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DSSC의 원리,효율개선방안, 용어정리

1.band gap(띠간격) : 띠간격이란 아래 그림과 같이 반도체, 절연체의 띠구조에서 전자에점유된 가장 높은 에너지띠 (원자가띠)의 맨위부터 가장 낮은 공간띠 (전도띠)의 바닥까지 사이의 에너지 준위나 그 에너지 차이를 말한다. 그림에서 band gap에 해당하는 부분을 확인할수 있다.밴드갭은 부도체, 반도체, 도전체에서 각각 다르게 나타나게 된다. 각각의 밴드갭은 아래 그림과 같다.(a) 금속 (b) 반도체 (c) 절연체 이다.절연체는 원자가띠와 전도띠의 간격이 너무 커서 전자의 이동이 없는 에너지 상태이며 반도체는 금속과 절연체의 중간에너지 레벨을 가진다. 금속은 밴드갭이 거의 없어서 전자가 자유로이 이동한다. 띠간격의 존재에 기인하는 반도체 물성은 반도체소자에서 적극적으로 이용하고 있다. 그리고 넓은 의미로는 결정의 띠구조에 대하여 전자가 존재할 수 없는 영역 전체를 가리킨다.2.hole : 정공(正孔)은 홀(Electron hole)이라고도 하며 물성 물리학의 용어이다. 아래 그림과 같이 반도체에 대하여 원자가띠의 전자가 부족한 상태를 나타낸다. 예를 들어 빛이나 열로써 원자가띠가 전도띠 측에 천이되어서 원자가띠의 전자가 부족한 생태가 된다. 이 전자의 부족으로부터 생기는 구멍(상대적으로 양의 전하를 가지고 있는 것처럼 보임)을 정공(홀)이라고 한다. a는 전도띠에서의 전자의 이동을 나타내고 b는 원자가띠에서의 홀의 이동을 나타낸다. 정공은 위에서 말한 것처럼 원자가띠의 전자가 전도띠로 천이됨에 따라서 원래의 원자가띠에서 빠져나가버린 전자의 자리에 전하를 띤 입자가 있을 것이라는 생각에 기인한 가상의 입자인 것이다.반도체 결정에서는 "주위의 원자가띠가 순서대로 정공이 떨어져서 새로운 정공이 생긴다."라는 과정을 차례대로 반복하여 결정내부에서 돌아다닐수 있어서 마치 "양의 전하를 가진 전자"와 동일한 행동을 해서 전기 전도성에 기여한다. 그리고 주위의 원자가띠가 아니고 전도전자 (자유전자)와 원자가띠사이의 에너지준위 차이로 인하여 큰 에너지를 열이나 ) : 적어도 한 차원이 천만분의 1미터(100nm=100×10-9) 이하인 입자이다. 분자나 원자를 조작하여 새로운 소재, 구조, 기계, 기구, 소자를 제작하고 그 구조를 연구하는 나노기술의 영역에 속하는 입자이다.미국 국립과학재단의 나노기술에 대한 정의에 의하면 나노기술이 다루는 대상의 크기는 최소한 1~100nm가 되어야 한다. 또 나노크기의 물리, 화학적 성질을 근본적으로 제어할 수 있는 과정을 통해 만들 수 있어야 하고 더 큰 구조물로 합쳐져야 한다. 이 정의에 따르면 크기만 생각했을 때 원자의 갯수가 수 개 내지 수백 개의 복합체, DNA, 단백질 등도 나노에 속한다. 이러한 나노기술의 대상이 되는 입자가 나노입자이다.위 그림과 같이 나노입자를 만들 수 있는데 위 그림은 다양한 방법을 이용하여 크기가 큰 재료를 작게 만드는 방법이다. 이 방법으로 마이크론 크기의 입자를 가공하는 것이 용이하다.11. nanocrystal(나노 크리스털) : 나노크리스탈 (Nanocrystal)은 나노 크기 의 결정상들을 말한다. 아래 그림은 여러 가지 나노결정들을 보여준다.12. photoexcitation(광여기) : 원자를 둘러싸고 있는 전자가 광자를 흡수함으로써 높은 에너지 준위로 천이하는 현상을 말하고 아래 그림을 예로 들면 수소 원자가 빛을 흡수해서 바닥상태인 E1에서 들뜬상태인 E4 에너지 레벨까지 전자가 천이하는 에너지 준위의 변화형태를 말한다.13. conduction band(전도대)와 valence band(원자가띠) : 아래 그림과같이 반도체와 부도체에서 전도띠란 원자가띠보다 높은 전자 에너지의 범위이다. 이 전도띠에 있는 전자는 전기장이 가해지면 쉽게 가속할 수 있어서 전류를 흐르게 한다. 원자가띠는 전자가 많이 차있는 부분으로 valence band에 해당하는 부분이다. 이 원자가띠에서 전자가 전도띠로 올라가게 된다.14. porosity(공극률) : 암석의 전체 부피에 대한 공극의 비율로서, 보통 퍼센트로 나타낸다. 일반적으로 세립(細粒)일수기 때문에 유효확산계수는 작게 된다. 그러면 트랩을 감소하는 것이 가능하다면 확산계수가 향상되어 L도 길어진다고 기대할 수 있는지 알려지지 않았다. 그러나 몇몇 실험결과에서는 확산계수와 전자수명에 역비례의 관계가 보여지는데, D가 커지면 t는 작아져 결국 L은 그다지 크게 변화하지 않는다.아래는 전자확산 범위를 표현한 그림이다.20. porous(다공성) : 물질의 내부나 표면에 작은 빈틈이 많이 있는 성질.다공성 화합물의 예)21. electron trap(전자트랩) : 바닥 준위와 들뜬 준위 사이에는 준안정준위(準安定準位) 또는 전자 트랩이라고 불리는 중간의 에너지 준위가 존재한다.22. Fermi level(페르미준위) : 절대온도 0도에서 최외각 전자가 가지는 에너지 높이를 말하며 페르미에너지라고도 한다.페르미에너지라고도 한다. 고체 내 전자의 에너지분포가 급격히 변화하는 에너지 준위로, 열평형 상태에서 전자를 찾을 수 있는 확률이 1/2이 되는 에너지 준위를 말한다. 또한 페르미 준위가 다른 물질과 접할 때 페르미 준위가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 전자가 이동하기 때문에 페르미 준위가 일치하는 현상이 나타난다. 자유전자의 양자통계론(量子統計論), 고체의 통계열역학에서 중요한 의미가 있다.원자들끼리 서로 교환할 수 있는 전도 전자가 원자마다 한 개씩 있다고 가정하면, 파울리 배타율에 의해 한 개의 에너지 준위에는 서로 다른 스핀을 가진 두 개의 전자만이 들어갈 수 있다. 이 경우 에너지 밴드는 반만 채워지고, 채워진 에너지 준위 중 가장 높은 에너지 준위가 페르미준위이다. 페르미 준위는 고체,반도체,절연체에 따라 틀리다.전자의위치변화는 에너지 변화를 의미한다.즉, 전자가 위치를 변경할 때 마다 에너지의 변화가 일어나는 것이다.최외각궤도의 전자는 자유로운 전자가 될 가능성이 많아 가전자대의 에너지를 갖는다고 말한다.진성반도체n형 반도체p형 반도체24. electrolyte solution(전해질용액) : 전해질을 물 등의 용매에 녹여 전기를 잘 통하는 용액와 반응해서 염료로부터 전자를 받는 전도대의 역할을 해서 염료로부터 받은 전자를 전극을 통해서 외부로 흘려 전기를 통하게 한다.28. photoelectric transformation(광전변환) : 빛에너지를 전기에너지로 변화시키는 일을 말한다. 주로 이 현상을 일으키기 위한 빛과 전기의 중개자로 광전효과를 이용하는데, 다양한 기계를 만들 때 사용되는 방법이다.일반적으로 빛과 전기의 중개자로서 각종 광전효과를 이용하여 행하고 있다. TV카메라는 빛의 상(像)을 전기의 신호로 바꾸는 것으로, 빛 → 전기 변환의 전형적인 예이다. 또 빛을 전기로 변환하는 소자(素子)로서 외부광전효과를 이용한 광전관, 2차전자방출을 이용한 광전자증배관(光電子增倍管), 광기전력효과(光起電力效果)를 이용한 광전지 ·태양전지 ·포토트랜지스터 등이 있다.이 밖에 브라운관에 쓰이고 있는 형광체는 전기의 신호를 빛의 신호로 변환하는, 전기 → 빛 변환이며, 녹토비전에 쓰이고 있는 이미지관은 적외선과 같은 비가시광선을 가시광선으로 바꾸는, 비가시광 → 가시광 변환인데, 둘 다 넓은 의미로는 광전변환에 포함된다.아래 그림은 광전 변환의 여러 가지 형태중 탠덤형 색소증감 태양전지의 개략도이다.광전변환의 일반적인 원리는 위의 그림에서 나타나는 것과 같이 빛을 받아 전자 정공을 분리해 전도물질을 통해서 전기를 흘려주는 것이다.29. carrier's mobility(캐리어 이동도) : 전자와 정공을 반도체에서 캐리어라고 하는데 그 캐리어의 이동속도를 객관적으로 말해주는것을 이동도라고 한다. 이 이동도는 어떤 물질이든지 전자가 정공보다 높은 값을 갖게 되는데 그 이유는 전자의 움직임은 실제 존재하는 것이고 정공은 실제 정공의 움직임이 있는 것이 아니라 정공에 주변의 전자가 생성되었다가 재결합하는 과정을 반복하면서 정공의 움직임이 있는 것처럼 보이는 것이다. 생성과 재결합되는 과정에서 어느 일정 방향으로 생성 재결합되는 것이 아니라 무작위로 그 과정이 발생되기 때문에 정공의 이동도는 전자의 이동도보다 제1차 세계대전을 계기로 각국이 염료공업의 발전에 힘을 쏟아 여러 나라에 염료공업이 보급되었다. 1912년 불용성 아조염료인 나프톨 AS, 1915년 합금속 염료, 1930년 안트라퀴논계 아세테이트 염료 등이 개발·시판되었다. 제2차 세계대전 후 형광 백색염료·중성 금속함유염료·합성섬유용 염료·반응성 염료 등이 미국과 유럽 각국에서 제조되었다.Ⅱ. DSSC(염료 감응형 태양전지)의 원리1. 작동원리-염료 감응 태양전지의 기본구조는 아래 그림 3에서 보는 것과 같이 샌드위치 구조속에 투명유리 위에 코팅된 투명전극에 접착되어 있는 나노입자로 구성된 다공질 tio2 입자위에 단분자층으로 코팅된 염료고분자, 그리고 두 전극사이에 있는 50~100um 두께의 공간을 채우고 있는 산화환원용 전해질 용액이 들어있는 형태를 지니고 있다. 전극은 양쪽을 모두 투명전극을 사용하기도 하지만, 일반적으로 에너지 효율을 높이기 위해 태양광이 입사하는 반대쪽 전극은 반사도가 좋은 백금을 사용하고 있다.에서 태양광이 전지에 입사되면 광양자는 먼저 염료분자에 의해 흡수된다. 염료는 태양광흡수에 의해 여기상태로 되고 전자를 tio2의 전도대로 보낸다. 전자는 전극으로 이동하여 외부회로로 흘러가서 전기에너지를 전달하고, 에너지를 전달한 만큼 낮은 에너지상태가 되어 상대전극으로 이동한다. 염료는 tio2에 전달한 전자 수만큼 전해질용액으로부터 공급받아 원래의 상태로 돌아가게 되는데, 이때 사용되는 전해질은 Iodide/triodide 쌍으로써 산화환원에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 염료에 전달하는 역할을 담당한다. 이에따라 전지의 open circuit voltage는 tio2 반도체의 페르미에너지 준위와 전해질의 산화환원 준위의 차이에 의해 결정된다.염료 감응형 태양전지는 전자 하나를 빼내어 전자와 정공을 분리하는 그 역할을 염료가 담당한다. 염료에서 떨어져 나온전자, 떨어져 나온 홀들을 tio2가 흘려보내준다. 다시 말해 염료 감응형 태양전지는 색소가 전자와 정공을 분리시켜 주는 역원리

공학/기술| 2009.12.01| 39페이지| 3,000원| 조회(1,131)

전자, 원자, 홀, 반도체소자, DSSC

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