Appll’edChemistl걍l Vol.13.No.2,October2009,201-204
TIOZ 나노섬유 광전극 특성이 염료감응형 태양전지 효율에 미치는 영향
의숲소 ·이재욱 ·킴선일 조선대학교화학공학과
1陵 1lluence of Ti02 Nanoflber Propelties on Eneigy Conve’sion Efflciency of Dye-Sellsitized Solar Cells
Seun요－Woo Lee ·Jae-Wook Lee ·Sun- 11Kim
Department ofChemical Engineering.Chosun University
AbstraCt
Ti02 nanofibers were successfully prepared by electrospinning using a solution contained
FE- SEM.
poly(vinylpyrrolidone)and Ti(IV)-isopropoxide.The
method
samPles were characteriZed that
by
TEM, XRD and the prepared Ti02 samples were applied
photoelect「odein DSSC. It
BET analysis.Then,
wEIs found that the photovoltaicperformances
to a
solar cellwere highlydependent on the physicaland chemical PropertiesofTIOZ
of dye- sensitized nanofibers.
1.서 론
태양광은 자외선 6, 8 % ,가시광선 42 % ,그리고 적외선 50 ％로 구성돼 있다．태양전지는 이중 에시 주로 가시광선 영역을 이용한다．그런데 유기염료가 다양한 색을 갖는 것은 가시광선과 관련 이 있다 ［1,3].즉 가시광선 중 특정한 파장의 빛을 잘 흡수함으로써 색을 갖는 것이다．바로 이 점에시 유기염료는 태양빛을 받아 전자를 발생시키는 태양전지의 주재료가 될 수 있다．하지만 지 금까지 유기염료는 대양전지의주재료로 활용되기에 어려운 짐이 있었다．원하는 만큼의 전기에너 지를 생산하려면 많은 양의 유기염료를 갖고 있어야 한다．하지만 유기물질은 수십， 수백 柳 （마
이크로미터， l 柳： 10- 6 m) 두께를 만들 수 있는 실리콘과 같은 고체형 무기물질과는 달리 분자 형대 （분자의 크기는 대개 수 I皿， 1 。 페： 10. g m） 를 갖기 때문에 분자를 차곡차곡 쌓아 두꺼운 필
름을 만들기가 무척 어렵다．때문에 유기물질로 구성된 태양전지의 효율이 매우 낮아 실제로 쓸모 가 없었다．하지만 이를 보안한 유기염료의 효율을 극대화 시킨 나노기술이 등장하였다．유기염료 의 양을 극대화하기 위해 필름을 만드는 대신 다른 물질에 유기물질을 흡착시키는 간접적인 방법 을 사용한다．즉 두꺼운 필름이 가능한 무기물의 표면에 유기물을 흡착시킨다는 아이디어이다．이 때 무기물의 표면적이 넓을수록 많은 양의 염료를 흡착시킬 수 있다 【4,5].염료감웅형 태양전지는 10-20 硼，크기의 산화물 나노입자 표면에 유기염료가 흡착해시 만들어 진다．즉 산화물 나노입자들을 전도성 유리기판 위에 매우 조밀하게 쌓아 수십 姻 필름을 만들고，
이 필름을 염료가녹아있는 용액에 담그면 많은 양의 염료를 가진 전극을 만들 수 있다．염료감웅 태양전지가 부각 받는 이유는 단지 실리콘 대양전지에 버금가는 에녀지변환 효율과 저렴한 제조 단가만은 아니다．유기염료를 사용하기 때문에 환경에 무해할 뿐 아니라 이전에 없었던 새로운 웅 용가능성을 보여주고 있다．우리나라 보다 훨씬 연구를 일직 시작한 선진국에시는 정부 주도의 연 구가 활발히 진행되고 있다．유기물을 사용해 얻어지는 투명성은 자동차 유리와 같은 곳에 태양전 지의 활용영역을 넓혀준다．투명한 태양전지는 건물의 유리창이나，자동차 유리처럼 투명성을 요
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구하는 곳에 부착해 본래의 기능도 가지면서 부가적으로 전기를 만들어내는 기능까지 첨가할 수 있어 폭넓게 웅용될 수 있는 것이다．따라서 유기물을 활용한 태양전지는 실리콘 태양전지 시장을
대쳬할 차세대 태양전지로 부각되고 있다．
최근에 염료감웅형 태양전지의 효율 향상을 위해 다양한 연구가 진행되고 있다． 염료감응 태양 전지는 TIO」 나노 켤정 소재， 염료， 전해질 및 전도성 기판 둥 크게 4가지 분야로 나눌 수 있다．
본 연구에서는 TIOZ 나노 결정 소재에 관한 분야로서 전기방사법을 이용하여 TIOZ 나노섬유를 얻
은 후 이를 염료감응형 태양전지용 광전극에 활용하여 효율을 향상 시키고자 하였다．2.실 험
2.1TIOZ나노섬유의최적화 및 태양전지 셀 졔조
본 실험에서는 1.smL의Ti(IV)-isoPropoxide(P-25）를 Aceticacid(JLJbJSEI)3mL에분산시켜 Poly’vinylpyrrofidone(P\IP,AldrichM陷1,300,000)0.459을넣은 Ethanol(99.8% ) 10mL에넣고 실온에서 24시간교반시켜준다．고른 분산을 위해 초응파로 5분간교반올 해준다．분산이 된 용 액으로 전기방사를 한다， 전압 l5, 20 KV, 유속은 3mL/h로해주었다．이후 600℃에서 3h 동 안 소결한다．이렇게 얻어진 TIOZ 나노섬유를 글라인딩 후 Paste형태로제작하여 염료감웅형 태 양전지의 유리전극에 닥터블레이드 방법으로 코팅후 제조된 광전극 막의 두께는 약 5-7 Iall이고 쾅전극의 유효면적은 0.25c戚로제작하였다．제조된 광전극을 분당 5 ℃로 숭온하여 500 ℃에서 l
시간 동안 열처리 하였다． 열처리 후 광전극은 Ru계 (Ruthenium 535- bis TBA, Solarenix) 염료
에 24시간침지시켜 염료가 홉착된 TIOZ 광전극을 준비하였다．상대 전극은 Fl’O (fluorine-Doped Tin Dioxi’de,Asalll’Glass,13Wc斌）기판 위에 Pt-sol(Ptcatalyst/ SP, Sofarom*x）를 이용하여 쾅전극과 동일하게 열처리하여 제작 한 후 사용하였다． 이렇게 제조된 두 전극은 hot-mek sealing(SXll70-60,S이aronix）을 이용하여 샌드위치 형으로 조합하고 완전히 접착한 후 두 기판 사이에 요오드 이온（0.3 M l,2-dimethyl-3- proPylifrll·daZoliulniodide(Solaronix),0.5 M LII (Aldrich), 05 M 卜 (Aldrich), and 0.5 M 4-tert-butylpyridine(Aldrich) in 3.metoxypropinnitrile(Fluka)）을 함유하는 전해질을 넣은 후 주입 부위를 amosil4로막아 전해 액이 누수 되지 않게 단위 셀 염료감응형 태양전지를 만들었다．Fig.1 PVP용액을 이용한 전기방사 Fig.2 전기방사된 TIOZ 나노섬유의 SEM
2.2 체조된 염료감응태양전지의 특성측정
제작되어진 셀을 solarsimulationsystem(AMI.5,1000W Xenon laITlp,TlleTlrlo．叩el）을 이용하 여 에너지 변환 효율을 조사하였다．셀의 효율 조사방법은 solarsimulationsystem에 셀을 장착 하여 전류－전압 곡선 (l-V Cllr’res）을 얻은 후，에너지 변환 효율은 수식 （1）과 같이 입사된 빛에너
웅용화학，제 l3권제2 호，2009
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지（Pin）에 대한 발생된 전기에너지 （PouJ의값으로부터 구하였다．
욕，忖 차ell（盼）= 7 ’× 100=
f날”
Vmaxlmax 요 。
× 100 =
Vocl’cFF P,’。
× 100 (1)
여기서，FF는Finfactor로서사각형에 가까울수록 효율이 중가한다．
3. 결과 및 토론
전기방사법을 이용하여 제조한 Ti○2나노섬유를 다양한 기기분석（SEM,TEM, XRD, BE'T）을 이용 하여 그특성을 조사하였다．Fig.3은600℃에서 洲r동안소결한 후FE- SEM 분석을 통해 얻은 결 과로서 매우 균일한 직경 크기를 갖는 나노섬유가 얻어짐을 확인할 수 있었다．
Fig.3.600℃에서 3h 소결 한 뒤의 SEM 사진 （좌：5.OOK배율，우：IOOK배율）
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Fig.4 나노섬유 첨가량에 따른 염료감응형 태양전지의 I-V Curve
전기방사법으로 얻은 TIOZ 나노섬유를 DSSC Paste에첨가하여 광특성을 조사한 결과，그 효과가 매우 크지는 않았지만 대체적으로 에너지 전환 효율이 증가함을 확인할 수 있었다（Fig.4,Table 1).Fig.4의파란색 실선은TIOZ 나노섬유를 1.5% 첨가한 경우의 셀 전류밀도이고，붉은색 실선 은 TIOZ 나노섬유를0.5% 첨가한 셀의 전류밀도아더，가장 아래에 녹색 실선은 나노섬유를 첨가 하지 않은 경우이다．TIOZ 나노섬유의 함량을 늘릴수록 전류밀도는 증가했지만，어느 한계량을
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Table 1. TIOZ 나노섞유 첨가량에 따른 에너지 변환효율 변화
SamPIe
NOne 0.5% ㅜN
:,【mAZ酊］
17.02 18.60
v∥[V]
0.70 0.73
FF 0.66 0.63
n．■．【％]
7.92 8.55
; iㄴ 騙” 하滂 틀！ i； 」 繇珊 눙 ！ 轍！ 滯 ： 鑿결읕｀ 纛湍蘇；
넘어서면 전류밀도가 오히려 낮아짐을 볼수 있었다．
4 .켤 론
전기방사법을 이용하여 얻은 TIOZ 나노섬유를 염료감응형 태앙전지용 광전극 제조에 활용할 경우，
TIOZ의높은 비표면적과 전자의 원활한 이동성 때문에 첨가 함랑이 1.5％일 경우 전류 밀도의 향 상으로 가장 높은 에너지 변환 효율을 보였다．추후 전기방사법을 이용하여 TIOZ나노섬유의 물리
적， 화학적 특성을 정밀하게 조절할 수 있을 경우， 보다 더 높은 효율을 기대할 수 있다고 판단된
다．
감사의 글
본 연구는 교육과학기술부와 한국산업 기술재단의 지역혁신 인력양성사업으로 수행된 연구결과임．
참 고 문 헌
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응용화학，제13권제2호，2009
