염료감응태양전지는 광전변환 소자기술로, 1991년 스위스 Gratzel 연구진이 처음 보고한 이후 저렴한 생산비용에 비해 높은 광전변환효율의 장점으로 많은 관심을 받아왔다. 염료감응태양전지는 TiO2로 구성된 나노입자, 태양광 흡수율을 높이는 염료, 전해질, 투명전극 등으로 구성된 광합성원리를 이용한 유기태양전지의 한 종류이다. 염료감응태양전지는 기존의 일반화 되어 있는 실리콘방식 태양전지와는 달리 자원적인 제약이 적고 대기압하에서, 프린팅 방식 등을 이용하여 제조할 수 있는 장점이 있어 고가의 설비투자를 줄이고 대량 제조가 용이한 것이 장점이다. 또한 태양광의 입사각도, 날씨변화 등에 대한 전기발전효율이 우수하고 실내에서의 간접광에 의해서도 발전이 가능한 특징을 가지고 있다. 그리고 유기염료가 흡착되므로 칼라를 구현할 수 있어 다양한 칼라 디자인을 접목할 수 있는 등 기존의 실리콘 방식에서는 해결될 수 없는 많은 장점들을 가지고 있어 광전변환소자와 모바일 기기 Application 응용분야에 대한 연구노력이 계속되어 오고 있고 광전변환소자기술의 원천특허 일부가 ‘08년 10월 만료되면서 상용화 개발에 대한 연구가 더욱 활발해질 것으로 기대되고 있다. 본 학위기는 염료감응태양전지용 유기염료의 합성에 대한 연구로 기존의 루테늄계 염료를 대신할 수 있는 다양한 유기 소재를 합성하여 광감응제로써의 적용 가능성을 타진한 결과이다. Triphenyl amine 계 전자주게와 다양한 전자받게 구조를 π-spacers 를 통하여 연결하여 분자 내 전자주게-받게 시스템을 적용한 intramolecular charge-transfer chromophore를 설계하고 합성하였다. 전자 주게 및 받게의 분자구조를 최적화하여 기능성 유기염료의 ...
염료감응태양전지는 광전변환 소자기술로, 1991년 스위스 Gratzel 연구진이 처음 보고한 이후 저렴한 생산비용에 비해 높은 광전변환효율의 장점으로 많은 관심을 받아왔다. 염료감응태양전지는 TiO2로 구성된 나노입자, 태양광 흡수율을 높이는 염료, 전해질, 투명전극 등으로 구성된 광합성원리를 이용한 유기태양전지의 한 종류이다. 염료감응태양전지는 기존의 일반화 되어 있는 실리콘방식 태양전지와는 달리 자원적인 제약이 적고 대기압하에서, 프린팅 방식 등을 이용하여 제조할 수 있는 장점이 있어 고가의 설비투자를 줄이고 대량 제조가 용이한 것이 장점이다. 또한 태양광의 입사각도, 날씨변화 등에 대한 전기발전효율이 우수하고 실내에서의 간접광에 의해서도 발전이 가능한 특징을 가지고 있다. 그리고 유기염료가 흡착되므로 칼라를 구현할 수 있어 다양한 칼라 디자인을 접목할 수 있는 등 기존의 실리콘 방식에서는 해결될 수 없는 많은 장점들을 가지고 있어 광전변환소자와 모바일 기기 Application 응용분야에 대한 연구노력이 계속되어 오고 있고 광전변환소자기술의 원천특허 일부가 ‘08년 10월 만료되면서 상용화 개발에 대한 연구가 더욱 활발해질 것으로 기대되고 있다. 본 학위기는 염료감응태양전지용 유기염료의 합성에 대한 연구로 기존의 루테늄계 염료를 대신할 수 있는 다양한 유기 소재를 합성하여 광감응제로써의 적용 가능성을 타진한 결과이다. Triphenyl amine 계 전자주게와 다양한 전자받게 구조를 π-spacers 를 통하여 연결하여 분자 내 전자주게-받게 시스템을 적용한 intramolecular charge-transfer chromophore를 설계하고 합성하였다. 전자 주게 및 받게의 분자구조를 최적화하여 기능성 유기염료의 HOMO 및 LUMO 에너지 레벨을 조정하였고, 이를 통하여 다양한 광흡수영역을 가지는 유기염료를 합성할 수 있었다. 또한, phenothiazine 계 전자주게 구조를 적용하여 유기염료를 합성하였으며, phenothiazine 구조는 두 벤젠환을 전자주게 특성이 강한 S와 N 으로 연결한 구조로 전자 주게 특성 및 분자 회합특성을 제어할 수 있어 이미 료감응태양전지의 유기염료로 많은 연구가 진행된 분자이다. 본 연구에서는 이러한 phenothiazine 계 염료를 alkyl 기로 연결하여 분자 회합 특성을 선천적으로 제어하여 이에 따른 광전변환 거동을 확인하였다. 탄소 수 8개의 alkyl 기에서 가장 우수한 광전변환 효율을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구의 결과로 다양한 기능성의 유기염료를 합성하여 루테늄계 염료를 대체할 수 있는 염료감응태양전지 광감응제를 합성할 수 있었으며, 광감응제의 분자간 회합특성의 제어는 소자의 광전변환 효율에 직접적인 영향이 있음을 확인할 수 있었다.
염료감응태양전지는 광전변환 소자기술로, 1991년 스위스 Gratzel 연구진이 처음 보고한 이후 저렴한 생산비용에 비해 높은 광전변환효율의 장점으로 많은 관심을 받아왔다. 염료감응태양전지는 TiO2로 구성된 나노입자, 태양광 흡수율을 높이는 염료, 전해질, 투명전극 등으로 구성된 광합성원리를 이용한 유기태양전지의 한 종류이다. 염료감응태양전지는 기존의 일반화 되어 있는 실리콘방식 태양전지와는 달리 자원적인 제약이 적고 대기압하에서, 프린팅 방식 등을 이용하여 제조할 수 있는 장점이 있어 고가의 설비투자를 줄이고 대량 제조가 용이한 것이 장점이다. 또한 태양광의 입사각도, 날씨변화 등에 대한 전기발전효율이 우수하고 실내에서의 간접광에 의해서도 발전이 가능한 특징을 가지고 있다. 그리고 유기염료가 흡착되므로 칼라를 구현할 수 있어 다양한 칼라 디자인을 접목할 수 있는 등 기존의 실리콘 방식에서는 해결될 수 없는 많은 장점들을 가지고 있어 광전변환소자와 모바일 기기 Application 응용분야에 대한 연구노력이 계속되어 오고 있고 광전변환소자기술의 원천특허 일부가 ‘08년 10월 만료되면서 상용화 개발에 대한 연구가 더욱 활발해질 것으로 기대되고 있다. 본 학위기는 염료감응태양전지용 유기염료의 합성에 대한 연구로 기존의 루테늄계 염료를 대신할 수 있는 다양한 유기 소재를 합성하여 광감응제로써의 적용 가능성을 타진한 결과이다. Triphenyl amine 계 전자주게와 다양한 전자받게 구조를 π-spacers 를 통하여 연결하여 분자 내 전자주게-받게 시스템을 적용한 intramolecular charge-transfer chromophore를 설계하고 합성하였다. 전자 주게 및 받게의 분자구조를 최적화하여 기능성 유기염료의 HOMO 및 LUMO 에너지 레벨을 조정하였고, 이를 통하여 다양한 광흡수영역을 가지는 유기염료를 합성할 수 있었다. 또한, phenothiazine 계 전자주게 구조를 적용하여 유기염료를 합성하였으며, phenothiazine 구조는 두 벤젠환을 전자주게 특성이 강한 S와 N 으로 연결한 구조로 전자 주게 특성 및 분자 회합특성을 제어할 수 있어 이미 료감응태양전지의 유기염료로 많은 연구가 진행된 분자이다. 본 연구에서는 이러한 phenothiazine 계 염료를 alkyl 기로 연결하여 분자 회합 특성을 선천적으로 제어하여 이에 따른 광전변환 거동을 확인하였다. 탄소 수 8개의 alkyl 기에서 가장 우수한 광전변환 효율을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구의 결과로 다양한 기능성의 유기염료를 합성하여 루테늄계 염료를 대체할 수 있는 염료감응태양전지 광감응제를 합성할 수 있었으며, 광감응제의 분자간 회합특성의 제어는 소자의 광전변환 효율에 직접적인 영향이 있음을 확인할 수 있었다.
Since Gratzel and O'Regan reported high solar-cell performances for dye-sensitized solar cells (DSSCs) based on polypyridyl ruthenium (II) complex dyes adsorbed on a nanocrystalline n-type semiconductor TiO2 electrode in 1991, DSSCs have expected extensive consideration as a new generation of mainta...
Since Gratzel and O'Regan reported high solar-cell performances for dye-sensitized solar cells (DSSCs) based on polypyridyl ruthenium (II) complex dyes adsorbed on a nanocrystalline n-type semiconductor TiO2 electrode in 1991, DSSCs have expected extensive consideration as a new generation of maintainable photovoltaic devices because of their high incident-solar-light-to-electricity conversion efficiency, colorful and attractive natures, and low cost of production. A characteristic DSSCs is created with a dye-absorbed wide band gap oxide semiconductor electrode, such as TiO2, ZnO, or NiO; a liquid electrolyte containing I-/I3- redox couples; and a platinum-coated counter electrode. In the working electrode of the device, the dye sensitizer is very important factor; its function is light harvesting and electronic transition. Up to now, the sensitizer can be divided into two general classes: the metal complex sensitizers and the metal-free organic sensitizers. The DSSCs using the metal-complex sensitizer such as N3, N179 or black dye have been achieved high efficiency over 13%. However, the metal-complex sensitizers have some difficulties such as limited resource, low molar extinction coefficient (ε) and high cost, which will limit their applications in DSSCs of large-scale. To get rid of these problems, the focus has been shifted to metal-free organic sensitizers owing to compared with metal complexes, metal-free organic dyes have also attracted significant attention caused by the benefits of easier preparation and purification, higher structural flexibility, environmental kindliness and prevention of noble metals. This thesis began with the series of organic sensitizers triphenylamine-based metal-free organic dyes (D1-D3) with different electron acceptors, such as 2-cyanoacetic acid, rhodanine-3-acetic acid or 5-oxo-1-phenyl-2-pyrazolin-3-carboxylic acid, connected through anthracene and thiophene π-spacers were synthesized and applied for DSSCs. The photophysical and electrochemical properties of these dyes were investigated and their performance as sensitizers in DSSCs was measured. Electrochemical studies showed that the LUMO energy levels can be tuned by changing the anchoring groups with different electron withdrawing ability. The power conversion efficiencies of the DSSCs based on D1-D3 decrease as the electron withdrawing ability of their anchoring groups increase in the order of D1 < D2 < D3 and D1-based device showed the higher power conversion efficiency of 1.27%. In the study on the phenothiazine as an electron donor, three novel dyes with single donor-acceptor (T1), double donor-acceptor (T2) and multiple anchoring group (T3) organic dyes have been synthesized to investigate the influence of the hexyloxy benzene unit between the two chromophores and the different number of anchoring groups on the performance of DSSCs. The T3 with double branches phenothiazine bases device shows a broader and higher IPCE as well as photo-current density (Jsc) with an improved photovoltage (Voc). In contrast, T1 with single branch presents a reasonably low IPCE within the whole spectral region, along with Jsc and Voc of 10.51mA/cm2 and 0.67 V, respectively. The higher Jsc and Voc gained with the device based on T2 dyes and show a highest conversion efficiency of 5.02%.
Since Gratzel and O'Regan reported high solar-cell performances for dye-sensitized solar cells (DSSCs) based on polypyridyl ruthenium (II) complex dyes adsorbed on a nanocrystalline n-type semiconductor TiO2 electrode in 1991, DSSCs have expected extensive consideration as a new generation of maintainable photovoltaic devices because of their high incident-solar-light-to-electricity conversion efficiency, colorful and attractive natures, and low cost of production. A characteristic DSSCs is created with a dye-absorbed wide band gap oxide semiconductor electrode, such as TiO2, ZnO, or NiO; a liquid electrolyte containing I-/I3- redox couples; and a platinum-coated counter electrode. In the working electrode of the device, the dye sensitizer is very important factor; its function is light harvesting and electronic transition. Up to now, the sensitizer can be divided into two general classes: the metal complex sensitizers and the metal-free organic sensitizers. The DSSCs using the metal-complex sensitizer such as N3, N179 or black dye have been achieved high efficiency over 13%. However, the metal-complex sensitizers have some difficulties such as limited resource, low molar extinction coefficient (ε) and high cost, which will limit their applications in DSSCs of large-scale. To get rid of these problems, the focus has been shifted to metal-free organic sensitizers owing to compared with metal complexes, metal-free organic dyes have also attracted significant attention caused by the benefits of easier preparation and purification, higher structural flexibility, environmental kindliness and prevention of noble metals. This thesis began with the series of organic sensitizers triphenylamine-based metal-free organic dyes (D1-D3) with different electron acceptors, such as 2-cyanoacetic acid, rhodanine-3-acetic acid or 5-oxo-1-phenyl-2-pyrazolin-3-carboxylic acid, connected through anthracene and thiophene π-spacers were synthesized and applied for DSSCs. The photophysical and electrochemical properties of these dyes were investigated and their performance as sensitizers in DSSCs was measured. Electrochemical studies showed that the LUMO energy levels can be tuned by changing the anchoring groups with different electron withdrawing ability. The power conversion efficiencies of the DSSCs based on D1-D3 decrease as the electron withdrawing ability of their anchoring groups increase in the order of D1 < D2 < D3 and D1-based device showed the higher power conversion efficiency of 1.27%. In the study on the phenothiazine as an electron donor, three novel dyes with single donor-acceptor (T1), double donor-acceptor (T2) and multiple anchoring group (T3) organic dyes have been synthesized to investigate the influence of the hexyloxy benzene unit between the two chromophores and the different number of anchoring groups on the performance of DSSCs. The T3 with double branches phenothiazine bases device shows a broader and higher IPCE as well as photo-current density (Jsc) with an improved photovoltage (Voc). In contrast, T1 with single branch presents a reasonably low IPCE within the whole spectral region, along with Jsc and Voc of 10.51mA/cm2 and 0.67 V, respectively. The higher Jsc and Voc gained with the device based on T2 dyes and show a highest conversion efficiency of 5.02%.
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