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나노 입자 적층 시스템(NPDS)을 이용한 염료 감응 태양전지 - 전기 변색 통합 소자 및 에너지 하베스팅 시스템에 대한 연구
Development of Energy Harvesting Hybrid system consisted of Electrochromic Device and Dye-Sensitized Solar Cell using Nano Particle Deposition System 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.23 no.2, 2016년, pp.65 - 71  

김광민 (한양대학교 재료공학과) ,  김형섭 (한양대학교 재료공학과) ,  최다현 (한양대학교 재료공학과) ,  이민지 (한양대학교 재료공학과) ,  박윤찬 (한양대학교 재료공학과) ,  추원식 (서울대학교 기계항공공학부) ,  천두만 (울산대학교 기계공학부) ,  이선영 (한양대학교 재료공학과)

초록
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본 연구에서는 나노 입자 적층 시스템(Nano Particle Deposition System, NPDS)을 이용하여 전기변색소자의 작동 전극을 적층하고 또한 염료 감응 태양전지의 반도체 층으로 사용되는 $TiO_2$층 및 전기변색소자의 이온 저장 층으로 사용되는 Antimony Tin Oxide(ATO) 층을 제작하였다. NPDS는 상온 건식 분말 적층법으로 노즐을 통하여 초음속으로 가속된 분말의 높은 에너지를 이용하여 기판에 적층하는 새로운 개념의 건식 적층 방법이다. 본 연구에서 코팅된 물질의 두께는 전기변색소자의 투과율에 영향을 끼치는데, 이는 표면 프로파일 측정법(surface profiling method)으로 측정하였으며, 적층된 $TiO_2$와 ATO 및 복합 층의 미세 구조를 확인하기 위해 SEM을 이용한 분석을 진행하였다. 한편 염료 감응 태양전지광 변환 효율은 솔라 시뮬레이터로 분석하였다. 또한 UV-visible spectrometer와 power source를 이용하여 630 nm 대역에서 전기 변색 소자가 갖는 투과도 변화와 낮은 전압에서의 작동 및 변색 횟수를 측정하였으며, 결과적으로 상기 과정을 거쳐 제작되고, 측정된 염료 감응 태양전지 - 전기 변색 통합 구조 소자를 자체 제작한 에너지 하베스팅 시스템과 연결하여 통합 구조 소자 내 태양전지의 전압 발생을 통해 자체 구동이 가능한 전기 변색 소자 시스템 제작에 성공하였다. NPDS를 통해 제작된 변색 소자의 경우, 최대 49%의 투과도 변화와 500회 작동에서 C-V curve를 유지함을 측정하여 성능과 내구성을 입증하였고, 통합 소자 내 태양 전지의 광 변환 효율은 최대 2.55%로 측정되었으며, 통합 소자 내 변색 소자의 경우 최대 26%의 투과도 변화를 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, Antimony Tin Oxide (ATO) ion storage layer and $TiO_2$ working electrode were fabricated using Nano Particle Deposition System. NPDS is the cutting-edge technology among the dry deposition methods. Accelerated particles are deposited on the substrate through the nozzle usin...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 또한 변색 소자의 변색 층으로 사용되는 poly 3,4-ethyl-enedioxythiophene(PEDOT:PSS)는 고분자 변색 물질로서 전압에 따른 전해질 내 이온의 이동에 따라 결합을 달리 하여 변색과 탈색을 반복하는 물질이다.8-10) 본 연구에서는 해당 변색 층이 최적의 변색 정도를 갖는 charge 값을 charge balance 분석으로 찾고, PEDOT:PSS의 코팅 방식에 따른 변색 성능의 최적화를 이루고자 한다.11,12)
  • 한편 변색 소자의 투과도를 위해 도입된 투명 Pt 코팅 층을 상대전극으로 사용한 태양 전지 부분이 기존의 태양 전지에 대비해 보이는 효율을 분석하고, 자체 제작한 에너지 하베스팅 시스템과 연결된 통합 소자에서 태양 전지가 발생시킨 전압을 통해, 최적화된 변색 소자가 갖는 투과도 변화 성능과 내구성을 평가하고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
NPDS란 무엇인가? 본 연구에서는 나노 입자 적층 시스템(Nano Particle Deposition System, NPDS)을 이용하여 전기변색소자의 작동 전극을 적층하고 또한 염료 감응 태양전지의 반도체 층으로 사용되는 $TiO_2$층 및 전기변색소자의 이온 저장 층으로 사용되는 Antimony Tin Oxide(ATO) 층을 제작하였다. NPDS는 상온 건식 분말 적층법으로 노즐을 통하여 초음속으로 가속된 분말의 높은 에너지를 이용하여 기판에 적층하는 새로운 개념의 건식 적층 방법이다. 본 연구에서 코팅된 물질의 두께는 전기변색소자의 투과율에 영향을 끼치는데, 이는 표면 프로파일 측정법(surface profiling method)으로 측정하였으며, 적층된 $TiO_2$와 ATO 및 복합 층의 미세 구조를 확인하기 위해 SEM을 이용한 분석을 진행하였다.
투명 Pt 용액을 코팅하여 Pt 전극을 대체한 경우, 효율이 떨어지는 이유는 무엇인가? 5%로 낮음을 확인하였다. 이는 태양 전지의 상대 전극으로 사용한 투명 Pt 위에 TiO2적층을 위한 TiCl4처리를 하여 형성되는 TiO2막의 영향으로 파악된다. 또한 통합 소자 내 제작된 2개의 태양 전지의 Voc의 합이 1.
전기변색소자는 어떻게 구성되는가? 1)전기 변색 소자의 경우, 전하 이동에 기반을 둔 전기 변색 과정을 통해 낮은 전압에서 높은 투과도 변화를 보이며, display, smart window 등에 응용되고 있다. 전기변색소자는 투명 전도성 기판, 색 변화를 나타내는 작동 전극 (working electrode), 이온의 확산에 의한 전자 전달을 담당하는 전해액(electrolyte), 전자의 흐름을 유지 시켜주는 상대 전극(counter electrode)으로 구성된다.2)
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참고문헌 (12)

  1. P. M. S. Monk, R. J. Mortimer and D. R. Rosseinsky, "Electrochromism and electrochromic devices", 1st ED., pp.25-27, Cambridge University, Cambridge (2007). 

  2. C. G. Granqvist, "Handbook of Inorganic electrochromic materials", 2nd ED., pp.18-21, Elservier Science B.V, Amsterdam (2002). 

  3. S. H. Jang. "Low-temperature formation of $TiO_2$ electrodes for the application of Dye-sensitized solar cell and Electrochromic device(in Kor.)", in Master. D. Thesis, pp.1-9, Inha University, Incheon (2010). 

  4. H. S. Kim, S. K. Yang, S. H. Ahn and C. S. Lee, "Effect of particle size on various substrates for deposition of NiO film via nanoparticle deposition system", Thin Solid Films, 600, 109 (2016). 

  5. B. K. Choi, S. H. Min, J. O. Kim, K. T. Kang and W. Y. Choi, "Fabrication of Photocatalytic $TiO_2$ Thin Film Using Aerosol Deposition Method", J. Microelectron. Packag. Soc., 11(4), 55 (2004). 

  6. D. M. Chun, M. H. Kim, J. C. Lee and S. H. Ahn, "A Nanoparticle Deposition System for Ceramic and Metal Coating at Room Temperature and Low Vacuum Conditions", International Journal of precision engineering and manufacturing, 9(1), 51 (2008). 

  7. J. Jensen, H. F. Dam, J. R. Reynolds, A. L. Dyer and F. C. Krebs, "Manufacture and demonstration of organic photovoltaic-powered electrochromic displays using roll coating methods and printable electrolytes", Journal of Polymer Science part B: Polymer Physics, 50, 536 (2012). 

  8. J. Jensen, M. Hosel, A. L. Dyer and F. C. Krebs, "Development and Manufacture of Polymer-Based Electrochromic Devices", Adv. Funct. Mater., 25, 2073 (2015). 

  9. J. Wu, "Morphology of Poly(3,4-ethylene dioxythiophene) (PEDOT) Thin Films, Crystals, Cubic Phases, Fibers and Tubes", in Ph.D. Thesis, pp.12-17, The university of Michigan, Ann Arbor (2011). 

  10. S. H. Kim, J. Y. Choi and H. J. Chang, "Fabrication and Characterization of Organic Solar Cells with Gold Nanoparticles in PEDOT:PSS Hole Transport Layer", J. Microelectron. Packag. Soc., 20(2), 39 (2013). 

  11. R. Baetens, B. P. Jelle and A. Gustavsen, "Properties, requirements and possibilities of smart windows for dynamic daylight and solar energy control in buildings: A state-of-the-art review", Solar Energy Materials & Solar Cells, 94, 87 (2010). 

  12. C. M. Lampert, "Durability of Electrochromic Switching Devices for Glazings", The international congress on optical science and engineering, 1272 (1990). 

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