중공나노입자가 첨가된 TiO2 전극을 이용하여 제작한 염료감응형전지의 광전 변환 효율 특성

Abstract

염료감응형 태양전지(dye sensitized solar cell, DSSC)는 저비용 고효율 태양전지로 관심을 받고 있다. 그러나 실리콘 태양전지에 비해 광전변환 효율이 낮아 상용화가 어려운 실정이다. DSSC의 효율을 향상시키기 위해 많은 연구가 진행되고 있으나, DSSC의 구조변형은 비용의 상승과 투명성 저하라는 문제점을 나타내고 있다. 이러한 한계점을 극복하기 위해 양극 전극재료인 TiO2 나노입자의 형태나 크기를 조절하여 흡광도 증가 및 이에 따른 광전변환효율을 향상시키는 노력이 경주되고 있다. 대표적인 예로, TiO2 중공나노입자를 DSSC 산란층으로 적용하여 광전효율을 향상시키고자 하는 연구가 관심을 받고 있는데, 이제까지의 연구는 수백 나노미터크기의 중공입자를 이용하여 가시광선 대역에서의 광전효율 증대를 유도하는데 초점을 이루었다. 본 연구에서는 중공나노입자를 이용하여 자외선 대역에서도 산란효과를 유도하고자 하였다. 또한 나노입자층과 계면을 이루어 공정의 어려움과 전지효율의 저하를 초래하는 기존의 산란층 전극제작방식을 떠나, 본 연구에서는 비교적 간단하고 단시간에 TiO2 중공나노입자를 상용 P-25 나노입자와 혼합하는 방식으로 산란효과를 나타내는 중공나노입자를 DSSC cell 전극에 균일 분산하는 새로운 형태의 전극제작에 따른 광전변화효율을 조사하였다. 중공나노입자의 구조는 입자 core와 shell의 reflective index 차이에 의해 빛을 산란 시키고 전극 내 빛이 머무르는 시간을 향상시키기 때문에 투과도가 상용 P-25 나노입자에 비해 현저하게 떨어진다. 그러나 중공나노입자를 상용 P-25에 소량 첨가하여 혼합하면 과도한 빛의 산란에 의한 효율저하를 최소화 할 수 있다. 또한 고른 분산도를 가지기 때문에 입자의 응집이 상대적으로 적고 상용 P-25 나노입자와 크기가 유사하여 혼합이 용이하다. TiO2중공나노입자는 크기가 작고 균일하여 DSSC cell의 염료 흡착량을 높일 수 있다. 이러한 특징을 가진 TiO2 중공나노입자를 합성하기 위해 본 연구에서는 화학기상응축(Chemical Vapor Condensation, CVC)공정을 이용하였다. 제조된 TiO2 중공나노입자는 anatase와 rutile의 혼합상이고 약 28 nm의 균일한 입자 크기를 가지는 것으로 확인되었다. 중공나노입자가 첨가된 DSSC는 산란인자의 비율을 10 wt%로 조절하였다. 이로써 과도한 빛의 산란에 의한 효율저하를 최소화 하였다. 혼합 페이스트를 이용하여 제작한 DSSC의 효율 및 특성은 상용 TiO2 인 P-25를 적용한 DSSC와 비교 분석하였다. 이를 통해 염료 흡착 전·후의 투과도 변화와 각 셀의 광전변환특성 및 전력변환효율을 조사하였다. DSSC cell의 투과도를 가시광선 및 자외선영역에서 염료침지 전·후 측정한 결과, 상용 P-25 cell의 투과도는 550 nm 파장영역에서 22% 하락한 반면 중공나노입자가 첨가된 cell은 39%의 하락을 보였다 이는 중공나노입자의 첨가로 양극 전극의 염료 흡착량을 증가시켜 빛의 흡수를 향상시키기 때문인 것으로 판단된다. 중공나노입자가 첨가된 DSSC는 P-25 전극에서 보다 효율적인 광-전 변환을 할 수 있었다. 이 결과, 중공나노입자를 첨가한 DSSC의 전력변환효율은 상용 P-25로 제작된 DSSC에 비해 10% 높은 효율을 나타내었다.