[논문]양극산화 이산화티탄 나노튜브 광전극

박민아; 김진영

양극산화 이산화티탄 나노튜브 광전극 원문보기

세라미스트 = Ceramist, v.18 no.2, 2015년, pp.78 - 85

박민아 (한국과학기술연구원 광전하이브리드 연구센터) , 김진영 (과학기술연합대학원대학교)

초록
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이산화티탄 나노튜브와 같이 방향성을 가지고 성장한 반도체는 염료감응 태양전지의 새로운 박막구조로서 많은 관심을 받고 있다. 감응형 태양전지의 전력 생산에 필요한 빛 흡수, 전하주입, 전하운반체수송 등이 박막에서 이루어진다는 점에서 박막은 태양전지의 광전효율을 결정하는 중요한 요소이다. 특히 이산화티탄 나노튜브가 가지는 물리적, 전기적, 광학적 특성을 조절함으로써 이산화티탄 나노입자를 이용한 태양전지의 광전효율을 빠르게 따라잡을 수 있었다. 본고에서는 이산화티탄 나노튜브의 구조와 합성에 대해 검토하고 나노입자와 나노튜브 각각의 구조가 감응형 태양전지에서 빛의 수집과 전하 수집에 주는 영향에 대해 논의하고자 한다. 뿐만 아니라 나노튜브의 구조적, 전기적 특성에 따른 태양전지 제작과정의 차이를 알아본다.

AI 본문요약
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^11,12) 양극산화된 나노튜브에서 일반적인 이산화티탄에 비해 상대적으로 저온에서 루타일상이 형성되는 이유에 대해서는 티타늄기판과 나노튜브 계면의 산소결핍영역, 즉 TiO_x 층이 루타일상으로 쉽게 형성되고 나노튜브 벽으로 점차 확대되는 현상이 보고된 바 있다.13) 티타튬기판이 없는 경우에는 600℃이상의 온도에서 아나타제에서 루타일상으로 상변이가 관찰된다. Fig.
8(a)는 통상적으로 사용되는 1 단계 양극산화를통해 성장한 이산화티탄 나노튜브 필름을 보여주는 주사 전자현미경 사진이다.¹⁷⁾ 표면은 다공성 막으로 덮여 있고 나노튜브 각각을 구분할 수 없다. 나노튜브를 덮고 있는 다공성 막의 형성은 에틸렌글리콜 전해질에서 일어나는 화학적식각속도가 매우 느리기 때문이며¹⁸⁾ 이온빔 식각을 통해 쉽게 제거될 수 있다.

성능/효과

또한 낮은 온도에서 전자확산계수가 작은 것은 이산화티탄 나노튜브 기반 염료감응 태양전지에서 비정형 이산화티탄이 전자의 수송을 지연시킨다는 보고와 일치하는 결과이다.¹⁴⁾열처리 온도가400℃로증가할 때는 결정성의 증가로trap site가감소하여 전자확산계수는 증가하고 600℃로 증가하면 루타일상의 형성과 나노튜브벽의 분해로 인해 전자수송이 느려지게 된다.¹³⁾
태양전지의 광전변환효율은 상대전극 쪽으로 빛을 조사했을 때보다 이산화티탄 전극 방향으로 조사했을 때 약 2배 높았다.¹⁶⁾이러한 광전변환효율의 증가는 주로 높은 light-harvesting efficiency와 함께 광전류밀도의 증가에서 기인하며 전자-정공 재결합이 감소된 결과이다. 특히 광학적 경로의 변화는 빛 흡수와 전자-정공 재결합이 단락전류와 광전변환효율에 미치는 영향을 바꿀 것으로 예상된다.
5 조건에서 11% 이상의 광전변환효율을 기록하고 있다.²⁾염료의 light harvesting efficiency, 염료에서 이산화티탄으로의 injection efficiency, 이산화티탄을 통한 전자전달과 투명 전도성 기판으로 수집된 전하의 증가로 고효율을 달성할 수 있다. 염료감응태양전지의 light harvesting efficiency를 증가시키는 방법으로는 이산화티탄 나노입자의 표면적을 증가시켜 염료 흡착량을 늘리는 것이 일반적이다.
고배율 투과전자현미경 사진을 통해 400℃에서 열처리한 이산화티탄 나노튜브는 완전히 아나타제상이 되었음을 알 수 있다.⁴⁾ 또 500℃ 열처리조건에서 루타일상을 나타내는 2개의 밴드가 추가적으로 나타나며 600℃로 온도를 증가시키면 밴드의 세기가 증가한다. 위 결과는 300℃에서 아나타제상이 형성되기 시작하고 450℃ 이상의 온도에서 루타일상이 생성된다는 여러 논문들과 일치하는 결과이다.
위의 분석에서 나노입자 층보다 나노튜브 층의 charge-collection efficiency가 높으며 전자확산거리가 100 µm로 이는 나노튜브 기반 염료감응 태양전지의 높은 charge-collection efficiency와 일치하는 결과이다.⁵⁾아직 나노입자 층보다 나노튜브 층에서 전자이동이 빠르지 않으나 재결합이 10배 느린 이유는 확실히 설명되지 않았지만, trap이 전자이동과 재결합에 영향을 미치는 것은 확실하다. 테라헤르츠 현미경을 통해 이산화티탄 나노튜브 기반 염료감응 태양전지를 분석해보면 전도대 근처의 exiton과 유사한 trap state는 전자이동을 느리게 하며 전자 trap site의 분포와 밀도는 양성자의 농도에 관련이 있다고 보고되고 있다.
8(c)에서공극간거리는112(±13) nm로 유지되며 공극 지름이 66(±5)nm로 확장된 것을 볼 수 있다. 결과적으로 공극 확장 과정의 시간을 다양하게 하여 공극 배열의 불규칙을 가져오지 않고 공극 크기를 조절할 수 있다. 이러한 결과들에서 2단계의 양극산화와 이후에 이루어지는 공극 확장 과정은 투명한 이산화티탄 나노튜브 필름의 형상을 조절하는 편리한 방법임을 알 수 있다.
특히 광학적 경로의 변화는 빛 흡수와 전자-정공 재결합이 단락전류와 광전변환효율에 미치는 영향을 바꿀 것으로 예상된다. 반면 개방전압은 입사광의 방향에 거의 영향을 받지 않았고, 나노튜브 필름의 두께가 약 2배로 증가할 때 광변환효율이 약두배로 증가하는 결과를 얻을 수 있다. 여러 연구에 따른이 같은 전기화학적 특징은 투명한 나노튜브 전극을 합성함에 있어 유용하게 사용될 수 있다.
염료감응 태양전지의 광전류 분석을 통해 나노튜브를 이용할 경우 나노입자 층보다 light-harvesting efficiency 가 20% 가량 증가함을 알 수 있다. 이는 두 구조물에 흡착된 염료의 양이 같다는 점을 고려할 때 나노튜브 층의 강한 빛 산란효과에 의한 것이라 할 수 있다.
위의 분석에서 나노입자 층보다 나노튜브 층의 charge-collection efficiency가 높으며 전자확산거리가 100 µm로 이는 나노튜브 기반 염료감응 태양전지의 높은 charge-collection efficiency와 일치하는 결과이다.
결과적으로 공극 확장 과정의 시간을 다양하게 하여 공극 배열의 불규칙을 가져오지 않고 공극 크기를 조절할 수 있다. 이러한 결과들에서 2단계의 양극산화와 이후에 이루어지는 공극 확장 과정은 투명한 이산화티탄 나노튜브 필름의 형상을 조절하는 편리한 방법임을 알 수 있다.
7에서 볼 수 있듯이 입사광의 방향에 따라 염료감응 태양전지에서 전자 이동시간과 입사광의 양자효율 및 광전기화학적 특성이 달라진다. 태양전지의 광전변환효율은 상대전극 쪽으로 빛을 조사했을 때보다 이산화티탄 전극 방향으로 조사했을 때 약 2배 높았다.¹⁶⁾이러한 광전변환효율의 증가는 주로 높은 light-harvesting efficiency와 함께 광전류밀도의 증가에서 기인하며 전자-정공 재결합이 감소된 결과이다.

후속연구

테라헤르츠 현미경을 통해 이산화티탄 나노튜브 기반 염료감응 태양전지를 분석해보면 전도대 근처의 exiton과 유사한 trap state는 전자이동을 느리게 하며 전자 trap site의 분포와 밀도는 양성자의 농도에 관련이 있다고 보고되고 있다. 이러한 연구 결과들은 이산화티탄 나노튜브 층의 전자이동과 재결합 메커니즘에 대한 의미 있는 고찰이며 앞으로 추가적인 연구가 필요하다.
전기화학적 양극산화공정을 통해 제작된 이산화티탄 나노튜브는 전자동역학 및 광학적 특이성으로 인해 많은 연구가 이루어지고 있으며, 현재 낮은 비표면적 문제가 어느 정도 극복이 되면서 광전변환효율이 전통적인 나노 입자 기반 염료감응 태양전지 수준에 근접하고 있다. 향후 trap site를 조절하여 전자 수송과 전자-정공 재결합 조절, 나노튜브의 결정성 향상, 태양광에 대한 흡광도 증가, 나노튜브의 광학적 특성 및 효과적으로 빛을 흡수할수 있는 태양전지구조개발 등을 통해 광전변환효율의 추가적인 향상이 이루어진다면 염료감응 태양전지는 물론 관련 연구분야에서의 활용도가 높아질 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	염료감응태양전지의 light harvesting efficiency를 증가시키는 방법은?	2) 염료의 light harvesting efficiency, 염료에서 이산화티탄으로의 injection efficiency, 이산화티탄을 통한 전자전달과 투명 전도성 기판으로 수집된 전하의 증가로 고효율을 달성할 수 있다. 염료감응태양전지의 light harvesting efficiency를 증가시키는 방법으로는 이산화티탄 나노입자의 표면적을 증가시켜 염료 흡착량을 늘리는 것이 일반적이다. 이를 위해 이산화티탄 층의 두께를 증가 시키거나 나노입자의 크기를 감소시킨다.
	감응형 태양전지은 어떤 구조를 가지고 있는가?	염료감응 태양전지를 포함하는 감응형 태양전지는 미래형 태양전지로서 각광받고 있다. 감응형 태양전지는 전자와 정공의 전도를 위한 두 개의 물질이 연속적으로 상호 침투하는 구조를 가지고 있으며 전자를 위한 전도 물질은 일반적으로 100 nm 이하의 크기를 가지는 다공성 금속산화물 반도체로 host 물질의 역할을 한다. 정공을 위한 전도체는 host 물질의 다공을 채우는 guest 물질로 이루어진다.
	염료감응 태양전지에서 고효율을 달성하는 방법은?	5 조건에서 11% 이상의 광전변환효율을 기록하고 있다.2) 염료의 light harvesting efficiency, 염료에서 이산화티탄으로의 injection efficiency, 이산화티탄을 통한 전자전달과 투명 전도성 기판으로 수집된 전하의 증가로 고효율을 달성할 수 있다. 염료감응태양전지의 light harvesting efficiency를 증가시키는 방법으로는 이산화티탄 나노입자의 표면적을 증가시켜 염료 흡착량을 늘리는 것이 일반적이다.

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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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