염료감응형 태양전지를 위한 공액구조 유기염료의 합성 = π-Conjugated Organic Dyes for Dye-Sensitized Solar Cell

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Dye-sensitized solar cells (DSSCs) have been a target of intensive research in recent years due to their capability to convert solar light to electricity at low materials and production cost.1,2 One of the key material issues in DSSCs is the photosensitizer which can exhibit high efficiencies in conversion of solar energy to electricity. The Ru complex photosensitizers such N3, N719, and Black dyes exhibited efficiencies higher than 10%.1,2 Recently, the performance of DSSCs based on organic dyes also has been remarkably improved. Therefore, it is expected that organic dyes could compete with Ru complexes in the near future.3
Organic dyes have many advantages as a photosensitizer such as large molar extinction coefficient, control of absorption wavelength, facile design and systhesis, and lower cost than Ru complexes.4 Efficient organic dyes such as coumarin, indoline, phthalocyanine, and conjugated oligoene dyes were reported.3-7 However, as yet, the use of organic dyes for dye-sensitized solar cells has a limitation due to relatively lower efficiency than Ru complexes. Herein we report a highly efficient dye which exhibits 5.8% over all solar-to-electric energy conversion efficiency.

국문 초록 (Abstract)

최근 화석 연료의 고갈 위기와 지구 온난화 같은 환경문제로 인해 새로운 무공해 대체 에너지의 필요성이 대두되고 있다. 특히, 풍력, 조력, 수소 에너지 등의 차세대 청정 에너지원 후보군 중 고갈될 염려가 없는 태양 에너지원을 이용한 연구의 개발이 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있다. 태양빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 과정을 광기전 효과라고 하며 이 원리를 이용한 장치가 태양 전지이다. 태양은 막대한 양의 에너지를 방출하고 있고 무공해 에너지원으로써 인류가 효율적으로 활용할 수만 있다면 이상적인 에너지원이다. 본 연구에서는 태양에너지 분야에서 최근에 높은 에너지 변환 효율과 저렴한 제조 단가로 각광받고 있는 염료 감응형 태양전지를 연구하고 있으며, 그 중에서도 유기 염료의 합성을 하였다.
유기 염료의 장점으로는 무엇보다도 합성 방법이 간단하며, 값비싼 전이 금속을 사용하지 않기 때문에 비용적인 측면에서 매우 유리한 점을 가지고 있다는 것이다. 또한 일반적으로 전이 금속 염료에 비해 높은 몰흡광 계수를 가지고 있다. Suzuki coupling, Heck coupling 같은 carbon-carbon coupling, Wittig reaction, Ulmann reaction 같은 합성 방법 등을 통해서 합성하고자 하는 유기 염료를 합성하였으며, 합성된 유기 염료는 NMR, IR, MALDI-TOF 등을 통해서 구조를 확인하였다. 또한 UV-Vis, cyclic voltammetry 등을 통해서 특성을 확인하였다. 그 후 염료를 device로 제작하여 Jsc, Voc, IPCE, 효율 등의 특성을 관찰하였다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. 서론 = 1
• Chapter 2. 태양전지의 종류와 작동원리 = 3
• 2.1. 무기 태양전지 = 3
• 2.2. 유기 태양전지 = 4
• 2.2.1. 유기 분자형 태양전지 = 4
• 2.2.2. 염료 감응형 태양전지 = 5
• Chapter 3. 염료 감응형 태양전지를 구성하는 재료 = 7
• 3.1. 나노 결정 반도체 산화물 소재 = 7
• 3.2. 광감응 염료 = 9
• 3.3. 전해질 및 홀 전달체 = 10
• Chapter 4. 염료 감응형 태양전지 전망 = 13
• Chapter 5. Synthesis and Characterization = 14
• 5.1. 재료와장비 = 14
• 5.2. 유기 염료의 합성 = 15
• 5.2.1. P-TA-CA의 합성 = 15
• 5.2.2. P-TA-Rho의 합성 = 18
• 5.2.3. P-TA-St-CA의 합성 = 21
• 5.2.4. P-TA-St-Rho의 합성 = 26
• Chapter 6. Results and Discussion = 31
• Chapter 7. Conclusion = 35
• References = 36