[논문]유리 표면 Etching을 이용한 염료감응 태양전지의 특성 개선 연구

김해마로; 이돈규

doi:10.7471/ikeee.2021.25.1.128

유리 표면 Etching을 이용한 염료감응 태양전지의 특성 개선 연구
A Study on the Characteristics Improvement of Dye-Sensitive Solar Cells Using Glass Surface Etching 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.25 no.1, 2021년, pp.128 - 132

김해마로 (Dept. of Electrical Engineering, Dong-Eui University) , 이돈규 (Dept. of Electrical Engineering, Dong-Eui University)

초록
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본 논문에서는 표면 Texturing 방법 중 습식 에칭법을 이용하여 태양전지에 사용되는 전극의 표면을 거칠게 처리하였고, 표면 처리 후 TiO2 산화물 반도체를 사용한 염료 감응 태양전지를 제작하였다. 표면 처리된 전극을 에칭 시간에 따른 분광특성을 측정 분석하였으며, 에칭 시간에 따라 제작한 TiO2 염료 감응 태양전지의 전기적 특성을 평가함으로써 표면 처리에 따른 태양전지의 효율 향상에 관한 연구를 진행하였다. 결과적으로 전극 표면을 10분간 에칭 처리한 태양전지의 경우 기존 효율과 비교하였을 때, 약 27.46[%] 개선됨을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the surface of electrodes used in solar cells was roughened using wet etching method among surface texturing method, and after surface treatment, dye sensitive solar cell using TiO2 oxide semiconductor was produced. The surface spectroscopic properties of surface treated electrodes were analyzed according to etching time, and by evaluating the electrical properties of TiO2 dye-sensitized solar cells produced according to etching time, the study on improving the efficiency of solar cells according to surface treatment was conducted. As a result, solar cells that etched the electrode surface for 10 minutes could see an improvement of about 27.46[%] over their existing efficiency.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Etching process of glass substrate surface. 그림 1. 유리 기판 표면 에칭 처리 과정
그림 Fig. 2. Surface treated Dye-Sensitized Solar Cells structure. 그림 2. 표면 처리된 염료 감응 태양전지 구조
그림 Fig. 3. Transmittance of photo electrode by Etching Time. 그림 3. 에칭 시간에 따른 광 전극의 투과도
그림 Fig. 4. Reflectance of photo electrode by Etching Time. 그림 4. 에칭 시간에 따른 광 전극의 반사도
그림 Fig. 5. Dye Absorption energy by substrate treatment. 그림 5. 표면 처리에 따른 염료 흡수 에너지
그림 Fig. 6. I-V characteristics curve by Etching time. 그림 6. Etching 시간에 따른 I-V 특성곡선
표 Table 1. Characteristics of DSSC by Etching time. 표 1. Etching 시간에 따른 DSSC 특성

AI 본문요약
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문제 정의

그림 6은 표면처리 전후의 FTO 유리 기판으로제작한 TiO_염료 감응태양전지의 I-V 특성곡선을 나타낸 것으로 실제 태양전지 제작 시 효율이 개선됨을 확인하기 위해 측정하였다.
본 논문에서는 염료감응 태양전지 표면에 빛이조사될 때 발생하는 반사손실을 줄이고자 TiO_와친화력이뛰어나고, 낮은표면저항, 열적안정성및생성된전자의에너지손실을줄여주는성질을지 닌FTO유리기판을HF용액속에서일정시간에 따라표면처리한후염료감응태양전지를제작하 였다. 분광기를 이용해 표면 에칭전후의 유리 기판과광전극의투과도및반사도를측정하여분광 특성을비교분석하였다.
본 연구는 이전논문에서다룬결과를바탕으로 DSSC(Dye-Sensitized Solar Cell)에 대표적으로 사용되는 TiO_산화물 반도체를 이용하여 태양전지를 제작하고, 추가로 태양전지 상층 표면에서의반사손실을감소시키기위해FTO(Fluorinedoped TinOxide)유리기판을표면처리하여광전극으 로전달되는빛의양을증가시켜효율을개선하고 자하였다[4].유리기판의표면처리는공정과정 이매우간단하고, 컨트롤하기쉬우며, 가격이 저렴한 습식 에칭을 이용하였다.

제안 방법

7[mm]로 뚫어 주었다. 그다음 광 전극과 같은 순서로 세척 및 건조과정을 거친 뒤, "촉매역할을하는백금용액(H_PtCl_)을상대전극표면 에고르게코팅한후450[℃]온도에서30분간소성 하여상대전극을완성하였다.
HF 용액은 HF와 증류수(Distilled water, DIW) 를각각10[ml]씩1:1비율로혼합하여제조하였으 며, 유리기판을시간대별로각5분, 10분동안넣어표면처리를진행하였다.시간별로표면에칭이 끝나면증류수에서표면세척후, PI tape를 제거한 뒤 아세톤, 에탄올, 증류수순서로 초음파세척기를 통해서 10분씩 세척하였다.
Ⅱ. 본론

본논문eTiO_산화물반도체와친화력과생성된전자의에너지손실감소, 낮은 표면 저항 및 산과 염기 용액 내에서 화학적인 안정성을 가지는 FTO 유리 기판을 사용하여 표면 에칭 처리를 하였다.
였다. 분광기를 이용해 표면 에칭전후의 유리 기판과광전극의투과도및반사도를측정하여분광 특성을비교분석하였다.추가로표면처리전후의 유리기판을사용한TiO_염료감응태양전지를제 작하여I-V 특성곡선을측정하고, 각각의 단락 전류, 개방전압, 곡선 인자 및 변환효율 등의 전기적 특성을확인하였다.
시간별로표면에칭이 끝나면증류수에서표면세척후, PI tape를 제거한 뒤 아세톤, 에탄올, 증류수순서로 초음파세척기를 통해서 10분씩 세척하였다. 세척이 끝난 후, Dry Oven에서10분간건조함으로써유리기판표면에 칭처리를완료하였으며, 표면 거칠기 정도에 대한 결과는 이전논문에기재하였다[4].
위와 같이 완성된 광 전극과 상대 전극을 접합하기 위해서 광 전극 Paste 주위에 두께 60[㎛]의 Hot melt Sealing sheet 필름을올려두고상대전극과함께집게로고정한뒤120[℃]온도에서30분 간 열처리하여 두 전극을 접합시켰다. 접합 후 미리뚫어놓은상대전극의구멍을통하여액체전 해질을 주입하고, 액체형태의 전해질 누수방지를위한Coverglass를덮어줌으로써염료감응태양 전지제작을완료하였다[5-6].
유리기판의표면처리는공정과정 이매우간단하고, 컨트롤하기쉬우며, 가격이 저렴한 습식 에칭을 이용하였다. 이렇게 표면 처리한전극과염료감응태양전지의최적조건을얻기위 해서Sample을광학적, 전기적특성을연구하였다.
분광기를 이용해 표면 에칭전후의 유리 기판과광전극의투과도및반사도를측정하여분광 특성을비교분석하였다.추가로표면처리전후의 유리기판을사용한TiO_염료감응태양전지를제 작하여I-V 특성곡선을측정하고, 각각의 단락 전류, 개방전압, 곡선 인자 및 변환효율 등의 전기적 특성을확인하였다.
특성시험은 AM1.5, 100[mW/cm^]세기의 제논램프빛을태양전지표면에서조사하여이로인해생 성되는단락전류, 개방전압, 곡선인자(FF)및변환효율등의태양전지성능파라미터를표1에기 재하였다.
표면 에칭처리방법으로는 건식에칭과 비교하여 공정과정이 간편하고, 제조비용이저렴하며, 용액농도와온도만으로에칭속도를조절할수있는 습식에칭을이용하여표면처리에적용하였다.사 용되는에칭 용액으로는Particle 제거에 뛰어나며 실온에서 에칭이 가능한 HF 용액을 이용하였다.

대상 데이터

습식에칭을이용하여표면처리에적용하였다.사 용되는에칭 용액으로는Particle 제거에 뛰어나며 실온에서 에칭이 가능한 HF 용액을 이용하였다. 표면처리를진행하기에앞서HF 용액내에서에칭처리할경우기판의Backside가동시에에칭처 리되어Undercutting이발생하기때문에기판전면 의 효과를 보기 위해서 PI tape를 부착하여 이를 방지하였다.

성능/효과

FTO 유리 기판 표면을 에 칭처리하면 거칠어진표면에 의해서 다중반사가 일어나고 태양전지 내부로 더 많은 광자가 흡수될 수 있으며, 그로인해투과되는빛이광전극하층부내에서또한번난 반사가일어나더 높은 효율을 가지는 태양전지를 제작할 수 있었다. 표면 처리 전의 태양전지와 비교해10분동안표면처리한태양전지의경우단락 전류밀도가7.
결론적으로 유리 기판 표면을 일정 시간 습식에칭처리하는 경우에 염료감응 태양전지 표면에서의 반사손실은 감소하고, 염료 흡수 에너지 증가 및 변환효율을개선하는것으로 나타났다.
70[%]향상되었다.에너지변환효율의경우 2.84[%]에서3.62[%]로기존의효율보다약27.46[%] 개선되었다.
이는실제로기판하층부에서도 반사가 이루어지는 것을 확인하기 위함으로 측정결과를보면표면처리전의기판을기준으로하였 을때, 표면처리후기판모두염료에흡수되는빛의양이증가한것을볼 수 있다.이처럼염료에빛 이흡수량이증가할경우염료에서산화물반도체 로전달되는광전자의생성이증가하며, 이는태양전지에흐르는전류가향상되는것으로표면처리 후염료감응태양전지제작에사용될경우에너지 변환효율이개선될수있음을예상할 수 있다.
있었다. 표면 처리 전의 태양전지와 비교해10분동안표면처리한태양전지의경우단락 전류밀도가7.98[mA/cm^]로측정되었으며, 기준보다약17.70[%]향상되었다.에너지변환효율의경우 2.
[7].표면이 거칠게 형성된 광 전극 상층부에 빛을 조사할 경우 에칭 시간에 따라 광 투과는 증가하고, 표면에서 발생하는 반사손실은 감소하는 경향을 보였다. 이는에칭 처리를 통해거칠게형성된기판표면에서빛이난반사가되고이로인해전극 내부로더욱많은빛이투과되어기판하층부와코 팅된Paste사이에서그빛이또한번내부반사 가 이루어지면서보이는결과임을알 수 있었다.

후속연구

하지만이러한여러장점에도불구하 고염료감응태양전지가상용화되어제품으로생 산되기 위해서는 태양전지의 효율이 더욱 개선되어야하는연구과제가남아있는상태이다.이러한 염료 감응 태양전지의 효율을 향상하는 방안으로는 나노입자의 산화물 반도체의 입자크기, 결정성, 표면상태조절기술등의개발과나노입자산화물 반도체표면과의견고한결합력을가지며넓은범 위파장을흡수할수있는염료의개방등나노입 자 산화물 반도체에 관한 연구가 필요하다. 또 입사되는빛이태양전지표면을통해전지내부로모 두 투과되지 못하고 표면에서 반사되면서 발생하는 광학적 손실을 줄이기 위한 대책도 연구 개발 이루어져야 한다[1-3].

참고문헌 (7)

M. Gratzel, "Solar Energy Conversion by Dye-Sensitized Photovoltaic Cells," Imorg, Chem, Vol.44, No.20, pp.6841-6851, 2005. DOI: 10.1021/ic0508371sa
D. Zhang, T. Yoshida, T. Oekermann, K. Furuta, H. Minoura, "Room-Temperature Synthesis of Porous Nanopariculate TiO 2 Films for Flexible Dye-Sensitized Solar Cells," Adv. Funct Mater. Vol.16, pp.1228, 2006. DOI: 10.1002/adfm.200500700

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Hyunwoong Seo, Minkyu Son, Kyoungjun Lee, Jinju Jang, Jitae Hong, Heeje Kim, "The Characteristics Analysis of the Dye-Sensitized Solar Cells as the Change of Incident Angle," Journal of KSNRE, pp.124-127, 2008.
Haemaro Kim, Don-Kyu LEE, "A Study on the Electrical Characteristics of Dye-Sensitized Solar Cell with Glass Substrate surface Etching," j.inst.Korean.electr.electron.eng. Vol.23, No.2, pp. 2534-2537, 2019. DOI: 10.7471/ikeee.2019.23.2.534

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Don-Kyu LEE, "A Study on the Characteristics of Semiconductor Oxides with V 2 O 5 ," j.inst. Korean.electr.electron.eng. Vol.22, No.4, pp.965-969 2018. DOI: 10.7471/ikeee.2018.22.4.965

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Haemaro Kim, Don-Kyu LEE, "A Study on the Characteristics TiO2-Nb2O5 Semiconductor Oxides Using Dye-Sensitized Solar Cell," j.inst. Korean.electr.electron.eng. Vol.23, No.2, pp.538-542, 2019. DOI: 10.7471/ikeee.2019.23.2.538

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Haemaro Kim, Don-Kyu Lee, "A Study on the Electrical Characteristics of Dye-Sensitized solar cell with Glass substrate Etching," j.inst. Korean.electr.electron.eng, Vol.23, No.2, pp.2534-2537, 2019. DOI: 10.7471/ikeee.2019.23.2.534

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저자의 다른 논문 :

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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