[논문]차단막 코팅에 의한 염료 태양전지의 전하전송효율 개선에 관한 연구

최우진; 김광태; 곽동주; 성열문

doi:10.5370/kiee.2011.60.2.344

차단막 코팅에 의한 염료 태양전지의 전하전송효율 개선에 관한 연구
Improvement of Charge Transfer Efficiency of Dye-sensitized Solar Cells by Blocking Layer Coatings 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.60 no.2, 2011년, pp.344 - 348

최우진 (경성대학교 전기공학과) , 김광태 (부산정보대학 전기자동화과) , 곽동주 (경성대학교 전기공학과) , 성열문 (경성대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A layer of $TiO_2$ thin film less than ~200nm in thickness, as a blocking layer, was deposited by 13.56 MHz radio frequency magnetron sputtering method directly onto the anode electrode to be isolated from the electrolyte in dye-sensitized solar cells (DSCs). This is to prevent the electrons from back-transferring from the electrode to the electrolyte ($I^-/{I_3}^-$). The presented DSCs were fabricated with working electrode of F:$SnO_2$(FTO) glass coated with blocking $TiO_2$ layer, dye-attached nanoporous $TiO_2$ layer, gel electrolyte and counter electrode of Pt-deposited FTO glass. The effects of blocking layer were studied with respect to impedance and conversion efficiency of the cells. The, electrochemical impedances of DSCs using this electrode were $R_1$: 13.9, $R_2$: 15.0, $R_3$: 10.9 and $R_h$: $82{\Omega}$. The $R_2$ impedance related by electron movement from nanoporous $TiO_2$ to TCO showed lower than that of normal DSCs. The photo-conversion efficiency of prepared DSCs was 5.97% ($V_{oc}$: 0.75V, $J_{sc}$: 10.5 mA/$cm^2$, ff: 0.75) and approximately 1% higher than general DSCs sample.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 전자가 TiO₂에서 TCO로 이동할 때 발생 하는 역 전자전달 반응을 해결하기 위해 TCO층에 TiO₂ 차단막을 증착시켜 효율을 개선하는 방안을 제안하였다. 차단 막은 고주파 마그네트론 스퍼터링법을 이용해 증착하였고, 차단막에 의해 셀 성능이 개선되는 효과를 확인하기 위해 염료 태양전지를 제작하여 임피던스 특성과 광전변환 특성을 고찰하였다.
본 연구에서는 치밀하고 균일한 박막형성이 가능한 13.56 MHz의 고주파 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여, 역 전자 전달 반응에 의한 셀 효율 저하를 효과적으로 방지할 수 있는 차단막 형성방법을 제시하고자 한다. 차단막 재료로써 TiO₂를 사용하였고, 염료 분자(Ru계)가 화학적으로 흡착된 나노 입자 다공질 구조의 TiO₂ 산화물 반도체를 동작전극으로 하여 염료 태양전지를 제작하여, 임피던스 및 광전변환 특성을 중심으로 차단막 형성에 의한 셀 효율 개선 효과를 고찰하였다.

제안 방법

Spin Coater를 사용하여 준비된 기판 위에 5 mM의 PtCl4 용액을 도포하였다. 그 후, 450℃에서 30분간 열처리하고, 전해질 (0.1 M LiI, 0.1 M I2, 0.5 M 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodine and 0.5 M tert-butylpridine(TBP)) 주입을 위한 홀을 제작함으로써 실험에 사용할 상대전극을 완성하였다. 준비된 동작전극과 상대전극은 60μm 두께의 Surlyns film (Dupont)으로 봉합하였다.
먼저 기판과 타겟 사이의 거리를 6 cm로 설정하고, 챔버 내의 불순물을 제거하기 위해 Rotary pump와 Diffusion pump를 활용하여 2.0×10-6 Torr의 압력까지 배기하였다.
준비된 동작전극과 상대전극은 60μm 두께의 Surlyns film (Dupont)으로 봉합하였다. 상대전극에 제작되어진 홀을 통해 전해질을 주입하고, Surlyns film과 Corning glass를 사용하여 전해질 주입을 위한 홀을 봉합하였다. 그림 4는 염료 태양전지의 제작과정을 나타낸다.
세척한 FTO glass 위에 Dr. Blade 법으로 약 5μm 두께의 TiO2 paste(Solaronix, D-paste)를 도포하고, 450℃에서 30분간 열처리하였다.
염료 태양전지의 상대전극을 제작하기 위해 상용 FTO glass를 2×1 cm2 크기로 절단하고, 아세톤에서 30분, 알콜에서 30분간 초음파 세척을 하였다.
제작된 셀의 광전변환특성을 조사하기 위해 Solar simulator에 의한 변환효율을 측정하였다. 그림 7에 나타난 바와 같이, 두 셀의 Fill factor와 Jsc는 크게 차이가 없음을 알 수 있다.
그림 4는 염료 태양전지의 제작과정을 나타낸다. 제작한 셀의 임피던스 특성을 알아보기 위해 Electrochemical impedance analyzer (EIA, IM6, ZAHNER) 로써 측정하였고, Solar simulator (XES- 301S+EL-100; SAN-EI ELECTRIC)를 사용하여 셀의 광전변환 특성을 조사하였다.
각 층의 전자이동이 원활하지 않은 경우 임피던스가 증가하여 광전변환효율의 저하를 가져온다. 제작한 셀의 전자이동도를 알아보기 위하여 Electrochemical impedance analyzer 를 통해 각 전극 간의 임피던스를 측정하였다.
준비된 동작전극과 상대전극은 60μm 두께의 Surlyns film (Dupont)으로 봉합하였다.
차단막을 증착시켜 효율을 개선하는 방안을 제안하였다. 차단 막은 고주파 마그네트론 스퍼터링법을 이용해 증착하였고, 차단막에 의해 셀 성능이 개선되는 효과를 확인하기 위해 염료 태양전지를 제작하여 임피던스 특성과 광전변환 특성을 고찰하였다. 실험 결과, 염료/Nanoporous TiO₂/전해질 사이의 임피던스인 R2값의 경우, 차단막이 없는 일반 셀은 17.
56 MHz의 고주파 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여, 역 전자 전달 반응에 의한 셀 효율 저하를 효과적으로 방지할 수 있는 차단막 형성방법을 제시하고자 한다. 차단막 재료로써 TiO₂를 사용하였고, 염료 분자(Ru계)가 화학적으로 흡착된 나노 입자 다공질 구조의 TiO₂ 산화물 반도체를 동작전극으로 하여 염료 태양전지를 제작하여, 임피던스 및 광전변환 특성을 중심으로 차단막 형성에 의한 셀 효율 개선 효과를 고찰하였다.

대상 데이터

차단막의 형태를 확인하기위해 SEM 관측을 통해 얻어진 결과이다. 두께 약 500nm의 FTO 막 위에 형성된 약 200 nm 두께의 TiO2 차단막을 확인할 수 있었다. 일반적으로 200 nm 박막 두께에서는 전기적 특성을 충분히 확보할 수 있기 때문에 역 전자전달 반응을 억제하기 위한 차단막으로써 적당한 두께로 판단된다.
상용 FTO glass(Pilkington사)를 2×1 cm2 크기로 절단하고, 아세톤에서 30분, 알콜에서 30분간 초음파 세척을 하였다.

성능/효과

2Ω의 임피던스 저하를 관측할 수 있었다. 그리고 광전변환 특성을 고찰한 결과, 일반 셀의 Voc가 0.64 V인데 비해, 차단막을 사용한 셀의 Voc는 0.75 V로 크게 향상되었으며, 광전변환 효율은 5.07%에서 5.97%로 약 1% 정도 향상되는 것으로 나타났다. 이상의 결과로부터 TCO층에 형성된 차단막은 역 전자전달 반응을 완화시켜 셀의 성능을 개선시키는 역할을 하는 것을 알 수 있으며, 이러한 차단막 형성법으로써 고주파 마그네트론 스퍼터링법이 매우 유용함을 확인할 수 있다.
75 V로 큰 차이를 나타내었다. 두 셀의 광전변환효율의 경우 일반적 셀은 5.07 %, 차단막을 사용한 셀은 5.97 %로 차단막을 적용할 때 약 1%의 효율 향상을 보였다. 즉, 염료분자에서 여기된 전자가 다공질 TiO₂에서 TCO로 전달될 때의 역 전자전달 반응이 차단막에 의해 완화되면서 광전변환효율이 향상되는 효과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.
실험 결과, 염료/Nanoporous TiO2/전해질 사이의 임피던스인 R2값의 경우, 차단막이 없는 일반 셀은 17.2Ω이며, 차단막을 적용한 셀은 15.0Ω으로 차단막 효과로 인해 약 2.2Ω의 임피던스 저하를 관측할 수 있었다.
97%로 약 1% 정도 향상되는 것으로 나타났다. 이상의 결과로부터 TCO층에 형성된 차단막은 역 전자전달 반응을 완화시켜 셀의 성능을 개선시키는 역할을 하는 것을 알 수 있으며, 이러한 차단막 형성법으로써 고주파 마그네트론 스퍼터링법이 매우 유용함을 확인할 수 있다.
97 %로 차단막을 적용할 때 약 1%의 효율 향상을 보였다. 즉, 염료분자에서 여기된 전자가 다공질 TiO₂에서 TCO로 전달될 때의 역 전자전달 반응이 차단막에 의해 완화되면서 광전변환효율이 향상되는 효과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.
측정 결과 일반적인 염료 태양전지의 경우 Rh는 8.2, R1은 14.1, R2는 17.2, R3는 10.5 Ω으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화석연료의 문제점은?	현재 가장 많이 사용되고 있는 화석연료는 재생이 불가하여 매장량의 한계를 보이고 있고, 이산화탄소, 아황산가스 등의 발생물질은 심각한 환경오염을 유발하고 있다. 이산화탄소에 의한 온실효과는 지구 온난화의 원인이므로, 탄소배출이 필요 없는 신재생 에너지 기술에 대한 국가적 차원의 연구개발이 활발히 진행 중에 있다[1, 2].
	염료 태양전지의 상용화 단계에 진입하기 위해 가장 시급한 당면 과제는?	염료 태양전지가 상용화 단계에 본격적으로 진입 하기 위해서는 고효율(High efficiency), 장기 안정성(Longterm stability), 그리고 저가격화(Cost-effectiveness)를 획기적으로 개선해야 한다. 그 중, 효율 향상은 가장 시급한 당면과제이며, 그동안 나노 다공질 TiO2 산화물 전극과 염료의 성능 개선에 포인트를 두고 많은 연구가 진행되어 왔다[9-11]. 최근 염료 태양전지의 투명전도성막(Transparent conductive oxide; TCO)와 전해질 사이에 차단막(Blocking layer)을 형성하여 역 전자전달 반응(Back electron transfer reaction)과 같은 전하의 불필요한 반응이나 소모를 줄임으로써 셀 효율을 개선시키는 방안이 보고되고 있다[12, 13].
	염료 태양전지의 장점은?	일반적으로 결정계 실리콘 태양전지는 약 16%대 이상의 높은 효율(모듈 기준) 을 가지는 장점이 있으나, 원료인 폴리 실리콘의 수급 불안정과 고 순도 화에 필요한 고온, 고비용의 공정방식 문제로 점차 경쟁력의 한계를 보일 것으로 예상되고 있다[3]. 이에 비해 염료 태양전지(Dye-sensitized solar cells; DSCs)는 원료의 자원 적 제한이 거의 없으며, 저온 및 비 진공 공정으로 인해 모듈제조 원가에 큰 비중을 차지하는 초기 투자비 부담이 적고, 기술개발에 따른 원가 혁신이 가능한 미래가치가 높은 저가의 태양전지로서 크게 주목받고 있다[4, 5]. 염료 태양전지(DSCs)의 특징은 전극기판의 재료나 염료를 바꿈으로써 형상이나 색채에 다양성을 갖도록 할 수 있다.

참고문헌 (13)

Mats Leijon et al., "On the physics of power, energy and economics of renewable electric energy sources-Part I," Renewable Energy, Vol. 35, pp.1729-1734, 2010.

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H. M. Kwon, D. W. Han, D. J. Kwak, Y. M. Sung, Preparation of nanoporous F-doped tin dioxide films for TCO-less dye-sensitized solar cells application", Current Applied Physics, Vol.10, No.2, pp. S172-S175, 2010

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한치환, 성열문, "졸겔 연소법을 이용한 염료감응 태양 전지용 나노 다공질 구조 TiO2 제작", 전기학회논문지, 58권, pp.327-331, 2009
D. H. Kim, J. H. Heo, D. J. Kwak, Y. M. Sung, "Synthesis of TCO-free Dye-sensitized Solar Cells with Nanoporous Ti Electrodes Using RF Magnetron Sputtering Technology", Journal of Electrical Engineering & Technology, Vol.5, No.1, pp.146-150, 2010.

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E. Kuantama, D. W. Han, Y. M. Sung, J. E. Song, C. H. Han, "Structure and thermal properties of transparent conductive nanoporous F:SnO2 films", Thin Solid Films, Vol.517, pp.4211-4214, 2009.

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Judy N. Hart et al., "TiO2 sol?gel blocking layers for dye-sensitized solar cells", Comptes Rendus Chimie, Vol. 9, pp.622-626, 2006.

상세보기
Petra J. Cameron and Laurence M. Peter, "Characterization of Titanium Dioxide Blocking Layers in Dye-Sensitized Nanocrystalline Solar Cells", J. Phys. Chem. B, Vol. 107, pp.14394-14400, 2003.

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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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