[논문]염료감응태양전지에서의 졸겔공정 응용

이상욱; 정현석

문제 정의

본 논문에서는 DSSC에서 효율적인 수광 및 전하 포집을 이룩하기 위하여 지난 몇 년간 본 연구실에서 진행하였던 소재개발연구 증, 특히 졸겔기술을 적용한 사례들을 소개함으로써 졸겔 합성공정이 DSSC에서 매우 중요한 공정임을 보여주고자 한다
상용으로 널리 쓰이는 P25 이산화티탄 나노입자 기반 광 전극과의 비교를 통해서 2단계 졸겔법으로 합성한 나노 입자 기반 광전극의 에너지변환 특성을 연구하였다. 결과, 2단계 졸겔법으로 합성한 나노 입자가P25에 비하여 태양광 에너지 변환 효율이 325%나 높았다.

제안 방법

Fig- 10(a) 와 같이 준역오팔층의 광전극 특성을 알아보기 위하여 산란증이 없는 순수 활성증, 상용 산란증 (CCIC, 일본), 420 nm 또는 970 nm의 기공크기를 갖는 준역 오팔층이 산란층으로 적용된 DSSC를 제작하였다 먼저 준역오팔층의 산란층으로써의 기능을 광학적 반사도측정을 통하여 평가하였다. 420 nm 준역오팔층은 염료흡착 전후 장파장 (700 nm 이상)에서 상용 산란층의 반사도와 성능이 유사함을 알 수 있었다 (Fig.
DSSC의 핵심적인 요소인 광전극의 구동특성을 증가 시키 위해, 졸겔공정을 이용하여 TiO₂ 나노입자 합성, 표면 개질 기능성 산란층 형성 등에 관한 연구를 진행하였다. 이 뿐만 아니라, 투명전도체 및 여러종류의 기능층이 졸 겔 공정을 이용하여 충분히 형성될 수 있으며, 향후 DSSC 가 양산되어 시판된다면 생산단가를 낮추기 위한 졸 겔 공정의 중요도가 매우 커질 것으로 기대된다
의해 크게 좌우된다. 따라서 본 연구실에서는 매우 간단하고 효과적인 2단계 졸겔법을 이용하여 다양한 형상의 TiO₂ 나노 입자를 균일하게 합성하고 이를 광 전극에 적용하여 전자 이동 및 광학 특성의 관점에서 연구하였다(Fig. 2).
전하의 재결합을 억제시킬 수 있다. 본 연구실에서는 졸겔 공정을 통하여 나노기공을 갖는 MgO 및 CaCQ층을 Tic》나노입자에 코팅시킴으로써 DSSC 효율의 증대를 관찰하였다. Fig.
앞서 기술한 2단계 졸겔공정으로 제조한 고결정성의아나타제 나노입자를 이용하여, Fig. 9와 같이 준역 오팔층을 제조하는 연구도 진행하였다.
매우 높은 밀도의 겔 네트워크를 이용하여 나노 입자를 합성하기 때문에, 입자끼리 뭉치는 것을 방지하고 반응속도의 제어가 용이하며, 합성 수율이 높다는 장점을 가진다. 이합성법을 이용하여 평균 입도 20 nm의 구형의 나노 입자와 종횡비 5인 막대형 나노 입자 종횡비 10인 선형 나노 입자를 성공적으로 합성하였다 (Fig. 4(a)).

대상 데이터

MgO 코팅 기술과 유사한 기술로 나노기공을 갖는 탄산칼슘 (CaCQ)층으로 표면을 개질한 TiO₂ 나노입자를 합성하였다. 대기중에서 산화칼슘은 이산화탄소와의 반

성능/효과

나타내었으며, 이는 Fig. 8(a)와 같이 나노 기공 층과 높은 등전위 값 (isoeletric point, IEP)으로 인한 높은 염료흡착 특성에 기인함을 밝혔다 또한 전자수명 (electron lifetime)을 측정함으로써 탄산칼슘층을 적용한 DSSC의 전자의 수명이 연장되었음을 밝혔고 이는 앞서 언급한 바와 같이 전자의 역반응 억제에 기인하는 것으로 분석된다. (Fig.
갖는 산화칼슘 나노입자 (Fig. 7(b))가 합성될 수 있음을 TEM으로부터 관찰하였고, MgO 코팅 층 합성법과 유사한 방법으로 탄산칼슘 나노층을 TiO₂ 나노입자에 코팅할 수 있음을 확인하였다.
통하여 평가하였다. 420 nm 준역오팔층은 염료흡착 전후 장파장 (700 nm 이상)에서 상용 산란층의 반사도와 성능이 유사함을 알 수 있었다 (Fig. 10(b)와 (c)).
연구하였다. 결과, 2단계 졸겔법으로 합성한 나노 입자가P25에 비하여 태양광 에너지 변환 효율이 325%나 높았다. 이는 합성된 나노 입자가 매우 균일한 입도 분포를 가지고 분산성이 높아서 다공성의 막구조를 형성하기 때문인 것으로 분석하였다 다공성의 막구조 (Fig.
결과적으로 2단계 졸겔법으로 균일하게 합성된 나노입자만을 사용해서 DSSC를 제작하여 6.72%의 높은 광전변환 효율을 달성하였다. 이 연구는 고효율의 광에너지 변환 소자를 위한 나노입자 합성법으로서 2단계 졸 겔 법의 가능성을 보여준다.
5(c))로 인한 광 흡수량 증가 등의 우수한 특성을 보여주었다. 또한 전기화학적 임피던스 분석을 통해 종횡비에 따른 광전극의 계면 저항 및 전하 수명에 관한 분석을 한 결과, 합성된 나노 입자의 종횡비가 증가할수록 입자내 전하수명이 증가하는 것을 확인하였다 (Fig. 5(d)).
72%의 높은 광전변환 효율을 달성하였다. 이 연구는 고효율의 광에너지 변환 소자를 위한 나노입자 합성법으로서 2단계 졸 겔 법의 가능성을 보여준다.
이로써 전하량이 증대되어 전류밀도가 커지고 전자의 포텐셜 에너지 또한 증대되어 단락전압이 높아져 결과적으로 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다
장파장 대역 (600 nm 이상)에서 420 nm 준역 오팔층을 적용한 DSSC의 높은 IPCE값은 앞서 측정한 바와 같이 준역오팔층이 산란층으로써 역할을 수행하는 것을 보여준다 최종적으로 420 nm 준역오팔층을 적용한 DSSC 의 효율은 약 37%로써 상용 산란층 적용 DSSC (4.6 %) 에 비해 높은 값을 보였다.
단락전류의 증가는 MgO 코팅층의 매우 높은 기공률로 인한 염료 흡착량의 증대 때문으로 밝혀졌으며, 높은 개방전압은 암전류특성 (dark current characteristics) 결과로 보아MgO의 절연특성이 전자의 재결합을 억제하는 역할을 하기 때문으로 분석되었다. 즉, DSSC에서 전하손실의 주요요인중의 하나인 Tit》로 주입된 전자와 요오드 전해질간의 역반응이 MgO 코팅층 적용으로 억제된 것으로 분석되었다.

후속연구

진행하였다. 이 뿐만 아니라, 투명전도체 및 여러종류의 기능층이 졸 겔 공정을 이용하여 충분히 형성될 수 있으며, 향후 DSSC 가 양산되어 시판된다면 생산단가를 낮추기 위한 졸 겔 공정의 중요도가 매우 커질 것으로 기대된다

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