염료감응태양전지제작

목차

Abstract

1.Introduction

1-1. DSSC(Dye-sensitized solar cell)...................................1

1-2. TiO2 (titaniumdioxide)................................................2

1-3. 밴드갭(band gab)에너지.......................................2

1-4. 염료감응형 태양전지(DSSC)의 장/단점................................3

1-5. 태양전지 변환효율...............................................4

1-6. 광감응 염료...........................................4

1-7. 전해질..........................................................5

1-8. 닥터블레이드법............................................6

2.Experiment

2-1. 실험기구.............................................7

2-2. 실험방법..............................................7

3.Results&discussion

3-1. Results..........................................................8

3-2.Discussion........................................................9

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

본문내용

할을 하고 산화된 I3-는 대전극에 도달한 전자를 받아 다시 I-로 환원된다. 액체형의 경우 산화-환원 이온 종이 매질 내에서 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 이온종이 매질 내에서 신속하게 전달될 수 있도록 설계하는 것이 필요하다.
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1-8. 닥터블레이드법
TiO2 현탁액을 적용한 후 5초내에 깨끗한 유리막대를 사용하여(굴리지 말 것) 현탁액을 펼쳐 바fms다.고른 막(film)을 얻기 위해서 가장 좋은 방법은 테이프 끄트머리를 향해 빠른속도로 쓸어내고 반대방향으로 하여 TiO2의 과도한 액을 두번째 유리기판쪽으로 쓸어낸다.
Figure6. 닥터블레이드법
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2.Experiment
2-1. 실험기구
TiO2분말, PEG, N719, 막자사발, 투명테이프, FTO, ITO, I-/I3- redox couple,Acetonitrile
2-2. 실험방법
이번 실험에서는 TiO2를 사용하였는데 먼저 TiO2의 표면적을 최대화하기 위해서 막자사발을 이용해서 1시간정도를 갈아주면서 FTO에 부착될 수 있도록 접착성을 생기게 해주기 위해서 PEG(Poly ehylene glycol)을 2mL씩 떨어뜨려줬다. 그 후 5개의 FTO에 테이프로 가로세로 5mm의 정사각형 크기를 남겨두고 테이핑을 하였다. 이 때 나중에 탈착하면서 TiO2에 손상이 가지 않도록 테이핑을 반시계방향으로 똑같이 해주었다. 그 후 ethyl alcohol로 기판과 칼날을 세척해준 후 닥터블레이드 법으로 TiO2 paste를 FTO(Florine-doped Tin Oxide) 유리기판위에 코팅하고, 열처리 하여 양극으로 사용하였다. (Effective area: 0.26cm) 500℃ 30분 열처리를 하였고. 염료는 Ruthenium535-bisTBA(N719)를 ethyl alcohol 용매를 사용하여 0.3mM의 농도로 만들어 사용하였으며, FTO에 닥터블레이드법으로 TiO2를 바르고 건조시킨 후에 염료용액에 24시간 담궈두어 충분히 염료가 TiO2에 흡착되도록 하였다. 음극은 전해질의 산화 환원 반응을 돕는 촉매 역할을 수행하며 산화된 전해질을 환원시키는 역할을 한다. Pt음극은 만들어져 있는 것을 사용하였으며 미리 전해질을 넣을수있게 작은 구멍을 두 개 뚫어 놓았다. 흡착이 완료된 FTO에 Serine을 TiO2를 코팅해놓은 정사각형보다 약간 큰 크기의 사각형 모양으로 열로 녹인 후 붙였다. 그 후 음극을 손으로 2~3분정도 눌러서 붙여주었다. 본 실험의 전해질로는 I-/I3- redox couple을 사용했고 Acetonitrile을 섞은 후 전해질을 음극의 구멍에 주입해 주었다. 이렇게 제작을 마친 후 기기를 이용하여 효율을 측정 하였다.
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3.Results&discussion
3-1. Results
우리가 만든 DSSC를 기기를 통해서 분석한 결과 위의 그래프와 각각의 해당하는 값을 얻을 수 있었고 이를 통해서 효율까지 계산 할 수 있었다.
Vmax와 Imax는 곡선안쪽으로 최대 면적을 얻을 수 있는 각각의 값을 나타낸다.
실제로는 기기가 계산을 다 해주었지만 계산방법은 이와같다.
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3-2.Discussion
효율이 높게 나오지는 않았지만 직접 만든 DSSC로 전력을 발생시키는 것 까지 성공을 했다. TiO2를 코팅할 때 PEG와 TiO2의 믹싱이 제대로 이루어지지 않아서 인지 FTO에 붙인 TiO2가 건조후에 갈라지면서 탈착하는 증상을 보여서 다시한번 믹싱하여 코팅을 시켰었다.
낮은 효율의 이유를 살펴보자면 일단 TiO2를 균일한 크기로 입자가 가늘게 갈아주지 못했던 것 같다. 표면적이 최대한 넓어져야지 염료가 그만큼 흡착이 돼서 태양광을 받았을 때 더 많은 전자들이 발생하여 흐를 수 있는데 작게 갈지 못해서 염료가 그만큼 흡착이 이루어지지 못하고 그로인해서 효율이 감소된 것 같다.
또하나는 닥터블레이드법으로 TiO2를 코팅시킬 때 우리가 원하는 면적에 균일하게 코팅이 이루어져야 하는데 코팅시에 그리고 테이프 탈착시에 TiO2의 손실이 생겼었다. 테이프와 함께 조금 뜯어지기도 하고 코팅시에도 가장자리에 면적의 손실이 생겼다.
다른 이유들은 전해질 주입시에 전해질이 전 범위에 넓게 골고루 퍼지지 못하고 빈공간이 있었던 것도 큰 이유중 하나겠고 또 FTO를 아무리 세척한 후에 코팅을 시도하였다고는 하나 TiO2의 코팅한 두께가 μ크기이기 때문에 미세한 공기중의 입자가 섞이기만 해도 효율에 많은 영향을 줄 수 있을 것이다.
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4. Conclusion
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실험에 앞서서 염료감응형 태양전지의 염료와 전해질 그리고 TiO2와 각극의 역할과 작용에 대해서 알아보고 이 원리를 토대로 직접 염료감응형 태양전지를 제작해 보았다. 이를 통해서 1.4%정도의 효율을 가진 염료감응형 태양전지 한 cell을 만들 수 있었고 효율이 낮은 이유는 TiO2 믹싱시에 충분히 작은 크기로 균일하게 갈지 못한점과 코팅시의 표면적 손실등을 이유로 들 수 있었고 직접제작해보고 낮은 효율의 원인을 파악해본 결과 염료감응형 태양전지의 제작법과 원리를 확실히 익히고 좀 더 높은 효율의 태양전지를 제작 할 수 있게 된 것 같다.
References
[1]Murakami T, Graetzel M (2008) Inorg Chim Acta
[2]김광현, 염료감응형 태양전지용 고효율 유기염료에 관한 연구, 인하대학교 대학원, 2009, P.5~7
[3]김길성, TiO₂를 이용한 염료감응형 태양전지의 제조 및 특성, 한국화학공학회, 2006, P.3~7
[4]황경준, 유승준, 노성희, 김선일, 이재욱, TiO2 전극의 구조 특성이 염료감응형 태양전지의 효율에 미치는 영향 , 한국화학공학회, P2~4
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[5]DSSC 제작기, http://kaliuma.tistory.com/65, 2009.4.1

키워드

염료감응,   태양전지,   신재생