나노섬유 웹 기반의 포토볼테익 텍스타일용 투명전극 제조 및 에너지 변환 효율 평가 = Fabrication of Transparent Conducting Electrodes for Photovoltaic Textiles Based on Nanofiber Web and Evaluation of Power Conversion Efficiency

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 수분산된 PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):Poly(Styrenesulfonate))와 DMSO(Dimethyl Sulfoxide) 용액을 다양한 부피 비율(10:0, 9:1, 8:2, 7:3, 6:4, 5:5, 4:6, 3:7, 2:8)로 혼합하여 PVDF(Poly(Vinylidene Fluoride)) 나노섬유 웹 위에 처리함으로써 텍스타일 기반의 투명전극을 제조하였고, 전기적, 광학, 표면, 화학적 특성 및 성능지수를 평가하였다. 이후, 제조된 시료를 이용하여 포토볼테익 텍스타일을 제작하였고, 광전 효과를 가지는지 확인하고자 에너지 변환 효율을 평가하였다. 이를 통해, PEDOT:PSS/DMSO가 처리된 PVDF 나노섬유 웹이 포토볼테익 텍스타일용 투명전극으로 사용 가능한지 확인하고자 하였다.
이를 위하여 PVDF 나노섬유 웹 위에 다양한 부피 비율(10:0, 9:1, 8:2, 7:3, 6:4, 5:5, 4:6, 3:7, 2:8)로 혼합된 PEDOT:PSS와 DMSO 용액을 브러쉬 페인팅(Brush-painting)하였고, 대기 상태에서 70 ℃의 온도로 10분 동안 건조하여 광투과성과 전기전도성이 부여된 시료(P10D0, P9D1, P8D2, P7D3, P6D4, P5D5, P4D6, P3D7, P2D8)를 제작하였다. 이후 PE-DOT:PSS와 DMSO 혼합 비율에 따른 시료의 전기적, 광학, 표면, 화학적 특성을 평가하였고, 성능지수를 계산하였다. 이에 따라, P3D7 시료가 가장 우수한 성능지수를 가지는 것으로 나타나, PEDOT:PSS와 DMSO의 부피 비율 3:7이 최적의 혼합 비율 조건임을 도출하였다. 가장 우수한 성능을 보인 P3D7 시료를 이용하여 염료감응 원리를 적용한 포토볼테익 텍스타일로 제작하였고, 에너지 변환 효율을 평가하였다. 이를 통해, PE-DOT:PSS/DMSO가 처리된 PVDF 나노섬유 웹 기반의 투명전극이 포토볼테익 텍스타일로 적용 가능성을 제시하고자 하였다.

연구 결과를 요약하면 다음과 같다.

첫째, 전기적 특성을 평가한 결과, DMSO가 가장 낮은 비율로 혼합된 P9D1 시료가 가장 우수한 전기적 특성을 보였다. 이는 PEDOT:PSS에 DMSO가 첨가됨으로써 절연체인 PSS 층의 일부가 제거되어 전도성 고분자인 PEDOT 입자 간 접촉이 증가함으로써 전기적 특성이 향상된 것이다. 그러나 PEDOT:PSS/DMSO 혼합 용액이 처리된 시료 중, DMSO가 가장 높은 비율로 처리된 P2D8 시료는 오히려 낮은 전기적 특성을 보였다. 이는 DMSO가 너무 높은 비율로 처리될 경우, PEDOT의 입자까지 축출되어 감소하게 되고 그에 따라 PEDOT 입자 간의 거리가 멀어지게 되기 때문이다.
둘째, 광학 특성을 평가한 결과, PEDOT:PSS만 처리된 P10D0 시료는 미처리 PVDF 나노섬유 웹 시료와 유사한 광투과율을 보였다. 반면, DMSO가 혼합된 시료들은 광투과율이 향상되었고, DMSO가 가장 높은 비율로 혼합된 P2D8 시료에는 85.21 %의 최대 광투과율을 보였다. 이는 DMSO 처리에 의해 PVDF 나노섬유 내의 결정구조가 변형되어 결정영역과 비결정영역의 경계가 감소하였고, 그로 인해 난반사가 감소하여 광투과율이 증가한 것이다.
셋째, FE-SEM를 통해 표면 미세 구조를 분석한 결과, PEDOT:PSS만 처리된 P10D0 시료의 경우, 나노섬유 표면에 PEDOT:PSS가 흡착되어 섬유의 굵기가 굵어졌고, 기공을 메우고 있었다. 이를 통해, PVDF 나노섬유 웹에 PEDOT:PSS가 제대로 처리되었음을 확인하였다. 또한, DMSO 혼합 비율이 증가함에 따라 표면의 나노섬유 가닥과 기공이 점차 관찰되지 않았고, 표면이 평활해진 것으로 나타났다.
Surface Profiler 분석을 통해 시료의 두께를 측정한 결과, PE-DOT:PSS만 처리한 P10D0 시료보다 PEDOT:PSS/DMSO 혼합 용액이 처리된 시료가 더 얇은 두께를 보였다. 특히 DMSO가 가장 높은 비율로 처리된 P2D8 시료가 가장 얇은 두께를 나타냈다. 이는 DMSO의 혼합 비율이 증가함에 따라 PEDOT과 PSS 입자가 더욱 많이 제거되었기 때문에 두께가 얇아진 것으로 사료된다.
AFM 분석을 통해 표면의 입자 형태를 살펴본 결과. DMSO 혼합 비율이 증가할수록 시료 표면에서 PSS 영역이 감소하였고, 그로 인해 PEDOT의 접촉 특성이 향상되면서 코일 구조에서 선상 구조로 상변화가 일어났다. DMSO가 가장 높은 비율로 혼합된 P2D8 시료에서는 PEDOT 영역도 감소하였고, 이는 너무 많은 양의 DMSO가 처리되어 PEDOT 입자도 함께 탈락된 것으로 사료된다. AFM 분석을 통해 표면 거칠기를 측정한 결과, DMSO 비율이 증가할수록 표면 거칠기가 감소하는 경향을 보였고, DMSO가 가장 높은 비율로 처리된 P2D8 시료에서 가장 낮은 표면 거칠기를 보였다.
넷째, 화학적 특성 분석 결과, PEDOT:PSS만 처리된 P10D0 시료는 PVDF 나노섬유 웹과 PEDOT:PSS 용액에서 나타난 피크가 보였고, 이는 PVDF 나노섬유 웹 표면에 PEDOT:PSS가 제대로 처리되었음을 의미한다. DMSO의 혼합 비율이 증가함에 따라 PSS의 S-O Stretching 피크가 점차 사라졌고, 이를 통해 DMSO에 의해 PSS가 제거된 것을 확인하였다. 뿐만 아니라, PEDOT의 작용기인 C-C Stretching과 C=C Stretching 피크 역시 사라지는 것이 관찰되었고, 이는 DMSO 비율이 증가하면서 PEDOT까지 축출된 것으로 사료된다. 또한, DMSO의 비율이 증가할수록 PVDF 나노섬유 웹에 해당하는 α형 결정 피크의 세기가 점차 증가하는 경향을 보였다. 이는 DMSO 처리에 의해 PVDF 나노섬유 내의 구조가 변형되었음을 의미한다.
다섯째, 성능지수 계산 결과, 25 % 이하의 낮은 평균 광투과율을 보이는 시료들은 성능지수가 0으로 나타났고, 64 % 이상의 높은 평균 광투과율을 보이는 시료들은 우수한 성능지수를 보였다. 특히, PEDOT:PSS와 DMSO를 3:7 비율로 혼합한 P3D7 시료가 0.104 x 10-3Ω-1 로 가장 높은 성능지수를 나타냈다. 이를 통해, 투명전극으로서 가장 우수한 성능을 가지는 PEDOT:PSS와 DMSO의 혼합 비율은 3:7임이 도출되었다.
여섯째, 가장 우수한 성능지수를 보이는 P3D7 시료를 사용하여 포토볼테익 텍스타일을 제조하고, 에너지 변환 효율 평가 결과, 0.101 x 10-3 %의 에너지 변환 효율이 나타나 포토볼테익 텍스타일로 적용 가능성이 확인되었다. 또한, 기존의 FTO 투명전극을 사용한 태양전지보다 높은 충진율을 보여, P3D7 시료의 전기적 특성을 개선할 경우 더욱 우수한 에너지 변환 효율을 가질 수 있는 가능성을 나타냈다.

본 연구는 PEDOT:PSS와 DMSO를 다양한 부피 비율로 혼합하고, 이를 PVDF 나노섬유 웹에 처리하여 광투과성과 전기전도성을 가진 투명전극을 제조하였다. PEDOT:PSS와 DMSO 혼합 비율에 따른 시료의 전기적, 광학, 표면, 화학적 특성을 평가하였고, 성능지수를 도출하였다. 또한 가장 우수한 성능을 보이는 시료를 이용하여 포토볼테익 텍스타일을 제작하고, 에너지 변환 효율을 평가함으로써 포토볼테익 텍스타일용 투명전극으로 적용 가능함을 제시하였다. 본 연구의 결과는 포토볼테익 텍스타일을 개발하기 위한 기초 자료가 될 것으로 기대한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, by mixing PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):Poly(Styrenesulfonate)) and DMSO(Dimethyl Sulfoxide) in various volume ratios(10:0, 9:1, 8:2, 7:3, 6:4, 5:5, 4:6, 3:7, 2:8) and treating them on the PVDF(Poly(Vinylidene Fluoride)) nanofiber web, textile-based TCEs(Transparent Conducting Electrodes) were fabricated, and their electrical, optical, surface, chemical characteristics and FOM(Figure of Merit) were evaluated. And then, a photovoltaic textile was made using the fabricated specimens, and PCE(Power Conversion Efficiency) of the fabricated photovoltaic textile was evaluated to confirm its photoelectric effect. And, the applicable possibility of PVDF nanofiber web treated with PEDOT:PSS/DMSO as TCEs for photovoltaic textiles was verified.
In order to impart electrical conductivity and transparency, the PVDF nanofiber web was treated with PEDOT:PSS dispersion and DMSO solution in various volume ratios(10:0, 9:1, 8:2, 7:3, 6:4, 5:5, 4:6, 3:7, 2:8) using a brush-painting method, and dried for 10 minutes at a temperature of 70 ℃ in the atmosphere. The conductive and transparent specimens were prepared and they were named as P10D0, P9D1, P8D2, P7D3, P6D4, P5D5, P4D6, P3D7, and P2D8. The electrical, optical, surface, chemical characteristics of the specimens, according to the ratio of the PEDOT:PSS and DMSO, were evaluated, and the FOM was calculated. Based on the result of the FOM, it was found out that P3D7 was the specimen with the best performance, thus, the optimum ratio of PEDOT:PSS and DMSO was 3:7. Using P3D7, the specimen with the best performance, the dye-sensitized photovoltaic textile was fabricated and the PCE was evaluated. This paper provided clear evidence for the applicable potential of the PEDOT:PSS/DMSO/PVDF nanofiber web based-TCEs as photovoltaic textiles.

The results were summarized as follows:

First, as a result of the electrical property, P9D1, the specimen treated with the lowest DMSO ratio, showed the lowest sheet resistance. Because the addition of DMSO to PEDOT:PSS resulted in the expulsion of parts of the layers of PSS, and increased contact among the PEDOT particles. However, among the treated specimens, P2D8, the specimen with the highest DMSO ratio, had the highest sheet resistance. The reason was that when treated with an excessive high DMSO ratio, not only the PSS but also the PEDOT particles were expelled as well, and the distance among the PEDOT particles would be further apart.
Second, as a result of the optical property, P10D0, the specimen treated only with PEDOT:PSS, showed similar results to untreated PVDF nanofiber web with a maximum light transmittance of 5.70 %. On the other hand, the light transmittance of the specimens treated with PEDOT:PSS and DMSO was improved, especially, P2D8, the specimen with the highest DMSO ratio, showed the highest maximum transmission of 85.21 %. Due to the DMSO treatment, the boundaries between the crystal and amorphous areas were reduced by the deformation of the chemical structure in the PVDF nanofiber, and the irregular reflection was reduced, thus the transmittance was increased.
Third, as a result of the FE-SEM analysis of the untreated PVDF nanofiber web, the irregularly entangled nanofibers forming micro-pores were observed. In the case of P10D0, PEDOT:PSS was adsorbed onto the surface of each nanofibers, so the fibers were thickened and the pores were filled. Therefore, it was confirmed that the PEDOT:PSS was properly treated on the PVDF nanofiber web. Also, as the DMSO ratio increased, the nanofibers and pores were gradually disappeared, and the surface of the treated specimens became smoother and more flattened.
As a result of the Surface Profiler analysis, the thickness of the specimens treated with PEDOT:PSS/DMSO were thinner than P10D0, the specimen treated only with PEDOT:PSS. Especially, the thickness of P2D8, the specimen treated with the highest DMSO ratio, was the thinnest. The reason was that more PEDOT and PSS particles were expelled and removed as the DMSO was added.
As a result of the AFM analysis, the PSS particles were expelled and the PSS region was reduced and the contact among the PEDOT particles increased as the DMSO ratio increased, which caused the phase changes from coiled structure to linear structure. In the case of P2D8, the specimen treated with the highest DMSO ratio, the PEDOT region was reduced as well, which was resulted from the expulsion of the PEDOT particles due to the excessive high DMSO ratio. Also, the result of the AFM analysis showed that the roughness of the specimens decreased as the DMSO ratio was higher, so the roughness value of P2D8 was the lowest.
Fourth, as a result of the chemical characteristics, the peaks indicating PVDF and PEDOT:PSS appeared in P10D0, which meant that the PEDOT:PSS was properly treated on the surface of the PVDF nanofiber web. As the ratio of the DMSO increased, the S-O stretching peak of PSS gradually disappeared, which meant that the PSS was expelled and removed by the DMSO. In addition, the C-C stretching and C=C stretching peaks of PEDOT were also observed to disappear, which indicated that not only the PSS but also the PEDOT particles were expelled as well due to the excessive high DMSO ratio. Also, the intensity of the α-phase peak of PVDF nanofiber web tended to increase gradually as the ratio of DMSO increased. This meant that the structure within the PVDF nanofibers was deformed by the DMSO treatment.
Fifth, as a result of the FOM, the treated specimens with less than 25 % of average light transmittance showed FOM = 0, and other treated specimens with higher 64 % of average light transmittance showed higher FOM. In particular, P3D7, the specimen treated with 3:7 ratio of PEDOT:PSS and DMSO, had the highest FOM of 0.104 x 10-3Ω-1. Therefore, it confirmed that the specimen showed the best performance as TCEs when the volume ratio of PEDOT:PSS and DMSO was 3:7.
Sixth, as a result of the PCE of photovoltaic textile, P3D7 had 0.101 x 10-3 %, which proved the applicability of photovoltaic textile. Due to the high sheet resistance of P3D7, the P3D7 photovoltaic textile had low Short Circuit Current and Circuit Potential. However, the FF(Fill Factor) of the P3D7 photovoltaic textile was higher than the conventional solar cell, which indicated the possibility of having better PCE when the electrical conductivity of the treated specimens were improved.

In this study, PVDF nanofiber web was treated with PEDOT:PSS and DMSO mixed in various volume ratios to fabricate TCEs with transparency and electrical conductivity, and according to the ratio of PEDOT:PSS and DMSO, the electrical, optical, surface and chemical characteristics and FOM of the specimens were evaluated. And, using P3D7 with the highest FOM and the best performance, the photovoltaic textile was fabricated, and the PCE was evaluated to suggest that the specimen could be applied as TCEs for photovoltaic textiles. Thus, the results of this study are expected to be a meaningful and significant database for the development of photovoltaic textiles.