In this paper, a dye-sensitized solar cell (DSSC), one of the representative third-generation solar cells with eco-friendly materials and processes compared to other solar cells, was modeled using MATLAB/Simulink. The simulation was conducted by designating values of series resistance, parallel resistance, light absorption coefficient, and thin film electrode thickness, which are directly related to the efficiency of dye-sensitized solar cells, as arbitrary experimental values. In order to analyze the performance of dye-sensitized solar cells, the optimal value among each parameter experimental value related to efficiency was found using formulas for fill factor (FF) and conversion efficiency.
Oxide substrates in semiconductor-sensitized solar cells (SSSCs) have a great impact on their performance. $TiO_2$ has long been utilized as an oxide substrate, and other alternatives such as ZnO and $SnO_2$ have also been explored due to their superior physical properties over $TiO_2$. In the development of high-performance SSSCs, it is of significant importance to understand the effect of oxides on the electron injection and charge recombination as these two are major factors in dictating solar cell performance. In addition, elucidating the relationship between these two critical processes and solar cell performance in each oxide is critical in building up the basic foundation of SSSCs. In this study, ultrafast pump-probe laser spectroscopy and open-circuit decay analysis were conducted to examine the characteristics of three representative oxides ($TiO_2$, ZnO, and $SnO_2$) in terms of electron injection kinetics and charge recombination, and the implication of results is discussed.
본 논문에서는 현재 많이 연구되고 있는 염료감응 태양전지에 대해 전기화학적 접근을 통해 설명한다. 특히, 기존 도핑 개념을 적용하는 반도체 태양전지와 다른 점을 비교 설명하고, 이론적으로 어떻게 태양전지가 형성될 수 있는지를 설명한다. 또한 염료감응 태양전지가 탄생되게 된 과정을 고찰해 본다. 이어서, 태양전지에서 많이 사용되는 전기화학적 분석법을 설명하고, 어떻게 적용될 수 있는지 임피던스 분석법을 통해 설명한다. 전기화학에서 많이 사용되는 임피던스와 순환전압전류법을 통해, 염료감응 태양전지를 이루는 주성분인 금속산화물과 염료, 전해질의 에너지준위 분석법에 대해서 간단히 소개한다.
Zinc oxide (ZnO) is a unique semiconductor material that exhibits numerous useful properties for dye-sensitized solar cells (DSSCs) and other applications. Various thin-film growth techniques have been used to produce nanowires, nanorods, nanotubes, nanotips, nanosheets, nanobelts and terapods of ZnO. These unique nanostructures unambiguously demonstrate that ZnO probably has the richest family of nanostructures among all materials, both in structures and in properties. The nanostructures could have novel applications in solar cells, optoelectronics, sensors, transducers and biomedical sciences. This article reviews the various nanostructures of ZnO grown by various techniques and their application in DSSCs. The application of ZnO nanowires, nanorods in DSSCs became outstanding, providing a direct pathway to the anode for photo-generated electrons thereby suppressing carrier recombination. This is a novel characteristic which increases the efficiency of ZnO based dye-sensitized solar cells.
실리콘 태양전지와 비교해 제조비용이 저렴하고 뛰어난 안정성을 가지고 있는 염료 감응 태양전지에 관한 다양한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다. 본 연구에서는 $TiO_2$와 $Nb_2O_5$을 혼합하여 만든 반도체 산화물을 사용하여 염료 감응 태양전지의 특성을 연구하였다. $Nb_2O_5$을 서로 다른 비율로 첨가하여 태양전지를 제작하였고, 이에 따른 표면적, 전기적 특성을 측정하였다. $Nb_2O_5$가 첨가될수록 염료 및 전해질의 접촉 면적이 증가하게 되었고, 이에 따라 염료 감응 태양전지의 단락 전류, 개방전압, 곡선인자 및 변환 효율이 개선됨을 확인하였다.
Dye-sensitized solar cells(DSSCs) have been recognized as an alternative to the conventional p-n junction solar cells because of their simple fabrication process, low production cost, and transparency. A typical DSSC consists of a transparent conductive oxide (TCO) electrode, a dye-sensitized oxide semiconductor nanoparticle layer, liquid redox electrolyte, and a Pt-counter electrode. In dye-sensitized solar cells, charge recombination processes at interfaces between coducting glass, $TiO_2$, dye, and electrolyte play an important role in limiting the photon-to-electron conversion efficiency. A layer of ZTO thin film less than ~200nm in thickness, as a blocking layer, was deposited by DC magnetron sputtering method directly onto the anode electrode to be isolated from the electrolyte in dye-sensitized solar cells(DSCs). This is to prevent the electrons from back-transferring from the electrode to the electrolyte ($I^-/I_3^-$). The presented DSCs were fabricated with working electrode of Ga-doped ZnO glass coated with blocking ZTO layer, dye-attached nanoporous $TiO_2$ layer, gel electrolyte and counter electrode of Pt-deposited GZO glass. The effects of blocking layer were studied with respect to impedance and conversion efficiency of the cells.
광 전환 효율에 관여하는 $TiO_2$와 같은 반도체 산화물은 염료 감응 태양전지(Dye-sensitized solar cell, DSSC)의 주요 요소이며, 효율을 개선하기 위해 서로 다른 반도체 산화물을 혼합하여 Pastes를 제조해 사용하는 연구가 이루어지고 있다. 본 연구에서는 $TiO_2-Nb_2O_5$ 혼합 반도체 산화물을 제조하여 염료 감응 태양전지의 특성을 분석하였다. 혼합 반도체 산화물이 광 전환 효율에 미치는 전기적인 특성을 분석하기 위해서 $Nb_2O_5$을 서로 다른 비율로 첨가하여 태양전지를 제작하였다. 이에 $Nb_2O_5$가 첨가됨에 따라 전해질과의 접촉에 의한 재결합 현상보다 전도성이 겅화되어 태양전지의 단락 전류, 개방전압, 변환 효율 등이 개선되는 것을 확인하였다.
Dye-sensitized solar cells(DSSCs) have been under investigation for the past decade due to their attractive features such as high energy conversion efficiency and low production costs. The basis for energy conversion in the injection of electrons from a photoexcited stateof a dye sensitizer into the conduction band of the nanocrystalline $TiO_2$ semiconductor upon absorption of light. It is believed that the DSSC is one of the most promising technologies to solve the significant energy problems. In this article, the development trends and perspective of DSSCs were reviewed.
Uniform polyaniline nanofibers (PANI NFs), and chemically doped sulfamic acid(SFA) PANI NFs, synthesized via template free interfacial polymerization process, were used as new counter electrodes materials for the fabrication of the highly-efficient dyesensitized solar cells (DSSCs). The PANI NFs based fabricated DSSCs exhibited a solarto-electricity conversion efficiency of ~ 4.02% while, the SFA doped PANI NFs based DSSC demonstrated ~ 27% improvement in the solar-to-electricity conversion efficiency. The obtained solar-to-electricity conversion efficiency for SFA doped PANI NFs based DSSC was 5.47% under 100mW/$cm^2$(AM1.5). The enhancement in the conversion efficiency was due to the incorporation of SFA into the PANI NFs which resulted to the higher electrocatalytic activity for the $I^{3-}/I^-$ redox reaction.
In this study, the performance of dye-sensitized solar cells with different thickness of the photelectrode film was simulated by using the electron-diffusion differential model. Through this simulation, the relationships between the thickness of the photoelectrode film and the performances (open-circuit voltage, short-circuit current density, and overall photoelectric-conversion efficiency) of cells were understood and the performances with different thickness of the photoelectrede film were also examined. For considering the refractive index in the liquid electrolyte and exploring the scattering effect of titanium dioxide particles with different sizes using the Mie light-scattering theory, the highest scattering effect of each particles was found out and the optimal size of the titanium dioxide particle was determined for light scattering in the photoelectrode film of dye-sensitized solar cell. Through experiment, the mixed titanium dioxide cell was better than the single titanium dioxide cell and generated a higher overall conversion efficiency because the optimal titanium dioxide particles in the phoelectrode film as light scattering.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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