협정에너지기솔

dean Technol., Vol. 24, No.3,

동ptember

2018, pp.

249-.걷4

협정에너지기솔

엽료감응형 태양전지의 광전기적 특성 개선을 위한 급속산화물 나노파01 버의 응용 동영상， 김은미， 정상문*

충북대학교화학공학파 충북청주시 서원구충대로1

(2018년 7월 16일 접수; 2018년 7월 24일 수정본 접수; 2018년 7월 24일 채택)

Application of Metal ^Oxide Nanofiber for I mproving Photovoltaic

Propeπies of Dye-Sensitized Solar Cells

Yong Xiang Dong, ^{En Mei J}m, and Sang Mun Jeong*

D앵attment

of

Cher며cal

Engineering, Chungbuk National University 1

다lUngdae-ro，

Seowon-gu, Cheongju-si,

αlUngbuk，

28644, Korea

(RcG잉.ved

for review July 16, 2018; Revision

rec잉vedJ띠.y

24, 2018;

Ar.c'앨cedJul.y

24, 2018)

요 약

염료감웅형 태양전지의 광전변환효율(，，) 향상을 위하여 수열합성한

Ti02

나노입자에 천기방사한

TiÛ2, SiOz,

강@ 및

SnÛ2

나노파이버를 첨가하여 광전극에 적용하였다.

TiÜ:2

나노파이벼를 첨가한 염료감응형 태양전지는 순수한

TiÜ:2

나노입자에 비해높은천류밀도(J:rc)를나타내었고이것은냐노파이버 구조로 인하여 염료에서 여기흰천지의 천달특정이 용이하여 냐 타난 현상으로 생각된다. 또한

Si02

나노파이버를 챔가한 염료감융형 태양전지의 정우， 순수한

’I'iÜ:2

나노입자률 이용한 것 에 비해 보다높은 0.67V의 개방전압{V oc ^{)을나타내었고} 에너지 변환효율또한 6.24%로 가장높께 냐타났다

추쩌|어

:

염료감웅형 태양전지，

TiÜ:2, SiOz,

강아， Sn02 나노파이벼

A톨tract

: In order to

ÎI따πove

the photo conversion efficiency (,,) of

dye-s없sitized

solar ce11s (DSSCs), the

electro뺑1m

TiÛ2, SiÜ:2, Zr02 and SnOz

nanofib없

were

뼈ded

into the

hydroth하뼈lly prφared

TiOz

때nop빼cles

for

앵pli때찌.on

to a photoelcctrode for DSSCs. ’Ihe TiOz nanofibcr

뼈ded

photoelcctrode exhibited a highcr photo current

de뼈:ty

(J",)

comp웰ed

to 1he bare TiOz

nanop양ticles，

which is caused from acceleration of 1he

σ뻐sfi하

of cxcited electron

암om

dye molecule due to the

뼈nofibcr

structure. The DSSCs with SiOz

뼈nofibers 빼.ows

a highcr open

뎌rc따t

voltage

(V;∞，)

of 0.67 V and the

high않tphoto

conversion

하ñcien‘;y

was found to be 6.24%.

Kaywo삐s

:

Dye-sensitizc:쳐

so1ar ce11s, Ti02, SiOz, Zr02, Nanofiber

1.서 론

염료감응형 태양천지 (dye-sensi따ed

solar cells,

DSSC애는 최근 에너지 자원의 부족， 대기오염 및 신재생에너지의 연구 개발이 활성화 되면서 3세대 태양전지로 대체가능한 청정한 에너지원으로 많은 연구가 진행되고 었다[1]. 염료감웅형 태 양전지는 사용하는 기판에 따라 유연성， 투명성 구현이 가농하 고 사용하는 염료의 색상에 따라 마양한 잭상 구현이 가능하다.

염료캄웅형 태양전지는 크게 염료분자를 홉착한 산화물 반도

* Towhom

∞，rre빼ondence 뼈ould

be

addr앵8쩌.

체를 투명한 전도성 기판에 코당한 광천극， 빽금 또는 탄소가 코팅된 상대전극 그리고 I쩌- 이온을 포함하는 전해질로 구 생되어 었다[2]. 현재까지

TiOz

산화물반도체률 이용한 염료 감웅형 태양전지가 가장 높은 광전변환효율을 나타내고 있으 며 A많KA 법인에서 14.']0/0의 최고 효율을 갖고 었다'.K뼈age

et al.

[3]은

silyl-anchor/carboxy-anchor

염 료를 흡착한

TiOz

팡

전극과FfO/

Au/GNP 상대전극 및 F:[Co(pb∞1)3]*"2+ 전해질

을 이용하여 염료함웅형 태양전지를 구성하였고

50 mW cm-²

팡원에서 측갱하였다. 그러나 이 수치 또한 영료감웅형 태양

E뼈: smjeong@ch뻐gbuk.ac.kr; 다1: +82-43-261-3369; Fax: +82-43-269-2370 doi: 10.7464!Jcsct.2018.24.3.249 plSSN 1598-9712 elSSN 2288-0690

돼뼈 is an 야lCIl-Access article 벼뾰h뼈d under the tcrms of1he α"ca며e Com따ms Attri뼈o.n Na바::ommcn:뻐l μcense (http:μ'crcativecommons.or빙i야:nc뼈 by-.마/3.0) which permits unrestrict혀 non-commercia1 use, dis떠.bution， and πproduction in any medium, pm찌ded the ori믿nal work 색 properly cìted

249

250

동영상

• 김은마 • 정상분

천지의 이론효율(-36%)에 비해 턱없이 낮다. 따라서 염료감 응형 태양천지의 광천변환효윷 향상올 위한 연구가 필요로 하며， 특히 광천극의 특성 개선을 위한 연구가 주류률 이루고 있다 예툴 툴면，

Tio,

산화물반도체 표변에서의 염료 흡착특 생 개선， 여기 된 전자의 재결합 방지， 빛의 이용률 향상 등 다양한 연구들이 진행되고 있다 [4-7].

Nathet

어 [4]의 연구에서 빛의 가시광선 영역에서 광 홈수

율을 향상시키기 위하여

Tio,

광전극 표연에 광 산란충을 적 재하여 넓은 범위에서 광전류 홉수가 용이하고 팡 산란충 산 화물 입자크기에 따른 가시광선의 홉수 특성분석올 진행하였 고 광 산란층이 없는 것에 비해 32%가 향상된 9.37%의 광전 변환효율을 얻었다. 일반척으로 염료감응형 태양천지 천자 천 달 특성은 전자의 재결합 특성과 밀접한 관계가 었으며 전자 의 재철합은 빛을 홉수하여 여기 된 광전자가 염료의 기저상 태 또는 전해질로의 이동을 말한다 많은 연구에서는 전자의 재결합 방지를 위하여 금속도명 또는 산화물코탱 풍 방법이 동원되었다.

Mahmod et

외. [6]의 연구에 의하면 S를 도명한 Tio，를 이용하여 순수한

Tio,

나노업자에 벼해 약 2.5배 이상 의 효율향상을 가져왔다.

본 연구에서는

Tio,

냐노입자를 수열합성 방법으로 합성하 여 염료감용형 태양전지의 광천극으로 이용하였다. 또한 염료 감응형 태양전지의 전자의 천달 특성 및 개방천압 등 천기화 학적 특성 향상을 위하여 천기방사한 다양한 나노파이버σlα，

Sio"

Z야， SnO，)를 첨가제로 사용하였다 염료감응형 태양

전지의 전류밀도는냐노파이벼의 첨가로 인하여 모두증가한 특성을 보였고

Sio,

나노파이벼를 첨가한 염료감웅형 태양전 지의 광천변환효율이 가장 높게 나타닝다.

2. 실험방법

2.1

꺼O 2 나노입자의 수열합성

수열합생법은 저온에서 짧은 시간에 균열한 미립자의 제조 가 가능하고 특히 고순도의 나노입자 제조에 용이하다 본 실험에서는

TiO,

분말을

200

'c에서 5시간 동안 수열합성하 여 제조하였다.

TiO,

나노업자 제조를 위하여

15

mL의 티타 늄태트라이소프로폭시 드(Titanium.tetraisopropoxide，

TTIP, Ti[OCH(Cfu)']4, 98%,

Jnnsei)를

50

mL의 중류수에 챔가하여 몇 분 동안 가수분해를 진행하였다 그다음

0.7

mL의 암모니 아수를 첨가하여 약 3시간 동안 교반한 후， 100 mL의 태플론 수열용기에 답아 천기오븐에서 수열하였다 수열합생한 분말 은 설온 냉각 후 증류수와 에탄올을 이용하여 세척하였고

80

℃에서 하루 정도 건조시쳤다 제조된

Tio,

나노입자는 약

15 - 30

nm의 업자크기를 갖는다

2.2

πO 2 ，

Si02, zr02^, Sn02

나노파이버의 전기방사

Tio" SnQ"

강0"

Sio"

나노파이버를 전기방사하기 위하여

각각의 전구체를 제조하였다 Tilα 나노파이버 천구체는 2g의 폴리비닐피툴리돈(po1yviny1pyπodidone，

PVP, rnw: 1,300,000,

쩌fa Ae빼)을 먼저 8 mL의 아세트산에 용해시킨 후

4mL

티

타늄부톡시드σitanium

(N) butoxide, TBT,

는

97%, Sigma-

Aldrich)를 첨가하여 투명해질 때까지 교반하였다

ZrO,

나노 파이버 천구체는 지르코늄아세태이탁'Zirooniwn 뼈빼" Si맑a­

Aldrich)툴 이용하였고 제조방법은 위의

TiO,

나노파이버 전 구체 제조방법과 동일하다

SiO,

나노파이버 전구체는

4 mL

의 에틸설리케이트σ않aethy1 orthos퍼cate，

1ESO, 98%,

Si，맹퍼­

Aldrich)를 무수에탄올과 염산 혼합용액(무수에탄올/염산=

2:1

vo1.%)에 분산 시킨 후 6 mL의 다이매틸폼아마이드이-N 며methy1 form뼈ide，

DMF,

능

99.8%,

Sigma-외drich)과

PVP 1

g을 순차척으로 청가하였다'. snα 나노파이벼 전구체는

10 mL

에탄올과

1

g의 염화제일주석2수화물(Tin때

ch10ride

di벼빼&

98%,

Sigma-Aldric비을 혼합한 용액에

DMF 10

mL와

PVP 2

g을 순차적으로 첨가하여 제조하였다 제조한 각각의 전구체 는 전기방사장치(ESR100， N:뻐oNC)로 내부직정이 0.26mm인 단일 노즐(25

G

no:<깅.e)을 이용하여 방사하였고 노즐 립과 접 전체간 거리는

15 cm,

유속은

2mLh",

그리고 전압은

18 kV

로 전기방사하였다. 마지막으로 전기방사한 나노파이버는

60

℃에서 1 차 건조시킨 후

600

'c에서 3 시간(1

'C min")

동안 공기분위기에서 열쳐리를 진행하였다. 여기서 수열합성한

Tio,

나노입자와 전기방사한

ZrO"

Siα， Ti'α，

Sno,

나노파이벼를 각각

TiNP, ZrNF, SiNF, TiNF,

S마앤로 명명하였다.

2.4

염료감응형 태양전지 조립

염료감웅형 태양전지의 팡전극 제조를 위하여 우선 수열합 성한

TiO,

냐노분말 2g과 종류수

2 mL,

아세틸아세톤{A야­

ty1acetone, 99.6%, F1uka) 0.3 mL

및 하이드록시프로필 젤룰 로즈떠ydroxyprφy1 cell띠o，e，

150,000 -700,000 CP',

Aldric비

0.4

g을 불밀링기앤lanetary

mono

miι

Fritsch Pulver1

,

^ette-6,

Germany)를 이용하여 1시간 동안 혼합하여 제조한 페이스트 를 투명전도성 유리기판(F1uorine-doped

tin oxide, FTO, 8 n

αn

²

， pi뻐앵ton)에 약 6

.4

土 0.11血의 두께 및 0.25 αn'로 코탱 하였다. 코형된

Tio,

전극은

450

'C에서 30분 동안 열처리를 통하여 용매 및 바인더를 쩨거하였다. 그다음 0.5 mM의

N719

(Ruthenizer 535

bi웅TBA) 염료를 5시간 쟁도 홉착하여 최종적

으로

Tio,

팡전극을 만들었다. 또한 염료감응형 태양전지의 광천변환효율 향상을 위하여 천기방사한 다양한 나노파이버 를 각각

10

wt"1o를

Tio,

패이스트 제조과정에서 첨가하여 사 용하였다 염료감응형 태양천지의 조립은 앞서 제작한

TiO,

팡천극 또는 나노파이버를 첨가한 Tiα/나노파이 광전극과 빽극 상대전극과 샌드위치 모양으로 조립하여

rtIi

산헬환원 전해질을 사용하였다 전해질은

3-methoxy

propio며며1e

(99%,

W외<0)

10

마 용매에

0.5

M의 옥화리륨σithium il때de，

99.90/0,

Aldri배)， 0.05 M의 아이오딘0여ine，

99.999%,

A1dric비， 0.6M 의

DMPII

(S뼈뼈ζ USA)와

0.5

M의 4-tert-bu이

pyridine

(Aldri얘)을 혼합하여 사용하였다

2.5. 분석방법

제조한 분말 및 나노파이벼의 절정구조， 형태학적 특성 풍

분석을 위해 x-선 회절분석계(X-ray 며.ffiactometer，

XRD, illti:ma

염료감용형 태양전지의 광전기적 특성 개선을위한금속산회물나노파이버의 용용

251

IV,

Rig삶u)， 전계방사형 주사현미경(Field

emission scanning electron microscope, FE-SEM, LEO-1530, Carl Zeiss)

및 비표 면적 특성분석 (Surface

area

때a1yzer，

BET, nano

P아osity-XQ，

Miras SI,

Korea)을 측정하였다. 그리고 염료감웅형 태양전지 의 광전변환특성 및 내부 저항특성 분석을 위하여 광전류밀 도-전압곡선과 교류임피던스를 측정하였다. 염료감응형 태양 전지의 개방전압， 전류밀도，

fill factor

및 광전변환효율은

1000 W

크세논 램프와

AM 1.5

필터가 장착된 솔라시율레이터 시스 탱 (Solar

simulator system, Polaronix K201, McScience,

l<!야ea) 을 사용하여 측정하였고 전기화학적 임피던스(EIS)는

Autolab (PGSTAT 302N, Netherland)

전기화학 측정장치를 이용하여

0.05 Hz - 1

MHZ의 주파수와 5mV의 진폭 조건에서

1 sun

광 원(1000

W

크세논 램프，

AM 1.5

필터)에서 측정하였다.

3.

결과및고찰

전기방사한 나노파이버의 열처리 공정을 확인하기 위하여

TGA

열분석을 수행하였고

Figure

1 에서 측정한 결과를 나타 내었다.

Figure

1 의

TGA

곡선으로부터 알 수 있듯이， 전기방 사한 나노파이벼는

100 "C, 200 - 300 "C,

그리고

300 - 600 "c

의 온도범위에서 3개의 중량손실을 나타내었다.

100 "c

근처 에서 일어난

10"10

정도의 작은 중량감소는 물과 일부 유기용 매(에탄올 및 아세트산)의 휘발 때문에 일어난 것이고

200 - 300 'c

근처에서 일어난

30 -

40%의 중량감소는 나노파이버 구조지지체로 사용한 PVP의 분해와

TBT

퉁 금속산화물 전구 체의 분해 및 잔류 유기용매의 휘발로 인한 것으로 판단된다.

그리고

400 "c

근처에서 일어난

15 -

20%의 중량감소는 금속

산회물의 결정 형성으로 인해 발생한 것이다. 모든 유기 성분

이

650 "c

이상에서 완전히 분해되었다. 일반적으로 강@의 경

우

500 "c

이상에서 SnÛ2는

600 "c

이상에서 우수한 결정성이

형성된다[8，9]. TiÛ2인 경우

500 "c

이상에서 아나타제상에서 루타일 상으로의 상변화가 나타나고

700 "c

이상일 경우 거의

120

- - - ZrNF - - - - - SiNF TiNF _._._. SnNF 80

야

( 얻

E ) a

-@>>

40

20

100 200 300 400 500 600 700 800 900

Temperature (OC)

Figure 1. TGA data of(a) TiNP, (b) TiNF, (c) ZrNF,

(이

SiNF, and (e) SnNF powders.

‘ 。: N

<)

(

뚫 뭘

N 。 N )

R ( N m )

20 30 40 50 60 70 80

2 -Theta (degree)

Figure 2. XRD patterns of

T이P，

TiNF, ZrNF, SiNF, and SnNF powders.

90%

이상이 루타일상으로 나타난다[10]. 그리고 SiÛ2인 경우，

약

6OO"C

이상에서 결정구조가 형성되는 것을 확인하였고 따

라서 나노파이버의 제조를 위한 적절한 열처리온도로

600 "c

가 선택되었다.

수열합성한

TiNP

분말과 전기방사한

ZrNF, SiNF, TiNF,

S뼈F 나노파이버를

600

"c에서 열처리한 후의 나노파이버의 결정구조 분석을 위하여

XRD

분석을 진행하였고 그 결과를 Figure2에 나타내었다. 수열합성한 TiNP의 모든 피크는 아나타 제 결정구조(JCPDS 21-1272)가관찰되었다[1 1]. S뼈F는 정사 각형의 루타일

Sn02

결정구조(JCPDS 41-1445)가 관찰되었고 다른 상에 해당효}는 피크는 나타나지 않았다[12]. 그리고

ZrNF

의

XRD

패턴은 zr0

2

의 순수한 입방정구조의 표준 패턴(JCPDS 270997)을 나타내 었다[13]. T에F의

XRD

패턴 결과， 아나타제 와 루타일상이 혼합된 결정구조를 보였고

27.5⁰, 36.1⁰, 41.2⁰,

54.4

⁰

， 56.71。에서 각각

(110), (101), (111), (211),

(200)에 해당되 는 루타일 피크가 관찰되 었다[14]. SiNF는 약

20-

30。의 범 위 에 서 강하고넓은피크가나타났고이는비정질 실리카구조에 기 인한다[15].

Figure

3은 수열합성한 TiNP와 전기방사한

ZrNF, SiNF,

TiNF, SnNF

나노파이버의

FE-SEM

이미지 를 보여주었다.

Figure

3(a)의 수열합성한

TiNP

이미지를 보면 약

20

nm의 균 일한 나노입자로 형성된 것을 확인하였고 나노파이버인 경우

150 - 300

nm의 직 경을 갖는 것을 알 수 있다.

ZrNF, SiNF

및 TiNF은 매끄러운 표면을 나타낸 반면에 S뼈F인 경우， 기타 나노파이버에 비해 다공성 파이버구조를 나타내었다. 따라서 본 연구에서는 약

20

뼈 업자크기 를 갖는 아나타제

TiNP

나 노분말을 이용하여 광전극용 페이스트를 제작하였고 T패P 페 이스트에 다양한 직 정과 표면특성을 갖는 나노파이버를 첨가 제로 첨가하여 광전 기적 특성을 향상시커고자 하였다.

또한 TiNP와 첨가제로 사용한 나노파이벼의 비표면적 측

성을 지닌 IV-형의 흡착등온선을 나타내었고 높은 압력에서 히스테리시스 현상을 보여 메조포아가 발달되어 있는 것을 알 수 았다. 반면에 SiNF는 1-형의 전형적인 마이크로포아 형 태의 흡착등온선을 나타내었으며 표면에 거의 흡착이 불가능 한 특성을 보였다. 비표면적(Brunauer-Emmett-

Teller,

BE'η 분 석결과 TiNP의 비표면적은

64 m² g-l, ZrNF, SiNF, TiNF,

S빠 는 각각

16,430, 58, 24 m²

g-l로 나타났고

TiNP, ZrNF, TiNF

및 S뼈F의 세공 크기는 각각

15, 30, 10, 50 mn

정도로 나타 내었다. 일반적으로 메조포아 소재인 경우 흡착특성이 우수하 여 표면에 염료분자의 흡착이 용이하다. 그러나 본 연구에서 는 염료의 흡착특성보다 전자의 전달특성을 용이하게 하여 광 전특성을 향상을 하고자 하는데 목적이 있다. 따라서 이러한 특성을 갖는 나노파이버를 첨가제로 첨가 시 염료감응형 태양 전지의 광전자 전자전달 특성 향상에 미치는 영향을 분석하 였다.

Figure

5(a)는

TiNP

광전극에

10

wfllo의

ZrNF,

S패F， T패F，

S돼F를 첨가한 염료감응형 태양전지의 광전류밀도-전압 특 성 결과이다. 나노파이버를 첨가한 염료감응형 태양전지의 광 전류밀도(.fsc，

mA

cm-

²

)는 첨가하지 않은 것에 비해 모두 증가 동영상

•

김은미

•

정상문

252

Figure 3. FE-SEM images of(a) TiNP, (b) ZrNF, (c)

S뻐F，(이 T버F，

and (e) SnNF powders_

정을 위하여 질소 흡탈착 시험을 진행하였고

Figure

4에 그 결과를 나타내었다_

Figure

4(a)의 질소 흡탈착 결과에서 알 수 있듯이

TiNP, ZrNF,

T패F 및 S뼈F는 메조포러스 물질의 특

0.16

0.14

(

E 0.12

*

_흰

I _0.10

c')

~ E 0.08

ω

툴

0.06

。

> 0.04

@

」

~

0.02 -+-ZrNF

-+-SiNF -+-TiNF -를←-SnNF -+-TiNP 180

흩 160

‘1) 140

~ a

e、E 120

。 )

용 100

』

。

”

-0

'" 60

-

〉、

1: 40

'"

g 그

80

0.00 20

O

0.0 100

Figure 4.

(떠

Nitrogen Adsorption-desorption isotherms and (b) pore size distribetions from the adsorption branch

throu양1

BJH method for TiNP and various nanofibers.

10

Pore diameter (nm) 1.0

0.8

0.4 0.6

Relative pressure (P/Po) 0.2

E vs. NHE(eV) _

했

Si02~ 18 -4

-3 1:::-

(a)

--1-1

오같

--10 --l 1

--:::12 E_v=4.geV

아 파

m

l l --- -%

----l

I l -

-아 째

m

I l --

때

’ ’ ----

아 찌

m

! ’

’

발

I l ----’

l

뉴마 tL 「 i 「

hFpr

J

o

1 2 3 -2 f-

8.geV 5.0eV

--j3 4

Figure 5.

Photocurr없lt

density-vo1tage

c따ves

of TiNP and various nanofiber used DSSCs.

0.6 4 0.5

0.3 0.4

Voltage (V) 0.2

0.1

o 0.0

염료감응형 태양전지의 광전기적 특성 개선을위한금속산회물나노파이버의 응용

253

한 값을 나타내었고 SiNF를 첨가한 샘플이 가장 높은 전류밀 도(17.24

mA

cm'

²

)를 나타내었다. 이로부터 알 수 있듯이 나노 파이버의 첨가는 전자의 광전극 내에서의 전달이 용이함을 알 수 있다. 염료감응형 태양전지의 개방전압{Voc， v)은

ZrNF (0.68 V),

S페F

(0.67 v)

및

TiNF (0.65

v)인 경우 순수한 나노입자 를 이용한

TiNP (0.65

v)와 비슷하거나 증가하는 특성을 보였 는데 S뼈F를 첨가한 염료감응형 태양전지는

TiNP

보다 낮은 값(0.63 v)을 나타내었다. 이것은

Figure

5φ)의 각 소재의 밴 드캡 에너지 그래프를 통해 알 수 있다. 일반적으로 염료감응 형 태양전지의 개방전압은 산회물반도체의 가전자대 아래에 위치한 페르미준위에서 전해질의 환원준위까지의 차이를 말 한다. 따라서

Figure

5φ)에서 나타낸 것과 같이 아나타제상

Ti02 (A-

^Ti0 2 ^{)에 비해 높은 밴드캡에너지를 갖는 강O} 2 과

Si02

는 ^{개방전압 또한} 순수한 TiÜz에 비해 높게 나타났다. 루타일 상

Ti02 (R-

Ti0 2 ^{)와 Sn02는 모두 A-Ti0} 2 에 비해 낮은 가전자 대 준위를 가짐으로써 광전류밀도-전압결과에서와 같이 비슷 한 또는 낮은 개방전압을 나타내었다[16-2이. 여기서 TiNF를 첨가한 염료감응형 태양전지인 경우 TiNP와 비슷한 개방전 압을 갖는데 이는 T버F의

XRD

결과에서 언급한 것과 같이 루타일상과 아나타제상의 동시 존재로 인하여 비슷한 개방전 합값을 나타낸 것으로 생각된다. 자세한 광전류밀도-전합 특 성 결괴는

Table

1 에 나타내었다.S패F 첨가한 염료감응형 태 양전지가 가장 높은 6.24%의 광전변환효율을 나타내었고 개 방전압， 광전류밀도， 필펙터는 각각 0.67

V, 17.24 mA cm-²

및 54%를 나타내었다. 그리고 이는 나노파이버를 첨가하지 않은 TiNP에 비해 약 30%의 광전변환효율의 증가를 가져왔 다. 따라서 소량의 첨가물을 이용하는 방법은 개방전압 및 전 류밀도를 향상시켜 염료감응형 태양전지의 효율을 높이는데 효과적이다.

Figure

6은 TiNP와 T페P에 여러 종류의 나노파이벼를 첨가

한 염료감응형 태양전지의 전기화학적 임피던스의 나이퀴스 트플롯을 도시한 그림이다. 일반적으로 염료감응형 태양전지 의 나이퀴스트플롯은 세 개의 반원으로 구성되고 이러한 반원 은

Pt

상대전극/전해질 계면 특성 (R c t1)， TiOν염료/전해질 계 면에서의 전자의 전달(Rc끼， 전해질내의

[/13-

이용 확산(Zw)에 의해 나타나는 것으로 알려져 있으며

Figure

6에 삽입한 등가 회로로 각각의 저항을 분석하였다[21 ，22]. Rs는 염료감응형

Table 1. Photocurrent density-voltage data and EIS data ofvarious photoelectrode used DSSCs

J-V data Photo-

electrode

_α) ^κc

(mA

4ccm깅

^FF _(%) ^η

TiNP-ZrNF 0.68 16.23 0.53 5.85 TiNP-SiNF 0.67 17.24 0.54 6.24 TiNP-TiNF 0.65 15.15 0.54 5.32 TiNP-SnNF 0.63 15.99 0.52 5.24 TiNP 0.65 13.71 0.54 4.81

EIS data

R. Rct1 Rct2

(0) (0) (0) 15.3 15.9 16.0 14.8 12.0 17.1 15.4 18.8 14.9 13.9 15.7 16.9 14.4 24.0 17.2

20 lrlllrlllr

얘 mω

””

口 TiNP-ZrNF 'V TiNP-SiNF

。 TiNP-TiNF

• TiNP-SnNF () TiNP

Fitting line 12

S. 10 N

CPEl CPE2

0

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Z'(O)

Flgure 6. EIS ofTiNP and various nanofibers used DSSCs.

태양전지의 전해질 및 전기 접촉에 의한 저항이다. 나이퀴스 트플롯 특성 분석 결과， 나노파이벼를 첨가한 염료감응형 태 양전지 인 경우 첨가하지 않은 TiNP와 비교하여

Ti02

광전극 내에서의 전극저항이 모두 감소한 것으로 나타났다. 이는 나 노파이버 구조의 산화물을 첨가제로 사용함으로써 전자의 전 달 특성을 향상하고

ZrNF, SiNF,

S뼈F를 첨가한 TiNF를 첨 가한 것에 비해 작은 저항값을 보였다. 이것은 앞서

J-V

결과 에서 설명한 것과 같이 아나타제상의

Ti02

^{나노입자보다} 가 전자대전위가 높거나 낮음으로 하여 빛을 받은 염료에서 여기 된 전자가 염료의 기저상태， 전해질로의 재결합을 억제하거나 또는 SnÜz와 같은 가전자대 전위가 낮은 산회물 반도체를 첨 가함으로써 여기된 전자가

Ti02

산화물 반도체 내로의 빠른 전달 특성을 향상시켜 일어난 것으로 판단된다. 여러 광전극 을 사용한 염료감응형 태양전지의 자세한 전기화학적 엄피던

스 결과는

Table

1 에 나타내었다. 전기화학적 입피던스 분석

결과， SiNF를 첨가한 염료감응형 태양전지의 내부저항(Rctl

=

12.0 0 , Rct2 = 17.1

0) 이 가장 작게 나타났고 이는 광전류밀 도-전압 특성 결과와 일치한다.

4. 결론

Ti02, Si02, z^rOz

^및

^Sn02

나노파이버는 염료감응형 태양전

지의 광전기적 특성 향상을 위하여

Ti02

광전극에 첨가하였

다. 첨가한 나노파이벼는 전기방사법에 의하여 약

150-300 nm

의 직경으로 제조되었고 nα 광전극은 약 20nm의 입자크기

로 수열합성한 아나타제 결정구조를 갖는 Ti0 2를 사용하였

다. 염료감응형 태양전지의 광전류밀도는 나노파이벼를 첨가

하지 않은 것에 비해 나노파이버를 첨가한 샘플이 모두 증가하

였고 그중 SiNF를 첨가한 샘플이 가장 높은 18

.57 mA

cm-

¹

의

전류밀도를 나타내었다. 또한 다양한 밴드캡 에너지를 갖는

나노파이버의 첨가는 염료감응형 태양전지의 개방전압 향상

에도 영향을 미쳤다. ZrNF와 SiNF를 첨가한 샘플언 경우 순

수한

TiNP (0.65

v)에 보다 높은

0.68

및

0.67

V의 개방전압

값을 나타났다. 특히 SiNF를 첨가한 염료감응형 태양전지는

254

동영상

• 김은마 • 정상분

가장 우수한 팡전기척특성을 보였다 SiNF를 첨가한 염료감 응형 태양전지의 개방전압， 광전류멸도， 멸빽터 및 광전변환 효율은 각각

0.67 V, 17.24 mA cm-2, 54%

및 6.24%를 나타내 었다- 이는 나노파이버툴 첨가하지 않은 TiNP에 비해 약

30"10

의 광전변환효율의 증가를 가져왔다

감사

본 연구는 한국연구재단의 이공학 개인기초연구지원사업

(2017R1D1AlB030

31989)의 진원에 의해 수행되었음.

References

1.

K뼈，

J. S., Sim, E. J., Dao, W. D., and

Cho~

H. S., ‘'Oubon Nanotulx>-Based Nanohybrid Materials as Counter E1ectrode

fur Hi맹1y

Efficient

I양Sensitized Sol따 C러싹，" Ko，π=0에i

Eng. Res., 54(2), 262-267 (2016).

2. Wan, D. Y., Fan, Z. Y., Dong, Y. X,

B밍lSanjav，

E., Jun, H B., Jin, B.,

뻐，E. M， 뼈 J∞ng，

S. M, ‘'Effect of MeIlIl (Mn, Ti)

Dφing

on NCA Cathode Materials for Lithiwn lon Ba- tteries," J. Nanomater., 2018, 8082502 (2018).

3.

Ka성8양.

K.,

Aoy빼"

Y., Yano, T.,

어a，

K.,

F내isava

J. 1., and

뻐뼈a，

M., ‘'Highly-efficient

I양Sensitized S미없

Cells with Collaborative

Sen잉tizalion

by Silyl-Anchor and CaIboxy- Anchor Dyes," Chem. Commun., 51, 15894-15897 (2015).

4.

N:뼈，

N. C. D., Jung, L S., Kim, S. W., and Lee, J. J.,

‘빼1i­

mization of Hierarchical Light-Scattering Layers in Ti02

Photoelectrodes of

Dye-Sensitiz<쳐 S뼈r

Cells," Sol. Energy, 134, 399-405

(201이

5.

Sakthive~

T., Kwnar, K. A.,

Rarnansth뻐

.. R.,

Sent피Iselvan，

J., and

Jag뻐na뼈n，

K., “Silver

D때ed

Tio,

N:뻐O αys빼lites

for Dy.,.Sensitized

S이arC리1 (DSS디

Applications," Mater.

Res.K

‘

^{press, 4, 126310}

^(201η

6. Mahmod, A. S.,

A빼빼'， MS.， M빼amed，

L M A.,

빼m뼈n，

R,

마뼈<a，

Y. A., and

Bar양at，

N. A. M,

‘τ)emonsttat벼

PhOIOnS to Electron Activity of

S깅。ped

Tio, Nanofibers .. Photo-

an뼈e

in the DSSC," Mater. Lett., 225(15), 77-81 (2018).

7.

~Y.， l월

X, zbu, M.,

뻐dL~X，

“'Preparation of Ana1l!se Tio, Microspheres with High Exposure (001)

F없었

as the Light-Scattering Layer for Improving

Pe꺼bπn‘mce

ofDye-

g뼈g엉 S뼈r(빼，，"

J.

A뼈'8 Con때，

694,

568-5η (201η.

8. Qin, D. Q., Gu, A., Liang, G.,

뼈dY，때，

L.,

“'AF뼈le Ml빼od to Pr맹are

Ziroonia Eleclrospon

Fi밟.

with Different Morpho- logies

뻐d Theπ

Novel Composites Based on

이.anate

Ester Resin," RSC Adv., 2, 1364-1372 (2012).

9.

G하>er，

A,

A뼈el-R뻐m， M A.， A버려-L뼈et;

A. Y.,

뼈d

Abdel- Salsm, M. N.,

‘뻐f1uence

of

C해.cination

Temperature on the S1ructure

뼈d Porosi앙 ofNanoαysts피ne

Sno, Synthesized by a

Conven찌onal

Precipitstion Method

Internatio뼈]，"

Int J. Electrochem. SCi., 9, 81-95 (2014)

10. Lin, Y. H.,

Wei피g，

c. H.,

sr뼈Iav，

A. L., Lin, Y. T., and T=g, J. H., “Faci1e Synthesis and

Charaεterization

of N-Doped

Ti(ε

Photocata1yst and Its Visibl.,.Light Activity fur Photo Oxidstion of Ethylene," J. Nanomater., 2015, 807394 (2015) 11.

F띠ippo，

E.,

Carl야야

C.,

C앵여U때0，

A. L., Perulli, P., Con ciauro, F., Corrente, G. A.,

Gi밍i，

G.,

뻐d Ciccare뼈，

G., ‘'En-

뼈nced

Photocata1ytic Activity of pure Anatase Tio, and pt

TiC

‘

Nanopar1icles Synthesized by Green Microwave Assisred Route,'’ Mater. Res., 18(3), 473-481 (1915)

12. Jm, E. M, pmk, J. Y., Gu, H. B., and Jenng, S. M,

“synthc잉S

of Sno, Hollow Fiber Using Kspok Biotemplate for Appli cation in

며용Sen잉tized

Solar

αU8，" Mateκ

Lett., 159, 321- 324 (2015).

13.B앓ahel，

S. N., Ali, T. T.,

Mo뻐때'， M.， 뻐d Ni따'8Simbarao，

K., “Influence of Crystsl Structure of Nanosized Zr02 on Photocsta1y1ic

Degra빼lion ofM뼈lyl Orangζ"

Nanoscale Res.

Lett., 10, 73 (2015)

14. Wang, J., Yu, J., Zhu, X.,

뻐d Kong，

X Z., “Preparation of Hollow

Tilα Nan야l8rticles

Through Tio, Deposition on Poly- styrene Lates Par1icles and

α와acterizations

of

Th잉r

Struc- ture and Photocata1ytic Activity," Nanoscale Res.

Leα ，

7(1), 646 (2012)

15.

Fen잉Ia，

C. S., santos, P. L., Bonscin, J. A., Passos, R R,

뻐d

Pocrifka, L. A., ‘'Rice

뻐JSk

Reuse in the

pr맹aration

of

S삐，j

Sio,

N뻐ocor때osite，" λ(ater. RI앙

, 18(3), 639-643 (2015).

16. Wu, W., Jiang, C., and Roy, V. A. L., “'Recent Progress in Magnetic Iron

Oxidt>-SemiconφJCkπ conψosite

Nanomaterials .. Promising Photocata1ysts," Nanosca/e, 7, 38-58 (2015).

17. Daeneke, T., Kwon, T., Holmes, A. B.,

Du며，

N. W., Bach,

U.， 81피 뻐ccia，

L,

‘댐gh-E댄a없:y 야.，.Sen잉1m엉

So1ar Ce11s with Ferrocene-Based Electrolyres," Nat. Chem., 3, 211-215 (2011).

18. Li, S.,

αen，

F.,

sc뼈franek，

R., Bayer,

τ

J. M., Rachut, K., Fuchs, A.,

Si，이，

S., Weidner, M., Hohmann, M, and Ffeifer,

v.,

‘뻐tno잉c

Eoergy Band Aligornent of Functional Oxides,"

Phys. Status Solidi RRL - Rapid Res.

Leκ ，

8(6), 571-576 (2014).

19.

y，양Ig，

J. K.,

K뼈，

W. S., and Parl<, H. H.,

‘'ch빼빼1

Bonding

S없es 뻐d

Eoergy Band

G앵

of

SiQ，-1mx까lOI3때

ÙI2Û3 Films on n.(lsAs (001),'’ 1hin So/id

Fi따1， 49에(1-2)，

311-314

(2α}야.

20. Xiao, M., Li, Y., Lu, Y., and Ye, Z.,

“Sψnthesis

of zro,’Fe Nanostructures with

VlS1bl러ight Dri‘κ:n

H, Evelution

A찌vity，"

J. Mater. Chem. A, 3, 2701-2706 (2015).

21. Lee, C. P.,

‘뻐h뼈ced

Perfurmance of a

I뺑.Sensitized

Solar Cell with the Incorporation of

Tit뼈wn

Carbide in the Ti02

Ma비x，"

Phys. Chem. Chem. Phys., 12, 9249-9255 (2010).

22. Zhan, X G., Parl<, J. Y.,

J따

E. M., and Gu, H. B.,

‘m뻐ng

the

In생rfacial

Area

뼈d Poro없ty

of Tio, Film for

E빼anced

Ught

뻐rves'뼈g

in DSSCs," J. Electrochem. Soc., 162(1) E1- E6 (2015)