화공생물공학실험2실험 제목염료 감응형 태양전지1. Abstract이번 실험에서는 광합성과 같은 원리로 작동하는 염료 감응형 태양전지(DSSC)를 제조하였다. 제조 방법은 ITO 코팅된 면에 TiO₂에 염색된 면과 탄소 코팅된 면을 겹쳐서 제조하였다. 실험 결과 DSSC는 정상적으로 작동함을 확인 할 수 있었고, 전류와 전압 사이의 관계와 나아가 전력과의 관계를 파악하였다. 또한 빛의 세기로 인한 전류, 전압 사이의 관계도 파악하였다.2. Introduction1) 실험목적전해질과 천연염료를 이용하여 염료감응형 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell)을 만들어 광합성과 같은 원리를 통해 태양전지를 작동시켜본다.2) 연구현황염료감응형 태양전지는 안정성이 높아 10년 이상 사용하여도 초기 효율을 거의 유지한다. 또한, 실리콘계 태양전지와 비교했을 때 일광량의 영향을 적게 받을 뿐만 아니라, 제조공정이 단순하고, 그로 인해 실리콘 셀 가격의 20~30%정도이다. 하지만, 전기 변환 효율이 기존의 태양전지에 비해 낮고, 아직 상용화 단계에 이를 만큼의 충분한 연구가 이루어지지 않은 실정이다.3) 실험이론결정물질에서는 원자와 원자의 간격이 매우 작아 원자 궤도를 순환하는 전자는 인접한 원자의 영향을 받게 된다. 이러한 영향으로 인해 어떤 전자는 속도가 느려지고 어떤 전자는 탄력을 받아 속도가 증가한다. 이로 인해 결정물질에서는 각 궤도의 전자가 가질 수 있는 에너지 값의 범위가 넓어져서 일정한 폭을 갖게 된다. 이 경향은 궤도 반경이 클수록 즉, 에너지 준위가 높을수록 넓어지게 된다. 이러한 에너지 폭을 에너지 밴드라고 한다.4) 작동원리염료 감응형 태양전지의 작동원리는 식물의 광합성과 매우 유사하다. 식물의 경우 잎의 엽록체가 태양빛을 받아 전자를 들뜬 상태로 만들고, 전자가 다시 제자리로 돌아오는 과정에서 ATP를 생산해내어 식물이 성장하는 에너지원으로 사용한다. 태양전지의 경우도 염료가 태양빛을 받으면 염료의 전자가 들뜬 상태가 되고 다시 제자리로 돌아가면서 전기 에너지를 생산하게 된다. 태양전지의 경우 TiO₂는 전자 acceptor이고, 요오드화물은 전자 doner가 된다. 염료는 전자를 자극하여 움직이게 하는 광화학 펌프역할을 하여, 태양전지가 작동하게 된다.3. Materials & Methods1) 실험기구 및 시약블랙베리, 에탄올, 증류수, 멀티미터, TiO₂ powder, 양초, Scotch tape, Two aligator clip leads, NaCl(I{}^{-}대체), 아세트산, 실험실장비사용(핀셋, 유리막대, 사발, paper towel)2) 실험방법① 실험을 위한 블랙베리 적당량을 취하여 가열한다.① 10ml 바이알에 포화 NaCl을 제조한다.① 멀티테스터기를 사용하여 전도성유리(ITO Glass) 2개의 코팅된 면을 찾는다.② 아세톤을 이용하여 유리를 세척한다. (아세톤 기체를 되도록 흡입하지 않도록 신속하게 소량으로 세척한다.)③ 막자사발에 TiO₂ 6g, acetic acid 1ml, 증류수 6ml를 넣고, TiO₂의 알갱이가 잘게 부서질 때 까지 섞는다. 후드에서 진행한다. (아세트산은 각막 손상의 우려가 있으니 고글을 착용하거나, 파라필름으로 동봉하여 공기 중에 오랫동안 노출되지 않도록 한다.)④ 전도성유리의 ITO 코팅이 된 면에 가장자리 ㄷ자 모양으로 폭이 일정하게 스카치테이프로 가리듯이 고정시키고 겔 상태가 된 이산화티타늄을 펴 바른다.⑤ 유리를 핫플레이트에 고온(400℃)에서 20~30분정도 올려놓은 뒤 서서히 식힌다.⑥ 식힌 후, 이산화티타늄 코팅된 면에 안토시아닌 추출액을 떨어뜨려 20분 동안 염색시킨다.⑦ 염색이 된 유리를 에탄올로 세척한다. (증류수 세척 시, TiO₂코팅이 떨어져 나갈 위험이 크므로 가장자리로 하여 조심스럽게 세척한다.)① 알코올램프의 겉불꽃에 ITO 코팅된 면을 갖다 대어 탄소를 코팅한다.② 유리가 식으면 휴지를 이용하여 유리1의 이산화티타늄 코팅의 폭과 동일하게 가장자리의 탄소코팅을 정교하게 닦아낸다.③ 만들어 둔 전해액을 이산화티타늄 코팅위에 도포한다.④ 탄소코팅 된 유리(유리2)를 유리1과 겹쳐서 악어집게로 고정한다. (악어집게 고정 시, 유리가 뒤틀리지 않도록 조심스럽게 다룬다.)⑤ 빛의 환경조건을 바꾸어가며 전압을 측정한다. (V=IR)4. Results5. Discussion결과를 보면 Darkroom에서의 전압은 1.3V이고, Brightroom에서의 전압은 47.9V로 나타난다. DSSC의 이론적인 IV-Curve는 다음과 같다.태양전지는 빛이 들어올 때 전류를 형성한다. 그래프에서도 Power dissipation에서 I의 값은 거의 항상 0에 가깝다는 걸 확인할 수 있다. 따라서 이번 실험에서 Dark room에서의 전류의 값도 이론적으로 거의 0에 가까운 값이라는 것을 추론할 수 있다. 또한, Power generation에서는 전류의 값은 거의 항상 일정하게 유지되다가, 전압이 일정 값을 넘게 되면 전류가 0으로 간다는 것을 볼 수 있다(전류의 값이 음수인 이유는 방향 때문이므로 음수라고 전류가 그만큼 흐르지 않다는 것이 아니다. 오히려 절댓값이 클수록 전류가 잘 흐르고 있다고 해석한다). 따라서 실험에서 측정된 전압에서는 어떤 일정한 전류가 흐르고 있음을 추론할 수 있다. 또한, 빛의 세기가 강해질수록 전류가 더 강하게 흐르게 되어 높은 전력을 얻을 수 있다는 것을 그래프를 통해 알 수 있다. 하지만 너무 강한 세기의 빛을 가하게 되면, 전지 자체가 손상을 입을 위험이 있다.
