[논문]티타니아 나노튜브를 이용한 염료감응 태양전지

김태현; 정지훈

doi:10.9713/kcer.2018.56.4.447

[국내논문] 티타니아 나노튜브를 이용한 염료감응 태양전지
Titania Nanotube-based Dye-sensitized Solar Cells 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.56 no.4, 2018년, pp.447 - 452

초록
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HF, NaF, $NH_4F$와 같이 플루오르 이온(F-)이 함유된 전해질에서 티타늄 금속판을 양극산화시켜 $0.34{\mu}m$부터 최대 $8.9{\mu}m$까지 다양한 길이의 티타니아 나노튜브(TNT)를 제조하였다. 양극산화에 의해 제조된 TNT를 $450^{\circ}C$에서 소성시키면 광 활성을 가지는 아나타제 결정이 생성되었다. TNT 기반 염료감응 태양전지(DSSC)는 TNT 길이가 $2.5{\mu}m$일때 광전환 효율이 4.71%로 최대를 나타내었다. 이 값은 티타니아 페이스트를 코팅하여 제작한 FTO 기반 DSSC의 광전환 효율 보다 약 18% 높았다. 또한 TNT-DSSC의 단락전류밀도($J_{sc}$)는 $9.74mA/cm^2$로 FTO-DSSC의 $7.19mA/cm^2$ 보다 약 35% 이상 높았다. TNT-DSSC 태양전지의 광전환 효율이 더 높은 이유는 염료에서 생성된 광전자가 TNT를 통해 전극 표면으로 빨리 전달되어 광전자와 염료가 재결합 되는 것이 억제되었기 때문이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Titanium nanotubes (TNT) of various lengths ranging from $0.34^{\circ}C$ to a maximum of $8.9^{\circ}C$ were prepared by anodizing a titanium metal sheet in an electrolyte containing fluorine ion ($F^-$) of HF, NaF and $NH_4F$. When TNT prepared by anodizing was calcined at $450^{\circ}C$, anatase crystals with photo activity were formed. The TNT-based dye-sensitized solar cell (DSSC) showed a maximum conversion efficiency of 4.71% when the TNT length was $2.5{\mu}m$. This value was about 18% higher than photo conversion efficiency of the FTO-based DSSC coated with titania paste. And the short circuit current density ($J_{sc}$) of the TNT-DSSC was $9.74mA/cm^2$, which was about 35% higher than the $7.19mA/cm^2$ of FTO-DSSC. The reason for the higher conversion efficiency of TNT-DSSC solar cells is that photoelectrons generated from dyes are rapidly transferred to the electrode surface through TNT, and the recombination of photoelectrons and dyes is suppressed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

태양전지의 광전환 효율 측정시에는 빛을 광전극(anode) 방향에서 조사하는 것이 일반적이지만, TNT 광전극은 불투명하여 빛이 투과되지 않으므로 대전극(cathode) 방향에서 빛을 조사하여 효율을 측정하였다. 따라서 비교대상인 FTO 광전극을 가진 DSSC의 효율도 대전극 방향에서 빛을 조사하여 측정하였다.
본 연구팀은 앞선 연구에서 티타늄을 양극산화 시켜 다양한 길이와 특성을 가지는 티타니아 나노튜브를 제조하기 위한 전해질의 종류, 양극산화 시간, 양극산화 전압 등을 밝힌바 있다[12,13]. 이에 본 연구에서는 기존 연구를 바탕으로 티타늄 금속 표면에 양극산화를 이용하여 다양한 길이의 TNT 박막을 생성시키고, 이를 이용하여 DSSC를 제조한 후, 그 효율을 측정하여 TNT가 DSSC 효율에 미치는 영향을 파악하였다.
본 연구팀은 앞선 연구에서 티타늄을 양극산화 시켜 다양한 길이와 특성을 가지는 티타니아 나노튜브를 제조하기 위한 전해질의 종류, 양극산화 시간, 양극산화 전압 등을 밝힌바 있다[12,13]. 이에 본 연구에서는 기존 연구를 바탕으로 티타늄 금속 표면에 양극산화를 이용하여 다양한 길이의 TNT 박막을 생성시키고, 이를 이용하여 DSSC를 제조한 후, 그 효율을 측정하여 TNT가 DSSC 효율에 미치는 영향을 파악하였다.

가설 설정

길이가 긴 TNT의 제조를 위해서는 수용성 전해질 대신 유기 용매 전해질이 효과적이라고 알려져 있다[14,15]. 양극산화는 1시간에서 최대 9시간까지 진행하였으며, 이때 양극산화 전압은 20 V로고정하였다. 전해질 종류에 따른 양극산화 조건을 Table 1에 나타내었다.

제안 방법

HF, NaF, NH₄F 등 플루오르 이온(F-)이 함유된 전해질에서 티타늄 금속판을 양극 산화시켜 표면에 수직으로 배열된 티타니아 나노튜브(TNT)를 생성시켰다. 이때 전해질 조성, 시간에 따라 0.
이후 루테늄 계열의 염료인 40 mM N719 (Solaronix)를 용해시킨 acetonitrile과 tert-butyl alcohol 혼합액에 24시간 동안 담가 TiO₂ 표면에 염료를 흡착시켰다. TNT 광전극과 광전환 효율을 비교하기 위해 FTO(Fluorine doped Tin Oxide) 유리에 TiO₂ 페이스트를 1회에서 5회까지 스크린 프린팅한 광전극도 함께 제작 하였다.
TNT를 성장시키지 않은 티타늄 평판에는 TiO2 페이스트를 4회 프린팅 하여 TiO2 두께를 12 µm로 하였고, 길이가 각각 0.35 µm, 2.5 µm, 5.3 µm, 8.9 µm인 TNT 표면에는 TiO2 페이스트를 각각 4회(12 µm), 3회(10 µm), 2회(7 µm), 1회(4 µm) 프린팅하여 TNT와 TiO2를 합한 전체 두께를 각각 12.3 µm, 12.5 µm, 12.3 µm, 12.9 µm로 만든 후 광전환 효율을 측정하였다.
TNT의 표면 및 단면의 형태는 FE-SEM (JEOL Model JSM-6500F)으로관찰하였으며결정구조는 X선회절분석기 (PANalytical)로 확인하였다. 스크린 프린팅한 TiO₂의 두께는 알파스텝으로 측정하였다.
광전극(anode)은 양극산화법으로 제조된 2 cm×2 cm 크기의 TNT 표면에 염료의 결합력을 증가시키기 위해 TiO2 페이스트(Dysol, DSL 90T)를 스크린 프린팅하여 제조하였다.
대전극(cathode)은 FTO 유리를 광전극과 같은 2 cm×2 cm 크기로 자르고 전해질 주입 구멍을 뚫은 후, 표면에 5 mM H2PtCl6 (Aldrich) 용액을 30초간 1500 RPM으로 스핀코팅 하였다.
5 (100 mW/cm²) 밝기 하에서 측정하였다. 태양전지의 광전환 효율 측정시에는 빛을 광전극(anode) 방향에서 조사하는 것이 일반적이지만, TNT 광전극은 불투명하여 빛이 투과되지 않으므로 대전극(cathode) 방향에서 빛을 조사하여 효율을 측정하였다. 따라서 비교대상인 FTO 광전극을 가진 DSSC의 효율도 대전극 방향에서 빛을 조사하여 측정하였다.
태양전지의 광전환 효율을 확인하기 위한 전류-전압 곡선은 모의 태양장치(Luzchem Photoreactors, LZCX-SSR)와 소스미터(Keithley, 2400)를 사용하여 AM-1.5 (100 mW/cm²) 밝기 하에서 측정하였다. 태양전지의 광전환 효율 측정시에는 빛을 광전극(anode) 방향에서 조사하는 것이 일반적이지만, TNT 광전극은 불투명하여 빛이 투과되지 않으므로 대전극(cathode) 방향에서 빛을 조사하여 효율을 측정하였다.
표면에 TNT가 생성된 티타늄 금속판을 광전극으로 사용하여 DSSC를 제조하였다. TNT 기반 DSSC의 대전극 방향에서 빛을 조사하여 효율을 측정한 결과 2.

대상 데이터

세척 과정을 거친 티타늄은 직류전원 공급장치를 이용하여 주어진 전압, 시간 및 전해질에서 양극산화를 실시하였으며 음극으로는 백금을 사용하였다[11]. TNT 제조에 사용된 전해질은 불소이온(F^-)이 포함된 HF, NaF, NH₄F를 수용성 용매 및 포름아마이드(fromamide)가 포함된 유기성 용매와 혼합하여 사용하였다. 길이가 긴 TNT의 제조를 위해서는 수용성 전해질 대신 유기 용매 전해질이 효과적이라고 알려져 있다[14,15].
7%) 표면의 산화막 제거를 위해 HNO₃, HF, 증류수가 3:1:1로 혼합된 용액으로 세척하였다. 세척 과정을 거친 티타늄은 직류전원 공급장치를 이용하여 주어진 전압, 시간 및 전해질에서 양극산화를 실시하였으며 음극으로는 백금을 사용하였다[11]. TNT 제조에 사용된 전해질은 불소이온(F^-)이 포함된 HF, NaF, NH₄F를 수용성 용매 및 포름아마이드(fromamide)가 포함된 유기성 용매와 혼합하여 사용하였다.

성능/효과

2.5 µm 길이의 TNT로 만든 DSSC의 경우 Jsc=9.74 mA/cm2, Voc=0.71 V, FF=0.68, η=4.71%로 TNT-DSSC 중 가장 광전환 효율이 높았다.
표면에 TNT가 생성된 티타늄 금속판을 광전극으로 사용하여 DSSC를 제조하였다. TNT 기반 DSSC의 대전극 방향에서 빛을 조사하여 효율을 측정한 결과 2.5 µm 길이의 TNT에 TiO₂를 코팅한 DSSC의 광전환 효율이 4.71%로 최대값을 나타내었다. 이는 FTO 표면에 TiO₂ 페이스트를 코팅한 FTO 기반 DSSC 최고효율 3.
TiO2 두께가 증가함에 따라 Jsc와 효율이 증가하였으며, TiO2 두께가 14 µm인 전극이 가장 높은 3.98%의 광에너지 전환 효율을 나타내었다.
98%의 광에너지 전환 효율을 나타내었다. V_oc는 TiO₂두께에 관계없이 평균 0.76 V로 거의 일정하였고, Fill Factor는 0.74에서 0.56로 TiO₂의 두께가 증가함에 따라 감소하였다. 대전극(cathode) 방향에서 빛을 조사한 경우는 광전극(anode) 방향에서 빛을 조사했을 경우보다 J_sc, V_oc, FF, 효율 모두 감소한다.
대전극 방향으로 빛을 조사한 TNT 기반 DSSC와 FTO 기반 DSSC의 광전환 효율을 비교해 보면 최대 효율이 각각 4.71%와 3.98%로 TNT로 제작된 DSSC의 효율이 18% 정도 높음을 알 수 있다. 이는 티타니아 나노튜브 형태가 구형의 티타니아에 비해 전자확산 속도를 증가시켜 광전환 효율을 상승시킬 것이라는 예상과 일치하는 결과이다.
9 µm까지 다양한 길이의 TNT를 제조하였으며, 수용성 전해질에 비해 포름아마이드와 같은 유기 용매 전해질에서 상대적으로 길이가 긴 TNT를 제조할 수 있었다. 양극산화로 제조된 TNT는 450℃의 소성 과정을 거쳐 광학 활성을 가지는 아나타제(anatase)) 결정이 형성되었음을 XRD 분석을 통해 확인하였다.
19 mA/cm² 보다 약 35% 이상 높았다. 즉 TNT를 DSSC에 적용하면 구형의 티타니아에 비해 전자 이동 속도가 상승하여 광전자와 염료의 재결합을 억제되고 결과적으로 염료감응 태양전지의 광전환 효율이 상승되었다.
이결과는 전자의 이동속도를 가늠해 볼 수있는 단락 전류밀도(J_sc) 값을 비교해 보면 더욱 분명히 알 수 있다. 즉 가장 높은 TNT 기반 DSSC의 J_sc가 9.74 mA/cm²인 반면에 FTO 기반 DSSC의 J_sc는 7.19 mA/cm²으로, TNT 기반 DSSC의 J_sc가 약 35% 이상 높음을 알 수 있다. 이러한 결과는 TNT의 전자 이동 저항이 구형의 티타니아에 비해 현저히 낮기 때문에 나온 것이다.
15 M NH₄F와 5 vol% 증류수를 첨가한 전해질을 사용하여 20V에서 양극산화 시켜 제조한 TNT 표면 및 단면의 FE-SEM 결과이다. 포름아마이드를 사용한 전해질에서는 수용액을 용매로 한 전해질에 비해 짧은 시간 안에 보다 긴 TNT를 얻을 수 있었다. 양극산화후 1시간에 약 5.

후속연구

앞에서 언급한 바와 같이 TNT 기반 DSSC는 광전극(anode)이 불투명한 금속으로 되어있어 어쩔 수 없이 대전극(cathode) 방향으로 빛을 조사해야 되기 때문에 광전극 방향으로 빛을 조사하는 기존 투명전극 기반의 DSSC와 비교해서는 절대적인 광전환 효율이 낮다. 그러나 기존 투명 광전극에 비해 저렴한 전극 가격과 단순한 제조공정 등 많은 장점을 가지고 있어 앞으로 추가 연구를 통해 광전환 효율을 지속적으로 높여 나가야 할 것으로 생각된다.
DSSC는 1991년 O'Regan과 Gratzel에 의하여 개발 되었는데[2], DSSC는 자원의 제한을 적게 받으며 전지의 제조 공정이 비교적 단순하고 기술개발에 따른 원가 혁신이 가능한 미래가치가 높은 태양전지이다. 또한 공해물질의 방출이 적고 투명하며 다양한 색상구현이 가능하다는 특성을 가지고 있어서 다방면에 응용이 가능하다. 그러나 실리콘 태양전지에 비해 낮은 효율과 실용화 단계에서의 안정성 등의 문제를 가지고 있어 이를 극복하기 위한 연구가 많이 진행되고 있다[3, 4].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DSSC의 특징은?	이를 대체하기 위해 다양한 태양전지가 개발되고 있으며 그 중 하나가 염료감응형 태양전지(DSSC)이다. DSSC는 1991년 O'Regan과 Gratzel에 의하여 개발 되었는데[2], DSSC는 자원의 제한을 적게 받으며 전지의 제조 공정이 비교적 단순하고 기술개발에 따른 원가 혁신이 가능한 미래가치가 높은 태양전지이다. 또한 공해물질의 방출이 적고 투명하며 다양한 색상구현이 가능하다는 특성을 가지고 있어서 다방면에 응용이 가능하다.
	DSSC의 단점은?	또한 공해물질의 방출이 적고 투명하며 다양한 색상구현이 가능하다는 특성을 가지고 있어서 다방면에 응용이 가능하다. 그러나 실리콘 태양전지에 비해 낮은 효율과 실용화 단계에서의 안정성 등의 문제를 가지고 있어 이를 극복하기 위한 연구가 많이 진행되고 있다[3, 4]. DSSC의 효율을 저하시키는 요인으로는 염료의 낮은 광흡수 효율, 전자이동에 의한 전압손실 등 매우 다양하다.
	DSSC의 효율을 저하시키는 요인은?	그러나 실리콘 태양전지에 비해 낮은 효율과 실용화 단계에서의 안정성 등의 문제를 가지고 있어 이를 극복하기 위한 연구가 많이 진행되고 있다[3, 4]. DSSC의 효율을 저하시키는 요인으로는 염료의 낮은 광흡수 효율, 전자이동에 의한 전압손실 등 매우 다양하다. 그 중에서도 염료로부터 생성된 전자가 전극표면으로 이동하지 못하고 정공과 재결합하게 되면 전지의 효율은 크게 저하된다.

참고문헌 (15)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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