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염료감응태양전지에서 Pd 촉매층의 전해질과의 반응에 따른 특성 저하
Degradation of the Pd catalytic layer electrolyte in dye sensitized solar cells 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.14 no.4, 2013년, pp.2037 - 2042  

노윤영 (서울시립대학교 신소재공학과) ,  송오성 (서울시립대학교 신소재공학과)

초록
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기존 DSSC의 상대전극을 TCO-less로 하여 도전성과 촉매기능을 동시에 가지고 있는 Pd의 안정성 확인을 위해 열증착기를 채용하여 유리기판 전면에 Pd를 90nm 두께로 증착하고 전해질과의 반응 안정성을 확인하였다. $0.45cm^2$급 면적을 가진 glass/FTO/blocking layer/$TiO_2$/dye/electrolyte(10 mM LiI + 1 mM $I_2$ + 0.1 M $LiClO_4$ in acetonitrile solution)/Pd/glass 구조의 DSSC 소자를 만들고, 시편제작 1시간, 12시간 후의 변화를 육안분석, 광학현미경과 FESEM을 이용하여 미세구조 분석을 진행하고, 전기적 분석은 각각 C-V(cyclic voltammetry measurements), I-V(current voltage) 분석을 통해 확인하였다. 미세구조 분석을 통하여 시간이 지남에 따라 확연히 Pd과 전해질이 반응하여 부식되는 것을 확인하였고, 전기적으로도 시간이 지남에 따라 촉매활동도와 효율이 감소하는 것을 확인하였다. 최종 효율은 1시간 후에는 0.34%의 광전효율을 보였으나 12시간 후에는 0.15%를 나타내어 약 44%로 감소하였다. 따라서 염료감응태양전지에 Pd촉매를 채용하기 위해 $I^-/I_3{^-}$ 전해질이 아닌 다른 전해질을 사용하거나 Pd 전극이 아닌 다른 촉매재를 사용해야 함을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A TCO-less palladium (Pd) catalytic layer on the glass substrate was assessed as the counter electrode (CE) in a dye sensitized solar cell (DSSC) to confirm the stability of Pd with the $I^-/I_3{^-}$electrolyte on the DSSC performance. A 90nm-thick Pd film was deposited by a thermal evapo...

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  • 한편 앞서 설명한 C-V 데이터에서 비교 기준으로 FTO기판 위에 스퍼터를 이용하여 Pd를 채용한 경우(0 hour-sputter)는 유리기판 시편의 경우 열화속도가 너무 빨라 측정이 불가하여 부둑이 이 시료가 열증착법으로 제조한 Pd의 열화되기 전의 특성과 비슷한 정도라고 가정하여 그림에 같이 표현하였다. 이때의 Voc, Jsc, FF는 각각 0.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
염료감응 태양전지은 어떻게 구성되어 있는가? 염료감응 태양전지는 주로 나노결정질 TiO2로 이루어진 작동전극(working electrode), Pt로 이루어진 상대전극(counter electrode), 산화환원작용을 하는 전해질(electrolyte), 염료(dye)로 구성되어 있다[7].
염료감응 태양전지에서 높은 광전환 효율을 위한 액체전해질의 조건은? 액체 전해질에서는 요오드 계의 I-이온의 소스와 I2를 용매에 녹여 생성시키는 I3-와 같은 산화, 환원 종으로 구성되며, 용매로는 acetonitrile과 같은 고극성용매가 사용된다. 지금까지 보고되고 있는 염료감응 태양전지의 높은 광전환 효율은 거의 대부분은 액체 전해질을 적용하여 얻어진 결과이며, 이러한 액체전해질은 이온전도도가 높고, 전극에 대한 전기화학적 안정성이 높아야 하며 휘발성이 낮아야 한다. 그러나 염료감응 태양전지 내에서 기존에 알려진 것 외의 물질을 채용할 경우 화학적 반응이 일어날 수 있는 문제가 남아있다.
상대전극으로 Pt 사용 시 단점은? Pt는 높은 전기전도도를 가지고 있으며 삼요오드(tri-iodide)에 대한 환원작용이 우수하고 다른 전기화학 분야에서도 폭넓게 사용되고 있다. 하지만 고가이며(2012. 현재 $1402/oz), 염료에 의해 전극표면이 열화되고, 장시간 요오드 전해액에 접촉하는 경우 소량의 Pt가 산화에 의해 용해되어 PtI4 또는 H2PtCl6 등의 요오드화물이 생성되어 촉매기능의 내구성이 떨어지는 단점이 보고되었다.[8, 9] 반면 Pd는 백금족 금속 중 가볍고 녹는점이 낮은 금속으로 전성과 연성이 좋고 상대적으로 Pt 보다 약 40%로 가격이 저렴 하여(2012.
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참고문헌 (15)

  1. M. Gratzel, "Photoelectrochemical cells", Nature. 414, pp. 338, 2001. DOI: http://dx.doi.org/10.1038/35104607 

  2. J. Chang, et al., "High-performance nanostructured inorganic-organic heterojunction solar cells", Nano Lett. 10, pp. 2609-2612, 2010. DOI: http://dx.doi.org/10.1021/nl101322h 

  3. M. Gratzel, "Conversion of sunlight to electric power by nanocrystalline dye-sensitized solar cells", J. Photochem. Photobiol. A. 164, pp. 3-14, 2004. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jphotochem.2004.02.023 

  4. B. O'Regan, et al., "A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films", Nature, 353, pp. 737, 1991. DOI: http://dx.doi.org/10.1038/353737a0 

  5. K. Jiang, et al., "Photovoltaics based on hybrdization of effective dye-sensitized titanium oxide and hole-conductive polymer P3HT", Adv. Funct. Mater. 19, pp. 2481-2485, 2009. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/adfm.200900283 

  6. K. Kim, et al., "Improvement of electron transport by low-temperature chemically assisted sintering in dye-sensitized solar cell", J. of Photochem. Photobiol. A: Chemistry. 204, pp. 144-147, 2009. DOI: http://dx.doi.org/10.1021/ic0508371 

  7. M. Gratzel, "Solar energy conversion by dye-sensitized photovoltaic cells", Inorg. Chem. 44, pp. 6841-6851, 2005. 

  8. E. Olsen, et al., "Dissolution of platinum in methoxy propionitrile containing LiI/I2", Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 63, pp. 26-273, 2000. 

  9. A. Kay, et al., "Low cost photovoltaic modules based on dye sensitized nanocrystalline titanium dioxide and carbon powder", Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 44, pp. 99-117, 1996. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0927-0248(96)00063-3 

  10. K. Kohler, et al., "Highly active palladium/activated carbon catalysts for heck reactions:correlation of activity, catalyst properties, and Pd leaching", Chem. Eur. J. 8, pp. 622, 2002. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/1521-3765(20020201)8:3 3.0.CO;2-0 

  11. L. X. Yin, et al., "Carbon-carbon coupling reactions catalyzed by heterogeneous palladium catalysts", Chem. Rev. 107, pp. 133-173, 2007. DOI: http://dx.doi.org/10.1021/cr0505674 

  12. D. Balachari, et al., "Efficient synthesis of 5-aryl-2-vinylfurans by palladium catalyzed cross-coupling strategies", Tetrahedron Lett. 40, pp. 4769-4773, 1999. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/S0040-4039(99)00817-5 

  13. G. W. Lee, et al., "Evaluation on over photocurrents measured from unmasked dye-sensitized solar cells", Solar Energy, 84, pp. 418-425, 2010. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.solener.2009.12.012 

  14. Y. Y. Noh, et al., "Property of palladium counter electrode for dye sensitized solar cells", J. Kor. Inst. Met. & Mater. in pressed, 2012. 

  15. J. J. Han, et al., "Effect of the Thickness of the Ru-coating on a Counter Electrode on the Performance of a Dye-sensitized Solar Cell", J. Kor. Inst. Met. & Mater. in pressed, 2012. 

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