[국내논문]TiO2 두께 및 소성온도에 따른 염료감응 태양전지 특성에 관한 연구 A Study on the Characteristics of Dye Sensitized Solar Cells with TiO2 Thickness and Sintering Temperature원문보기
In this thesis, it is investigated the characteristics of Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) according to variation of $TiO_2$ thickness (6, 12, 18, and $24{\mu}m$) and three distinct $TiO_2$ sintering temperatures (350, 450 and $550^{\circ}C$) by XRD, SEM, ...
In this thesis, it is investigated the characteristics of Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) according to variation of $TiO_2$ thickness (6, 12, 18, and $24{\mu}m$) and three distinct $TiO_2$ sintering temperatures (350, 450 and $550^{\circ}C$) by XRD, SEM, I-V and UV-Vis spectrophotometer. According to sintering temperature, $TiO_2$ was transformed into the anatase structure at $350^{\circ}C$, rutile structure at $550^{\circ}C$ and further into the two structure at $450^{\circ}C$. With increasing thickness up to $18{\mu}m$ and sintering temperature up to $450^{\circ}C$, respectively, the irradiance rate increased in the range of 9~26 percent and 2.80~5.10 percent. Whereas a further increase to $24{\mu}m$ and $550^{\circ}C$, the irradiance rate decrease in the range of 4~11 percent and 30~47 percent. The conversion efficiency increased in the range of 2.80~5.01 and 3.03~5.01 with increasing thickness up to $18{\mu}m$ and sintering temperature up to $450^{\circ}C$. By contrast, increase to $24{\mu}m$ and $550^{\circ}C$, the conversion efficiency decreased in the range of 3.31~5.01 and 2.80~3.89, respectively. The DSSC that thickness of $TiO_2$ were $18{\mu}m$ and sintered at $450^{\circ}C$ exhibited the most excellent characteristics, in which open-circuit voltage, short-circuit current, Fill Factor and conversion efficiency are 0.69 V, $11.4mA/cm^2$, 0.64 and 5.01%, respectively.
In this thesis, it is investigated the characteristics of Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) according to variation of $TiO_2$ thickness (6, 12, 18, and $24{\mu}m$) and three distinct $TiO_2$ sintering temperatures (350, 450 and $550^{\circ}C$) by XRD, SEM, I-V and UV-Vis spectrophotometer. According to sintering temperature, $TiO_2$ was transformed into the anatase structure at $350^{\circ}C$, rutile structure at $550^{\circ}C$ and further into the two structure at $450^{\circ}C$. With increasing thickness up to $18{\mu}m$ and sintering temperature up to $450^{\circ}C$, respectively, the irradiance rate increased in the range of 9~26 percent and 2.80~5.10 percent. Whereas a further increase to $24{\mu}m$ and $550^{\circ}C$, the irradiance rate decrease in the range of 4~11 percent and 30~47 percent. The conversion efficiency increased in the range of 2.80~5.01 and 3.03~5.01 with increasing thickness up to $18{\mu}m$ and sintering temperature up to $450^{\circ}C$. By contrast, increase to $24{\mu}m$ and $550^{\circ}C$, the conversion efficiency decreased in the range of 3.31~5.01 and 2.80~3.89, respectively. The DSSC that thickness of $TiO_2$ were $18{\mu}m$ and sintered at $450^{\circ}C$ exhibited the most excellent characteristics, in which open-circuit voltage, short-circuit current, Fill Factor and conversion efficiency are 0.69 V, $11.4mA/cm^2$, 0.64 and 5.01%, respectively.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 TiO2의 두께(6, 12, 18, 24 ㎛)와 소성온도(350, 450, 550℃)의 변화에 따라 XRD, SEM을 이용하여 미세구조를 분석하였으며, 흡광량(UV-Vis) 및 전류전압(I-V) 특성을 분석하여 DSSC의 전기화학적 특성을 조사해 보았다.
제안 방법
광전극을 제작하기 위한 첫 번째 단계로 1.5 × 2 ㎝ 크기의 TCO Glass를 2-Propanol, Acetonitrile, 에탄올, 증류수 순서로 각각 10 분씩 세척하였다.
세척된 기판은 건조 후 TiO2 페이스트를 Doctor Blade Method를 이용하여 0.25 cm2의 크기로 두께를 6∼24 ㎛까지 변화시켜 도포하였으며, 도포된 TiO2는 350, 450, 550℃의 온도에서 30 분간 소성한 후, 햇빛이 차단된 공간에서 24 시간 동안 염료를 흡착시켰다.
DSSC의 전류-전압 특성 및 Fill Factor, 효율을 측정하기 위해서 Solar simulator(정남시스템, Model XES-301S)를 사용하였다. 조사된 빛의 세기는AM 1.5 필터가 내장된 300 W Xenon Lamp를 사용하여 100 ㎽/㎠ 이며, 측정을 위해서 디지털 소스미터(Keithley Instruments Inc, Model 2400)의 장비를 Solar simulator에 연결하여 측정하였다. 이렇게 연결된 장비들은 Keithley 사에서 제공하는 24XX basic source meter-solar spectrum 프로그램을 이용하여 제작된 DSSC의 개방전압, 단락전류, Fill Factor, 변환효율 등을 확인하였다.
5 필터가 내장된 300 W Xenon Lamp를 사용하여 100 ㎽/㎠ 이며, 측정을 위해서 디지털 소스미터(Keithley Instruments Inc, Model 2400)의 장비를 Solar simulator에 연결하여 측정하였다. 이렇게 연결된 장비들은 Keithley 사에서 제공하는 24XX basic source meter-solar spectrum 프로그램을 이용하여 제작된 DSSC의 개방전압, 단락전류, Fill Factor, 변환효율 등을 확인하였다.
본 논문에서는 TiO2 두께(6, 12, 18, 24 ㎛) 및 소성온도(350, 450, 550℃)에 따라 제작된 염료감응 태양전지의 XRD, SEM, UV-Vis, I-V 특성들을 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다. TiO2의 소성온도에 따라 350℃에서는 아나타제 구조가 생성되었다.
이론/모형
이러한 TiO2는 입자크기와 결정구조에 따라 태양전지 효율에 직접적인 영향을 미치게 된다. TiO2의 결정 구조 및 입자크기는 X-Ray Diffraction을 이용하여 측정하였으며, Scherrer 식을 이용하여 계산이 가능하다. Scherrer 식은 다음과 같다.
DSSC의 전류-전압 특성 및 Fill Factor, 효율을 측정하기 위해서 Solar simulator(정남시스템, Model XES-301S)를 사용하였다. 조사된 빛의 세기는AM 1.
자외선-가시광선 분광광도계(UltraViolet - Visible spectrophotometer, UV-Vis) 측정 장비는 Varian, Model은 Cary-5를 사용하였다. UV-Vis는 원자나 분자가 외부에서 에너지를 받으면 에너지의 크기에 따라 그 현상이 달라진다.
성능/효과
[4] 450℃의 소성온도에서는 그림에서와 같이 25°의 회절각에서 대부분의 피크가 나타났지만, 27.5°의 회절각 에서도 약간의 피크가 존재하므로 아나타제 구조와 루타일 구조가 동시에 존재하는 것을 확인할 수 있다.
전체적인 흡광량 변화의 경우 소성온도가 350℃에서 450℃까지 증가함에 따라 약 5∼12% 정도 증가하다가 550℃까지 소성온도가 높아지면 약 30∼47% 정도 감소하였다.
의 소성온도가 350, 450, 550℃에서의 입자 모양을 나타낸 FE-SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지이다. 실제 SEM 이미지를 확인한 결과 350℃의 소성온도에서 가장 조밀한 입자가 생성되었다. 이는 XRD 결과에서 확인한 바와 같이 약 22.
그러나 TiO2 두께가 24 ㎛까지 두꺼워지면 염료 흡착이 불균일하게 되고 광이 투과되는 깊이를 넘게 되어 이용할 수 있는 광이 줄어들기 때문이다. 소성온도 변화에 따른 흡광량의 변화를 살펴보면 아나타제 구조와 루타일 구조가 혼합된 450℃에서 흡광량이 가장 높았으며 아나타제 구조를 가지는 350℃와 루타일 구조를 가지는 550℃의 순서로 흡광량의 차이가 나타났다. 전체적인 흡광량 변화의 경우 소성온도가 350℃에서 450℃까지 증가함에 따라 약 5∼12% 정도 증가하다가 550℃까지 소성온도가 높아지면 약 30∼47% 정도 감소하였다.
이러한 결과는 아나타제 구조가 루타일 구조에 비하여 조밀하게 생성되어 표면적이 넓어져 염료를 더욱 많이 흡착할 수 있기 때문이다. 또한, 450℃의 소성온도에서는 350℃에 비하여 비교적 조밀하지 못한 구조를 가지고 있지만 아나타제 구조와 루타일 구조를 모두 가지고 있기 때문에 전자의 생성 및 전달이 용이하고 빛의 산란이 효율적이므로 높은 흡광량이 나타나게 되었다.
소성온도 변화에 따른 DSSC의 I-V 특성을 살펴보면 개방전압의 경우 두께 변화와 마찬가지로 모든 온도에서 비슷한 결과가 나타났으며, 단락전류의 경우 350℃에서 450℃까지 소성온도가 증가할 경우 약 25∼34% 까지 증가하였으나, 550℃까지 소성온도가 증가하게 되면 오히려 단락전류가 약 21∼39% 까지 감소하였다.
변환효율은 두께가 18 ㎛, 소성온도가 450℃까지 증가함에 따라 전자 생성이 용이하게 되어 각각 2.80∼5.01, 3.03∼5.01 범위에서 증가하였으나, 24 ㎛의 두께와 550℃의 소성온도에서는 3.31∼5.01, 2.80∼3.89 범위에서 감소하였다.
89 범위에서 감소하였다. TiO2의 소성온도가 450℃이고, 도포 두께가 18 ㎛인 조건에서 제작된 DSSC가 개방전압 0.69 V, 단락전류 11.4 ㎃/㎠, FF 0.64, 변환효율 5.01%로 가장 우수한 특성을 나타내었다. 결론적으로 TiO2의 두께 및 소성온도는 염료감응 태양전지 특성에 중요하게 영향을 미쳤으며, 적절한 두께 및 소성온도 선택은 염료감응 태양전지 흡광량 및 변환효율을 개선시키는 것으로 나타났다.
01%로 가장 우수한 특성을 나타내었다. 결론적으로 TiO2의 두께 및 소성온도는 염료감응 태양전지 특성에 중요하게 영향을 미쳤으며, 적절한 두께 및 소성온도 선택은 염료감응 태양전지 흡광량 및 변환효율을 개선시키는 것으로 나타났다.
TiO2 두께 변화에 따른 I-V 특성을 살펴보면, 개방전압은 두께와 관계없이 거의 일정한 것을 확인할 수 있고, 단락전류의 경우 TiO2 두께가 6 ㎛에서 18 ㎛까지 증가하면 약 24∼34% 정도 증가한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
염료감응 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)란 무엇인가?
[1] 현재까지는 20% 이상의 높은 에너지 변환효율을 가지는 실리콘 태양전지가 가장 많이 사용되고 있지만, 원재료인 폴리실리콘의 수급 불균형으로 인한 모듈 가격의 상승과 복잡한 제조공정 등의 문제로 인하여 이를 대체할 차세대 태양전지의 개발 및 보급이 필요한 상황이다. 이에 대안으로 주목받는 것이 Michael Gratzel 교수가 1991년 TiO2 반도체 박막에 광감응 재료인 Ru(II) 계열의 착화합물을 흡착시켜 만든 염료감응 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)이다.
신재생 에너지가 주목받고 있는 배경은 무엇인가?
현재 에너지원으로 가장 많이 사용되는 화석연료는 한정 된 매장량 및 연료 사용 시 발생되는 환경오염 등의 문제를 가지고 있다. 화석연료의 문제를 해결하기 위한 방안으로 신재생 에너지가 주목받고 있으며, 이미 선진국에서는 국가적인 차원에서 투자 및 연구가 활발하게 진행 중이다.
실리콘 태양전지의 사용이 가장 많지만 현재 겪고 있는 문제는?
화석연료의 문제를 해결하기 위한 방안으로 신재생 에너지가 주목받고 있으며, 이미 선진국에서는 국가적인 차원에서 투자 및 연구가 활발하게 진행 중이다.[1] 현재까지는 20% 이상의 높은 에너지 변환효율을 가지는 실리콘 태양전지가 가장 많이 사용되고 있지만, 원재료인 폴리실리콘의 수급 불균형으로 인한 모듈 가격의 상승과 복잡한 제조공정 등의 문제로 인하여 이를 대체할 차세대 태양전지의 개발 및 보급이 필요한 상황이다. 이에 대안으로 주목받는 것이 Michael Gratzel 교수가 1991년 TiO2 반도체 박막에 광감응 재료인 Ru(II) 계열의 착화합물을 흡착시켜 만든 염료감응 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)이다.
참고문헌 (5)
"Reviews and Prospects of Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) (2009-2013)," Displaybank Co., Ltd p. 90 (2009).
Min-Jae Ko, Nam-Kyu Park, "High Efficiency Dye-Sensitized Solar Cells", KIC news, 11, p. 3 (2008).
O'regan. B and M. Gratzel, "A low-cost, high - efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal $TiO_2$ films," Nature., 353, pp. 737-740 (1991).
C. Y. Huang, Y. C. Hsu, J. G. Chen, V. Suryanarayanan, K. M. Lee and K. C. Ho, "The effect of hydrothermal temperature and thickness of $TiO_2$ film on the performance of a dye-sensitized solar cell," Sol. Energy Mater. Sol. Cells., 90, pp. 2397-2397 (2006).
N. G. Park, J. Lagemaat, and A. J. Frank, "Comparison of dye-sensitized rutile and anatase based TiO2 solar cells," J. Phys. Chem B., 104, pp. 8989-8994 (2000).
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