• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2016.02a
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• pp.412-412
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• 2016

염료감응 태양전지(dye-sensitized solar cells, DSSCs)는 식물의 광합성원리와 매우 유사한 작동원리를 갖고 있는 전지이며, 간단한 구조, 저렴한 제조단가, 친환경성 등의 등의 장점으로 인하여 많은 관심을 모으고 있다. 이러한 염료감응 태양전지는 빛을 받아들인 염료분자가 전자-홀 쌍을 생성하며 전자는 반도체 산화물을 통해 이동되고 전해질의 산화환원 과정을 통해 염료 분자가 다시 환원되는 순환메커니즘을 따르고 있다. 일반적으로 염료감응 태양전지는 밴드 갭 에너지가 큰 반도체 산화물을 포함하는 작업전극, 산화환원 반응을 통해 전자를 염료로 보내는 전해질, 환원 촉매역할을 하는 상대전극으로 구성되어 있다. 특히, 상대전극으로는 우수한 촉매특성과 높은 전도성을 갖는 백금이 가장 많이 이용되고 있지만 가격이 비싸고 요오드에 취약하기 때문에 상용화에 큰 장애물이다. 따라서, 백금을 대체하기 위해 저가의 탄소나 고분자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있고, 그 중 탄소나노섬유(carbon nanofiber, CNFs)는 높은 표면적과 뛰어난 화학적 안정성으로 촉매효율을 증대시킬 수 있어 촉매물질로서 관심이 높아지고 있다. 본 연구에서는 상대전극에 탄소나노섬유기반 복합체를 합성하였고, 성공적으로 저가격 및 고성능의 염료감응 태양전지를 제작하였다. 이때, 지지체인 탄소나노섬유는 전기방사법을 통해 합성하였으며, 수열합성법을 이용하여 금속산화물을 담지하였다. 이렇게 제작된 탄소나노섬유-Fe2O3 복합체는 scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, X-ray diffraction, 그리고 X-ray photoelectron spectroscopy 통해 구조적, 화학적 특성을 평가하였으며 전기화학적 특성 및 광전변환 효율을 분석하기 위해 cyclic voltammetry, electrochemical impedance spectroscopy, 그리고 solar simulator를 사용하였다. 본 학회에서 위와 관련된 더 자세한 사항에 대해 논의할 것이다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.06a
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• pp.96.1-96.1
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• 2010

현재 태양광 시장에 진출한 대부분의 Si계열 태양전지는 복잡한 공정과 원재료 고갈, 높은 가격으로 인해 한계에 직면에 있는 상태이다. 최근 많은 연구소나 학교에서는 기존의 Si계열 태양전지를 대체할 대안으로 염료 감응형 태양전지에 대해서 높은 관심을 보이고 있으며, 그동안의 연구개발로 단위 셀 면적에서는 상용화에 근접한 효율을 확보한 상태이다. 염료 감응형 태양전지의 작동과정을 간단히 단계별로 살펴보면 나노 결정 산화물 반도체 표면에 흡착된 염료분자가 가시광선을 흡수하면 전자는 HOMO에서 LUMO로 천이하고 이 들뜬 상태의 전자는 다시 에너지 준위가 낮은 반도체 산화물의 전도띠로 주입된다. 주입된 전자는 나노 입자간 계면을 통하여 투명 전도성막으로 확산, 전달되고 산화된 염료분자는 전해질 I-에 의해 다시 환원되어 중성 분자가 된다. 그러나 표면상태 전자 중 일부는 산화된 염료와 다시 결합하거나, 전해질의 $I^{3-}$ 이온을 환원시키기도 한다. 이와 같은 과정은 암전류를 증가시키면서 반도체 전극 막의 성능을 저해하는 주원인이 된다. 전자의 재결합은 투명 전극을 통해서도 가능하기 때문에 투명 전극에 얇은 blocking layer를 도포한 후 나노 결정 산화물 반도체 전극을 제작하면 전지 특성을 향상시킬 수 있다. 본 실험에서 우리는 졸-젤 법으로 $TiO_2$ blocking layer 졸을 만들었고 간단하며 저가공정이 가능한 스크린 프린팅 방법으로 blocking layer를 형성하는 실험을 진행하였다. 전도띠 에너지가 높은 반도체 물질로 표면을 처리하면 $TiO_2$-전해질 간 계면에 에너지 장벽이 형성되어 재결합을 줄여 모든 광전특성이 향상 되었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.384-384
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• 2011

양자점 감응형 태양전지는 염료감응형 태양전지와 비슷한 구조를 가지지만, 유기물 염료를 대신하여 무기물 양자점을 사용함으로서 기존 유기물 염료가 가지는 한계점을 극복할 수 있다. 양자점을 광감응 염료로 사용하는 경우 양자제한효과(quantum confinement effect)에 의해 양자점의 사이즈조절만으로 밴드갭을 조절할 수 있어 광학적 특성 조절이 용이하며, 유기물 염료보다 광흡수 능력도 뛰어나다. 더불어, 하나의 광자를 흡수하여 두개 이상의 전자-정공쌍을 만들 수 있는(multiple exciton generation) 가능성이 있어 기존 태양전지가 가지는 이론적 한계효율(Shockley-Queisser limit)을 뛰어넘을 수 있다. 본 연구에서는 고효율의 양자점 감응형 태양전지 개발을 위해, ZnO 나노선 구조에 CdS, CdSe 양자점을 증착한 CdSe/CdS/ZnO 나노선 헤테로구조를 수열합성법으로 합성하였다. 증착한 CdSe/CdS 양자점이 태양광의 가시광 전 영역을 흡수하여 전자-정공을 생성하며, 세 물질 간의 밴드구조를 통해 양자점에서 생성된 전자가 ZnO 나노선으로 포집되고, 바닥전극으로 직접연결이 되어있는 1차원의 나노선 구조를 통해 전자를 효율적으로 운반할 수 있다.

• Proceedings of the KIEE Conference
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• 2007.07a
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• pp.1241-1242
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• 2007

전세계가 고유가 시대로 들어서면서 각국은 에너지 확보에 전력을 기울이고 있다. 이에 대체 에너지 개발이 미래의 중요한 과제로 여겨지고 있다. 본 연구에서는 결정질 실리콘 태양전지의 대안으로 주목받고 있는 염료감응형 태양전지를 다루어 보았다. 유효면적 $8cm^2$의 염료감응형 태양전지의 직병렬 조합을 이용하여 DSSC 모듈을 만들어 얻은 출력을 전력변환 시킴으로써 상용전원을 얻고자 하였다. 염료감응형 태양전지모듈을 만들기 위해 먼저 DSSC의 단위 셀을 최적화 시키고 이를 실제 광원에서 다양한 직병렬 연결 시도 끝에 모듈로부터 약 5.7V, 3A의 출력을 얻을 수 있었다. 이를 Boost converter를 이용하여 전압을 12V까지 승압하고 이 출력을 고속 스위칭 소자인 MOSFET을 이용하여 스위칭한 Push-pull converter에서 DC 310V까지 승압시켰다. 그리고 그 출력을 DSP를 이용한 20[kHz]의 PWM신호를 만들어 제어한 결과, AC 220V의 상용전원을 얻었다. 그리고 이 전원을 부하에 연결하여 그 동작 특성을 연구하였다.

• Clean Technology
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• v.24 no.3
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• pp.249-254
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• 2018

In order to improve the photo conversion efficiency (${\eta}$) of dye-sensitized solar cells (DSSCs), the electrospun $TiO_2$, $SiO_2$, $ZrO_2$ and $SnO_2$ nanofibers were added into the hydrothermally prepared $TiO_2$ nanoparticles for application to a photoelectrode for DSSCs. The $TiO_2$ nanofiber added photoelectrode exhibited a higher photo current density ($J_{sc}$) compared to the bare $TiO_2$ nanoparticles, which is caused from acceleration of the transfer of excited electron from dye molecule due to the nanofiber structure. The DSSCs with $SiO_2$ nanofibers shows a higher open circuit voltage ($V_{oc}$) of 0.67 V and the highest photo conversion efficiency was found to be 6.24%.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.372-372
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• 2011

염료 감응형 태양전지는 상,하판 투명전극(TCO), 나노입자의 다공질 TiO2, 염료 고분자 층으로 구성된 광전극과 투명전극 및 백금(Pt) 박막으로 구성된 상대전극 그리고 두 전극 사이를 산화 환원용 전해질 용액으로 채우고 있는 구조이다. 이 구조에서 투명전극(TCO)은 재료비의 많은 부분을 차지하므로 제작비용 절감을 위한 TCO-less에 관한 연구가 활발히 진행 중이다. 본 연구에서는 TCO-less 염료 감응형 태양전지 제작을 위해 이중층 Ti 전극 구조를 제안하였다. 제작과정은 광조사 부분을 확보한 유리기판에 e-beam 증착법을 이용해 Ti 전극을 증착시킨 후 TiO2를 Ti전극과 일부 중첩하여 인쇄하고 그 위에 두 번째 Ti전극을 제작한다. 이중층 Ti전극 구조는 SEM, EIS 등의 분석장비를 사용하였고 기존 FTO 구조에 비해 단락전류밀도, 에너지 변환효율은 감소하였으나 직렬 내부저항이 약 27% 감소하여 fill factor가 28% 향상된 결과를 얻을 수 있었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.08a
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• pp.196-196
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• 2012

염료감응 태양전지는 실리콘 태양전지에 비해 단가가 낮고 반투명하며 친환경적 특성으로 차세대 태양전지로 주목을 받았으나 염료의 안정성의 문제와 특정 파장대의 빛만 흡수하는 단점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 양자구속 효과에 의해 크기에 따라 밴드갭 조절이 용이하여 다양한 파장대의 빛을 흡수 할 수 있는 양자점 감응태양전지가 많은 관심을 받고 있다. 하지만 양자점 감응 태양 전지의 활성층으로 사용되는 반도체 산화물인 이산화티타늄의 두께는 $13{\sim}18{\mu}m$로 짧은 확산거리로 인해 전하수집의 한계를 가지고 있다. 이를 극복하기 위해 인듐 주석 산화물 나노선을 합성하여 전자가 광전극에 직접유입이 가능하도록 해 빠른 전하이동 및 전하수집을 가능하게 한다. 인듐 주석 산화물 나노선은 증기수송 방법(VTM)을 이용하여 인듐 주석 산화물 유리 기판 위에 $5{\sim}30{\mu}m$ 길이로 합성하였다. 전해질과 전자가 손실되는 것을 방지하기 위해 원자층 증착법(ALD)을 이용하여 이산화 티타늄 차단층을 20 nm 두께로 코팅한 후 화학증착방법(CBD)을 이용하여 인듐 주석 산화물 나노선-이산화 티타늄 코어-쉘 구조를 만든다. 마지막으로 황화카드뮴, 카드늄셀레나이드, 황화아연을 증착시킨 후 다황화물 전해질을 이용하여 양자점 감응 태양전지를 제작하였다. 특성 평가를 위해 전계방사 주사전자현미경, X-선 회절, 고분해능 투과 전자 현미경을 이용하며 intensity modulated photocurrent spectroscopy (IMPS), intensity modulated voltage spectroscopy (IMVS)를 이용하여 전하수집 특성평가를 하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2007.06a
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• pp.236-236
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• 2007

• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 2007.11a
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• pp.39.1-39.1
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• 2007

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2011.11a
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• pp.56.2-56.2
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• 2011

고효율 염료감응 태양전지를 제작하기 위해 Sol-gel법을 사용하여 $TiO_2$ 분말을 제조하였다. 제조 과정 중 다양한 양의 nitric acid를 첨가하여 pH를 조절하였다. Sol-gel법을 위한 출발 물질로 titanium (IV) isopropoxide(TTIP)와 DI water를 사용하였으며 nitric acid은 0, 0.05, 0.1, 0.15의 몰비(nitric acid/TTIP)로 첨가하였다. 첨가한 결과 pH는 $22^{\circ}C$에서 각각 5.52, 2.26, 1.68, 1.38이었다. 얻어진 $TiO_2$ 콜로이드 용액은 결정성 있는 분말로 제조 후 $5{\times}5[mm^2]$ 크기의 염료감응 태양전지를 제작하는데 사용 되였다. $TiO_2$의 결정구조 및 형태는 cell의 XRD와 FE-SEM으로 분석되었고 전기화학적 특성을 분석하기 위해 irradiation of AM 1.5 ($100mW/cm^2$) simulatedsunlight에서 I-V 곡선을 측정하였다. 측정 결과 몰비(nitric acid/TTIP) 0.05, pH가 2.26일 때 가장 우수한 효율 특성을 보였다.