[논문]티타늄 박막을 이용한 염료감응형 태양전지 모듈 특성에 관한 연구

오병윤; 김필중

doi:10.7471/ikeee.2021.25.1.69

티타늄 박막을 이용한 염료감응형 태양전지 모듈 특성에 관한 연구
A Study on the Characteristics of Dye-sensitized Solar Cell Module Using Titanium Thin Film 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.25 no.1, 2021년, pp.69 - 75

오병윤 (R&D Division, Cheomdanlab Inc.) , 김필중 (Dept. of Electronics, Chosun College of Science&Tech.)

초록
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본 연구에서는 티타늄(Ti) 금속 박막을 사용해서 값비싼 산화주석(FTO) 전극을 대체된 염료감응형 태양전지(DSSC)의 제작 방법과 전기적 특성에 대해서 고찰하였다. Ti 박막의 증착 시간을 조절하여 박막의 두께를 변화시켰으며, Ti 박막의 두께가 두꺼워지면서 표면저항은 감소하였다. 대략 190nm 두께에서 FTO 박막의 표면저항과 비슷해짐을 알 수 있었으며, 250nm 두께에서 DSSC의 에너지 변환효율 4.24%로 가장 높았다. 더 나아가 DSSC 모듈을 제작해 평가함으로써 상용화의 가능성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, we consider the fabrication method and electrical characteristics of dye-sensitized solar cells (DSSCs), which use titanium (Ti) metal thin films to replace expensive fluorine tin oxide (FTO) electrodes. The thickness of the Ti thin film was changed by adjusting the deposition time of the Ti, and the surface resistance decreased as the thickness of the Ti thin film became thicker. The thickness of the Ti thin film was shown to be similar to the surface resistance of the FTO thin film at approximately 190nm and the DSSC with a thickness of approximately 250nm showed the highest energy conversion efficiency of 4.24%. Furthermore, the possibility of commercialization was confirmed by fabricating and evaluating the DSSC module.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. DSSC with various energy levels. 그림 1. 염료감응형 태양전지 에너지 수준[7]
그림 Fig. 2. DSSC module fabricating process diagram. 그림 2. 염료감응형 태양전지 모듈 제작 공정도
그림 Fig. 3. Change in surface resistance according to Ti thin film thickness changes. 그림 3. Ti 박막 두께 변화에 따른 면저항 변화
그림 Fig. 4. (a) FTO thin film surface shape and change in surface shape with Ti thin film thickness of (b) 190 nm, (c) 250 nm, (d) 307 nm, (e) 447 nm, and (f) 509 nm. 그림 4. (a) FTO 박막 표면형상 및 Ti 박막 두께에 따른 표면형상 변화 [(b) 190nm, (c) 250nm, (d) 307nm, (e) 447nm, (f) 509nm]
그림 Fig. 5. DSSC energy conversion efficiency according to Ti thin film thickness changes. 그림 5. Ti 박막 두께 변화에 따른 DSSC 에너지 변환효율
그림 Fig. 6. DSSC module with Ti thin film and energy conversion efficiency. 그림 6. Ti를 적용한 DSSC 모듈 및 에너지 변환효율
표 Table 1. Photovoltaic characteristics of DSSCs with change in Ti thin film thickness. 표 1. Ti 박막 두께 변화에 따른 염료감응 태양전지의 광전특성

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 염료감응형 태양전지 재료 data-checked="false">저감목적으로Ti박막을전자빔증착법을사용하여형 성하고, 증착시간을달리하여박막의두께에따라단위셀의전기적특성변화를관찰하며, 이중높은변환효율 조건을기반으로모듈을제작하여전기변환효율특성을평가하고자한다.
본 연구에서는 염료감응형 태양전지(DSSC) 제조단가를 상승시키는 주원인 중 하나인 산화주석 (FTO)도전성재료를대체할수있는물질에대해 고찰하였다.도전성재료를대체할수있는물질로 티타늄(Ti) 금속 전극 사용을 제안하였으며, data-checked="false">전기적특성을향상시키기위해서Ti박막의두께변화 하였다.
본연구에서는염료감응형태양전지의재료저감목적으로 FTO 유리기판 대신 Ti 박막을 전자빔증착법(electron beam evaporator)을 사용하여 형성하였고, 박막의두께에따른박박특성을분석하고자 하였다. 우선 유리(non-alkali glass) 기판을 15×13mm로 재단하고 초음파 세척기를 data-checked="false">이용하여세정하였다.

제안 방법

data-checked="false">단위셀공정과는달리Ti박막을레이저패터닝해서3개의 셀로 분리시켰으며 기판을 세척하였다. Ti 박막이증착된 기판에 TiO₂광전극 페이스트를 코팅해서광전극 기판을 형성하고, 투명한 전도성 기판에는 Pt 페이스트를 인쇄하여 상대전극 기판을 data-checked="false">형성하였다.전자를원활히포집하기위해서도전성페이 스트를인쇄해서그리드(grid)와버스바(busbar)를 형성시켰다.
세정한유리기판을이빔장비(electron beamevaporator)에로딩한후2×10^-6Torr고진공 하에서 Ti 박막을증착하였다.Ti 증착 시간을 data-checked="false">조절하여박막의두께를190nm에서509nm까지대략 50nm간격으로조절하였다.
상대전극eFTO유리기판위에백금(Solaronix, Platisol T/SP)을 닥터 블레이드 방법으로 코팅한후120℃에서 20분간건조한후450℃에서30분간소성하였다. 광전극과 상대전극은 60㎛의 두께를갖는Surlyn(Meltonix1170-60series, data-checked="false">Solaronix)을사용하여120℃에서10분간열을가하여샌드위치 모양으로접합하였다.전해액을주입하여염료감응 형태양전지단위셀을제작하였다.
있었다.금속 박막이전극용으로사용될때저항이낮게되면태 양광에의해생성된전자의이송에도움을주기때 문에박막의두께변화가에너지변환효율에미치 는 영향을살펴보았다.
고찰하였다.도전성재료를대체할수있는물질로 티타늄(Ti) 금속 전극 사용을 제안하였으며, data-checked="false">전기적특성을향상시키기위해서Ti박막의두께변화 하였다.Ti박막의두께가두꺼워질수록표면의미 세 입자들은 작은 덩이 모양의 입자로 변하였고, FTO기판보다낮은8Ω/sq.
5mM N₇₁9(Ruthenizer 535 bis-TBA, Solaronix) 염료에 넣고 40℃에서 4 시간동안 염료를흡착시킨후, data-checked="false">에틸알코올을이용하여과흡착된염료를세척하여광전극을제작하였 다.상대전극eFTO유리기판위에백금(Solaronix, Platisol T/SP)을 닥터 블레이드 방법으로 코팅한후120℃에서 20분간건조한후450℃에서30분간소성하였다. 광전극과 상대전극은 60㎛의 두께를갖는Surlyn(Meltonix1170-60series, data-checked="false">Solaronix)을사용하여120℃에서10분간열을가하여샌드위치 모양으로접합하였다.
5mM N₇₁9 염료에 담지해 염료를 흡착하였다. 염료가흡착된광전극기판과 상대전극기판을60 ㎛의두께를갖는Surlyn을사용하여120℃에서10 분간 열을 가해 접합하였다. 최종적으로 전해질을주입하고 외부를 실링하여 염료감응형 data-checked="false">태양전지모듈을제작한후에너지변환효율을평가하였다.
유리기판위에증착된Ti 금속전극은면저항을측정하기위해4-pointprobe(CMT-SR2000, CHANG MINCO.LTD.)를사용하였고, 표면형상과두께를확인하기 위해 FESEM(field emission scanning electron microscope, S-4700, Hitachi)을이용하여관찰하였다. 태양전지의 광전변환 특성은 AM 1.
Ti 박막이증착된 기판에 TiO₂광전극 페이스트를 코팅해서광전극 기판을 형성하고, 투명한 전도성 기판에는 Pt 페이스트를 인쇄하여 상대전극 기판을 data-checked="false">형성하였다.전자를원활히포집하기위해서도전성페이 스트를인쇄해서그리드(grid)와버스바(busbar)를 형성시켰다.120℃에서건조공정을거쳐450℃에서 광전극 및 상대전극 기판을 소성한 후 광전극을 0.
광전극과 상대전극은 60㎛의 두께를갖는Surlyn(Meltonix1170-60series, data-checked="false">Solaronix)을사용하여120℃에서10분간열을가하여샌드위치 모양으로접합하였다.전해액을주입하여염료감응 형태양전지단위셀을제작하였다.전해액은3-me thoxypropionitrile 용액 내에 0.
염료가흡착된광전극기판과 상대전극기판을60 ㎛의두께를갖는Surlyn을사용하여120℃에서10 분간 열을 가해 접합하였다. 최종적으로 전해질을주입하고 외부를 실링하여 염료감응형 data-checked="false">태양전지모듈을제작한후에너지변환효율을평가하였다.
)를사용하였고, 표면형상과두께를확인하기 위해 FESEM(field emission scanning electron microscope, S-4700, Hitachi)을이용하여관찰하였다. 태양전지의 광전변환 특성은 AM 1.5 (100㎽/㎠)조건하에서솔라시뮬레이터(solarsimulator, WXS-155S-L2, WACOM)를이용해서측정하였다.

대상 데이터

있다.설계된모듈은3셀의 Z-타입(type)이였으며, 유리기판을 43×46mm 크기로 재단하였다. data-checked="false">단위셀공정과는달리Ti박막을레이저패터닝해서3개의 셀로 분리시켰으며 기판을 세척하였다.
우선 유리(non-alkali glass) 기판을 15×13mm로 재단하고 초음파 세척기를 data-checked="false">이용하여세정하였다.세정한유리기판을이빔장비(electron beamevaporator)에로딩한후2×10^-6Torr고진공 하에서 Ti 박막을증착하였다.Ti 증착 시간을 data-checked="false">조절하여박막의두께를190nm에서509nm까지대략 50nm간격으로조절하였다.
하였다. 우선 유리(non-alkali glass) 기판을 15×13mm로 재단하고 초음파 세척기를 data-checked="false">이용하여세정하였다.세정한유리기판을이빔장비(electron beamevaporator)에로딩한후2×10^-6Torr고진공 하에서 Ti 박막을증착하였다.
전해액을주입하여염료감응 형태양전지단위셀을제작하였다.전해액은3-me thoxypropionitrile 용액 내에 0.1M lithium iodide (LiI), 0.05Miodine(I₂), 0.5M4-tert-butylpyridine, 0.6MIonLicDMPII(1, 2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide, Solaronix)으로제조한것을사용하였다.

성능/효과

효율은 단위 셀에비해 다소감소된경향을보였고, 이것은태양전지의면적이커지면서 내부저항상승과전자의손실로인해발생되는 것으로 알려져 있다. 3셀 염료감응형 태양전지 모듈의 광전변환효율을 측정한 결과 평균 2.91%로 측정되었다.
FTO기판과면저항이비슷한Ti박막의두께가 190nm일때에너지변환효율은3.78%였으며, 250nm 일 때 최고의 효율인 4.24%를 보였다. 표 1은 Ti 박막두께변화에따른염료감응형태양전지의광 전특성을 보여주고있다.
이하의면저항을갖는 Ti 박막의 두께는 250nm 이상이었다. Ti 박막의두께가 250nm일 때 DSSC 에너지 광전변환 효율이 4.24%까지 증가하다가 다시 감소하는 data-checked="false">경향을보였다.이것은단락전류밀도가감소했기때문으로 볼 수 있다.
Ti박막의두께가두꺼워질수록면저항이감소하였기 때문에 에너지 변환효율이 지속적으로 증가할 것으로 기대되었으나, 에너지 변환효율이 data-checked="false">다시감소하는경향을보였다.이것eTi박막의두께의 두꺼워짐에따라단락전류밀도가감소했기때문으 로볼수있다[11].
이것은단락전류밀도가감소했기때문으로 볼 수 있다. 더 나아가 상용화의 가능성을평가하기위해서3셀DSSC모듈을제작하였고, 태양전지면적이 커지면서 내부저항 상승과 전자의 손실로인해셀효율보다낮은2.91%로얻을 수 있었다.

후속연구

이것eTi박막의결 정성이향상됨을의미한다.이러한형상은빛을산 란시켜에너지변환효율향상을가져올수 있으며, Ti 금속 박막 위에 코팅될 TiO₂광전극 재료와의부착력이 향상될 것으로 기대된다. 염료감응형 data-checked="false">태양전지에사용되는FTO박막의경우에도박막표 면이nubbygrain의형상을하고있으며이로인해 haze의값은증가하고빛을산란시켜효율을향상 시켜준다.

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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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