[논문]티타늄 메쉬 전극구조를 이용한 염료 태양전지 제작

팽성환; 김두환; 박민우; 성열문

문제 정의

염료 태양전지가 차세대 태양전지 시장에서 확실한 자리매김을 하기위해서는 상기의 당면과제들이 반드시 해결되어야 하며, 특히 획기적인 코스트 절감을 실현하기 위해서는 고가의 TCO를 대체할 수 있는 새로운 방안에 대한 연구가 요구된다. 본 연구에서는 염료 태양전지의 상업적 응용의 관점에서 제조 코스트의 획기적인 절감을 위해 TCO 층을 사용하지 않는 새로운 타입의 TCO-less 염료 태양전지의 제작에 관하여 기술한다.
본 연구에서는 저비용 고효율의 염료 태양전지의 개발을 위해 종래 사용되어온 고가의 TCO층을 금속의 Ti-mesh 전극으로 대체한 새로운 구조의 TCO-less 염료 태양전지를 제작하였다. TCO-less 구조는 "유리기판/ 염료 흡착 TiO2 층/ Ti-mesh 전극/ 전해질/ 상대 전극/ 유리기판"으로 구성되며, Ti-mesh 전극은 종래의 TCO를 대신하여 염료 태양전지의 Photo-anode로서의 기능을 수행한다.

제안 방법

이는 미처 제거하지 못한 Paste 용매의 잔존물이 골격 구조의 형성에 영향을 미치기 때문이다. Polymer binder paste에 있는 Chloroforme Ethanol 매질에 쉽게 제거되지 않아서, 3차원 골격 구조가 흐트러지는 현상이 발생하는데, 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 Heat-controlled blowing system과 냉각된 기판을 사용하였다.
셀 제작 과정은 다음과 같이 요약할 수 있다. 먼저 TiO₂ 층을 제작하기 위해 시판의 TiO₂ Paste(D-paste, Solaronix Inc.)를 두께 10㎛로 하여 스크린 프린터로써 유리 기판 위에 도포하였다. 그리고 앞서 제작된 Ti-mesh를 TiO2 Paste 위에 올려놓고 450℃에서 60분간 열처리 하면 TiOz/Ti-mesh 구조의 Photo-anode 전극이 완성된다.
본 연구에서는 TCO-less 염료 태양전지의 Photo-anode로써 3차원적 다공성 구조를 지니는 직물 형태의 Ti~mesh 전극 구조를 도입하였다. Photo anode와 상대전극 사이의 간격은 약 ~200㎛이고, 서브 미크론(~㎛) 이하의 매우 얇은 두께의 Mesh-type Ti metale 제작 공정 이 까다롭고 제조 비용 또한 비싸다.
Photo anode와 상대전극 사이의 간격은 약 ~200㎛이고, 서브 미크론(~㎛) 이하의 매우 얇은 두께의 Mesh-type Ti metale 제작 공정 이 까다롭고 제조 비용 또한 비싸다. 본 연구에서는 Ti-mesh의 제작법으로써 Robotic deposition device# 사용한 Ti-powder/polymer 혼합 Paste의 직접 분사방식에 의해 3차원적 골격을 지니는 T-imesh가 제작되었다[7].
그리고 앞서 제작된 Ti-mesh를 TiO2 Paste 위에 올려놓고 450℃에서 60분간 열처리 하면 TiOz/Ti-mesh 구조의 Photo-anode 전극이 완성된다. 상대 전극은 TCO 유리기판에 H₂PtCl-6H₂O 와 2-Propanol 수화물을 450℃에서 30분간 소결시켜 코팅하여 제작하였다. 전극 사이의 간격은 60㎛ 두께의 Surlyn film spacer를 사용하여 유지시켰다.
그리하여 다음 과정으로 기계적 처리 및 HF와 HN03의 화학적 식각 처리를 통해 두께를 ~40 ㎛로 감소시킬 수 있었다. 이상의 제작 공정을 통해 Ti-mesh 전극이 완성되었고, 그 다음 단계로서 염료 태양전지 셀을 제작하였다. 셀 제작 과정은 다음과 같이 요약할 수 있다.

대상 데이터

"이에 비하여 본 연구에서 제안한 TCO-less 구조의 염료 태양전지 시료는 ""유리 기판/ 염료 흡착 TiO2 나노입자 층/ Ti-mesh 전극 (Photo-anode)/ 전해질/ 상대 전극/ 유리기판""의 구조를 가진다(그림 2"

성능/효과

먼저 Robotic deposition device에 의한 RP 기법에 의해 제 작된 Ti-mesh 전극은 두께 약 40㎛와 50%의 다공성을 가지는 것으로 확인되었다. Ti-mesh 전극을 베이스로 하는 TCO-less 염료 태양전지를 제작하여 광전류-전압 특성을 측정한 결과, 약 1.45%(ff: 0.5, Voc: 0.52V, Jsc: 5.55 mA/cme의 변환효율을 얻을 수 있었다. 일반의 염료 태양전지와 비교할 때, 광전류와 FF가 낮은 수치를 나타내었는데, 이는 본 실험에서 제작된 Ti-mesh 전극의 hole 사이즈가 이론적인 최적 값(20~30 ㎛)에 비해 너무 커서 Photbanode로서의 전자 포집 능력이 그만큼 저하되기 때문이며, hole 사이즈를 최소화함으로써 광전류가 증대될 것으로 기대된다.
제작된 Ti-mesh의 두께는 대략 400 ㎛ 정도인 것으로 확인되었으며, 이 수치는 염료 태양전지에 적용하기에는 너무 두껍다. 그리하여 다음 과정으로 기계적 처리 및 HF와 HN03의 화학적 식각 처리를 통해 두께를 ~40 ㎛로 감소시킬 수 있었다. 이상의 제작 공정을 통해 Ti-mesh 전극이 완성되었고, 그 다음 단계로서 염료 태양전지 셀을 제작하였다.
TCO-less 구조는 "유리기판/ 염료 흡착 TiO2 층/ Ti-mesh 전극/ 전해질/ 상대 전극/ 유리기판"으로 구성되며, Ti-mesh 전극은 종래의 TCO를 대신하여 염료 태양전지의 Photo-anode로서의 기능을 수행한다. 먼저 Robotic deposition device에 의한 RP 기법에 의해 제 작된 Ti-mesh 전극은 두께 약 40㎛와 50%의 다공성을 가지는 것으로 확인되었다. Ti-mesh 전극을 베이스로 하는 TCO-less 염료 태양전지를 제작하여 광전류-전압 특성을 측정한 결과, 약 1.
이때 얻어진 I-V특성 그래프는 그림 6에 나타내었다. 본 연구에서 제작된 TCO-less 구조의 염료 태양전지는 그림 6에서 알 수 있듯이 광전변환 기능을 성공적으로 수행하는 것으로 나타났다. 그러나 약 1.
55 mA/cme의 변환효율을 얻을 수 있었다. 일반의 염료 태양전지와 비교할 때, 광전류와 FF가 낮은 수치를 나타내었는데, 이는 본 실험에서 제작된 Ti-mesh 전극의 hole 사이즈가 이론적인 최적 값(20~30 ㎛)에 비해 너무 커서 Photbanode로서의 전자 포집 능력이 그만큼 저하되기 때문이며, hole 사이즈를 최소화함으로써 광전류가 증대될 것으로 기대된다. 그리고 FF를 개선하기 위해서는 TiO₂ 나노입자 층과 Ti-mesh 간의 계면 결합상태를 최적화할 필요가 있음을 알 수 있었다.
여기에는 크게 두 가지 요인으로 분석할 수 있다. 첫째, 광전류 밀도가 1.5AM 조건 하에서 5.55mA/cnf로 얻어졌는데, 이는 제작된 Mesh Hole의 직경이 너무 크기 때문에 전류밀도가 낮은 것으로 보인다. TCO-less 구조 하에서 전자는 TiO₂ 나노입자 간의 계면 network를 통해 확산되어 Ti-mesh 전극으로 전송되는데, 이 때 TiO₂ 층내에서의 전자의 평균자유행정은 약 10~20㎛ 인 것으로 알려져 있다[3].

후속연구

일반의 염료 태양전지와 비교할 때, 광전류와 FF가 낮은 수치를 나타내었는데, 이는 본 실험에서 제작된 Ti-mesh 전극의 hole 사이즈가 이론적인 최적 값(20~30 ㎛)에 비해 너무 커서 Photbanode로서의 전자 포집 능력이 그만큼 저하되기 때문이며, hole 사이즈를 최소화함으로써 광전류가 증대될 것으로 기대된다. 그리고 FF를 개선하기 위해서는 TiO₂ 나노입자 층과 Ti-mesh 간의 계면 결합상태를 최적화할 필요가 있음을 알 수 있었다.
앞으로 Ti-mesh 전극의 전기 전도성을 최대로 하는 최적의 Mesh 구조(두께, 간격) 조건을 명확히 하는 연구가 진행되어야 하며, 이를 위해 화학적 혹은 기계적 방법, 그리고 Wire를 사용하여 두께를 제어하는 방법 등이 검토되어야 할 것이다. 그리고 TiO₂ 입자 산화물과 Ti-mesh 간의 결합은 열처리 방법을 주로 사용하고 있지만, 높은 온도에서 장시간의 열처리는 유리와 염료 분자 가열에 취 약함을 보이므로 이에 대한 개선책 이 강구되어 야 할 것이다. 그 중에서 전기화학적 양극 산화에 의해 낮은 온도 조건 하에서의 산화물과 금속의 결합뿐만 아니라, Ti-mesh 에 TiO₂ 나노 층의 직접 형성도 가능한 것으로 알려져 있다.
저항의 증가는 Ti-mesh층과 TiO₂ 입자와의 견고하지 못한 결합상태로부터 기인되는 것으로 보이며, 이러한 전기적 Necking의 불완전성이 FF가 크게 개선되지 못한 주 원인으로 판단된다. 앞으로 Ti-mesh 전극의 전기 전도성을 최대로 하는 최적의 Mesh 구조(두께, 간격) 조건을 명확히 하는 연구가 진행되어야 하며, 이를 위해 화학적 혹은 기계적 방법, 그리고 Wire를 사용하여 두께를 제어하는 방법 등이 검토되어야 할 것이다. 그리고 TiO₂ 입자 산화물과 Ti-mesh 간의 결합은 열처리 방법을 주로 사용하고 있지만, 높은 온도에서 장시간의 열처리는 유리와 염료 분자 가열에 취 약함을 보이므로 이에 대한 개선책 이 강구되어 야 할 것이다.
그림 1의 자료에서도 알 수 있듯이, 전체 제조비용에서 TCO가 차지하는 비율은 약 25%에 달하며, 재료비만을 고려할 때 전체의 약 60%를 차지하고 있다. 염료 태양전지가 차세대 태양전지 시장에서 확실한 자리매김을 하기위해서는 상기의 당면과제들이 반드시 해결되어야 하며, 특히 획기적인 코스트 절감을 실현하기 위해서는 고가의 TCO를 대체할 수 있는 새로운 방안에 대한 연구가 요구된다. 본 연구에서는 염료 태양전지의 상업적 응용의 관점에서 제조 코스트의 획기적인 절감을 위해 TCO 층을 사용하지 않는 새로운 타입의 TCO-less 염료 태양전지의 제작에 관하여 기술한다.
그동안의 연구는 주로 효율향상을 위해 소자구조의 개선과 새로운 물질개발이라는 두 가지의 큰 틀에서 진행되어 왔고, 2008년 현재 단위 전지효율이 9~11%, 모듈 효율이 6~8%정도에 달하고 있다. 해외의 공신력 있는 보고 (프랑스 Yole사의 2007년 분석자료)에 근거하면, 염료 태양전지의 기술 수준은 상용화 직전단계까지 도달한 것으로 평가되고 있으나, 본격적인 상용화에 진입하기위해서는 좀 더 연구를 필요로 하고 있다. 당면 과제로서 효율(Efficiency) 개선, 비용 절감 (Cost-effectiveness) 과 장기 안정성 (Long-term StabilityX 들고 있다특히, 염료 태양전지의 가장 큰 장점으로서 낮은 제조단가(기존 Si 태양전지의 1/3이하)를 내세우고 있으나, 현재의 방식으로는 획기적인 개선을 기대하기 어렵다.
그 외에도 스퍼터링이나 전자 빔 증착법을 이용하여 TiO2 나노입자 층에 직접 Ti 층을 형성하는 방안 등 다양한 관점에서 연구가 진행되고 있다[8T0]. 향후 이러한 방법들을 도입한 TCO-less 구조의 제작과 효율개선에 관한 연구는 관련기술의 상용화를 앞당기는 중요한 계기가 될 것이다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

티타늄 메쉬 전극구조를 이용한 염료 태양전지 제작
Synthesis of Dye-sensitized Solar Cells with Titanium Mesh Electrode 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

참고문헌 (10)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

티타늄 메쉬 전극구조를 이용한 염료 태양전지 제작 Synthesis of Dye-sensitized Solar Cells with Titanium Mesh Electrode 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

참고문헌 (10)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

박민우 (7) 성열문 (38)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

티타늄 메쉬 전극구조를 이용한 염료 태양전지 제작
Synthesis of Dye-sensitized Solar Cells with Titanium Mesh Electrode 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper