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레이저 Dewetting에 의해 형성된 은 나노입자의 국소 표면플라즈몬 공명을 이용한 감응형 TiO2 태양전지 성능 향상
Localized Surface-Plasmon Resonance of Ag Nanoparticles Produced by Laser Dewetting to Improve the Performance of a Sensitized TiO2 Solar Cell 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.29 no.5, 2018년, pp.215 - 219  

이지영 (연세대학교 신소재공학과) ,  이명규 (연세대학교 신소재공학과)

초록
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본 논문에서는 레이저 dewetting에 의해 형성된 은 나노입자들의 국소 표면플라즈몬 공명이 감응형 $TiO_2$ 태양전지의 전류밀도 및 효율 향상에 유용하게 이용될 수 있음을 보여준다. 전도성 유리기판 위에 증착된 은 박막을 펄스 레이저 조사에 의해 나노입자로 변환시킨 후 이 기판을 사용하여 감응형 $TiO_2$ 태양전지 셀을 제조한 결과, 은 나노입자를 포함하지 않은 대조군 셀에 비해 성능이 보다 향상됨을 확인하였다. 이는 은 나노입자들에 의한 국소 표면플라즈몬 공명 현상으로 인해 가시광 영역에서의 광수확이 증대되었기 때문으로 분석된다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper we show that the localized surface-plasmon resonance of Ag nanoparticles produced by laser dewetting can be effectively utilized for improving the photocurrent and efficiency of a dye-sensitized $TiO_2$ solar cell. An Ag thin film deposited on a conducting glass substrate wa...

주제어

#국소 표면플라즈몬 공명   #은 나노입자   #레이저 디웨팅   #염료감응 태양전지  

표/그림 (6)

AI 본문요약
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제안 방법

  • 레이저에 의해 dewetting 된 Ag 나노입자를 포함하는 TiO2 흡수층을 사용하여 염료감응 태양전지 셀을 제조하여 그 특성을 분석하였는데, 셀은 통상적인 염료감응 태양전지 제조공정에 따라 제조하였다[15]. 흡수층이 코팅된 FTO-glass 기판을 D719 dye를 포함하는 0.
  • 금속 나노입자에서의 LSPR을 염료감응 태양전지에 적용하는 현재까지의 연구는 주로 미리 제조된 입자를 태양전지의 기판이나 흡수층에 코팅하는 방식으로 이루어져 왔는데,이러한 입자들은 정교한 화학적 공정에 의해 제조되므로 전반적인 전지 제조비용을 높인다. 본 연구에서는 Ag 박막을 레이저에 의해 dewetting시켜 나노입자를 형성하는 방식을 적용하여 염료감응 태양전지의 효율을 향상시키고자 하였는데, FTO-glass 기판 위에 10 nm 두께의 Ag 박막을 증착하고 이를 레이저 조사로 dewetting시켜 나노입자로 형상을 변조하였다. 이러한 방식으로 형성된 Ag 나노입자를 TiO2 태양전지 제조에 적용한 결과, Ag 나노입자를 포함하지 않은 대조군 셀에 비해 전류밀도와 에너지 변환효율이 각각 20%와 11.

대상 데이터

  • 그림 1은 상업적인 FTO-glass 기판 위에 10 nm 두께의 Ag 박막을 증착한 후, 이를 레이저로 dewetting한 결과를 보여준다. 레이저로는 355 nm의 나노초 펄스레이저(Coherent AVIA: 펄스 폭 = <20 ns, repetition rate = 30 kHz, 최대 power: 5.5 W)가 사용되었으며, 박막은 thermal evaporator로 증착하였다. 그림 1(a)는 박막 증착 후의 FTO 표면을 보여주는 주사전자현미경 사진인데, inset은 박막 증착 전의 FTO 표면을 보여준다.

이론/모형

  • 이러한 결과를 바탕으로 10 nm 두께의 Ag 박막 위에 TiO2 흡수층을 코팅한 후 dewetting 실험을 진행하였는데(그림2(a)), 흡수층은 TiO2 paste (Solaronix SA, Ti-Nanoxide T/SP, 13 nm particle diameter)를 doctor blading법으로 코팅한 후 열처리를 통해 형성하였다. 연구에 사용된 흡수층의 두께는 약 6 µm이며, 레이저 빔을 기판의 뒷면으로 입사시켜 박막을 dewetting하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
LSPR 조건은 무엇인가? 국소 표면플라즈몬은 입사하는 빛에 의해 쉽게 여기될 수 있는데, 이를 국소 표면플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance, LSPR)이라 한다. LSPR 조건(즉, 공명을 일으키는 빛의 파장)은 금속 나노구조체의 물질, 크기, 모양 및 주변 환경의 함수인데, 공명 발생 시 빛의 전기장은 나노구조체 표면 부근에서 강하게 증폭되며 더불어 빛의 흡수와 산란이 매우 증대된다. 금(Au)과 은(Ag)은 우수한 플라즈몬 특성을 나타내는 대표적 물질인데, 이들 물질의 나노입자나 나노구조체를 사용하여 태양전지의 효율을 향상시키고자 하는 연구가 많이 이루어져 왔고 현재도 계속되고 있다[1-4].
Dewetting란? Dewetting은 액상(liquid phase)의 얇은 필름이 기판 위에서 파열되어 작은 droplet들로 변화하는 현상을 의미하는데, 기판 위에 떨어진 droplet이 넓게 퍼져 얇은 막을 형성하는 wetting 현상의 반대되는 개념이다. 금속 박막의 용융상태에서의 dewetting은 박막의 초기 두께 및 구조를 포함하여 많은 요인에 영향을 받지만, 그 구동력(driving force)은 박막과 기판의 표면과 그 계면의 전체적인 에너지의 최소화에 있다.
어떤 연구 결과를 통해 Ag 나노입자들에 의한 국소 표면플라즈몬 공명 현상으로 인해 가시광 영역에서의 광수확이 증대되었다고 볼 수 있는가? 본 연구는 레이저 dewetting에 의해 형성된 Ag 나노입자들의 국소 표면플라즈몬 공명이 감응형 TiO2 태양전지의 전류밀도 및 효율 향상에 유용하게 이용될 수 있음을 보여준다. FTO 투명전극이 코팅된 유리기판 위에 증착된 10 nm 두께의 Ag 박막을 펄스 레이저 조사에 의해 나노입자로 변환시킨 후 이 기판을 사용하여 감응형 TiO2 태양전지 셀을 제조한 결과, Ag 나노입자를 포함하지 않은 대조군 셀에 비해 전류밀도와 에너지 변환효율이 각각 20%와 11.3% 향상됨을 확인하였다. 이는 Ag 나노입자들에 의한 국소 표면플라즈몬 공명 현상으로 인해 가시광 영역에서의 광수확이 증대되었기 때문으로 분석된다.
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참고문헌 (19)

  1. H. A. Atwater and A. Polman, "Plasmonics for improved photovoltaic devices," Nat. Mater. 9, 205-213 (2010). 

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  2. I.-K. Ding, J. Zhu, W. Cai, S.-J. Moon, N. Cai, P. Wang, S. M. Zakeeruddin, M. Gratzel, M. L. Brongersma, Y. Cui, and M. D. McGehee, "Plasmonic dye-sensitized solar cell," Adv. Energy. Mater. 1, 52-57 (2011). 

  3. K.-T. Lee, J.-Y. Jang, J. Zhang, S.-M. Yang, S. Park, and H. J. Park, "Highly efficient colored perovskite solar cells integrated with ultrathin subwavelength plasmonic nanoresonators," Sci. Report 7, 10640 (2017). 

  4. W.-Y. Rho, D. H. Song, H.-Y. Yang, H.-S. Kim, B. S. Son, J. S. Suh, and B.-H. Jun, "Recent advances in plasmonic dye-sensitized solar cells," J. Solid State. Chem. 258, 271-282 (2018). 

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  5. J. Qi, X. Dang, P. T. Hammond, and A. M. Belcher, "Highly efficient plasmon-enhanced dye-sensitized solar cells through metal@oxide core-shell nanostructure," ACS Nano 5, 7108-7116 (2011). 

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  6. M. D. Brown, T. Suteewong, R. S. S. Kumar, V. D'Innocenzo, A. Petrozza, M. M. Lee, U. Wiesner, and H. J. Snaith, "Plasmonic dye-sensitized solar cells using core-shell metal-insulator nanoparticles," Nano Lett. 11, 438-445 (2010). 

  7. H. Choi, W. T. Chen, and P. V. Kamat, "Know thy nano neighbor. Plasmonic versus electron charging effects of metal nanoparticles in dye-sensitized solar cells," ACS Nano 6, 4418-4427 (2012). 

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  8. V.-D. Dao and H.-S. Choi, "Highly-efficient plasmon-enhanced dye-sensitized solar cells created by means of dry plasma reduction," Nanomaterials 6, 70 (2016). 

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  10. S.-J. Lin, K.-C. Lee, J.-L. Wu, J.-Y. Wu, "Plasmon-enhanced photocurrent in dye-sensitized solar cells," Sol. Energy 86, 2600-2605 (2012). 

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  11. S. J. Henley, J. D. Carey, and S. R. P. Silva, "Pulsed laser-induced nanoscale island formation in thin metal-on-oxide films," Phys. Rev. B 72, 195408 (2005). 

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  13. Y. Oh and M. Lee, "Single-pulse transformation of Ag thin films into nanoparticles via laser-induced dewetting," Appl. Surf. Sci. 399, 555-564 (2017). 

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  15. J. Lee and M. Lee, "Diffraction-grating-embedded dye-sensitized solar cells with good light harvesting," Adv. Energy. Mater. 4, 1300978 (2014). 

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  16. L. Han, N. Koite, Y. Chiba, and T. Mitake, "Modeling of an equivalent circuit for dye-sensitized solar cells," Appl. Phys. Lett. 84, 2433 (2004). 

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  17. H. Elbohy, M. R. Kim, A. Dubey, K. M. Reza, D. Ma, J. Zai, X. Qian, and Q. Qiao, "Incorporation of plasmonic Au nanostars into photoanodes for high efficiency dye-sensitized solar cells," J. Mater. Chem. A 4, 545-551 (2016). 

  18. D. N. Joshi, S. Mandal, R. Kothandraman, and R. A. Prasath, "Efficient light harvesting in dye sensitized solar cells using broadband surface plasmon resonance of silver nanoparticles with varied shapes and sizes," Mater. Lett. 193, 288-291 (2017). 

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  19. R. Krishnapriya, S. Praneetha, and A. V. Murugan, "Energy-efficient, microwave-assisted hydro/solvothermal synthesis of hierarchical flowers and rice grain-like ZnO nanocrystals as photoanodes for high performance dye-sensitized solar cells," CrystEngComm. 17, 8353-8367 (2015). 

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