염료감응형 태양전지를 위한 겔 고분자 전해질막을 제조하였다. 고분자물질로는 Poly(ethylene oxide) (PEO)를 사용하였으며, 가소제로서 poly(ethylene glycol) (PEG)을 첨가하였고, 전해질염 및 $I^-/I_3^-$의 공급원으로서 KI 및 $I_2$를 첨가하여 고분자 전해질막을 제조하였으며, 이와 같은 고분자 전해질막을 바탕으로 염료감응형 태양전지를 제조하였다. 고분자 전해질 내의 가소제로서의 PEG는 95%의 함량으로 주입되었으며, 전해질 내의 EO 1 mole 당 KI mole 수([KI]/[EO] 비)가 0.022, 0.044, 0.066 및 0.088이 되도록 KI가 주입되었다. 이러한 방식으로 제조된 겔 전해질막은 상온에서 왁스(wax) 형태를 보였다. 낮은 KI 함량의 영역에서는 KI 함량이 증가하면서 전해질막을 통한 이온전도도가 증가하였으며, [KI]/[EO]비가 0.066인 때에 이온전도도는 최대값을 보인 후 0.088로 증가하면서 이온전도도는 감소하였다. 염료감응형 태양전지에 있어서는 고분자 전해질막 내의 KI 함량이 증가하면서 $V_{OC}$는 지속적으로 감소하였다. 반면, $J_{SC}$의 경우 낮은 KI 함량의 범위에서는 KI 함량이 증가하면서 $J_{SC}$는 증가하였으며 [KI]/[EO]비가 0.044인 때에 $J_{SC}$가 최대값을 보인 후 그 이상의 높은 범위에서는 KI함량의 증가에 따라 $J_{SC}$는 감소하였다.
염료감응형 태양전지를 위한 겔 고분자 전해질막을 제조하였다. 고분자물질로는 Poly(ethylene oxide) (PEO)를 사용하였으며, 가소제로서 poly(ethylene glycol) (PEG)을 첨가하였고, 전해질염 및 $I^-/I_3^-$의 공급원으로서 KI 및 $I_2$를 첨가하여 고분자 전해질막을 제조하였으며, 이와 같은 고분자 전해질막을 바탕으로 염료감응형 태양전지를 제조하였다. 고분자 전해질 내의 가소제로서의 PEG는 95%의 함량으로 주입되었으며, 전해질 내의 EO 1 mole 당 KI mole 수([KI]/[EO] 비)가 0.022, 0.044, 0.066 및 0.088이 되도록 KI가 주입되었다. 이러한 방식으로 제조된 겔 전해질막은 상온에서 왁스(wax) 형태를 보였다. 낮은 KI 함량의 영역에서는 KI 함량이 증가하면서 전해질막을 통한 이온전도도가 증가하였으며, [KI]/[EO]비가 0.066인 때에 이온전도도는 최대값을 보인 후 0.088로 증가하면서 이온전도도는 감소하였다. 염료감응형 태양전지에 있어서는 고분자 전해질막 내의 KI 함량이 증가하면서 $V_{OC}$는 지속적으로 감소하였다. 반면, $J_{SC}$의 경우 낮은 KI 함량의 범위에서는 KI 함량이 증가하면서 $J_{SC}$는 증가하였으며 [KI]/[EO]비가 0.044인 때에 $J_{SC}$가 최대값을 보인 후 그 이상의 높은 범위에서는 KI함량의 증가에 따라 $J_{SC}$는 감소하였다.
Using poly(ethylene oxide) (PEO) as a polymer host, poly(ethylene glycol) (PEG) as a plasticizer, potassium iodide and iodine as sources of $I^-/I_3^-$, polymer electrolyte membranes were prepared. Based on the polymer electrolytes, solid-state dye-sensitized solar cell (DSSC)s were fabri...
Using poly(ethylene oxide) (PEO) as a polymer host, poly(ethylene glycol) (PEG) as a plasticizer, potassium iodide and iodine as sources of $I^-/I_3^-$, polymer electrolyte membranes were prepared. Based on the polymer electrolytes, solid-state dye-sensitized solar cell (DSSC)s were fabricated. The content of PEG in the electrolyte was controlled to be 95%. The mole number of KI per 1 mole of EO ([KI]/[EO] ratio) in the electrolyte was changed to be 0.022, 0.044, 0.066 and 0.088. The electrolyte membrane showed wax phase in ambient temperature. The ionic conductivity increased with increasing KI content to reach the maximum value at which [KI]/[EO] ratio is 0.066. After the maximum value, the ionic conductivity decreased with increasing KI content. In the case of DSSC, the Voc decreased continuously with increasing KI content in the polymeric electrolyte membrane. The $J_{SC}$ increased with increasing KI content to show maximum value at which [KI]/[EO] ratio is 0.044. In the higher KI content region, $J_{SC}$ value decreased with increasing KI content.
Using poly(ethylene oxide) (PEO) as a polymer host, poly(ethylene glycol) (PEG) as a plasticizer, potassium iodide and iodine as sources of $I^-/I_3^-$, polymer electrolyte membranes were prepared. Based on the polymer electrolytes, solid-state dye-sensitized solar cell (DSSC)s were fabricated. The content of PEG in the electrolyte was controlled to be 95%. The mole number of KI per 1 mole of EO ([KI]/[EO] ratio) in the electrolyte was changed to be 0.022, 0.044, 0.066 and 0.088. The electrolyte membrane showed wax phase in ambient temperature. The ionic conductivity increased with increasing KI content to reach the maximum value at which [KI]/[EO] ratio is 0.066. After the maximum value, the ionic conductivity decreased with increasing KI content. In the case of DSSC, the Voc decreased continuously with increasing KI content in the polymeric electrolyte membrane. The $J_{SC}$ increased with increasing KI content to show maximum value at which [KI]/[EO] ratio is 0.044. In the higher KI content region, $J_{SC}$ value decreased with increasing KI content.
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문제 정의
088이 되도록 변화하면서 이에 대한 DSC 실험을 통하여 결정화도를 측정하였고, 이온전도도 및 I3-의 확산도계수의 측정을 수행하였으며, 겔 고분자 전해질막을 사용한 염료감응형 태양전지를 제조하여 그 JSC 및 VOC를 측정하였다. 이와 같은 실험을 통하여 겔 고분자 전해질막을 이용한 염료감응형 태양전지의 작동 원리를 규명하고 최적화 방안을 모색하였다.
제안 방법
PEO에 대하여 PEG의 양을 95 wt%로 조절하였다. KI의 함량은 각각 전해질에서의 [KI]/[EO]비가 각각 0.022, 0.044, 0.066 및 0.088이 되도록 변화시켰으며 I2는 각각의 KI mole 함량의 10%로 조절하였다. 전해질은 상온의 질소 분위기 하에 48시간 교반하여 제조하였다.
PEO에 가소제로서의 PEG를 혼합한 후 KI 및 I2를 혼입하여 염료감응형 태양전지를 위한 전해질막을 제조하였으며 제조된 전해질막을 이용하여 염료감응형 태양전지를 제조하였다. 전해질막 내의 PEG 함량은 95%로 조절하였으며, 이때의 전해질막은 자체적인 형태를 일부 유지하는 왁스상의 형태를 보였다.
본 연구에서 제조된 전해질막의 결정화 특성을 측정하기 위하여 DSC 열분석법을 사용하였으며, 전해질막내의 PEG 함량의 결정화도에 미치는 영향을 조사하였다. Table 1은 [KI]/[EO]비가 수가 0.
PEO를 유기/무기 복합소재로 제조하여 PEO의 결정화도를 낮추거나[21,23], 가소제를 혼입한 겔 상태의 제조한 겔 고분자 전해질로 제조하는 연구[22]가 이루어지고 있으며 이러한 고분자재질의 전해질에 대한 연구에 있어서 그 최적화에 대한 연구가 요구되고 있기도 하다. 본 연구에서는 PEO 고분자 재질에 분자량 200의 PEG를 가소제로 첨가한 후 KI와 I2를 용해하여 겔 고분자 전해질막을 제조하였다. 전해질막 내의 KI의 함량은 PEO 및 PEG 내의 반복단위인 EO 1 mole당 포함되는 KI mole 수(이하 [KI]/[EO] 비)가 각각 0.
이온 전도도는 임피던스 실험에서 얻어진 Nyquist plot으로부터 계산하여 구하였다. 실험실에서 제작한 시료를 전기화학 측정장치에 연결하고 FRA (Frequency Response Analyser)를 이용하여 측정하였다. 전도도는1 Hz -1 MHz의 주파수 범위 내에서 임피던스 변화를 측정하였고 전해질막의 저항 R은 impedance 측정결과로 얻어진 반원과 실수축과의 고주파 측 교차점을 통하여 얻어 내었다.
양 전극 사이에 고분자 전해질막을 끼워 넣기 위한 방법으로는 우선 염료감응이 이루어진 나노결정 TiO2층 표면 위에 고분자 전해질막을 올린 후 이를 80℃의 진공상태로 수시간 방치한 후 상압상태를 회복하여 겔 고분자 전해질이 액화하한 후 다공성 TiO2 나노결정입자층에 침투하도록 하였다. 이러한 과정 이후 두께 50µm의 폴리이미드 양면테이프를 이용하여 겔 고분자 전해질막의 두께를 유지하면서 반대전극을 접착하여 염료감응형 태양전지를 완성하였다.
이온 전도도는 임피던스 실험에서 얻어진 Nyquist plot으로부터 계산하여 구하였다. 실험실에서 제작한 시료를 전기화학 측정장치에 연결하고 FRA (Frequency Response Analyser)를 이용하여 측정하였다.
실험실에서 제작한 시료를 전기화학 측정장치에 연결하고 FRA (Frequency Response Analyser)를 이용하여 측정하였다. 전도도는1 Hz -1 MHz의 주파수 범위 내에서 임피던스 변화를 측정하였고 전해질막의 저항 R은 impedance 측정결과로 얻어진 반원과 실수축과의 고주파 측 교차점을 통하여 얻어 내었다. 이를 통하여 구한 R값을 이용하고 식 (1)을 통하여 전도도를 계산하였다.
전처리한 광측 전극 표면에는 doctor-blade법에 의하여 TiO2 paste (Ti-Nanoxide D, Solaronix, Switzerland)를 도포한 후 450℃로 30분 동안 가열하여 8µm 두께의 TiO2 나노결정입자층을 형성하였으며, 형성된 TiO2 나노결정입자층은 염료 용액에 12시간 이상 침지시킨 후 건조하는 방법으로 염료감응을 하였다.
본 연구에서는 PEO 고분자 재질에 분자량 200의 PEG를 가소제로 첨가한 후 KI와 I2를 용해하여 겔 고분자 전해질막을 제조하였다. 전해질막 내의 KI의 함량은 PEO 및 PEG 내의 반복단위인 EO 1 mole당 포함되는 KI mole 수(이하 [KI]/[EO] 비)가 각각 0.022, 0.044 0.066 및 0.088이 되도록 변화하면서 이에 대한 DSC 실험을 통하여 결정화도를 측정하였고, 이온전도도 및 I3-의 확산도계수의 측정을 수행하였으며, 겔 고분자 전해질막을 사용한 염료감응형 태양전지를 제조하여 그 JSC 및 VOC를 측정하였다. 이와 같은 실험을 통하여 겔 고분자 전해질막을 이용한 염료감응형 태양전지의 작동 원리를 규명하고 최적화 방안을 모색하였다.
제작된 염료감응형 태양전지는 solar simulator (Photovoltaic Measurement System Model 94023, New Port) 를 사용하여 100 mW/cm2 (1 sun) 세기의 빛이 조사되는 조건에서 J-V curve 및 광효율을 측정하였다.
의 전해질막을 끼운 채로 압착하여 제조하였다. 제조된 시료는 수분 등의 이물질에 의한 오염을 방지하기 위하여 알루미늄 플라스틱 파우치 안에 밀봉하여 실험에 임하였으며, 이온전도도는 20℃ 상온용기 내에서 임피던스 실험(WEIS510, Wonatech)을 통하여 측정하였다.
05 mol/dm3 in isopropanol, Aldrich)을 도포한 후 400℃로 30분 동안 가열하여 제조하였다. 제조된 시료는 알루미늄 파우치 내에 밀봉하여 실험에 임하였으며 I3- 확산도계수는 온도가 20℃로 조절된 항온 용기에 시료를 주입한 후 전기화학 측정장치(WEIS510, Wonatech.)에 연결하여 측정하였다.
대상 데이터
I3-의 확산도계수를 측정하기 위한 시료는 극판으로서 백금 코팅된 FTO Glass를 사용하였다. 극판 사이에 두께 50 µm, 면적 1 cm2의 전해질막을 끼운 채 압착하여 제조하였다.
고분자 물질은 PEO (Polyethylene oxide, Mw = 400,000, Aldrich)를 사용하였고 가소제로는 PEG (Polyethylene glycol, Mw = 200, Aldrich)을 사용하였으며, 산화-환원쌍으로 KI (Potassium iodide, 99.999%, DUKSAN), I2 (Iodine, I2 99.999%, DUKSAN)을 사용하였다. PEO에 대하여 PEG의 양을 95 wt%로 조절하였다.
극판 사이에 두께 50 µm, 면적 1 cm2의 전해질막을 끼운 채 압착하여 제조하였다.
극판 사이에 두께 50 µm, 면적 1 cm2의 전해질막을 끼운 채 압착하여 제조하였다. 극판은 FTO Glass (8 Ω, Tera Korea)의 표면에 H2PtCl6 solution (0.05 mol/dm3 in isopropanol, Aldrich)을 도포한 후 400℃로 30분 동안 가열하여 제조하였다. 제조된 시료는 알루미늄 파우치 내에 밀봉하여 실험에 임하였으며 I3- 확산도계수는 온도가 20℃로 조절된 항온 용기에 시료를 주입한 후 전기화학 측정장치(WEIS510, Wonatech.
전처리한 광측 전극 표면에는 doctor-blade법에 의하여 TiO2 paste (Ti-Nanoxide D, Solaronix, Switzerland)를 도포한 후 450℃로 30분 동안 가열하여 8µm 두께의 TiO2 나노결정입자층을 형성하였으며, 형성된 TiO2 나노결정입자층은 염료 용액에 12시간 이상 침지시킨 후 건조하는 방법으로 염료감응을 하였다. 염료 용액은 Ru(dcdpy)2(NCS)2, Solaronix, Switzerland) 염료를 초순수 에탄올에 0.026% 용해하여 제조하였다. 반대쪽 전극은 FTO Glass 표면에 H2PtCl6 용액(0.
염료감응형 태양전지의 양쪽 전극으로는 모두 백금 코팅된 FTO Glass를 사용하였다. 광측 전극으로는 FTO Glass 표면에 Ti(IV)bis(ethyl acetoacetato)-diisopropoxide solution (2 wt% in butanol, Aldrich) 용액을 도포한 후 450℃ 온도하에 30분 동안 가열하여 전처리하였다.
이온전도도 측정을 위한 시료는 스테인레스 극판 사이에 두께 1 µm, 면적 1 cm2의 전해질막을 끼운 채로 압착하여 제조하였다.
이론/모형
본 연구에서 I3- 이온의 확산도계수 측정은 0 V-1 V 구간에서 LSV기법을 이용하여 측정하였다.
제조된 전해질막의 결정화도 및 Tm을 측정하기 위하여 시차주사열량계(Digital Scanning Calorimeter, DSC, TA Instrument DSC 2010)를 사용하였다. 시료를 알루미늄 팬에 넣고 -100∼100℃ 온도범위의 질소분위기 하에서 10℃/min로 승온시키면서 측정하였다.
성능/효과
044인 경우에서 전류밀도가 최대값을 보였고 I3- 확산도계수는 전해질 내의 KI함량 증가에 따라 감소하였다. 본 연구에서 제작한 태양전지의 VOC는 전해질 내의 KI 함량이 증가함에 따라 감소하였다. 반면, JSC는 [KI]/[EO] 비가 0.
농도를 각각 나타낸다. 본 연구에서는 전해질 내 I2(I3-) 농도를 KI 농도의 10%가 되도록 조절 하였으므로 전해질 내의 KI 농도가 증가하면서 I3- 농도는 함께 증가하며 결과적으로 VOC가 감소한다고 예측할 수 있었다.
2는 본 연구를 통하여 제조된 전해질의 사진이다. 요오드의 첨가로 갈색의 투명한 색상을 띄는 것을 볼 수 있으며, 제조된 전해질은 상온에서 KI함량의 전구간에 걸쳐 유동성이 없는 왁스상(wax phase)의 형태를 보였다. 이는 propylene carbonate 혹은 ethylene carbonate 등 여타의 가소제를 사용하였던 경우와는 다른 결과로서 propylene carbonate 혹은 ethylene carbonate 등의 가소제를 첨가한 경우 함량 50% 부근을 넘어서면서 유동성을 지닌 액체의 형태를 띠게 되며 매우 큰 점착성을 보이게 되므로 다루기가 매우 불편한 특성을 보 였다.
요오드의 첨가로 갈색의 투명한 색상을 띄는 것을 볼 수 있으며, 제조된 전해질은 상온에서 KI함량의 전구간에 걸쳐 유동성이 없는 왁스상(wax phase)의 형태를 보였다. 이는 propylene carbonate 혹은 ethylene carbonate 등 여타의 가소제를 사용하였던 경우와는 다른 결과로서 propylene carbonate 혹은 ethylene carbonate 등의 가소제를 첨가한 경우 함량 50% 부근을 넘어서면서 유동성을 지닌 액체의 형태를 띠게 되며 매우 큰 점착성을 보이게 되므로 다루기가 매우 불편한 특성을 보 였다. 이에 비해 PEG를 첨가한 경우에는 바탕 고분자인 PEO와 가소제로서의 PEG는 서로 매우 유사한 구조 및 물리학적, 화학적 특성을 지님으로 상호간의 응집력이 크게 작용하여 점착성이 없이 왁스상의 형태를 유지 하는 것으로 판단된다.
044일 때에 최대값을 보이는 결과는 전해질막을 통한 이온전도도 보다는 I3- 이온에 대한 한계확산전류의 경향에 더욱 유사하다고 볼 수 있었다. 이러한 결과를 통하여 염료감응형 태양전지에서의 전류 흐름은 주로 I- 및 I3-의 확산거동에 의하여 이루어진다는 결론을 내릴 수 있었다.
044일 때에 최대값을 보였으며 이는 전해질 내의 한계확산전류밀도의 경향과 유사하였다. 이상의 결과를 통하여 염료감응형 태양전지를 위한 고분자 전해질막은 전해질염의 농도 등 그 조성을 조절함으로써, 그 성능의 최적화를 이룰 수 있다는 결론을 얻을 수 있었다.
이는 전해질 막 내의 하전입자인 이온의 농도의 증가와 함께 결정형성의 저하를 그 이유로 들 수 있다. 전해질막 내에 KI 함량이 증가하면서 KI의 해리를 통하여 생성하는 K+ 및 I- 이온의 농도가 증가하는 것이 그 첫 번째 이유이며, DSC 실험의 결과에서 볼 수 있듯이 KI 함량이 증가함에 따라 전해질막 구조 내의 결정 형성이 감소하여 이온의 움직임이 더욱 원활해지는 것도 이온전도도 상승의 이유로 들 수 있다. 반면, 전해질막 내의 [KI]/[EO]비가 0.
를 혼입하여 염료감응형 태양전지를 위한 전해질막을 제조하였으며 제조된 전해질막을 이용하여 염료감응형 태양전지를 제조하였다. 전해질막 내의 PEG 함량은 95%로 조절하였으며, 이때의 전해질막은 자체적인 형태를 일부 유지하는 왁스상의 형태를 보였다. 전해질막내의 이온전도도는 [KI]/[EO]비가 0.
전해질막 내의 PEG 함량은 95%로 조절하였으며, 이때의 전해질막은 자체적인 형태를 일부 유지하는 왁스상의 형태를 보였다. 전해질막내의 이온전도도는 [KI]/[EO]비가 0.066인 경우에서 최대값을 보였으며, 한계확산전류는 [KI]/[EO]비가 0.044인 경우에서 전류밀도가 최대값을 보였고 I3- 확산도계수는 전해질 내의 KI함량 증가에 따라 감소하였다. 본 연구에서 제작한 태양전지의 VOC는 전해질 내의 KI 함량이 증가함에 따라 감소하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
액체전해질의 단점은 무엇인가?
대부분의 경우 전해질은 유기용매에 산화/환원 반응쌍의 공급 원인 요오드염 및 요오드를 용해하여 제조하는 액체전해질을 사용하고 있다. 이러한 액체전해질을 실외에서 장시간 사용할 때에는 전해질의 누출 및 증발의 가능성이 존재하며, 이로 인한 효율저하는 물론 환경오염과 화재의 우려까지 제기되고 있다. 이와 같은 이유로 액체전해질은 염료감응형 태양전지의 실용화 측면에서의큰 제약으로 작용한다.
염료감응형 태양전지 내 전해질의 역할은 무엇인가?
염료감응형 태양전지 내 전해질의 역할은 전해질 내에 용존하는 I -의 산화반응을 통하여 염료에 전자를 공급하면서 I3-를 생성하고, 생성한 I3-는 대전극으로부터 전자를 공급받아서 다시 I -로 재생하는 일련의 산화/환원 과정을 통해 전자의 순환을 이루는 것이다. 대부분의 경우 전해질은 유기용매에 산화/환원 반응쌍의 공급 원인 요오드염 및 요오드를 용해하여 제조하는 액체전해질을 사용하고 있다.
대부분의 염료감응형 태양전지 내 전해질은 무엇을 사용하고 있는가?
염료감응형 태양전지 내 전해질의 역할은 전해질 내에 용존하는 I -의 산화반응을 통하여 염료에 전자를 공급하면서 I3-를 생성하고, 생성한 I3-는 대전극으로부터 전자를 공급받아서 다시 I -로 재생하는 일련의 산화/환원 과정을 통해 전자의 순환을 이루는 것이다. 대부분의 경우 전해질은 유기용매에 산화/환원 반응쌍의 공급 원인 요오드염 및 요오드를 용해하여 제조하는 액체전해질을 사용하고 있다. 이러한 액체전해질을 실외에서 장시간 사용할 때에는 전해질의 누출 및 증발의 가능성이 존재하며, 이로 인한 효율저하는 물론 환경오염과 화재의 우려까지 제기되고 있다.
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