졸겔연소복합법에 의한 TiO2의 합성 및 염료감응형 태양전지의 효율향상을 위한 연구

Abstract

미래의 에너지문제와 환경문제를 극복할 수 있는 재생에너지원으로써 태양전지는 시간이 갈수록 중요성을 더해가고 있다. 이중에서 나노입자를 이용한 염료감응형 태양전지에 많은 관심이 집중되고 있다. 향후 가능한 실용도달효율이 20%이고, 전지의 발전단가를 실리콘계의 5분의 1까지 낮출 수 있으며, 20년의 수명이 보장되는 다양한 응용가능성을 지니고 있어 세계적으로 많은 연구자들과 기업들의 집중적인 연구가 행해지고 있다. 태양광이 전지에 입사되면 광양자는 먼저 염료고분자에 의해 흡수된다. 염료는 태양광흡수에 의해 여기상태로 되고 전자를 TiO2의 전도대로 보낸다. 전자는 전극으로 이동하여 외부회로로 흘러가서 전기에너지를 전달하고, 에너지를 전달한 만큼 낮은 에너지상태가 되어 상대전극으로 이동한다. 염료는 TiO2에 전달한 전자 수만큼 전해질 용액으로부터 공급받아 원래의 상태로 돌아가게 되는데, 이 때 사용되는 전해질은 iodine/triodine 쌍으로써 산화환원에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 염료에 전달하는 역할을 담당한다. 이에 따라 전지의 open circuit voltage는 TiO2 반도체의 페르미에너지 준위와 전해질의 산화환원 준위의 차이에 의해 결정된다. 현재 염료감응형 태양전지에 적용되는 나노입자 TiO2는 대체로 수열법(hydrothermal synthesis)에 의해서 합성되고 있으나 수열법의 특성상 많은 유기물이 요구되고, 대량생산을 위해서는 대용량의 오토클레이브가 요구되며, 반응시간이 긴 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해서 본 연구에서는 대량생산에 유리한 새로운 합성법인 아세틸렌 블랙을 적용한 졸겔연소복합법을 이용하여 TiO2산화물을 합성하는 방법과 나노입자 Er3+_Yb3+이 도핑 된 TiO2 산화물을 합성해 산란층으로 적용하여 염료감응 태양전지의 효율 향상을 위해 연구하였다. 아세틸렌 블랙을 적용한 졸겔연소복합법은 졸겔법을 이용하기 때문에 고른 조성의 산화물을 얻을 수 있고, 고온에서 합성하기 때문에 다른 합성법에 비해서 결정성이 좋은 분말을 합성할 수 있으며, 아세틸렌 블랙이 연소하여 입자의 성장을 방해하기 때문에 나노입자 산화물을 합성할 수 있었다. 그리고 염료감응 태양전지의 효율을 향상시키는 또다른 방법으로 메조포러스한 구조의 TiO2층 뒤에 산란층을 코팅하는 방법이 있다. 산란층은 나노구조의 TiO2층을 통과한 빛을 산란시켜 다시 나노구조 TiO2층에서 좀 더 많은 전자가 발생하도록 도와준다. 대체로 염료감응 태양전지의 산란층 물질로는 TiO2가 많이 사용되고 있는데, 산란층의 조건은 밀도가 높아서 빛을 잘 산란시켜야 하고 입자의 크기가 가시광선의 파장보다 커서 빛을 투과하지 말아야 한다. 이러한 조건을 만족시키기 위해서 나노입자 Er3+_Yb3+이 도핑 된 TiO2를 합성하고 산란층으로 적용하였다.