연료감응태양전지실험

소개글

연료감응태양전지실험에 대한 보고서 자료입니다.

목차

ABSTRACT Ⅰ

CONTENTS Ⅱ

LIST OF FIGURES Ⅲ

LIST OF TABLES Ⅲ

1. INTRODUCTION 1

1-1. 태양전지 1

1-1-1. 태양전지의 변환효율 2

1-1-2. 태양전지의 출력특성, 온도특성 2

1-1-3. 곡선인자(FF : Fill Factor) 4

1-2. 염료감응형 태양전지(DSSC : Dye Sensitized Solar Cell) 4

1-2-1. 염료감응형 태양전지의 작동원리 5

1-2-2. 염료감응형 태양전지에 사용가능한 염료구조 5

1-3. TiO2 6

1-4. 전도성 기판 6

1-5. 에너지 밴드 갭 7

2. EXPERIMENT 8

2-1. 실험기구 및 재료 8

2-2. 실험방법 8

2-3. 실험시 주의사항 9

3. RESULT & DISCUSSION 10

3-1. Raw Data 10

3-2. Calculation 11

3-3. Discussion 11

4. CONCLUSION 12

5. REFERENCES 13

본문내용

산화환원에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 염료에 전달하는 역할을 담당한다. 이에 따라 전지의 open circuit voltage는 TiO2반도체의 페르미에너지 준위와 전해질의 산화환원 준위의 차이에 의해 결정된다.[3]
Fig 6. 염료감응형 태양전지의 작동원리
1-2-2. 염료감응형 태양전지에 사용가능한 염료구조
염료감응형 태양전지의 가장 중요한 요소인 염료의 경우 빛 에너지를 흡수하여 바닥 상태(ground state)에서 들뜬상태(excited state)로 전이(d → π* transition) 함으로써 저자주입 역할을 수행하게 된다. 염료감응 태양전지용 염료가 갖추어야 할 조건은 첫째 가시광선 전영역의 빛을 흡수할 수 있어야 하며, 둘째 나노산화물 표면과 견고한 화학결합을 이루고 있어야 하며, 셋째 열 및 광확적 안정성을 지니고 있어야 한다. 지금까지 알려진 염료 중에는 루테늄계 유기금속화합물이 가장 우수한 것으로 보고되고 있다. 이는 루테늄계 염료의 경우 단일항 들뜬상태 (nonthermalized singlet excited state, S*)와 삼중항 들뜬상태(triplet excited state, T*)로 부터 반도체 전도띠로 전자를 주입할 수 있어 높은 효율을 이룰 수 있기 때문이다. 현재는 루테늄과 같은 금속이온을 함유하지 않은 순수 유기물 염료에 대한합성 및 광전변환 특성에 관한 연구를 하고 있으며, 쿠마린계 물질의 유도체를 합성하고 염료감응 태양전지용 염료로 응용한 결과 약 5.2%의 에너지변환 효율을 보여주는 등 다양한 연구 결과가 보고되고 있다.
다음 Fig.7에서는 염료 감응형 태양전지에 이용될 수 있는 다양한 염료의 구조를 표시하였다. 최근에는 인돌계 유기물질을 염료로 사용하여 에너지변환 효율 8%를 달성하였다. 현재는 순수 유기물질을 사용하는 경우 빛과 열에 불안정한 것이 시급히 해결해야 할 과제로 대두되고 있으나, 빛과 열에 대한 안정성이 확보될 경우 가격 측면에서 경쟁력이 우수한 소재가 될 수 있다.[4]
1-3. TiO2
TiO2는 백색안료중 최고 높은 굴절율을 가지고 정확한 입도와 분산성을 가지고 있으므로, 은폐력, 착색력이 우수하다. Fig 8는 TiO2의 결정모양을 나타낸 것이다.
화학적으로나 물리적으로 매우 안정된 물질로서 안료용으로 사용되는 것은 물론, 화학섬유의 광택제거 및 내마모성향상제로도 사용이 되며, 전자적 특성을 이용하여 전자재료, TV브라운관, 용접봉 피복제 등 그 쓰임새가 광범위하다. TiO2의 결정형에는 Anatase ,Rutile ,Brookite 의 3종류가 있다.[5]
1-4. 전도성 기판
투명전도성 기판으로 사용되는 물질은 Sn-doped In2O3 (ITO), F-doped SnO2 (FTO), ZnO 등 다양하다. 염료감응 태양전지에서 수십 마이크로미터 두께의 나노입자 산화물 전극을 투명전도성 기판에 만들기 위해서는 고분자를 포함하는 슬러리 코팅을 500 ℃ 정도에서 열처리 하여야 한다. 따라서 염료감응 태양전지용 투명전도성 기판은 온도 안정성을 고려하여 선택해야 한다. 염료감응 태양전지에 범용적으로 사용되는 투명전도성 물질은 F-doped SnO2 이다.
1-5. 에너지 밴드 갭
에너지 밴드이론은 고체물질에서 전자들이 궤도 준위를 어떻게 변화시킬 수 있는지를 설명 해준다. 가전자들은 가전자 밴드에 존재한다. Fig 9에 표기된 것처럼 가전자대와 전도대(conduction band) 사이에는 밴드 갭(band gap)이 존재한다. 어떤 물질에서의 밴드 갭은 대단히 높은 에너지를 갖기 때문에 금지대 갭(forbidden gap)을 발생시킨다. 이런 물질들은 전자들이 가전자대에서 전도대로 이동하지 못하기 때문에 절연체(insulator)라고 부른다.
도체(conduction)라고 부르는 또 다른 물질은 가전자대와 전도대가 겹치기 때문에 전도대호 전자기 이동하기 위해서는 아주 작은 에너지만을 필요로 한다. 세 번째 물질은 밴드 갭 에너지 준위가 도체와 절연체의 사이에서 발견되는데 이런 물질은 반도체(semiconductor)라고 부른다. [6]
Fig 9. 에너지 밴드 갭
2. EXPERIMENT
2-1. 실험기구 및 재료
FTO 유리기판, TiO2, PEG(Poly Ethylene Glycol), 산화-환원 전해질(아세토니트릴(acetonitrile)에 0.3 M LiI와 0.015M I2, 2M의 TBP혼합), 상대 전극(FTO 유리 기판 위에 백금(Pt)이 코팅된 것을 사용), ethyl alcohol과 루테늄(Ru)계 유기금속 화합물로 구성된 염료, IPA, 마이크로 피펫, 깨끗이 세척된 칼날, solarsimulator가 사용되었다.
2-2. 실험방법
염료감응형 태양전지를 제조하기 위하여 먼저 전도층이 되는 TiO2를 준비하였다. TiO2 0.5g를 사발에 넣고 PEG(Poly Ethylene Glycol)를 주기적으로 넣어주며 갈아주었다. PEG는 날씨나 온도에 따라서 들어가는 양이 달라지나 이번 실험에서는 한번에 0.1ml씩 마이크로 피펫으로 약 3ml정도를 넣으며 약 1시간정도 곱게 갈아주었다. PEG는 TiO2가 기판에 잘 붙도록 하는 고분지 물질로 덩어리나 기포가 생기지 않도록 주의하면서 갈아주었다.
투명 전도성 기판은 가시광선 영역에 대해 80％의 투과율과 고유저항(ρ)이 ~8 Ω/cm2을 갖는 FTO 유리 기판을 사용하였다. 세척된 기판의 전류가 흐르는 면을 확인하고 틀을 이용하여 TiO2가 입혀질 부분( 5 mm× 5 mm= 25mm2)을 Fig 10과 같이 맞춰서 테이핑 하였다.
Fig 10. 테이핑하고 코팅한 FTO기판
약 1시간동안 PEG를 첨가하면서 곱게 갈은 TiO2를 FTO기판에 코팅하였다. 코팅은 깨끗이 세척한 칼날을 이용하여 닥터 블레이드법으로 하였다. 여러 개의 코팅을 할 때 항상 칼날을 IPA(Iso-Propyl Acetate)로 닦아주면서 해야 했다. 코팅한 뒤 테이핑을 제거하고 상온에서약간 건조시킨 뒤 450℃에서 30분정도 두었다가 염료에 24시간 정도 담가 두었다가 건조시킨다.
염료가 입혀진 기판위에 실링 고분자 막을 올리고 두 개의 구멍이

키워드

연료,   감응,   태양전지