[논문]전기장이 염료감응형 태양 전지의 산화티타늄 결정에 미치는 영향과 최적화에 관한 연구

홍나영; 김진경; 최진호; 최석원; 김수경; 김희제

전기장이 염료감응형 태양 전지의 산화티타늄 결정에 미치는 영향과 최적화에 관한 연구
Study on effect of electric field on $TiO_2$ crystallization and optimization of Dye Sensitized Solar Cell 원문보기

홍나영 (부산대학교 전자전기공학과) , 김진경 (부산대학교 전자전기공학과) , 최진호 (부산대학교 전자전기공학과) , 최석원 (부산대학교 전자전기공학과) , 김수경 (부산대학교 전자전기공학과) , 김희제 (부산대학교 전자전기공학과)

본 논문에서는 전기장이 염료감응형 태양전지 광전극의 산화반도체($TiO_2$)에 미치는 영향에 대해 설명하고 DSC의 효율과 밀접한 관련이 있는 산화반도체의 결정구조 개선에 초점을 맞추어 효율을 향상시키고자 하였다. DSC의 광전극 제조에서 FTO 기판에 doctor-blade 방법을 통해 $TiO_2$ paste 도포 한 후 소성 직전 전기장을 인가하여 입자의 결정화를 돕는다. 이때 인가 전압과 전압을 인가하는 시간을 변화시키면서 실험하였다. 그 후 $450^{\circ}C$에서 30분 동안 소성하였다. FE-SEM으로 $TiO_2$의 형태를 보고 전기장이 $TiO_2$ 결정화에 미치는 영향을 확인하였고, current-voltage 특성 분석을 통해 에너지 변환 효율과 각 요소들을 비교하였다. UV-vis spectrophotometer, EIS 측정으로 각 DSC의 광 흡수율과 $TiO_2$/염료/전해질 영역에서의 저항을 분석하였다. 그 결과 전기장이 가해진 $TiO_2$의 결정이 더 잘 배열된 것을 확인하였고, 그로인해 에너지 변환 효율이 7.09%에서 8.65%로 증가한 것을 알 수 있었다.

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문제 정의

본 논문에서는 전기장이 염료감응형 태양전지의 산화 반도체의 결정화에 미치는 영향과 최적 효율 조건에 대해 말하고 있다. 광전극의 TiO₂ 소성 전 전기장을 가하면 입자간 배열이 잘되어 결정이 고르고 빽빽하게 되는 것을 확인하였다.
본 연구에서는, TiO₂ paste에 전기장을 인가하여 TiO₂ 나노입자의 배열 상태를 변화 시키고, 전지의 출력 특성과 내부임피던스의 변화를 관찰함으로써 전자의 이동에 미치는 영향에 대해 연구하였다.

제안 방법

FE-SEM (field-emission scanning electron microscopy, S-4200, Hitachi)으로 TiO₂ 표면 구조를 관찰하였다, 전지의 출력특성은 solar simulator를 이용하여 표준 광원 1sun(100mW/cm², AM 1.5) 조건에서 source meter(Model 2400, Keithley Instrument, Inc,)로 측정하였다. 흡수 스펙트럼은 UV-vis spectrophotometer로 측정하였다.
흡수 스펙트럼은 UV-vis spectrophotometer로 측정하였다. electrochemical impedance spectroscopy (EIS, SP-150, Biologic SAS)로 10mHz~1MHz의 주파수범위에서 DSC의 내부 impedance를 측정하였다.
paste(Ti-Nanoxide HT/SP,Solaronix)를 도포한다. 그 후 15mm의 간격을 둔 두 개의 스테인리스스틸 평판 사이에 paste가 도포된 FTO 기판을 넣고 전기장을 가하였다. 이 때 전기장 세기에 대한 효율 향상을 보기위해, 인가전압을 250V, 500V, 750V로 변화시켰고, 시간에 따른 변화를 보기위해 인가시간을 변화시키며 전기장을 가하였다.
따라서 DSC의 단락전류밀도가 향상되었다. 셀 효율의 최적화를 위해서, 인가하는 전압의 세기와 인가 시간을 변화시켰다. 그 결과 인가전압 750V, 인가시간 40분일 때 최고 효율 8.
그 후 15mm의 간격을 둔 두 개의 스테인리스스틸 평판 사이에 paste가 도포된 FTO 기판을 넣고 전기장을 가하였다. 이 때 전기장 세기에 대한 효율 향상을 보기위해, 인가전압을 250V, 500V, 750V로 변화시켰고, 시간에 따른 변화를 보기위해 인가시간을 변화시키며 전기장을 가하였다. 그 후 450℃에서 30분 동안의 소성을 통해 다공성 구조를 형성하였다.
5) 조건에서 source meter(Model 2400, Keithley Instrument, Inc,)로 측정하였다. 흡수 스펙트럼은 UV-vis spectrophotometer로 측정하였다. electrochemical impedance spectroscopy (EIS, SP-150, Biologic SAS)로 10mHz~1MHz의 주파수범위에서 DSC의 내부 impedance를 측정하였다.

대상 데이터

그 후 450℃에서 30분 동안의 소성을 통해 다공성 구조를 형성하였다. 0.5mM 농도의 N719 염료(Ru(2,20bipyridyl-4,40dic arboxylate)2 (NCS)2, Solaronix)에 광전극을 24시간동안 침지시켜 염료를 흡착시켰다. 그 후 99.

성능/효과

본 논문에서는 전기장이 염료감응형 태양전지의 산화 반도체의 결정화에 미치는 영향과 최적 효율 조건에 대해 말하고 있다. 광전극의 TiO₂ 소성 전 전기장을 가하면 입자간 배열이 잘되어 결정이 고르고 빽빽하게 되는 것을 확인하였다. 전기장의 영향으로 TiO₂ 입자 사이의 전기적 접촉이 향상되고, TiO₂/염료/전해질 영역에서의 저항이 감소하였다.
셀 효율의 최적화를 위해서, 인가하는 전압의 세기와 인가 시간을 변화시켰다. 그 결과 인가전압 750V, 인가시간 40분일 때 최고 효율 8.65%를 보였다. 이는 전기장을 가하지 않았을 때의 효율 7.
60분 간 전기장을 인가한 TiO₂ paste의 경우 도포된 형태가 불균일한 모습을 보였는데, 너무 오랜 시간 전기장을 가하면 TiO₂ 입자들 사이의 결합이 흐트려져 TiO₂의 결정화에 좋지 않은 영향을 미치기 때문이다. 실험결과 인가 시간은 40분일 때 최대 효율인 8.56%의 효율을 보였다.
전기장을 가하지 않은 전지의 R₂ 값은 60Ω정도이고 750V의 전압을 가한 전지의 R₂ 값은 25Ω정도로, 전기장이 인가된 셀의 저항이 줄어든 것을 알 수 있다. 이는 TiO₂/염료/전해질 영역에서의 전자이동과 관련된 저항이 감소한 것이므로 내부 임피던스 분석을 통해서도 전기장을 가한 경우 TiO₂층 내에서의 전자의 이동이 더 활발하게 이루어짐을 확인할 수 있었다.
표 2는 전기장 인가 시간을 변화시켰을 때 전지들의 출력 특성을 나타낸 것이고, 그림 3은 셀의 I-V 특성곡선을 보여준다. 인가 시간을 증가시킬수록 에너지 변환 효율은 증가하는 경향을 보였다. 전기장을 인가하는 시간이 증가할수록 TiO₂의 결정배열이 고르게 이루어져 전류밀도가 증가한다.
표 1에 따르면 인가전압이 증가할 때 개방 전압은 거의 변화가 없지만 전류밀도가 증가함으로 인해 에너지 변환 효율은 점차 증가하였다. 최대 효율은 인가전압 750V에서 8.65%로 가장 높게 나타났다. 이는 전기장을 가하지 않았을 때의 효율 7.

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