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문제 정의
- 본 실험에서는 수열합성법으로 제조한 아나타제 TiO2를 이용하여 분산성이 우수한 간소화된 제조 방법을 통하여 염료감응 태양전지의 광전극에 적용하였으며, 광화학적·전기화학적 분석을 통하여 광전변환효율 향상의 원인을 규명하고 하고자 하였다.
제안 방법
- 페이스트 제조 방법을 나타내었다. Process I은 수열합성법으로 TiO2 페이스트를 제조하는 통상적인 방법이고 [8], process II는 process I과 같은 여러 단계의 과정을 줄이고 TiO2 분자들 사이의 분산 특성을 향상하여 염료감응 태양전지의 효율을 높이고자 TiO2 졸에서 바로 페이스트화 하는 방법을 개발하였다. 두 가지 process에서 수열합성하여 TiO2 졸을 얻는 공정은 동일하다.
- 광전극의 두께를 조절하였다. TiO2 두께를 조절하기 위하여 각각 1, 2 및 3층으로 광전극을 제조하였다.
- 광전극의 결정상은 X-선 회절분석기 (X-ray diffractometer, XRD, Rigaku, Japan)으로 분석하였으며, 광전극 표면 형상을 확인하기 위하여 FE-SEM (field emission scanning electron microscope, S4800, Japan)을 측정하였다. 광전극의 투과도는 (UV-Vis spectroscopy, JP/U-3000, Japan)으로 분석하였다.
- 단위 셀의 내부 저항은 AC 임피던스 (ZAHNER IM6, Germany)를 사용하여 0.1∼105 Hz의 주파수 영역에서 5 mV의 진폭으로 측정하였으며, 전류-전압 특성은 150 W Xenon 램프와 AM 1.5 필터가 장착된 솔라 시뮬레이터 시스템 (solar simulator system, Polaronix K201, McScience, Korea)로 측정하였다.
- 또한, HDP 페이스트의 높은 투과도와 TiO2 입자 간의 원활한 네트워크를 기반으로 TiO2 광전극의 두께를 조절하였다. TiO2 두께를 조절하기 위하여 각각 1, 2 및 3층으로 광전극을 제조하였다.
- 본 실험에서 수열합성법으로 제조한 TiO2 분말의 결정구조를 XRD로 분석하였다.
- 본 실험에서는 수열합성법을 통하여 순수한 아나타제 TiO2 합성으로부터 TiO2 페이스트 제조하기까지의 공정을 간소화하였다. Process 1 제조공정에 비해 수열합성한 TiO2 졸을 직접 페이스트화하여 진공건조 단계 없이 공정을 간소화하였으며, 이를 염료감응 태양전지 광전극에 적용한 결과, 광전변환효율을 향상시켰다.
- 상대전극은 백금 촉매 졸 (Pt catalysts sol, Solaronix, Switzerland)을 광전극 제작 시 사용한 squeeze-plating 방법으로 코팅하여 450℃에서 30분간 열처리하여 제작하였다.
- 1μm로 나타났다. 세 가지 광전극 모두 일정한 두께로 코팅이 되었으며, 제조된 광전극을 사용하여 광전류전압 특성을 분석하였다.
- 수열합성 방법에 의해 제조된 TiO2 광전극의 결정상은 X-선 회절분석기 (X-ray diffractometer, XRD, Rigaku, Japan)으로 분석하였으며, 광전극 표면 형상을 확인하기 위하여 FE-SEM (field emission scanning electron microscope, S4800, Japan)을 측정하였다. 광전극의 투과도는 (UV-Vis spectroscopy, JP/U-3000, Japan)으로 분석하였다.
- 염료감응 태양전지의 전하수송 능력은 IMPS와 IMVS (Intensity-modulated photocurrent/voltage spectroscopy, Ivium Technologies, Netherlands)로 측정하여 계산하였다 [9].
대상 데이터
- 광전극과 상대전극은 샌드위치 모양으로 조립하였고, 그 사이에 전해질 (Iodine, 99.999%, Aldrich) 용액을 주입하여 염료감응 태양전지 단위 셀을 제작하였다.
- 두 가지 process에서 수열합성하여 TiO2 졸을 얻는 공정은 동일하다. 우선 출발물질인 TTIP (titanium (Ⅳ) isopropoxide, 99%, JUNSEI), 증류수, 암모니아수 (NH4OH, 98%, aldrich)를 40℃에서 2시간 동안 교반하였다. 그 다음 혼합액을 200℃에서 1시간 동안 고온고압 반응기를 사용하여 수열합성을 하였으며, 수열합성이 끝난 후 용액은 pH= 7까지 세척한 후 원심분리하여 샘플을 얻었다 (process 1-4).
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2.2 염료감응 태양전지 제작
제조된 두 가지 TiO2 페이스트는 squeezeplating 방법에 의하여 세척된 투명전도성 FTO(fluorine-doped tin oxide, 8 Ω㎠, Pilkington) 기판에 0.25 ㎠의 크기로 코팅하여 450℃에서 30분 동안 열처리하여 TiO2 박막을 얻었으며, N719 염료용액에 5시간 흡착하여 광전극을 제작하였다. TiO2 코팅을 1층 할 경우 각각 HP-1, HDP-1로 명명하였으며 process II의 방법으로 2, 3층으로 코팅할 경우 각각 HDP-2, HDP-3으로 명명하였다.
이론/모형
- 1. XRD patterns of prepared TiO2 using hydrothermal method.
성능/효과
- 페이스트 제조하기까지의 공정을 간소화하였다. Process 1 제조공정에 비해 수열합성한 TiO2 졸을 직접 페이스트화하여 진공건조 단계 없이 공정을 간소화하였으며, 이를 염료감응 태양전지 광전극에 적용한 결과, 광전변환효율을 향상시켰다. HP-1 전극 효율 5.
- TiO2 층을 1층으로 코팅할 경우 두 개의 전극 두께는 모두 6.4 μm로 동일하나 투과도를 보면 HDP-1가 HP-1에 비해 투과율이 높음을 알 수 있었다.
- 광전극의 두께가 너무 클 경우, 전자전달시간이 길고, 전하수집효율에 영향을 주어 결과적으로 광전류밀도를 감소시킨다. 따라서 HDP 페이스트를 이용하여 광전극을 제조할 경우 HDP-2 전극에서 가장 높은 광전변환효율 6.80%에 도달하였으며, 이는 HP-1 전극 5.34%에 비해 27.34% 증가하였다.
- 또한, HDP-2 전극의 경우 Voc, Jsc, FF 및 η은 각각 0.695 V, 15.81 mAcm-2, 61.48% 및 6.80%로 가장 높았으며 HP-1 전극 5.34%에 비해 27.34% 향상되었다.
- 그러나 process II의 방법에 따르면 건조 단계와 볼밀 과정 없이 TiO2 졸을 사용하여 직접 페이스트를 제조함으로써 물 분자에 의해 TiO2 입자들 간의 응집을 줄여 균일하고 우수한 분산 특성을 갖는 TiO2 광전극을 제조할 수 있었다. 또한, 분산 특성이 우수하여 TiO2 광전극의 투과도도 우수할 것으로 판단된다.
- 또한, 전자확산거리와 전자재결합시간을 이용하여 전자확산거리를 구한 결과, HP-1의 경우 18.02 μm 나타났으며, HDP-1의 경우 20.35 μm로 나타났다.
- 즉, HDP-1 전극은 진공 건조단계 없이, TiO2 졸에서 직접 페이스트를 만들어 TiO2 입자들 간의 분산 특성이 우수하여, TiO2 입자 사이의 원활한 네트워크로 전하의 이동이 빨라졌으며, 이는 위의 전하수송능력을 통하여 설명하였다.
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