PEDOT 나노파이버를 이용한 염료감응형 태양전지의 상대 전극 제조

Abstract

염료감응형 태양전지 (Dye-Sensitized Solar Cells)는 낮은 제조 가격, 간단한 제조 공정으로 미래의 친환경 에너지원으로서 큰 관심을 받고 있다. 따라서, 염료감응형 태양전지의 각각의 구성요소 - 전하이동층, 광감응 염료, 전해질, 상대전극 - 에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이를 상업화하기 위한 노력이 진행되고 있다. 그 중, 상대 전극은 외부 회로를 따라 주입된 전자를 전해질에 전달하는 중요한 역할을 하며, 상대전극 물질은 높은 전기 전도도와 전기촉매 활성도, 넓은 비표면적을 가져야 한다. 현재, 상대전극 물질로써 주로 백금이 사용되었지만, 가격이 비싸고 대면적화 하기 어려우며 부식에 대한 위험성 때문에 이를 전기 전도성 고분자나 카본 계열 물질로 대체하려는 연구가 시도되고 있다. 따라서, 본 연구에서는 폴리에틸렌디옥시티오펜 (PEDOT)를 나노파이버 형태로 제조하여 상대전극 물질로써 적용하는 연구를 실시하였다. 계면활성제 sodium dodecyl sulfate (SDS)를 이용한 마이크로 에멀젼 중합법을 실시함으로써, 10~50 nm의 직경을 가지는 PEDOT 나노파이버를 얻었다. 제조된 나노파이버는 100 이상의 종횡비를 가지고 있었으며, 이러한 구조는 나노파이버가 서로 연결되는 1차원적 네트워크 구조를 형성함으로써 전자 전달이 용이하였고, 나노파이버 자체의 사슬간 결합이 구조적으로 강화되어 전기 전도도가 향상 되었다. 제조된 PEDOT나노파이버를 염료감응 태양전지 상대전극으로 적용시킨 결과, 벌크 PEDOT보다 우수한 전기 전도도로 인하여 높은 태양전지 효율을 얻었으며, 분산성과 전도도 향상을 위해 dimethyl sulfoxide (DMSO) 를 첨가한 코팅솔루션으로 제조된 PEDOT나노파이버 상대전극은 백금을 상대전극으로 한 태양전지보다 효율이 우수하였다. 이는 나노파이버의 높은 전기 전도도와 전기 촉매활성도로 백금보다 높은 short-circuit photocurrent density (Jsc)를 나타냈으며, fill factor(FF)가 백금과 유사하였기 때문이다. 결과적으로, PEDOT를 상대전극 물질로 이용한 연구들 중에서 가장 높은 9.2 %의 효율을 얻었다.