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임피던스 분광법을 이용한 염료감응 태양전지의 분석
Impedance Analysis of Dye-Sensitized Solar Cells 원문보기

고분자 과학과 기술 = Polymer science and technology, v.21 no.6, 2010년, pp.557 - 562  

유범진 (한국과학기술연구원 태양전지센터) ,  이도권 (한국과학기술연구원 태양전지센터)

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문제 정의

  • 특히, 염료감응 태양전지는 낮은 생산단가 뿐만 아니라 색체가 풍부하고 투명한 특징을 갖는 재생 에너지원으로 지난 20년 동안 광범위하게 연구되어 왔고, 이러한 노력의 결과 11%보다 높은 광전 변환 효율이 보고되고 있다.1-4 이에 본 고에서는 염료감응 태양전지의 기술 향상 및 고효율 전략을 위한 분석 방법의 일환으로써, 임피던스 분광법을 이용한 분석에 대해 보다 자세히 소개하고 최근 분석동향 및 본 그룹에서 수행된 연구결과를 중심으로 기술하고자 한다.

가설 설정

  • 그러나 실제 전극과 전해질 계면에서 전기화학 반응이 일어날 때 전자는 저항 뿐 아니라 병렬로 연결된 축전기(capacitor) 성질의 전기이중층(electrical double layer)을 동시에 통과하게 된다. 즉, 전기화학전지에 흐르는 전류는 i) 산화 또는 환원 반응과 ii) 전기이중층의 충전을 통해 흐를 수 있다. 전자와 후자를 각각 Faraday 전류와 충전 전류라고 한다.
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핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
전기화학 전지에 흐르는 전류에서, Faraday 전류와 충전 전류는 각각 무엇을 통해 흐르는 전류인가? 그러나 실제 전극과 전해질 계면에서 전기화학 반응이 일어날 때 전자는 저항 뿐 아니라 병렬로 연결된 축전기(capacitor) 성질의 전기이중층(electrical double layer)을 동시에 통과하게 된다. 즉, 전기화학전지에 흐르는 전류는 i) 산화 또는 환원 반응과 ii) 전기이중층의 충전을 통해 흐를 수 있다. 전자와 후자를 각각 Faraday 전류와 충전 전류라고 한다.
염료감응 태양전지는 일반적으로 어떻게 구성되는가? 일반적으로, 염료감응 태양전지는 투명전도성 기판(TCO, transparent conducting oxide) 위에 염료 분자가 화학적으로 흡착된 나노입자 TiO2 필름으로 이루어진 전극(working electrode)과 투명전도성 기판 위에 Pt 촉매 나노입자로 이루진 전극(counter electrode) 및 전해질로 구성되어 있다. 여기서 두 전극은 고분자, 용융 유리 등의 실란트에 의해 밀봉되고 그 사이는 산화-환원 반응 종을 포함하는 전해질로 채워진다.
임피던스는 무엇에 의해 생기는가? 임피던스를 통한 분석은 전기 및 전자공학 뿐만 아니라 전기화학에서도 이미 오래 전부터 연구되어 왔고 최근 들어 전해질을 이용하는 광전기화학형 염료감응 태양전지의 연구에도 빈번하게 응용되고 있다. 전기회로에서 저항(resistor), 축전기(capacitor) 및 유전기(inductor) 등의 성질 때문에 생기는 복합저항인 임피던스는 임의의 직류 전위(또는 평형 전위)에 전위 섭동으로 만들어진 아주 작은 교류 전위를 더해서 전극에 인가한 뒤 얻어진 교류 전류를 해석함으로써 얻어진다. 일반적으로 전기 회로에서 저항은 직류, 교류 회로에 상관없이 같은 위상을 유지하며 Ohm의 법칙을 따르는 반면, 전하가 모여 전기 에너지가 저장되는 축전기 및 유도된 역전류의 생성으로 전류의 이동을 방해하는 유전기는 직류 또는 교류 회로에 따라 그 대응 신호가 다르므로 교류 회로에서 이들의 거동에 대한 이해가 필요하다.
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