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 System원문보기
본 연구에서는 나노 입자 적층 시스템(Nano ParticleDeposition 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 태양전지의 광 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.
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 태양전지의 광 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.
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...
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 using NPDS. The thicknesses for coated layers were measured and layer's morphology was acquired using SEM. The fabricated electrochromic cell's transmittance was measured using UV-Visible spectrometer and power source at 630 nm. As a result, the integrated electrochromic/DSSC hybrid system was successfully fabricated as an energy harvesting system. The fabricated electrochromic cell was self-operated using DSSC as a power source. In conclusion, the electrochromic cell was operated for 500 cycles, with 49% of maximum transmittance change. Also the photovoltaic efficiency for DSSC was measured to be 2.55% while the electrochromic cell on the integrated system had resulted in 26% of maximum transmittance change.
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 using NPDS. The thicknesses for coated layers were measured and layer's morphology was acquired using SEM. The fabricated electrochromic cell's transmittance was measured using UV-Visible spectrometer and power source at 630 nm. As a result, the integrated electrochromic/DSSC hybrid system was successfully fabricated as an energy harvesting system. The fabricated electrochromic cell was self-operated using DSSC as a power source. In conclusion, the electrochromic cell was operated for 500 cycles, with 49% of maximum transmittance change. Also the photovoltaic efficiency for DSSC was measured to be 2.55% while the electrochromic cell on the integrated system had resulted in 26% of maximum transmittance change.
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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.
제안 방법
완성된 통합 소자의 태양 전지 부는 solar simulator(MsScience, Korea, Polaronix K3000)를 이용하여 효율을 측정하였다. 다음 과정으로 구성된 소자를 구동하기 위해 Fig. 3과 같이 회로를 디자인하고, 토글 스위치, PCB기판, 핀헤더로 구성된 회로를 제작하였다. 이후 회로와 연결하여 AM 1.
해당 전극 층은 1시간 동안 500℃의 온도에서 TiO2입자 간의 necking을 유도할 annealing 처리를 거치며, N719 염료(Dyesol-timo, Australia)에 24시간 동안 처리되어 완성된다. 다음 과정으로 태양 전지 부의 투명 Pt 전극을 구현하기 위해 Pt catalyst(Solaronix, Switzerland, Platisol T/SP)를 spin coater를 이용하여 250RPM에서 코팅하고, 500℃,30분 조건에서 열처리하여 제작하였다. 이후 이렇게 제작된 광전극과 투명 전극을 이용하여 DSSC+EC cell을 제작하였으며, electrolyte는 iodolyte(Solaronix, USA, AN-50)을 이용하여 cell을 제작하였다.
이를 해결하기 위해 도입된 공정이 건식 적층 법이며, 건식 적층 방법은 paste 제조가 필요 없어 보다 친 환경적이고, 추가 공정이 없는 경제적인 방법이다. 본 연구에서 전기 변색부와 염료 감응 태양전지부의 경우, 나노 입자 적층 시스템 (NPDS)을 통해 제작된다.4) 통합 소자의 제작 수단으로 사용되는 NPDS는 대표적인 금속 재료와 세라믹 재료 적층 공정인 Aerosol Deposition Method(ADM)5)와 cold spray의 한계점을 극복하기 위해 고안되었다.
특히 PEDOT:PSS 코팅 층의 두께는 투과도 변화를 높이는데 매우 중요한 특성이다. 성능의 향상을 위해 소자 변색 부의 투명도를 결정짓는 PEDOT:PSS 및 TiO2복합체의 두께를 최적화시키고, 변색 소자 층을 제작한 후 투과도 변화 분석을 진행하였다. 또한 통합 소자 내 변색소자 부분이 최적의 작동 성능을 보이는 charge balance 를 측정하고, Fig.
지금까지 얻어진 조건을 바탕으로 그림과 같이 태양 전지와 변색 소자가 결합된 통합 소자를 구성하였다. 실험 과정에서 언급한 바와 같이 통합 소자 내 변색 층의 투명도 유지를 위해 투명 Pt 용액을 코팅하여 기존의 불 투과성 Pt 전극을 대체하였다. 태양 전지의 평균적인 효율은 솔라 시뮬레이터를 통해 측정되었으며, Table 1과 같이 2.
2에 제시된 바와 같이 모두 완성한 후 전해질 주입을 위한 300 µm 두께의 공간을 surlyn(Solaronix, Switzerland, 100 µm)으로 구성하였다. 완성된 통합 소자의 태양 전지 부는 solar simulator(MsScience, Korea, Polaronix K3000)를 이용하여 효율을 측정하였다. 다음 과정으로 구성된 소자를 구동하기 위해 Fig.
태양 전지의 경우 통합 구조 소자 내 전기 변색 층에 공급할 수 있는 전압인 open circuit voltage(Voc)와 광 변환 효율이 성능으로 측정된다. 이러한 원리를 가진 NPDS를 이용해, 상기 설명된 에너지 하베스팅 시스템 내 전기변색부의 변색 층인 작동 전극(working electrode)과 태양 전지의 염료 흡착 층을 구성하는 titanium dioxide 전극 및 ion storage layer 구성 물질인 antimony tin oxide(ATO)의 적층을 실시하고, 이를 SEM 분석을 통해 확인하였으며, 염료 흡착 층의 necking을 유도할 열처리를 실시하였다. 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.
5조건에 노출시켜 태양전지 구동 및 전기변색소자 구동을 확인하였다. 이렇게 제작된 태양 전지 및 변색 소자로 구성된 통합 소자를 이루는 TiO2 광전극 층과 변색 소자 부를 SEM을 통해 분석하였으며, NPDS를 통해 성공적으로 염료 흡착 광 전극 층, 변색 소자의 PEDOT:PSS 복합체 층, 이온 저장 층이 적층되었음을 확인하였다.
6(b)에서 FTO glass 전반에 적층된 ATO 구조를 입증할 수 있었다. 이와 같이 ATO 응집체로 구성된 이온 저장 층을 제작하였다.
이후 변색 소자 부분이 제작된 sample에 EMI-TSFI(Sigma aldrich, USA)를 주입하여 full cell 구조를 제작하였고, 연속 투과도 변화와 charge balance를 확인하기 위해 potentiostat(Princeton, USA, versa STAT4)과 UVvisible spectrometer(JASCO, USA, V-650)을 이용하여 확인한 ±1.5 V 전압조건에서 투과도 변화를 측정하였고, 변색 시간은 60초로 하여 구동했다.
다음 과정으로 태양 전지 부의 투명 Pt 전극을 구현하기 위해 Pt catalyst(Solaronix, Switzerland, Platisol T/SP)를 spin coater를 이용하여 250RPM에서 코팅하고, 500℃,30분 조건에서 열처리하여 제작하였다. 이후 이렇게 제작된 광전극과 투명 전극을 이용하여 DSSC+EC cell을 제작하였으며, electrolyte는 iodolyte(Solaronix, USA, AN-50)을 이용하여 cell을 제작하였다. 태양 전지 부와 변색소자 부를 Fig.
3과 같이 회로를 디자인하고, 토글 스위치, PCB기판, 핀헤더로 구성된 회로를 제작하였다. 이후 회로와 연결하여 AM 1.5조건에 노출시켜 태양전지 구동 및 전기변색소자 구동을 확인하였다. 이렇게 제작된 태양 전지 및 변색 소자로 구성된 통합 소자를 이루는 TiO2 광전극 층과 변색 소자 부를 SEM을 통해 분석하였으며, NPDS를 통해 성공적으로 염료 흡착 광 전극 층, 변색 소자의 PEDOT:PSS 복합체 층, 이온 저장 층이 적층되었음을 확인하였다.
제작된 태양전지 및 전기 변색 통합 소자를 제작한 회로에 연결하여 에너지 하베스팅 시스템을 통한 통합 소자의 자가 구동이 가능한 지를 확인하였다. AM 1.
지금까지 얻어진 결과를 바탕으로 제작된 통합 소자 내 변색 소자 부분의 투과도 변화 성능은 이온의 이동도가 높은 EMI-TFSI 이온성 액체 전해질을 주입한 후, 측정되었다. 특히 PEDOT:PSS 코팅 층의 두께는 투과도 변화를 높이는데 매우 중요한 특성이다.
지금까지 얻어진 조건을 바탕으로 그림과 같이 태양 전지와 변색 소자가 결합된 통합 소자를 구성하였다. 실험 과정에서 언급한 바와 같이 통합 소자 내 변색 층의 투명도 유지를 위해 투명 Pt 용액을 코팅하여 기존의 불 투과성 Pt 전극을 대체하였다.
태양 전지 부와 변색소자 부를 Fig. 2에 제시된 바와 같이 모두 완성한 후 전해질 주입을 위한 300 µm 두께의 공간을 surlyn(Solaronix, Switzerland, 100 µm)으로 구성하였다.
통합 소자의 기판인 FTO glass 위에 변색 소자부의 이온 저장 층으로 사용될 30 nm의 입자 크기를 갖는 antimony tin oxide(Nano shell, USA)를 NPDS로 적층하며, 변색 소자부의 변색을 담당하는 TiO2와 PEDOT:PSS 복합 층을 구성하기 위해, 15 nm의 입자크기를 갖는 TiO2(Nanoamor, USA)를 반대편의 FTO glass에 적층한 후, PEDOT:PSS(Sigma aldrich, USA)를 spin coating 및 흡착 방식을 통해 코팅하였다. 해당 변색 층은 500 rpm의 속도로 코팅 되었으며, 3시간 동안의 annealing을 Ar 분위기에서 진행하여, 열처리를 통한 구조 변형이 최소화된 PEDOT:PSS 구조체를 형성하였다.
대상 데이터
5 V 전압조건에서 투과도 변화를 측정하였고, 변색 시간은 60초로 하여 구동했다. 한편 통합 소자의 전원 역할을 맡을 태양 전지 부는 염료의 흡착 부가될 TiO2층을 TiCl4(Junsei, Japan)처리가 된 FTO glass 위에 NPDS를 통해 적층하며, 15 nm급 TiO2분말을 사용하였다. 해당 전극 층은 1시간 동안 500℃의 온도에서 TiO2입자 간의 necking을 유도할 annealing 처리를 거치며, N719 염료(Dyesol-timo, Australia)에 24시간 동안 처리되어 완성된다.
성능/효과
본 연구에서 전기 변색부와 염료 감응 태양전지부의 경우, 나노 입자 적층 시스템 (NPDS)을 통해 제작된다.4) 통합 소자의 제작 수단으로 사용되는 NPDS는 대표적인 금속 재료와 세라믹 재료 적층 공정인 Aerosol Deposition Method(ADM)5)와 cold spray의 한계점을 극복하기 위해 고안되었다. 기존의 건식 적층 방법은 입자를 불활성/가연성 가스를 통해 가속 하여 기판에 충돌시켜 코팅층을 형성하며, ADM은 진공챔버를 이용하고, cold spray는 상압에서 적층 된다는 차이를 가지나 Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MocVD)나 sputtering에 대비해 저온, 저 진공 조건에서 적층이 가능한 장점을 가지고 있었다.
Fig. 8을 통해 FTO glass 위에 500 rpm의 속도로 PEDOT:PSS를 코팅할 경우, 약 0.57~0.60 µm 두께로 변색 층이 형성되는 것을 profiler 결과로 확인할 수 있고, 그래프에서 확인되는 sample에 따른 standard deviation은 0.03~0.04 µm로 확인되었다.
NPDS를 통해 적층된 TiO2 및 ATO 구조를 SEM을 통해 입증하고, 기판인 FTO glass 위에 성공적으로 구성되었음을 확인하였다. TiO2구조의 경우 Fig.
본 연구를 통해 태양 전지와 전기 변색 통합 구조로 제작된 소자가 정상적으로 작동함을 확인하였다. SEM 결과를 통해 NPDS로 적층된 TiO2 변색 물질 흡착 층 및 이온 저장 층과 태양 전지의 전극이 성공적으로 적층 되었음을 확인하였고, PEDOT:PSS 변색 층이 TiO2위에 코팅되었음을 입증하였다. 이 중 변색 물질인 PEDOT:PSS는 기존의 spin-coating 방식을 통해 500 rpm의 코팅 조건에서 제작되어 ±1.
11(c)와 같은 변색 반응을 일으키는 것을 확인하였다. 기존의 변색 소자와는 달리 상대전극 부분의 투명 Pt 및 상대적으로 낮은 전압 환경으로 인해 변색 소자 부분의 투과도 변화 성능은 Fig. 12에서 보이듯이 26% 가량으로 낮았지만 500회 작동 후, cycle 평가를 통해 투과도 변화 정도를 1회 작동 시와 동일하게 유지하는 내구성을 가지는 것을 Fig. 13의 C-V 측정 결과로 확인하였다.
9의 결과와 같이 최대 49%로 분석되었다. 또한 동일 전압에서 500cycles의 내구성 테스트를 통해 cycle을 이루는 그래프의 크기를 유지함을 확인하여 Fig. 10과 같이 소자가 500회 구동 동안 투과도 변화를 유지할 수 있음을 입증하였다.
또한 통합 소자 내 제작된 2개의 태양 전지의 Voc의 합이 1.32 V로 측정되어 통합 소자 내 변색 소자의 최적 구동 전압인±1.5 V에 근접하는 전압을 공급할 수 있음을 해당 실험으로 입증하였다.
5 V의 구동전압에서 약 49%의 투과도 변화를 보였고, 도입된 흡착 공정을 통해 제작된 PEDOT: PSS 변색 층은 동일 구동 전압에서 약 45%의 투과도 변화를 보임을 확인하였다. 또한 통합 소자가 에너지 하베스팅 시스템을 통해 태양 전지에서 발생한 전압으로 변색 소자를 구동시키며, 투명 Pt 전극의 한계로 2.5%의 낮은 태양 전지 효율에도 불구하고, 변색 소자가 작동될 수있는 1.32 V의 전압을 발생시킬 수 있음을 알 수 있었다. 이를 통해 통합 소자 내 변색 소자가 최대 26%의 투과도 변화를 보이며, 500회의 cycle 테스트에서 성능과 내구성의 유지를 입증하여 NPDS를 통해 제작한 통합 소자와 자체 제작한 에너지 하베스팅 시스템이 성공적으로 구현되었음을 확인하였다.
본 연구를 통해 태양 전지와 전기 변색 통합 구조로 제작된 소자가 정상적으로 작동함을 확인하였다. SEM 결과를 통해 NPDS로 적층된 TiO2 변색 물질 흡착 층 및 이온 저장 층과 태양 전지의 전극이 성공적으로 적층 되었음을 확인하였고, PEDOT:PSS 변색 층이 TiO2위에 코팅되었음을 입증하였다.
이 중 변색 물질인 PEDOT:PSS는 기존의 spin-coating 방식을 통해 500 rpm의 코팅 조건에서 제작되어 ±1.5 V의 구동전압에서 약 49%의 투과도 변화를 보였고, 도입된 흡착 공정을 통해 제작된 PEDOT: PSS 변색 층은 동일 구동 전압에서 약 45%의 투과도 변화를 보임을 확인하였다.
이를 통해 낮은 spin-coating 속도로 충분한 변색 효과가 발생할 수 있는 두께의 코팅 층이 제작되었고, ±1.5 V의 전압 조건에서 투과도 변화의 경우 Fig. 9의 결과와 같이 최대 49%로 분석되었다.
32 V의 전압을 발생시킬 수 있음을 알 수 있었다. 이를 통해 통합 소자 내 변색 소자가 최대 26%의 투과도 변화를 보이며, 500회의 cycle 테스트에서 성능과 내구성의 유지를 입증하여 NPDS를 통해 제작한 통합 소자와 자체 제작한 에너지 하베스팅 시스템이 성공적으로 구현되었음을 확인하였다.
실험 과정에서 언급한 바와 같이 통합 소자 내 변색 층의 투명도 유지를 위해 투명 Pt 용액을 코팅하여 기존의 불 투과성 Pt 전극을 대체하였다. 태양 전지의 평균적인 효율은 솔라 시뮬레이터를 통해 측정되었으며, Table 1과 같이 2.5%로 낮음을 확인하였다. 이는 태양 전지의 상대 전극으로 사용한 투명 Pt 위에 TiO2적층을 위한 TiCl4처리를 하여 형성되는 TiO2막의 영향으로 파악된다.
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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