[논문]염료 감응형 태양전지에서 시간의 경과에 따른 셀의 특성 저하 연구

서현우; 김기수; 백현덕; 김동민

doi:10.7316/khnes.2013.24.5.421

염료 감응형 태양전지에서 시간의 경과에 따른 셀의 특성 저하 연구
Time Dependent Degradation of Cell in Dye-Sensitized Solar Cell 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.24 no.5, 2013년, pp.421 - 427

서현우 (홍익대학교 재료공학부) , 김기수 (홍익대학교 재료공학부) , 백현덕 (홍익대학교 재료공학부) , 김동민 (홍익대학교 재료공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

We report on the time dependent degradation of cell in dye-sensitized solar cells (DSSC). The photovoltaic performance of DSSC over a period of time was investigated in liquid electrolyte based on triiodide/iodide during six days. It was found that the short circuit current density ($j_{sc}$) of the cell dropped from 9.9 to $7mA/cm^2$ while efficiency (${\eta}$) of the cell decreased from 4.4 to 3.3%. The parameters corresponding to fundamental electronic and ionic processes in a working DSSC are determined from the electrochemical impedance spectrascopy (EIS) at open-circuit potential ($V_{oc}$). EIS study of the DSSC in the this work showed that the electron life time ${\tau}_r$ and chemical capacitance $C_{\mu}$ decreased significantly after six days. It was correlated the $j_{sc}$ and efficiency decreased after six days.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 전형적인 DSSC의 제조 후 시간에 경과에 따른 j-V 커브와 EIS 변화를 분석해 보았다. 셀 내부의 활동에 대한 이해는 성능 저하를 이해하는데 있어 매우 중요한 점이다.
본 연구에서는 태양 전지 셀의 제조 후 시간의 경과에 따른 안정성과 성능의 변화를 보고자 하였다. 셀 제조 후 6일 후까지의 j-V 커브를 측정하여 V_oc(open circuit voltage), j_sc(short circuit current), Fill Factor(ff) 및 효율을 비교하고, Electrochemical Impeadance Spectroscopy(EIS) 데이터 분석을 통해 시간의 경과에 따른 셀 내부에서 일어나는 물리화학적 변화를 분석하였다.

가설 설정

3) 시간이 흐름에 따라 Cμ값이 감소한다.

제안 방법

j-V 커브는 potentiostat (IviumStat, Ivium Technologies, NL)을 이용하여 측정되었다. EIS 데이터 또한 같은 potentiostat을 이용하여 측정되었으며, 측정은 100kHz에서 100mHz의 진동수 영역에서 주파수를 변화시키며 측정되었다. 셀의 측정된 EIS 데이터는 적절한 등가 회로로 Zview software (version 3.
셀 내부의 활동에 대한 이해는 성능 저하를 이해하는데 있어 매우 중요한 점이다. j-V 통해 효율의 변화와 EIS 분석을 통해 셀 내부의 저항 변수들의 변화를 고찰하였다. 그 결과는 다음과 같이 설명할 수 있다.
2mm, pilkington)을 사용하였다. 가장 먼저 FTO glass의 유기물을 제거하기 위하여 Triton X-100(Samjun chemical), DI water, Ethanol을 이용하여 각각 20분씩 초음파 세척하였고, 세척 후 질소 가스를 이용하여 건조하였다. 세척이 끝난 FTO glass 위에 screen-printer(AMX-1240M, Automax)를 이용하여 TiO₂ paste를 코팅하였다.
FTO glass에 드릴을 이용하여 두 개의 구멍을 뚫었다. 구멍을 뚫은 유리를 광 전극 세척방법과 동일하게 Triton X-100, DI water, Ethanol을 이용하여 각각 20분씩 초음파 세척하고 질소 가스로 건조하였다. 건조 후 FTO glass 위에 spin-coater(ACE-200, DONG AH Trade CORP.
EIS는 작동하는 DSSC의 근본적인 전자, 이온 과정에 대응하는 변수를 알아내는데 아주 유용한 도구로 폭넓게 쓰인다. 본 실험에서는 6일 동안 셀의 EIS 변화를 비교, 분석했다. Fig.
본 연구에서는 광 전극으로 TiO₂를 이용하고 I^-/I₃^- redox couple 바탕의 전해질을 이용하여 염료 감응형 태양전지 셀을 제작하였으며, Fig. 3은 측정 직전의 완성된 셀의 모습을 보여준다.
가장 먼저 FTO glass의 유기물을 제거하기 위하여 Triton X-100(Samjun chemical), DI water, Ethanol을 이용하여 각각 20분씩 초음파 세척하였고, 세척 후 질소 가스를 이용하여 건조하였다. 세척이 끝난 FTO glass 위에 screen-printer(AMX-1240M, Automax)를 이용하여 TiO₂ paste를 코팅하였다. 광 전극의 코팅 면적은 0.
본 연구에서는 태양 전지 셀의 제조 후 시간의 경과에 따른 안정성과 성능의 변화를 보고자 하였다. 셀 제조 후 6일 후까지의 j-V 커브를 측정하여 V_oc(open circuit voltage), j_sc(short circuit current), Fill Factor(ff) 및 효율을 비교하고, Electrochemical Impeadance Spectroscopy(EIS) 데이터 분석을 통해 시간의 경과에 따른 셀 내부에서 일어나는 물리화학적 변화를 분석하였다.
염료가 흡착된 광 전극과 Pt가 코팅 된 상대 전극 사이에 Surlyn (60㎛, Solaronix)을 이용하여 접합하여 샌드위치 형태로 조립하였다. 셀의 접합은 Hot-press (QM900M, Qmesys)를 이용하여 80℃에서 Surlyn을 녹이며 압력을 가해주어 접합하였다.
전해액 투입 후 주입 부위의 누액을 방지하기 위해 투명 테이프로 상대 전극의 두 구멍을 막았다. 완성된 셀을 암실에서 1시간 보관 후 j-V 곡선과 EIS를 측정하였다. 측정을 마친 셀은 암실에서 보관, 유지하였으며 셀을 만든후 1일, 2일, 3일, 6일 후 꺼내어 측정하였다.
5M 4tert-butylpyridine (Sigma aldrich)의 농도로 첨가하여 제조하였다. 전해액 투입 후 주입 부위의 누액을 방지하기 위해 투명 테이프로 상대 전극의 두 구멍을 막았다. 완성된 셀을 암실에서 1시간 보관 후 j-V 곡선과 EIS를 측정하였다.
완성된 셀을 암실에서 1시간 보관 후 j-V 곡선과 EIS를 측정하였다. 측정을 마친 셀은 암실에서 보관, 유지하였으며 셀을 만든후 1일, 2일, 3일, 6일 후 꺼내어 측정하였다.
접합 후 상대 전극에 뚫려 있는 구멍을 통해 전해액을 투입하였다. 투입한 전해액은 Acetonitrile, Valeronitrile (Alfa aesar)를 85:15(v/v) 비율로 혼합한 용매에 각각 0.6M 1- butyl-3-methylimidazolium iodide (BMII, Sigma aldrich), 0.03M I₂ (Sigma aldrich), 0.1M Guanidinium thiocyanate (Alfa aesar), 0.5M 4tert-butylpyridine (Sigma aldrich)의 농도로 첨가하여 제조하였다. 전해액 투입 후 주입 부위의 누액을 방지하기 위해 투명 테이프로 상대 전극의 두 구멍을 막았다.

대상 데이터

광 전극에 사용되는 투명 전도성 기판은 FTO glass (F-doped Tin Oxide, 8Ω/□, 2.2mm, pilkington)을 사용하였다. 가장 먼저 FTO glass의 유기물을 제거하기 위하여 Triton X-100(Samjun chemical), DI water, Ethanol을 이용하여 각각 20분씩 초음파 세척하였고, 세척 후 질소 가스를 이용하여 건조하였다.
광 전극의 코팅 면적은 0.25cm2 이고 TiO2 paste는 E&B Korea에서 TTP-20N 제품을 구매하여 사용하였다.
상대 전극을 만들기 위해 광전극을 만들 때 사용되었던 동일한 FTO glass가 사용되었다. FTO glass에 드릴을 이용하여 두 개의 구멍을 뚫었다.

성능/효과

1) 셀 제작 후 시간이 흐를수록 셀의 j_sc 값은 감소하며, V_oc 값은 일정 값까지 아주 천천히 증가하는 경향성을 띈다. 즉, 시간에 따라 효율은 점점 감소한다.
2) 시간이 흐름에 따라 R_r값과 R_t값은 증가한다. 그러나 TiO₂ 광 전극 층에서의 전자의 재결합과 관련이 있는 R_r값의 증가 폭보다 전자의 이동과 관련 있는 R_t값의 증가 폭이 훨씬 크다는 것을 알 수 있다.
1%로 감소했으며, fill factor (ff)는 거의 같았다. 전체적인 결과 값을 보면 시간이 지남에 따라 셀의 j_sc값은 점점 감소하는 경향성을 보이며 V_oc값은 아주 작은 증가를 보인다. j_sc값의 감소로 효율 또한 감소하는 경향을 보여 6일 후에는 3.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	염료 감응형 태양전지가 기존의 태양전지와 다른 점은 무엇인가?	염료 감응형 태양전지는 Fig.1에서 나타낸 구조로 이루어져 있으며, 식물의 광합성 원리를 응용한 전지로서 기존의 태양전지의 원리와는 달리 태양에너지의 흡수 과정은 염료에서, 전하의 이동은 전자의 형태로 반도체에서 담당한다는 차이점이 있다.
	실리콘 반도체 태양전지를 보완하기 위해 제작한 II-IV화합물계 태양전지의 장점과 문제점은 무엇인가?	III-V화합물계 태양전지는 현재 태양전지 중 가장 높은 효율을 기록하였다. 또 II-IV화합물계 태양전지는 제조 공정이 단순하여 기존의 태양 전지의 문제점으로 지적받던 생산 단가를 절감할 수 있는 기대를 받았지만, 제조 공정 중 유해물질이 사용되기 때문에 논란이 끊이질 않고 있다9,10). 최근 청정에너지 측면에서 이러한 문제점을 보완하기 위해 유기 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다.
	실리콘 반도체 태양전지의 단점은 무엇인가?	광전 기술 및 사업규모는 2000년 이후로 매년 높은 신장률을 보이며 급속한 성장을 하고 있다7) . 하지만 실리콘 반도체 태양전지는 대량 생산에 적합하지 않은 특수한 공정이 이용되고 원재료 생산단가가 비싸기 때문에 화석에너지, 원자력에너지에 비해 비효율적이라는 분석이 나오고 있다. 이를 보완하기 위해 다결정, 비정질, 박막 형 실리콘 태양전지가 개발되었으나, 이들의 현재 최고 효율은 단결정 실리콘 계열에 비해 낮은 것으로 알려져 있다8) .

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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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