KR100702859B1 - 액정 물질을 포함하는 고체 전해질 및 이를 이용한염료감응형 태양전지 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 액정 물질을 포함하는 고체 전해질과 이를 이용한 태양전지 소자를 제공한다. 본 발명에 따라 고체 전해질에 포함된 액정 물질로 인하여 종래의 액체 전해질을 사용한 염료감응형 태양전지와 비교하여 용매와 봉합제가 불필요하기 때문에 공정이 간단할 뿐 아니라, 특히 종래의 고체 전해질을 사용하는 염료감응형 태양전지와 비교할 때 소자의 에너지 전환 효율이 크게 개선된 특성을 갖는다.
염료감응형 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell), 액정(Liquid Crystal), 고분자 액정(Liquid Crystal Polymer), 고체형 전해질(Solid-State Electrolyte), 에너지 전환효율(Power Conversion Efficiency)

Description

액정 물질을 포함하는 고체 전해질 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지 소자{Solid-State Electrolyte Composition Containing Liquid Crystal Materials and Dye-Sensitized Solar Cells Using Thereof}
도 1은 본 발명에 따라 제조되는 염료감응형 태양저지 소자의 구조를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제작된 산화물층, 염료가 흡착된 산화물층의 UV-Visible 흡광 스펙트럼 분석 결과를 도시한 그래프.
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제작된 산화물층 및 염료가 흡착된 산화물층의 단면을 측정한 SEM 사진.
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제작된 산화물층 및 염료가 흡착된 산화물층의 표면을 측정한 SEM 사진.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 저분자 액정물질인 E7을 고체 전해질의 첨가물로 사용하여 제작된 고체형 염료감응형 태양전지 소자의 전압-전류 밀도 측정 결과를 도시한 그래프.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 실록산계 고분자 액정물질인 LCP 1을 고체 전해질의 첨가물로 사용하여 제작된 고체형 염료감응형 태양전지 소자의 전압-전류 밀도 측정 결과를 도시한 그래프.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 실록산계 고분자 액정물질인 LCP 83을 고체 전해질의 첨가물로 사용하여 제작된 고체형 염료감응형 태양전지 소자의 전압-전류 밀도 측정 결과를 도시한 그래프.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 아크릴계 고분자 액정물질인 LCP 94를 고체 전해질의 첨가물로 사용하여 제작된 고체형 염료감응형 태양전지 소자의 전압-전류 밀도 측정 결과를 도시한 그래프.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 아크릴계 고분자 액정물질인 LCP 95를 고체 전해질의 첨가물로 사용하여 제작된 고체형 염료감응형 태양전지 소자의 전압-전류 밀도 측정 결과를 도시한 그래프.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 아크릴계 고분자 액정물질인 LCP 105를 고체 전해질의 첨가물로 사용하여 제작된 고체형 염료감응형 태양전지 소자의 전압-전류 밀도 측정 결과를 도시한 그래프.
도 11은 본 발명의 비교 실시예에 따라 고체 전해질에 액정 물질을 첨가하지 않고 제작된 고체형 염료감응형 태양전지 소자의 전압-전류 밀도 측정 결과를 도시한 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1001 : 제 1 기판 1002 : 제 1 전극
1003 : 산화물층 1004 : 전해질층
1005 : 제 2 전극 1006 : 제 2 기판
본 발명은 태양 전지 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액정 물질을 포함하는 고체 전해질 및 이를 이용한 염료감응형 태양 전지 소자에 관한 것이다.
화석 연료의 지속적인 사용으로 인한 지구 온난화와 같은 환경 문제가 대두되고 있다. 또한 우라늄의 사용은 방사능의 오염 및 핵폐기물 처리 시설과 같은 문제를 일으키고 있다. 이에 따라 대체 에너지에 대한 요구 및 연구가 진행되고 있는데, 그 중 대표적인 것이 태양 에너지를 이용하는 태양 전지 소자이다.
태양 전지 소자란 빛이 조사되었을 때 전자와 정공을 발생시키는 광-흡수 물질을 사용하여 직접적으로 전기를 생산하는 소자를 의미한다. 1839년 프랑스의 물리학자 Becquerel이 최초로 빛으로 유도된 화학적 반응이 전류를 발생시킨다는 광기전력을 발견하였고, 그 후 셀레늄과 같은 고체에서도 유사한 현상이 발견된 사실에 기인한다. 그 후 1954년 Bell 연구소에서 약 6%의 효율을 보인 실리콘계열의 태양전지가 최초로 개발된 이후에 무기 실리콘을 중심으로 태양 전지의 연구가 계속되었다.
이와 같은 무기계 태양 전지 소자는 실리콘과 같은 무기물 반도체의 p-n 접합으로 이루어진다. 태양 전지의 소재로 사용된 실리콘은 크게 단결정 또는 다결정 실리콘과 같은 결정 실리콘 계열과 비정질 실리콘 계열로 구분될 수 있다. 이 중 결정 실리콘계열은 태양 에너지를 전기 에너지로 전환하는 에너지 전환 효율이 비정질 실리콘계열에 비하여 우수하지만 결정을 성장시키기 위하여 소용되는 시간과 에너지로 인하여 생산성이 떨어진다. 한편, 비정질 실리콘 계열의 경우 결정 실리콘과 비교하여 광흡수성이 좋고 대면적화가 용이하고 생산성이 좋지만 진공 프로세서가 요구되는 등 설비 면에서 비효율적이다. 특히, 무기계 태양 전지 소자의 경우, 제작비용이 높고 소자가 진공 상태에서 제작되기 때문에 가공 및 성형이 어려운 문제점이 있다.
이와 같은 문제점으로 실리콘을 대신하여 유기물질의 광기전 현상을 이용한 태양전지 소자에 대한 연구가 시도된 바 있다. 유기물 광기전 현상이란 유기물질에 빛을 조사하면 광자(photon)를 흡수하여 전자(electron)-정공(hole) 쌍이 생성되어 이를 분리하여 각각 음극 및 양극으로 전달하고 이와 같은 전하의 흐름에 의하여 전류를 발생시키는 현상이다. 즉, 통상적으로 유기계 태양전지에 있어서 electron donor와 electron acceptor 물질의 접합구조로 이루어진 유기물질에 빛을 조사하였을 때 electron donor에서 전자-정공쌍이 형성되고 electron acceptor로 전자가 이동함으로써 전자-정공의 분리가 이루어진다. 이와 같은 과정을 통상 "빛에 의한 전하 캐리어(charge carrier)의 여기"또는 "광여기 전하 이동현상(photoinduced charge transfer, PICT)"라고 하는데, 빛에 의하여 생성된 캐리어들은 전자-정공으로 분리되고 외부 회를 통하여 전력을 생산하게 된다.
기초 물리학의 관점에서 볼 때, 태양전지를 포함한 모든 태양 발전에서 생산되는 출력 전력은 빛에 의하여 발생한 광여기자의 흐름(flow)과 구동력(driving force)에 의한 생산물로 간주된다. 태양전지에서 flow는 전류와 관계가 있으며 driving force는 전압과 직접적으로 관련된다. 일반적으로 태양전지에서의 전압은 사용된 전극재료에 의하여 결정되며, 태양광 전환 효율은 출력 전압을 입사된 태양에너지고 나눈 값으로서 총 출력 전류는 흡수된 광자의 수에 의하여 결정된다.
상술한 유기물질의 광여기 현상을 이용하여 제조되는 유기 태양전지는 투명 전극과 금속 전극 사이에 electron donor와 electron acceptor 층을 도입하는 다층형 태양전지 소자와 electron donor와 electron acceptor를 블렌딩(blending)하여 삽입한 단층형 태양전지로 구분될 수 있다.
그런데 통상적인 유기물질을 이용한 태양전지의 경우에 에너지 전환효율이 떨어지고 내구성에도 문제가 있었으나, 1991년 스위스의 그라첼(Grㅴtzel) 연구팀에 의하여 염료를 감광제로 이용하여 광전기화학형의 태양전지인 염료감응형 태양전지가 개발된 바 있다. 그라첼 등에 의하여 제안된 광전기화학형의 태양전지는 감광성 염료 분자와 나노 입자의 이산화티탄으로 이루어지는 산화물 반도체를 이용한 광전기화학형 태양 전지이다.
즉, 염료감응형 태양전지라 하면 투명 전극과 금속 전극 사이에 염료가 흡착된 산화티타늄과 같은 산화물층에 전해질을 삽입하여 광전기화학 반응을 이용하여 제조되는 태양전지이다. 일반적으로 염료감응형 태양전지는 2가지 전극(광전극과 대향전극)과, 무기 산화물, 염료 및 전해질로 구성되어 있는데, 염료감응형 태양전지는 환경적으로 무해한 물질/재료를 사용하기 때문에 환경친화적이고, 기존의 무기 태양전지 중 비정질 실리콘 계열의 태양전지에 버금가는 10% 정도의 높은 에너지 전환효율을 가지고 있고, 제조단가가 실리콘 태양전지의 20% 정도에 불과하여 상업화의 가능성이 매우 높은 것으로 보고된 바 있다.
상술한 것과 같은 광화학 반응을 이용하여 제조되는 염료감응형 태양전지 소자는 캐소드(cathode)와 애노드(anode) 사이에 빛을 흡수하는 염료들이 흡착되어 있는 산화물층과 전자를 환원시키는 전해질층이 도입된 다층형 전지 소자 구조로서, 종래의 염료감응형 태양전지 소자를 간단하게 설명하면 다음과 같다.
종래 다층 형태의 염료감응형 태양전지 소자는 일례로 기판/전극/염료가 흡착된 티타늄 산화물층/전해질/전극으로 구성될 수 있는데, 보다 구체적으로 살펴보면 하층으로부터 하부기판, 애노드, 염료가 흡착된 티타늄 산화물층, 전해질층, 캐소드 및 상부기판이 순차적으로 적층된 구조를 이루고 있다. 이 때, 통상적으로 하 부기판 및 상부기판은 유리 또는 플라스틱으로 제조되며, 상기 애노드는 ITO(indium-tin oxide) 또는 FTO(fluorine doped tin oxide)로 코팅되고, 캐소드는 백금으로 코팅된다.
이와 같이 구성되는 종래 염료감응형 태양전지 소자의 구동원리를 살펴보면, 염료가 흡착된 티타늄 산화물층에 광을 조사하면 염료가 광자(전자-정공쌍)들을 흡수하여 엑시톤(exciton)을 형성하고, 형성된 엑시톤은 기저상태에서 여기상태로 변환된다. 이로 인하여 전자와 정공쌍이 각각 분리되어 전자는 티타늄 산화물층으로 주입되고, 정공은 전해질층으로 이동한다. 여기에 외부회로를 설치하면 전자들이 도선을 통하여 티타늄 산화물층을 거쳐 애노드에서 캐소드로 이동하면서 전류를 발생시킨다. 캐소드로 이동한 전자는 전해질에 의하여 환원되어 여기 상태의 전자를 계속적으로 이동시키면서 전류를 발생시킨다.
그런데, 종래의 액체 전해질을 이용한 일반적인 염료감응형 태양전자 소자는 높은 에너지 전환 효율을 보이는 반면에 전해액의 누수와 용매의 증발로 인한 특성의 저하 등 안정성의 문제가 있는데, 이는 상업화에 있어서 큰 문제점으로 인식되고 있다. 이와 같은 전해액의 누설을 방지할 수 있도록 다양한 연구가 진행되고 있으며 특히 태양전지의 안정성과 내구성을 향상시킬 수 있는 고체 전해질을 이용한 염료감응형 태양전지의 개발이 이루어지고 있다.
액체 전해질의 상술한 문제점으로 인하여 폴리머에 전해액을 스며들게 하는 겔형 전해질도 제안되고 있으나, 전해질의 점도가 높고 특히 겔형 전해질의 가교점은 폴리머 사이의 약한 상호작용에 의하여 겔을 형성하고 있어 가열에 의하여 용이하게 액상화되는 문제가 있다.
예를 들어 대한민국 공개특허공보 제2003-65957호에서는 N-메틸-2-피롤리돈 또는 3-메톡시프로피오니트릴과 같은 용매에 용해된 폴리비닐리덴 플로라이드를 포함한 염료 감응 태양 전지를 기술하고 있다. 이와 같이 제조된 고분자 전해질은 상온에서 액체 전해질과 비슷한 높은 이온 전도도를 나타내지만, 기계적 물성이 떨어지기 때문에 전지의 제조 공정을 어렵게 하며, 또한 고분자 전해질의 보액성이 떨어지는 단점을 갖는다.
고체 전해질을 이용한 태양전지의 경우에는 제조된 전해질 용액에서 용매에 의한 효율 저하의 결점을 보완하기 위해서 용매를 제거하여 고체상에서 정공 전도체 물질을 이용하여 애노드 전극으로 들어온 전자를 쉽게 환원하여 염료를 다시 산화시킴으로써 전류가 흐르도록 구성한다.
용매가 없는 고체 고분자 전해질을 이용한 태양전지는 2001년 브라질의 De Paoli 그룹의 연구에 의하여 최초로 시도되었다. 이 그룹에서는 poly(epichlorohydrin-co-ethylene oxide)/NaI/I2로 구성되는 고분자 전해질을 제조하였으며, 100 ㎽/㎠에서 약 1.6%의 에너지 전환 효율을 갖는 것으로 보고한 바 있 다. 이어서 2002년 그리스의 Flaras 그룹은 결정성이 높은 polyethylene oxide에 티타늄 산화물 나노입자를 첨가하여 고분자의 결정성을 감소시킴으로써 I-/I3 -의 이동도를 향상시키는 연구를 수행하였다.
한편 최근 2004년에는 KIST의 촉진수송분리막 연구단에서 수소결합을 이용하여 저분자량의 폴리에틸렌글리콜(PEG)을 염료감응형 태양전지에 효과적으로 응용하는 연구를 수행하여, 에너지 전환 효율이 약 3.5%라는 결과를 보고한 바 있다.
이와 같은 고체 전해질을 이용한 염료감응형 태양전지에 있어서 관건은 이온전도도가 높은 고분자 전해질의 개발과, 염료와 고분자 전해질과의 계면 접촉을 증가시켜 에너지 전환 효율을 극대화시키는 것이라고 볼 수 있다.
그런데, 고체형태 및 이온전도도를 훼손하거나 감소시키지 않으면서, 상술한 문제점을 개선할 수 있는 고체형 염료 감응 태양전지 소자를 개발할 필요성은 여전히 당업계에서 해결하지 못한 과제로서, 이런 신소자를 개발할 필요성은 당업계에서 강하게 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 일 목적은 액정 화합물을 전해질 용액에 첨가하여 액정의 배향 특성을 통하여 고체가 된 이후에도 이온전도도를 증가시킬 수 있는 태양 전지 소자에 사용 될 수 있는 전해질 조성과, 이와 같이 액정 물질이 소정의 비율로 혼합된 전해질층을 포함하여 에너지 전환 효율이 크게 향상된 염료감응형 태양전지 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 염료감응형 태양전지에서 광전류 증대를 효율적으로 유도하기 위하여 염료와 전해질층의 표면 접촉이 극대화되도록 전해질층 제작에 있어서 침지법을 사용하여 제조되는 고효율의 염료감응형 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 염료감응형 태양전지에서 종래의 액체 전해질 사용에 따른 용매 누수 및 봉합제에 의한 내구성의 문제를 극복하며 소자 제작의 공정을 단순화하여 경제성을 개선시킨 염료감응형 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 이점을 후술하는 발명의 구성 및 첨부하는 도면을 통하여 보다 분명해 질 것이다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 본 발명은 하기 일반식 Ⅰ 내지 Ⅲ으로 표시되는 물질을 포함하는 태양전지 소자용 전해질을 제공한다.
Figure 112005028180952-pat00001
(일반식 Ⅰ에서 상기 R1은 C1~C20 알킬기, C1~C20 알콕시기, C1~C20 알킬기로 치환된 아릴기이다.)
한편, 본 발명에 따른 고분자 액정 물질은 하기 일반식 Ⅱ로 표시되는 실록산계 화합물 또는 하기 일반식 Ⅲ으로 표시되는 아크릴계 화합물이다.
Figure 112005028180952-pat00002
(상기 일반식 Ⅱ에서 R2는 치환되지 않거나 치환된 아릴기이고, m은 1~ 12의 정수이고, n은 10 이상의 정수, 바람직하게는 10~1000 사이의 정수이다.)
Figure 112005028180952-pat00003
(상기 일반식 Ⅲ에서 A는 에테르 또는 에스테르기이고, m은 1~12의 정수이고, n은 10 이상의 정수, 바람직하게는 10~1000 사이의 정수이다.)
상기 일반식 Ⅰ 내지 일반식 Ⅲ으로 표시되는 액정물질은 매트릭스 성분의 총량을 기준으로 5~95 중량%, 바람직하게는 20~80 중량%, 더욱 바람직하게는 40~60 중량%의 비율로 사용될 수 있다.
이 때, 상기 일반식 Ⅱ 또는 일반식 Ⅲ으로 표시되는 액정물질의 평균 분자량은 5,000 ~ 1,000,000 범위이다.
또한, 본 발명의 다른 관점에 따르면, 본 발명은 상기 일반식 Ⅰ 내지 일반식 Ⅲ으로 표시되는 액정 물질이 전해질층에 첨가되어 있는 고체형 염료감응형 태양전지 소자를 제공한다.
본 발명에 따른 상기 고체형 염료감응형 태양전지 소자는 제 1 전극, 상기 제 1 전극에 대향하는 제 2 전극 및 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 게재된 전해질층 및 염료가 흡착된 무기 산화물 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 관점에 따르면 상기 일반식 Ⅰ 내지 일반식 Ⅲ으로 표시되는 액정 물질을 전해질층에 포함하는 고체형 염료감응형 태양전지 소자의 제조 방법이 제공된다. 이 때, 태양전지 소자에 포함되는 산화물층은 바람직하게는 상기 액정 물질을 함유하는 전해질 용액에 담겨진 상태에서 제작된다.
이하, 첨부하는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
상술한 것과 같이, 일반적인 염료감응형 태양전지 소자는 염료에 의하여 흡 수된 빛이 전자-정공쌍을 방출하면서 전자들이 염료가 흡착된 산화물층으로 빠르게 이동하면서 외부 회로에 의하여 애노드에서 캐소드로 이동하고 이동한 전자들은 전해질에 의하여 다시 환원되면서 전류가 흐르도록 구성되어 있다. 이와 같은 염료감응형 태양전지 소자에 있어서 통상 액체 전해질을 사용하기 때문에 초기 에너지 전환효율은 높지만 용매의 누수 및 휘발 또는 봉합제와의 문제로 내구성이 떨어질 뿐 아니라 에너지 전환효율이 저하되는 문제점을 가지고 있다.
또한 종래의 고체 전해질을 이용한 염료감응형 태양전지 소자의 경우, 액체 상태에서는 전도도가 높지만 고체화한 후 이온 이동도가 떨어지고 산화물층- 전해질층 계면의 접촉 면적이 감소함에 따라 이온전도도가 급격히 저하되면서 태양전지의 에너지 전환효율을 크게 저하시키는 문제점이 있었다.
이에 본 발명자들은 에너지 전환효율을 향상시키기 위하여 전해질 용액에 배향성이 있는 저분자 액정 물질 또는 액정 고분자를 첨가시키면 전류가 발생함과 동시에 액정의 배향으로 인하여 이온의 이동도를 용이하도록 하는 고체형 염료감응형 태양전지 소자를 제작하였으며, 또한 산화물층과 전해질간의 계면 접촉을 용이하게 할 수 있도록 염료들이 흡착된 산화물층을 전해질 용액에 담금으로써, 즉 침지법을 통하여 태양전지 소자를 제작하였다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 액정물질이 첨가된 고체 전해질을 적용하여 제작된 고체형 염료감응형 태양전지 소자의 단면도로서, 도시된 것과 같 이 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제작된 고체형 염료감응형 태양전지 소자는 2개의 투명 기판인 제 1 기판(1001)과 제 2 기판(1006) 사이에 각각 제 1 전극(1002) 및 제 2 전극(1004)이 서로 대향적으로 구성되어 있으며, 상기 제 1 전극(1002) 및 제 2 전극(1004)의 사이로 산화물층(1003)과 전해질층(1004)이 개재되어 있는 다층 박막 형태를 가지고 있다.
상기 제 1 기판(1001)은 유리 또는 예컨대 PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthelate), PP(polypropylene), PI(polyamide), TAC(tri acetyl cellulose) 등을 포함하는 플라스틱과 같은 투명 물질로 제조될 수 있으며, 바람직하게는 유리로 제조된다.
상기 제 1 전극(1002)을 상기 제 1기판(1001)의 일면에 투명 물질에 의하여 형성되는 전극이다. 상기 제 1 전극(1002)은 애노드로 기능하는 부분으로서, 상기 제 1 전극(1002)으로는 상기 제 2 전극(1005)에 비하여 일함수(work function)가 작은 물질로서 투명성 및 도전성을 갖는 임의의 물질이 사용될 수 있다. 본 발명에 있어서 상기 제 1 전극(1002)은 스퍼터링 또는 스핀코팅 방법을 사용하여 상기 제 1 기판(1001)의 이면으로 도포되거나 또는 필름 형태로 코팅될 수 있다.
본 발명과 관련하여 상기 제 1 전극(1002)으로 사용될 수 있는 물질은 ITO(indium-tin oxide), FTO(Fluorine doped tin oxide), ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), SnO2-Sb2O3 등에서 임의로 선택될 수 있으며, 특히 바람직하게는 ITO 또는 FTO이다.
그리고 상기 산화물층(1003)은 무기 산화물, 바람직하게는 나노 입자 형태의 전이금속 산화물로서, 예를 들어 티타늄 산화물, 스칸듐 산화물, 바나듐 산화물, 아연 산화물, 갈륨 산화물, 이트륨 산화물, 지르코늄 산화물, 니오브 산화물, 몰리브덴 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물, 란탄족 산화물, 텅스텐 산화물, 이리듐 산화물과 같은 전이금속 산화물은 물론이고, 마그네슘 산화물, 스트론튬 산화물과 같은 알칼리토금속 산화물 및 알루미늄 산화물 등을 포함한다. 본 발명과 관련하여 무기 산화물로 사용될 수 있는 물질은 나노 입자 형태의 티타늄 산화물이다.
본 발명에 따른 상기 산화물층(1003)은 상기 제 1 전극(1002)의 일면에 코팅처리한 후 열처리에 의하여 제 1 전극(1002)으로 도포되는데, 일반적으로 닥터블레이드법 또는 스크린 프린트 방법으로 무기 산화물을 포함하는 페이스트를 약 0.1 ~ 100 ㎛, 바람직하게는 1 ~ 50 ㎛, 보다 바람직하게는 5 ~ 30 ㎛의 두께로 제 1 전극(1002)의 이면으로 코팅처리하거나 스핀 코팅 방법, 스프레이 방법, 습식 코팅 방법을 사용할 수 있다.
본 발명의 염료감응형 태양전지 소자를 구성하는 상기 산화물층(1003)에는 광감응 염료가 흡착되어 있다. 이에 따라 태양광이 조사되면 광양자는 산화물층(1003)에 흡착된 염료에 흡수되어 염료가 여기상태로 전자 전이하여 전자-정공쌍을 형성하고, 여기상태의 전자는 산화물층(1003)의 전도대(conduction band)로 주입되면 주입된 전자는 제 1 전극(1002)으로 이동한 후 외부 회로에 의하여 제 2 전극(1005)으로 이동한다. 제 2 전극(1005)으로 이동한 전자는 전해질층(1004)에 함유되어 있는 전해질 조성에 의한 산화환원에 의하여 전해질층(1004)으로 이동된다. 한편, 염료는 무기 산화물에 전자를 전이한 후 산화되지만, 전해질층(1004)으로 전달된 전자를 받아 원래의 상태로 환원된다. 이에 따라 전해질층(1004)은 제 2 전극(1005)으로부터 전자를 받아 이를 염료에 전달하는 역할을 수행하는 것이다.
본 발명에 따라 상기 산화물층(1003)에 화학적으로 흡착되는 광감응 염료는 자외선 및 가시광선 영역의 광을 흡수할 수 있는 물질로서 루테늄 복합체와 같은 염료가 사용될 수 있다. 산화물층(1003)에 흡착되는 광감응 염료로는 루테늄 535 염료, 루테늄 535 비스-TBA 염료, 루테늄 620-1H3TBA 염료 등의 루테늄 착체로 이루어지는 광감응 염료를 포함하며, 바람직하게는 루테늄 535 염료를 사용한다. 다만 산화물층(1003)에 화학 흡착될 수 있는 감광응 염료는 전하 분리 기능을 갖는 임의의 염료가 사용될 수 있는데, 루테늄계 염료 외에 크산텐계 염료, 시아닌계 염료, 포르피린계 염료, 안트라퀴논계 염료 등이 사용될 수 있다.
상기 염료를 산화물층(1003)에 흡착시키기 위해서 통상적인 방법이 사용될 수 있으나, 바람직하게는 상기 염료를 알코올, 니트릴, 할로겐화탄화수소, 에테르, 아미드, 에스테르, 케톤, N-메틸피롤리돈 등의 용매에 용해시킨 뒤, 산화물층 (1003)이 도포된 광전극을 침지하는 방법을 사용할 수 있다.
이어서, 상기 산화물층(1003)에 인접하여 형성되는 상기 전해질층(1004)은 캐리어 이동층으로서의 역할을 수행하는데, 본 발명에 따른 상기 전해질층(1004)은 실질적인 전하 이동 역할을 수행하기 위하여 산화/환원쌍이 포함되어 있는 전해질 조성물과, 상기 전해질 조성물의 누설 및 휘발을 방지할 수 있는 매트릭스 성분을 포함한다. 이 때, 상기 전해질층(1004)은 산화/환원쌍이 용매에 용해된 용액과 매트릭스 성분으로 구성되는 겔형 전해질이거나 또는 용융염과 매트릭스 성분으로 구성되는 완전 고체형 전해질일 수 있다. 본 발명과 관련하여 특히 바람직한 것은 겔형 전해질이다.
우선, 상기 전해질 조성물에 포함되는 가역적인 산화/환원쌍으로서의 전해질로는 할로겐 이온을 카운터 이온으로 사용하는 할로겐 화합물/할로겐 분자로 구성되는 할로겐 산화환원계 전해질, 하이드로퀴논/퀴논 등과 같은 방향족 산화환원계 전해질, 페로시안산염/페르시안산염 또는 페로센/페르시니움 이온 등과 같은 금속 산화환원계 전해질 등이 사용될 수 있으나, 특히 바람직한 것은 할로겐 산화환원계 전해질이다.
본 발명에 따른 산화/환원쌍으로 사용될 수 있는 할로겐 화합물/할로겐 분자로 구성되는 할로겐 산화환원계 전해질에 있어서 사용되는 할로겐 분자로는 예를 들어 요오드 분자(I2) 또는 브롬 분자(Br2) 등을 들 수 있고, 특히 요오드 분자가 바람직하다. 한편, 할로겐 이온을 카운터 이온으로 하는 할로겐 화합물에는 할로겐화 금속염(할로겐화 금속화합물) 또는 할로겐화 유기염(할로겐화 유기화합물)을 포함한다.
상술한 산화/환원쌍이 용매에 용해되어 사용되는 경우 산화/환원쌍은 용매에 대하여 임의의 농도로 사용될 수 있는데, 일례로 상기 할로겐 화합물은 용매에 대하여 0.05 ~ 5 M 농도, 바람직하게는 0.2 ~ 1 M 농도이며, 할로겐 분자는 용매에 대하여 0.0005 ~ 1 M 농도, 바람직하게는 0.001 ~ 0.1 M 농도로 사용될 수 있다. 이 때, 할로겐 화합물과 할로겐 분자는 산화/환원 반응이 가역적으로 일어날 수 있는 비율로 혼합될 수 있는데, 일례로 할로겐 화합물과 할로겐 분자는 약 0.5:1 ~ 10:1의 중량비, 바람직하게는 약 2:1 ~ 5:1의 중량비로 사용될 수 있다.
본 발명의 산화/환원쌍으로 바람직한 할로겐 산화환원계 전해질을 구성하는 할로겐 화합물 중 할로겐화 금속화합물의 양이온으로는 Li, Na, K, Mg, Ca, Ca 등이 사용될 수 있는데, 예를 들어 LiI, NaI, KI, CsI 등의 요오드화 알칼리 금속화합물, CaI2 등의 요오드화 알칼리토 금속화합물 등의 할로겐화 금속염을 들 수 있다. 특히, 바람직한 할로겐화 금속화합물의 산화/환원쌍으로는 LiI/I2, KI/I2, NaI/I2, CsI/I2 등을 들 수 있다.
한편, 산화/환원쌍을 구성하는 할로겐화 유기화합물의 양이온으로는 이미다졸리움(imidazolium), 테트라알킬암모늄(tetra-alkyl ammonium), 피리디니움(pyridinium), 피롤리디니움(pyrrolidinium), 피라졸리디움(pryazolidium), 이소티아졸리디니움(isotiazolidium), 트리아졸리움(triazolium) 등의 암모늄 화합물이 적합하지만 이에 한정되지는 않는다. 본 발명에 따라 산화/환원쌍으로 사용될 수 있는 할로겐화 유기화합물로는 n-메틸이미다졸리움 요오드, n-에틸이미다졸리움 요오드, 1-벤질-2-메틸이미다졸리움 요오드, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 요오드, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 요오드, 1-메틸-3-프로필이미다졸리움 요오드, 1-메틸-3-이소프로필이미다졸리움 요오드, 1-메틸-3-부틸이미다졸리움 요오드, 1-메틸-3-이소부틸이미다졸리움 요오드, 1-메틸-3-s-부틸이미다졸리움 요오드, 1-메틸-3-펜틸이미다졸리움 요오드, 1-메틸-3-이소펜틸이미다졸리움 요오드, 1-메틸-3-헥실이미다졸리움 요오드, 1-메틸-3-이소헥실이미다졸리움 요오드, 1-메틸-3-엑틸이미다졸리움 요오드, 1,2-디메틸-3-프로필이미다졸리움 요오드, 1-에틸-3-이소프로필이미다졸리움 요오드, 1-프로필-3-프로필이미다졸리움 요오드 또는 이들 혼합물을 들 수 있다. 본 발명과 관련하여 특히 바람직한 할로겐화 유기화합물/할로겐 분자의 산화/환원쌍으로는 트리메틸암모늄 요오드(trimethyl ammonium iodide)/I2 또는 테트라프로필 암모늄 요오드(tetrapropyl ammonium iodide, TPAI)/I2 , 테트라부틸암모늄 요오드(tetrabutyl ammonium iodide, TBAI)/I2 와 같은 테트라알킬암모늄 요오드(tetra alkyl ammonium iodide)/I2 이다.
한편, 상기 할로겐화 유기화합물은 할로겐 분자와 함께 산화/환원쌍을 구성하여 사용될 수 있으나, 할로겐 분자를 구성하지 않고 이온성 액체의 형태로 전해질 조성물에 첨가될 수 있다. 본 발명에 따라 이온성 액체로 첨가될 수 있는 할로겐화 유기화합물로는 상술한 산화/환원쌍을 구성하는 유기 할로겐화물이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 n-메틸이미다졸리움 요오드, n-에틸이미다졸리움 요오드, 1-벤질-2-메틸이미다졸리움 요오드, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 요오드, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 요오드 등의 알킬 이미다졸리움 계의 화합물이고, 특히 바람직하게는 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 요오드이다.
한편, 상술한 산화환원 전해질 성분이 겔형 전해질로 사용되는 경우에는 상술한 산화/환원쌍은 이를 함유하는 용액의 형태로 제공될 수 있다. 본 발명과 관련하여 전해질층(1004)을 구성하는 용매는 전해질을 용해시킬 뿐 아니라, 후술하는 매트릭스 성분 중 바인더로 기능하는 매트릭스 폴리머를 용해시키기 위한 용도이다.
본 발명에 따라 사용될 수 있는 용매는 전기화학적으로 불활성인 것을 사용할 수 있는데, 알코올, 에테르, 에스테르, 락톤, 니트릴, 케톤, 아미드, 할로겐화탄화수소, 디메틸설폭사이드, N-메틸피롤리돈, 메톡시프로피오니트릴, 프로필이미다졸, 헥실이미다졸, 피리딘, 아세토니트릴, 메톡시아세토니트릴, 테트라하이드로퓨란, 디에틸에테르, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜은 물론이고, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 감마-부티로락톤, 디메틸포름아미드, 디에틸카보네이트, 디메틸카보네이트, 또는 이들 혼합물을 사용할 수 있다. 특히 바람직한 것은 아세토니트릴, 메톡시프로피오니트릴, 메톡시아세토니트릴, 에틸렌글리콜에서 선택되는 기본 용매와 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디에틸카보네이트, 디메틸카보네이트, 감마-부티로락톤, 디메틸포름아미드 또는 이들 혼합물 중에서 선택되는 첨가 용매의 조합을 들 수 있다. 상술한 기본 용매와 첨가 용매가 조합되어 사용되는 경우에 그 조합은 임의의 비율에서 선택될 수 있는데, 일례로 기본 용매로 아세토니트릴이 사용되고 첨가 용매로 에틸렌카보네이트/프로필렌카보네이트가 사용되는 경우에는 기초용매:첨가용매는 약 0.5:1 ~ 3:1의 중량비로 조합될 수 있다.
특히, 상술한 용매 중에서 전해질 조성물에 포함되는 전해질염을 해리시키고 이온을 전달을 향상시키기 위한 가소제가 더욱 포함될 수 있는데, 본 발명과 관련하여 바람직한 가소제로는 점도가 낮고 유전상수가 높은 물질이다. 구체적으로는 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC) 등의 환형카보네이트, 디메틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 디메틸카보네이트 등의 사슬형카보네이트, 감마-부티로락톤, 프로피온산 메틸, 프로피온산 에틸,환상 에테르로서 테트라하이드로퓨란, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 쇄상 에테르로서 디메톡시에탄, 디에톡시에탄, 또는 디메틸포름아마이드 또는 이들 혼합물을 사용할 수 있으며, 특히 바람직한 것은 에틸렌 카보나이트/프로필렌카보네이트이다. 에틸렌카보네이트와 프로필렌카보네이트의 혼합물이 첨가 용매, 즉 가소제로 사용되는 경우 그 비율은 대략 1:1 내지 10:1의 부피비로 사용된다.
한편, 본 발명과 관련하여 전해질층(1004)에는 상술한 산화/환원쌍 및 용매를 포함하는 전해질 조성물 외에도 일례로 액상의 조성물의 누수 및 휘발을 방지하기 위하여 매트릭스 성분을 포함하고 있다. 본 발명에 따라 사용되는 매트릭스 성분에는 바인더로 기능하는 매트릭스 폴리머와 위 매트릭스 폴리머에 대하여 소정의 비율로 혼합되는 액정물질이 포함되어 있다.
본 발명에 따른 매트릭스 성분을 구성하는 매트릭스 폴리머는 바인더로 기능하는 물질로서 바람직하게는 폴리아닐린, 폴리아세틸렌, 폴리티오펜, 폴리페닐렌비닐렌과 같은 전도성 고분자는 물론이고 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리메타크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜(PEG)과 같은 고분자를 포함한다. 특히, 본 발명과 관련하여 매트릭스 역할을 수행하는 매트릭스 폴리머로서는 말단의 시안기(-CN)기를 가지고 있는 폴리아크릴로니트릴이 바람직하다. 폴리아크릴로니트릴은 매우 우수한 전도성 고분자일 뿐 아니라 말단 시안기로 인하여 전해질층(1004)에 인접하여 형성되는 산화물층(1003)과의 계면 접착에 용이할 뿐 아니라, 본 발명에 따라 매트릭스 성분으로 포함되는 액정물질, 특히 저분자 액정물질을 배향시키는 데 용이한 구조이다.
한편, 상술한 매트릭스 폴리머와 함께 매트릭스 성분을 구성하는 액정물질로 는 하기 화학식 Ⅰ로 표시되는 저분자 액정물질, 하기 화학식 Ⅱ로 표시되는 실록산계 고분자 액정물질 또는 하기 화학식 Ⅲ으로 표시되는 아크릴계 고분자 액정물질이 소정의 비율로 혼합된 고체형 전해질이 사용된다. 상기 일반식 Ⅰ 내지 일반식 Ⅲ으로 표시되는 액정물질은 매트릭스 성분의 총량을 기준으로 5~95 중량%, 바람직하게는 20~80 중량%, 보다 바람직하게는 40~60 중량%의 비율로 혼합될 수 있다.
Figure 112005028180952-pat00004
(일반식 Ⅰ에서 상기 R1은 C1~C20 알킬기, C1~C20 알콕시기, C1~C20 알킬아릴기이다.)
Figure 112005028180952-pat00005
(상기 일반식 Ⅱ에서 R2는 치환되지 않거나 치환된 아릴기, m은 1~ 20 정수; n은 10 이상의 정수이다.)
Figure 112005028180952-pat00006
(상기 일반식 Ⅲ에서 R4는 수소 또는 C1~C10의 알킬기; A는 에테르 또는 에스테르, 케톤기, m은 1~20 정수; n은 10 이상의 정수이다.)
본 발명과 관련하여 전해질층(1004)에 첨가되는 액정물질을 보다 구체적으로 살펴본다. 우선, 상기 화학식 Ⅰ로 표시되는 저분자 액정물질은 하나, 바람직하게는 2이상의 액정물질이 혼합되어 사용된다. 바람직하게는 상기 화학식 Ⅰ의 R1이 C1~C20 알킬기로 치환된 액정 물질(알킬-치환 액정물질)과, C1~C20의 알콕시기로 치환된 액정 물질(알콕시-치환 액정물질) 및 C1~C20의 알킬아릴기로 치환된 액정 물질(알킬아릴-치환 액정물질)의 액정 혼합물을 사용할 수 있다.
이 때, 상기 알킬-치환 액정물질로는 예를 들어 펜틸-치환 액정물질 및 헵틸-치환 헵틸-치환 액정물질을 포함하고, 상기 알콕시-치환 액정물질은 옥틸록시-치 환 액정물질을 포함하며, 상기 알킬아릴-치환 액정물질은 펜틸벤질-치환 액정물질을 포함할 수 있다.
특히, 본 발명에 따라 사용될 수 있는 알킬 치환 액정물질로는 하기 화학식 (1a) 로 표시되는 4-n-펜틸-4'-시아노바이페닐 (4-n-pentyl-4'-cyanobiphenyl), 하기 화학식 (1b)로 표시되는 4-n-헵틸-4'-시아노바이페닐 (4-n-heptyl-4'-cyanobiphenyl)을 포함하며, 알콕시 치환 액정 물질로는 하기 화학식 (1c)로 표시되는 4-n-옥틸록시-4'-시아노바이페닐(4-n-octyloxy-4'-cyanobiphenyl)을 포함하며, 알킬아릴 치환 액정물질로는 하기 화학식 (1d)로 표시되는 4-펜틸-[1,1';4',1"]-터르페닐-4"-카보니트릴(4-pentyl-[1,1';4',1"]-terphenyl-4"-carbonitrile), 또는 4-펜틸-[1,1';4',1"]-4"-시아노터르페닐(4-pentyl-[1,1';4',1"]-4"-cyanoterphenyl)을 포함한다.
Figure 112006074437937-pat00036
Figure 112006074437937-pat00007
Figure 112005028180952-pat00008
Figure 112005028180952-pat00009
특히 본 발명과 관련하여 저분자 액정물질이 혼합물로 사용되는 경우 액정물질의 총량을 기준으로 상기 화학식 (1a)의 액정물질은 35~65 중량%, 바람직하게는 40~60 중량%, 상기 화학식 (1b)의 액정물질은 15~35 중량%, 바람직하게는 20~30 중량%, 상기 화학식 (1c)의 액정물질은 10~30 중량%, 바람직하게는 15~25 중량%, 상기 화학식 (1d)의 액정물질은 3~15 중량%, 바람직하게는 5~10 중량%의 비율로 혼합된다. 이와 관련하여 특히 바람직한 물질은 상기 화학식 (1a)의 물질이 51 중량%, 상기 화학식 (1b)의 물질이 25 중량%, 상기 화학식 (1c)의 물질이 16 중량%, 상기 화학식 (1d)의 물질이 8 중량%로 혼합되어 있는 머크사(Merchkgaa)의 E7을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 상기 일반식 Ⅱ로 표시되는 실록산계 고분자 액정물질 또는 상기 일반식 Ⅲ으로 표시되는 아크릴계 고분자 액정물질의 평균분자량은 5,000 ~ 1,000,000 범위인 것을 사용할 수 있다.
특히, 상기 실록산계 고분자 액정물질로서 하기 화학식 (2a)로 표시되는 폴리(4'-[(알콕시)카르보닐]-페닐벤조에이트-4-일록시헥실 메틸실록산(poly(4'- [(alkoxy)carbonyl]-phenylbenzoate-4-yloxyhexyl methylsiloxane)) 또는 하기 하기 화학식 (2b)로 표시되는 폴리(4'-시아노-바이페닐-4-일록시프로필메틸실록산)(poly(4'-cyano-biphenyl-4-yloxypropyl methylsiloxane))과 같은 고분자 액정물질이 바람직하다.
Figure 112005028180952-pat00010
(상기 화학식 2a에서 R3는 직쇄 또는 측쇄의 C1~C10의 알킬기임.)
Figure 112005028180952-pat00011
특히, 상기 화학식 (2a)에 포함될 수 있는 물질은 화학식 (2a)의 R3가 이소펜틸기로 구성되어 있는 실록산계 고분자인 폴리(4'-[(2-메틸부톡시)카르보닐]-페닐벤조에이트-4-일록시헥실메틸실록산(poly(4'-[(2-methyhlbutoxy)carbonyl]-phenylbenzoate-4-yloxyhexyl methylsiloxane))으로서 예를 들어 머크사에서 LCP 1이라는 제품명으로 판매하고 있는 물질을 포함하며, 상기 화학식 (2b)의 물질인 폴리(4'-시아노-바이페닐-4-일록시프로필메틸실록산)으로서 예컨대 머크사에서 LCP 83이라는 제품명으로 판매되고 있는 물질이 사용될 수 있다.
한편, 상기 화학식 Ⅲ의 아크릴계 고분자 액정물질로서 하기 화학식 (3a)로 표시되는 폴리(4'-시아노-바이페닐-4-일록시카보닐데실 메타크릴레이트) (poly(4'-cyano-biphenyl-4-yloxycaronyldecyl methacryalte))와, 하기 화학식 (3b)로 표시되는 폴리(4'-시아노-바이페닐-4-일록시프로필 아크릴레이트) (poly(4'-cyano-biphenyl-4-yloxypropyl acrylate)와, 하기 화학식 (3c)로 표시되는 폴리(4'-시아노-바이페닐-4-일록시카보닐부틸 아크릴레이트) (poly(4'-cyano-biphenyl-4-yloxycarbonylbutyl acrylate))를 포함한다.
Figure 112005028180952-pat00012
Figure 112005028180952-pat00013
Figure 112005028180952-pat00014
상기 화학식 (3a) 내지 (3b)로 각각 표시되는 물질로서 머크사에서 각각 LCP 94, LCP 95, LCP 105라는 제품명으로 판매되고 있는 물질을 들 수 있다.
상술한 매트릭스 성분, 즉 매트릭스 폴리머와 액정물질은 전해질 조성물에 포함된 용매를 기준으로 대략 1:30 ~ 1:5의 중량비율로 조합된다. 한편, 바람직한 실시예에 따르면 상기 매트릭스 성분은 전해질 조성물에 사용된 이온성 액체를 기준으로 대략 0.5 ~ 2 : 1의 중량비율로 사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 고체형 염료감응형 태양전지를 이루는 상기 제 2 전극(1005)은 제 2 기판(1006)의 이면에 도포된 전극으로서, 캐소드로서 기능한다. 이 때, 제 1 전극(1002)을 제 1 기판(1001)의 이면에 접착하는 방법과 동일하게 스퍼터링 또는 스핀코팅의 방법을 사용하여 제 2 전극(1005)을 제 2 기판(1006)의 이면으로 도포하거나 코팅할 수 있다.
제 2 전극(1005)에 사용될 수 있는 물질은 상기 제 1 전극(1002)에 사용된 물질보다 일함수 값이 큰 물질로서 백금(Pt), 금, 탄소 등이 사용될 수 있으며 바 람직하게는 백금이 사용된다.
상기 제 2 기판(1006)은 상기 제 1 기판(1001)과 유사한 투명 물질로서, 유리, 또는 PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthelate), PP(polypropylene), PI(polyamide), TAC(tri acetyl cellulose) 등을 포함하는 플라스틱과 같은 투명 물질로 제조될 수 있으며, 바람직하게는 유리로 제조된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제작되는 고체형 염료감응형 태양전지 소자의 제작 공정을 살펴보면 다음과 같다.
우선, 제 1 전극 물질이 도포되어 있는 제 1 기판 상에 바람직하게는 콜로이드 상태의 티타늄 산화물인 무기 산화물을 약 5 ~ 30 ㎛의 두께로 도포하거나 캐스팅하고, 약 200 ~ 700 ℃, 바람직하게는 250 ~ 600 ℃의 온도로 소성(sintering)하여 유기물을 제거된 제 1기판-제 1전극-무기 산화물이 차례로 도포/적층된 광전극을 형성한다. 이어서 제작된 산화물층에 염료를 흡착시키기 위하여 미리 준비한 에탄올 용액에 염료, 예를 들어 루테늄 535 염료를 첨가하여 염료 용액을 제조한 뒤, 이 염료 용액으로 산화물층이 도포된 투명 기판(예를 들어 FTO 등으로 코팅된 유리 기판, 광전극)을 넣어서 산화물층으로 염료를 흡착한다. 염료가 완전히 산화물층으로 흡착된 후에 물리적으로 흡착된 염료를 제거하기 위하여 에탄올 등으로 세척한 후 건조한다.
염료가 흡착된 산화물층이 도포된 투명 기판이 제작되면 본 발명에 따른 액정물질이 포함된 전해질 용액을 원하는 크기로 제작한 접착틀을 사용하여 산화물층의 상부로 전해질 용액을 캐스팅하고, 유리 기판 위에 백금 전구체 물질을 소성하여 제작한 백금 전극을 접합시킴으로써 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지 소자가 제작된다.
이 때, 특히 액정물질이 포함된 전해질 용액을 제 1 기판-제 1 전극-산화물층이 차례로 적층된 광전극의 이면에 형성하기 위해서 우선 염료가 흡착된 무기 산화물이 포함된 광전극을 액정물질이 포함된 전해질 용액으로 소정의 시간동안 침지시켜 전해질 용액이 무기 산화물의 기공속으로 충분히 흡수되도록 한다. 이어서 일정 크기의 접착틀을 광전극 상면에 부착한 후 다시 액정물질이 포함된 전해질 용액을 산화물층의 일면으로 균일하게 도포한 뒤, 접착틀을 제거하고 건조시킨다.
일반적인 산화물층과 염료와 전해질간의 계면 접착 특성은 전해질에서의 고분자의 용해 특성과 관능기에 의하여 결정되며, 전해질의 이온 전도도는 용매의 특성과 첨가물에 의하여 결정된다고 볼 수 있다. 전해질의 구성요소 중 특히 매트릭스 역할을 수행하는 바인더로서 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN)은 물성이 우수한 전도성 고분자로서 말단에 형성된 시안기(C-N)는 산화물층과 계면 접착에 용이하며 본 발명에 따라 첨가되는 액정 물질, 특히 저분자 액정 물질을 배향하는 데 용이하다.
본 발명의 바람직한 실시예 따라 고체 전해질층에 액정물질이 소정 비율로 혼합되어 있는 고체형 염료감응형 태양전지 소자는 종래 제조된 태양전지 소자와 비교할 때 에너지 효율 등에 있어서 크게 개선된 것임을 확인하였다. 도 5 내지 도 10은 각각 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상술한 액정물질이 소정 비율로 혼합된 고체 전해질층을 이용하여 제작된 고체형 염료감응형 태양전지 소자에 대한 전기 광학적 특성 중 인가된 전압에 대한 전류의 세기(전류-전압)를 측정한 그래프이다.
각각의 그래프에서 x의 값은 개방회로 전압(open-circuit voltage, Voc)이고, y축은 단락회로 전류(short-circuit current, Isc)로서 전압과 전류의 최대 한계치로 표현된다. 개방회로 전압은 회로가 개방된 상태, 즉 무한대의 임피던스가 걸린 상태 또는 전류 흐름이 0인 상태에서 빛을 받았을 경우의 태양전지의 출력 전압을 측정한 값이다. 한편 단속회로 전류는 회로가 단락된 상태, 즉 외부정항이 없는 상태 또는 저항이 0인 상태에서 빛을 받았을 때 단락회로를 지나는 전류값을 의미한다.
도 5 내지 도 10에서 알 수 있는 것과 같이 본 발명에 따라 액정 물질이 소정 비율로 혼합된 고체 전해질로부터 제조된 고체형 염료감응형 태양전지 소자는 우수한 전기 광학적 특성을 가지고 있었으며, 이 결과를 토대로 에너지 전환 효율을 측정한 결과 에너지 전환 효율이 종래의 염료감응형 태양전지 소자에 비하여 월등이 개선된 것임을 확인할 수 있었다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예증하기 위한 것에 불과하고, 본 발명에 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 결코 아니다.
실시예 1 : 염료가 흡착된 산화물층의 제조
입자크기가 9 ㎚인 콜로이드 상태의 티타늄 옥사이드 페이스트를 15 ㎜ × 15 ㎜ 크기로 절단하고 세척된 FTO(Fluorine doped tin oxide, SnO2:F, 15 ohm/sq)로 코팅된 유리 기판 위에 닥터블레이드법(doctor-blade method)을 이용하여 두께가 10 ㎛ 정도 되도록 얇게 도포한 후 전기도가니에 넣어 실온에서 450 ℃까지 승온하여 30 분가량 유기물을 제거한 후 다시 실온으로 하강시켰다. 온도 상승속도와 하강속도는 분당 약 5 ℃ 정도였다. 유기물이 제거되고 티타늄 산화물만 도포된 기판을 염료 용액에 실온에서 24시간 넣어 두어 티타늄 산화물층에 염료가 흡착되도록 하였다. 사용된 염료는 시스-비스(이소티오시아나토)비스(2,2'-비피리딜-4,4'-디카르보실라토) 루테늄(Ⅱ) (cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato)-ruthenium (Ⅱ), 루테늄 535 염료)로서 스위스 Solaronix 사로부터 구입하였다. 루테늄 535 염료 용액은 에탄올 100 mL에 루테늄 535 염료를 20 ㎎의 농도로 녹여서 제조하였다. 티타늄 산화물이 도포된 기판을 위 염료 용액에 24 시간 담근 후 염료가 흡착된 티타늄 산화물 기판을 꺼내서 물리적으로 흡착된 염료층을 제거하기 위하여 에탄올로 세척한 후 60 ℃에서 건조하여 염료가 흡착된 티타늄 산화물 기판을 제조하였다.
실시예 2 : 염료가 흡착된 티타늄 산화물 기판의 UV-VIS 흡수 스펙트럼 측정
상기 실시예 1에서 제조된 염료가 흡착된 티타늄 산화물 기판에 대한 흡광도를 UV-Visible 분광기를 이용하여 측정하였다. 흡광도의 비교 결과를 위하여 염료가 흡착되기 전의 티타늄 산화물 기판의 흡수 스펙트럼과 염료가 흡착되기 전의 염료 용액상의 흡수 스펙트럼도 함께 측정하였다. 측정은 OPTIZEN 2120 UV/VIS spectrometer (Mecasys Co., Ltd.)를 이용하여 수행되었으며, 본 실시예에 따른 UV-VIS 흡수 스펙트럼 결과는 도 2에 도시되어 있다.
도 2에 도시된 것과 같이 상기 실시예 1에서 제작된 염료가 흡착된 티타늄 산화물층과 염료가 흡착되기 전의 티타늄 산화물층을 비교해 보면 염료가 흡착되기 전의 티타늄 산화물층은 UV 최대 흡수 피크는 약 330 ㎚로서 주로 자외선 영역에서흡수를 하는 반면에, 염료가 흡착된 후의 티타늄 산화물층은 최대 흡수 피크가 약 350 ㎚, 410 ㎚ 및 550 ㎚에서 관측되어 가시광선 영역에서 전반적으로 넓은 흡수 파장을 나타내고 있음을 확인할 수 있다. 또한 염료가 흡착되기 전의 용액 상태의 최대 흡수 피크는 염료가 흡착된 후의 최대 흡수 피크과 비교할 때, 파장 변화가 거의 없었으나, 염료가 흡착된 티타늄 산화물층에서 흡광도가 크게 증가한 것으로 염료의 흡착이 흡광도를 크게 증가시키는 것으로 해석되어진다.
실시예 3 : 염료가 흡착된 티타늄 산화물 기판의 단면과 표면의 SEM 측정
상기 실시예 1에서 제조된 티타늄 산화물층과 염료가 흡착된 티타늄 산화물층의 표면과 단면에 관한 morphology를 SEM (Hitachi S4200)를 사용하여 측정하였다. 도 3a 및 도 3b는 각각 티타늄 산화물층과 염료가 흡착된 티타늄 산화물층의 단면에 대한 SEM 사진이고, 도 4a 및 도 4b는 각각 티타늄 산화물층과 염료가 흡착된 티타늄 산화물층의 표면에 대한 SEM 사진을 도시한 것이다.
전자주사현미경의 관측 결과에서 알 수 있는 것과 같이 티타늄 산화물은 기공이 있는 나노 결정체로 형성되어 있다는 사실을 확인할 수 있으며 특히 염료가 흡착된 티타늄 산화물층의 경우 기공의 크기가 염료가 흡착되기 전의 티타늄 산화물층에 비하여 다소 작아진 것을 알 수 있다. 또한 염료가 흡착되기 전 티타늄 산화물층의 두께가 약 10 ㎛ 정도로 고르게 도포되어 있는 것을 확인할 수 있었으며, 염료가 흡착된 후에도 도포된 두께의 차이는 거의 없고 표면이 균일하게 형성된 것을 확인할 수 있었다.
실시예 4 : 액정을 포함하는 전해질 용액의 제조
고분자 바인더로인 매트릭스 폴리머로서 폴리아크릴로니트릴 0.04 g, 머크사의 E7 0.04 g을 사용하였다. 또한 산화-환원쌍으로 TBAI/I2가 각각 0.072 g 및 0.024 g을 사용하였으며, 가소제로서 에틸렌 카보네이트/프로필렌 카보네이트를 각 각 0.423 g(0.32 ㏖), 0.095 g (0.08 ㏖)의 비율(1:4)로 첨가하였다. 이어서 이온의 전도도를 증가시킬 수 있도록 이온성 액체인 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 요오드0.08 g를 첨가하였다.
이어서 E7로 시판되고 있는 머크사의 저분자 액정 조성물을 폴리아크릴로니트릴과 동량의 중량비로 첨가하여 용매인 아세토니트릴(0.314 g, 0.4 ㏖)에 용해시켜 24 시간 동안 실온에서 stirring 하여 전해질 용액을 제조하였다.
실시예 5 : 액정을 포함하는 전해질 용액의 제조
전해질에 포함되는 액정 물질로서 각각 LCP 1 및 LCP 83으로 판매되고 있는 실록산계 액정 화합물과, LCP 94, LCP 95 및 LCP 105로 시판되고 있는 아크릴계 액정 화합물을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일한 절차에 따라 전해질 용액을 제조하였다.
실시예 6 : 액정을 포함하는 전해질 용액의 제조
본 실시예에서는 매트릭스 폴리머인 폴리아크릴로니트릴과 저분자 액정물질 혼합물인 E7을 25:75 중량비로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일한 절차와 조건에 따라 전해질 용액을 제조하였다.
실시예 7 : 액정을 포함하는 전해질 용액의 제조
본 실시예에서는 매트릭스 폴리머인 폴리아크릴로니트릴과 저분자 액정물질 혼합물인 E7을 75:25 중량비로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일한 절차와 조건에 따라 전해질 용액을 제조하였다.
실시예 8 : 전해질 용액을 이용한 고체형 전해질층 제작
상기 실시예 1에서 제조된 염료가 흡착된 티타늄 산화물 기판을 상기 실시예 4 내지 5에서 각각 제조된 전해질 용액에 실온에서 24 시간가량 넣어 두었다. 각각의 전해질 용액이 티타늄 산화물 기공 속으로 충분히 흡수되면 기판을 세척하고 5 ㎜ × 5 ㎜ 넓이로 틀을 만든 접착테이프를 사용하여 기판 위에 부착한 후 스포이드를 사용하여 상기 실시예 4에서 제조된 각각의 전해질 용액을 균일하게 도포하였다. 전해질 용액이 약간 건조하면 접착테이프를 제거하고 기판을 건조기에 넣고 50~60 ℃ 정도에서 2~3 시간 정도 건조시켰다.
실시예 9 : 전해질 용액을 이용한 고체형 전해질층 제작
상기 실시예 6에서 제조된 전해질 용액을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 8과 동일한 절차에 따라 고체형 전해질층을 제작하였다.
실시예 10 : 전해질 용액을 이용한 고체형 전해질층 제작
상기 실시예 7에서 제조된 전해질 용액을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 8과 동일한 절차에 따라 고체형 전해질층을 제작하였다.
실시예 11 : 백금 전극의 제조
투명한 염료감응형 태양전지를 제작하기 위하여 백금 전구체를 포함하는 페이스트를 사용하였다. 백금 전구체를 포함하는 페이스트는 스위스의 Solaronix 사로부터 구입하였다.
상기 실시예 1에서 제작한 티타늄 산화물층과 동일한 방법으로 15 ㎜ × 10 ㎜의 크기로 자른 FTO 유리 기판 위에 백금 전구체를 포함하는 페이스트를 실온에서 400 ℃까지 승온하여 백금을 도포하였다. 제작된 백금 전극을 Alpha Step을 사용하여 측정한 결과 두께가 약 100 ㎚ 정도임을 확인할 수 있었다.
실시예 12 : 고체형 염료감응형 태양전지 소자의 제작
상기 실시예 4 및 실시예 5를 통하여 염료가 흡착된 티타늄 산화물 위에 상기 실시예 8에 따라 제조된 각각의 액정 물질이 포함된 5 ㎜ × 5㎜ 크기의 고체 전해질이 도포된 전극 기판과 상기 실시예 10에서 제작된 백금 전극 기판을 소자 접합하여 고체형 염료감응형 태양전지 소자를 제작하였다.
실시예 13: 고체형 염료감응형 태양전지 소자의 제작
상기 실시예 9에서 제작된 고체형 전해질층을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 12와 동일한 절차에 따라 고체형 염료감응형 태양전지 소자를 제작하였다.
실시예 14: 고체형 염료감응형 태양전지 소자의 제작
상기 실시예 10에서 제작된 고체형 전해질층을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 12와 동일한 절차에 따라 고체형 염료감응형 태양전지 소자를 제작하였다.
실시예 15 : 고체형 염료감응형 태양전지 소자의 전기광학 특성 측정
상기 실시예 12를 통하여 제작된 각각의 고체형 염료감응형 태양전지 소자에 대한 전기 광학적 특성을 측정하였다.
위 실시예 12에 따라 각각의 액정 물질이 함유되어 있는 전해질을 포함하는 고체형 염료감응형 태양전지 소자의 전압-전류 밀도는 Keithley 236 Source Measurement와 Solar Simulator (300W simulator models 81150 and 81250, Spectra-physics Co.)를 사용하여 표준 조건 (AM 1.5, 100 ㎽/㎠, 25 ℃)에서 측정되었으며, 각각의 액정 물질을 포함하는 태양전지 소자의 전압-전류 밀도 측정 결과는 도 5 내지 도 10에 도시되어 있다.
도 5 내지 도 10은 각각 저분자 액정 혼합물인 E7(도 5), 실록산계 고분자 액정 물질인 LCP 1(도 6), LCP 83 (도 7), 아크릴계 고분자 액정 물질인 LCP 94(도 8), LCP 95(도 9), LCP 105(도 10)를 전해질에 포함시킨 염료감응형 태양전지 소자의 인가된 전압에 다른 전류 밀도 세기를 측정한 그래프이다.
도시된 것과 같이 본 발명에 따라 저분자 액정 혼합물인 E7 또는 고분자 액정 물질인 LCP 1, LCP 83, LCP 94, LCP 95, LCP 105를 전해질에 첨가하여 제작된 태양전지 소자는 개방회로 전압이 대략 0.5~0.6 V 정도이고, 단락회로 전류는 12~27 ㎃/㎠로 측정되었다.
특히, 저분자 액정물질인 E7이 전해질에 첨가된 염료감응형 태양전지 소자의 경우 에너지 전환효율은 8.9%에 달하였으며, 실록산계 또는 아크릴계 고분자 액정 물질이 첨가된 염료감응형 태양전지 소자의 경우에도 저분자 액정물질이 포함된 경우보다는 에너지 전환효율이 낮지만 종래의 고체형 염료감응형 태양전지와 비교하여 우수한 약 3% 정도의 에너지 전환효율을 나타내었다.
각각의 액정 물질이 전해질에 첨가된 고체형 염료감응형 태양전지 소자의 개방회로 전압, 단락회로 전류, Fill Factor 및 에너지 전환 효율은 하기 표 1에 표시하였다.
표 1. 고분자:액정(50:50 중량비)을 첨가한 고체 전해질을 이용한 태양전지 소자의 전기 광학적 특성
액정 물질 개방회로 전압(Voc) (V) 단락회로전류(Isc) (㎃/㎠) Fill Factor* (FF) 에너지 전환 효율** (%)
E7 0.66 27.80 0.49 8.93
LCP 1 0.47 15.05 0.41 2.90
LCP 83 0.54 16.43 0.41 3.60
LCP 94 0.64 12.52 0.48 3.82
LCP 95 0.52 15.80 0.42 3.46
LCP 105 0.56 12.20 0.45 3.06
*: 최대전력점에서 전압값(Vmp) × 전류밀도(Imp) / (Voc × Isc)
**: FF × { (Isc × Voc) / Pin}, Pin = 100 [㎽/㎠]
실시예 16
상기 실시예 13에서 제조된 고체형 염료감응형 태양전지 소자에 대하여 상기 실시예 15와 동일한 절차와 조건에 따라 제조된 소자의 전기 광학적 특성을 분석하였다. 분석결과는 하기 표 2에 표시되어 있다.
표 2. 고분자:액정(25:75 중량비)을 첨가한 고체 전해질을 이용한 태양전지 소자의 전기 광학적 특성
액정 물질 개방회로 전압(Voc) (V) 단락회로전류(Isc) (㎃/㎠) Fill Factor* (FF) 에너지 전환 효율** (%)
E7 0.61 15.49 0.46 4.41
*: 최대전력점에서 전압값(Vmp) × 전류밀도(Imp) / (Voc × Isc)
**: FF × { (Isc × Voc) / Pin}, Pin = 100 [㎽/㎠]
실시예 17
상기 실시예 14에서 제조된 고체형 염료감응형 태양전지 소자에 대하여 상기 실시예 15와 동일한 절차와 조건에 따라 제조된 소자의 전기 광학적 특성을 분석하였다. 분석결과는 하기 표 3에 표시되어 있다.
표 3. 고분자:액정(75:25 중량비)을 첨가한 고체 전해질을 이용한 태양전지 소자의 전기 광학적 특성
액정 물질 개방회로 전압(Voc) (V) 단락회로전류(Isc) (㎃/㎠) Fill Factor* (FF) 에너지 전환 효율** (%)
E7 0.61 15.30 0.47 4.36
*: 최대전력점에서 전압값(Vmp) × 전류밀도(Imp) / (Voc × Isc)
**: FF × { (Isc × Voc) / Pin}, Pin = 100 [㎽/㎠]
비교예: 액정을 포함하지 않은 고체형 염료감응형 태양전지 소자의 전기광학적 특성 측정
본 발명에서 사용된 액정 물질이 첨가된 전해질을 이용한 고체형 염료감응형 태양전지 소자 대신에 액정 물질을 포함하지 않는 종래의 고체형 염료감응형 태양전지 소자의 전기광학적 성질을 측정하였다.
우선 액정 물질을 첨가하지 않은 점을 제외하고, 상기 실시예 4와 동일한 절차와 조건에 따라 전해질 용액을 제조하여 이로부터 고체형 염료감응형 태양전지 소자를 제작하였다. 제작된 액정을 포함하지 않은 고체형 염료감응형 태양전지 소자는 상기 실시예 15와 동일한 조건에서 측정된 전압에 따른 전류밀도 세기를 측정하였다. 본 비교예에 따라 제작된 종래의 고체형 염료감응형 태양전지 소자에 대하여 측정된 전압-전류 밀도 측정 결과는 도 11에 도시되어 있으며, 하기 표 2는 개방회로전압, 단락회로전류, Fill Factor, 에너지 전환 효율이 표시되어 있다.
본 비교예에 따라 제작된 종래의 고체형 염료감응형 태양전지 소자에서 두 전극의 밴드갭 에너지 차이에 의하여 결정되는 개방회로 전압의 값은 액정이 포함된 실시예 11과 비슷하였으나, 광전류의 흐름과 우수한 계면접촉에 따른 이온전도도에 의하여 결정되는 단락회로전류의 경우는 액정 물질이 포함되지 않았을 경우는 9.65 ㎃/㎠에 불과하여 액정이 첨가된 전해질을 이용한 태양전지 소자의 경우와 비교하여 크게 낮았다. 이로 인하여 에너지 전환 효율도 액정을 포함한 경우와 비교하여 낮은 경향을 나타냈다.
표 4. 종래 염료감응형 태양전지 소자의 전기광학적 특성
고분자 개방회로 전압(V) 단락회로전류 (㎃/㎠) Fill Factor 에너지 전환 효율(%)
폴리아크릴로 니트릴(PAN) 0.56 9.65 0.51 2.78
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 기술하였으나, 이는 어디까지나 예시에 불과한 것으로 본 발명에 대한 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러나, 그와 같은 변형과 변경은 본 발명의 정신을 훼손하지 않는 범위 내에서 본 발명의 권리범위에 속한다는 사실은 첨부하는 청구의 범위를 통하여 보다 분명해 질 것이다.
본 발명에서 제작된 고체형 염료감응형 태양전지의 전해질층에는 액정 물질이 첨가됨으로써 종래의 액체형 염료감응형 태양전지보다 안정성이 뛰어나고 용매의 손실에 의한 내구성 문제를 해결할 수 있을 뿐 아니라, 첨가된 액정 물질이 이 온 전도도를 향상시킴으로써 종래의 고체형 염료감응형 태양전지와 비교하여 에너지 전환 효율을 크게 향상시켰다.
또한, 본 발명에서는 염료가 흡착된 산화물층과 전해질층과의 불완전한 접촉으로 인하여 재결합이 발생함에 따라 에너지 전환 효율을 저하시키는 문제를 해결할 수 있도록 담금법을 이용하여 전해질 용액에 전극을 두고 미세기공속으로 전해질 용액이 충분히 흡착할 수 있도록 하여 에너지 전환 효율을 향상시킬 수 있었다.
특히, 본 발명에 따라 제작된 고체형 염료감응형 태양전지는 종래의 염료감응형 태양전지와 비교하여 다음과 같은 탁월한 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 종래의 액체형 염료감응형 태양전지와 비교하여 용매를 제거한 고체형 태양전지이기 때문에 용매의 누수에 따른 소자 효율의 지속성과 안정성의 문제가 개선되었다.
둘째, 본 발명의 고체 전해질은 액정 물질을 첨가물로 사용함으로써 액정 물질의 배향에 따른 이온전도도 효과를 향상시킴으로써, 본 발명의 염료감응형 태양전지는 종래의 고체 전해질을 사용한 염료감응형 태양전지보다 에너지 전환효율이 크게 개선된 태양전지임을 확인하였다.
셋째, 본 발명의 고체 전해질은 염료감응형 태양전지의 전자-정공 재결합이 빈번하게 발생하는 계면 접촉의 문제로 인한 효율 저하를 개선하기 위하여 사전에 제조한 전해질 용액에 전극을 담금으로써 염료가 흡착된 산화물층과 전해질의 계면 접착을 향상시켰다.
넷째, 본 발명에서 제작된 고체형 염료감응형 태양전지는 최고 8.9%의 에너 지 전환효율을 갖는데, 이는 종래의 고체형 염료감응형 태양전지의 에너지 전환효율과 비교하여 크게 향상되었음을 알 수 있었다.

Claims (15)

  1. 하나 이상의 저분자 액정물질 또는 고분자 액정물질에서 선택되는 액정물질과, 매트릭스 폴리머를 포함하는 매트릭스 성분으로서, 상기 액정물질은 상기 매트릭스 성분을 기준으로 5~95 중량%로 함유되며, 상기 저분자 액정물질은 하기 일반식 Ⅰ로 표시되며, 상기 고분자 액정물질은 하기 일반식 Ⅱ로 표시되는 실록산계 고분자 액정물질 또는 하기 일반식 Ⅲ으로 표시되는 아크릴계 고분자 액정물질에서 선택되는 것을 특징으로 하는 매트릭스 성분과;
    전해질 조성물
    을 포함하는 고체 전해질.
    Figure 112006074437937-pat00015
    (일반식 Ⅰ에서 상기 R1은 C1~C20 알킬기, C1~C20 알콕시기, C1~C20 알킬 아릴기이다.)
    Figure 112006074437937-pat00016
    (상기 일반식 Ⅱ에서 R2는 치환되지 않거나 치환된 아릴기, m은 1~ 20 정수; n은 10 이상의 정수이다.)
    Figure 112006074437937-pat00017
    (상기 일반식 Ⅲ에서 R4는 수소 또는 C1~C10의 알킬기; A는 에테르 또는 에스테르, 케톤기, m은 1~20 정수; n은 10 이상의 정수이다.)
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 액정물질은 상기 매트릭스 성분을 기준으로 20~80 중량%로 포함되는 고체 전해질.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 일반식 Ⅰ로 표시되는 저분자 액정물질은 상기 R1이 C1~C20 알킬기로 치환된 액정 물질(알킬-치환 액정물질)과, C1~C20의 알콕시기로 치환된 액정 물질(알콕시-치환 액정물질) 및 C1~C20의 알킬아릴기로 치환된 액정 물질(알킬아릴-치환 액정물질)의 혼합물인 것을 특징으로 하는 고체 전해질.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 알킬-치환 액정물질은 펜틸-치환 액정물질 및 헵틸-치환 액정물질을 포함하고, 상기 알콕시 치환 액정물질은 옥틸록시-치환 액정물질을 포함하며, 상기 알킬아릴-치환 액정물질은 펜틸벤질-치환 액정물질을 포함하는 고체 전해질.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 알킬 치환 액정물질은 4-n-펜틸-4'-시아노바이페닐 또는 4-n-헵틸-4'-시아노바이페닐이고, 상기 알콕시 치환 액정물질은 4-n-옥틸록시-4'-시아노바이페닐이며, 상기 알킬아릴 치환 액정물질은 4-펜틸-[1,1';4',1"]-4"-카보니트릴인 것을 특징으로 하는 고체 전해질
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 액정 혼합물을 기준으로 상기 4-n-펜틸-4'-시아노바이페닐 35~65 중량%, 상기 4-n-헵틸-4'-시아노바이페닐 15~35 중량%, 상기 4-n-옥틸록시-4'-시아노바이페닐 10~30 중량%, 상기 4-펜틸-[1,1';4',1"]-4"-카보니트릴 3~15 중량%를 포함하는 고체 전해질.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 실록산계 고분자 액정물질 또는 상기 아크릴계 고분자 액정물질의 평균 분자량은 5,000 ~ 1,000,000 범위인 것을 특징으로 하는 고체 전해질.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 실록산계 고분자 액정물질은 하기 화학식 2a 또는 하기 화학식 2b로 표시되는 고분자를 포함하는 고체 전해질.
    Figure 112005028180952-pat00018
    (상기 화학식 2a에서 R3는 직쇄 또는 측쇄의 C1~C10의 알킬기임.)
    Figure 112005028180952-pat00019
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 아크릴계 고분자 액정물질은 poly(4'-시아노-바이페닐-4-일록시카르보닐데실 메타크릴레이트), poly(4'-시아노-바이페닐-4-일록시프로필 아크릴레이트), poly(4'-시아노-바이페닐-4-일록시카르보닐부틸 아크릴레이트)를 포함하는 고체 전해질.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 전해질 조성물은 용매와, 상기 용매에 용해된 산화/환원쌍을 포함하는 고체 전해질.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 매트릭스 폴리머는 상기 용매를 기준으로 1:30 ~ 1:5의 중량비로 조합되어 있는 고체 전해질.
  12. 제 1 전극과;
    상기 제 1 전극에 대향하는 제 2 전극과;
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 형성되며 염료가 흡착된 산화물층과;
    상기 산화물층에 인접하며, 하기 일반식 Ⅰ로 표시되는 하나 이상의 저분자 액정물질, 또는 하기 일반식 Ⅱ로 표시되는 실록산계 고분자 액정물질 또는 하기 일반식 Ⅲ으로 표시되는 아크릴계 고분자 액정물질에서 선택되는 고분자 액정물질을 포함하는 매트릭스 성분과, 전해질 조성물을 포함하는 고체 전해질층
    을 포함하는 염료감응형 태양 전지.
    Figure 112006074437937-pat00020
    (일반식 Ⅰ에서 상기 R1은 C1~C20 알킬기, C1~C20 알콕시기, C1~C20 알킬 아릴기이다.)
    Figure 112006074437937-pat00021
    (상기 일반식 Ⅱ에서 R2는 치환되지 않거나 치환된 아릴기, m은 1~ 20 정수; n은 10 이상의 정수이다.)
    Figure 112006074437937-pat00022
    (상기 일반식 Ⅲ에서 R4는 수소 또는 C1~C10의 알킬기; A는 에테르 또는 에스테르, 케톤기, m은 1~20 정수; n은 10 이상의 정수이다.)
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 ITO(indium-tin oxide), FTO(Fluorine doped tin oxide), ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), SnO2-Sb2O3를 포함하는 태양전지 소자.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 제 2 전극은 백금, 금, 탄소를 포함하는 태양전지 소자.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 산화물층은 전이금속 산화물층인 것을 특징으로 하는 태양전지 소자.
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