코어-쉘 구조의 고분자 이온성 액체를 이용한 염료감응 태양전지의 광전특성

Abstract

염료감응태양전지는 실리콘태양전지보다 제조공정이 간편하며 다양한 색상과 플렉시블한 태양전지 구연이 가능 하다. 현재 액체전해질의 경우 12%의 광전효율을 보이고 있다. 또한 날씨에 비교적 영향을 받지 않기 때문에 많은 주목을 받고 있다. 그러나 액체전해질의 경우 누수와 증발의 문제로 초기효율을 지속적이게 유지 할 수 없는 문제점이 있다. 이러한 문제를 해결하고자 고분자를 도입하여 준고체 전해질을 고안하고자 하였다. 고분자전해질은 이온성 액체를 합성하여 사용하였으며 여기에 이온성액체를 포함하는 코어-쉘을 도입하였다. 고분자 전해질은 3-iodo-1-propanol, acryloyl chloride 그리고 n-methylimidazole을 이용해 모노머를 합성하였다. 합성된 모노머는 라디칼반응을 통해 고분자 화시켰으며 합성된 이온성 액체 고분자는 앞서 연구된 내용을 참고하여 전체 질량의 16wt%로 고정하여 첨가하였다. 코어-쉘은 Vinyltrimethoxysilian(VTMS)를 수화반응과 탈수 축합반응을 통해 300nm의 코어를 얻었다. 쉘부분은 앞서 실험한 이온성 액체 모노머를 코어와 라디칼 중합을 통해 합성하였다. 반응시간은 72h을 주었으며 85℃에서 반응시켰다. 합성 이 끝난 후, 코어와 쉘은 SEM과 TEM을 이용해 확인 및 측정하였으며 코어의 size는 약 300nm, 쉘의 size 역시 약 300nm 형성함을 확인 하였다. 또한, 화학적인 결합을 보기 위해, Fourier transform infrared (FT-IR) spectra를 이용하였고, C=C 결합의 픽이 감소함을 확인하였다. 이와 같이 합성된 코어-쉘을 0wt%, 2wt%, 4wt%, 6wt%, 8wt%, 10wt%씩 각각 이온성 액체 고분자 전해질에 첨가하였다. 기존의 고분자전해질의 경우 무기물을 사용하면 결정화도를 감소시켜 이온의 이동성을 촉진시킨다. 코어-쉘의 경우 내부의 실리카 코어가 결정화도를 감소시키며 쉘부분의 이온성액체는 전해질 속에 아이오다이드를 제공하여 이온의 이동성을 촉진시킨다. 이러한 다기능성 복합체인 코어-쉘을 이용하여 장기안정성을 향상시키고 코어부분의 무기물을 통해 계면저항 감소 및 이온전도도 향상을 확인하였다. 광전효율은 solar simulator를 사용하여 측정하였고 장기안정성 측정은 40°C에서 30일간 측정하였다. 최적화된 전해질의 경우 코어-쉘 4wt%, 호모폴리머 16wt%일 경우 가장 높은 광전효율을 얻었으며 최대 8.60%를 얻었다. 코어-쉘을 도입한 준고체 전해질의 장기안정성은 초기효율 대비 80%의 효율을 보였고 이와 동등한 조건에서 액체전해질의 경우 초기 효율대비 20%의 효율을 보였다.