연료감응태양전지제조실험

목차

ABSTRACT Ⅰ

TABLE OF CONTENTS Ⅱ

LIST OF FIGURES Ⅲ

1. INTRODUCTION 1
　
1-1. 태양전지 1
　
1-2. 태양전지의 작동원리와 종류 1

1-3. 밴드갭(band gap) 에너지 2
　
1-4. 염료감응 태양전지 (dye sensitized solar cell) 3
　　
1-4-1. 염료감응 태양전지의 원리 3
　
1-5. TiO2 5
　
1-6. 염료감응형 태양전지에 사용가능한 염료구조 5

2. EXPERIMENT 7

3. RESULTS & DISCUSSION 8
　
3-1. RESULTS 8
　
3-2. DISCUSSION 10

4. CONCLUSION 11

REFERENCES 12

fig.1. 태양전지의 기본구조 및 작동원리. 2

fig.2. 소재별 태양전지의 구조 비교. 2

fig.3. 염료감응형 태양전지의 구조 및 루테늄계 염료구조. 4

fig.4. 염료감응형 태양전지의 작동원리. 4

fig.5. anatase TiO2 필름의 표면 및 단면의 SEM 사진. 5

fig.6. 염료감응형 태양전지에 이용될 수 있는 다양한 염료의 구조. 6

fig.7. FTO의 면적을 25mm2으로 유지하기 위해 붙인 테이프. 7

fig.8. 염료감응형 태양전지의 효율(Current vs. voltage). 8

본문내용

(counter electrode)은 ITO 유리 기판 위에 백금(Pt)을 코팅하여 사용하였다. TiO2 나노튜브와 나노입자 다공성막을 무수 에탄올과 루테늄(Ru)계 유기금속화합물로 구성된 염료 용액에 24시간 동안 담근 후 꺼내어 염료가 흡착된 전극 막을 에탄올로 세척하여 상온에서 건조 시킨다. 백금이 코팅된 상대전극에 두 개의 작은 구멍을 뚫고, 다공성 전극 막 테두리에 폭 5 mm, 두께 ~60 μm로 절연성 폴리머 벽을 형성시킨 후 2~3분간 압력을 가하면 두 전극 사이의 밀폐 작업이 완료된다. 이때 전열기를 통하여 약 100 ℃를 유지시킨다. ITO 유리 기판에 뚫려 있는 두 개의 작은 구멍을 통하여 산화-환원 전해질을 전지(두 전극 사이의 공간)로 주입하고, 두 개의 구멍은 전해질이 날아가지 못하도록 작은 실링 박막과 얇은 유리판으로 밀폐한다. 그런 다음 기기를 사용하여 효율을 측정하였다.
fig.7. FTO의 면적을 25mm2으로 유지하기 위해 붙인 테이프.
3. RESULTS & DISCUSSION
3-1. Results
fig.8. 염료감응형 태양전지의 효율(Current vs. voltage)
위의 fig.8.는 염료감응형 태양전지의 효율을 측정하기위해 기기를 통해 분석한 결과를 나타낸다. 개방전압(Voc)은 태양전지에서 나오는 전류가 0일 때의 전압을 말한다. 태양전지가 낼 수 있는 가장 높은 전압이다. band gap이 큰 재료를 사용할수록 높은 값을 가진다.
단락전류(Isc)는 외부저항이 없는 상태에서 빛을 받았을 때 나타나는 전류밀도로 전압이 0일 때의 전류이다. 최대전류(Imax)와 최대전압(Vmax)이 만나는 최적의 동작점에서 발생한 전력이 태양전지의 최대 출력(Pmax) 값이 된다.
Fill Factor는 최대전력점에서의 전류 밀도와 전압 값의 곱을 Voc와 Isc의 곱으로 나눈 값이다.
----------------------- (1)
효율(η)는 전지에 의해 생산된 최대 전력과 입사광 E 사이의 비율을 말한다.
--------------------- (2)
위의 식 (2)로 만들어진 태양전지의 효율을 구하면,
%
이다.
3-2. Discussion
fig.8.의 그래프는 여러개 만들었던 것 중에서 가장 효율이 높은 것을 선택하여 나타내었다. 위의 (1), (2)식을 이용하여 FF와 효율(η)를 구하였더니 2.41675%의 효율이 측정되었다. 넣어준 TiO2의 양을 고려하였을 때 얻을 수 있는 효율은 우리가 얻은 결과 값보다 크다. 넉넉한 양을 재료를 가지고도 염료감응태양전지가 얻을 수 있는 최대 효율인 10%를 달성하지 못했던 이유를 생각해 보면 FTO기판을 옮길때 먼지나 손의 지문이 묻어 기판의 소자들이 제대로 작동하지 않아 효율이 작게 측정되었을 수 있다. 또한 닥터블레이드법으로 TiO2슬러리를 코팅시키는 과정에서 균일한 면적 안에 코팅을 했어야 했는데 테이핑할 때 정확하게 하지 않아 면적이 넓게 되어서 효율이 작을 수 있고 TiO2 powder를 PEG를 첨가하면서 섞어주는 동안 기포가 많이 생성되어서 슬러리를 코팅할 때 균일하게 도포 되지 않았을 수 있다. 그리고 슬러리를 코팅하고 나서 상온에서 잠시 동안 건조시킬 때 크랙이 생기거나 작은 기포들이 생겨 효율이 작게 나올 수 있다. 다른 이유로는 FTO에서 테이핑을 하고 슬러리를 코팅한 다음 건조시킨 후에 테이프를 다시 떼어낼 때 가 테이프와 같이 떨어졌을 경우도 생각해 볼 수 있다. 실험하는 동안 제조과정에 좀 더 세심을 기울였더라면 더 높은 효율을 가지는 태양전지를 얻었을 것이라 기대되지만 그렇게 하지 못했던 점이 아쉬웠다.
CONCLUSION
오늘 실험은 TiO2(아나타아제, powder)를 주성분으로 하는 반도체 나노입자, 태양광흡수용 염료고분자, 전해질, 투명전극 등으로 구성되어 있는 염료감응형 태양전지(DSSC)를 제작해 보는 것이 목적이다. 구조는 투명유리 위에 코팅된 투명전극, 나노입자로 구성된 TiO2 입자, 단분자층으로 코팅된 염료고분자, 그리고 두 전극 사이에 있는 50～100μm 두께의 공간을 채우고 있는 산화환원용 전해질 용액이 들어있는 구조이다. 전극은 에너지효율을 높이기 위하여 태양광이 입사하는 반대쪽 전극은 반사도가 좋은 백금을 사용하였다.
제작과정으로는 먼저 TiO2 powder에 PEG를 일정량씩 주기적으로 가하여 표면적을 넓히고 접착력을 높일 수 있도록 오랜시간 곱게 갈아준다. FTO기판위에 넓이가 25mm2이 되도록 테이핑 한 후 곱게 갈아주었던 TiO2 슬러리를 IPA로 닦아준 칼날을 이용하여 닥터블레이드법으로 FTO 기판위에 얇게 코팅을 하였다. 다음에 코팅된 기판을 상온에서 건조시킨 후 실링 고분자 박막을 붙이고 ITO를 붙였다. 전해질을 미리 구멍 낸 2개의 구멍으로 넣어주고 밀폐시켜 전해질이 날아가지 않도록 한다. 완정된 기판을 기기를 통해 효율을 측정한다.
이번 실험에서 우리가 만든 염료감응형 태양전지(DSSC)의 효율(η)는 2.41675% 였으며, 여러 가지 원인으로 인해 효율은 최대로 얻을 수 있을 만큼은 얻지 못했지만 손수 제작을 해볼 수 있었던 귀중한 시간이었다.
REFERENCES
[1] http://terms.naver.com/item.nhn?dirId=2&docId=23445
[2] TiO2를이용한 염료감응형 태양전지의 제조 및 특성, 김길성 김영순 김형일 서형기 양오봉 신형식, 화학공학, 제 44권 제 2호 통권 235호 p.p.179-186(2006)
[3] 염료감응 태양전지, 박남규, J. Korean Ind. Eng. Chem., Vol 15. No 3. May 2004, p.p 265-277
[4] 염료감응형 태양전지 현황, 김재홍,
http://www.cheric.or.kr/ippage/g/ipdata/2006/05/file/g200605-701.pdf
[5] http://blog.naver.com/iisunsunii/100065381232
[6]http://www.scienceall.com/sa_study/boardList.sca?todo=view&bbsid=48&articleid=1879

키워드

연료,   감응,   태양전지