[논문]이중층 티타늄 전극으로 구성된 TCO-less 염료감응형 태양전지 제작에 관한 연구

심충환; 김윤기; 김동현; 이해준; 이호준

doi:10.5370/kiee.2011.60.1.114

이중층 티타늄 전극으로 구성된 TCO-less 염료감응형 태양전지 제작에 관한 연구
Fabrication of Transparent Conductive Oxide-less Dye-Sensitized Solar Cells Consisting of Titanium Double Layer Electrodes 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.60 no.1, 2011년, pp.114 - 118

심충환 (부산대학교 전기공학과) , 김윤기 (부산대학교 전기공학과) , 김동현 (부산대학교 PDP연구소) , 이해준 (부산대학교 전기공학과) , 이호준 (부산대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Dye-Sensitized Solar Cells(DSSCs) consist of a titanium dioxide($TiO_2$) nano film of the photo electrode, dye molecules on the surface of the $TiO_2$ film, an electrolyte layer and a counter electrode. But two transparent conductive oxide(TCO) substrates are estimated to be about 60[%] of the total cost of the DSSCs. Currently novel TCO-less structures have been investigated in order to reduce the cost. In this study, we suggested a TCO-less DSSCs which has titanium double layer electrodes. Titanium double layer electrodes are formed by electron-beam evaporation method. Analytical instruments such as electrochemical impedance spectroscopy, scanning electron microscope were used to evaluate the TCO-less DSSCs. As a result, the proposed structure decreases energy conversion efficiency and short-circuit current density compared with the conventional DSSCs structure with FTO glass, while internal series impedance of TCO-less DSSCs using titanium double layer electrodes decreases by 27[%]. Consequently, the fill factor is improved by 28[%] more than that of the conventional structure.

주제어

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 TCO-less 염료감응형 태양전지 제작을 위해 이중층 Ti 전극 구조를 제안하였다. 첫 번째 Ti 금속 전극은 TiO₂ 광전극과 중첩되게 형성되며, 이후 TiO₂ 광전극 위에 두 번째 Ti 금속 전극이 증착되는 구조이다.
본 연구에서는 이중층 Ti 금속 전극으로 구성된 TCO-less 염료감응형 태양전지 제작 방법 및 그 특성에 대해 고찰하였다. Step coverage가 나쁜 전자빔 증착법의 단점을 극복하기 위해 Ti 금속 전극과 TiO₂ 광전극의 일부를 중첩하여 제작하였다.

제안 방법

본 연구에서는 이중층 Ti 금속 전극으로 구성된 TCO-less 염료감응형 태양전지 제작 방법 및 그 특성에 대해 고찰하였다. Step coverage가 나쁜 전자빔 증착법의 단점을 극복하기 위해 Ti 금속 전극과 TiO₂ 광전극의 일부를 중첩하여 제작하였다. 광전변환효율 및 단락전류밀도는 기존 구조에 비해 낮은 특성을 보였으나, 곡선인자는 28[%] 향상 됨을 알 수 있었다.
본 연구에 앞서 우리는 전자빔 증착법에 의한 TCO-less 염료감응형 태양전지를 보고한바 있다.[9] 기존 염료 태양전지와 달리 투명전극이 없는 일반 유리 기판을 적용하였으며, 작업 전극과 상대 전극 모두 Ti 금속 전극으로 구성하였다. 불투명한 Ti 금속 전극으로 인해 TiO₂ 광전극으로의 태양광 흡수가 방해받지 않도록 Ti 금속 전극은 cell 내부에 위치하고 있으며, 이 금속 전극은 형성 후 TiO₂의 염료 흡착 및 전해질의 이동이 가능하도록 다공성의 특성이 요구된다.
5(100㎽/㎠) 조건하에서 측정하였다. 그리고 내부 임피던스 특성 분석을 위해 electrochemical impedance spectroscopy (EIS)를 electrochemical analyzer(IVIUMSTAT, Ivium Technologies)를 이용하여 측정하였고, Ti 금속 전극의 표면 저항은 4 point probe(CMT-ST1000, CHANG MIN CO. LTD.)를 이용하여 측정하였다.
기존 구조와 제안된 TCO-less 염료감응형 태양전지의 직렬 저항 비교를 위해 그림 5와 같이 Electrochemical Impedance Spectrum을 측정하였고, 내부 저항의 각 성분을표 2에 정리하였다.
기존 투명 전극 기판(FTO)이 적용된 구조와 Ti 금속 전극이 적용된 새로운 구조의 태양전지 성능 비교를 위하여 개방전압(Voc), 단락전류밀도(Jsc), 곡선인자(FF) 및 광전변환효율(η)을 측정하여 표 1에 정리하였고, 그림 4는 전류-전압 특성 곡선을 나타내고 있다.
완성된 태양전지의 광전변환 특성은 source meter(2400, KEITHLEY Co. Ltd)을 이용하여 AM 1.5(100㎽/㎠) 조건하에서 측정하였다. 그리고 내부 임피던스 특성 분석을 위해 electrochemical impedance spectroscopy (EIS)를 electrochemical analyzer(IVIUMSTAT, Ivium Technologies)를 이용하여 측정하였고, Ti 금속 전극의 표면 저항은 4 point probe(CMT-ST1000, CHANG MIN CO.

대상 데이터

그림 1은 본 연구에서 제안한 염료감응형 태양전지의 구조 및 제작된 단위 cell 이미지를 나타내고 있다. 기존 염료감응형 태양전지와 달리 투명전극이 없는 일반 유리 기판이 적용되었으며, 작업 전극과 상대 전극 모두 전자빔 증착법을 통해 형성된 Ti 금속 전극으로 구성되었다. 불투명한 Ti 금속 전극으로 인해 TiO₂ 광전극으로의 태양광 흡수가 가능하도록 Ti 금속 전극은 cell 내부에 위치하였다.
Ti 금속 전극은 증착 시 전자빔 출력은 4[kV], 40[mA] 일정하게 유지하였으며, 증착 후 두께는 약 3000[Å] 정도이다. 작업 전극에 사용된 염료는 N719 염료(Ruthenium 535-bisTBA, Acetonitrile, tert-Butanol 혼합용액)이며, 24시간동안 다공성 Ti 금속 전극을 통과시켜 TiO₂ 광전극에 흡착시키면 작업 전극이 완성된다.

이론/모형

제안된 구조의 태양전지 제작 과정은 그림 2와 같다. 먼저 투명전극이 없는 유리 기판 위에 Ti 금속 전극을 형성하기 위해 전자빔 증착법을 이용하였다. Ti 금속 전극은 불투명하기 때문에 TiO₂ 광전극의 태양광 흡수를 위한 창을 형성하기 위하여 mask를 이용하여 유리 기판의 일부를 가린후 Ti 금속 전극을 증착한다.

성능/효과

그림 3(a)에서와 같이 Ti 금속 전극의 두께가 TiO₂ 광전극 두께에 비해 상당히 얇아 TiO₂ 광전극 위에 증착된 Ti 금속 전극과 기판 위에 증착된 Ti 금속 전극의 연결이 되지 않는 경우가 발생한다. 그러나 그림 3(b), (c)와 같이 제안된 Ti 이중층 구조에서는 Ti 금속 전극이 TiO₂ 광전극의 윗면과 아랫면에 모두 위치하고 있어 step coverage가 좋지 않은 경우에도 TiO₂ 광전극에서 발생된 전자의 이동 경로를 확보할 수 있게 된다.
R₂ 저항은 TiO₂/염료/전해질 간의 저항 성분으로 알려져 있으며, 본 연구에서 제안된 TCO-less 구조의 R₂ 저항은 기존 구조에 비해 약 13[%] 증가하였다. 이는 기존 구조에 비해 제안된 구조에서는 TiO₂ 광전극 위에 Ti 금속 전극이 증착되어 있어, 동일 시간 염료 흡착을 진행할 경우 기존 구조에 비해 제안된 구조의 염료 흡착량이 감소되고 이는 R₂저항 증가의 원인으로 예상된다.
광전변환효율 및 단락전류밀도는 기존 구조에 비해 낮은 특성을 보였으나, 곡선인자는 28[%] 향상 됨을 알 수 있었다. 곡선인자 향상 원인 분석을 위해 EIS spectra를 측정하여 비교하였으며, Ti 금속 전극이 적용된 TCO-less 염료감응형 태양전지의 내부 직렬 저항 성분이 기존 구조에 비해 27[%] 낮아짐을 알 수 있었다. 본 연구는 간단한 전자빔 증착법으로 Ti 금속 전극을 증착하여 TCO-less 염료감응형 태양전지를 제작하였으며, 제조 공정이 다른 연구의 결과에 비해 간단하여 향후 염료감응형 태양전지의 상업화 및 대형화 제작에 유리하다고 할 수 있다.
Step coverage가 나쁜 전자빔 증착법의 단점을 극복하기 위해 Ti 금속 전극과 TiO₂ 광전극의 일부를 중첩하여 제작하였다. 광전변환효율 및 단락전류밀도는 기존 구조에 비해 낮은 특성을 보였으나, 곡선인자는 28[%] 향상 됨을 알 수 있었다. 곡선인자 향상 원인 분석을 위해 EIS spectra를 측정하여 비교하였으며, Ti 금속 전극이 적용된 TCO-less 염료감응형 태양전지의 내부 직렬 저항 성분이 기존 구조에 비해 27[%] 낮아짐을 알 수 있었다.
기존 투명 전극 기판(FTO)이 적용된 구조와 Ti 금속 전극이 적용된 새로운 구조의 태양전지 성능 비교를 위하여 개방전압(Voc), 단락전류밀도(Jsc), 곡선인자(FF) 및 광전변환효율(η)을 측정하여 표 1에 정리하였고, 그림 4는 전류-전압 특성 곡선을 나타내고 있다. 기존 구조는 0.70[V]의 개방 전압, 12.33[mA/㎠]의 단락전류밀도, 0.58의 곡선인자와 5.02[%]의 광전변환효율을 나타내고 있으며, 본 연구에서 제안한 TCO-less 구조는 0.71[V]의 개방전압, 7.80[mA/㎠]의 단락전류밀도, 0.74의 곡선인자와 4.11[%]의 광전변환효율을 나타내고 있다. 기존 구조와 TCO-less 구조의 개방전압은 유사한 값을 보이지만 단락전류밀도와 곡선인자의 차이 때문에 광전변환효율의 차이가 나타나고 있다.
따라서 TCO-less 구조의 전체 직렬 저항은 기존 구조에 비해 약 27[%] 감소하여 곡선인자 향상에 기여하였다.
연구에서 제안한 TCO-less 구조의 곡선인자는 기존 구조에 비해 28[%] 정도 향상된 0.74의 값을 보였다. 곡선인자는 태양전지 내부의 직렬 저항이 감소할 경우 증가하는 경향이 있으며, 태양전지 내부의 직렬 저항은 전해질의 두께와 관련된 저항(R₃), 작업 전극 및 상대 전극의 표면 저항 (R_h)과 산화·환원 반응 촉매 역할의 백금이 도포되는 상대 전극의 표면적과 관련 있는 저항(R₁)으로 구성되어 있다고 알려져 있다.
염료감응형 태양전지의 직렬 저항은 R₁, R₃, R_h의 합으로 나타낼 수 있다. 표 2에 나타난 바와 같이 본 연구에서 제안한 TCO-less 구조는 기존 구조에 비해 R₁과 R₂는 증가하나 R₃와 R_h는 감소함을 알 수 있다.

후속연구

곡선인자 향상 원인 분석을 위해 EIS spectra를 측정하여 비교하였으며, Ti 금속 전극이 적용된 TCO-less 염료감응형 태양전지의 내부 직렬 저항 성분이 기존 구조에 비해 27[%] 낮아짐을 알 수 있었다. 본 연구는 간단한 전자빔 증착법으로 Ti 금속 전극을 증착하여 TCO-less 염료감응형 태양전지를 제작하였으며, 제조 공정이 다른 연구의 결과에 비해 간단하여 향후 염료감응형 태양전지의 상업화 및 대형화 제작에 유리하다고 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광 발전이란?	특히 태양광 발전은 향후 에너지 부족을 해결할 수 있는 유망한 대안으로 주목받고 있다. 태양광 발전은 햇빛을 받으면 광전효과에 의해 전기에너지를 생산하는 태양전지를 이용하는 발전 방식이다. 현재 주로 이용되는 태양전지는 실리콘 반도체를 이용한 것이지만, 최근 실리콘을 사용하지 않고 천연염료를 사용하는 염료감응형 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다.
	염료감응형 태양전지가 차세대 태양전지로서 많은 연구가 진행되고 있는 이유는?	염료감응형 태양전지는 간단한 구조와 낮은 가격, 비교적 높은 효율 때문에 차세대 태양전지로서 많은 연구가 진행되고 있다.[1] M.
	본 연구에서 제안한 이중층 Ti 전극 구조에 대해 설명하라	따라서 본 연구에서는 TCO-less 염료감응형 태양전지 제작을 위해 이중층 Ti 전극 구조를 제안하였다. 첫 번째 Ti 금속 전극은 TiO2 광전극과 중첩되게 형성되며, 이후 TiO2 광전극 위에 두 번째 Ti 금속 전극이 증착되는 구조이다. Step coverage가 나빠 전극이 open될 경우 첫 번째 Ti 전극이 TiO2 광전극과 일부분 중첩되어 있어 전자 이동 경로를 형성하여준다.

참고문헌 (12)

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J. M. Kroon, N. J. Bakker, H. J. P. Smit, P. Liska, K. R. Thampi, P. Wang, S. M. Zakeeruddin, M. Graetzel, A. Hinsch, S. Hore, U. Wurfel, R. Sastrawan, J. R. Durrant, E. Palomares, H. Pettersson, T. Gruszecki, J. Walter, K. Skupien, and G. E. Tulloch, "Nanocrystalline Dye-sensitized Solar Cells Having Maximum Performance", Progress In Photovoltaics: Research And Applications, Vol 15, pp. 1-18, 2007.

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

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