The effect of various sizes of silica beads (0.3, 0.6, 0.9, 1.2, 1.5μm) embedded in TiO2 nanoporous structure on dye sensitized solar cell is investigated by both of experiments and theoretical simulation. Silica bead can act as a good scattering center with its real part of effective refractive index 1.5~1.6. The proper concentration is found at 10 wt% in TiO2 nanoporous structure. The maximum efficiency 6.06% occurs at 300nm size of beads where bare cell shows 5.04%, which is relatively 20.4% increased. The efficiency trend versus size of silica beads has a peak at 300nm and decreasing as larger size. The same trend as experimental result was depicted by computational simulation with Mie theory. Volume total cross section concept and solar spectrum was accommodated for better accuracy.
본 연구에서 실리카 미세 입자를 이용하여 산화티타늄 나노 구조체의 빛 흡수율을 높임으로서 염료 감응형 태양전지의 효율 향상에 관한 실험과 그에 대한 이론적 해석을 수행하였다. 염료 감응형 태양전지의 산화티타늄에 흡착되어있는 염료의 양이 많을수록 태양전지의 효율 향상에 도움이 된다. 따라서 부피당 표면적의 비가 높은 나노 구조체를 사용해야 한다. 그러나 수 나노미터의 작은 사이즈의 미세 입자는 가시광선 대역의 빛의 경우 산란되는 것이 없이 덩어리 물질로 느끼고 바로 지나가게 되어, 빛 흡수율이 대단히 낮은 편이다. 따라서 실리카 미세 입자를 첨가하여 빛 산란효과를 통해 태양 전지의 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
따라서0.3, 0.6, 0.9, 1.2, 1.5 μm 사이즈의 실리카 미세 입자를 통해 산란 입자의 사이즈에 따른 연구를 진행하였다. 그 결과 0.3 μm 의 크기에서 가장 좋은 효율인 6.04% 그리고 미세 입자를 섞지 않은 기준 셀은 5.06%로 비교 효율 20.4%의 향상 효과를 볼 수 있었다. 또한 0.3 μm이후로 미세 입자의 크기가 커질수록 점점 낮은 값의 효율이 나오는 것을 관찰 할 수 있었다. 이 경향성은 단락 전류 값에서도 확인 할 수 있었다. 또한, FF(Fill Factor)의 경우 기준 셀의 경우 71.7%로 가장 높은 값을 보였으며, 그 이후에 실리카 미세 입자가 섞인 경우 모두 이보다 낮은 67~69%를 보였다. 또한 IPCE(Incidnet Photon to Current Efficiency)를 측정한 결과, 미세 입자를 섞은 경우 모든 파장 대에서 높은 값을 얻을 수 있는 것을 확인 할 수 있었다.
또, 이론적 해석을 위해 미(Mie) 산란 이론을 통하여 컴퓨터 시뮬레이션을 진행하였다. 미 산란 이론은 멕스웰 전자기 장이 구 형태의 입자와 상호작용하며 나타나는 산란 현상을 해석적으로 분석한 것으로, 매우 작은 입자부터 큰 입자까지 다양한 크기에 적용할 수 있는 이론이다. 이 이론을 이용하여 해석한 결과 실험 결과와 마찬가지로0.3 μm 에서 가장 좋은 효율이 나오는 것을 확인할 수 있었다.
