[논문]<tex> $Nb_2O_5$</tex> light scattering layer를 사용한 염료감응형 태양전지 성능 개선

최석원; 손민규; 최진호; 김수경; 김병만; 김희제

$Nb_2O_5$ light scattering layer를 사용한 염료감응형 태양전지 성능 개선
Improvement of performance of dye-sensitized solar cells using $Nb_2O_5$ light scattering layer 원문보기

대한전기학회 2011년도 제42회 하계학술대회, 2011 July 20, 2011년, pp.1503 - 1504

최석원 (부산대학교) , 손민규 (부산대학교) , 최진호 (부산대학교) , 김수경 (부산대학교) , 김병만 (부산대학교) , 김희제 (부산대학교)

초록
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염료 감응형 태양전지(Dye-sensitized Solar Cells, DSC)에서 고효율화를 위해 light scattering layer가 반도체 산화물 $TiO_2$와 함께 많이 사용되고 있다. 이것은 light scattering layer에 의해 빛의 이용률을 증가시킴으로써 DSC의 성능을 증대 시킬 수 있기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 입자크기가 크고 반사율이 좋은 $Nb_2O_5$를 light scattering layer로 사용하여 $TiO_2$ layer를 통과한 빛을 다시 반사시켜 빛의 이용률을 증대시킴으로써 DSC 성능면에서 light scattering layer를 사용하지 않았을 때보다 전류밀도와 효율을 크게 증가시키고자 하였다. 그 결과 $V_{OC}$는 0.74V, $J_{SC}$는 17.95mA/$cm^2$, FF는 0.63, ${\Box}$는 8.38%로 기존의 DSC 보다 전류밀도가 약 30%, 효율이 약 31% 증가한 좋은 결과를 얻을 수 있었다.

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 연구 중 입자가 작은 TiO₂ layer 위에 입자가 큰 light scattering layer를 입혀 빛의 흡수량을 늘려 효율을 높이는 연구는 대표적인 DSC 고효율화 연구로 각광받고 있다[2]. 따라서 본 연구에서는 투명하면서 높은 표면적을 가진 TiO₂ layer 위에 입자가 큰 Nb₂O₅를 light scattering layer로 사용하여 DSC의 성능 향상을 도모하고자 하였으며 Nb₂O₅가 light scattering layer로 사용하기에 적합한지를 분석해보았다.

제안 방법

EIS는 500kHz∼100mHz의 주파수 범위로 측정하였고 임피던스의 특성은 Nyquist diagram으로 나타내었다.
광전극을 제작하기 위하여 투명 전도성 기판(TCO: transparent conducting oxide)은 FTO(Fluorine doped SnO2:13Ώ/㎠)를 사용하였다. FTO를 아세톤, 에탄올, 증류수로 각각 10분간 세척한 후 TiO₂ paste(Ti-Nanoxide T/SP, Solaronix)를 Doctor Blade 방법을 이용하여 유효면적 0.25㎠로 도포하고 450℃에서 30분간 소성하여 일반적인 광전극을 제조하였다. 그 후, Nb₂O₅ light scattering layer를 적용하기 위하여 제조된 Nb₂O₅ paste를 Doctor Blade 방법을 이용하여 유효면적 0.
layer와 Nb2O5 light scattering layer의 반사정도를 확인하기 위하여 UV-Vis spectrophotometer(3220UV, Mecasys Inc)장비를 이용하여 투과율도 측정하였다. 그리고 광전극에 흡착되어있는 염료의 양을 확인하기 위하여 염료가 흡착된 광전극을 10mM의 NaOH용액에 담궈서 염료를 떨어뜨린후 UV-Vis spectrophotometer장비를 이용하여 흡광스펙트럼을 측정하였다.
또한, 제작된 TiO₂ layer와 Nb₂O₅ light scattering layer의 형상관찰은 주사전자현미경 FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscopy, S-4200, Hitachi)을 통해 관찰되었고 제작된 TiO₂ layer와 Nb2O5 light scattering layer의 반사정도를 확인하기 위하여 UV-Vis spectrophotometer(3220UV, Mecasys Inc)장비를 이용하여 투과율도 측정하였다. 그리고 광전극에 흡착되어있는 염료의 양을 확인하기 위하여 염료가 흡착된 광전극을 10mM의 NaOH용액에 담궈서 염료를 떨어뜨린후 UV-Vis spectrophotometer장비를 이용하여 흡광스펙트럼을 측정하였다.
먼저 Nb₂O₅를 light scattering layer로 도포하기 용이하게 하기위하여 paste 형태로 제작하였다. 이를 위해 Nb₂O₅(Sigma-Aldrich) powder 1g을 막자사발에 넣고 20분간 분쇄한 뒤 분쇄한 Nb₂O₅ powder를 Acetic acid(Sigma-Aldrich) 0.
상대전극은 FTO에 Sand-blast(Ultra-Fine Sandblaster Type FG 1-93 Restauro, SANDMASTER)를 이용하여 전해질 주입을 위한 구멍을 제작한 후 아세톤, 에탄올, 증류수로 각각 10분간 세척하였다. Pt paste(Pt-catalyst T/SP, Solaronix)를 Doctor Blade 방법을 이용하여 상대전극에 도포한 후 400℃에서 30분간 소성하였다.
셀 내부의 저항성분의 변화를 확인하기 위해 태양전지 화학분석기 (SP-150, Bio Logic science instruments)를 이용하여 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy)를 측정하였다. EIS는 500kHz∼100mHz의 주파수 범위로 측정하였고 임피던스의 특성은 Nyquist diagram으로 나타내었다.

대상 데이터

광전극을 제작하기 위하여 투명 전도성 기판(TCO: transparent conducting oxide)은 FTO(Fluorine doped SnO2:13Ώ/㎠)를 사용하였다. FTO를 아세톤, 에탄올, 증류수로 각각 10분간 세척한 후 TiO₂ paste(Ti-Nanoxide T/SP, Solaronix)를 Doctor Blade 방법을 이용하여 유효면적 0.

이론/모형

상대전극은 FTO에 Sand-blast(Ultra-Fine Sandblaster Type FG 1-93 Restauro, SANDMASTER)를 이용하여 전해질 주입을 위한 구멍을 제작한 후 아세톤, 에탄올, 증류수로 각각 10분간 세척하였다. Pt paste(Pt-catalyst T/SP, Solaronix)를 Doctor Blade 방법을 이용하여 상대전극에 도포한 후 400℃에서 30분간 소성하였다. 이렇게 만들어진 광전극과 상대전극은 60㎛ 두께의 hot-melt sealing sheet(SX 1170-60, Solaronix)를 사용해 접합시킨 후 전해질(0.
25㎠로 도포하고 450℃에서 30분간 소성하여 일반적인 광전극을 제조하였다. 그 후, Nb₂O₅ light scattering layer를 적용하기 위하여 제조된 Nb₂O₅ paste를 Doctor Blade 방법을 이용하여 유효면적 0.25㎠로 도포하고 450℃에서 30분간 소성하였다. 소성된 광전극은 0.

성능/효과

그리고 이를 실제 DSC의 light scattering layer에 적용하였을 경우, TiO₂ layer에서 통과된 빛을 다시 반사시켜 빛의 이용률을 높임으로써 오직 TiO₂ layer 층으로만 사용했을 때 보다 전류밀도와 효율이 크게 상승하였음을 확인하였다. 결과적으로 Nb₂O₅를 light scattering layer로 사용된 DSC는 유효면적 0.25cm²에서 VOC는 0.74V, J_SC는 17.95mA/㎠, FF는 0.63, 는 8.38%로 기존의 DSC보다 전류밀도가 30%, 변환 효율이 31% 상승된 결과를 얻을 수 있었다.
보다 크고 반사율이 높아 light scattering layer로 적합함을 알 수 있었다. 그리고 이를 실제 DSC의 light scattering layer에 적용하였을 경우, TiO₂ layer에서 통과된 빛을 다시 반사시켜 빛의 이용률을 높임으로써 오직 TiO₂ layer 층으로만 사용했을 때 보다 전류밀도와 효율이 크게 상승하였음을 확인하였다. 결과적으로 Nb₂O₅를 light scattering layer로 사용된 DSC는 유효면적 0.
본 연구를 통해 Nb₂O₅는 입자 크기가 기존의 TiO₂보다 크고 반사율이 높아 light scattering layer로 적합함을 알 수 있었다. 그리고 이를 실제 DSC의 light scattering layer에 적용하였을 경우, TiO₂ layer에서 통과된 빛을 다시 반사시켜 빛의 이용률을 높임으로써 오직 TiO₂ layer 층으로만 사용했을 때 보다 전류밀도와 효율이 크게 상승하였음을 확인하였다.
그림에서 보듯이 TiO₂의 입자는 약 20nm이고 Nb₂O₅의 입자는 약 300nm이다. 이를 통하여 Nb₂O₅입자가 TiO₂ 입자보다 훨씬 크기가 큼을 확인 할 수 있었다. 그림2는 TiO₂와 Nb₂O₅ layer의 투과율을 측정한 것이다.
하지만 Nb₂O₅의 입자는 입자의 크기가 TiO₂의 입자보다 훨씬 크기 때문에 빛을 잘 반사하여 투과율이 낮은 것을 볼 수가 있다. 이를 통해 Nb₂O₅는 light scattering layer로써 사용하기에 적합하다는 것을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DSC의 장점은 무엇인가?	염료 감응형 태양전지(Dye-sensitized Solar Cells, DSC)는 1991년 스위스 EPFL의 Michael Gratzel 교수가 식물의 광합성 원리를 이용하여 처음 개발한 광전기 화학 태양전지로서[1], nano결정 구조로 이루어진 산화물 반도체에 루테늄계의 염료가 흡착된 광전극과 백금이 도포된 상대전극 사이에 산화환원을 하는 전해질이 위치해있는 샌드위치 구조로 되어 있다. 이러한 DSC는 기존의 실리콘 태양전지에 비하여 제조 단가도 저렴하면서 투명하여 다양한 응용이 가능하다는 이점을 가지고 있다. 하지만 DSC는 현재 낮은 효율로 인해 상용화에 어려움이 있어 많은 연구진들에 의해 DSC 고효율화 연구가 활발히 진행되고 있다.
	염료 감응형 태양전지란 무엇인가?	염료 감응형 태양전지(Dye-sensitized Solar Cells, DSC)는 1991년 스위스 EPFL의 Michael Gratzel 교수가 식물의 광합성 원리를 이용하여 처음 개발한 광전기 화학 태양전지로서[1], nano결정 구조로 이루어진 산화물 반도체에 루테늄계의 염료가 흡착된 광전극과 백금이 도포된 상대전극 사이에 산화환원을 하는 전해질이 위치해있는 샌드위치 구조로 되어 있다. 이러한 DSC는 기존의 실리콘 태양전지에 비하여 제조 단가도 저렴하면서 투명하여 다양한 응용이 가능하다는 이점을 가지고 있다.
	염료 감응형 태양전지에 light scattering layer가 사용되는 이유는 무엇인가?	염료 감응형 태양전지(Dye-sensitized Solar Cells, DSC)에서 고효율화를 위해 light scattering layer가 반도체 산화물 $TiO_2$와 함께 많이 사용되고 있다. 이것은 light scattering layer에 의해 빛의 이용률을 증가시킴으로써 DSC의 성능을 증대 시킬 수 있기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 입자크기가 크고 반사율이 좋은 $Nb_2O_5$를 light scattering layer로 사용하여 $TiO_2$ layer를 통과한 빛을 다시 반사시켜 빛의 이용률을 증대시킴으로써 DSC 성능면에서 light scattering layer를 사용하지 않았을 때보다 전류밀도와 효율을 크게 증가시키고자 하였다.

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