6.28: 염료 감질 태양 전지

1. TiO₂ 페이스트 준비

1. 콜로이드 TiO₂ 분말 6 g을 질량으로 하여 박격포에 놓습니다.
2. TiO_2에2-3 mL의 식초를 조심스럽게 추가하고 균일 한 페이스트를 얻을 때까지 유봉으로 서스펜션을 연마하기 시작합니다. 연삭은 분말의 응집된 덩어리를 분해하는 역할을 합니다.
3. 식초를 계속 첨가하고, ~ 1mL 단위로 연삭하면서 최대 ~ 9mL의 총 부피를 추가하십시오. 각 첨가하기 전에, 페이스트의 일관성은 균일하고 덩어리가 없어야합니다. 마지막 페이스트는 두껍지만 너무 두껍지 않아 서 드롭퍼 병에서 압착할 수 없습니다.
4. 증류수 1mL에 접시 비누 1방울을 넣고 부드럽게 섞습니다.
5. TiO₂ 서스펜션에 접시 비누 용액을 넣고 부드럽게 섞어 거품을 일으키지 않도록 주의하십시오.
6. 서스펜션을 15분 동안 평형화할 수 있도록 허용합니다. 접시 비누는 계면 활성제 역할을하며, 서스펜션이 유리의 균일 한 필름으로 쉽게 퍼지도록 돕습니다.

2. 유리에 TiO_2의 증착

1. 두 개의 전도성 유리 슬라이드를 청소하십시오. 에탄올로 김스 와이프를 적어 두 개의 전도성 유리 슬라이드를 닦아 사용하십시오. 깨끗한 슬라이드를 신선한 김스와이프에 놓습니다.
2. 유리의 어느 쪽이 전도성인지 결정합니다. 옴에 멀티미터 세트를 사용하여, 둘 다 유리의 한쪽으로 연결합니다. 10에서 30 사이의 판독값이 관찰되면 Ω 전도성 측면입니다. 0의 판독값은 Ω 비전도성 측면을 나타냅니다.
3. 슬라이드를 마스크합니다. 전도성 측면이 있는 유리 슬라이드 1개를 위로, 다른 하나는 전도성 측면을 아래로 놓습니다. 슬라이드를 터치하리도록 조심스럽게 유지하면서 유리 슬라이드를 벤치 탑에 테이프로 표시합니다. 슬라이드의 네 면 중 3면에 테이프를 놓고 슬라이드의 5~8mm가 3면의 테이프로 덮여 있는지 확인합니다(그림4). 테이프를 단단히 눌러 기포가 없는지 확인합니다.
4. TiO₂ 페이스트를 적용합니다. 유리 막대를 사용하여 슬라이드의 마스크된 상단 가장자리에 얇은 페이스트 라인을 적용합니다. 유리 막대를 사용하여 슬라이드 길이아래로 페이스트를 조심스럽게 굴리고 백업합니다. 막대를 들어 올리지 않고 또는 균일 한 필름이 얻을 때까지이 모션 2-3배반복합니다.
   1. 필름이 균일하지 않은 경우, 단순히 김스 와이프로 닦아, 에탄올로 유리를 청소하고, 일단 건조하면 다시 시도합니다.
5. 필름이 약간 건조한 다음 유리에서 테이프를 조심스럽게 제거합니다. TiO₂ 필름의 슬라이드는 전도성 측면에 있어야 합니다. 다른 슬라이드를 청소하고 나중에 사용할 수 있습니다.
6. TiO₂ 필름을 아노닐. 450°C로 설정된 핫 플레이트에 슬라이드(TiO₂ 면 업)를 조심스럽게 배치합니다. TiO_2가 보라색/갈색으로 어두워지고 흰색을 되찾는 모습을 지켜보십시오. 이 시점에서 핫플레이트를 끄고 필름이 천천히 식힙니다. 슬라이드가 너무 빨리 냉각되면 균열되거나 부서질 수 있습니다.
7. 눈금자를 사용하면 필름으로 덮인 표면적을 측정하고 이 값을 기록합니다.

그림 4. 유리에 TiO_2의 증착.

3. 염료와 TiO₂ 필름 얼룩

1. 블랙베리, 라즈베리 또는 체리몇 개도 박격포에 넣고 페일로 분쇄합니다.
2. 커피 필터를 통해 페트리 접시에 솔루션을 필터링합니다. 주스에 몇 mL의 물을 추가해야 할 수도 있습니다.
3. 냉각된 TiO₂ 필름을 페트리 접시에 얼굴을 아래로 놓습니다. 어떤 TiO_2를긁지 않도록주의하십시오. 염료를 필름에 흡착하도록 허용합니다. 이 경우 몇 분 정도 걸릴 수 있습니다.
4. 필름이 완전히 코팅되면 (어두운 빨간색 또는 보라색이어야하고 흰색 반점이 없다), 집게로 슬라이드를 들어 올리고 (필름이 아닌 유리를 강하게조심하십시오), 물로 슬라이드를 헹구고 에탄올을 헹구십시오. 필름을 김와이프로 말리고 즉시 사용하십시오.
   1. 즉시 사용하지 않을 경우, pH 3-5의 아세트산을 함유한 페트리 접시에 필름을 보관하고 뚜껑으로 접시를 덮고 호일로 싸서 싸십시오.

4. 카운터 전극 준비

1. 다른 전도성 유리 슬라이드를 사용하여 2.1-2.2 단계를 따르십시오.
2. 전도성 측에 탄소 촉매를 적용합니다. 핀셋을 사용하여 번센 버너의 끝 위에 슬라이드, 전도성 측면을 누십시오. 그을음이 전체 표면에 수집되도록 슬라이드를 이동하지만, 더 이상 30 s. 슬라이드를 식히고 면봉으로 슬라이드의 한쪽을 따라 그을음을 닦으십시오.
   1. 또는 HB 연필을 사용하여 흑연으로 전체 전도성 표면을 덮습니다. 이것은 더 강력한 전극을 제공하지만, 덜 잘 수행 하나.

5. 태양 전지를 조립

1. 스테인드 필름을 말리십시오. 에탄올로 헹구고 김쩍이 시라. 필름을 두 번째 김스와이프로 부드럽게 얼룩. 필름은 전해질 용액에 영향을 미치지 않도록 건조해야 합니다.
2. 전극 필름 측을 위로 올려 놓고 탄소 코팅 전극을 부드럽게 위에 놓습니다(탄소 면아래). 두 전극의 노출된 면을 와이어로 클리핑할 수 있도록 슬라이드를 오프셋해야 합니다. 오프셋 유리에 인접한 측면에 두 개의 바인더 클립을 놓습니다.
3. 슬라이드의 한 가장자리를 따라 전해질 용액몇 방울을 놓고 바인더 클립을 번갈아 열또는 닫아 셀의 각 면을 조심스럽게 열또는 닫습니다. 스테인드 영역의 모든 전해질 용액과 접촉하고 있는지 확인하고 필요한 경우 5.2 단계를 반복하십시오.
4. 김 와이프와 에탄올을 사용하여 노출 된 영역에서 과도한 전해질을 닦아냅니다.
5. 악어 클립을 태양 전지의 두 노출된 측면에 고정합니다.

6. 셀 성능 측정

참고: 이상적으로는 이러한 측정을 외부에서 수행해야 합니다. 그러나 날씨가 허용되지 않으면 할로겐 램프를 사용하여 내부에서 수행 할 수 있습니다. 모든 측정은 동일한 조건에서 수행되도록 셀의 움직임없이 수행해야합니다.

1. TiO₂ 필름이 태양을 향해 향하도록 세포를 방향을 지정하고 세포 위에 폴리 카보네이트 커버를 놓으십시오. 이것은 UV 손상으로부터 세포를 보호합니다.
2. 음극(TiO_2-코팅유리)을 멀티미터의 음극와이어에 연결하고, 양극(C)을 멀티미터(도5)의양극 와이어에 연결한다.
3. 멀티미터를 볼트로 설정하고 전압을 측정합니다. 이것은 오픈 회로 전위(전류가 0인 최대 전압)입니다. 셀(손 또는 솔리드 오브젝트)을 덮어 전압이 감소하도록 합니다.
4. 멀티미터를 밀리머페레(mA)로 설정하고 최대 전류를 측정합니다. 이것은 단락 전류(제로 전압의 최대 전류)입니다. (손으로) 셀을 덮어 전류가 감소하는지 확인합니다.
5. 500-Ω 전동 전류계를 가변 부하로 사용하여 전체 전류 전압 곡선을 기록합니다.
   1. 전위도계의 잠재 도납을 중앙 탭으로 결정합니다. 이 리드를 사용하면 저항이 다양할 수 있습니다. 이렇게 하려면 다중계(ohms로 설정)를 전위도계의 두 리드에 연결하고 전위도계의 저항을 변화시다. 저항이 변경되는 경우 유의하십시오. 다른 두 개의 리드 조합으로 반복합니다. 저항의 변화는 세 가지 조합 중 두 가지에서 관찰되어야합니다. 변경 사항을 준 두 조합에서 사용된 리드는 중앙 탭이고 다른 두 개의 리드는 기능적으로 동일합니다.
   2. 그림 5(오른쪽)에 표시된 대로 회로를 어셈블합니다.
   3. 전위력계를 전체(또는 0) 저항으로 설정하고 전류와 전압을 기록합니다.
   4. 작은 증분에서 전위도계의 저항을 변경하고 전류와 전압을 주의하여 전위계의 전체 범위에 걸쳐 있는 몇 가지 점이 있습니다. 이러한 측정 중에 셀을 이동하지 않도록 하십시오. 현재가 변경되기 시작하면 많은 데이터 포인트를 수집해야 합니다. 일정할 때 데이터 요소가 적을 수록 얻을 수 있습니다.

그림 5. 회로 다이어그램은 개방 회로 전위 및 단락 전류(왼쪽, 단계 6.3 및 6.4)를 측정하고 I-V 곡선(오른쪽)을 기록합니다.

염료 감응형 태양 전지는 기존 반도체 광전지에 대한 유망한 대안이며 최근 몇 년 동안 상업적으로 실행 가능해졌습니다.

염료 감응 셀은 고온과 높은 광자 입사각에서도 일관된 전력을 고유하게 생성하여 낮은 효율을 보상하여 저조도 하에서 실리콘 태양 전지보다 거의 50% 더 많은 전력을 산출합니다. 그들은 제조하기가 훨씬 쉽고 자연스럽고 풍부한 식물성 안료를 염료로 사용할 수 있습니다. 이 비디오는 염료 감응 태양 전지의 작동을 보여주고, 식물 안료를 사용하여 실험실에서 테스트 샘플을 만드는 기본 절차를 보여주고, 몇 가지 응용 분야에 대해 설명합니다.

모든 태양 전지는 전류를 생성하기 위해 전자에 에너지를 기부하는 빛의 능력에 의존합니다.

단일 원자에서 전자는 개별 에너지 준위로 제한됩니다. 그러나 빛의 광자를 흡수할 때 전자는 일시적으로 더 높은 에너지 준위로 상승하여 더 낮은 준위에 구멍을 남깁니다.

두 원자가 가까이 있을 때 서로의 전자를 교란시킵니다. 이것은 전자가 차지할 수 있는 새로운 에너지 수준을 생성합니다. 더 많은 원자가 추가됨에 따라 더 많은 에너지 수준이 형성되어 궁극적으로 조밀한 에너지 밴드로 합쳐집니다.

반도체에서 점유되지 않은 에너지 준위는 고 에너지 전도 대역을 형성하고 점유 된 수준은 저 에너지 원자가 대역을 형성합니다. 에너지 차이는 "밴드갭 에너지"로 알려져 있습니다. 밴드갭 에너지를 가진 광자가 전자에 부딪히면 전자가 승격되어 정공이 남습니다. 전자와 정공은 모두 재결합할 때까지 원자에서 원자로 전도될 수 있습니다.

반도체가 빛 에너지를 흡수하는 방법을 살펴보았으니, 이제 염료에 민감한 태양 전지에서 이 현상을 어떻게 활용할 수 있는지 알아보겠습니다.

실리콘 태양 전지와 달리 염료 감응 태양 전지는 재결합 속도를 낮추기 위해 광 흡수 과정과 전류 투과 과정을 분리합니다.

이 셀에는 감광제 염료, 반도체층, 전해질 및 두 개의 전극이 포함되어 있습니다. 반도체는 아나타제 TiO2와 같은 안정적인 유전체입니다. 전해질은 일반적으로 유기 요오드화물이고 상대 전극은 부식 및 내열성 물질, 종종 백금 또는 탄소입니다.

반도체는 메조다공성이며 흡착된 염료의 단층을 포함합니다. 염료 전자가 광자에 의해 여기되면 즉시 반도체의 전도대에 주입됩니다.

반도체는 전자를 광전극으로 전달하고 차례로 회로로 전달합니다. 전자는 상대 전극을 통해 되돌아오고, 여기서 사용된 전해질이 감소하여 사이클이 완료됩니다.

효과적인 염료는 전체 가시 스펙트럼에 반응합니다. 초기 염료에는 유기 루테늄 복합체가 포함되었습니다. 이들은 적외선으로의 높은 변환을 제공하지만 비용이 많이 들고 생산하기가 어렵습니다. 카로티노이드 및 안토시아닌과 같은 식물성 감광성 색소는 효율성은 떨어지지만 더 풍부하고 실용적입니다.

이것이 원칙입니다. 이제 실험실에서 기본 작동 절차를 살펴 보겠습니다.

여기에 시연된 절차를 통해 염료 감응성 태양 전지를 일반적인 전구체와 실험실 재료만 사용하여 신속하게 제조 및 테스트할 수 있습니다.

모르타르에 아나타제 TiO2 분말 6g을 첨가하는 것으로 시작합니다. 식초 2-3mL를 넣고 현탁액을 갈아서 덩어리를 부수십시오. 식초를 1mL 단위로 반복적으로 넣고 총 9mL가 추가될 때까지 분쇄합니다. 페이스트는 궁극적으로 균일해야 합니다.

다음으로, 주방 세제 한 방울과 증류수 1mL를 부드럽게 혼합하여 계면활성제 용액을 생성합니다. 계면활성제 용액을 페이스트에 부드럽게 섞고 거품이 생기지 않도록 주의합니다. 현탁액이 평형을 이루도록 합니다

에탄올에 적신 낮은 보푸라기 닦아내기를 사용하여 두 개의 SnO2 코팅 전도성 유리 슬라이드를 청소합니다. 멀티미터를 사용하여 전도성 측면을 찾으십시오. 전도성 측은 10-30°C의 저항을 가져야 합니다.

슬라이드를 벤치에 테이프로 붙이고 한 쪽은 위로, 다른 쪽은 아래로 향하게 하여 5-8mm가 마스킹되고 기포가 없도록 합니다. 유리 막대를 사용하여 전도성 면의 상단 가장자리를 가로질러 얇고 균일한 페이스트 라인을 적용합니다. 필름을 약간 건조시키고 테이프를 제거합니다.

슬라이드를 전도성 면이 위로 향하게 하여 핫 플레이트에 올려 건조시킵니다. 필름은 먼저 자주색-갈색으로 어두워진 다음 희게 됩니다. 이 경우 슬라이드를 위에 유지하면서 핫 플레이트를 끄십시오. 실온으로 냉각된 후 필름의 표면적을 기록하십시오.

카운터 전극을 준비하려면 두 번째 전도성 유리 슬라이드를 청소하십시오. 탄소 촉매를 전도성 측에 적용합니다. 더 가벼운 불꽃 위에서 핀셋으로 전도성 면을 잡습니다. 그을음이 30초 이상 쌓이지 않도록 합니다. 핀셋으로 슬라이드의 방향을 바꾸고 같은 방식으로 나머지 모서리를 그을음으로 덮고 전체 슬라이드가 덮여 있는지 확인합니다.

이제 전극이 준비되었으니 염료 감응 태양 전지를 구성해 보겠습니다.

주걱을 사용하여 비커에 라즈베리, 블랙베리 또는 체리 몇 개를 으깨십시오. 그런 다음 커피 필터를 사용하여 용액을 페트리 접시에 여과하고 필요한 경우 증류수 몇 방울을 추가합니다.

핀셋을 사용하여 필름이 긁히지 않도록 주의하면서 전도성 면이 아래를 향하게 하여 광전극을 페트리 접시에 놓습니다. 염색이 완료되면 슬라이드를 조심스럽게 빼내고 흰색 반점이 보이지 않는지 확인합니다. 슬라이드를 에탄올로 헹구고 두드려 말리십시오.

카운터 전극을 필름에 앞면이 아래로 향하게 하여 슬라이드 사이의 오프셋을 유지합니다. 바인더 클립을 슬라이드 가장자리에 부착합니다. 가장자리를 따라 전해질 몇 방울을 떨어뜨리고 바인더 클립을 약간 열어 필름 위로 스며들게 합니다. 이제 셀을 작동할 준비가 되었습니다.

할로겐 램프 아래에서 세포 성능을 측정할 준비를 합니다. 광전극이 할로겐 램프를 향하도록 세포의 방향을 지정합니다. 멀티미터를 사용하여 개방 회로 전위와 단락 전류를 측정합니다.

다음으로 셀을 500 ?? 텍스트 프로토콜에 표시된 회로를 생성하는 전위차계. 전위차계를 통해 저항을 순차적으로 증가시키고 멀티미터를 사용하여 전압과 전류를 측정합니다.

수집된 데이터는 태양 전지의 태양 에너지 변환과 태양 효율을 설명하는 전류-전압 곡선을 만드는 데 사용됩니다.

곡선이 x축과 교차하는 지점을 개방 회로 전압이라고 하며, 이는 제로 전류에서 최대 전압입니다. 0V에서 최대 전류 지점은 곡선이 y축과 교차하는 그래프에 나타납니다.

최대 전력 점 (MPP)은 곡선의 "무릎"에서 발생하며 태양 전지의 이상적인 작동을위한 전압 및 전류 조건을 제공합니다. 전류-전압 곡선의 MPP는 서로 다른 태양 전지의 성능을 비교할 수 있는 수단을 제공합니다. 이 실험에서 측정된 개방 회로 전압은 0.5볼트의 값과 1-2mA/cm2의 단락 전위에 도달할 수 있습니다.

염료 감응성 태양 전지는 틈새 응용 분야에서 유용하며, 이 비디오의 접근 방식을 통해 새로운 염료로 전지를 신속하게 프로토타이핑할 수 있습니다.

염료 감응 태양 전지는 저조도에서 높은 전력을 생산하기 때문에 센서, ID 태그, 데이터 송신기 등에 전력을 공급하기 위해 실내 조명을 재사용하는 "광 수확"에 유용합니다. 이를 달성하는 한 가지 방법은 전자가 전도대로 상향 변환할 수 있는 밴드갭 내에 에너지 준위를 도입하는 염료를 개발하는 것입니다. 경험적으로, 이것은 단일 고에너지 흡수를 두 개의 저에너지 흡수로 대체함으로써 근적외선 파장에서 광자-전자 변환을 두 배로 증가시켰습니다.

염료 감응 셀은 오염을 최소화하고 출력을 유지하기 위해 전극에 TiO2 중공 유리 마이크로스피어를 추가하는 광전지 창 생산에 사용됩니다. 이를 위해 전기 방사와 같은 저렴한 제조 기술을 사용할 수 있으며, 여기서 TiO2 슬러리를 전기장에 천천히 주입하여 고성능 전극용 나노 섬유를 생산할 수 있습니다. 또 다른 제조 기술은 잉크젯 인쇄입니다. 이것은 유리 기판에 전극을 증착하는 데 사용되어 3.5%의 효율을 가진 셀을 생성했습니다.

염료 감응 태양 전지에 대한 JoVE의 소개를 방금 시청했습니다. 이제 염료 감응 세포의 작동, 실험실에서 저렴하게 세포를 생성하는 절차 및 일부 응용 분야에 대해 잘 알게 되었을 것입니다. 언제나 그렇듯이 시청해 주셔서 감사합니다!