염료감응 태양전지 (Dye-sensitized Solar Cells, DSSCs)는 기존의 실리콘 태양전지의 p-n접합 방식과는 달리 식물의 광합성 원리가 응용된 전지이다. 1991년 스위스 Gratzel 그룹에서 보고된 이래로 간단한 구조, 낮은 제조단가, 친환경성, 투명성 및 소자의 유연성을 갖는 장점으로 인하여 활발한 연구가 진행되고 있다. 더욱이 염료감응 태양전지의 구성은 공통적으로 염료 분자가 흡착된 TiO2 작업전극과 산화/환원 쌍을 포함하는 요오드계 전해질, 백금이 코팅된 상대전극으로 이루어져있다. 그러나 상대전극으로 사용되는 백금의 경우 요오드계 전해질과의 부식성, 매장량의 한계 및 고비용으로 인한 낮은 가격 경제성의 단점을 가지고 있기 때문에 이를 해결할 수 있는 대체 물질이 요구된다. 다양한 대체 물질 중에서 탄소기반물질은 낮은 가격, 높은 전기전도도, 넓은 비표면적 및 요오드 전해질에 대한 강한 내부식성 등의 장점으로 인하여 염료감응 태양전지의 상대전극으로서 현재 많은 관심을 받고 있다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 상대전극에 단독으로 적용될 경우 낮은 광기전력 특성을 보이고 있기 때문에 그들의 성능을 향상시키기 위한 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 우선적으로 백금 절감을 위한 목표로 다공성 탄소나노섬유에 백금을 복합화 하여 고분산성으로 백금이 담지된 백금/다공성 탄소나노섬유 복합체를 제작하였다. 결과적으로 VOC (0.73 V), JSC (13.09 mA/cm2), FF (66.57 %) 및 PCE (6.47 %)의 기존 백금 상대전극 대비 높은 에너지 변환 효율을 나타내었다. 이러한 결과는 다공성 탄소나노섬유의 기공에 인한 높은 비표면적으로 백금 촉매의 분산성이 증가됨에 따라 전해질의 I3-이온의 환원 특성을 향상시킨 결과로 판단된다. 이는 기존의 탄소나노섬유의 낮은 촉매 특성을 보완하고, 백금 절감 상대전극으로서 염료감응 태양전지에 비용절감 및 성능 향상을 일으킬 수 있다. 하지만 이 역시 백금이 사용되는 연구이므로, 더 나아가 비백금 상대전극을 위한 연구를 진행하였다. 먼저, 용매 대비 Co 전구체를 0, 1 및 3 wt% 넣어 조절하여 전기방사법을 통해 Co 나노입자/탄소나노섬유 복합체를 제조하였다. 특히, 3 wt% Co 전구체가 함유된 복합체로 제조된 염료감응 태양전지는 VOC (0.71 V), JSC (12.30 mA/cm2), FF (58.20 %) 및 PCE (5.14 %)의 가장 높은 에너지 변환 효율을 보였다. 추가적으로 3 wt% Co 전구체가 함유된 복합체를 기반으로 수열합성법을 실시하여 Co3O4/탄소나노섬유 복합체를 제작하였다. 이는 앞서 만든 Co 나노입자/탄소나노섬유 복합체 보다 향상된 결과 (VOC (0.71 V), JSC (12.73 mA/cm2), FF (62.10 %) 및 PCE (5.61 %))를 얻을 수 있었으며, 이러한 Co3O4/탄소나노섬유 복합체의 성능 향상은 Co 나노입자에 의한 기공 형성, 촉매 흑연화로 인한 흑연질 탄소나노섬유의 형성 및 촉매특성이 우수한 Co3O4의 고른 분포로 설명할 수 있다. 이러한 결과는 비표면적을 증가시켜 촉매와 전해질 사이의 접촉면적을 향상시켜 I3-이온의 환원 반응을 촉진시키고, 흑연질 탄소나노섬유에 의해 전기전도도가 향상된다. 따라서 고비용의 백금촉매를 대체하고 낮은 에너지 효율을 보이는 기존의 탄소나노섬유를 대체할 수 있는 차세대 염료감응 태양전지의 상대전극으로서의 사용이 유망할 전망이다.

Dye-sensitized solar cells (DSSCs) have been studied since 1991 due to their simple, cost-effective manufacturing process, environmental friendliness, and possibilities for the fabrication of transparent and flexible devices compared to silicon solar cells. There are four components of DSSCs, a sensitizer composed of Ru-based dyes, a working electrode based on a semiconductor, electrolytes based on the iodide/triiodide redox couple, and a counter electrode based on catalyst materials. In particular, for a counter electrode, Pt has been most commonly as a catalyst because of its excellent conductivity and superb catalytic activity, specifically in the reduction of triiodide ions in electrolyte. Despite these advantages, their high price and finite resources currently exist as barriers to industrialization. Therefore, various alternative to Pt catalysts are essential to achieve cost effective and high-performance DSSCs. In this study, porous carbon nanofibers (CNFs) were synthesized using a combination of electrospinning and reduction method. The porous CNFs fabricated using the optimum amount of 0.5 wt% SAN polymer have well-dispersed Pt catalysts compared to the conventional CNFs due to a high surface area (1136 m2/g) and a large pore volume (0.5497 cm3/g). Thus, the Pt/Porous CNF composites exhibited excellent power-conversion efficiency (6.47 %), high current density (13.09 mA/cm2), and high FF (66.57 %), compared to the samples. These improved properties are because the Pt catalysts are well-dispersed onto the porous CNFs due to an increased contact area between the Pt catalysts and the electrolyte.
Likewise, we prepared octahedral Co3O4/CNF composites using electrospinning and hydrothermal method. Octahedral Co3O4 grown on CNF is based on the metallic Co nanoparticles acting as seed in the CNFs. The octahedral Co3O4/CNF composites indicate excellent power-conversion efficiency (5.61 %), high current density (12.73 mA/cm2), and high FF (62.1 %) compared to commercial Co3O4, conventional CNFs, and metallic Co nanoparticles/CNFs. These results can be described as the catalytic graphitization attributed to adding cobalt in carbon matrix, which lead to a considerable synergy effect of porous and graphitized matrix that serve as increase in the catalytic activity for the reduction of triiodide ions. Also, growth octahedral Co3O4 with superior catalytic activity are evenly embedded on the CNFs.
Therefore, Pt/porous CNFs and octahedral Co3O4/CNFs composites can be used as a alternative of Pt counter electrode for dye-sensitized solar cells.