[논문]염료감응형 태양전지의 상대전극 Pt 필름 두께와 증착 각도가 효율에 미치는 영향에 관한 연구

김희제; 여태빈; 박성준; 김휘영; 서현웅; 손민규; 채원용; 이경준

doi:10.5370/kiee.2010.59.3.588

[국내논문] 염료감응형 태양전지의 상대전극 Pt 필름 두께와 증착 각도가 효율에 미치는 영향에 관한 연구
Effects of the Sputtering Thickness and the Incident Angle of Pt Film Deposition as a Counter Electrode for Dye-sensitized Solar Cells 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.59 no.3, 2010년, pp.588 - 593

김희제 (부산대학 전자전기공학과) , 여태빈 (부산대학 전자전기공학과) , 박성준 (한국 수력원자력 연구원) , 김휘영 (동주대학 의료기공학과) , 서현웅 (부산대학 전자전기공학과) , 손민규 (부산대학 전자전기공학과) , 채원용 (부산대학 전자전기공학과) , 이경준 (부산대학 전자전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Sputter deposition on a Pt counter electrode was studied using radio frequency (RF) plasma as the improvement of incident photon to current conversion efficiency (IPCE) for dye-sensitized solar cells (DSCs). Effects of the sputtering thickness and the incident angle on a Pt counter electrode for DSCs were investigated. Experiments to get the optimal sputtering time for the performance of the DSCs were carried out. And it is found that the optimized sputtering time was 120 seconds, in addition, the incident angles of the substrate was adjusted from $0^{\circ}$ to $60^{\circ}$. The maximum efficiency of 5.37% was obtained at the incident angle of $40^{\circ}$ with an active cell area of $1cm^2$.

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AI 본문요약
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문제 정의

하지만 백금 증착 각도변화에 따른 DSC 효율 변화에 관한 연구는 볼 수 없었다. 따라서 본 연구에서는 상대전극의 백금 증착 두께와 증착 각도가 광전변환효율에 미치는 영향에 대해 알아보았다.
그림 6은 최종적으로 Pt 증착 각도에 따른 I-V 곡선 나타내고 있다. 본 연구를 통해 증착각도에 따른 전류 밀도 변화가 DSC의 효율 향상에 기여함을 알았다.
Pt는 우수한 촉매 능력, 높은 전도성의 성질 때문에 상대 전극의 재료로써 많이 사용된다. 본 연구에서는 DSC의 상대전극 제조 과정 중 Pt 박막의 두께와 경사 코팅이 효율에 미치는 영향에 관하여 분석해보았다. 그 결과 Pt 박막의 두께는 200nm까지는 효율 향상에 효과가 있었으며, 그 이상 증착이 되었을 때는 효과가 없었다.

제안 방법

진공 챔버 내의 스퍼터링이 원활히 발생할 수 있도록 아르곤(Ar) 가스를 매개로 주입하고 2.8×10-3Torr, 100℃에서 120W의 RF sputter power를 인가함으로써 FTO 촉매작용을 위한 Pt 박막층을 형성하였다.
이 때 Pt 타겟과 FTO 기판 사이의 거리는 70mm로 하였다. 먼저 Pt 증착 두께에 따른 실험을 수행하기 위해 증착시간을 0에서 150초 사이에서 변화를 주어 DSC 성능을 비교함으로써 최적 증착 시간을 찾았다. Pt 증착 두께 실험을 통해 얻은 최적 증착 시간 120초에서 그림 1와 같이 Pt 증착 각도 실험을 진행하였다.
증착 각도는 0˚에서 60˚사이에서 20˚씩 변화를 주었다. 증착된 Pt 표면과 단면은 전자 주사 현미경(SEM: scanning electron microscope, Hitachi S-4200)으로 관찰하였다. 그리고 증착 각도에 따른 Pt 박막의 표면 거칠기(Roughness factor)를 AFM(Atomic Force Microscopy, XE-100, Park Systems)이용하여 측정하였다.
증착된 Pt 표면과 단면은 전자 주사 현미경(SEM: scanning electron microscope, Hitachi S-4200)으로 관찰하였다. 그리고 증착 각도에 따른 Pt 박막의 표면 거칠기(Roughness factor)를 AFM(Atomic Force Microscopy, XE-100, Park Systems)이용하여 측정하였다.
위 방식을 통하여 제작된 광전극과 상대전극을 60㎛ 두께의 Surlyns film (SX1170-60)를 사용해 5초간 110℃로 열과 압력을 가해 실링하고 pin-hole을 통해 전해질(0.5M LiI, 0.05M I2, 0.5M 4-tertbutylpyridine in acetonitrile)을 주입한 후, pin-hole을 실링하였다. 그리고 초음파 납땜기(USS-9200, MBR Electronics)를 이용하여 외부 셀과 연결을 위한 전극을 만들어 염료감응형 태양전지를 완성하였다.
5M 4-tertbutylpyridine in acetonitrile)을 주입한 후, pin-hole을 실링하였다. 그리고 초음파 납땜기(USS-9200, MBR Electronics)를 이용하여 외부 셀과 연결을 위한 전극을 만들어 염료감응형 태양전지를 완성하였다. 태양전지 특성을 나타내는 단락 전류(Isc)와 개방 전압(Voc)은 1 sun(100mW/㎠) 조건의 Xenon 램프 아래에서 Keithley 2400 source meter를 이용하여 측정하였다.
그리고 초음파 납땜기(USS-9200, MBR Electronics)를 이용하여 외부 셀과 연결을 위한 전극을 만들어 염료감응형 태양전지를 완성하였다. 태양전지 특성을 나타내는 단락 전류(Isc)와 개방 전압(Voc)은 1 sun(100mW/㎠) 조건의 Xenon 램프 아래에서 Keithley 2400 source meter를 이용하여 측정하였다.
상대전극에 Pt 증착 두께에 따른 표면 저항은 네 개의 프로브를 가지는 SRM(Surface Resistivity Meter)을 이용하여 측정하였고 투과도 변화는 조도계(NIST Traceable Light measurement system)를 이용하여 측정하였다. 표 1에서 보는 것과 같이 Pt 증착 두께가 증가함에 따라 표면 저항은 감소하고 산란되는 빛의 양은 증가한다.
Pt 증착 각도가 효율에 미치는 영향에 대해 알아보기 위하여 Pt 스퍼터링 시간을 120초로 고정하였다. Pt 증착 각도에 따라 Pt 표면의 구조는 경사질 것으로 예상된다.
상대전극의 표면과 전해질 사이에 일어나는 전기 화학적 표면 반응을 분석하기 위하여 Cyclic-voltammetry을 측정하였다. Cyclic-voltammetry는 상대전극에서의 산화·환원 반응 정도를 알 수 있는 그래프로 음의 피크값은 식(3)의 반응과 관계된 산화·환원 반응 정도를, 양의 피크값은 식(4) 와 관련된 산화·환원반응 정도를 나타낸다.

이론/모형

광전극을 제작 하기 위하여 나노 입자의 다공성 TiO₂ paste(Ti-Nanoxide HT/SP, Solaronix 社)를 Doctor-blade 방법을 이용하여 광전극에 TiO₂ 필름을 도포하였다. TiO₂ 층의 단면적을 최대화 하는 다공질 구조를 형성하기 위해 도포된 TiO₂ 필름은 450℃의 온도에서 30분간 소성한 후 실온(25℃)에서 냉각시켰다.
상대전극의 제작에 앞서 전해질 주입을 위한 pin-hole 2개를 샌드 블라스트(NORMEK, FG 1-93)를 이용해서 형성하였다. 그런 다음 FTO 투명전극 유리 기판(9.3Ω/㎠) 위에 Pt 박막을 증착하기 위해 RF 스퍼터링 방식을 이용하였다. 진공 챔버 내의 스퍼터링이 원활히 발생할 수 있도록 아르곤(Ar) 가스를 매개로 주입하고 2.

성능/효과

이 결과는 Pt 필름 두께의 증가에 따른 전해질과 상대전극 계면에 존재하는 전하 전달 저항의 감소가 DSC 성능에 미치는 영향이 크지 않다는 것을 의미한다. 또한 Pt 필름 두께 변화에 따른 반사 능력의 변화가 DSC의 성능에 영향을 미치는 중요한 인자가 아니다[11].
결과적으로 증착각도가 40°일 때 I3-/I- 산화·환원 반응 능력이 가장 우수하다고 할 수 있다.
Pt 스퍼터링 시간을 120초로 고정한 후 경사 코팅 실험을 하여서 최적의 경사 코팅각 40°를 얻었으며, 그 때의 광전변환 효율은 유효면적 1 ㎠에서 5.37%를 얻었다.
본 연구에서는 DSC의 상대전극 제조 과정 중 Pt 박막의 두께와 경사 코팅이 효율에 미치는 영향에 관하여 분석해보았다. 그 결과 Pt 박막의 두께는 200nm까지는 효율 향상에 효과가 있었으며, 그 이상 증착이 되었을 때는 효과가 없었다. Pt 스퍼터링 시간을 120초로 고정한 후 경사 코팅 실험을 하여서 최적의 경사 코팅각 40°를 얻었으며, 그 때의 광전변환 효율은 유효면적 1 ㎠에서 5.

후속연구

이러한 연구들은 DSC가 상업화 되었을 때, 공정 요소 기술의 토대가 될 수 있다. 이 중 광전변환효율 향상을 위해 기존의 상대전극 제조 과정 또한 좀 더 최적화 할 필요성이 있다. DSC에서 상대전극의 핵심기능은 I₃^-에서 I^-로의 환원이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DSC에서 상대전극의 핵심기능은 무엇인가?	이 중 광전변환효율 향상을 위해 기존의 상대전극 제조 과정 또한 좀 더 최적화 할 필요성이 있다. DSC에서 상대전극의 핵심기능은 I3-에서 I-로의 환원이다. 즉, 고성능 DSC의 상대전극은 전자 이동을 쉽게 하기 위하여 전도성이 좋아야 하고 전해질에서 산화․환원 반응을 촉진하는 촉매 작용이 우수해야 하는 것은 잘 알려진 사실이다[9,10].
	염료감응형 태양전지의 특징은?	이런 시점에서 낮은 제조 단가, 간편한 제작 공정, 11%에 상응하는 높은 에너지 변환 효율을 기반으로 염료감응형 태양전지(Dye-sensitized Solar Cell : DSC)는 기존의 실리콘 태양전지의 대안인 제 3 세대 태양전지로 떠오르고 있다[1,2]. DSC는 식물의 광합성 원리를 기초로 전기를 생산하고 있으며, 샌드위치 구조로 투명전극(F-doped SnO2, FTO), 나노입자의 다공질 TiO2, 염료 고분자층으로 구성된 광전극(photo-electrode)과 투명전극 및 백금(Pt) 박막으로 구성된 상대전극(counter-electrode), 그리고 두 전극 사이를 산화환원용 전해질 용액으로 채우고 있는 구조이고 태양광이 전지에 입사되면 에너지를 흡수해 여기된 염료 고분자가 전자를 방출해 TiO2의 전도대로 보냄으로써 발생하는 기전력을 외부 부하에 전달하는 형태로 동작한다[3-5].
	염료감응형 태양전지의 장점은?	원유가격이 사상 최고치를 갈아 치운 고유가 시대, 여러 석유 전문가들이 피크 오일을 경고하고 있고 에너지 위기에 대한 대안으로 세계 각국은 신·재생 에너지 분야에 큰 관심을 두고 많은 연구를 추진하고 있다. 이런 시점에서 낮은 제조 단가, 간편한 제작 공정, 11%에 상응하는 높은 에너지 변환 효율을 기반으로 염료감응형 태양전지(Dye-sensitized Solar Cell : DSC)는 기존의 실리콘 태양전지의 대안인 제 3 세대 태양전지로 떠오르고 있다[1,2]. DSC는 식물의 광합성 원리를 기초로 전기를 생산하고 있으며, 샌드위치 구조로 투명전극(F-doped SnO2, FTO), 나노입자의 다공질 TiO2, 염료 고분자층으로 구성된 광전극(photo-electrode)과 투명전극 및 백금(Pt) 박막으로 구성된 상대전극(counter-electrode), 그리고 두 전극 사이를 산화환원용 전해질 용액으로 채우고 있는 구조이고 태양광이 전지에 입사되면 에너지를 흡수해 여기된 염료 고분자가 전자를 방출해 TiO2의 전도대로 보냄으로써 발생하는 기전력을 외부 부하에 전달하는 형태로 동작한다[3-5].

참고문헌 (14)

B. O'Regan, M. Gratzel, "Optical electrochemistry I: steady-state spectroscopy of conduction band electrons in a metal oxide semiconductor electrode", Chemical Physics Letters, Vol.353, pp.737-739, 1991
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Joachim Schnadt, Paul A. Bruhwiler, Luc Patthey, James N. O'Shea, Sven Sodergren, Michael Odelius, Rajeev Ahuja, Olof Karis, Margit Bassler, Petter Persson, Hans Siegbahn, S. Lunell and Nils Martensson, "Experimental evidence for sub-3-fs charge transfer from an aromatic adsorbate to a semiconductor", Nature, Vol. 418, pp. 620-623, AUG, 2002

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Michael Gratzel, "Perspectives for dye-sensitized nanocrystalline solar cells", Progress in Photovoltaics : Research and Applications, Vol. 8, Iss. 1, pp. 171-185, FEB, 2000

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Hee-Je Kim, Yong-Chul Kim, Jin-Young Choi, Ho-Sung Kim, Dong-Gil Lee, Ji-Tae Hong, "A Study of Photo-electric Efficiency Improvement using Ultrasonic and Thermal Treatment on Photo-electrode of DSC", Trans. KIEE. Vol. 57, No. 5, pp. 803-807, MAY, 2008
Hee-Je Kim, Sung-Joon Park, Min-Kyu Son, Dong-Kil Lee, Kyoung-Jun Lee, "A Study on the Scribing of FTO using Pulsed Nd:YAG Laser", Trans. KIEE. Vol. 57, No. 8, pp. 1407-1411, AUG, 2008
Hee-Je Kim, Sung-Joon Park, Jin-Young Choi, Hyun-Woong Seo, Mi-Jeong Kim, Kyoung-Jun Lee, Min-Kyu Son, "The Deduction of the Optimal Length to Width Ratio of Dye-sensitized Solar Cell and the Fabrication of a Module", Trans. KIEE. Vol. 58, No. 1, pp. 100-106, JAN, 2009
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X.Fang et al., "Effect of the thickness of the Pt film coated on a counter electrode on the performance of a dye-sensitized solar cell", Journal of Electroanalytical Chemistry 570, pp. 257-263, 2004

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Choi, J. Hong, J. Seo, H. Kim, M. Son, M. Lee, K. Lee, D. Kim, H, "Optimal series-parallel connection method of dye-sensitized solar cell for Pt thin film deposition using a radio frequency sputter system", Thin Solid Films, vol. 517, issue 2, pp. 963-966, 2008

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L. Han, N. Koide, Y. Chiba, A. Islam, R. Komiya, N. Fuke, A. Fukui, R. Yamanaka, "Improvement of efficiency of dye-sensitized solar cells by reduction of internal resistance", Appl. Phys. Lett. 86, pp. 213501, 2005

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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