[논문]저비용 염료감응 태양전지를 위한 방추형 Fe2O3 나노입자가 코팅된 탄소나노섬유 복합체

오동현; 안혜란; 구본율; 안효진

doi:10.4150/kpmi.2016.23.2.95

저비용 염료감응 태양전지를 위한 방추형 Fe2O3 나노입자가 코팅된 탄소나노섬유 복합체
Spindle-shaped Fe2O3 Nanoparticle Coated Carbon Nanofiber Composites for Low-cost Dye-sensitized Solar Cells 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.23 no.2, 2016년, pp.95 - 101

오동현 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 안혜란 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 구본율 (서울과학기술대학교 의공학-바이오소재 융합 협동과정 신소재공학프로그램) , 안효진 (서울과학기술대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Carbon nanofiber (CNF) composites coated with spindle-shaped $Fe_2O_3$ nanoparticles (NPs) are fabricated by a combination of an electrospinning method and a hydrothermal method, and their morphological, structural, and chemical properties are measured by field-emission scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, X-ray diffraction, and X-ray photoelectron spectroscopy. For comparison, CNFs and spindle-shaped $Fe_2O_3$ NPs are prepared by either an electrospinning method or a hydrothermal method, respectively. Dye-sensitized solar cells (DSSCs) fabricated with the composites exhibit enhanced open circuit voltage (0.70 V), short-circuit current density ($12.82mA/cm^2$), fill factor (61.30%), and power conversion efficiency (5.52%) compared to those of the CNFs (0.66 V, $11.61mA/cm^2$, 51.96%, and 3.97%) and spindle-shaped $Fe_2O_3$ NPs (0.67 V, $11.45mA/cm^2$, 50.17%, and 3.86%). This performance improvement can be attributed to a synergistic effect of a superb catalytic reaction of spindle-shaped $Fe_2O_3$ NPs and efficient charge transfer relative to the one-dimensional nanostructure of the CNFs. Therefore, spindle-shaped $Fe_2O_3$-NP-coated CNF composites may be proposed as a potential alternative material for low-cost counter electrodes in DSSCs.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 저비용 상대전극을 개발하기 위하여 방추형 Fe₂O₃ 나노입자(nanoparticles, NPs)가 코팅된 탄소나노섬유 복합체를 전기방사법과 수열합성법을 이용하여 제조하였다. 더욱이, 제조된 방추형 Fe₂O₃ 나노입자가 코팅된 탄소나노섬유 복합체의 형태적, 구조적, 화학적 분석을 수행하였고, 이를 통해 제작된 염료감응 태양전지의 전기화학적 및 광기전력 특성을 평가하였다.

제안 방법

이를 위해 전기방사된 탄소나노섬유을 질산에 칭하여 C-OH와 C=O 결합을 그들 표면에 형성시켜 Fe₂O₃가 코팅될 사이트를 형성시켰고, 그런 다음 Na₂SO₄가 포함된 용액을 통해 수열합성하여 Fe₂O₃를 탄소나노섬유 표면에 균일하게 코팅시켰다. 그 결과 탄소나노섬유 표면에 방추형 Fe₂O₃나노입자가 서로 연속적으로 코팅된 일차원 나노구조가 형성되었음을 확인할 수 있었으며, 그들의 향상된 광변환 특성을 확인하기 위해 탄소나노섬유와 방추형 Fe₂O₃ 나노입자와 비교분석을 실시하였다. 특히 순환 전압전류법과 전기화학적 임피던스 분석법 결과에서 방추형 Fe₂O₃ 나노입자가 코팅된 탄소나노섬유 복합체가 표면에 존재하는 우수한 촉매특성을 갖는 방추형 Fe₂O₃나노입자와 효율적인 전하이동을 제공하는 탄소나노섬유의 시너지효과에 의해 향상된 촉매반응을 나타낸다는 것을 확인하였다.
999%) 질소 분위기에서 800^oC로 2시간 동안 탄화시켜 탄소나노섬유를 제조하였다. 다음으로 탄소나노섬유 표면에 카복실기(-COOH)와 하이드 록실기(-OH)를 형성시키기 위해서 탄소나노섬유를 질산 (Nitric acid, Junsei) 에칭액 안에서 5시간 동안 교반하고 30분씩 3번 증류수를 이용하여 세척한 후 50^oC에서 건조시켰다. 그런 다음, 수열합성법을 이용하여 준비된 에칭 탄소나노섬유 표면에 Fe₂O₃를 코팅하였다.
나노입자(nanoparticles, NPs)가 코팅된 탄소나노섬유 복합체를 전기방사법과 수열합성법을 이용하여 제조하였다. 더욱이, 제조된 방추형 Fe₂O₃ 나노입자가 코팅된 탄소나노섬유 복합체의 형태적, 구조적, 화학적 분석을 수행하였고, 이를 통해 제작된 염료감응 태양전지의 전기화학적 및 광기전력 특성을 평가하였다.
그 결과 탄소나노섬유의 표면에 C-OH와 C=O 결합이 형성되어 수열합성법을 이용한 Fe₂O₃의 직접 적인 코팅이 실시되었다(그림 1(c)). 따라서 전기방사법, 질산에칭, 수열합성법의 3단계 공정방법을 이용하여 방추형 Fe₂O₃ 나노입자가 코팅된 탄소나노섬유 복합체를 성공적으로 제조하였다.
이 때, 방추형 Fe₂O₃나노입자가 코팅된 탄소나노섬유 복합체와 비교 분석하기 위해 방추형 Fe₂O₃ 나노입자를 탄소나노섬유 없이 위와 동일하게 수열합성하여 제조하였다. 따라서 최종적으로 탄소나노섬유, 방추형 Fe₂O₃ 나노입자 및 방추형 Fe₂O₃ 나노입자가 코팅된 탄소나노섬유 복합체를 염료감응 태양전지의 상대전극으로 준비하였으며, 그들의 광변환 특성은 순수 백금 상대전극과 비교분석 하였다.
이러한 결과는 수열합성법을 통해 방추형 Fe₂O₃ 나노입자가 탄소나노섬유 표면에 성공적으로 코팅되었음을 의미한다. 따라서 탄소나노섬유 표면에 코팅된 방추형 Fe₂O₃ 나노입자에 대해 더 자세히 조사하기 위하여 투과 전자현미경 분석을 실시하였다.
샘플들을 이용하여 제작된 염료감응 태양전지의 전기화학 특성은 50 mV/s의 전위주사속도에서 작업전극, 기준전극(Ag/AgCl) 및 상대전극(백금)으로 구성된 3전극 시스템을 통해 측정된 순환전압전류곡선을 이용하여 분석되었다. 또한 염료감응 태양전지의 내부 임피던스는 10 mV의 AC 진폭과 100 kHz ~ 0.5 Hz의 주파수 범위에서 일정전위기(potentiostat/galvanostat, Eco Chemie, PGST302N)를 이용하여 측정되었다. 염료감응 태양전지의 광변환 특성은 1 sun(100 mA/cm²) 조건에서 인공태양 모사장치(solar simulator, HS Technologies, PEC-L01)를 이용하여 비교 분석하였다.
5 mM N719(Ru(dcbpy)2(NCS)2, Solaronix)가 용해되어 있는 용액에 24시간 동안 담가 N719 염료를 담지시켰다. 마지막으로 준비된 상대전극과 작업전극을 샌드위치 구조로 조립하여 그 사이에 요오드 전해질을 주입시켜 최종적으로 염료감응 태양전지를 제작하였다.
모든 샘플들의 구조 분석을 실시하기 위하여 주사전자 현미경(field-emission scanning electron microscopy, FESEM, Hitachi S-4800)과 투과전자현미경(transmission electron microscopy, TEM, Tecnai G₂)을 이용하였다. 또한, 결정구조 및 화학적 결합상태는 X-선 회절분석(X-ray diffraction, XRD, Rigaku Rint 2500)과 X-선 광전자 주사법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS, ESCALAB 250)을 이용하여 분석하였다.
본 연구에서는 전기방사법과 수열합성법을 이용하여 방추형 Fe₂O₃ 나노입자가 코팅된 탄소나노섬유 복합체를 제조하였다. 이를 위해 전기방사된 탄소나노섬유을 질산에 칭하여 C-OH와 C=O 결합을 그들 표면에 형성시켜 Fe₂O₃가 코팅될 사이트를 형성시켰고, 그런 다음 Na₂SO₄가 포함된 용액을 통해 수열합성하여 Fe₂O₃를 탄소나노섬유 표면에 균일하게 코팅시켰다.
상대전극용 페이스트는 N-methylpyrrolidone(NMP, SAMCHUN) 내에 제조된 샘플들과 도전제로 사용되는 ketjen black(KJB, Alfa Aesar), 바인더로 사용되는 polyvinylidene difluoride(PVDF, Alfa Aesar)를 무게비로 각각 70, 20, 10% 첨가하여 혼합하였다. 균일하게 혼합된 잉크는 스퀴즈 프린팅법을 이용하여 F-doped SnO₂ glass(FTO, 8 Ω/□, Pilkington) 위에 코팅한 후 100^oC에서 12시간 동안 건조하였다.
또한, 결정구조 및 화학적 결합상태는 X-선 회절분석(X-ray diffraction, XRD, Rigaku Rint 2500)과 X-선 광전자 주사법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS, ESCALAB 250)을 이용하여 분석하였다. 샘플들을 이용하여 제작된 염료감응 태양전지의 전기화학 특성은 50 mV/s의 전위주사속도에서 작업전극, 기준전극(Ag/AgCl) 및 상대전극(백금)으로 구성된 3전극 시스템을 통해 측정된 순환전압전류곡선을 이용하여 분석되었다. 또한 염료감응 태양전지의 내부 임피던스는 10 mV의 AC 진폭과 100 kHz ~ 0.
이를 위해 에칭 탄소나노섬유와 Fe 전구체(iron(III) chloride hexahydrate, FeCl₃·6H₂O) 그리고 입자성장 조절제(sodium sulfate, Na₂SO₄)를 증류수에 넣고 교반기를 이용하여 분산시킨 후, 준비된 용액을 수열합성 반응기로 옮겨 100^oC에서 12시간 동안 수열합성을 진행하였다. 수열합성된 반응물은 위와 동일하게 세척 및 건조한 다음에 200^oC에서 2시간 동안 열처리하여 최종적으로 방추형 Fe₂O₃ 나노입자가 코팅된 탄소나노섬유 복합체를 제조하였다. 이 때, 방추형 Fe₂O₃나노입자가 코팅된 탄소나노섬유 복합체와 비교 분석하기 위해 방추형 Fe₂O₃ 나노입자를 탄소나노섬유 없이 위와 동일하게 수열합성하여 제조하였다.
5 Hz의 주파수 범위에서 일정전위기(potentiostat/galvanostat, Eco Chemie, PGST302N)를 이용하여 측정되었다. 염료감응 태양전지의 광변환 특성은 1 sun(100 mA/cm²) 조건에서 인공태양 모사장치(solar simulator, HS Technologies, PEC-L01)를 이용하여 비교 분석하였다.
이 때, 방추형 Fe2O3 나노입자가 코팅된 탄소나노섬유 복합체와 비교 분석하기 위해 방추형 Fe2O3 나노입자를 탄소나노섬유 없이 위와 동일하게 수열합성하여 제조하였다.
나노입자가 코팅된 탄소나노섬유 복합체 상대전극의 순환전압전류법(cyclic voltammetry, CV) 곡선을 보여준다. 이때 순수 백금 상대전극을 준비하여 순환전압전류법 곡선을 비교분석하였다. 일반적으로 순수 백금 상대전극으로 구성된 염료감응 태양전지의 순환전압전류법 곡선에서는 I^-/I₃^- 산화환원반응에 따라 두 쌍의 피크가 나타나며, 여기서 왼쪽 쌍은 3I−↔I₃⁻+2e⁻ 반응을, 오른쪽 쌍은 3I₂+2e−↔2I₃⁻의 반응을 의미한다.
이를 위해 에칭 탄소나노섬유와 Fe 전구체(iron(III) chloride hexahydrate, FeCl3·6H2O) 그리고 입자성장 조절제(sodium sulfate, Na2SO4)를 증류수에 넣고 교반기를 이용하여 분산시킨 후, 준비된 용액을 수열합성 반응기로 옮겨 100oC에서 12시간 동안 수열합성을 진행하였다.
이를 해결하기 위해 탄소나노섬유에 질산용액을 이용하여 산처리를 실시하였다(그림 1
먼저, 10%의 polyacrylonitrile(PAN, M_w = 150,000 g/mol, Aldrich)를 N,N-Dimethylformamide(DMF, Aldrich)에 3 시간 동안 용해시켜 전기방사용 용액을 제조하였다. 준비된 용액을 23 gauge 스테인리스 바늘이 장착된 주사기에 옮기고, Al 포집판과 바늘 팁 사이에 DC power supply (Powertron. Co., Ltd, Korea)를 이용해 13 kV를 인가하여 전기방사를 진행하였다. 이때 Al 포집판과 바늘 팁 사이에 거리는 15 cm, 실린지 펌프의 공급유량은 0.

대상 데이터

나노입자가 코팅된 탄소나노섬유 복합체는 전기방사법과 수열합성법을 이용하여 제조되었다. 먼저, 10%의 polyacrylonitrile(PAN, M_w = 150,000 g/mol, Aldrich)를 N,N-Dimethylformamide(DMF, Aldrich)에 3 시간 동안 용해시켜 전기방사용 용액을 제조하였다. 준비된 용액을 23 gauge 스테인리스 바늘이 장착된 주사기에 옮기고, Al 포집판과 바늘 팁 사이에 DC power supply (Powertron.
03 ml/h로 고정하였다. 이렇게 포집된 as-spun 나노섬유를 280^oC에서 2시간 동안 안정화시킨 후 고순도(99.999%) 질소 분위기에서 800^oC로 2시간 동안 탄화시켜 탄소나노섬유를 제조하였다. 다음으로 탄소나노섬유 표면에 카복실기(-COOH)와 하이드 록실기(-OH)를 형성시키기 위해서 탄소나노섬유를 질산 (Nitric acid, Junsei) 에칭액 안에서 5시간 동안 교반하고 30분씩 3번 증류수를 이용하여 세척한 후 50^oC에서 건조시켰다.

이론/모형

상대전극용 페이스트는 N-methylpyrrolidone(NMP, SAMCHUN) 내에 제조된 샘플들과 도전제로 사용되는 ketjen black(KJB, Alfa Aesar), 바인더로 사용되는 polyvinylidene difluoride(PVDF, Alfa Aesar)를 무게비로 각각 70, 20, 10% 첨가하여 혼합하였다. 균일하게 혼합된 잉크는 스퀴즈 프린팅법을 이용하여 F-doped SnO₂ glass(FTO, 8 Ω/□, Pilkington) 위에 코팅한 후 100^oC에서 12시간 동안 건조하였다. 여기서 스퀴즈 프린팅법은 스텐실을 적치 하여 형성한 홀에 스퀴즈로 잉크를 채워 넣어 코팅하는 방법을 의미한다.
)을 이용하였다. 또한, 결정구조 및 화학적 결합상태는 X-선 회절분석(X-ray diffraction, XRD, Rigaku Rint 2500)과 X-선 광전자 주사법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS, ESCALAB 250)을 이용하여 분석하였다. 샘플들을 이용하여 제작된 염료감응 태양전지의 전기화학 특성은 50 mV/s의 전위주사속도에서 작업전극, 기준전극(Ag/AgCl) 및 상대전극(백금)으로 구성된 3전극 시스템을 통해 측정된 순환전압전류곡선을 이용하여 분석되었다.
먼저 방추형 Fe2O3 나노입자의 지지체인 탄소나노섬유는 전기방사법을 이용하여 제조하였다(그림 1
방추형 Fe₂O₃ 나노입자가 코팅된 탄소나노섬유 복합체는 전기방사법과 수열합성법을 이용하여 제조되었다. 먼저, 10%의 polyacrylonitrile(PAN, M_w = 150,000 g/mol, Aldrich)를 N,N-Dimethylformamide(DMF, Aldrich)에 3 시간 동안 용해시켜 전기방사용 용액을 제조하였다.

성능/효과

따라서 방추형 Fe₂O₃ 나노입자가 코팅된 탄소나노섬유 복합체는 표면에 존재하는 방추형 Fe₂O₃나노입자의 향상된 촉매반응과 탄소나노섬유의 효율적인 전하이동의 시너지효과에 의해 Rct가 감소하게 되어 V_OC의 증가뿐만 아니라 J_SC와 FF의 증가를 야기한다. 따라서 방추형 Fe₂O₃ 나노입자가 코팅된 탄소나노 섬유 복합체로 제조된 염료감응 태양전지는 탄소나노섬유 (PCE = 3.97%)보다는 약 39.0%, 방추형Fe₂O₃ 나노입자 (PCE = 3.86%)보다는 약 43.0%만큼 향상된 5.52%의 광변환 효율을 제공하며, 이러한 결과를 통해 순수 백금 상대전극을 대체할 수 있는 염료감응 태양전지의 상대전극으로 제안할 수 있다.
따라서 주사전자현미경, 투과전자현미경, X-선 회전분석 및 X-선 광전자 주사법 결과를 통해 방추형 Fe2O3 나노입자가 코팅된 탄소나노섬유 복합체가 성공적으로 제조 되었음을 알 수 있다.
따라서 순환전압전류법 곡선에서 I⁻/I₃⁻ 산화환원반응을 의미하는 왼쪽 쌍의 전류밀도 크기가 커질 수록 빠른 반응속도를 의미하므로 염료감응 태양전지의 성능과 크게 관련이 있다[23]. 순환전압전류법 곡선을 분석한 결과, 산화 피크는 0.39 V에서 각각 3.72 mA/cm² (순수 백금), 2.50 mA/cm² (탄소나노섬유), 2.53 mA/cm²(방추형 Fe₂O₃ 나노입자) 및 3.54 mA/cm² (방추형 Fe₂O₃ 나노입자가 코팅된 탄소나노섬유 복합체)의 전류밀도를 보이고, 환원 피크는 -0.08 V에서 -4.15 mA/cm² (순수 백금), -2.41 mA/cm² (탄소나노섬유), -2.61 mA/cm² (방추형 Fe₂O₃ 나노 입자) 및 -3.61 mA/cm² (방추형 Fe₂O₃ 나노입자가 코팅된 탄소나노섬유 복합체)의 전류밀도를 보여준다. 따라서 모든 샘플들이 순수 백금 상대전극보다는 낮은 전류밀도를 가지고 있으나, 상대적으로 방추형 Fe₂O₃ 나노입자가 코팅된 탄소나노섬유 복합체는 탄소나노섬유와 방추형 Fe₂O₃ 나노입자보다 향상된 전류밀도를 가지고 있다.
특히 순환 전압전류법과 전기화학적 임피던스 분석법 결과에서 방추형 Fe₂O₃ 나노입자가 코팅된 탄소나노섬유 복합체가 표면에 존재하는 우수한 촉매특성을 갖는 방추형 Fe₂O₃나노입자와 효율적인 전하이동을 제공하는 탄소나노섬유의 시너지효과에 의해 향상된 촉매반응을 나타낸다는 것을 확인하였다. 이에 따라 방추형 Fe₂O₃ 나노입자가 코팅된 탄소 나노섬유 복합체는 다른 샘플들과 비교하여 향상된 V_OC(0.70 V), J_SC(12.82 mA/cm² ), FF(61.30%)에 의한 우수한 광변환 효율(5.52%)를 나타냈다. 따라서 제조된 방추형 Fe₂O₃ 나노입자가 코팅된 탄소나노섬유 복합체는 백금촉매를 대체할 수 있는 염료감응 태양전지의 저비용 상대전극으로써 유용하게 활용될 수 있을 것이다.
그 결과 탄소나노섬유 표면에 방추형 Fe₂O₃나노입자가 서로 연속적으로 코팅된 일차원 나노구조가 형성되었음을 확인할 수 있었으며, 그들의 향상된 광변환 특성을 확인하기 위해 탄소나노섬유와 방추형 Fe₂O₃ 나노입자와 비교분석을 실시하였다. 특히 순환 전압전류법과 전기화학적 임피던스 분석법 결과에서 방추형 Fe₂O₃ 나노입자가 코팅된 탄소나노섬유 복합체가 표면에 존재하는 우수한 촉매특성을 갖는 방추형 Fe₂O₃나노입자와 효율적인 전하이동을 제공하는 탄소나노섬유의 시너지효과에 의해 향상된 촉매반응을 나타낸다는 것을 확인하였다. 이에 따라 방추형 Fe₂O₃ 나노입자가 코팅된 탄소 나노섬유 복합체는 다른 샘플들과 비교하여 향상된 V_OC(0.

후속연구

52%)를 나타냈다. 따라서 제조된 방추형 Fe₂O₃ 나노입자가 코팅된 탄소나노섬유 복합체는 백금촉매를 대체할 수 있는 염료감응 태양전지의 저비용 상대전극으로써 유용하게 활용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적인 염료감응 태양전지의 구성은 어떻게 되는가?	염료감응 태양전지는 간단한 구조, 저렴한 제조단가, 친환경성 및 소자의 투명성과 유연성 등의 장점으로 인해 활발하게 연구가 진행 되고 있다[2]. 일반적으로 염료감응 태양전지는 염료 분자가 흡착된 반도체 층이 도포된 작업전극, I−/I3− 산화환원 쌍을 포함하는 전해질과 촉매가 코팅된 상대전극으로 구성되어있다[3, 4]. 이 중에서도 상대전극은 I−/I3− 산화환원 반응의 촉매 역할을 하는 구성요소로 염료감응 태양전지의 광변환 효율 향상을 위해 우수한 촉매특성을 갖는 백금촉매를 대표적으로 활용하고 있다.
	염료감응 태양전지란 무엇인가?	염료감응 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cells, DSSCs) 는 식물의 광합성 원리와 유사한 작동원리를 가지며, 태양에너지로부터 전자의 흐름을 발생시켜 산화환원과정을 통해 전기를 생산해 내는 시스템이다[1]. 염료감응 태양전지는 간단한 구조, 저렴한 제조단가, 친환경성 및 소자의 투명성과 유연성 등의 장점으로 인해 활발하게 연구가 진행 되고 있다[2].
	백금촉매를 대체하기 위한 탄소소재, 무기화합물소재 등이 제시되는 이유는?	이 중에서도 상대전극은 I−/I3− 산화환원 반응의 촉매 역할을 하는 구성요소로 염료감응 태양전지의 광변환 효율 향상을 위해 우수한 촉매특성을 갖는 백금촉매를 대표적으로 활용하고 있다. 그러나 순수 백금은요오드 전해질과의 반응에 의한 요오드의 석출과 부식이 발생하여 광변환 효율의 감소가 야기될 뿐만 아니라 매장량의 한계로 인해 다른 촉매들에 비하여 가격(~50 $/g)이 비싸다는 단점이 있다[5]. 이러한 이유로 최근에는 백금촉매를 대체하기 위하여 탄소소재(탄소나노튜브, 그래핀, 탄소나노섬유(CNFs)), 무기화합물소재(TiC, CoS, V2O5) 및 전도성 고분자소재(polyaniline, polypyrrole, poly(3,4- ethylenediozythiophene) (PEDOT)) 등이 다양하게 제시되고 있다[6, 7].

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H.-R. An, H. L. An, W.-B. Kim and H.-J. Ahn: ECS Solid State Lett., 3 (2014) M33.

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Z. Tang and N. A. Kotov: Adv. Mater., 17 (2005) 951.

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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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