저온 소성용 TiO2 페이스트를 이용한 유연 염료감응 태양전지 제작
© 2017 by the The Korean Society for New and Renewable Energy
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Abstract
This study examined the production of flexible dye-sensitized solar cells (DSSCs). The heat treatment temperature of the TiO2 working electrode needs to be lowered before it can be used on flexible substrate. Therefore a low-temperature sintering paste was developed using commercially available TiO2 nano-particles (P25). The TiO2 paste was prepared by changing the amount of titanium isoproxide (TTIP) as a binder. Photo-electrodes were prepared using the commercially available and home-made TiO2 paste for comparison. The DSSCs using home-made TiO2 paste showed a power conversion efficiency (PCE) of 4.167%.
Keywords:
TiO2, Flexible photovoltaic, Low temperature processing, Dye-sensitized Solar Cell키워드:
이산화티타늄, 유연태양전지, 저온공정, 염료감응 태양전지1. 서 론
최근에 flexible displays, flexible solar cells 및 flexible circuits에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있다.[1,2] 이와 같은 트렌드에 따라 염료감응 태양전지도 기존에 사용한 단단한 기판대신에 유연기판으로 대체하는 연구를 많이 진행하고 있다. Grätzel에 의해 개발된 염료감응 태양전지는 광합성 원리와 유사한 동작원리를 가지고 있으며, 광전극과 상재전극 사이에 전해질이 있는 샌드위치 형태의 구조를 이루고 있다.[3] 염료감응 태양전지의 효율을 올리기 위해서 염료흡착량 향상, 전자재결합의 최소화, 빛산란을 통한 광흡수증가에 대한 연구가 많이 수행되고 있다.[4-7]
유연 염료감응 태양전지 제작을 위한 기판으로는 금속(Ti metal sheet, sus)과 플라스틱(PET, PEN)기판을 사용하고 있다. 하지만 금속기판은 요오드계열 전해질에 부식과 투명성이 없는 단점이 있다. 플라스틱 기판 역시 유리기판과 금속기판에 비하여 상대적으로 낮은 온도의 열처리가 필요하다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위하여 binder-free TiO2 페이스트를 제작하여 염료감응 태양전지에 대한 연구를 수행하였다.[8] 또한, 수열합성법과 전기영동법을 사용하여 광전극을 제작하여 염료감응 태양전지를 제작하였다.[9,10]
기존에 사용하는 TiO2 페이스트의 경우 유기바인더를 재료로 사용하고 있는데, 공정상에서 유기바인더를 제거하고 TiO2 입자간의 연결성을 향상시키기 위해서는 500℃이상의 공정온도가 필요하다.[11,12] 그러므로 유연염료감응 태양전지를 제작하기 위해서는 유연기판에 적용 가능한 저온소성용 TiO2 페이스트가 필요하다. 하지만 저온에서 TiO2 를 소성할 경우 입자간의 연결이 좋지 않아 전자의 흐름을 방해한다.[13] 전구체 물질인 TTIP(Titanium Isopropoxide)는 가수분해/축합반응을 통하여 TiO2 입자를 만든다.[14]
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본 연구에서는 TiO2 입자간의 연결성을 높이기 위하여 TTIP를 binder로 사용하였다. TTIP를 열처리할 때, TTIP가 결정화 되면서 TiO2 입자들을 열결하게 된다.[4] 저온 소성용 TiO2 페이스트를 제작할 때 TTIP의 함량을 달리하였다. 염료감응 태양전지의 광전극을 상용 TiO2 페이스트와 제작한 저온 소성용 TiO2 페이스트를 사용하여 제작 하였으며, 효율을 측정하여 이의 성능을 비교하였다.
2. 실험 방법
2.1 TiO2 페이스트 제작
Fig. 1은 저온 소성이 가능한 TiO2 페이스트의 제작과정을 보여준다. TiO2 페이스트 제작은 에탄올과 D.I water에 TiO2 나노파우더(Degussa, P25)를 섞어 ultra sonic을 이용하여 30분간 교반 해준다. 교반 이후에 TTIP를 넣어서 homogenizer를 이용하여 5시간동안 섞어 TiO2 페이스트를 제작한다. Table 1에서는 TTIP:TiO2의 몰비율에 따른 구성 재료들의 함량을 보여준다.
Fabrication scheme of low temperature TiO2 paste from TiO2 powder
The content of the TiO2 paste used to prepare a photo-electrode
2.2 염료감응 태양전지 제작 및 특성 측정
염료감응 태양전지를 제작하기 위해서 기판은 ITO/PEN film(12Ω/Sq., OIKE)을 사용하였다. 유연기판위에 광전극 제작은 상용 TiO2 페이스트(Ti-nanoxide, Solaronix)와 제작한 TiO2 페이스트를 dip-coater를 이용하여 제작하였다. 광전극은 가로 0.6cm, 세로 0.6cm의 크기로 제작되었고, dip-coating이 끝난 후 convection oven에서 120℃에서 1시간동안 열처리를 하였다. 열처리가 끝난 광전극은 0.3mM N719염료 용액에 21시간동안 침지 하였다. 상대전극은 Pt/ITO/PEN film(12Ω/Sq., OIKE)을 사용하였으며, 광전극과 상대전극은 열가소성 수지(Surlyn, Dupont)를 이용하여 샌드위치 형태로 접합하였다. 광전극과 상대전극 사이에 요오드계 전해질(EL-HSE, DYESOL)을 주입하여 염료감응 태양전지를 완성하였다.
TiO2광전극은 XRD(X-Ray Diffractometer, Rigaku)를 이용하여 결정성을 확인하였고, SEM(Scanning Electro Microscopy, JEOL)을 이용하여 광전극의 형상을 확인하였다. 완성된 염료감응 태양전지는 solar simulator를 이용하여 1sun, AM1.5조건에서 광전변환효율을 측정 하였다.
3. 결과 및 고찰
Fig. 2는 TiO2 광전극의 XRD 측정 결과를 보여준다. 상용 페이스트를 사용한 (a)에서는 anatase상만 관찰되지만, (b)와 (c)에서는 rutile상도 관찰된다. 이는 (b)와 (c)를 제작할 때, anatase(80%)상과 rutile(20%)상이 섞인 P25 파우더를 사용하여 페이스트를 제작했기 때문으로 판단된다. Sol-gel 반응을 진행하면서 TTIP의 함량이 증가하여도 TiO2 광전극의 결정상 변화에 영향을 끼치지 않았다고 판단된다.
X-ray diffraction pattern of Photo-electrode prepared with different molar ratios; (a) commercially available paste (b) TTIP:TiO2 = 0.5:1 and (c) TIP:TiO2 = 0.7:1, A : Anatase, R : Rutile
Fig. 3에서 (d)는 TTIP:TiO2의 몰비가 0.5:1인 페이스트를 사용하여 유연기판위에 제작된 광전극을 보여주고 있다. SEM image를 보면 상용페이스트를 사용한 (a)의 경우 입자의 크기가 일정하며, 고르게 분포한 것을 알 수 있다. 평균 입자 크기가 27nm인 P25 파우더를 사용하여 페이스트를 제작한 (b)와 (c)는 입자의 크기가 전구체로 사용한 P25파우더의 입자크기에 비하여 커진 것을 확인할 수 있다. 이는 페이스트를 제작하는 과정에 들어간 TTIP와 에탄올의 영향으로 TiO2 나노입자들이 응집하고, TiO2박막 코팅이후 열처리하는 과정에서 거대화된 TiO2 입자에서 에탄올이 증발할 때, 응집된 상태로 존재하면서 입자의 크기가 커진 것으로 생각된다.[4]
SEM image of porous TiO2 films prepared with the (a) commercially available paste and molar ratio; (b) TTIP:TiO2 = 0.5:1, (c) TTIP:TIO2 = 0.7:1. (d) shows the flexibility of TiO2 photo electrode using the homemade paste in (b)
Table 2와 Fig. 4에서 상용페이스트로 제작한 염료감응 태양전지는 C, TTIP:P25의 몰비율이 0.5:1은 H-0.5, TTIP: P25의 몰비율이 0.7:1은 H-0.7으로 표현하였다.
Photovoltaic performance parameter of DSCs based on low temperature TiO2 paste under different conditions
Fig. 4는 제작된 염료감응 태양전지의 전류밀도-전압 곡선을 보여준다. 전압, 전류밀도, FF, 효율의 태양전지 특성 데이터는 Table 2에서 보여준다. C의 효율은 3.735%로 측정되었으며, TTIP를 바인더로 사용한 H-0.5의 효율이 4.167%, H-0.7은 3.173%로 측정 되었다. 염료의 흡착량 측정 결과 H-0.5(4.286)에 비하여 C(4.364)가 상대적으로 높게 측정 되었지만, 전류밀도 값을 비교한 경우 H-0.5 (8.334)가 C(7.47)보다 높게 측정되었다. H-0.5의 효율이 가장 높게 측정된 이유는 흡착량을 비교했을 때, 그 차이가 크지 않은 상태에서 TTIP를 바인더로 사용한 H-0.5가 전자의 흐름을 개선하여 전류밀도값의 증가했기 때문으로 판단된다. H-0.7은 TTIP를 바인더로 사용했지만 TiO2 광전극 제작시에 TTIP의 함량이 증가하면서 입자의 크기가 커졌고, 이에 따라 흡착량이 작아져 전류밀도 값이 작기 때문으로 판단된다.
The photocurrent density-voltage (J-V) curves of flexible dye-sensitized solar cells using the different pastes
4. 결 론
유연 염료감응 태양전지를 제작하기 위하여 저온 소성용 TiO2 페이스트를 제작하였으며, 제작된 태양전지의 효율을 측정하였다. TiO2 입자간의 연결성을 높이기 위하여 TTIP를 바인더로 사용하였으며, TTIP와 TiO2 파우더의 몰비율을 달리하여 페이스트를 제작하였다.
TTIP의 몰비율이 증가함에 따라 TiO2 입자의 크기가 커지는 것을 확인 하였다. TTIP:TiO2 파우더의 몰비율이 0.5:1인 태양전지에서 효율이 4.617%로 가장 높게 측정되었는데, 이는 상용 저온소성용 TiO2 페이스트를 사용한 태양전지 보다 전류밀도 값이 높기 때문이다. 이는 TTIP를 바인더로 사용하여 TiO2 입자간의 연결성을 향상시켜 전자의 이동을 개선했기 때문으로 판단된다. 하지만 일반적인 방법으로 제작된 염료감응 태양전지의 효율 수준 이상으로 개선하기 위해서는 TiO2 페이스트 제작 과정의 최적화를 통해 흡착량을 더욱 개선시킬 필요가 있기 때문에 이에 대한 연구가 계속 진행되어야 할 것이다.
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