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문제 정의
- 본 연구에서는 기존의 유리기판을 사용한 염료감응 태양전지의 유연성 문제를 해결하고자 텍스타일 형태의 titanium mesh를 활용하여 유연한 광 전극의 형태로 제작하고, 매쉬위 성장한 TNT 길이에 따라 태양전지 소자의 특성에 미치는 영향에 대해 알아보았다. 산화티타늄의 형성은 일반적인 DSSCs에서 주로 사용되는 산화물 반도체 나노입자 대신에 양극산화(anodizing) 법을 활용하여 전극의 표면을 개질 하였다.
제안 방법
- titanium mesh를 전극기판으로 하여 양극산화(anodizing) 공정을 통해서 티타늄 표면 TNT(titanium-oxide nanotube) 형태로 반도체 나노산화물을 로딩하여 광 전극을 제작하였다[13−15].
- 본 실험에서는 electrochemical impedance spectroscopy (EIS) 장비를 이용하여 Iviumstat(Ivium technology, Netherland) 1Hz−105 Hz 주파수 범위 내에서(AC amplitude 10 mV) 임피던스를 측정하였다.
- 양쪽 전극사이에 surlyn film(solaronix, 60 µm)을 layering하여 110 ℃, 2.5 bar의 조건으로 열 압착하여 접합시킨 후, 상대전극에 있는 전해질 주입구에 요오드화 전해질을 주입하고, 주입구를 surlyn film과 커버글라스로 덮어 밀봉시켜 염료감응 태양전지를 조립하였다.
- 에틸렌글리콜을 기준으로 NH4F 0.3 wt%, 증류수 2wt%를 혼합하여 전해질로 사용하고, titanium mesh를 (+)극으로, 백금을 (−) 극으로 하여 5 ℃의 저온하에서 60 V 정전압으로 양극산화를 수행하였다[16].
- 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 염료감응 태양전지를 텍스타일 형태로 설계하기 위해서 titanium mesh를 광 전극으로 활용하였다. titanium mesh를 전극기판으로 하여 양극산화(anodizing) 공정을 통해서 티타늄 표면 TNT(titanium-oxide nanotube) 형태로 반도체 나노산화물을 로딩하여 광 전극을 제작하였다[13−15].
- titanium mesh를 전극기판으로 하여 양극산화(anodizing) 공정을 통해서 티타늄 표면 TNT(titanium-oxide nanotube) 형태로 반도체 나노산화물을 로딩하여 광 전극을 제작하였다[13−15]. 양극산화 시간에 따른 나노튜브 길이를 변수로 하여 DSSCs를 설계하고 그에 따른 소자의 전기적인 특성을 분석하여 효율간의 상관관계에 대해 연구 수행하였다.
- 광 전극으로는 유연성이 우수한 텍스타일 형태의 titanium mesh(Nilaco, dia 102 µm, open area of 64%)를 활용하였다. titanium mesh의 표면의 불순물 제거를 위해서 아세톤, 증류수, 메탄올에 각 30분씩 초음파 수세를 하고, 진공상태의 500 ℃ 고온에서 1시간 동안 탄화시켜서 잔류응력을 제거하였다. 에틸렌글리콜을 기준으로 NH4F 0.
- 양극산화 처리가 끝난 titanium mesh 를 500 ℃ 고온에서 1시간 동안 소결시켜 반도체 산화물을 제조하였다. TiCl4 0.
- 상대전극은 전도성 유리기판인 FTO 글라스를 활용하였고, 전도성 면에 촉매작용을 부여하기 위해서 370 V, 20 mA의 조건하에서 1분간 백금 진공 증착을 수행하였다.
- IPCE: 셀의 광자가 전자로 전환하는 효율(IPCE: incident photon-to-electron conversion efficiency)을 IPCE 측정장비(K3100, Mcscience)를 이용하여 측정하였다. 광원 소스로는 Xe 램프를 사용하였으며 260 W의 파워로 고정하였다.
- Titanium mesh 표면에 성장한 산화티타늄 나노튜브(TNT)길이는 양극산화 시간에 따라 달라지며, 시간이 증가할수록 TNT의 길이가 증가하는 거동을 보였다. 양극산화 4시간, 8시간, 12시간으로 설정하여 mesh 표면에 길이가 각기 다른 산화티타늄 나노튜브를 성장시켜 광 전극으로 활용하였고 DSSCs 셀을 제작 후, 각 셀의 특성을 분석하였다.
- 본 연구에서는 기존의 유리기판을 사용한 염료감응 태양전지의 유연성 문제를 해결하고자 텍스타일 형태의 titanium mesh를 활용하여 유연한 광 전극의 형태로 제작하고, 매쉬위 성장한 TNT 길이에 따라 태양전지 소자의 특성에 미치는 영향에 대해 알아보았다. 산화티타늄의 형성은 일반적인 DSSCs에서 주로 사용되는 산화물 반도체 나노입자 대신에 양극산화(anodizing) 법을 활용하여 전극의 표면을 개질 하였다. 이는 일반적인 산화티타늄 코팅 방법에 비해서 산화티타늄 나노튜브(TNT)가 3D 입체형태로 성장하므로, 상대적으로 전자이동속도가 빠르다는 장점이 있다.
대상 데이터
- 광다이오드로부터 생성되는 단색 빔을 300−1000 nm 파장 대 영역으로 조절하면서 측정하였는데, 측정값 보정을 위해 Si photodiode를 사용하였다.
- 광 전극으로는 유연성이 우수한 텍스타일 형태의 titanium mesh(Nilaco, dia 102 µm, open area of 64%)를 활용하였다.
- IPCE: 셀의 광자가 전자로 전환하는 효율(IPCE: incident photon-to-electron conversion efficiency)을 IPCE 측정장비(K3100, Mcscience)를 이용하여 측정하였다. 광원 소스로는 Xe 램프를 사용하였으며 260 W의 파워로 고정하였다. 광다이오드로부터 생성되는 단색 빔을 300−1000 nm 파장 대 영역으로 조절하면서 측정하였는데, 측정값 보정을 위해 Si photodiode를 사용하였다.
성능/효과
- titanium mesh는 양극산화시간에 따라 4시간 반응으로 7 µm, 8시간 반응으로 12.5 µm, 그리고 12시간 반응으로 22 µm의 길이로 산화티타늄 나노튜브를 성장시켰고, 시간이 증가함에 따라 산화티타늄 나노튜브의 길이가 점차 증가하는 거동을 보였다.
- 0−60 V까지 2V/min의 속도로 전압을 증가시켰으며, 0 V부터 전압을 인가함에 따라 전류는 증가하는 양상을 보이다가 약 20 V 정도에서 전류가 다시 감소하는 경향을 보였다.
- Figure 5는 양극산화 후 산화티타늄 나노튜브가 형성되었는지 알아보기 위해서 EDS 원소분석을 한 결과이다. titanium mesh에 형성된 입자를 분석한 결과, Ti이 31.7% O가 68.3%로 원자구성비 Ti:O=1:2로 TiO2의 형성을 확인할 수 있었다. Figure 6의 SEM 이미지를 통해서 양극산화 처리를 한 titanium mesh의 표면에 나노튜브가 일정한 두께로 성장하였음을 확인할 수 있었다.
- Titanium mesh 표면에 성장한 산화티타늄 나노튜브(TNT)길이는 양극산화 시간에 따라 달라지며, 시간이 증가할수록 TNT의 길이가 증가하는 거동을 보였다. 양극산화 4시간, 8시간, 12시간으로 설정하여 mesh 표면에 길이가 각기 다른 산화티타늄 나노튜브를 성장시켜 광 전극으로 활용하였고 DSSCs 셀을 제작 후, 각 셀의 특성을 분석하였다.
- 개방전압과 Fill Factor에 영향을 미치는 큰 요소는 광전극과 상대전극 간의 거리, 상대전극의 역할이다. 산화티타늄 나노튜브의 길이 변화로만 특성 분석을 하였고 그 외 factor들은 일정하기에 개방전압과 Fill Factor의 값은 일정함을 보였다.
- 5 µm, 그리고 12시간 반응으로 22 µm의 길이로 산화티타늄 나노튜브를 성장시켰고, 시간이 증가함에 따라 산화티타늄 나노튜브의 길이가 점차 증가하는 거동을 보였다. 산화티타늄 나노튜브 길이에 따른 DSSCs의 전기적 특성을 측정한 결과, 양극산화 시간이 길어짐에 따라서 단락전류밀도(Jsc)의 값은 점차 증가하고 이에 따라 전체효율 또한 증가하는 결과 값을 나타내었다. 양극산화의 시간증가에 따라 산화티타늄 나노튜브의 길이가 증가하여 표면적이 넓어져, 염료의 흡착양이 증가함에 따 라 여기 될 수 있는 전자 양이 많아지고 또한 전극의 표면적이 넓어져 전자 전달에 용이한 구조를 가짐으로써 효율 및 양자효율 값이 증가함을 본 연구에서 확인하였다.
- 산화티타늄 나노튜브 길이에 따른 DSSCs의 전기적 특성을 측정한 결과, 양극산화 시간이 길어짐에 따라서 단락전류밀도(Jsc)의 값은 점차 증가하고 이에 따라 전체효율 또한 증가하는 결과 값을 나타내었다. 양극산화의 시간증가에 따라 산화티타늄 나노튜브의 길이가 증가하여 표면적이 넓어져, 염료의 흡착양이 증가함에 따 라 여기 될 수 있는 전자 양이 많아지고 또한 전극의 표면적이 넓어져 전자 전달에 용이한 구조를 가짐으로써 효율 및 양자효율 값이 증가함을 본 연구에서 확인하였다.
- 결과적으로 양극산화 반응시간으로 산화티타늄 나노튜브(TNT)의 성장길이를 조절할 수 있었으며, 길이의 증가에 따라 고효율의 염료감응 태양전지 소자를 제조할 수 있었다. 이러한 연구는 mesh를 이용하여 고유연성의 염료감응 태양전지 연구에 발돋움이 될 것이다.
후속연구
- 결과적으로 양극산화 반응시간으로 산화티타늄 나노튜브(TNT)의 성장길이를 조절할 수 있었으며, 길이의 증가에 따라 고효율의 염료감응 태양전지 소자를 제조할 수 있었다. 이러한 연구는 mesh를 이용하여 고유연성의 염료감응 태양전지 연구에 발돋움이 될 것이다.
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