광전극 두께와 PEG 첨가에 따른 DSSC의 효율 특성

Abstract

무공한 에너지원인 태양광을 활용하기 위한 연구 중 반도체 박막의 표면에서 광 전기화학반응을 일으킴으로써 광전류를 얻을 수 있는 태양전지의 개발에 많은 관심이 집중되고 있다. 현재까지 개발된 여러 종류의 태양전지 중 결정질 실리콘을 이용한 태양전지와 박막형 태양전지, 초고효율 태양전지 및 유기물 태양전지 그리고 본 논문에서 이야기할 염료감응형 태양전지(Dye Sensitized Solar Cell, 이하 DSSC)가 있다. DSSC는 Si계 태양전지와 비교하여 약한 광과 산란광에서도 상대적으로 높은 효율을 보이며, 저렴한 제조비용과 친환경적이라는 장점을 가지고 있다 [1]. 또한 DSSC는 고효율 태양전지보다 범용적인 목적에 부합하기 위한 태양전지의 저가화는 비록 효율이 낮더라도 전기의 제조 단가를 낮춰 초기 설치투자비 부담을 줄이는 방향으로 연구되고 있다. 1991년 스위스 로잔공대의 미카엘 그라첼 연구팀이 나노기술을 사용하여 DSSC에 대한 발표를 하였다 [2-4]. 발표 이후 지금까지 DSSC에 대해 많이 연구들이 진행되어왔다. DSSC는 태양으로부터 입사되는 에너지의 약 44%에 해당하는 가시광을 효과적으로 이용하기 위해 가시광의 선택적 광 흡수대를 가지는 염료분자를 이용하고 있다. 또한 태양에너지를 흡수하는 염료분자와 여기전자를 통한 전하의 이동을 담당하는 넓은 에너지 밴드 갭(band gap) 반도체의 역할이 분리되어 있다, 그리고 염료분자에서 생성된 정공은 산화-환원 프로세스를 이용한 전해질에 의해 환원되는 비교적 간단한 소자 구조를 가지며 제작 방법 또한 간단하다는 장점을 가지고 있다. 이러한 DSSC의 구동 방식은 광합성의 원리를 적용하고 있으며, 소재 또한 친환경 재료다. DSSC는 반도체 산화물에 염료(dye)를 흡착한 광전극(photo electrode), 상대전극(counter electrode), 그리고 전해질(electrolyte)로 구성된다 [5]. DSSC의 광전극은 광전변환에서 중요한 역할을 수행하며, 사용되는 재료로는 TiO2, ZnO, SnO2와 같은 넓은 에너지 밴드 갭(band gap)을 가지는 n형 전이금속 산화물이 사용된다. 광전극의 재료로써 TiO2가 현재 가장 많이 사용되고 있다 [6, 7]. 이는 TiO2가 염료 흡착을 극대화 할 수 있는 높은 내부 표면적과 비용이 싸고 비교적 쉽게 제작할 수 있으며 화학적으로 매우 안정하다는 장점을 가지고 있다는 점에 있다 [8]. 이러한 반도체 산화물의 입자 크기, 형상, 결정성, 표면 상태, 분산성 등이 DSSC의 효율에 큰 영향을 미친다 [9-14]. 또한, paste 제조 시 첨가물에 따라 형성된 TiO2 층의 표면과 형태가 다르게 나타나며 그에 따른 결과에도 다른 영향을 미친다 [15, 16]. 그러므로 TiO2 층의 두께 및 형성은 염료와 함께 DSSC의 효율을 결정짓는 요소 중에 하나이다 [17-19]. 이러한 TiO2 층을 형성하는 방법은 닥터 블레이드(doctor blade), 스핀코팅(spin coating) 그리고 스크린 프린팅(screen printing) 등이 있다 [20-22]. 본 연구에서는 TiO2 nano powder(<25nm particle size)를 이용하여 TiO2 paste를 제조하였다. 테이프 캐스팅(tape casting) 두께를 변화시켜 TiO2 paste를 닥터 블레이드 방법으로 제작된 DSSC를 제작 후 전기적 특성 및 효율을 측정 비교하였다. 그리고 제조된 TiO2 paste에 poly ethyene glycol(PEG)를 첨가한 방법을 통해 광전극의 표면에 기공을 생기시켜 일반적인 제작과 비교하였다. 또한 기공율 제어를 위하여 다양한 PEG를 첨가하였다. 이후 PEG의 분자량과 첨가량에 따라 각각 제작된 광전극을 이용하여 DSSC를 제작 후 전기적 특성 및 효율을 측정 비교하였다.

Photo electrode is an important component of DSSC, so this paper did some research on it. The electrical characteristics and efficiencies of DSSCs with fabrication with different TiO2 photo electrodes thickness, and through the method of additive into TiO2 paste, the electrical characteristics and efficiencies of DSSCs with photo electrode surface area were studied. 26 ㎛ thickness TiO2 photo electrode by produced TiO2 paste shows a 5.081% efficiency. The highest short circuit current density was a 10.476 mA/cm2. The structure of porous TiO2 film can be controlled through changing the PEG additive amount in TiO2 paste and the molecular weight of PEG. When the additive amount of PEG 20000 in TiO2 paste reaches 5%, the peak efficiency of 26 ㎛ thickness TiO2 photo electrode was 5.387% and its highest current density were 11.084 mA/cm2.