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문제 정의
- 본 연구는 EIS 데이터와 함께 j-V 데이터 분석의 체계적인 결합 분석은 염료 감응형 태양전지의 메카니즘과 관련된 주요 변수를 이해할 수 있게 하는 유용한 도구라는 사실을 보여주며, 어떻게 상대 전극 소재를 변경하고 특성 분석을 하면 염료 감응형 태양전지의 효율 개선에 관한 통찰력을 제공한다. 또한 저비용 및 고효율 염료 감응형 태양전지를 위해 Pt에 대한 상대 전극 소재 대안을 탐구하는데 도움이 될 것이다.
- 본 연구에서는 스핀 코팅, 스크린 프린팅 제조 공정에 따른 상대 전극의 보다 정확한 비교분석을 위해 비교적 얇은 두께의 TiO2 광전극을 사용하여 발생할 수 있는 변수들을 최대한 제어하였으며, 이로 인해 제작된 셀들은 비교적 낮은 효율을 보인다. 결과적으로 SC 셀이 SP 셀보다 더 좋은 성능을 보일지라도, SC 셀의 Rs.
제안 방법
- 나노 결정 TiO2의 다공성 층은 TiO2 페이스트(TTP-20N, ENB Korea)를 doctor blading 방법으로 FTO 유리 (Pilkington TEC8, 8 Ω/square) 기판 위에 코팅하여 제조하였으며, 500℃에서 30분 동안 열처리 하였다.
- Pt 상대 전극은 동일한 FTO 유리 기판 위에 50 mM농도의 chloroplatinic acid hexahydrate (H2PtCl6·6H2O) ethanol 용액과 Pt 페이스트(PT-1, Dyesol, Australia)를 이용하여 각각 스핀 코팅과 스크린 프린팅 공정을 통해 제조하였다.
- 액체 전해질은 상대 전극에 뚫려 있는 구멍을 통해 셀에 직접 주입되었으며, 투명 테이프 조각을 이용하여 밀봉하였다. Pt/전해질/Pt 전극 배열로 구성된 대칭형 더미 셀 또한 각각의 Pt 상대 전극을 이용하여 염료 감응형 태양전지와 유사한 방법으로 접합 및 제작하였다.
- j-V 곡선은 potentiostat(Model 273A, EG&G, USA)을 이용하여 셀의 short circuit부터 open circuit 범위까지의 전압을 인가하며 측정하였다.
- 제조된 Pt 상대 전극의 표면 형태는 atomic force microscope (AFM, MultiMode 8, Bruker, USA)으로 분석하였다. 광기전력 측정은 AM 1.5 스펙트럼 조건 하에서 3A solar simulator (XES-40S1, San-EiElectric Co. Ltd., Japan)를 이용하였으며 빛의 세기는 실리콘 광전다이오드를 기준으로 1 sun 강도(100mW/cm2)로 보정되었다. j-V 곡선은 potentiostat(Model 273A, EG&G, USA)을 이용하여 셀의 short circuit부터 open circuit 범위까지의 전압을 인가하며 측정하였다.
- 대칭형 더미 셀의 EIS 스펙트럼은 셀의 Voc에서 측정하였으며, linear sweep voltammogram (LSV)는 10 mVs-1의 스캔속도로 –1.0에서+1.0 V까지의 인가 전압 범위에서 측정하였다.
- , USA)에서 염료 감응형 태양전지의 적절한 등가 회로로 피팅하였다. 모든 EIS 측정은 100 kHz에서 100 mHz까지의 진동수 영역에서 주파수를 변화시키며 수행되었으며, j-V 곡선과 동일한 1 sun 강도의 조건을 유지하며 셀의 open circuit voltage (Voc)부터 Pmax에 해당하는 전압 값까지 50mV의 간격으로 측정하였다. 조정 전압의 진폭은 10mV로 설정하였다.
- 본 연구에서는 스핀 코팅과 스크린 프린팅 각각의 코팅 공정과 Pt 전구체의 열분해를 통해 제조한 두 가지의 다른 Pt 상대 전극을 이용하여 염료 감응형 태양전지를 제작하고, 다이오드 모델 측면에서 광기전력 성능을 비교 분석하였다9). 제작된 Pt 상대 전극은 전기화학적으로 분석되었으며, 얻어진 주요 요소인 RCE는 상대 전극의 표면 형태뿐만 아니라 염료 감응형 태양전지의 current density-voltage (j-V) 곡선과 밀접한 관계가 있음을 확인할 수 있었다.
- 본 연구에서는 스핀 코팅과 스크린 프린팅 공정과 Pt 전구체의 열분해를 통해 제조한 두 가지의 다른 Pt 상대 전극을 이용하여 염료 감응형 태양전지를 제작하고, 다이오드 모델 측면에서 광기전력 성능을 분석 및 고찰하였다.
- j-V 곡선은 potentiostat(Model 273A, EG&G, USA)을 이용하여 셀의 short circuit부터 open circuit 범위까지의 전압을 인가하며 측정하였다. 셀의 electrochemical impedance spectroscopy (EIS) 스펙트럼은 진동수 측정기(frequency response analyzer, SI 1255, Solartron, USA)가 장착된 동일한 potentiostat으로 측정하였다. 측정된 EIS 데이터는 Zview software (version 3.
- 염료 감응형 태양전지의 광기전력 성능의 체계적인 분석을 위해, 각기 다른 SC, SP 상대 전극으로 구성된 염료 감응형 태양전지의 EIS 스펙트럼을 1SUN 조건 하에서 다양한 전압에서 측정하였다. (Fig.
- 각각의 공정을 통해 Pt 전구체가 코팅된 FTO 유리 기판은 380℃에서 20분 유지하는 조건하에 열처리하였다. 염료가 흡착된 광전극과 Pt 상대 전극은 surlyn 필름(Meltonix 1170-60,Solaronix SA, Switzerland)을 이용하여 샌드위치 형태로 조립하였다. 셀의 접합은 hot-press (QM900M,Qmesys, Korea)를 이용하여 80℃에서 열과 일정 압력을 가하며 접합하였다.
- 제조된 Pt 상대 전극의 표면 형태는 atomic force microscope (AFM, MultiMode 8, Bruker, USA)으로 분석하였다.
대상 데이터
- 별도의 언급이 없다면 실험에 사용된 모든 시약과 용매는 Sigma Aldrich에서 구입하여 사용하였다. 나노 결정 TiO2의 다공성 층은 TiO2 페이스트(TTP-20N, ENB Korea)를 doctor blading 방법으로 FTO 유리 (Pilkington TEC8, 8 Ω/square) 기판 위에 코팅하여 제조하였으며, 500℃에서 30분 동안 열처리 하였다.
- 액체 전해질은 acetonitrile과 valeronitrile (부피비 85:15)에 0.6 M 1-butyl-3-methylimidazolium iodide (BMII), 0.1 M I2, 0.1 M guanidinium thiocyanate와 0.5 M 4-tert-butylpyridine (TBP)을 해당 농도로 용해하여 제조하였다. 액체 전해질은 상대 전극에 뚫려 있는 구멍을 통해 셀에 직접 주입되었으며, 투명 테이프 조각을 이용하여 밀봉하였다.
- 셀의 electrochemical impedance spectroscopy (EIS) 스펙트럼은 진동수 측정기(frequency response analyzer, SI 1255, Solartron, USA)가 장착된 동일한 potentiostat으로 측정하였다. 측정된 EIS 데이터는 Zview software (version 3.1, Seribner Associates Inc., USA)에서 염료 감응형 태양전지의 적절한 등가 회로로 피팅하였다. 모든 EIS 측정은 100 kHz에서 100 mHz까지의 진동수 영역에서 주파수를 변화시키며 수행되었으며, j-V 곡선과 동일한 1 sun 강도의 조건을 유지하며 셀의 open circuit voltage (Voc)부터 Pmax에 해당하는 전압 값까지 50mV의 간격으로 측정하였다.
이론/모형
- 5a의 등가 회로를 이용하여 각 구성 요소들로 표현 및 분석하였다11). 염료 감응형 태양전지의 Rs, 상대 전극에서 전하 이동 저항(RCE), 그리고 TiO2/전해질 계면에서의 재결합(recombination) 저항(Rr)과 같은 변수들은 다른 문헌에서 언급한 방 ent thermally decomposed Pt electrodes SC and SP 법을 따라 계산하였다11,13).
성능/효과
- 1) 열적으로 분해된 Pt 상대 전극은 Pt 전구체의 스핀 코팅과 스크린 프린팅 공정 방법에 기인하는 표면 형태로 인해 서로 다른 촉매 성질을 보인다.
- 2) 전기화학적 분석 결과, Pt 상대 전극의 촉매 효과와 염료 감응형 태양전지의 광기전력 성능의 두 결과는 매우 밀접한 연관성을 보인다.
- 3) 상대 전극의 표면 특성 변화는 염료 감응형 태양전지의 Rs 및 RCE 값에 영향을 주며, 이로 인해 셀의 ff 값에 관련 있는 Rs.total 값을 변화시켜 셀의 효율을 변화시킨다.
- 1은 FTO 유리 기판 위에 열적으로 분해된 Pt 상대 전극의 표면 AFM 이미지를 보여준다. AFM 이미지로부터 스핀 코팅으로 제조된 전극(spin coating, SC)에 분포된 Pt 나노입자가 스크린 프린팅으로 제조된 전극(screen printing, SP)의 Pt 나노입자보다 입자의 사이즈가 비교적 미세하고 균일함을 명확하게 관찰할 수 있다. Fig.
- 결과적으로 SC 셀의 효율(efficiency, η)은 SP 셀의 효율보다 높은 값을 보인다.
- 광전극을 사용하여 발생할 수 있는 변수들을 최대한 제어하였으며, 이로 인해 제작된 셀들은 비교적 낮은 효율을 보인다. 결과적으로 SC 셀이 SP 셀보다 더 좋은 성능을 보일지라도, SC 셀의 Rs.total 값이 현재 범위보다 더 낮아질 수 있도록 Pt 상대 전극을 개선한다면(고 효율의 염료 감응형 태양전지에 대한 Rs.total 값이 5.0 Ωcm2인 것을 고려한다면) 염료 감응형 태양전지의 광기 전력 성능 향상에 대한 효과를 기대할 수 있다. 만약 SC에 대한 Rs.
- 6b)에서 구해지며, 이로부터 SC, SP 두 셀의j0과 β 값의 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있다. 이 결과는 Pt 상대 전극의 촉매 활성도가 염료 감응형 태양전지의 ff의 차이에 확실히 주요한 요인의 역할을 한다는 것을 뚜렷하게 제안한다.
- . 제작된 Pt 상대 전극은 전기화학적으로 분석되었으며, 얻어진 주요 요소인 RCE는 상대 전극의 표면 형태뿐만 아니라 염료 감응형 태양전지의 current density-voltage (j-V) 곡선과 밀접한 관계가 있음을 확인할 수 있었다.
- total 값의 차이는 주로 RCE 값의 차이로부터 발생된다. 해당 결과는 대칭형 더미 셀의 EIS 데이터로부터 얻어진 Rct 값과도 일치하며, 타당한 결과로 판단할 수 있다.
- 해당 모델은 광전극에서 전자의 Fermi 에너지 레벨(EF), 전해질의 산화환원 전압(Eredox), 두 에너지 레벨 사이의 차이인 전압 VF (qVF = EF – Eredox)와같은 염료 감응형 태양전지 광전극의 j-V 곡선을 설명하는데 명확하고 유효한 방법이다.
후속연구
- 본 연구는 EIS 데이터와 함께 j-V 데이터 분석의 체계적인 결합 분석은 염료 감응형 태양전지의 메카니즘과 관련된 주요 변수를 이해할 수 있게 하는 유용한 도구라는 사실을 보여주며, 어떻게 상대 전극 소재를 변경하고 특성 분석을 하면 염료 감응형 태양전지의 효율 개선에 관한 통찰력을 제공한다. 또한 저비용 및 고효율 염료 감응형 태양전지를 위해 Pt에 대한 상대 전극 소재 대안을 탐구하는데 도움이 될 것이다.
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