화학반응공학 실험 보고서_PEMFC, DSSC 결과 보고서_Ver2_200516_R0

<PEMFC>

1. 실험방법

수소와 산소의 가스 밸브를 연다.

station의 전원, MAIN, RUN을 순서대로 켜준다.

수소의 유량은 3 102cc, 공기의 유량은 3L로 설정한다.

Voc를 측정한 후, 전류의 세기를 0.1A 씩 증가하며 V의 변화를 살펴본다. (2.0~4.0A 구간에서는 0.2A, 4.0A 이상인 구간에서는 0.5A씩 증가를 한다.)

V값이 3.00V에 도달할 때까지 반복한다.

측정하여 얻은 데이터를 표로 나타내고 그래프를 그려 polarization curve를 그린다.

 

2. 결과 및 고찰

가. 실험 Data

전류 [A]	전류밀도[A/cm2]	전압 [V]	전류 [A]	전류밀도[A/cm2]	전압 [V]
0.01	0.000	0.92	4.0	0.160	0.67
0.1	0.004	0.87	4.5	0.180	0.67
0.2	0.008	0.84	5.0	0.200	0.66
0.3	0.012	0.83	5.5	0.220	0.64
0.4	0.016	0.83	6.0	0.240	0.63
0.5	0.020	0.81	6.5	0.260	0.61
0.6	0.024	0.81	7.0	0.280	0.61
0.7	0.028	0.8	7.5	0.300	0.6
0.8	0.032	0.8	8.0	0.320	0.58
0.9	0.036	0.78	8.5	0.340	0.58
1.0	0.040	0.78	9.0	0.360	0.56
1.1	0.044	0.78	9.5	0.380	0.55
1.2	0.048	0.77	10.0	0.400	0.53
1.3	0.052	0.77	10.5	0.420	0.53
1.4	0.056	0.77	11.0	0.440	0.52
1.5	0.060	0.77	11.5	0.460	0.5
1.6	0.064	0.75	12.0	0.480	0.5
1.7	0.068	0.75	12.5	0.500	0.49
1.8	0.072	0.75	13.0	0.520	0.47
1.9	0.076	0.75	13.5	0.540	0.46
2.0	0.080	0.73	14.0	0.560	0.44
2.2	0.088	0.73	14.5	0.580	0.44
2.4	0.096	0.72	15.0	0.600	0.43
2.6	0.104	0.72	15.5	0.620	0.41
2.8	0.112	0.7	16.0	0.640	0.4
3.0	0.120	0.7	16.5	0.660	0.38
3.2	0.128	0.7	17.0	0.680	0.36
3.4	0.136	0.69	17.5	0.700	0.35
3.6	0.144	0.69	18.0	0.720	0.32
3.8	0.152	0.69	18.5	0.740	0.3

조작한 전류의 세기를 면적(25cm2)으로 나누어준다.

 

나. Data로 Polarization curve 그리기

다. Polarization Curve 분석(자세히) 및 실험 전반에 대한 고찰

위의 그래프를 전압의 변화 양상에 따라 세 부분으로 나눌 수 있다. 먼저 첫 부분은 전류밀도가 0.00~0.10A/cm2 인 구간으로 전압이 급격하게 감소함을 볼 수 있고 두 번째 부분은 전류밀도가 0.10~0.60A/cm2 인 구간으로 여기서는 전압강하가 완만하게 일어남을 볼 수 있다. 마지막 부분은 전류밀도 0.60A/cm2 이상인 구간으로 다시 전압이 급감하는 것을 알 수 있다. 이렇게 나뉜 세 부분은 각각 순서대로 활성화 분극 영역(Activation polarization), 저항 분극 영역(Ohmic polarization), 확산 분극 영역(Mass transfer polarization)이라고 한다.

먼저 활성화 분극은 위 차트에서 전류밀도가 0.00~0.10A/cm2 인 구간에서 나타났으며 전극의 표면에서 이온 농도의 큰 변화 없이 전극전위와 그 가역전위와의 차이에 의한 전류 이동에 의해 전자 전달 반응이 일어남으로써 생긴다. 이는 화학반응으로 인한 분극으로 연료 극에서 수소가 전자를 방출하는 과정이나 공기 극에서 산소가 전자를 받아들이는 과정에서 반응물질이 그 반응을 진행하기 위해 에너지가 필요하기 때문에 화학반응의 활성화에 필요한 에너지가 소비된다. 수소의 산화 반응에 비해 산소의 환원 반응이 어렵기 때문에 활성화 분극은 공기 극에서 대부분을 차지하고 있다.

다음으로 저항분극은 실험에서 전류밀도가 0.10~0.60A/cm2 인 구간에서 나타났으며 이온 또는 전자가 이동하는 속도에 기인하는 분극으로 전해질 내의 이온 전도도, 분리판이나 집전체 등의 전기 저항에 의한 손실을 뜻한다. 이는 전해질 막의 전도도가 무한대가 아니기 때문에 발생되는 분극이며, 전도도의 증가 혹은 전극 간의 거리를 줄임으로써 저항 분극으로 인해 발생되는 과전위를 감소시킬 수 있다. 저항 분극은 전해질 뿐만 아니라 분리판이나 전극에서의 전기저항 성분에도 영향을 받지만 전해질에 의한 저항이 대부분을 차지한다. 이 영역에서 전압이 활성화 과전압 영역에 비해 완만하게 감소하는 이유는 반응기체의 촉매 층으로의 확산, Anode로부터 Cathode로의 수소이온의 이동 및 생성된 물의 제거 등과 관련한 저항 때문이다.

마지막으로 확산 분극은 전류밀도가 0.60A/cm2 이상인 구간에서 나타났으며 반응물질이 전극으로 이동하는 속도나 생성물이 빠져 나가는 과정에서 발생하는 분극으로 반응 물질은 전극 근방에 공급하는 속도나 반응 생성물의 확산 속도의 영향을 받는다. 반응기체가 반응위치에 전달되는 속도가 반응속도에 비해 매우 느리기 때문에 전압강하가 일어나는 과전압 형태로서, 농도 과전압이라고도 한다. 분극곡선에서 살펴보면 고전류 영역에서 전압이 급감하는 변곡점이 발생하는데 이 때의 전류를 제한전류라고 한다.

PEMFC는 작동범위가 85~100℃이고 소형화가 가능하며 화학반응으로 얻어진 전기를 직접 사용하는 방식이기 때문에 에너지 전환 효율이 화석연료에 비해 높다는 특성을 갖는다. 따라서 많은 연료전지 중에 가장 각광받고 있는 연료전지로 자동차의 연료와 이동전원용 연료로써 많이 연구가 진행중이다. 이번 실험은 이러한 PEMFC의 성능을 전류값을 변화시키면서 나타나는 전압강화와 전류밀도의 관계를 분극곡선으로 나타냄으로써 알아보는 실험이었다. 우리는 분극 곡선을 통해 활성화 분극, 저항 분극, 확산 분극 등을 구분할 수 있으며, 분극 곡선에서 나타난 과전위의 차와 곡선의 기울기를 통해 PEMFC의 기본적인 성능과 특성을 알아 볼 수 있었다.

 

3. Problems

① PEMFC에 인가하는 각 전류값에 따라 필요로 하는 H2와 Air의 최소 유량을 구하시오.

먼저 전하량이란 어떤 물질이나 입자가 띄고 있는 전기의 양이다. 이는 전류×시간 또는 mol수×F×이온가수 로 나타낼 수 있다. 1A의 전류는 1C의 전하량을 1초 동안 흘렀다는 의미이다. 패러데이 상수 F는 96500C/mol로 1mol의 전자가 가진 전하량을 나타낸다. 이를 통해 다음 식을 만들 수 있다.

따라서 1A의 전류를 인가할 떄 수소의 유량은 0.418L/hr이다. 이번 실험에서 산소는 수소유량의 절반이 필요하다. 즉 0.209L/hr가 필요하다. Cathode에 순수한 산소를 이용한 것이 아니라 공기를 이용하면 공기 중 산소의 농도가 약 21%임을 이용하면 공기는 최소 의 유량으로 주입해야 한다.

 

② MCFC(Molten Carbonate Fuel Cell)와 PEMFC의 공통점과 차이점을 기술하시오.

MCFC는 일반적으로 다공성의 Ni 연료극과 NiO 공기극 사이에 Li2CO3와 K2CO3의 혼합용융탄산염전해질을 함유하는 역시 다공성의 LiAlO2 매트릭스로 구성된다. 수소가 주성분인 연료가스와 산소와 이산화탄소로 구성된 산화제가 각각 연료극과 공기극으로 공급되면 전기화학반응에 의하여 전기와 열 및 물을 생산한다.

PEMFC와 비교하여 MCFC는 다른 형태의 연료전지와 마찬가지로 높은 열효율, 높은 환경친화성, 모듈화 특성 및 작은 설치공간이라는 장점을 갖는다. 반면, 650℃의 고온에서 운전되기 때문에 PAFC 또는 PEMFC와 같은 저온형 연료전지에서 기대할 수 없는 추가적인 장점들을 갖고 있다. 고온에서의 빠른 전기화학반응은 전극 재료에 쓰이는 촉매로써 백금 대신 저렴한 니켈의 사용을 가능케 하여 경제적인 생산이 가능해진다. 그리고 백금 전극을 이용할 경우 백금 성분에 독성 물질로 작용하는 일산화탄소마저도, 니켈 전극을 이용할 경우 연료로 이용할 수 있게 된다. 따라서 일산화탄소를 발생시킬 우려가 있어 백금을 이용하는 저온형 연료전지에는 사용하기 힘든 석탄가스, 천연가스, 메탄올, 바이오매스 등 다양한 연료를 MCFC에는 이용할 수 있다.

 

③ PEMFC를 비롯한 연료전지와 1차전지, 2차전지와의 차이점을 기술하시오.

일차 전지는 전지 내의 전기화학반응이 비가역적이기 때문에 한 번 쓰고 버려야 하는 일회용 전지로 보통 건전지라고 한다. 1차전지에는 많은 종류가 있으나, 기본적으로 양극과 음극 그리고 전해질로 구성되어 있다. 가장 널리 쓰이는 망가니즈전지에서 일어나는 산화반응과 환원반응은 다음과 같다.

 

 

 

 

 

Anode :	Zn → Zn2+ + 2e- Zn2+ + 4NH3 → Zn(NH3)42+
Cathode :	2H+ + 2e- → H2 H2 + 2MnO2 → Mn2O3 + H2O

표 1 1차전지의 화학반응

 

반면 2차전지는 외부 전원으로 공급받은 전류가 양극과 음극 사이에서 물질의 산화ㆍ환원 반응을 일으키는 과정에서 생성된 전기를 충전하는 방식으로 반영구적 사용이 가능한 전지를 말한다. 2차전지는 분리막, 양극재, 음극재, 전해질 등의 4대 핵심소재로 구성된다. 1차전지가 재사용이 불가능하고 전지의 수거나 재활용 등에 드는 비용이 많다는 단점이 있는 반면, 2차전지는 여러 번 충전을 할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

PEFMC와 같은 연료전지는 전기화학적 에너지 변환장치로서 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 연료의 화학 에너지를 직접 직류 전기로 변환시킨다. 이 화학 반응은 촉매 층 내에서 촉매에 의하여 이루어지며 일반적으로 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능하다. 또한 연료로부터 발전에 이르는 재래식 에너지 변환단계를 생략하고 가동장치 없이 단 하나의 단계에서 전기를 발생시킨다.

 

 

<DSSC>

1. 실험방법 (예비실험부터 각 실험 과정을 자세히)

[예비실험]

2개의 ITO Glass를 준비하며 ITO glass는 한 쪽 면만 전도성이 있기 때문에 multimeter를 이용하여 전기전도성이 있는 면을 찾는다. multimeter와 접촉 하였을 때 소리가 나는 면이 전기가 흐르는 면이다.

ITO glass의 전도성 있는 면에 2cm * 2cm 사이즈로 TiO2를 도포한다. 도구를 이용하여 TiO2를 잘 도포한다.

ITO Glass의 전도성이 있는 면에 면봉을 이용하여 Pt용액을 골고루 발라준다.

TiO2를 바른 ITO Glass를 열처리 한 후 암실에서 염료에 담지 한 후 건조시킨다.

[본 실험]

2개의 ITO Glass를 전극이 흐르는 면이 마주 보도록 겹친 후 스포이드를 이용하여 전해질(요오드 용액)을 1~2방울 떨어뜨린 후 집게를 이용하여 고정시킨다.

Solar simulator의 전원을 켜고 안정화 시킨다. Stable 램프에 불이 들어오면 사용한다.

Reference 전지를 이용하여 1sun(100mW/cm2) 조건을 Reference 전지의 높이 이동을 통해 맞춘다. (Reference 전지 - 면적:0.0534cm2 전류:0.6022mA)

1sun의 조건을 만족하는 스탠드의 높이에 앞서 만든 ITO glass 결합체를 놓고 키슬리와 컴퓨터를 이용하여 전류와 전압을 측정한다.

 

2. 결과 및 고찰

가. Data를 excel로 정리.

Voltage(V)	I(mA)	J(mA/cm2)	P(mW/cm2)	Voltage(V)	I(mA)	J(mA/cm2)	P(mW/cm2)
2.00	-13.17	-3.29	-26.35	0.48	-3.29	-0.82	-1.58
1.98	-13.00	-3.25	-25.74	0.46	-3.47	-0.87	-1.59
1.96	-12.71	-3.18	-24.91	0.44	-3.28	-0.82	-1.44
1.94	-12.07	-3.02	-23.42	0.42	-3.15	-0.79	-1.32
1.92	-12.95	-3.24	-24.86	0.40	-2.75	-0.69	-1.10
1.90	-14.27	-3.57	-27.12	0.38	-2.89	-0.72	-1.10
1.88	-12.80	-3.20	-24.05	0.36	-2.67	-0.67	-0.96
1.86	-12.25	-3.06	-22.79	0.34	-2.34	-0.58	-0.79
1.84	-11.37	-2.84	-20.91	0.32	-2.26	-0.56	-0.72
1.82	-11.03	-2.76	-20.07	0.30	-2.13	-0.53	-0.64
1.80	-12.37	-3.09	-22.27	0.28	-2.11	-0.53	-0.59
1.78	-11.23	-2.81	-19.98	0.26	-2.07	-0.52	-0.54
1.76	-11.51	-2.88	-20.26	0.24	-2.01	-0.50	-0.48
1.74	-11.26	-2.81	-19.58	0.22	-1.90	-0.48	-0.42
1.72	-10.85	-2.71	-18.66	0.20	-1.82	-0.46	-0.36
1.70	-10.29	-2.57	-17.49	0.18	-1.87	-0.47	-0.34
1.68	-10.34	-2.58	-17.37	0.16	-1.80	-0.45	-0.29
1.66	-9.19	-2.30	-15.26	0.14	-1.64	-0.41	-0.23
1.64	-8.94	-2.23	-14.66	0.12	-1.62	-0.41	-0.19
1.62	-8.71	-2.18	-14.11	0.10	-1.59	-0.40	-0.16
1.60	-9.81	-2.45	-15.69	0.08	-1.51	-0.38	-0.12
1.58	-8.87	-2.22	-14.01	0.06	-1.45	-0.36	-0.09
1.56	-9.00	-2.25	-14.04	0.04	-1.35	-0.34	-0.05
1.54	-9.27	-2.32	-14.27	0.02	-1.29	-0.32	-0.03
1.52	-9.20	-2.30	-13.98	0.00	-1.23	-0.31	0.00
1.50	-9.11	-2.28	-13.66	-0.02	-1.18	-0.30	0.02
1.48	-8.30	-2.07	-12.28	-0.04	-1.19	-0.30	0.05
1.46	-8.13	-2.03	-11.88	-0.06	-1.09	-0.27	0.07
1.44	-8.22	-2.06	-11.84	-0.08	-1.01	-0.25	0.08
1.42	-8.08	-2.02	-11.48	-0.10	-0.98	-0.25	0.10
1.40	-7.78	-1.94	-10.89	-0.12	-0.87	-0.22	0.10
1.38	-7.90	-1.98	-10.90	-0.14	-0.83	-0.21	0.12
1.36	-7.75	-1.94	-10.53	-0.16	-0.79	-0.20	0.13
1.34	-7.61	-1.90	-10.20	-0.18	-0.71	-0.18	0.13
1.32	-7.40	-1.85	-9.77	-0.20	-0.65	-0.16	0.13
1.30	-7.22	-1.80	-9.38	-0.22	-0.58	-0.15	0.13
1.28	-7.01	-1.75	-8.97	-0.24	-0.51	-0.13	0.12
1.26	-6.92	-1.73	-8.72	-0.26	-0.46	-0.12	0.12
1.24	-6.61	-1.65	-8.19	-0.28	-0.38	-0.09	0.11
1.22	-6.67	-1.67	-8.13	-0.30	-0.32	-0.08	0.10
1.20	-6.19	-1.55	-7.42	-0.32	-0.26	-0.07	0.08
1.18	-6.01	-1.50	-7.10	-0.34	-0.21	-0.05	0.07
1.16	-5.96	-1.49	-6.92	-0.36	-0.15	-0.04	0.06
1.14	-6.27	-1.57	-7.15	-0.38	-0.11	-0.03	0.04
1.12	-6.14	-1.54	-6.88	-0.40	-0.05	-0.01	0.02
1.10	-5.87	-1.47	-6.46	-0.42	0.00	0.00	0.00
1.08	-6.21	-1.55	-6.70	-0.44	0.07	0.02	-0.03
1.06	-5.70	-1.43	-6.04	-0.46	0.12	0.03	-0.06
1.04	-5.77	-1.44	-6.00	-0.48	0.19	0.05	-0.09
1.02	-5.48	-1.37	-5.59	-0.50	0.24	0.06	-0.12
1.00	-4.91	-1.23	-4.91	-0.52	0.30	0.07	-0.15
0.98	-4.97	-1.24	-4.87	-0.54	0.35	0.09	-0.19
0.96	-4.83	-1.21	-4.64	-0.56	0.41	0.10	-0.23
0.94	-4.87	-1.22	-4.58	-0.58	0.47	0.12	-0.27
0.92	-5.09	-1.27	-4.68	-0.60	0.52	0.13	-0.31
0.90	-4.33	-1.08	-3.90	-0.62	0.58	0.14	-0.36
0.88	-5.10	-1.27	-4.49	-0.64	0.63	0.16	-0.40
0.86	-5.05	-1.26	-4.34	-0.66	0.69	0.17	-0.45
0.84	-4.67	-1.17	-3.93	-0.68	0.74	0.19	-0.50
0.82	-4.73	-1.18	-3.87	-0.70	0.80	0.20	-0.56
0.80	-4.78	-1.19	-3.82	-0.72	0.85	0.21	-0.61
0.78	-4.57	-1.14	-3.56	-0.74	0.91	0.23	-0.67
0.76	-4.47	-1.12	-3.40	-0.76	0.96	0.24	-0.73
0.74	-4.59	-1.15	-3.40	-0.78	1.02	0.25	-0.79
0.72	-4.71	-1.18	-3.39	-0.80	1.07	0.27	-0.86
0.70	-4.41	-1.10	-3.09	-0.82	1.13	0.28	-0.92
0.68	-4.28	-1.07	-2.91	-0.84	1.18	0.30	-0.99
0.66	-4.23	-1.06	-2.79	-0.86	1.24	0.31	-1.06
0.64	-3.99	-1.00	-2.55	-0.88	1.29	0.32	-1.14
0.62	-3.86	-0.97	-2.39	-0.90	1.35	0.34	-1.21
0.60	-4.20	-1.05	-2.52	-0.92	1.41	0.35	-1.30
0.58	-3.94	-0.99	-2.29	-0.94	1.45	0.36	-1.36
0.56	-3.63	-0.91	-2.03	-0.96	1.54	0.38	-1.48
0.54	-3.44	-0.86	-1.85	-0.98	1.56	0.39	-1.53
0.52	-3.68	-0.92	-1.91	-1.00	1.62	0.40	-1.62
0.50	-3.36	-0.84	-1.68

 

 

나. Data로부터 I-V curve, power curve, FF 그래프로 도시.

다. Data로부터 얻어진 Voc, Isc, FF를 이용하여 효율을 계산

FF(Fill Factor)는 최대 전력점에서의 전류 밀도와 전압값의 곱, 즉 I-V그래프에서 최대 전류와 전압에서의 넓이를 Voc와 Isc의 곱으로 나눈 값이다. 식으로 나타내면

로 나타난다. 데이터에서

값을 모두 주어졌으므로 FF를 그래프에 나타내면

과 같다.

식을 통해 FF를 계산해보면

이다.

이는 프로그램을 통해 얻은 FF값과 일치한다.

효율(η)은 다음의 식으로 계산한다.

이 때 Pinput은 해 준 빛의 양으로 이번 실험에서는 reference를 이용하여 1sun으로 맞췄다. 1sun은 100mW/cm2의 세기를 뜻하는데 실험 준비 단계에서 전극의 단면적을 4cm2으로 하였으므로 Pinput은 400mW이다. 이를 통해서 위에 식을 적용하면 효율은 다음과 같다.

이다.

Voc (V)	0.419	FF	0.250516
Isc (mA)	1.232	Eff (%)	0.03233
Jsc (mA/cm2)	0.308	Pmax (mW)	0.129318

표 2 Data 분석 결과

 

라. 그래프 분석 및 실험 전반에 대한 고찰.

이번 실험은 염료 감응형 태양전지 DSSC를 직접 제조해보고 태양전지의 기본원리와 구조, 그 성능을 측정하는 방법을 배우는 실험이다. 성능을 분석하기위해 데이터를 I-V Curve와 Power Curve로 나타내고 그래프를 통하여 FF(Fill Factor)와 효율(η)을 계산하였다. I-V Curve는 태양전지에서 전압과 전류의 관계를 보여주는 그래프이다. 위 Data를 기반으로 그래프를 그리게 되면 원점에 대칭인 그래프를 얻을 수 있다. 전압과 전류에서 - 부호는 방향성을 나타내므로, 극을 잘못 연결 한 것으로 볼 수 있다.

I-V Curve 에서는 Isc, Voc 및 FF 에 대해 알 수 있다. Isc는 전압이 0V일 때의 전류이고, Voc는 전류가 0A일 때의 전압이므로 그 두 값을 그래프의 축에서 확인할 수 있다. I-V curve 에서 그래프는 감소곡선을 그리게 된다. Power curve에서는 포물선 모양 형태의 그래프를 얻을 수 있었다. FF는 I-V curve의 곡선 모양이 사각형에 얼마나 가까운지를 나타내는 지표인데, 한눈에 봐도 그 차이가 크다는 것을 알 수 있다.

데이터를 통해서 Imax, Vmax, Isc, Voc 값을 알 수 있었고, 이를 통해 FF값을 계산 할 수 있었다. 이를 통해 계산한 결과를 분석해 보면, FF값이 0.25정도로 나오는데 일반적으로 사용되는 태양전지의 FF값이 0.7~0.8이라는 것과 비교해보면 매우 작은 값이라는 것을 알 수 있다. 또한 효율도 0.03% 정도이며 최대 전력(Pmax)가 0.13mW로 사실상 거의 사용이 불가능하다.
직접 제조한 DSSC Cell의 효율이 낮은 이유에 대하여 분석해보았다. 다양한 원인이 있을 수 있지만, 먼저 전지를 만드는 예비실험 단계에서 ITO Glass에 Pt와 TiO2를 잘 도포할 때 면봉을 이용하였다. 도포할 때 면봉에 있는 미세한 불순물들이 ITO Glass로 흘러 들어가게 된다면 그에 대한 저항으로 효율이 엄청 떨어질 것이라 예상 할 수 있다. 또한 열처리 과정에서 완전한 건조가 안 이뤄지거나 또는 너무 건조되어 TiO2나 염료가 변질되었을 수 있다.
이번 실험을 통해 3세대 태양전지의 대표적인 종류인 DSSC에 대하여 그 구조와 원리에 이해 할 수 있었고 태양전지의 분석방법에 대해 알 수 있었다. 아쉽게도 실험에서 제조한 태양전지는 효율이 매우 안 좋다고 했지만 그에 대한 해결방안을 생각해 봐야겠다. 태양빛 중 전기에너지로 바꿀 수 있는 파장의 종류를 다양하게 하는 재료를 사용하거나, 태양빛이 다시 반사되어 나가는 정도를 줄일 수 있도록 판의 표면을 처리하면 이 문제를 어느 정도 해결 할 수 있을 것으로 보인다. 조만간 효율의 문제가 해결되어 미래의 주 에너지원으로 사용될 수 있을 것을 기대해본다.

 

3. Problems

① 실험을 통해 얻은 DSSC를 다른 태양전지와 비교해보고 DSSC의 단점과 개선방안에 대해서 서술하시오.

DSSC는 다른 태양전지와 비교하여 비교적 저가의 제조 설비 및 공정 기술과 플렉서블, 투명 등의 다양성을 지니고 있다. 뿐만 아니라 빛의 조사각도가 10°로 좁아도 전기 생산이 가능하기 때문에 흐린 날씨에서도 이용가능하다.

DSSC의 이론적 효율은 33%정도이고 현재 염료 중 효율이 높은 루테늄계(Ru) 염료를 사용하면 약 11%의 효율까지 나온다고 한다. Ru 염료가 흡수하는 400~800nm의 태양광 스펙트럼의 광자 적산은 약 24~25 mA/cm2이된다. 일반적으로 DSSC의 개방전압(Voc)을 0.75V, FF를 0.75로 가정하면14~15%의 효율이 생긴다. 투명전도막의 광투과도, 반사에 의해 태양전지에 실효 입사되는 광은 80~90%가 되므로 효율은 10~12% 정도가 된다. 만약 파장 400~900nm의 광을 광전변환 할 수 있으면 32mA/cm2, 효율 18%가 기대된다. 따라서 이 파장 범위의 광을 흡수할 수 있는 새로운 염료를 찾기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 또한 내구성 보안을 위하여 침투 수분에 대한 대책으로 가수분해가 어려운 소수성 염료개발, Pt 대체의 카본전극 개발, 전해액 성분의 선택 등이 연구되고 있다.

현재 주 연료원으로 사용되는 화석연료에 비해 DSSC의 효율이 많이 낮지만, 전 세계적으로 나타나는 연료부족과 환경문제로 인하여 태양전지와 같은 대체에너지의 중요성이 높아지고 있다.