반투명 염료감응형 태양전지 모듈 개발

기현철 한국공업화학회 2020 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2020 No.-

선진국과 국내에서 제로에너지 건축물의 의무화가 진행되고 있으며, 신재생에너지와 결합 한 건물 자체 에너지 생산이 요구되고 있다. 또한 건물과 주택의 전면 창 도입 증가에 □라 효율성 및 미적 측면에서 창호 일체형을 선호하고 있으며 도심형 건축물의 투과도 조절 기능, 자가 발전을 위한 건물일체형 태양광 발전등이 요구되어 지고 있다. 이러한 건물일체형 태양광 발전의 태양전지 중 염료감응형 태양전지, 유기태양전지의 경우 투과도와 색구현의 특성으로 창문을 통하여 전기를 발생할 수 있는 전력원으로 가능하나 내구성 및 타 태양전지와 비교하여 효율이 낮기 때문에 건물일체형 태양광 발전 적용에 어려움이 있다. 건물일체형 태양전지에 적합한 염료감응형 태양전지의 모듈 제작, 내구성을 위한 실링 기술 그리고 에너지 재 사용을 위한 저조도 발전에 적용한 염료감응형 태양전지 모듈에 대한 연구을 진행하였다.

염료감응 태양전지의 성능을 위한 녹말의 영향

정영삼(Jung, Youngsam),배준석(Bae, Joonsuk),정원철(Jeong, Woncher),김동환(Kim, Donghwan),윤수용(Yoon, Sooyong),김서현(Kim, Seohyun) 한국신재생에너지학회 2011 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.11

1991년 스위스연방기술원(EPFL) 화학과 교수 Michae Gratzel이 발명한 염료감응 태양전지 (DSSC)는 값싼 원료와 저가공비 면에서 가장 경쟁력 있는 기술의 하나로 큰 기대를 받고 있다. 염료감응 태양전지의 특징은 전극기판의 재료나 염료를 바꿈으로서 형상이나 색체에 다양성을 갖도록 할 수 있다. 일반적인 염료감응 태양전지의 원리는 태양광이 염료 분자에 흡수, 염료는 여기상태가 되어 전자를 n형 반도체인 TiO₂의 전도대로 흘리고, 전자는 TCO전극으로 이동하여 외부 부하에 전기 에너지를 전달하고 상대전극으로 이동, 염료는 TiO₂에 전달한 전자 수만큼 전해질로부터 전자를 공급 받아 원래의 상태로 돌아가게 되는 원리에 의하여 발전된다. 전해질로는 I^-/I₃^-와 같이 산화-환원 종으로 구성되어 있으며, I^- 이온의 source로는 LiI, NaI,이미다졸리움 요오드 등이 사용되며, I₃^-는 이온은 I₂를 용매에 녹여 생성시킨다. 전해질 매질은 acetonitrile과 같은 액체 또는 PVdF와 같은 고분자가 사용될 수 있다. 액체형의 경우 산화-환원 이온 종이 매질 내에서 신속하게 움직여 염료의 재생을 원활하게 도와주기 때문에 높은 에너지 변환 효율이 가능하지만, 전극 간의 접합이 완벽하지 못할 경우 누액의 문제를 가지고 있다. 반면, 고분자를 매질로 채택할 경우에는 누액의 염료는 없지만 산화-환원 종의 움직임이 둔화되어 에너지 변환 효율에 나쁜 영향을 줄 수 있다. 따라서 고분자 전해질을 사용할 경우에는 산화-환원 이온 종이 매질 내에서 신속하게 전달 될 수 있도록 설계하는 것이 필요하다. 본 연구는 염료감응 태양전지에서 가장 큰 문제가 되고 있는 고체 전해질의 산화-환원 이온 종이 매질 내에서 신속하게 전달 될 수 있도록 dimethylsulfoxide solvent 에 녹말 일정량을 녹여 Starch-I₂ complex 를 시켜주므로, 광 전압{cdot}{cdot}전가 증가되었으며, 전지의 안정성이 향상되었다.

염료감응형 태양전지의 대면적화에 따른 셀 특성 연구

최진영(Choi, Jinyoung),이임근(Lee, Imgeun),정종진(Jeong, Jongjin),박성준(Park, Sungjune),이동윤(Lee, Dongyoon),김희제(Kim, Heeje) 한국신재생에너지학회 2005 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2005 No.06

태양전지 분야에서 최근 크게 주목받고 있는 염료감응형 태양전지(DSC)의 효율 및 대면적화에 대한 연구는 지속적으로 이루어지고 있다. 그러나 염료감응형 태양전지의 대면적화로 인한 셀 내부의 전자 흐름에 관한 셀 특성의 고찰은 이루어지고 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 염료감응형 태양전지의 대면적화에 앞서 염료감응형 태양전지의 대면적화에 따른 셀 특성을 알아보았다. 본 실험에서는 대면적화의 하나의 변수로서 셀의 가로 폭을 선택하였고, 가로 폭의 변화에 따른 각 샘플 셀의 전기특성을 확인하였다. 그 결과 셀의 폭이 증가할수록 표면저항이 커져 염료에서 발생된 광전자가 표면저항으로 인해 포집이 잘 이루어지지 않게 되어 전자의 흐름이 원활하지 않게 됨을 알 수 있었다. 궁극적으로 셀의 대면적화는 표면저항의 증가로 이어져 셀 특성에 나쁜 영향을 미치게 됨을 확인 할 수 있었다.

염료 감응형 태양전지 효율 향상을 위한 졸-겔법을 이용한 차단막 코팅 방법

배상훈(Bae, Sang-Hoon),한치환(Han, Chi-Hwan),김도진(Kim, Do-Jin) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.06

현재 태양광 시장에 진출한 대부분의 Si계열 태양전지는 복잡한 공정과 원재료 고갈, 높은 가격으로 인해 한계에 직면에 있는 상태이다. 최근 많은 연구소나 학교에서는 기존의 Si계열 태양전지를 대체할 대안으로 염료 감응형 태양전지에 대해서 높은 관심을 보이고 있으며, 그동안의 연구개발로 단위 셀 면적에서는 상용화에 근접한 효율을 확보한 상태이다. 염료 감응형 태양전지의 작동과정을 간단히 단계별로 살펴보면 나노 결정 산화물 반도체 표면에 흡착된 염료분자가 가시광선을 흡수하면 전자는 HOMO에서 LUMO로 천이하고 이 들뜬 상태의 전자는 다시 에너지 준위가 낮은 반도체 산화물의 전도띠로 주입된다. 주입된 전자는 나노 입자간 계면을 통하여 투명 전도성막으로 확산, 전달되고 산화된 염료분자는 전해질 I-에 의해 다시 환원되어 중성 분자가 된다. 그러나 표면상태 전자 중 일부는 산화된 염료와 다시 결합하거나, 전해질의 I^{3-} 이온을 환원시키기도 한다. 이와 같은 과정은 암전류를 증가시키면서 반도체 전극 막의 성능을 저해하는 주원인이 된다. 전자의 재결합은 투명 전극을 통해서도 가능하기 때문에 투명 전극에 얇은 blocking layer를 도포한 후 나노 결정 산화물 반도체 전극을 제작하면 전지 특성을 향상시킬 수 있다. 본 실험에서 우리는 졸-젤 법으로 TiO₂ blocking layer 졸을 만들었고 간단하며 저가공정이 가능한 스크린 프린팅 방법으로 blocking layer를 형성하는 실험을 진행하였다. 전도띠 에너지가 높은 반도체 물질로 표면을 처리하면 TiO₂-전해질 간 계면에 에너지 장벽이 형성되어 재결합을 줄여 모든 광전특성이 향상 되었다.

상대전극 Pt 두께에 따른 염료감응형 태양전지의 광전특성 연구

서현웅(Seo, Hyun-Woong),김미정(Kim, Mi-Jeong),홍지태(Hong, Ji-Tae),여태빈(Yeo, Tae-Bin),김희제(Kim, Hee-Je) 한국신재생에너지학회 2007 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2007 No.06

전세계적으로 에너지난과 환경오염난을 겪고 있는 가운데 최근 대체에너지에 대한 관심이 어느 때보다 높은 시기이다. 다양한 대체에너지 중에서도 태양광 에너지는 우리나라 환경에 적합해 많은 연구가 진행 중인 분야이다. 대부분의 태양광 발전 시장이 결정질 실리콘 태양전지가 차지하고 있으나 경제성의 한계로 인해 최근 염료감응형 태양전지가 이를 대체할 수 있는 전지로 주목받고 있다. 본 연구에서는 염료감응형 태양전지의 상대전극에 증착하는 백금층의 두께 변화가 가져오는 출력특성의 영향을 연구했다. 상대전극에 증착되는 백금 박막은 염료감응형 태양전지의 매커니즘에서 입사광의 반사와 전기화학적 촉매작용 역할을 하는 것으로 박막의 두께가 두꺼워지면 반사율이 증가해 염료 분자가 받는 에너지가 늘어날 것으로 예상했다. 상대전극에 백금 Sputtering하는 시간을 1분에서 최대 5분까지 차를 두어 상대전극의 백금 박막의 두께를 50nm{sim}250nm로 변화를 주어 측정한 결과, 250nm의 백금 박막층을 갖는 염료감응형 태양전지보다 백금 박막층이 150nm의 두께를 가질 때 가장 좋은 효율을 출력한다는 것을 알 수 있었다. 이를 통해 상대전극의 백금 박막층에 의한 거울 효과와 촉매작용의 한계와 전자의 흐름 장애에 대한 결과를 얻을 수 있었다.

Nb₂O? 차단막 형성이 염료감응 태양전지 효율에 미치는 영향

배상훈(Sang-Hoon Bae),한치환(Chi-Hwan Han),조태연(Tae-Yeon Cho),홍영식(Young-Sic Hong) 한국태양에너지학회 2010 한국태양에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.11

염료감응 태양전지에서 나노 결정 산화물 반도체 표면에 흡착된 염료분자가 가시광선을 흡수하면 전자는 HOMO에서 LUMO로 전이하고 이 들뜬 상태의 전자는 다시 에너지 준위가 낮은 반도체 산화물의 전도띠로 주입된다. 주입된 전자는 나노입자간 계면을 통하여 투명 전극으로 확산, 전달되고 산화된 염료분자는 전해질 I?에 의해 다시 환원되어 중성 분자가 된다. 그러나 표면상태 전자 중 일부는 산화된 염료와 다시 결합하거나, 전해질의 I₃? 이온을 환원시키기도 한다. 이와 같은 과정은 암전류를 증가시키면서 염료감응 태양전지 광전변환 효율을 떨어뜨리는 주요한 원인이 된다. 본 연구에서는 투명전극 표면에 전자의 재결합 현상을 방지하기 위한 차단막을 코팅하여 염료감응 태양전지 효율에 미치는 영향을 알아보았다. Nb₂O? 졸을 스크린 프린팅 방법으로 코팅하여 차단막을 형성하였으며, 반응시간이 증가함에 따라 차단막 두께가 형성됨을 확인하였다. Ⅰ-Ⅴ 측정 결과 반응시간 50분, 약300㎚ 두께의 차단막을 형성 했을 때 광전변환 효율이 가장 높음을 확인 할 수 있었고, 가장 좋은 효율은 9.89 % (전류밀도 19.43 ㎃/㎃, 개방전압 0.72 V, fill factor = 0.72)였다. A protecting layer of Nb2O5 was coated on the FTO glass by sol-gel method to protect a back electron transfer reaction from the conduction band of FTO to redox couple in electrolyte. The thickness of the protection layer was controlled by the reaction time of sol. The thicknesses of the films increased from 200 ㎚ to 400 ㎚ as reaction time increased from 30 min to 70 min. Ⅰ-Ⅴ test of the cells with Nb₂O? coated electrodes showed better photon to current conversion efficiency than the cell without protecting layer. The best cell efficiency of 8.89% (Jsc = 19.43 mA/㎠, Voc = 0.72 V, FF = 0.63) was obtained with the sol of 50 min.

광손실 최소화를 위한 Anti-Reflective layer가 적용된 염료감응 태양전지의 특성 연구

남정은,조효정,김대환,강진규 한국공업화학회 2014 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2014 No.1

염료감응 태양전지는 높은 효율과 낮은 제조비용, 원재료 수급에 대한 자원적 제약이 없다는 장점으로 차세대 태양전지로서 각광받고 있다. 구동원리는 흡수된 빛에 의해 n타입 반도체 산화물 표면에 흡착된 염료분자가 전자-양공 쌍을 생성하고, 전자는 반도체 산화물의 전도띠로 주입되며, 주입된 전자는 나노 입자간 계면을 통하여 투명 전도성 막으로 전달되어 전류를 발생 시키게 된다. 염료 분자에 생성된 정공은 산화-환원 전해질에 의해 전자를 받아 다시 환원된다. 염료감응 태양전지 효율 감소에 영향을 미치는 손실 요인으로는 태양전지 표면의 반사손실, 투과 손실, 양자 손실, 전자-정공의 재결합 손실, 불완전한 P-N 접합에 의한 손실, 전류 전압 특성에 기인하는 손실 등이 있다. 이 중 광학적 손실을 최소화하기 위하여 태양전지 표면에 Anti-Reflective layer (AR layer) 를 형성하여 반사율을 낮추고 투과율을 높이는 방법이 있다. 본 연구에서는 MgF₂와 SiO를 electron beam evaporation system과 Plasma Enhanced Specifications Chemical Vapor Depostion (PECVD)으로 AR layer로 형성하여 그 특성과 태양전지의 효율을 비교 관찰하였다.

Forst Type Resonance Energy Transfer System을 적용한 염료감응형 태양전지

김영락,박지영,정노을,한윤수,김재홍 한국공업화학회 2014 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2014 No.1

염료감응형 태양전지(DSSCs)는 높은 태양에너지 전환 효율과 함께 제조 공정이 간단하며 단가가 저렴하여 많은 관심을 모으고 있다. 광전변환 효율을 높이기 위해 나노 구조의 TiO₂ 및 신규 감광제 개발에 박차를 가하고 있으며, 최근 많은 효율 향상에 대한 보고가 이루어지고 있다. 본 연구에서는, 유기 형광물질을 광전극에 소량 첨가하여 광전변환 효율을 높이고자 하였다. TiO₂ 표면에 직접 유기 형광 염료를 흡착시킴으로써 형광체가 방출하는 형광을 염료가 여기광으로 사용 할 수 있으며 이를 통하여 보다 효율적인 광전변환 효율을 기대할 수 있다. Forst Type Resonance Energy Transfer (FRET) System을 적용한 염료감응형 태양전지에서 높은 광전변환 효율을 달성하기 위하여, 유기 형광체의 형광파장과 염료의 흡수파장 사이에 중첩이 커야 한다. 본 연구에서는 다양한 유기형광체 (Energy Donor)와 염료 (Energy Acceptor)를 적용하여 높은 효율의 FRET System을 개발하고 이를 염료감응형 태양전지 소자에 적용하였다.

박막형 TiO₂ 전극구조 제어를 이용한 염료감응형 태양전지

김현수(Kim, Hyun-su),오제경(Lee, Jin-kyu),이진규(Oh, Jae-kyung),박경원(Park, Kyung-won) 한국신재생에너지학회 2009 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.06

태양전지는 무한한 차세대 청정에너지로 주목을 받으며 그 개발의 필요성이 높아지고 있다. 이중 염료 감응형 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cells, DSSC)는 낮은 제조 단가와 높은 효율로 기존의 Si 태양전지를 대체할 새로운 방법으로 연구되고 있다. 염료감응태양전지에 사용되는 TiO₂는 광촉매 성질 및 전자 전도성이 좋으며, 무독성에 가격이 저렴하여 다양한 분야에서 현재 많이 연구되고 있는 재료이다. 많이 사용되어지는 TiO2의 표면적은 염료의 흡착에 관여하므로 표면적의 제어는 매우 중요한 요소이다. TiO₂를 기판에 증착하는 방법으로는 Electrophoretic deposition, Chemical bath deposition, RF Margnetron sputtering, Electron-beam evaporation 등이 있으며 본 실험에서는 RF Magnetron sputtering을 사용하여 기판에 증착시키는 방법으로 구조를 제어하고자 한다. 이렇게 제조된 TiO₂ 박막을 SEM(Scanning Electron Microscopy)과 Solar simulator를 이용하여 표면형상과 Photocurrent-voltage curve를 분석하였다. 이것을 토대로 제조된 TiO₂박막의 구조가 염료감응태양전지에 미치는 영향을 연구해보고자 한다.

염료 감응형 태양 전지의 전극 패턴 및 Pt 그리드에 따른 특성

이임근(Lee, Imgeun),최진영(Choi, Jinyoun),김정훈(Park, Sungjin),박성진(Park, Sungjin),이동윤(Lee, Dongyoon),김희제(Kim, Heeje) 한국신재생에너지학회 2005 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2005 No.06

본 연구에서는 염료 감응형 태양전지의 효율 향상을 위한 유리 기판 및 전극 패턴에 따른 특성 변화와 대면적화 모듈을 위한 금속 그리드의 특성을 보여준다. 단위 셀 단위의 기본적인 재료와 기존의 제조 방법에 의해 제조된 염료 감응형 태양전지(DSC)는 높은 내부 저항으로 인하여 대면적 셀의 변환 효율은 치명적으로 저하된다. 또한 증가하는 내부 저항 감소를 위해서 외부적인 제조 공정이 추가되지 않고서는 불가능하다. 따라서 본 논문에서는 TCO(ITO) 식각, TiO₂ 식각, 50mm{times}50mm 셀과 100mm{times}30mm 셀의 특성 비교 실험을 통해서 변환 효율 상승효과를 얻었고 광전류 포집 향상을 기대하기 위해 Pt 그리드를 이용해 current correcting line을 증착시켰다.