[논문]전극의 두께와 소성 온도에 따른 DSSC의 효율 특성

황기섭; 하기룡

전극의 두께와 소성 온도에 따른 DSSC의 효율 특성
DSSC Efficiency Characteristics by Annealing Temperature and Thickness of Electrodes 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.21 no.4, 2010년, pp.405 - 410

초록
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P25와 Dyesol $TiO_2$ (Titanium dioxide)를 사용하여 두께와 소성 온도가 다른 전극을 제조하여 염료감응형 태양전지(Dye Sensitized Solar Cell, DSSC)를 제조한 후 광 변환 효율을 측정하였다. 소성 전 후의 $TiO_2$ 작업 전극의 두께 변화는 FE-SEM을 사용하여 시편의 cross section을 확인하여 비교하였다. 또한 상대전극인 Pt의 소성 온도에 따른 DSSC의 효율 변화도 측정하였다. P25를 활용한 DSSC는 doctor blade로 1층으로 도포 후, $500^{\circ}C$에서 30 min 동안 소성한 작업 전극(${\sim}20.4{\mu}m$)과 $350^{\circ}C$에서 30 min 동안 소성한 Pt 상대 전극으로 제조한 셀이 3.8%의 광효율을 나타내었다. Dyesol $TiO_2$를 활용하여 1층으로 도포 후, $500^{\circ}C$에서 30 min 동안 소성한 작업전극(${\sim}9.1\;{\mu}m$)과 $450^{\circ}C$에서 30 min 동안 소성한 Pt 상대 전극으로 제조한 셀이 5.8%의 광 효율을 나타냄을 알았다.

Abstract ▼ AI-Helper

The photovoltaic performance of DSSCs fabricated with different electrode thickness and different annealing temperature with the P25 $TiO_2$ and the Dyesol $TiO_2$ was measured. Thickness change of $TiO_2$ electrodes was measured using cross-sectional FE-SEM before and after annealing. Photovoltaic efficiencies of DSSCs were also measured by changing annealing temperature of platinum (Pt) paste on the counter electrode. Photovoltaic performances of DSSCs made with one layer of P25 (${\sim}20.4\;{\mu}m$) and one layer of Dyesol $TiO_2$ (${\sim}9.1\;{\mu}m$) annealed at $500^{\circ}C$ for 30 min. showed highest efficiencies of 3.8% and 5.8%, respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

“Home made” TiO2와 Dyesol TiO2를 사용하여 도포 두께와 소성 온도가 DSSC 효율에 미치는 영향을 연구하였다.
“Home made”의 사용 목적은 널리 알려진 P25 TiO2를 활용하여 제조함으로써 P25의 DSSC 적용 가능성을 확인하고, TiO2 산화물 반도체 제조의 비용을 줄이고자 함이다.
본 연구는 양극 TiO2 나노 산화물 반도체를 형성하는데 필요한 최적 열처리 조건 및 전극의 두께, 그리고 음극 Pt층을 형성하는데 필요한 최적 열처리 조건을 확립하는 연구를 수행하였다.

제안 방법

를 사용하여 최적 소성 온도에 대한 실험을 수행 하였다. Dyesole TiO₂의 두께를 1층으로 하고 350 ℃, 400 ℃, 450 ℃ 및 500 ℃의 온도로 각각 소성을 실시하였다. Pt 상대전극은 Table 2에서 본 바와 같이 가장 높은 효율을 나타낸 400 ℃에서 30 min 동안 소성하여 사용하였다.
TiO₂ 열처리 조건은 350 ℃에서 2 h, 400 ℃에서 2 h, 450 ℃에서 2 h 및 500 ℃에서 30 min으로 하여 열처리를 진행하였다. Pt 상대전극은 Pt paste를 사용하여 형성하였으며, Pt 상대전극의 소성 온도에 따른 효율이 가장 높은 것으로 선택하여 TiO₂ 열처리 온도별 DSSC 셀 제작을 실시하였다. 양극과 음극의 결합을 위하여 양면접착 tape인 spacer tape (3M, Scotch 양면테이프 #665)를 붙인 후 Pt 면에 TiO₂가 대면하도록 결합시켰다.
본 실험에서는 열분해법을 이용하여 Pt 상대전극(counter electrode) 을 제작하였다. Pt 상대전극은 Pt paste를 열처리 온도별로 제작하여, 최적 열처리 온도를 파악하는 실험을 진행하였다. 제작 방법은 FTO 유리에 전해질 주입을 위한 두 개의 구멍을 TiO₂와 접합할 면적 주변에 뚫고 Scotch magic tape를 이용하여 doctor blade로 Pt paste를 FTO 면에 도포한다.
Table 1과 2의 결과들을 정리하여 보면 “Home made” TiO2를 사용한 것 보다 Dyesol TiO2를 사용하여 소성한 DSSC의 효율이 더 높게 나타나, Dyesol TiO2를 사용하여 최적 소성 온도에 대한 실험을 수행 하였다.
paste의 열처리 온도를 달리하여 소성 후 DSSC 셀 제작을 수행 하였다. TiO₂ 열처리 조건은 350 ℃에서 2 h, 400 ℃에서 2 h, 450 ℃에서 2 h 및 500 ℃에서 30 min으로 하여 열처리를 진행하였다. Pt 상대전극은 Pt paste를 사용하여 형성하였으며, Pt 상대전극의 소성 온도에 따른 효율이 가장 높은 것으로 선택하여 TiO₂ 열처리 온도별 DSSC 셀 제작을 실시하였다.
TiO2 paste를 이용하여 1층의 양극을 500 ℃에서 30 min 동안 소성한 후, Pt 상대전극의 열처리 온도를 350 ℃, 400 ℃, 450 ℃ 및 500 ℃에서 30 min 동안 열처리하여 셀 제작 후 DSSC의 효율을 측정하였다.
“Home made”와 상용 Dyesol TiO₂ paste는 doctor blade 방법[19,20]으로 ethyl alcohol 과 계면활성제로 깨끗이 세척한 FTO 코팅 유리기판 위에 도포하였다. TiO₂를 doctor blade 방법으로 도포할 때 paste 층의 두께를 조절하기 위하여 FTO 유리기판 위에 Scotch magic tape를 spacer로 사용하여 1층, 2층, 3층 및 4층으로 붙여서 각각에 대한 코팅의 두께를 조절하였다. 이때 실제 도포된 paste의 두께는 FE-SEM (Hitachi, SU-70)을 사용하여 시편의 cross section을 관찰하여 두께를 확인하였다.
도포된 TiO₂ paste의 최적 열처리 온도를 확인하기 위하여, 도포된 TiO₂ paste의 열처리 온도를 달리하여 소성 후 DSSC 셀 제작을 수행 하였다. TiO₂ 열처리 조건은 350 ℃에서 2 h, 400 ℃에서 2 h, 450 ℃에서 2 h 및 500 ℃에서 30 min으로 하여 열처리를 진행하였다.
본 실험에서는 solar simulator (Newport) 및 J-V measurement (Keithley) 장비를 이용하여 셀 효율을 평가하였다. 먼저, AM 1.5 조건(100 m_W/cm²)의 빛을 셀에 조사한 후, J-V curve를 측정하여 다음과 같은 식에 의해 셀의 효율을 측정하였다. 아래 Eq.
태양전지 평가 시스템을 통하여 DSSC 셀 효율을 평가하였다. 본 실험에서는 solar simulator (Newport) 및 J-V measurement (Keithley) 장비를 이용하여 셀 효율을 평가하였다. 먼저, AM 1.
Pt 상대전극은 Pt paste를 사용하여 형성하였으며, Pt 상대전극의 소성 온도에 따른 효율이 가장 높은 것으로 선택하여 TiO₂ 열처리 온도별 DSSC 셀 제작을 실시하였다. 양극과 음극의 결합을 위하여 양면접착 tape인 spacer tape (3M, Scotch 양면테이프 #665)를 붙인 후 Pt 면에 TiO₂가 대면하도록 결합시켰다. 이 때, 전해질이 양면테이프 밖으로 누수가 일어나지 않도록 잘 접착 시켰다.
TiO₂를 doctor blade 방법으로 도포할 때 paste 층의 두께를 조절하기 위하여 FTO 유리기판 위에 Scotch magic tape를 spacer로 사용하여 1층, 2층, 3층 및 4층으로 붙여서 각각에 대한 코팅의 두께를 조절하였다. 이때 실제 도포된 paste의 두께는 FE-SEM (Hitachi, SU-70)을 사용하여 시편의 cross section을 관찰하여 두께를 확인하였다. 염료는 N719를 이용하였으며, 양극은 “Home made” TiO₂ paste와 Dyesol TiO₂ paste를 이용하여 TiO₂ 막을 형성한 후 500 ℃에서 30 min간 소성로에서 열처리를 마친 TiO₂를 24 h 동안 염료 용액에 침지하여 염료가 흡착되도록 하였다.
이 때, 전해질이 양면테이프 밖으로 누수가 일어나지 않도록 잘 접착 시켰다. 전해질은 상대전극에 미리 뚫어 둔 구멍으로 주사기를 이용하여 주입한 후, 두 개의 구멍을 3M 의 Scotch magic tape로 막아 전해질의 누수를 방지하였다.
Pt 상대전극은 Pt paste를 열처리 온도별로 제작하여, 최적 열처리 온도를 파악하는 실험을 진행하였다. 제작 방법은 FTO 유리에 전해질 주입을 위한 두 개의 구멍을 TiO₂와 접합할 면적 주변에 뚫고 Scotch magic tape를 이용하여 doctor blade로 Pt paste를 FTO 면에 도포한다. Pt paste를 도포한 면의 Scotch magic tape를 FTO 면에 손상 없이 떼어낸 후 소성로에서 열을 가하여 유기물을 제거한다.
태양전지 평가 시스템을 통하여 DSSC 셀 효율을 평가하였다. 본 실험에서는 solar simulator (Newport) 및 J-V measurement (Keithley) 장비를 이용하여 셀 효율을 평가하였다.

대상 데이터

“Home made” TiO2 paste는 P25 6.00 g, acetylacetone 0.2 mL와 PEG 2.0 g을 혼합하여 제조하여 양극재료로 사용하고, Dyesol TiO2 paste는 상용의 것을 구입하여 양극 재료로 사용하였다.
DSSC를 제조하기 위해서 Evonik Degussa의 P25 TiO₂와 Dyesol의 상용등급 TiO₂ (DSL 90T)를 사용하였다. 전도성 유리로는 FTO (Fluorine-doped Tin Oxide)를 사용하였으며, P25를 이용하여 TiO₂ paste를 제조하기 위하여 acetylacetone (Junsei)과 PEG (polyethylene glycol, Aldrich, Average M_w 200)를 사용하여 제조한 것을 “Home made”라 명명하였다.
전해질 (EL-ILE)과 Pt paste (PT1)는 Dyesol의 상용등급을 사용하였다. Dye N719 (Dyesol, 0.42 mM in Ethanol)의 분산 용매는 ethyl alcohol (Merck, Absolute)을 사용하였고, 도포되는 TiO₂ paste의 두께를 조절하기 위한 spacer는 3M의 Scotch magic tape를 사용하였다.
본 연구에서 사용한 TiO2는 Dyesol의 상용등급과 Evonik Degussa의 P25를 사용하여 제조한 “Home made”를 사용하였다.
염료는 N719를 이용하였으며, 양극은 “Home made” TiO2 paste와 Dyesol TiO2 paste를 이용하여 TiO2 막을 형성한 후 500 ℃에서 30 min간 소성로에서 열처리를 마친 TiO2를 24 h 동안 염료 용액에 침지하여 염료가 흡착되도록 하였다.
전도성 유리로는 FTO (Fluorine-doped Tin Oxide)를 사용하였으며, P25를 이용하여 TiO2 paste를 제조하기 위하여 acetylacetone (Junsei)과 PEG (polyethylene glycol, Aldrich, Average Mw 200)를 사용하여 제조한 것을 “Home made”라 명명하였다.
전도성 유리로는 FTO (Fluorine-doped Tin Oxide)를 사용하였으며, P25를 이용하여 TiO₂ paste를 제조하기 위하여 acetylacetone (Junsei)과 PEG (polyethylene glycol, Aldrich, Average M_w 200)를 사용하여 제조한 것을 “Home made”라 명명하였다. 전해질 (EL-ILE)과 Pt paste (PT1)는 Dyesol의 상용등급을 사용하였다. Dye N719 (Dyesol, 0.

이론/모형

본 실험에서는 열분해법을 이용하여 Pt 상대전극(counter electrode) 을 제작하였다. Pt 상대전극은 Pt paste를 열처리 온도별로 제작하여, 최적 열처리 온도를 파악하는 실험을 진행하였다.

성능/효과

및 Figure 1(b)의 Dyesol TiO₂ 모두 1 층으로 제조된 양극에서 가장 높은 셀 효율을 보이는 것으로 관찰되었다. Figure 1에서 측정된 DSSC의 Pt 상대전극은 전기 도금으로 제조하였으며, TiO₂ 양극은 500 ℃에서 30 min 동안 소성로를 활용하여 공기 중에서 소성시켰다.
Table 1에서 보면 도포된 “Home made” TiO2 및 Dyesol TiO2를 사용하여 제조한 DSSC의 효율이 1층의 두께에서 각각 4.0% 및 5.7%로 나타났으며, 4층의 두께에서는 각각 0.2%및 2.7%로 두께가 두꺼워 질수록 Jmax, Jsc 및 셀 효율이 점점 낮아짐을 알 수 있다.
따라서 “Home made” TiO2 및 Dyesol TiO2 모두 spacer 층을 1층으로만 이용하였을 때 셀 효율이 가장 높은 것을 알 수 있었다.
1 µm로 나타났으며, 입자들 사이의 간격이 조밀하게 나타났다. 또한 소성을 통하여 binder로 사용한 PEG가 열분해로 소실되어서, TiO₂입자들 사이의 경계가 분명하게 되어 TiO₂입자가 더욱 선명하게 나타났다. 이에 따라 TiO₂입자 표면에 흡착되는 염료는 입자 사이의 간격이 큰 “Home made” TiO₂에 흡착되는 양보다 입자 간격이 조밀한 Dyesol TiO2에 흡착되는 양이 더 많을 것으로 판단된다.
J_max는 350 ℃가 가장 높으며, J_sc는 450 ℃가 가장 높이 나타났다. 전체적인 셀 효율을 종합하여 나타낸 Table 2에서 보면, 350 ℃가 가장 최적의 Pt paste 열처리 온도인 것으로 판단된다. Dyesol TiO₂paste를 이용하여 양극을 형성할 경우, Table 2의 결과에서처럼 J_max는 400 ℃에서 가장 높게 나타났으며, J_sc도 400 ℃에서 가장 높게 나타났다.

후속연구

“Home made” TiO₂를 사용하여 제조한 DSSC가 Dyesol TiO₂를 사용하여 제조한 DSSC 보다 효율이 낮게 나타나는 원인은 FE-SEM 결과에서 보는 바와 같이 TiO₂입자간의 치밀함이 낮고, FTO에 도포된 TiO₂층의 두께가 두껍게 나타나 전자 전달 흐름이 원활하지 못하기 때문으로 판단된다. P25를 활용한 “Home made” paste 제조에 관한 연구가 추가 되어 상용의 Dyesol TiO₂만큼의 치밀함과 점도 조절을 통한 도포 두께 조절을 한다면 비슷한 효율의 DSSC 개발이 이루어질 것이라 판단된다.
그러나 아직 기술이 성숙되지 못하여 아래와 같은 개발들이 추가로 필요하다. 첫째, 나노 결정산화물의 입자크기, 형상, 결정성 및 표면 상태를 조절하는 기술의 개발[3], 둘째, 전자 교환 능력이 뛰어나고 장기 안정성이 확보되는 음극 개발[4], 셋째, 빛과 열 안정성이 확보되며 나노 산화물 반도체 표면과 견고한 화학적 결합을 가지고 넓은 파장의 빛을 흡수할 수 있는 염료의 개발[5], 넷째, 완전 고체형 염료 감응 태양전지 개발을 위한 고분자 매질의 전해질 개발이 필요하다[6].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	염료감응형 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 어떤 측면에서 경쟁력이 있는가?	이러한 문제점을 극복하기 위하여, 1991년 O’Regan과 Grätzel에 의하여 염료 감응형 태양전지가 제작 되었다[2]. 염료감응형 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 가격적인 측면에서 경쟁력이 있다. 그러나 아직 기술이 성숙되지 못하여 아래와 같은 개발들이 추가로 필요하다.
	염료감응형 태양전지의 기술 성숙을 위해 필요한 사항은 무엇이 있는가?	그러나 아직 기술이 성숙되지 못하여 아래와 같은 개발들이 추가로 필요하다. 첫째, 나노 결정산화물의 입자크기, 형상, 결정성 및 표면 상태를 조절하는 기술의 개발[3], 둘째, 전자 교환 능력이 뛰어나고 장기 안정성이 확보되는 음극 개발[4], 셋째, 빛과 열 안정성이 확보되며 나노 산화물 반도체 표면과 견고한 화학적 결합을 가지고 넓은 파장의 빛을 흡수할 수 있는 염료의 개발[5], 넷째, 완전 고체형 염료 감응 태양전지 개발을 위한 고분자 매질의 전해질 개발이 필요하다[6].
	실리콘을 이용하는 태양전지의 단점은 무엇인가?	인류는 이러한 문제점들을 극복하기 위하여, 최근에 여러 대체에너지 개발에 많은 노력을 기울이고 있으며, 태양전지를 통하여 빛을 전기로 전환하려는 노력도 활발히 시도되고 있다. 현재까지 개발된 여러 종류의 태양전지 중 실리콘을 이용하는 태양전지는 25%까지 도달하는 효율과 제조 공정의 확립 등으로 가장 널리 사용되고 있지만, 대형 고가 장비가 사용되고 높은 원료 가격의 한계 때문에 발전단가가 높은 단점이 있다[1]. 이러한 문제점을 극복하기 위하여, 1991년 O’Regan과 Grätzel에 의하여 염료 감응형 태양전지가 제작 되었다[2].

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저자의 다른 논문 :

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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