염료감응태양전지

목차

1. Abstract --------------------------------------------------------3
2. Introduction------------------------------------------------------4
　2-1. 태양전지------------------------------------------------------4
　2-2. 태양전지의 원리------------------------------------------------4
　2-3. 태양전지의 종류------------------------------------------------4
　2-4. 염료감응 태양전지(DSSC)----------------------------------------5
　2-5. 염료감응 태양전지의 작동원리----------------------------------8
　2-6. 염료감응 태양전지를 구성하는 재료-----------------------------8
　　2-6-1. 나노결정 반도체 산화물 소재-------------------------------8
3. Experiment------------------------------------------------------10
4. Results & Discussion----------------------------------------------11
5. Conclusion-------------------------------------------------------13
6. References-------------------------------------------------------14
(*List of figures 는 별도 첨부, page. 15∼ 18)

본문내용

cm2 을 갖는 FTO유리 기판을 사용했다. FTO 기판위에 코팅하기 위해 2ml Polyethylene glycol( PEG, Junsei, average MW of 20,000) 용액을 0.5g 의 Tio2 powder에 0.1씩 소량 첨가하면서 약 1시간 30분동안 으깨고 혼합하여 균일한 Tio2 슬러리를 만든 후 FTO 기판위에 칼날을 사용하여 얇게 펴바른다. 30분정도 상온에서 건조시켰다. 투명 전도성 기판위에 놓이는 산화물 전극으로 Tio2를 사용했다. 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, 다공성 전극 막 테두리에 절연성 폴리머를 형성 시킨 후 압력을 가해서 두 전극을 밀폐시켰다. 이것을 무수 에탄올과 루테늄(Ru)계 유기금속 화합물로 구성된 염료 용액에 24시간동안 담근 후 꺼내어 염료가 흡착된 전극 막을 IPA(Iso-Propyl Acetate) 로 세척하여 상온에서 건조시켰다. 그리고 FTO 유리 기판에 뚫려 있는 두 개의 작은 구멍을 통하여 산화-환원 전해질을 두 전극 사이의 공간으로 주입하고 두 개의 구멍은 작을 실링 박막과 얇은 유리판으로 접착시켰다. 이 때 전해질이 전극 밖으로 나오지 않게 해야 했으며 실링 박막과 얇은 유리판을 인두로 접착시킬 때 데이지 않도록 조심했고 또한 인두를 누르는 힘에 의해 얇은 유리판이 깨지지 않도록 조심했다. 이렇게 해서 완성된 연료전지를 고온을 가해서 실링 박막을 녹여주었고 그로인해 두 전극이 떨어지지 않게 되었다. 마지막으로 효율을 측정했다.
4. Results & Discussion
위의 식에서와 같이 Fill Factor 의 값을 계산해보면,
이다.
또, 변환 효율 ( Conversion Efficiency ) 은 다음 식으로 구할 수 있다.
위의 식과 같이 계산해보면,
이다.
5. Conclusion
이번 실험의 목적은 Tio2를 이용한 염료감응 태양전지를 제조하는 실험이었다. 앞서 서술했듯이, DSSC는 투명유리인 FTO(Fluoride-doped Tin Oxide) 위에 코팅된 투명전극에 접착되어 있는 나노입자로 구성된 다공질 Tio2 입자위에 단분자층으로 코팅된 염료고분자, 그리고 두 전극 사이에 있는 50~100m 두께의 공간을 채우고 있는 산화환원용 전해질 용액이 들어있는 구조로 되어있다. 전극은 일반적으로 에너지 효율을 높이기 위하여 태양광이 입사하는 상대 전극은 반사도가 좋은 백금을 사용했다. 메커니즘을 간략히 서술하자면, 태양광이 전지에 입사되면 광양자는 염료고분자에 의해 흡수되고 염료는 태양광흡수에 의해 여기상태로 되고 전자를 Tio2 전도대로 보낸다. 전자는 전극으로 이동하여 외부회로로 흘러가서 전기에너지를 전달하고, 에너지를 전달한 만큼 낮은 에너지 상태로 상대전극으로 이동한다. 염료는 Tio2에 전달한 전자 수 만큼 전해질 용액으로부터 공급받아 원래의 상태로 돌아가게 되는데, 이 때 우리가 사용한 전해질(Acetonitrile)은 산화환원에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 염료에 전달한다. 이에 따라 전지의 개방전압(open-circuit potential, VOC) 은 Tio2 반도체의 페르미 에너지 준위와 전해질의 산화환원 준위의 차이에 따라 결정되는 것이다. 이러한 과정을 거쳐서 우리가 제작한 염료감응 태양전지의 에너지 효율()은 1.4079이었고 개방전압(open-circuit potential, VOC), 단락전류(short-circuit current, ISC) 와 Fill Factor(FF) 값은 각각 0.6639V, 22368.2 mV/cm2 와 0.009481%이 나왔다.
이번 실험을 통해서 주목받고 있는 차세대에너지 중 하나인 태양전지를 직접 만들어 봄으로써 앞으로의 미래가 어떨지 생각해보는 계기가 되었다. 전기사용량이 많은 우리나라에서 염료감응 태양전지나 실리콘 태양전지 혹은 유기 박막 태양전지를 하루빨리 상업화해서 조금이나마 경제적 부담을 덜었으면 하는 생각이 들었다.
6. References
1. TiO2나노튜브를 이용한 염료감응형 태양전지의 특성연구/
[학술자료] 공학>화학공학>학위논문 /저자 : 이현철/출처 : 전북대 대학원
2. 차세대_태양전지/삼성경제연구소
3. 1-5. 염료감응형 태양전지 제조공정과 기술개발 및 시장전망/삼성경제연구소
4. 탄소입자를 이용한 작업전극의 제조방법 및 이를 이용한 염료감응 태양전지 [특허 ] 특허실용/출원인: 재단법인서울대학교산학협력재단 발명자/고안자: 성영은 강순형 김재엽 외 1명 실용출원번호: 1020060123835 (2006.12.07)
5. 다공성 박막의 제조 방법, 이를 이용하는 염료감응 태양전지 및 그 제조방법
[특허] 특허실용/ 출원인: 한국전자통신연구원 발명자/고안자: 박종혁 강만구 전용석 외 4명 실용출원번호:1020070077140 (2007.07.31)
6. Tio2를 이용한 염료감응형 태양전지의 제조 및 특성/ 김길성 김영순 김형일 서형기 양오봉 신형식/화학공학, 제 44권 제 2호 통권 235호(2006년 4월),pp. 179-186/서울: 한국화학공학회, 2006.4.30. 발행/
*List of figures
Figure 1. 태양전지의 기본구조
Figure 2. 태양전지의 종류
Figure 3. dye-sensitized solar cell
Figure 4. DSSC의 기본구조 및 동작원리
Figure 5. 완성된 DSSC의 예
Figure 6. 이론적으로 구한 산화물의 전도띠 에너지(ECB) 및 실험적으로 얻은
flat band potential(En).
(빗금 친 부분은 염료감응 태양전지용 전극으로 사용가능한
물질의 전도띠 에너지 영역).
Figure 7. 아나타제(anatase) 및 루타일(rutile) Tio2 필름의 표면 및 단면 sem 사진.

키워드

염료감응,   태양전지,   신재생