염료감응태양전지post
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염료감응태양전지post
염료감응태양전지제조
Post-report
학과 : 화학 공학과
학번：203
이름 :
담당교수 :
실험날짜 : 22.
1. Title
2010. 5. 12. 염료감응 태양전지 제조
2. Abstract
1) Object
염료감응형 태양전지의 광전기화학적 반응원리 이해 및 단위 셀 제조를 통한 광원의 세기와 광원의 조사거리 변화에 따른 단위 셀의 출력 변화를 관찰하고자 한다.
2) Reagent and Apparatus
시약 : 염료용액, 전해질용액, 에탄올, 봉지재료
기구 : 음전극(TiO2 물질이 코팅된 유리 기판), 양전극, 교반기, 바이얼(20ml),
멀티미터, 구리테이프, 다리미, 전선, 집게, 면장갑
3) Experimental Procedure
1) 염료용액을 교반기를 통해 약 10여 분간 그리고 60℃이하에서 교반시킴으로써 에탄올에 녹아 있는 염료의 균일분산을 촉진시킨다.
2) Spin coater에 TiO2가 코팅된 음극표면이 위로 향하도록 옿은 후 소량의 염료용액을 음극 표면 위에 주사기를 통해 천천히 떨어뜨린다.
3) 이어서 느린 속도로 Spin coater의 rpm을 조절하여 염료분자가 TiO2표면에 입혀질 수 있도록 한다. (실험과정 2~3을 각각 1분 씩 3회 반복)
(**단, 실험순서 2와 3은 Dip Coating법에 의해 진행될 수 있다. 이는 염료용액이 담긴 용기에 TiO2가 코팅된 음극표면을 20~30여 분간 담금으로써 코팅할 수 있다.)
4) 흡착이 끝나면 음극 기판을 에탄올로 씻어 준 후 흔들어 말린다. 에탄올은 알코올 성분이므로 금방 마르게 된다. 단, 입김으로 말리게 되면 전지의 성능을 저하 시킬 수 있음으로 이에 주의한다.
5) 음극을 아래에 놓고 양극으로 포개어 덮는다. 이 때 접착제 테두리가 TiO2 코팅 면을 완전히 감싸도록 덮어야 하고 이렇게 하면 두 기판이 양쪽으로 조금씩 어긋난 형태가 된다.
접착제
TiO2
음극
양극
전해질 주입구
6) 포개진 기판을 완전히 붙이기 위해서 사방에 둘러진 접착제 부분을 다리미를 이용하여 눌러준다. (세개 누르면 기판이 깨지므로 지그시 눌러줌.)
7) 양극에 뚫어진 두 개의 구멍 중 하나의 구멍 위에 전해질을 몇 방울씩 올려놓는다. 삼투압작용을 통해 전해질이 두 기판 사이로 퍼지게 된다.
8) 전해질이 채워지면 다시 새어 나오지 않도록 막아준다. 먼저 사각형 모양의 접착필름을 두 구멍 위에 조심스럽게 올려놓고 그 위에 얇은 커버글라스 유리를 덮는다.
9) 이번에도 역시 다리미를 이용하여 접착제를 녹여 전해질누액이 방지 된 염료감응형 태양전지 단위 셀을 최종 완성한다.
전선 (-)
음극
양극
전해질
구리테이프
전선 (+)
10) 양쪽 기판 끝에 전기가 흐르는 구리테이프를 붙인다.
11) 광원의 세기가(100W 및 450W) 변화에 따른 전류 및 전압 값을 측정함으로써 염료감응형 태양전지단위 셀의 출력변화를 관찰한다. 더불어, 광원의 조사 높이 변화에 따른 단위 셀의 출력 변화도 관찰해봄으로써 광원의 세기 및 광원의 조사거리 변화에 따른 단위 셀의 출력 변화를 상호 비교토록 한다.
3. Theory
1) 태양전지
(1) 동작 원리 및 구성
태양광 발전(Photovoltaic Power Generation)은 태양광을 직접 전기로 변환시키는 발전방식으로 그 핵심은 태양전지(Solar Cell 또는 Photovoltaic Cell)이다. 아래 그림과 같이 반도체의 pn접합으로 만든 태양전지에 반도체의 금지대폭(Eg : Band-gap Energy)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되는데, 이들 전자-정공이 pn 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 됨에 따라 pn간에 기전력(광기전력: Photovoltage)이 발생하게 된다. 이 때 양단의 전극에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 되는 것이 동작원리이다.
이러한 태양전지는 필요에 따라 직·병렬로 연결하여 장기간 자연환경 및 외부 충격에 견딜 수 있는 구조로 만들어 사용하게 되는데, 그 최소 단위를 태양광 모듈(Photovoltaic Module)이라 한다. 그리고 실제 사용부하에 맞추어 모듈을 어레이(Photovoltaic Array) 형태로 구성하여 설치하게 된다.
2) 염료 감응 태양전지 (DSSC)
염료감응 태양전지는 1991년 스위스 로잔공대(EPFL) 화학과의 미카엘 그라첼(Michael Gratzel) 교수가 처음 개발에 성공, 미국 네이처지에 소개되면서 알려졌다. 염료감응 태양전지가 햇빛을 전기로 바꿔주는 원리는 이렇다. 우선 염료감응 태양전지는 투명전극필름을 부착한 두 유리 기판 사이에 특정 염료를 흡착한 나노입자와 전해질을 채운 간단한 구조로 돼 있다.
유리 기판을 통과한 태양광은 염료와 만나는데, 이 때 염료는 전자(-)를 배출한다. 배출된 전자는 나노입자(전공+)를 따라 투명전극필름으로 흐르게 되는데, 이것이 전기를 만들게 되는 것이다. 염료로는 일반 포도즙 등 과즙을 사용해도 되고, 다양한 유기물질이 사용되고 있지만, 전자를 더욱 많이 배출하도록 특정 금속화합물을 사용하기도 한다. 나노입자로는 주로 이산화티타늄(TiO2)이 사용된다. 전해질은 전자를 배출한 염료에 다시 전자를 생성시켜주는 역할을 담당한다. 그리고 특성을 살펴보면 간단한 구조로 인해 기존 실리콘계 태양전지보다 제조공정이 간편한 편이다. 보통 결정질 실리콘 태양전지의 가격은 와트 당 2.5달러 선인데, 염료감응 태양전지는 와트 당 1달러 이하로 제작할 수 있다고 산업계 전문가들은 말하고 있다. 다만 태양광에너지를 전기로 얼마나 많이 바꿔 주느냐하는 효율면에선 상업용 결정질실리콘 태양전지가 약 14∼17% 수준인 반면, 상업용 염료감응 태양전지는 아직 약 4∼7% 수준에 그치고 있다.
그러나
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자료출처 : http://www.ALLReport.co.kr/search/detail.asp?pk=11006806&sid=ddangkung&key=
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