KR20140003998A

KR20140003998A - 페로브스카이트 기반 메조다공 박막 태양전지 제조 기술

Info

Publication number: KR20140003998A
Application number: KR20130032089A
Authority: KR
Inventors: 박남규; 김희선; 이창률; 임정혁
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2014-01-10
Also published as: US20150122325A1; US10720282B2; US20200303129A1; KR101430139B1

Abstract

페로브스카이트 구조를 가지는 유무기 복합 염료를 포함하는 염료감응 태양전지, 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

페로브스카이트 기반 메조다공 박막 태양전지 제조 기술 {MANUFACTURING TECHNOLOGY PEROVSKITE-BASED MESOPOROUS THIN FILM SOLAR CELL}

본원은, 페로브스카이트 구조를 가지는 유무기 복합 염료를 포함하는 염료감응 태양전지, 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 태양전지는 태양의 빛에너지를 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 기존의 실리콘 태양전지에 비해 효율이 높고 제조 단가가 현저히 낮아 기존의 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 가능성을 가지고 있는 광 전기화학적인 태양전지이다.

염료감응 태양전지는, 1991년 스위스 국립 로잔 고등기술원(EPFL)의 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 연구팀에 의하여 발표된 것이 대표적이다 (미국등록특허 제 5,350,644 호 "Photovoltaic cells" 참조). 구조적인 측면에서, 염료감응 태양전지의 두 전극 중 하나의 전극은 감광성 염료가 흡착되어 있는 반도체층이 형성된 전도성 투명 기재를 포함하는 광전극이며, 두 전극 사이의 공간에는 전해질이 채워져 있다.

염료감응 태양전지의 작동 원리를 살펴보면, 태양에너지가 전극의 반도체층에 흡착된 감광성 염료에 흡수됨으로써 광전자가 발생하며, 상기 광전자는 반도체층을 통해 전도되어 투명 전극이 형성된 전도성 투명 기재에 전달되고, 전자를 잃어 산화된 염료는 전해질에 포함된 산화·환원쌍에 의해 환원된다. 한편, 외부 전선을 통하여 반대편 전극인 상대 전극에 도달한 전자는 산화된 전해질의 산화·환원 쌍을 다시 환원시킴으로써 태양전지의 작동 과정을 완성한다.

한편, 염료감응 태양전지의 경우 기존 태양전지에 비해, 반도체|염료 계면, 반도체|전해질 계면, 반도체|투명 전극 계면, 전해질|상대 전극 계면 등, 여러 계면을 포함하고 있으며, 각각의 계면에서의 물리·화학적 작용을 이해하고 조절하는 것이 염료감응 태양전지 기술의 핵심이다. 또한, 염료감응 태양전지의 에너지 전환효율은 태양에너지 흡수에 의해 생성된 광전자의 양에 비례하며, 많은 양의 광전자를 생성하기 위해서는 염료분자의 흡착량을 증가시킬 수 있는 구조를 포함하는 광전극의 제조가 요구되고 있다.

한편, 염료감응 태양전지에 사용되는 전해질은 그 성상에 따라 액체 전해질, 겔형 전해질, 및 고체 전해질로 구분될 수 있다. 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. 반면, 고체 전해질을 사용하여 태양전지를 제조할 경우 전해질의 누출이나 휘발의 문제는 발생하지 않지만, 일반적으로 에너지 전환효율이 낮아진다는 단점이 있어 적용상의 어려움이 있었다. 이에, 상기 단점들을 해결할 신규한 전해질을 개발하거나, 또는 전해질을 대체할 신규한 물질을 개발 및 적용할 필요가 있었다.

한편, 염료감응 태양전지에 사용되는 염료로는 일반적으로 루테늄(Ru) 금속 착체가 널리 사용되어 왔으나, 상기 루테늄 금속 착체는 가격이 너무 비싸고 정제하기 어렵다는 단점이 있었다. 또한, 루테늄 금속을 포함하는 유기 염료는 반도체층에 흡착하는데 최소 2 시간에서 길게는 24 시간까지의 긴 흡착 시간이 필요하여, 제조 공정에 소요되는 시간이 길어진다는 단점이 있었으며, 상기 반도체층의 두께가 최소 10 μm 정도는 되어야 높은 에너지 전환효율을 가진다는 한계점이 존재하였다. 이에, 루테늄 금속 착체 이외의 염료를 이용하고자 하는 시도가 있었으나, 이 경우에도 역시 반도체층의 두께가 10 μm 안팎인 경우에 최고 3% 정도의 에너지 전환효율을 나타내었을 뿐, 반도체층의 두께가 이보다 얇은 경우에는 높은 에너지 전환효율을 나타내지 못한다는 문제점이 있었다.

본 발명자들은, 본원의 방법에 따라 종래의 루테늄 금속 착체 대신 페로브스카이트 구조를 가지는 유무기 복합 염료를 포함하고, 종래의 액체 전해질 대신 정공전달층을 이용하여 염료감응 태양전지를 제조하는 경우, 얇은 두께에서도 높은 광전변환 특성을 갖는 태양전지를 용이하고 경제적으로 제조할 수 있으며, 액체 전해질에 의한 누액 및 휘발 등의 단점도 해결할 수 있음을 발견하여 본원을 완성하였다.

이에, 본원은, 전도성 투명 기재를 포함하는 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 형성된 광흡수층; 상기 광흡수층 상에 형성된 정공전달층; 및 상기 정공전달층 상에 형성된 제 2 전극을 포함하며, 상기 광흡수층은 반도체층 및 하기 화학식 1로써 표시되는 염료를 포함하는, 염료감응 태양전지를 제공한다:

[화학식 1]

RMX₃

상기 화학식 1에서, R은 C₁ _-20의 알킬기, 아민기 치환된 알킬기, 또는 알칼리 금속이고, M은 Pb, Sn, Ti, Nb, Zr, Ce로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이고, X는 할로겐이다.

그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본원의 제 1 측면은, 전도성 투명 기재를 포함하는 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 형성된 광흡수층; 상기 광흡수층 상에 형성된 정공전달층; 및 상기 정공전달층 상에 형성된 제 2 전극을 포함하며, 상기 광흡수층은 반도체층 및 하기 화학식 1로써 표시되는 염료를 포함하는, 염료감응 태양전지를 제공한다:

[화학식 1]

RMX₃

본원의 제 2 측면은, 전도성 투명 기재를 포함하는 제 1 전극 상에 반도체층을 형성하는 것; 상기 반도체층에 하기 화학식 1로써 표시되는 염료를 흡착시킨 후 열처리함으로써 광흡수층을 형성하는 것; 상기 광흡수층 상에 정공전달층을 형성하는 것; 및 상기 정공전달층 상에 제 2 전극을 형성하는 것을 포함하는, 본원의 제 1 측면에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법을 제공한다:

[화학식 1]

RMX₃

본원의 염료감응 태양전지는 기존의 염료감응 태양전지와는 달리 루테늄 금속 착체가 아닌 페로브스카이트 구조를 가지는 염료를 감광제로서 사용한 것으로서, 상기 루테늄 금속 착체를 염료로서 사용하는 염료감응 태양전지의 경우 발생하였던 높은 가격, 염료 흡착을 위해 소요되는 장시간, 높은 에너지 전환효율 달성을 위해 요구되는 두꺼운 광흡수층 등의 문제점을 해결하였다. 구체적으로, 기존의 염료감응 태양전지에서 염료로서 사용되었던 루테늄 금속 착체는 그 가격이 비쌀 뿐만 아니라 이를 반도체층에 흡착하여 광흡수층을 형성하는데 최소 약 2 시간에서 길게는 약 24 시간까지의 긴 흡착 시간이 필요하여, 제조 공정에 소요되는 시간이 길어진다는 단점이 있었다. 반면, 본원의 페로브스카이트 구조를 가지는 유무기 복합염료를 포함하는 염료감응 태양전지에서는, 상기 페로브스카이트 구조를 가지는 유무기 복합염료와 반도체층 표면의 물리적 접촉에 의한 전자 이동이 가능하기 때문에 상기 흡착 시간을 현저하게 단축할 수 있다는 이점이 있다. 또한, 기존의 루테늄 금속 착체를 포함하는 염료감응 태양전지에서는 높은 에너지 전환효율을 달성하기 위하여 상기 광흡수층에 포함되는 반도체층의 두께가 약 10 μm 정도로 확보될 필요가 있었으나, 본원의 염료감응 태양전지에서는 이에 비해 현저하게 얇은 두께를 가지는 경우에도 높은 에너지 전환효율을 달성할 수 있다는 이점이 있다. 이처럼 상기 반도체층의 두께를 얇게 할 수 있게 됨으로써, 염료감응 태양전지의 제조 단가를 절감할 수 있으며, 상기 염료감응 태양전지를 플렉시블 소자 형태로 제조할 수 있다는 이점도 함께 발생한다.

한편, 본원의 염료감응 태양전지는 기존의 염료감응 태양전지와는 달리 액체 전해질이 아닌 정공전달층을 포함하는 것으로서, 상기 액체 전해질에 포함된 용매가 외부 온도의 증가와 태양전지의 밀봉 상태에 따라 누출되거나 휘발됨으로써 태양전지의 수명이 낮아질 수 있다는 종래의 문제점을 해결하고 높은 장기안정성을 가질 수 있는 이점이 있다. 또한, 본원의 염료감응 태양전지에서 염료로서 포함되는 페로브스카이트 구조를 가지는 유무기 복합염료는 일반적인 액체 전해질 내에서는 안정성이 낮아서 사용하기에 어려움이 있을 수 있는데, 본원에서는 상기 액체 전해질 대신에 단분자 물질인 정공전달 물질을 포함하는 정공전달층을 형성함으로써 상기 문제점을 해결하였다.

한편, 상기 정공전달층에 포함되는 상기 정공전달 물질은 짧은 정공 이동 특성을 가지므로, 상기 염료감응 태양전지에 포함되는 광흡수층의 두께가 두꺼운 경우에는 적용되기 어려운데, 기존의 루테늄 금속 착체를 염료로서 포함하는 광흡수층은 그 두께를 얇게 하는 경우 전류 밀도가 저하되어 에너지 전환효율을 높일 수 없다는 문제점이 있어 정공전달층과 접목하기에 어려움이 있었다. 그러나, 본원의 염료감응 태양전지에서는 상기 루테늄 금속 착체 대신 페로브스카이트 구조를 가지는 유무기 복합염료를 포함하는 광흡수층을 이용하며, 상기 염료는 높은 흡광계수를 가지므로 그 두께를 얇게 하여도 높은 전류 밀도 및 높은 에너지 전환효율을 확보할 수 있는바, 상기 정공전달층과 접목하기에 적합하다는 이점이 있다. 이로써, 본원의 페로브스카이트 구조를 가지는 유무기 복합염료 및 정공전달층을 가지는 염료감응 태양전지는, 얇은 두께의 광흡수층을 포함하면서도 높은 효율 및 장기안정성을 확보할 수 있다는 이점이 있다.

도 1은 본원의 염료감응 태양전지의 구조를 나타낸 것으로서, 구체적으로, 도 1a는 본원의 제 1 측면에 따른 염료감응 태양전지의 층상구조를 개략적으로 나타낸 모식도이고, 도 1b는 본원의 일 실시예에 따라 제조한 염료감응 태양전지의 층상구조를 촬영한 SEM 사진이며, 도 1c는 본원의 일 실시예에 따라 제조한 염료감응 태양전지를 촬영한 사진이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따라 제조한 염료감응 태양전지의 광전류-전압 특성그래프로서, 구체적으로, 도 2a 및 도 2b 각각은 염료감응 태양전지에 포함된 반도체층 두께 변화에 따른 광전류-전압 특성 그래프이고, 도 2c는 가장 높은 에너지 전환효율을 나타낸 경우의 광전류-전압 특성 그래프이다.
도 3a 내지 도 3c는 본원의 일 실시예에 따라 제조한 염료감응 태양전지의 시간 경과에 따른 장기안정성에 관한 그래프이다.
도 4a는 본원의 일 비교예에 따라 제조한 염료감응 태양전지의 염료 농도 변화에 따른 광전류-전압 특성 그래프이고, 도 4b는 본원의 일 비교예에 따라 제조한 염료감응 태양전지의 염료 농도 변화에 따른 코팅 필름의 색 변화를 나타낸 사진이다.
도 5는 본원의 일 비교예에 따라 제조한 염료감응 태양전지의 열처리 온도 변화에 따른 광전류-전압 특성 그래프이다.
도 6은 본원의 일 비교예에 따라 제조한 염료감응 태양전지의 반도체층 두께 변화에 따른 광전류-전압 특성 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 특별히 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.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.

[화학식 1]

RMX₃

이와 관련하여, 도 1은 본원의 염료감응 태양전지의 구조를 나타낸 것으로서, 구체적으로, 도 1a는 본원의 제 1 측면에 따른 염료감응 태양전지의 층상구조를 개략적으로 나타낸 모식도이고, 도 1b는 본원의 일 실시예에 따라 제조한 염료감응 태양전지의 층상구조를 촬영한 SEM 사진이며, 도 1c는 본원의 일 실시예에 따라 제조한 염료감응 태양전지를 촬영한 사진이다.

도 1a를 참조하면, 본원의 염료감응 태양전지(10)는 두 개의 전극, 즉, 제 1 전극(11)과 제 2 전극(14)이 서로 면 접합된 샌드위치 구조를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제 1 전극(11)은 작업 전극(working electrode) 또는 반도체 전극으로서 표현될 수 있으며, 상기 제 2 전극(14)은 상대 전극(counter electrode)으로서 표현될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 제 1 전극(11) 상에는 광흡수층(12)이 형성되어 있으며, 광흡수층(12)에는 반도체층과, 상기 반도체층에 흡착되며 가시광선 흡수로 인해 전자가 여기되는 감광성 염료가 포함되어 있을 수 있다. 상기 광흡수층(12) 상에는 정공전달층(13)이 형성되어 있으며, 상기 정공전달층(13) 상에는 제 2 전극(14)이 형성되어 있을 수 있다. 상기 정공전달층(13)은, 도 1b의 SEM 사진에서는 HTM (Hole Transport Material)으로 표시하였다. 상기 정공전달층(13)은 산화된 상기 광흡수층(12)을 환원시키기 위한 목적으로 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 정공전달층(13)은 상기 광흡수층(12) 상에 하나의 평면으로 형성되는 것에 제한되는 것은 아니며, 일부가 상기 광흡수층(12)에 포함된 다공성의 상기 반도체층 내로 침투한 형태로 형성될 수도 있다.

상기 염료감응 태양전지의 작동원리를 예시적으로 간략하게 설명하면, 염료감응 태양전지 내로 태양광이 입사되면 광양자는 먼저 광흡수층(12) 내의 감광성 염료분자에 흡수되고, 이에 따라 염료분자는 기저 상태에서 여기 상태로 전자 전이하여 전자-홀쌍을 만들며, 상기 여기 상태의 전자는 반도체 미립자 계면의 전도띠(conduction band)로 주입될 수 있다. 상기 주입된 전자는 계면을 통해 제 1 전극(11)으로 전달되고, 이후 외부 회로를 통해 대향하고 있는 상대 전극인 제 2 전극(14)으로 이동할 수 있다. 한편, 전자 전이 결과 산화된 염료는 정공전달층(13) 내의 산화-환원 커플의 이온에 의해 환원되고, 산화된 상기 이온은 전하중성(charge neutrality)을 이루기 위해 제 2 전극(14)의 계면에 도달한 전자와 환원 반응을 함으로써 상기 염료감응 태양전지가 작동할 수 있으나, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 투명 기재는 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide: ITO), 플루오린 틴 옥사이드(fluorine tin oxide: FTO), ZnO-Ga₂O₃, ZnO-Al₂O₃, 주석계 산화물, 산화아연, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 물질을 함유하는 유리 기재 또는 플라스틱 기재를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 전도성 투명 기재는 전도성 및 투명성을 가지는 물질이라면 특별히 제한됨 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 투명 기재로서 ITO를 이용할 경우 비용 절감에 도움이 될 수 있고, 상기 전도성 투명 기재로서 주석계 산화물 중 하나인 SnO₂를 이용할 경우 투명성 및 내열성이 우수하다는 이점이 있으나, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 플라스틱 기재는 폴리에틸렌테레프탈레이트(Poly(ethylene terephthalate): PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(poly (ethylene naphthalate): PEN), 폴리카보네이트(Poly Carbonate: PC), 폴리프로필렌(Polypropylene: PP), 폴리이미드(Polyimide: PI), 트리아세틸셀룰로오스(Tri-acetyl cellulose: TAC), 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 고분자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

예를 들어, 상기 전도성 투명 기재는 3족 금속, 예를 들어, Al, Ga, In, Ti, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속으로 도핑될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 반도체층은 금속 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 반도체층은, 티탄, 주석, 아연, 텅스텐, 지르코늄, 갈륨, 인듐, 이트륨, 니오브, 탄탈, 바나듐, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속의 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 반도체층은, TiO₂, SnO₂, ZnO, WO₃, Nb₂O₅, TiSrO₃, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 반도체층으로서 아나타제 형의 TiO₂를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 염료감응 태양전지에서 사용 가능한 반도체층 형성용 물질이 상기 열거한 금속 산화물에 제한되는 것은 아니다. 또한, 1 가지 금속 산화물을 반도체층으로서 사용하거나, 또는 2 가지 이상의 금속 산화물을 혼합하여 반도체층으로서 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

예를 들어, 상기 반도체층은 반도체 미립자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 반도체 미립자의 표면적을 크게 함으로써, 상기 반도체층에 흡착된 염료가 보다 많은 빛을 흡수하도록 하여 염료감응 태양전지의 효율 향상을 도모할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 반도체 미립자는 표면적을 크게 하기 위하여 약 50 nm 이하의 평균 입자 직경을 가지는 것일 수 있으며, 예를 들어, 약 5 nm 내지 약 15 nm, 약 5 nm 내지 약 25 nm, 약 5 nm 내지 약 35 nm, 약 5 nm 내지 약 50 nm, 약 15 nm 내지 약 25 nm, 약 15 nm 내지 약 35 nm, 약 15 nm 내지 약 50 nm, 약 25 nm 내지 약 35 nm, 약 25 nm 내지 약 50 nm, 또는 약 35 nm 내지 약 50 nm의 평균 입자 직경을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 반도체 미립자의 평균 입자 직경은 약 15 nm 내지 약 25 nm 정도가 적절한 것일 수 있으나, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 반도체층은 약 3.0 μm 이하의 두께를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 반도체층은 약 0.5 μm 내지 약 1.0 μm, 약 0.5 μm 내지 약 1.5 μm, 약 0.5 μm 내지 약 2.0 μm, 약 0.5 μm 내지 약 2.5 μm, 약 0.5 μm 내지 약 3.0 μm, 약 1.0 μm 내지 약 1.5 μm, 약 1.0 μm 내지 약 2.0 μm, 약 1.0 μm 내지 약 2.5 μm, 약 1.0 μm 내지 약 3.0 μm, 약 1.5 μm 내지 약 2.0 μm, 약 1.5 μm 내지 약 2.5 μm, 약 1.5 μm 내지 약 3.0 μm, 약 2.0 μm 내지 약 2.5 μm, 약 2.0 μm 내지 약 3.0 μm, 또는 약 2.5 μm 내지 약 3.0 μm의 두께를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 본원의 제 1 측면의 염료감응 태양전지는 상기 반도체층의 두께가 약 2.0 μm 이하인 경우, 또는 약 1.0 μm 이하인 경우에도 높은 에너지 전환효율을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 본원의 실시예와 도 2c를 참조하면, 본원의 제 1 측면의 염료감응 태양전지는 약 0.6 μm 정도의 얇은 반도체층 두께를 가지는 경우에도 약 9.7% 정도의 높은 에너지 전환효율(η)을 나타내는 것일 수 있으나, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 제 1 측면의 염료감응 태양전지는 기존의 염료감응 태양전지와는 달리 루테늄 금속 착체가 아닌 페로브스카이트 구조를 가지는 염료를 감광제로서 사용하며, 또한 액체 전해질이 아닌 정공전달층을 포함하는 것으로서, 상기 반도체층의 두께가 약 3.0 μm 이하, 약 2.0 μm 이하, 또는 약 1.0 μm 이하로서 기존의 염료감응 태양전지에 포함되었던 반도체층의 두께에 비해 현저하게 얇은 두께를 가지는 경우에도 높은 에너지 전환효율을 나타내는 것일 수 있으며, 이로써 기존의 염료감응 태양전지의 문제점, 즉 10 μm 정도의 두께가 확보되어야만 일정 수준의 에너지 전환효율을 얻을 수 있다는 한계점을 극복한 것일 수 있으나, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 반도체층의 두께를 얇게 함으로써 염료감응 태양전지의 제조 단가를 절감할 수 있으며, 상기 염료감응 태양전지를 플렉시블 소자 형태로 제조할 수 있다는 장점도 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 제 1 측면의 염료감응 태양전지에 포함되는 염료는 하기 화학식 1로써 표시되는 것일 수 있다:

[화학식 1]

RMX₃

예를 들어, 상기 화학식 1로써 표시되는 염료는, MX₂와 RX로부터 제조되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 화학식 1로써 표시되는 염료는 RMX₃ 구조의 유무기 복합 물질로서, 상기 R은 C₁ _-20의 알킬기,아민기 치환된 알킬기, 또는 알칼리 금속, 상기 M에 Pb, Sn, Ti, Nb, Zr, Ce, 상기 X에 할로겐을 대입한 것이 상기 화학식 1에 해당한다. 상기 알킬기는 1 내지 20의 탄소수를 가질 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소수는 약 1 내지 약 20, 약 1 내지 약 10, 약 1 내지 약 6, 약 6 내지 약 20, 약 6 내지 약 10, 또는 약 10 내지 약 20일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 할로겐은 F, Br, Cl, 또는 I일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 화학식 1로써 표시되는 염료는 CH₃NH₃PbI₃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 화학식 1로써 표시되는 염료는 일반적인 유기 염료에 비하여 흡광 계수가 지수 단위로 높아서 얇은 필름에서도 매우 우수한 집광 효과(light harvesting)를 보이며, 이에 따라 상기 화학식 1로써 표시되는 염료를 사용하는 경우 염료감응 태양전지가 얇은 광흡수층을 가지더라도 높은 에너지 전환효율이 달성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 염료는 페로브스카이트 구조를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 염료는 약 30 중량% 내지 약 50 중량%의 농도를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 염료는 약 30 중량% 내지 약 35 중량%, 약 30 중량% 내지 약 40 중량%, 약 30 중량% 내지 약 45 중량%, 약 30 중량% 내지 약 50 중량%, 약 35 중량% 내지 약 40 중량%, 약 35 중량% 내지 약 45 중량%, 약 35 중량% 내지 약 50 중량%, 약 40 중량% 내지 약 45 중량%, 약 40 중량% 내지 약 50 중량%, 또는 약 45 중량% 내지 약 50 중량%의 농도를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 염료의 농도가 약 30 중량% 미만인 경우에는 광흡수가 크지 못하다는 문제점이 있을 수 있고, 약 50 중량%를 초과하는 경우에는 상기 염료가 용매에 녹지 못한다는 문제점이 있을 수 있으나, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 정공전달층은 단분자 또는 고분자 정공전달 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 단분자 정공전달 물질로서 spiro-MeOTAD(2,2',7'-tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenyl-amine)-9,9'spirobifluorene)를 사용할 수 있고, 상기 고분자 정공전달 물질로서 P3HT(poly(3-hexylthiophene))를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것을 아니다. 또한, 예를 들어, 상기 정공전달층에는 도핑 물질로서 Li 계열 도펀트, Co 계열 도펀트, 또는 Li 계열 도펀트 및 Co 계열 도펀트 모두가 추가 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 예를 들어, 상기 정공전달층에는 tBP 등의 첨가제가 추가 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 정공전달층을 구성하는 물질로서 spiro-MeOTAD, tBP, 및 Li-TFSI의 혼합물을 이용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, p-type의 정공전달 물질을 사용하는 경우 spiro-MeOTAD에 비해 홀 이동성(hole mobility)이 10⁴ 정도 크기 때문에 두꺼운 필름에서도 효율적인 정공전달이 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

이와 관련하여, 기존의 염료감응 태양전지에서는 일반적으로 액체 전해질을 사용하여 태양전지를 제조하였는데, 이 경우 액체 전해질에 포함된 용매가 외부 온도의 증가와 태양전지의 밀봉 상태에 따라 누출되거나 휘발됨으로써 태양전지의 수명이 낮아질 수 있다는 단점이 있었다. 이에, 본원의 염료감응 태양전지에서는 액체 전해질을 사용하지 않는 대신 상기 염료감응 태양전지에 상기 정공전달층을 포함시킴으로써 동일한 역할을 수행하도록 함으로써 상기 단점들을 극복하고 장기안정성을 가질 수 있도록 하였으나, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본원의 염료감응 태양전지에서 염료로서 포함되는 상기 화학식 1의 페로브스카이트 구조를 가지는 유무기 복합염료는, 일반적인 액체 전해질 내에서는 안정성이 낮아서 사용하기에 어려움이 있다는 문제점이 있으나, 본원에서는 상기 액체 전해질 대신에 단분자 물질인 정공전달 물질을 포함하는 정공전달층을 형성함으로써 상기 문제점을 해결하였다. 이와 관련하여, 후술하는 본원의 [실시예] 부분에서는, 본원의 제 1 측면에 따라 정공전달층을 포함하는 염료감응 태양전지를 '실시예'로서 설명하는 한편 상기 정공전달층 대신 액체 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지를 '비교예'로서 설명함으로써 두 경우의 에너지 전환효율 등을 비교할 수 있도록 하였다.

한편, 상기 정공전달층에 포함되는 상기 정공전달 물질은 짧은 정공 이동 특성을 가지므로, 상기 염료감응 태양전지에 포함되는 광흡수층의 두께가 두꺼운 경우에는 적용되기 어려운데, 기존의 루테늄 금속 착체를 염료로서 포함하는 광흡수층은 그 두께를 얇게 하는 경우 전류 밀도가 저하되어 에너지 전환효율을 높일 수 없다는 문제점이 있어 정공전달층과 접목하기에 어려움이 있었다. 그러나, 본원의 염료감응 태양전지에서는 상기 루테늄 금속 착체 대신 페로브스카이트 구조를 가지는 유무기 복합염료를 포함하는 광흡수층을 이용하며, 상기 염료는 높은 흡광계수를 가지므로 그 두께를 얇게 하여도 높은 전류 밀도 및 높은 에너지 전환효율을 확보할 수 있는바, 상기 정공전달층과 접목하기에 적합하다는 이점이 있다. 이로써, 본원의 페로브스카이트 구조를 가지는 유무기 복합염료 및 정공전달층을 가지는 염료감응 태양전지는, 얇은 두께의 광흡수층을 포함하면서도 높은 효율 및 장기안정성을 확보할 수 있다는 이점이 있으나, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 2 전극은 Pt, Au, Ni, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, 전도성 고분자, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 안정성이 높은 금속인 Au를 상기 제 2 전극으로서 이용함으로써, 본원의 염료감응 태양전지의 장기안정성을 향상시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 제 2 전극, 즉 상대 전극으로서는 도전성 물질이라면 특별히 제한 없이 사용할 수 있고, 절연성의 물질이라도 상기 제 1 전극과 마주보고 있는 부분에만 도전층이 형성되어 있다면 이를 이용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide: ITO), 플루오린 틴 옥사이드(fluorine tin oxide: FTO), ZnO-Ga₂O₃, ZnO-Al₂O₃, 주석계 산화물, 산화아연, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 물질을 함유하는 유리 기재 또는 플라스틱 기재, 즉 전도성 투명 기재의 일면에 도전층을 형성하여 상기 도전층이 상기 제 1 전극과 마주보도록 하는 경우, 이를 상기 제 2 전극으로서 이용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 여기에서, 상기 도전층은 Pt, Au, Ni, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, 전도성 고분자, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 도전층을 상기 전도성 투명 기재의 이면에 형성하기 위한 방법으로는 전해 도금, 스퍼터링, 전자빔 증착법 등과 같은 물리기상증착(PVD) 방법을 이용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

[화학식 1]

RMX₃

본원의 제 2 측면은 본원의 제 1 측면에 따른 염료감응 태양전지를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면에 대해 설명한 내용은 본원의 제 2 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.

한편, 염료감응 태양전지의 일반적인 제조 방법은 당해 기술분야에 널리 알려져 있는 것으로서 당업자에게 충분히 이해될 수 있는 내용이므로, 이에 대한 상세한 설명은 본 명세서에서 생략하도록 한다. 다만, 본원의 제 2 측면의 고유한 특징이 포함될 수 있는 상기 광흡수층을 형성하는 공정에 대해서는 이하 상세히 설명하였다.

여기에서 상기 광흡수층은, 본원의 제 1 측면에서와 마찬가지로 반도체층 및 하기 화학식 1로써 표시되는 염료를 포함하는 것일 수 있으며, 하기 화학식 1에서 R은 C₁ _-20의 알킬기, 아민기 치환된 알킬기, 또는 알칼리 금속이고, M은 Pb, Sn, Ti, Nb, Zr, Ce로 이루어진 군으군부터 선택되는 것이고, X는 할로겐이다:

[화학식 1]

RMX₃

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 반도체층은, TiO₂, SnO₂, ZnO, WO₃, Nb₂O₅, TiSrO₃, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 광흡수층을 형성하기 위하여, 우선 전도성 투명 기재를 포함하는 제 1 전극의 상기 전도성 투명 기재의 이면에 반도체층을 형성할 수 있다. 상기 반도체층을 형성하는 것은, 예를 들어, 반도체 미립자를 포함하는 페이스트를 상기 전도성 투명 기재의 이면에 코팅하고 열처리함으로써 수행할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 여기에서 상기 열처리는, 예를 들어, 바인더를 첨가한 경우에는 약 400℃ 내지 약 600℃에서 약 30분 정도 가열되는 것일 수 있고, 또는 바인더를 첨가하지 않은 경우에는 약 200℃ 이하의 온도에서 가열되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 반도체층은 닥터 브레이드, 스크린 프린트, 스핀 코팅, 또는 스프레이 방법으로 상기 제 1 전극 상에 형성되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 반도체층을 상기 제 1 전극 상에 형성하기 위하여 어떤 방법을 선택하는지에 따라, 상기 반도체층을 형성하기 위해 원료로서 사용되는 상기 반도체 미립자를 포함하는 페이스트에 요구되는 물성이 조금씩 달라질 수 있다. 상기 반도체층을 상기 제 1 전극 상에 형성하기 위해 사용 가능한 방법은 상기 열거한 방법들에 제한되는 것은 아니며, 기타 일반적인 습식 코팅 방법 등도 적용할 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 반도체층은 약 3.0 μm 이하의 두께를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 반도체층은 약 0.5 μm 내지 약 1.0 μm, 약 0.5 μm 내지 약 1.5 μm, 약 0.5 μm 내지 약 2.0 μm, 약 0.5 μm 내지 약 2.5 μm, 약 0.5 μm 내지 약 3.0 μm, 약 1.0 μm 내지 약 1.5 μm, 약 1.0 μm 내지 약 2.0 μm, 약 1.0 μm 내지 약 2.5 μm, 약 1.0 μm 내지 약 3.0 μm, 약 1.5 μm 내지 약 2.0 μm, 약 1.5 μm 내지 약 2.5 μm, 약 1.5 μm 내지 약 3.0 μm, 약 2.0 μm 내지 약 2.5 μm, 약 2.0 μm 내지 약 3.0 μm, 또는 약 2.5 μm 내지 약 3.0 μm의 두께를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 본원의 제 2 측면에 따라 제조된 염료감응 태양전지는 상기 반도체층의 두께가 약 2.0 μm 이하인 경우, 또는 약 1.0 μm 이하인 경우에도 높은 에너지 전환효율을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 본원의 실시예와 도 2c를 참조하면, 본원의 제 1 측면의 염료감응 태양전지는 약 0.6 μm 정도의 얇은 반도체층 두께를 가지는 경우에도 약 9.7% 정도의 높은 에너지 전환효율(η)을 나타내는 것일 수 있으나, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 반도체층은 다공성 구조인 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 염료감응 태양전지의 제조 방법은 상기 반도체층 상에 고분자를 도포하고 열처리하는 것을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 반도체층 상에 고분자를 도포하고 열처리함으로써 상기 반도체층의 다공성을 더욱 증가시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 반도체층 상에 고분자를 도포함으로써 반도체층에 포함되는 반도체 미립자들의 분산성 향상, 점도 증가로 인한 성막성 향상, 및 기재와 반도체층의 부착력 향상 등의 효과도 기대할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 여기에서, 상기 열처리 온도는 약 400℃ 내지 약 500℃, 약 400℃ 내지 약 600℃, 또는 약 500℃ 내지 약 600℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 고분자는, 에틸렌셀룰로오스(EC), 하이드록시프로필셀룰로오스(HPC), 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 반도체층 상에 도포하기 위한 상기 고분자는 위에 열거한 고분자들에 제한되는 것은 아니며, 열처리를 수행한 후 유기물이 잔존하지 않는 고분자를 다양하게 선택하여 사용할 수 있다. 상기 고분자를 선택할 때, 도포 방법을 포함한 도포 조건을 고려하여 적절한 분자량을 가지는 고분자를 선택하여 이용하는 것이 바람직할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 방법에 따라 전도성 투명 기재를 포함하는 제 1 전극 상에 반도체층을 형성한 뒤에는, 상기 반도체층에 하기 화학식 1로써 표시되는 염료를 흡착시킨 후 열처리함으로써 광흡수층을 형성할 수 있으며, 하기 화학식 1에서 R은 C₁ _-20의 알킬기, 아민기 치환된 알킬기, 또는 알칼리 금속이고, M은 Pb, Sn, Ti, Nb, Zr, Ce로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이고, X는 할로겐이다:

[화학식 1]

RMX₃.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 염료는 약 30 중량% 내지 약 50 중량%의 농도를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 염료는 약 30 중량% 내지 약 35 중량%, 약 30 중량% 내지 약 40 중량%, 약 30 중량% 내지 약 45 중량%, 약 30 중량% 내지 약 50 중량%, 약 35 중량% 내지 약 40 중량%, 약 35 중량% 내지 약 45 중량%, 약 35 중량% 내지 약 50 중량%, 약 40 중량% 내지 약 45 중량%, 약 40 중량% 내지 약 50 중량%, 또는 약 45 중량% 내지 약 50 중량%의 농도를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

예를 들어, 상기 광흡수층을 형성하기 위하여 상기 반도체층에 상기 염료를 흡착시키는 것은, 상기 염료를 포함하는 분산액을 분사하거나, 도포하거나, 또는 침지하는 방법을 이용하여 수행할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 염료를 흡착시키는 것은, 스핀-코팅, 딥 코팅, 스크린 코팅, 스프레이 코팅, 또는 전기 방사 등의 방법을 이용하여 약 10 초 내지 약 5 분 동안 수행하는 것이 바람직할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 염료를 흡착시키는 시간은 약 10 초 내지 약 30 초, 약 10 초 내지 약 1 분, 약 10 초 내지 약 2 분, 약 10 초 내지 약 3 분, 약 10 초 내지 약 4 분, 약 10 초 내지 약 5 분, 약 30 초 내지 약 1 분, 약 30 초 내지 약 2 분, 약 30 초 내지 약 3 분, 약 30 초 내지 약 4 분, 약 30 초 내지 약 5 분, 약 1 분 내지 약 2 분, 약 1 분 내지 약 3 분, 약 1 분 내지 약 4 분, 약 1 분 내지 약 5 분, 약 2 분 내지 약 3 분, 약 2 분 내지 약 4 분, 약 2 분 내지 약 5 분, 약 3 분 내지 약 4 분, 약 3 분 내지 약 5 분, 또는 약 4 분 내지 약 5 분일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 염료를 흡착시키는 시간이 약 10 초 미만인 경우에는 분산성에 문제가 있을 수 있으며, 약 5 분을 초과할 경우에는 상기 염료의 페로브스카이트 입자 크기에 문제가 있을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

이와 관련하여, 기존에 일반적으로 사용되었던 루테늄 금속을 포함하는 유기 염료는 반도체층에 흡착하는데 최소 약 2 시간에서 길게는 약 24 시간까지의 긴 흡착 시간이 필요하여, 제조 공정에 소요되는 시간이 길어진다는 단점이 있었다. 반면, 본원의 제 2 측면에 의하여 페로브스카이트 구조를 가지는 유무기 복합염료를 포함하는 염료감응 태양전지를 제조하는 경우, 상기 루테늄 금속을 포함하는 유기 염료를 사용한 경우에 비하여 염료 흡착에 소요되는 시간을 현저하게 단축시킬 수 있는데, 이는 본원에서 사용된 상기 페로브스카이트 구조를 가지는 유무기 복합염료와 반도체층 표면의 물리적 접촉에 의한 전자 이동이 가능하기 때문일 수 있다.

예를 들어, 상기 반도체층에 상기 염료를 흡착시키기 위해 사용될 수 있는 상기 염료를 포함하는 분산액은 적절한 용매를 사용하여 제조한 것일 수 있으며, 상기 용매로는 상기 본원의 페로브스카이트 구조를 가지는 유무기 복합염료가 용해되는 용매를 사용할 수 있으나, 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 용매로는 감마-부티로락톤, 또는 DMF(dimethyl foramide)를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 방법에 따라 전도성 투명 기재를 포함하는 제 1 전극 상에 반도체층을 형성하고, 상기 반도체층에 하기 화학식 1로써 표시되는 염료를 흡착시킨 후에는, 열처리를 수행함으로써 광흡수층을 완성할 수 있다. 이때 상기 열처리는 약 40℃ 내지 약 300℃에서 수행되는 것일 수 있고, 보다 바람직하게는 약 50℃ 내지 약 200℃, 또는 약 70℃ 내지 120℃의 온도에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 약 40℃ 미만의 온도에서 열처리를 수행하는 경우에는 광전류가 저하될 수 있고, 약 300℃를 초과하는 온도에서 열처리를 수행하는 경우에는 상기 염료가 열분해될 수 있으나, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광흡수층을 형성하는 것은, 상기 반도체층에 상기 화학식 1로써 표시되는 염료의 전구체 용액을 코팅한 후 약 40℃ 내지 약 300℃에서 열처리하는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 열처리는 약 40℃ 내지 약 80℃, 약 40℃ 내지 약 120℃, 약 40℃ 내지 약 150℃, 약 40℃ 내지 약 200℃, 약 40℃ 내지 약 250℃, 약 40℃ 내지 약 300℃, 약 80℃ 내지 약 120℃, 약 80℃ 내지 약 150℃, 약 80℃ 내지 약 200℃, 약 80℃ 내지 약 250℃, 약 80℃ 내지 약 300℃, 약 120℃ 내지 약 150℃, 약 120℃ 내지 약 200℃, 약 120℃ 내지 약 250℃, 약 120℃ 내지 약 300℃, 약 150℃ 내지 약 200℃, 약 150℃ 내지 약 250℃, 약 150℃ 내지 약 300℃, 약 200℃ 내지 약 250℃, 약 200℃ 내지 약 300℃, 또는 약 250℃ 내지 약 300℃에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 열처리는 통상적으로 약 100℃ 정도의 온도에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 방법에 따라 전도성 투명 기재를 포함하는 제 1 전극 상에 광흡수층을 형성한 후에는, 상기 광흡수층 상에 정공전달층을 형성하고, 이어서 상기 정공전달층 상에 제 2 전극을 형성함으로써 본원의 염료감응 태양전지를 완성할 수 있다. 이와 같이 적층하여 상기 염료감응 태양전지를 제조하는 경우, FTO 등 고가의 원료 사용을 절반 정도로 줄일 수 있다는 점에서 경제적으로 유리할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 정공전달층은 단분자 또는 고분자 정공전달 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 단분자 정공전달 물질로서 spiro-MeOTAD를 사용할 수 있고, 상기 고분자 정공전달 물질로서 P3HT를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것을 아니다. 또한, 예를 들어, 상기 정공전달층에는 도핑 물질로서 Li 계열 도펀트, Co 계열 도펀트, 또는 Li 계열 도펀트 및 Co 계열 도펀트 모두가 추가 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 예를 들어, 상기 정공전달층에는 tBP 등의 첨가제가 추가 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 광흡수층 상에 상기 정공전달층을 형성하는 것은, 정공전달 물질을 스핀 코팅함으로써 수행되는 것일 수 있으며, 상기 정공전달 물질은, 예를 들어, spiro-MeOTAD, tBP, 및 Li-TFSI의 혼합물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 2 전극은 Pt, Au, Ni, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, 전도성 고분자, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

이하, 본원에 대하여 실시예를 이용하여 보다 더 구체적으로 설명하지만, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.

[ 실시예 ]

1. 염료감응 태양전지의 제조

(1) 염료 CH ₃ NH ₃ PbI ₃ 의 제조

본 실시예에서는 본원의 제 1 측면에 따른 염료감응 태양전지를 제조하기 위하여, 화학식 1인 [RMX₃]로써 표시되는 염료에 포함되는 것인 CH₃NH₃PbI₃를 제조하여 이용하였다. 상기 염료 CH₃NH₃PbI₃의 제조 과정을 이하 상세하게 설명하였다.

우선, 빙욕을 준비하고 배쓰(bath)에 얼음과 물을 채운 후 250 mL 용량의 둥근 플라스크가 반 이상이 잠길 정도로 고정시켰다. 이후, 약 0.273 mol의 메틸아민 약 27.858 mL와 약 0.227 mol의 HI 약 30 mL를 250 mL 용량의 둥근 플라스크에 넣고 약 2 시간 동안 교반하였다. 이후, 증발기(evaporator)를 이용하여 약 50 ℃에서 약 1 시간 동안 용매를 증발시켰으며, 이로써 수득된 침전물은 디에틸 에테르를 이용하여 3 회 세척하였다. 이후, 세척한 침전물은 비커에 옮겨 약 60 ℃의 진공 오븐 내에서 약 24 시간 동안 건조시켜, CH₃NH₃I를 제조하였다.

이후, 상기 CH₃NH₃I와 PbI₂(Aldrich 사의 제품)를 약 1:1의 중량 비율로 섞은 뒤, 약 60 ℃에서 약 6 시간 동안 감마-부티로락톤(γ-butyrolactone) 내에서 교반하였다. 이때, 상기 염료 CH₃NH₃PbI₃의 농도가 약 10 wt%, 약 20 wt%, 약 30 wt%, 및 약 40 wt% 중 무엇인지에 따라 첨가되는 CH₃NH₃I와 PbI₂의 함량에 차이가 있었으며, 이는 하기 표 1에 정리하였다.

염료 농도	γ-butyrolactone	CH₃NH₃I	PbI₂
40 wt%	10 mL	1.955g (0.0123 mol)	5.728 g (0.0123 mol)
30 wt%	10 mL	1.254 g (0.00789 mol)	3.674 g (0.00789 mol)
20 wt%	10 mL	0.731 g (0.00460 mol)	2.142 g (0.00460 mol)
10 wt%	10 mL	0.3242 g(0.00204 mol)	0.9499 g (0.00204 mol)

상기 표 1에 정리한 함량대로 CH₃NH₃I와 PbI₂를 섞고 감마-부티로락톤 내에서 교반함으로써 다양한 농도의 염료 CH₃NH₃PbI₃를 수득하였다. 이후, 이물질 등을 제거하기 위해서 가로 및 세로 길이가 약 13 mm이고 두께가 약 0.45 μm인 PVDF 시린지 필터(Whatman 사의 제품)를 이용하여 두 차례 여과함으로써, 최종적으로 염료 CH₃NH₃PbI₃를 제조하였다.

(2) 제 1 전극 상에 광흡수층 형성

본원의 제 1 측면에 따른 염료감응 태양전지를 제조하기 위하여, 우선 전도성 투명 기재를 포함하는 제 1 전극을 제조하였고, 상기 제 1 전극 상에 반도체층 및 상기 (1)에서 제조한 염료 CH₃NH₃PbI₃를 포함하는 광흡수층을 형성하였다. 상기 제 1 전극의 제조, 및 상기 광흡수층의 형성 과정을 이하 상세하게 설명하였다.

우선, FTO 글라스(Pilkington, TEC-8, 8 Ω/sq)를 초음파를 이용하여 에탄올에서 20 분 동안 세척하였다. 이후, 상기 FTO 기판을 0.1 M Ti(IV) 비스(에틸아세토아세테이토)-디이소프로폭사이드(Aldirch 사의 제품)/1-부탄올(Aldrich 사의 제품) 용액을 사용하여 스핀 코팅 방법을 이용하여 코팅함으로써, 전도성 투명 기재를 포함하는 제 1 전극을 제조하였다.

이후, 상기 제 1 전극 상에 반도체층을 형성하기 위하여, 상기 제 1 전극을 약 500 ℃에서 약 15 분 동안 열처리한 후 닥터 블레이드 방법을 사용하여 TiO₂ 페이스트를 코팅하였다. 이때, 코팅되는 TiO₂ 페이스트의 두께는 테이프로 조절하였다. 상기 코팅 후, 약 100℃에서 약 15 분 동안 열처리 하였다. 이후, 상기 열처리를 통해 소결된 TiO₂ 필름이 포함된 약 0.02 M의 TiCl₄ 용액을 약 10 분 동안 약 70℃에서 열처리한 후, 약 30 분 동안 약 500℃열처리함으로써, 상기 반도체층으로서 TiO₂ 필름이 코팅된 FTO 글라스를 수득하였다. 이때, 상기 반도체층인 TiO₂ 필름은 다공성 구조를 가지는 것이었으며, 상기 TiCl₄ 용액 처리로 인하여 이미 형성된 다공성 TiO₂ 필름의 표면에 TiO₂가 추가적으로 형성됨으로써 표면의 거칠기 증가 및 이에 따른 표면적 증가가 유도된 것이었다.

이후, 상기 제 1 전극인 FTO 글라스 상에 형성된 상기 반도체층인 TiO₂ 필름 상에 염료를 흡착하여 광흡수층을 완성하기 위하여, 앞서 (1)에서 제조한 약 40 wt% 농도의 CH₃NH₃PbI₃ 염료를 상기 TiO₂ 필름이 코팅된 상기 FTO 글라스 위에 적하하였다. 이때, 적하량은 2.5 x 2.5 cm² 당 200 μm 였다. 이후, 스핀 코팅 방법으로 상기 TiO₂ 필름 상에 상기 염료를 코팅시켰으며, 이 과정에서 사용된 용매를 증발시키기 위하여 약 100 ℃에서 약 15 분 동안 열 판 위에서 열처리를 수행함으로써, 상기 제 1 전극 상에 상기 반도체층과 상기 염료를 포함하는 광흡수층을 형성하였다.

(3) 정공전달층을 포함하는 염료감응 태양전지 제조 ( 실시예 )

본원의 제 1 측면에 따른 염료감응 태양전지를 제조하기 위하여, 앞서 설명한 (2)에 이어, 상기 광흡수층 상에 정공전달층을 형성하고, 상기 정공전달층 상에 제 2 전극을 형성하였다. 이때, 상기 정공전달층은 정공전달 물질을 상기 광흡수층 상에 스핀 코팅함으로써 형성되었으며, 상기 정공전달 물질은 약 0.17 M의 spiro-MeOTAD, 약 0.198 M의 tBP, 및 약 64 mM의 Li-TFSI를 포함하는 것이었다. 여기에서, 상기 Li-TFXI는 0.1977 g/mL 농도로 아세토니트릴에 먼저 논인 후 용액 상태로 첨가하였다. 상기 정공전달 물질을 이용하여 상기 정공전달층을 형성한 후, 상기 정공전달층 상에 금(Au)을 약 60 nm 내지 약 80 nm 두께로 증착하여 제 2 전극을 형성함으로써, 본원의 염료감응 태양전지를 완성하였다. 이때, 상기 금을 증착하기 위해 10^-6 torr 이하의 압력이 이용되었다.

(4) 액체 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지 제조 ( 비교예 )

앞서 설명한 (3)에 의해 제조된 염료감응 태양전지는 정공전달층을 포함하는 것으로서, 본원의 제 1 측면에 따른 염료감응 태양전지였다. 이와 비교하기 위하여, 본 실시예에서는 상기 정공전달층 대신 액체 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지도 비교예로서 제조하였으며, 상기 비교예로서의 염료감응 태양전지의 제조 과정은 이하 상세하게 설명하였다. 다만, 제 1 전극의 제조 과정 및 광흡수층의 형성 과정은 상기 (3)의 염료감응 태양전지와 마찬가지로, 상기 (2)에 따라 수행되었는 바, 상기 광흡수층 형성 이후의 과정만을 이하 설명하였다.

본 비교예에서는 제 2 전극으로서 백금(Pt) 전극을 준비하였다. 이를 위해, 우선 글라스에 전해질을 주입할 수 있는 구멍을 뚫고 에탄올 내에서 초음파를 이용하여 약 20 분 동안 세척하였으며, 약 7 mM 농도의 H₂PtCl₆·xH₂O/2-프로판올 용액을 이용하여 단위 셀 크기마다 한 방울씩 떨어뜨리고, 그대로 용매를 증발시켰다. 상기 용매를 모두 증발시킨 후 약 400 ℃에서 약 20 분 동안 열처리함으로써 상기 제 2 전극을 완성하였다.

이후, 상기 (2)에서 제조한 광흡수층이 형성된 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 조립하였으며, 이때 접착제로서는 Surlyn(Solaronix 사의 제품)을 사용하였다. 구체적으로, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 Surlyn을 위치시킨 뒤, 상부 판과 하부 판이 각각 약 85℃ 및 95℃로 가열된 프레스를 이용하여 약 2.3 bar의 압력으로 약 14 초 동안 압착함으로써, 상기 surlyn이 녹아 두 전극이 면 접합되도록 하였다. 이처럼 상기 두 전극이 면 접합된 후, 상기 제 2 전극에 뚫어 놓은 구멍을 통해 액체 전해질을 주입하였다. 이때, 상기 액체 전해질로는 약 0.9 M 농도의 LiI, 약 0.45 M 농도의 I2, 약 0.5 M 농도의 TBP, 및 약 0.05 M 농도의 우레아를 에틸 아세테이트에 녹여서 사용하였다. 상기 액체 전해질을 씰링된 두 전극 중 상기 제 2 전극에 형성된 작은 구멍(hole)을 통해 주입한 후 밀봉하여, 본 비교예의 염료감응 태양전지를 완성하였다.

2. 정공전달층을 포함하는 염료감응 태양전지의 특성 확인 ( 실시예 )

앞서 1-(3)의 방법으로 제조한 정공전달층을 포함하는 염료감응 태양전지의 특성을 확인하는 실험을 수행하였으며, 그 결과를 본원의 도 2 및 도 3에 나타내었다.

(1) 반도체층 두께 변화에 따른 에너지 전환효율 확인 (도 2)

앞서 1-(3)의 방법으로 제조한 본원의 제 1 측면에 따른 염료감응 태양전지가 얇은 반도체층 두께를 가져도 높은 에너지 전환효율을 나타냄을 확인하기 위하여, 다양한 반도체층 두께를 가지는 상기 염료감응 태양전지에 대하여 광전류-전압 특성을 측정하였다. 이때, 상기 측정은 태양조사장치(solar simulator)를 이용하여 AM 약 1.5 G 및 1 태양 조건(100 mW/cm²)의 표준 조건에서 수행되었으며, 상기 반도체층 두께는 각각 약 2.12 μm, 약 1.49 μm, 약 1.4 μm, 약 1.06 μm, 약 1.03 μm, 및 약 0.6 μm였다. 상기 반도체층 두께에 따른 광전류밀도(Jsc), 광전압(Voc), 층밀계수(FF), 및 효율(η)을 하기 표 2에 정리하여 나타내었다:

두께 (μm)	Jsc (mA/cm²)	Voc (V)	FF	η(%)	면적 (cm²)
2.12	15.4	0.780	0.46	5.6	0.438
1.49	15.6	0.832	0.49	6.3	0.204
1.4	16.3	0.825	0.57	7.7	0.216
1.06	14.7	0.899	0.55	7.3	0.217
1.03	15.8	0.852	0.61	8.3	0.220
0.6	16.2	0.897	0.64	9.3	0.207

이와 관련하여, 도 2a 및 도 2b는 본 실시예에 따라 제조한 정공전달층을 포함하는 염료감응 태양전지에 포함된 반도체층 두께 변화에 따른 광전류-전압 특성 그래프로서, 상기 표 2에 정리한 광전류밀도(Jsc)-광전압(Voc) 값을 그래프로서 나타낸 것이다. 구체적으로, 도 2a는 상기 반도체층 두께가 약 2.12 μm, 약 1.49 μm, 및 약 1.06 μm인 경우의 광전류-전압 특성 그래프이고, 도 2b는 상기 반도체층 두께가 약 1.4 μm, 약 1.03 μm, 및 약 0.6 μm인 경우의 광전류-전압 특성 그래프를 나타낸 것이다.

한편, 도 2c는 가장 높은 에너지 전환효율을 나타낸 경우의 광전류-전압 특성 그래프로서, 측정 조건은 AM 약 1.5 G 및 1 sun의 표준 조건으로서 위와 같았으나, 상기 반도체층 두께는 약 0.6 μm 정도로서 상기 표 2에 정리한 경우 중 가장 얇은 반도체층 두께를 가지는 경우와 유사하였다. 이때, 광전류밀도(Jsc) 값은 약 17.6 mA/cm²였고, 광전압(Voc) 값은 약 0.888 V였으며, 층밀계수(FF) 값은 약 0.62이었고, 에너지 전환효율(η)은 약 9.7%로 최대치를 기록함으로써, 본원의 제 1 측면에 따른 염료감응 태양전지의 높은 활용 가능성을 보여주었다. 특히, 상기 약 9.7%의 높은 에너지 전환효율(η)은 본원의 비교예와 같은 액체 전해질을 이용할 경우 달성하기 어려운 수치로서, 정공전달층을 포함하는 염료감응 태양전지 특유의 높은 전류밀도로 인하여 달성이 가능했던 것으로 추정된다. 이와 비교하여, 본원의 비교예와 같은 액체 전해질을 이용할 경우 에너지 전환효율은 약 5% 대에 머무를 뿐, 이처럼 높은 에너지 전환효율이 달성되기 어려운데, 이는 액체 전해질을 이용할 경우에는 높은 전류밀도가 확보되지 않는 것과 연결지어 해석할 수 있다.

또한, 도 2a 내지 도 2c의 그래프로부터, 본원의 제 1 측면에 따른 염료감응 태양전지는 반도체층 두께가 얇은 경우에도 높은 에너지 전환효율을 달성할 수 있으며, 오히려 상기 반도체층 두께가 두꺼운 경우보다 약 1 μm 정도 또는 그 이하로 얇은 경우에 더 높은 에너지 전환효율을 나타냄을 확인할 수 있었다.

(2) 시간 경과에 따른 장기안정성 확인 (도 3)

본원의 비교예와 같이 액체 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지의 경우 누액이나 휘발 등의 문제로 인하여 높은 수명을 기대할 수 없다는 단점이 있었다. 구체적으로, 상기 액체 전해질을 이용하는 경우, 장기안정성은 분 단위로 매우 낮았다. 이에, 앞서 1-(3)의 방법으로 제조한 본원의 정공전달층을 포함하는 염료감응 태양전지에서는 상기 단점이 극복되어 장기안정성이 확보되었는지 확인하기 위하여, 상기 염료감응 태양전지에 대하여 시간 경과에 따른 광전류-전압 특성을 측정함으로써 장기안정성을 확인하였다.

이때, 상기 측정은 태양조사장치(solar simulator)를 이용하여 AM 약 1.5 G 및 1 태양 조건(100 mW/cm²)의 표준 조건에서 수행되었으며, 상기 반도체층 두께는 각각 약 1.25 μm였다. 또한, 시간이 경과하여도 변함없이 특성을 유지하는지, 즉 장기안정성을 가지는지를 확인하기 위하여, 0.3 일, 2 일, 4 일, 7 일, 12 일, 및 21 일이 경과한 후 각각 광전류밀도(Jsc), 광전압(Voc), 층밀계수(FF), 및 효율(η)을 측정하여 하기 표 3에 정리하여 나타내었다:

시간 (일)	Jsc (mA/cm²)	Voc (V)	FF	η(%)
0.3	14.9	0.849	0.47	6.0
2	14.3	0.856	0.51	6.3
4	14.5	0.851	0.51	6.2
7	13.0	0.849	0.53	5.9
12	13.4	0.858	0.50	5.7
21	13.6	0.849	0.52	6.0

이와 관련하여, 도 3a 내지 도 3c는 본원의 일 실시예에 따라 제조한 염료감응 태양전지의 시간 경과에 따른 장기안정성에 관한 그래프로서, 상기 표 3에 정리한 값들을 그래프로서 나타낸 것이다. 상기 표 3 및 도 3a 내지 도 3c를 통하여, 본원의 제 1 측면에 따른 정공전달층을 액체 전해질 대신 포함하는 염료감응 태양전지는 최소 약 500 시간 이상의 장기안정성을 보유함을 확인할 수 있었다. 다만, 상기 염료감응 태양전지의 장기안정성은 상대 전극의 역할을 수행하는 제 2 전극의 구성 물질의 영향도 받는대, 반응성이 높아 부식되기 쉬운 은(Ag)을 제 2 전극으로서 이용하는 경우에는 장기안정성을 확보하기 어려워, 약 7 일 경과 후 효율이 약 50% 정도로 감소될 수 있다. 따라서, 높은 장기안정성을 확보하기 위해서는 상기 제 2 전극으로서 금(Au)과 같은 안정한 물질을 이용하는 것이 도움이 될 수 있다.

3. 액체 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지의 특성 확인 ( 비교예 )

앞서 1-(4)의 방법으로 제조한 액체 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지의 특성을 확인하는 실험을 수행하였으며, 그 결과를 본원의 도 4 내지 도 6에 나타내었다.

(1) 염료 농도에 따른 에너지 전환효율 확인 (도 4)

앞서 1-(4)의 방법으로 제조한 염료감응 태양전지에서 포함되는 염료의 농도 이외에는 모든 조건을 동일하게 하여 광전류-전압 특성을 측정함으로써, 적절한 염료 농도를 확인하는 실험을 수행하여 그 측정 결과를 하기 표 4 및 도 4에 나타내었다. 이때, 상기 광전류-전압 특성의 측정은 태양조사장치(solar simulator)를 이용하여 AM 약 1.5 G 및 1 태양 조건(100 mW/cm²)의 표준 조건에서 수행되었다.

구분	Jsc (mA/cm²)	Voc (V)	FF	η(%)	TiO₂ 두께 (μm)
2 중량%	0.121	0.4246	0.579	0.03	5.3
10 중량%	0.880	0.5482	0.672	0.32	5.5
20 중량%	3.534	0.5843	0.667	1.38	5.4
30 중량%	8.115	0.5912	0.616	2.96	5.4
40 중량%	13.31	0.6046	0.513	4.13	5.3

이와 관련하여, 도 4a는 본 비교예에 따라 제조한 염료감응 태양전지의 염료 농도 변화에 따른 광전류-전압 특성 그래프로서, 상기 표 4의 데이터를 이용하여 작성한 것이다. 상기 표 4 및 도 4a를 참조함으로써, 염료 농도가 약 40 중량%일 때 에너지 전환효율이 가장 우수함을 확인하였다.

한편, 도 4b는 본 비교예에 따라 제조한 염료감응 태양전지의 염료 농도 변화에 따른 코팅 필름의 색 변화를 나타낸 사진으로서, 상기 염료 농도가 높아짐에 따라 생기 황색에서 점차적으로 흑색으로 변화하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 상기 염료 농도 변화에 따라 사이즈 효과에 따른 밴드갭 변화를 반영하는 결과로서, 상기 염료 농도가 높아질수록 흑색으로 변화하는 것은 흡수되는 빛의 파장이 단파장에서 장파장으로 확대되었음을 의미한다.

(2) 열처리 온도에 따른 에너지 전환효율 확인 (도 5)

앞서 1-(4)의 방법으로 제조한 염료감응 태양전지에서 광흡수층을 형성할 때 반도체층에 염료를 흡착한 후 수행한 열처리의 온도 이외에는 모든 조건을 동일하게 하여 광전류-전압 특성을 측정함으로써, 적절한 염료 농도를 확인하는 실험을 수행하여 그 결과를 하기 표 5 및 도 5에 나타내었다. 이때, 상기 광전류-전압 특성의 측정은 태양조사장치(solar simulator)를 이용하여 AM 약 1.5 G 및 1 태양 조건(100 mW/cm²)의 표준 조건에서 수행되었다.

구분	Jsc (mA/cm²)	Voc (V)	FF	η(%)	TiO₂ 두께 (μm)
40℃	13.31	0.6046	0.513	4.13	5.5
70℃	13.52	0.6041	0.526	4.30	5.5
100℃	13.76	0.6172	0.557	4.73	5.5
130℃	12.07	0.5990	0.572	4.14	5.5
160℃	10.06	0.6273	0.588	3.71	5.3

이와 관련하여, 도 5는 본 비교예에 따라 제조한 염료감응 태양전지의 열처리 온도 변화에 따른 광전류-전압 특성 그래프로서, 상기 표 5의 데이터를 이용하여 작성한 것이다. 상기 표 5 및 도 5를 참조함으로써, 열처리 온도가 약 100℃일 때 에너지 전환효율이 가장 우수함을 확인하였다.

(3) 반도체층 두께 변화에 따른 광전류-전압 특성 확인 (도 6)

앞서 1-(4)의 방법으로 제조한 염료감응 태양전지에서 광흡수층에 포함되는 반도체층의 두께 이외에는 모든 조건을 동일하게 하여 광전류-전압 특성을 측정함으로써, 적절한 염료 농도를 확인하는 실험을 수행하여 그 결과를 하기 표 6 및 도 6에 나타내었다. 이때, 상기 광전류-전압 특성의 측정은 태양조사장치(solar simulator)를 이용하여 AM 약 1.5 G 및 1 태양 조건(100 mW/cm²)의 표준 조건에서 수행되었다.

구분	Jsc (mA/cm²)	Voc (V)	FF	η(%)	TiO₂ 두께 (μm)
3.6 μm	15.99	0.6288	0.617	6.20	3.6
5.5 μm	13.76	0.6172	0.5567	4.73	5.5
9.8 μm	9.593	0.5844	0.5837	3.27	9.8

이와 관련하여, 도 6은 본 비교예에 따라 제조한 염료감응 태양전지의 열처리 온도 변화에 따른 광전류-전압 특성 그래프로서, 상기 표 6의 데이터를 이용하여 작성한 것이다. 상기 표 6 및 도 6를 참조함으로써, 상기 반도체층의 두께가 약 3.6 μm일 때 에너지 전환효율이 약 6.20%로서 가장 우수함을 확인하였다. 이는 동일한 조건에서 염료의 종류만 루테늄 금속 착체(N719)로 달리하여 제조한 염료감응 태양전지의 에너지 전환효율을 측정한 경우 그 최대치가 약 3.87% 정도에 불과한 것에 비해서는 약 62% 이상 향상된 결과였다. 그러나, 본원의 제 1 측면에 따른 정공전달층을 포함하는 염료감응 태양전지가 동일한 조건에서 나타낸 약 8%를 능가하는 에너지 전환효율에 비해서는 낮은 값이었다. 이로부터, 본원의 제 1 측면에 따라, 염료로서 기존의 루테늄 금속 착체 대신 페로브스카이트 구조를 가지는 유무기 복합염료를 이용하고, 또한 기존의 액체 전해질 대신 정공전달층을 포함하는 염료감응 태양전지를 제조하는 경우, 최고의 효율을 달성할 수 있음을 확인할 수 있었다.

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.

10: 염료감응 태양전지
11: 제 1 전극
12: 광흡수층
13: 정공전달층
14: 제 2 전극

Claims

전도성 투명 기재를 포함하는 제 1 전극;
상기 제 1 전극 상에 형성된 광흡수층;
상기 광흡수층 상에 형성된 정공전달층; 및
상기 정공전달층 상에 형성된 제 2 전극을 포함하며,
상기 광흡수층은 반도체층 및 하기 화학식 1로써 표시되는 염료를 포함하는,
염료감응 태양전지:
[화학식 1]
RMX₃
상기 화학식 1에서,
R은 C₁ _-20의 알킬기, 아민기 치환된 알킬기, 또는 알칼리 금속이고,
M은 Pb, Sn, Ti, Nb, Zr, Ce로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이고,
X는 할로겐임.
제 1 항에 있어서,
상기 전도성 투명 기재는 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga₂O₃, ZnO-Al₂O₃, 주석계 산화물, 산화아연, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 물질을 함유하는 유리 기재 또는 플라스틱 기재를 포함하는 것인, 염료감응 태양전지.
제 2 항에 있어서,
상기 플라스틱 기재는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 트리아세틸셀룰로오스, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 고분자를 포함하는 것인, 염료감응 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 반도체층은 금속 산화물을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 반도체층은, 티탄, 주석, 아연, 텅스텐, 지르코늄, 갈륨, 인듐, 이트륨, 니오브, 탄탈, 바나듐, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속의 산화물을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 반도체층은, TiO₂, SnO₂, ZnO, WO₃, Nb₂O₅, TiSrO₃, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속 산화물을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 반도체층은 3.0 μm 이하의 두께를 가지는 것인, 염료감응 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 염료는 페로브스카이트 구조를 가지는 것인, 염료감응 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 염료는 30 중량% 내지 50 중량%의 농도를 가지는 것인, 염료감응 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 정공전달층은 단분자 또는 고분자 정공전달 물질을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 전극은 Pt, Au, Ni, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, 전도성 고분자, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지.
전도성 투명 기재를 포함하는 제 1 전극 상에 반도체층을 형성하는 것;
상기 반도체층에 하기 화학식 1로써 표시되는 염료를 흡착시킨 후 열처리함으로써 광흡수층을 형성하는 것;
상기 광흡수층 상에 정공전달층을 형성하는 것; 및
상기 정공전달층 상에 제 2 전극을 형성하는 것
을 포함하는,
제 1 항에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법:
[화학식 1]
RMX₃
상기 화학식 1에서,
R은 C₁ _-20의 알킬기, 아민기 치환된 알킬기, 또는 알칼리 금속이고,
M은 Pb, Sn, Ti, Nb, Zr, Ce로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이고,
X는 할로겐임.
제 12 항에 있어서,
상기 반도체층은, TiO₂, SnO₂, ZnO, WO₃, Nb₂O₅, TiSrO₃, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속 산화물을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지의 제조 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 반도체층은 닥터 브레이드, 스크린 프린트, 스핀 코팅, 또는 스프레이 방법으로 상기 제 1 전극 상에 형성되는 것을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지의 제조 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 반도체층은 3.0 μm 이하의 두께를 가지는 것인, 염료감응 태양전지의 제조 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 반도체층은 다공성 구조인 것을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지의 제조 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 반도체층 상에 고분자를 도포하고 열처리하는 것을 추가 포함하는 것인, 염료감응 태양전지의 제조 방법.
제 17 항에 있어서,
상기 고분자는, 에틸렌셀룰로오스, 하이드록시프로필셀룰로오스, 폴리에틸렌글리콜, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐알코올, 폴리비닐피롤리돈, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지의 제조 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 염료는 페로브스카이트 구조를 가지는 것인, 염료감응 태양전지의 제조 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 염료는 30 중량% 내지 50 중량%의 농도를 가지는 것인, 염료감응 태양전지의 제조 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 광흡수층을 형성하는 것은, 상기 반도체층에 상기 화학식 1로써 표시되는 염료의 전구체 용액을 코팅한 후 40℃ 내지 300℃에서 열처리하는 것을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지의 제조 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 정공전달층은 단분자 또는 고분자 정공전달 물질을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지의 제조 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 제 2 전극은 Pt, Au, Ni, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, 전도성 고분자, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지의 제조 방법.