Appl. Chem. Eng., Vol. 22, No. 1, February 2011, 26-30 26 WO 3 가 첨가된 TiO 2 염료감응형 태양전지의 에너지 전환 효율 이성규⋅이영석 † 충남대학교 정밀응용화학과 (2010년 7월 27일 접수, 2010년 9월 27일 채택) - Energy Conversion Efficiency of TiO 2 Dye-sensitized Solar Cells with WO 3 Additive Sung Kyu Lee and Young-Seak Lee † Department of Fine Chemical Engineering and Applied Chemistry, BK21-E2M, Chungnam National University, Daejeon 305-764, Korea (Received July 27, 2010; Accepted September 27, 2010) 염료 감응형 태양전지의 에너지 전환 효율을 향상시키고자 TiO2에 WO3을 첨가하여 광전극을 제조하고 그 전기화학적 특성 평가를 하였다. 또한 WO3가 첨가된 TiO2를 회쇄함으로써 회쇄 효과가 전지효율에 미치는 영향을 고찰하였다. I-V 곡선을 통하여 측정된 염료 감응형 태양전지의 효율은 WO3 첨가 및 회쇄 효과에 의하여 2.8에서 6.0%로 크게 증가하였다. 이와 같은 결과는 TiO2의 전도대에서 전달되는 전자가 염료 및 전해질과 재결합되기 전에 TiO2의 전도대 보다 낮은 WO3의 전도대를 통해 전달되기 때문에 전체 전류의 양이 증가되어 효율이 증가한 것으로 여겨진다. 또한, 임피던스 결과로부터 TiO2/염료/전해질 계면의 저항 값이 감소하는 것을 확인하였다. In order to improve the energy conversion efficiency of dye-sensitized solar cell (DSSC), the photoelectrode was manufactured by using TiO2 and WO3 on combination effects of two conduction bands. The smash procedure of TiO2 and WO3 was carried out by using a paint shaker to enlarge the contact area of semiconductor with dye and electrolyte. The energy conversion efficiency of prepared DSSC was improved about two times from current-voltage curve based on effects of WO3 and smash. The mechanism was suggested that the conduction band of WO3 worked for prohibiting the trapping effects of electrons in conduction band of TiO2. This result is attributed to the prevention of electron recombination between electron in conduction band of TiO2 with dye and electrolyte. Impedance results indicate the improved electron transport at interface of TiO2/dye/electrolyte. Keywords: dye-sensitized solar cell, TiO2, WO3, recombination, energy conversion efficiency 1. 서 론 1) 최근 환경오염 및 화석연료의 고갈을 대비하여 대체에너지 연구에 많은 관심이 집중되고 있다. 이런 대체에너지 연구 중 태양전지는 무 한한 태양에너지를 이용하는 것으로 청정성 , 안정성 , 무한성으로 인하여 가장 확실한 대체에너지원으로 인식되어 왔으며 태양전지를 통하여 빛을 전기로 전환하려는 노력이 시도되어 왔다. 태양전지의 종류 중 염료 감응형 태양전지(dye-sensitized solar cell, DSSC)는 1991년 스위 스의 그라첼(Gratzel) 등에 의해 소개된 것으로 기존 실리콘 태양전지 에 비해 제조비용보다 저렴하고 제조가 용이하다는 점과 긴 재생 수 명, 친환경적 에너지, 다양한 응용이 가능하다는 장점을 가지고 있다 [1-6]. DSSC는 광전극(photoelectrode), 상대전극(counter electrode), 염료 (sensitizer), 전해질(electrolyte)로 구성되어 있다. 광전극의 재료로는 TiO2가 널리 이용이 되고 있으나 그 밖에 ZnO, SnO2와 같은 넓은 밴 드 갭을 갖는 n형 전이금속 산화물들로 구성될 수 있다. 이런 광전극 † 교신저자 (e-mail: [email protected]) 표면에 흡착이 되어 있는 염료가 태양광을 받으면 염료 속의 전자가 태양 에너지를 흡수하여 채워지지 않은 상위 준위로 여기(excited state)되며, 이때 전자가 빠져나간 하위 준위(ground state)의 빈자리는 전해질 속의 산화된 요오드 이온이 전자를 주면서 다시 채워진다. 염 료에 전자를 제공한 이온은 산화되어 광전극으로 이동하여 전자를 제 공받게 된다. 또한 상대전극은 전해질 속에 있는 이온의 환원 반응의 촉매로 작용하여 전해질 속의 이온에 전자를 제공하는 역할을 한다 [7-9]. 이런 원리로 작동이 되는 DSSC는 많은 장점에도 불구하고 낮은 에너지 전환 효율(energy conversion efficiency)로 인하여 상용화하기 에는 어려움이 있다[10-14]. 에너지 전환 효율이 낮은 이유에는 받는 태양광의 손실 및 전극 내로 전자 공급의 어려움 등 여러 가지가 있 으나 가장 큰 문제는 전달되는 전자와 염료 및 전해질과의 재결합 (recombination) 문제이다. 전자의 재결합 문제는 태양광을 흡수한 염 료가 전자를 여기 하여 반도체 층으로 주입되는 속도는 나노 초로 상 당히 빠른 반면에 여기 된 전자가 반도체 층을 통과하는 속도는 밀리 초로 상대적으로 느리기 때문에 여기 된 전자가 전부 반도체 층을 통 과하지 못하고 일부는 다시 전해액 속의 산화된 I3 - 이온과 재결합 하
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WO 가 첨가된 TiO 염료감응형 태양전지의 에너지 전환 효율 - CHERIC · 2011. 2. 10. · 또한 WO 3가 첨가된 TiO 2를 회쇄 후 제조함으로써 첨가된
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Appl. Chem. Eng., Vol. 22, No. 1, February 2011, 26-30
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WO3가 첨가된 TiO2 염료감응형 태양전지의 에너지 전환 효율
이성규⋅이영석†
충남대학교 정밀응용화학과
(2010년 7월 27일 접수, 2010년 9월 27일 채택)
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Energy Conversion Efficiency of TiO2 Dye-sensitized Solar Cells with WO3 Additive
Sung Kyu Lee and Young-Seak Lee†
Department of Fine Chemical Engineering and Applied Chemistry, BK21-E2M, Chungnam National University, Daejeon 305-764, Korea
(Received July 27, 2010; Accepted September 27, 2010)
염료 감응형 태양전지의 에너지 전환 효율을 향상시키고자 TiO2에 WO3을 첨가하여 광전극을 제조하고 그 전기화학적
특성 평가를 하였다. 또한 WO3가 첨가된 TiO2를 회쇄함으로써 회쇄 효과가 전지효율에 미치는 영향을 고찰하였다.
I-V 곡선을 통하여 측정된 염료 감응형 태양전지의 효율은 WO3 첨가 및 회쇄 효과에 의하여 2.8에서 6.0%로 크게
증가하였다. 이와 같은 결과는 TiO2의 전도대에서 전달되는 전자가 염료 및 전해질과 재결합되기 전에 TiO2의 전도대
보다 낮은 WO3의 전도대를 통해 전달되기 때문에 전체 전류의 양이 증가되어 효율이 증가한 것으로 여겨진다. 또한,
임피던스 결과로부터 TiO2/염료/전해질 계면의 저항 값이 감소하는 것을 확인하였다.
In order to improve the energy conversion efficiency of dye-sensitized solar cell (DSSC), the photoelectrode was manufactured
by using TiO2 and WO3 on combination effects of two conduction bands. The smash procedure of TiO2 and WO3 was carried
out by using a paint shaker to enlarge the contact area of semiconductor with dye and electrolyte. The energy conversion
efficiency of prepared DSSC was improved about two times from current-voltage curve based on effects of WO3 and smash.
The mechanism was suggested that the conduction band of WO3 worked for prohibiting the trapping effects of electrons in
conduction band of TiO2. This result is attributed to the prevention of electron recombination between electron in conduction
band of TiO2 with dye and electrolyte. Impedance results indicate the improved electron transport at interface of
TiO2/dye/electrolyte.
Keywords: dye-sensitized solar cell, TiO2, WO3, recombination, energy conversion efficiency
1. 서 론1)
최근 환경오염 및 화석연료의 고갈을 대비하여 대체에너지 연구에
많은 관심이 집중되고 있다. 이런 대체에너지 연구 중 태양전지는 무
한한 태양에너지를 이용하는 것으로 청정성, 안정성, 무한성으로 인하여
가장 확실한 대체에너지원으로 인식되어 왔으며 태양전지를 통하여
빛을 전기로 전환하려는 노력이 시도되어 왔다. 태양전지의 종류 중
염료 감응형 태양전지(dye-sensitized solar cell, DSSC)는 1991년 스위