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문제 정의
- 본 논문은 최적의 나노입자 TiO2 인쇄용 페이스트 제조 방법과 반투명 염료감응 태양전지의 모듈 제조 방법 및 외부 온도에 따른 특성을 평가하여 건물일체형 반투명 염료감응 태양전지 모듈 가능성을 점검하고자 한다.
제안 방법
- 전류-전압 곡선은 Kethley 2400으로 측정하였으며, 광원으로는 Xenon lamp (Oriel, 91193)를 사용하였다. Xenon lamp의 태양조건(AM 1.5)은 표준태양전지 (Frunhofer Institute Solare Engeriessysteme, Certificate No. C-ISE369, Type of material : Mono-Si + KG filter)를 사용하여 보정하였다. 파장에 따른 양자효율은 Solar Cell QE / IPCE Measurement System (PV Measurements)로 측정하였다.
- 가열하는 동안 용액의 점성은 증가와 감소를 반복하게 된다. 가열된 용액을 210℃, 220℃, 230℃,240℃의 조건으로 테프론 용기가 포함된 autoclave(Parr)에서 12시간 동안 합성하여 TiO2 콜로이드 입자 합성 온도에 따른 염료감응 태양전지의 특성을 평가하였다.[2]
- 염료가 흡착된 나노입자 전극과 백금 전극을 30 µm 두께의 surlyn을 사이에 두고 두 전극을 마주한 다음 100℃의 가열 판에 놓고 2 기압의 압력으로 두 전극을 밀착한다. 두 전극을 밀착한 다음 백금이 코팅된 양극의 미세 구멍을 통하여 전해질 용액을 채운고 미세구멍을 밀폐하였다. 전해질로는 3-Methoxypropionitrile 용매에 산화/환원 전해질로는 0.
- 모듈 제작에서 활성 면적이 증가하면 내부저항이 증가하여 fill factor 를 저하시킨다. 따라서 효율 감소없이 우수한 염료감응 태양전지 모듈을 제조하기 위해서는 각 개별 태양전지의 가로와 세로의 길이 변화에 따른 효율 변화를 관찰 하였다. TiO2 층의 폭이 증가할수록 fill factor는 감소 하는 경향을 보이고 있으나, 8 mm 폭 이상에서는 fill factor 감소가 급격한 반면 8 mm 이하에서는 fill factor 가 65% 이상의 결과를 얻었다.
- 모듈 제조 과정은 레이저로 식각된 FTO 기판 상에 TiO2 필름 및 Pt 대전극을 스크린 인쇄에 의하여 코팅하고, 내부 직렬연결을 위하여 sub micrometer 크기의 실버 페이스트를 코팅하였다. 이미다졸계 요오드 전해질을 주입하여 제작된 모듈은 그림 8과 같다.
- 반투명 염료감응 태양전지 모듈을 제조하기 위하여 230℃에서 합성된 TiO2 나노입자가 가장 우수한 특성을 나타내었으며, 전도성유리 표면을 TiCl4 수용액으로 표면처리함으로써 재결합을 현저히 차단하였다. 염료 감응 태양전지는 80℃이상의 외부 온도에서는 태양전지 효율이 급격히 감소하였으며, 상온에서 50℃까지는전자전달이 온도 증가에 따라 활성화되어 효율이 향상되었다.
- 반투명 염료감응 태양전지 모듈을 제조하기 위하여 그림 8과 같이 전극구조를 설계하였다. 모듈 제작에서 활성 면적이 증가하면 내부저항이 증가하여 fill factor 를 저하시킨다.
- 액체 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지의 외부 온도 변화에 따른 영향을 평가하기 위하여 태양전지의 온도를 조정하여 에너지변환 효율을 그림 7과 같이 평가하였다. 염료감응 태양전지는 화학적 작용에 의한 전자 발생 및 전자 전달 과정이 진행되어 온도 증가에 따라 전자 전달이 활성화 되어 85℃까지는 광전류가 증가하였다.
- 1배의 로릴 산을 혼합하고 가열 교반하여 점도를 갖는 유기 페이스트 액을 얻는다. 여기에 티타늄 산화물 콜로이드의 에탄올 용액을 가한 후 가열 교반하여 에탄올을 증발시켜서 나노입자 TiO2 비수용성 스크린인쇄 페이스트를 제조하였다.
- 또한 동일 폭에 대하여 길이는 fill factor에 영향을 미치지 않았다. 이러한 결과로부터 TiO2 필름은 가급적 8 mm 이하의 폭을 갖도록 모듈을 제작하였다.[9-13]
- C-ISE369, Type of material : Mono-Si + KG filter)를 사용하여 보정하였다. 파장에 따른 양자효율은 Solar Cell QE / IPCE Measurement System (PV Measurements)로 측정하였다.[3]
- 합성된 TiO2 콜로이드 용액을 원심분리하여 수용액을 에탄올용매로 치환하고 초음파 분쇄와 볼 밀링을 하여 나노입자 TiO2를 분산하였다. TiO2 중량 대비로 계산하여 3.
대상 데이터
- 그 전극을 5×10-4 M Ruthenium 535 bis TBA(Solaronix, N719) 염료용액에 24시간 이상 담가 놓아 염료가 TiO2 층에 충분히 결합하도록 한다. 용매로는 에탄올(99,9% 이상)을 사용하였다.
- 전류-전압 곡선은 Kethley 2400으로 측정하였으며, 광원으로는 Xenon lamp (Oriel, 91193)를 사용하였다. Xenon lamp의 태양조건(AM 1.
- 두 전극을 밀착한 다음 백금이 코팅된 양극의 미세 구멍을 통하여 전해질 용액을 채운고 미세구멍을 밀폐하였다. 전해질로는 3-Methoxypropionitrile 용매에 산화/환원 전해질로는 0.70 M 1-vinyl-3- methyl-immidazolium iodide, 0.10 M LiI, 40 mM I2, 그리고 0.125 M 4-tertbutylpyridine을 포함하는 전해질을 사용하였다.
성능/효과
- 온도에 따라 합성된 나노입자 TiO2 페이스트로 제조된 태양전지의 개방 전압은 모두 비슷하지만, 단락 전류의경우 크게는 10 % 이상 차이를 나타내었다. 210℃에서 230℃로 합성 온도가 증가함에 따라 TiO2의 결정 성이 향상되어 에너지 변환 효율이 향상되었으며, 240℃에서 합성된 나노입자 박막은 입자 크기가 상대 적으로 증가하여 염료가 흡착되는 표면적이 감소하여 에너지 변환 효율이 감소하는 것으로 생각되어 진다. 또한 온도가 낮을 경우(210℃) 입자 크기가 작아서 광전자의 재결합이 일어나기 때문에 에너지 변환 효율이 감소하는 것으로 판단되어 지며, 230℃에서 합성된 TiO2 나노입자가 최고의 에너지변환 효율을 보여 주고 있다.
- 따라서 효율 감소없이 우수한 염료감응 태양전지 모듈을 제조하기 위해서는 각 개별 태양전지의 가로와 세로의 길이 변화에 따른 효율 변화를 관찰 하였다. TiO2 층의 폭이 증가할수록 fill factor는 감소 하는 경향을 보이고 있으나, 8 mm 폭 이상에서는 fill factor 감소가 급격한 반면 8 mm 이하에서는 fill factor 가 65% 이상의 결과를 얻었다. 또한 동일 폭에 대하여 길이는 fill factor에 영향을 미치지 않았다.
- 수용액으로 표면처리함으로써 재결합을 현저히 차단하였다. 염료 감응 태양전지는 80℃이상의 외부 온도에서는 태양전지 효율이 급격히 감소하였으며, 상온에서 50℃까지는전자전달이 온도 증가에 따라 활성화되어 효율이 향상되었다. 염료감응 태양전지 모듈을 제조하기 위하여 모듈을 구성하고 있는 개별 태양전지의 폭이 8 mm이하에서는 에너지 변환 효율의 감소없이 태양전지 모듈 제조가 가능하였다.
- 페이스트로 제조된 태양전지의 에너지 변환 효율은 그림 4와 같다. 온도에 따라 합성된 나노입자 TiO2 페이스트로 제조된 태양전지의 개방 전압은 모두 비슷하지만, 단락 전류의경우 크게는 10 % 이상 차이를 나타내었다. 210℃에서 230℃로 합성 온도가 증가함에 따라 TiO2의 결정 성이 향상되어 에너지 변환 효율이 향상되었으며, 240℃에서 합성된 나노입자 박막은 입자 크기가 상대 적으로 증가하여 염료가 흡착되는 표면적이 감소하여 에너지 변환 효율이 감소하는 것으로 생각되어 진다.
- 표면 처리 시간에 따라 제조된 태양전지의 광전류-전압곡선으로부터 얻어진 에너지변환 효율의 변화는 그림 6과 같다. 재결합 차단층을 도입함으로써 TiCl4를 처리하지 않은 것에 비하여 상대적으로 7% 정도 에너지변환 효율이 향상되었으며, TiCl4를 30분 처리하였을 때 가장 높은 효율을 나타내었다.
- 제작된 염료감응 태양전지의 광전류-전압 곡선은 그림 9와 같 으며, 50 mm×60 mm 소형 모듈에서 100 mW (0.1 W) 크기의 출력과 5 V 이상의 단락전압을 얻을 수 있었으며, 모듈 효율은 약 6%로 평가되었다.
- 온도 증가하에 따라 광전압은 초기 50℃까지는 변화가 없었으나 50℃이상으로온도가 증가하면서 광전압이 지속적으로 감소하였다. 태양전지의 온도에 따른 광전압과 전류로부터 전력의 변화측정하였으며, 50℃까지는 광전압의 감소없이 광전류가 증가하여 태양전지의 전력도 증가하였다. 그러나 50℃이상에서는 광전류의 증가보다 광전압의 감소가 더 우세하여 효율이 서서히 감소하기 시작하였으며 90℃이상에서는 현저히 감소하였다.
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