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.
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.
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.
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.
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.
이론/모형
DSSC의 전류-전압 특성 및 Fill Factor, 효율을 측정하기 위해서 Solar simulator(정남시스템, Model XES-301S)를 사용하였다. 조사된 빛의 세기는AM 1.
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.
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
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.
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.
[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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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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