연료감응형태양전지실험

목차

Abstract --------------------------------------------------------3

1. Instroduction---------------------------------------------------4

1-1. 연료감응형 태양전지--------------------------------------------4

1-2. 연료감응형 태양전지의 원리--------------------------------------5

1-3. 에너지 밴드 갭(Energy Band Gap)--------------------------------5

1-4. 광촉매------------------------------------------------------6

1-5. TiO2의 Anatase 결정형----------------------------------------7

2. Experiment----------------------------------------------------8

2-1. 시약 및 장치-------------------------------------------------8

2-2. 실험 방법---------------------------------------------------8

3. Results & Discussion--------------------------------------------9

3-1. Results-----------------------------------------------------9

4. Conclusion-----------------------------------------------------10

Fig.1. 염료 감응형 태양전지의 기본 구조---------------------------------3

Fig.2. 연료감응 태양전지 구조 및 원리----------------------------------4

Fig.3. Energy band gap--------------------------------------------5

Fig.4. 광촉매의 구조.-----------------------------------------------6

Fig.5. 나노결정 아나타제 TiO2 필름의 주사현미경(SEM)사진------------------6

본문내용

상태, 즉 외부저항이 없는 상태에서 빛을 받았을 때 나타나는 역방향(음의 값) 의 전류밀도이다.
Fill Factor : fill factor는 빛이 가해진 상태에서 J-V곡선의 모양이 사각형에 얼마나 가까운가를 나타내는 지표이다. 태양전지의 효율 η은 전지에 의해 생산된 최대 전력과 입사광 에너지 Pin 사이의 비율이다.
Conversion Efficiency : 태양전지의 효율 η은 전지에 의해 생산된 최대 전력과 입사광 에너지 Pin 사이의 비율이다.
4. Conclusion
TiO2를 이용한 염료감응형 태양전지를 제조하였다. 염료감응형 태양전지는 광전기 화학형에 속하며, 유기 분자형 pn 접합형과 유사하다. 기본구조는 투명유리 위에 코팅된 투명전극, 나노입자로 구성된 다공질 TiO2, TiO2 입자, 단분자층으로 코팅된 염료고분자, 그리고 두 전극 사이에 있는 50～100μm 두께의 공간을 채우고 있는 산화환원용 전해질 용액이 들어있는 샌드위치 구조를 지니고 있다. 전극은 양쪽을 투명전극을 사용하기도 하지만, 일반적으로 에너지효율을 높이기 위하여 태양광이 입사하는 반대쪽 전극은 반사도가 좋은 백금을 사용하고 있다. 표면에 염료 분자가 화학적으로 흡착된 n-형 나노입자 반도체 산화물 전극에 태양 빛(가시광선)이 흡수되면 염료분자는 전자-홀 쌍을 생성하며, 전자는 반도체 산화물의 전도띠로 주입된다. 반도체 산화물 전극으로 주입된 전자는 나노입자 간 계면을 통하여 투명 전도성막으로 전달되어 전류를 발생 시키게 된다. 염료 분자에 생성된 홀은 산화-환원 전해질에 의해 전자를 받아 다시 환원되어 염료감응 태양전지 작동 과정이 완성된다. 빛에너지를 흡수한 루테늄계 염료는 바닥상태에서 들뜬 상태로 전이(d→π)한 후 두 가지 과정을 거쳐 전자주입이 이루어진다. 열화되지 않은 단일항 들뜬 상태로부터 반도체 전도띠로 전자주입 되는 과정과 내부 진동-이완 과정을 거쳐 삼중항 들뜬 상태로 이동된 열화전자가 주입되는 과정. 이 때 전자주입은 펨토초 내지 피코초의 매우 빠른 속도로 주입되며, 산화된 염료는 수 나노초 내에 재생된다. 반면 전자가 표면 상태를 거쳐 전해질로 손실되는 재결합 속도는 마이크로-밀리 초로 다소 느리기 때문에 대부준의 광전자는 반도체 전도띠로 주입되어 전자 전달에 참여하여 광전기 에너지 변환 효율이 우수하며, 아울러 장기 안정성 또한 우수함이 실험적으로 증명되었다.
실험방법으로는 2ml Polyethylene glycol용액을 0.5g 의 TiO2 powder에 0.1씩 소량 첨가하면서 약 1시간동안 으깨고 혼합하여 균일한 TiO2 슬러리를 만든다. 슬러리에 있는 기포를 한쪽으로 조심스럽게 이동시킨 후 슬러리를 채취한다. 그리고 FTO 기판위에 칼날을 사용하여 두손으로 얇게 바른다. 30분정도 상온에서 건조시켰다. 산화-환원 전해질로는 아세토니트릴(Acetonitrile)에 0.3M LiI 와 0.015M I2를 혼합하여 사용했다. 전해질에 출력 전압을 증가시키기 위해 2M tert-butyl pyridine를 첨가제로 사용했다. 상대 전극(Counter electrode)은 FTO 기판 위에 백금(Pt)을 코팅하여 사용했다. 백금이 코팅된 상대전극에 두 개의 작은 구멍을 뚫고, 압력을 가해서 폴리머로 두 전극을 밀폐시켰다. 이것을 무수 에탄올과 루테늄(Ru)계 유기금속 화합물로 구성된 염료 용액에 24시간동안 담근 후 꺼내어 염료가 흡착된 전극막을 IPA(Iso-Propyl Acetate) 로 세척하여 상온에서 건조시켰다. 그리고 FTO 유리 기판에 뚫려 있는 두 개의 작은 구멍을 통하여 전해질을 두 전극 사이의 공간으로 주입하고 두 개의 구멍은 작을 실링 박막과 얇은 유리판으로 접착시켰다. 그리고 유리판이 깨지지 않도록 조심했다. 이렇게 해서 완성된 연료전지를 고온을 가해서 실링 박막을 녹여주었고 그로인해 두 전극이 떨어지지 않게 되었다. 마지막으로 효율을 측정했다.
Fill Factor는 0.013082, Voc는 0.625373, Isc는 17887.1이 나왔다. 이것으로 Conversion Efficiency를 구하면 99.99%가 나왔다.
샘플을 5개정도 만들었지만 도중에 염료가 벗겨지거나 TiO2벗겨진 샘플에 대해서는 효율을 측정하지 못하였다. 효율은 너무 잘 나오지 않았고 너무 못 나오지도 않았다. TiO2를 으깰때 더 많은 힘을 줬거나, FTO로 옮길 때 최대한 기포가 없게 했더라면 좋은 효율이 나오지 않았을까 하는 생각이 든다.

키워드

연료,   감응,   태양전지