[논문]높은 결정성을 갖는 이산화티탄 나노입자의 합성

김기출

doi:10.22156/cs4smb.2017.7.5.053

초록
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석유 고갈의 시대에 저가이면서 반투명한 특징을 갖고 있는 염료감응형 태양전지(DSC)는 1991년 $Gr{\ddot{a}}tzel$의 연구결과 보고 이후 많은 주목을 받아왔다. 염료감응형 태양전지의 광전극의 빛 수확 성능을 증진시키고, 궁극적으로 광전변환효율을 향상시키기 위하여 다양한 구조를 갖는 산란층이 광전극 소재로 제안되었다. DSC 광전극의 산란층에서 산란의 중심으로는 지름이 250 - 300 nm 정도의 크기를 갖는 비교적 큰 이산화티탄 나노입자가 필요하다. 본 연구에서는 변형된 졸겔 공정을 이용하여 약 300 nm 크기의 이산화티탄 나노결정을 합성하였다. XRD와 TEM 분석결과에 의하면, 합성된 이산화티탄 나노입자는 아나타제 상의 단결정 특성을 나타내었다. 합성된 이산화티탄 나노입자를 이용하여 스핀 코팅 공정으로 제조된 이산화티탄 박막의 광학적 투과율은 550 nm 파장에서 약 50%로 측정되었다. 이처럼 적당한 투과율은 DSC 산란층의 산란 중심으로 사용하기에 적합하며, DSC의 광전변환효율 향상에 적절하게 기여할 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the age of oil exhaustion, low cost, semi-transparent solar cell, the dye-sensitized solar cell (DSC) has attracted significant attention since 1991 of $Gr{\ddot{a}}tzel$ report. To enhance the light-harvest capability of the photoelectric electrode, and efficiency of photoelectric tra...

In the age of oil exhaustion, low cost, semi-transparent solar cell, the dye-sensitized solar cell (DSC) has attracted significant attention since 1991 of $Gr{\ddot{a}}tzel$ report. To enhance the light-harvest capability of the photoelectric electrode, and efficiency of photoelectric transformation of the DSC, scattering layer of various structure have been proposed to photoelectric electrode materials. The scattering center of scattering layer needs the large titanium dioxide nanoparticles of 250 - 300 nm in diameter. In this study, the large sized $TiO_2$ nanocyrstals of around 300 nm were synthesized using the modified sol-gel process. According to the analysis of XRD and TEM, the synthesized $TiO_2$ nanoparticles exhibit single crystals of anatase phase. The optical transmittance of the synthesized titanium dioxide film prepared by spin coating is around 50% at 550 nm. It is suitable for scattering layer as a scattering center, and expected to enhance the efficiency of photoelectric transformation of the DSC.

주제어

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문제 정의

본 연구에서는 염료감응형 태양전지의 광전극 소재 내부에서 빛 수확 성능을 향상시키고, 궁극적으로는 DSC의 광전변환효율을 높이기 위하여 삽입하는 산란층으로 적용하기에 적합한 250 nm ∼ 300 nm 크기의 높은 결정성을 갖는 이산화티탄 나노입자를 합성하였다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 DSC의 광전극 소재에 적용하여 빛 수확을 증진시키고, 궁극적으로는 염료감응형 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있는 산란층에 적용가능한 높은 결정성을 갖는 이산화티탄 나노입자를 졸겔 공정으로 합성하였다.
이산화티탄 콜로이드를 졸겔 공정을 변형하여 합성하였다. 전구체인 Titanium(IV) Butoxide (Ti(OBuⁿ)₄)에 킬레이트 시약인 Acetylacetone (AcAc)을 가수분해 반응과 축합반응을 조절하기 위하여 1:4의 몰비로 혼합하였다.
합성된 이산화티탄 나노입자의 크기와 모양 및 결정성을 조사하기 위하여 투과전자현미경 분석을 실시하였다. 시편은 TEM Grid 위에 합성된 이산화티탄 졸을 떨어뜨린 후 건조시켜서 준비하였고, 분석 결과를 Fig.
4에는 합성된 시료 S1과 S2의 광학적 투과율을 UV-visible Spectrometer로 측정한 결과를 나타내었다. 합성된 이산화티탄 졸을 스핀 코팅 공정으로 슬라이드 기판 위에 코팅하고 200 ℃에서 2분간 건조시킨 다음에 측정한 투과율과 450 ℃에서 2시간동안 열처리한 시료의 투과율을 각각 측정하여 나타내었다. 열처리한 시료의 투과율이 확연하게 감소하여 DSC의 산란층에 적용하기에 충분한 것으로 판단된다.

대상 데이터

합성된 이산화티탄 나노입자의 크기와 모양 및 결정성을 조사하기 위하여 투과전자현미경 분석을 실시하였다. 시편은 TEM Grid 위에 합성된 이산화티탄 졸을 떨어뜨린 후 건조시켜서 준비하였고, 분석 결과를 Fig. 1과 Fig. 2에 나타내었다. 시료 S1의 경우, Fig.
이산화티탄 콜로이드를 졸겔 공정을 변형하여 합성하였다. 전구체인 Titanium(IV) Butoxide (Ti(OBuⁿ)₄)에 킬레이트 시약인 Acetylacetone (AcAc)을 가수분해 반응과 축합반응을 조절하기 위하여 1:4의 몰비로 혼합하였다. 상온에서 잠시 교반한 후에 30 ml의 1-butanol을 첨가하고 15분 동안 교반한 다음, 희석된 질산 수용액을 몇방울 떨어뜨렸다.

데이터처리

시료 S1의 경우, Fig. 1 (a)에 나타낸 것처럼 붉은색 원으로 표시된 영역에 대하여 SAED 패턴 분석을 실시하였고, 결과는 삽입된 그림으로 나타내었다. 합성된 시료의 성분분석을 위해 Fig.
합성된 이산화티탄 나노입자의 결정성을 추가적으로 확인하기 위하여 X-ray Powder Diffraction 분석을 실시하였고, 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 시료 S1의 경우 FE-TEM 분석 결과와 동일하게 아무런 Peak가 관찰되지 않는 Amorphous 상태인 것을 확인하였고, 시료 S2의 경우에는 Anatase Phase의 (101) 면과 일치하는 2θ=25.

성능/효과

1) 합성된 이산화티탄 나노입자는 높은 결정성을 가지면서 크기는 광 산란층으로 적용하기에 적합한 약 300 nm이며, DSC에 적용할 수 있는 Anatase Phase를 가지고 있었다.
2) 이산화티탄 나노입자의 경우, 광촉매 기능이나 오염방지 기능성 코팅에 적용될 경우, 높은 광학적 투과율이 바람직하지만, 염료감응형 태양전지의 광전극 소재의 내부에서 빛 수확 성능을 향상시키기 위하여 광 산란층 소재로 적용될 때에는 적당한 수준의 반사율과 투과율을 모두 갖는 것이 필요하다. 본연구에서 합성된 이산화티탄 나노입자의 경우, 550 nm 파장에서 약 50%의 투과율을 나타내어 DSC의 광 산란층에 적용하기에 적합한 것으로 판단된다.
2) 이산화티탄 나노입자의 경우, 광촉매 기능이나 오염방지 기능성 코팅에 적용될 경우, 높은 광학적 투과율이 바람직하지만, 염료감응형 태양전지의 광전극 소재의 내부에서 빛 수확 성능을 향상시키기 위하여 광 산란층 소재로 적용될 때에는 적당한 수준의 반사율과 투과율을 모두 갖는 것이 필요하다. 본연구에서 합성된 이산화티탄 나노입자의 경우, 550 nm 파장에서 약 50%의 투과율을 나타내어 DSC의 광 산란층에 적용하기에 적합한 것으로 판단된다.

후속연구

3) 20 nm 크기를 갖는 Anatase Phase의 이산화티탄 Matrix에 본 연구에서 합성된 300 nm 크기의 단결정 Anatase 나노입자를 혼합하여 DSC의 광산란층으로 적용된 DSC를 제작한다면, 빛 수확 성능의 향상에 기초하여 높은 광전변환효율를 갖는 염료 감응형 태양전지가 개발될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이산화티탄 나노입자의 활용 분야는 무엇인가?	이산화티탄 나노입자는 화학적, 광학적으로 안정하고, 독성이 없으며 높은 산화력을 가지고 있어 환경정화용 광촉매로 널리 사용되고 있다[1,2]. 또한 상대적으로 높은 에너지 밴드갭, 우수한 안정성, 높은 기전력, 낮은 재결합 확률 등으로 인하여 염료감응형 태양전지(Dye Sensitized Solar Cell, DSC)의 광전극 소재로 활용되고 있으며, 가스센서, 안료, 향균 타일 등에도 널리 이용되고 있다 [2-4]. 이산화티탄 나노입자를 합성하는 방법으로는 수열 합성법, 용매열합성법, 졸겔법, 초음파 화학적 방법 등 다양한 방법이 있다[3].
	이산화티탄 나노입자를 합성하는 방법 중 하나인 졸겔법의 장점은 무엇인가?	이산화티탄 나노입자를 합성하는 방법으로는 수열 합성법, 용매열합성법, 졸겔법, 초음파 화학적 방법 등 다양한 방법이 있다[3]. 이 중에서 졸겔법은 얇고 투명한 박막을 제작하는 것이 가능하며, 졸겔 공정에서 교반시간, 온도, 첨가물의 비율, 촉매의 종류와 양 등 매우 다양한 변수들을 조절할 수 있고, 이러한 변수들의 조절로 결정 상과 입자의 크기 및 모양 등을 자유롭게 조절할 수 있으므로 널리 사용되고 있다[3,4].
	결정질 실리콘 태양전지의 단점은 무엇인가?	현재 개발된 솔라셀은 결정질 실리콘 태양전지, 박막형 실리콘 태양전지, 염료감응형 태양전지, 페브로스카이트 태양전지 등이 있으며, 태양광 발전의 90% 정도는 결정질 실리콘 태양전지를 사용하고 있다. 하지만 결정질 실리콘 태양전지는 불투명하며, 별도의 설치공간이 필요하여 솔라셀 패널 설치를 위해서 산림을 벌목하거나, 초지를 차지해야한다. 이러한 제한조건은 태양광발전의 확대를 방해하는 요소로 작용하고 있다.

참고문헌 (15)

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J. H. Kim, H. H. Jung, J. Hwang, Y. Cho & T. Y. Lim. (2010). Properties of $TiO_2$ thin films fabricated with surfactant by a sol-gel method. Journal of the Korean Crystal Growth & Crystal Technology, 20(6), 267-271. DOI : 10.6111/jkcgct.2010.20.6.267

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