KR20180082183A - 전도성 전극, 이를 포함하는 양자점 태양전지, 이를 포함하는 물 분해 수소발생장치 및 이의 제조방법 - Google Patents
전도성 전극, 이를 포함하는 양자점 태양전지, 이를 포함하는 물 분해 수소발생장치 및 이의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
전도성 전극, 이를 포함하는 양자점 태양전지, 이를 포함하는 물 분해 수소발생장치 및 이의 제조방법이 제공된다. 전도성 전극은 EDT(1,2-ethanedithiol)로 도핑된 PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 박막으로 구성된다. 양자점 태양전지는 서로 대향하는 광전극 및 상대전극을 포함한다. 광전극은, 표면이 투명전극으로 코팅된 기판과, 기판의 투명전극 상에 배치된 전하이동층과, 전하이동층 상에 배치된 양자점층을 포함한다. 상대전극은, EDT(1,2-ethanedithiol)로 도핑된 PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 박막을 포함한다.
Description
본 발명은 전도성 전극, 이를 포함하는 양자점 태양전지, 이를 포함하는 물 분해 수소발생장치 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기 전도도가 높고 전해질과의 계면 특성이 우수한 전도성 전극, 이를 포함하는 양자점 태양전지, 이를 포함하는 물 분해 수소발생장치 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
콜로이드 양자점(quantum dots, QD)은 밴드갭 조절이 쉽고, 다중 여기자를 생성하며, 고유 쌍극자 모멘트가 크고, 가격이 저렴한 등의 장점으로 인해 광전자 장치에 널리 사용되고 있다. 특히, 금속 황화물 QD는 전하 분리가 빠르고, 흡광계수가 커서, QD-감응 태양전지에 광 하베스터(harvester)로 사용되고 있다.
태양전지의 전해질에는 금속 황화물 QD의 수명을 연장시키기 위한 정공 제거제로서 폴리설파이드(S2-/Sn 2 -)(n은 자연수) 산화환원 촉매가 사용되고 있다. 그러나, 태양 에너지 변환효율(energy conversion efficiency, ECE)을 높이기 위해서는 전해질 및 산화환원 촉매 상대전극(counter electrode, CE) 사이의 계면에서의 전하 이동속도를 증가시킬 필요가 있다. 즉, 전해질에서 S2-/Sn 2 -(n은 자연수)로의 촉매 활성을 향상시킴으로써 계면에서의 전하 수송 한계를 극복할 필요가 있다.
백금(Pt)은 전기촉매 활성이 뛰어나 광전기화학 장치에서 널리 사용되고 있다. 그러나, S2 -/Sn 2 -(n은 자연수) 산화환원제로서 사용되는 경우 환원 시의 과전압(overpotential)을 높이며, 특히, QD 태양전지에서 백금은 광 애노드/전해질 계면에서 전자들의 재결합을 증가시켜 S2-/Sn 2 -(n은 자연수)의 환원을 방해하고 광전지 성능을 저하시킬 수 있다.
따라서 이러한 성능 저하를 해결하고 S2-/Sn 2 -(n은 자연수)에 대한 전기촉매 활성을 증가시키기 위해, 금속 황화물, 탄소재 등의 여러 대체 물질들이 개발되고 있다. 특히, QD 태양전지의 상대전극으로서 CuxS와 같은 금속 황화물이 널리 사용되고 있지만, S2-/Sn 2 -(n은 자연수) 전해질에 의해 부식되고, 유연성(flexibility)이 제한되는 문제가 있다.
이에 따라, 광전기화학 장치의 촉매로서 전도성 고분자를 사용하는 시도도 이루어지고 있다. 전도성 고분자는 촉매 특성 및 전도성이 뛰어나고, 가격이 저렴하며, 유연한(flexible) 장칭도 쉽게 적용될 수 있는 장점이 있다. 여러 전도성 고분자 중 내구성, 전도성 및 촉매 특성이 뛰어난 PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene))가 전기화학 소자에 널리 사용되고 있다.
특히, PEDOT 나노섬유(nanofiber)는 전하 수송 효율이 높고 다공성 그물 구조 내에서의 활성 영역이 넓어 산화환원의 환원 촉매로서 백금과 동일하거나 더 뛰어난 성능을 보여준다. 그러나 PEDOT 나노섬유의 우수한 특성에도 불구하고, 기존의 PEDOT-기반 상대전극을 사용한 QD 태양전지들은, PEDOT와 S2-/Sn 2 -(n은 자연수) 사이의 전하 수송이 제한됨에 따라 단락전류밀도(Jsc)가 낮아져, 에너지 변환효율(ECE)이 1.56% 미만으로 낮게 나타난다. 즉, 소재 자체의 특성이 우수함에도 불구하고 PEDOT는 S2-/Sn 2 -(n은 자연수)과 함께 사용될 경우 전극 촉매로서 바람직하지 않은 전도성 고분자인 것으로 보고되고 있다.
또한, 비슷한 맥락에서, 물 분해 수소발생장치의 전극으로서 PEDOT를 사용하여 성능을 향상시키기 위한 시도는 이뤄지지 않고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 유연한(flexible) 장치에 적용될 수 있고, 전기 전도도가 우수한 전도성 고분자를 이용한 전도성 전극 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 폴리설파이드 전해질과의 계면 특성이 우수하고 태양 에너지 변환효율을 향상시키는 전도성 전극을 포함한 양자점 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 전도성이 우수하고 수소 발생량을 증가시킬 수 있는 전도성 전극을 포함한 물 분해 수소발생장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면은 전도성 전극을 제공한다. 상기 전도성 전극은 EDT(1,2-ethanedithiol)로 도핑된 PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 박막으로 구성된다.
상기 전도성 전극은, PEDOT 중량 대비 10 wt% 내지 30 wt%의 중량으로 EDT가 도핑된 것일 수 있다.
상기 PEDOT 박막은, 나노섬유, 나노로드, 나노와이어, 나노튜브 및 나노입자 중 어느 하나의 형태를 갖는 PEDOT를 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 측면은 양자점 태양전지를 제공한다. 상기 양자점 태양전지는 서로 대향하는 광전극 및 상대전극을 포함한다. 상기 광전극은, 표면이 투명전극으로 코팅된 기판과, 상기 기판의 투명전극 상에 배치된 전하이동층과, 상기 전하이동층 상에 배치된 양자점층을 포함한다. 상기 상대전극은, EDT로 도핑된 PEDOT 박막을 포함한다.
상기 양자점 태양전지는 상기 광전극 및 상대전극의 사이에 충진되는 폴리설파이드 전해질을 더 포함할 수 있다.
상기 PEDOT 박막은 PEDOT 중량 대비 10 wt% 내지 30 wt%의 중량으로 EDT가 도핑된 것일 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 측면은 물 분해 수소발생장치를 제공한다. 상기 물 분해 수소발생장치는 서로 대향하는 광전극 및 상대전극을 포함한다. 상기 광전극은, 표면이 투명전극으로 코팅된 기판과, 상기 기판의 투명전극 상에 배치된 전하이동층을 포함한다. 상기 상대전극은, EDT로 도핑된 PEDOT 박막을 포함한다.
상기 물 분해 수소발생장치는 상기 광전극 및 상대전극의 사이에 충진되는 폴리설파이드 전해질을 더 포함할 수 있다.
상기 PEDOT 박막은 PEDOT 중량 대비 10 wt% 내지 30 wt%의 중량으로 EDT가 도핑된 것일 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 측면은 전도성 전극의 제조방법을 제공한다. 상기 제조방법은, (a) PEDOT 나노섬유를 합성하는 단계, (b) 상기 PEDOT 나노섬유를 메탄올 및 디메틸설폭사이드의 혼합용액에 분산시키는 단계, (c) 상기 PEDOT 나노섬유가 분산된 혼합용액에 EDT를 첨가하여 PEDOT 나노섬유를 도핑시키는 단계, 및 (d) 상기 도핑된 PEDOT 나노섬유로 구성되는 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 단계 (c)에서는, 상기 PEDOT 나노섬유의 중량 대비 상기 EDT를 1.5 배 내지 3.5 배의 중량으로 첨가할 수 있다.
상기 단계 (b)에서는, 상기 혼합용액에 상기 PEDOT 나노섬유를 1 중량% 내지 3 중량%로 분산시킬 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 측면은 양자점 태양전지의 제조방법을 제공한다. 상기 제조방법은, 표면에 투명전극이 코팅된 기판을 제공하는 단계, 상기 기판의 투명전극 상에 다공성 나노입자들로 구성되는 전하이동층을 형성하는 단계, 상기 전하이동층 상에 칼코게나이드계 양자점층을 형성하는 단계, 상기 양자점층 상에 스페이서를 부착하고, 상기 양자점층에 대향하도록 상기 스페이서에 의해 이격되는 상대전극을 배치하는 단계, 및 상기 양자점층 및 상대전극의 사이에 폴리설파이드 전해질을 충진시키는 단계를 포함한다. 상기 상대전극은, EDT로 도핑된 PEDOT 박막으로 구성된다.
상기 상대전극은 PEDOT 나노섬유의 분산 용액에 PEDOT 중량 대비 1.5배 내지 3.5배의 중량으로 EDT가 첨가되어 EDT-도핑된 PEDOT를 포함한다.
본 발명에 따르면, 전도성 전극이 EDT로 도핑된 PEDOT 박막으로 구성됨으로써, 유연성을 가지면서도 전기 전도도가 향상될 수 있다.
또한, EDT로 도핑된 PEDOT 박막을 상대전극에 적용함으로써, 양자점 태양전지의 폴리설파이드 전해질과의 계면 특성을 향상시킬 수 있고, 에너지 변환효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 물 분해 수소발생장치의 상대전극으로서 EDT로 도핑된 PEDOT 박막을 사용함으로써, 전도성을 향상시키고 수소 발생량을 증가시킬 수 있다.
다만, 발명의 효과는 상기에서 언급한 효과로 제한되지 아니하며, 언급되지 않은 또 다른 효과들을 하기의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 PEDOT 사슬에 포함되는 벤조이드 구조 및 퀴노이드 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 PEDOT 사슬의 배좌(conformation)를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 3은 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 X선 소각산란(small-angle X-ray scattering) 측정한 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 X선 광전자 분광 분석한 그래프이다.
도 5는 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 적외 스펙트럼 분석한 그래프이다.
도 6은 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 라만 분광분석한 그래프이다.
도 7a 내지 도 7c는 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극과 폴리설파이드 전해질 간의 접촉각을 측정한 도면들이다.
도 7d 내지 도 7f는 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 원자 힘 현미경으로 측정한 표면도들이다.
도 8은 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 상대전극으로 포함하는 양자점 태양전지의 광전류밀도를 도시한 그래프이다.
도 9는 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 상대전극으로 포함하는 양자점 태양전지의 타펠 곡선(Tafel polarization)을 도시한 그래프이다.
도 10a 및 도 10b는 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 상대전극으로 포함하는 양자점 태양전지의 전하이동저항(a) 및 면 저항(b)을 도시한 그래프이다.
도 11은 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 상대전극으로 포함하는 양자점 태양전지의 입사 광자-전자 변환효율(incident photon to electron conversion efficiency, IPCE)을 도시한 그래프이다.
도 12a 및 도 12b는 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 상대전극으로 포함하는 양자점 태양전지의 인가전압 대비 전자 수명(a) 및 시간에 따른 전지효율(b)을 도시한 그래프이다.
도 13은 PEDOT 나노섬유의 EDT 도핑 농도에 따른, EDT-도핑된 PEDOT 상대전극을 포함하는 양자점 태양전지의 광전류-전압 분포를 도시한 그래프이다.
도 14는 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 상대전극으로 포함하는 물 분해 수소발생장치의 수소 발생량을 도시한 그래프이다.
도 2는 PEDOT 사슬의 배좌(conformation)를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 3은 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 X선 소각산란(small-angle X-ray scattering) 측정한 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 X선 광전자 분광 분석한 그래프이다.
도 5는 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 적외 스펙트럼 분석한 그래프이다.
도 6은 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 라만 분광분석한 그래프이다.
도 7a 내지 도 7c는 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극과 폴리설파이드 전해질 간의 접촉각을 측정한 도면들이다.
도 7d 내지 도 7f는 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 원자 힘 현미경으로 측정한 표면도들이다.
도 8은 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 상대전극으로 포함하는 양자점 태양전지의 광전류밀도를 도시한 그래프이다.
도 9는 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 상대전극으로 포함하는 양자점 태양전지의 타펠 곡선(Tafel polarization)을 도시한 그래프이다.
도 10a 및 도 10b는 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 상대전극으로 포함하는 양자점 태양전지의 전하이동저항(a) 및 면 저항(b)을 도시한 그래프이다.
도 11은 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 상대전극으로 포함하는 양자점 태양전지의 입사 광자-전자 변환효율(incident photon to electron conversion efficiency, IPCE)을 도시한 그래프이다.
도 12a 및 도 12b는 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 상대전극으로 포함하는 양자점 태양전지의 인가전압 대비 전자 수명(a) 및 시간에 따른 전지효율(b)을 도시한 그래프이다.
도 13은 PEDOT 나노섬유의 EDT 도핑 농도에 따른, EDT-도핑된 PEDOT 상대전극을 포함하는 양자점 태양전지의 광전류-전압 분포를 도시한 그래프이다.
도 14는 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 상대전극으로 포함하는 물 분해 수소발생장치의 수소 발생량을 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 전극은 EDT(1,2-ethanedithiol)로 도핑된 PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 박막으로 구성된다. 전도성 전극은 PEDOT 중량 대비 10 wt% 내지 30 wt% 중량의 EDT로 도핑된 PEDOT로 구성될 수 있다. 바람직하게는, 전도성 전극은 PEDOT 중량 대비 15 wt% 내지 23 wt% 중량의 EDT로 도핑된 PEDOT로 구성될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 전도성 전극은 PEDOT 중량 대비 19wt% 중량의 EDT로 도핑된 PEDOT로 구성될 수 있다.
이때, PEDOT 박막은 나노섬유(nanofiber), 나노로드(nanorod), 나노와이어(nanowire), 나노튜브(nanotube), 나노입자(nanoparticle) 등의 형태를 갖는 PEDOT가 박막으로 형성된 것일 수 있다.
상기 전도성 전극은 예를 들어, 합성된 PEDOT 나노섬유를 유기용매의 혼합용액에 분산시킨 다음 EDT를 첨가하여 PEDOT에 EDT를 도핑시키고, 이를 박막으로 형성함으로써 제조될 수 있다.
예를 들어, PEDOT 나노섬유는, 탈이온수(DI water)에 용해된 황산도데실나트륨(sodium dodecyl sulfate, SDS)과 탈이온수에 용해된 염화철(FeCl3)의 혼합용액에 EDOT(3,4-Ethylenedioxythiophene)를 첨가하여 중합시킴으로써, 합성될 수 있다. PEDOT 나노섬유 합성 시 산화제로서, p-톨루엔설포네이트, 테트라플루오로보레이트, 헥사플루오로포스페이트, 퍼클로레이트 및 클로라이드 중에서 선택되는 하나 이상의 음이온이 금속 양이온과 결합된 복합체가 사용될 수 있다. PEDOT 나노섬유 합성 시 계면활성제로서, 지방산염, 모노알킬 황산염, 알킬폴리옥시에틸렌 황산염, 알킬벤젠술폰산염 또는 모노알킬인산염의 음이온 계면활성제가 사용되거나, 디알킬디메틸암모늄염 또는 알킬벤질메틸암모늄염의 양이온 계면활성제가 사용되거나, 아미노산계와 알킬설포베타인 또는 알킬카르복시베타인의 베타인계의 양성 계면활성제가 사용되거나, 폴리옥시에틸렌알킬에테르, 지방산 솔비탄에스테르, 지방산 디에탄올아민 또는 알킬모노글리세릴에테르의 비이온성 계면활성제가 사용될 수 있다.
합성된 PEDOT 나노섬유는, 유기용매로서 예컨대, 메탄올 및 디메틸설폭사이드의 혼합용액에 분산될 수 있다. 이때, PEDOT 나노섬유는 상기 메탄올 및 디메틸설폭사이드의 혼합용액에 1 중량% 내지 3 중량%로 분산될 수 있다.
이어서, PEDOT 나노섬유가 분산된 혼합용액에 EDT를 첨가하여 PEDOT 나노섬유를 EDT로 도핑시킬 수 있다. 이때 첨가되는 EDT는 PEDOT 나노섬유의 중량 대비 1.5배 내지 3.5배의 중량을 가질 수 있다. 예를 들어, PEDOT 나노섬유 2 중량%에 대해, 3 중량% 내지 7 중량%, 일 예로는 5 중량%의 중량비로 EDT가 첨가될 수 있다.
이어서, EDT-도핑된 PEDOT 나노섬유를 드롭 캐스팅(drop-casting), 스프레이(spaying), 스핀 코팅, 닥터 블레이드 등의 방법에 의해 박막 전극으로 형성할 수 있다. 구체적으로는, EDT-도핑된 PEDOT 나노섬유를 드롭 캐스팅(drop-casting) 하여, 박막 전극을 형성할 수 있다. 상기 드롭 캐스팅은 열에 의하여 상기 용액 내의 용매와 일부 EDT를 증발시켜, 전극의 최종 구조에서, PEDOT 중량 대비 10 wt% 내지 30 wt% , 구체적으로, 15 wt% 내지 23 wt%, 더 구체적으로 19wt% 중량의 EDT로 도핑된 PEDOT을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양전지는, 서로 대향하는 광전극 및 상대전극을 포함한다. 상기 광전극 및 상대전극의 사이에는 폴리설파이드 전해질이 충진될 수 있다.
상기 광전극은, 투명전극으로 코팅된 기판, 전하이동층 및 양자점층의 적층 구조를 가질 수 있다.
상기 기판은 유리, 실리콘 재질 등을 포함하고, 일면이 ITO, FTO 등의 투명전극으로 코팅될 수 있다.
상기 전하이동층은 상기 기판에 코팅된 투명전극 상에 배치되는, 다공성 나노입자들로 이루어질 수 있다. 상기 다공성 나노입자는 TiO2, SnO2 등의 나노입자일 수 있다. 예를 들어, 전하이동층은 제1 직경의 다공성 나노입자들로 이루어진 제1 입자층과, 그 위에 적층되고 상기 제1 직경보다 큰 제2 직경의 다공성 나노입자들로 이루어진 제2 입자층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 직경은 15 nm 내지 40 nm일 수 있고, 제2 직경은 350 nm 내지 450 nm일 수 있다.
상기 양자점층은 전하이동층 상에 연속 이온층 흡착 및 반응(successive ionic layer adsorption and reaction, SILAR) 공정을 통해 칼코게나이드계 양자점을 성장시킴으로써 형성될 수 있다.
상기 상대전극은, 전도성 전극으로서 EDT-도핑된 PEDOT 박막을 포함할 수 있다. 상기 PEDOT 박막은 PEDOT 중량 대비 10 wt% 내지 30 wt%의 중량으로 EDT가 도핑된 박막일 수 있다. 도핑되는 EDT의 중량이 PEDOT 중량 대비 10 wt% 미만이거나 30 wt%초과인 경우, 양자점 태양전지의 단락전류밀도(Jsc)를 감소시키고, 낮은 광전변환효율을 나타낸다. 바람직하게는, PEDOT에 도핑되는 EDT의 중량은, PEDOT 중량 대비 15 wt% 내지 24 wt%, 더욱 바람직하게는 19 wt%일 수 있다. 이 경우, EDT-도핑된 PEDOT를 상대전극으로 적용하는 양자점 태양전지의 단락전류밀도 및 광전변환효율이 최대가 될 수 있다.
상기 양자점 태양전지는, 기판 표면에 코팅된 투명전극 상에 다공성 나노입자들로 구성되는 전하이동층을 형성하고, 그 위에 칼코게나이드계 양자점층을 형성하며, 양자점층 상에 스페이서를 부착하고, 상기 양자점층에 대향하도록 상기 스페이서에 의해 이격되는 상대전극을 배치한 다음, 상기 양자점층 및 상대전극의 사이에 폴리설파이드 전해질을 충진시킴으로써, 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 물 분해 수소발생장치는, 서로 대향하는 광전극 및 상대전극을 포함한다. 상기 광전극 및 상대전극의 사이에는 폴리설파이드 전해질이 충진될 수 있다.
상기 광전극은, 투명전극으로 코팅된 기판 및 전하이동층의 적층 구조를 가질 수 있다.
상기 기판은 유리, 실리콘 재질 등을 포함하고, 일면이 ITO, FTO 등의 투명전극으로 코팅될 수 있다.
상기 전하이동층은 상기 기판에 코팅된 투명전극 상에 배치되는, 다공성 나노입자들로 이루어질 수 있다. 상기 다공성 나노입자는 TiO2, SnO2 등의 나노입자일 수 있다. 예를 들어, 전하이동층은 직경이 상이한 다공성 나노입자들의 적층 구조를 가질 수 있다.
상기 상대전극은, EDT로 도핑된 PEDOT 박막을 포함할 수 있다.
상기 물 분해 수소발생장치는 상기 광전극 및 상대전극이, 폴리설파이드 전해질을 수용한 쿼츠 셀에 침지되는 구조를 가질 수 있다.
이처럼, EDT-도핑된 PEDOT 박막을 상대전극으로 사용함으로써, 물 분해 수소발생장치의 수소 발생량이 증가될 수 있다.
제조예
1 - 전도성 전극
PEDOT 나노섬유는 원통형 미셀 주형 내에서 산화 중합시키는 공지의 방법을 통해 합성되었다. 구체적으로, 탈이온수에 30 mmol의 SDS(sodium dodecyl sulfate)가 용해된 제1 용액에, 탈이온수에 16.33 mmol의 FeCl3가 용해된 제2 용액을 첨가하고 50 ℃에서 1시간 동안 교반하여 제1 혼합용액을 제조하였다. 제1 혼합용액에 7 mmol의 EDOT를 느리게 첨가하고, 50 ℃에서 6시간 동안 중합시켜 PEDOT 나노섬유를 합성하였다.
합성된 PEDOT 나노섬유 2 중량%, 메탄올 93 중량% 및 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO) 5 중량%으로 이루어진 제2 혼합용액에, 상기 PEDOT 나노섬유 2 중량% 대비 5 중량%의 EDT를 첨가하여 PEDOT를 EDT로 도핑시켰다.
이어서, EDT-도핑된 PEDOT 용액을 FTO 유리 기판 위에 6 ㎛ 내지 7 ㎛ 두께가 유지되도록 드롭 캐스팅하여 전도성 전극을 제조하였다.
제조예
2 -
양자점
태양전지
광전극으로서, FTO 유리 기판을 40 mM의 TiCl4 수용액에 70 ℃에서 30분 동안 침지하여 TiO2 박막층을 형성하였다. 이어서, 약 30 nm 입자 크기를 갖는 TiO2 나노입자(Dyesol) 2개층과, 약 400 nm 입자 크기를 갖는 TiO2 광 산란입자(CCIC) 1개층을 스크린-인쇄하여 12 ㎛ 두께의 TiO2 전극층을 형성하였다.
이어서, SILAR 공정에 의해 상기 TiO2 전극층 위에 PbS/CdS 양자점층을 인-시츄(in-situ) 성장시켰다. 구체적으로, PbS 증착을 위해, 상기 TiO2 전극층을 0.02 M의 Pb(NO3)2가 메탄올에 용해된 제1 용액에 1차 침지한 후, 메탄올/물의 1:1 부피비 혼합용액에 0.02 M Na2S?E9H2O이 첨가된 제2 용액에 2차 침지시키는 과정을 3번 반복하였다. CdS 증착의 경우, 상기 전극층을 0.1 M Cd(CH3COO)2?E2H2O이 메탄올에 용해된 제1 용액에 1차 침지한 후, 메탄올/물의 1:1 부피비 혼합용액에 0.1 M Na2S의 Na2S?E9H2O이 첨가된 제2 용액에 2차 침지시키는 과정을 6번 반복하였다.
패시베이션층을 형성하기 위해, PbS/CdS 양자점 광전극을 0.1 M Zn(CH3COO)2?E2H2O의 메탄올 혼합용액에 1차 침지하고, 메탄올/물의 1:1 부피비 혼합용액에 0.1 M Na2S?E9H2O이 첨가된 제2 용액에 2차 침지하는 과정을 3번 반복하여, 광전극을 제조하였다.
이어서, 제조예 1에서 제조된 전도성 전극(상대전극)에 2개의 전해질 주입홀을 형성하고, 상기 제조된 광전극에 25 ㎛ 두께의 고분자 스페이서(Surlyn)을 부착하여, 스페이서에 의해 이격되도록 상대전극과 광전극을 부착시켰다. 상대전극과 광전극 사이의 이격된 공간에 상기 전해질 주입홀을 통해 2.0 M의 S, Na2S 및 KCl의 수용액을 충진한 후, 전해질 주입홀을 밀봉하여, 양자점 태양전지를 제조하였다.
제조예
3 -
양자점
태양전지
상대전극으로서 제조예 1의 전도성 전극의 제조 시, PEDOT를 3 중량%의 EDT로 도핑한 점을 제외하면, 제조예 2의 양자점 태양전지와 동일하게 제조되었다.
제조예
4 -
양자점
태양전지
상대전극으로서 제조예 1의 전도성 전극의 제조 시, PEDOT를 7 중량%의 EDT로 도핑한 점을 제외하면, 제조예 2의 양자점 태양전지와 동일하게 제조되었다.
제조예
5 - 물 분해
수소발생장치
제조예 2의 양자점 태양전지 제조에 사용된 광전극에서 양자점층이 생략된 광전극을, 제조예 1의 전도성 전극(상대전극)과 함께, 제조예 2의 양자점 태양전지 제조에 사용된 전해질이 담긴 쿼츠 셀에 침지하여 물 분해 수소발생장치를 제조하였다.
비교예
1 - 전도성 전극
PEDOT 나노섬유를 도핑시키지 않은 점을 제외하면, 제조예 1의 전도성 전극과 동일하게 제조되었다.
비교예
2 - 전도성 전극
PEDOT 나노섬유의 도핑을 위해, EDT 대신 EG(Ethylene glycol)를 사용한 점을 제외하면, 제조예 1의 전도성 전극과 동일하게 제조되었다.
비교예
3 -
양자점
태양전지
상대전극으로서 비교예 1의 전도성 전극을 사용한 점을 제외하면, 제조예 2의 양자점 태양전지와 동일하게 제조되었다.
비교예
4 -
양자점
태양전지
상대전극으로서 비교예 2의 전도성 전극을 사용한 점을 제외하면, 제조예 2의 양자점 태양전지와 동일하게 제조되었다.
비교예
5 -
양자점
태양전지
상대전극으로서 제조예 1의 전도성 전극의 제조 시, PEDOT를 10 중량%의 EDT로 도핑한 점을 제외하면, 제조예 2의 양자점 태양전지와 동일하게 제조되었다.
비교예
6 - 물 분해
수소발생장치
상대전극으로서 비교예 1의 전도성 전극을 사용한 점을 제외하면, 제조예 5의 물 분해 수소발생장치와 동일하게 제조되었다.
도 1은 PEDOT 사슬에 포함되는 벤조이드 구조 및 퀴노이드 구조를 도시한 도면이다. 도 2는 PEDOT 사슬의 배좌(conformation)를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 일반적으로 PEDOT 사슬은 코일 형태의 배좌를 갖는 벤조이드 구조와, 선형(linear) 또는 연장된 코일(expanded coil) 형태의 배좌를 갖는 퀴노이드 구조를 가질 수 있다. 이러한 PEDOT 사슬의 배좌 구조에 따라, PEDOT 사슬들 간의 상호작용이 달라지며, 전기전도도가 달라질 수 있다.
도 3은 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 X선 소각산란(small-angle X-ray scattering, SAXS) 측정한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 비교예 1의 전도성 전극(PEDOT NF)과, 비교예 2의 전도성 전극(PEDOT NF/EG)과, 제조예 1의 전도성 전극(PEDOT NF/EDT)의 물리적 도핑 특성을 확인하기 위해 SAXS 측정한 결과가 도시되었다. 도 3에서 산란세기 I는 모멘텀 전이벡터 q의 함수로 표현되는데, 이로부터 PEDOT 나노섬유 사슬의 배좌(conformation) 변화에 따른 회전반경(radius of gyration)과, 사슬의 응집(aggregation) 정도를 확인할 수 있다. 도 3을 참조하면, 도핑되지 않은 PEDOT 나노섬유의 산란세기에 비해, EG 또는 EDT로 도핑된 PEDOT 나노섬유의 X선 산란세기가 더 작은 것으로 확인되며, 특히, EDT로 도핑된 PEDOT 나노섬유의 X선 산란세기가 가장 작은 것으로 나타난다. 이는, EDT 도핑에 의해 PEDOT 나노섬유 사슬의 응집이 완화되고, 회전반경이 길어짐을 의미한다. 즉, EDT 도핑에 의해 PEDOT 나노섬유 사슬의 배좌가 코일 구조로부터 선형 구조로 변화됨으로써, 사슬이 보다 길어진 것(extended)을 알 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 X선 광전자 분광(X-ray photoelectron spectra, XPS) 분석한 그래프이다.
도 4a를 참조하면, 비교예 1의 전도성 전극(PEDOT NF)과, 비교예 2의 전도성 전극(PEDOT NF/EG)과, 제조예 1의 전도성 전극(PEDOT NF/EDT)의 화학적 도핑 여부를 확인하기 위한 XPS 강도가 도시되었다. 도 4a에서, SDS의 술폰산기의 S(2p3 /2) 피크는 166.5 eV에서 나타나고, PEDOT 사슬의 티오펜 고리의 S(2p3 /2) 피크는 162 eV 내지 163 eV에서 나타난다. 특히, SDS의 S(2p3 /2) 피크 대비 PEDOT의 S(2p3 /2) 피크의 강도는, 제조예 1의 전극에서 4.1배로 가장 높게 나타났고, 비교예 2의 전극에서 3.7배, 비교예 1의 전극에서 3.4배로 나타났다.
도 4b를 참조하면, 도 4a의 XPS 강도를 정규화한, PEDOT 사슬의 S(2p) 결합 에너지 범위가 확대 도시되었다. S (2p3 / 2)의 결합 에너지는, 비교예 1의 전극이 162.1 eV에서 피크를 갖고, 비교예 2의 전극은 162.0 eV에서 피크를 가지며, 제조예 1의 전극은 162.2 eV에서 피크를 갖는 것으로 확인된다. 이때, 결합 에너지 피크의 쉬프트(shift)는 PEDOT 나노섬유와 도핑 물질 사이의 전자 이동 방향으로 인한 것이다. 구체적으로, EG에서 산소의 전기음성도는, PEDOT 나노섬유에서 티오펜의 황의 전기음성도보다 크기 때문에, EG가 PEDOT 나노섬유의 황의 전자를 끌어당김으로써, 결합 에너지가 0.1 eV 증가된다. 반면에, EDT에서 황의 전기음성도는 PEDOT 나노섬유에서 짝을 이룬 티오펜의 황의 전기음성도에 비해 낮기 때문에, EDT가 PEDOT 나노섬유의 티오펜의 황에 전자를 제공하여, 결합 에너지가 0.1 eV 감소된다. 즉, 도 4b에 의해, PEDOT 나노섬유가 EDT에 의해 화학적으로도 도핑되었음을 확인할 수 있다.
도 5는 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 적외 스펙트럼 분석한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 비교예 1의 전도성 전극(PEDOT NF)과, 비교예 2의 전도성 전극(PEDOT NF/EG)과, 제조예 1의 전도성 전극(PEDOT NF/EDT)의 화학적 도핑 여부를 확인하기 위한 적외선 스펙트럼이 도시되었다. 도 5에서, 980 cm-1 내지 985 cm-1 범위에서의 PEDOT 나노섬유의 C-S 결합은 도핑되지 않은 PEDOT 나노섬유(비교예 1)에 비해, EG 도핑의 경우(비교예 2) 강해지고, EDT 도핑의 경우(제조예 1) 감소되는데, 이러한 피크 이동 또한, PEDOT 나노섬유가 화학적으로 도핑되었음을 뒷받침한다.
도 6은 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 라만 분광(Raman spectroscopy) 분석한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 비교예 1의 전도성 전극(PEDOT NF)과, 비교예 2의 전도성 전극(PEDOT NF/EG)과, 제조예 1의 전도성 전극(PEDOT NF/EDT)의 화학적 결합의 변화를 확인하기 위한 라만 분광도가 도시되었다. 도 6에서 1410 cm-1 내지 1515 cm-1 범위의 라만 변이(Raman shift)는, PEDOT 나노섬유에서 티오펜의 Cα=Cβ 결합의 신축 진동에 대응한다. EG 또는 EDT로 도핑된 PEDOT 나노섬유의 경우, 대칭 및 비대칭 신축진동의 강도가 감소하고 피크 폭이 감소되는데, 이로부터 PEDOT 나노섬유가 벤조이드 우세 구조로부터 퀴노이드 우세 구조로 변화되었음을 알 수 있다. 즉, EG 또는 EDT 도핑에 의해 PEDOT 나노섬유의 코일 형태의 배좌가 선형 배좌로 변화됨을 알 수 있다. 특히, EG-도핑된 PEDOT 나노섬유에 비해, EDT-도핑된 PEDOT 나노섬유가 보다 더 퀴노이드 우세 구조를 갖는 것으로 나타난다.
표 1은 비교예 1의 전도성 전극(PEDOT NF)과, 비교예 2의 전도성 전극(PEDOT NF/EG)과, 제조예 1의 전도성 전극(PEDOT NF/EDT)의 전기전도도를 측정한 결과를 나타낸다.
| 도펀트 | 전기전도도 (S/cm) | |
| 제조예 1 | EDT | 489.1 |
| 비교예 1 | - | 133.0 |
| 비교예 2 | EG | 344.1 |
표 1을 참조하면, PEDOT 나노섬유를 EDT 도핑함으로써, 도핑되지 않은 PEDOT 나노섬유에 비해 전기전도도가 3.6배로 크게 향상되며, 특히, 비교예 2의 EG-도핑된 PEDOT 나노섬유에 비해서도 전기전도도가 40% 이상 증가됨을 알 수 있다. 이처럼 PEDOT 나노섬유의 489.1 S/cm까지 증가된 전기전도도는, 화학적 산화 중합법에 의해 제조된 종래의 어떠한 PEDOT 나노섬유에서도 달성하지 못한 정도의 높은 전기전도도에 해당한다.
도 7a 내지 도 7c는 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극과 폴리설파이드 전해질 간의 접촉각을 측정한 도면들이다. 도 7d 내지 도 7f는 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 원자 힘 현미경으로 측정한 표면도들이다.
도 7a 내지 도 7f를 참조하면, 비교예 1의 전도성 전극(PEDOT NF), 비교예 2의 전도성 전극(PEDOT NF/EG), 및 제조예 1의 전도성 전극(PEDOT NF/EDT)에 대한 폴리설파이드 수용액의 접촉각(도 7a 내지 도 7c)과, 각 경우에서의 표면 모폴로지 및 거칠기 길이(도 7d 내지 도 7f)가 도시되었다.
도 7a 내지 도 7f를 참조하면, 도핑에 의해서 PEDOT 사슬의 응집이 감소되고 사슬이 선형 구조로 변화됨에 따라, 표면 거칠기 길이(Rq)가 증가하고, 폴리설파이드 수용액의 접촉각이 70도 미만으로 감소되는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 폴리설파이드 수용액의, EG-도핑된 PEDOT 나노섬유로 구성된 전도성 전극(비교예 2)에서의 접촉각은 56도로 감소되었으며, EDT-도핑된 PEDOT 나노섬유로 구성된 전도성 전극(제조예 1)에서의 접촉각은 41도로 훨씬 더 감소되었다.
이에 따라, EDT-도핑된 PEDOT 나노섬유로 구성된 전도성 전극을 적용할 경우, 양자점 태양전지 또는 물 분해 수소발생장치에 사용되는 S2-/Sn 2 -(n은 자연수) 전해질과의 계면 특성이 향상될 수 있다.
도 8은 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 상대전극으로 포함하는 양자점 태양전지의 광전류밀도를 도시한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 비교예 3의 양자점 태양전지(PEDOT NF), 비교예 4의 양자점 태양전지(PEDOT NF/EG), 및 제조예 2의 양자점 태양전지(PEDOT NF/EDT)의 J-V 그래프가 도시되었다. 표 2는 비교예 3, 비교예 4 및 제조예 2에 따른 양자점 태양전지들의 개방전압(Voc), 단락전류밀도(Jsc), 충진율(FF), 에너지 변환효율(ECE) 및 전하이동저항(Rct_T)를 측정한 결과이다.
| PEDOT 도핑 | Voc (V) | Jsc (mA/cm2) | FF | ECE (%) | Rct_T (Ωcm2) |
|
| 제조예 2 | EDT | 0.51 | 15.30 | 0.39 | 3.03 | 21 |
| 비교예 3 | - | 0.50 | 8.74 | 0.33 | 1.46 | 49 |
| 비교예 4 | EG | 0.51 | 14.06 | 0.38 | 2.72 | 28.5 |
상대전극으로 사용된 PEDOT 나노섬유 전극이 EDT로 도핑된 경우(제조예 2), 도핑되지 않은 경우(비교예 3)에 비해 단락전류밀도가 70% 이상 증가하고, 필 팩터 또한 증가되며, 에너지 변환효율이 3.03%로 2배 이상 크게 증가된 것으로 나타났다.
또한, 도 8 및 표 2를 참조하면, EG-도핑된 PEDOT 나노섬유를 포함한 상대전극을 적용한 경우(비교예 4)에 비해서도, 제조예 2의 태양전지의 광전류밀도 및 충진율이 증가하고, 에너지 변환효율 또한 더욱 증가되어, 우수한 성능을 가지는 것으로 확인되었다.
도 9는 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 상대전극으로 포함하는 양자점 태양전지의 타펠 곡선(Tafel polarization)을 도시한 그래프이다.
도 9를 참조하면, 타펠 곡선은 태양전지의 상대전극의 과전압(overpotential)과 전기화학적 반응속도 간의 관계를 나타낸다. 특히, Tafel 곡선의 중간 전위(moderate potential) 영역인 Tafel 영역에서, 양극 또는 음극 영역의 외삽된 교점은 평형 전압에서의 전류(교환전류밀도(J0))를 나타내는데, 이는 상대전극의 촉매 활동도에 직접 관련된다.
측정 결과, 제조예 2의 교환전류밀도는 2.8 mA/cm2로 나타나, 비교예 3의 교환전류밀도(1.2 mA/cm2)에 비해 2배 이상 크고, 비교예 4의 교환전류밀도(2.1 mA/cm2)보다도 큰 것으로 확인되었다. 또한, 이렇게 측정된 교환전류밀도로부터 전술한 표 2에서와 같이 전하 이동 저항(Rct_T)을 구할 수 있다. 다시 표 2를 참조하면, 제조예 2의 전하 이동 저항이 21 Ωcm2 으로, 비교예 3의 전하 이동 저항(49 Ωcm2) 보다 1/2 이하이고, 비교예 4의 전하 이동 저항(28.5 Ωcm2) 보다도 낮은 것으로 나타났다.
이로부터, EDT-도핑된 PEDOT 나노섬유로 구성된 전도성 전극을 양자점 태양전지의 상대전극에 적용함으로써, 폴리설파이드(S2-/Sn 2 -(n은 자연수)) 전해질과의 계면에서 전하 이동 특성 및 전기촉매 활동도가 향상됨을 알 수 있다. 또한, EDT-도핑된 PEDOT 나노섬유 전극에 의해, 양자점 태양전지의 충진율(FF) 또한 증가하여, 에너지 변환효율(ECE)이 더욱 개선될 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 상대전극으로 포함하는 양자점 태양전지의 전하이동저항(a) 및 면 저항(b)을 도시한 그래프이다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 비교예 3(PEDOT NF), 비교예 4(PEDOT NF/EG), 및 제조예 2(PEDOT NF/EDT)의 태양전지들을, 1 sun 조건에서 다양한 인가 전압에 대해 측정한 결과가 도시되었다. 도 10a에서, 인가 전압이 낮을 때 비교예 3의 전하 이동 저항은 매우 크게 나타나지만, 비교예 4 및 제조예 2의 경우 전하 이동 저항이 낮게 유지된다. 이에 따라, 제조예 2의 경우, 상대전극으로부터 폴리설파이드 전해질로의 전하 이동이 활발하여 환원 반응이 잘 일어나게 되며, 전술된 표 2의 단락전류밀도가 감소될 수 있다.
도 10b를 참조하면, EDT 도핑에 의해 PEDOT 나노섬유로 구성된 전도성 전극의 전기전도도가 증가함에 따라, 면 저항이 낮게 유지될 수 있다.
도 11은 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 상대전극으로 포함하는 양자점 태양전지의 입사 광자-전자 변환효율(incident photon to electron conversion efficiency, IPCE)을 도시한 그래프이다.
도 11을 참조하여 비교예 3(PEDOT NF), 비교예 4(PEDOT NF/EG), 및 제조예 2(PEDOT NF/EDT)의 태양전지들에 대한 IPCE를 확인하면, 모든 파장 범위에서 제조예 2의 태양전지의 광-전자 변환효율이 가장 우수한 것으로 나타나며, 특히, 가시광 영역에서 약 60% 이상 80% 이하의 광-전자 변환효율을 갖는 것으로 확인되었다.
도 12a 및 도 12b는 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 상대전극으로 포함하는 양자점 태양전지의 인가전압 대비 전자 수명(a) 및 시간에 따른 전지효율(b)을 도시한 그래프이다.
도 12a를 참조하면, 비교예 3(PEDOT NF) 및 제조예 2(PEDOT NF/EDT)의 태양전지들의 전자 수명을 비교하면, 비교예 3의 경우에 인가전압이 낮을 때 전하 이동이 제한됨에 따라, 전자 재결합이 활발해져 수명이 짧아지는 반면, 제조예 2의 경우 전하 이동이 활발하여, 전자 수명 또한 증가된 것으로 나타났다.
도 12b를 참조하면, 도 12a의 전자 수명은 시간에 따른 태양전지의 효율 변화에도 영향을 미쳐, 제조예 2에 따른 태양전지의 장기 안정성이 비교예 3에 따른 태양전지의 장기 안정성보다 우수한 것으로 확인된다.
도 13은 PEDOT 나노섬유의 EDT 도핑 농도에 따른, EDT-도핑된 PEDOT 상대전극을 포함하는 양자점 태양전지의 광전류-전압 분포를 도시한 그래프이다.
도 13을 참조하면, 2 중량%의 PEDOT 나노섬유에 도핑되는 EDT의 농도를 0 중량%, 3 중량%, 5 중량%, 7 중량% 및 10 중량%로 변화시킨 경우의 상대전극을 적용한 양자점 태양전지의 광전류-전압이 도시되었다. 표 3은, 각각의 경우에 대해 개방전압(Voc), 단락전류밀도(Jsc), 충진율(FF) 및 에너지 변환효율(ECE)을 측정한 결과이다. 이때, EDT-도핑된 PEDOT 용액은 FTO 유리 기판 위에 0.5 ㎛ 내지 1 ㎛ 두께가 유지되도록 스핀코팅하여 전도성 전극으로 제조되었다.
| PEDOT 상대전극 EDT 도핑 농도 (중량%) |
Voc (V) | Jsc (mA/cm2) | FF | ECE (%) |
| 0 | 0.43 | 10.57 | 0.16 | 0.75 |
| 3 | 0.44 | 14.00 | 0.16 | 1.00 |
| 5 | 0.42 | 17.35 | 0.18 | 1.29 |
| 7 | 0.44 | 15.30 | 0.18 | 1.17 |
| 10 | 0.41 | 12.64 | 0.17 | 0.86 |
도 13 및 표 3을 참조하면, EDT 도핑 농도가 3 중량% 내지 7 중량%일 때, 단락전류밀도가 14.0 mA/cm2 이상으로 증가하고, 에너지 변환효율이 1.0 이상인 것으로 확인되었다. 특히, EDT 도핑 농도가 5 중량%인 경우, 단락전류밀도가 17.35 mA/cm2으로 최대가 되고, 에너지 변환효율도 1.29로 증가된 것으로 나타났다.
반면에, EDT 3 중량% 미만이거나, 10 중량% 초과인 경우, 단락전류밀도가 14 mA/cm2 미만으로 감소되고, 에너지 변환효율 또한 1.0 % 미만으로 감소되는 것으로 나타났다.
또한, 표 2의 제조예 2와 비교할 때, EDT-도핑된 PEDOT 전극의 두께가 1 ㎛ 초과 7 ㎛ 이하로 두껍게 형성되는 경우, 에너지 변환효율이 더욱 향상되는 것으로 확인되었다.
도 14는 비교예 및 제조예에 따른 전도성 전극을 상대전극으로 포함하는 물 분해 수소발생장치의 수소 발생량을 도시한 그래프이다.
도 14를 참조하면, 제조예 5(PEDOT NF/EDT) 및 비교예 6(PEDOT NF)에 따른 물 분해 수소발생장치의 수소 발생량이 도시되었다. EDT 도핑된 PEDOT 나노섬유로 구성된 상대전극을 물 분해 수소발생장치에 적용하는 경우, 수소 발생량이 223 μmol/h cm2으로 증가되어, 비교예 6의 경우에 비해 2배 이상으로 수소 발생량이 증가하는 것으로 확인되었다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
Claims (14)
- EDT(1,2-ethanedithiol)로 도핑된 PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 박막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전도성 전극.
- 제1항에 있어서,
상기 전도성 전극은, PEDOT 중량 대비 10 wt% 내지 30 wt%의 중량으로 EDT가 도핑된 것을 특징으로 하는 전도성 전극. - 제1항에 있어서,
상기 PEDOT 박막은, 나노섬유, 나노로드, 나노와이어, 나노튜브 및 나노입자 중 어느 하나의 형태를 갖는 PEDOT를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 전극. - 서로 대향하는 광전극 및 상대전극을 포함하는 양자점 태양전지에 있어서,
상기 광전극은,
표면이 투명전극으로 코팅된 기판;
상기 기판의 투명전극 상에 배치된 전하이동층; 및
상기 전하이동층 상에 배치된 양자점층을 포함하고,
상기 상대전극은,
EDT(1,2-ethanedithiol)로 도핑된 PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지. - 제4항에 있어서,
상기 광전극 및 상대전극의 사이에 충진되는 폴리설파이드 전해질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지. - 제4항에 있어서,
상기 PEDOT 박막은 PEDOT 중량 대비 10 wt% 내지 30 wt%의 중량으로 EDT가 도핑된 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지. - 서로 대향하는 광전극 및 상대전극을 포함하는 물 분해 수소발생장치에 있어서,
상기 광전극은,
표면이 투명전극으로 코팅된 기판; 및
상기 기판의 투명전극 상에 배치된 전하이동층을 포함하고,
상기 상대전극은,
EDT(1,2-ethanedithiol)로 도핑된 PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 물 분해 수소발생장치. - 제7항에 있어서,
상기 광전극 및 상대전극의 사이에 충진되는 폴리설파이드 전해질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물 분해 수소발생장치. - 제7항에 있어서,
상기 PEDOT 박막은 PEDOT 중량 대비 10 wt% 내지 30 wt%의 중량으로 EDT가 도핑된 것을 특징으로 하는 물 분해 수소발생장치. - (a) PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 나노섬유를 합성하는 단계;
(b) 상기 PEDOT 나노섬유를 메탄올 및 디메틸설폭사이드의 혼합용액에 분산시키는 단계;
(c) 상기 PEDOT 나노섬유가 분산된 혼합용액에 EDT(1,2-ethanedithiol)를 첨가하여 PEDOT 나노섬유를 도핑시키는 단계; 및
(d) 상기 도핑된 PEDOT 나노섬유로 구성되는 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 전극의 제조방법. - 제10항에 있어서,
상기 단계 (c)에서는,
상기 PEDOT 나노섬유의 중량 대비 상기 EDT를 1.5배 내지 3.5배의 중량으로 첨가하는 것을 특징으로 하는 전도성 전극의 제조방법. - 제10항에 있어서,
상기 단계 (b)에서는,
상기 혼합용액에 상기 PEDOT 나노섬유를 1 중량% 내지 3 중량%로 분산시키는 것을 특징으로 하는 전도성 전극의 제조방법. - 표면에 투명전극이 코팅된 기판을 제공하는 단계;
상기 기판의 투명전극 상에 다공성 나노입자들로 구성되는 전하이동층을 형성하는 단계;
상기 전하이동층 상에 칼코게나이드계 양자점층을 형성하는 단계;
상기 양자점층 상에 스페이서를 부착하고, 상기 양자점층에 대향하도록 상기 스페이서에 의해 이격되는 상대전극을 배치하는 단계; 및
상기 양자점층 및 상대전극의 사이에 폴리설파이드 전해질을 충진시키는 단계를 포함하고,
상기 상대전극은,
EDT(1,2-ethanedithiol)로 도핑된 PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 박막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지의 제조방법. - 제13항에 있어서,
상기 상대전극은 PEDOT 나노섬유의 분산 용액에 PEDOT 중량 대비 1.5 배 내지 3.5 배의 중량으로 EDT가 첨가되어 EDT-도핑된 PEDOT를 포함하는 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지의 제조방법.
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2017
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