[논문]하이드로퀴논 전해질 중간체에 의한 염료-수화젤 기반 태양전지 효율 향상

구형준

doi:10.7316/khnes.2016.27.5.540

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Besides high-efficient photovoltaics based on silicon, polymers, dye-sensitization and hybrid perovskite materials, biomimetic solar cells inspired by a leaf in nature has also been actively studied. As one example, a hydrogel based photovoltaics (HGPV) is a low-cost, environmentally friendly device...

Besides high-efficient photovoltaics based on silicon, polymers, dye-sensitization and hybrid perovskite materials, biomimetic solar cells inspired by a leaf in nature has also been actively studied. As one example, a hydrogel based photovoltaics (HGPV) is a low-cost, environmentally friendly device and requires easy fabrication process. In this paper, the effect of hydroquinone additive on the performance of the HGPV is discussed. The photocurrent increases ~14 times upon the addition of hydroquinone into the agarose hydrogel medium. The photocurrent increase is maximum at the optimum dye concentration, while the photovoltage is barely affected by the dye concentration. The effect of the agarose content in the hydrogel and the types of dyes on the photocurrent is also investigated. Finally, it is shown that the photovoltaic performance of HGPV with hydroquinone can be drastically improved when $TiO_2$ film is deposited on the anode electrode.

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제안 방법

구조가 간단하고 자연 친화적인 물질을 사용한다는 장점은 있으나, 다른 생체 모방형 태양전지와 마찬가지로 낮은 광전류 생성 값을 향상시킬 필요가 있다. 본 논문에서는 나뭇잎의 광합성 과정에서 전자 전달에 사용되는 퀴논 계열 물질을 첨가하여 HGPV의 광전류 성능을 향상시킨다. 실험에서 사용된 하이드로퀴논은 환원제로서, 광전류를 발생하고 산화된 염료를 효과적으로 환원 할 수 있다.
염료는 Tris (2,20-bipyridine) dichlororuthenium(II) hexahydate(이하 [Ru(bpy)₃]²⁺ , Sigma-Aldrich) 염료를 기본으로 사용 하였으며, 염료에 따른 광전류 비교를 위해 9,10-Dimethoxy-2-anthracenesulfonic acid sodium salt(이하 DAS^－ , Sigma-Aldrich), eosin Y (Sigma- Aldrich), N-719 (Solaronix) 등을 추가로 사용하였다. 본 연구 에서는 하이드로퀴논의 영향을 보기 위하여, 염료가 포함한 수화젤에 염료와 동일한 방식으로 하이드로 퀴논(50 mg = 4.5×10^-7 mol, Sigma- Aldrich)을 첨가 하였다. 실험에 사용된 수화젤의 면적은 ~0.
하이드로퀴논이 첨가된 HGPV에 [Ru(bpy)₃]²⁺ 외에 다른 다양한 종류의 염료를 주입하여 광전류를 비교하였다. 비교된 염료로는 기존 HGPV 연구에서 사용되었던DAS^－ , 금속을 포함하지 않는 유기 염료 eosin Y, 그리고 염료 감응형 태양전지에 대표적으로 사용되는 Ru 기반 염료인 N-719를 사용하였다.

대상 데이터

외에 다른 다양한 종류의 염료를 주입하여 광전류를 비교하였다. 비교된 염료로는 기존 HGPV 연구에서 사용되었던DAS^－ , 금속을 포함하지 않는 유기 염료 eosin Y, 그리고 염료 감응형 태양전지에 대표적으로 사용되는 Ru 기반 염료인 N-719를 사용하였다. Fig.
5×10^-7 mol, Sigma- Aldrich)을 첨가 하였다. 실험에 사용된 수화젤의 면적은 ~0.2 cm² 이며 두께는 ~450 mm 이다. 실험에 사용된 모든 시약은 추가적인 처리나 정제과정 없이 사용되었다.
본 논문에서는 나뭇잎의 광합성 과정에서 전자 전달에 사용되는 퀴논 계열 물질을 첨가하여 HGPV의 광전류 성능을 향상시킨다. 실험에서 사용된 하이드로퀴논은 환원제로서, 광전류를 발생하고 산화된 염료를 효과적으로 환원 할 수 있다. 먼저, 하이드로퀴논의 첨가에 따른 HGPV의 광전류 및 광전압 변화를 살펴본다.
FTO 전극을 통해 빛이 조사되면, 염료 분자에서 여기된 전자가 FTO 전극을 통해 외부 회로로 흐르게 된다. 염료는 Tris (2,20-bipyridine) dichlororuthenium(II) hexahydate(이하 [Ru(bpy)₃]²⁺ , Sigma-Aldrich) 염료를 기본으로 사용 하였으며, 염료에 따른 광전류 비교를 위해 9,10-Dimethoxy-2-anthracenesulfonic acid sodium salt(이하 DAS^－ , Sigma-Aldrich), eosin Y (Sigma- Aldrich), N-719 (Solaronix) 등을 추가로 사용하였다. 본 연구 에서는 하이드로퀴논의 영향을 보기 위하여, 염료가 포함한 수화젤에 염료와 동일한 방식으로 하이드로 퀴논(50 mg = 4.

성능/효과

광합성 과정의 전자 전달 물질에서 착안한 하이드로퀴논을 전해질 첨가제로 사용할 경우, 수화젤 기반 태양전지의 광전류 특성이 향상되는 것을 확인하였다. 광전류 향상은 환원제인 하이드로퀴논이 광전자를 방출한 후 산화된 염료에 효과적으로 전자를 공급할 수 있기 때문인 것으로 생각된다.
하이드로퀴논이 첨가된 HGPV에 다양한 흡수 스펙트럼을 가지는 염료를 적용해본 결과, Ru 포함한 염료에서 가장 높은 광전류가 발생하였다. 마지막으로 TiO₂ 다공성 필름이 도포된 FTO 전극을 사용할 경우, HGPV의 광전류와 광전압이 각각 ~36배, ~9배로 크게 향상됨을 확인하였다. 이처럼 하이드로퀴논 환원제를 첨가하여 HGPV의 성능을 향상시킬 수 있었다.
일정한 하이드로퀴논 양에서 염료 함량에 따른 광전류/전압 특성을 살펴본 결과, 특정 염료 함량에서 최대 광전류 값을 보였으며, 광전압은 염료 양에 무관한 경향을 나타내었다. 수화젤의 아가로즈 고분자는 이온의 이동을 원활하게 해주는 것으로 보이나, 최소 함량에서 가장 좋은 태양전지 성능을 나타냈으며 고분자 함량이 증가할수록 광전류 값이 낮아짐을 확인하였다. 하이드로퀴논이 첨가된 HGPV에 다양한 흡수 스펙트럼을 가지는 염료를 적용해본 결과, Ru 포함한 염료에서 가장 높은 광전류가 발생하였다.
수화젤의 아가로즈 고분자는 이온의 이동을 원활하게 해주는 것으로 보이나, 최소 함량에서 가장 좋은 태양전지 성능을 나타냈으며 고분자 함량이 증가할수록 광전류 값이 낮아짐을 확인하였다. 하이드로퀴논이 첨가된 HGPV에 다양한 흡수 스펙트럼을 가지는 염료를 적용해본 결과, Ru 포함한 염료에서 가장 높은 광전류가 발생하였다. 마지막으로 TiO₂ 다공성 필름이 도포된 FTO 전극을 사용할 경우, HGPV의 광전류와 광전압이 각각 ~36배, ~9배로 크게 향상됨을 확인하였다.

후속연구

이렇듯, 하이드로퀴논이 첨가된 HGPV 는 특정 염료 양 또는 농도에서 최대 광전류를 보이 며, 광전압은 염료의 양과 무관하게 일정하다. 본 논문의 해석에 따르면 하이드로퀴논의 양이 광전류와 광전압에 영향을 줄 것으로 예상되는데, 이 부분에 대한 추가적인 연구가 필요할 것이다.
이처럼 하이드로퀴논 환원제를 첨가하여 HGPV의 성능을 향상시킬 수 있었다. 하이드로퀴논 함량의 영향, 하이드로퀴논의 짝산화물인 벤조퀴논 혼합의 효과, 다양한 염료의 활용, 하이드로퀴논의 독성 등을 고려한 추가적인 연구를 통해 수화젤 기반 태양전지의 효율을 크게 향상 시킨다면, 자연 친화적이고 경제적인 생체 모방형 태양전지 상용화를 더욱 앞당길 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수화젤 기반 태양전지의 장점은 무엇인가?	앞서 발표된 수화젤 기반 태양전지(hydrogel-based photovoltaics, 이하 HGPV)는 생체 모방형 태양전지중 하나로, 98% 물로 이루어진 수화젤에 염료나 엽록소/광계 등의 광반응 물질을 주입하여 광전류를 생산한다12). 구조가 간단하고 자연 친화적인 물질을 사용한다는 장점은 있으나, 다른 생체 모방형 태양전지와 마찬가지로 낮은 광전류 생성 값을 향상시킬 필요가 있다. 본 논문에서는 나뭇잎의 광합성 과정에서 전자 전달에 사용되는 퀴논 계열 물질을 첨가하여 HGPV의 광전류 성능을 향상시킨다.
	현재 개발된 태양전지의 종류는 무엇이 있는가?	태양광전지는 차세대 신재생 에너지 소자의 대표적 예로서 태양으로부터 오는 빛을 받아 여기된 전자가 방출되는 광전 효과를 이용하여 전기 에너지를 생산하는 친환경 에너지 생산 소자이다. 20세기 중반 이후, 반도체 실리콘을 기반으로 하는 태양전지를 필두로,1)유기 태양전지(organic photovoltaics, OPVs)와2) 염료감응형 태양전지(dye-sensitized solar cells, DSSCs)3)등 다양한 태양전지가 개발되어 오고 있으며, 최근에는 저비용, 고효율 측면에서 잠재력이 큰 유기－무기 하이브리드 페로브스카이트 기반 태양전지가 활발히 연구되고 있다4,5). 이러한 태양전지 연구와 더불어, 자연의 나뭇잎을 모사한 생체 모방형 태양전지에 대한 연구도 지속적으로 진행되고 있다.
	태양광전지란?	태양광전지는 차세대 신재생 에너지 소자의 대표적 예로서 태양으로부터 오는 빛을 받아 여기된 전자가 방출되는 광전 효과를 이용하여 전기 에너지를 생산하는 친환경 에너지 생산 소자이다. 20세기 중반 이후, 반도체 실리콘을 기반으로 하는 태양전지를 필두로,1)유기 태양전지(organic photovoltaics, OPVs)와2) 염료감응형 태양전지(dye-sensitized solar cells, DSSCs)3)등 다양한 태양전지가 개발되어 오고 있으며, 최근에는 저비용, 고효율 측면에서 잠재력이 큰 유기－무기 하이브리드 페로브스카이트 기반 태양전지가 활발히 연구되고 있다4,5).

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