염료감응형 태양전지는 기존 실리콘 기반 태양전지에 비해 낮은 제조 비용, 높은 광변환 효율 및 폭넓은 적용으로 인해 가장 매력적인 태양전지 중 하나이다. 특히 티타늄 옥사이드 광전극은 빛을 흡수하여 광전류를 생성하는 염료감응형 태양전지에서 가장 중요한 요소이다. 염료감응형 태양전지의 성능을 결정하는 데 있어서 광전극을 개선하는 것이 가장 핵심적인 요소이다. 그러나 광전극에서의 현저하게 낮은 변환 효율과 전하 재결합에 대한 문제가 여전히 남아있다. 또한 수년간의 연구에도 불구하고 염료감응형 태양전지의 성능과 전기화학반응 간의 상관관계에 대한 설명은 명확하지 않다. 본 연구에서는 염료감응형 태양전지의 성능을 향상시키기 위해 ...
염료감응형 태양전지는 기존 실리콘 기반 태양전지에 비해 낮은 제조 비용, 높은 광변환 효율 및 폭넓은 적용으로 인해 가장 매력적인 태양전지 중 하나이다. 특히 티타늄 옥사이드 광전극은 빛을 흡수하여 광전류를 생성하는 염료감응형 태양전지에서 가장 중요한 요소이다. 염료감응형 태양전지의 성능을 결정하는 데 있어서 광전극을 개선하는 것이 가장 핵심적인 요소이다. 그러나 광전극에서의 현저하게 낮은 변환 효율과 전하 재결합에 대한 문제가 여전히 남아있다. 또한 수년간의 연구에도 불구하고 염료감응형 태양전지의 성능과 전기화학반응 간의 상관관계에 대한 설명은 명확하지 않다. 본 연구에서는 염료감응형 태양전지의 성능을 향상시키기 위해 소결 단계를 변경하고 FTO/유리 기판에 추가 치밀층을 삽입하는 방식을 적용하였다. 다양한 분석 및 평가 방법, 특히 태양광 시뮬레이터와 전기 화학 임피던스 분광법을 사용하여 티타늄 옥사이드 기반 염료감응형 태양전지의 광전지 및 전기화학적 특성을 평가하였다. 먼저 티타늄 옥사이드 페이스트를 이용하여 스크린 프린팅 방식으로 TiO2 광 전극의 두께를 변화시켜 티타늄 옥사이드 광전극을 제작하였다. 티타늄 옥사이드에 흡착되는 염료 분자의 양은 염료 분자 흡착 부위의 증가로 인해 티타늄 옥사이드 광전극의 두께가 증가함에 따라 계속 증가하는 경향을 보인다. 염료감응형 태양전지의 성능은 광전류를 생성할 수 있는 염료 흡착량의 경향에 따라 최대 약 12 μm 티타늄 옥사이드 두께까지 증가하나 12 μm 두께 이후에는 티타늄 옥사이드 필름이 깨지기 시작하여 성능이 저하된다. 본 실험을 통해 티타늄 옥사이드 광전극의 최적 두께는 12 μm로 전하 전달 저항이 낮은 것으로 확인되었다. 염료 코팅 과정에서 표면적과 흡착 사이트를 변화시킬 수 있는 티타늄 옥사이드 필름 제조 공정 중 냉각 단계에 해당하는 급냉 단계를 도입하여, 미세 구조 변화 및 염료감응형 태양전지의 성능 향상 여부를 확인하였다. 티타늄 옥사이드 필름의 표면 형태는 표면 및 결정 구조의 변화없이 티타늄 옥사이드 입자 크기가 감소하였으며, I-V 측정 결과 전류밀도 증가에 따른 염료감응형 태양전지 성능의 증가를 확인하였다. 전기화학적 임피던스 분광법과 UV-vis 분광법의 결과를 통해 N719 염료/티타늄 옥사이드-전해질 사이의 계면 내부 저항이 염료 부하량을 증가시킴으로써 감소되었음을 확인하였다. 결과적으로 티타늄 옥사이드 필름의 입자 크기 감소로 인한 염료 분자 흡착량 증가로 인해 염료감응형 태양전지 성능이 향상된 것으로 판단된다. TCO(투명 전도 산화물)-전해질 계면에서 전하 재결합을 방지하고 TCO-티타늄 옥사이드 광전극 인터페이스의 전송을 향상시키는 것이 염료감응형 태양전지의 성능을 향상시키는 관점에서 중요하다. DSSC의 성능을 향상시키기 위해 티타늄 테트라클로라이드 수용액을 사용한 티타늄 옥사이드 치밀층을 FTO/유리 기판 위에 증착하였다. 그 결과, 티타늄 테트라클로라이드 사전 처리의 최적 조건은 30분으로, 기준전지 대비 광변환 효율이 약 17% 증가한 것으로 나타났다. 교류 임피던스 스펙트럼을 통해 확인한 결과, 티타늄 옥사이드 치밀층의 두 가지 효과로 인해 전하 전달 저항이 감소했음을 확인하였다. 또한 30분 처리된 티타늄 옥사이드 치밀층의 전자 수명은 기준전지에 비해 크게 향상되었다. 티타늄 옥사이드 치밀층의 효과를 구별하기 위해 패턴된 티타늄 옥사이드 치밀층이 증착된 염료감응형 태양전지를 제작하였다. I-V 특성, 전기화학적 임피던스 분광법, 개방회로전압 감퇴 분석법을 통해 FTO-광전극 계면에서의 전자 수송 개선 효과보다 FTO-전해질 계면에서의 전하 재결합 차단 효과가 지배적이라는 것을 확인하였다.
염료감응형 태양전지는 기존 실리콘 기반 태양전지에 비해 낮은 제조 비용, 높은 광변환 효율 및 폭넓은 적용으로 인해 가장 매력적인 태양전지 중 하나이다. 특히 티타늄 옥사이드 광전극은 빛을 흡수하여 광전류를 생성하는 염료감응형 태양전지에서 가장 중요한 요소이다. 염료감응형 태양전지의 성능을 결정하는 데 있어서 광전극을 개선하는 것이 가장 핵심적인 요소이다. 그러나 광전극에서의 현저하게 낮은 변환 효율과 전하 재결합에 대한 문제가 여전히 남아있다. 또한 수년간의 연구에도 불구하고 염료감응형 태양전지의 성능과 전기화학반응 간의 상관관계에 대한 설명은 명확하지 않다. 본 연구에서는 염료감응형 태양전지의 성능을 향상시키기 위해 소결 단계를 변경하고 FTO/유리 기판에 추가 치밀층을 삽입하는 방식을 적용하였다. 다양한 분석 및 평가 방법, 특히 태양광 시뮬레이터와 전기 화학 임피던스 분광법을 사용하여 티타늄 옥사이드 기반 염료감응형 태양전지의 광전지 및 전기화학적 특성을 평가하였다. 먼저 티타늄 옥사이드 페이스트를 이용하여 스크린 프린팅 방식으로 TiO2 광 전극의 두께를 변화시켜 티타늄 옥사이드 광전극을 제작하였다. 티타늄 옥사이드에 흡착되는 염료 분자의 양은 염료 분자 흡착 부위의 증가로 인해 티타늄 옥사이드 광전극의 두께가 증가함에 따라 계속 증가하는 경향을 보인다. 염료감응형 태양전지의 성능은 광전류를 생성할 수 있는 염료 흡착량의 경향에 따라 최대 약 12 μm 티타늄 옥사이드 두께까지 증가하나 12 μm 두께 이후에는 티타늄 옥사이드 필름이 깨지기 시작하여 성능이 저하된다. 본 실험을 통해 티타늄 옥사이드 광전극의 최적 두께는 12 μm로 전하 전달 저항이 낮은 것으로 확인되었다. 염료 코팅 과정에서 표면적과 흡착 사이트를 변화시킬 수 있는 티타늄 옥사이드 필름 제조 공정 중 냉각 단계에 해당하는 급냉 단계를 도입하여, 미세 구조 변화 및 염료감응형 태양전지의 성능 향상 여부를 확인하였다. 티타늄 옥사이드 필름의 표면 형태는 표면 및 결정 구조의 변화없이 티타늄 옥사이드 입자 크기가 감소하였으며, I-V 측정 결과 전류밀도 증가에 따른 염료감응형 태양전지 성능의 증가를 확인하였다. 전기화학적 임피던스 분광법과 UV-vis 분광법의 결과를 통해 N719 염료/티타늄 옥사이드-전해질 사이의 계면 내부 저항이 염료 부하량을 증가시킴으로써 감소되었음을 확인하였다. 결과적으로 티타늄 옥사이드 필름의 입자 크기 감소로 인한 염료 분자 흡착량 증가로 인해 염료감응형 태양전지 성능이 향상된 것으로 판단된다. TCO(투명 전도 산화물)-전해질 계면에서 전하 재결합을 방지하고 TCO-티타늄 옥사이드 광전극 인터페이스의 전송을 향상시키는 것이 염료감응형 태양전지의 성능을 향상시키는 관점에서 중요하다. DSSC의 성능을 향상시키기 위해 티타늄 테트라클로라이드 수용액을 사용한 티타늄 옥사이드 치밀층을 FTO/유리 기판 위에 증착하였다. 그 결과, 티타늄 테트라클로라이드 사전 처리의 최적 조건은 30분으로, 기준전지 대비 광변환 효율이 약 17% 증가한 것으로 나타났다. 교류 임피던스 스펙트럼을 통해 확인한 결과, 티타늄 옥사이드 치밀층의 두 가지 효과로 인해 전하 전달 저항이 감소했음을 확인하였다. 또한 30분 처리된 티타늄 옥사이드 치밀층의 전자 수명은 기준전지에 비해 크게 향상되었다. 티타늄 옥사이드 치밀층의 효과를 구별하기 위해 패턴된 티타늄 옥사이드 치밀층이 증착된 염료감응형 태양전지를 제작하였다. I-V 특성, 전기화학적 임피던스 분광법, 개방회로전압 감퇴 분석법을 통해 FTO-광전극 계면에서의 전자 수송 개선 효과보다 FTO-전해질 계면에서의 전하 재결합 차단 효과가 지배적이라는 것을 확인하였다.
Dye-sensitized solar cell (DSSC) is one of the most attractive solar cells due to its low manufacturing cost, high conversion efficiency and wide application compared conventional silicon-based solar cells. Especially, the TiO2 photoelectrode that generates photocurrent by absorbing the light is one...
Dye-sensitized solar cell (DSSC) is one of the most attractive solar cells due to its low manufacturing cost, high conversion efficiency and wide application compared conventional silicon-based solar cells. Especially, the TiO2 photoelectrode that generates photocurrent by absorbing the light is one of the most important factors in the DSSCs. It is a key point to develop the advanced photoelectrode to improve the overall performance of the DSSCs. However, the problems such as remarkably low conversion efficiency and charge recombination in the photoelectrode still remain. Also, the explanation of the relationship between the performance of the DSSCs and the electrochemical reaction is not clear. In this study, in order to improve the performance, DSSCs was modified with different approach by changing the process step and inserting the additional layers on the FTO/glass. And then, photovoltaic and electrochemical properties of TiO2-based DSSCs were evaluated by using various method, especially, solar simulator analysis and electrochemical impedance spectroscopy. First, the TiO2 photoelectrode was fabricated by changing the thickness using screen printing method. It has the tendency that the amount of dye molecules adsorbed on TiO2 increases as the thickness of the TiO2 photoelectrode increases due to the increase in the dye molecule adsorption site. The performance of DSSCs increases up to approximately 12 μm TiO2 thickness, corresponding to the tendency of the amount of dye adsorption that enables to generate the photocurrent. However, over 12 μm thickness, the TiO2 films start to break, resulting in the decrease of the performance. It was confirmed that the optimum thickness of TiO2 photoelectrode was 12 μm, which had a low charge transfer resistance. It was also confirmed that the introduction of the quenching step in TiO2 film fabrication process which can change the surface area and adsorption site during dye coating could affect the performance of the DSSCs. It was revealed that the decrease in the TiO2 particle size occurred without the changes in both the composition and crystal structure by the quenching step. After quenching step in the sintering process, DSSC performance was improved by increasing the current density according to the I-V measurement. Electrochemical impedance spectroscopy and UV-vis spectroscopy indicated that internal resistance of the interface between N719/TiO2- electrolyte was decreased by increasing the amount of dye loading. As a result, an increase in the dye adsorption site by reducing the particle size of TiO2 films leads to improve the DSSC performance. It is also important to prevent the charge recombination in transparent conducting oxide (TCO)-electrolyte interface and to enhance the transport in TCO-TiO2 photoelectrode interface in the point of improving the performance of DSSCs. A TiO2 compact layer was deposited on the FTO/glass substrate by using TiCl4 aqueous solution. The optimal conditions in TiCl4 post treatment to improve the performance was 30 min TiCl4 treatment, showing ~17% increase in photo conversion efficiency compared with the reference sample. AC impedance spectra indicated that the charge transfer resistance was decreased due to two effects of the TiO2 compact layer. The electron lifetimes of the sample with the 30 min treatment TiO2 compact layer was improved compared with the reference sample. The patterned-TiO2 compact layers were fabricated to distinguish the effects of TiO2 compact layer. The effect of blocking the charge recombination is dominant than that of improving the electron transport through I-V photovoltaic properties.
Dye-sensitized solar cell (DSSC) is one of the most attractive solar cells due to its low manufacturing cost, high conversion efficiency and wide application compared conventional silicon-based solar cells. Especially, the TiO2 photoelectrode that generates photocurrent by absorbing the light is one of the most important factors in the DSSCs. It is a key point to develop the advanced photoelectrode to improve the overall performance of the DSSCs. However, the problems such as remarkably low conversion efficiency and charge recombination in the photoelectrode still remain. Also, the explanation of the relationship between the performance of the DSSCs and the electrochemical reaction is not clear. In this study, in order to improve the performance, DSSCs was modified with different approach by changing the process step and inserting the additional layers on the FTO/glass. And then, photovoltaic and electrochemical properties of TiO2-based DSSCs were evaluated by using various method, especially, solar simulator analysis and electrochemical impedance spectroscopy. First, the TiO2 photoelectrode was fabricated by changing the thickness using screen printing method. It has the tendency that the amount of dye molecules adsorbed on TiO2 increases as the thickness of the TiO2 photoelectrode increases due to the increase in the dye molecule adsorption site. The performance of DSSCs increases up to approximately 12 μm TiO2 thickness, corresponding to the tendency of the amount of dye adsorption that enables to generate the photocurrent. However, over 12 μm thickness, the TiO2 films start to break, resulting in the decrease of the performance. It was confirmed that the optimum thickness of TiO2 photoelectrode was 12 μm, which had a low charge transfer resistance. It was also confirmed that the introduction of the quenching step in TiO2 film fabrication process which can change the surface area and adsorption site during dye coating could affect the performance of the DSSCs. It was revealed that the decrease in the TiO2 particle size occurred without the changes in both the composition and crystal structure by the quenching step. After quenching step in the sintering process, DSSC performance was improved by increasing the current density according to the I-V measurement. Electrochemical impedance spectroscopy and UV-vis spectroscopy indicated that internal resistance of the interface between N719/TiO2- electrolyte was decreased by increasing the amount of dye loading. As a result, an increase in the dye adsorption site by reducing the particle size of TiO2 films leads to improve the DSSC performance. It is also important to prevent the charge recombination in transparent conducting oxide (TCO)-electrolyte interface and to enhance the transport in TCO-TiO2 photoelectrode interface in the point of improving the performance of DSSCs. A TiO2 compact layer was deposited on the FTO/glass substrate by using TiCl4 aqueous solution. The optimal conditions in TiCl4 post treatment to improve the performance was 30 min TiCl4 treatment, showing ~17% increase in photo conversion efficiency compared with the reference sample. AC impedance spectra indicated that the charge transfer resistance was decreased due to two effects of the TiO2 compact layer. The electron lifetimes of the sample with the 30 min treatment TiO2 compact layer was improved compared with the reference sample. The patterned-TiO2 compact layers were fabricated to distinguish the effects of TiO2 compact layer. The effect of blocking the charge recombination is dominant than that of improving the electron transport through I-V photovoltaic properties.
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