페로브스카이트계 염료를 이용한 염료감응 태양 전지 및 이의 제조방법{Dye-sensitized solar cell based on perovskite sensitizer and manufacturing method thereof}

본 발명은 페로브스카이트계 염료를 이용한 염료감응 태양 전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

1991년도 스위스 국립 로잔 고등기술원(EPFL)의 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 연구팀에 의해 염료감응 나노입자 산화티타늄 태양 전지가 개발된 이후 이 분야에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. 염료감응 태양 전지는 기존의 실리콘계 태양전지에 비해 효율이 높고 제조단가가 현저히 낮기 때문에 기존의 비정질 실리콘 태양 전지를 대체할 수 있는 가능성을 가지고 있으며, 실리콘 태양 전지와 달리 염료감응 태양 전지는 가시광선을 흡수하여 전자-홀(hole) 쌍을 생성할 수 있는 염료분자와, 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물을 주 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양 전지이다.

염료감응 태양 전지에 사용되는 염료로서 10% 이상의 높은 광전기 변환효율을 나타내는 루테늄 금속 착체가 널리 사용되어 왔는데, 이 루테늄 금속 착체는 가격이 너무 비싸고 정제하기 어렵다는 단점이 있었다.

또한, 루테늄 금속 포함하는 유기 염료는 산화물 표면에 흡착하여 태양 전지를 구성하게 되는데, 짧게는 2시간에서 길게는 24시간의 흡착시간이 필요하여 제조공정 시간이 길어지는 단점이 있다.

또한, 기존의 루테늄계 염료를 태양 전지에 이용할 경우 산화물 필름의 두께가 10 ㎛ 이상이 되어야 높은 광전변환 특성을 보였다.

이러한 루테늄계 연료의 문제점을 해결하기 위해, 비특허문헌 1에 서는 페로브스카이트 구조를 가지는 CH ₃ NH ₃ MX ₃ 염료(M= Pb, Sn; X = 할로겐)를 개발하여 보고한 바 있으나, TiO ₂ 필름의 두께 8 내지 12 ㎛에서 최고 3.81% 효율을 나타내고 있을 뿐 8 ㎛ 이하의 얇은 필름에서 높은 광전변환 효율을 나타내지 못하였다.

이에, 본 발명자들은 제조 단가를 낮추고, 제조 공정 시간을 단축시키면서 얇은 필름에서도 높은 광전변환 특성을 갖는 태양 전지를 제조하기 위하여 연구 노력하였고, 페로브스카이트 구조를 가지는 하기 화학식 1로 표시되는 염료를 이용하여 최적의 반응 조건을 확립함으로써 본 발명을 완성하게 되었다:

[화학식 1]

CH ₃ NH ₃ MX ₃

상기 화학식 1에서, M는 Pb 또는 Sn이고, X는 할로겐을 나타낸다.

따라서, 본 발명은 얇은 필름에서도 높은 광전변환 특성을 갖는 페로브스카이트계 염료를 이용한 염료감응 태양 전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서,

전도성 투명 기판을 포함하는 제1전극;

상기 제1전극 상에 형성된 광 흡수층;

상기 광 흡수층이 형성된 제1전극에 대향하여 배치되는 제2전극; 및

상기 제1전극과 제2전극 사이에 위치하는 전해질층을 포함하며,

상기 광 흡수층은 반도체 미립자 층 및 하기 화학식 1로 표시되는 페로브스카이트 구조를 갖는 염료를 포함하고,

하기 일반식 1을 만족하는 염료감응 태양 전지를 제공한다:

[화학식 1]

CH ₃ NH ₃ MX ₃

상기 화학식 1에서, M는 Pb 또는 Sn이고, X는 할로겐을 나타낸다;

[일반식 1]

Y ≥ 2.9%

상기 일반식 1에서, Y는 반도체 미립자 층 두께가 8.0 ㎛ 이하일 때 광전변환 효율(η)을 나타낸다.

본 발명은 또한,

전도성 투명 기판을 포함하는 제1전극 상에 반도체 미립자 층을 형성하고, 상기 반도체 미립자 층에 하기 화학식 1로 표시되는 페로브스카이트 구조를 갖는 염료를 흡착 후 열 처리하여 광 흡수층을 형성하는 단계;

상기 광 흡수층이 형성된 제1전극에 대향하여 제2전극을 배치하는 단계; 및

상기 제1전극과 제2전극 사이에 위치하는 전해질액을 주입하여 전해질층을 형성하는 단계

를 포함하는 하기 일반식 1을 만족하는 염료감응 태양 전지의 제조방법을 제공한다:

[화학식 1]

CH ₃ NH ₃ MX ₃

상기 화학식 1에서, M는 Pb 또는 Sn이고, X는 할로겐을 나타낸다;

[일반식 1]

Y ≥ 2.9%

상기 일반식 1에서, Y는 반도체 미립자 층 두께가 8.0 ㎛ 이하일 때 광전변환 효율(η)을 나타낸다.

본 발명에 따른 태양 전지는 기존 고가의 루테늄계 유기 염료를 이용한 태양 전지 보다 저렴한 가격으로 제조 가능하며, 흡착시간이 요구되지 않으면서, 얇은 반도체 미립자 층에서도 높은 광전변환 특성을 갖는다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 염료감응 태양 전지를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 염료 농도 변화에 따른 페로브스카이트 코팅 필름의 색 변화(사이즈 효과에 따른 밴드갭 변화)를 나타낸 것이다.
도 3은 염료 농도 변화에 따른 광전류-전압 특성(AM 1.5 G, 1 sun 표준 조건에서 측정)을 나타낸 것이다.
도 4는 TiO ₂ 필름에 페로브스카이트 염료 흡착 후 열 처리 온도 변화에 따른 광전변화 특성을 나타낸 것이다.
도 5는 TiO ₂ 필름 두께에 따른 광전변화 특성을 나타낸 것이다.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명하도록 한다.

본 발명은

전도성 투명 기판을 포함하는 제1전극;

상기 제1전극 상에 형성된 광 흡수층;

상기 광흡수층이 형성된 제1전극에 대향하여 배치되는 제2전극; 및

상기 제1전극과 제2전극 사이에 위치하는 전해질층을 포함하며,

상기 광 흡수층은 반도체 미립자 층 및 하기 화학식 1로 표시되는 페로브스카이트 구조를 갖는 염료를 포함하고,

하기 일반식 1을 만족하는 염료감응 태양 전지에 관한 것이다:

[화학식 1]

CH ₃ NH ₃ MX ₃

상기 화학식 1에서, M는 Pb 또는 Sn이고, X는 할로겐(Br, Cl, I)을 나타낸다;

[일반식 1]

Y ≥ 2.9%

상기 일반식 1에서, Y는 반도체 미립자 층 두께가 8.0 ㎛ 이하일 때 광전변환 효율(η)을 나타낸다.

본 발명은 또한,

전도성 투명 기판을 포함하는 제1전극 상에 반도체 미립자 층을 형성하고, 상기 반도체 미립자 층에 하기 화학식 1로 표시되는 페로브스카이트 구조를 갖는 염료를 흡착 후 열 처리하여 광 흡수층을 형성하는 단계;

상기 광 흡수층이 형성된 제1전극에 대향하여 제2전극을 배치하는 단계; 및

상기 제1전극과 제2전극 사이에 위치하는 전해질액을 주입하여 전해질층을 형성하는 단계

를 포함하는 하기 일반식 1을 만족하는 염료감응 태양 전지의 제조방법에 관한 것이다:

[화학식 1]

CH ₃ NH ₃ MX ₃

상기 화학식 1에서, M는 Pb 또는 Sn이고, X는 할로겐을 나타낸다;

[일반식 1]

Y ≥ 2.9%

상기 일반식 1에서, Y는 반도체 미립자 층 두께가 8.0 ㎛ 이하일 때 광전변환 효율(η)을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 염료감응 태양 전지의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 1을 참조하여 보다 상세히 설명하면, 염료감응 태양 전지(10)는 두 개의 판상 투명 전극(제1전극(11) 및 제2전극(14))이 서로 면 접합된 샌드위치 구조이다. 상기 투명 전극 중 한 투명 전극(11)의 이면에는 광 흡수층(12)이 형성되어 있으며, 광 흡수층(12)에는 반도체 미립자와, 상기 반도체 미립자에 흡착되며 가시광 흡수로 전자가 여기되는 광 감응 염료가 포함되어 있다. 또한, 이 두 전극 사이의 공간은 산화환원용 전해질(13)로 채워져 있다.

태양 전지의 작동원리를 간략히 설명하면, 염료감응 태양 전지 내로 태양광이 입사되면 광양자는 먼저 광흡수층(12) 내 염료분자에 흡수되고, 이에 따라 염료분자는 기저상태에서 여기 상태로 전자 전이하여 전자-홀쌍을 만들고, 여기 상태의 전자는 반도체 미립자 계면의 전도띠(conduction band)로 주입되며, 주입된 전자는 계면을 통해 제1전극(11)으로 전달되고, 이후 외부 회로를 통해 대향전극인 제2전극(14)으로 이동한다. 한편 전자 전이 결과로 산화된 염료는 전해질층(13) 내 산화-환원 커플의 이온에 의해 환원되고, 산화된 상기 이온은 전하중성(charge neutrality)을 이루기 위해 제2전극(14)의 계면에 도달한 전자와 환원 반응을 함으로써 상기 염료감응 태양 전지가 작동하게 된다.

상기 제1전극(working electrode, 반도체 전극)(10)의 전도성 투명 기판으로는 전도성 및 투명성을 갖는 물질이라면 특별히 한정됨 없이 사용할 수 있으며, 구체적으로는 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide: ITO), 플루오린 틴 옥사이드(fluorine tin oxide: FTO), ZnO-Ga ₂ O _{3 ,} ZnO-Al ₂ O ₃ 및 주석계 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하는 유리 기판 또는 플라스틱 기판을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 도전성, 투명성 및 내열성이 우수한 SnO ₂ 또는 비용 면에서 저렴한 ITO를 포함하는 유리 기판을 사용할 수 있다. 상기 플라스틱 기판의 구체적인 예로는 폴리에틸렌테레프탈레이트(Poly(Ethylene Terephthalate): PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(poly(ethylene naphthalate): PEN), 폴리카보네이트(Poly Carbonate: PC), 폴리프로필렌(polypropylene: PP), 폴리이미드(polyimide: PI) 또는 트리아세틸 셀룰로오스(Tri Acetyl Cellulose: TAC) 등을 들 수 있다.

또한, 상기 전도성 투명 기판은 Ti, In, Ga 및 Al로 이루어진 군에서 선택된 물질로 도핑될 수 있다.

상기 광 흡수층(12)은 반도체 미립자 및 상기 반도체 미립자에 흡착되며 가시광 흡수로 전자가 여기되는 본 발명의 일 실시형태에 따른 염료를 포함한다.

상기 반도체 미립자는 또한 산화물 반도체의 미립자로서는 금속산화물이 바람직하다. 구체적인 예로서는 티탄, 주석, 아연, 텅스텐, 지르코늄, 갈륨, 인듐, 이트륨, 니오브, 탄탈, 바나듐 등의 산화물을 사용할 수 있다. 구체적으로 예시하면 상기 반도체 미립자로는 TiO ₂ , SnO ₂ , ZnO, WO ₃ , Nb ₂ O ₅ , TiSrO ₃ 등을 들 수 있으며, 보다 바람직하게는 아나타제형의 TiO ₂ 를 사용할 수 있다. 상기 반도체의 종류는 이들에 한정되는 것은 아니며, 이들을 단독 또는 두 가지 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

또한, 상기 반도체 미립자는 표면에 흡착된 염료가 보다 많은 빛을 흡수하도록 하기 위하여 표면적을 크게 하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 50 nm 이하의 평균 입자 직경을 가지며, 가장 바람직하게는 15 내지 25 nm의 평균 입자 직경을 갖는 것이 바람직하다.

상기 염료는 하기 화학식 1로 표시되는 것으로서, MX ₂ 와 CH ₃ NH ₃ X로부터 제조할 수 있다[J. Am. Chem. Soc, Tsutomu Miyasaka et al., vol 131, pp 6050-6051 참조].

[화학식 1]

CH ₃ NH ₃ MX ₃

상기 화학식 1에서, M는 Pb 또는 Sn이고, X는 할로겐을 나타낸다.

본 발명에서는 페로브스카이트 염료의 농도를 30 내지 50 중량%로 조절하는 것이 바람직하며, 30 중량% 미만일 경우에는 광흡수가 크지 못한 문제가 있고, 50 중량%를 초과할 경우에는 페로브스카이트가 용매에 녹지 않는 문제가 있다.

상기 반도체 미립자 층의 두께는 8.0 ㎛ 이하, 바람직하게는 1 내지 6.0 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 본 발명에서는 상기 반도체 미립자 층(산화물 필름)의 두께가 얇아 가격을 더 낮출 수 있고, 플렉시블 형태의 소자 등에 적용 가능하다.

상기 제2전극(counter electrode, 상대전극)(14)으로는 도전성 물질이면 어느 것이나 제한 없이 사용 가능하며, 절연성의 물질이라도 제1전극과 마주보고 있는 측에 도전층이 설치되어 있으면, 이것도 사용 가능하다. 구체적으로는 Pt, Au, Ni, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, 및 전도성 고분자로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 사용할 수 있다.

이에 따라 상기 제2전극은 일 예로, 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide: ITO), 플루오린 틴 옥사이드(fluorine tin oxide: FTO), ZnO-Ga ₂ O _{3 ,} ZnO-Al ₂ O ₃ 및 주석계 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 유리 기판 또는 플라스틱 기판에, Pt, Au, Ni, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, 및 전도성 고분자로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 도전층이 형성되어 있다.

상기 전해질층(13)은 전해액으로 이루어지며, 상기 전해액은 제1전극 및 제2전극 사이에 균일하게 분산되어 있으며, 또한 광 흡수층에 침윤될 수도 있다.

상기 전해액으로서는 요오드와 첨가제를 용매에 용해시킨 것을 사용하며, 예를 들면 우레아(urea), 티오우레아(thiourea), 부틸피리딘(TBP (tert-butylpyridine) 및 구아니딘 사이오시아네이트(guanidium thiotianate) 등으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 첨가제에 에틸아세테이트, 아세토니트닐, 톨루엔 및 메톡시프로피오니트틸 등으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 용매를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 페로브스카이트를 녹이지 않고 안정성이 있으며 광효율을 증가할 수 있는 첨가제와 용매는 어느 것이나 제한 없이 사용할 수 있다.

상기와 같은 구조를 갖는 본 발명의 태양 전지는 상기 일반식 1을 만족하여야 하며, 일반식 1에서 Y가 2.5% 이상이 보다 바람직하고, 4.0% 이상이 더욱 바람직하다.

상술한 바와 같은 구조를 갖는 본 발명의 일 실시형태에 따른 염료감응 태양 전지는, 전도성 투명 기판을 사용하여 제1전극을 제조하는 단계; 상기 제1전극의 한 면에 반도체 미립자 층 및 염료를 포함하는 광 흡수층을 형성하는 단계; 제2전극을 제조하는 단계; 상기 광 흡수층이 형성된 제1 전극과 제2전극이 서로 마주보도록 제1전극 및 제2전극을 배치시킨 후 제1전극과 제2전극 사이에 전해질을 매립, 밀봉하는 단계를 포함하는 제조방법에 의하여 제조될 수 있다.

상술한 구조를 갖는 태양 전지의 제조방법은 당해 분야에 널리 알려져 있어 당해 분야에 종사하는 사람들에게는 충분히 이해될 수 있는 내용이므로 본 명세서에서 상세한 설명은 생략한다. 다만, 본 발명의 주요 특징인 광 흡수층의 형성 공정에 대해서만 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 전도성 투명 기판을 준비하여 제1전극으로 하고, 반도체 미립자를 포함하는 페이스트를 전도성 투명 기판의 이면에 코팅하고 열처리함으로써 다공질막의 형태로 반도체 미립자층을 형성할 수 있다.

이때, 코팅법에 따라 요구되는 페이스트의 물성도 조금씩 달라지는데, 일반적으로 닥터 브레이드 또는 스크린 프린트 등의 방법으로 페이스트를 코팅할 수도 있고, 투명막 형성을 위해서는 스핀 코팅 또는 스프레이 방법을 이용하기도 한다. 이 외에도 일반적인 습식 코팅 방법을 적용할 수 있다.

열처리는 바인더를 첨가한 경우 400 내지 600 ℃에서 30분 정도 수행하고, 바인더를 첨가하지 않은 경우 200 ℃ 이하로도 가능하다.

또한, 다공질막의 다공성을 유지하기 위한 목적으로 다공질막에 고분자를 첨가하여 열 처리(400 내지 600℃)하면 다공성이 더욱 높일 수 있다. 이 때에는 열 처리 후 유기물이 잔존하지 않는 고분자를 선택해야 한다. 적합한 고분자로는 에틸렌 셀룰로오스(EC), 히드록시 프로필 셀룰로오스(HPC), 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐피롤리돈(PVP) 등이 있다. 이 중에서 도포법을 포함한 도포 조건을 고려하여 적합한 분자량을 가지는 것으로 선택하여 첨가하면 된다. 이러한 고분자를 첨가하면 다공성 향상 이외에도 분산성 향상, 점도 증가로 성막성 및 기반과의 부착력도 향상시킬 수 있다.

상기 제조된 반도체 미립자층에 염료를 포함하는 분산액을 분사, 도포 또는 침지하여 반도체 미립자 층에 염료를 흡착함으로써 광 흡수층을 형성한다.

상기 염료 흡착은 바람직하기로는 스핀-코팅, 딥코팅, 스크린코팅, 스프레이코팅, 전기방사 등으로 10초 내지 5분 동안 수행한다. 이때, 10초 미만일 경우에는 분산성에 문제가 있고, 5분을 초과하면 페로브스카이트 입자 크기에 문제가 있다. 상기 염료로는 앞서 설명된 것과 동일한 것을 사용할 수 있으며, 본 발명에서 상기 염료 흡착 시간을 기존 염료 흡착공정 시간 보다 현저히 단축시킬 수 있는 이유는 페로브스카이트 염료와 산화물 표면의 물리적 접촉에 의한 전자이동이 가능하기 때문이다. 또한, 페로브스카이트 염료를 분산시키는 용매로는 페로브스카이트 염료가 용해되기 쉬운 용매라면 특별히 한정되는 것은 아니나, 감마-부티로락톤, DMF(dimethyl foramide) 등이 바람직하다.

본 발명에서는 특히, 상기 흡착 후 열 처리 과정을 거쳐 광 흡수층을 제조하는 것이 바람직하며, 상기 열 처리 과정은 40 내지 300 ℃에서 실시한다. 보다 바람직하게는 50 내지 200 ℃, 더욱 바람직하게는 70 내지 120 ℃에서 실시한다. 이때, 40 ℃ 미만에서 열 처리하는 경우에는 광전류가 낮게 나올 수 있고 있고, 300 ℃ 초과하는 경우에는 페로브스카이트 염료가 분해될 수 있다. 별도의 전도성 투명 기판 상에 전해도금 또는 스퍼터링, 전자빔증착 등과 같은 물리기상증착(PVD) 방법을 이용하여 도전성 물질을 포함하는 도전층을 형성하여 제2전극을 준비한다.

상기 제조된 광 흡수층과 제2전극이 서로 마주보도록 제1전극 및 제2전극을 배치시킨 후, 광 흡수층과 제2전극 사이에 전해질을 주입하고 밀봉하여 본 발명의 일 실시형태에 따른 염료감응 태양 전지를 제조한다.

상기 제1전극 및 제2전극은 접착제를 사용하여 서로 면 접합될 수 있다. 접착제로는 열가소성 고분자 필름을 사용할 수 있으며, 일 예로 상품명 surlyn이 있다. 이러한 열가소성 고분자 필름을 두 전극 사이에 위치시킨 후 가열 압착하여 밀폐시킨다. 접착제의 또 다른 종류로는 에폭시 수지 또는 자외선(UV) 경화제를 사용할 수 있으며, 이 경우 열처리 또는 UV 처리 후에 경화시킬 수도 있다.

이하 본 발명에 따르는 실시예 및 본 발명에 따르지 않는 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

제조예 1: CH ₃ NH ₃ PbI ₃ 염료 제조

빙욕을 준비하고 배쓰(bath)에 얼음과 물을 채운 후 250 ml 둥근 플라스크가 반 이상이 잠길 정도로 고정시켰다.

27.858 ml 메틸아민(0.273 mol)과 30 ml HI(0.227 mol)를 250 ml 둥근 플라스크에 넣고 2시간 동안 교반시켰다.

증발기(evaporator)를 이용하여 50 ℃에서 1시간 동안 용매를 증발시키고 얻어진 침전물은 디에틸 에테르로 3회 세척하였다.

세척이 끝난 침전물은 비커에 옮겨 진공 오븐 60 ℃에서 24시간 동안 건조시켜 CH ₃ NH ₃ I를 제조하였다.

CH ₃ NH ₃ I와 PbI ₂ (Aldrich)를 1:1 중량비율로 60 ℃에서 12시간 동안 감마-부티로락톤(γ-butyrolactone) 안에서 교반하였다[표 1 참조].

이물질 등을 제거하기 위해서 13 mm, 0.45 ㎛ PVDF 시린지 필터(Whatman)를 이용하여 두 차례 여과하여 최종 염료(CH ₃ NH ₃ PbI ₃ )를 제조하였다.

실시예 1: 태양 전지 제조

FTO 글라스(Pilkington, TEC-8, 8 Ω/sq)를 초음파를 이용하여 에탄올에서 20분 동안 세척하였다. FTO 기판을 0.1 M Ti(IV) 비스(에틸아세토아세테이토)-디이소프로폭사이드 (Aldirch)/1-부탄올 (Aldrich) 용액을 사용하여 스핀 코팅법으로 코팅하였다(제1전극 제조). 500 ℃에서 15분 동안 열 처리 후 닥터블레이드 기술을 사용하여 TiO ₂ 페이스트를 코팅하였다. 두께는 테이프로 조절할 수 있다. 그리고 550 ℃에서 1시간 동안 열 처리 하였다. 40 wt% CH ₃ NH ₃ PbI ₃ 용액(염료)을 TiO ₂ 필름이 코팅된 FTO 글라스 위에 떨어뜨렸다(4 x 3 cm ² 당 500 ㎛). 그리고 스핀 코팅법에 의해 TiO ₂ 필름 위에 염료를 코팅시킨 후 용매를 날리기 위해서 100 ℃에서 30분 동안 열 판 위에서 열 처리를 진행하였다. 이 과정이 끝나면 가로 1.5 cm, 세로 0.5 cm 크기로 가장자리는 슬라이드 글라스로 긁어냈다. Pt 상대 전극을 준비하기 위해서 글라스에 전해질을 주입할 수 있는 구멍을 뚫고 에탄올에서 초음파를 이용하여 20분 동안 세척하고 7 mM H ₂ PtCl ₆ ?xH ₂ O/2-프로판올 용액을 이용하여 단위 셀 크기마다 한 방울씩 떨어뜨린 후 그대로 용매를 증발시켰다. 용매가 다 증발했으면 400 ℃에서 20분 동안 열 처리하였다. 접착제로 Surlyn(Solaronix)을 사용하여 염료가 흡착된 전극과 Pt가 코팅되어 있는 제2전극을 조립하였다. 제1전극과 제2전극 사이에 surlyn을 두고 상부, 하부 판이 각각 85, 95 ℃로 열이 가해져 있는 프레스를 이용하여 2.3 bar의 압력으로 14초 동안 누르게 되면 surlyn이 녹으면서 두 전극이 잘 붙게 된다. 두 전극이 접합된 후에는 제2전극에 뚫어 놓은 구멍을 통해서 전해질을 주입시켰다. 상기 전해질로는 0.9 M LiI, 0.45 MI ₂ , 0.5 M TBP, 0.05 M 우레아를 ethyl acetate에 녹여 사용하였다. 전해질을 씰링된 두 전극 중 대전극에 형성된 작은 구멍(hole)을 통해 주입한 후 밀봉하여 태양 전지를 제조하였다.

시험예 1: 염료 농도에 따른 광전변환 특성 확인

상기 실시예 1에서 염료 농도를 2 내지 40 중량%로 조절한 것 외에는 동일하게 실험을 수행하여 태양 전지를 제조하였고, 전류-전압 측정은 태양조시장치(solar simulator)를 이용하여 AM 1.5 G 조건 1 태양조건 (100 mW/cm ² )에서 측정하였다.

상기 표 2 및 도 3에서 나타낸 바와 같이, 염료 농도가 40 중량%일 때 광전변환 효율이 가장 우수하였다.

또한, 도 2에서 알 수 있듯이, 농도가 짙어짐에 따라서 색이 노란색에서 점점 검은색으로 변하는 것을 확인하였다. 농도가 짙을수록 검은색으로 변함은 빛을 흡수하는 파장이 단파장에서 장파장으로 확대되는 것이다.

시험예 2: 열 처리 온도에 따른 광전변환 특성 확인

상기 실시예 1에서 염료를 TiO ₂ 필름에 흡착 후, 열 처리 시 온도를 40 내지 160 ℃로 조절한 것 외에는 동일하게 실험을 수행하여 태양 전지를 제조하였고, 상기 태양 전지의 광전변환 특성을 확인하였다.

상기 표 3 및 도 4에서 나타낸 바와 같이, 열 처리 온도가 100 ℃일 때 광전변환 효율이 가장 우수하였다.

시험예 3: 반도체 미립자 층 두께에 따른 광전변환 특성 확인

상기 실시예 1에서 염료를 TiO ₂ 필름에 흡착 시 사용되는 TiO ₂ 필름의 두께를 3.6 내지 9.8 ㎛로 조절한 것 외에는 동일하게 실험을 수행하여 태양 전지를 제조하였고, 상기 태양 전지의 광전변환 특성을 확인하였다.

상기 표 4 및 도 5에서 나타낸 바와 같이, 열 처리 온도가 100 ℃일 때 광전변환 효율이 가장 우수하였다.

동일 조건에서 기존 Ru계 염료(N719)를 이용한 태양 전지의 경우에는 광전변환 효율이 3.87%로 확인되었다. 즉, 본 발명의 태양 전지가 기존 Ru계 염료(N719)를 이용한 태양 전지 보다 62% 향상된 효율을 보였다.

10: 염료감응 태양 전지
11: 제1전극
12: 광 흡수층
13: 전해질층
14: 제2전극