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염료감응형 태양전지는 광감성 염료분자와 이산화티탄 나노입자로 이루어진 산화물 반도체를 이용한 광전기화학적 태양전지로서, 기존의 실리콘태양전지에 비하여 제조공정이 간단하여 단가가 저렴하고 재료수급의 제약이 없고 친환경적이라는 장점을 가지고 있다. 염료감응형 태양전지의 구동 원리는 태양광이 염료분자에 흡수되면 염료분자는 기저상태 (Highest Occupied Molecular Orbital)에서 ...

염료감응형 태양전지는 광감성 염료분자와 이산화티탄 나노입자로 이루어진 산화물 반도체를 이용한 광전기화학적 태양전지로서, 기존의 실리콘태양전지에 비하여 제조공정이 간단하여 단가가 저렴하고 재료수급의 제약이 없고 친환경적이라는 장점을 가지고 있다. 염료감응형 태양전지의 구동 원리는 태양광이 염료분자에 흡수되면 염료분자는 기저상태 (Highest Occupied Molecular Orbital)에서 여기상태(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)로 전자 전이하여 전자-홀 쌍을 만들고, 여기 상태의 전자는 금속산화물 입자 계면의 전도대(conduction band)로 주입되며, 주입된 전자는 플라스틱 기판 위의 투명 도전체 계면을 통한 뒤 외부회로를 통해 상대전극으로 이동하게 된다. 전자천이 결과로 산화된 염료는 전해질 내 산화-환원 커플에 의해 환원되고, 산화된 이온은 전하중성(charge neutrality)을 이루기 위해 상대전극의 계면에 도달한 전자와 환원 반응을 함으로서 전력을 생성하게 된다. 본 논문은 다양한 광전극 소재를 이용한 p, n-type 염료감응형 태양전지의 광전변환 특성을 분석한 논문이다. Chapter 1 에는 적외선 및 가시광선 영역에서 광학적 투명성, 높은 굴절율, 큰 압전 상수 등의 특징을 가지는 ZnO 소재의 경우, 에너지 band gap과 전자주입방식이 TiO2와 유사하여 염료감응형 태양전지용 광전극으로서 많은 관심을 모으고 있다. 이는 나노입자 TiO2경우 전자들이 3차원적으로 이동하지만 ZnO를 nanorod로 성장하였을 때 전자들이 일차원적으로 이동하여 전자가 전해질로부터 재결합되는 속도를 줄여 전자의 운송을 더욱 높일 수 있기 때문이다. 이것을 토대로 CBC(Chemical Bath Deposition)법에 의해ZnO nanorod를 다양하게 성장시켜 표면에 Pt를 코팅하여 ZnO-Pt 상대전극을 이용하여 염료감응형 태양전지의 광전변환 거동을 확인하였다. Chapter 2에는 ZnO nanorod광전극을 적용한 염료감응형 태양전지의 경우 낮은 광전변환 효율을 보이며 이것은 염료와 Zn+ 이온간의 회합 및 빠른 재결합상수에 기인하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 이러한 ZnO nanorod electrode 표면에 Nb2O5를 이용한 표면처리법을 적용하여 이에 따른 재결합상수 및 electron Diffusion Length 변화를 측정하였다. Chapter 4에는 최근에 많은 관심의 대상이 되고 있는 p-type 염료감응형 태양전지는 광흡수에 의하여 여기된 전자가 전해질로 주입되고, 염료의 기저상태에 생성된 정공은 광전극으로 주입된다. 광전극으로는 전도대의 전위차가 큰 NiO 소재가 사용 되어 지고 있다. 따라서 p-type 염료감응형 태양전지용 유기염료는 낮은 LUMO energy level을 가져야 하며 염료의 전자 주게 그룹에 anchoring 그룹을 도입하여야 한다. 본 연구에서는 p-type 염료감응형 태양전지의 광전변환 효율 개선을 위하여 염료의 Electron Donor그룹에 carbazole, phenothiazine and triphenylamine을 도입하여 p-type 염료감응형 태양전지용 유기염료를 합성하여 Electron Donor에 따른 광전변환 특성을 분석하였다. Chapter 5에는 p-type 염료감응형 태양전지용 유기염료 개발을 위해carbazole 및 indoline 그룹을 electron donor 와 electron acceptor로 도입하고 이를 alkyl chain 을 이용하여 연결하였다. 이는 염료 분자가 흡착되지 않는 NiO 광전극 표면은 직접 전해질과 접하고 있으므로, 광조사에 의하여 염료 분자로부터 전해질로 도입된 전자가 광양극 표면의 정공과 recombination 이 발생하여 광전류 손실로 나타날 수 있기 때문에, 두 염료 사이에 alkyl chain 을 도입하여 광전극 표면을 보호하는 역할을 하고자 하였다. 본 연구에서는 TiO2 paste 제조방법의 TiO2 조성을 NiO 조성으로 바꾸어서 NiO paste를 제작하였고 유기염료의 Electron Donor에 Cabazole을 이용한 carbazole monomer (MCBZ) 와 carbazole dimer (DCBZ)을 합성하여 분자구조적 관점에서 DSSCs 효율에 영향을 미치는 요인을 검토하였다.

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