고분자 전해지을 이용한 염료감응형 태양전지의 전기화학적 분석과 그 특성 규명

Abstract

고체형 전해질을 이용한 염료감응 태양전지는 최근 그 효율이 5~6 % 까지 향상되었다. 특히 PEO/PEGDME/XI/I₂ 전해질을 이용한 태양전지 중 이온성 액체인1-methyl-3-propylimidazolium (MPI)를 이용하였을 때 가장 높은 효율을 보였다. 에너지 변환 효율은 KI, MPII, LiI를 사용하였을 때 각각 6.20 %, 5.79 % 그리고 5.3 %으로 측정 되었으며 면적은 0.09 cm², AM 1.5G, 100mW/cm² 조건에서 측정하였다. 이러한 에너지 변환 효율의 차이를 미루어 보아 전기화학적 특성에도 큰 차이를 보일 것으로 예측 되어 반도체층에서의 전자의 확산 속도 및 수명, 전해질 내의 산화/환원쌍의 확산, 대항전극과 전해질 사이의 저항에 차이점을 알아보기 위하여 연구를 진행하였다. 실험 결과 반도체층에서의 전자 전달 속도는 KI, MPII 및 LiI를 사용하였을 때 각각 1~2 x 10^(-4), 7~8 x 10^(-5), 1~3 x 10^(-6) cm²/s 로 나타났다. 또한 전자수명은 0.67 Voc 조건에서 KI, MPII, LiI 순으로 각각 174.85, 37.49 그리고 59.69 ms 으로 측정되었다. 이러한 광음극의 특성을 분석한 후 전해질 내에서의 I3- 의 확산 계수를 측정하였다. 그 결과 이온성 액체인 MPII를 도입하였을 때 5.00x10^(-6) cm²/s 로 측정되어 KI, LiI의 2~2.5 x10^(-6) cm²/s 보다 2배정도 높은 결과를 얻을 수 있었다. 마지막으로 대항전극과 전해질간의 저항을 측정하여 전자전달 특성을 평가한 결과 MPII가 20, LiI가 80, KI가 328 Ohm 으로 나타났다. 결론적으로, 에너지 변환 효율에 가장 큰 영향을 미친 요인은 반도체층에서의 전자전달 특성으로 고체 고분자를 이용한 염료감응 태양전지에서 중요한 부분을 차지하는 것을 알 수 있었다.; Using solid-state polymer electrolyte, the overall energy conversion efficiency of solid-state DSSCs was improved up to 5-6 % recently. In particular, PEO/PEGDME/XI/I₂ electrolyte system showed a good solar cell performance, where X is K, Li and 1-methyl-3-propylimidazolium (MPI). The overall energy conversion efficiency was very different (6.20 % for KI, 5.3 % for LiI and 5.79 % for MPII with an active area of 0.09 cm² at AM 1.5 and 100mW/cm²). Thus the large difference was expected in the electrochemical properties including the electron diffusion coefficient in the TiO₂ layer, the apparent diffusion coefficient of I₃- in the polymer electrolyte, and the charge transfer resistance at the counter electrode. Electron diffusion coefficients through the TiO₂ semiconductor layer were 1~2 x 10^(-4), 1~3 x 10^(-6) and 7~8 x 10^(-5) cm²/s, respectively, for KI, LiI and MPII. In addition, the electron lifetime were obtained 174.85 ms for KI, 59.69 ms for LiI and 37.49 ms for MPII. While the electron lifetime value in the TiO₂ layer employing KI was measured 3~5 times higher than those employing LiI and MPII, the diffusion coefficients of iodide/triiodide redox couple measured by cyclic voltammetry using symmetric cells were around 2~2.5 x10^(-6) cm²/s for KI and LiI compared to 5.00x10^(-6) cm²/s for MPII. Although, diffusion ability of redox couple in polymer electrolyte with KI was not significantly high, overall energy conversion efficiency for KI showed highest value due to its excellent electron lifetime in semiconductor layer. It was thus concluded that electron lifetime and recombination reaction rate between triiodide and electrons in TiO₂ layer for the solid-state DSSCs were dominant effects in determining the overall energy conversion efficiency.