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理學碩士學位 請求論文

Cds, CdSe 양자점을 이용한 태양전지 특성 연구

Photovoltaic properties of solar cells

using CdS and CdSe quantum dots

2011年 2月

仁荷大學校 大學院

化學科(化學專攻)

成 相 道

理學碩士學位 請求論文

Cds, CdSe 양자점을 이용한 태양전지 특성 연구

Photovoltaic properties of solar cells

using CdS and CdSe quantum dots

2011年 2月

指道敎授 李完寅

이 論文을 碩士學位 論文으로 堤出함

仁荷大學校 大學院

化學科(化學專攻)

成 相 道

목 차

Ⅰ. 서 론 (Introduction) ······························ 1

Ⅱ. 본 론 ················································· 13

1. 실험 (Experiment) ·································· 13

[1] TiO2 paste 제조 ································· 13

[2] Al2O3 처리 ······································· 13

[3] Chemical bath deposition ····················· 14

[4] Electrode 제작 ··································· 15

2. 실험 분석 장비 (Analysis equipments) ········· 16

3. 결과 및 토의 (Results and Discussion) ······· 18

[1]Al2O3 농도에 따른 광-전자 변환

효율 측정·············· 18

[2]광 전극 구조에 따른 광-전자 변환

효율 측정········· 21

[3]최적화 된 광 전극 구조에 따른

광-전자 변환 효율 측정············· 25

Ⅲ. 결 론 (Conclusion) ····································· 28

Ⅳ. 참고문헌 (References) ································ 29

Abstract

The effect of TiO2 structure on the performance of

quantum-dot sensitized solar cell (QDSSC) has been

investigated with sub-micron sized nanoporous TiO2 sphere

and P25 (Degussa co.). Mono dispersed 350 nm-sized TiO2

sphere with ultra-high surface area and hierarchical pore

structures was synthesized by sol-gel reaction and a

specially-designed hydro thermal treatment with

titanium isopropoxide in a co-solvent condition with amine

as a basic catalyst. The prepared nanoporous TiO2 sphere

and P25 were applied as a photoelectrode in the QDSSCs.

The photovoltaic performance achieved from nanoporous

TiO2 was ~65% higher than that of QDSSC from the P25

due to their high surface area and efficient hierarchical

pore structure.

- 1 -

Ⅰ. 서 론 (Introduction)

최근 심각한 환경 오염 문제와 화석 에너지 고갈로 지속 가능한

녹색 기술이 국가의 주요 성장 동력 산업으로 부상함에 따라, 차세

대 청정 에너지 개발에 대한 중요성이 증대되고 있다. 그 중에서

태양전지는 공해가 적고, 자원이 무한적이며 반 영구적인 수명을

가지고 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기

대되고 있다.

태양전지는 1954년 미국의 벨 연구소에서 발전 효율 4%의 실리

콘 태양 전지가 개발된 이후 꾸준히 발전되어 왔으며, 현재 발전

효율 28% 이상의 집광형 태양전지까지 개발되었다.

그 후 태양전지는 효율 향상과 대면적화, 대량생산화 되면서 생산

단가가 계속 낮아져 산업화에 성공하였다. 현재 태양전지 산업의

90%를 실리콘 태양전지가 차지하고 있지만 2000년 이후 실리콘

태양전지의 효율이 한계치에 도달하고, 갑작스러운 수요 증가로 실

리콘 원재료 및 실리콘 기판 수급 문제가 발생하여 태양전지 제조

단가가 상승하게 됨으로써, 태양전지는 제조 단가 절감과 효율 향

상 문제 이외에도 원자재 수급 등을 해결해야 하는 문제가 생겼다.

현재 태양전지 관련 연구가 추구하는 방향은 크게 저가화와 고효

율화 라고 할 수 있다. 저가화 노력으로는 기판의 크기를 늘려 제

- 2 -

조 원가를 낮추거나 공정 조건을 개선하는 노력 및 새로운 재료를

통해 저가화를 달성 하려는 노력을 하고 있으며, 고효율을 달성하

기 위해 사용하는 기판의 품질을 개선하는 연구 및 고정 또는 설계

의 최적화 등의 연구를 하고 있다. 더 나아가 최근에는 현존하는

태양전지의 효율 한계를 넘어서는 차세대 태양전지에 대한 연구가

많이 이루어지고 있으며 이는 나노 기술을 근간으로 하는 태양광의

전체 에너지 분포를 최대한 이용하거나 또는 1개의 광자(photon)로

부터 여러 개의 전자-정공을 분리하는 기술 등으로 발전되고 있다.

특히 0차원 구조인 양자점 (quantum dot)은 LED (light emitting

device)의 발광 재료로 많은 주목을 받아 왔다. 발광에 기여하는

엑시톤의 크기가 보어 반경 이하에서 나타나는 양자 제한 효과에

의해 양자점은 크기가 감소함에 따라 에너지 밴드갭이 커져 원래보

다 작은 파장의 빛을 낼 수 있고, 균일한 크기를 가져 색순도가 좋

은 특성을 가지고 있어서 CdSe나 CdS와 같은 화합물 반도체 양자

점은 상업화까지 진전되었다. 이러한 양자점은 높은 광변환 효율을

갖는 차세대 태양 전지에도 응용 가능함이 알려졌고, 2000년대 초

반 미국 National Renewable Energy Laboratory의 A. J. Nozik

박사에 의해 본격적으로 제안되었다.[1]

기존의 실리콘 기반 태양 전지는 Shockley와 Queisser에 의해 최

대 에너지 변환 효율이 31%라고 알려졌고[2] 이 변환 효율을 극복

하기 위해 태양 빛의 흡수 대역을 극대화하기 위한 tandem 구조와

- 3 -

같은 방법들이 제시되었다.[3] 하지만 각각의 흡수 에너지 대역이

높은 재료를 순서대로 적층시켜 하층부까지 태양광이 흡수할 수 있

도록 만드는 적층형 태양 전지 소자는 구조 구현의 어려움으로 인

해 아직까지 높은 효율을 얻지 못하고 있다.

에너지 밴드갭보다 큰 광 에너지가 물질에 입사되면 전자가 낮은

에너지 상태인 가전자대에서 높은 에너지 상태인 전도대로 올라가

며 광 에너지와 밴드갭의 차이만큼 역학적 에너지가 발생한다. 이

여분의 역학적 에너지는 전자와 정공과 같은 운반자들의 유효 온도

가 올라간 효과를 가져 이런 운반자들을 hot electron과 hot hole

이라고 부른다. 에너지가 높은 전자와 정공은 포톤과의 상호 작용

에 의해 가지고 있던 에너지를 잃고 격자의 온도를 높이며, 전도대

의 낮은 에너지 상태로 떨어져 에너지의 손실이 발생하게 된다. 여

기광에 의해 생성된 hot carrier들을 효율적으로 태양 전지에 이용

하기 위해서 두 가지 방법이 제안되었다.

한가지는 광전압을 높이는 방법이고 다른 하나는 광전류를 많이

얻는 것이다. 높은 광전압을 얻기 위해서는 hot carrier들이 밴드

에지로 냉각(cooling)되기 전에 재빨리 추출해야 하는데 가까이 존

재하는 양자점들의 에너지 레벨의 중첩에 의해 생성된 미니 밴드를

이용해 운반자들을 효율적으로 분리하고 전달시킨다. 또한 높은 광

전류를 얻는 방법으로 아래 그림과 같이 에너지가 높은 hot

carrier들이 충돌 이온화(impact ionization)로 불리는 현상에 의해

- 4 -

다른 전자나 정공들을 많이 생성시키는 것이다. 즉 높은 광 에너지

를 흡수하여 여기된 전자와 정공이 낮은 에너지 상태로 전이하면서

1개의 전자-정공쌍을 만드는데, 이때 낮은 에너지 상태로 천이되면

서 발생된 에너지를 가전자대의 전자가 흡수하여 다시 전자-정공쌍

을 만들어 2개 혹은 여러 개의 전자-정공쌍을 생성하는 메커니즘

으로 MEG (multiple-exciton generation)라고 한다. 즉, MEG는

태양전지에서 열로 손실되는 에너지의 일부를 다시 전기로 변환해

발전 효율을 높이는 방법으로 사용될 수 있다. 이것은 높은 에너지

상태의 전자나 정공이 냉각률(cooling rate)이 작아 빠르게 낮은 에

너지 상태로 천이되지 않아야 효과적이다. 냉각률은 운반자의 유효

질량과 관계가 있으므로 정공이 전자보다 크고, 양자점의 크기가

작아질수록 커진다.

그림 1. (a) 이온 충돌화에 의해 광전변환 효율이 증가된 양자점 태양전지 원리

(b) PbSe 양자점 Schotky 태양전지 구조

이러한 다중 엑시톤 생성은 물질의 에너지 밴드갭의 2배 이상의

광 에너지가 입사했을 때 가능하며 3배 이상이 입사되었을 경우 내

- 5 -

부 양자 효율이 100%가 넘는다고 보고되었다.[4] 최근에 실험적으

로 구현된 결과로, 화학적으로 처리된 7.4 nm 크기의 PbSe 양자점

박막 밴드갭의 5배까지 광 에너지를 이용할 수 있었다.[5]

양자점에서 충돌 이온화 메커니즘 현상을 이용한 태양 전지의 광

전 변환 효율은 열역학적 이론치인 66% 이상으로 예견되고 있으

며, CdS[6-8], CdSe[9-10], PbS[11-12] and InP[13-14], PbSe[5] 양자점

을 이용한 결과가 최근 여러 연구 그룹에서 얻어지고 있다. 양자점

태양 전지는 양자점 어레이 외에도, 다른 밴드갭을 가지는 TiO2 나

노 입자와 양자점의 복합 구조, 전자나 정공의 전도가 가능한 폴리

머에 양자점이 분산된 구조가 시도되었고 이러한 소자들은 충돌 이

온화에 의한 높은 광전 변환 효율을 가진 태양 전지 구조의 예가

된다.[15]

그림 2. (a) 광에너지의 입사에 의해 다른 크기를 갖는 양자점에서 생성된 전자

가 TiO2 나노입자로 이동되는 원리도

(b) 양자점의 크기에 따라 에너지 레벨이 변화되고 나노 입자로 주입되

는 전하의 에너지로 변화가 가능함을 보여주는 도식도

- 6 -

1. 양자점 감응형 태양전지의 구조

양자점 감응형 태양전지는 염료 감응형 태양전지의 구조에서 루테

늄계 염료 대신 sensitizer로 양자점을 사용하며 그 구조는 그림 3

과 같다.

그림 3. 양자점 감응형 태양전지의 구조

양자점 감응형 태양전지는 태양광에 양자점에서 전자와 정공이 생

성되며, 생성된 전자는 나노 구조의 광전극으로 이동하고 정공은

홀 전도체로 전달되게 된다. 액체형 전해질의 경우 양자점에서 생

성된 정공은 전해질에 의해 재생되고 산화된 전해질은 대전극

(counter electrode)에서 환원되어 전체적인 태양전지 셀이 구성되

며 고체형 홀 전도체의 경우는 생성된 정공이 홀 전도체를 통해 대

전극으로 이동되어 셀을 구성하는 것으로 알려져 있다. 양자점 감

응형 태양전지의 핵심 구성 소재는 광전극, 양자점 sensitizer 및

홀 전도체(액체형 전해질과 고체형 홀 전도체)이다.

- 7 -

[1] 광전극

무기반도체(양자점) 감응형 태양전지에서 광전극은 sensitizer에서

생성된 전자가 잘 주입되고, 주입된 전자를 투명 전극까지 효과적

으로 전달하는 특성을 가져야 한다. Sensitizer에서 생성된 전자가

광전극으로 효과적으로 주입되기 위해서는 광전극의 가전자 전도대

가 sensitizer의 전자 전도대 보다 낮은 곳에 위치해야 하며, 주입

된 전자를 투명전극까지 전달하기 위해서는 전자 확산 계수가 크고

표면 트랩 사이트가 적어야 한다.

또한, sensitizer가 충분한 양의 태양광을 흡수하여 전자와 정공을

생성하기 위해서는 적당한 크기의 비표면적을 가져야 한다. 염료

감응형 태양전지의 경우, 흡광계수가 낮은 염료가 광전극의 표면에

monolayer로 흡착되므로 비표면적이 크고 10 ㎛ 이상의 두꺼운

소자에서 최적의 효율을 나타내는 반면 흡광계수가 큰 유기염료 및

무기반도체(양자점)의 경우에는 태양광의 흡수효율이 우수하므로

얇은 두께의 광전극에서 최적의 효율을 가진다.

광전극이 태양광에 의해서 전자와 정공을 생성하면 sensitizer에서

생성된 전자와 재결합되어 소자의 효율이 떨어질 우려가 있으므로

광전극은 충분히 큰 밴드갭을 가지는 금속 산화물이 적당하며

TiO2, SnO2, ZnO, W2O3 등이 적당하다. 일반적으로 감응형 태양전

지에서는 전극으로 20 nm 크기의 아나타제형 TiO2를 많이 사용

- 8 -

한다. 20 nm 크기의 mesoporous TiO2 (mp-TiO2) 광전극의 경우,

전자 이동도는 single crystal인 아나타제형(~100 cm2/V.S) 및 루

타일형 (~10 cm2/V.S) 보다 105~106 정도가 느린 ~10-5 cm2/V.S

정도의 값을 가진다. 따라서, mp-TiO2 전극을 사용하는 감응형 태

양전지의 경우 전자 이동도를 향상시키기 위하여, 모양, 크기 및 형

태가 제어된 TiO2의 합성 및 표면 처리에 대한 연구가 활발히 진행

되었다. mp-TiO2 광전극에서는 나노 크기의 TiO2 입자간 접촉에

의해 생성되는 표면 트랩 사이트에 의해 전자의 이동도가 저하되므

로, 이를 개선하기 위해 TiO2 나노 튜브, 나노 와이어 형태의 광전

극이 개발 되었으며 TiO2 나노 입자의 입자간 계면 접촉을 개선하

기 위해서 TiCl4 및 TiOx와 같은 표면처리제가 개발되었고, 이를

통해 감응형 태양전지의 전자 확산계수 및 전자 수명이 증가됨을

보고하고 있다.

[2]양자점 sensitizer

무기반도체(양자점) sensitizer는 루테늄계 염료와는 달리 흡광계

수가 크고, 입자의 크기에 따른 양자구속 효과(quantum

confinement effect)로 밴드갭의 조절이 쉽고[16-17], 큰 dipole

moment로 인해 생성된 전자와 정공의 분리가 쉬우며, 다중 여기자

생성(multiple exciton generation)이 가능하여 고효율의 태양전지

의 제조가 가능하다고 보고되고 있다.

- 9 -

태양광에 의해 무기반도체(양자점) sensitizer에서 생성된 전자와

정공이 효과적으로 광전극과 홀 전도체에 전달되기 위하여,

sensitizer의 가전자 전도대는 광전극의 가전자 전도대 보다 높아야

하고 sensitizer의 전도대는 홀 전도체(전해질)의 전도대 보다 낮아

야 한다. 이러한 특성을 가지는 무기물(양자점) sensitizer는 metal

chalcogenide 계열로 CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe 등이 많이

사용되고 있다. 무기반도체(양자점) sensitizer를 만드는 방법은

hot colloidal synthesis, successive ionic layer adsorption and

reaction (SILAR), chemical bath deposition (CBD)[18-19]및

spray pyrolysis deposition (SPD) 방법 등이 있다.

현재까지는 주로 무기반도체 콜로이드 양자점을 합성한 후, linker

molecule을 이용하여 광전극에 흡착시켜 태양전지를 제조하거나,

광전극에 직접 무기반도체 양자점/박막을 SILAR 및 CBD 방법을

통해 성장시켜 태양전지를 제작하였으며 이 둘을 혼합하여 사용하

기도 하였다. 무기반도체 콜로이드 양자점의 경우, 표면에 흡착되어

있는 capping agent에 의해 소자의 성능이 저하되거나 광전극의

표면을 효과적으로 cover할 수 없는 단점이 있고, SILAR 및 CBD

방법을 통한 무기반도체 양자점/박막 제조의 경우에는, 광전극에 강

한 결합을 가진 무기반도체를 성장시킬 수 있어 고효율의 태양전지

를 제작할 수 있으나, 반응 용액을 재사용할 수 없어 공정 비용이

증가하고 비 친환경적인 단점이 있다.

- 10 -

[3] 홀 전도체

염료 감응형 태양전지는 mp-TiO2 광전극 표면에 염료를 흡착시

키고 산화된 염료를 재생시켜주는 전해질로 구성된 전기 화학셀이

다. 현재까지 루테늄계열의 귀금속 킬레이트 화합물이나 순수한 유

기물로 구성된 염료의 경우, 기존의 알려진 할로겐 계통의 Iodide,

bromide계의 전해질과 반응하지 않아서 안정한 고효율의 태양전지

를 제조 할 수 있지만, 무기반도체(양자점) 감응형 태양전지의 경

우, 무기 반도체는 할로겐 계통의 전해질과 쉽게 반응하여 부식되

는 단점을 가지고 있다. 따라서, 무기 반도체를 부식하지 않고 무기

반도체(양자점) 감응형 태양전지에 적합한 전해질에 대한 연구가

시급하다.

무기반도체에 비교적 안정한 것으로 알려진 코발트 계열의 전해질

은 redox반응과 관련된 mass transfer가 느려 강한 태양광 하에서

생성된 정공을 효과적으로 대전극까지 전달하지 못하는 것으로 알

려져 있다.

- 11 -

2. 양자점 감응형 태양전지의 작동 메카니즘

무기반도체(양자점) 감응형 태양전지는 염료를 sensitizer로 사용

하는 염료 감응형 태양전지와는 달리 무기반도체 광전극 보다 작은

밴드갭을 가지는 무기반도체(양자점)를 sensitizer로 사용하는 태양

전지 이다. 따라서 무기반도체(양자점) sensitizer의 밴드갭은 입자

의 크기에 의해 달라지고 생성된 전자와 정공의 전달도 이에 영향

을 받게 된다. 일반적으로 무기반도체(양자점) 감응형 태양전지에서

생성된 전자와 정공은 그림 3의 재결합(recombination) 경로를 가

지게 된다.

그림 3. 양자점 감응형 태양전지의 작동 메카니즘

- 12 -

무기반도체(양자점)에서 생성된 전자는 광전극으로 주입이 되고

주입된 전자는 광전극을 통해 이동하게 되는데, 광전극에서의 전자

이동속도가 느리거나 표면 트랩 사이트가 많을 경우 광전극과 무기

반도체(양자점) sensitizer간의 재결합(1) 및 무기반도체(양자점)

sensitizer와 전해질간의 재결합(3)이 발생하게 된다. 또한 무기반

도체(양자점) sensitizer에서 생성된 전자와 정공이 효과적으로 광

전극 및 전해질로 이동되지 못할 때 sensitizer 내부(2) 및 전해질

(4) 사이에서 재결합이 발생할 수 있다. 따라서 고효율의 무기반도

체(양자점) 감응형 태양전지를 제조하기 위해서는 생성된 전자와

정공이 효과적으로 분리되어 전달되도록 각 구성 요소간 밴드갭이

매칭되어야 하고, 각 계면에서 생성되는 표면트랩 사이트를 줄이기

위해 계면 접촉이 우수하여야 되며, 각 계면에서 발생하는 재결합

을 방지할 수 있는 적절한 passivation 막의 도입이 필요하다.

- 13 -

Ⅱ. 본 론 (Introduction)

1. 실험 (Experiment)

[1] TiO2 paste 제조

합성해 놓은 200~300 nm의 TiO2 스피어와 20~30 nm의 크기를

갖는 P25(degussa co.)를 사용하여, 용매를 전체 무게비 80%가

되도록 첨가해준다. 용매는 Terpinol anhydrous를 넣어주고, Ethyl

cellulose와 Lauric acid를 첨가한다. 그 후 약 1시간동안 paste

mixer를 이용하여 잘 섞어주었다. Ethyl cellulose는 분자의 pore

size를 조절해주고, TiO2 주변을 감싸는 binder 역할을 한다.

Lauric acid는 TiO2 paste가 잘 분산되도록 해주는 역할을 한다.

[2] Al2O3 처리

Aluminium tri-sec-butoxide(97%)를 2-propanol을 용매로

사용하여 Al2O3 코팅 용액을 준비한다. Dip Coating법을 이용하여

working electrode를 상온에서 Al2O3 코팅 용액에 15 min 동안

담근 후, furnance에서 남아있는 유기오염 물질을 제거하기 위해

450 ℃에서 15 min 동안 열처리를 한다.

- 14 -

[3] CBD (chemical bath deposition)

chemical bath deposition은 TiO2 광전극에 양자점을 조립하기

위해 사용된다. CdS 양자점인 경우에는 첫 번째과정은 에탄올

용액에 Cd(NO3)2를 용해시킨 후, TiO2 광전극을 5 min 동안 담근

후 에탄올로 워싱 후, 상온에서 말려준다. 두 번째과정은 메탄올

용액에 Na2S를 용해시킨 후 첫 번째과정에서 말려 놓은 TiO2

광전극을 다시 5 min 동안 담근 후 메탄올로 워싱 후, 말려준다.

두 과정이 끝나면 chemical bath deposition 1 싸이클이 끝나고,

TiO2 광전극에 CdS 양자점의 양을 증가 시키기 위해 위 과정을

반복한다.

CdSe 양자점인 경우에는 sodium selenosulphate(Na2SeSO3)를

selenium source로 사용한다. Na2SeSO3는 수용액에 0.6 M의

Na2SO3 용해시킨 후, 0.3 M의 Se을 넣어주어 70 ℃에서 7 h 동안

reflux 시켜준다. CdSe 양자점은 CdS 양자점과 그 과정이

비슷하나, Na2SeSO3용액에 TiO2 광전극을 50 ℃에서 1 h 동안

담그기 때문에 시간이 오래 걸린다.

- 15 -

[4] 양자점 감응형 태양전지 제작

준비된 TiO2 paste를 전도성 기판인 FTO 위에 3M 사의 tape

(두께: 60 ㎛)을 사용하여 masking 하고, Doctor Blade method를

이용하여 2 mm x 8 mm 면적으로 도포한다. 도포한 TiO2 박막을

500 ℃에서 15분 정도 열처리하여 나노 동공이 형성된 TiO2

박막을 얻는다. 이 박막을 이용하여 chemical bath deposition으로

CdS/CdSe 양자점을 TiO2 광전극에 흡착시킨다. surlyn(두께: 60

μm SX 1170-60, SOLARONIX SA)으로 전극간의 공간을

유지시키고 FTO에 Au를 증착한 counter electrode를 압착장비를

이용하여 접착시켜주고 그 사이를 electrolyte로 채운다.

Electrolyte는 Na2S 0.5 M, S 0.125 M, KCl 0.2 M을 물과 메탄

올을 3:7 비율로 혼합한 용매에 녹여 사용하였다.

Counter electrode는 sputter를 사용하여 40 mA 에서 3 min 동

안 FTO위에 Au를 증착시켜 만든다.

- 16 -

2. 실험 분석 장비 (Analysis equipments)

[1] X-ray Diffractometer (XRD)

Rigaku DMAX 2500 diffractometer

CuKα radiation (λ = 1.54056 Å) 사용하여 측정

TiO2 결정성 확인

[2] Transmission Electron Microscope (TEM)

Philips CM200 (200 kV)

carbon grid를 이용하여 TiO2 크기 및 구조 확인

[3] Field Emission Scanning Electron Microscope (FESEM)

Hitachi S-4300

Magnification: 20 ~ 500.000 X

Electron gun: Cold-Cathode field emission electron gun

TiO2 박막의 두께를 측정

[4] UV-Visible spectrometer

Perkin-Elmer Lambda40 (wavelength range: 200-900

nm)

제조한 광전극의 반사도 측정

- 17 -

[5] Solar cell simulator Photovoltaic measurements

Oriel, USA

Light source: 300 W Xe arc lamp, 1.5 Global filter

1.0 sun에서 태양전지의 전압 전류 측정

[6] Steped-laser-induced current and voltage transients

irradiation: diode laser (635 nm).

electron lifetime 측정

- 18 -

3. 결과 및 토의 (Results and Discussion)

[1] Al2O3 농도에 따른 광-전자 변환 효율 측정

광-전자 변환 효율은 AM 1.5 Global filter를 장착한 Xe lamp

light source로 광량 100 mW/cm2를 조사하여 측정하였다.

TiO2 광전극은 degusa P25를 사용하였고, Al2O3 농도(x=0, 0.1

M)를 변수로 두고 나머지 조건은 모두 동일하게 하였다. 구체적으

로 paste의 제조, 박막의 두께, 열처리 온도 및 시간, chemical

bath deposition 의 횟수는 모두 동일하게 하였다.

Blocking layer인 Al2O3의 유무에 따른 광-전자 변환 효율 측정

값 및 효율을 결정짓는 factor로서 current density(Jsc)와

voltage(Voc) 변화 및 fill factor를 다음의 표와 그림에 나타내었

다.

광전극과 sensitizer인 양자점 사이에 blocking layer인 Al2O3 의

유무에 따라 광-전자 변환 효율을 결정 짓는 Jsc와 fill factor는

변화가 거의 없으나 Voc가 60mV 정도 증가함에 따라 양자점 감

응형 태양전지의 효율이 증가하였다.

- 19 -

Sample Voc (mV) Jsc (mA/cm2)Fill Factor

(%)Efficiency

(%)

Base 487.187 12.984 47.63 3.01

0.1 M Al2O3 545.099 12.785 48.45 3.38

그림 4. I-V curve for the QDSSCs with and without Al2O3 blocking layer

그림 5. Photovoltaic characteristics for the QDSSCs with and without

Al2O3 blocking layer

Blocking layer의 도입으로 인하여 광전극과 양자점 sensitizer

간의 재결합을 막아주어 Voc가 증가한 것으로 보인다.

- 20 -

Stepped light-induced transient measurements(SLIM)법을 이

용하여 blocking layer의 유무에 따른 태양전지의 electron life

time을 비교해 보았다.

그림 6. Electron life time in the QDSSCs with and without Al2O3

blocking layer

그림 6에서 보여지듯이 electron life time(τ)은 blocking layer가

있을 때 증가함을 나타내었다. Blocking layer의 도입으로 인하여

광전극과 양자점 sensitizer간의 재결합을 방지하여 Voc가 증가함

에 따라 효율이 향상 되고 electron life time(τ)이 증가하는 것으

로 보여진다.

- 21 -

[2] 광 전극 구조에 따른 광-전자 변환 효율 측정

광-전자 변환 효율은 AM 1.5 Global filter를 장착한 Xe lamp

light source로 광량 100 mW/cm2를 조사하여 측정하였다.

degusa P25와 TiO2 anatase Sphere를 이용하여 광 전극 구조에

따른 광-전자 변환 효율을 비교 하였다. 광 전극 구조만 변수를

두고 나머지 조건은 모두 동일하게 실험하였다. 구체적으로 paste

의 제조, 박막의 두께, 열처리 온도 및 시간, chemical bath

deposition 의 횟수는 모두 동일하게 하였다.

그림 7은 무정형의 TiO2 sphere이고, 그림 은 무정형의 TiO2

sphere를 수열합성을 통해 결정성을 가지는 TiO2 anatase sphere

의 SEM 과 TEM 이미지 이다.

그림 7. (a),(b)(c),(e) SEM image of TiO2 Sphere and P25

(d) TEM image of TiO2 Sphere

(f),(g) Cross-sectional SEM image for the photoelectrode

- 22 -

Sample Voc (mV) Jsc (mA/cm2)Fill Factor

(%)Efficiency

(%)

P25 495.401 10.105 50.32 2.52

Sphere 470.555 13.292 59.46 3.72

광 전극의 구조에 따라 광 변환 효율에 미치는 영향을 알아보기

위해 degussa P25와 TiO2 anatase Sphere를 이용하여 태양전지

셀을 제조 하였다.

그림 8. I-V curve for the QDSSCs P25 and Sphere photoelectrode

그림 9. Photovoltaic characteristics for the QDSSCs P25 and Sphere

photoelectrode

- 23 -

각각의 광전극의 표면적은 BET 장비를 이용하여 측정하였다.

P25의 표면적은 52 m2/g 이고 스피어의 표면적은 100m2/g으로

스피어 구조가 일반 20~30 nm 크기를 갖는 P25(degussa co.)보

다 표면적이 대략 2배 정도 높음을 알 수 있었다.

그림 9. UV-vis reflectance spectra for the bare TiO2 and

TiO2/CdS(3)/CdSe(4) photoelectrode

그림 9는 각각의 광 전극에 양자점 sensitizer가 흡착되기 전과

후의 반사도를 나타낸 그래프이다. 양자점이 흡착되지 않은 광 전

극을 비교해 보면 sphere 전극이 P25(degussa co.)전극보다 더

큰 반사도를 가지는데 이것은 sphere 전극에서 빛 산란 효과가

P25(degussa co.) 전극보다 더 좋음을 알 수 있다.

- 24 -

양자점이 흡착된 TiO2 sphere 광 전극의 반사도는 400~700 nm

부근의 파장영역에서 같은 두께를 갖는 P25(degussa co.) 광 전극

에 비하여 더 낮은 반사도를 보인다. 이 결과는 양자점 sensitizer

의 흡착된 양이 광 전극의 표면적에 비례한다는 것을 보여준다.

- 25 -

[3] 최적화 된 광 전극 구조에 따른 광-전자 변환 효율

측정

양자점 감응형 태양전지의 효율을 증가시키기 위해서 빛 산란층

을 도입하였다. 여기서 사용된 빛 산란층은 속이 빈 구형입자를 사

용하였다.[20]

광 전극의 구조는 아래 그림과 같이 메인 층의 두께는 10 μm 정

도이고 빛 산란층의 두께는 7 μm 정도 이다.

광-전자 변환 효율은 AM 1.5 global filter를 장착한 Xe lamp

light source로 광량 100 mW/cm2를 조사하여 측정하였다.

그림 10. (a) SEM image of the as-prepared hollow TiO2 microspheres.

(b) SEM image of a broken microsphere.

(c) Cross section view SEM image of photoelectrode

(d) X-ray diffraction patterns of hollow sphere TiO2

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Sample Voc (V) Jsc (mA/cm2)Fill Factor

(%)Efficiency

(%)without

scattering

layer

461.662 16.665 53.2 4.1

with

scattering

layer

476.427 17.523 56.68 4.64

빛 산란층의 유무에 따른 광-전자 변환 효율 측정 값 및 효율을

결정짓는 factor로서 current density(Jsc)와 voltage(Voc) 변화

및 fill factor를 다음의 그림과 표에 나타내었다.

그림 11. I-V curve for the QDSSCs with and without Al2O3 blocking layer

그림 5. Photovoltaic characteristics for the QDSSCs with and without

Al2O3 blocking layer

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빛 산란층을 도입함으로써 current density(Jsc)와 voltage(Voc)

및 fill factor가 모두 증가하여 효율이 증가 한 것을 확인 할 수

있었다.

그러나 기존 염료감응형 태양전지와 비교하였을 때 current

density(Jsc)는 비슷하지만 voltage(Voc) 및 fill factor는 현저하

게 떨어져 염료감응형 태양전지보다는 아직까지 효율이 낮게 나온

다.

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Ⅲ. 결 론 (Conclusion)

최근에 기존의 염료 감응형 태양전지의 성능을 뛰어넘을 차세대

태양전지로써, 무기반도체(양자점) 감응형 태양전지에 대한 연구가

활발히 진행되고 있다.

무기반도체(양자점) 감응형 태양전지의 양자점 sensitizer는 기존

의 염료 감응형 태양 전지의 염료와는 달리, 높은 흡광계수, 입자

크기에 따른 밴드갭 변화등 물리적 특성이 염료와 상이하여 태양전

지 소자의 구성이 달라져야 된다. 하지만 기존의 염료 감응형 태양

전지에 비해 낮은 개방전압(Voc)과 fill factor로 인해 5% 미만의

발전효율을 가진다.

이번 연구에서 Blocking layer인 Al2O3도입하여 TiO2와 양자점

sensitizer의 재결합을 방지하여 개방 전압(Voc)이 60mV 증가 한

것을 확인 할 수 있었다. 그러나 기존 염료 감응형 태양전지에서

사용되는 요오드계열의 전해질은 양자점 감응형 태양전지에서 사용

할 수 없고, 요오드 계열보다 redox potential이 높은 황 계열의

전해질을 사용하기 때문에 5%이상의 효율을 넘기가 힘들다. 따라

서 양자점 감응형 태양전지의 개방 전압(Voc)을 증가시키기 위해서

는 재결합을 방지 할 수 있는 blocking layer 뿐만 아니라 양자점

을 부식하지 않고 높은 개방 전압을 가지는 전해질에 대한 연구가

시급하다.

또한 이번 연구에서 양자점 감응형 태양전지의 광전극을 최적화

하였을 경우, 기존의 염료 감응형 태양전지와 동등한 충분한 양의

전류를 생성시키는 것으로 보인다.

양자점 감응형 태양전지는 개방 전압(Voc)과 fill factor를 개선한

다면 기존의 염료 감응형 태양전지의 성능을 뛰어넘는 고효율 태양

전지의 개발이 가능할 것으로 기대된다.

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Ⅳ. 참고문헌 (Reference)

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Ⅰ.서 론(Introduction)Ⅱ.본 론1.실험 (Experiment)1.1 TiO2 paste 제조1.2 Al2O3 처리1.3 Chemical bath deposition1.4 Electrode 제작

2.실험 분석 장비 (Analysis equipments)3. 결과 및 토의 (Results and Discussion)3.1 Al2O3 농도에 따른 광-전자 변환 효율 측정3.2 광 전극 구조에 따른 광-전자 변환 효율 측정3.3 최적화 된 광 전극 구조에 따른 광-전자 변환 효율 측정

Ⅲ.결 론 (Conclusion)Ⅳ.참고문헌 (References)