[논문]그리드 전극을 이용한 염료감응형 태양전지의 효율 향상 연구

서현웅; 손민규; 이경준; 김정훈; 홍지태; 김희제

[국내논문] 그리드 전극을 이용한 염료감응형 태양전지의 효율 향상 연구
A study on the improvement of the efficiency of dye-sensitized solar cell using grid electrode 원문보기

서현웅 (부산대학교) , 손민규 (부산대학교) , 이경준 (부산대학교) , 김정훈 (부산대학교) , 홍지태 (부산대학교) , 김희제 (부산대학교)

염료감응형 태양전지는 투명성과 광입사각 둔감성 등의 장점을 바탕으로 미래 태양전지 시장을 주도할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 이러한 염료감응형 태양전지의 실용화를 위해서는 고효율 연구뿐만 아니라 대면적화를 통한 용량의 증대 연구도 요구된다. 본 연구에서는 금속 재료로 염료감응형 태양전지 내에 그리드 전극을 삽입함으로써 전자 및 홀의 이동 개선과 확산 이동의 최소화에 의한 손실 감소를 통해 효율 향상을 시도했다. 또한, 투명전극의 레이저 식각을 통해 염료감응형 태양전지의 내부 저항 중 큰 비중을 차지하는 투명전극의 표면 저항도 줄이고자 했다. SEM을 통해 투명전극의 식각 상태를 확인하고, radio frequency 스퍼터를 통해 그리드 전극을 증착한 결과, 기존 셀보다 향상된 출력전류 및 fill factor를 얻을 수 있었고, 약 1%의 효율 증가를 확인할 수 있었다.

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문제 정의

본 연구에서는 염료감응형 태양전지의 실용적인 대면적화를 위해 그리드 전극을 삽입하는 형태의 셀을 제조했다. 투명전극의 레이저 식각을통해 투명전극의 표면 저항을 줄이고, 그리드 전극의 삽입을 통해 전자및 홀의 이동을 개선할 뿐만 아니라 확산에 의한 전자의 이동을 최소화함으로써 염료감응형 태양전지의 출력전류 및 fill factor를 향상시킬 수 있었다.

제안 방법

2x10_"3Torr, 100℃에서 180W의 RF sputter power로 약 150초간 스퍼터함으로써 300-400™ 두께의 그리드 층을 얻을 수 있었다. 그리고, 다공질 나노 크기의 균일 TiO₂ 입자를 닥터 블레이드 방법으로 투명전극 위에 50μI 두께로 프린팅하고 450℃, 0.5시간 동안의 소성을 통해 약 13μI 두께의 다공질 TiO₂ 층을 형성했다. 그림 2에 나타나 있는 TiO₂의 SEM 촬영을 통해 입자 확인 후, 상온에서 N₇₁9 염료 (cis-bis(isothiocyanato)bis(2, 2'-bipyridyl-4, 4'-discarboxy lato)-ruthenium(II)bis-tertabutylamm onium,#)에 광 전극을 수 시간동안 침착시키고, 99.
따라서, 본 연구에서는 염료감응형 태양전지의 실용적인 대면적화를위해 Si 전지와 같이 그리드 전극을 삽입하는 형태의 셀을 제작했다. 그리드 셀은 일반적인 셀과 달리 내부에 금속 그리드 전극이 삽입되기 때문에 전해질과의 접촉으로 인해 발생하는 전자 손실을 방지하는 뛰어난실링 기술이 필수적이긴 하지만, 전지 전체의 면적을 최소화하고 전자및 홀의 이동도 개선을 통해 효율을 향상시킬 수 있는 형태의 전지이다.
그리드 전극과 투명 전도층의 적절한 식각을 통해 다양한 직, 병렬 조합이 가능하기 때문에 필요에 따라 다양한 출력을 얻을 수도 있다. 여기에서는 스퍼터링 방법을 이용해 증착이 용이한 백금(Pt)을 그리드 재료로사용해 유효면적 9cm의 염료감응형 태양전지를 제작했다.

성능/효과

이 후, Radio Frequency (RF) 스퍼터 방식으로 Pt 그리드 전극을 증착했다. 3.2x10_"3Torr, 100℃에서 180W의 RF sputter power로 약 150초간 스퍼터함으로써 300-400™ 두께의 그리드 층을 얻을 수 있었다. 그리고, 다공질 나노 크기의 균일 TiO₂ 입자를 닥터 블레이드 방법으로 투명전극 위에 50μI 두께로 프린팅하고 450℃, 0.
그림 5는 그리드 전극을 포함한 염료감응형 태양전지와, 동일한 유효 면적 (9血)의 일반형 전지의 I-V 커브를 비교한 것이다. 두 셀 모두 개방 전압(Voc)은 0.75V 정도로 유사했으나 단락 전류(Isc)에서 7.93%(64.8# 70.0mA), fill factor에서 약 0.1(0.6 → 0.7)의 향상으로 인해 약 1%의 효율 증가(3.24% → 4.17%)를 나타내었다. 앞서 설명한대로, 그리드 전극을 추가한 전지에서 출력전류 및 fill factor 증가가 나타나는 것을 확인할 수 있다.
전극을 삽입하는 형태의 셀을 제조했다. 투명전극의 레이저 식각을통해 투명전극의 표면 저항을 줄이고, 그리드 전극의 삽입을 통해 전자및 홀의 이동을 개선할 뿐만 아니라 확산에 의한 전자의 이동을 최소화함으로써 염료감응형 태양전지의 출력전류 및 fill factor를 향상시킬 수 있었다. 본 실험에서 제작한 전지는 유효면적 9顷였지만, 더 큰 면적의전지가 제작 가능한 설비 및 프린팅, 실링 기술 등이 확보되는 경우, 실용적인 전원으로 동작 가능한 염료감응형 태양전지를 얻을 수 있을 것이라 기대한다.

후속연구

1991년 스위스의 그래첼 교수가개발한 이래로[1] 염료감응형 태양전지는 지속적인 연구가 세계적으로진행되고 있다. 나노 단위의 넓은 표면적을 갖는 염료감응형 태양전지는이론상의 효율이 33%일 뿐만 아니라 광입사각에도 민감하지 않아서 실용화 가능한 효율에 이른다면 미래의 태양전지 시장을 주도할 것으로기대된다.[1-3]
투명전극의 레이저 식각을통해 투명전극의 표면 저항을 줄이고, 그리드 전극의 삽입을 통해 전자및 홀의 이동을 개선할 뿐만 아니라 확산에 의한 전자의 이동을 최소화함으로써 염료감응형 태양전지의 출력전류 및 fill factor를 향상시킬 수 있었다. 본 실험에서 제작한 전지는 유효면적 9顷였지만, 더 큰 면적의전지가 제작 가능한 설비 및 프린팅, 실링 기술 등이 확보되는 경우, 실용적인 전원으로 동작 가능한 염료감응형 태양전지를 얻을 수 있을 것이라 기대한다.

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