염료 감응형 태양전지(DSSC) 제작 및 특성 분석

본 내용은 " [무기화학실험 보고서] 염료를 이용한 화학적 에너지 소자(DSSC) 제작 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2025.10.29

문서 내 토픽

• 1. 염료 감응형 태양전지(DSSC)

  DSSC는 염료를 이용한 화학적 에너지 소자로, TiO2 전극에 히비스커스 염료를 흡착시켜 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치이다. 전해질 용액, TiO2 전극, 염료, 상대 전극으로 구성되며, 어두운 환경과 UV 조사 조건에서 전류 특성을 측정하여 성능을 평가한다.

• 2. TiO2 전극 제작

  TiO2 분말과 acetic acid를 혼합하여 페이스트를 만들고, FTO 유리 기판의 전도면에 균일하게 도포한다. 스카치 테이프로 도포 영역을 마스킹하고, 상온 건조 후 400℃에서 30분간 가열하여 TiO2 층을 소성한다. 이 과정은 전자 수송층 형성에 필수적이다.

• 3. 천연 염료 추출

  히비스커스 티백 2개(3.6g)를 ethanol 20mL와 함께 막자사발에서 분쇄한 후, 60℃에서 40분간 가열하여 염료를 추출한다. 감압여과기를 이용해 여과하여 순수한 염료 용액을 얻는다. 천연 염료는 환경친화적이며 DSSC의 광감응 물질로 작용한다.

• 4. 전해질 용액 및 상대 전극

  전해질 용액은 KI, I2, ethylene glycol을 혼합하여 60℃에서 30분간 가열하여 제작한다. 상대 전극은 FTO 기판의 전도성 면에 라이터 불꽃으로 탄소 나노 입자층을 코팅하여 제작하며, 이는 전자 수용 및 I3- 환원 반응을 촉진한다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 주제1 염료 감응형 태양전지(DSSC)

  염료 감응형 태양전지는 차세대 태양전지 기술로서 매우 유망한 분야입니다. 기존의 실리콘 기반 태양전지에 비해 제조 비용이 낮고, 다양한 색상의 염료를 사용할 수 있어 건축 통합형 태양전지로의 응용 가능성이 높습니다. 특히 실내 조명 환경에서도 발전 효율이 우수하다는 점이 장점입니다. 다만 현재 변환 효율이 약 11-13% 수준으로 상용화된 실리콘 태양전지보다 낮으며, 장기 안정성 문제가 개선되어야 합니다. 향후 새로운 염료 개발과 전해질 개선을 통해 효율을 높이고 수명을 연장하는 연구가 지속된다면, 특정 응용 분야에서 경쟁력 있는 기술이 될 것으로 예상됩니다.

• 2. 주제2 TiO2 전극 제작

  TiO2는 DSSC의 핵심 소재로서 높은 굴절률, 우수한 화학적 안정성, 그리고 뛰어난 전자 수송 특성을 가지고 있어 이상적인 광전극 재료입니다. TiO2 전극의 제작 방법으로는 스크린 프린팅, 스핀 코팅, 전기화학적 증착 등 다양한 기법이 있으며, 각 방법은 장단점이 있습니다. 특히 나노 입자의 크기, 형태, 결정성 및 다공성 구조가 전극의 성능에 큰 영향을 미칩니다. 최근에는 1차원 나노구조(나노로드, 나노튜브)를 이용한 전극 제작이 전자 수송 효율 향상으로 주목받고 있습니다. 앞으로 더욱 효율적인 제조 공정 개발과 표면 처리 기술 개선이 필요합니다.

• 3. 주제3 천연 염료 추출

  천연 염료를 DSSC에 적용하는 것은 환경 친화적이고 지속 가능한 태양전지 개발이라는 측면에서 매우 의미 있는 접근입니다. 안토시아닌, 클로로필, 카로티노이드 등 식물에서 추출한 천연 염료들은 우수한 광흡수 특성을 가지고 있습니다. 다만 천연 염료는 합성 염료에 비해 화학적 안정성이 낮고, 추출 수율이 낮으며, 염료 분자의 구조 제어가 어렵다는 한계가 있습니다. 또한 추출 과정에서 환경 오염을 야기할 수 있는 용매 사용 문제도 고려해야 합니다. 천연 염료의 효율을 높이기 위해서는 추출 방법 최적화, 염료 분자 개질, 그리고 보조 물질 첨가 등의 연구가 필요합니다.

• 4. 주제4 전해질 용액 및 상대 전극

  DSSC의 성능을 결정하는 중요한 요소로서 전해질 용액과 상대 전극의 역할은 매우 중요합니다. 전해질은 산화된 염료를 환원시키고 전자를 수송하는 역할을 하므로, 높은 이온 전도도와 우수한 화학적 안정성이 필수적입니다. 현재 I⁻/I₃⁻ 기반 전해질이 가장 널리 사용되고 있으나, 요오드의 휘발성과 부식성 문제가 있어 대체 전해질 개발이 진행 중입니다. 상대 전극은 일반적으로 백금이 사용되지만, 비용 문제로 인해 탄소 재료나 전도성 고분자 등의 대체 물질 연구가 활발합니다. 전해질과 상대 전극의 최적화를 통해 DSSC의 효율과 안정성을 동시에 향상시킬 수 있을 것으로 기대됩니다.