KR102294924B1 - Electrolyte having high transmittance and high stability and sensitized solar cell comprising the same - Google Patents
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Abstract
Translated fromKoreanDescription
Translated fromKorean본 발명은 태양전지용 전해질에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 감응형 태양전지에 사용하기 위해 고투과 및 고안정성을 동시에 가지는 전해질 조성물 및 이를 포함하는 감응형 태양전지에 관한 것이다.The present invention relates to an electrolyte for a solar cell, and more particularly, to an electrolyte composition having both high permeability and high stability for use in a sensitized solar cell, and to a sensitized solar cell including the same.
점차 고갈되어가고 있는 화석연료와 최근 심각한 환경오염 문제의 대두로 차세대 에너지 개발에 대한 중요성이 날로 증가되고 있다. 그 중에서도 태양광으로부터 나오는 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 전환시키는 태양전지는 공해가 적고, 무한한 자원을 가지고 있으며, 반영구적인 수명을 가지고 있어서 미래의 에너지원으로 기대되고 있다.The importance of next-generation energy development is increasing day by day due to the increasingly depleted fossil fuels and the recent rise of serious environmental pollution problems. Among them, solar cells that directly convert solar energy from sunlight into electrical energy have low pollution, have infinite resources, and have a semi-permanent lifespan, so they are expected as future energy sources.
1991년 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의해 개발된 감응형 태양전지는 이산화티타늄(TiO2)을 주성분으로 하는 반도체 나노입자, 태양광 흡수용 염료, 전해질, 백금 상대전극으로 구성되는 광전화학전지(Nature,353권,737 페이지,1991년)로서, 실리콘 태양전지와 비교하여 낮은 제조 단가, 셀의 투명 특성, 유연한 셀의 제조 가능성, 상대적으로 날씨의 변화에 덜 민감하다는 점 등의 장점을 갖고 있다. 감응형 태양전지와 기존의 p-n 접합에 의한 실리콘 태양전지와의 차이점은 기존의 태양전지에서 태양에너지의 흡수과정과 전자-정공 쌍이 분리되어 전기의 흐름을 만드는 과정이 반도체 내에서 동시에 일어나는 것에 비해, 감응형 태양전지에서는 태양에너지의 흡수과정과 전하이동 과정이 분리되어 태양에너지 흡수는 염료가 담당하고, 전하의 이동은 전자의 형태로 반도체에서 담당한다는 것이다.The sensitized solar cell is a photoelectric chemical cell consisting of a semiconductor nanoparticle, the sun light absorbing dye, an electrolyte, a platinum counter electrode for mainly composed of titanium dioxide (TiO2) developed by 1991 that Rachel (Gratzel) Swiss ( Nature, vol. 353, 737 pages, 1991), it has advantages such as low manufacturing cost compared to silicon solar cells, transparent properties of cells, manufacturability of flexible cells, and relatively less sensitivity to changes in weather. . The difference between the sensitized solar cell and the conventional silicon solar cell by pn junction is that in the conventional solar cell, the process of absorbing solar energy and the process of generating electricity by separating electron-hole pairs occur simultaneously in the semiconductor. In a sensitized solar cell, the absorption process of solar energy and the charge transfer process are separated, so that the dye is responsible for the absorption of solar energy and the semiconductor is responsible for the transfer of charge in the form of electrons.
감응형 태양전지는 환경적으로 무해한 재료들을 사용할 뿐 아니라, 제조 단가가 실리콘 태양전지의 1/5 수준이어서 현 발전 단가 수준의 신재생에너지원으로 주목을 받고 있다. 이와 같은 많은 장점에도 불구하고 감응형 태양전지의 상업화에 있어서 가장 큰 문제점은 태양전지의 장시간 운전 시 전해액의 누액과 용매 증발로 인한 장기 안정성과 유해성 문제이다. 그 이유는 이제까지 감응형 태양전지에 사용되어 온 전해질이 아세토니트릴과 같은 액체상의 휘발성 유기용매를 포함하고 있기 때문이다. 구체적으로, 종래 사용되던 감응형 전해질의 경우, 아세토니트릴, 3-메톡시프로피오니트릴, 발레로니트릴 등의 유기용매를 사용하였는데, 이들 유기용매는 끓는점이 낮아 휘발 또는 누출의 문제점이 발생하였다.In addition to using environmentally harmless materials, the sensitized solar cell is attracting attention as a new and renewable energy source at the current power generation cost level because its manufacturing cost is 1/5 of that of a silicon solar cell. Despite these many advantages, the biggest problem in the commercialization of sensitized solar cells is long-term stability and harmfulness due to electrolyte leakage and solvent evaporation during long-term operation of solar cells. The reason is that the electrolyte used in the sensitized solar cell so far contains a liquid volatile organic solvent such as acetonitrile. Specifically, in the case of the conventionally used sensitized electrolyte, organic solvents such as acetonitrile, 3-methoxypropionitrile, and valeronitrile were used, and these organic solvents had a low boiling point, causing a problem of volatilization or leakage.
이를 극복하기 위해 젤 또는 고체형 고분자 전해질, 또는 이온성 액체로 이루어진 전해질이 개발되었다. 그러나, 이러한 전해질의 경우에는 전해질 내의 I3-의 확산계수가 느려서 태양전지의 성능이 저하되고 요오드의 농도를 높이면 투과도가 낮아지는 문제가 있었다. 또한 이온성 액체의 경우에도 안정성은 높으나, 농도가 높아지면 불투명해지기 때문에 투과도과 낮아지는 문제가 있다.In order to overcome this problem, an electrolyte composed of a gel or solid polymer electrolyte, or an ionic liquid, has been developed. However, in the case of such an electrolyte,the diffusion coefficient of I 3− in the electrolyte is slow, so the performance of the solar cell is deteriorated, and when the concentration of iodine is increased, there is a problem in that the transmittance is lowered. In addition, in the case of an ionic liquid, stability is high, but as the concentration increases, it becomes opaque, so there is a problem of transmittance and lowering.
따라서, 상기와 같은 제반 문제점을 해결하고, 태양전지 성능을 향상시키기 위해 전해질의 투과도 및 안정성이 향상되어 고투과 및 고안정성을 동시에 가지는 새로운 전해질이 요구되고 있다.Therefore, in order to solve the above problems and improve solar cell performance, there is a need for a new electrolyte having high permeability and high stability by improving the permeability and stability of the electrolyte.
본 발명의 제1 목적은 고투과 및 고안정성을 동시에 가지는 감응형 태양전지용 전해질 조성물을 제공하는 것이다.A first object of the present invention is to provide an electrolyte composition for a sensitized solar cell having high permeability and high stability at the same time.
본 발명의 제2 목적은 상기 전해질 조성물을 포함하는 감응형 태양전지를 제공하는 것이다.A second object of the present invention is to provide a sensitized solar cell including the electrolyte composition.
상기 제1 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 유기 용매, 하기 화학식 1로 표시되는 이온성 액체 및 산화·환원 유도체를 포함하는 고투과 및 고안정성 전해질 조성물을 제공한다.In order to achieve the first object, the present invention provides a high-permeability and high-stability electrolyte composition comprising an organic solvent, an ionic liquid represented by the following Chemical Formula 1, and an oxidation/reduction derivative.
[화학식 1][Formula 1]
(상기 화학식 1에서,(In Formula 1,
R1 및 R2는 독립적으로 C1-C6의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기, 또는 C3-C8의 알릴(allyl)기이고,R1 and R2 are independently a C1 -C6 linear or branched alkyl group, or a C3 -C8 allyl group,
A-는 트리플루오로메탄설포네이트, 아세테이트, 디시아나미드, 티오시아네이트, 할로겐 및 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드로 이루는 군으로터 선택되는 음이온이다.)A- is an anion selected from the group consisting of trifluoromethanesulfonate, acetate, dicyanamide, thiocyanate, halogen and bis(trifluoromethylsulfonyl)imide.)
또한 바람직하게는, 상기 화학식 1에서, R1은 메틸기이고, R2는 에틸기, 프로필기, 부틸기, 헥실기 및 알릴기 중에 선택될 수 있다.Also preferably, in Formula 1, R1 is a methyl group, and R2 may be selected from an ethyl group, a propyl group, a butyl group, a hexyl group, and an allyl group.
또한 바람직하게는, 상기 화학식 1로 표시되는 이온성 액체는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 또는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트일 수 있다.Also preferably, the ionic liquid represented by Formula 1 is 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide or 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoro may be borates.
또한 바람직하게는, 상기 화학식 1로 표시되는 이온성 액체는 전해질 조성물의 전체 중량에 대하여 20~40 중량%로 포함될 수 있다.Also preferably, the ionic liquid represented by Formula 1 may be included in an amount of 20 to 40% by weight based on the total weight of the electrolyte composition.
또한 바람직하게는, 상기 유기용매는 아세토니트릴, 3-메톡시프로피오니트릴, 발레로니트릴, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 테트라하이드로퓨란 등과 이미다졸리윰 및 피롤리디늄으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 상온 용융염 및 이들의 혼합물일 수 있다.Also preferably, the organic solvent is acetonitrile, 3-methoxypropionitrile, valeronitrile, ethylene carbonate, propylene carbonate, polyethylene glycol, polypropylene glycol, tetrahydrofuran, etc. imidazolium and pyrrolidinium. It may be a room temperature molten salt selected from the group consisting of, and mixtures thereof.
또한 바람직하게는, 상기 산화·환원 유도체는 이미다졸륨 요오드염에 요오드(iodine, I2)를 용해시켜 I- 및 I3-을 포함하는 산화환원쌍을 제공할 수 있다.Also preferably, the redox derivative may provide a redox pair includingI - and I3-by dissolving iodine (I 2 ) in an imidazolium iodide salt.
또한 바람직하게는, 상기 전해질 조성물은 첨가제로서 4-tert-부틸피리딘 및 구아니듐 티오시아네이트(GuSCN)를 더 포함할 수 있다.Also preferably, the electrolyte composition may further include 4-tert-butylpyridine and guanidium thiocyanate (GuSCN) as additives.
또한, 상기 제2 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 광전극; 상기 광전극과 소정의 간격을 두고 서로 마주보도록 대향 배치된 상대전극; 및 상기 광전극과 상대전극 사이의 공간을 충진하는 전해질을 포함하며, 상기 전해질은 유기 용매, 상기 화학식 1로 표시되는 이온성 액체 및 산화·환원 유도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 감응형 태양전지를 제공한다.In addition, in order to achieve the second object, the present invention is a photoelectrode; a counter electrode disposed to face each other at a predetermined distance from the photoelectrode; and an electrolyte filling the space between the photoelectrode and the counter electrode, wherein the electrolyte comprises an organic solvent, an ionic liquid represented by Formula 1, and an oxidation/reduction derivative. to provide.
또한 바람직하게는, 상기 화학식 1에서, R1은 메틸기이고, R2는 에틸기, 프로필기, 부틸기, 헥실기 및 알릴기 중에 선택될 수 있다.Also preferably, in Formula 1, R1 is a methyl group, and R2 may be selected from an ethyl group, a propyl group, a butyl group, a hexyl group, and an allyl group.
또한 바람직하게는, 상기 화학식 1로 표시되는 이온성 액체는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 또는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트일 수 있다.Also preferably, the ionic liquid represented by Formula 1 is 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide or 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoro may be borates.
또한 바람직하게는, 상기 화학식 1로 표시되는 이온성 액체는 전해질 조성물의 전체 중량에 대하여 20~40 중량%로 포함될 수 있다.Also preferably, the ionic liquid represented by Formula 1 may be included in an amount of 20 to 40% by weight based on the total weight of the electrolyte composition.
본 발명에 따른 전해질 조성물은 유기용매에 특정한 이온성 액체를 특정 비율로 첨가하는 간단한 공정을 통하여 고투과도를 유지하면서, 휘발성을 감소시켜 안정성을 높이므로, 종래 유기용매 전해질이 가지는 휘발 또는 누출의 문제점을 최소화하면서도 태양전지 모듈의 광전변환효율은 종래의 유기용매 전해질과 동등하게 유지할 수 있으며, 온도 상승과 같은 외부 환경변화에 대하여도 장기적으로 전기화학적 안정성을 유지할 수 있다.The electrolyte composition according to the present invention improves stability by reducing volatility while maintaining high permeability through a simple process of adding a specific ionic liquid to an organic solvent in a specific ratio, so the problem of volatilization or leakage of conventional organic solvent electrolytes The photoelectric conversion efficiency of the solar cell module can be maintained equal to that of the conventional organic solvent electrolyte while minimizing
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 감응형 태양전지의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실험예에 있어서, 유기용매와 이미다졸륨 양이온을 포함하는 이온성 액체가 혼합된 전해질 조성물 내에 이온성 액체의 혼합 비율에 따른 80℃에서의 증기압을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실험예에 있어서, 유기용매로서 아세토니트릴(A)을 사용하는 경우, 유기용매와 이미다졸륨 양이온을 포함하는 이온성 액체(E.T 또는 E.B)가 혼합된 전해질 조성물 내에 이온성 액체의 혼합 비율별 온도 변화에 따른 증기압의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실험예에 있어서, 유기용매로서 3-메톡시프로피오니트릴(M)을 사용하는 경우, 유기용매와 이미다졸륨 양이온을 포함하는 이온성 액체(E.T 또는 E.B)가 혼합된 전해질 조성물 내에 이온성 액체의 혼합 비율별 온도 변화에 따른 증기압의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실험예에 있어서, 유기용매로서 발레로니트릴(V)을 사용하는 경우, 유기용매와 이미다졸륨 양이온을 포함하는 이온성 액체(E.T 또는 E.B)가 혼합된 전해질 조성물 내에 이온성 액체의 혼합 비율별 온도 변화에 따른 증기압의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실험예에 있어서, 유기용매로서 아세토니트릴(A)을 사용하는 경우, 유기용매와 이미다졸륨 양이온을 포함하는 이온성 액체(E.T 또는 E.B)가 혼합된 전해질 조성물 내에 이온성 액체의 혼합 비율별 파장에 따른 투과도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실험예에 있어서, 유기용매로서 3-메톡시프로피오니트릴(M)을 사용하는 경우, 유기용매와 이미다졸륨 양이온을 포함하는 이온성 액체(E.T 또는 E.B)가 혼합된 전해질 조성물 내에 이온성 액체의 혼합 비율별 파장에 따른 투과도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실험예에 있어서, 유기용매로서 발레로니트릴(V)을 사용하는 경우, 유기용매와 이미다졸륨 양이온을 포함하는 이온성 액체(E.T 또는 E.B)가 혼합된 전해질 조성물 내에 이온성 액체의 혼합 비율별 파장에 따른 투과도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실험예에 있어서, 유기용매와 이미다졸륨 양이온을 포함하는 이온성 액체가 혼합된 전해질 조성물 내에 이온성 액체의 혼합 비율이 감응형 태양전지의 성능 중 단락전류(Jsc) 값에 미치는 영향을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실험예에 있어서, 유기용매와 이미다졸륨 양이온을 포함하는 이온성 액체가 혼합된 전해질 조성물 내에 이온성 액체의 혼합 비율이 감응형 태양전지의 성능 중 변환 효율에 미치는 영향을 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실험예에 있어서, 유기용매와 이미다졸륨 양이온을 포함하는 이온성 액체가 혼합된 전해질 조성물 내에 이온성 액체의 혼합 비율이 감응형 태양전지의 성능 중 광전압에 미치는 영향을 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실험예에 있어서, 유기용매와 이미다졸륨 양이온을 포함하는 이온성 액체가 혼합된 전해질 조성물 내에 이온성 액체의 혼합 비율이 감응형 태양전지의 성능 중 충진계수(Fill factor, FF)에 미치는 영향을 나타내는 그래프이다.1 is a schematic diagram showing the structure of a sensitized solar cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph showing the vapor pressure at 80° C. according to the mixing ratio of the ionic liquid in the electrolyte composition in which the organic solvent and the ionic liquid including the imidazolium cation are mixed in an experimental example of the present invention.
FIG. 3 is an exemplary embodiment of the present invention, when acetonitrile (A) is used as an organic solvent, an ionic liquid (ET or EB) containing an organic solvent and an imidazolium cation is mixed in an electrolyte composition. It is a graph showing the change in vapor pressure according to the temperature change for each mixing ratio of the sexual liquid.
FIG. 4 shows that, in an experimental example of the present invention, when 3-methoxypropionitrile (M) is used as an organic solvent, an organic solvent and an ionic liquid (ET or EB) containing imidazolium cations are mixed. It is a graph showing the change in vapor pressure according to the temperature change for each mixing ratio of the ionic liquid in the electrolyte composition.
FIG. 5 is an electrolyte composition in which an organic solvent and an ionic liquid (ET or EB) containing imidazolium cations are mixed in the case of using valeronitrile (V) as an organic solvent in an experimental example of the present invention. It is a graph showing the change of vapor pressure according to the temperature change for each mixing ratio of the ionic liquid.
FIG. 6 is an exemplary embodiment of the present invention, when acetonitrile (A) is used as the organic solvent, the organic solvent and the ionic liquid (ET or EB) containing the imidazolium cation are mixed in the electrolyte composition. It is a graph showing the change in transmittance according to the wavelength for each mixing ratio of the sexual liquid.
FIG. 7 shows that, in an experimental example of the present invention, when 3-methoxypropionitrile (M) is used as an organic solvent, an organic solvent and an ionic liquid (ET or EB) containing imidazolium cations are mixed. It is a graph showing the change in transmittance according to the wavelength for each mixing ratio of the ionic liquid in the electrolyte composition.
FIG. 8 shows an electrolyte composition in which an organic solvent and an ionic liquid (ET or EB) containing imidazolium cations are mixed in the case of using valeronitrile (V) as an organic solvent in an experimental example of the present invention. It is a graph showing the change in transmittance according to the wavelength for each mixing ratio of the ionic liquid.
9 shows the short-circuit current (J sc) of the performance of the sensitized solar cell according to the mixing ratio of the ionic liquid in the electrolyte composition in which the organic solvent and the ionic liquid containing the imidazolium cation are mixed in an experimental example of the present invention; ) is a graph showing the effect on the value.
10 shows the effect of the mixing ratio of the ionic liquid in the electrolyte composition in which the organic solvent and the ionic liquid containing imidazolium cations are mixed on the conversion efficiency among the performance of the sensitized solar cell in an experimental example of the present invention; is a graph representing
11 shows the effect of the mixing ratio of the ionic liquid in the electrolyte composition in which the organic solvent and the ionic liquid containing imidazolium cations are mixed on the photovoltage among the performance of the sensitized solar cell in an experimental example of the present invention; is a graph representing
12 is a diagram showing the mixing ratio of the ionic liquid in the electrolyte composition in which the organic solvent and the ionic liquid containing the imidazolium cation are mixed in the performance of the sensitized solar cell in an experimental example of the present invention. , FF) is a graph showing the effect.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art to which the present application pertains can easily implement them. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.
본 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.Throughout this specification, when a member is said to be located "on" another member, this includes not only a case in which a member is in contact with another member but also a case in which another member exists between two members.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout this specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.
[[고투과high permeability 및 고안정성 전해질 조성물] and high stability electrolyte composition]
본 발명은 감응형 태양전지에 사용되는 고투과 및 고안정성을 동시에 갖는 전해질 조성물을 제공한다.The present invention provides an electrolyte composition having both high permeability and high stability used in a sensitized solar cell.
종래 감응형 태양전지에 사용되어 온 전해질은 휘발성 유기용매를 포함하는 액체 기반의 전해질이 대부분이었으나 이는 끓는점이 낮고, 증기압이 높아 주변 온도가 상승하면 휘발되어 전해질의 누출의 문제점이 발생하였고, 이에, 장기 안정성이 저하되는 문제가 있었다. 또한, 안정성이 높은 고분자 전해질 등의 고체형 전해질은 안정성은 높으나 전해질 내의 I3-의 확산계수가 느려서 태양전지의 성능이 저하되고 요오드의 농도를 높이면 투과도가 낮아지는 문제가 있었다.Most of the electrolytes that have been used in conventional sensitized solar cells are liquid-based electrolytes containing volatile organic solvents, but these have a low boiling point and high vapor pressure, so when the ambient temperature rises, they volatilize and cause a problem of electrolyte leakage. There was a problem in that long-term stability was lowered. In addition, solid electrolytes such as polymer electrolytes with high stability have high stability, butthe diffusion coefficient of I 3− in the electrolyte is slow, so that the performance of the solar cell is deteriorated, and when the concentration of iodine is increased, the permeability is lowered.
이에, 본 발명자들은 상기 액체 기반의 전해질에서 고투과도를 유지하면서 안정성 개선하는 방법을 연구하던 중, 유기용매에 특정 양이온과 음이온이 결합된 이온성 액체를 특정 비율로 첨가함으로써 고투과도와 고안정성의 함께 구현할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.Therefore, while the present inventors were studying a method of improving stability while maintaining high permeability in the liquid-based electrolyte, high permeability and high stability were achieved by adding an ionic liquid in which specific cations and anions were bound to an organic solvent in a specific ratio. It was found that they can be implemented together and completed the present invention.
따라서, 본 발명에 따른 고투과 및 고안정성 전해질 조성물은 유기 용매, 하기 화학식 1로 표시되는 이온성 액체 및 산화?환원 유도체를 포함한다.Accordingly, the high-permeability and high-stability electrolyte composition according to the present invention includes an organic solvent, an ionic liquid represented by the following Chemical Formula 1, and a redox derivative.
(상기 화학식 1에서,(In Formula 1,
R1 및 R2는 독립적으로 C1-C6의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기, 또는 C3-C8의 알릴(allyl)기이고,R1 and R2 are independently a C1 -C6 linear or branched alkyl group, or a C3 -C8 allyl group,
A-는 트리플루오로메탄설포네이트, 아세테이트, 디시아나미드, 티오시아네이트, 할로겐 및 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드로 이루어지는 군으로터 선택되는 음이온이다.)A- is an anion selected from the group consisting of trifluoromethanesulfonate, acetate, dicyanamide, thiocyanate, halogen and bis(trifluoromethylsulfonyl)imide.)
상기 유기용매는 본 발명의 전해질 조성물에 베이스가 되는 용매로서, 당업계에서 감응형 태양전지의 전해질 조성물로서 통상적으로 사용되는 유기용매를 사용할 수 있으며, 예컨대, 아세토니트릴, 3-메톡시프로피오니트릴, 발레로니트릴, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 테트라하이드로퓨란 등과 이미다졸리윰, 피롤리디늄 등을 포함하는 상온 용융염 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.The organic solvent is a solvent that is a base for the electrolyte composition of the present invention, and an organic solvent commonly used as an electrolyte composition for a sensitized solar cell in the art may be used, for example, acetonitrile, 3-methoxypropionitrile , valeronitrile, ethylene carbonate, propylene carbonate, polyethylene glycol, polypropylene glycol, tetrahydrofuran, etc., and imidazolium, pyrrolidinium, and the like can be used in room temperature molten salts and mixtures thereof.
상기 이온성 액체는 양이온과 음이온이 크기의 비대칭성으로 인해 결정체를 이루지 못하고 액체 상태로 존재하는 물질이되, 100℃ 이하의 온도에서 액체로 존재하는 물질로서, 낮은 휘발성, 열적 안정성, 높은 이온전도성, 넓은 전기화학적 안정성, 낮은 증기압 등의 특성을 가지고 있다. 그러나, 상기 이온성 액체는 점성이 높아 이온전도도가 낮으며, 농도가 진해질수록 불투명해지므로 투과도가 낮아지므로, 본 발명에 따른 고투과 및 고안정성 전해질을 제조하기 위하여는 이온성 액체의 선택이 매우 중요하다.The ionic liquid is a material in which the cation and anion do not form crystals due to size asymmetry and exists in a liquid state, but exists as a liquid at a temperature of 100° C. or less, and has low volatility, thermal stability, and high ionic conductivity. , wide electrochemical stability, and low vapor pressure. However, the ionic liquid has high viscosity and low ionic conductivity, and as the concentration increases, it becomes opaque and thus the transmittance decreases. It is important.
본 발명에 따른 전해질 조성물에 있어서, 상기 이온성 액체는 화학식 1로 표시되는 이온성 액체를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 화학식 1의 이온성 액체는 점도가 낮아 잘 흐르기 때문에 유기 용매와도 잘 혼합되고, 이에 이온 전도성도양호한 편이다.In the electrolyte composition according to the present invention, the ionic liquid is characterized in that it comprises the ionic liquid represented by the formula (1). The ionic liquid of Formula 1 has a low viscosity and flows well, so it mixes well with organic solvents and has good ionic conductivity.
이때, 상기 화학식 1의 이온성 액체에 있어서, R1은 메틸기이고, R2는 에틸기, 프로필기, 부틸기, 헥실기 및 알릴기 중에 선택될 수 있다.In this case, in the ionic liquid of Formula 1, R1 may be a methyl group, and R2 may be selected from an ethyl group, a propyl group, a butyl group, a hexyl group, and an allyl group.
바람직하게는 상기 화학식 1의 이온성 액체로서 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 또는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트를 사용할 수 있다.Preferably, 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide or 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate may be used as the ionic liquid of Formula 1 above. have.
본 발명에 따른 전해질 조성물에 있어서, 상기 화학식 1의 이온성 액체는 전해질 조성물의 전체 중량에 대하여 20~40 중량%인 것이 바람직하다. 상기 범위에서 태양전지의 효율성은 동등하도록 유지하면서(도 10 참조), 증기압을 낮추어 휘발성의 문제를 해결하여 안정성을 높이고(하기 표 1 및 도 2 참조), 투과도 또한 유기용매 단독보다 향상시킬 수 있다(하기 표 2 및 도 6-8 참조).In the electrolyte composition according to the present invention, the ionic liquid of Formula 1 is preferably 20 to 40% by weight based on the total weight of the electrolyte composition. In the above range, while maintaining the same efficiency of the solar cell (see FIG. 10), lowering the vapor pressure to solve the problem of volatility to increase stability (see Table 1 and FIG. 2 below), and transmittance can also be improved than that of the organic solvent alone (See Table 2 and Figures 6-8 below).
산화·환원 유도체는 전해질 내에서의 가역적인 산화환원 반응을 통해 광전극과 상대전극 사이에서 전자를 전달하는 역할을 하는 것으로, 산화환원쌍을 제공할 수 있는 물질을 말한다. 상기 산화·환원 유도체는 예를 들어, 요오드화 리튬, 요오드화 나트륨, 요오드화 칼륨, 브롬화 리튬, 브롬화 나트륨, 또는 브롬화 칼륨 등의 할로겐화 금속염 혹은, 4급 암모늄염, 이미다졸륨염, 피리디늄염, 피롤리디늄염, 피라졸리듐염, 이소티아졸리디늄염, 이소옥사졸리디늄염, 코발트계 등의 함질소 복소환 화합물일 수 있다. 상기 산화·환원 유도체로는 I-와 I3-로 이루어진 산화환원쌍을 제공할 수 있는 것이 보다 바람직하며, 일례로 상기 I-/I3-의 산화환원쌍은 이미다졸륨 요오드염과 같은 요오드화물의 용융염에 요오드(iodine, I2)를 용해시키거나 또는 요오드화물 이외의 화합물의 용융염에 요오드 또는 요오드 활물을 용해시킴으로써 제조할 수 있다.The oxidation/reduction derivative serves to transfer electrons between the photoelectrode and the counter electrode through a reversible redox reaction in the electrolyte, and refers to a material capable of providing a redox pair. The oxidation/reduction derivative is, for example, a metal halide salt such as lithium iodide, sodium iodide, potassium iodide, lithium bromide, sodium bromide, or potassium bromide, or a quaternary ammonium salt, imidazolium salt, pyridinium salt, or pyrrolidinium salt. , pyrazolidium salt, isothiazolidinium salt, isoxazolidinium salt, and may be a nitrogen-containing heterocyclic compound such as cobalt. As the redox derivative, it is more preferable to provide a redox pair consistingof I - and I3-. For example, the redox pair of I - /I3- is an iodide such as imidazolium iodide. It can be prepared by dissolving iodine (iodine, I2 ) in a molten salt of water or by dissolving iodine or an active iodine in a molten salt of a compound other than iodide.
이때, 상기 이미다졸륨 요오드염으로는 1,2-디메틸-3-프로필이미다졸륨아이오다이드(DMPII), 1-메틸-3-프로필이미다졸륨아이오다이드(PMII), 1,3-디메틸이미다졸륨 아이오다이드, 1-메틸-3-에틸이미다졸륨 아이오다이드, 1-메틸-3-부틸이미다졸륨 아이오다이드, 1-메틸-3-펜틸-이미다졸륨 아이오다이드, 1-메틸-3-헥실이미다졸륨 아이오다이드, 1-메틸-3-헵틸이미다졸륨 아이오다이드, 1-메틸-3-옥틸이미다졸륨 아이오다이드, 1,3-디에틸이미다졸륨 아이오다이드, 1-에틸-3-프로필이미다졸륨 아이오다이드, 1-에틸-3-부틸이미다졸륨 아이오다이드, 1,3-프로필이미다졸륨 아이오다이드, 1-프로필-3-부틸이미다졸륨 아이오다이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.In this case, as the imidazolium iodide salt, 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide (DMPII), 1-methyl-3-propylimidazolium iodide (PMII), 1,3- Dimethylimidazolium iodide, 1-methyl-3-ethylimidazolium iodide, 1-methyl-3-butylimidazolium iodide, 1-methyl-3-pentyl-imidazolium iodide , 1-methyl-3-hexylimidazolium iodide, 1-methyl-3-heptylimidazolium iodide, 1-methyl-3-octylimidazolium iodide, 1,3-diethyl Midazolium iodide, 1-ethyl-3-propylimidazolium iodide, 1-ethyl-3-butylimidazolium iodide, 1,3-propylimidazolium iodide, 1-propyl- One or a mixture of two or more selected from the group consisting of 3-butylimidazolium iodide may be used.
상기 요오드(iodine, I2)는 용매에 의해 용해되어, 요오드계 산화환원쌍(redox couple), 즉, I-/I3-의 공급원으로 작용한다. 상기 요오드는 부식성이 상대적으로 크다는 단점에도 불구하고, 재결합 반응이 느리고, 안정성과 가역성이 좋으며, 가시광선 영역에서의 흡수가 적고, 확산계수가 커서 산화 환원반응의 효과가 크다는 장점을 갖는다.The iodine (iodine, I2 ) is dissolved by a solvent, and acts as a source of an iodine-based redox couple, that is, I- /I3-. The iodine has the advantages of slow recombination reaction, good stability and reversibility, little absorption in the visible light region, and large diffusion coefficient, so that the effect of redox reaction is large, despite the disadvantage that iodine is relatively corrosive.
상기 산화·환원 유도체는 전해질 조성물 전체 중량에 대해 0.5 내지 1.5 중량%인 것이 바람직한 바, 상기 범위를 벗어나면 태양전지의 효율이 감소되는 문제가 있다.The oxidation/reduction derivative is preferably 0.5 to 1.5 wt% based on the total weight of the electrolyte composition, and when it is out of the above range, there is a problem in that the efficiency of the solar cell is reduced.
또한, 본 발명에 따른 전해질 조성물은 첨가제로서 4-tert-부틸피리딘 및 구아니듐 티오시아네이트(GuSCN)를 더 포함할 수 있다.In addition, the electrolyte composition according to the present invention may further include 4-tert-butylpyridine and guanidium thiocyanate (GuSCN) as additives.
상기 4-tert-부틸피리딘은 전해질 내의 전자수송을 도우므로 전해질의 전자수송시간을 감소시키는 기능을 한다.The 4-tert-butylpyridine serves to reduce the electron transport time of the electrolyte because it helps the electron transport in the electrolyte.
상기 GuSCN은 이산화티타늄(TiO2) 전도 밴드(conduction band) 가장자리를 저에너지로 이동시키며, 이산화티타늄(TiO2) 표면에 양이온을 흡착시키는 기능을 하는데, 이는 감응형 태양전지에 있어 전자의 수명을 증가시킴을 의미하며, 이에 감응형 태양전지의 효율을 증대시킬 수 있다.The GuSCN moves the edge of the titanium dioxide (TiO2 ) conduction band to low energy, andserves to adsorb positive ions on the titanium dioxide (TiO 2 ) surface, which increases the lifespan of electrons in the sensitized solar cell. This means that the efficiency of the sensitized solar cell can be increased.
이러한 첨가제는 전해질 조성물 전체 중량에 대해 0.5 내지 1.5 중량%인 것이 바람직한 바, 상기 범위를 벗어나면 태양전지의 효율이 감소되는 문제가 있다.The additive is preferably 0.5 to 1.5% by weight based on the total weight of the electrolyte composition, and when it is out of the above range, there is a problem in that the efficiency of the solar cell is reduced.
[[고투과high permeability 및 고안정성 전해질을 포함하는 염료감응형 태양전지] and a dye-sensitized solar cell comprising a high-stability electrolyte]
또한, 본 발명은 고투과 및 고안정성 전해질을 포함하는 감응형 태양전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a sensitized solar cell including a high permeability and high stability electrolyte.
도 1은 본 발명에 따른 감응형 태양전지의 구조를 나타내는 개략도이다.1 is a schematic diagram showing the structure of a sensitized solar cell according to the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 감응형 태양전지는 광전극(110)과 소정의 간격을 두고 서로 마주보도록 대향 배치된 상대전극(120), 및 상기 광전극과 상대전극 사이의 공간을 충진하는 전해질(101)을 포함하며, 이때 전해질은 본 발명에 따른 전해질 조성물을 포함하는 것을 특징으로 한다.Referring to FIG. 1 , the sensitized solar cell according to the present invention fills a space between a
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광전극(110)은 제1 기판(111), 제1 전도성 필름(112) 및 염료흡착 다공질막(113)을 포함한다.In an embodiment of the present invention, the
상기 제1 기판(111)은 금속기판, 유리기판, 플라스틱 기판, 직물 기판, 또는 세라믹 기판일 수 있다. 또한 외부광의 입사가 가능하도록 투명 기판을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 투명 기판으로는 유리 기판 또는 유연성을 갖는 투명 고분자 기판을 사용할 수 있다. 투명 고분자 기판으로서, 예를 들어, 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 트리아세틸셀룰로오스(TAC), 또는 이들의 공중합체 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.The
상기 제1 기판(111) 상에는 투명 전도성 전극으로서 제1 전도성 필름(112)이 형성될 수 있다. 상기 제1 전도성 필름(112)은, 당업계에서 공지된 통상의 전도성 필름일 수 있다. 예를 들면, FTO(F-doped SnO2, SnO2:F), 인듐 틴 옥사이드(ITO), 평균 두께가 1 내지 1000nm인 금속전극, 금속 질화물, 금속 산화물 나노입자, 탄소화합물, 또는 전도성 고분자를 포함하는 전도성 필름이 코팅될 수 있다.A first
이때, 본 명세서 전체에서 "투명"이라는 단어의 의미는, 소재의 광 투과율이 100% 인 경우뿐만 아니라 광 투과율이 약 80% 이상으로 높은 경우를 모두 포함한다.In this case, the meaning of the word “transparent” throughout the present specification includes not only a case in which the light transmittance of the material is 100%, but also a case in which the light transmittance is as high as about 80% or more.
상기 금속 질화물은 IVB족 금속원소의 질화물, VB족 금속원소의 질화물, VIB족 금속원소의 질화물, 질화알루미늄, 질화갈륨, 질화인듐, 질화실리콘, 질화게르마늄 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택될 수 있다.The metal nitride is at least one from the group consisting of a nitride of a group IVB metal element, a nitride of a group VB metal element, a nitride of a group VIB metal element, aluminum nitride, gallium nitride, indium nitride, silicon nitride, germanium nitride, and mixtures thereof can be selected.
상기 금속 산화물 나노입자는 입자 크기가 10 내지 100㎚인 것이 바람직하다. 상기 금속산화물 나노입자는 주석(Sn)산화물, 안티몬(Sb), 나이오븀(Nb) 또는 불소 도핑된 주석(Sn)산화물, 인듐(In)산화물, 주석 도핑된 인듐(In)산화물, 아연(Zn)산화물, 알루미늄(Al), 붕소(B), 갈륨(Ga), 수소(H), 인듐(In), 이트륨(Y), 타이타늄(Ti), 실리콘(Si) 또는 주석(Sn) 도핑된 아연(Zn)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 캐드뮴(Cd)산화물, 마그네슘아연(MgZn)산화물, 인듐아연(InZn)산화물, 구리알루미늄(CuAl)산화물, 실버(Ag)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 아연주석산화물(ZnSnO), 타이타늄산화물(TiO2) 및 아연인듐주석(ZIS)산화물, 니켈(Ni)산화물, 로듐(Rh)산화물, 루세늄(Ru)산화물, 이리듐(Ir)산화물, 구리(Cu)산화물, 코발트(Co)산화물, 텅스텐(W)산화물, 티타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 란타넘(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브데넘(Mo)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트늄(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 스트론튬타이타늄(SrTi)산화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있고, 바람직하게는 티타늄산화물을 사용한다.The metal oxide nanoparticles preferably have a particle size of 10 to 100 nm. The metal oxide nanoparticles are tin (Sn) oxide, antimony (Sb), niobium (Nb) or fluorine-doped tin (Sn) oxide, indium (In) oxide, tin-doped indium (In) oxide, zinc (Zn) Zinc doped with oxide, aluminum (Al), boron (B), gallium (Ga), hydrogen (H), indium (In), yttrium (Y), titanium (Ti), silicon (Si) or tin (Sn) (Zn) oxide, magnesium (Mg) oxide, cadmium (Cd) oxide, magnesium zinc (MgZn) oxide, indium zinc (InZn) oxide, copper aluminum (CuAl) oxide, silver (Ag) oxide, gallium (Ga) oxide , zinc tin oxide (ZnSnO), titanium oxide (TiO2 ) and zinc indium tin (ZIS) oxide, nickel (Ni) oxide, rhodium (Rh) oxide, ruthenium (Ru) oxide, iridium (Ir) oxide, copper ( Cu) oxide, cobalt (Co) oxide, tungsten (W) oxide, titanium (Ti) oxide, zirconium (Zr) oxide, strontium (Sr) oxide, lanthanum (La) oxide, vanadium (V) oxide, molybdenum (Mo) oxide, niobium (Nb) oxide, aluminum (Al) oxide, yttnium (Y) oxide, scandium (Sc) oxide, samarium (Sm) oxide, strontium titanium (SrTi) oxide, and mixtures thereof At least one selected from may be used, and titanium oxide is preferably used.
상기 탄소화합물은 활성탄, 흑연, 카본 나노튜브, 카본블랙, 그라펜 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택될 수 있다.The carbon compound may be at least one selected from the group consisting of activated carbon, graphite, carbon nanotubes, carbon black, graphene, or mixtures thereof.
상기 전도성 고분자는 PEDOT (폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜))- PSS(폴리(스티렌설포네이트)), 폴리아닐린-CSA, 펜타센, 폴리아세틸렌, P3HT(폴리(3-헥실티오펜), 폴리실록산 카르바졸, 폴리아닐린, 폴리에틸렌 옥사이드, (폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레드1)-2,5-페닐렌-비닐렌), 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌, 폴리피리딘, 폴리피롤, 폴리설퍼나이트라이드, 및 이들의 공중합체로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택하여 사용할 수 있다.The conductive polymer is PEDOT (poly(3,4-ethylenedioxythiophene))-PSS (poly(styrenesulfonate)), polyaniline-CSA, pentacene, polyacetylene, P3HT (poly(3-hexylthiophene), Polysiloxane carbazole, polyaniline, polyethylene oxide, (poly(1-methoxy-4-(0-disperse 1)-2,5-phenylene-vinylene), polyindole, polycarbazole, polypyridazine , polyisotianaphthalene, polyphenylene sulfide, polyvinylpyridine, polythiophene, polyfluorene, polypyridine, polypyrrole, polysulfurnitride, and at least one selected from the group consisting of copolymers thereof. .
상기 염료흡착 다공질막(113)은 금속산화물 나노입자층을 포함한 광전극을 이루는 부분을 형성하기 위해서, TiO2 등을 이용하여 나노입자 필름을 형성한 것을 의미한다. 이때 상기 광전극에 형성된 다공질막의 두께는 특별히 한정되지 않으나, 바람직하게 1 내지 40 μm일 수 있다.The dye adsorption
상기 다공질막은 주석(Sn)산화물, 안티몬(Sb), 나이오븀(Nb) 또는 불소 도핑된 주석(Sn)산화물, 인듐(In)산화물, 주석 도핑된 인듐(In)산화물, 아연(Zn)산화물, 알루미늄(Al), 붕소(B), 갈륨(Ga), 수소(H), 인듐(In), 이트륨(Y), 타이타늄(Ti), 실리콘(Si) 또는 주석(Sn) 도핑된 아연(Zn)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 캐드뮴(Cd)산화물, 마그네슘아연(MgZn)산화물, 인듐아연(InZn)산화물, 구리알루미늄(CuAl)산화물, 실버(Ag)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 아연주석산화물(ZnSnO), 타이타늄산화물(TiO2) 및 아연인듐주석(ZIS)산화물, 니켈(Ni)산화물, 로듐(Rh)산화물, 루세늄(Ru)산화물, 이리듐(Ir)산화물, 구리(Cu)산화물, 코발트(Co)산화물, 텅스텐(W)산화물, 티타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 란타넘(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브데넘(Mo)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트늄(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 스트론튬타이타늄(SrTi)산화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 금속산화물 나노입자를 포함할 수 있다.The porous film may include tin (Sn) oxide, antimony (Sb), niobium (Nb) or fluorine-doped tin (Sn) oxide, indium (In) oxide, tin-doped indium (In) oxide, zinc (Zn) oxide, Aluminum (Al), boron (B), gallium (Ga), hydrogen (H), indium (In), yttrium (Y), titanium (Ti), silicon (Si) or tin (Sn) doped zinc (Zn) Oxide, magnesium (Mg) oxide, cadmium (Cd) oxide, magnesium zinc (MgZn) oxide, indium zinc (InZn) oxide, copper aluminum (CuAl) oxide, silver (Ag) oxide, gallium (Ga) oxide, zinc tin oxide (ZnSnO), titanium oxide (TiO2) and zinc indium tin (ZIS) oxide, nickel (Ni) oxide, rhodium (Rh) oxide, ruthenium (Ru) oxide, iridium (Ir) oxide, copper (Cu) oxide, Cobalt (Co) oxide, tungsten (W) oxide, titanium (Ti) oxide, zirconium (Zr) oxide, strontium (Sr) oxide, lanthanum (La) oxide, vanadium (V) oxide, molybdenum (Mo) oxide , at least one from the group consisting of niobium (Nb) oxide, aluminum (Al) oxide, yttnium (Y) oxide, scandium (Sc) oxide, samarium (Sm) oxide, strontium titanium (SrTi) oxide, and mixtures thereof It may include selected metal oxide nanoparticles.
상기 염료흡착 다공질막(113)은 금속산화물 나노입자, 바인더 및 용매를 포함하는 페이스트와 감광성 염료를 이용하여 통상의 방법으로 형성될 수 있다.The dye adsorption
예를 들면, 상기 광전극은 제 1기판 위에 금속산화물 나노입자, 바인더 및 용매를 포함하는 금속산화물 나노입자 페이스트를 일정 두께로 도포한 후, 450 내지 500 ℃의 온도에서 1 내지 2시간 동안 열처리하여 다공질막을 형성할 수 있다. 이후, 상기 다공질막 표면에 감광성 염료를 흡착하는 단계를 수행함으로써, 광전극을 제조할 수 있다.For example, the photoelectrode is formed by applying a metal oxide nanoparticle paste containing metal oxide nanoparticles, a binder and a solvent to a predetermined thickness on the first substrate, and then heat-treating it at a temperature of 450 to 500° C. for 1 to 2 hours. A porous film can be formed. Thereafter, by performing the step of adsorbing the photosensitive dye on the surface of the porous membrane, it is possible to manufacture a photoelectrode.
이때, 상기 감광성 염료는 밴드갭(Band Gap)이 1.55 eV 내지 3.1 eV을 가져 가시광선을 흡수할 수 있는 염료로서, 당업계에 공지된 것을 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들면 금속 또는 금속 복합체를 포함하는 유-무기 복합염료, 유기 염료 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 유-무기 복합염료의 예로는 알루미늄(Al), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 유로퓸(Eu), 납(Pb), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 및 이들의 복합체로 이루어지는 군에서 선택된 원소를 포함하는 유-무기 복합염료일 수 있다.In this case, the photosensitive dye has a band gap of 1.55 eV to 3.1 eV and is capable of absorbing visible light, and those known in the art may be used without particular limitation. For example, an organic-inorganic complex dye including a metal or a metal complex, an organic dye, or a mixture thereof may be included. Examples of the organic-inorganic composite dye include aluminum (Al), platinum (Pt), palladium (Pd), europium (Eu), lead (Pb), iridium (Ir), ruthenium (Ru), and a group consisting of complexes thereof It may be an organic-inorganic complex dye containing an element selected from
상기 상대전극(counter electrode, 120)은 제2 기판(121), 제2 전도성 필름(122) 및 촉매층으로 사용되는 나노입자금속필름(123)을 포함한다.The
제2 기판 및 제2 전도성 필름은 전술한 제1 기판 및 제1 투명 전도성 필름과 동일하므로, 중복기재를 피하기 위하여 자세한 설명은 생략한다.Since the second substrate and the second conductive film are the same as the above-described first substrate and the first transparent conductive film, detailed descriptions are omitted to avoid overlapping descriptions.
상기 나노입자금속필름(123)은 제2 전도성 필름 상에 형성되며, 백금(Pt), 활성탄(activated carbon), 흑연(graphite), 카본 나노튜브, 카본블랙, p-형 반도체, PEDOT(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜))-PSS(폴리(스티렌설포네이트)), 폴리아닐린-CSA, 펜타센, 폴리아세틸렌, P3HT(폴리(3-헥실티오펜), 폴리실록산 카르바졸, 폴리아닐린, 폴리에틸렌 옥사이드, (폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레드1)-2,5-페닐렌-비닐렌), 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌, 폴리피리딘, 폴리피롤, 폴리설퍼나이트라이드 및 이들의 유도체 및 이들의 공중합체 또는 이들의 복합체 및 혼합물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것이 바람직하다.The
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광전극(110)과 상기 상대전극(120) 사이에는 전해질(101)이 위치되며, 이때 사용되는 전해질은 본 발명에 따른 전해질 조성물을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 전해질 조성물은 전술한 바와 같으므로, 중복기재를 피하기 위하여 상세한 설명은 생략한다.In one embodiment of the present invention, the
본 발명에 따른 전해질 조성물로 이루어진 전해질은 유기용매에 특정한 이온성 액체를 특정 비율로 첨가하여 고투과도를 유지하면서, 휘발성을 감소시켜 안정성을 높이므로, 종래 유기용매 전해질이 가지는 휘발 또는 누출의 문제점을 최소화하면서도 태양전지 모듈의 광전변환효율은 종래의 유기용매 전해질과 동등하게 유지할 수 있으며, 온도 상승과 같은 외부 환경변화에 대하여도 장기적으로 전기화학적 안정성을 유지할 수 있다.The electrolyte composed of the electrolyte composition according to the present invention improves stability by reducing volatility while maintaining high permeability by adding a specific ionic liquid to an organic solvent in a specific ratio, thereby avoiding the problems of volatilization or leakage of conventional organic solvent electrolytes. While minimizing, the photoelectric conversion efficiency of the solar cell module can be maintained equal to that of a conventional organic solvent electrolyte, and long-term electrochemical stability can be maintained even against external environmental changes such as temperature rise.
상기 전해질의 누출을 방지하기 위하여, 상기 광전극과 상대전극 사이에는 밀봉부(130)가 형성될 수 있다. 상기 밀봉부는 열가소성 고분자물질을 포함하며, 열 또는 자외선에 의하여 경화될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적인 예로, 밀봉부는 에폭시 수지를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 밀봉부로서 수십 마이크로미터 두께의 고분자 필름을 상기 광전극(110)과 상대전극(120) 사이에 끼워 넣어 간격을 유지할 수 있다.In order to prevent leakage of the electrolyte, a sealing
상기 감응형 태양전지의 일 실시예에 따른 제조방법은 다음과 같다.A manufacturing method according to an embodiment of the sensitized solar cell is as follows.
상기 광전극(110)의 염료흡착 다공질막(113)과 상기 상대전극(120)의 나노입자금속필름(123)을 소정의 간격을 두고 서로 마주보도록 한 후, 양 전극의 에지부들 사이에 20 내지 100 ㎛ 두께의 열가소성 필름(130)을 삽입하고, 이를 60 내지 120 ℃의 온도에서 5 내지 20 초 동안 유지하여 양 전극을 밀착시키는 공정을 수행한다. 이어서, 미리 뚫어 놓은 구멍을 통해 상기 광전극(110)과 상기 상대전극(120) 사이의 공간에 본 발명에 따른 전해질 조성물로 구성된 용액(130)을 주입함으로써 감응형 태양전지를 제조할 수 있다.After the dye adsorption
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 제조예 및 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 제조예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred preparation examples and experimental examples (examples) are presented to help the understanding of the present invention. However, the following experimental examples are only for helping understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the following preparation examples and experimental examples.
<<제조예manufacturing example 1> 본 발명에 따른 감응형 태양전지의 제조 1> Preparation of a sensitized solar cell according to the present invention
(1) 전해질의 제조(1) Preparation of electrolyte
유기용매인 아세토니트릴과 이온성 액체인 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플로로메틸설포닐)이미드 (1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide)(EMIM-TFSI)를 7:3으로 혼합한 혼합용매에 0.7M의 PMII(1-methyl-3-propylimidazolium iodide), 0.03M의 I2, 0.5M의 tBP(tert-butyl pyridine), 0.1M GSCN(Guanidinium thiocyanate)을 용해시켜 전해질을 제조하였다.Acetonitrile as an organic solvent and 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide as an ionic liquid (EMIM-TFSI) 0.7M of PMII (1-methyl-3-propylimidazolium iodide), 0.03M of I2 , 0.5M of tBP (tert-butyl pyridine), and 0.1M of GSCN (Guanidinium thiocyanate) in a mixed solvent of 7:3 It was dissolved to prepare an electrolyte.
(2) 광전극의 제조(2) Preparation of photoelectrodes
광전극용 기판으로서 전도성을 가지는 유리 기판(Philkington사, FTO, 두께 2.2cm, 8Ω/sq)을 준비하였다.A conductive glass substrate (Philkington, FTO, thickness 2.2 cm, 8 Ω/sq) was prepared as a substrate for a photoelectrode.
이어서, 용매로서 터피네올(terpineol)에 평균 입경이 20nm인 산화티타늄 나노입자 18.5 중량%, 바인더용 고분자로서 에틸셀룰로오스 0.05 중량%을 혼합하여 금속산화물 페이스트를 제조하였다.Then, a metal oxide paste was prepared by mixing 18.5 wt% of titanium oxide nanoparticles having an average particle diameter of 20 nm in terpineol as a solvent and 0.05 wt% of ethyl cellulose as a polymer for a binder.
다음으로, 상기 금속산화물 페이스트를 상기 유리 기판 상에 닥터블레이트 또는 스크린프린트법을 이용하여 도포한 후, 500℃에서 30분간 열처리하여, 상기 기판 상에 금속산화물 나노입자를 포함하는 다공질막을 9~10 μm 두께로 형성시켰다.Next, after applying the metal oxide paste on the glass substrate using a doctor blade or screen printing method, heat treatment at 500 ° C. for 30 minutes, the porous film containing metal oxide nanoparticles on the
이어서, 에탄올 내에 염료로서 Ru(4,4'-dicarboxy-2,2'-bipyridine)2(NCS)2을 용해시킨 염료 용액에 상기 다공질막이 형성된 기판을 12시간 동안 침지하여 상기 다공질막의 표면에 감광성 염료가 흡착된 광전극을 제조하였다.Then, the substrate on which the porous film was formed was immersed in a dye solution in which Ru(4,4'-dicarboxy-2,2'-bipyridine)2 (NCS)2 was dissolved as a dye in ethanol for 12 hours to obtain photosensitivity on the surface of the porous film. A photoelectrode to which the dye was adsorbed was prepared.
(3) 상대전극의 제조(3) Preparation of counter electrode
FTO 기판 상에 2-프로판올 내 육염화백금산(H2PtCl6)이 용해된 용액을 떨어뜨린 후, 400℃에서 20분 동안 열처리하여 백금층을 형성시킴으로 상대전극을 제조하였다.A counter electrode was prepared by dropping a solution of hexachloroplatinic acid (H 2 PtCl6 ) dissolved in 2-propanol on the FTO substrate and then heat-treating it at 400° C. for 20 minutes to form a platinum layer.
(4) 감응형 태양전지의 제조(4) Manufacture of sensitized solar cell
상기 제조된 광전극과 상대전극의 사이 공간에 (1)에서 제조된 이미다졸륨계 이온성 액체를 포함하는 전해질을 주입하고 고분자 수지로 봉합하여 도 1의 구조의 감응형 태양전지를 제조하였다.The electrolyte containing the imidazolium-based ionic liquid prepared in (1) was injected into the space between the prepared photoelectrode and the counter electrode and sealed with a polymer resin to prepare a sensitized solar cell having the structure of FIG. 1 .
<<제조예manufacturing example 2> 2>
전해질 제조시, 이온성 액체로서 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트 (1-Ethyl-3-methylimidazolium Tetrafluoroborate)를 사용하여 제조예 1과 동일한 방법으로 감응형 태양전지를 제조하였다.In preparing the electrolyte, a sensitized solar cell was prepared in the same manner as in Preparation Example 1 using 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate as an ionic liquid.
<<제조예manufacturing example 3-4> 3-4>
유기용매로서 아세토니트릴 대신 3-메톡시프로피오니트릴을 사용하여, 제조예 1 및 제조예 2와 동일한 방법으로 감응형 태양전지를 제조하였다.A sensitized solar cell was prepared in the same manner as in Preparation Examples 1 and 2 by using 3-methoxypropionitrile instead of acetonitrile as the organic solvent.
<<제조예manufacturing example 5-6> 5-6>
유기용매로서 아세토니트릴 대신 발레로니트릴을 사용하여, 제조예 1 및 제조예 2와 동일한 방법으로 감응형 태양전지를 제조하였다.A sensitized solar cell was prepared in the same manner as in Preparation Examples 1 and 2 by using valeronitrile instead of acetonitrile as an organic solvent.
<<비교예comparative example 1> 종래 감응형 태양전지의 제조 1> Manufacturing of conventional sensitized solar cells
전해질 제조시, 이온성 액체는 사용하지 않고 유기용매인 아세토니트릴 단독에 0.7M의 PMII(1-methyl-3-propylimidazolium iodide), 0.03M의 I2, 0.5M의 tBP(tert-butyl pyridine), 0.1M GSCN(Guanidinium thiocyanate)을 용해시켜 전해질을 제조한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 감응형 태양전지를 제조하였다.When preparing the electrolyte, 0.7M of PMII (1-methyl-3-propylimidazolium iodide), 0.03M of I2 , 0.5M of tBP (tert-butyl pyridine), 0.5M of tBP (tert-butyl pyridine), A sensitized solar cell was manufactured in the same manner as in Preparation Example 1, except that the electrolyte was prepared by dissolving 0.1M GSCN (guanidinium thiocyanate).
<<비교예comparative example 2> 종래 감응형 태양전지의 제조 2> Manufacturing of conventional sensitized solar cells
전해질 제조시, 이온성 액체는 사용하지 않고 유기용매인 3-메톡시프로피오니트릴 단독에 0.7M의 PMII(1-methyl-3-propylimidazolium iodide), 0.03M의 I2, 0.5M의 tBP(tert-butyl pyridine), 0.1M GSCN(Guanidinium thiocyanate)을 용해시켜 전해질을 제조한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 감응형 태양전지를 제조하였다.When preparing the electrolyte, 0.7M of PMII (1-methyl-3-propylimidazolium iodide), 0.03M of I2 , 0.5M of tBP (tert) in 3-methoxypropionitrile alone as an organic solvent without using an ionic liquid -Butyl pyridine) and 0.1M GSCN (guanidinium thiocyanate) were dissolved to prepare an electrolyte, and a sensitized solar cell was manufactured in the same manner as in Preparation Example 1.
<<비교예comparative example 3> 종래 감응형 태양전지의 제조 3> Manufacturing of conventional sensitized solar cells
전해질 제조시, 이온성 액체는 사용하지 않고 유기용매인 발레로니트릴 단독에 0.7M의 PMII(1-methyl-3-propylimidazolium iodide), 0.03M의 I2, 0.5M의 tBP(tert-butyl pyridine), 0.1M GSCN(Guanidinium thiocyanate)을 용해시켜 전해질을 제조한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 감응형 태양전지를 제조하였다.When preparing the electrolyte, 0.7M of PMII (1-methyl-3-propylimidazolium iodide), 0.03M of I2 , 0.5M of tBP (tert-butyl pyridine) in valeronitrile alone, an organic solvent without using an ionic liquid , A sensitized solar cell was manufactured in the same manner as in Preparation Example 1, except that the electrolyte was prepared by dissolving 0.1M GSCN (guanidinium thiocyanate).
<<비교예comparative example 4> 종래 감응형 태양전지의 제조 4> Manufacturing of conventional sensitized solar cells
전해질 제조시, 유기용매는 사용하지 않고, 이온성 액체로서 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플로로메틸설포닐)이미드(EMIM-TFSI, E.T) 단독에 0.7M의 PMII(1-methyl-3-propylimidazolium iodide), 0.03M의 I2, 0.5M의 tBP(tert-butyl pyridine), 0.1M GSCN(Guanidinium thiocyanate)을 용해시켜 전해질을 제조한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 감응형 태양전지를 제조하였다.In the preparation of the electrolyte, without using an organic solvent, 0.7M PMII ( 1-methyl-3-propylimidazolium iodide), 0.03M of I2 , 0.5M of tBP (tert-butyl pyridine), and 0.1M GSCN (guanidinium thiocyanate) to prepare an electrolyte by dissolving the same as in Preparation Example 1 A sensitized solar cell was prepared by this method.
<<비교예comparative example 5> 종래 감응형 태양전지의 제조 5> Manufacturing of conventional sensitized solar cells
전해질 제조시, 유기용매는 사용하지 않고, 이온성 액체로서 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트 (1-Ethyl-3-methylimidazolium Tetrafluoroborate, E.B) 단독에 0.7M의 PMII(1-methyl-3-propylimidazolium iodide), 0.03M의 I2, 0.5M의 tBP(tert-butyl pyridine), 0.1M GSCN(Guanidinium thiocyanate)을 용해시켜 전해질을 제조한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 감응형 태양전지를 제조하였다.When preparing the electrolyte, no organic solvent is used, and 0.7M PMII (1- Methyl-3-propylimidazolium iodide), 0.03M of I2 , 0.5M of tBP (tert-butyl pyridine), and 0.1M GSCN (guanidinium thiocyanate) were dissolved to prepare an electrolyte in the same manner as in Preparation Example 1 A sensitized solar cell was manufactured.
<<실험예Experimental example 1> 1>유기용매와organic solvent and 이온성 액체의 혼합비에 따른 전해질의 안정성 측정 Measurement of electrolyte stability according to the mixing ratio of the ionic liquid
본 발명에 따른 감응형 태양전지에 있어서, 전해질에 사용되는 용매에 있어서, 유기용매와 이온성 액체의 혼합비에 따른 안정성의 변화를 알아보기 위하여, 다음과 같은 실험을 수행하였다.In the sensitized solar cell according to the present invention, in the solvent used for the electrolyte, the following experiment was performed to investigate the change in stability according to the mixing ratio of the organic solvent and the ionic liquid.
구체적으로, 제조예 및 비교예에서 제조된 전해질에 대하여 유기용매와 이온성 액체의 혼합비를 변화시키면서 제조된 전해질의 증기압을 온도변화에 따라 측정하여 표 1 및 도 2-5에 나타내었다.Specifically, for the electrolytes prepared in Preparation Examples and Comparative Examples, while changing the mixing ratio of the organic solvent and the ionic liquid, the vapor pressure of the prepared electrolyte was measured according to the temperature change and shown in Table 1 and FIGS. 2-5.
도 2는 본 발명의 일 실험예에 있어서, 유기용매와 이미다졸륨 양이온을 포함하는 이온성 액체가 혼합된 전해질 조성물 내에 이온성 액체의 혼합 비율에 따른 80℃에서의 증기압을 나타내는 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing vapor pressure at 80° C. according to a mixing ratio of an ionic liquid in an electrolyte composition in which an organic solvent and an ionic liquid containing imidazolium cations are mixed in an experimental example of the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실험예에 있어서, 유기용매로서 아세토니트릴(A)을 사용하는 경우, 유기용매와 이미다졸륨 양이온을 포함하는 이온성 액체(E.T 또는 E.B)가 혼합된 전해질 조성물 내에 이온성 액체의 혼합 비율별 온도 변화에 따른 증기압의 변화를 나타내는 그래프이다.FIG. 3 is an exemplary embodiment of the present invention, when acetonitrile (A) is used as an organic solvent, an ionic liquid (ET or EB) containing an organic solvent and an imidazolium cation is mixed in an electrolyte composition. It is a graph showing the change of vapor pressure according to the temperature change for each mixing ratio of the sex liquid.
도 4는 본 발명의 일 실험예에 있어서, 유기용매로서 3-메톡시프로피오니트릴(M)을 사용하는 경우, 유기용매와 이미다졸륨 양이온을 포함하는 이온성 액체(E.T 또는 E.B)가 혼합된 전해질 조성물 내에 이온성 액체의 혼합 비율별 온도 변화에 따른 증기압의 변화를 나타내는 그래프이다.FIG. 4 shows that, in an experimental example of the present invention, when 3-methoxypropionitrile (M) is used as an organic solvent, an organic solvent and an ionic liquid (ET or EB) containing imidazolium cations are mixed. It is a graph showing the change in vapor pressure according to the temperature change for each mixing ratio of the ionic liquid in the electrolyte composition.
도 5는 본 발명의 일 실험예에 있어서, 유기용매로서 발레로니트릴(V)을 사용하는 경우, 유기용매와 이미다졸륨 양이온을 포함하는 이온성 액체(E.T 또는 E.B)가 혼합된 전해질 조성물 내에 이온성 액체의 혼합 비율별 온도 변화에 따른 증기압의 변화를 나타내는 그래프이다.FIG. 5 is an electrolyte composition in which an organic solvent and an ionic liquid (ET or EB) containing imidazolium cations are mixed in the case of using valeronitrile (V) as an organic solvent in an experimental example of the present invention. It is a graph showing the change in vapor pressure according to the temperature change for each mixing ratio of the ionic liquid.
(A)acetonitrile
(A)
(A)acetonitrile
(A)
(A)acetonitrile
(A)
(A)acetonitrile
(A)
(A)acetonitrile
(A)
(A)acetonitrile
(A)
(A)acetonitrile
(A)
(V)Valeronitrile
(V)
(V)Valeronitrile
(V)
(V)Valeronitrile
(V)
(V)Valeronitrile
(V)
(V)Valeronitrile
(V)
(V)Valeronitrile
(V)
(V)Valeronitrile
(V)
표 1 및 도 2-5에 나타낸 바와 같이, 전해질의 용매로서 휘발성 유기 용매만이 포함된 전해질은 증기압이 높으므로 휘발성이 강하여 안정성이 낮으나, 본 발명에 따라 전해질의 용매로서 유기 용매에 화학식 1의 이온성 액체를 혼합하는 경우에는 상기 이온성 액체를 30%만 혼합해도 100% 이온성 액체의 증기압과 동등한 수준으로 증기압이 낮아지므로, 휘발성이 낮아지고 안정성이 향상됨을 확인하였다.As shown in Table 1 and FIGS. 2-5, the electrolyte containing only the volatile organic solvent as the solvent of the electrolyte has high vapor pressure and thus has low stability due to strong volatility. In the case of mixing the ionic liquid, it was confirmed that even if only 30% of the ionic liquid was mixed, the vapor pressure was lowered to a level equal to that of the 100% ionic liquid, so that the volatility was lowered and the stability was improved.
<<실험예Experimental example 2> 2>유기용매와organic solvent and 이온성 액체의 혼합비에 따른 전해질의 투과도 측정 Measurement of electrolyte permeability according to the mixing ratio of the ionic liquid
감응형 태양전지에 있어서, 전해질의 투과도는 감응형 태양전지의 성능에 영향을 미치는 중요한 요소이다. 이에, 전해질에 사용되는 용매에 있어서, 유기용매와 이온성 액체의 혼합비에 따른 투과도의 변화를 알아보기 위하여, 다음과 같은 실험을 수행하였다.In the sensitized solar cell, the permeability of the electrolyte is an important factor affecting the performance of the sensitized solar cell. Therefore, in the solvent used for the electrolyte, the following experiment was performed to investigate the change in permeability according to the mixing ratio of the organic solvent and the ionic liquid.
구체적으로, 제조예 및 비교예에서 제조된 전해질에 대하여 유기용매와 이온성 액체의 혼합비를 변화시키면서 제조된 전해질을 포함하는 감응형 태양전지의 투과도를 측정하여 표 2 및 도 6-8에 나타내었다.Specifically, for the electrolytes prepared in Preparation Examples and Comparative Examples, the transmittance of the sensitized solar cell including the prepared electrolyte was measured while changing the mixing ratio of the organic solvent and the ionic liquid, and it is shown in Table 2 and FIGS. 6-8. .
도 6은 본 발명의 일 실험예에 있어서, 유기용매로서 아세토니트릴(A)을 사용하는 경우, 유기용매와 이미다졸륨 양이온을 포함하는 이온성 액체(E.T 또는 E.B)가 혼합된 전해질 조성물 내에 이온성 액체의 혼합 비율별 파장에 따른 투과도의 변화를 나타내는 그래프이다.FIG. 6 is a view showing ions in an electrolyte composition in which an organic solvent and an ionic liquid (ET or EB) containing imidazolium cations are mixed in the case of using acetonitrile (A) as an organic solvent in an experimental example of the present invention; It is a graph showing the change in transmittance according to the wavelength for each mixing ratio of the sexual liquid.
도 7은 본 발명의 일 실험예에 있어서, 유기용매로서 3-메톡시프로피오니트릴(M)을 사용하는 경우, 유기용매와 이미다졸륨 양이온을 포함하는 이온성 액체(E.T 또는 E.B)가 혼합된 전해질 조성물 내에 이온성 액체의 혼합 비율별 파장에 따른 투과도의 변화를 나타내는 그래프이다.FIG. 7 shows that, in an experimental example of the present invention, when 3-methoxypropionitrile (M) is used as an organic solvent, an organic solvent and an ionic liquid (ET or EB) containing imidazolium cations are mixed It is a graph showing the change in transmittance according to the wavelength for each mixing ratio of the ionic liquid in the electrolyte composition.
도 8은 본 발명의 일 실험예에 있어서, 유기용매로서 발레로니트릴(V)을 사용하는 경우, 유기용매와 이미다졸륨 양이온을 포함하는 이온성 액체(E.T 또는 E.B)가 혼합된 전해질 조성물 내에 이온성 액체의 혼합 비율별 파장에 따른 투과도의 변화를 나타내는 그래프이다.FIG. 8 shows an electrolyte composition in which an organic solvent and an ionic liquid (ET or EB) containing imidazolium cations are mixed in the case of using valeronitrile (V) as an organic solvent in an experimental example of the present invention. It is a graph showing the change in transmittance according to the wavelength for each mixing ratio of the ionic liquid.
평균 투과도400-800nm
average transmittance
(A)acetonitrile
(A)
(A)acetonitrile
(A)
(A)acetonitrile
(A)
(A)acetonitrile
(A)
(A)acetonitrile
(A)
(A)acetonitrile
(A)
(A)acetonitrile
(A)
(V)Valeronitrile
(V)
(V)Valeronitrile
(V)
(V)Valeronitrile
(V)
(V)Valeronitrile
(V)
(V)Valeronitrile
(V)
(V)Valeronitrile
(V)
(V)Valeronitrile
(V)
표 2 및 도 6-8에 나타낸 바와 같이, 전해질의 용매에 있어서, 종래 휘발성 유기용매만을 사용한 전해질(비교예)에 비해, 본 발명에 따른 화학식 1의 이온성 액체를 첨가한 경우에 투과도가 오히려 높게 나온 것으로 확인되었다.As shown in Table 2 and Figures 6-8, in the solvent of the electrolyte, when the ionic liquid of Chemical Formula 1 according to the present invention is added, the permeability is rather higher than that of the electrolyte (comparative example) using only a conventional volatile organic solvent. was found to be high.
따라서, 본 발명에 따른 감응형 태양전지는 전해질의 용매에 휘발성 유기용매와 화학식 1의 이온성 액체를 특정 비율로 혼합함으로써 안정성과 투과도를 모두 향상시키므로 종래 감응형 태양전지를 대체하여 유용하게 사용될 수 있다.Therefore, the sensitized solar cell according to the present invention improves both stability and transmittance by mixing the volatile organic solvent and the ionic liquid of Chemical Formula 1 with the solvent of the electrolyte in a specific ratio, so it can be usefully used instead of the conventional sensitized solar cell. have.
<<실험예Experimental example 3> 전해질 내의 3> within the electrolyte유기용매와organic solvent and 이온성 액체의 혼합비에 따른 감응형 태양전지의 성능 측정 Performance measurement of sensitized solar cell according to the mixing ratio of ionic liquid
본 발명에 따른 감응형 태양전지에 있어서, 전해질에 사용되는 용매에 있어서, 유기용매와 이온성 액체의 혼합비에 따른 감응형 태양전지의 성능의 변화를 알아보기 위하여, 다음과 같은 실험을 수행하였다.In the sensitized solar cell according to the present invention, in order to investigate the change in the performance of the sensitized solar cell according to the mixing ratio of the organic solvent and the ionic liquid in the solvent used for the electrolyte, the following experiment was performed.
구체적으로, 제조예 및 비교예에서 제조된 전해질에 대하여 유기용매와 이온성 액체의 혼합비를 변화시키면서 제조된 전해질을 포함하는 감응형 태양전지의 성능을 하기와 같이 측정하여 그 결과를 도 9-12에 나타내었다.Specifically, the performance of the sensitized solar cell including the electrolyte prepared by changing the mixing ratio of the organic solvent and the ionic liquid with respect to the electrolyte prepared in Preparation Examples and Comparative Examples is measured as follows, and the results are shown in FIGS. 9-12 shown in
(1) 에너지 변환효율((1) Energy conversion efficiency (%%))
에너지 변환효율의 측정은 1.5AM 100mW/cm2의 솔라 시뮬레이터(Xe 램프[200W, Polaronix McScience, Korea], AM 1.5 filter)를 이용하여 수행하였다.Energy conversion efficiency was measured using a 1.5AM 100mW/cm2 solar simulator (Xe lamp [200W, Polaronix McScience, Korea], AM 1.5 filter).
(2)(2)충진계수filling factor(FF)(FF)
충진계수는 앞서 얻은 변환효율 및 하기 수학식 1을 이용하여 계산하였다.The filling factor was calculated using the conversion efficiency obtained above and Equation 1 below.
[수학식 1][Equation 1]
(상기 수학식 1에서,(In Equation 1 above,
J는 변환효율 곡선의 Y축 값이고,J is the Y-axis value of the conversion efficiency curve,
V는 변환효율 곡선의 X축 값이며,V is the X-axis value of the conversion efficiency curve,
Jsc 및 Voc는 각 축의 절편값이다.)Jsc and Voc are the intercept values of each axis.)
도 9는 본 발명의 일 실험예에 있어서, 유기용매와 이미다졸륨 양이온을 포함하는 이온성 액체가 혼합된 전해질 조성물 내에 이온성 액체의 혼합 비율이 감응형 태양전지의 성능 중 단락전류(Jsc) 값에 미치는 영향을 나타내는 그래프이다.9 is a diagram showing that the mixing ratio of the ionic liquid in the electrolyte composition in which the organic solvent and the ionic liquid containing the imidazolium cation are mixed is the short-circuit current (Jsc) of the performance of the sensitized solar cell in an experimental example of the present invention; ) is a graph showing the effect on the value.
도 10은 본 발명의 일 실험예에 있어서, 유기용매와 이미다졸륨 양이온을 포함하는 이온성 액체가 혼합된 전해질 조성물 내에 이온성 액체의 혼합 비율이 감응형 태양전지의 성능 중 변환 효율에 미치는 영향을 나타내는 그래프이다.10 shows the effect of the mixing ratio of the ionic liquid in the electrolyte composition in which the organic solvent and the ionic liquid containing imidazolium cations are mixed on the conversion efficiency among the performance of the sensitized solar cell in an experimental example of the present invention; is a graph representing
도 11은 본 발명의 일 실험예에 있어서, 유기용매와 이미다졸륨 양이온을 포함하는 이온성 액체가 혼합된 전해질 조성물 내에 이온성 액체의 혼합 비율이 감응형 태양전지의 성능 중 광전압에 미치는 영향을 나타내는 그래프이다.11 shows the effect of the mixing ratio of the ionic liquid in the electrolyte composition in which the organic solvent and the ionic liquid containing imidazolium cations are mixed on the photovoltage among the performance of the sensitized solar cell in an experimental example of the present invention; is a graph representing
도 12는 본 발명의 일 실험예에 있어서, 유기용매와 이미다졸륨 양이온을 포함하는 이온성 액체가 혼합된 전해질 조성물 내에 이온성 액체의 혼합 비율이 감응형 태양전지의 성능 중 충진계수(Fill factor, FF)에 미치는 영향을 나타내는 그래프이다.12 is a diagram showing the mixing ratio of the ionic liquid in the electrolyte composition in which the organic solvent and the ionic liquid containing the imidazolium cation are mixed in the performance of the sensitized solar cell in an experimental example of the present invention. , FF) is a graph showing the effect.
도 9 내지 도 12에 나타낸 바와 같이, 전해질에 있어서, 화학식 1의 이온성 액체의 혼합 비율이 30 중량%인 경우에는 유기용매 단독일 경우와 동등한 전지 효율이 나타났으나, 이후 이온성 액체의 혼합 비율이 증가함에 따라 전체적인 전지 효율은 감소되는 것으로 나타났다.9 to 12, in the electrolyte, when the mixing ratio of the ionic liquid of Formula 1 was 30 wt%, the battery efficiency was equivalent to that of the organic solvent alone, but then the mixture of the ionic liquid It was found that the overall cell efficiency decreased as the ratio increased.
따라서, 본 발명에 따른 감응형 태양전지는 전해질의 용매에 휘발성 유기용매와 점도가 낮은 화학식 1의 이온성 액체를 20~40 중량%, 바람직하게는 30 중량%로 혼합함으로써, 감응형 태양전지의 성능은 종래 휘발성 유기용매 단독으로 사용할 때와 동등한 수준으로 유지시키면서 안정성과 투과도를 함께 향상시킬 수 있으므로, 종래 감응형 태양전지를 대신하여 유용하게 사용될 수 있다.Therefore, in the sensitized solar cell according to the present invention, 20 to 40 wt%, preferably 30 wt%, of the volatile organic solvent and the ionic liquid of Formula 1 having low viscosity are mixed with the solvent of the electrolyte. Since the performance can be improved at the same level as when the conventional volatile organic solvent is used alone and the stability and transmittance can be improved together, it can be usefully used instead of the conventional sensitized solar cell.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 본 발명은 후술하는 특허청구범위 내에서 상기 실시예를 다양하게 변형 및 수정할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범위 내에 속하는 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위 및 그 균등물에 의해서만 제한된다.Although the present invention has been described above with reference to the preferred embodiment, it should be understood that the present invention is not limited to the above embodiment. The present invention can variously change and modify the above embodiments within the scope of the claims described below, all of which fall within the scope of the present invention. Accordingly, the invention is limited only by the claims and their equivalents.
101: 전해질110: 광전극
111: 제1 기판112: 제1 전도성 필름
120: 상대전극121: 제2 기판
122: 제2 전도성 필름123: 나노입자금속필름
130: 밀봉부101: electrolyte 110: photoelectrode
111: first substrate 112: first conductive film
120: counter electrode 121: second substrate
122: second conductive film 123: nano-particle metal film
130: seal
Claims (11)
Translated fromKorean1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 또는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트를 가지는 이온성 액체;
4-tert-부틸피리딘과 구아니듐 티오시아네이트(GuSCN)을 가지는 첨가제; 및
산화·환원 유도체를 포함하는 전해질 조성물이며,
상기 산화·환원 유도체는 1-methyl-3-propylimidazolium iodide(PMII)이고,
상기 전해질 조성물 내에 상기 이온성 액체가 20 중량 % 내지 40 중량 % 포함되어,
상기 유기 용매가 단독으로 전해질 조성물로 사용되거나, 상기 이온성 액체가 전해질 조성물로 단독으로 사용되는 경우에 비해 400 nm 내지 800 nm의 평균 광투과도가 더 높은 것을 특징으로 하는 고투과 및 고안정성 전해질 조성물.an organic solvent including acetonitrile, 3-methoxypropionitrile or valeronitrile;
an ionic liquid having 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide or 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate;
an additive having 4-tert-butylpyridine and guanidium thiocyanate (GuSCN); and
An electrolyte composition comprising an oxidation/reduction derivative,
The oxidation/reduction derivative is 1-methyl-3-propylimidazolium iodide (PMII),
20% to 40% by weight of the ionic liquid is included in the electrolyte composition,
High transmission and high stability electrolyte composition, characterized in that the average light transmittance of 400 nm to 800 nm is higher than when the organic solvent is used alone as the electrolyte composition or when the ionic liquid is used alone as the electrolyte composition.
상기 산화·환원 유도체는 이미다졸륨 요오드염에 요오드(iodine, I2)를 용해시켜 I-및 I3-을 포함하는 산화환원쌍을 제공하는 것을 특징으로 하는 고투과 및 고안정성 전해질 조성물.According to claim 1,
The oxidation/reduction derivative is a high permeability and high stability electrolyte composition, characterized in thatby dissolving iodine (iodine, I 2 ) in animidazolium iodide salt to provide a redox pair comprising I - and I3-.
상기 광전극과 소정의 간격을 두고 서로 마주보도록 대향 배치된 상대전극; 및
상기 광전극과 상대전극 사이의 공간을 충진하는 전해질을 포함하며,
상기 전해질은 유기 용매, 이온성 액체, 첨가제 및 산화·환원 유도체를 포함하되,
상기 유기 용매는 아세토니트릴, 3-메톡시프로피오니트릴 또는 발레로니트릴을 포함하고,
상기 이온성 액체는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 또는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트를 가지고,
상기 첨가제는 4-tert-부틸피리딘 및 구아니듐 티오시아네이트(GuSCN)이며,
상기 산화·환원 유도체는 1-methyl-3-propylimidazolium iodide(PMII)이고,
상기 전해질 내에 상기 이온성 액체가 20 중량 % 내지 40 중량 % 포함되어,
상기 유기 용매가 단독으로 전해질 조성물로 사용되거나, 상기 이온성 액체가 전해질로 단독으로 사용되는 경우에 비해 400 nm 내지 800 nm의 평균 광투과도가 더 높은 것을 특징으로 하는 감응형 태양전지.photoelectrode;
a counter electrode disposed to face each other at a predetermined distance from the photoelectrode; and
and an electrolyte filling the space between the photoelectrode and the counter electrode,
The electrolyte includes an organic solvent, an ionic liquid, an additive and a redox derivative,
The organic solvent comprises acetonitrile, 3-methoxypropionitrile or valeronitrile,
wherein the ionic liquid has 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide or 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate;
The additives are 4-tert-butylpyridine and guanidium thiocyanate (GuSCN),
The oxidation/reduction derivative is 1-methyl-3-propylimidazolium iodide (PMII),
20% to 40% by weight of the ionic liquid is included in the electrolyte,
A sensitized solar cell, characterized in that the average light transmittance of 400 nm to 800 nm is higher than when the organic solvent is used alone as an electrolyte composition or when the ionic liquid is used alone as an electrolyte.
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