백금 전기화학 촉매 대체를 위한 프러시안 블루 아날로그 기반 코발트 황화물 나노 구조체 개발 및 염료감응형 태양전지 응용

Abstract

As a next-generation solar cell, dye-sensitized solar cells (DSSCs) have received great attention for decades. One of the issues to be addressed is the use of high-cost Pt electrocatalyst for counter electrode. In this work, a novel approach is devised to prepare cobalt sulfides with rare compositions and a nanostructure using prussian blue analogues. Electrocatalytic activity of cobalt sulfides is governed by compositions and crystal structures. In particular, a hollow cobalt sulfide nanocage with mixed compositions (CoS1.097/Co3S4) exhibits a high catalytic activity when used as a counter electrode. It obtains a higher efficiency of 8.49% as compared to Pt counter electrode (8.01%), and in-depth electrochemical investigation reveals the origin of the electrocatalytic activity of this new electrocatalyst.|현대 에너지 시장에서 보다 진 환경적이고 매장량이 무한한 에너지 자원이 점점 각광받고 있다. 그런 시점에서 태양전지는 이러한 에너지 시장의 추세를 따라갈 에너지 자원 중 하나다. 그 중 염료 감응형 태양전지 (DSSCs) 는 차세대 태양전지로서 수년간 많은 관심을 받아왔다. 이러한 염료 감응형 태양전지의 상대전극 소재로서 가장 많이 사용되는 소재로서 백금 (Pt) 이 사용되고 있다. 하지만 백금은 매장량이 부족하고, 가격이 높으며 또한 태양전지의 전해질과 반응해 부식된다는 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해서 여러 금속 화합물 소재가 연구되고 있다. 이러한 연구를 토대로 특별한 조성을 갖는 코발트 황화물 (CoS1.097/Co3S4) 을 중공 구조를 가진 미세상자구조체로 합성해 염료 감응형 태양전지에 도입해보는 실험을 진행했다. 미세상자 형태의 구조체를 합성하기 위해 잘 알려진 금속유기복합구조체인 프로시안블루 아날로그를 이용하였고, 이를 황화수소 대기아래에서 열처리를 하여 코발트 황화물로 합성하는데 성공하였다. 합성된 코발트 황화물은 높은 촉매 효율을 나타내었고, 염료 감응형 태양전지의 상대전극 소재로서 백금 대신에 대입하였을 때 기존의 8.01%의 효율을 내던 염료 감응형 태양전지가 8.49%까지 효율이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 여러 가지 분석을 통해 이 실험을 통해 합성된 코발트 황화물이 미세상자의 구조를 갖고 있어 확산 상수가 좋아 전해질과 닿는 면적이 넓어서 전자전달 속도가 빠르고 저항이 작아 백금을 대체할 수 있는 좋은 전기화학촉매라는 것을 확인하였다.; As a next-generation solar cell, dye-sensitized solar cells (DSSCs) have received great attention for decades. One of the issues to be addressed is the use of high-cost Pt electrocatalyst for counter electrode. In this work, a novel approach is devised to prepare cobalt sulfides with rare compositions and a nanostructure using prussian blue analogues. Electrocatalytic activity of cobalt sulfides is governed by compositions and crystal structures. In particular, a hollow cobalt sulfide nanocage with mixed compositions (CoS1.097/Co3S4) exhibits a high catalytic activity when used as a counter electrode. It obtains a higher efficiency of 8.49% as compared to Pt counter electrode (8.01%), and in-depth electrochemical investigation reveals the origin of the electrocatalytic activity of this new electrocatalyst.