[논문]전자빔 증착법에 의한 티타늄 전극 구조 염료 태양전지 제작에 관한 연구

김윤기; 심충환; 김현규; 성열문; 김동현; 이해준; 박정후; 이호준

doi:10.5370/kiee.2010.59.4.754

전자빔 증착법에 의한 티타늄 전극 구조 염료 태양전지 제작에 관한 연구
A Study on the Fabrication of Dye-Sensitized Solar Cells Consisting of Ti Electrodes by Electron-beam Evaporation Method 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.59 no.4, 2010년, pp.754 - 758

김윤기 (부산대학교 전기공학과) , 심충환 (부산대학교 전기공학과) , 김현규 (부산대학교 전기공학과) , 성열문 (경성대학교 전기전자공학과) , 김동현 (부산대학교 PDP연구소) , 이해준 (부산대학교 전기공학과) , 박정후 (부산대학교 전기공학과) , 이호준 (부산대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In general, Dye-sensitized Solar Cells(DSCs) consist of the nanocrystalline titanium dioxide($TiO_2$) layer which is fabricated on a transparent conductive oxide(TCO) layer such as $F/SnO_2$ glass, a dye adhered to the $TiO_2$, an electrolyte solution and platinum-coated TCO. Among these components, two TCO substrates are estimated to be about 60% of the total cost of the DSCs. Currently novel TCO-less structures have been investigated in order to reduce the cost. In this study, TCO-less DSCs consisting of titanium electrodes were investigated. The titanium electrode is deposited on top of the porous $TiO_2$ layer using electron-beam evaporation process. The porosity of the titanium electrode was found out by the SEM analysis and dye adhesion. As a result, when the thickness of the titanium electrode increased, the surface resistance decreased and the conversion efficiency increased relatively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 TCO-less 염료 태양전지를 제작하기 위하여 전자빔 증착법을 이용하여 cell 내부에 Ti 전극을 형성하였다. 다공성의 TiO₂ 광전극 위에 Ti 금속 박막을 증착하여 염료 및 전해질의 통과가 가능한지에 대해 고찰하였다. 또한 증착 시간을 변화에 따른 Ti 전극의 표면 저항 변화를 확인하였고, 그에 따른 태양전지 성능 특성 변화를 고찰하였다.
본 연구에서는 TCO-less 염료 태양전지를 제작하기 위하여 전자빔 증착법을 이용하여 cell 내부에 Ti 전극을 형성하였다. 다공성의 TiO₂ 광전극 위에 Ti 금속 박막을 증착하여 염료 및 전해질의 통과가 가능한지에 대해 고찰하였다.

제안 방법

Ti 금속 전극 증착 후 TiO₂에 염료 흡착이 가능한지를 살펴보기 위하여 그림 5와 같이 기판을 염료에 24시간 흡착시킨 후 확인하였다. 투명 전도성 기판을 사용한 기존 구조와 마찬가지로 TiO₂에 염료가 흡착되어 TiO₂의 색이 흰색에서 보라색으로 변한 것을 알 수 있었다.
Ti 금속 전극의 표면 저항과 태양전지 성능과의 관계 고찰을 위해 Ti 증착 시간 변화에 따른 개방전압(Voc), 단락전류밀도(Jsc), 곡선인자(FF) 및 효율(η)을 측정하여 표 1에 정리하였다.
Ltd)조건 하에서 측정하였다. Ti 금속 전극의 표면 저항은 4 point probe(CMT-ST1000, CHANG MIN CO. LTD.)를 사용하여 측정하였다.
[4, 7] 또한 수직 기공을 갖는 Ti 금속 전극을 TiO₂ 위에 스퍼터링으로 형성하는 구조가 보고되었다.[8] Ti금속 전극의 수직 기공은 Ti 증착 전 TiO₂ 위에 침상 또는 테트라포드 형상의 ZnO를 전자 분사법으로 분사하고, Ti 증착 후 HCl solution으로 제거하여 만들었다. 그러나 이러한 구조는 여전히 투명 전도성 기판을 사용하고 있거나 cell 내부의 Ti 금속 전극 형성 방법이 복잡한 단점을 가지고 있다.
표면 저항 측정을 위해 4-point probe를 이용할 경우 다공성의 나노 입자로 구성된 TiO₂위에 증착된 Ti 금속 박막은 쉽게 파손되어 측정이 어렵다. 따라서 유리 기판 위에 증착된 Ti의 표면 저항을 측정하였으며, 10point를 측정하여 평균하였다. 그림 6과 같이 증착 시간이 증가함에 따라 Ti의 표면 저항은 감소하였다.
다공성의 TiO₂ 광전극 위에 Ti 금속 박막을 증착하여 염료 및 전해질의 통과가 가능한지에 대해 고찰하였다. 또한 증착 시간을 변화에 따른 Ti 전극의 표면 저항 변화를 확인하였고, 그에 따른 태양전지 성능 특성 변화를 고찰하였다. 실험 결과 120분간 Ti을 증착한 경우 0.
Ti 증착 시 진공조 내의 진공도는 크라이오 펌프를 이용하여 1×10^-6Torr 이하를 유지하도록 하였다. 본 연구에서는 전자빔 출력은 전압 4kV, 전류 24mA로 일정하게 유지하여 Ti 전극을 제작하였으며, 증착 시간을 변경하여 두께를 조절하였다.
완성된 태양전지의 전류-전압 특성곡선, 변환효율 등의 광전변환 특성은 AM 1.5, 2400 sourcemeter(KEITHLEY Co. Ltd)조건 하에서 측정하였다. Ti 금속 전극의 표면 저항은 4 point probe(CMT-ST1000, CHANG MIN CO.

대상 데이터

N719 염료 (Ruthenium 535-bisTBA, Acetonitrile, tert-Butanol 혼합용액)는 다공성의 Ti 금속 전극을 통과하여 TiO₂ 광전극에 흡착시킨다. 상대 전극의 제작을 위해 먼저 유리 기판에 전해질 주입을 위한 구멍을 형성한다.
본 연구에서는 TiO2 광전극을 5×5[mm] 면적으로 형성하여 사용하였다.
[6] TiO₂광전극은 Ti 금속판 위에 형성되었고, 태양광은 일반적인 염료 태양전지와 반대로 상대 전극(counter electrode)을 통해 입사된다. 이때 상대 전극은 백금(Pt)이 스퍼터링된 F/SnO2(FTO) glass가 사용되었다. 또 다른 TCO-less 구조는 작업 전극을 cell 내부로 이동시킨 것이다.

이론/모형

본 연구에서는 cell 내부의 Ti 금속 전극을 보다 간단한 방법으로 형성하기 위해 전자빔 증착법(e-beam evaporation)을 사용하였다. 전자빔 증착법은 널리 상용화되어 있는 방법이며, 특히 Plasma Display Panel과 같은 대형 화면의 디스플레이 디바이스 제작에 사용되고 있다.
본 연구에서는 다공성 특성을 갖는 금속 전극을 간단하게 제작하기 위해 전자빔 증착법을 이용하였다. 일반적으로 전자빔 증착법을 포함한 진공증착법에 의해 형성된 박막은 증착 입자의 에너지가 0.

성능/효과

FTO glass로 제작된 기존 구조의 표면 저항은 8[Ω/sq]이었으며, 0.718[V]의 개방전압, 9.72[mA/cm²]의 단락전류밀도, 61[%]의 곡선인자, 4.24[%]의 효율 특성을 나타내었다. 표 1에서와 같이 Ti 금속 전극의 표면 저항이 기존 구조의 FTO와 동등 수준일 경우(120min 이상) 약간 낮은 수준의 효율 특성을 보였다.
), 곡선인자(FF) 및 효율(η)을 측정하여 표 1에 정리하였다. Ti 금속 전극의 표면 저항 감소에 따라 효율과 곡선인자가 증가하는 경향을 보였다.
전자빔 증착법은 널리 상용화되어 있는 방법이며, 특히 Plasma Display Panel과 같은 대형 화면의 디스플레이 디바이스 제작에 사용되고 있다.[9] 따라서 본 연구에서 제안된 구조와 제조 방법은 염료 태양전지의 대형화에 유리하다.
그림 6과 같이 증착 시간이 증가함에 따라 Ti의 표면 저항은 감소하였다. 또한 증착 시간이 증가함에 따라 표면 저항의 감소율이 줄어드는 경향을 보였다. 주어진 조건에서는 120분 증착하였을 때 기존 염료 태양전지의 투명 전도성 기판으로 사용되고 있는 FTO(약 8Ω/sq)와 동일 수준의 표면 저항을 확보할 수 있었다.
또한 증착 시간을 변화에 따른 Ti 전극의 표면 저항 변화를 확인하였고, 그에 따른 태양전지 성능 특성 변화를 고찰하였다. 실험 결과 120분간 Ti을 증착한 경우 0.842[V]의 개방전압, 8.98[mA/cm²]의 단락전류밀도, 59[%]의 곡선인자, 3.45[%]의 효율 특성을 나타내었다. 특히 간단한 전자빔 증착법만으로 Ti 금속 전극의 다공성을 확보하여 염료 및 전해질의 통과가 가능하게 하였으며, 제조 공정이 다른 연구의 결과에 비해 간단하여 향후 염료 태양전지의 상업화 및 대형화 제작에 유리하다고 할 수 있다.
또한 증착 시간이 증가함에 따라 표면 저항의 감소율이 줄어드는 경향을 보였다. 주어진 조건에서는 120분 증착하였을 때 기존 염료 태양전지의 투명 전도성 기판으로 사용되고 있는 FTO(약 8Ω/sq)와 동일 수준의 표면 저항을 확보할 수 있었다.

후속연구

45[%]의 효율 특성을 나타내었다. 특히 간단한 전자빔 증착법만으로 Ti 금속 전극의 다공성을 확보하여 염료 및 전해질의 통과가 가능하게 하였으며, 제조 공정이 다른 연구의 결과에 비해 간단하여 향후 염료 태양전지의 상업화 및 대형화 제작에 유리하다고 할 수 있다.
표 1에서와 같이 Ti 금속 전극의 표면 저항이 기존 구조의 FTO와 동등 수준일 경우(120min 이상) 약간 낮은 수준의 효율 특성을 보였다. 향후 전자빔의 출력을 증가시켜 FTO 보다 낮은 표면 저항의 금속 전극을 얻을 경우 동등 수준 이상의 효율 특성을 기대할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	염료 태양전지의 장점은 무엇인가?	염료 태양전지는 간단한 구조와 낮은 가격, 비교적 높은 효율 때문에 차세대 태양전지로서 많은 연구가 진행되고 있다.[1] M.
	염료 태양전지의 제작에서 전체 재료비 중 60%를 차지하는 것은 무엇인가?	그러나 아직 염료 태양전지의 유효 면적이 증가함에 따른 효율 저하 및 투명 전도성 기판(TCO glass) 가격 상승 등의 문제를 가지고 있다. 특히 염료 태양전지의 제작에는 2장의 투명 전도성 기판이 필요하며, 이는 전체 재료비 중 60%를 차지한다.[3] 또한 상업화 진행에 따라 제조 공정이 자동화되면 전체 제작 비용 중 투명 전도성 기판이 차지하는 비율이 점차 증가한다.
	수직 기공을 갖는 Ti 금속 전극은 어떻게 만들었는가?	[4, 7] 또한 수직 기공을 갖는 Ti 금속 전극을 TiO2 위에 스퍼터링으로 형성하는 구조가 보고되었다.[8] Ti금속 전극의 수직 기공은 Ti 증착 전 TiO2 위에 침상 또는 테트라포드 형상의 ZnO를 전자 분사법으로 분사하고, Ti 증착 후 HCl solution으로 제거하여 만들었다. 그러나 이러한 구조는 여전히 투명 전도성 기판을 사용하고 있거나 cell 내부의 Ti 금속 전극 형성 방법이 복잡한 단점을 가지고 있다.

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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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