[논문]TiO2 Paste에 PEG 첨가에 따른 DSSC의 효율 특성

권성열; 양욱; 장자항

doi:10.4313/jkem.2014.27.11.746

TiO2 Paste에 PEG 첨가에 따른 DSSC의 효율 특성
DSSCs Efficiencies of PEG Additive In TiO2 Paste 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.27 no.11, 2014년, pp.746 - 752

권성열 (부경대학교 전기공학과) , 양욱 (부경대학교 전기공학과) , 장자항 (부경대학교 대학원 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Photo electrode is an important component of DSSC, so this paper did some research on it. Through the method of adding PEG additive into $TiO_2$ paste, the electrical characteristics and efficiencies of DSSCs with photo electrode surface area were studied. In the case of not adding PEG in $TiO_2$ paste, $26{\mu}m$ thickness $TiO_2$ photo electrode shows 5.081% efficiency. The highest short circuit current density was $10.476mA/cm2^$. The structure of porous $TiO_2$ film can be controlled through changing the PEG additive amount in $TiO_2$ paste and the molecular weight of PEG. When the additive amount of PEG 20,000 in $TiO_2$ paste reaches 5%, the peak efficiency with $26{\mu}m$ thickness $TiO_2$ photo electrode was 5.387% and its highest current density were $11.084mA/cm^2$.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

상대전극 제작 시 사용된 기판은 광전극 제작에서와 FTO glass를 사용하였다. FTO glass에 전해질 주입을 위한 주입구를 하였다. 광전극 제작에서와 같은 방식으로 세척된 FTO glass에 테이프 캐스팅하였다.
제작된 광전극과 상대전극 두 기판의 결합을 위해 surlyn film (Meltonix, Solaronix)을 광전극 기판의 활성영역 가장 자리에 위치시켜 고정하였다. Surlyn film이 고정된 광전극 기판 위에 상대전극 기판의 전해질 주입구의 위치가 surlyn film의 내부를 벗어나지 않도록 상대전극 기판을 정렬하여 클램프로 고정하였다. 고정된 두 기판을 hot plate 온도 120℃에서 3분 동안 가열하여 surlyn film과 두 기판을 결합하였다.
TiO₂ paste 제조 시 첨가된 PEG의 분자량과 첨가량에 따라 각각 제작된 DSSC를 solar cell test system(TES, PROVA-200-24, 1 kW)으로 측정하였다.
첨가된 PEG는 분자량에 따라 PEG 1,000, 2,000, 4,000, 6,000, 그리고 20,000을 사용하였다. TiO₂ paste에 PEG 첨가량은 TiO₂ paste 대비 각각 5%, 10%, 15%, 그리고 20%로 나누어 제조하였다. 첨가된 PEG를 충분히 분산시키기 위해 마노유발에 0.
TiO₂ powder를 분산시키기 위해 우선 1 g의 TiO₂ powder가 담긴 마노유발에 분산제인 아세트산과 D.I water를 각각 0.2 ml씩 넣어 5분 동안 섞는 과정을 다섯 차례 반복하였다. 그리고 0.
광전극 제작 전 기판을 아세톤,에탄올로 각각 5분 동안 초음파 세척하였다. 건조된 FTO glass 위에 70 ㎛ 테이프로 0.25 cm²의 활성영역을 제외한 부분에 테이프 캐스팅하였다. 이후 TiO₂ paste를 닥터 블레이드 방식으로 FTO glass에 도포하였다 [18-20].
고정된 두 기판을 hot plate 온도 120℃에서 3분 동안 가열하여 surlyn film과 두 기판을 결합하였다. 결합된 두 기판은 상온까지 냉각 후 주입구를 통해 전해질 (acetonitrile base electrolyte 0.1 M LiI, 0.6 M DMPII, 0.05 M I₂, 0.5 M TBP)을 주입하고 주입구를 밀봉하여 DSSC를 완성하였다. 그림 2에 DSSC의 제작 과정을 간략히 나타내었다.
paste를 제조하였다. 그리고 제조된 TiO₂ paste에 PEG (poly ethylene glycol)를 첨가한 방법을 통해 광전극의 표면에 기공을 생기시켜 일반적인 제작과 비교하였다. 또한, 기공률 제어를 위하여 다양한 PEG를 첨가하였다.
그리고 제조된 TiO₂ paste에 PEG (poly ethylene glycol)를 첨가한 방법을 통해 광전극의 표면에 기공을 생기시켜 일반적인 제작과 비교하였다. 또한, 기공률 제어를 위하여 다양한 PEG를 첨가하였다. 이후 PEG의 분자량과 첨가량에 따라 각각 제작된 광전극을 이용하여 DSSC를 제작 후 전기적 특성 및 효율을 측정 비교하였다.
본 실험에서는 PEG의 분자량과 첨가량을 각각 달리하여 제조된 TiO₂ paste로 제작된 DSSC의 전기적 특성 및 효율을 측정하고 비교하였다.
05 ml씩 넣고 1시간 동안 섞어 paste를 완성하였다 [17]. 이 과정에서 TiO₂ paste 제조 과정 중 재료의 이동에 따른 손실을 최소화하기 위해 마노 유발에서만 제조하였으며, 동일한 이유로 paste 제조 시 사용되는 sonicate, three-roller mill과 분산과정을 배제하였다.
또한, 기공률 제어를 위하여 다양한 PEG를 첨가하였다. 이후 PEG의 분자량과 첨가량에 따라 각각 제작된 광전극을 이용하여 DSSC를 제작 후 전기적 특성 및 효율을 측정 비교하였다.
이후 광전극의 표면에 기공을 생기시키기 위해 제조된 TiO₂ paste에 PEG를 첨가하였다. 첨가된 PEG는 분자량에 따라 PEG 1,000, 2,000, 4,000, 6,000, 그리고 20,000을 사용하였다.
광전극 제작에서와 같은 방식으로 세척된 FTO glass에 테이프 캐스팅하였다. 이후 닥터 블레이드 방식으로 Pt paste (Platisol T, Solaronix)를 도포하였다. 전기로에서 450℃의 온도로 10분 동안 소성한 후 기판을 전기로 내에서 상온까지 냉각시켜 Pt 상대전극을 제작하였다.
이후 닥터 블레이드 방식으로 Pt paste (Platisol T, Solaronix)를 도포하였다. 전기로에서 450℃의 온도로 10분 동안 소성한 후 기판을 전기로 내에서 상온까지 냉각시켜 Pt 상대전극을 제작하였다.
제작된 광전극과 상대전극 두 기판의 결합을 위해 surlyn film (Meltonix, Solaronix)을 광전극 기판의 활성영역 가장 자리에 위치시켜 고정하였다. Surlyn film이 고정된 광전극 기판 위에 상대전극 기판의 전해질 주입구의 위치가 surlyn film의 내부를 벗어나지 않도록 상대전극 기판을 정렬하여 클램프로 고정하였다.
제조된 TiO₂ paste에 PEG 20,000을 첨가하여 첨가량을 각각 5%, 10%, 15%, 그리고 20%로 제작된 TiO₂층의 표면과 PEG의 첨가량 5% 시 PEG 1,000, PEG 2,000, PEG 4,000, PEG 6,000, 그리고 PEG 20,000을 각각 첨가하여 제작된 TiO₂층의 표면을 광학현미경 (OLYMPUS, BX51M, 200배)으로 측정하였다. 그 결과를 그림 10에 나타내었다.
paste에 PEG를 첨가하였다. 첨가된 PEG는 분자량에 따라 PEG 1,000, 2,000, 4,000, 6,000, 그리고 20,000을 사용하였다. TiO₂ paste에 PEG 첨가량은 TiO₂ paste 대비 각각 5%, 10%, 15%, 그리고 20%로 나누어 제조하였다.

대상 데이터

DSSC의 광전극을 제작하기 위해 우선 TiO₂ paste를 제조하였다. TiO₂ paste 제조에는 25 nm 크기의 particle size를 가지는 TiO₂ nano powder(sigma-Aldrich)와 아세트산 (acetic acid, Samchun), 테르피네올 (terpineol, Sigma-Aldrich), 에틸 셀룰로즈(ethly cellulose, Sigma-Aldrich)가 사용되었다.
paste를 제조하였다. TiO₂ paste 제조에는 25 nm 크기의 particle size를 가지는 TiO₂ nano powder(sigma-Aldrich)와 아세트산 (acetic acid, Samchun), 테르피네올 (terpineol, Sigma-Aldrich), 에틸 셀룰로즈(ethly cellulose, Sigma-Aldrich)가 사용되었다.
광전극 제작에 사용된 기판은 FTO glass (TEC 8, thickness 2.2 mm, 20×20 mm, sheet resistance 8 Ω/口, Pilkington)이다.
상대전극 제작 시 사용된 기판은 광전극 제작에서와 FTO glass를 사용하였다. FTO glass에 전해질 주입을 위한 주입구를 하였다.
이 연구에서는 TiO2 nano powder (<25 nm particle size)를 이용하여 TiO2 paste를 제조하였다.

성능/효과

표 2에서 PEG 2,000을 5% 첨가하였을 때 가장 높은 효율이 측정되었으며 PEG 4,000, PEG 6,000, PEG 20,000의 측정 결과인 표 3, 표 4, 표 5에서도 각각 첨가량 5%에서 가장 높은 효율이 측정되었다. PEG 2,000, 4,000을 첨가한 측정 결과에서 PEG 1,000을 첨가한 측정 결과와 같이 첨가량 5%, 10%, 15%에서 PEG를 첨가하지 않은 결과와 비교하여 충진계수가 증가하였다. PEG 6,000, 20,000을 첨가한 측정 결과에서는 첨가량과 관계없이 PEG를 첨가하지 않은 결과보다 충진계수가 증가하였다.
PEG 2,000, 4,000을 첨가한 측정 결과에서 PEG 1,000을 첨가한 측정 결과와 같이 첨가량 5%, 10%, 15%에서 PEG를 첨가하지 않은 결과와 비교하여 충진계수가 증가하였다. PEG 6,000, 20,000을 첨가한 측정 결과에서는 첨가량과 관계없이 PEG를 첨가하지 않은 결과보다 충진계수가 증가하였다.
F) 계산식 식 (2)를 통해 다시 확인하였다. PEG의 첨가량 5%, 10%, 15%, 그리고 20% 중 첨가량 5%시 효율은 가장 높게 나타났으며 그 중 PEG 20,000 첨가량 5% 시 효율은 5.387%로 가장 높게 나타났다.
TiO₂ paste 제조 시 PEG 분자량에 따라 첨가량을 5%에서 20%까지 변화시켰을 때, 각 분자량에서 동일하게 첨가량 5%로 제작된 DSSC의 효율이 가장 높게 측정되었다. 또한, 첨가량 5%시 첨가된 PEG 분자량이 1,000에서 20,000까지 증가함에 따라 효율이 증가됨을 확인하였다.
또한, 첨가량 5%시 첨가된 PEG 분자량이 1,000에서 20,000까지 증가함에 따라 효율이 증가됨을 확인하였다. 결과 TiO₂ paste에 PEG 20,000을 5% 첨가하여 제작된 TiO₂ 광전극 두께 26 ㎛에서 가장 높은 효율 5.387%을 나타내었다.
paste 제조 시 PEG 분자량에 따라 첨가량을 5%에서 20%까지 변화시켰을 때, 각 분자량에서 동일하게 첨가량 5%로 제작된 DSSC의 효율이 가장 높게 측정되었다. 또한, 첨가량 5%시 첨가된 PEG 분자량이 1,000에서 20,000까지 증가함에 따라 효율이 증가됨을 확인하였다. 결과 TiO₂ paste에 PEG 20,000을 5% 첨가하여 제작된 TiO₂ 광전극 두께 26 ㎛에서 가장 높은 효율 5.
실험 결과를 통해 PEG 첨가량 5%에서 20%까지 증가함에 따라 TiO₂층 표면에 기공의 크기가 증가하지만 단위 면적에서 TiO₂의 양이 감소하였다. 그 결과 표 6에서 PEG 첨가량 5%에서 20%까지 증가함에 따라 DSSC의 개방전압과 단락전류밀도가 감소하여 그로 인해 효율이 감소한 것으로 나타났다 [22].
762 V로 가장 높게 측정되었지만 PEG를 첨가하였을 경우 개방전압과 비교하여 상대적으로 높은 최대전압 값을 나타나고 있다. 이러한 결과로 인해 PEG를 첨가하지 않았을 때와 비교하여 PEG를 첨가하였을 때 충진계수가 증가한 것으로 보이며, 효율이 영향을 미친 것으로 보인다.
표 2에서 PEG 2,000을 5% 첨가하였을 때 가장 높은 효율이 측정되었으며 PEG 4,000, PEG 6,000, PEG 20,000의 측정 결과인 표 3, 표 4, 표 5에서도 각각 첨가량 5%에서 가장 높은 효율이 측정되었다. PEG 2,000, 4,000을 첨가한 측정 결과에서 PEG 1,000을 첨가한 측정 결과와 같이 첨가량 5%, 10%, 15%에서 PEG를 첨가하지 않은 결과와 비교하여 충진계수가 증가하였다.
표 6에서 PEG 20,000 5% 첨가 시 가장 높은 효율이 측정되었으며 첨가된 PEG 분자량이 증가됨에 따라 개방전압과 단락전류 밀도의 증가를 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	염료감응형 태양전지는 Si계 태양전지와 비교하여 어떤 장점을 가지고 있는가?	1991년 스위스 로잔공대의 미카엘 그라첼 연구팀이 염료감응형 태양전지 (dye sensitized solar cell, DSSC)에 대한 발표를 하였다 [1]. DSSC는 Si계 태양전지와 비교하여 약한 광과 산란광에서도 상대적으로 높은 효율을 보이며, 저렴한 제조 비용과 친환경적이라는 장점을 가지고 있다 [2].
	DSSC는 무엇인가?	DSSC는 식물의 광합성 원리를 이용하여 나노소재로 제작된 태양전지이다. 반도체 산화물에 흡착된 염료분자가 태양광을 흡수하여 산화환원 작용을 통해 전기 에너지로 변환하게 된다.
	DSSC는 어떻게 구성되어 있는가?	DSSC는 반도체 산화물에 염료 (dye)를 흡착한 광전극 (photo electrode), 상대전극 (counter electrode), 그리고 전해질 (electrolyte)로 구성된다 [3-5]. DSSC의 광전극은 광전변환에서 중요한 역할을 수행하며, 사용되는 재료로는 TiO2, ZnO, SnO2와 같은 넓은 에너지 밴드 갭 (band gap)을 가지는 n형 전이금속 산화물이 사용된다.

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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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