[논문]<tex>$TiO_2$</tex> 두께에 따른 염료감응형 태양전지의 전기화학적 임피던스 분석

김희제; 이정기; 서현웅; 손민규; 김진경; 프라바카르; 신인영

$TiO_2$ 두께에 따른 염료감응형 태양전지의 전기화학적 임피던스 분석
Electrochemical Impedance Spectroscopy Analysis on the Dye-sensitized Solar Cell with Different $TiO_2$ thicknesses 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.58 no.12, 2009년, pp.2425 - 2430

김희제 (부산대학 전자전기공학과) , 이정기 (부산대학 전자전기공학과) , 서현웅 (부산대학 전자전기공학과) , 손민규 (부산대학 전자전기공학과) , 김진경 (부산대학 전자전기공학과) , 프라바카르 (부산대학 전자전기공학과) , 신인영 (부산대학 전자전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Dye-sensitized solar cell(DSC) is composed of a dye-adsorbed nanoporous $TiO_2$ layer on fluorine-doped tin oxide(FTO) glass substrate, electrolyte, and platinium doped counter electrode. Among these, a dye-absorbed nanoporous $TiO_2$ layer plays an important role in the performance of the DSC because the injected electrons from excited dye molecules move through this layer. And the condition of $TiO_2$ layer such as the morphology and thickness affects on the electron movement. Therefore, the performances and the efficiency of DSC change as the thickness of $TiO_2$ layer is different. Electrochemical Impedance Spectroscopy(EIS) is the powerful analysis method to study the kinetics of electrochemical and photoelectrochemical processes occurring in the DSC especially the injected electron movements. So we analyzed the DSCs with different $TiO_2$ thicknesses by using EIS to understand the influence of the $TiO_2$ thickness to the performance of the DSC clearly. Finally, we got the EIS analysis on the DSC with different $TiO_2$ thickness from the internal resistance of the DSC, the electron life time and the amount of dye molecules.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 EIS를 활용하여 TiCfe막의 두께 변화에 따른 각 파라미터의 변화와 추이를 분석하여 TiO₂ 두께의 변화에 따른 전자의 이동 및 메커니즘을 이해하고자 하였다. 특히 TiO₂ 두께 변화에 따른 내부 저항의 변화를 DSC의 내부 등가회로 이론을 바탕으로 상세히 분석하고 EIS 측정 결과로부터 피크 주파수와 전자 수명 시간을 분석함으로써 TiO₂ 두께의 변화가 전자 이동 및 메커니즘에 어떠한 영향을 미치는지를 면밀히 분석하였다.

제안 방법

EIS는 전기화학분석기 (Biologic science instrument, SPT50)를 이용하여 측정하였다. EIS는 lOOmHz의저주파 영역에서부터 1MHz의 고주파 영역까지 주파수를 변화 시켜 가며 측정하였다. 또한 UV/VIS(Ultraviolet-Visible Spectroscopy) spectrophotometer(Varian USA, Carry 300) 을이 용하여 TiO₂ 두께 변화에 따른 염료의 흡착량을 분석하였다.
광전극 제조의 경우 세척과 건조방식은 상대전극과 같으며, TiOz 는 Solaronix 사의 TiO₂ Paste (Ti-Nanoxide HT/SP, SolaronixX 스크린 프린트(Screen print) 방법과 닥터 블레이드(doctor-blade) 방법으로 한 층 또는 두 층으로 코팅(유효면적 0.25E)하여 TiOz 두께를 조절하였다. 한 층으로 코팅된 것은 450℃에서 30분간 소성하고 두 층으로 코팅된 것은 첫번째 층을 120℃에서 30분 동안 건조시키고 그 위에 코팅한 두 번째 층을 450℃에서 30분간 소성하여 다공질 TiO₂ 구조를 형성하였다.
EIS는 lOOmHz의저주파 영역에서부터 1MHz의 고주파 영역까지 주파수를 변화 시켜 가며 측정하였다. 또한 UV/VIS(Ultraviolet-Visible Spectroscopy) spectrophotometer(Varian USA, Carry 300) 을이 용하여 TiO₂ 두께 변화에 따른 염료의 흡착량을 분석하였다.
본 연구에서는 EIS 분석 결과를 이용하여 Ti02의 두께 (4~15㎛)를 증가시킬 때 DSC의 내부저항(R?) 및 피크 주파수(#)의 변화, 나아가서 전자 수명 시간(#)과 전자 확산 거리 (Ln) 와의 상관관계틀 중점적으로 분석하여 TiO₂ 두께의 변화가 전자 이동 및 메커니즘에 미치는 영향에 대해서 확인하였다. 그 결과 Ti6의 두께가 증가할수록 TiO₂ 내 젼자이동과 관련된 내부 저항 R?가 감소하는 것을 확인 하였으며 이로 인해 TiO?의 전자 수집의 효과가 상승하여 전류밀도와 효율이 증가한다는 것을 알 수 있다.
완성된 태양전지의 I-V 특성 곡선을 측정하기 위하여 Air Mass(AM) 1.5(100mW/ciif)조건의 Xenon lamp 하에서 디지털 소스 미터(Keithley Instruments Inc, Model 2400X 사용하여 그 특성을 분석하였다. EIS는 전기화학분석기 (Biologic science instrument, SPT50)를 이용하여 측정하였다.
특히 TiO₂ 두께 변화에 따른 내부 저항의 변화를 DSC의 내부 등가회로 이론을 바탕으로 상세히 분석하고 EIS 측정 결과로부터 피크 주파수와 전자 수명 시간을 분석함으로써 TiO₂ 두께의 변화가 전자 이동 및 메커니즘에 어떠한 영향을 미치는지를 면밀히 분석하였다.
그 후 상대전극에 미리 뚫어 놓은 작은 구멍을 통해 산화. 환원 반응을 위한 전해질 (0.5M Lil, 0.05M 12, 0.5M 4-tertbutylpyridine in acetonitrile) 을 주입하고 커버 글라스와 실링지로 구멍을 막아 DSC 제작을 완료하였다.

이론/모형

5(100mW/ciif)조건의 Xenon lamp 하에서 디지털 소스 미터(Keithley Instruments Inc, Model 2400X 사용하여 그 특성을 분석하였다. EIS는 전기화학분석기 (Biologic science instrument, SPT50)를 이용하여 측정하였다. EIS는 lOOmHz의저주파 영역에서부터 1MHz의 고주파 영역까지 주파수를 변화 시켜 가며 측정하였다.

성능/효과

이는 염료 분자가 TiOz 입자에 흡착된다는 사실을 바탕으로 할 때 TiO₂ 두께가 두꺼워질수록 흡착될 염료의 양이 증가함을 의미한다. 따라서 TiOz의 두께가 증가할수록 흡착된 염료 양이 증가하여 많은 전자가 생성되어 전류의 양이 증가한다는 것을 확인할 수 있다. 또한 이러한 사실은 UV-VIS를 통하여 염료의 태양광 흡광도를 분석함으로써 조금 더 확실히 알 수 있다.
TiO₂의 두께가 두꺼워질수록 Tr 또한 증가하는 변화를 보이는데 이는 두께가 증가할수록 전자가 머무를 수 있는 시간이 증가한다는 것을 의미한다. 또한 앞선 수식을 통하여 전자의 확산거리인 Ln 또한 증가함을 알 수 있고, 이는 TiOZ 두께가 두꺼워질수록 전자의 확산거리가 증가하여 전자의 이동이 한층 용이하다는 결론에 이른다. 이는 DSC의 성능에 궁극적인 연관이 있으며 위에서 언급한 TiO₂ 내 전자 이동과 관련된 내부 저항 성분 R2가 TiO₂ 두께가 증가할수록 감소하는 것과 일치하는 결과이다.
TiO?의 단면 두께를 조절하며 R?에 대해 중점적으로 분석해 본 결과, 다른 저항 성분보다도 확연한 경향성을 띠고 있는 것을 발견하였다.
또한 염료의 흡광도 역시 DSC 성능에 중요한 영향을 끼치는 요인 중 하나로 TiO-2 두께가 증가할수록 염료가 많이 흡착되므로 빛의 이용률이 증가하게 되어 많은 전자가 발생될 수 있다. 하지만 TiO₂ 두께가 너무 두꺼워질 경우 빛의 이용률이 떨어져 오히려 약간의 효율 감소가 발생하였다, 따라서 궁극적으로 어느 정도의 TiQ의 두께의 증가는 내부저항의 감소와 전자의 수명증가, 그리고 빛의 이용률을 증가시킴으로써 DSC의전류밀도를 더욱 증가시켜 더 높은 DSC의 광전변환효율을기대할 수 있다는 결론을 얻었다.

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Liyuan Han, Naoki Koide, Yasuo Chiba, and Takehito Mitate, 'Modeling of an equivalent circuit for dye-sensitized solar cells', Appl. Phys. Lett., Vol. 84, No. 13, March 2004

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T.Hoshikawa, T. Ikebe, R. Kikuchi, K.Eguchi, 'Effects of electrolyte in dye-sensitized solar cells and evaluation by impedance spectroscopy', Electrochimica Acta, Vol. 51, Issue 25, July 2006

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