In this paper, it is investigated the characteristics of DSSC(Dye Sensitized Solar Cell) with cell area(0.25, 1, 2.25 $cm^2$) and dye absorption time(12, 24, 36 h). Thus, we obtain the following results by using the EIS, UV-VIS, I-V measurement. When the cell area increases, the efficienc...
In this paper, it is investigated the characteristics of DSSC(Dye Sensitized Solar Cell) with cell area(0.25, 1, 2.25 $cm^2$) and dye absorption time(12, 24, 36 h). Thus, we obtain the following results by using the EIS, UV-VIS, I-V measurement. When the cell area increases, the efficiency decreases to 21~32 percent because of the increase about 40~$60{\Omega}$ of internal impedance regardless of dye absorption time. When the absorption time increases up to 24 hours, the efficiency increases to over 40 percent cause of the reduction of internal impedance regardless of cell area. When the dye absorption time becomes 36 hours, the internal impedance increases and at the same time, in the range of 600~700 nm, as the optical absorption reduces. Therefore, the efficiency decreases to 19~31 percent. When it is absorbed the dye for 24 hours in the smallest cell area which is 0.25 $cm^2$, the DSSC has the best efficiency (7.11 %).
In this paper, it is investigated the characteristics of DSSC(Dye Sensitized Solar Cell) with cell area(0.25, 1, 2.25 $cm^2$) and dye absorption time(12, 24, 36 h). Thus, we obtain the following results by using the EIS, UV-VIS, I-V measurement. When the cell area increases, the efficiency decreases to 21~32 percent because of the increase about 40~$60{\Omega}$ of internal impedance regardless of dye absorption time. When the absorption time increases up to 24 hours, the efficiency increases to over 40 percent cause of the reduction of internal impedance regardless of cell area. When the dye absorption time becomes 36 hours, the internal impedance increases and at the same time, in the range of 600~700 nm, as the optical absorption reduces. Therefore, the efficiency decreases to 19~31 percent. When it is absorbed the dye for 24 hours in the smallest cell area which is 0.25 $cm^2$, the DSSC has the best efficiency (7.11 %).
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 태양전지의 효율 특성을 조사하기 위해 TiO2에 염료를 흡착하는 시간(12, 24, 36시간)과 셀의 면적(0.25, 1, 2.25 cm2)을 변화시켜 DSSC의 전기화학적 특성을 조사하였으며, 이를 통하여 DSSC의 효율개선 방안을 고찰하였다.
제안 방법
I-V 특성을 나타내기 위한 파라미터들은 Keithley에서 제공하는 24XX basic source meter-solar spectrum 프로그램을 이용하여 Jsc, Voc, FF, η등을 알 수 있었다.
Rh는 TCO Glass의 면 저항을 나타내는 임피던스 성분이고, R1은 Pt 상대전 극에서의 전자 수송에 관계된 임피던스 성분이고, R2는 TiO2/염료/전해질 계면에서의 전자이동과 연관된 성분이며 R3는 전해질 내의 이온 이동과 관련된 성분이다. 본 연구에서는 단위 면적당의 면 저항을 나타내는 Rh와 상대전극과 관련된 임피던스 R1, 그리고 전해질과 관련된 저항 성분 R3가 모두 동일한 ITO Glass, Pt, 전해질로 사용되었기 때문에 EIS 특성 분석은 R2만 비교하였다. 셀 면적이 증가함에 따라 R2의 크기가 흡착시간에 따라 약 40∼60 Ω 정도 증가하는 것을 알 수 있었다.
본 연구에서는 태양전지 종류 중에서 DSSC의 셀 면적과 염료 흡착 시간에 따른 EIS, I-V, UV-VIS 특성들을 비교 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다. I-V 특성에서 셀의 면적이 2.
제작된 DSSC의 광전압에 따른 전류를 측정하기 위해 광전극과 상대전극을 구성하여 I-V 특성 곡선 및 변환효율 등을 측정하기 위해 solar simulator(정남시스템, Model XES-301S)를 사용하였다. 이 장비는 AM 1.5 필터가 내장된 300 W Xenon Lamp의 100 mW/cm2 세기의 빛을 준비된 셀에 조사하여 solar simulator에 연결된 디지털 소스미터 (Keithley Instruments Inc, Model 2400) 의 장비를 이용하여 측정하였다. I-V 특성을 나타내기 위한 파라미터들은 Keithley에서 제공하는 24XX basic source meter-solar spectrum 프로그램을 이용하여 Jsc, Voc, FF, η등을 알 수 있었다.
제작된 DSSC의 광전압에 따른 전류를 측정하기 위해 광전극과 상대전극을 구성하여 I-V 특성 곡선 및 변환효율 등을 측정하기 위해 solar simulator(정남시스템, Model XES-301S)를 사용하였다. 이 장비는 AM 1.
준비된 ITO Glass에 Doctor Blade 방법을 이용하여 TiO2 Paste (TTP-20N,국산) 를 20 μm 의 두께로 도포하고 450℃의 온도에서 30분간 소성하였으며, 이 때 TiO2 도포면적을 0.25 cm2에서부터 2.25 cm2까지 변화시키고, 이를 염료 (N719) 용액에 각각 12, 24, 36시간 동안 염료를 착색시키며 실험 조건을 변화 시켰다.
대상 데이터
그림 2는 광전극의 제작과정을 개략적으로 나타내었다. 광전극을 제작하기에 앞서 2-Propanol, Acetonitrile, Ethanol, 증류수 순서로 각각 30분씩 초음파 세척을 통해 ITO Glass를 준비하였다. 본 연구에서 사용한 ITO 전극은 전형적으로 사용되는 FTO 전극에 비해 열적 특성이 낮아 저온에서만 소결하여야 하는 단점이 있으나 가격이 저렴하고 매우 우수한 투명성 및 전기전도성을 가지고 있다.
이론/모형
자외선-가시광선 분광광도계 (UltraViolet - Visible spectrophotometer, UV-VIS) 측정 장비의 회사는 varian, Model은 cary-5를 사용하였다. UV-VIS는 원자나 분자가 외부에서 에너지를 받으면 에너지의 크기에 따라 그 현상이 달라진다.
성능/효과
I-V 특성에서 셀의 면적이 2.25 cm2 까지 증가하면 염료 흡착시간에 관계 없이 Voc는 4∼10 %, Jsc 7∼9 %, FF 6∼17 % 까지 각각 감소하여 DSSC의 효율이 21∼32 % 까지 감소하였다.
UV-VIS 분석을 통한 결과 24시간 이상의 흡착이 이루어져야만 광흡수가 제대로 일어남을 알 수 있었고, 특히 36시간에서는 600∼700 nm의 영역에서 광흡수가 감소하여 내부 임피던스의 증가와 더불어 효율을 감소시켰다.
[5] DSSC의 효율을 상승시키기 위한 인자들은 투명전도막(Transparent Conductive Oxide, TCO)의 전극 종류, 나노사이즈의 입자로 구성된 다공질 TiO2의 코팅 면적 및 두께, 전자를 생성하는 염료와 전자의 산화·환원을 용이하게 하는 촉매인 백금(Pt), 전자 이동의 매개체인 전해질 등이 있다.
광전극을 제작하기에 앞서 2-Propanol, Acetonitrile, Ethanol, 증류수 순서로 각각 30분씩 초음파 세척을 통해 ITO Glass를 준비하였다. 본 연구에서 사용한 ITO 전극은 전형적으로 사용되는 FTO 전극에 비해 열적 특성이 낮아 저온에서만 소결하여야 하는 단점이 있으나 가격이 저렴하고 매우 우수한 투명성 및 전기전도성을 가지고 있다. 준비된 ITO Glass에 Doctor Blade 방법을 이용하여 TiO2 Paste (TTP-20N,국산) 를 20 μm 의 두께로 도포하고 450℃의 온도에서 30분간 소성하였으며, 이 때 TiO2 도포면적을 0.
셀 면적이 증가함에 따라 R2의 크기가 흡착시간에 따라 약 40∼60 Ω 정도 증가하는 것을 알 수 있었다.
셀의 면적이 증가함에 따라 내부 임피던스가 40∼60 Ω 정도 증가하게 되어 효율이 감소하는 것을 알 수 있었고, UV-VIS 특성 결과에 의한 흡광도는 면적에 따라 효율 변화에 큰 영향을 미치지 않았다.
25 cm2 보다 넓어 결과 자료를 사용할 수 없기 때문이다. 염료 흡착시간이 12시간에서 24시간 이상으로 증가하게 되면 흡광량이 상당히 증가하는 것을 알 수 있었다. 즉, 24시간 이상의 염료 흡착을 시켜야만 광흡수가 제대로 일어남을 알 수 있었다.
그림 6의 (a), (b), (c)는 각각 흡착 시간이 12, 24, 36시간에서의 셀 면적에 따른 흡광도를 나타낸 그림이다. 염료 흡착시간이 증가와 면적에 따라 광흡수가 전체적으로 증가하는 것을 알 수 있었다. 이는 TiO2에 흡착되는 염료의 양이 충분히 흡착되어 흡착시간이 증가하게 되면 전자의 생성이 활발하다는 것을 의미한다.
염료 흡착시간이 증가하면 24시간까지의 내부 임피던스가 약 65∼85 Ω 정도 감소하여 효율이 상승하게 되고 24시간 이상이 되면 내부 임피던스가 10 Ω 정도 다소 증가하여 효율이 감소하였다.
염료 흡착시간이 12시간에서 24시간 이상으로 증가하게 되면 흡광량이 상당히 증가하는 것을 알 수 있었다. 즉, 24시간 이상의 염료 흡착을 시켜야만 광흡수가 제대로 일어남을 알 수 있었다. 그러나 36시간으로 흡착을 시키면 600 nm 이하의 파장에서는 흡광량이 다소 증가하지만 600∼700 nm의 파장에서는 급격히 떨어진다.
후속연구
Gratzel 교수 등에 의해 이루어졌으며 저가의 나노산화물 TiO2를 전도성 유리 위에 접착하고, Ru계 염료 및 I-/I3- 전해질을 사용하여 실험적으로 효율을 약 15%까지 향상시켰다.[4] 하지만 결정질 실리콘 태양전지의 변환효율(30%) 보다 낮은 효율을 보이고 있어 효율을 높이는 연구가 활발히 진행되어야 한다.[5] DSSC의 효율을 상승시키기 위한 인자들은 투명전도막(Transparent Conductive Oxide, TCO)의 전극 종류, 나노사이즈의 입자로 구성된 다공질 TiO2의 코팅 면적 및 두께, 전자를 생성하는 염료와 전자의 산화·환원을 용이하게 하는 촉매인 백금(Pt), 전자 이동의 매개체인 전해질 등이 있다.
UV-VIS 분석을 통한 결과 24시간 이상의 흡착이 이루어져야만 광흡수가 제대로 일어남을 알 수 있었고, 특히 36시간에서는 600∼700 nm의 영역에서 광흡수가 감소하여 내부 임피던스의 증가와 더불어 효율을 감소시켰다. 즉, 본 연구에서는 셀 면적이 제일 작은 0.25 cm2에 염료를 24시간 흡착시 7.11 % 라는 가장 좋은 효율을 가진 DSSC를 제작할 수 있었고, 향후 효율을 감소시키는 원인들을 찾아 개선해 나간다면 대면적 DSSC에서의 효율 상승의 기초 자료로 사용 될 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
결정질 실리콘 태양전지가 상용화되기 어려운 이유는 무엇인가?
신재생 에너지 분야는 재생에너지(태양열, 태양광 발전, 바이오매스, 풍력, 수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지)와 신에너지(연료전지, 석탄 액화가스화, 수소에너지)로 구분된다.[1] 특히, 태양광을 이용해 전기를 생산하는 결정질 실리콘 태양전지는 현재 가장 주목받고 있는 신재생 에너지원이지만, 결정질 실리콘 태양전지는 실리콘 공급이 그 수요를 따라가지 못해 원료 값이 폭등하고, 복잡한 제조공정으로 인해 경쟁력이 약화되는 어려움을 겪고 있다.[2] 결정질 실리콘 태양전지의 대안 중 하나인 염료감응형 태양전지(Dye Sensitized Solar Cell, DSSC)는 제조단가가 기존 실리콘 태양전지의 5분의 1수준에 불과하여 그 경제성이 입증되었으며, 친환경적인 제조환경과 다양한 응용 가능성으로 상용화에 유리한 장점을 가지고 있기 때문에 최적의 재생에너지원으로써 그 중요성을 더해 가고 있다.
신재생 에너지 분야에는 어떤 것들이 있는가?
하지만 지속적인 에너지원의 소비에 따라 석유 가격이 급상승하고 지구 온난화 현상이 발생하기 때문에 친환경적이면서도 영구적으로 에너지를 공급해 줄 수 있는 신재생 에너지원의 개발은 시급한 과제이다. 신재생 에너지 분야는 재생에너지(태양열, 태양광 발전, 바이오매스, 풍력, 수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지)와 신에너지(연료전지, 석탄 액화가스화, 수소에너지)로 구분된다.[1] 특히, 태양광을 이용해 전기를 생산하는 결정질 실리콘 태양전지는 현재 가장 주목받고 있는 신재생 에너지원이지만, 결정질 실리콘 태양전지는 실리콘 공급이 그 수요를 따라가지 못해 원료 값이 폭등하고, 복잡한 제조공정으로 인해 경쟁력이 약화되는 어려움을 겪고 있다.
염료감응형 태양전지의 기본 구조는 어떻게 이루어져 있는가?
그림 1은 현재 제작되는 DSSC의 기본 구조를 나타낸 그림이다. DSSC는 상판과 하판으로 구성되어 있고, 상판은 유리판위에 투명산화전도막과 Pt전극으로 구성되며, 하판은 유리판위에 투명산화전도막과 염료가 흡착된 TiO2 가 도포되어 있으며, 이 두 판 사이에 전해질이 충전되어 있다. 현재 연구되고 있는 고효율 DSSC의 개발은 1980년 M.
참고문헌 (8)
진영삼, " $TiO_{2}$ Passivating Layer의 제조방법에 따른 염료감응형 태양전지의 특성," 경원대학교 일반대학원 석사 학위 논문, 2011.
T. Markvart, "Solar Electricity," John Wily Inc., pp.1-5, 24-35, 1994.
M. Gratzel, "A photovoltaic device structure based on internal electron emission," Nature, 421, pp. 23-69, 2003.
B. O'regan, M. Gratzel, "A low cost, high efficiency solar cell based on dye sensitized colloidal $TiO_{2}$ films," Nature, 353, pp.73-77, 1982.
H.-J. Kim, Y.-C. Kim, J.-T. Hong, M.-J. Kim, H.-W. Seo, J.-W. Park, J.-Y. Choi, "A Study of the Photo-Electric Efficiency of dye sensitized solar cell under lower light intensity," J. of Elec. Eng. & Tech., 2, 4, pp.413-552, 2007.
B. O' Regan, and M. Gratzel, "A low cost, high efficiency solar cell based on dye sensitized colloidal $TiO_{2}$ films," Nature, Vol. 353, pp.737-740, 1991.
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