본 연구에서는 ITO (Indium-Tin-Oxide) 라는 투명 유리 전극 위에 반도체 물성을 지닌 소재를 이용하여 박막을 만들고 각가지 표면처리를 통해 새로운 특성을 부여하는데 주력하였다.
시작은 늘 표면처리였으나 빛을 이용한 연구를 수행할 수 있는 초석을 마련한다는 의미에서 이와 같은 전극을 사용으로 연구를 진행한 것이었다.
그 가운데 다른 논문에선 찾아 볼 수 없었던 새로운 형태의 결정구조를 만들어내는 데에도 성공하였으며, 새롭게 부여된 물성뿐만 아니라 다른 논문에서 나타내어진 특정 성질에 있어서도 크나 큰 향상을 보이기도 하였다.
그것이 바로 ...
본 연구에서는 ITO (Indium-Tin-Oxide) 라는 투명 유리 전극 위에 반도체 물성을 지닌 소재를 이용하여 박막을 만들고 각가지 표면처리를 통해 새로운 특성을 부여하는데 주력하였다.
시작은 늘 표면처리였으나 빛을 이용한 연구를 수행할 수 있는 초석을 마련한다는 의미에서 이와 같은 전극을 사용으로 연구를 진행한 것이었다.
그 가운데 다른 논문에선 찾아 볼 수 없었던 새로운 형태의 결정구조를 만들어내는 데에도 성공하였으며, 새롭게 부여된 물성뿐만 아니라 다른 논문에서 나타내어진 특정 성질에 있어서도 크나 큰 향상을 보이기도 하였다.
그것이 바로 전자 전달에 의한 빛 에너지가 전기 에너지로 변환되는 메커니즘 이었는데, 이를 응용하여 염료 감응형 태양 전지 분야에서도 폭넓게 연구를 진행하였다. 그리고 그 결과는 다음과 같다.
첫 번 째 연구는 CBD로 일명 ( Chemical bath deposition ) 이라는 self-grown 방식으로 CdSe nanopaticle을 nanocrystalline TiO₂ 위에 형성 시키는 방법이었다.
기존의 복잡 난해 하고 , 비용이 많이 드는 방법인 기상 증착 방법에서 벗어나 보다 단순하며 그와 동시에 효과적이고 비용 마저 절감할 수 있는 방법이 바로 CBD ( chemical bath deposition ) 이었기에 이 방법을 채택한 것이다. 그런 연후 이들이 지니게 되는 각가지 특성들을 분석하고 광화학적 전자 전달 관한 연구를 수행한 것이다.
여기서의 핵심은 두 가지로 나눌 수 있는데 우선은 첫 Layer 인 TiO₂ 층에 관한 것이며, 두 번 째 층 인 CdSe nanopaticle 에 관한 것으로 그들의 형성 방법과 형성 이유이다. 우선 TiO₂ 를 첫 Layer 로 우선적으로 깔아준 연유는 다음과 같다. 광전기화학 전지 ( photoelectrochemical cell ) 에 있어서 수명도는 몹시도 중요한 실정이다. 특히나 광부식 ( photocorrosion ) 현상이 발생하는 경우에 있어서 이에 대한 보안책이 필요한데 그 대안으로 거론할 수 있었던 것이 바로 TiO₂ 였던 것이다. 그간의 실험을 통해 ITO/CdSe 의 경우 빛에 의한 광부식 ( photocorrosion ) 으로 인해 cell의 내구성이 시간에 따라 현저히 떨어짐을 알 수 있었다. 결국 오랜 수명과 광부식 ( photocorrosion ) 방지를 위해 빛과 수용액에서도 안정한 물질을 찾던 중 발견해 낸 것이 TiO₂ 이다. 이러한 특성을 지닌 TiO₂는 CdSe 가 지닌 결점을 보안하여 안정도를 증가 시켰다.
그런 TiO₂를 첫 Layer 로 하여 ITO라는 substrate 위에 올렸는데 여기서 spin coating 이라는 방식을 이용하여 올렸다. 그렇다면 왜 이런 방식으로 올렸는가에 대한 의문점이 들것이다. 그건 다른 방식, 예를 들어 CBD ( chemical bath deposition ) 라는 방식으로 올린 것과 비교시 spin coating 이라는 방식을 이용하여 올린 것이 보다 porous ( 다공성 ) 한 표면을 갖출 수 있게 되고 이는 보다 큰 표면적을 소유하게 된다. 그로 인하여 다음의 Layer로 올리려고 하는 CdSe를 보다 효율적으로 증착 시킬 수 있게 되는 것이다.
또한 CdSe의 경우는 그간의 연구를 통해 좋은 빛 흡수 영역을 지니고 있음을 알게 되었다. 좀 더 자세히 말을 한다면 그간의 연구를 통해 밝혀졌 듯 가시광선 ( visible ) 영역에서 강한 흡수를 할 수 있는 적당한 밴드 갭 ( band gap )으로 CdSe 는 ( 1.7 eV ) 을 가지고 있으며, n 형 반도체로서 빛 에너지의 전환과 수소생산을 할 수 있는 좋은 물질로 밝혀졌다
그러하였기에 이를 보다 효과적으로 이용할 수만 있다면 보다 나은 효율을 기대할 수 있었다고 믿었고 그러하기에 TiO₂를 첫 Layer로 한 것이다. 이 논문에서는 밝히진 알았으나 TiO₂를 첫 Layer하는 구조체에 있어 처음엔 CBD ( chemical bath deposition ) 방식을 통해 TiO₂를 첫 Layer로 깔고 그 위에 CdSe를 증착하여 연구를 진행해 보았다. 그러나 이 구조체의 경우엔 CBD ( chemical bath deposition ) 방식을 통해 TiO₂를 깔았기 때문에 dense한 형태의 TiO₂가 첫 Layer로 형성되었고 그리하여 좋은 결과를 얻지 못하였다.
이로써 기존의 CBD ( chemical bath deposition ) 방식 통한 dense한 형태의 TiO₂를 첫 Layer로 한 것보다 spin coating이라는 방식을 이용한다면 TiO₂ 가 지닌 장점을 보다 잘 활용할 수 있고 또한 충분히 CdSe nanopaticle을 증착 시킬 수 있으리란 기대로 실험을 진행하였던 것이다.
그리하여 spin coating 이라는 방식을 이용하여 TiO₂를 첫 Layer로 하여 그 위에 CdSe를 올린 형식의 구조물의 경우 CBD ( chemical bath deposition ) 방식 통한 dense한 형태의 TiO₂를 첫 Layer로 한 것보다 변환 효율 ( η : conversion efficiency ) 을 비교해 본 결과 0.005% 에서 0.008% 로 1.6배의 효율 증대를 가지고 왔고 결국 예상이 적중하였던 것이다.
두 번 째 연구는 UV-vis spectroscopy를 통해 얻어진 결과를 토대로 하여 CdSe의 우수한 빛 흡수력을 보다 잘 확인하기 위하여 시작한 실험이었다.
또한 기존의 CBD ( chemical bath deposition ) 방식을 이용한 증착법의 특성 연구만을 고집하지 아니 하고 새로운 방식인 전착법 ( electrodeposion ) 을 채택. 그것의 특성 분석을 꾀하였다.
그 이유는 다음과 같다. 광전기화학 전지 ( photoelectrochemical cell ) 를 이용한 수소생산 기술 연구를 위해 가장 적합한 물질 중 하나로 꼽히는 CdSe를 실온에서도 만들 수 있는 간단한 제조 방법을 찾던 중 발견하게 된 것이 바로 전착법 ( electrodeposion ) 이다.
또한 처음의 연구에서 밝힌 CBD ( chemical bath deposition ) 방식에 있어서도 열처리 ( annealing ) 의 효과는 매우 크다는 사실을 알게 되었으며, 분명 서로 다른 온도에서의 annealing 은 서로 다른 결과를 낳을 것 이라는 생각에서 비롯하여 실험을 진행하게 되었다. 이점에 있어 이러한 실험을 통해 보다 적확한 annealing 효과를 알아보기 위하여 서로 다른 온도에서의 연구를 진행, 이에 따른 특성 변화를 살펴 보았다. 그 변화의 차이를 각종 분석 장비를 통하여 확인하였고 이 실험 역시 결과는 예상대로였다. 확연한 차이를 보여준 이번 실험은 가장 최적화된 열처리 ( annealing ) 온도점을 찾아주었으며 더불어 충분한 표면처리는 보다 나은 performance를 보여줄 수 있다는 사실을 입증해준 실험이었다.
결과론적으로 ITO ( Indium-Tin-Oxide )위에 spin coating 이라는 방식을 이용하여 올린 TiO₂를 첫 Layer 로 하지도 않고서도 단지 CdSe만을 올리고서도 0.49%의 변환효율을 기록할 수 있었다.
이는 태양전지에 있어 구조적인 단순함과 쉬운 공정 그리고 낮은 단가를 요하는 모든 측면을 고려할 때 이를 모두 만족 시켜준 결과라 하겠다.
세 번 째 연구는 TiO₂와 유사한 듯, 다른 특성을 지닌 새로운 반도체 물질을 찾던 중 ZnO라는 물질을 연구하게 되었다.
여기선 다시 CBD ( chemical bath deposition ) 방식을 도입 적층하는 방법을 채택하였는데 특이할 만한 사실은 단층 구조가 아닌 다층 구조로 쌓아 올렸다는 점이다. 처음엔 그져 한 층만을 쌓아 그것의 특성을 분석하려 했으나 새로운 발상이란 생각과 결과에 대한 궁금함이 결국 실험을 하도록 유도하고야 말았다. 결과는 앞서 밝힌 실험보다도 훨씬 나은 결과를 가져다 주었다. 총 5개의 층 ( layer ) 을 쌓아 올렸는데 4개층 ( layer ) 다시 말해 11㎛ 를 쌓아 올린 층 ( layer ) 의 경유 J_(SC) ( short circuit current : 단락전류 ) 의 경이적인 상승으로 인하여 η ( conversion efficiency : 변환효율 ) 이 2.21 % 를 기록하기에 이른 것이다.
처음의 생각처럼 단층만 쌓아 올렸다면 결코 이런 결과를 얻지 못하였을 것이다.
이에 그들의 차이값은 이 논문을 통해 상세히 기록해 두었다.
네 번 째로 밝히고자 하는 실험은 서론에 거론 되었던 표면처리의 꽃이라 할 수 있는 다양한 구조체를 만들었던 것에 대하여 말하고 싶다. 역시나 태양전지 부분에서도 적용할 수 있음은 더할 나위가 없으며, 좀더 더 나아가 capacitor 부분의 논문을 보던 중 응용의 가능성을 점칠 수 있었고 우선은 소재가 될 만한 물질을 찾던 중 PbS라는 물질을 연구하게 되었다.
이 실험 역시 결과에 만족하곤 있으나 사실 capacitor 에 대한 응용 부분과 태양전지에 대한 응용 부분을 시간의 부족을 이유로 진행시키지 못한 점이 이내 아쉬울 뿐이다. 하지만 시간이 허락되어 진다면 꼭 내 손으로 반드시 이루어 내어 보이고 싶은 실험이다.
어찌되었든 지간에 성공시킨 부분을 먼저 설명토록 하겠다. 이 실험에서 밝혀낸 사실은 그간 앞서 밝힌 실험의 과정에서 보여 준 표면 처리에 있어서는 결코 볼 수 없었던 화려한 결정 구조의 변화를 보여주었고 이로써 표면처리의 미를 느낄 수 있었던 실험이었다.
Cubic, Branches, Wire, Rod, Stick, Dendrite 등 다양한 결정 구조를 형성 ITO ( Indium-Tin-Oxide ) 투명 유리 전극 위에 성장시킬 수 있었다
역시 앞서 밝혔듯 다양한 구조를 지닌 이 물질을 구조별로 특성을 분석할 기회가 주어졌다면 같은 물질이나 서로 다른 구조에 따른 다양한 performance를 기록 좋은 결과를 돌출해 낼 수도 있었을 것이라는 생각을 하였다.
결국 시작은 반도체의 특성을 지닌 물질을 합성하는 것이었고 그것을 ITO ( Indium-Tin-Oxide ) 투명 유리 전극 위에 성장을 시키면서 각가지 방법을 이용 표면처리에 까지 이르는 것이었다. 그러나 여기에 머무르지 아니하고 태양전지라는 새로운 학문에 접근하는 방식으로까지 실험을 연계해 나아간 것이 나의 주된 연구였다.
작은 변화를 줄 수 있는 방법론에 대한 구상으로 시작된 실험이 매번 예상대로 좋은 결과를 가져와 주었고 그 결과를 토대로 물성의 변화를 응용하거나 더욱 증강된 물성을 지닐 수 있도록 하는 방법론의 구상이 점차 나은 결과를 연속적으로 나타내어 보여짐으로 인하여 실험의 깊은 이해와 더불어 아름다움 그리고 미지세계에 대한 고찰 이라는 과학적 탐구는 흔히 지나치고 말았던 자연현상에 대해 깊은 경이로움 마저 느끼게끔 하였다. 아무런 생각 없이 지나치는 우리 주변의 많은 동식물과 많은 사물들 역시 아주 작은 환경의 변화에도 반응할 수 있음을 눈으로 확인 할 수 있었던 시간이었으며 보이진 않을 만치 미세한 세계에서는 아주 작은 변화에서도 서로 다른 결과가 나오기에 우리가 자연에 미칠 영향을 늘 생각하고 모든 일을 행해야 함을 알게 해주었다.
이 논문에 지면상 실험 자료는 실지 못하였으나 끝으로 한가지 더 밝히고 싶은 연구가 있다. 바로 TIO⒫의 물성을 획기적으로 변환 시켜 지금껏 밝혀온 연구들 중 최고의 변환 효율 ( η : conversion efficiency ) 을 가져온 실험이다.
이제껏 밝혀온 실험들의 경우 2%를 전후로 하는 η ( conversion efficiency : 변환효율 ) 을 넘는데 만족할 수 밖에 없었기에 내심 태양전지분야를 연구하는 연구인으로서 가슴이 무거웠었다.
그러하기에 물성이 좋기로 유명한 TIO⒫를 나의 실험 여건에 맞도록 구조적 변화를 준다면 더 나은 결과를 얻으리란 생각에 실험을 하게 된 것이었다.
여기에 그간의 노력으로 태양전지 부분에 있어 최적화된 TIO⒫ 의 형성법을 익혔기에 이를 도입 더 나은 결과를 얻고자 함이었다.
사실 TIO⒫ 를 가지고 실험을 수차례 해왔으나 문헌상에 기록될 만치의 좋은 결과를 얻지 못하였다. 하지만 이번 실험을 통해 문헌상의 기록을 깬 결과를 발표할 수 있었기에 밝히고져 한다. 그리고 지면 관계상 간략히 정리함에 그침을 이해하길 바란다.
TiO₂ 의 물성은 원래 hydrophilic하다 CA(contact angle)상 11도가 기록된다. 하지만 이것을 0도까지 낮추는데 성공하였다. 이는 표면처리를 통해 표면 계질이 갖는 특성의 하나인 친수도를 조절할 수 있다는 것이다. 원칙상 하나의 물질은 하나의 친수도 즉, 친수성의 물질이다 소수성을 물질이다 라고 정의를 하듯 하나의 특성을 지니는 것이 일반적이다. 그러하기에 CA 값은 같은 물질에 경우 같은 값이 나오게 되어있다. 하지만 11도가 나온 porous한 계질을 지니게 만드는 spin coartiong 방식에서 dense하게 만드는 CBD ( chemical bath deposition ) 방식을 채택 CA을 0도 까지 낮추는데 성공 드라마틱한 결과를 얻게 되었다. 이러한 사실은 표면처리를 통하여 표면의 특성을 완벽하리 만치 조절할 수 있다는데 그 가치가 있다 하겠다.
그 이상의 의미는 현재 연구가 진행되고 있기에 차제에 밝히도록 하겠다. 또한 이 글을 쓰기까지 지금껏 TiO₂ 라는 물질을 이용하여 그것의 친수도를 0도에 까지 이르게한 경우는 어느 문헌에도 존재하지 않았던 것이었다. 고작 1주일 그것도 자외선 영역 ( ultraviolet ) 상에서만 가능한 것을 1달여가 넘도록 암실 ( dak ) 상에서도 가능하게 만든 이번 결과물은 경이적인 결과라 말할 수 있겠다. 그 점에 관한 이야기 역시 지면의 부족으로 인해 간략히 전하는데 그치려 한다. 그리고 여기에 이층의 역할의 중요성을 밝힘으로 이야기를 진행하겠다. 이 층은 세 가지의 큰 특징으로 인하여 최고의 η ( conversion efficiency : 변환효율 ) 인 6.0%를 기록하기에 이른다.
그렇다면 그 네 가지의 특징은 무엇이었는가를 논해야 할 것 같다.
첫 째는 이러하다. hydrophilic한 계질을 넘어 CA값이0도에 이르는 super hydrophilic한 계질은 물을 좋아하는 특성이 극에 달하는 것이기에 그 결과 두 번 째 Layer로 올라가는 물질에 있어서 물을 용매로 사용하는 TIO⒫의 경우 그 물성이 지닌 특성으로 인해 몹시도 빠르게 그리고 충분히 흡착됨으로 인해 첫 Layer인 super hydrophilic TIO⒫ 와의 결속력이 증대된 것이다. 보통의 경우 표면장력에 의한 힘과 함께 물방울의 매침도가 생김으로 인해 접촉력이 떨어져 흡착도가 떨어지는데 반하여 이 연구에서 만들어낸 구조는 점성을 증대시킨 효과와 같은 결과를 초래, 결속력을 높여준 것이다.
둘 째는 위와 같은 결속력과 연계되어 구조적인 문제에까지 이어지는데 이는 태양전지를 구성하는 구조적인 부분에 있어 매우 뜻 깊은 현상으로 J_(SC) ( short circuit current : 단락전류 ) 의 증가를 예상할 수 있었고 예상 데로 결과도 15.57 mA/cm² 에서 21.35 mA/cm² 증가 하였다. J_(SC) ( short circuit current : 단락전류 ) 의 경우 결정성과 밀접한 관련이 있음이 학회에 보고된 바 현재의 이 소자는 매우 우수한 결성을 지니게 되었다는 결론을 내렸다.
셋 째는 에너지 레벨에 있어서도 같은 물질을 사용하였기에 더 나은 결과를 낳았다.
넷 째는 이와 더불어 DSSC ( Dye-sensitized Solar Cell ) 시스템이 지닌 문제 중 하나가 바로 전해액 ( electrolyte ) 용액으로 전자가 back transfer 되는 것이다. 이러한 전자의 back transfer 와 전자 ( electron ) -전공 ( hole ) 의 재결합 ( recombination ) 을 최소화 시키는 방법이 연구되 왔었다. 이에 이 연구에서는 다공성의 porous 한 TIO⒫ 층이 지닐 수 밖에 없었던 위의 단점을 보안키 위해 CBD ( chemical bath deposition ) 방식을 통한 Dense 한 TIO⒫ 층을 삽입 이 층이 전자의 back transfer 를 막는 Layer 로 사용 그것의 특성 분석과 더불어 개선된 효율을 얻어내는데 성공하였다. 앞서 밝혔듯 J_(SC)만의 증가 뿐 아니라 V_(OC)도 증가했음에 이는 back electron을 줄임으로 인하여 그리된 것이기에 확실히 이를 증명할 수 있게 된 것이다.
본 연구에서는 ITO (Indium-Tin-Oxide) 라는 투명 유리 전극 위에 반도체 물성을 지닌 소재를 이용하여 박막을 만들고 각가지 표면처리를 통해 새로운 특성을 부여하는데 주력하였다.
시작은 늘 표면처리였으나 빛을 이용한 연구를 수행할 수 있는 초석을 마련한다는 의미에서 이와 같은 전극을 사용으로 연구를 진행한 것이었다.
그 가운데 다른 논문에선 찾아 볼 수 없었던 새로운 형태의 결정구조를 만들어내는 데에도 성공하였으며, 새롭게 부여된 물성뿐만 아니라 다른 논문에서 나타내어진 특정 성질에 있어서도 크나 큰 향상을 보이기도 하였다.
그것이 바로 전자 전달에 의한 빛 에너지가 전기 에너지로 변환되는 메커니즘 이었는데, 이를 응용하여 염료 감응형 태양 전지 분야에서도 폭넓게 연구를 진행하였다. 그리고 그 결과는 다음과 같다.
첫 번 째 연구는 CBD로 일명 ( Chemical bath deposition ) 이라는 self-grown 방식으로 CdSe nanopaticle을 nanocrystalline TiO₂ 위에 형성 시키는 방법이었다.
기존의 복잡 난해 하고 , 비용이 많이 드는 방법인 기상 증착 방법에서 벗어나 보다 단순하며 그와 동시에 효과적이고 비용 마저 절감할 수 있는 방법이 바로 CBD ( chemical bath deposition ) 이었기에 이 방법을 채택한 것이다. 그런 연후 이들이 지니게 되는 각가지 특성들을 분석하고 광화학적 전자 전달 관한 연구를 수행한 것이다.
여기서의 핵심은 두 가지로 나눌 수 있는데 우선은 첫 Layer 인 TiO₂ 층에 관한 것이며, 두 번 째 층 인 CdSe nanopaticle 에 관한 것으로 그들의 형성 방법과 형성 이유이다. 우선 TiO₂ 를 첫 Layer 로 우선적으로 깔아준 연유는 다음과 같다. 광전기화학 전지 ( photoelectrochemical cell ) 에 있어서 수명도는 몹시도 중요한 실정이다. 특히나 광부식 ( photocorrosion ) 현상이 발생하는 경우에 있어서 이에 대한 보안책이 필요한데 그 대안으로 거론할 수 있었던 것이 바로 TiO₂ 였던 것이다. 그간의 실험을 통해 ITO/CdSe 의 경우 빛에 의한 광부식 ( photocorrosion ) 으로 인해 cell의 내구성이 시간에 따라 현저히 떨어짐을 알 수 있었다. 결국 오랜 수명과 광부식 ( photocorrosion ) 방지를 위해 빛과 수용액에서도 안정한 물질을 찾던 중 발견해 낸 것이 TiO₂ 이다. 이러한 특성을 지닌 TiO₂는 CdSe 가 지닌 결점을 보안하여 안정도를 증가 시켰다.
그런 TiO₂를 첫 Layer 로 하여 ITO라는 substrate 위에 올렸는데 여기서 spin coating 이라는 방식을 이용하여 올렸다. 그렇다면 왜 이런 방식으로 올렸는가에 대한 의문점이 들것이다. 그건 다른 방식, 예를 들어 CBD ( chemical bath deposition ) 라는 방식으로 올린 것과 비교시 spin coating 이라는 방식을 이용하여 올린 것이 보다 porous ( 다공성 ) 한 표면을 갖출 수 있게 되고 이는 보다 큰 표면적을 소유하게 된다. 그로 인하여 다음의 Layer로 올리려고 하는 CdSe를 보다 효율적으로 증착 시킬 수 있게 되는 것이다.
또한 CdSe의 경우는 그간의 연구를 통해 좋은 빛 흡수 영역을 지니고 있음을 알게 되었다. 좀 더 자세히 말을 한다면 그간의 연구를 통해 밝혀졌 듯 가시광선 ( visible ) 영역에서 강한 흡수를 할 수 있는 적당한 밴드 갭 ( band gap )으로 CdSe 는 ( 1.7 eV ) 을 가지고 있으며, n 형 반도체로서 빛 에너지의 전환과 수소생산을 할 수 있는 좋은 물질로 밝혀졌다
그러하였기에 이를 보다 효과적으로 이용할 수만 있다면 보다 나은 효율을 기대할 수 있었다고 믿었고 그러하기에 TiO₂를 첫 Layer로 한 것이다. 이 논문에서는 밝히진 알았으나 TiO₂를 첫 Layer하는 구조체에 있어 처음엔 CBD ( chemical bath deposition ) 방식을 통해 TiO₂를 첫 Layer로 깔고 그 위에 CdSe를 증착하여 연구를 진행해 보았다. 그러나 이 구조체의 경우엔 CBD ( chemical bath deposition ) 방식을 통해 TiO₂를 깔았기 때문에 dense한 형태의 TiO₂가 첫 Layer로 형성되었고 그리하여 좋은 결과를 얻지 못하였다.
이로써 기존의 CBD ( chemical bath deposition ) 방식 통한 dense한 형태의 TiO₂를 첫 Layer로 한 것보다 spin coating이라는 방식을 이용한다면 TiO₂ 가 지닌 장점을 보다 잘 활용할 수 있고 또한 충분히 CdSe nanopaticle을 증착 시킬 수 있으리란 기대로 실험을 진행하였던 것이다.
그리하여 spin coating 이라는 방식을 이용하여 TiO₂를 첫 Layer로 하여 그 위에 CdSe를 올린 형식의 구조물의 경우 CBD ( chemical bath deposition ) 방식 통한 dense한 형태의 TiO₂를 첫 Layer로 한 것보다 변환 효율 ( η : conversion efficiency ) 을 비교해 본 결과 0.005% 에서 0.008% 로 1.6배의 효율 증대를 가지고 왔고 결국 예상이 적중하였던 것이다.
두 번 째 연구는 UV-vis spectroscopy를 통해 얻어진 결과를 토대로 하여 CdSe의 우수한 빛 흡수력을 보다 잘 확인하기 위하여 시작한 실험이었다.
또한 기존의 CBD ( chemical bath deposition ) 방식을 이용한 증착법의 특성 연구만을 고집하지 아니 하고 새로운 방식인 전착법 ( electrodeposion ) 을 채택. 그것의 특성 분석을 꾀하였다.
그 이유는 다음과 같다. 광전기화학 전지 ( photoelectrochemical cell ) 를 이용한 수소생산 기술 연구를 위해 가장 적합한 물질 중 하나로 꼽히는 CdSe를 실온에서도 만들 수 있는 간단한 제조 방법을 찾던 중 발견하게 된 것이 바로 전착법 ( electrodeposion ) 이다.
또한 처음의 연구에서 밝힌 CBD ( chemical bath deposition ) 방식에 있어서도 열처리 ( annealing ) 의 효과는 매우 크다는 사실을 알게 되었으며, 분명 서로 다른 온도에서의 annealing 은 서로 다른 결과를 낳을 것 이라는 생각에서 비롯하여 실험을 진행하게 되었다. 이점에 있어 이러한 실험을 통해 보다 적확한 annealing 효과를 알아보기 위하여 서로 다른 온도에서의 연구를 진행, 이에 따른 특성 변화를 살펴 보았다. 그 변화의 차이를 각종 분석 장비를 통하여 확인하였고 이 실험 역시 결과는 예상대로였다. 확연한 차이를 보여준 이번 실험은 가장 최적화된 열처리 ( annealing ) 온도점을 찾아주었으며 더불어 충분한 표면처리는 보다 나은 performance를 보여줄 수 있다는 사실을 입증해준 실험이었다.
결과론적으로 ITO ( Indium-Tin-Oxide )위에 spin coating 이라는 방식을 이용하여 올린 TiO₂를 첫 Layer 로 하지도 않고서도 단지 CdSe만을 올리고서도 0.49%의 변환효율을 기록할 수 있었다.
이는 태양전지에 있어 구조적인 단순함과 쉬운 공정 그리고 낮은 단가를 요하는 모든 측면을 고려할 때 이를 모두 만족 시켜준 결과라 하겠다.
세 번 째 연구는 TiO₂와 유사한 듯, 다른 특성을 지닌 새로운 반도체 물질을 찾던 중 ZnO라는 물질을 연구하게 되었다.
여기선 다시 CBD ( chemical bath deposition ) 방식을 도입 적층하는 방법을 채택하였는데 특이할 만한 사실은 단층 구조가 아닌 다층 구조로 쌓아 올렸다는 점이다. 처음엔 그져 한 층만을 쌓아 그것의 특성을 분석하려 했으나 새로운 발상이란 생각과 결과에 대한 궁금함이 결국 실험을 하도록 유도하고야 말았다. 결과는 앞서 밝힌 실험보다도 훨씬 나은 결과를 가져다 주었다. 총 5개의 층 ( layer ) 을 쌓아 올렸는데 4개층 ( layer ) 다시 말해 11㎛ 를 쌓아 올린 층 ( layer ) 의 경유 J_(SC) ( short circuit current : 단락전류 ) 의 경이적인 상승으로 인하여 η ( conversion efficiency : 변환효율 ) 이 2.21 % 를 기록하기에 이른 것이다.
처음의 생각처럼 단층만 쌓아 올렸다면 결코 이런 결과를 얻지 못하였을 것이다.
이에 그들의 차이값은 이 논문을 통해 상세히 기록해 두었다.
네 번 째로 밝히고자 하는 실험은 서론에 거론 되었던 표면처리의 꽃이라 할 수 있는 다양한 구조체를 만들었던 것에 대하여 말하고 싶다. 역시나 태양전지 부분에서도 적용할 수 있음은 더할 나위가 없으며, 좀더 더 나아가 capacitor 부분의 논문을 보던 중 응용의 가능성을 점칠 수 있었고 우선은 소재가 될 만한 물질을 찾던 중 PbS라는 물질을 연구하게 되었다.
이 실험 역시 결과에 만족하곤 있으나 사실 capacitor 에 대한 응용 부분과 태양전지에 대한 응용 부분을 시간의 부족을 이유로 진행시키지 못한 점이 이내 아쉬울 뿐이다. 하지만 시간이 허락되어 진다면 꼭 내 손으로 반드시 이루어 내어 보이고 싶은 실험이다.
어찌되었든 지간에 성공시킨 부분을 먼저 설명토록 하겠다. 이 실험에서 밝혀낸 사실은 그간 앞서 밝힌 실험의 과정에서 보여 준 표면 처리에 있어서는 결코 볼 수 없었던 화려한 결정 구조의 변화를 보여주었고 이로써 표면처리의 미를 느낄 수 있었던 실험이었다.
Cubic, Branches, Wire, Rod, Stick, Dendrite 등 다양한 결정 구조를 형성 ITO ( Indium-Tin-Oxide ) 투명 유리 전극 위에 성장시킬 수 있었다
역시 앞서 밝혔듯 다양한 구조를 지닌 이 물질을 구조별로 특성을 분석할 기회가 주어졌다면 같은 물질이나 서로 다른 구조에 따른 다양한 performance를 기록 좋은 결과를 돌출해 낼 수도 있었을 것이라는 생각을 하였다.
결국 시작은 반도체의 특성을 지닌 물질을 합성하는 것이었고 그것을 ITO ( Indium-Tin-Oxide ) 투명 유리 전극 위에 성장을 시키면서 각가지 방법을 이용 표면처리에 까지 이르는 것이었다. 그러나 여기에 머무르지 아니하고 태양전지라는 새로운 학문에 접근하는 방식으로까지 실험을 연계해 나아간 것이 나의 주된 연구였다.
작은 변화를 줄 수 있는 방법론에 대한 구상으로 시작된 실험이 매번 예상대로 좋은 결과를 가져와 주었고 그 결과를 토대로 물성의 변화를 응용하거나 더욱 증강된 물성을 지닐 수 있도록 하는 방법론의 구상이 점차 나은 결과를 연속적으로 나타내어 보여짐으로 인하여 실험의 깊은 이해와 더불어 아름다움 그리고 미지세계에 대한 고찰 이라는 과학적 탐구는 흔히 지나치고 말았던 자연현상에 대해 깊은 경이로움 마저 느끼게끔 하였다. 아무런 생각 없이 지나치는 우리 주변의 많은 동식물과 많은 사물들 역시 아주 작은 환경의 변화에도 반응할 수 있음을 눈으로 확인 할 수 있었던 시간이었으며 보이진 않을 만치 미세한 세계에서는 아주 작은 변화에서도 서로 다른 결과가 나오기에 우리가 자연에 미칠 영향을 늘 생각하고 모든 일을 행해야 함을 알게 해주었다.
이 논문에 지면상 실험 자료는 실지 못하였으나 끝으로 한가지 더 밝히고 싶은 연구가 있다. 바로 TIO⒫의 물성을 획기적으로 변환 시켜 지금껏 밝혀온 연구들 중 최고의 변환 효율 ( η : conversion efficiency ) 을 가져온 실험이다.
이제껏 밝혀온 실험들의 경우 2%를 전후로 하는 η ( conversion efficiency : 변환효율 ) 을 넘는데 만족할 수 밖에 없었기에 내심 태양전지분야를 연구하는 연구인으로서 가슴이 무거웠었다.
그러하기에 물성이 좋기로 유명한 TIO⒫를 나의 실험 여건에 맞도록 구조적 변화를 준다면 더 나은 결과를 얻으리란 생각에 실험을 하게 된 것이었다.
여기에 그간의 노력으로 태양전지 부분에 있어 최적화된 TIO⒫ 의 형성법을 익혔기에 이를 도입 더 나은 결과를 얻고자 함이었다.
사실 TIO⒫ 를 가지고 실험을 수차례 해왔으나 문헌상에 기록될 만치의 좋은 결과를 얻지 못하였다. 하지만 이번 실험을 통해 문헌상의 기록을 깬 결과를 발표할 수 있었기에 밝히고져 한다. 그리고 지면 관계상 간략히 정리함에 그침을 이해하길 바란다.
TiO₂ 의 물성은 원래 hydrophilic하다 CA(contact angle)상 11도가 기록된다. 하지만 이것을 0도까지 낮추는데 성공하였다. 이는 표면처리를 통해 표면 계질이 갖는 특성의 하나인 친수도를 조절할 수 있다는 것이다. 원칙상 하나의 물질은 하나의 친수도 즉, 친수성의 물질이다 소수성을 물질이다 라고 정의를 하듯 하나의 특성을 지니는 것이 일반적이다. 그러하기에 CA 값은 같은 물질에 경우 같은 값이 나오게 되어있다. 하지만 11도가 나온 porous한 계질을 지니게 만드는 spin coartiong 방식에서 dense하게 만드는 CBD ( chemical bath deposition ) 방식을 채택 CA을 0도 까지 낮추는데 성공 드라마틱한 결과를 얻게 되었다. 이러한 사실은 표면처리를 통하여 표면의 특성을 완벽하리 만치 조절할 수 있다는데 그 가치가 있다 하겠다.
그 이상의 의미는 현재 연구가 진행되고 있기에 차제에 밝히도록 하겠다. 또한 이 글을 쓰기까지 지금껏 TiO₂ 라는 물질을 이용하여 그것의 친수도를 0도에 까지 이르게한 경우는 어느 문헌에도 존재하지 않았던 것이었다. 고작 1주일 그것도 자외선 영역 ( ultraviolet ) 상에서만 가능한 것을 1달여가 넘도록 암실 ( dak ) 상에서도 가능하게 만든 이번 결과물은 경이적인 결과라 말할 수 있겠다. 그 점에 관한 이야기 역시 지면의 부족으로 인해 간략히 전하는데 그치려 한다. 그리고 여기에 이층의 역할의 중요성을 밝힘으로 이야기를 진행하겠다. 이 층은 세 가지의 큰 특징으로 인하여 최고의 η ( conversion efficiency : 변환효율 ) 인 6.0%를 기록하기에 이른다.
그렇다면 그 네 가지의 특징은 무엇이었는가를 논해야 할 것 같다.
첫 째는 이러하다. hydrophilic한 계질을 넘어 CA값이0도에 이르는 super hydrophilic한 계질은 물을 좋아하는 특성이 극에 달하는 것이기에 그 결과 두 번 째 Layer로 올라가는 물질에 있어서 물을 용매로 사용하는 TIO⒫의 경우 그 물성이 지닌 특성으로 인해 몹시도 빠르게 그리고 충분히 흡착됨으로 인해 첫 Layer인 super hydrophilic TIO⒫ 와의 결속력이 증대된 것이다. 보통의 경우 표면장력에 의한 힘과 함께 물방울의 매침도가 생김으로 인해 접촉력이 떨어져 흡착도가 떨어지는데 반하여 이 연구에서 만들어낸 구조는 점성을 증대시킨 효과와 같은 결과를 초래, 결속력을 높여준 것이다.
둘 째는 위와 같은 결속력과 연계되어 구조적인 문제에까지 이어지는데 이는 태양전지를 구성하는 구조적인 부분에 있어 매우 뜻 깊은 현상으로 J_(SC) ( short circuit current : 단락전류 ) 의 증가를 예상할 수 있었고 예상 데로 결과도 15.57 mA/cm² 에서 21.35 mA/cm² 증가 하였다. J_(SC) ( short circuit current : 단락전류 ) 의 경우 결정성과 밀접한 관련이 있음이 학회에 보고된 바 현재의 이 소자는 매우 우수한 결성을 지니게 되었다는 결론을 내렸다.
셋 째는 에너지 레벨에 있어서도 같은 물질을 사용하였기에 더 나은 결과를 낳았다.
넷 째는 이와 더불어 DSSC ( Dye-sensitized Solar Cell ) 시스템이 지닌 문제 중 하나가 바로 전해액 ( electrolyte ) 용액으로 전자가 back transfer 되는 것이다. 이러한 전자의 back transfer 와 전자 ( electron ) -전공 ( hole ) 의 재결합 ( recombination ) 을 최소화 시키는 방법이 연구되 왔었다. 이에 이 연구에서는 다공성의 porous 한 TIO⒫ 층이 지닐 수 밖에 없었던 위의 단점을 보안키 위해 CBD ( chemical bath deposition ) 방식을 통한 Dense 한 TIO⒫ 층을 삽입 이 층이 전자의 back transfer 를 막는 Layer 로 사용 그것의 특성 분석과 더불어 개선된 효율을 얻어내는데 성공하였다. 앞서 밝혔듯 J_(SC)만의 증가 뿐 아니라 V_(OC)도 증가했음에 이는 back electron을 줄임으로 인하여 그리된 것이기에 확실히 이를 증명할 수 있게 된 것이다.
Nanoparticles of semiconductors such have attracted widespread attention because of their special structural, optical and electronic properties arising from the quantum confinement of electrons and large surface area. CdSe (E_(g), bulk = 1.7 eV. thin films have received considerable attention becaus...
Nanoparticles of semiconductors such have attracted widespread attention because of their special structural, optical and electronic properties arising from the quantum confinement of electrons and large surface area. CdSe (E_(g), bulk = 1.7 eV. thin films have received considerable attention because of their tunable band gap, which can vary their optical response from the infra-red region to the ultra-violet and their major contribution to solar cells, photo-electronics, light amplifiers, thin film transistors and single-electron transistors, light emitting diodes and lasers. For example, optoelectronic devices particularly, solar energy conversion devices can be modified accordingly. The nanowires, nanotubes, nanorods, quantum dots, and needles are some of the well-known CdSe morphologies. Therefore, control over both nanocrystalline morphology and the crystal size is a new challenge to synthetic chemists and materials scientists. Nanoscale particles may offer important advantages for the study of phase transformation mechanisms. The kinetics of phase transformations in very small nanoparticles (3-5 nm) is usually simpler than those in bulk materials. The temperature required to anneal out defects from nanoparticles is much lower than that in bulk material. Thus, compared with bulk materials, many small nanoparticles contain much less stable defects that could serve as nucleation sites for phase transformations. However, if defects form in the initial stage of phase transformations due to thermal fluctuations, they only need to travel small distances to reach the surface.
Dye-sensitized solar cells (DSSCs) are among the most promising of many recent photovoltaic device architectures that have the potential to provide efficient solar-to-electrical power conversion at low cost. Conventional DSSCs developed by Gratzel’s group has a high power conversion efficiency of about 10% for ten micrometer thick spin coated nano-porous TiO₂ films. In depth, heat treated spin coated TiO₂ nanoparticles deposited on a transparent conducting oxide (indium-doped tin oxide, ITO) were sensitized with a monolayer of dye molecules adsorbed on their surfaces, to generate the electrical current. The electrolyte containing a redox couple such as I^(-)/I₃^(-) was sandwiched between the photo-anode and counter electrode. The electrolytic solution penetrates in between the nanoparticles forming a very large area semiconductor-dye-electrolyte interface.
As it is already reported that compact TiO₂/CdSe heterojunction solar cells shows poor performance in electrochemical cells. Therefore, invasion of CdSe nanoparticles in porous TiO₂ film was carried out using low temperature chemical process. The presence of self-grown CdSe nanoparticles in porous TiO₂ was confirmed from optical absorption study. The structural and surface morphological properties were studied by using scanning electron microscopy and X-ray diffraction techniques, respectively. Increase in electrochemical performance due to CdSe nanoparticles invasion is observed and reported. Invasion of CdSe nanoparticles into porous TiO₂ electrode increased photoconversion efficiency 0.08%, fill factor of 31%, open circuit voltage of 0.15 V and short circuit current of 1.77 mA/cm², respectively. The result showed slight increase in photoperformance in relation with previous results.
Before going to ternary system, CdSe nanocrystalline films were prepared using electrosynthesis route and effect of air annealing on photoperformance was studied. The change in grain from 18 to 44 nm after annealing was observed in contestant to scanning electron microscopy and atomic force microscopy studies. Due to nanocrystalline surface, hydrophilic nature was maintained in all cases. The hydrophilicity was decreased from 60.62 (±2)^(0) to 22.06 (±2)^(0) after annealing due to the change in surface roughness. Drastic improvement in photoelectrochemical performance (0.49%) after annealing at 473 K for 1 h attributed to decrease in grain size boundaries followed by increased crystallinity.
In third phase, ternary CdIn₂Se₄ system was developed visa electro-synthesis route and studied their structural, optical and electrochemical properties by assuming that there will be enhancement in electrochemical parameters and to characterized for their structural, surface morphological, chemical and optical properties by means of X-ray diffraction (XRD), energy dispersive X-ray analysis (EDX), scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), UV-Vis spectrophotometer techniques, respectively. The importance of method finally was considered by utilizing CdIn₂Se₄ film as a working electrode in photoelectrochemical current density-applied voltage characteristics. Upon light illumination intensity of 80 mW/cm², CdIn₂Se₄ film on ITO as a working electrode in 1 M polysulphide electrolyte has shown 0.42% photoconversion efficiency. However, this efficiency was smaller than reported reported for binary system due to presence of unknown dislocations or stacking faults.
It is seen that chalcogenide thin films can not increase performance up to required level. Therefore, in this phase, controlled thickness growth of ZnO was carried out by chemical route and further used in dye-sensitized solar cells. The structural and morphological studies of different thicknesses ZnO films were carried out using XRD and SEM analyses. As-deposited ZnO films up to 8 μm thickness showed elongated micro-cones along c-axis perpendicular to substrate surface. However; dye loving micro-cone based flowerlike architecture was observed for higher thicknesses. DSSCs formed with 11 μm thick ZnO electrode in modified lithium iodide electrolyte showed photoconversion efficiency of 2.21% with IPCE of 46%.
This study provided the use of metal chalcogenide/oxide thin films in inelectrochemical cells where 2.21% photoconvesion efficiency for ZnO film of 11 μm thickness was obtained when used in N₃ dye than CdIn₂Se₄ and invasion of CdSe nanoparticles in porous TiO₂ electrodes, respectively.
Nanoparticles of semiconductors such have attracted widespread attention because of their special structural, optical and electronic properties arising from the quantum confinement of electrons and large surface area. CdSe (E_(g), bulk = 1.7 eV. thin films have received considerable attention because of their tunable band gap, which can vary their optical response from the infra-red region to the ultra-violet and their major contribution to solar cells, photo-electronics, light amplifiers, thin film transistors and single-electron transistors, light emitting diodes and lasers. For example, optoelectronic devices particularly, solar energy conversion devices can be modified accordingly. The nanowires, nanotubes, nanorods, quantum dots, and needles are some of the well-known CdSe morphologies. Therefore, control over both nanocrystalline morphology and the crystal size is a new challenge to synthetic chemists and materials scientists. Nanoscale particles may offer important advantages for the study of phase transformation mechanisms. The kinetics of phase transformations in very small nanoparticles (3-5 nm) is usually simpler than those in bulk materials. The temperature required to anneal out defects from nanoparticles is much lower than that in bulk material. Thus, compared with bulk materials, many small nanoparticles contain much less stable defects that could serve as nucleation sites for phase transformations. However, if defects form in the initial stage of phase transformations due to thermal fluctuations, they only need to travel small distances to reach the surface.
Dye-sensitized solar cells (DSSCs) are among the most promising of many recent photovoltaic device architectures that have the potential to provide efficient solar-to-electrical power conversion at low cost. Conventional DSSCs developed by Gratzel’s group has a high power conversion efficiency of about 10% for ten micrometer thick spin coated nano-porous TiO₂ films. In depth, heat treated spin coated TiO₂ nanoparticles deposited on a transparent conducting oxide (indium-doped tin oxide, ITO) were sensitized with a monolayer of dye molecules adsorbed on their surfaces, to generate the electrical current. The electrolyte containing a redox couple such as I^(-)/I₃^(-) was sandwiched between the photo-anode and counter electrode. The electrolytic solution penetrates in between the nanoparticles forming a very large area semiconductor-dye-electrolyte interface.
As it is already reported that compact TiO₂/CdSe heterojunction solar cells shows poor performance in electrochemical cells. Therefore, invasion of CdSe nanoparticles in porous TiO₂ film was carried out using low temperature chemical process. The presence of self-grown CdSe nanoparticles in porous TiO₂ was confirmed from optical absorption study. The structural and surface morphological properties were studied by using scanning electron microscopy and X-ray diffraction techniques, respectively. Increase in electrochemical performance due to CdSe nanoparticles invasion is observed and reported. Invasion of CdSe nanoparticles into porous TiO₂ electrode increased photoconversion efficiency 0.08%, fill factor of 31%, open circuit voltage of 0.15 V and short circuit current of 1.77 mA/cm², respectively. The result showed slight increase in photoperformance in relation with previous results.
Before going to ternary system, CdSe nanocrystalline films were prepared using electrosynthesis route and effect of air annealing on photoperformance was studied. The change in grain from 18 to 44 nm after annealing was observed in contestant to scanning electron microscopy and atomic force microscopy studies. Due to nanocrystalline surface, hydrophilic nature was maintained in all cases. The hydrophilicity was decreased from 60.62 (±2)^(0) to 22.06 (±2)^(0) after annealing due to the change in surface roughness. Drastic improvement in photoelectrochemical performance (0.49%) after annealing at 473 K for 1 h attributed to decrease in grain size boundaries followed by increased crystallinity.
In third phase, ternary CdIn₂Se₄ system was developed visa electro-synthesis route and studied their structural, optical and electrochemical properties by assuming that there will be enhancement in electrochemical parameters and to characterized for their structural, surface morphological, chemical and optical properties by means of X-ray diffraction (XRD), energy dispersive X-ray analysis (EDX), scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), UV-Vis spectrophotometer techniques, respectively. The importance of method finally was considered by utilizing CdIn₂Se₄ film as a working electrode in photoelectrochemical current density-applied voltage characteristics. Upon light illumination intensity of 80 mW/cm², CdIn₂Se₄ film on ITO as a working electrode in 1 M polysulphide electrolyte has shown 0.42% photoconversion efficiency. However, this efficiency was smaller than reported reported for binary system due to presence of unknown dislocations or stacking faults.
It is seen that chalcogenide thin films can not increase performance up to required level. Therefore, in this phase, controlled thickness growth of ZnO was carried out by chemical route and further used in dye-sensitized solar cells. The structural and morphological studies of different thicknesses ZnO films were carried out using XRD and SEM analyses. As-deposited ZnO films up to 8 μm thickness showed elongated micro-cones along c-axis perpendicular to substrate surface. However; dye loving micro-cone based flowerlike architecture was observed for higher thicknesses. DSSCs formed with 11 μm thick ZnO electrode in modified lithium iodide electrolyte showed photoconversion efficiency of 2.21% with IPCE of 46%.
This study provided the use of metal chalcogenide/oxide thin films in inelectrochemical cells where 2.21% photoconvesion efficiency for ZnO film of 11 μm thickness was obtained when used in N₃ dye than CdIn₂Se₄ and invasion of CdSe nanoparticles in porous TiO₂ electrodes, respectively.
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