서강대학교

초록/요약

염료감응 태양전지는 기존의 다른 형식의 태양전지에 비해, 낮은 단가에 상대적으로 높은 에너지 전환 효율을 얻을 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그러나 지금까지 보고된 최고 효율로는 (12∼13 %) 상용화되기에 어렵기 때문에, 효율 향상을 위한 연구 개발, 특히 광전극의 구조와 특성을 제어하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그 중에서도, 타이타니아 광전극의 표면을 이종의 금속산화물 막으로 코팅하는 코어-쉘 타입의 연구에서는, 쉘 물질로 SnO2, Al2O3, Nb2O5, ZnO 등을 이용하며, 이로 인해 변화된 표면 특성에 따라 에너지 변환 효율을 제어할 수 있다. 기존의 코어-쉘 타입의 광전극은 주로 염료흡착이 용이한 나노 입자형 구조를 기본으로 하는데, 나노 크기의 입자들이 불규칙적으로 배열되어 있어, 전자의 이동 통로가 규칙적이지 못하다는 단점을 가지고 있다. 따라서 본 논문에서는, 매크로 크기의 기공이 규칙적으로 연결된 3차원 다공성 구조 (역전된 오팔 구조 또는 역전된 콜로이드 결정 구조)에 코어-쉘 타입을 적용하였다. 역전된 오팔 구조는 또한 빛의 산란 효과도 높아 이에 대한 효율 증가도 기대해 볼 수 있다. 본 연구에서는 균일한 크기의 콜로이드 결정을 주형으로 하여 타이타니아 입자를 주입, 선택적으로 콜로이드를 제거하는 소성 과정, 그리고 ZnO와, Nb2O5를 각각의 쉘 물질로 타이타니아 표면에 코팅하는 표면 처리 과정을 통해 코어-쉘 타입의 3차원 다공성 광전극을 제조하고 이를 염료감응 태양전지에 적용하였다. EDX (energy dispersive X-ray spectroscopy), SEM (scanning electron microscopy), TEM (transmission electron microscopy), XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) 등의 분석을 통해 코어-쉘 광전극의 표면 특성을 확인하였으며, I-V 곡선, EIS (electrochemical impedance spectra)등의 측정 및 분석을 통해, 광전극의 개방 전압의 증가와 전류 밀도의 향상으로 전체적인 에너지 변환 효율이 개선되었음을 확인하였다.