WO2017192022A1 - 집광 장치 패널을 포함하는 염료감응 태양전지 - Google Patents

집광 장치 패널을 포함하는 염료감응 태양전지 Download PDF

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WO2017192022A1
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light
solar cell
sensitized solar
collecting device
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PCT/KR2017/004721
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문준혁
하수진
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서강대학교산학협력단
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    • Y02E10/542—Dye sensitized solar cells

Definitions

  • the present application relates to a dye-sensitized solar cell including a light collecting device panel containing a luminescent dye.
  • solar cells are devices that convert the light energy of the sun into electrical energy.
  • the solar cell is a tool for producing electricity by using solar energy, which is an infinite energy source, and silicon solar cells, which are already widely used in our lives, are typical.
  • dye-sensitized solar cells are being researched as next-generation solar cells.
  • Dye-sensitized solar cells are typically published by Gratzel et al. (See US Patent No. 5,350,644).
  • one of the two electrodes of the dye-sensitized solar cell is a photoelectrode comprising a conductive transparent substrate having a semiconductor oxide layer on which a photosensitive dye is adsorbed, and a space between the two electrodes is filled with an electrolyte.
  • photovoltaic energy is generated by the absorption of solar energy by the photosensitive dye adsorbed to the semiconductor oxide layer of the electrode, and the photoelectrons are conducted through the semiconductor oxide layer to form a conductive transparent substrate having a transparent electrode.
  • the dye which is transferred and loses electrons, is oxidized by the redox pair contained in the electrolyte.
  • the electrons that reach the counter electrode, the opposite electrode through an external wire complete the operation of the solar cell by reducing the oxidation / reduction pair of the oxidized electrolyte again.
  • Korean Patent Application No. 10-2014-0145257 discloses a conductive transparent substrate having a wavelength conversion layer including a single light emitting dye and a dye-sensitized solar cell including the same, but a problem in that photoelectric conversion efficiency is not excellent. have.
  • the present invention is to provide a dye-sensitized solar cell including a light collecting device panel containing a light-emitting dye.
  • a first aspect of the present disclosure provides a dye-sensitized solar cell, comprising:
  • a light collecting device panel disposed between the first transparent substrate and the second transparent substrate and including a polymer film containing a light emitting dye; And a photoelectrode formed in contact with an edge of the light concentrating panel and containing a dye.
  • the dye-sensitized solar cell comprises a light collecting device panel containing a light-emitting dye, so that the light-emitting dye absorbs sunlight to convert the light into a specific wavelength band (for example, visible light region)
  • a specific wavelength band for example, visible light region
  • the light concentrating panel including the light-emitting dye is passed to change the wavelength to the visible light region and then enter the photoelectrode.
  • the combination of the light-emitting dye can adjust the wavelength of the light emitted by the light-emitting dye according to the difference in the relative light-emitting properties of the light-emitting dye, dyes of various structures as needed It can provide advantages that are easy to design.
  • the light-emitting dye contained in the light collecting device panel included in the dye-sensitized solar cell is converted to light of a longer wavelength or shorter wavelength visible
  • the light is emitted, and the emitted light reaches the photoelectrode surrounding the light collecting panel through total reflection at the interface between the light collecting device panel and the air layer, thereby directing light to the photoelectrode in contact with the light collecting panel without losing energy. I can deliver it evenly.
  • the dye-sensitized solar cell is a battery module including a photoelectrode to take a frame shape that surrounds all the edges of the light collecting device panel by the light generated in the light collecting device panel totally reflected the light collecting device It can be efficiently delivered to the photoelectrode in contact with the panel.
  • the amount of light incident per unit area may be increased by arranging the photoelectrodes in contact with the narrow edges of the light converging panel so as to concentrate the light dispersed in the condensing panel on the surface contacting the photoelectrodes.
  • the light collecting device panel and the solar cell may be integrally provided to provide a solar cell in the form of a window.
  • FIG. 1 is a schematic view of a dye-sensitized solar cell including a light collecting device panel in an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a photograph of a light collecting device panel in an embodiment of the present application.
  • 3A and 3B are photographs of a dye-sensitized solar cell including a light collecting device panel in one embodiment of the present application.
  • FIG. 5 is a photograph (a) of a dye-sensitized solar cell including a light collecting device panel and a graph (b) of measuring a current-voltage relationship of the dye-sensitized solar cell in one embodiment of the present application.
  • (A) and (b) are graphs in which light emission intensity is measured according to the type and concentration of light emitting dyes in one embodiment of the present application.
  • step to or “step of” does not mean “step for.”
  • the term "combination of these" included in the expression of the makushi form means one or more mixtures or combinations selected from the group consisting of constituents described in the expression of the makushi form, wherein the constituents It means to include one or more selected from the group consisting of.
  • a first aspect of the present disclosure provides a dye-sensitized solar cell, comprising:
  • a light collecting device panel disposed between the first transparent substrate and the second transparent substrate and including a polymer film containing a light emitting dye; And a photoelectrode formed in contact with an edge of the light concentrating panel and containing a dye.
  • the first transparent substrate and the second transparent substrate may be, each independently comprising a glass or a transparent polymer, but is not limited thereto.
  • the light emitting dye contained in the polymer film is an anthracene-based, pyrene (pyrene), perylene (perylene), fluorene-based light-emitting dyes selected from the group consisting of ; Or a luminescent dye selected from the group consisting of porphyrin-based, benzoporphyrin-based, metal-phthalocyanine-based, polyimine-based, and combinations thereof, but is not limited thereto. It doesn't happen.
  • the light emitting dye may be to convert the wavelength of light incident on the light collecting device panel to emit.
  • the light-emitting dye may be to emit light of the wavelength of the visible region by converting the wavelength of light incident on the light collecting device panel, the light of the emitted visible region is transmitted to the photoelectrode It is absorbed by the dye contained in the photoelectrode to improve the light absorption of the dye-sensitized solar cell can consequently improve the efficiency of the solar cell.
  • the light emitting dye may be present in a dispersion in the matrix of the polymer film, but is not limited thereto.
  • the light emitting dye contained in the polymer film may include one or two or more different light emitting dyes, but is not limited thereto.
  • the light emitting dye contained in the polymer film may be appropriately selected by those skilled in the art from light emitting dyes known in the art, and may have a wavelength conversion characteristic by up-conversion or down-conversion.
  • the light-emitting dye contained in the polymer film has a down-conversion wavelength conversion property, it absorbs ultraviolet rays or the like to emit (light-emitting) light in the visible region by down-conversion wavelength conversion, or A dye that absorbs light in the wavelength range of light (e.g., about 400-500 nm) and emits longer wavelengths (e.g., about 500-650 nm) by down-conversion wavelength conversion.
  • the light emitting dye contained in the polymer film has an up-conversion wavelength conversion characteristic
  • light in the visible region is absorbed (up to two photons) in the infrared region by up-conversion wavelength conversion (one photon).
  • Dye may be included, but is not limited thereto.
  • the down-conversion wavelength conversion light emitting dye may include a light emitting dye selected from the group consisting of anthracene-based, pyrene-based, perylene-based, fluorene-based, and combinations thereof.
  • the up-conversion wavelength converting luminescent dye is selected from the group consisting of porphyrin-based, benzoporphyrin-based, metal-phthalocyanine-based, polyimine-based, and combinations thereof. It may include a light emitting dye, but is not limited thereto.
  • the light emitting dye contained in the polymer film includes one kind of light emitting dye
  • the light emitting dye functions as a down-conversion function
  • the luminescent dye contained in the polymer film may include two or more different luminescent dyes, in which case each of the two or more different luminescent dyes may be in an up-conversion or down-conversion. It may have a wavelength conversion characteristic.
  • the luminescent dye contained in the polymer film includes a first luminescent dye and a second luminescent dye, one of the two dyes serves as a light absorbing dye and the other of the two dyes has a wavelength- Can act as a conversion (up-conversion or down-conversion) dye.
  • the first light-emitting dye has a down-conversion wavelength conversion characteristic, and absorbs ultraviolet rays and the like to emit (emit) light in the visible region by wavelength conversion, or to emit light in the visible region (e.g., it may be a dye that absorbs about 400-500 nm wavelength and emits a longer wavelength of light (eg, about 500-650 nm wavelength), wherein the second luminescent dye absorbs light in the infrared region.
  • the second luminescent dye absorbs light having a wavelength of about 500-650 nm (two photons) to transfer energy of the absorbed light to the first luminescent dye, thereby converting the wavelength of the first luminescent dye to about 400- 500 nm wavelength of light (one photon) But it may include a dye so as to, without being limited thereto.
  • the first light emitting dye may include a light emitting dye selected from the group consisting of anthracene-based, pyrene-based, perylene-based, fluorene-based, and combinations thereof.
  • the second luminescent dye may include a luminescent dye selected from the group consisting of porphyrin-based, benzoporphyrin-based, metal-phthalocyanine-based, polyimine-based, and combinations thereof. May be, but is not limited thereto.
  • the polymer film is ethylene vinyl acetate (EVA), polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl chloride (PVC), polyethylene terephthalate (PET), polyacrylate, polymethyl methacrylate ( PMMA), polyurethane, polycarbonate, polyethylene, polypropylene, polysiloxane, cellulose acetate butyrate (CAB), polyisocyanate, polypropylene oxide, hydroxyethyl acrylate, hydroxyethyl methacrylate, propylene oxide monoacrylate, It may include a rubber compound, or a copolymer thereof, but is not limited thereto.
  • the polymer film may be transparent or transparent and flexible, but is not limited thereto.
  • the light emitted by the light-emitting dye contained in the light collecting device panel, the light is totally reflected at the interface between the light collecting panel and the air may be focused on the corner of the light collecting device panel, It is not limited to this.
  • the photoelectrode is Ti, Cu, Zr, Sr, Zn, In, Ir, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Y, Sc, Sm, Ga, and combinations thereof It may be to include an oxide of the transition metal selected from the group consisting of, but is not limited thereto.
  • the frame is a window frame having a four-sided corner
  • the photoelectrode may be formed on the inner four corners in contact with the light collecting device panel, but is not limited thereto.
  • the dye-sensitized solar cell may be a window type, but is not limited thereto.
  • the dye-sensitized solar cell may be installed in a house, a building, a car, a ship, a roadside guard rail, or a soundproof wall, but is not limited thereto.
  • the light collecting device panel contains the light-emitting dye
  • the light-emitting dye absorbs sunlight and converts it into light of a specific wavelength range, so that the conventional solar cell can not absorb By converting the light into a wavelength capable of absorbing light, there is an effect to improve the photoelectric conversion efficiency characteristics of the solar cell when applying a solar light collecting device.
  • the light is absorbed and emitted by the light-emitting dye contained in the light collecting device panel, the light emitted according to the edge of the light collecting device panel through the interface of the light collecting device panel through total reflection.
  • the light collecting device panel and the frame including the photoelectrode, the electrolyte, the counter electrode may be integrated to provide a solar cell in the form of a window, a transparent light collecting device using glass or transparent polymer, etc.
  • the panel can be used for building windows and windows, as well as building materials of houses, buildings can have an effect that can be applied to a variety of applications in cars, ships, roadside guardrail, or soundproof walls.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a dye-sensitized solar cell including a light collecting device panel 100 according to an embodiment of the present disclosure.
  • Dye-sensitized solar cell according to an embodiment of the present application shown in Figure 1 the polymer film containing the light emitting dyes (130, 140), disposed between the first transparent substrate 110 and the second transparent substrate 120 A light concentrating panel 100 including a 150; And a frame 200 including a dye-containing photoelectrode 210 formed in contact with an edge of the light converging panel 100, but is not limited thereto.
  • the first transparent substrate 110 and the second transparent substrate 120 may include glass or a transparent polymer, but is not limited thereto.
  • the first transparent substrate 110 and the second transparent substrate 120 may be used without particular limitation as long as it is a material having transparency to allow incidence of external light, for example, a glass substrate or a transparent polymer substrate having flexibility. Can be used.
  • a transparent polymer base material which can be used as the said transparent base material, For example, polypropylene (PP), polyimide (PI), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate (PC) , Triacetyl cellulose (TAC), or a copolymer thereof may be used, but is not limited thereto.
  • first transparent substrate 110 and the second transparent substrate 120 may provide a degree of transparency sufficient to allow the incident light to reach the polymer film 150 containing the light emitting dyes 130 and 140.
  • transparent in the description of the present application includes not only the case where the light transmittance of the material is 100% but also the case where the light transmittance is high.
  • the first transparent substrate 110 and the second transparent substrate 120 is a polymer film 150 containing a light emitting dye (130, 140) that can have an amorphous or fluidity
  • the first transparent substrate 110, the polymer film 150 containing the light emitting dyes 130 and 140, and the second transparent substrate 120 are sequentially bonded to each other, Alternatively, the first transparent substrate 110 and the second transparent substrate 120 may be installed, and the polymer film 150 containing the light emitting dyes 130 and 140 may be injected, but is not limited thereto.
  • the first transparent substrate 110 and the second transparent substrate 120 may be encapsulated to correspond to the partition wall.
  • the first transparent substrate 110 and the second transparent substrate 120 may be disposed at regular intervals so that the light concentrating panel 100 may maintain shape and have a predetermined thickness.
  • the first transparent substrate 110 and the second transparent substrate 120 has a transparency so as to have an easy incidence of external light and at the same time contains the light emitting dyes (130, 140)
  • the light generated in the polymer film 150 may have a predetermined refractive index such that total reflection occurs at an interface between the first transparent substrate 110 and the second transparent substrate 120 and air, but is not limited thereto. It is not.
  • the light emitting dyes 130 and 140 contained in the polymer film 150 is an anthracene-based, pyrene-based, perylene-based, fluorene-based and combinations thereof
  • the light emitting dyes 130 and 140 contained in the polymer film 150 may include one type or two or more types of different light emitting dyes, but are not limited thereto.
  • quantum dot-organic dyes such as quantum dots (non-limiting examples: CdS, PbS, etc.) / Rubrene, Or inorganic up-conversion particles such as NaYF 4 : Yb, Tm may be used, but is not limited thereto.
  • the light emitting dyes 130 and 140 may be emitted by converting the wavelength of the light incident on the light collecting device panel 100, but is not limited thereto.
  • 9,10-bis (phenylethynyl) anthracene [9,10-bis (phenylethynyl) anthracene, BPEA], palladium (meso-tetraphenyl-tetrabenzoporphyrin), PdTPBP], 5,12-bis (phenylethynyl) naphthacene [5,12-bis (phenylethynyl) naphthacene], 9,10-diphenylanthracene [9,10-diphenylanthracene] and combinations thereof
  • the light emitting dye may be selected, but is not limited thereto.
  • BPEA 9,10-bis (phenylethynyl) anthracene
  • the luminescent dye is green fluorescence
  • 5,12-bis (phenylethynyl) naphthacene is orange fluorescence
  • 9,10-diphenyl Anthracene may be to emit blue fluorescence, but is not limited thereto.
  • BPEA is an electron-rich anthracene molecular moiety and an electron-receiving moiety, which corresponds to a typical intramolecular charge transport compound, where the emitted light emits light corresponding to a wavelength of about 520 nm. It can exhibit high fluorescent quantum efficiency.
  • the light emitting dyes 130 and 140 convert wavelengths by down-conversion and / or up-conversion (up-conversion), so that the dyes included in the photoelectrode can absorb wavelengths.
  • up-conversion may occur in which the luminescent dye emits blue light.
  • red light has a longer wavelength and lower energy than blue light.
  • up-conversion may occur because the energy level of the emitted light rises.
  • the light emitting dyes 130 and 140 include a combination of two different light emitting dyes to generate both down-conversion and up-conversion so that the dye contained in the photoelectrode is absorbed.
  • the efficiency of the solar cell can be improved by further increasing the amount of emitted light or the emitted light intensity in the wavelength range.
  • the luminescent dyes 130 and 140 include a first luminescent dye and a second luminescent dye, wherein the first luminescent dye has a wavelength longer than the wavelength of light absorbed through wavelength conversion of down-conversion.
  • the light absorbed by the second light-emitting dye eg, the second light-emitting dye absorbs light in a longer wavelength range than the light absorbed by the first light-emitting dye, thereby allowing the first light to be absorbed.
  • the second luminescent dye absorbs light in a longer wavelength range than the light absorbed by the first light-emitting dye, thereby allowing the first light to be absorbed.
  • the second luminescent dye absorbs light in a longer wavelength range than the light absorbed by the first light-emitting dye, thereby allowing the first light to be absorbed.
  • the second luminescent dye absorbs light in a longer wavelength range than the light absorbed by the first light-emitting dye, thereby allowing the first light to be absorbed.
  • the second luminescent dye absorbs light in a longer wavelength range than the light absorbed by the first light-emitting dye, thereby allowing the first light to be absorbed.
  • the second luminescent dye absorbs light in a longer wavelength range
  • the BPEA when it comprises a luminescent dye of a combination of BPEA and PdTPBP, by the down conversion by the BPEA luminescent dye, the BPEA absorbs about 470 nm of light to emit light of about 520 nm, In addition, the PdTPBP absorbs light at a wavelength of about 630 nm, and the energy of the absorbed light is transferred to the BPEA luminescent dye present in proximity to the PdTPBP to allow the BPEA luminescent dye to emit light of about 520 nm.
  • Light emission (in this case, corresponding to light emission by wavelength conversion by up-conversion by PdTPBP / BPEA dye combination) is further generated, and the light emission is transferred to and absorbed by the dye of the photoelectrode to improve solar cell photoelectric conversion efficiency. Can be improved.
  • the light emitting dyes 130 and 140 dispersed in the polymer film 150 have the properties of absorbance and light emission, respectively, and may exist in a conjugated form in the polymer film 150.
  • the dyes are present at the same time, depending on the relative properties of the dyes, respectively, the absorption properties are relatively strong, the role of light-absorbing dyes, if the properties of light emission is strong as a light-emitting dye, absorbing dye absorbs incident light, The dye may emit light / fluoresce by converting the incident light into light of a specific wavelength band, but is not limited thereto.
  • the dye contained in the photoelectrode of the dye-sensitized solar cell is absorbed according to the absorption and luminescence action.
  • the wavelength By converting the wavelength into light of the possible wavelength band, it is possible to have an effect of increasing the efficiency of the solar cell.
  • the light emitting dyes 130 and 140 may be present dispersed in the matrix of the polymer film 150, but is not limited thereto. As described above, the light emitting dyes 130 and 140 are preferably present in close proximity to each other to perform a relative absorption and emission role or a relative emission and absorption role.
  • the polymer film 150 is ethylene vinyl acetate (EVA), polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl chloride (PVC), polyethylene terephthalate (PET), polyacrylate, polymethyl meta Acrylate (PMMA), polyurethane, polycarbonate, polyethylene, polypropylene, polysiloxane, cellulose acetate butyrate (CAB), polyisocyanate, polypropylene oxide, hydroxyethyl acrylate, hydroxyethyl methacrylate, propylene oxide mono It may be one containing an acrylate, a rubber compound, or a copolymer thereof, but is not limited thereto.
  • EVA ethylene vinyl acetate
  • PVA polyvinyl alcohol
  • PVC polyvinyl chloride
  • PET polyethylene terephthalate
  • PMMA polyacrylate
  • PMMA polymethyl meta Acrylate
  • polyurethane polycarbonate
  • polyethylene polypropylene
  • polysiloxane polysiloxane
  • the polymer film 150 contains a mixture of the light emitting dyes 130 and 140 and may function as a matrix serving as a support of the light emitting dyes 130 and 140, but is not limited thereto.
  • the polymer film 150 may have light transmittance, and may be used without limitation as long as the polymer film 150 has a transmittance such that the incident light can be easily transmitted and absorbed by the light emitting dyes 130 and 140.
  • the polymer film containing or dispersed in the light-emitting dye may be prepared by mixing and drying the solution containing the light-emitting dye and the solution containing the polymer to remove the solvent, but It is not limited.
  • the solvent contained in each of the solution containing the luminescent dye and the solution containing the polymer may be appropriately selected and used by those skilled in the art from the luminescent dye and known solvents capable of dissolving the polymer.
  • the solvent included in each of the solution containing the light emitting dye and the solution containing the polymer may include an aqueous solvent or an organic solvent independently of each other.
  • the aqueous solvent may include water or alcohols
  • the organic solvent may include, but is not limited to, chloroform, ether, benzene, xylene, ketones, or aldehydes.
  • the concentration of the light-emitting dye in the solution containing the light-emitting dye By adjusting the concentration of the light-emitting dye in the solution containing the light-emitting dye, the content of the light-emitting dye included in the polymer film can be controlled, and thus the light emission intensity can be controlled. For example, in order to achieve the optimum efficiency of the dye-sensitized solar cell, by adjusting the concentration of the light-emitting dye in the solution containing the light-emitting dye, by determining the optimum content of each light-emitting dye contained in the polymer film It is possible to optimize the light emission intensity of the light-emitting dye.
  • the light emission intensity may be adjusted by controlling the ratio of the light-emitting dyes, and the molar ratio of the light-emitting dyes may be, for example, light-emitting dyes having a light absorption function: Light emitting dyes having a wavelength-conversion function may be controlled at a molar ratio of about 1: 100 to 1:10, but are not limited thereto.
  • the light transmitted through the light collecting device panel 100 and absorbed and emitted by the light emitting dyes 130 and 140 is emitted by converting the wavelength of incident light, and the emitted light is
  • the total reflection occurs at the interface between the first transparent substrate 110 and the second transparent substrate 120 and the air of the light concentrator panel 100 due to the difference in refractive index between the transparent substrates and the air layer to surround the light concentrator panel 100. It may be to be transmitted and condensed to the corner, but is not limited thereto.
  • the incident light is light energy until it is emitted to the exit surface which is in contact with the photoelectrode 210 of the frame 200 It can provide the effect that can deliver without loss.
  • the photoelectrode 210 is Ti, Cu, Zr, Sr, Zn, In, Ir, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Y, Sc, Sm, Ga, and It may include an oxide of the transition metal selected from the group consisting of combinations thereof, but is not limited thereto.
  • the photoelectrode 210 may be prepared by applying a conductive transparent metal oxide on a conductive transparent substrate, but is not limited thereto.
  • the conductive transparent substrate can use those known in the art without particular limitation.
  • the conductive transparent substrate may be manufactured by depositing a conductive transparent electrode including a conductive transparent oxide or a metal on the transparent substrate, but is not limited thereto.
  • any material having transparency to allow incidence of external light may be used without particular limitation, and for example, a glass substrate or a transparent polymer substrate having flexibility may be used.
  • a transparent polymer base material which can be used as the said transparent base material
  • PP polypropylene
  • PI polyimide
  • PET polyethylene terephthalate
  • PEN polyethylene naphthalate
  • PC polycarbonate
  • TAC Triacetyl cellulose
  • a copolymer thereof may be used, but is not limited thereto.
  • the conductive transparent metal oxide is, indium tin oxide (ITO), fluorine tin oxide (FTO), antimony tin oxide (ATO), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ), ZnO-Ga 2 O 3 , ZnO It may be formed to include a conductive metal oxide selected from the group consisting of -Al 2 O 3 , SnO 2 -Sb 2 O 3 , and mixtures thereof.
  • the conductive transparent electrode may include tin oxide (SnO 2 ) having excellent conductivity, transparency, and heat resistance, or indium tin oxide (ITO) which is inexpensive in terms of cost, but is not limited thereto.
  • the conductive transparent substrate 100 is intended to be used as a hierarchical porous photoelectrode by transmitting light such as sunlight and entering the inside.
  • the photoelectrode 210 may be formed using the nanoparticles of the metal oxide, for example, semiconducting metal oxide as described above, but is not limited thereto.
  • dispersing the nanoparticles of the metal oxide in a suitable solvent and, if necessary, adding a dispersant to apply a dispersion containing the nanoparticles on a conductive transparent substrate to dry to prepare a photoelectrode comprising a porous metal oxide structure. can do.
  • a photoelectrode including a porous metal oxide structure may be prepared by coating and drying a dispersion containing the metal oxide, which is not in the form of nanoparticles, on a conductive transparent substrate, but is not limited thereto.
  • the coating method is not particularly limited, but spin coating, dip coating, doctor blade method, etc. may be used, but is not limited thereto. Thereafter, a solution containing a suitable dye may be coated to adsorb the dye onto the porous metal oxide structure, thereby completing a dye-sensitized solar cell photoelectrode.
  • the frame is a window frame having a four-sided corner
  • the photoelectrode 210 may be formed on the inner four corners in contact with the light collecting device panel, but is not limited thereto. no.
  • the photoelectrode 210 may be surrounded by the counter electrode 230, and an electrolyte 220 may be filled between the photoelectrode 210 and the counter electrode 230.
  • the present invention is not limited thereto.
  • the porous metal oxide structure may be immersed in a solution containing the photosensitive dye to coat the photosensitive dye by adsorbing on the inner and outer surfaces of the porous metal oxide structure.
  • the photosensitive dye may be used without particular limitation that is known in the art, for example, aluminum (Al), platinum (Pt), palladium (Pd), europium (Eu), lead (Pb), iridium (Ir) Or, it may be used a dye in the form of a complex of a metal containing ruthenium (Ru), but is not limited thereto.
  • ruthenium (Ru) can form many organometallic composites as an element belonging to the platinum group, and photosensitive dyes containing ruthenium (Ru) are often used.
  • many types of Ru (etcbpy) 2 (NCS) 2 CH 3 CN are used.
  • etc means (COOEt) 2 or (COOH) 2 .
  • dyes including organic dyes may also be used.
  • organic dyes include rhodamine, riboflavin, triphenylmethane, coumarin, and porphyrin.
  • xanthine They can be used alone or in combination with a ruthenium (Ru) composite to improve the absorption of long wavelengths of visible light, thereby further improving the photoelectric conversion efficiency.
  • ruthenium (Ru) composite When light is incident on and absorbed by the photosensitive dye, photoelectrons are generated, and the photoelectrons are transferred to the conductive transparent substrate through the metal oxide structure as a passage.
  • a solution containing a suitable dye may be coated to adsorb the dye onto the porous metal oxide structure, thereby completing a dye-sensitized solar cell photoelectrode.
  • the porous metal oxide structure may be immersed in a solution containing the photosensitive dye to coat the photosensitive dye on the inner and outer surfaces of the porous metal oxide structure, for example, the pore surface.
  • the photosensitive dye may be used without particular limitation that is known in the art, for example, aluminum (Al), platinum (Pt), palladium (Pd), europium (Eu), lead (Pb), iridium (Ir) Or, it may be used a dye in the form of a complex of a metal containing ruthenium (Ru), but is not limited thereto.
  • ruthenium (Ru) can form many organometallic composites as an element belonging to the platinum group, and photosensitive dyes containing ruthenium (Ru) are often used.
  • Ru (etcbpy) 2 (NCS) 2 CH 3 CN are used.
  • etc is a reactor capable of bonding with a porous membrane such as (COOEt) 2 or (COOH) 2 as the surface of the porous metal oxide structure.
  • dyes including organic dyes may also be used. Examples of such organic dyes include rhodamine, riboflavin, triphenylmethane, coumarin, and porphyrin. ) And xanthine. They can be used alone or in combination with a ruthenium (Ru) composite to improve the absorption of long wavelengths of visible light, thereby further improving the photoelectric conversion efficiency.
  • Ru ruthenium
  • the counter electrode 230 included in the dye-sensitized solar cell will be described in more detail.
  • the counter electrode 230 of the photoelectrode is disposed in parallel with the conductive transparent substrate, the transparent electrode is formed on a substrate such as glass, and the platinum layer is formed.
  • the conductive transparent substrate may be formed by coating or depositing a conductive transparent electrode on the transparent substrate, similarly to the conductive transparent substrate used for the photoelectrode.
  • the transparent substrate any material having transparency to allow incidence of external light may be used without particular limitation, and for example, a glass substrate or a transparent polymer substrate may be used.
  • the material of the transparent polymer substrate for example, polypropylene (PP), polyimide (PI), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate (PC), triacetyl cellulose (TAC) ), Or copolymers thereof, but are not limited thereto.
  • the conductive transparent electrode formed on the transparent substrate indium tin oxide (ITO), fluorine tin oxide (FTO), antimony tin oxide (ATO), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ), ZnO-Ga 2 O 3 , ZnO-Al 2 O 3 , SnO 2 -Sb 2 O 3 , and mixtures thereof, and conductive metal oxides selected from the group consisting of, for example, conductivity, transparency, and heat resistance It may include, but is not limited to, superior tin oxide (SnO 2 ), or inexpensive indium tin oxide (ITO).
  • the reason for employing the conductive transparent substrate is to allow the sunlight to penetrate into the inside.
  • the meaning of the word "transparent" in the specification explaining this application includes both the case where the light transmittance of a material is high as well as the case where the light transmittance is high.
  • the conductive layer included in the counter electrode serves to activate the redox couple, platinum (Pt), gold (Au), ruthenium (Ru), palladium (Pd), rhodium ( Rh), iridium (Ir), osmium (Os), carbon (C), tungsten oxide (WO 3 ), titanium dioxide (TiO 2 ), or a conductive material, such as a conductive polymer may be included, but is not limited thereto. Since the conductive layer formed on one surface of the counter electrode has higher reflectance efficiency, it is preferable to select a material having high reflectance.
  • the electrolyte-containing layer 220 included in the dye-sensitized solar cell will be described in more detail.
  • a liquid-containing electrolyte (electrolyte), a solid polymer electrolyte, or a gel polymer electrolyte is injected between the photoelectrode 210 and the counter electrode 230 to form an electrolyte-containing layer 220.
  • the electrolyte includes, for example, iodide, and serves to transfer electrons received to dye molecules that have lost electrons by receiving them from the counter electrode by oxidation and reduction.
  • the electrolyte may be uniformly dispersed in the pores of the photoelectrode.
  • the electrolyte may be composed of an electrolyte, and the electrolyte may include a material that receives electrons from a counter electrode by oxidation and reduction and transfers them to dye molecules as an iodide / triodide pair. May be, but is not limited thereto.
  • a solution in which iodine (I 2 ) is dissolved in acetonitrile (ACN) may be used as the electrolyte.
  • ACN acetonitrile
  • the electrolyte is not limited thereto, and any electrolyte may be used without particular limitation.
  • the electrolyte about 0.7 M 1-butyl-3-methylimidazolium iodide (1-butyl-3-methylimidazolium iodide, BMII), about 0.03 M iodine (I 2 ), about 0.1 M sphere Andium thiocyanate (GSCN) and about 0.5 M 4-tert-butylpyridine (4-TBP) were mixed with acetonitrile (ACN) and valenonitrile (VN) (volume ratio). 85:15), but is not limited thereto.
  • a seal may be formed at the edge of the photoelectrode 210 and the counter electrode 230.
  • the seal includes a thermoplastic polymer material, and may be cured by heat or ultraviolet rays, but is not limited thereto.
  • the sealing part may include an epoxy resin, but is not limited thereto.
  • a tens of micrometer-thick polymer film may be sandwiched between the photoelectrode and the counter electrode as a seal to maintain a gap.
  • electrolytes that can be used in dye-sensitized solar cells can be classified into liquid electrolytes, gel electrolytes, and solid electrolytes according to their properties.
  • the solar cells are manufactured using the liquid electrolyte described above, energy conversion efficiency is increased.
  • the solvent contained in the liquid electrolyte is leaked or volatilized according to the increase in the external temperature and the sealing state of the solar cell has a disadvantage that the life of the solar cell can be reduced.
  • the electrolyte used in the dye-sensitized solar cell may include, but is not limited to, one selected from the group consisting of a solid polymer electrolyte, a gel polymer electrolyte, and combinations thereof.
  • the gel electrolyte may include, for example, an iodine-based oxidation / reduction pair (I 3 ⁇ / I ⁇ ), a low volatility organic solvent, and a polymer material, but is not limited thereto. It is not.
  • the iodide salt for forming the iodine-based oxidation / reduction pair may include n-methylimidazolium iodine, n-ethylimidazolium iodine, 1-benzyl-2-methylimidazolium iodine, 1-ethyl 3-methylimidazolium iodine, 1-butyl-3-methylimidazolium iodine, 1-methyl-3-propylimidazolium iodine, 1-methyl-3-isopropylimidazolium iodine, 1-methyl- 3-butylimidazolium iodine, 1-methyl-3-isobutylimidazolium iodine, 1-methyl-3-s-butylimidazolium iodine, 1-methyl-3-pentylimidazolium iodine, 1-methyl 3-isopentylimidazolium iodine, 1-methyl-3-methylimi
  • the low volatility organic solvent is selected from the group consisting of methoxypropionitrile, ethylene carbonate, propylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, gamma-butyrolactone, dimethylformamide, and combinations thereof. It may include, but is not limited to.
  • the polymer material may be for preparing a gel electrolyte by gelling a liquid electrolyte, but is not limited thereto.
  • the polymer material is a conductive polymer, which is capable of electron transfer like a conventional liquid electrolyte, and can solve the leakage and volatilization problem, which is one of the disadvantages of the dye-sensitized solar cell including the liquid electrolyte, but is not limited thereto. It is not.
  • the polymer material included in the gel electrolyte may include one selected from the group consisting of polyethylene oxide (PEO), polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP), and combinations thereof. It may be, but is not limited thereto.
  • the ratio of the iodide salt and the polymer material to form the iodine-based oxidation / reduction pair may be about 1: 1 to about 1: 3 by weight, but is not limited thereto. .
  • an electrolyte between the photoelectrode and the platinum-coated electrode, and is also located inside the pores of the photoelectrode.
  • the electrolyte may be a liquid electrolyte having an iodine-based redox pair.
  • lithium iodide about 0.03 M iodine, about 0.7 M 1-butyl-3-methylimidazolium iodide (1-butyl-3-methylimidazolium iodide, BMII), about 0.1 M guanidinium thiocyanate (GSCN), and about 0.5 M 4-tert-butylpyridine (TBP) were added to acetonitrile (ACN) and valeronitrile (VN). It may be used after dissolving, and may be used about 60 ⁇ m of thickness (surlyn) to prevent the electrolyte solution from leaking, but is not limited thereto.
  • ACN acetonitrile
  • VN valeronitrile
  • the dye-sensitized solar cell may be a window type, but is not limited thereto.
  • the light collecting device panel is used for the transparent portion of the window, it is possible to use it for building windows that require transparency since light can be obtained. By using this it is possible to operate the solar cell without additional equipment through the sunlight incident on the window, there is an effect that can provide a high efficiency solar cell with a simple device.
  • the dye-sensitized solar cell may be installed in a house, a building, a car, a ship, a roadside guardrail or a soundproof wall, but is not limited thereto.
  • a dye-sensitized solar cell including the light collecting device panel of this example was manufactured as follows. First, 9,10-bis (phenylethynyl) anthracene (BPEA) as the first luminescent dye and palladium (meso-tetraphenyl-tetrabenzoporphyrin) (PdTPBP) as the second luminescent dye are dispersed in chloroform. To this, it was added to the polyurethane solution and mixed. Thereafter, the polyurethane solution mixed with BPEA and PdTPBP was vortexed at room temperature, and then rotary-evaporated at 40 ° C. to evaporate chloroform. Thereafter, the solution of the chloroform evaporated was dropped into two glass transparent substrates, and then cured overnight to prepare a light collecting device panel.
  • BPEA 9,10-bis (phenylethynyl) anthracene
  • PdTPBP palladium (meso-tetraphenyl-tetrabenzop
  • the light concentrating panel manufactured as described above was contacted with photoelectrodes at four corners of a frame having TiO 2 photoelectrodes (including D205 dye) formed at four inner corners thereof, and then fixed using a tape.
  • a dye-sensitized solar cell including a light collecting device panel was manufactured by placing the light emitted from the device panel in close contact with the four photoelectrodes at the same time so as to absorb the light electrode well.
  • the luminescent dyes used in the above solar light collecting panel were 9,10-bis (phenylethynyl) anthracene (BPEA) and palladium (meso-tetraphenyl-tetrabenzoporphyrin (PdTPBP), and these two luminescent dyes were respectively absorbed,
  • BPEA phenylethynyl anthracene
  • PdTPBP palladium (meso-tetraphenyl-tetrabenzoporphyrin
  • FIGS. 2 and 3 Photographs of the fabricated concentrator panel and the dye-sensitized solar cell including the concentrator panel are shown in FIGS. 2 and 3, respectively.
  • the BPEA absorbed light of 470 nm by down-conversion (wavelength conversion to low frequency) by the BPEA luminescent dye. Emitted light of the light, which was transferred to and absorbed by the dye D205 of the photoelectrode, resulting in an efficiency of 1.3%.
  • the light emission by the wavelength conversion from 470 nm to 520 nm occurs by the down conversion by the BPEA luminescent dye, and also, the PdTPBP
  • the energy of the absorbed light is transferred to the BPEA emitting dye present in proximity to PdTPBP, thereby emitting light of 520 nm by the BPEA emitting dye.
  • the window solar cell according to an embodiment of the present application can not only improve the photoelectric conversion efficiency compared to using the comparative example by utilizing a solar light collecting device panel, but also an electrode material required in the solar cell manufacturing process And it is expected to reduce the cost of the substrate.
  • a dye-sensitized solar cell including a light collecting panel as shown in the photograph of Figure 5 (a) was prepared.
  • the light concentrating device includes a polyurethane polymer film including a BPEA light emitting dye which is a down-conversion light emitting dye, and comprises the polymer film and a glass panel covering the polymer film.
  • Four dye-sensitized solar cells are connected to the corners of the light collecting device, and finally, a dye-sensitized solar cell including a light collecting device panel may be implemented.
  • the solar cell efficiency was measured as 9.1% as shown in the graph of FIG.
  • the dye-sensitized solar cell including the light concentrator panel was manufactured by changing the type and concentration of the light-emitting dye.
  • the light collecting device includes BPEA and PdTPBP, respectively, and was prepared using various concentrations by changing their respective concentrations, and the luminous efficiency of the light-emitting dye was measured at each concentration, and the results are shown in FIG. 6.
  • each of the light emitting dyes BPEA and PdTPBP was dispersed in a chloroform solvent to prepare a light emitting dye solution, and the solution was mixed with the polyurethane solution, and then the solvent was evaporated using a rotary evaporator.
  • a polymer film in which a light emitting dye is uniformly dispersed is manufactured, and the luminous efficiency of each of the light emitting dyes may vary according to the concentration of the light emitting dye contained in the polymer film.
  • the polyurethane film the matrix
  • the polyurethane film had the highest luminous efficiency when 5.5 mM of BPEA and 0.11 mM of PdTPBP were included.
  • FIG. 6A illustrates a case in which only the BPEA is included in the polymer film, and the concentration of the light emitting dye is optimized.
  • FIG. 6B further includes a PdTPBP dye in the polymer film including the optimized BPEA concentration in FIG. 6A. The concentration of the dye is optimized.
  • the polyurethane film (the matrix) had the highest luminous efficiency when 5.5 mM of BPEA and 0.11 mM of PdTPBP were included. That is, when BPEA contained 5.5 mM and PdTPBP contained 0.11 mM, the intensity of the up-converted divergent light was the highest.

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Abstract

제 1 투명 기판과 제 2 투명 기판의 사이에 배치되며, 발광 염료가 함유된 고분자 필름을 포함하는 집광 장치 패널; 및 상기 집광 장치 패널의 모서리에 접촉되어 형성되는, 염료가 함유된 광전극을 포함하는 프레임을 포함하는, 염료감응 태양전지에 관한 것이다.

Description

집광 장치 패널을 포함하는 염료감응 태양전지
본원은, 발광 염료를 함유하는 집광 장치 패널이 포함된 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
일반적으로 태양전지는 태양의 빛 에너지를 전기에너지로 변환시키는 소자이다. 태양전지는 무한한 에너지원인 태양광을 이용해 전기를 생산하는 도구로서, 이미 우리 생활에 널리 이용되고 있는 실리콘 태양전지가 대표적이며, 최근 차세대 태양전지로서 염료감응 태양전지가 연구되고 있다.
염료감응 태양전지는 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의하여 발표된 것이 대표적이다(미국등록특허 제 5,350,644 호 참조). 구조적인 측면에서, 염료감응 태양전지의 2개의 전극 중 하나의 전극은 감광성 염료가 흡착되어 있는 반도체 산화물 층이 형성된 전도성 투명 기재를 포함하는 광전극이며, 두 전극 사이의 공간에는 전해질이 채워져 있다.
염료감응 태양전지의 작동 원리를 살펴보면, 태양에너지가 전극의 반도체 산화물 층에 흡착된 감광성 염료에 의해 흡수됨으로써 광전자가 발생하며, 상기 광전자는 반도체 산화물 층을 통해 전도되어 투명 전극이 형성된 전도성 투명 기재에 전달되고, 전자를 잃어 산화된 염료는 전해질에 포함된 산화·환원 쌍에 의해 환원된다. 한편, 외부 전선을 통하여 반대편 전극인 상대전극에 도달한 전자는 산화된 전해질의 산화·환원 쌍을 다시 환원시킴으로써 태양전지의 작동 과정을 완성한다.
대한민국 특허출원 제10-2014-0145257호에서는, 단일의 발광염료를 포함하는 파장변환층을 구비한 전도성 투명 기판 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지를 개시하고 있으나, 광전 변환 효율이 우수하지 못한 문제점이 있다.
본원은, 발광 염료를 함유하는 집광 장치 패널이 포함된 염료감응 태양전지를 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 하기를 포함하는, 염료감응 태양전지를 제공한다:
제 1 투명 기판과 제 2 투명 기판의 사이에 배치되며, 발광 염료가 함유된 고분자 필름을 포함하는, 집광 장치 패널; 및 상기 집광 장치 패널의 모서리에 접촉되어 형성되며, 염료가 함유된 광전극을 포함하는 프레임.
본원의 일 구현예에 있어서, 염료감응 태양전지는 발광 염료를 함유하는 집광 장치 패널을 포함함으로써, 상기 발광 염료가 태양광을 흡수함으로써 특정 파장대(예를 들어, 가시광선 영역)의 빛으로 변환하여 방출하므로 기존의 태양전지가 흡수할 수 없던 파장의 빛을 태양전지가 흡수할 수 있는 파장의 빛으로 변환시켜, 태양광 집광 장치 적용 시 태양전지의 광전 변환 효율 특성을 향상시킬 수 있다.
기존의 염료감응 태양전지는 일반적으로 가시광선을 흡수하여 광전자를 생성하는데, 태양광은 가시광선뿐만 아니라 자외선, 적외선 또한 포함하고 있으며, 특히 자외선의 경우 태양전지의 내구력 등 장기성능을 저하시키는 문제점이 있었다. 또한, 이러한 자외선을 차단하기 위하여 태양전지를 제조할 때 자외선 차단 필름을 사용하여 자외선만 선택적으로 차단하는 기술이 채용되었으나, 이는 가시광선의 투과성에 악영향을 미치는 문제와 추가 설비제조로 인한 제조 원가가 상승하는 문제점이 있었다. 따라서, 본원의 일 구현예에 있어서, 염료감응 태양전지의 광전극에 태양광이 직접 입사되기 전에 발광염료가 포함된 집광 장치 패널을 통과시켜 파장을 가시광선 영역으로 변화시킨 후 광전극에 입사되도록 함으로써, 염료감응 태양전지가 사용할 수 있는 광파장의 범위를 확대하여 광전 변환 효율을 상승시킴과 동시에 태양전지의 수명을 향상시키는 효과를 제공할 수 있다.
또한, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 발광 염료의 조합을 적절히 조절함으로써 발광 염료의 상대적 발광특성의 차이에 따라 발광 염료가 발광하는 빛의 파장을 조절할 수 있어, 필요에 따라 다양한 구조의 염료를 디자인하기 용이한 장점을 제공할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 염료감응 태양전지에 포함된 집광 장치 패널에 함유된 발광 염료에 의하여 상기 집광 장치 패널로 입사된 빛을 흡수하여 더 긴 파장 또는 더 짧은 파장의 빛으로 전환하여 가시광선을 방출시키고, 이때 방출되는 빛은 상기 집광 장치 패널과 공기층의 계면에서 전반사를 통해 집광 패널을 감싸고 있는 광전극으로 도달하게 함으로써 에너지의 손실 없이 빛을 상기 집광 장치 패널과 접촉하고 있는 광전극으로 고루 전달할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 염료감응 태양전지는 광전극을 포함하는 전지 모듈이 상기 집광 장치 패널의 모서리를 모두 감싸는 프레임 형상을 택함으로써 상기 집광 장치 패널에서 발생하여 전반사된 빛이 상기 집광 장치 패널과 접촉하고 있는 광전극으로 효율적으로 전달되도록 할 수 있다. 특히, 상기 집광 장치 패널의 좁은 모서리에 광전극을 접하도록 배치하여 집광 장치 패널에서 분산된 빛을 상기 광전극과 접하는 면에 집중시킴으로써 단위 면적당 입사되는 빛의 양을 증가시킬 수 있다.
또한, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 집광 장치 패널 및 상기 태양전지가 일체형으로 이루어짐으로써 창문 형태의 태양전지를 제공할 수 있다. 뿐만 아니라, 유리, 플라스틱 등을 사용한 투명한 집광 장치 패널을 포함함으로써 채광이 가능하므로 투명성을 요하는 건물 창호에 이용할 수 있어 주택, 건물의 건축자재는 물론, 자동차, 선박, 도로변 가드레일, 또는 방음벽에 다양하게 응용이 가능한 효과를 가질 수 있다.
도 1은, 본원의 일 구현예에 있어서, 집광 장치 패널을 포함하는 염료감응 태양전지의 개략도이다.
도 2 는, 본원의 일 실시예에 있어서, 집광 장치 패널의 사진이다.
도 3의 (a) 및 (b)는, 본원의 일 실시예에 있어서, 집광 장치 패널을 포함하는 염료감응 태양전지의 사진이다.
도 4 는, 본원의 일 실시예에 있어서, 염료감응 태양전지의 전류-전압 관계를 측정한 그래프이다.
도 5 는, 본원의 일 실시예에 있어서, 집광 장치 패널을 포함하는 염료감응 태양전지의 사진 (a), 및 상기 염료감응 태양전지의 전류-전압 관계를 측정한 그래프 (b) 이다.
도 6은 (a) 및 (b)는, 본원의 일 실시예에 있어서, 발광 염료의 종류 및 농도에 따른 발광 강도를 측정한 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결" 되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결" 되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원의 제 1 측면은, 하기를 포함하는, 염료감응 태양전지를 제공한다:
제 1 투명 기판과 제 2 투명 기판의 사이에 배치되며, 발광 염료가 함유된 고분자 필름을 포함하는, 집광 장치 패널; 및 상기 집광 장치 패널의 모서리에 접촉되어 형성되며, 염료가 함유된 광전극을 포함하는 프레임.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 투명 기판 및 상기 제 2 투명 기판은, 각각 독립적으로 유리 또는 투명 고분자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고분자 필름에 함유된 발광 염료는 안트라센계, 파이렌(pyrene)계, 페릴렌(perylene)계, 플루오렌계 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 발광 염료; 또는 포르피린(porphyrin)계, 벤조포르피린(benzoporphyrin)계, 금속 프탈로시아닌(metal-phthalocyanine)계, 폴리이민(polyimine)계, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 발광 염료를 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 발광 염료는 상기 집광 장치 패널에 입사된 빛의 파장을 변환하여 방출하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 발광 염료는 상기 집광 장치 패널에 입사된 빛의 파장을 변환하여 가시광선 영역의 파장의 빛을 방출하는 것일 수 있으며, 이러한 방출된 가시광선 영역의 빛은 상기 광전극에 전달되어 상기 광전극에 포함된 염료에 의하여 흡수되어 염료감응 태양전지의 광흡수를 향상시켜 결과적으로 상기 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 발광 염료는 상기 고분자 필름의 매트릭스에 분산되어 존재하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고분자 필름에 함유된 발광 염료는 1 종류 또는 2 종류 이상의 상이한 발광 염료를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 고분자 필름에 함유된 발광 염료는 본 기술 분야에 공지된 발광 염료들로부터 통상의 기술자가 적절히 선택할 수 있으며, 업-컨버젼 또는 다운-컨버젼에 의한 파장 변환 특성을 가지는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자 필름에 함유된 발광 염료가 다운-컨버젼 파장 변환 특성을 갖는 것인 경우, 자외선 등을 흡수하여 다운-컨버젼 파장 변환에 의하여 가시광선 영역의 빛을 방출(발광)하거나, 가시광선 영역의 파장의 빛(예를 들어, 약 400-500 nm 파장)을 흡수하여 다운-컨버젼 파장 변환에 의하여 더 긴 파장의 빛(예를 들어, 약 500-650 nm 파장)을 방출하는 염료일 수 있고; 상기 고분자 필름에 함유된 발광 염료가 업-컨버젼 파장 변환 특성을 갖는 것인 경우, 적외선 영역의 빛을 흡수(2 개 포톤 흡수)하여 업-컨버젼 파장 변환에 의하여 가시광선 영역의 빛(1개의 포톤)을 방출(발광)하도록 하거나, 약 500-650 nm 파장의 빛을 흡수(2 개의 포톤)하여 업-컨버젼 파장 변환에 의하여 약 400-500 nm 파장의 빛(1 개의 포톤)을 발광하도록 하는 발광 염료를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이 경우, 상기 다운-컨버젼 파장 변환 발광 염료는 안트라센계, 파이렌(pyrene)계, 페릴렌(perylene)계, 플루오렌계, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 발광 염료를 포함할 수 있고, 상기 업-컨버젼 파장 변환 발광 염료는 포르피린(porphyrin)계, 벤조포르피린(benzoporphyrin)계, 금속 프탈로시아닌(metal-phthalocyanine)계, 폴리이민(polyimine)계, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 발광 염료를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 다른 구현예에 있어서, 상기 고분자 필름에 함유된 발광 염료가 1 종류의 발광 염료를 포함하는 경우, 상기 발광 염료는 다운-컨버젼 기능을 한다.
본원의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 고분자 필름에 함유된 발광 염료가 2 가지 이상의 상이한 발광 염료를 포함할 수 있으며, 이러한 경우, 상기 2 가지 이상의 상이한 발광 염료 각각은 업-컨버젼 또는 다운-컨버젼에 의한 파장 변환 특성을 가지는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자 필름에 함유된 발광 염료가 제 1 발광 염료와 제 2 발광 염료를 포함하는 경우, 상기 두 개의 염료 중 하나는 흡광 염료로서 역할을 하고 상기 두 개의 염료 중 다른 하나는 파장-변환 (업-컨버젼 또는 다운-컨버젼) 염료의 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 발광 염료는 다운-컨버젼 파장 변환 특성을 갖는 것으로서, 자외선 등을 흡수하여 파장 변환에 의하여 가시광선 영역의 빛을 방출(발광)하거나, 가시광선 영역의 파장의 빛(예를 들어, 약 400-500 nm 파장)을 흡수하여 더 긴 파장의 빛(예를 들어, 약 500-650 nm 파장)을 방출하는 염료일 수 있고, 상기 제 2 발광 염료는 적외선 영역의 빛을 흡수(2 개 포톤 흡수)하여 상기 흡수된 빛의 에너지를 상기 제 1 발광 염료에 전달하여 상기 제 1 발광 염료의 파장 변환에 의하여 가시광선 영역의 빛(1개의 포톤)을 방출(발광)하도록 하거나, 상기 제 2 발광 염료는 약 500-650 nm 파장의 빛을 흡수(2 개의 포톤)하여 상기 흡수된 빛의 에너지를 상기 제 1 발광 염료에 전달하여 상기 제 1 발광 염료의 파장 변환에 의하여 약 400-500 nm 파장의 빛(1 개의 포톤)을 발광하도록 하는 염료를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이 경우, 상기 제 1 발광 염료는 안트라센계, 파이렌(pyrene)계, 페릴렌(perylene)계, 플루오렌계, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 발광 염료를 포함할 수 있고, 상기 제 2 발광 염료는 포르피린(porphyrin)계, 벤조포르피린(benzoporphyrin)계, 금속 프탈로시아닌(metal-phthalocyanine)계, 폴리이민(polyimine)계, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 발광 염료를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기한 바와 같이, 2가지 발광 염료를 포함하는 경우, 상기 발광 염료의 비율을 제어함으로써 발광 강도가 조절될 수 있으며, 상기 발광 염료의 몰 비율은, 예를 들어, 흡광 기능의 발광 염료 : 파장-변환 기능의 발광 염료 = 약 1:100 내지 1:10 몰비율로 제어될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고분자 필름은 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리아크릴레이트, 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리우레탄, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리실록산, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트(CAB), 폴리이소시아네이트, 폴리프로필렌옥사이드, 하이드록시에틸 아크릴레이트, 하이드록시에틸 메타크릴레이트, 프로필렌옥사이드 모노아크릴레이트, 러버계 화합물, 또는 이들의 공중합체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 고분자 필름은 투명하거나, 투명하고 유연성을 갖는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 집광 장치 패널에 함유된 상기 발광 염료에 의하여 방출되는 빛은, 상기 집광 장치 패널과 공기와의 계면에서 전반사되어 상기 집광 장치 패널의 모서리에 집광되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광전극은 Ti, Cu, Zr, Sr, Zn, In, Ir, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Y, Sc, Sm, Ga, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 전이금속의 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 프레임은 네 면의 모서리를 갖는 창틀 형상으로서, 상기 집광 장치 패널과 접촉하는 내측의 네 모서리에 광전극이 형성되어 있는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 염료감응 태양전지는 창문형인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 염료감응 태양전지는, 주택, 건물, 자동차, 선박, 도로변 가드레일, 또는 방음벽에 설치되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 집광 장치 패널이 상기 발광 염료를 함유함으로써, 상기 발광 염료가 태양광을 흡수하여 특정 파장대의 빛으로 변환하여 방출하므로, 기존의 태양전지가 흡수할 수 없는 파장의 빛을 흡수할 수 있는 파장의 빛으로 변환하여 태양광 집광 장치 적용 시 태양전지의 광전 변환 효율 특성을 향상 시킬 수 있는 효과가 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 집광 장치 패널에 함유된 발광 염료에 의하여 빛이 흡수 및 방출되고, 이에 따라 방출되는 빛은 전반사를 통해 상기 집광 장치 패널의 계면을 통하여 상기 집광 장치 패널의 모서리를 감싸는 광전극에 집중적으로 도달하게 함으로써 빛이 광전극에 효율적으로 전달되는 효과를 제공할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 집광 장치 패널과 광전극, 전해질, 상대전극을 포함하는 프레임이 일체형을 이루도록 함으로써 창문 형태의 태양전지를 제공할 수 있으며, 유리 또는 투명 고분자 등을 사용한 투명한 집광 장치 패널을 포함함으로써 건물 창호에 이용할 수 있어 주택, 건물의 건축자재는 물론, 자동차, 선박, 도로변 가드레일, 또는 방음벽에 다양하게 응용이 가능한 효과를 가질 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은, 본원의 일 구현예에 따른 집광 장치 패널(100)을 포함하는 염료감응 태양전지의 모식도이다. 도 1 에 나타낸 본원의 일 구현예에 따른 염료감응 태양전지는, 제 1 투명 기판(110)과 제 2 투명 기판(120)의 사이에 배치되는, 발광 염료(130, 140)가 함유된 고분자 필름(150)을 포함하는 집광 장치 패널(100); 및 상기 집광 장치 패널(100)의 모서리에 접촉되어 형성되는, 염료가 함유된 광전극(210)을 포함하는 프레임(200)을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 투명 기판(110) 및 상기 제 2 투명 기판(120)은, 유리 또는 투명 고분자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 제 1 투명 기판(110) 및 상기 제 2 투명 기판(120)은 외부광의 입사가 가능하도록 투명성을 가지는 물질이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 유리 기재 또는 유연성을 갖는 투명 고분자 기재를 사용할 수 있다. 상기 투명 기재로 사용할 수 있는 투명 고분자 기재의 재료로는, 예를 들어, 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 트리아세틸셀룰로오스(TAC), 또는 이들의 공중합체 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 제 1 투명 기판(110) 및 제 2 투명 기판(120)은 입사된 광이 발광 염료(130, 140)가 함유된 고분자 필름(150)에 도달하기 충분한 정도의 투명도를 제공할 수 있는 것으로서, 본원을 설명하는 명세서에서 "투명"이라는 단어의 의미는, 소재의 광 투과율이 100% 인 경우뿐만 아니라 광 투과율이 높은 경우를 모두 포함한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 투명 기판(110) 및 상기 제 2 투명 기판(120)은 비정형성 또는 유동성을 가질 수 있는 발광 염료(130, 140)가 함유된 고분자 필름(150)이 가운데 위치하는 샌드위치 구조를 갖게 하기 위하여, 상기 제 1 투명 기판(110), 상기 발광 염료(130, 140)가 함유된 고분자 필름(150), 상기 제 2 투명 기판(120)이 순차적으로 접착되거나, 또는 상기 제 1 투명 기판(110) 및 상기 제 2 투명 기판(120)이 설치되고 상기 발광 염료(130, 140)가 함유된 고분자 필름(150)이 주입되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 제 1 투명 기판(110)과 상기 제 2 투명 기판(120)은 격벽으로 대응되게 위치하여 봉지되어 있는 것일 수 있다. 또한, 상기 제 1 투명 기판(110) 및 상기 제 2 투명 기판(120)은 일정한 간격을 두고 배치됨으로써 상기 집광 장치 패널(100)이 형태를 유지하고 일정한 두께를 갖는 역할을 수행할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 투명 기판(110) 및 상기 제 2 투명 기판(120)은 외부광의 용이한 입사를 갖도록 투명성을 갖는 것임과 동시에, 상기 발광 염료(130, 140)를 함유하는 고분자 필름(150) 층에서 발생하는 빛이 상기 제 1 투명 기판(110) 및 상기 제 2 투명 기판(120)과 공기와의 계면에서 전반사가 일어나도록 일정 굴절률을 갖는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고분자 필름(150)에 함유된 발광 염료(130, 140)는 안트라센계, 파이렌(pyrene)계, 페릴렌(perylene)계, 플루오렌계 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 제 1 발광 염료; 및/또는 포르피린(porphyrin)계, 벤조포르피린(benzoporphyrin)계, 금속 프탈로시아닌(metal-phthalocyanine)계, 폴리이민(polyimine)계, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 제 2 발광 염료를 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고분자 필름(150)에 함유된 발광 염료(130, 140)는 1 종류 또는 2 종류 이상의 상이한 발광 염료를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 이러한 2 종류의 밞광 염료의 조합을 이용하여 업 컨버젼에 의한 파장 변환에 의한 발광을 달성하기 위하여, 양자점 (비제한적 예: CdS, PbS 등))/Rubrene 등의 양자점-유기 염료의 조합, 또는 NaYF4:Yb,Tm 와 같은 무기 업 컨버젼 입자 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 　 　
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 발광 염료(130, 140)는 상기 집광 장치 패널(100)에 입사된 빛의 파장을 변환하여 방출하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 9,10-비스(페닐에티닐)안트라센[9,10-bis(phenylethynyl)anthracene, BPEA], 팔라듐(메조-테트라페닐-테트라벤조포르피린)[palladium(meso-tetraphenyl-tetrabenzoporphyrin), PdTPBP], 5,12-비스(페닐에티닐)나프타센[5,12-bis(phenylethynyl)naphthacene], 9,10-디페닐안트라센[9,10-diphenylanthracene] 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 발광 염료인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 발광 염료로서 사용되는 9,10-비스(페닐에티닐)안트라센(BPEA)은 녹색의 형광을, 5,12-비스(페닐에티닐)나프타센은 주황색의 형광을, 9,10-디페닐안트라센은 청색의 형광을 발광하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 특히, BPEA는, 전자-풍부 안트라센 분자 부위(moiety) 및 전자-받게 부분으로 이루어져 전형적인 분자 내 전하 수송화합물에 해당하는 것으로서, 방출되는 빛은 약 520 nm의 파장에 해당하는 빛을 발광하게 되며 높은 형광 양자 효율(high fluorescent quantum efficiency)을 나타낼 수 있다. 상기 발광 염료(130, 140)는 다운-컨버젼 및/또는 업-컨버젼(up-conversion: 높은 주파수로의 변환)에 의하여 파장을 변환시켜, 상기 광전극에 포함된 염료가 흡수할 수 있는 파장 영역의 빛을 발광하도록 함으로써, 상기 광전극에 포함된 염료의 광흡수율을 증가시켜 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 입사광이 적색광인 경우, 이에 대하여 발광 염료가 청색광을 방출하는 업컨버젼이 발생할 수 있다. 특히, 적색광은 청색광보다 긴 파장과 낮은 에너지를 갖는다. 따라서 발광 염료가 적색광을 흡수하여 높은 에너지를 갖는 청색광으로 방출할 때, 방출되는 광의 에너지 레벨이 상승하기 때문에 업-컨버젼이 발생할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 발광 염료(130, 140)는 다운-컨버젼 및 업-컨버젼을 모두 발생시킬 수 있도록 2 개의 상이한 발광 염료의 조합을 포함함으로써, 상기 광전극에 포함된 염료가 흡수할 수 있는 파장 영역의 발광량 또는 발광 강도를 더욱 증가시켜 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 발광 염료(130, 140)가 제 1 발광 염료 및 제 2 발광 염료를 포함하고, 상기 제 1 발광 염료는 다운-컨버젼의 파장 변환을 통하여 흡수된 빛의 파장보다 더 긴 파장의 빛을 발광하고, 추가로, 상기 제 2 발광 염료에 의하여 흡수된 빛(예를 들어, 상기 제 2 발광 염료는 상기 제 1 발광 염료가 흡수하는 빛 보다 더 긴 파장 영역의 빛을 흡수하여 제 1 발광 염료에 상기 흡수된 빛의 에너지를 전달하는 흡광 염료로서 작용함)의 에너지가 상기 제 1 발광 염료에 전달되고 상기 제 1 발광 염료의 파장 변환을 통하여 상기 제 2 발광 염료에 의하여 흡수된 빛의 파장보다 더 짧은 파장의 빛이 발광되도록 함으로써(이 경우, 상기 제 2 발광 염료에 의하여 흡수된 빛의 2 개의 포톤이 상기 제 1 발광 염료에 전달되어 파장 변환을 통하여 1 개의 포톤에 해당하는 빛이 발광됨), 상기 광전극에 포함된 염료가 흡수할 수 있는 파장 영역의 발광량 또는 발광 강도를 더욱 증가시켜 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, BPEA와 PdTPBP의 조합의 발광 염료를 포함하는 경우, 상기 BPEA 발광 염료에 의한 다운 컨버젼에 의하여, 상기 BPEA 이 약 470 nm의 빛을 흡수하여 약 520 nm의 빛의 발광을 방출하고, 추가로, 상기 PdTPBP에 의하여 약 630 nm 근처의 파장의 빛이 흡수되어 상기 PdTPBP에 근접하여 존재하는 상기 BPEA 발광 염료에 상기 흡수된 빛의 에너지가 전달되어 상기 BPEA 발광 염료에 의하여 약 520 nm의 빛의 발광(이 경우, PdTPBP/BPEA 염료 조합에 의한 업 컨버젼에 의한 파장 변환에 의한 발광에 해당함)이 추가로 발생하게 되며, 이러한 발광들이 상기 광전극의 염료로 전달 흡수되어 태양전지 광전변환 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 고분자 필름(150)에 분산된 발광 염료(130, 140)는 각각 흡광 및 발광의 성질을 동시에 갖는 것으로서, 상기 고분자 필름(150) 내에서 컨쥬게이트된 형태로 존재할 수 있으며, 상기 두 종류의 발광 염료가 동시에 존재하는 경우 각각 염료의 상대적 성질에 따라 상대적으로 흡광의 성질이 강한 경우 흡광 염료로서의 역할을, 발광의 성질이 강한 경우 발광 염료로서의 역할을 수행함으로써, 흡광 염료는 입사광을 흡수하여, 발광 염료가 상기 입사광을 특정 파장대의 빛으로 파장을 변환시켜 발광/형광하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 자외선, 가시광선, 및 적외선이 포함된 태양광이 상기 집광 장치 패널(100)에 입사되는 경우, 상기 흡광 및 발광 작용에 따라 염료감응 태양전지의 광전극이 함유하고 있는 염료가 흡수 가능한 파장대의 빛으로 파장을 변환시킴으로써, 태양전지의 효율을 높이는 효과를 가질 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 발광 염료(130, 140)는 상기 고분자 필름(150)의 매트릭스에 분산되어 존재하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 전술한 바와 같이, 상기 발광 염료(130, 140)는 각각 상대적인 흡광 및 발광 역할 또는 상대적인 발광 및 흡광 역할을 수행할 수 있도록 근접하게 존재하는 것이 바람직하다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고분자 필름(150)은 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리아크릴레이트, 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리우레탄, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리실록산, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트(CAB), 폴리이소시아네이트, 폴리프로필렌옥사이드, 하이드록시에틸 아크릴레이트, 하이드록시에틸 메타크릴레이트, 프로필렌옥사이드 모노아크릴레이트, 러버계 화합물, 또는 이들의 공중합체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 고분자 필름(150)은 상기 발광 염료(130, 140)가 혼합된 것을 함유하는 것으로서, 상기 발광 염료(130, 140)의 지지체 역할을 하는 매트릭스로서 작용할 수 있는 것이나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 고분자 필름(150)은 광 투과성을 갖는 것으로서, 입사된 광이 상기 발광 염료(130, 140)에 의해 흡수 및 방출되는 것을 용이하게 투과할 수 있는 정도의 투과도를 갖는 것이면 제한 없이 사용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 발광 염료가 함유되거나 분산된 상기 고분자 필름은, 상기 발광 염료를 함유하는 용액과 상기 고분자를 함유하는 용액을 혼합하여 건조시켜 용매를 제거함으로써 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 발광 염료를 함유하는 용액과 상기 상기 고분자를 함유하는 용액 각각에 포함된 용매는 각각 상기 발광 염료 및 상기 고분자를 용해시킬 수 있는 공지의 용매들에서 통상의 기술자가 적절히 선택하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 발광 염료를 함유하는 용액과 상기 상기 고분자를 함유하는 용액 각각에 포함된 용매는 서로 독립적으로 수성 용매 또는 유기 용매를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 수성 용매는 물 또는 알코올류 등을 포함할 수 있으며, 상기 유기 용매는 클로로포름, 에테르, 벤젠, 자일렌, 케톤류, 또는 알데하이드류를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 발광 염료를 함유하는 용액 중 상기 발광 염료의 농도를 조절함으로써 상기 고분자 필름에 포함되는 상기 발광 염료의 함량이 조절될 수 있고, 이에 따라 발광 강도가 조절될 수 있다. 예를 들어, 상기 염료감응 태양전지의 최적 효율을 달성하기 위하여, 상기 발광 염료를 함유하는 용액 중 상기 발광 염료의 농도를 조절하여, 상기 고분자 필름에 포함되는 각각의 발광 염료의 최적 함량을 결정함으로써 상기 발광 염료의 발광 강도를 최적화 할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이, 2가지 발광 염료를 포함하는 경우, 상기 발광 염료의 비율을 제어함으로써 발광 강도가 조절될 수 있으며, 상기 발광 염료의 몰 비율은, 예를 들어, 흡광 기능의 발광 염료 : 파장-변환 기능의 발광 염료 = 약 1:100 내지 1:10 몰비율로 제어될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 발광 염료의 몰 비율과 관련하여, 흡광 기능의 발광 염료 : 파장-변환 기능의 발광 염료 = 약 1:10 내지 100, 약 1:10 내지 90, 약 1:10 내지 80, 약 1:10 내지 70, 약 1:10 내지 60, 약 1:10 내지 50, 약 1:10 내지 40, 약 1:10 내지 30, 또는 약 1:10 내지 20의 몰비율로 제어될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 집광 장치 패널(100)을 투과하여 상기 발광 염료(130, 140)에 의하여 흡수 및 방출되는 빛은 입사광의 파장이 변환되어 방출되는 것으로서, 상기 방출된 빛은 상기 집광 장치 패널(100)의 제 1 투명 기판(110) 및 제 2 투명 기판(120)과 공기의 경계면에서 상기 투명 기판들과 공기층 간의 굴절률 차이에 의하여 전반사가 일어나 상기 집광 장치 패널(100)을 감싸고 있는 모서리로 전달 및 집광되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이러한 태양광의 전반사를 통하여 태양전지로 입사되는 태양광을 더욱 균일하게 분배시킬 수 있으며, 이렇게 입사된 태양광은 프레임(200)의 광전극(210)과 접촉면인 출사면으로 출사될 때까지 빛 에너지를 손실없이 전달할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광전극(210)은 Ti, Cu, Zr, Sr, Zn, In, Ir, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Y, Sc, Sm, Ga, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 전이금속의 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광전극(210)은 전도성 투명 기재 상에 전도성 투명 금속 산화물을 도포하여 제조하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 전도성 투명 기재는 당업계에 공지된 것들을 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 상기 전도성 투명 기재는 투명 기재 상에 전도성 투명 산화물 또는 금속을 포함하는 전도성 투명 전극을 증착하여 제조할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 투명 기재로는 외부광의 입사가 가능하도록 투명성을 가지는 물질이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 유리 기재 또는 유연성을 갖는 투명 고분자 기재를 사용할 수 있다. 상기 투명 기재로 사용할 수 있는 투명 고분자 기재의 재료로는, 예를 들어, 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 트리아세틸셀룰로오스(TAC), 또는 이들의 공중합체 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전도성 투명 금속 산화물은, 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), 안티몬 틴 옥사이드(ATO), 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 전도성 금속 산화물을 포함하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 투명 전극은, 전도성, 투명성, 및 내열성이 우수한 산화주석(SnO2), 또는 비용 면에서 저렴한 인듐 틴 옥사이드(ITO)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 전도성 투명 기재(100)는, 태양광과 같은 빛이 투과되어 내부로 입사됨으로써 계층형 다공성 광전극으로 이용할 수 있도록 하기 위함이다.
상기 광전극(210)은 상기한 바와 같은 금속 산화물, 예를 들어, 반도체성 금속 산화물의 나노입자를 이용하여 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 금속 산화물의 나노입자를 적절한 용매에 분산시키고 필요한 경우 분산제를 첨가하여 상기 나노입자를 함유하는 분산액을 전도성 투명 기재 상에 도포하여 건조시켜 다공성 금속 산화물 구조체를 포함하는 광전극을 제조할 수 있다. 또는, 나노입자 형태가 아닌 상기 금속 산화물을 함유하는 분산액을 전도성 투명 기재 상에 도포하여 건조시켜 다공성 금속 산화물 구조체를 포함하는 광전극을 제조할 수도 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 도포 방법은 특별히 제한되지 않으며, 스핀 코팅, 딥코팅, 닥터 블레이드 법 등을 이용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이후, 적절한 염료를 포함하는 용액을 도포하여 상기 다공성 금속 산화물 구조체에 상기 염료를 흡착시켜 염료감응 태양전지용 광전극을 완성할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 프레임은 네 면의 모서리를 갖는 창틀 형상으로서, 상기 집광 장치 패널과 접촉하는 내측의 네 모서리에 광전극(210)이 형성되어 있는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광전극(210)은 상대전극(230)에 의하여 둘러싸여 있고, 상기 광전극(210)과 상기 상대전극(230) 사이에는 전해질(220)이 채워져 있는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 형성된 광전극(210) 상에 감광성 염료를 추가로 포함할 수 있다. 본원의 일 구현예에 따른 상기 광전극은 비표면적을 증가시켜 염료의 흡착량을 증가시킴으로써, 염료감응 태양전지용 광전극으로 이용되었을 경우에 태양전지의 에너지 전환효율을 높이는데 기여한다. 예를 들어, 본원의 일 구현예에 있어서, 다공성 금속 산화물 구조체를 감광성 염료가 포함된 용액에 침지하여 감광성 염료를 상기 다공성 금속 산화물 구조체의 내부 및 외부 표면에 흡착시켜 코팅할 수 있다. 상기 감광성 염료는 당업계에 공지된 것을 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 알루미늄(Al), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 유로퓸(Eu), 납(Pb), 이리듐(Ir), 또는 루테늄(Ru)을 포함하는 금속의 복합체 형태의 염료를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이들 중에서, 루테늄(Ru)은 백금족에 속하는 원소로서 많은 유기 금속 복합체를 형성할 수 있어, 루테늄(Ru)을 포함하는 감광성 염료가 많이 사용된다. 예를 들어, Ru(etcbpy)2(NCS)2CH3CN 타입이 많이 사용되고 있다. 여기에서, etc는 (COOEt)2 또는 (COOH)2를 의미한다. 또한, 유기 색소 등을 포함하는 염료가 사용될 수도 있는데, 이러한 유기 색소로는, 예를 들어, 로다민(rhodamine), 리보플라빈(riboflavin), 트리페닐메탄(triphenylmethane), 쿠마린(coumarin), 포르피린(porphyrin), 크산틴(xanthine) 등이 있다. 이들은 단독으로, 또는 루테늄(Ru) 복합체와 혼합 사용하여 장파장의 가시광선 흡수를 개선함으로써 광전 변환 효율을 보다 향상시킬 수 있다. 상기 감광성 염료에 광이 입사되어 흡수되면 광전자가 생성되고, 생성된 광전자는 금속 산화물 구조체를 통로로 하여 전도성 투명 기재로 전달된다.
이후, 적절한 염료를 포함하는 용액을 도포하여 상기 다공성 금속 산화물 구조체에 상기 염료를 흡착시켜 염료감응 태양전지용 광전극을 완성할 수 있다.
예를 들어, 상기 다공성 금속 산화물 구조체를 감광성 염료가 포함된 용액에 침지하여 감광성 염료를 상기 다공성 금속 산화물 구조체의 내부 및 외부 표면, 예를 들어, 기공 표면에 흡착시켜 코팅할 수 있다. 상기 감광성 염료는 당업계에 공지된 것을 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 알루미늄(Al), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 유로퓸(Eu), 납(Pb), 이리듐(Ir), 또는 루테늄(Ru)을 포함하는 금속의 복합체 형태의 염료를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이들 중에서, 루테늄(Ru)은 백금족에 속하는 원소로서 많은 유기 금속 복합체를 형성할 수 있어, 루테늄(Ru)을 포함하는 감광성 염료가 많이 사용된다. 예를 들어, Ru(etcbpy)2(NCS)2CH3CN 타입이 많이 사용되고 있다. 여기에서, etc는 (COOEt)2 또는 (COOH)2로서 상기 다공성 금속 산화물 구조체 표면과 같은 다공질 막과 결합이 가능한 반응기이다. 또한, 유기 색소 등을 포함하는 염료가 사용될 수도 있는데, 이러한 유기 색소로는, 예를 들어, 로다민(rhodamine), 리보플라빈(riboflavin), 트리페닐메탄(triphenylmethane), 쿠마린(coumarin), 포르피린(porphyrin), 크산틴(xanthine) 등이 있다. 이들은 단독으로, 또는 루테늄(Ru) 복합체와 혼합 사용하여 장파장의 가시광선 흡수를 개선함으로써 광전 변환 효율을 보다 향상시킬 수 있다. 상기 감광성 염료에 광이 입사되어 흡수되면 광전자가 생성되고, 생성된 광전자는 상기 다공성 금속 산화물 구조체를 통로로 하여 전도성 투명 기재로 전달된다.
이하, 본원의 일 구현예에 있어서, 염료감응 태양전지에 포함되는 상대전극(230)에 대하여 보다 상세히 설명한다.
상기 염료감응 태양전지의 구성요소 가운데, 상기 광전극의 상대 전극(230)은 전도성 투명 기재에 평행하게 배치되어 있으며, 유리 등의 기재에 투명 전극이 형성되어 있고, 백금 층이 형성되어 있다.
상기 상대전극에 있어서 전도성 투명 기재는, 상기 광전극에 이용되는 전도성 투명 기재와 마찬가지로, 투명 기재 상에 전도성 투명 전극을 코팅 또는 증착하여 형성할 수 있다. 여기서, 상기 투명 기재로는 외부광의 입사가 가능하도록 투명성을 가지는 물질이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 유리 기재 또는 투명 고분자 기재를 사용할 수 있다. 상기 투명 고분자 기재의 재료로는, 예를 들어, 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 트리아세틸셀룰로오스(TAC), 또는 이들의 공중합체 등을 이용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 이러한 투명 기재 상에 형성되는 상기 전도성 투명 전극은, 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), 안티몬 틴 옥사이드(ATO), 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 전도성 금속 산화물을 포함하며, 예를 들어, 전도성, 투명성, 및 내열성이 우수한 산화주석(SnO2), 또는 비용 면에서 저렴한 인듐 틴 옥사이드(ITO)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 여기에서, 상기 전도성 투명 기재를 채용하는 이유는 태양광이 투과되어 내부로 입사될 수 있도록 하기 위함이다. 그리고, 본원을 설명하는 명세서에서 "투명"이라는 단어의 의미는, 소재의 광 투과율이 100% 인 경우뿐만 아니라 광 투과율이 높은 경우를 모두 포함한다.
한편, 상기 상대전극에 포함되는 상기 전도층은 산화·환원 쌍(redox couple)을 활성화시키는 역할을 하는 것으로, 백금(Pt), 금(Au), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 탄소(C), 산화텅스텐(WO3), 이산화티타늄 (TiO2), 또는 전도성 고분자 등의 전도성 물질을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 이러한 상대전극의 일면에 형성된 전도층은 반사율이 높을수록 효율이 우수하므로, 반사율이 높은 재료를 선택하는 것이 바람직하다.
이하, 본원의 일 구현예에 있어서, 염료감응 태양전지에 포함되는 전해질-함유층(220)에 대하여 보다 상세히 설명한다.
상기 염료감응 태양전지의 구성요소 가운데, 상기 광전극(210)과 상기 상대전극(230) 사이에는 전해질을 포함하는 액체(전해액), 고체 고분자 전해질, 또는 겔형 고분자 전해질을 주입하여 전해질-함유층(220)을 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 전해질은, 예를 들어, 요오드화물(iodide)을 포함하며, 산화·환원에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 전자를 잃었던 염료분자에게 받은 전자를 전달하는 역할을 수행한다. 상기 전해질은 광전극의 기공 내부로 균일하게 분산되어 있을 수 있다. 상기 전해질은 전해액으로 이루어질 수 있으며, 상기 전해액은 요오드화물(iodide)/삼요오드화물(triodide) 쌍으로서 산화·환원에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 염료분자에게 전달하는 역할을 수행하는 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 전해질로서는 요오드(iodine, I2)를 아세토니트릴(ACN)에 용해시킨 용액 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 홀 전도 기능이 있는 것이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 전해질로서는 약 0.7 M 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 요오드화물(1-butyl-3-methylimidazolium iodide, BMII), 약 0.03 M 요오드(iodine, I2), 약 0.1 M 구아니디움 티오시아네이트(Guanidium thiocyanate, GSCN), 및 약 0.5 M 4-tert-부틸피리딘(4-tert-buthylpyridine, 4-TBP)을 아세토니트릴(ACN)과 발레노니트릴(VN)의 혼합액(부피비 85:15)에 용해시켜 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 염료감응 태양전지에 포함되는 전해질의 누출을 방지하기 위하여, 상기 광전극(210)과 상기 상대전극(230)의 가장 자리에는 밀봉부가 형성될 수 있다. 상기 밀봉부는 열가소성 고분자 물질을 포함하며, 열 또는 자외선에 의하여 경화될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적인 예로, 밀봉부는 에폭시 수지를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 밀봉부로서 수십 마이크로미터 두께의 고분자 필름을 광전극과 상대전극 사이에 끼워 넣어 간격을 유지할 수 있다.
한편, 염료감응 태양전지에 사용될 수 있는 전해질은 그 성상에 따라 액체 전해질, 겔형 전해질, 및 고체 전해질로 구분될 수 있는데, 앞서 설명한 액체 전해질을 사용하여 태양전지를 제조할 경우 에너지 전환효율이 높아진다는 장점이 있지만, 액체 전해질에 포함된 용매가 외부 온도의 증가와 태양전지의 밀봉 상태에 따라 누출되거나 휘발됨으로써 태양전지의 수명이 낮아질 수 있다는 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위하여, 염료감응 태양전지에서 사용되는 상기 전해질은 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 겔형 전해질은, 예를 들어, 요오드계 산화/환원쌍(I3 -/I-), 저휘발성 유기 용매, 및 고분자 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 요오드계 산화/환원쌍을 형성하기 위한 요오드화염은, n-메틸이미다졸륨 요오드, n-에틸이미다졸륨 요오드, 1-벤질-2-메틸이미다졸륨 요오드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 요오드, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 요오드, 1-메틸-3-프로필이미다졸륨 요오드, 1-메틸-3-이소프로필이미다졸륨 요오드, 1-메틸-3-부틸이미다졸륨 요오드, 1-메틸-3-이소부틸이미다졸륨 요오드, 1-메틸-3-s-부틸이미다졸륨 요오드, 1-메틸-3-펜틸이미다졸륨 요오드, 1-메틸-3-이소펜틸이미다졸륨 요오드, 1-메틸-3-헥실이미다졸륨 요오드, 1-메틸-3-이소헥실이미다졸륨 요오드, 1-메틸-3-엑틸이미다졸륨 요오드, 1,2-디메틸-3-프로필이미다졸륨 요오드, 1-에틸-3-이소프로필이미다졸륨 요오드, 1-프로필-3-프로필이미다졸륨 요오드, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 저휘발성 유기 용매는, 메톡시프로피오니트릴, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디에틸카보네이트, 디메틸카보네이트, 감마-부티로락톤, 디메틸포름아미드, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 고분자 물질은 액체 전해질을 겔화시킴으로써 겔형 전해질을 제조하기 위한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 고분자 물질은 전도성 고분자로서, 종래의 액체 전해질처럼 전자 전달이 가능한 것이며, 액체 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지의 단점 중의 하나인 누액 및 휘발 문제를 해결할 수 있는 것이나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 겔형 전해질에 포함되는 고분자 물질은, 폴리에틸렌옥시드(PEO), 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌(PVdF-HFP), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 요오드계 산화/환원쌍을 형성하기 위한 요오드화염 및 상기 고분자 물질의 비는 중량% 기준으로 약 1:1 내지 약 1:3 인 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 광전극과 백금이 도포된 전극 사이에는 전해질이 있으며, 또한 광전극의 기공 내부에도 위치한다. 전해질은 요오드계 산화-환원 쌍을 갖는 액체 전해질을 사용할 수 있다. 예를 들면 약 0.05 M 요오드화 리튬(lithium iodide), 약 0.03 M 요오드(iodine), 약 0.7 M 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 요오드화물(1-butyl-3-methylimidazolium iodide, BMII), 약 0.1 M 구아니디움 티오시아네이트(guanidinium thiocyanate, GSCN), 및 약 0.5 M 4-tert-부틸피리딘(4-tertbutylpyridine, TBP)를 아세토니트릴(Acetonitrile, ACN) 및 발레로니트릴(Valeronitrile, VN)에 용해 시킨 후 사용할 수 있으며, 전해질 용액이 새어 나오지 않도록 하기 위해 약 60 ㎛ 두께의 썰린(surlyn)을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 염료감응 태양전지는 창문형인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 집광 장치 패널을 창문의 투명부에 사용함으로써, 채광이 가능하므로 투명성을 요하는 건물 창호에 이용할 수 있는 효과가 있다. 이를 이용하여 창호에 입사되는 태양광을 통해 별도의 설비없이 태양전지를 작동시킬 수 있어, 간이한 장치로 고효율의 태양전지를 제공할 수 있는 효과가 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 염료감응 태양전지는, 주택, 건물, 자동차, 선박, 도로변 가드레일 또는 방음벽에 설치되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 본원의 염료감응 태양전지에 대하여 실시예를 이용하여 좀 더 구체적으로 설명하지만, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.
[ 실시예 ]
< 실시예 1>
본 실시예의 집광 장치 패널을 포함하는 염료감응 태양전지를 다음과 같이 제조하였다. 먼저, 제 1 발광 염료로서 9,10-비스(페닐에티닐)안트라센(BPEA)과 제 2 발광 염료로서 팔라듐(메조-테트라페닐-테트라벤조포르피린)(PdTPBP)을 클로로포름(chloroform)에 분산시킨 다음에, 이를 폴리우레탄 용액에 첨가하여 혼합하였다. 이후, 상기 BPEA 및 PdTPBP가 혼합된 폴리우레탄 용액을 상온에서 볼텍싱(vortexing)한 다음에, 40℃에서 회전농축(rotary-evaporating)시켜 클로로포름을 증발시켰다. 이후, 상기 클로로포름을 증발시킨 용액을 두 개의 유리 투명 기판 내에 적하한 다음에, 밤새 경화시켜 집광 장치 패널을 제조하였다.
상기와 같이 제조된 집광 장치 패널을, 내측의 네 모서리에 TiO2 광전극(D205 염료 포함)이 형성되어 있는 프레임의 네 모서리의 광전극에 접촉시킨 후에 테이프를 사용하여 고정하였고, 이 때 상기 집광 장치 패널로부터 방출된 빛을 상기 광전극이 잘 흡수할 수 있도록 네 개의 광전극에 동시에 밀착하여 위치시킴으로써, 집광 장치 패널을 포함하는 염료감응 태양전지를 제조하였다.
상기의 태양광 집광 장치 패널에 사용한 발광 염료는 9,10-비스(페닐에티닐)안트라센(BPEA)과 팔라듐(메조-테트라페닐-테트라벤조포르피린(PdTPBP)이며, 이 두 발광 염료는 각각 흡광, 발광 특성이 있으며, 두 염료가 동시에 존재하는 경우는 흡광/발광 파장 변환에도 관여하는 특성이 있어, 통상적인 염료감응 태양전지가 흡수할 수 없는 파장의 빛을 태양전지가 흡수 할 수 있는 파장의 빛으로 파장을 변화시킨다.
상기 제조된 집강 장치 패널 및 상기 집광 장치 패널을 포함하는 염료감응 태양전지의 사진을 각각 도 2 및 도 3에 나타내었다.
또한, 비교예로서, 단일 발광 염료로서 9,10-비스(페닐에티닐)안트라센(BPEA)만을 사용한 집광 장치 패널을 제작하였다.
도 4는, 상기 본 실시예 및 상기 비교예의 염료감응 태양전지의 전류-전압 관계를 측정한 그래프이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, BPEA 발광 염료만 포함된 비교예의 경우, BPEA 발광 염료에 의한 다운 컨버젼(down-conversion: 낮은 주파수로의 파장 전환)에 의하여, BPEA이 470 nm 의 빛을 흡수하여 520 nm 의 빛의 발광을 방출하고, 이러한 발광이 상기 광전극의 염료 D205로 전달 흡수되어 1.3%의 효율을 나타내었다,
반면, 도 4에 나타낸 바와 같이, PdTPBP와 BPEA 발광 염료가 모두 포함된 실시예의 경우, 상기 BPEA 발광 염료에 의한 다운 컨버젼에 의하여 470 nm 에서 520 nm 로의 파장 변환에 의한 발광이 일어나고, 또한, 상기 PdTPBP에 의하여 D205 염료가 흡수할 수 없는 630 nm 근처의 파장의 빛이 흡수되어 PdTPBP에 근접하여 존재하는 BPEA 발광 염료에 상기 흡수된 빛의 에너지가 전달되어 상기 BPEA 발광 염료에 의하여 520 nm 의 빛의 발광(이 경우, PdTPBP/BPEA 염료 조합에 의한 업 컨버젼에 의한 파장 변환에 의한 발광에 해당함)이 추가로 발생하게 되며, 이러한 발광들이 상기 광전극의 염료 D205로 전달 흡수되어 2.1% 효율을 나타내었는 바, 태양전지 광전 변환 효율의 향상을 확인할 수 있었다. 따라서 태양전지가 흡수가능한 가시광선 영역의 파장으로 파장 변환을 가능케 하는 염료를 포함하고 있는 태양광 집광 장치의 제작의 유효성과 추가적인 태양전지로의 적용을 기대할 수 있다.
특히, 상기 도 4 에서 확인한 효율을 근거하여 본 실시예의 네 모서리를 구비한 염료감응 태양전지의 효율을 추측해보면, 태양광 집광 장치 네면에 모두 태양전지를 적용할 경우 통상적인 태양전지의 효율을 극복할 수 있을 것으로 기대된다. 특히, 본원의 실시예에 따른 상기 창문형 태양전지는 태양광 집광 장치 패널을 활용함으로써 비교예를 활용한 것에 비하여 향상된 광전 변환 효율을 도모할 수 있을 뿐만 아니라, 태양전지 제작 공정에서 필요로 하는 전극 재료와 기판의 비용을 절감할 수 있을 것으로 기대된다.
< 실시예 2>
실시예 1에서 사용된 방법에 의하여, 도 5(a)의 사진과 같이 집광장치 패널을 포함하는 염료감응 태양전지를 제조하였다. 상기 집광장치는 다운-컨버젼 발광 염료인 BPEA 발광 염료를 포함하는 폴리우레탄 고분자 필름을 포함하며, 상기 고분자 필름과 이를 덮고 있는 유리 패널로 이뤄져 있다. 상기 집광장치의 모서리에 4개의 염료 감응 태양전지가 연결되어 있으며, 최종적으로 집광장치 패널을 포함하는 염료감응 태양전지가 구현될 수 있음. 상기 태양전지 효율은 도 5(b)의 그래프와 같이 9.1%로 측정되었다.
< 실시예 3>
실시예 1에서 사용된 방법에 의하여, 발광 염료의 종류와 농도를 변화시켜 집광장치 패널을 포함하는 염료감응 태양전지를 제조하였다. 상기 집광장치는 BPEA와 PdTPBP을 각각 포함하며, 이들 각각의 농도를 변화시켜 다양한 농도를 이용하여 제조되었으며, 각 농도에서 상기 발광 염료의 발광 효율이 측정되었으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 구체적으로, 발광 염료 BPEA와 PdTPBP 각각은 클로로포름 용매에 각각을 분산시켜 발광 염료 용액을 제조하엿고, 상기 용액을 이 폴리우레탄 용액과 혼합 한 후 회전 증발기(rotary evaporator)를 이용하여 용매를 증발시켜, 균일하게 발광 염료가 분산된 고분자 필름이 제조되었고, 상기 고분자 필름 내에 포함된 발광 염료의 농도에 따라 상기 각각의 발광 염료의 발광 효율이 달라 질 수 있다. 본 실시예의실험 조건에서는, 폴리우레탄 필름 (매트릭스)에 BPEA가 5.5 mM, PdTPBP가 0.11 mM 포함되어 있을 때 가장 높은 발광 효율을 갖는 것으로 확인되었다.
도6a는 상기 고분자 필름에 BPEA만 포함된 경우로, 발광 염료의 농도 최적화한 결과이고, 도6b는 도6a에서 최적화된 BPEA농도를 포함하는 상기 고분자 필름에 PdTPBP를 염료를 추가로 포함시켜, 흡광 염료의 농도 최적화한 이다.
본 실시예의 실험 조건에서는, 폴리우레탄 필름 (매트릭스)에 BPEA가 5.5 mM, PdTPBP가 0.11 mM 포함되어 있을 때 가장 높은 발광 효율을 갖는 것으로 확인되었다. 즉, BPEA가 5.5 mM, PdTPBP가 0.11 mM 포함되어 있을 때 업-컨버젼 된 발산 빛의 강도가 가장 높았다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성요소들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
부호의 설명
100: 집광 장치 패널
110: 제 1 투명 기판
120: 제 2 투명 기판
130, 140: 발광 염료
150: 고분자 필름
200: 프레임
210: 광전극
220: 전해질 함유층
230: 상대전극
300: 태양전지

Claims (11)

  1. 제 1 투명 기판과 제 2 투명 기판의 사이에 배치되며, 발광 염료가 함유된 고분자 필름을 포함하는, 집광 장치 패널; 및
    상기 집광 장치 패널의 모서리에 접촉되어 형성되며, 염료가 함유된 광전극을 포함하는 프레임
    을 포함하는, 염료감응 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 투명 기판 및 상기 제 2 투명 기판은, 각각 독립적으로 유리 또는 투명 고분자를 포함하는 것인, 염료감응 태양전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 필름에 함유된 발광 염료는 안트라센계, 파이렌(pyrene)계, 페릴렌(perylene)계, 플루오렌계, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 발광 염료; 또는 포르피린(porphyrin)계, 벤조포르피린(benzoporphyrin)계, 금속 프탈로시아닌(metal-phthalocyanine)계, 폴리이민(polyimine)계, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 발광 염료를 포함하는 것인, 염료감응 태양전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 고분자 필름에 함유된 발광 염료는 1 종류 또는 2 종류 이상의 상이한 발광 염료를 포함하는 것인, 염료감응 태양전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광 염료는 상기 집광 장치 패널에 입사된 빛의 파장을 변환하여 가시광선 영역의 파장의 빛을 방출하는 것인, 염료감응 태양전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광 염료는 상기 고분자 필름의 매트릭스에 분산되어 존재하는 것인, 염료감응 태양전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 필름은 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리아크릴레이트, 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리우레탄, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리실록산, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트(CAB), 폴리이소시아네이트, 폴리프로필렌옥사이드, 하이드록시에틸 아크릴레이트, 하이드록시에틸 메타크릴레이트, 프로필렌옥사이드 모노아크릴레이트, 러버계 화합물, 또는 이들의 공중합체를 포함하는 것인, 염료감응 태양전지.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 집광 장치 패널에 함유된 상기 발광 염료에 의하여 방출되는 빛은, 상기 집광 장치 패널과 공기와의 계면에서 전반사 되어 상기 집광 장치 패널의 모서리에 집광되는 것인, 염료감응 태양전지.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 프레임은 네 면의 모서리를 갖는 창틀 형상으로서, 상기 집광 장치 패널과 접촉하는 내측의 네 모서리에 광전극이 형성되어 있는 것인, 염료감응 태양전지.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 염료감응 태양전지는 창문형인, 염료감응 태양전지.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 염료감응 태양전지는, 주택, 건물, 자동차, 선박, 도로변 가드레일, 또는 방음벽에 설치되는 것인, 염료감응 태양전지.
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