[논문]저온소성 TiO2 페이스트를 이용한 염료감응 태양전지의 특성 연구

정유라; 구할본

doi:10.4313/jkem.2013.26.5.380

저온소성 TiO2 페이스트를 이용한 염료감응 태양전지의 특성 연구
Study of the Characteristics of Low-Temperature Prepared TiO2 Paste for Dye-sensitized Solar Cells 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.26 no.5, 2013년, pp.380 - 384

정유라 (전남대학교 전기공학과) , (전남대학교 전기공학과) , 구할본 (전남대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we have developed a low temperature process to make two type of paste by using $TiO_2$ nanoparticles(P25). The interconnections between substrate and $TiO_2$ films or link between particles of free-binder paste(FP1, FP2, FP3) is very poor. Therefore, the Titanium(IV) isopropoxide was added to the TP paste to improve the interconnection. Electron transport time (${\tau}_t$) and recombination time (${\tau}_r$) are analyzed by IMPS (intensity-modulated photocurrent spectroscopy) and IMVS(Intensity-modulated photovoltage spectroscopy). In the results, ${\tau}_t$ of TP paste based DSSCs (about $4.3{\times}10^{-3}$) is faster than other samples. ${\tau}_r$ is longer from $2.7{\times}10^{-2}$ s of FP2 to $3.0{\times}10^{-2}$ s of TP. A solar conversion efficiency (DSSCs) of TP is 3.54% for an incident solar energy of 100 mW $cm^{-2}$(meanwhile, 2.70% for DSSCs with FP2). The conversion efficiency is increased by 1.3 times.

주제어

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 TiO₂ 입자 간의 우수한 네트워크와 TiO₂ 박막과 FTO 기판과의 접착 특성을 향상시키기 위하여 TiO₂ 페이스트 제작 시 TTIP를 첨가하여 저온 소성용 TiO₂ 페이스트를 제조 및 광전극에 이용함으로써 염료감응 태양전지의 전기 화학적 특성을 향상시키고자 하였다.
본 연구에서는 저온 소성용 TiO₂ 페이스트를 제조하고 전기화학적 특성을 분석하였다. free-binder TiO₂ 페이스트를 이용한 박막은 기판과의 접착 특성이 저하되고 TiO₂ 박막의 표면에 크랙이 나타났다.

제안 방법

FP1, FP2, FP3 및 TP 페이스트로 제작한 염료감응 태양전지의 전자전달 시간 (τt)과 전자재결합 시간 (τr)은 각각 IMPS (intensity-modulated photocurrent spectroscopy, Ivium Technologies, Netherlands)와 IMVS (intensity-modulated photovoltage spectroscopy, Ivium technologies, Netherlands)로 측정하였다.
FP1, FP2, FT3 및 TP 페이스트로 제작된 TiO₂ 광전극의 단면과 표면의 형태학적 형상은 주사전자현미경 (field emission scanning electron microscope, FE-SEM, S-4700, Hitachi, Japan)을 통해 분석되었다. FP1, FP2, FP3 및 TP 페이스트로 제작한 염료감응 태양전지의 전자전달 시간 (τ_t)과 전자재결합 시간 (τ_r)은 각각 IMPS (intensity-modulated photocurrent spectroscopy, Ivium Technologies, Netherlands)와 IMVS (intensity-modulated photovoltage spectroscopy, Ivium technologies, Netherlands)로 측정하였다.
Free-binder TiO₂페이스트는 TiO₂ (Deggusa P25) 나노 분말, 에탄올 (ethanol anhydrous, 99.8%, CARLO ERBA), 증류수, 아세틸 아세톤 (acetyl acetone, 99%, Sigma-Aldrich), Triton X-100 (DUKSAN, Japan)을 볼밀링기 (Planetary mono mill, Fritsch Pulverlsette-6, Germany)로 혼합하여 제조하였고 페이스트의 점도를 조절하기 위하여 에탄올의 양을 각각 2, 3 및 4 ml로 첨가하였다. 제조된 TiO₂ 페이스트를 각각 FP1, FP2, 및 FP3으로 명명하였다.
free-binder TiO₂ 페이스트를 이용한 박막은 기판과의 접착 특성이 저하되고 TiO₂ 박막의 표면에 크랙이 나타났다. TiO₂ 페이스트에 TTIP를 첨가하여 TiO₂ 입자 간의 네트워크와 기판과의 접착 특성을 향상시켜 빛에 의해 여기된 전자가 염료의 기저상태 또는 전해질의 산화/환원 준위로의 재결합을 방지하여 전자가 투명 전도성 FTO 기판까지의 이동이 용이하여 전류밀도 및 광전변환효율 특성을 향상시켰다.
광전극은 닥터블레이드 방법을 이용하여 투명전도성 FTO (8 Ω㎠, Pilkington) 기판에 가로 0.5 cm, 세로 0.5 cm (면적: 0.25 ㎠)로 코팅하여 150℃에서 4시간 동안 열처리하였다.
염료감응 태양전지는 준비한 광전극과 상대전극을 샌드위치 모양으로 조립하였다. 전해질은 I^-/I₃^-의 산화/환원 종으로 3-methoxy propionitrile (99%, WaKo) 10 ml 용매에 옥화리튬 (Lithium iodide, 99.
염료감응 태양전지용 상대전극은 백금 촉매 졸(Pt catalysts sol, Solaronix, Switzerland)을 닥터블레이드 방법으로 TiO₂ 광전극 보다 큰 면적으로 FTO 기판에 코팅하였다.
1 Hz의 주파수 및 개방회로 조건으로 측정하였다. 염료감응 태양전지의 개방전압(V_oc), 전류밀도(J_sc), fill factor(FF) 및 광전 변환효율(𝝶)은 1,000 W Xenon 램프와 AM 1.5 필터가 장착된 솔라 시뮬레이터 시스템 (solar simulator system, Polaronix K201, McScience, Korea)로 측정하였다.
전자주입 속도는 청색발광 다이오드 (465 nm)를 이용한 분광학적 방법으로 10% 모듈레이션 하에서 1,000∼0.1 Hz의 주파수 및 개방회로 조건으로 측정하였다.

대상 데이터

TiO₂ 박막과 기판의 접착 특성 및 TiO₂ 입자 간의 네트워크를 향상시키기 위하여 TiO₂ 나노분말을 에탄올과 Titanium(Ⅳ) isopropoxide (TTIP, 99%, JUNSEI)를 사용하여 볼밀링기를 이용하여 제조하였다. 여기서 TTIP는 TiO₂ 나노입자의 결합 전구체로 사용될 뿐만 아니라 TiO₂ 페이스트의 점도를 향상시키고 볼밀링 과정과 소성 과정 중에 TiO₂ 입자들이 생성되면서 입자 간의 네트워크와 기판과의 접착 특성을 향상시키는 역할을 한다.
그러나 페이스트에 사용되는 바인더는 300℃ 이상의 고온에서 휘발이 가능하기 때문에 바인더가 있는 페이스트는 저온소성이 불가능하다. 따라서 본 실험에서 저온소성용 TiO₂ 페이스트를 두 가지 방법으로 제조하였다.
염료 용액은 붉은색 계열의 N719(Ruthenizer 535 bis-TBA, cis-diisothiocyanato-bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato) ruthenium (Ⅱ) bis (Tetrabutyl ammonium) 염료이다.
염료감응 태양전지는 준비한 광전극과 상대전극을 샌드위치 모양으로 조립하였다. 전해질은 I^-/I₃^-의 산화/환원 종으로 3-methoxy propionitrile (99%, WaKo) 10 ml 용매에 옥화리튬 (Lithium iodide, 99.9%, Aldrich), 아이오딘 (Iodine, 99.999%, Aldrich), DMPⅡ(Solaronix, USA) 및 4-tert-butyl pyridine (Aldrich)을 각각 0.5, 0.05, 0.6 및 0.5 M의 비율로 12시간 교반하였다.
8%, CARLO ERBA), 증류수, 아세틸 아세톤 (acetyl acetone, 99%, Sigma-Aldrich), Triton X-100 (DUKSAN, Japan)을 볼밀링기 (Planetary mono mill, Fritsch Pulverlsette-6, Germany)로 혼합하여 제조하였고 페이스트의 점도를 조절하기 위하여 에탄올의 양을 각각 2, 3 및 4 ml로 첨가하였다. 제조된 TiO₂ 페이스트를 각각 FP1, FP2, 및 FP3으로 명명하였다.

성능/효과

TTIP를 첨가한 TP의 반원의 크기가 TTIP를 첨가하지 않은 free-binder 페이스트에 비해 크게 나타났고 그 중에서 FP1의 반원이 가장 작게 나타났다. FP1, FP2, FP3 및 TP의 최저점 주파수는 각각 7.93, 5.83, 7.35 및 5.4 Hz로 나타났다.
그 결과 빛을 받아 여기된 전지가 투명 전도성 FTO 기판까지 이동하는 시간이 더 짧다는 것을 알 수 있다. TP는 FP1에 비해 IMPS의 최저점 주파수가 1.8배 정도 커졌으며 FP1, FP2, FP3 및 TP 페이스트의 최저점 주파수는 각각 19.1, 29.3, 25.1 및 36.8 Hz로 나타났다.
TP를 이용한 염료감응 태양전지의 τt과 τr은 각각 4.3×10-3와 3.0×10-2 s로 나타났으며 free-binder 페이스트에 비해 전자전달 특성이 우수한 것으로 나타났다.
TP를 이용한 염료감응 태양전지의 Voc, Jsc, FF 및 η은 각각 0.72 V, 7.66 mA cm-2, 64.11% 및 3.54%로 FP2의 광전변환효율의 약 1.3배 나타났다.
FP1, FP2, FP3 및 TP를 이용하여 제작한 염료감응 태양전지의 전류-전압 곡선을 그림 4에 나타내었다. TP를 이용한 염료감응 태양전지의 전류밀도가 가장 크게 나타났다. 이것은 TP의 경우 TiO₂ 입자 간의 상호 연결과 기판과의 접착 특성이 우수하여 빛에 의해 여기된 전자가 염료의 기저상태 또는 전해질의 산화/환원 준위로의 재결합특성이 저하되고 전자가 투명 전도성 FTO 기판까지의 이동이 용이하여 전류밀도가 향상된 것으로 판단된다.
TTIP를 이용한 염료감응 태양전지의 전자전달 시간은 4.3×10-3 s로 빠르고 전자재결합 시간을 3.0×10-2 s로 느려 free-binder 샘플에 비해 높은 전류밀도 및 광전변환효율을 나타내었다.
IMVS의 측정결과를 그림 2(b)에 나타내었다. TTIP를 첨가한 TP의 반원의 크기가 TTIP를 첨가하지 않은 free-binder 페이스트에 비해 크게 나타났고 그 중에서 FP1의 반원이 가장 작게 나타났다. FP1, FP2, FP3 및 TP의 최저점 주파수는 각각 7.
TTIP를 첨가한 염료감응 태양전지의 Voc, Jsc, FF 및 η은 각각 0.72 V, 7.66 mA cm-2, 64.11% 및 3.54%로 FP2의 광전변환효율의 약 1.3배 향상되었다.
IMPS의 결과에서 FP1의 반원의 크기가 가장 크고 TP의 반원의 크기가 가장 작게 나타났다. 그 결과 빛을 받아 여기된 전지가 투명 전도성 FTO 기판까지 이동하는 시간이 더 짧다는 것을 알 수 있다. TP는 FP1에 비해 IMPS의 최저점 주파수가 1.

후속연구

9×10^-4 cm²s^-1로 나타났다. D_n이 클수록 여기된 전자가 투명 전도성 FTO 기판까지의 전자의 확산이 용이하여 높은 광전변환효율 특성을 의미하므로 TP 로 제작한 염료감응 태양전지의 광전변환 효율이 가장 높을 것으로 기대한다.
따라서 FP1, FP2 및 FP3를 이용한 염료감응 태양전지의 FE-SEM 결과와 같이 TiO₂ 입자 간의 네트워크와 기판과의 분리 상태로 인해 전자의 흐름이 방해되는 것으로 판단된다. 그러므로 TTIP를 첨가한 염료감응 태양전지는 빛에 의해 여기되어 발생한 전자가 염료의 기저상태 또는 전해질의 산화/환원 준위로의 전자재결합 시간이 가장 길고 전자전달 시간이 짧으므로 전자가 투명 전도성 FTO 기판까지의 전자의 이동이 용이하여 전류밀도가 향상될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	염료감응 태양전지은 어떻게 구성되어 있는가?	염료감응 태양전지 (dye-sensitized solar cells, DSSCs)는 광합성 원리를 이용한 고효율 광전기화학적 태양전지이다. 염료감응 태양전지는 주로 염료가 흡착된 TiO2 산화물반도체를 이용한 광전극, 백금이 코팅된 상대전극 및 전해질로 구성되어 있다 [1,2].
	염료감응 태양전지란 무엇인가?	염료감응 태양전지 (dye-sensitized solar cells, DSSCs)는 광합성 원리를 이용한 고효율 광전기화학적 태양전지이다. 염료감응 태양전지는 주로 염료가 흡착된 TiO2 산화물반도체를 이용한 광전극, 백금이 코팅된 상대전극 및 전해질로 구성되어 있다 [1,2].
	DSSCs의 장점은 무엇이 있는가?	염료감응 태양전지는 제조면에서 기타 박막형 태양전지에 비해 제작이 간단하고 저가이다. 또한, 낮은 입사각도에서도 빛을 잘 흡수하여 태양광의 산란광이나 옥내 확산광도에서도 작동이 가능하여 빛의 이용률이 매우 우수하다 [3].

참고문헌 (11)

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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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