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KR101320394B1 - 염료 감응 태양 전지용 염료, 그 제조 방법 및 이를 채용한 태양 전지 - Google Patents

염료 감응 태양 전지용 염료, 그 제조 방법 및 이를 채용한 태양 전지 Download PDF

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KR101320394B1
KR101320394B1 KR1020130006070A KR20130006070A KR101320394B1 KR 101320394 B1 KR101320394 B1 KR 101320394B1 KR 1020130006070 A KR1020130006070 A KR 1020130006070A KR 20130006070 A KR20130006070 A KR 20130006070A KR 101320394 B1 KR101320394 B1 KR 101320394B1
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KR
South Korea
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dye
group
formula
solar cell
sensitized solar
Prior art date
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KR1020130006070A
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차시영
이지원
강문성
신병철
박도영
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
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Publication date
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Abstract

염료 감응 태양 전지용 염료, 그 제조 방법 및 이를 채용한 태양 전지가 제시된다.

Description

염료 감응 태양 전지용 염료, 그 제조 방법 및 이를 채용한 태양 전지{Dyes for dye-sensitive solar cells, manufacturing method thereof and solar cells using the same}
염료 감응 태양 전지용 염료, 그 제조 방법 및 이를 채용한 태양 전지에 관한 것이다.
최근 들어 직면하는 에너지 문제를 해결하기 위하여 기존의 화석 연료를 대체할 수 있는 다양한 연구가 진행되어 오고 있다. 특히 수십 년 이내에 고갈될 석유 자원을 대체하기 위하여 풍력, 원자력, 태양력 등의 자연 에너지를 활용하기 위한 광범위한 연구가 진행되어 오고 있다. 이들 중 태양 에너지를 이용한 태양 전지는 기타 다른 에너지원과는 달리 자원이 무한하고 환경 친화적이므로 1983년 Se 태양 전지를 개발한 이후로 최근에는 실리콘 태양 전지가 각광을 받고 있다.
그러나 이와 같은 실리콘 태양 전지는 제작 비용이 상당히 고가이기 때문에 실용화가 곤란하고, 전지 효율을 개선하는데도 많은 어려움이 따르고 있다. 이러한 문제를 극복하기 위하여 제작 비용이 현저히 저렴한 염료 감응 태양 전지의 개발이 적극 검토되어 오고 있다.
염료 감응 태양 전지는 실리콘 태양 전지와는 달리 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료 분자 및 생성된 전자를 전달하는 전이 금속 산화물을 주된 구성 재료로 하는 광전기 화학적 태양 전지이다. 지금까지 알려진 염료 감응 태양 전지의 대표적인 예는 1991년 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의해 발표된 것으로, 기존의 실리콘 태양 전지에 비하여 전력당 제조원가가 저렴하여 기존의 태양 전지를 대체할 수 있다는 점에서 주목을 받아왔다.
이와 같은 염료 감응 태양 전지의 통상적인 구조는 전도성 투명 기판, 광흡수층, 전해질층 및 대향 전극으로 이루어지며, 상기 광흡수층은 반도체 미립자 및 염료를 포함한다. 태양광이 염료 분자에 흡수되면 염료 분자는 기저 상태에서 여기 상태로 전자 전이하여 전자-홀쌍을 만들고, 여기 상태의 전자는 티타늄 산화물 입자 계면의 전도띠(conduction band)로 주입되고, 주입된 전자는 계면을 통해 전도성 투명 기판으로 전달되고, 외부 회로를 통해 대향 전극으로 이동한다. 한편 전자전이 결과로 산화된 염료는 전해질층 내 산화-환원 커플의 이온에 의해 환원되고, 산화된 상기 이온은 전하중성(charge neutrality)을 이루기 위해 대향 전극의 계면에 도달한 전자와 환원 반응을 함으로써 상기 염료 감응 태양 전지가 작동하게 된다.
상기 염료 감응 태양 전지에서 태양 전지가 구동되는 첫 단계는 광에너지로부터 광전하를 생성하는 과정이며, 이를 위해 염료 분자는 전도성 투명 기판을 투과한 빛을 흡수하여 여기된다. 염료 분자는 유기 금속 착물을 포함하는 것을 사용하는 것으로 알려져 있다.
이러한 염료는 양자 수율은 우수하나, 태양 전지로서의 효율이 불충분하여 더욱 우수한 성능을 가지는 염료의 개발이 요구되고 있다.
한 측면은 기존의 유기 금속 착물과는 다른 바이덴테이트 리간드 대 상대 이온의 비를 가지는 유기 금속 착물을 포함하는 염료 감응 태양 전지용 염료를 제공하는 것이다.
다른 한 측면은 상기 염료 감응 태양 전지용 염료의 제조 방법을 제공하는 것이다.
또 다른 한 측면은 상기 염료 감응 태양 전지용 염료를 채용한 태양 전지를 제공하는 것이다.
한 측면에 따라, 하기 화학식 1로 표시되는 유기 금속 착물을 포함하는 염료 감응 태양 전지용 염료가 제공된다:
<화학식 1>
Figure 112013005311660-pat00001
상기 식 중, M은 주기율표 상의 8 내지 10족의 금속 원소이고, X는 -CN, -OH, -I, -Cl, -NCO, -NCS 및 -NCSe로 이루어진 군으로부터 선택되는 보조 리간드이고, L은 하기 화학식 2로 표시되는 바이덴테이트 리간드이고,
<화학식 2>
Figure 112013005311660-pat00002
Z는 하기 화학식 3으로 표시되는 상대 이온이고,
<화학식 3>
Figure 112013005311660-pat00003
여기서, R1 및 R2는 서로 독립적으로 COOH, PO3H2, PO4H2, SO3H2, SO4H2 및 CONHOH로 이루어진 군으로부터 선택되며 R1 및 R2 중 어느 하나는 탈양자화된 상태이고, R3 내지 R6은 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 - 20알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 - 20알콕시기, 치환 또는 비치환된 C2 - 20알케닐기, 치환 또는 비치환된 C2 - 20알키닐기, 치환 또는 비치환된 C6 - 30아릴기, 치환 또는 비치환된 C6 - 30아릴옥시기 및 치환 또는 비치환된 C2 - 30헤테로아릴기로 이루어진 군으로부터 선택되고, L 대 Z의 몰비(p/q)는 1.1 내지 1.4이다.
상기 화학식 1 중에서 M은 Ru(루테늄)일 수 있다.
상기 화학식 1 중에서 X는 -NCS일 수 있다.
상기 화학식 1 중에서 L은 하기 화학식 4로 표시될 수 있다:
<화학식 4>
Figure 112013005311660-pat00004
.
상기 화학식 1 중에서 Z는 하기 화학식 5로 표시될 수 있다:
<화학식 5>
Figure 112013005311660-pat00005
상기 염료 감응 태양 전지용 염료는 하기 화학식 6으로 표시되는 유기 금속 착물을 70 내지 99 중량% 포함할 수 있다:
<화학식 6>
Figure 112013005311660-pat00006
.
다른 한 측면에 따라, 하기 화학식 7로 표시되는 유기 금속 착물을 준비하는 단계, 상기 유기 금속 착물 100 중량부, 테트라부틸암모늄 티오시아네이트 80 내지 150 중량부 및 테트라부틸암모늄 히드록시드 20 내지 80 중량부를 혼합하여 용액을 제조하는 단계 및 상기 용액을 pH 3.8 내지 4.1에서 정제하는 단계를 포함하는 상기 염료 감응 태양 전지용 염료의 제조 방법이 제공된다:
<화학식 7>
Figure 112013005311660-pat00007
상기 식 중, M, X, L 및 Z는 상기 설명한 바와 같다.
다른 한 측면에 따라, 전도성 투명 기판을 포함하는 제1전극; 상기 제1전극의 어느 한 면에 형성된 광흡수층; 상기 광흡수층이 형성된 제1전극에 대향하여 배치되는 제2전극 및 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 위치하는 전해질을 포함하고, 상기 광흡수층이 반도체 미립자 및 상기 염료 감응 태양 전지용 염료를 포함하는 염료 감응 태양 전지가 제공된다.
일 실시예에 따른 염료 감응 태양 전지용 염료를 포함하는 태양 전지는 높은 변환 효율을 가진다.
도 1은 염료 감응 태양 전지의 작동원리를 나타내는 개략도이다.
도 2는 일 구현예에 따른 염료 감응 태양 전지의 구조를 나타낸다.
이하에서 예시적인 하나 이상의 구현예에 따른 염료 감응 태양 전지용 염료, 그 제조 방법 및 이를 채용한 태양 전지에 관하여 첨부 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
일 구현예에 따른 염료 감응 태양 전지용 염료는 하기 화학식 1로 표시되는 유기 금속 착물을 포함한다:
<화학식 1>
Figure 112013005311660-pat00008
상기 식 중, M은 주기율표 상의 8 내지 10족의 금속 원소이고, X는 -CN, -OH, -I, -Cl, -NCO, -NCS 및 -NCSe로 이루어진 군으로부터 선택되는 보조 리간드이고, L은 하기 화학식 2로 표시되는 바이덴테이트 리간드이고, Z는 하기 화학식 3으로 표시되는 상대 이온이고, L 대 Z의 몰비(p/q)는 1.1 내지 1.4이다:
<화학식 2>
Figure 112013005311660-pat00009
<화학식 3>
Figure 112013005311660-pat00010
상기 화학식 2 중에서 R1 및 R2는 서로 독립적으로 COOH, PO3H2, PO4H2, SO3H2, SO4H2 및 CONHOH로 이루어진 군으로부터 선택되며 R1 및 R2 중 어느 하나는 탈양자화된 상태이고, 상기 화학식 3 중에서 R3 내지 R6은 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 - 20알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 - 20알콕시기, 치환 또는 비치환된 C2 - 20알케닐기, 치환 또는 비치환된 C2 - 20알키닐기, 치환 또는 비치환된 C6 - 30아릴기, 치환 또는 비치환된 C6 - 30아릴옥시기 및 치환 또는 비치환된 C2 - 30헤테로아릴기로 이루어진 군으로부터 선택된다.
도 1은 염료 감응 태양 전지의 작동원리에 대한 것으로, 태양광이 염료 분자(5)에 흡수되면 염료 분자(5)는 기저 상태에서 여기 상태로 전자 전이하여 전자-홀쌍을 만들고, 여기 상태의 전자는 다공질막(3) 입자 계면의 전도띠로 주입되고, 주입된 전자는 제1전극(1)의 계면을 통해 제1전극(1)으로 전달되고, 외부회로를 통해 제2전극(2)으로 이동된다. 한편 전자 전이 결과로 산화된 염료는 전해액(4) 내 산화-환원쌍(redox couple)의 요오드이온(I-)에 의해 환원되고, 산화된 3가 요오드이온(I3 -)은 전하중성(charge neutrality)을 이루기 위해 제2전극(2)의 계면에 도달한 전자와 환원 반응함으로써 전지가 작동하게 된다. 이처럼 염료 감응 태양 전지는 기존의 p-n 접합형 실리콘계 태양 전지와 다르게 계면 반응을 통해 작동하는 전기화학적 원리를 갖는다.
상기 화학식 1의 유기 금속 착물은 염료 감응 태양 전지에 사용되는 그라첼 염료(Gratzel´s dye)의 기본적인 형태를 띠며 2개의 바이덴테이트 리간드(L)와 2개의 보조 리간드(X)를 가진다. 상기 화합물 내의 바이덴테이트 리간드 및 상대 이온의 몰비는 특정 범위 이내로 제어된다.
상기 화학식 1 중에서, M은 주기율표 상의 8 내지 10족의 금속 원소로서 Ru(루테늄), Os(오스뮴), Fe 및 Rh(레늄)로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 예를 들면, M은 Ru일 수 있다.
상기 화학식 1 중에서, L은 M과 배위 결합을 하는 바이덴테이트 리간드로서, 하기 화학식 2로 표시될 수 있다:
<화학식 2>
Figure 112013005311660-pat00011
여기서, R1 및 R2는 서로 독립적으로 COOH, PO3H2, PO4H2, SO3H2, SO4H2 및 CONHOH로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, R1 및 R2 중 어느 하나는 탈양자화된 상태이다.
상기 화학식 1로 표시되는 유기 금속 착체는 중심에 8 내지 10족의 금속 원소가 위치하고 이러한 금속 원소에 화학식 2로 표시되는 바이덴테이트 리간드(L)가 2개 결합되어 있고 다른 보조 리간드(X)가 2개 결합되어 있는 구조로서, 이러한 구조의 유기 금속 착체는 화학식 2로 표시되는 바이덴테이트 리간드(L)가 기본 골격을 이루고 있기 때문에 상기 유기 금속 착체의 특성은 화학식 2로 표시되는 바이덴테이트 리간드(L)의 구조에 가장 큰 영향을 받는다.
L은 -N기를 가지고 있기 때문에 질소 원자의 비공유 전자쌍이 금속 M과 강한 결합을 할 수 있고, 이러한 강한 배위 결합을 형성하는 유기 금속 착물은 광흡수층 내에서 반도체 미립자 표면에 대한 흡착력이 우수하다. 따라서 상기 유기 금속 착물을 태양 전지의 염료로 사용하는 경우, 염료 분자 내에서 발생한 전자가 반도체 미립자로 용이하게 이동할 수 있고 결과적으로 태양 전지의 광전환 효율이 개선될 수 있다. 즉 바이덴테이트 리간드(L)가 화학식 2로 표시되는 구조를 가지는 유기 금속 착물은 반도체 미립자와의 접촉 계면에서 강화된 흡착 능력을 가져 계면 저항이 감소함에 따라 전자의 이동이 보다 용이해지고 이러한 전자의 원활한 이동은 전체적으로 광전환 효율의 상승으로 이어지게 된다.
상기 바이덴테이트 리간드(L)의 말단기 R1 및 R2는 바이덴테이트 리간드(L) 자체의 특성에 큰 영향을 미치므로, 상기 말단기 R1 및 R2는 화학식 1로 표시되는 유기 금속 착체의 흡착 능력에 큰 영향을 미치게 된다. R1 및 R2는 반응성이 우수한 산일 수 있으며, 구체적으로 COOH, PO3H2, PO4H2, SO3H2, SO4H2 및 CONHOH로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
예를 들면, 상기 바이덴테이트 리간드(L)는 비공유 전자쌍을 가지는 질소를 포함하는 비피리딘 유도체 골격을 가지고 -COOH 말단기를 가지는 하기 화학식 4로 표시될 수 있다. 단, 말단기에 해당하는 -COOH 중 하나는 수소가 이탈되어 탈양자화된 상태이다:
<화학식 4>
Figure 112013005311660-pat00012
상기 화학식 4와 같은 구조의 바이덴테이트 리간드(L)는 그 구조 내에 비공유 전자쌍 및 -COOH와 같은 작용기를 포함하고 있어 광흡수층 내에 존재하는 반도체 미립자와의 친화력이 개선될 수 있으며, 그 결과 접촉 계면에서 전자의 원활한 이동을 가능하게 할 수 있다.
상기 화학식 1 중에서, Z는 바이덴테이트 리간드(L)의 상대 이온으로서, 하기 화학식 3으로 표시될 수 있다:
<화학식 3>
Figure 112013005311660-pat00013
여기서, R3 내지 R6은 서로 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 - 20알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 - 20알콕시기, 치환 또는 비치환된 C2 - 20알케닐기, 치환 또는 비치환된 C2 - 20알키닐기, 치환 또는 비치환된 C6 - 30아릴기, 치환 또는 비치환된 C6 -30아릴옥시기 및 치환 또는 비치환된 C2 - 30헤테로아릴기로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
*Z는 바이덴테이트 리간드(L)의 말단기(R1 및 R2 중 수소가 이탈되어 탈양자화된 상태임)에 대응하는 상대 이온이다. 상대 이온(Z)은 중심에 N원자를 가지고 N원자의 결합 부위에 4개의 작용기가 있는 1가 양이온 형태이다. 상대 이온(Z)의 중심에 위치하는 N원자에 결합된 작용기는 치환 또는 비치환된 C1 - 20알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 - 20알콕시기, 치환 또는 비치환된 C2 - 20알케닐기, 치환 또는 비치환된 C2 - 20알키닐기, 치환 또는 비치환된 C6 - 30아릴기, 치환 또는 비치환된 C6 - 30아릴옥시기 및 치환 또는 비치환된 C2 - 30헤테로아릴기로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
예를 들면, Z는 중심에 위치하는 N원자에 4개의 n-부틸기가 결합된 테트라부틸암모늄(TBA+)일 수 있으며, 하기 화학식 5로 표시될 수 있다:
<화학식 5>
Figure 112013005311660-pat00014
상기 화학식 1 중에서, X는 유기 금속 착물의 전하 중성을 만족시키기 위한 보조 리간드로서, 전기화학적 특성 측면에서 -CN, -OH, -I, -Cl, -NCO, -NCS 및 -NCSe일 수 있다. 예를 들면, X는 -NCS일 수 있다.
상기 화학식 1 중에서, L 대 Z의 몰비는 1.1 내지 1.4이다.
상기 L 대 Z의 몰비는 상기 화학식 2로 표시되는 바이덴테이트 리간드 대 상기 화학식 3으로 표시되는 상대 이온의 몰비로서, 이상적인 경우에 1개의 바이덴테이트 리간드가 1개의 상대 이온과 서로 짝을 이루게 될 수 있다. 바이덴테이트 리간드는 하나의 말단기에서 수소가 이탈되어 1가의 음전하를 띠고 있고, 상대 이온은 중심에 존재하는 질소가 비공유전자쌍을 가지고 있지 않아 1가의 양이온을 띠고 있기 때문에 그러하다. 따라서 이상적인 L 대 Z의 몰비는 1일 수 있다. 그러나 실제로는 염료 흡착 특성의 향상 때문에 L 대 Z의 몰비가 1 이상인 경우에 더 높은 변환 효율을 나타낼 수 있다고 생각된다. 즉, L에는 염료의 다공성 티타늄산화물 표면에 흡착되는 특성을 좌우하는 정착기(anchoring group)(-COO-H+)가 포함되어 있어 p/q 비율이 증가할수록 염료가 전극에 흡착되는 양이 증가된다고 생각된다.
한편, L 대 Z의 몰비가 이상적인 값인 1이거나 1보다 매우 크게 되는 경우에는 유기 금속 착물이 흡착에 불필요한 이성질체를 형성할 수 있고 형성된 이성질체가 태양 전지에서 염료의 변환 효율 특성을 저하할 수 있다. 따라서, L 대 Z의 몰비가 1 내지 1.4를 만족하는 경우 유기 금속 착물이 흡착에 불필요한 이성질체를 형성하지 않아 이를 포함하는 염료를 사용한 염료 감응 태양 전지는 전류 및 광전 변환 효율이 증가하게 된다.
예를 들면, 상기 염료 감응 태양 전지용 염료는, X가 -NCS이고 L이 상기 화학식 4로 표시되고 Z 상기 화학식 5로 표시되며 L 대 Z의 비율이 1인 하기 화학식 6으로 표시되는 유기 금속 착물을 전체 중량 대비 70 내지 99 중량%로 포함할 수 있다:
<화학식 6>
Figure 112013005311660-pat00015
이러한 염료 감응 태양 전지용 염료는 L:Z의 비가 1:1이 아닌 유기 금속 착물(예를 들면 L:Z의 비가 2:1인 유기 금속 착물) 또는 보조 리간드 X가 -S=C=N인 이성질체 등을 일부 포함하고 있다.
상기 L 대 Z의 몰비는 상기 화학식 1로 표시되는 유기 금속 착물의 제조 단계에서 pH를 3.8 내지 4.1로 조절하여 정제함으로써 제어될 수 있다.
상기 염료 감응 태양 전지용 염료의 제조 방법은 하기 화학식 7로 표시되는 유기 금속 착물을 준비하여, 상기 유기 금속 착물 100 중량부, 테트라부틸암모늄 티오시아네이트 80 내지 150 중량부 및 테트라부틸암모늄 히드록시드 20 내지 80 중량부를 혼합하여 용액을 제조한 다음 상기 용액을 pH 3.8 내지 4.1에서 정제하는 과정을 포함한다:
<화학식 7>
Figure 112013005311660-pat00016
화학식 7 중에서, M, X, L 및 Z는 상기 설명한 바와 같다.
예를 들면, 상기 염료 감응 태양 전지용 염료의 제조 방법은 하기와 같다.
디클로로(p-시멘)루테늄(II) 이량체(Dichloro(p-cymene)ruthenium(II) dimmer)(0.2 mmol, 1당량)과 4,4´-비스(카르복실산)-2,2´-비피리딘(4,4´-bis(carboxylic acid)-2,2´-bipyridine)(0.8 mmol, 4당량)의 혼합물을 DMF(디메틸포름아마이드(dimethylformamide)) 용매하에서 160℃에서 4시간 동안 교반 증류시킨다. NH4NCS (4 mmol, 10당량)을 추가로 넣어준 후에 130℃에서 5시간 동안 더 교반 증류시킨다. 용매는 진공하에서 증발시킨 후 과량의 물을 넣어주고, 감압 플라스크로 걸러낸다. 물에 녹지 않은 자주색 고체를 취하여 물과 디에틸에테르로 씻어준다. 테트라-부틸 암모늄 히드록시드(Tetra-butyl ammonium hydroxide)(2당량)의 수용액을 넣어 주어 고체를 녹여준 후 Sephadex LH-20 컬럼에 충진시킨 후 물을 전개제로 하여 분순물을 분리한다. 분리된 용액은 0.01M 질산 용액을 사용하여 pH 3.8 내지 4.1로 조절하고 4℃에서 12시간 재결정한다.
여기서 정제 단계의 pH의 변화에 따라 바이덴테이트 리간드 대 상대 이온의 몰비가 변할 수 있는데, pH가 3.8 내지 4.1일 때, 이 몰비는 이론 값인 1보다 커진다. pH가 3.8 내지 4.1을 벗어나게 되면 이성질체가 형성될 수 있고 이를 포함하는 염료를 채용한 태양 전지는 상기 설명한 바와 같이 변환 효율이 좋지 않을 수 있다. 하기 화학식 8 및 9는 이러한 이성질체들의 예를 들은 것이다:
<화학식 8> <화학식 9>
Figure 112013005311660-pat00017
Figure 112013005311660-pat00018
상기 방법으로 제조된 염료 감응 태양 전지용 염료는 하기 화학식 6으로 표시되는 유기 금속 착물을 70 내지 99 중량% 포함할 수 있다:
<화학식 6>
Figure 112013005311660-pat00019
여기서, 화학식 1의 M은 Ru이고, X는 NCS이고, L(바이덴테이트 리간드)은 2,2´-비피리딜-4,4´-디카르복실산이고, Z(상대 이온)는 테트라부틸암모늄이다.
본 명세서에서 사용된 비치환된 C1 - 20알킬기는 선형 및 분지형일 수 있으며, 이의 비제한적인 예로는 메틸, 에틸, 프로필, 이소부틸, sec-부틸, 펜틸, iso-아밀, 헥실, 헵틸, 옥틸, 노나닐, 도데실 등을 들 수 있다. 상기 C1 - 20알킬기 중 하나 이상의 수소 원자는 중수소 원자, 할로겐 원자, 시아노기, 아미노기, 아미디노기, 니트로기, 히드록시기, 히드라지닐기, 히드라조닐기, 카르복시기나 그의 염, 술폰산기나 그의 염, 인산이나 그의 염, 또는 C1 - 10알킬기, C1 - 10알콕시기, C2 - 10알케닐기, C2 - 10알키닐기, C6 - 10아릴기, 또는 C4 - 10헤테로아릴기로 치환가능하다.
비치환된 C1 - 20알콕시기는 -OA(여기서, A는 상술한 바와 같은 비치환된 C1 -20알킬기임)의 구조를 갖는 그룹을 의미하며, 이의 비제한적인 예로는 메톡시, 에톡시, 프로폭시, 이소프로필옥시, 부톡시, 펜톡시, 등을 들 수 있다. 이들 알콕시기 중 적어도 하나 이상의 수소원자는 상술한 C1 - 20알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환가능하다.
비치환된 C2 - 20알케닐기는 상기 비치환된 C2 - 20알킬기의 중간이나 맨 끝단에 하나 이상의 탄소 이중 결합을 함유하고 있는 것을 의미한다. 이의 비제한적인 예로는 에테닐, 프로페닐, 부테닐 등이 있다. 이들 비치환된 C2 - 20알케닐기 중 적어도 하나 이상의 수소 원자는 상술한 치환된 C1 - 20알킬기의 경우와 동일한 치환기로 치환가능하다.
비치환된 C2 - 20알키닐기는 상기 정의된 바와 같은 C2 - 20알킬기의 중간이나 맨 끝단에 하나 이상의 탄소 삼중결합을 함유하고 있는 것을 의미한다. 이의 비제한적인 예로는 아세틸렌, 프로필렌, 페닐아세틸렌, 나프틸아세틸렌, 이소프로필아세틸렌, t-부틸아세틸렌, 디페닐아세틸렌 등이 있다. 이들 알키닐기 중 적어도 하나 이상의 수소 원자는 상술한 치환된 C1 - 20알킬기의 경우와 동일한 치환기로 치환가능하다.
비치환된 C6 - 30아릴기는 하나 이상의 고리를 포함하는 카보사이클 방향족 시스템을 의미하며, 2개 이상의 고리를 가질 경우, 서로 융합되거나, 단일 결합 등을 통하여 연결될 수 있다. 아릴이라는 용어는 페닐, 나프틸, 안트라세닐과 같은 방향족 시스템을 포함한다. 또한, 상기 아릴기 중 하나 이상의 수소 원자는 상술한 C1 - 20알킬기의 치환기와 동일한 치환기로 치환가능하다. 치환 또는 비치환된 C6 - 30아릴기의 예로는 페닐기, C1 - 10알킬페닐기(예를 들면, 에틸페닐기), 할로페닐기(예를 들면, o-, m- 및 p-플루오로페닐기, 디클로로페닐기), 시아노페닐기, 디시아노페닐기, 트리플루오로메톡시페닐기,바이페닐기, 할로바이페닐기, 시아노바이페닐기, C1 - 10알킬바이페닐기, C1 - 10알콕시바이페닐기, o-, m- 및 p-토릴기, o-, m- 및 p-쿠메닐기, 메시틸기, 페녹시페닐기, (α,α-디메틸벤젠)페닐기, (N,N´-디메틸)아미노페닐기, (N,N˝-디페닐)아미노페닐기, 펜타레닐기, 인데닐기, 나프틸기, 할로나프틸기(예를 들면, 플루오로나프틸기), C1 -10알킬나프틸기(예를 들면, 메틸나프틸기), C1 -10알콕시나프틸기(예를 들면, 메톡시나프틸기), 시아노나프틸기, 안트라세닐기, 아즈레닐기, 헵타레닐기, 아세나프틸레닐기, 페나레닐기, 플루오레닐기, 안트라퀴놀일기, 메틸안트릴기, 페난트릴기, 트리페닐렌기, 피레닐기, 크리세닐기, 에틸-크리세닐기, 피세닐기, 페릴레닐기, 클로로페릴레닐기, 펜타페닐기, 펜타세닐기, 테트라페닐레닐기, 헥사페닐기, 헥사세닐기, 루비세닐기, 코로네릴기, 트리나프틸레닐기, 헵타페닐기, 헵타세닐기, 피란트레닐기 및 오바레닐기 등을 들 수 있다.
비치환된 C6 - 30아릴옥시기는 -OA1으로 표시되는 그룹으로서 이 때 A1이 상기 C6 - 30아릴기인 것을 의미한다. 상기 아릴옥시기의 예로는 페녹시기 등을 들 수 있다. 상기 아릴 옥시기 중 하나 이상의 수소 원자는 상술한 C1 - 20알킬기의 치환기와 동일한 치환기로 치환가능하다.
비치환된 C2 - 30헤테로아릴기는 N, O, P 또는 S 중에서 선택된 1, 2 또는 3개의 헤테로원자를 포함하고, 2개 이상의 고리를 가질 경우 이들은 서로 융합되거나 단일 결합 등을 통하여 연결될 수 있다. 비치환된 C2 - 30헤테로아릴기의 예로는, 피라졸일기, 이미다졸일기, 옥사졸일기, 티아졸일기, 트리아졸일기, 테트라졸일기, 옥사디아졸일기, 피리디닐기, 피리다지닐기, 피리미디닐기, 트리아지닐기, 카바졸일기, 인돌일기, 퀴놀리닐기, 이소퀴놀리닐기 등을 들 수 있다. 또한 상기 헤테로아릴기 중 하나 이상의 수소 원자는 상술한 C1 -20 알킬기의 치환기와 동일한 치환기로 치환가능하다.
일 구현예에 따라, 전도성 투명 기판을 포함하는 제1전극; 상기 제1전극의 어느 한 면에 형성된 광흡수층; 상기 광흡수층이 형성된 제1전극에 대향하여 배치되는 제2전극 및 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 위치하는 전해질을 포함하고 상기 광흡수층이 반도체 미립자 및 상기 화학식 1로 표시되는 유기 금속 착물을 포함하는 염료 감응 태양 전지용 염료를 포함하는 염료 감응 태양 전지가 제공된다.
상기 화학식 1로 표시되는 유기 금속 착물은 염료 감응 태양 전지에서 염료 분자로서 유용하게 사용된다. 염료 감응 태양 전지는 제1전극, 광흡수층, 제2전극 및 전해질로 이루어지며, 상기 광흡수층은 반도체 미립자 및 염료 분자를 포함할 수 있는데, 상기 화학식 1로 표시되는 유기 금속 착물이 상기 광흡수층의 성분인 염료 분자로 사용될 수 있다.
상기 염료 감응 태양 전지의 예를 도 2에 도시하였다. 이와 같은 태양전지는 제1전극(11), 광흡수층(12), 전해질(13) 및 제2전극(14)을 구비하며, 상기 광흡수층(12)은 반도체 미립자 및 염료 분자를 포함할 수 있다. 상기 설명한 바와 같이 상기 화학식 1로 표시되는 유기 금속 착물이 상기 광흡수층(12)의 일성분인 염료 분자로 사용될 수 있다. 한편, 제1전극(11) 및 광흡수층(12)을 합쳐서 반도체 전극이라고도 한다.
상기 제1전극(11)에는 투명 기판이 사용되고, 상기 투명 기판은 투명성을 갖고 있는 것이라면 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들면 유리 기판 등을 사용할 수 있다. 상기 투명 기판에 전도성을 부여하기 위한 재료로서 도전성 및 투명성을 갖고 있는 것이면 어떠한 것이라도 사용할 수 있으며, 예를 들면 도전성, 투명성, 특히 높은 내열성을 갖는 주석계 산화물(예를 들어 SnO2)을 사용할 수 있고, 상대적으로 비용이 저렴한 인듐 틴 옥사이드(ITO)를 사용할 수 있다.
광흡수층(12)은 반도체 미립자 및 염료를 포함하며 그 두께는 15㎛ 이하, 예를 들면 1 내지 15㎛일 수 있다. 광흡수층(12)은 구조상의 이유로 직렬 저항이 크고, 직렬 저항의 증가는 변환효율의 저하를 초래하는 바, 막 두께를 15㎛ 이하로 함으로써 그 기능을 유지하면서 직렬저항을 낮게 유지하여 변환 효율 저하를 방지할 수 있다.
상기 광흡수층에 포함되는 반도체 미립자는 실리콘으로 대표되는 단체 반도체 외에 화합물 반도체 또는 페로브스카이트 구조를 갖는 화합물 등을 사용할 수 있다. 이들 반도체는 광 여기하에서 전도대 전자가 캐리어로 되어 음극 전류를 제공하는 n형 반도체일 수 있다. 구체적으로 TiO2(이산화티탄), SnO2, ZnO, WO3, Nb2O5, TiSrO3 등이 있으며, 예를 들면 아나타제형의 TiO2가 있다. 반도체 종류는 이들에 한정되는 것은 아니며, 이들을 단독 또는 두 가지 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 이와 같은 반도체 미립자는 표면에 흡착된 염료가 보다 많은 빛을 흡수하도록 하기 위하여 표면적을 크게 할 수 있으며, 이를 위해 반도체 미립자의 입경은 20㎚ 이하일 수 있다.
상기 광흡수층에 포함되는 염료는 상기 화학식 1로 표시되는 유기 금속 착물을 포함한다. 이에 대한 자세한 설명은 본 명세서를 참조한다.
상기 광흡수층(12)의 제조방법은 다음과 같다. 반도체 미립자 표면에 상기 화학식 1로 표시되는 유기 금속 착물을 용매에 분산시킨 용액을 분사, 도포 또는 침지한 후, 세척 및 건조하여 광흡수층(12)을 제조하게 된다. 상기 광흡수층은 상기 반도체 미립자를 제1전극(11) 상에 미리 형성시킨 후 제조할 수 있다. 유기 금속 착물을 분산시키는 용매로서는 특별히 한정하는 것은 아니나 아세토니트릴, 디클로로메탄, 알콜계 용매 등을 사용할 수 있다.
상기 제조 방법에서 반도체 미립자 표면에 화학식 1로 표시되는 유기 금속 착물을 형성한 후 이를 용매 세척 등의 방법을 통해 세척하여 단일층이 되도록 할 수 있다.
상기 전해질(13)은 전해액으로 이루어지고, 상기 광흡수층(12)을 포함하거나 또는 전해액이 광흡수층(12)에 침윤되도록 형성될 수 있다. 전해액은 예를 들면 요오드의 아세토나이트릴 용액 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 홀 전도 기능이 있는 것이라면 어느 것이나 제한 없이 사용할 수 있다.
상기 제2전극(14)은 도전성 물질이면 어느 것이나 제한 없이 사용가능하며, 절연성의 물질이라도 반도체 전극에 마주보고 있는 측에 도전층이 설치되어 있으면 이것도 사용 가능하다. 단, 전기화학적으로 안정한 재료를 전극으로서 사용할 수 있으며 구체적으로는 백금, 금, 및 카본 등이 있다. 또한 산화환원의 촉매 효과를 향상시킬 목적으로 반도체 전극과 마주보고 있는 측은 미세구조로 표면적이 증대하고 있는 것일 수 있으며, 예를 들면 백금이면 백금흑 상태로, 카본이면 다공질 상태로 되어 있을 수 있다. 백금흑 상태는 백금의 양극 산화법, 염화백금산 처리 등에 의해 형성될 수 있으며, 다공질 상태의 카본은 카본 미립자의 소결이나 유기 폴리머의 소성 등의 방법에 의해 형성될 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명이 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위해 예시되는 것일 뿐 이것만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
Ru ( dcbpyH ) 2 (NCS) 2 ( TBA ) 2 의 정제
(상기 dcbpyH는 2,2´-비피리딜-4,4´-디카르복실산이며, TBA는 테트라부틸암모늄임)
0.50g의 Ru(dcbpyH)2(NCS)2(TBA)2, 0.58g의 테트라부틸암모늄 티오시아네이트(tetrabutylammonium thiocyanate) 및 0.27g의 테트라부틸암모늄히드록시드(tetrabutylammoniumhydroxide)을 100ml의 3차 증류수에 완전히 용해시켰다. 이 용액을 Sepadex LH-20으로 충진된 컬럼에 넣고 증류수를 부어 주며 중간에 진한 띠만 분리하고 분리된 용액은 질산수용액을 이용하여 pH 3.8로 맞췄다. pH 3.8로 적정된 용액은 -7℃에서 하루 동안 냉동을 시킨 후에 해동시켜 여과지(filter paper)를 이용하여 거르고 진공 건조하였다.
1H-NMR을 이용하여 dcbpyH와 TBA의 몰비 및 상기 화학식 6으로 표시되는 유기 금속 착물의 함량을 구하였다.
염료 감응 태양 전지의 제조
플루오린 도핑된 주석산화물 투명 전도체 위에 입경 15 내지 20㎚ 크기의 티타늄산화물 입자 분산액을 닥터블레이드법을 이용하여 0.18㎠ 면적으로 코팅하고, 500℃에서 30분간 열처리 소성공정을 통해 15㎛ 두께의 다공성 티타늄산화물 후막을 제작하였다. 상기 다공성 티타늄산화물 후막을 에탄올에 용해된 상기 염료액 0.2mM에 18시간 이상 흡착처리하였다. 그 후 염료가 흡착된 다공성 티타늄산화물 후막을 에탄올을 이용하여 세척하고 건조하여 반도체 전극을 제조하였다.
대향 전극으로는 플루오린 도핑된 주석산화물 투명 전도체 상에 스퍼터를 이용하여 Pt층을 증착하였다. 대향 전극은 전해액 주입을 위해 0.6㎜ 직경의 드릴을 이용하여 만든 미세 구멍을 포함하였다.
60㎛ 두께의 열가소성 고분자 필름을 반도체 전극과 대향 전극 사이에 두고 90℃에서 10초 압착시킴으로써 두 전극을 접합시켰다. 대향 전극에 형성된 미세 구멍을 통하여 산화-환원 전해질을 주입시키고, 커버 글라스와 열가소성 고분자 필름을 이용하여 미세 구멍을 밀봉함으로써 염료 감응 태양 전지를 제작하였다. 이때 산화-환원 전해질은 0.62M의 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 요오드(1-butyl-3-methylimidazolium iodide), 0.1M의 LiI, 0.5M의 I2, 0.5M의 4-tert-부틸피리딘(4-tert-butylpyridine)을 아세토니트릴에 용해시킨 것을 이용하였다.
광원으로는 제논 램프(xenon lamp, Oriel, 01193)을 사용하였으며, 상기 제논 램프의 태양 조건(AM 1.5)은 표준 태양전지(Frunhofer Institute Solare Engeriessysteme, Certificate No. C-ISE369, Type of material: Mono-Si + KG 필터)를 사용하여 보정하였다. 측정된 광전류전압 곡선으로부터 계산된 전압(Voc)은 0.751V이었고, 전류밀도(Jsc)는 18.745mA/㎠이었고, 충진 계수(fill factor, FF)는 68.2이었으며, 하기 식을 통해 계산한 광전환 효율(Eff)은 9.60%이었다.
광전환 효율 계산식은 다음과 같다.
Eff = (VocJscFF) / (Pinc)
상기 식 중, Pinc는 100mW/㎠ (1sun)을 나타낸다.
실시예 2
Ru ( dcbpyH ) 2 (NCS) 2 ( TBA ) 2 의 정제
0.50g의 Ru(dcbpyH)2(NCS)2(TBA)2, 0.58g의 테트라부틸암모늄 티오시아네이트 및 0.27g의 테트라부틸암모늄히드록시드를 100ml의 3차 증류수에 완전히 용해시켰다. 이 용액을 Sepadex LH-20으로 충진된 컬럼에 넣고 증류수를 부어 주며 중간에 진한 띠만 분리하고 분리된 용액은 질산 수용액을 이용하여 pH 4.0로 맞췄다. pH 4.0로 적정된 용액은 -7℃에서 하루 동안 냉동을 시킨 후에 해동시켜 여과지를 이용하여 거르고 진공건조 하였다.
1H-NMR을 이용하여 dcbpyH와 TBA의 몰비 및 상기 화학식 6으로 표시되는 유기 금속 착물의 함량을 구하였다.
염료 감응 태양 전지의 제조
pH 4.0에서 정제한 상기 용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 염료 감응 태양 전지를 제조하였다.
측정된 광전류전압 곡선으로부터 계산된 전압(Voc)은 0.738V이었고, 전류밀도(Jsc)는 19.547mA/㎠이었고, 충진 계수(fill factor, FF)는 69.0이었으며, 하기 식을 통해 계산한 광전환 효율(Eff)은 9.95%이었다.
비교예 1
Ru ( dcbpyH ) 2 (NCS) 2 ( TBA ) 2 의 정제
0.5g의 Ru(dcbpyH)2(NCS)2(TBA)2, 0.58g의 테트라부틸암모늄 티오시아네이트 및 0.27g의 테트라부틸암모늄히드록시드를 100ml의 3차 증류수에 완전히 용해시켰다. 이 용액을 Sepadex LH-20으로 충진된 컬럼에 넣고 증류수를 부어 주며 중간에 진한 띠만 분리하고 분리된 용액은 질산 수용액을 이용하여 pH 3.4로 맞췄다. pH 3.4로 적정된 용액은 -7℃에서 하루 동안 냉동을 시킨 후에 해동시켜 여과지를 이용하여 거르고 진공 건조하였다.
1H-NMR을 이용하여 dcbpyH와 TBA의 몰비 및 상기 화학식 6으로 표시되는 유기 금속 착물의 함량을 구하였다.
염료감응 태양전지의 제조
pH 3.4에서 정제한 상기 용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 염료 감응 태양 전지를 제조하였다.
측정된 광전류전압 곡선으로부터 계산된 전압(Voc)은 0.733V이었고, 전류밀도(Jsc)는 18.809mA/㎠이었고, 충진 계수(fill factor, FF)는 68.3이었으며, 하기 식을 통해 계산한 광전환 효율(Eff)은 9.42%이었다.
비교예 2
Ru ( dcbpyH ) 2 (NCS) 2 ( TBA ) 2 의 정제
0.5g의 Ru(dcbpyH)2(NCS)2(TBA)2, 0.58g의 테트라부틸암모늄 티오시아네이트 및 0.27g의 테트라부틸암모늄히드록시드를 100ml의 3차 증류수에 완전히 용해시켰다. 이 용액을 Sepadex LH-20으로 충진된 컬럼에 넣고 증류수를 부어 주며 중간에 진한 띠만 분리하고 분리된 용액은 질산수용액을 이용하여 pH 3.6로 맞췄다. pH 3.6로 적정된 용액은 -7℃에서 하루 동안 냉동을 시킨 후에 해동시켜 여과지를 이용하여 거르고 진공 건조하였다.
1H-NMR을 이용하여 dcbpyH와 TBA의 몰비 및 상기 화학식 6으로 표시되는 유기 금속 착물의 함량을 구하였다.
염료감응 태양전지의 제조
pH 3.6에서 정제한 상기 용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 염료 감응 태양 전지를 제조하였다.
측정된 광전류전압 곡선으로부터 계산된 전압(Voc)은 0.730V이었고, 전류밀도(Jsc)는 16.043mA/㎠이었고, 충진 계수(fill factor, FF)는 68.7이었으며, 하기 식을 통해 계산한 광전환 효율(Eff)은 8.05%이었다.
비교예 3
Ru ( dcbpyH ) 2 (NCS) 2 ( TBA ) 2 의 정제
0.5g의 Ru(dcbpyH)2(NCS)2(TBA)2, 0.58g의 테트라부틸암모늄 티오시아네이트 및 0.27g의 테트라부틸암모늄히드록시드를 100ml의 3차 증류수에 완전히 용해시켰다. 이 용액을 Sepadex LH-20으로 충진된 컬럼에 넣고 증류수를 부어 주며 중간에 진한 띠만 분리하고 분리된 용액은 질산 수용액을 이용하여 pH 4.2로 맞췄다. pH 4.2로 적정된 용액은 -7℃에서 하루 동안 냉동을 시킨 후에 해동시켜 여과지를 이용하여 거르고 진공 건조하였다.
1H-NMR을 이용하여 dcbpyH와 TBA의 몰비 및 상기 화학식 6으로 표시되는 유기 금속 착물의 함량을 구하였다.
염료감응 태양전지의 제조
pH 4.2에서 정제한 상기 용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 염료 감응 태양 전지를 제조하였다.
측정된 광전류전압 곡선으로부터 계산된 전압(Voc)은 0.723 V이었고, 전류밀도(Jsc)는 18.887 mA/㎠이었고, 충진 계수(fill factor, FF)는 68.8 %이었으며, 하기 식을 통해 계산한 광전환 효율(Eff)은 9.39 %이었다.
비교예 4
Ru ( dcbpyH ) 2 (NCS) 2 ( TBA ) 2 의 정제
0.5g의 Ru(dcbpyH)2(NCS)2(TBA)2, 0.58g의 테트라부틸암모늄 티오시아네이트 및 0.27g의 테트라부틸암모늄히드록시드를 100ml의 3차 증류수에 완전히 용해시켰다. 이 용액을 Sepadex LH-20으로 충진된 컬럼에 넣고 증류수를 부어주며 중간에 진한 띠만 분리하고 분리된 용액은 질산 수용액을 이용하여 pH 4.4로 맞췄다. pH 4.4로 적정된 용액은 -7℃에서 하루 동안 냉동을 시킨 후에 해동시켜 여과지를 이용하여 거르고 진공 건조하였다.
1H-NMR을 이용하여 dcbpyH와 TBA의 몰비 및 상기 화학식 6으로 표시되는 유기 금속 착물의 함량을 구하였다.
염료감응 태양전지의 제조
pH 4.4에서 정제한 상기 용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 염료 감응 태양 전지를 제조하였다.
측정된 광전류전압 곡선으로부터 계산된 전압(Voc)은 0.714 V이었고, 전류밀도(Jsc)는 18.324 mA/㎠이었고, 충진 계수(fill factor, FF)는 68.5 %이었으며, 하기 식을 통해 계산한 광전환 효율(Eff)은 8.96 %이었다.
실시예 1-2 및 비교예 1-4에 따라 얻어진 염료의 정제시 pH 값 및 dcbpyH와 TBA의 몰비를 하기 표 1에 나타내었다. 여기서, dcbpyH / TBA 몰비 계산을 위한 NMR 데이터를 도 3a 내지 3f에 나타내었다.
정제시 pH 값 dcbpyH / TBA 몰비
실시예 1 3.8 1.38
실시예 2 4.0 1.24
비교예 1 3.4 1.33
비교예 2 3.6 1.33
비교예 3 4.2 1.02
비교예 4 4.4 0.97
실시예 1-2 및 비교예 1-4에 의해 얻어진 염료 감응 태양 전지의 전압(Voc), 전류밀도(Jsc), 충진 계수(fill factor, FF) 및 광전환 효율(Eff)를 하기 표 2에 나타내었다.
전압(Voc) 전류밀도(JIsc) 충진 계수(FF) 광전환 효율(Eff)
실시예 1 0.751 18.745 68.2 9.60
실시예 2 0.738 19.547 69.0 9.95
비교예 1 0.733 18.809 68.3 9.42
비교예 2 0.730 16.043 68.7 8.05
비교예 3 0.723 18.887 68.8 9.39
비교예 4 0.714 18.324 68.5 8.96
표 2를 참조하면 실시예 1-2의 염료 감응 태양 전지는 비교예 1-4의 염료 감응 태양 전지와 비교하여 전압(Voc) 및 전류밀도(Jsc)는 높고, 충진 계수(FF)는 유사하며, 광전환 효율(Eff)이 높은 것을 알 수 있다.
상기에서 한정된 실시예를 중심으로 설명하였으나, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 실시예가 가능하다. 또한 설명되지는 않았으나, 균등한 수단도 또한 본 발명에 그대로 결합되는 것이라 할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
1: 제1전극, 2: 제2전극, 3: 다공질막, 4: 전해액, 5: 염료 분자, 11: 제1전극, 12: 광흡수층, 13: 전해질, 14: 제2전극

Claims (10)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 유기 금속 착물을 포함하는 염료 감응 태양 전지용 염료:
    <화학식 1>
    Figure 112013058891335-pat00020

    상기 식 중,
    M은 주기율표 상의 8 내지 10족의 금속 원소이고,
    X는 -CN, -OH, -I, -Cl, -NCO, -NCS 및 -NCSe로 이루어진 군으로부터 선택되는 보조 리간드(co-ligand)이고,
    L은 하기 화학식 2로 표시되는 바이덴테이트 리간드(bidentate ligand)이고,
    <화학식 2>
    Figure 112013058891335-pat00021

    Z는 하기 화학식 3으로 표시되는 상대 이온(counter-ion)이고,
    <화학식 3>
    Figure 112013058891335-pat00022

    여기서, R1 및 R2는 서로 독립적으로 COOH, PO3H2, PO4H2, SO3H2, SO4H2 및 CONHOH로 이루어진 군으로부터 선택되며 R1 및 R2 중 어느 하나는 탈양자화된 상태이고, R3 내지 R6는 서로 독립적으로 C1-20알킬기, C1-20알콕시기, C2-20알케닐기, C2-20알키닐기, C6-30아릴기, C6-30아릴옥시기 및 C2-30헤테로아릴기로 이루어진 군으로부터 선택되고,
    상기 각각의 C1-20알킬기, C1-20알콕시기, C2-20알케닐기, C2-20알키닐기, C6-30아릴기, C6-30아릴옥시기 및 C2-30헤테로아릴기는 비치환된 것 또는 하나 이상의 수소 원자가 중수소 원자, 할로겐 원자, 시아노기, 아미노기, 아미디노기, 니트로기, 히드록시기, 히드라지닐기, 히드라조닐기, 카르복시기나 그의 염, 술폰산기나 그의 염, 인산이나 그의 염, 또는 C1-10알킬기, C1-10알콕시기, C2-10알케닐기, C2-10알키닐기, C6-10아릴기, 또는 C4-10헤테로아릴기로 치환된 것이고,
    L 대 Z의 몰비(p/q)는 1.1 내지 1.4이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1 중에서 M이 Ru(루테늄)인 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양 전지용 염료.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1 중에서 X가 -NCS인 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양 전지용 염료.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1 중에서 L이 하기 화학식 4로 표시되는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양 전지용 염료:
    <화학식 4>
    Figure 112013005311660-pat00023
    .
  5. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1 중에서 Z가 하기 화학식 5로 표시되는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양 전지용 염료:
    <화학식 5>
    Figure 112013005311660-pat00024
    .
  6. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1 중에서 M이 Ru(루테늄)이고, X가 -NCS이고, L이 하기 화학식 2로 표시되는 바이덴테이트 리간드인 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양 전지용 염료:
    <화학식 2>
    Figure 112013005311660-pat00025

    여기서, R1 및 R2는 서로 독립적으로 COOH, PO3H2, PO4H2, SO3H2, SO4H2 및 CONHOH로 이루어진 군으로부터 선택되고 R1 및 R2 중 어느 하나는 탈양자화된 상태이다.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1 중에서 M이 Ru(루테늄)이고, X가 -NCS이고, Z가 하기 화학식 5로 표시되는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양 전지용 염료:
    <화학식 5>
    Figure 112013005311660-pat00026
    .
  8. 제1항에 있어서,
    하기 화학식 6으로 표시되는 유기 금속 착물을 70 내지 99 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양 전지용 염료:
    <화학식 6>
    Figure 112013005311660-pat00027
    .
  9. 전도성 투명 기판을 포함하는 제1전극; 상기 제1전극의 어느 한 면에 형성된 광흡수층; 상기 광흡수층이 형성된 제1전극에 대향하여 배치되는 제2전극 및 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 위치하는 전해질을 포함하고,
    상기 광흡수층이 반도체 미립자 및 상기 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 염료 감응 태양 전지용 염료를 포함하는 염료 감응 태양 전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 광흡수층이 1 내지 15㎛의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양 전지.
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