염료감응 태양전지 전해질에 액정의 유전 이방성을 적용한 전자 전달 통로 효과에 대한 연구

Abstract

지구 온난화와 더불어 대기오염, 화석연료 고갈, 오일 파동이라는 심각한 환경문제와 에너지 문제에 직면한 상황에서 화석 연료에 대한 문제점은 지속적으로 발생하고 있다. 여러 대체에너지 중 태양에너지는 그 수명이 무한하고, 지구 표면적의 0.1% 만 태양전지로 구성하면 1년 동안 지구에서 사용하는 모든 에너지원을 충당하고도 남는다고 한다. 차세대 태양전지 중 광전기 화학 태양전지 기술(photo electrochemical solarcell technology)을 바탕으로 유기 염료에 기초하여 광합성의 원리를 모델화한 염료감응 태양전지(dye-sensitized solar cell, DSC)가 각광받고 있다. 유연성과 투명성을 가지고 있으며 다양한 색상의 제품이 가능해 스마트폰이나 전자신문, 입을 수 있는 태양전지 제품으로 활용이 가능하다. 본 논문에서는 염료감응 태양전지 전해질에 유전 이방성을 가지는 액정을 이용하여 전자 이동도를 높임으로써 염료감응 태양전지의 효율 향상에 관한 연구를 진행하였다. 우선적으로 염료감응 태양전지에서 액체 전해질의 누액 문제를 해결하기 위해 고분자전해질을 이용하여 겔 타입의 전해질을 제조해 사용하였고, 상대적으로 낮은 염료감응 태양전지의 전환효율 문제를 해결하기 위해 액정의 유전 이방성을 적용하여 효율 향상을 확인할 수 있었다. 그리고 염료감응 태양전지 전해질 성분의 농도 조절을 통해 TBAI의 농도가 약 20 wt%에서 소자 성능이 가장 우수한 것을 확인할 수 있었다. 이렇게 최적화된 전해질에 액정이 가지고 있는 고유한 성질 중 전해질 내부에서 전자의 흐름과 수직 또는 수평 방향으로 정렬하는 액정의 성질을 사용하여 전자의 흐름에 도움을 줄 수 있는 전류 통로를 형성해 주고 그 영향에 대한 분석을 시도하였다. 그 결과, 액정의 고유 특성 중 유전 이방성이 양의 값을 갖는 물질이 음의 값을 갖는 물질보다 소자 특성이 전류밀도와 효율 면에서 더 우수하였고, 유전 이방성 크기가 상대적으로 큰 물질에서 효율이 약 3.59 % 로 높은 것을 확인할 수 있었다. 이는 액정을 전해질에 섞지 않은 소자보다 효율적인 면에서 약 7.2 % 향상된 수치이다. 추가적으로 콜레스테릭 액정을 사용한 소자 실험에서 콜레스테릭 층을 이루는 액정이 전하 흐름에 방해되는 역할을 하게 되어 오히려 소자 성능 감소를 확인할 수 있었고, 이 것은 전해질 내부에 전자의 흐름과 같은 방향으로 형성된 전류 통로에 대한 내용을 검증하는 부분이라고 할 수 있겠다.