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문제 정의
- 반사방지층의 증착을 확인하고자 단면을 측정하였고, 측정 결과로 각각의 층인 TiO2 , SiO2 , TiO2 , TiO2 및 SiO2의 증착을 확인하였다. 반사 방지층 종 확인을 알아보고자 EDX를 측정하였다. 반사방지층의 EDX 스펙트럼을 그림 3에 나타내었다.
- 본 연구에서는 염료감응형 태양전지의 전도성 기판으로 사용되는 FTO의 표면 빛 산란을 줄이고 셀 내부빛 산란을 증가시키기 위해 TiO2와 SiO2를 이용하여 반사방지층을 증착하였다. 제작된 반사방지층이 증착된 FTO 기판을 염료감응형 태양전지로 제작하여 전기 화학적 특성을 비교 분석하였다.
제안 방법
- TiO2 와 SiO2 증착 시 챔버 내의 진공장비의 진공도 3×10 -3 Pa 이하를 유지하도록 하였고, TiO2의 증착 속도는 4.0 Å·sec로 유지하였으며, SiO2의 증착 속도는 8.0 Å·sec로 유지하였다.
- FTO 기판에 반사방지층이 증착된 FE-SEM 결과를 그림 2에 나타내었다. 반사방지층의 증착을 확인하고자 단면을 측정하였고, 측정 결과로 각각의 층인 TiO2 , SiO2 , TiO2 , TiO2 및 SiO2의 증착을 확인하였다. 반사 방지층 종 확인을 알아보고자 EDX를 측정하였다.
- 반사방지층의 단면은 주사전자현미경(S-4700, Hitachi, Japan)을 통해 분석되었으며, 반사방지층의 화학종 분석은 에너지 분산형 X-선 분광기(S-4700, Hitachi, Japan)를 통해 분석되었다. 반사방지층의 투과율 특성을 알아보고자 자외선-가시광 분광기(Cary 500, Varian, Australia)를 통해 분석 되었다. 제작된 염료감응 태양 전지는 내부저항을 관찰하기 위하여 임피던스 분석기 (ZAHNER IM6, Germany)를 이용하였고 측정조건은 10-1 ∼105 Hz의 주파수 영역에서 5 mV의 진폭으로 측정하였다.
- 본 연구에서는 기판부분에서 산란 및 손실되는 빛을 줄이고자 이온빔 보조 증착(ion-beam assisted deposition, IAD) 장비를 이용하여 고굴절률을 갖는 TiO2와 저굴절률을 갖는 SiO2 물질을 이용하여 다층 형태의 반사방지층이 증착된 기판을 사용하여 염료감응형 태양전지를 제작하여 전기적 특성분석을 하였고, 반사방지층 유무에 따른 특성을 비교분석 하였다. 본 연구에서 제안된 구조의 모식도를 그림 1에 나타내었다.
- 본 연구에서는 반사방지층을 macleod simulator를 이용하여 설계하였으며, 설계로 얻어진 각 층의 두께는 표 1에 나타내었다.
- 상대전극은 백금 촉매 졸(Pt catalysts sol, Solaronix) 을 광전극 제작 방법과 동일한 닥터블레이드 방법으로 FTO 기판에 코팅하여 450℃에서 30분 동안 열처리하여 제작하였다. 제작된 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), I 2 (iodine, Aldrich), DMPⅡ (1,2-dimethyl-3-n-propylimidazolium iodide, Solaronix) 및 4-TBP (4-tert-butyl pyridine, Aldrich) 을 각각 0.
- 열처리하여 얻어진 TiO2 박막은 N719 (Ruthenizer 535 bis-TBA, cis-diisothiocyanato-bis (2,2’-bipyrid yl-4,4’-dicarboxylato) ruthenium (Ⅱ) bis (Tetrabut yl ammonium), Solaronix) 염료를 에탄올 용매에 0.5 mM로 제조한 후 4시간 동안 침지시켜 염료를 흡착하여 광전극을 제작하였다.
- 상대전극은 백금 촉매 졸(Pt catalysts sol, Solaronix) 을 광전극 제작 방법과 동일한 닥터블레이드 방법으로 FTO 기판에 코팅하여 450℃에서 30분 동안 열처리하여 제작하였다. 제작된 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), I 2 (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 염료감 응형 태양전지 단위 셀을 제작하였다.
- 를 이용하여 반사방지층을 증착하였다. 제작된 반사방지층이 증착된 FTO 기판을 염료감응형 태양전지로 제작하여 전기 화학적 특성을 비교 분석하였다.
- 제작된 염료감응 태양 전지는 내부저항을 관찰하기 위하여 임피던스 분석기 (ZAHNER IM6, Germany)를 이용하였고 측정조건은 10-1 ∼105 Hz의 주파수 영역에서 5 mV의 진폭으로 측정하였다.
- 제작된 염료감응 태양전지의 계면 특성 변화를 알아보기 위해 임피던스를 측정하였다. 순수한 FTO와 반사방지층이 증착된 FTO를 이용하여 제작된 염료감응형 태양전지의 임피던스 나이퀴스트 선도를 그림 6에 나타내었고, 표 2에 측정된 값을 정리하여 나타내었다.
- 제작된 염료감응 태양전지의 전기적 특성인 개방전압(Voc), 전류밀도(Jsc), 충진율(FF) 및광전변환효율(η)의 측정은 1,000 W Xenon 램프와 AM 1.5 G 필터가 장착된 솔라 시뮬레이터 시스템 (Polaronix K300, McScience, Korea)을 사용하여 측정하였다.
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2.3 염료감응형 태양전지 제작
제조한 TiO2 페이스트를 닥터블레이드 방법을 이용하여 순수한 FTO 기판과 반사방지층이 증착된 FTO 기판에 0.25 cm2 의 크기로 코팅하고 450℃에서 30분 동안 열처리하였다. 열처리하여 얻어진 TiO2 박막은 N719 (Ruthenizer 535 bis-TBA, cis-diisothiocyanato-bis (2,2’-bipyrid yl-4,4’-dicarboxylato) ruthenium (Ⅱ) bis (Tetrabut yl ammonium), Solaronix) 염료를 에탄올 용매에 0.
대상 데이터
- TiO2 와 SiO2 를 증착하기 위해 fluorine-doped tin oxide (8 Ω·sq, Pilkington, FTO) 기판을 사용하여 크기는 150 mm × 150 mm로 진행하였다.
- 0 Å·sec로 유지하였다. 또한 이온빔의 이온으로는 Ar과 O2를 사용하였으며, TiO2 와 SiO2증착 시 각각 이온량은 50 sccm, 10 sccm을 흘려주었다. 이러한 IAD는 이온빔으로 증착되고 있는 박막에 충격을 주어 박막의 기둥을 부수면, 조밀도가 커지므로 외부 환경에 강한 박막을 갖는 고품질을 가지는 광학박막의 제작이 가능하다.
- 본 연구에서 사용된 TiO2 분말은 졸-겔 방법을 이용하여 합성하였다. 출발물질로는 TTIIP (titanium tetraisopropoxide, Aldrich)와 증류수를 이용하였으며, HCl (hydrochloric acid, Aldrich)은 촉매로, TBAOH (tetrabutylammonium hydroxide, Aldrich)는 촉매와 분산제로 사용하였다.
- 분말은 졸-겔 방법을 이용하여 합성하였다. 출발물질로는 TTIIP (titanium tetraisopropoxide, Aldrich)와 증류수를 이용하였으며, HCl (hydrochloric acid, Aldrich)은 촉매로, TBAOH (tetrabutylammonium hydroxide, Aldrich)는 촉매와 분산제로 사용하였다.
성능/효과
- FE-SEM 측정으로 TiO2와 SiO2코팅을 확인하였으 며, 반사방지층의 증착으로 투과율 향상을 확인하였다. 전압-전류 곡선 특성에서 순수한 FTO와 반사방지층이 증착된 FTO를 이용한 염료감응형 태양전지의 광전변 환효율은 각각 5.
- 순수한 FTO 기판과 반사방지층이 증착된 FTO 기판을 이용한 염료감응형 태양전지의 성능을 비교 고찰하기 위해 전압-전류 곡선을 그림 5에 나타내었고, 표 1은 측정한 값을 정리하여 나타내었다. FTO 기판을 이용한 염료감응 태양전지는 VOC 0.731 V, JSC 12.48 mA cm-2 , fill factor 58.99%, efficiency 5.38%를 나타내었으며, 반사방지층이 증착된 FTO 기판을 이용한 염료감응 태양전지는 VOC 0.720 V, JSC 14.30 mA cm-2 , fill factor 59.51%, efficiency 6.12%를 나타내었다. 이는 앞서 언급하였듯이 셀 내부에 산란되는 빛의 양이 증가하여 광전변환효율 향상의 결과로 나타난 것이다.
- FTO와 반사방지층이 증착된 전극의 R2 저항은 각각 21.55 Ω과 18.74 Ω의 값을 얻었으며, 반사방지층의 형성으로 순수한 FTO에 비해 저항이 낮아지는 것을 확인하였다.
- 결과적으로 반사방지층이 증착된 FTO 기판을 이용한 염료감응형 태양전지는 R2 의 낮은 저항을 확인하였고, 이에 따라 전압-전류 곡선에서 전류밀도의 증가와 광전변환효율 또한 향상된 결과를 나타냈다.
- 순수한 FTO 기판에 비해 반사방지층이 증착된 FTO가 500~700 nm 파장 사이에서 투과율이 향상됨을 알 수있었다. 본 연구에서 사용되는 N719 염료의 흡수 파장(530 nm)을 중심으로 확인했을 때 투과율은 순수한 FTO 기판과 반사방지층이 증착된 FTO는 각각 67.4% 와 72.9%로 나타났다. 이는 반사방지층이 증착된 FTO 가 순수한 FTO 기판에 비해 약 8.
- 순수한 FTO 기판과 반사방지층이 증착된 FTO 기판의 투과율 특성을 알아보고자 그림 4에 나타내었다. 순수한 FTO 기판에 비해 반사방지층이 증착된 FTO가 500~700 nm 파장 사이에서 투과율이 향상됨을 알 수있었다. 본 연구에서 사용되는 N719 염료의 흡수 파장(530 nm)을 중심으로 확인했을 때 투과율은 순수한 FTO 기판과 반사방지층이 증착된 FTO는 각각 67.
- 이 결과로 그림 4에서 언급하였듯이 반사방지층의 형성으로 FTO 기판 표면에서 반사되던 빛이 감소하고 셀 내부로 들어오는 빛의 증가로 약 13% 이상의 계면 저항이 낮아졌다. 또한 반사방지층으로 인해 더 많은 태양광을 흡수한 염료가 많은 전자를 여기 하여 TiO2 반도체 층으로 주입되어지는 것이고 보통 반도체 층으로 이동하지 못한 전자는 다시 전해액 속의 산화된 I3-이온과 재결합하게 된다.
- 9%로 나타났다. 이는 반사방지층이 증착된 FTO 가 순수한 FTO 기판에 비해 약 8.2% 향상된 결과를 나타냈다.
- 코팅을 확인하였으 며, 반사방지층의 증착으로 투과율 향상을 확인하였다. 전압-전류 곡선 특성에서 순수한 FTO와 반사방지층이 증착된 FTO를 이용한 염료감응형 태양전지의 광전변 환효율은 각각 5.38%와 6.12%로 나타냈다.
- 이스펙트럼에서 Ti, Si 및 O 피크를 확인하였다. 측정결과로 실제 TiO2 와 SiO2가 증착됨을 확인하였다. 순수한 FTO 기판과 반사방지층이 증착된 FTO 기판의 투과율 특성을 알아보고자 그림 4에 나타내었다.
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