Dye-sensitized solar cell (DSSC) is one of the most promising candidates for photo-voltaic systems due to its cost effective, use of eco friendly material and simple fabrication process. The conventional photoanode in DSSC is $TiO_2$ nanoparticle for large surface area. It offers, however, many defects on nanoparticle surface, causing recombination. To enhance the photoanode property, 1-D nanostructure is investigated. The electron transferred from excited dye can rapidly transport into $TiO_2$ conduction band with low recombination rate. It is expected the open circuit voltage increases due to low electron loss in $TiO_2$ rather than $TiO_2$ nanoparticle. Herein, we fabricated $TiO_2$ nanowire via electrospinning process on FTO glass with different structures to compare each property. The structures such as particle, wire, and particle on wire structure on FTO glass, are investigated to reveal electron transportation ability in $TiO_2$ nanowire compared to nanoparticle structure. 1-D structure such as nanofibers with 5 μm thickness interconnected network results in the increase of open circuit voltage due to low recombination compared to nanoparticle structure with same thickness. However, since wire is high porous network structure, it leads to low short circuit current due to small surface area. To enhance current density of wire structure, we fabricate double layer structure composed with particle and wire. It is expected that the property is improved. We found that the voltage is, however, significantly decreased due to high resistance between particle and wire despite of the increase of current density of double layer as shown in EIS profile. In this regard, the efficiency of double layer structure slightly more decreases than wire structure. Therefore, nanowire structure should be more deeply investigated to have large surface area for high current density as much as nanoparticle structure to obtain high performance of DSSC with nanowire structure.
The typical DSSC is the most appropriate solar cell for building integration (BIPV) due to its transparency. It can be fabricated with varying degrees of transparency, which makes it suitable for window application. In this study, we investigate the relations among the transparency, the efficiency of DSSC and the overall energy efficiency of a building when it is applied as a window system. While the efficiency of DSSC generally increases with less transparency controlled by thickness of electrode due to higher short circuit current density (Jsc), it does not necessarily maximize the overall energy efficiency of a building, since lighting conditions of the building varies with the transparency of the window. The optimum condition should be carefully considered with the transparency of window as computationally simulated in terms of energy generation and consumption. We also find that different window directions of the building affect the optimum conditions of DSSC.
화석연료의 고갈 위기, 이산화탄소 배출 규제등 다양한 환경문제로 인해 지속 가능한 무공해 대체에너지 개발의 필요성이 부각되고 있다. 일반적인 대체에너지로 풍력, 수력, 태양열, 태양광, 바이오매스, 지열, 해양에너지등 다양한 재생 에너지 분야의 관심은 더욱 커져간다. 재생에너지들은 깨끗하고 고갈될 염려가 없을 뿐 아니라 무공해 재생이 가능하다는 큰 장점이 있다. 이러한 재생에너지 중 태양광발전은 필요한 장소에 필요한 만큼만 발전할 수 있으며, 유지보수가 용이하다는 큰 장점이 있어 최근 많은 연구가 진행되고 있다. 태양광 발전은 광기전효과에 의해 태양빛 에너지를 전기로 직접 변환시키는 전기 발생장치이다. 대표적인 태양전지는 실리콘 기판의 p 형 반도체와 n형 반도체를 이용해 제조되고 있으며, 가격이 비싸다는 단점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하고자 최근에는 제조 단가가 저렴하며, 친환경적인 공정을 통한 염료감응 태양전지의 관심이 더욱 커지고 있다. 염료감응 태양전지는 비정질 태양전지와 비슷한 효율을 가지고 있으며, 태양전지 중 제조공정이 가장 간단한 장점을 가지고 있다. 또한 염료감응 태양전지 자체가 매우 좋은 투과도를 가지고 있어 다양한 분야에 적용이 가능하다.
기존의 태양전지의 광전극으로 나노 크기의 파티클들을 사용하고 있다. 넓은 표면적을 가지고 있다는 큰 장점을 가지고 있어 높은 전류밀도를 가질 수 있다. 하지만 파티클 표면에 존재하는 많은 결함들로 인해 외부에 노출되어 있는 전해질과의 재결합은 피할 수 없다. 이는 결국 전압 감소의 결과를 가져온다. 여기서 1-D 구조인 나노와이어 구조를 이용하면 염료로부터 들어온 전자를 빠른 속도로 이동시켜 재결합 가능성을 감소시킨다. 재결합 감소로 전압은 다소 상승하였으나, 다공성 구조로 표면적이 매우 작아, 매우 낮은 전류 밀도를 가지게 된다. 이는 곧 전체적인 태양전지의 효율을 감소시키는 원인이 된다. 따라서 높은 효율을 가지는 태양전지 구현을 위해 높은 전압과 전류를 가지는 구조에 대해 깊은 연구가 필요하다.
최근, 높은 투과도를 가진 염료감응 태양전지는 빌딩 창문에 적용시키려는 연구가 많이 진행되고 있으며, 본 연구는 염료감응 태양전지의 투과도에 따른 그 효율을 비교해보고, 실제 빌딩 외부에 사용했을 경우를 시뮬레이션을 통해 그 결과를 예측해 보았다. 먼저, 염료감응 태양전지의 투과도는 $TiO_2$ 광전극 두께의 영향으로 두께가 두꺼워 지면 투과도는 낮아지고, 얇아지게 되면 투과도는 높아지게 된다. 광전극의 두께는 투과도에 영향을 미칠 뿐만 아니라 전지의 전류밀도와도 밀접한 관련이 있으며, 전체적인 효율에 큰 변화를 가져다 준다. 염료감응 태양전지에서 전자를 형성시키는 염료가 $TiO_2$ 표면에 존재하기 때문에 광전극의 두께가 두꺼워지면 높은 전류밀도를 가지게 된다. 따라서 광전극의 두께가 8.13, 16.5, 26.7, 32.2 μm 일때 그 효율값이 5.13 %에서 최대 6.46 %로 증가하고, 32.2 μm 이상 두께에서는 효율값이 포화상태가 되어 거의 변화가 없을 것으로 보인다. 이는 광전극의 두께가 두꺼워 짐에 따라 전류밀도는 비례하여 상승하나, $TiO_2$의 표면적이 넓어질수록 표면 결함존재 가능성이 높아져 $TiO_2$ 내부의 전자와 외부에 존재하는 전해질과의 재결합 확률이 높아져 전압이 감소하기 때문이다. 전극 두께가 두꺼워 짐에 따라 전류 향상이 전압감소를 보안을 하지만 32.2 μm 이상의 전극에서는 포화상태가 되어 전지 효율이 변화가 보이지 않게 된다.
실제로 이러한 태양전지를 빌딩에 적용시켰을 경우, 열전도 현상과 빛이 직접 투과하여 들어오는 두 가지 영향을 고려해야 한다. 빛이 건물의 동, 서, 남, 북 모든 방향에서 시간에 따라 각각 들어온다고 했을 때, 열전도 영향은 남쪽보다는 북쪽에서 더 많이 고려되어야 한다. 이는 오전에 남쪽으로부터 발생되는 에너지가 밤 동안 식어있는 대기의 온도를 높이는데 사용되기 때문에 열전도 영향은 크게 받지 않는다. 하지만 북쪽의 경우 오후에 이미 대기의 온도가 충분이 높아졌기 때문에 건물 내부의 냉 난방에 열전도로 큰 영향을 미치게 된다. 동쪽과 서쪽만 두고 비교를 했을 경우, 투과되는 빛이 동쪽에서 더 큰 영향을 받기 때문에 동쪽에는 높은 투과도를 가지는 염료감응태양전지를 사용하는 것이 적절하다. 이러한 영향으로 건물내 에너지 소비량을 고려했을 때 각 방위에 따라 각각 남서쪽 10 %, 남동쪽과 동서쪽 25 %, 동남쪽 30 %의 투과도를 가지는 염료감응태양전지 사용이 적절하다.
