[연료전지] 염료감응형 태양전지 핵심 기술에 대하여

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[연료전지] 염료감응형 태양전지 핵심 기술에 대하여에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 전도성 기판
2. 나노 소재 및 구조
3. 대전극
4. 염료
5. 전해질 및 홀 전도체

본문내용

LUMO가 나노산화물 소재의 전도 대역 에너지보다 높아야 전지의 염료로 사용할 수 있다. 또한, 염료는 나노입자에 흡착되어있기 때문에 나노산화물과의 결합이 견고해야 한다. 그리고 효율성을 위해 열 및 광학적으로 안정성이 높아야 한다.
1.4.2 염료 기술
염료에 대한 연구는 빛과 열에 대한 안정성 확보를 중심으로 하고 있다. 염료가 대체로 유기물이라 빛과 열에 불안정하기 때문에, 염료감응형 태양전지의 상용화에 커다란 문제점이기 때문이다.
염료감응형 태양전지에 사용되는 염료는 유기금속화합물, 유기화합물 그리고 InP, CdSe 등의 양자점 무기화합물이 알려져 있다. 지금까지 알려진 염료 중에는 루테늄계 유기금속화합물이 가장 우수한 것으로 보고되고 있다. 루테늄계 염료 중에서 대표적인 것으로 붉은색을 띄는 N3(N3 염료는 수소가 4개 있으며, 이중 2개가 terabutyl ammonium 이온으로 치환 된 것을 N719로 명명)와 검은색의 N749 염료가 있다(<그림 8>에 N3와 N749의 구조와 이들 염료로 구성된 태양전지의 IPCE(incident photon-to-current conversion efficiency; 파장 함수로서 광자를 전류로 변환 시키는 효율) 특성을 비교).
루테늄 금속 유기화합물 염료의 경우 리간드에 따라 흡수 파장이 다르게 되는데 이는 금속과 리간드 π* 오비탈간의 에너지 간격이 달라지기 때문이다. <그림 9>에 보는 바와 같이 bidentate 리간드를 갖는 N719 염료에 비해 tetradentate 리간드로 치환할 경우 장파장 (적색광)으로 전이가 일어남을 볼 수 있다. 즉, 리간의 LUMO 에너지를 변화 시키거나, 전이금속의 t2g 에너지를 변화시키면 염료의 색깔과 흡수 파장 영역을 조절할 수 있다.
N3 염료는 두개의 bipyridyl 리간드에 4개의 카르복실 산 (COOH) 기가 결합되어 있는데, 수소는 상대적으로 큰 다른 양이온으로 치환 가능하다. 수소가 1개에서 4개까지 모두 4가지 유도체가 가능하지만, 염료분자에 수소가 많을수록 광전류는 높지만, 광전압과 fill factor 특성이 저하되어 전체 에너지변환 효율에 나쁜 영향을 미친다는 발표도 있다.
최근에는 루테늄계 염료분자의 bipyridyl 리간드에 긴사슬의 hydrocarbon과 파이결합 특성을 부여하여 친유성(hydrophobic) 특성과 열안정성을 동시에 가질 수 있는 염료가 개발되었다. 이들 염료는 고온의 조건에서 작동하는 태양전지뿐만 아니라 고분자 전해질 등에 적용 가능하기 때문에 장기안정성의 고체형 소자에 적합할 것으로 기대된다.
1.5 전해질 및 홀 전도체
1.5.1 염료감응형 태양전지에서의 전해질과 홀 전도체의 의미
염료감응형 태양전지의 전해질은 I / I₃ 와 같은 산화/환원 종으로 구성되어, I 는 염료분자에 전자를 제공하는 역할을 하고, 산화된 I₃ 는 대전극에 도달한 전자를 받아 다시 I₃로 환원되는 전달에 있어 중요한 역할을 한다. 따라서 효율성 높은 전해질 및 홀 전도체 개발 기술은 염료감응형 태양전지의 상용화와 효율성 면에서 중요한 과제이다.
1.5.2. 전해질 기술
전해질의 매질로는 acetonitrile과 같은 액체 또는 PVdF와 같은 고분자가 사용될 수 있다. 액체형의 경우 산화-환원 이온 종이 매질 내에서 신속하게 움직여 염료의 재생을 원활하게 도와주기 때문에 높은 에너지변환효율이 가능하지만, 전극간의 접합이 완벽하지 못할 경우 누액의 문제를 가지고 있다. 반면, 고분자를 매질로 채택할 경우에는 누액의 문제는 없지만 산화-환원 종의 움직임이 둔화되어 에너지 변환 효율에 나쁜 영향을 줄 수 있다.
따라서 고분자 전해질을 사용할 경우에는 산화-환원 이온 종이 매질 내에서 신속하게 전달 될 수 있도록 설계하는 것이 필요하다.
PEO계 전해질의 예로서 고분자와 Na/I₂를 이용한 전해질을 사용한 염료감응 태양전지는 100mW/cm²조건에서 1.6%의 에너지변환 효율을 보였다. 최근 S. Yanagidia 그룹에서 이온성 액체와 gelator를 사용한 고분자 전해질을 발표하였는데 100mW/cm²조건에서 5% 향상된 에너지 변환효율을 보였다. 또한, 나노입자 산화물을 고분자와 혼합한 나노 콤포지트형 전해질이 M. Gratzel 그룹에서 개발되었는데, 실리카 입자를 이온성 액체와 혼합한 유무기 복합 겔형 전해질을 사용한 이 염료감응 태양전지는 100mW/cm²조건에서 7%의 높은 변환 효율을 보여주었다.(<그림 10>)
1.5.3 홀 전도체 기술
홀 전도체를 사용할 경우, 전해질을 사용하지 않게 때문에 고체화가 더욱 쉽다. 홀 전도체로는 CuI, CuSCN과 같은 무기소재, polypyrrole과 같은 유기 소재 등이 쓰인다. 홀 전도체를 염료감응 태양전지에 적용할 경우, 높은 홀 전도도가 보이도록 홀 전도층에 필름 구조를 설계 및 제작해야 하는 것이 홀 전도체 기술의 초점이다.
홀 전도성 물질을 염료분자가 흡착된 TiO₂필름의 나노 동공에 채워 넣는 방법은 습식 또는 전기화학 법으로 가능하다. 그러나 나노 동공 속에 우수한 홀 전도 특성을 갖는 무기소재 필름을 형성하기란 쉽지 않다. 1998년 M.Gratzel 그룹에서 이러한 문제를 해결하기 위하여 비정질의 spiro 유도체인 OMeTAD 홀 전도체를 이용한 고체 염료감응형 태양전지가 개발하였다. TiO₂/dye/OMeTAD 형 고체 염료감응 태양전지는 IPCE 측정결과 520nm 가시관 파장에서 33%의 광전변환 양자효율을 보였다.
무기 홀 전도체 CuI를 나노 동공에 채워 넣기 위한 효과적인 방법 중의 하나로 이온성 액체를 이용하는 기술이 있다. <그림 12>에서 보는 바와 같이 CuI를 순수한 유기용매에 녹인 용액을 사용할 경우에는 매우 낮은 광전변환 특성을 보이는 반면, 이온성 액체를 CuI용액에 첨가한 용액을 사용하여 홀 전도성 필름을 만들 경우, 전류 및 전압이 급격히 향상됨을 알 수 있다. SEM분석 결과 이온성 액체는 CuI의 결정성장을 억제하여 나노동공에 효과적으로 채워지도록 도와주는 역할을 하는 것으로 밝혀졌다. <그림 12>는 이러한 효과를 잘 표현해주고 있다.

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