[공학, 기술, 반도체, 태양전지] 반도체 태양전지 이론 및 산업 자료

소개글

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목차

Ⅰ. 서 론
Ⅱ. 본 론
1,Solar cell 기본 원리
2. 태양전지의 효율 및 세대별 한계 및 극복 방안
3. 태양전지의 발전
Ⅲ. 결 론

본문내용

륨비소, 황화카드뮴이 또는 이것들을 복합한 것이 있으나 보통 실리콘이 많이 사용됨
염료: 염료는 광전자 발생에 직접 참여하는 소재로서, 가시광 전영역에 걸쳐 흡수가 일어나고 흡광계수가 클수록 유리하다. 염료의 LUMO는 특히 전하분리 나노산화물 소재의 전도대 에너지 보다 높게 설계해야 한다. 염료감응 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 테라부틸 암모니움 이온으로 치환된 것을 N719로 명명함)와 검은색의 N749 염료가 있다.
n-형 산화물: 염료를 흡착할 수 있는 전극 소재는 띠간격 에너지가 큰 반도체 나노결정 (직경 15-20nm) 산화물을 사용한다. 나노 크기의 물질을 사용하는 이유는 입자 크기 감소에 의한 비표면적 증가로 보다 많은 양의 광감응 염료분자를 흡착시킬 수 있기 때문이다. 입자의 크기가 수 나노미터 이하로 지나치게 작게 되면 염료 흡착량은 증가하지만, 반면 표면상태수가 증가하여 재결합 자리를 제공하게 되는 단점도 가지고 있다. 따라서 입자크기(size), 형상 (morphology), 결정성(crystallinity) 그리고 표면상태(surface state)를 조절하는 기술은 염료감응 태양전지에서 중요한 연구 테마 중의 하나가 될 수 있다. 염료감응형 태양전지용 나노 반도체 산화물을 선택할 때 가장 먼저 고려해야 할 부분은 전도띠 에너지 값이다. 반도체의 전도띠 에너지는 염료의 LUMO 보다 낮아야 한다. 현재 가장 많이 사용되는 산화물은 TiO2로서 루테늄계 염료 (상업적인 이름으로 N3, N719가 가장 많이 사용됨)의 LUMO 에너지 보다 약 0.2 eV 낮은 곳에 TiO2 전도띠 에너지가 위치하고 있다. 따라서 염료감응 태양전지 전극용 산화물을 선택할 경우 산화물의 전도띠 에너지 값을 우선적으로 고려하여야 한다.
산화-환원 전해질: 염료감응 태양전지용 전해질은 I-/I3-와 같이 산화-환원 종으로 구성되어 있으며, I- 이온의 source 로는 LiI, NaI, 알칼암모니움 요오드 또는 이미다졸리움 요오드 등이 사용되며, I3 - 이온은 I2를 용매에 녹여 생성시킨다. 전해질의 매질은 아세토니트릴과 같은 액체 또는 PVdF와 같은 고분자가 사용될 수 있다. I-는 염료분자에 전자를 제공하는 역할을 하고 산화된 I3-는 대전극에 도달한 전자를 받아 다시 I-로 환원된다. 액체형의 경우 산화 - 환원 이온 종이 매질내에서 신속하게 움직여 염료의 재생을 원활하게 도와주기 때문에 높은 에너지변환 효율이 가능하지만, 전극간의 접합이 완벽하지 못할 경우 누액의 문제를 가지고 있다. 반면 고분자를 매질로 채택할 경우에는 누액의 염려는 없지만 산화 - 환원 종의 움직임이 둔화되어 에너지변환 효율에 나쁜 영향을 줄 수 있다. 따라서 고분자 전해질을 사용할 경우에는 산화 -환원 이온 종이 매질 내에서 신속하게 전달될 수 있도록 설계하는 것이 필요하다. 고분자 전해질용 소재로는 polyacrylonitrile (PAN) 계, poly(vinylidene fluoride- cohexafluoropropylene)(PVdF) 계, 아크릴-이온성액체 조합, pyridine계, poly(ethyleneoxide) (PEO) 등이 연구되었다.
홀 전도체: 염료감응 태양전지를 고체화 하는 또 하나의 기술은 홀 전도체를 이용하는 방법이다. 홀 전도체를 사용할 경우에는 전해질을 사용하지 않기 때문에 고체화가 더욱 용이하게 된다. 염료감응 태양전지용 홀 전도체 무기물 또는 유기물이 모두 가능하다. 무기물 홀 전도체의 경우는 다음과 같은 조건을 갖추는 것이 바람직하다.
(1) p-type 홀 전도체의 가전자대(valence band) 에너지는 염료의 바닥상태 에너지 보다 높아야 한다. (2)홀 전도체는 나노산화물과 접촉해야 하므로 다공성 필름 내부에 고루 분포되어야 한다. (3) p-type 홀 전도체는 나노입자 표면에 흡착된 염료를 녹이거나 열화시켜서는 안된다. (4)홀 전도체는 가시광 영역에서 투명해야 한다. 만약 투명하지 않고 가시광을 흡수한다면 염료와 같이 효율적으로 전자를 주입할 수 있어야 한다. 이상의 조건을 만족하는 무기 홀 전도체 물질로는 CuI, CuBr, CuSCN 등이 있다.
전도성 기판: 투명전도성 기판으로 사용되는 물질은 Sn-doped In2O3 (ITO), Fdoped SnO2 (FTO), ZnO 등 다양하다. 염료감응 태양전지에서 수십 마이크로미터 두께의 나노입자 산화물 전극을 투명전도성 기판에 만들기 위해서는 고분자를 포함하는 슬러리 코팅을 500℃ 정도에서 열처리 하여야 한다. 따라서 염료감응 태양전지용 투명전도성 기판은 온도 안정성을 고려하여 선택해야 한다. 염료감응 태양전지에 범용적으로 사용되는 투명전도성 물질은 F-doped SnO2이다. 유리 기판 대신 flexible 기판을 사용하여 유연성 있는 염료감응 태양전지를 개발하고자 하는 노력이 최근 시도되고 있다.
상업적으로 쉽게 구할 수 있는 플라스틱 전도성 기판은 ITO가 코팅되어 있다. 유사한 목적으로 저온에서 높은 투과도와 전기전도도를 갖는 투명전도성 소재를 염료감응 태양전지에 응용하고자 하는 노력이 시도되고 있다. 예를 들면 금속박막이 산화물 박막 사이에 샌드위치된 다층 투명전도성 기판이 염료감응 태양전지에 응용되었다. Ag 박막이TiO2 박막 사이에 있는 TAT 전도성 기판을 ITO 및 FTO와 비교한 결과 이들 기판보다 우수한 광전 특성을 보였다. 저온에서 우수한 전도성을 나타낼 수 있는 소재중의 하나로 In-Zn-O 산화물이 존재한다. ZnmIn2O3+m 화학식에서 Zn 원소가 24.5% 정도 존재하는 IZO 물질이 우수한 전기전도 특성을 보인다. IZO 투명 전도성 기판을 염료감응 태양전지에 적용한 예가 최근 보고되었는데, 기존 FTO에 비하여 광전류가 40% 이상 증가되는 효과가 있음이 보고되었다.

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