[논문]메조포러스 이산화티타늄 박막 기반 양자점-감응 태양전지

이효중

doi:10.5229/jkes.2015.18.1.38

메조포러스 이산화티타늄 박막 기반 양자점-감응 태양전지
Quantum Dot-Sensitized Solar Cells Based on Mesoporous TiO2 Thin Films 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.18 no.1, 2015년, pp.38 - 44

초록
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본 총설은 다공성의 메조포러스 이산화티타늄 박막을 기반으로 하는 양자점-감응 태양 전지의 최근 발전 과정에 대해 정리하였다. 나노스케일의 무기물 양자점이 가지는 본질적 특성에 기반하고 다양한 양자점 구성 물질을 이용하여, 용액-공정 기반의 다양한 3세대 박막 태양전지를 만들 수 있었다. 양자점 감응제는 준비하는 방법에 따라 크게 2가지로 나눌 수 있는데, 첫 번째는 콜로이드 형태로 용액상에서 준비한 다음 $TiO_2$ 표면에 붙이는 것이고 두 번째는 양자점 전구체가 녹아있는 화학조를 이용하여 직접 $TiO_2$ 표면에 성장시키는 것이다. 폴리썰파이드 전해질을 사용하여, 콜로이드 양자점 감응제의 경우는 최근 들어 정밀한 조성 조절을 통하여 전체 광전 변환효율이 ~7%에 이르렀고 화학조 침전법을 이용하여 준비된 대표적 감응제인 CdS/CdSe는 ~5%의 효율을 보이고 있다. 앞으로는 지금까지 보고된 양자점 감응제의 뛰어난 광전류 생성 능력을 유지하면서, 새로운 정공 전달체의 개발 및 계면 조절을 통한 개방 전압과 채움 상수의 개선을 통한 효율 증가 및 안정성에 관한 체계적 연구가 필요한 상황이다.

Abstract ▼ AI-Helper

This review article summarizes the recent progress of quantum dot (QD)-sensitized solar cells based on mesoporous $TiO_2$ thin films. From the intrinsic characteristics of nanoscale inorganic QDs with various compositions, it was possible to construct a variety of 3rd-generation thin film solar cells by solution process. Depending on preparation methods, colloidal QD sensitizers are pre-prepared for later deposition onto the surface of $TiO_2$ or in-situ deposition of QDs from chemical bath is done for direct growth of QD sensitizers over substrates. Recently, colloidal QD sensitizers have shown an overall power conversion efficiency of ~7% by a very precise control of composition while a representative CdS/CdSe from chemical bath deposition have done ~5% with polysulfide electrolytes. In the near future, it is necessary to carry out systematic investigations for developing new hole-conducting materials and controlling interfaces within the cell, thus leading to an enhancement of both open-circuit voltage and fill factor while keeping the current high value of photocurrents from QDs towards more efficient and stable QD-sensitized solar cells.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

그룹과¹⁷⁾ Lee와 그 동료들의 보고에 의하여²⁸⁾ 어느 정도 가능하게 되었다. 첫 번째 보고는 CdSe를 준비하는 기존의 CBD 법에서 양이온과 음이온 소스를 다른 화학조에 나눠 담은 다음에 SILAR 과정을 50도씨에서 약 60분씩 담구는 과정을 반복하였다. CdSe를 TiO₂/CdS 위에 감응제로 준비하고 폴리썰파이드 전해질을 이용하여 테스트한 결과, 표준 광원 조건에서 ~4%가 넘는 고효율의 모델이 된 CdS/CdSe 양자점 복합체를 처음으로 보고하였다.

성능/효과

²⁶⁾ 그 후, 오랜 기간의 정체기를 거친 후에 액체형 셀에서 코발트(II/III) 화합물 기반의 전해질이 안정적으로 사용될 수 있다는 것이 보고된 후 2009년에 SILAR 법으로 성장된 PbS와 CdS 양자점-감응 태양전지에 관한 연구결과가 발표되었다. (Fig. 6)27) Fig. 6에서 보듯이 각각의 흡수 범위 내에서 효과적인 광전 변환 효율을 보임으로써, SILAR 법으로 성장시킨 양자점 감응제의 가능성을 보여주었다. 초기 연구에 콜로이드 형태로 만들어진 양자점이 많이 이용되고, SILAR와 같은CBD 법으로 준비된 양자점은 광전기적 특성이 적합하지 않다는 생각이 있었지만, 이러한 연구를 통하여 수 나노미터의 스케일에서는 양자점의 결정성과 크기의 균일성이 감응제로 효과적으로 작동하는데 있어서 그렇게 결정적 이지 않다는 것을 보여준 결과이다.
1) 1970-80년대의 석유 파동을 거치면서 벌크 반도체 박막 전극을 이용한 광전기화학적 전지[photoelectrochemical (PEC) cell]에 관한 연구는 매우 높은 관심을 끌었지만, 실질적인 결과는 얻지 못한 상태에서 연구의 열기는 쇠퇴하였다.^2,3) 한편, 1980년대 말과 1990년대 초에 연구자들의 큰 관심을 끈 분야는 양자점 (quantum dot, QD)이라 불린 나노스케일의 결정성 반도체 물질의 효과적 용액상 준비 및 그 다양한 응용에 관한 연구였다.
CdSe를 TiO₂/CdS 위에 감응제로 준비하고 폴리썰파이드 전해질을 이용하여 테스트한 결과, 표준 광원 조건에서 ~4%가 넘는 고효율의 모델이 된 CdS/CdSe 양자점 복합체를 처음으로 보고하였다.¹⁷⁾ 두 번째 결과는 S²-처럼 Se^2-를 준비하기 위하여 SeO₂를 에탄올에 녹인 후, 질소 또는 아르곤 충전 조건에서 NaBH4로 직접 환원시켜 Se2-를 준비한 후, SILAR를 상온에서 진행하여 콜로이드 양자 점의 경우와 유사한 색깔 변화를 처음으로 관찰할 수있었다. 이렇게 얻어진 CdSe를 CdTe층으로 감싸주어 CdSe/CdTe의 복합체를 만들고Co(II/III) 전해질을 사용하여, 0.
²⁾ 비효율적인 콜로이드 양자점 감응제의 TiO₂ 표면 흡착에 따른 입사광의 부분적 흡수.³⁾ 염료-감응 태양전지에서 I^-/I^-₃ 가 보여준 것과 같은 수준의 개방전압(open-circuit voltage, V_oc)과 채움 상수 (fill factor, FF)를 보이는 산화/환원 쌍의 부족 등 이었다. 메조포러스 TiO₂ 박막 기반 양자점-감응 태양전지 연구의 발전에 있어서 효과적인 전해질에 대한 요구는 거의 절대적이었으며, 1970-80년대 PEC 셀 연구에 이용되었던 전해질에 대한 복습을 통하여 폴리 썰파이드 (S^2-/S_n^2-) 기반 수용액 전해질이 양자점 감응셀에 다시 적용되어 매우 뛰어난 결과를 주어 단숨에 주도적 위치를 차지하게 된다.
^2,3) 한편, 1980년대 말과 1990년대 초에 연구자들의 큰 관심을 끈 분야는 양자점 (quantum dot, QD)이라 불린 나노스케일의 결정성 반도체 물질의 효과적 용액상 준비 및 그 다양한 응용에 관한 연구였다.⁴⁾ 소수의 기존 보고와는 달리 용액에서 콜로이드 형태로 크기 및 형상이 조절될 수 있는 준비법이 보고되고, 그 크기에 따라 양자 구속 효과 (quantum confinement effect)를 극명히 보여주는 발광 색깔의 변화는 많은 연구자들의 관심을 끌기에 충분하였다.⁵⁾ 이러한 양자점 기반 초기 응용 연구는 고효율의 발광 현상을 이용한 바이오 이미징,⁶⁾ 레이저,⁷⁾ 발광다이오드(LED)⁸⁾ 등에 집중되었다.
또한, SILAR 방법과 같이 직접적으로 기질 위에 원하는 반도체 물질을 성장시키는 경우는 상온 근처에서 리간드를 필요로 하지 않는 조건이기 때문에 성장된 양자점이 기질과 전해질에 직접적인 접촉을 한다는 점에서 전하 전달에 있어서 더 효과적이고, 기질과 접착하는 정도가 더 세져서 안정성 면에서도 훨씬 향상된 결과를 얻을 수 있다는 장점이 있다. SILAR 법은 이온들을 순차적으로 흡착/반응 시키기 때문에 양자점의 조성이나 크기를 조절하는데 있어서 큰 장점을 보인 반면에, 음이온으로 사용된 소스가 거의 대부분이 황화 이온 (S^2-, sulfide)에 한정되어 주로 CdS나 PbS가 주로 테스트 될 수 밖에 없었다.
이러한 SILAR 법을 이용하여 메조포러스한 TiO₂표면에 PbS 양자점을 성장시킨 후, 유기물 정공 전달 체인 Spiro-OMeTAD를 결합시킨 고체형 셀이 어느 정도 의미 있는 결과를 보였다.²⁶⁾ 그 후, 오랜 기간의 정체기를 거친 후에 액체형 셀에서 코발트(II/III) 화합물 기반의 전해질이 안정적으로 사용될 수 있다는 것이 보고된 후 2009년에 SILAR 법으로 성장된 PbS와 CdS 양자점-감응 태양전지에 관한 연구결과가 발표되었다.
6에서 보듯이 각각의 흡수 범위 내에서 효과적인 광전 변환 효율을 보임으로써, SILAR 법으로 성장시킨 양자점 감응제의 가능성을 보여주었다. 초기 연구에 콜로이드 형태로 만들어진 양자점이 많이 이용되고, SILAR와 같은CBD 법으로 준비된 양자점은 광전기적 특성이 적합하지 않다는 생각이 있었지만, 이러한 연구를 통하여 수 나노미터의 스케일에서는 양자점의 결정성과 크기의 균일성이 감응제로 효과적으로 작동하는데 있어서 그렇게 결정적 이지 않다는 것을 보여준 결과이다.

후속연구

대표적인 예로는, 단분자인 Spiro-OMeTAD,26,35) 고분자인 poly 3-hexylthiophene(P3HT)와 poly(2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4Hcyclopenta[2,1- b;3,4-b']dithiophene)-alt-4,7(2,1,3- benzothiadiazole))(PCPDTBT),36-38) 무기물인 CuSCN39) 등이 우수한 결과를 보여주고 있어서 향후 전체 광전 변환 효율 및 안정성이 더욱 개선된 결과가 기대된다.
^40-44) 이제는 양자점 감응제가 광전류를 생산하는 능력에 대해서는 의심할 여지가 없는 단계에 도달했다고 판단된다 (액체형 PEC 셀의 경우~20 mA/cm² , 고체형 양자점 박막 셀의 경우~30 mA/cm²가 보고됨). 양자점의 밴드 갭 조절 능력을 통하여, 점진적으로 태양광 에너지 전환의 최후 목표가 되고 있는 근적외선 영역의 빛 에너지를 효과적으로 전류로 전환시키고 있으며 앞으로도 이를 이용한 다양한 연구가 기대된다. 이렇게 다른 광감응제에서는 쉽게 이룰 수 없는 뛰어난 광전류 생성 능력을 계속 유지 발전시키면서 최대의 개방전압(V_oc)과 채움 상수(FF)를 얻는 연구 전략이 앞으로의 과제로 남아 있다.
V_oc및 FF의 개선은 정공을 전달하는 물질 (hole-transporting material, HTM)의 에너지 레벨 및 계면 상황과 밀접한 관련이 있으므로 이에 대한 지속적인 연구가 필요하다. 최근 들어 3 세대 태양전지 연구에 불어 닥친 페로브스카이트 물질 기반 태양전지 연구의 영향을 피할 수는 없지만, 양자점 감응제가 가지는 고유의 광전기적 성질을 더욱 발전시키면 페로 브스카이트 물질 기반 태양전지와 서로 상호 보완적인 관계를 유지하면서 차세대 태양전지 연구를 견인하리라 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	양자점을 고온 주입법을 통해 콜로이드 형태로 준비했을 때의 장점은?	양자점을 고온 주입법(hot-injection)을 통하여 콜로 이드 형태로 준비했을 때의 장점은, 결정성을 가지며 크기가 비교적 균일한 양자점을 조성 및 특성을 비교적 정확히 조절하여 대량으로 한번에 만들 수 있다는 것이다.5) 또한, 1990년대 양자점 관련 연구의 거의 대부분에서 콜로이드 형태의 양자점이 사용되었기 때문에 태양전지 연구에서도 처음에는 콜로이드로 준비된 양자점을 감응제로 사용하는 것이 선호되었다.
	양자점은 어떤 특성 때문에 태양전지의 광감응제로 적용될 수 있을 것이라 여겨졌는가?	5) 이러한 양자점 기반 초기 응용 연구는 고효율의 발광 현상을 이용한 바이오 이미징,6) 레이저,7) 발광다이오드(LED)8) 등에 집중되었다. 한편, 양자점이 가지는 뛰어난 흡광 능력 및 밴드갭 조절 용이성은 태양전지 연구자들에게도 매우 매력적인 광감응제로 적용될 수 있으리라는 기대를 가지게 하였고, 1970-80년대의 PEC 셀 연구에서 사용된 벌크 반도체 감응 물질의 나노스케일 변형이라는 관점에서도 자연스러운 시대적 귀결성이 있어 보였다. 이러한 배경을 바탕으로, 콜로이드 양자점을 태양전지 연구에 있어서 새로운 감응제로 적용한 결과가 1998년 Nozik 그룹에 의해 발표되었다.
	콜로이드 InP QD를 염료-감응 태양전지의 구조에서 염료 대신 사용한 실험에서 광전변환 효율이 별로였던 이유는?	1(a)), 기대와는 달리 광전변환 효율에 있어서 거의 효과 없는 결과를 보여주고 말았다. 조금 뒤에 이해하게 된 사실이지만 사용된 산화/환원 쌍인 I-/I-3이 InP QD을 부식시키는 특성이 있기 때문이었다. Fig.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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