염료 감응형 태양전지의 효율 향상 연구

Abstract

국문 요지 본 연구에서는 염료 감응형 태양전지에서 가장 중요한 역할을 하는 광 흡수층과 발생된 전하의 손실을 최소화하기 위한 방법으로 상대전극에 대한 연구를 진행하였다. 광 흡수층에서는 염료의 흡착량이 태양전지 효율 향상에 큰 역할을 하는데, 염료의 흡착량을 늘리기 위한 방법으로 응집되어 있는 나노 입자의 비표면적을 최대한 활용하기 위한 방법에 대한 연구를 진행하였다. 기존에 많이 연구가 진행된 나노 입자의 생성과 함께 인쇄용 페이스트를 만드는 방법을 적용하지 않고, 본 연구에서는 상업화된 나노 입자를 사용하여 페이스트를 만들고, 태양전지의 광 흡수층을 제작하였다. 페이스트를 만드는 과정에서 나노 입자를 분산하기 위한 방법으로 나노 입자에 적합한 분산제를 적용하여 효율 향상을 도모하였다. 태양전지의 효율 향상을 위해서는 나노 입자를 분산하여 염료의 흡착 양을 증대하는 효과도 중요하지만, 염료를 얼마나 많이 흡착시키고, 나노 입자 표면에 염료가 흡착되지 않는 부분에서 발생할 수 있는 전자와 전해질 내의 redox couple 간의 재결합(recombination)을 최소화 할 수 있는 방법에 대해 연구를 진행하였다. 투명 전극에 나노 입자가 코팅된 상태에서 염료를 나노 입자 표면에 흡착하고, aromatic compound가 녹아있는 용액에 침적하여 염료가 흡착되지 않은 부분에 흡착시킨다. 흡착된 aromatic compound는 나노 입자에서 이동되고 있는 전자의 재결합을 억제하는 효과를 확인할 수 있었다. 재결합을 억제하는 효과는 전류 밀도의 향상이 두드러졌으며, Fill Factor(FF)의 향상도 확인할 수 있었다. 또한, 광흡수층 내에서 광 이용효율을 높이기 위해 기존 광 산란층과 다르게 광 흡수층의 중간에 광 산란층을 삽입하여 광 산란효과를 향상시켰다. 광 흡수층의 끝단에 설치된 경우와 비교했을 때, 광 산란 효과에 의한 광 흡수층 내에서 광 이동경로가 길어지며, 입사된 광이 광 흡수층 내에서 흡수되는 효율을 증대시켰다. 이와 같은 광 흡수층을 도입할 경우 전류 밀도(current density, Jsc)의 향상이 가장 두드러진다. FF의 향상도 나타나지만, 향상의 원인은 좀 더 구체적으로 확인할 필요가 있을 것으로 판단된다. 마지막으로 본 연구에서 중점을 둔 부분은 전하의 흐름에 있어서 가장 중요한 부분 중의 하나인 상대전극(counter electrode)이다. 상대전극에서는 전하의 산화/환원 반응이 일어나는데, 산화/환원 반응이 원활하게 진행되어야 고효율 염료 감응형 태양전지 제조가 가능하다. 일반적으로 백금(Pt)이 가장 일반적으로 사용되고, 산화/환원 반응이 원활하여 연료전지(fuel cell)와 같이 산화/환원 반응이 빠르게 일어나야 하는 반응에 촉매로 활용되고 있다. 상대 전극인 Pt를 올리는 방법은 진공 증착(sputter, e-beam)이 가장 일반적이고, 면 저항(sheet resistance)이 낮은 좋은 특성의 막 제조가 가능하다. 또한, 공정 비용을 낮추기 위한 방법으로 dipping 방법에 의해 막을 형성하고 열처리하여 막을 형성하는 저가의 방법이 있다. 두 방법 모두 상대적으로 비표면적이 낮다는 문제점이 있다. 낮은 비표면적은 발생하는 전하의 양이 많아지면 전하의 흐름이 좋지 않아 Fill Factor(FF)의 특성이 나빠진다. 이런 문제점을 해결하기 위해 비표면적을 확대하고, 전해질에 안정적인 재질 중 하나인 카본 나노 튜브(Carbon Nanotube, CNT)를 상대전극에 도입하여 효율 향상을 도모하였다. 인쇄법으로 전극을 형성했을 때보다, CNT를 촉매를 CVD(Chemical Vapor Deposition)를 이용해 직접 성장할 경우 상대적으로 높은 고효율을 달성할 수 있었다.; ABSTRACT A Study on the Efficiency Enhancement of Dye-Sensitized Solar Cell Jung Gyu Nam Dept. of Metallurgy and Materials Engineering The Graduate School Hanyang University

In this study, the preparation method of absorber layer and counter electrode which are the most important part of dye-sensitive solar cell was investigated to minimize the loss of the generated charges. The amount of adsorption in absorber layer is important to increase the efficiency of solar cell and so how to increase the amount of adsorbed dye on the surface of agglomerated nano-particles and how to utilize the large surface area was studied. Many reported studies were conducted to prepare the paste during the creation of nano-particles. However, that process is too complicate to apply into commercializing because it is difficult to synthesize high crystallinity in nano-particles. A lot of methods to synthesize nano-particles were studied. In this study, the commercialized nano-particles were applied to fabricate dye-sensitized solar cell; dispersing nano-particles, reducing recombination in absorber layer, inserting scattering layer and a new counter electrode. To improve the efficiency in dye-sensitized solar cell, there is very important to utilize the high surface area of nano-particles to increase the amount of dye adsorbed on the surface. Adsorbed dye on nano-particles cannot converse every incident photon into electron without scattering layer. This study suggested the new process inserting separated scattering layer to enlarge photon path in absorber layer. And also it was suggested the generated electrons in absorber layer were inhibited to recombine between electron and redox couple in electrolyte. That process is enhanced the efficiency due to increasing current density and fill factor (FF). Finally, two kinds of deposition process were applied into counter electrode; directly grown and printed carbon nanotube. The efficiency of solar cell was increased due to enhancing FF dramatically when new counter electrode was applied by carbon nanotube(CNT) grown by chemical vapor deposition(CVD). Directly grown CNTs were improving the electron flow and accelerating the redox reaction on the surface of counter electrode. The surface area of CNT electrode is larger than that of Pt electrode. Printed CNT counter electrode was not to enhance the efficiency because of the reduction of current density although the FF was increased. In order to survive in solar cell market which was competitive, cost reduction by means of applying new materials and new process is the most important. CNT electrodes are the one of the new candidates for high efficiency dye-sensitized solar cell.