Quasi-solid-state flexible dye-sensitized solar cells using compression method

Abstract

본 연구에서는 압축법 (compression method)를 이용해 플라스틱 기판 작동전극을 제작하고 상전이 방법을 통해 gel polymer electrolyte를 제조하여 적용함으로써 유연하고 안정성이 뛰어난 태양전지를 제작하였다. 압축법을 도입하여 압력의 세기와 TiO2 film의 두께를 조절하였고 그에 따른 cell의 광기전 특성을 solar simulator를 이용해 측정 및 분석하였다. 가해주는 압력이 증가함에 따라 Jsc, Voc, FF와 같은 광기전 특성이 향상되었고 이를 통해 TiO2 입자 간에 interconnection이 증가한 것을 확인할 수 있었다. 반면에, TiO2 film의 두께가 11 μm보다 두꺼워지면 전자와 I3- 이온 간에 재결합 현상이 늘어나 cell의 광기전 특성이 감소하였다. 위 결과를 바탕으로 최적 압력 및 두께 조건에서 3.87%의 최대효율을 얻을 수 있었고 이는 sintering 과정을 통해 제작된 유리 기판 cell의 광변환 효율의 약 92%에 달하는 높은 성능이다. 압축법을 이용해 제작된 플라스틱 기판 cell에 gel polymer electrolyte를 적용하고자, poly(vinylidenefluoride-co-hexafluoropropylene) (PVdF-HFP)에 polyethylene oxide-co-polypropylene oxide-co-polyethylene oxide (P123)을 다양한 비율로 넣어주고 이를 비용매인 물에 침전시킴으로써 상전이 방법을 유도해 porous polymer membrane을 제조하였다. FE-SEM과 porosimeter를 이용해 P123의 비율에 따라 porous polymer membrane에 생성된 pore의 크기와 부피 변화를 측정하였다. P123의 비율이 증가함에 따라 pore의 크기와 부피가 증가하였고 이 때문에 porous polymer membrane의 전해질 흡수능력이 향상되었다. 또한, 전해질 용액과 친화력이 높은 P123의 비율이 커짐에 따라 porous membrane의 전해질 누수 현상도 감소하는 것을 확인하였다. 다음으로, porous polymer electrolyte membrane을 플라스틱 기판 cell에 적용하여 P123의 비율에 따른 cell의 광기전 특성을 확인하였다. P123의 비율이 증가함에 따라 cell의 광기전 성능이 향상되었고 비율이 50 wt%일 때 2.97%의 효율을 보였다. 또한, porous polymer electrolyte membrane의 장기간 안정성을 측정한 결과, 액체 전해질을 사용한 cell은 전해질의 누수현상이 발생해 효율이 50%까지 감소하였지만, gel polymer electrolyte 적용한 cell은 효율이 초깃값의 78%를 유지하였다. 이러한 결과를 통해서 porous polymer membrane의 뛰어난 전해질 보존능력을 확인할 수 있었다.

Photovoltaic performance of quasi-solid-state flexible DSSCs using a compression method was examined. Flexible working electrodes were fabricated by compression method at room temperature. Photovoltaic properties of cells were controlled by pressure condition and TiO2 film thickness. As the pressure increased, photovoltaic properties were improved due to increase of interconnection between TiO2 particles. As the TiO2 film exceeded 11 μm, photovoltaic performance decreased because of increase of electrical conduction pathway in TiO2 film. Therefore, The maximum efficiency of flexible DSSCs was 3.87% under the 1500 kgf/cm2 pressure condition and 11 μm TiO2 thickness. As for the assembly of quasi-solid-state flexible solar cell, porous polymer electrolyte membranes were also fabricated. The porous polymer membranes were prepared by phase inversion method. For inducement of phase inversion, poly(vinylidene-fluoride-co-hexafluoropropylene) (PVDF-HFP) and polyethylene oxide-co-polypropylene oxide-co-polyethylene oxide (P123) were into the water solvent. As the weight ratio of P123 to PVDF-HFP increased, size and volume of pore increased, and therefore electrolyte uptake of the porous polymer membrane was improved. Also, electrolyte leakage phenomena decreased in accordance with increase of the weight ratio of P123. Quasi-solid-state flexible solar cells fabricated with this gel polymer electrolyte with 50 wt% of P123 exhibited conversion efficiency of 2.97%. In addition to this result, long-term stability was investigated. The efficiency of flexible DSSC fabricated with gel polymer electrolyte retains 78% of its initial value, whereas the efficiency of solar cell with liquid electrolyte decreases dramatically because of leakage of electrolyte. Thus, quasi-solid state flexible solar cells possessed much better long-term stability compared with those based on liquid electrolyte.