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문제 정의
- 본 연구에서는 불투명한 Ti 금속 전극의 제한적인 빛 흡수를 개선하고자 소다라임 글라스에 TiO2를 코팅 하고 Ti 금속을 전자-빔 증착장비를 이용하여 증착시켜 lift-off 공정을 진행하였고 홀 패턴을 형성하였다. Ti 금속 전극과 TiO2/Ti 홀 패턴을 형성한 전극을 이용하여 염료감응형 태양전지에 적용하여 그 특성을 비교 분석하였다.
제안 방법
- Ti 금속 전극과 Ti 홀 패턴을 이용한 염료감응형 태양전지를 제작하여 전기화학적 특성을 비교 관찰하였다. 제조한 TiO2 페이스트를 닥터블레이드 방법을 이용하여 0.
- 를 코팅 하고 Ti 금속을 전자-빔 증착장비를 이용하여 증착시켜 lift-off 공정을 진행하였고 홀 패턴을 형성하였다. Ti 금속 전극과 TiO2/Ti 홀 패턴을 형성한 전극을 이용하여 염료감응형 태양전지에 적용하여 그 특성을 비교 분석하였다.
- 상대전극은 FTO (8 Ωsq, Pilkington) 기판에 백금 촉매 졸 (Pt catalysts sol, Solaronix)을 광전극 제작 시 사용한 닥터블레이드 방법으로 전도성 기판에 코팅하여 450℃에서 30분 동안 열처리하여 제작하였다. 광전극과 상대전극을 샌드위치 모양으로 조립하였고, 그 사이에 I⁻/I3⁻의 산화/환원 종으로 3-MPN(3-methoxy propionitrile, WaKo) 10 ml 용매에 LiI (Lithium iodide, Aldrich), I2 (Iodine, Aldrich), DMPⅡ (1,2-dimethyl-3-n-propylimidazolium iodide, Solaronix) 및 4-TBP (4-tert-butyl pyridine, Aldrich)을 각각 0.5, 0.05, 0.6 및 0.5 M의 비율로 하여 12시간 동안 교반하여 용해시킨 전해질을 주입하여 염료감응형 태양전지 단위 셀을 제작하였다.
- 그러나 상대전극으로 빛이 투과되어지면 platinium (Pt)에 의해 투과율이 낮아져 염료감응형 태양전지로 제작할 시 낮은 효율 특성을 나타낸다. 그러므로 본 연구에서는 불투명한 Ti 금속 전극의 제한적인 태양광 빛 흡수를 해결하고자 소다라임 글라스 위에 TiO2를 코팅하고 Ti 금속 전극을 전자-빔 증착 장비로 증착한 후 lift-off 공정을 이용하여 홀 패턴을 형성하였다. 홀 패턴의 형성은 염료감응형 태양전지 제작 시 염료 흡착 및 전해질의 이동을 가능하도록 하기 위해서이다.
- 그림 1은 본 연구에서 사용된 두 가지 구조의 이미지이다. 상대전극은 FTO (8 Ωsq, Pilkington) 기판에 백금 촉매 졸 (Pt catalysts sol, Solaronix)을 광전극 제작 시 사용한 닥터블레이드 방법으로 전도성 기판에 코팅하여 450℃에서 30분 동안 열처리하여 제작하였다. 광전극과 상대전극을 샌드위치 모양으로 조립하였고, 그 사이에 I⁻/I3⁻의 산화/환원 종으로 3-MPN(3-methoxy propionitrile, WaKo) 10 ml 용매에 LiI (Lithium iodide, Aldrich), I2 (Iodine, Aldrich), DMPⅡ (1,2-dimethyl-3-n-propylimidazolium iodide, Solaronix) 및 4-TBP (4-tert-butyl pyridine, Aldrich)을 각각 0.
- /Ti 홀 패턴의 단면과 표면은 주사전자현미경 (S-4700, Hitachi, Japan) 을 통해 분석되었다. 소다라임 글라스와 Pt 상대전극 글라스의 투과율 특성을 알아보고자 자외선-가시광 분광기 (Cary 500, Varian, Australia)를 이용하여 분석되었다.
- 염료감응 태양전지의 전기적 특성인 개방전압 (Voc), 전류밀도 (Jsc), 충진율 (FF) 및 광전변환효율 (η)의 측정은 1,000 W Xenon 램프와 AM 1.5 G 필터가 장착된 솔라시뮬레이터 시스템 (Polaronix K300, McScience, Korea)을 사용하여 측정하였다.
- 또한 투과율 특성에서 투과되는 빛 에너지의 차이에 비해 낮은 효율 차이는 높은 빛 투과에 따라 염료에서 생성되는 전자들이 많아짐에 따라 TiO2로의 이동되는 전자들은 많아지지만 포화 상태로 인해 전해질로의 재결합에 의해 낮은 효율을 나타낸 것으로 생각된다. 이에 따른 염료감응형 태양전지의 효율 특성의 차이 원인을 알아보고자 EIS (electrochemical impedance spectroscopy) 측정을 실시하였다.
- 홀 패턴의 형성은 염료감응형 태양전지 제작 시 염료 흡착 및 전해질의 이동을 가능하도록 하기 위해서이다. 일반적인 구조의 Ti 금속 전극과 lift-off 공정을 이용한 Ti 전극을 이용하여 염료감응형 태양전지로 제작하였고, 전기화학적 특성을 비교 분석하였다.
- 제작된 염료감응 태양전지는 내부저항을 관찰하기 위하여 임피던스 분석기 (ZAHNER IM6, Germany)를 이용하였고 측정 조건은 10-1 ∼105 Hz의 주파수 영역에서 5 mV의 진폭으로 측정하였다.
- Ti 금속 전극과 Ti 홀 패턴을 이용한 염료감응형 태양전지를 제작하여 전기화학적 특성을 비교 관찰하였다. 제조한 TiO2 페이스트를 닥터블레이드 방법을 이용하여 0.25cm2의 크기로 Ti 금속 전극과 소다라임 글라스에 코팅하고 450℃에서 30분 동안 열처리하였다.
대상 데이터
- Ti 금속 전극과 Ti 홀 패턴을 이용한 TiO2 박막은 solaronix의 N719 (Ruthenizer 535 bis-TBA, cis-diisothiocyanato-bis(2,2’-bipyridyl-4,4’-dicarb oxylato) ruthenium (Ⅱ) bis (Tetrabutyl ammonium)) 염료를 에탄올 용매에 0.5 mM로 제조한 후 4시간 동안 침지시켜 염료를 흡착하여 광전극을 제작하였다.
- Ti를 증착하기 위해 소다라임 글라스를 두께 2.1 mm, 크기는 150×150 mm로 진행하였다.
- 감광액이 코팅된 기판은 MIF300 (AZ Electronic) 현상 용액을 이용하여 1분 30초 동안 현상하여 홀 패턴을 형성하였다. 감광액으로 홀 패턴이 형성된 TiO2 기판 위에 Ti를 증착하기 위해 앞서 언급한 전자-빔 증착 장비를 이용하여 증착하였다. 홀 패턴에 증착된 Ti를 180℃ 전열기에 가열된 아세톤을 이용하여 5분 동안 lift-off 하여 Ti 홀 패턴을 제작하였다.
- 소다라임 글라스에 형성된 TiO2/Ti 홀 패턴의 단면과 표면은 주사전자현미경 (S-4700, Hitachi, Japan) 을 통해 분석되었다. 소다라임 글라스와 Pt 상대전극 글라스의 투과율 특성을 알아보고자 자외선-가시광 분광기 (Cary 500, Varian, Australia)를 이용하여 분석되었다.
- 본 연구에서 사용된 티타니아 나노 분말은 졸-겔 방법을 이용하여 합성하였다. 출발 물질로는 TTIIP (titanium tetra-isopropoxide, Aldrich)와 증류수를 이용하였으며, HCl (hydrochloric acid, Aldrich)은 촉매로서, TBAOH (tetrabutylammonium hydroxide, Aldrich)는 촉매와 분산제로 사용하였다. 우선 1L의 증류수에 147 ml의 TTIP를 첨가하고 50℃로 설정한 반응조를 사용하여 300rpm에서 1시간 동안 교반하였고, 1시간 후 0.
이론/모형
- 본 연구에서 사용된 티타니아 나노 분말은 졸-겔 방법을 이용하여 합성하였다. 출발 물질로는 TTIIP (titanium tetra-isopropoxide, Aldrich)와 증류수를 이용하였으며, HCl (hydrochloric acid, Aldrich)은 촉매로서, TBAOH (tetrabutylammonium hydroxide, Aldrich)는 촉매와 분산제로 사용하였다.
성능/효과
- 00%를 나타냈다. TiO2/Ti 홀 패턴이 형성된 금속 전극이 Ti 금속 전극보다 광전변환효율 특성이 우수함을 확인하였다.
- /Ti 홀 패턴을 형성한 전극에 비해 낮게 측정되었다. 또한 낮은 빛 투과율에 의해 광전변환효율 또한 TiO2/Ti 홀 패턴을 형성한 전극이 11.1%의 우수한 효율을 나타냈다. 이는 Ti 금속 박막만으로 염료감응형 태양전지의 전도성 기판을 대체하는 것보다 소다임 글라스 위에 TiO2/Ti 홀 패턴 구조를 진행함으로써 염료 감응형 태양전지에 투과되는 태양광의 투과에 따른 염료의 흡수 증가에 따른 결과라고 판단된다.
- 그림 2의 (a)는 단면이고 (b)는 표면이다. 소다라임 글라스에 코팅된 TiO2의 두께는 5.48 um이고, 홀 패턴이 형성됨을 확인할 수 있었다. 홀 패턴의 형성으로 염료감응형 태양전지 제작 시 홀 사이로 염료 흡착 및 전해질의 이동이 가능하다.
- 소다라임 글라스와 Pt 상대전극의 투과율 특성을 알아보고자 그림 3에 나타내었다. 소다라임 글라스와 상대적으로 Pt 상대전극의 투과율이 현저히 낮고, 본 연구에서 사용되는 N719 염료의 흡수 파장 (530 nm)을 중심으로 확인했을 때 소다라임 글라스에 비해 Pt 상대전극의 투과율 특성이 낮기 때문에 그림 1의 (a) 구조의 경우 효율 특성이 감소할 수 있다고 판단된다.
- 이 결과 염료감응형 태양전지의 전도성 기판으로 사용되는 FTO을 대신하여 Ti 박막 금속 적용 가능성을 확인하였고, 전해질 주입을 위하여 Ti 박막의 사진현상 공정을 이용하였고, 소다임 글라스 위에 Ti 박막을 이용한 염료감응형 태양전지보다 광전변환효율이 높다는 것을 확인할 수 있었다.
- 이 결과로 본 연구에서 응용된 구조가 빛 투과 감소에 따른 염료의 감소된 빛 흡수를 향상 시킬 수 있으며 TCO-less 염료감응형 태양전지의 광전변환효율 감소 없이 FTO와 상응하는 결과를 나타낼 수 있을 것으로 판단된다.
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