제를 포함하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조용 감광성 염료 용액으로서, 상기 첨가제는 상기 첨가제는 (i) 디페닐암모늄 트리플루오로메탄설포네이트(DPAT), 펜타플루오로아닐리늄 트리플레이트(PFPAT), 펜타플루오로페닐암모늄 트리플루오로페탄설포네이트, N-(트리메틸실릴)비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드, 4-메틸벤젠설폰산, (7,7-디메틸-2-옥소비시클로[2,2,1]-헵트-1-일)메탄설폰산 및 이들 2종 이상의 혼합물 중에서 선택된 제1 첨가제이거나, (ii) 염산, 황산, 인산, 아세트산, 질산 및 이들 2종 이상의 혼합물 중에서 선택된 제2 첨가제이거나, (iii) 상기 제1 첨가제와 상기 제2 첨가제의 혼합물인 염료감응 태양전지의 광전극 제조용 감광성 염료 용액에 관한 것이다.
본 발명의 다른 측면은 (C) 제1항에 따른 감광성 염료 용액과 다공성 기판을 접촉시키는 단계를 포함하고, 상기 다공성 기판은 산화티타늄 박막의 상면에 10 nm 내지 30 μm 두께의 다공질 막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 (B) 투명 전도성 기판 위에 형성된 산화티타늄 박막의 상면에 다공질 막을 형성하여 다공성 기판을 수득하는 단계, (C) 제1항에 따른 감광성 염료 용액과 상기 다공성 기판을 접촉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 (A) 투명 전도성 기판에 산화티타늄 박막을 형성하여 산화티타늄 박막이 형성된 기판을 수득하는 단계, (B) 상기 산화티타늄 박막의 상면에 다공질 막을 형성하여 다공성 기판을 수득하는 단계, (C) 제1항에 따른 감광성 염료 용액과 상기 다공성 기판을 접촉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 본 발명의 여러 구현예에 따라 제조된 염료감응 태양전지의 광전극에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 (a) 본 발명의 여러 구현예에 따라 제조된 염료감응 태양전지의 광전극, (b) 상기 광전극과 서로 마주보도록 대향 배치되며 촉매층이 구비된 상대전극, 및 (c) 상기 광전극과 상기 상대전극 사이에 충진된 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지.
본 발명의 여러 측면 및 여러 구현예에 따라 광전극을 제조하는 경우, 감광성 염료와 산화티타늄과의 흡착반응이 매우 빠르게 일어나 전체적인 공정시간을 현저히 단축할 수 있고, 이렇게 제조된 광전극은 단기적으로 종래의 방법에 비해 높은 염료 흡착율 및 흡착세기를 보여 높은 태양전지 효율을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 장기적으로는 종래의 방법에 비해 염료 탈착율이 낮아져 태양전지의 장기 안정성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 염료감응 태양전지용 광전극을 제조하는 공정을 나타낸 공정흐름도이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따라 염료감응 태양전지용 광전극이 적용된 염료감응 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 염료감응 태양전지에 대한 전류-전압 곡선 그래프이다.
이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.
본 발명의 일 측면은 감광성 염료, 유기 용매 및 첨가제를 포함하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조용 감광성 염료 용액에 관한 것이다.
여기서, 상기 첨가제는 디페닐암모늄 트리플루오로메탄설포네이트(DPAT), 펜타플루오로아닐리늄 트리플레이트(PFPAT), 펜타플루오로페닐암모늄 트리플루오로페탄설포네이트, N-(트리메틸실릴)비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드, 4-메틸벤젠설폰산, (7,7-디메틸-2-옥소비시클로[2,2,1]-헵트-1-일)메탄설폰산 중에서 선택된 1종이거나, 또는 이들 2종 이상의 혼합물일 수도 있다.
또는, 상기 첨가제가 염산, 황산, 인산, 아세트산, 질산 및 이들 2종 이상의 혼합물일 수도 있다.
또는 상기 첨가제가 상기 제1 첨가제와 상기 제2 첨가제의 혼합물일 수도 있다.
위와 같은 첨가제를 사용하는 경우 감광성 염료와 산화티타늄과의 흡착 속도가 향상된다는 점을 확인하였다.
특히, 상기 첨가제가 상기 제1 첨가제인 경우, 상기 염료감응 태양전지의 광전극 제조용 감광성 염료 1 몰을 기준으로 상기 제1 첨가제를 1.5 내지 10 몰로 용액 내에 포함시키는 것이 바람직하고, 1.8 내지 5 몰의 함량이 더욱 바람직하다.
상기 염료감응 태양전지의 광전극 제조용 감광성 염료 1 몰을 기준으로, 상기 제1 첨가제 함량이 1.5 몰 미만이거나 10 몰을 초과하는 경우, 첨가제를 전혀 사용하지 않은 경우에 비해서는 염료 탈착율이 낮아져 안정성 역시 향상되기는 하였다. 다만, 1.5 몰 내지 10 몰의 범위 내에서 더욱 그 향상 정도가 크게 증가하였을 뿐만 아니라, 특히 50 ℃ 이상에서 300 시간의 작동 후 염료 탈착율이 전혀 변동이 없어 고온 장기 안정성이 획기적으로 향상됨을 확인하였다.
위 열거된 첨가제 중에서도, 특히 디페닐암모늄 트리플루오로메탄설포네이트(DPAT) 또는 펜타플루오로아닐리늄 트리플레이트(PFPAT)를 사용하는 경우에, 염료 흡착 세기가 상대적으로 높았고, 위 제1 첨가제로 열거된 다른 첨가제나 제2 첨가제 또는 이들의 혼합 첨가제를 사용하는 경우에 비해서도 초기 염료 흡착율이 현저히 높음을 확인하였다.
또한, 디페닐암모늄 트리플루오로메탄설포네이트(DPAT)와 펜타플루오로아닐리늄 트리플레이트(PFPAT)의 중량비 1-99 : 99-1의 혼합물을 사용하는 경우에는 여러 공정 조건의 변화에도 불구하고, 이를 사용해서 최종 얻어진 복수 개 태양전지 성능이 거의 동일하게 구현되어, 최종 소자의 성능 균일성이 현저히 향상됨을 확인하였다.
상기 첨가제가 상기 제2 첨가제인 경우에는 상기 염료감응 태양전지의 광전극 제조용 감광성 염료 1 몰을 기준으로 상기 제2 첨가제를 1.5 내지 10 몰로 용액 내에 포함시키는 것이 바람직하고, 1.8 내지 5 몰의 함량이 더욱 바람직하다.
상기 염료감응 태양전지의 광전극 제조용 감광성 염료 1 몰을 기준으로, 상기 제2 첨가제의 함량이 1.5 몰 미만이거나 10 몰을 초과하는 경우, 첨가제를 전혀 사용하지 않은 경우에 비해서는 염료 탈착율이 낮아져 안정성 역시 향상되기는 하였다. 다만, 1.5 몰 내지 10 몰의 범위 내에서 더욱 그 향상 정도가 크게 증가하였을 뿐만 아니라, 특히 50 ℃ 이상에서 300 시간의 작동 후 염료 탈착율이 전혀 변동이 없어 고온 장기 안정성이 획기적으로 향상됨을 확인하였다.
또는, 상기 첨가제가 상기 제1 첨가제와 상기 제2 첨가제의 혼합물인 경우에는, 상기 염료감응 태양전지의 광전극 제조용 감광성 염료 1 몰을 기준으로 상기 제1 첨가제와 상기 제2 첨가제 각각은 1.5 내지 10 몰 및 1.5 내지 10 몰의 함량으로 용액 내 포함시키는 것이 바람직하다. 또한, 제1 첨가제와 상기 제2 첨가제의 몰비는 99.9 : 0.1 내지 0.1 : 99.9일 수 있고, 특히 99 : 1 내지 80 : 20인 경우가 더욱 바람직하다.
위 바람직한 범위의 하한값 미만 또는 상한값을 초과하는 경우, 첨가제를 전혀 사용하지 않은 경우에 비해서는 염료 탈착율이 낮아져 안정성 역시 향상되기는 하였다. 다만, 상기 바람직한 범위 내에서 더욱 그 향상 정도가 크게 증가하였을 뿐만 아니라, 특히 50 ℃ 이상에서 300 시간의 작동 후 염료 탈착율이 전혀 변동이 없어 고온 장기 안정성이 획기적으로 향상됨을 확인하였다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 감광성 염료는 밴드갭이 1.55 내지 3.1 eV이다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 감광성 염료는 금속 또는 금속 복합체를 포함하는 유-무기 복합염료, 유기 염료, 및 이들의 혼합물 중에서 선택된다.
여기서, 상기 유-무기 복합염료는 루테늄계(Ru) 복합염료, 오스뮴계(Os) 복합염료, 플레티늄계(Pt) 복합염료, 커퍼계(Cu) 복합염료, 포르피린계 복합염료, 프탈로시아닌계 복합염료 및 이들 2종 이상의 혼합물 중에서 선택된 1종일 수 있다.
또한, 상기 유기염료는 쿠마린계 유기염료, 인돌린계 유기염료, 카바졸계 유기염료, 트리아릴아민계 유기염료, 퍼릴렌계 유기염료, 헤미시아닌계 유기염료, 스쿠아린계 유기염료 및 이들 2종 이상의 혼합물 중에서 선택된 1종일 수 있다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 유기 용매는 에탄올, 아세토니트릴, 테트라하이드로퓨란, 다이메틸클로라이드 및 이들 2종 이상의 혼합물 중에서 선택된 1종이다.
본 발명의 다른 측면은 (C) 제1항에 따른 감광성 염료 용액과 다공성 기판을 접촉시키는 단계를 포함하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조방법에 관한 것이다.
여기서, 상기 다공성 기판은 산화티타늄 박막의 상면에 10 nm 내지 30 μm 두께의 다공질 막이 형성되어 있는 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은 (B) 투명 전도성 기판 위에 형성된 산화티타늄 박막의 상면에 다공질 막을 형성하여 다공성 기판을 수득하는 단계, (C) 제1항에 따른 감광성 염료 용액과 상기 다공성 기판을 접촉시키는 단계를 포함하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 (A) 투명 전도성 기판에 산화티타늄 박막을 형성하여 산화티타늄 박막이 형성된 기판을 수득하는 단계, (B) 상기 산화티타늄 박막의 상면에 다공질 막을 형성하여 다공성 기판을 수득하는 단계, (C) 제1항에 따른 감광성 염료 용액과 상기 다공성 기판을 접촉시키는 단계를 포함하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조방법에 관한 것이다.
일 구현예에 있어서, 상기 (A) 단계는 (i) 상기 투명 전도성 기판에 산화티타늄 전구물질을 코팅하고 열처리함으로써 수행되거나, 또는 (ii) 투명 기판의 일면에 전도성 필름을 구비하고 나서, 상기 전도성 필름 상면에 산화티타늄 전구물질을 코팅하고 열처리함으로써 수행된다.
다른 구현예에 있어서, 상기 열처리는 100 내지 600 ℃에서 수행된다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 산화티타늄 박막은 두께가 50 내지 250 nm이다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 (B) 단계는 상기 산화티타늄 박막의 상면에 금속 산화물 나노입자를 포함하는 페이스트를 코팅한 후 소성함으로써 수행된다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 금속 산화물은 주석(Sn) 산화물, 안티몬(Sb) 산화물, 나이오븀(Nb) 산화물, 불소로 도핑된 주석(Sn) 산화물, 인듐(In) 산화물, 주석 도핑된 인듐(In) 산화물, 아연(Zn) 산화물, 알루미늄(Al) 산화물, 붕소(B) 산화물, 갈륨(Ga) 산화물, 수소(H) 산화물, 인듐(In) 산화물, 이트륨(Y) 산화물, 타이타늄(Ti) 산화물, 실리콘(Si) 또는 주석(Sn) 도핑된 아연(Zn) 산화물, 마그네슘(Mg) 산화물, 캐드뮴(Cd) 산화물, 마그네슘아연(MgZn) 산화물, 인듐아연(InZn) 산화물, 구리알루미늄(CuAl) 산화물, 실버(Ag) 산화물, 갈륨(Ga) 산화물, 아연주석 산화물(ZnSnO), 타이타늄 산화물(TiO2), 아연인듐주석(ZIS) 산화물, 니켈(Ni) 산화물, 로듐(Rh) 산화물, 루세늄(Ru) 산화물, 이리듐(Ir) 산화물, 구리(Cu) 산화물, 코발트(Co) 산화물, 텅스텐(W) 산화물, 티타늄(Ti) 산화물, 지르코늄(Zr) 산화물, 스트론튬(Sr) 산화물, 란타넘(La) 산화물, 바나듐(V) 산화물, 몰리브데넘(Mo) 산화물, 나이오븀(Nb) 산화물, 알루미늄(Al) 산화물, 이트늄(Y) 산화물, 스칸듐(Sc) 산화물, 사마륨(Sm) 산화물, 스트론튬타이타늄(SrTi) 산화물이거나, 또는 0이들 2종 이상의 혼합물 중에서 선택될 수 있다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 금속 산화물 나노입자는 10 내지 100 nm의 평균 입경을 가진다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 페이스트는 바인더 및 용매를 추가로 포함한다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 소성은 100 내지 600 ℃에서 30 내지 200 분 동안 수행된다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 다공질 막은 두께가 10 nm 내지 30 μm 두께이다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 (C) 단계는 (i) 상기 다공성 기판을 상기 감광성 염료 용액에 침지하거나, (ii) 상기 감광성 염료 용액을 상기 다공성 기판에 분무하거나, 또는 (iii) 용액을 상기 다공성 기판에 떨어뜨림으로써 수행된다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 침지는 다공질 막을 30 내지 50 ℃의 감광성 염료 용액에 1 내지 180 분 동안 수행된다.
본 발명의 또 다른 측면은 본 발명의 여러 구현예에 따라 제조된 염료감응 태양전지의 광전극에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 (a) 본 발명의 여러 구현예에 따라 제조된 염료감응 태양전지의 광전극, (b) 상기 광전극과 서로 마주보도록 대향 배치되며 촉매층이 구비된 상대전극, 및 (c) 상기 광전극과 상기 상대전극 사이에 충진된 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
본 발명에 있어서 어느 부분이 다른 부분의 '상부' 또는 '상면'에 있다고 언급하는 경우 이는 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 '바로 위에' 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.
본 발명에 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. '포함하는'의 의미는 특정한 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
또한, 본 발명에 기재된 '나노'라는 용어는 나노 스케일을 의미하며, 마이크로 단위를 포함할 수도 있다. 또한, '나노 입자'라는 용어는 나노 스케일을 가진 모든 형태의 입자를 포함한다.
이하, 본 발명의 일부 구현예에 대해서 도 1 및 도 2를 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 염료감응 태양전지용 염료의 흡착방법은 (a) 산화티타늄 박막의 상면에 금속 산화물 나노입자를 포함하는 페이스트를 코팅한 후 소성하여 다공질 막을 형성하는 단계; (b) 감광성 염료 용액에 염료 흡착을 빠르게 할 수 있는 첨가제 첨가; 및 (c) 다공질 막을 감광성 염료 용액에 침지시켜 다공질 막 표면에 감광성 염료를 흡착시키는 단계를 포함한다.
먼저, 상기 (a) 단계에서는 산화티타늄 박막(103)의 상면에 금속 산화물 나노입자를 포함하는 페이스트를 코팅한 후 소성하여 두께가 10 nm 내지 30 ㎛의 다공질 막(104)을 형성한다.
상기 페이스트는 금속 산화물 나노입자, 바인더 및 용매를 포함하는 것으로써, 당 분야에서 사용되는 통상의 방법으로 제조될 수 있으므로 그 방법이 특별히 한정되지 않는다. 페이스트를 제조하는 방법으로 예를 들면, 금속 산화물 나노입자를 용매에 혼합하여 금속 산화물이 분산된 점도 5ㅧ104 내지 5ㅧ105 cps의 콜로이드 용액을 제조한 후 바인더 수지를 첨가하여 혼합한 다음 증류기로 용매를 제거하는 방법을 들 수 있다. 또한, 상기 금속 산화물 나노입자, 바인더 수지 및 용매의 혼합비율은 특별히 한정되지는 않고 이 분야에 잘 알려진 방법으로 사용될 수 있다.
상기 금속 산화물 나노입자는 전자가 용이하게 통과되기 위하여 평균 입경이 10 내지 100 nm인 것이 바람직하며, 구체적으로 주석(Sn) 산화물, 안티몬(Sb), 나이오븀(Nb) 또는 불소 도핑된 주석(Sn) 산화물, 인듐(In) 산화물, 주석 도핑된 인듐(In) 산화물, 아연(Zn) 산화물, 알루미늄(Al), 붕소(B), 갈륨(Ga), 수소(H), 인듐(In), 이트륨(Y), 타이타늄(Ti), 실리콘(Si) 또는 주석(Sn) 도핑된 아연(Zn) 산화물, 마그네슘(Mg) 산화물, 캐드뮴(Cd) 산화물, 마그네슘아연(MgZn) 산화물, 인듐아연(InZn) 산화물, 구리알루미늄(CuAl) 산화물, 실버(Ag) 산화물, 갈륨(Ga) 산화물, 아연주석산화물(ZnSnO), 타이타늄산화물(TiO2) 및 아연인듐주석(ZIS) 산화물, 니켈(Ni) 산화물, 로듐(Rh) 산화물, 루세늄(Ru) 산화물, 이리듐(Ir) 산화물, 구리(Cu) 산화물, 코발트(Co) 산화물, 텅스텐(W) 산화물, 티타늄(Ti) 산화물, 지르코늄(Zr) 산화물, 스트론튬(Sr) 산화물, 란타넘(La) 산화물, 바나듐(V) 산화물, 몰리브데넘(Mo) 산화물, 나이오븀(Nb) 산화물, 알루미늄(Al) 산화물, 이트늄(Y) 산화물, 스칸듐(Sc) 산화물, 사마륨(Sm) 산화물 및 스트론튬타이타늄(SrTi) 산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 들 수 있다.
상기 바인더 수지는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 폴리에틸렌글리콜,폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐알코올, 폴리비닐피롤리돈 및 에틸셀룰로오스로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상일 수 있다.
또한, 상기 용매는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 에탄올, 메탄올, 터피네올 및 라우르산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상일 수 있다.
상기 페이스트를 코팅하는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 스크린 프린팅 또는 닥터 블레이트 방법이 이용될 수 있다.
상기 코팅된 페이스트는 100 내지 600 ℃, 바람직하게는 400 내지 500 ℃의 온도에서 200 분 이하, 바람직하게는 30 초 내지 30 분 동안 소성된다.
다음으로, (c) 단계에서는 상기 다공질 막(105)이 형성된 기판을 감광성 염료 용액에 침지시켜 감광성 염료가 흡착된 다공질 막(106)을 형성한다.
상기 (b) 단계에서 첨가제는 위에서 언급한 1종 이상의 첨가제를 선택하여 사용할 수 있다. 상기 다공질 막(105)이 형성된 기판은 30 내지 50 ℃의 감광성 염료 용액에 1 내지 180 분 동안 침지된다.
상기 감광성 염료 용액은 유기 용매에 감광성 염료가 분산된 것이다.
상기 감광성 염료의 밴드갭은 1.55 내지 3.1 eV을 가지므로 가시광선을 흡수할 수 있으며, 감광성 염료로는 카르복실기와 같은 흡착그룹을 갖는 금속 또는 금속 복합체를 포함하는 유-무기 복합염료, 유기 염료 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1종을 들 수 있다.
상기 유-무기 복합염료는 루테늄계(Ru), 오스뮴계(Os), 플레티늄계(Pt), 커퍼계(Cu), 포르피린계 및 프탈로시아닌계로 이루어진 군에서 선택된 1종일 수 있으며, 유기염료는 쿠마린계, 인돌린계, 카바졸계, 트리아릴아민계, 퍼릴렌계, 헤미시아닌계 및 스쿠아린계로 이루어진 군에서 선택된 1종일 수 있다.
또한, 염료를 용해시키는 유기 용매로는 에탄올, 아세토니트릴, 테트라하이드로퓨란 및 다이메틸클로라이드로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상일 수 있다.
상기와 같은 방법으로 제조된 광전극은 장, 단기적으로 염료 탈착이 일어나지 않아 태양전지에 적용시 장기 안정성을 보장할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 염료의 흡착방법을 포함하여 광전극을 제조할 수 있다.
본 발명의 염료감응 태양전지용 광전극의 제조방법은 상기 (a) 단계 이전에 (a`)투명기판의 일면에 전도성 필름을 구비하여 투명 전도성 기판을 형성하는 단계; 및 (a``)상기 전도성 필름 상면에 산화티타늄 전구물질을 코팅한 후 열처리하여 산화티타늄 박막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 (a`) 단계에서는 투명기판(101)의 일면에 전도성 필름(102)을 구비하여 투명 전도성 기판(TCO, transparent conducting oxide)을 형성한다.
상기 전도성 필름(102)은 당 분야에서 사용되는 통상의 전도성 필름을 모두 이용할 수 있으며, 예를 들면 에프티오(FTO, SnO2:SnO2:F), 산파인듐(ITO, In2O3), 평균 두께가 1 내지 1000 nm인 금속전극, 금속 질화물, 금속 산화물, 탄소화합물 및 전도성 고분자로 이루어진 군에서 선택된 1종일 수 있고, 바람직하게는 에프티오(FTO, SnO2:SnO2:F), 산파인듐(ITO, In2O3), 그라펜 및 카본나노튜브로 이루어진 군에서 선택된 1종일 수 있다.
다음으로, (a``) 단계에서는 상기 전도성 필름(102) 상면에 산화티타늄 전구물질을 코팅한 후 열처리하여 두께가 50 내지 250 nm인 산화티타늄 박막(103)을 형성한다.
상기 산화티타늄 전구물질을 코팅하는 방법은 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 스핀코팅일 수 있다.
산화티타늄 전구물질은 100 내지 600 ℃, 바람직하게는 400 내지 450 ℃의 고온에서 열처리된다. 열처리 온도가 상기 하한치 미만인 경우에는 전도성 필름(102)에 산화티타늄 전구물질이 밀착되도록 코팅되지 않거나 다공질 막의 형성이 어렵거나, 산화티타늄 나노입자 간 상호 연결성이 좋지 않을 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 광전극이 적용되는 염료감응 태양전지를 제공하며, 도2를 참조하여 설명한다.
염료감응 태양전지(200)는 상기와 같이 제조된 광전극(100), 상기 광전극(100)과 소정의 간격을 두고 서로 마주보도록 대향 배치되며 촉매층(211)이 구비된 상대전극(210), 및 상기 광전극(100)과 상대전극(210) 사이에 충진된 전해질(220)을 포함한다. 상기 전해질(220)이 충진되면 당 분야에서 사용되는 통상의 고분자 접착제(230)로 봉합하여 염료감응 태양전지(200)를 완성한다.
상기 촉매층(211)은 투명기판(101`)의 일면에 전도성 필름(102`)이 구비된 투명 전도성 기판의 상면에 구비된 것으로서, 백금, 루테늄, 팔라듐, 전도성 고분자 및 탄소계 물질로 이루어진 군에서 선택된 1종을 들 수 있다.
상기 전도성 고분자로는 PEDOT-PSS((폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜))-(폴리(스티렌설포네이트))), 폴리아닐린-CSA, 펜타센, 폴리아세틸렌, P3HT(폴리(3-헥실티오펜), 폴리실록산 카르바졸, 폴리아닐린, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레드1)-2,5-페닐렌-비닐렌, 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌, 폴리피리딘, 폴리피롤, 폴리설퍼나이트라이드 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 1종을 들 수 있다.
상기 탄소계 물질로는 활성탄, 흑연, 카본 나노튜브, 카본블랙, 그라펜 또는 이들의 혼합물을 들 수 있다.
상기 전해질(220)은 광전극(100)과 상대전극(210) 사이에 채워진 상태로 도시되어 있지만, 균일하게 분산된 상태일 수도 있다.
전해질(220)은 염료감응 태양전지에 사용되는 것이라면 특별히 한정되지 않지만, 산화-환원에 의해 상대전극(210)으로부터 전자를 받아 광전극(100)의 염료에 전달하는 역할을 하는 산화-환원 유도체를 포함한다.
상기 산화-환원 유도체는 요오드(I)계, 브롬(Br)계, 코발트(Co)계, 황화시안(SCN-)계 및 셀레늄화시안(SeCN-)계로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
또한, 상기 전해질은 폴리비닐리덴플로라이드-co-폴리헥사플루오르프로필렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리알킬아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 고분자를 함유할 수 있으며, 무기입자인 실리카 또는 TiO2 나노입자를 함유하는 고분자 겔 전해질일 수 있다
이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백하다.
실시예
실시예 1: 광전극 제조
전도성 유리 기판(Philkington사, FTO, 두께 2.2 cm, 면저항 8 Ω/sq)에 0.15 M의 Ti(acac)2OiPr2(Titaniumdiisopropoxidebis(acetylacetonate))를 스핀코팅한 후 450 ℃로 열처리하여 100 nm 두께의 산화티타늄 박막을 형성하였다. 한편, 평균 입경이 20 nm인 산화티타늄 나노입자 18.5 중량%, 바인더로 에틸셀룰로오스 0.05 중량% 및 잔량의 터피네올(Terpineol)로 이루어진 금속 산화물 나노입자 페이스트를 제조하였다. 상기 제조된 페이스트를 산화티타늄 박막 상면에 닥터 블레이드법으로 코팅한 후 500 ℃에서 30 분간 소성하여 15 ㎛ 두께의 금속 산화물 나노입자를 포함하는 다공질 막을 형성하였다.
한편, 염료 흡착 시간을 빨리 해주는 데 필요한 첨가제로서 DPAT를 4 mM으로 포함하는 감광성 염료 용액에 직접 용해하여 용액을 제조하였다. 다공질 막이 형성된 기판을 40 ℃의 DPAT가 첨가된 감광성 염료 용액에 7 분 동안 침지시켜 다공질 막의 표면에 감광성 염료를 흡착시킴으로써 광전극을 제조하였다. 상기 감광성 염료 용액은 감광성 염료(NaRu(4-carboxylic acid-4'-caboxylate) (4,4'-dinonyl-2,2'-bipyridine)(NCS)2)가 에탄올에 2.0 mM의 농도로 용해된 것이다.
비교예 1: 광전극 제조
상기 실시예 1과 동일하게 제조하되, 다공질 막이 형성된 기판을 침지시킬 광전극 용액에서 촉매로 사용된 DPAT 첨가 과정을 생략하여 광전극을 제조하였다.
비교예 2: 광전극 제조
상기 비교예 1과 동일하게 제조하되, 다공질 막이 형성된 기판을 감광성 염료 용액에 침지시킬 때 7 분이 아닌 240 분 동안 침지시켜 광전극을 제조하였다.
실시예 2: 태양전지 제조
불소가 도핑된 틴 옥사이드 투명 전도성 산화물층이 형성된 투명 유리 기판의 투명 전도성 산화물층 상면에 육염화백금산(H2PtCl6)이 녹아있는 2-프로판올 용액을 떨어뜨린 후 400 ℃에서 20 분 동안 열처리하여 백금층을 형성시켜 양극계 상대전극을 제조하였다.
이렇게 제조된 상대전극과 실시예 1에서 제조된 광전극 사이의 공간에 PMII (1-methyl-3-propylimidazolium iodide, 0.7 M) 및 I2 (0.03 M)를 포함하는 아세토니트릴(acetonitrile) 전해질을 주입하고 고분자 접착제로 봉합하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.
비교예 3
상기 실시예 2와 동일하게 실시하되, 실시예 1에서 제조된 광전극 대신에 비교예 1에서 제조된 광전극을 사용하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.
비교예 4
상기 실시예 2와 동일하게 실시하되, 실시예 1에서 제조된 광전극 대신 포화 광전류에 이르도록 제조한 비교예 2에서 제조된 광전극을 사용하여 염료감응 태양전지를 제조하였다.
시험예 1: 염료감응 태양전지의 개방전압, 광전류밀도, 에너지 변환효율, 충진계수 측정
상기 실시예 2 및 비교예 3에서 제조한 염료감응 태양전지에 대한 개방전압, 광전류밀도, 에너지 변환효율, 충진계수를 아래와 같이 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
1. 개방전압(V): 소스미터 계측기(Keithley SMU2400)을 이용하여 측정하였다.
2. 광전류밀도(mA/cm2): 소스미터 계측기(Keithley SMU2400)을 이용하여 측정하였다.
3. 에너지 변환효율(%): AM1.5 100 mW/cm2의 솔라 시뮬레이터(Xe 램프[1,600 W, YAMASHITA DENSO], AM1.5 filter 및 Keithley SMU2400으로 구성됨)를 이용하여 측정하였다.
4. 충진계수(%): 하기 계산식을 이용하여 측정하였다.
Figure pat00001
상기 수학식 1에서, J는 에너지 변환효율 곡선의 Y축 값이고, V는 에너지 변환효율 곡선의 X축 값이며, Jsc및 Voc는 각 축의 절편 값이다.
구분 전류밀도(mA/cm2) 개방전압(V) 충진계수(%) 에너지변환효율(%)
실시예 2 14.921 0.781 0.727 8.472
비교예 3 11.714 0.817 0.758 7.257
위 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 염료감응 태양전지는 동일한 흡착시간을 갖는 비교예 3에 비하여 높은 전류밀도, 에너지 변환효율을 나타내는 것으로 확인되었다.
시험예 2: 염료감응 태양전지의 전류-전압 측정
도 3은 실시예 2 및 비교예 3에서 제조된 염료감응 태양전지에 대하여 AM 1.5 G, 1 SUN 조건에서 측정한 전류-전압 곡선의 그래프이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 실시예 2-1은 비교예 2-1에 비하여 높은 광전류 값을 갖는 것으로 확인되었다.
시험예 3: 염료감응 태양전지의 광전류밀도 측정
실시예 2 및 비교예 4에서 제조된 염료감응 태양전지에 대한 개방전압, 광전류밀도, 에너지 변환효율, 충진계수를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
구분 전류밀도(mA/cm2) 개방전압(V) 충진계수(%) 에너지변환효율(%)
실시예 2 14.921 0.781 0.727 8.472
비교예 4 14.859 0.786 0.727 8.484
위 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 염료감응 태양전지는 일반적인 흡착시간을 갖는 비교예 4와 비교하였을 때 유사한 전류밀도, 에너지 변환효율을 나타내는 것으로 확인되었다. 이는 실시예 2와 같이 고속으로 감광성 염료가 흡착된 광전극을 이용하더라도 광전류의 손실 없이 염료가 안정적으로 흡착한다는 의미이다.
위 실시예에는 별도로 구체적인 실험 결과를 제시하지는 않았지만, 디페닐암모늄 트리플루오로메탄설포네이트(DPAT)와 펜타플루오로아닐리늄 트리플레이트(PFPAT)의 중량비 1-99 : 99-1의 혼합물을 위 실시예 1에서와 동일한 중량으로 사용하는 경우에는, 전도성 유리 기판의 두께와 면저항, 산화티타늄의 종류와 농도, 산화티타늄 박막의 형성을 위한 열처리 온도 및 그 두께, 페이스트 내 산화티타늄 나노입자의 평균 입경 및 함량, 다공질 막 형성을 위한 소성 온도 및 시간, 감광성 염료 흡착을 위한 침지 시간 및 온도 등의 조건을 1% 내지 10% 범위에서 변화시켰음에도 불구하고, 최종 얻어진 복수 개 태양전지 성능이 1% 이내로 균일하게 얻어짐을 확인하였다.
또한, 위 실시예에 역시 별도로 구체적인 실험 결과를 제시하지 않았지만, 실시예 1과 동일하게 실험을 수행하되, 상기 감광성 염료 몰농도를 기준으로 첨가제를 1.1배 또는 15배로 사용하였을 경우 염료 탈착율이 향상되어 안정성 역시 향상되기는 하였으나(각각 약 1.3배 및 1.2배 정도), 그 향상의 정도가 첨가제를 2배로 사용한 경우의 향상 정도(약 10배 이상)에 비하여 크게 낮아짐을 확인하였다.
특히, 50 ℃ 이상에서 300 시간의 작동 후 염료 탈착율을 조사한 결과, 상기 감광성 염료 몰농도를 기준으로 첨가제를 1.1배 또는 15배로 사용하였을 경우에는 염료 탈착율이 다소 늘어난 반면, 첨가제를 2배로 사용한 경우에는 염료 탈착율이 전혀 변동이 없어 고온 장기 안정성이 크게 향상됨을 확인하였다.

Claims (25)

  1. 감광성 염료, 유기 용매 및 첨가제를 포함하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조용 감광성 염료 용액으로서,
    상기 첨가제는 (i) 디페닐암모늄 트리플루오로메탄설포네이트(DPAT), 펜타플루오로아닐리늄 트리플레이트(PFPAT), 펜타플루오로페닐암모늄 트리플루오로페탄설포네이트, N-(트리메틸실릴)비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드, 4-메틸벤젠설폰산, (7,7-디메틸-2-옥소비시클로[2,2,1]-헵트-1-일)메탄설폰산 및 이들 2종 이상의 혼합물 중에서 선택된 제1 첨가제이거나, (ii) 염산, 황산, 인산, 아세트산, 질산 및 이들 2종 이상의 혼합물 중에서 선택된 제2 첨가제이거나, (iii) 상기 제1 첨가제와 상기 제2 첨가제의 혼합물인 것임을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조용 감광성 염료 용액.
  2. 제1항에 있어서, 상기 염료감응 태양전지의 광전극 제조용 감광성 염료 1 몰을 기준으로 상기 제1 첨가제 함량은 1.5 내지 10 몰인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조용 감광성 염료 용액.
  3. 제1항에 있어서, 상기 염료감응 태양전지의 광전극 제조용 감광성 염료 1 몰을 기준으로 상기 제2 첨가제 함량은 1.5 내지 10 몰 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조용 감광성 염료 용액.
  4. 제1항에 있어서, 상기 첨가제는 상기 제1 첨가제와 상기 제2 첨가제의 혼합물이고,
    상기 염료감응 태양전지의 광전극 제조용 감광성 염료 1 몰을 기준으로 상기 제1 첨가제 및 상기 제2 첨가제의 함량은 각각 1.5 내지 10 몰과 1.5 내지 10 몰이며,
    제1 첨가제와 상기 제2 첨가제의 몰비는 1 : 99 내지 99 : 1인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조용 감광성 염료 용액.
  5. 제1항에 있어서, 상기 감광성 염료는 밴드갭이 1.55 내지 3.1 eV인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조용 감광성 염료 용액.
  6. 제1항에 있어서, 상기 감광성 염료는 금속 또는 금속 복합체를 포함하는 유-무기 복합염료, 유기 염료, 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조용 감광성 염료 용액.
  7. 제6항에 있어서, 상기 유-무기 복합염료는 루테늄계(Ru) 복합염료, 오스뮴계(Os) 복합염료, 플레티늄계(Pt) 복합염료, 커퍼계(Cu) 복합염료, 포르피린계 복합염료, 프탈로시아닌계 복합염료 및 이들 2종 이상의 혼합물 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조용 감광성 염료 용액.
  8. 제6항에 있어서, 상기 유기염료는 쿠마린계 유기염료, 인돌린계 유기염료, 카바졸계 유기염료, 트리아릴아민계 유기염료, 퍼릴렌계 유기염료, 헤미시아닌계 유기염료, 스쿠아린계 유기염료 및 이들 2종 이상의 혼합물 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조용 감광성 염료 용액.
  9. 제1항에 있어서, 상기 유기 용매는 에탄올, 아세토니트릴, 테트라하이드로퓨란, 다이메틸클로라이드 및 이들 2종 이상의 혼합물 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조용 감광성 염료 용액.
  10. (C) 제1항에 따른 감광성 염료 용액과 다공성 기판을 접촉시키는 단계를 포함하고,
    상기 다공성 기판은 산화티타늄 박막의 상면에 10 nm 내지 30 μm 두께의 다공질 막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조방법.
  11. (B) 투명 전도성 기판 위에 형성된 산화티타늄 박막의 상면에 다공질 막을 형성하여 다공성 기판을 수득하는 단계,
    (C) 제1항에 따른 감광성 염료 용액과 상기 다공성 기판을 접촉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조방법.
  12. (A) 투명 전도성 기판에 산화티타늄 박막을 형성하여 산화티타늄 박막이 형성된 기판을 수득하는 단계,
    (B) 상기 산화티타늄 박막의 상면에 다공질 막을 형성하여 다공성 기판을 수득하는 단계,
    (C) 제1항에 따른 감광성 염료 용액과 상기 다공성 기판을 접촉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 (A) 단계는 (i) 상기 투명 전도성 기판에 산화티타늄 전구물질을 코팅하고 열처리함으로써 수행되거나, 또는 (ii) 투명 기판의 일면에 전도성 필름을 구비하고 나서, 상기 전도성 필름 상면에 산화티타늄 전구물질을 코팅하고 열처리함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 열처리는 100 내지 600 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조방법.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산화티타늄 박막은 두께가 50 내지 250 nm인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조방법.
  16. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 (B) 단계는 상기 산화티타늄 박막의 상면에 금속 산화물 나노입자를 포함하는 페이스트를 코팅한 후 소성함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 금속 산화물은 주석(Sn) 산화물, 안티몬(Sb) 산화물, 나이오븀(Nb) 산화물, 불소로 도핑된 주석(Sn) 산화물, 인듐(In) 산화물, 주석 도핑된 인듐(In) 산화물, 아연(Zn) 산화물, 알루미늄(Al) 산화물, 붕소(B) 산화물, 갈륨(Ga) 산화물, 수소(H) 산화물, 인듐(In) 산화물, 이트륨(Y) 산화물, 타이타늄(Ti) 산화물, 실리콘(Si) 또는 주석(Sn) 도핑된 아연(Zn) 산화물, 마그네슘(Mg) 산화물, 캐드뮴(Cd) 산화물, 마그네슘아연(MgZn) 산화물, 인듐아연(InZn) 산화물, 구리알루미늄(CuAl) 산화물, 실버(Ag) 산화물, 갈륨(Ga) 산화물, 아연주석 산화물(ZnSnO), 타이타늄 산화물(TiO2), 아연인듐주석(ZIS) 산화물, 니켈(Ni) 산화물, 로듐(Rh) 산화물, 루세늄(Ru) 산화물, 이리듐(Ir) 산화물, 구리(Cu) 산화물, 코발트(Co) 산화물, 텅스텐(W) 산화물, 티타늄(Ti) 산화물, 지르코늄(Zr) 산화물, 스트론튬(Sr) 산화물, 란타넘(La) 산화물, 바나듐(V) 산화물, 몰리브데넘(Mo) 산화물, 나이오븀(Nb) 산화물, 알루미늄(Al) 산화물, 이트늄(Y) 산화물, 스칸듐(Sc) 산화물, 사마륨(Sm) 산화물, 스트론튬타이타늄(SrTi) 산화물 및 이들 2종 이상의 혼합물 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 금속 산화물 나노입자는 10 내지 100 nm의 평균 입경을 가지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조방법.
  19. 제16항에 있어서, 상기 페이스트는 바인더 및 용매를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조방법.
  20. 제16항에 있어서, 상기 소성은 100 내지 600 ℃에서 30 내지 200 분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조방법.
  21. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다공질 막은 두께가 10 nm 내지 30 μm 두께인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조방법.
  22. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 (C) 단계는 (i) 상기 다공성 기판을 상기 감광성 염료 용액에 침지하거나, (ii) 상기 감광성 염료 용액을 상기 다공성 기판에 분무하거나, 또는 (iii) 용액을 상기 다공성 기판에 떨어트림으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 침지는 다공질 막을 30 내지 50 ℃의 감광성 염료 용액에 1 내지 180 분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 광전극 제조방법.
  24. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따라 제조된 염료감응 태양전지의 광전극.
  25. (a) 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따라 제조된 염료감응 태양전지의 광전극,
    (b) 상기 광전극과 서로 마주보도록 대향 배치되며 촉매층이 구비된 상대전극, 및
    (c) 상기 광전극과 상기 상대전극 사이에 충진된 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11681217B2 (en) 2018-11-06 2023-06-20 Samsung Sdi Co., Ltd. Photosensitive resin composition, photosensitive resin layer using the same and color filter

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180079105A (ko) * 2016-12-30 2018-07-10 주식회사 동진쎄미켐 염료감응태양전지
CN107352626A (zh) * 2017-08-09 2017-11-17 上海士诺净化科技有限公司 一种用于废水处理的电极及其制备和应用
US10669642B2 (en) 2017-09-25 2020-06-02 Apple Inc. Using dispersion agents to chemically stabilize dyeing of metal parts
CN108461296B (zh) * 2018-03-07 2024-03-15 南京正春电子科技有限公司 一种用于染料敏化薄膜太阳能电池的改性纳米晶TiO2薄膜及其应用
US11444292B2 (en) * 2018-12-27 2022-09-13 Robert Bosch Gmbh Anticorrosive and conductive material
CN114388273B (zh) * 2022-01-07 2022-10-14 青海大学 一种花青素敏化的P5FIn/ITO纳米复合材料的制备方法及其应用

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110025573A (ko) * 2009-09-04 2011-03-10 한국에너지기술연구원 염료 및 다원자음이온이 흡착된 나노 산화물층을 포함한 음극계 전극을 포함하는 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법
KR101027714B1 (ko) * 2009-09-29 2011-04-12 한국에너지기술연구원 염료 및 리간드가 흡착된 나노 산화물층을 포함한 음극계 전극을 포함하는 염료감응/리간드금속전하전이 하이브리드 태양전지 및 이의 제조방법
KR20120078839A (ko) 2011-01-03 2012-07-11 에스케이하이닉스 주식회사 반도체 메모리 장치 및 이를 이용한 소거방법
KR101207603B1 (ko) * 2010-12-03 2012-12-03 포항공과대학교 산학협력단 염료 감응형 태양전지용 기판의 염료 흡착 방법 및 이를 이용한 태양전지
KR101369731B1 (ko) * 2012-07-19 2014-03-12 한국과학기술연구원 염료감응 태양전지용 염료의 흡착방법, 이를 이용한 광전극 및 염료감응 태양전지

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100090775A (ko) * 2007-10-18 2010-08-17 메르크 파텐트 게엠베하 도전성 조성물
CN104769045B (zh) * 2012-12-28 2018-04-03 株式会社艾迪科 担载体和光电转换元件

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110025573A (ko) * 2009-09-04 2011-03-10 한국에너지기술연구원 염료 및 다원자음이온이 흡착된 나노 산화물층을 포함한 음극계 전극을 포함하는 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법
KR101027714B1 (ko) * 2009-09-29 2011-04-12 한국에너지기술연구원 염료 및 리간드가 흡착된 나노 산화물층을 포함한 음극계 전극을 포함하는 염료감응/리간드금속전하전이 하이브리드 태양전지 및 이의 제조방법
KR101207603B1 (ko) * 2010-12-03 2012-12-03 포항공과대학교 산학협력단 염료 감응형 태양전지용 기판의 염료 흡착 방법 및 이를 이용한 태양전지
KR20120078839A (ko) 2011-01-03 2012-07-11 에스케이하이닉스 주식회사 반도체 메모리 장치 및 이를 이용한 소거방법
KR101369731B1 (ko) * 2012-07-19 2014-03-12 한국과학기술연구원 염료감응 태양전지용 염료의 흡착방법, 이를 이용한 광전극 및 염료감응 태양전지

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ACS Appl. Mater. Interfaces 2013, 5, 5201-5207
Electrochimica Acta Vol 55, Issue 13, 4120-4123, 2010

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11681217B2 (en) 2018-11-06 2023-06-20 Samsung Sdi Co., Ltd. Photosensitive resin composition, photosensitive resin layer using the same and color filter

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