초박막 폴리피롤 쉬트를 이용한 염료감응 태양전지용 상대전극

Abstract

염료감응 태양전지 (Dye-sensitized solar cells)는 태양에너지를 에너지원으로 하는 태양광 전지의 한 종류로, 미래의 친환경 대체에너지원으로서 큰 관심을 받고 있다. 염료감응 태양전지는 크게 염료를 포함하는 광전극과 전해질, 그리고 상대전극으로 구성된다. 이 중 상대전극의 역할은 외부회로를 통해 돌아오는 전자를 전해질 내의 산화환원종에게 전달하여 이를 환원시키는 역할을 한다. 상대전극은 산화환원종에게 전자를 전달하기 위해 전극 표면에 촉매물질이 필요한데, 일반적으로 높은 전도도와 촉매활성도를 갖는 백금을 사용한다. 그러나 백금의 희소성과 높은 원료 및 제조단가를 고려할 때 백금은 양산의 입장에서 매우 불리한 점을 가지고 있다. 따라서, 본 연구에서는 전기 전도성 고분자를 이용하여 나노두께의 쉬트형태로 합성을 한 후 이를 상대전극용 촉매물질로 적용하고, 염산 증기에 의한 후도핑 처리에 따른 전기화학적 특성 변화에 대한 연구를 통해 백금의 대체 물질을 개발하고자 하였다. 계면활성제를 재결정하여 유기결정을 만들고, 이를 template로 이용하여 전도성 고분자 나노구조체를 제조하는 organic single-crystal surface-induced polymerization (OCSP) 방법을 이용하여 25~50 nm두께, 폭 5 ㎛, 길이 20 ㎛의 폴리피롤 쉬트를 제조하였다. 전극 위에 코팅된 2D 구조의 나노쉬트는 nanofiber나 nanosphere와 같은 1D 구조를 갖는 나노구조체에 비해 제작된 전극의 투과도가 높으며, grain boundary가 적기 때문에 상대적으로 입자 간의 접촉 저항이 낮다. 또한 비슷한 구조를 갖는 graphene에 비해 쉬트 전면이 반응성이 있다는 것 또한 이 폴리피롤 나노쉬트의 장점 중 하나이다. 제작된 전극의 촉매활성도 증가를 위해, 염산 증기를 이용한 후도핑 처리를 하였으며 이에 관한 전기화학적 분석 또한 수행되었다. 후도핑 처리의 결과 전기 전도도는 약 8 S/cm 상승하였고 도핑 레벨 또한 7.4% 증가되었으며 이런 요인들이 전류밀도를 크게 증가시키고 효율 향상에 기여하여 백금전극의 효율에 근접한 6.8%의 광전환 효율을 얻을 수 있었다. |Ultrathin polypyrrole nanosheets (UPNSs) were synthesized by chemical oxidation method via organic single-crystal surface-induced polymerization (OCSP) using sodium decylsulfonate (SDSn) as a template. This process yields mass-producible, inexpensive materials that are suitable for flexible devices. UPNSs were deposited onto transparent, conductive oxide glasses for use as catalytic counter-electrodes (CEs) in dye-sensitized solar cells. These electrodes boast 94% transmittance against that of Pt CEs. Hydrochloric acid (HCl, 35 wt%) was doped to improve the catalytic activity of the electrodes. This treatment enhanced the catalytic activity of UPNS by increasing its conductivity up to 8 S/cm, with a 7.4% increase compared to the one without HCl doping. The Tafel polarization and impedance results support the enhancement of catalytic activity due to HCl doping. Dye-sensitized solar cells (DSSCs) employing the HCl-enhanced UPNS CEs showed a power conversion efficiency (AM 1.5, 100 mW/cm2) of 6.8%, which is 19.3% greater than the untreated one and comparable to that of Pt CE-based DSSCs.; Ultrathin polypyrrole nanosheets (UPNSs) were synthesized by chemical oxidation method via organic single-crystal surface-induced polymerization (OCSP) using sodium decylsulfonate (SDSn) as a template. This process yields mass-producible, inexpensive materials that are suitable for flexible devices. UPNSs were deposited onto transparent, conductive oxide glasses for use as catalytic counter-electrodes (CEs) in dye-sensitized solar cells. These electrodes boast 94% transmittance against that of Pt CEs. Hydrochloric acid (HCl, 35 wt%) was doped to improve the catalytic activity of the electrodes. This treatment enhanced the catalytic activity of UPNS by increasing its conductivity up to 8 S/cm, with a 7.4% increase compared to the one without HCl doping. The Tafel polarization and impedance results support the enhancement of catalytic activity due to HCl doping. Dye-sensitized solar cells (DSSCs) employing the HCl-enhanced UPNS CEs showed a power conversion efficiency (AM 1.5, 100 mW/cm2) of 6.8%, which is 19.3% greater than the untreated one and comparable to that of Pt CE-based DSSCs.