[논문]코어/쉘 구조의 나노입자 제조 및 증착 공정을 활용한 염료감응 태양전지

정홍인; 유종렬; 박성호

doi:10.9713/kcer.2019.57.1.111

코어/쉘 구조의 나노입자 제조 및 증착 공정을 활용한 염료감응 태양전지
Dye-sensitized Solar Cells Utilizing Core/Shell Structure Nanoparticle Fabrication and Deposition Process 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.57 no.1, 2019년, pp.111 - 117

정홍인 (대진대학교 생명화학부) , 유종렬 (대진대학교 생명화학부) , 박성호 (대진대학교 생명화학부)

초록
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기상으로 전달된 Ti 전구체가 열 플라즈마에서 고순도의 결정질 코어-$TiO_2$로 합성됨과 동시에 기판에 바로 증착시킬 수 있는 공정을 제시한다. 제조된 코어-$TiO_2$는 외부에 노출되지 않는 상태에서 원자층증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)에 의하여 $Al_2O_3$로 코팅된다. 코어-$TiO_2$와 코팅된 쉘-$Al_2O_3$의 형태학적 특징은 transmission electron microscope (TEM) 및 transmission electron microscope - energy dispersive spectroscopy (TEM-EDS)를 통해 분석하였다. 제조된 코어-$TiO_2$/쉘-$Al_2O_3$ 나노입자의 전기적 특성은 염료감응 태양전지(dye-sensitized solar cell, DSSC)의 작동전극에 적용하여 평가하였다. Dynamic light scattering system (DLS), scanning electron microscope (SEM), X-ray Diffraction (XRD)을 통하여 코어-$TiO_2$의 평균입도, 성장속도 및 결정구조의 무게분율을 분석한 결과, 평균입도는 17.1 nm, 코어박막의 두께는 $20.1{\mu}m$이고 주 결정구조가 Anatase로 증착된 코어-$TiO_2$/쉘-$Al_2O_3$ 나노입자를 적용한 DSSC가 기존의 페이스트 방식으로 제작한 DSSC보다 더 높은 광효율을 보여준다. 기존의 페이스트방식을 활용한 DSSC의 에너지변환효율 4.99%에 비하여 선택적으로 조절된 코어-$TiO_2$/쉘-$Al_2O_3$ 나노입자를 작동전극으로 사용한 경우가 6.28%로 26.1% 더 높은 광효율을 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study proposed the fabrication and deposition of high purity crystalline $core-TiO_2/shell-Al_2O_3$ nanoparticles. Morphological properties of $core-TiO_2$ and coated $shell-Al_2O_3$ were confirmed by transmission electron microscope (TEM) and transmission electron microscope - energy dispersive spectroscopy (TEM-EDS). The electrical properties of the prepared $core-TiO_2/shell-Al_2O_3$ nanoparticles were evaluated by applying them to a working electrode of a Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC). The particle size, growth rate and the main crystal structure of $core-TiO_2$ were analyzed through dynamic light scattering system (DLS), scanning electron microscope (SEM) and X-ray diffraction (XRD). The $core-TiO_2$, which has a particle size of 17.1 nm, a thin film thickness of $20.1{\mu}m$ and a main crystal structure of anatase, shows higher electrical efficiency than the conventional paste-based dye-sensitized solar cell (DSSC). In addition, the energy conversion efficiency (6.28%) of the dye-sensitized solar cell (DSSC) using the $core-TiO_2/shell-Al_2O_3$ nanoparticles selectively controlled to the working electrode is 26.1% higher than the energy conversion efficiency (4.99%) of the dye-sensitized solar cell (DSSC) using the conventional paste method.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. (a) Equipment for fabrication and deposition of nanoparticles of core/shell structure. (b) A schematic diagram of nanoparticle manufacturing process using microwave plasma-torch. (c) A schematic diagram of atomic layer deposition process.
그림 Fig. 2. (a) SEM image of high purity core-TiO₂ deposited on substrate for 8 minutes. (b) SEM image of high purity core-TiO₂ deposited on a substrate for 24 minutes. (c) TEM image of shell-Al₂O₃ coated with ALD process to 100 cycles. (d) TEM image of shell-Al₂O₃ coated with ALD process to 150 cycles.
그림 Fig. 3. Graph of core-TiO₂ thickness deposited on substrate by microwave plasma-torch according to the process time and shell-Al₂O₃ Thickness coated with ALD process according to cycles.
$Fig. 4. EDS patterns and atomic fraction of core-TiO2/shell-Al2O3 nanoparticle.$ 그림 Fig. 4. EDS patterns and atomic fraction of core-TiO₂/shell-Al₂O₃ nanoparticle.
표 Table 1. Growthrate of core-TiO₂ according to Process condition of microwave plasma-torch
그림 Fig. 5. XRD pattern of crystal structure with H₂ gas injection amount.
그림 Fig. 6. Photocurrent voltage characteristics of DSSC fabricated with different working electrode.
$Table 2. Weight fraction anatase and rutile and TiO2 nanoparticle size according to the amount of H2 gas injected$ 표 Table 2. Weight fraction anatase and rutile and TiO₂ nanoparticle size according to the amount of H₂ gas injected
표 Table 3. Photovoltaic parameters of DSSC manufactured with different working electrode
그림 Fig. 7. Photocurrent voltage characteristics of DSSC fabricated accord-ing to particle size and crystal structure.
표 Table 4. Photovoltaic parameters of DSSC fabricated according to particle size and crystal structure

AI 본문요약
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문제 정의

합성된 코어-TiO₂는 챔버 내부에서 즉각적으로 기판에 증착되었기 때문에 순도가 높고 오염물질에 의한 전자의 유실을 감소시킬 수 있으며, 코어-TiO₂에 코팅된 쉘-Al₂O₃은 반도체 나노입자와 전해질 간의 전기적 퍼텐셜 장벽을 형성하여 재결합으로 인한 전자의 손실을 감소시킬 수 있어 DSSC의 에너지 변환효율을 향상시킬 수 있다[18]. 따라서 본 연구에서는 코어/쉘 구조를 갖는 고순도의 결정질 나노입자를 기판에 바로 증착시킬 수 있는 공정기술을 작동전극에 적용하여 DSSC의 에너지변환 효율이 개선되는 것을 보여준다.
본 연구에서는 기상으로 전달된 Ti 전구체가 열 플라즈마에서 코어-TiO₂로 합성됨과 동시에 바로 기판에 증착되어 박막을 형성시키며, 외부 노출 없이 원자층증착법(atomic layer deposition, ALD)을 수행함으로서 쉘-Al₂O₃을 코어-TiO₂에 코팅하여 코어/쉘 구조의 나노입자를 DSSC의 작동전극에 적용한 연구결과를 정리하였다. 합성된 코어-TiO₂는 챔버 내부에서 즉각적으로 기판에 증착되었기 때문에 순도가 높고 오염물질에 의한 전자의 유실을 감소시킬 수 있으며, 코어-TiO₂에 코팅된 쉘-Al₂O₃은 반도체 나노입자와 전해질 간의 전기적 퍼텐셜 장벽을 형성하여 재결합으로 인한 전자의 손실을 감소시킬 수 있어 DSSC의 에너지 변환효율을 향상시킬 수 있다[18].

제안 방법

1 μm의 박막을 형성하여 작동전극에 적용하였다. H₂ 유량에 따라 평균 입도 및 TiO₂ 의 결정구조(anatase and rutile)의 분율이 조절되며, DSSC에적용한 나노입자는 평균 입도 17.1 nm이며 anatase의 분율은 76%로 조절하여 작동전극에 적용하였다. Microwave plasma-torch에 의하여 제조 및 증착된 TiO₂ 나노입자는 외부노출 없이 ALD chamber로 이동된다.
고순도의 결정질 코어-TiO₂를 열 플라즈마를 이용하여 FTO 기판에 제조와 동시에 증착키시고 원자층증착법으로 쉘-Al₂O₃를 코팅하여 합성된 코어-TiO₂/쉘-Al₂O₃ 나노입자를 DSSC의 작동전극으로 적용하여 전기적 특성을 평가하였다. 제작된 기판의 SEM을통해 코어-TiO₂가 성공적으로 기판에 증착된 것과 선택적인 코어박막 두께조절이 가능함을 보였으며, TEM을 통해 코어-TiO₂에 쉘-Al₂O₃가 코팅된 것을 확인할 수 있었다.
더불어 입자크기와 결정구조의 분율을 H2 가스의 주입량으로 조절하여, 주 결정구조가 rutile이고 평균입도가 25.2 nm인코어-TiO2/쉘-Al2O3 나노입자와 주 결정구조가 anatase이고 평균입도 17.1 nm인 코어-TiO2/쉘-Al2O3 나노입자를 각각 적용한 DSSC를 비교분석하였다.
또한 Ar 가스와 O2 가스의 유량에 대한 성장속도는 2~10 L/min의 범위에서 조사하였으며, O2 유량 3 L/min에서 1.23 μm/min, Ar 가스의 유량 10 L/min에서 3.25 μm/min의 성장속도를 갖는다.
의 형태를 확인하였다. 또한, 투과전자현미경-에너지 분산형 X-선 분광계(transmission electron microscope - energy dispersive X-ray spectrometer)를 이용하여 코어-TiO₂와 쉘-Al₂O₃ 의 조성을 확인하였다. 코어-TiO₂의 입자사이즈는 dynamic light scattering system (DLS)을 이용하여 측정하고, 결정구조의 분율을 X-ray diffraction (XRD, D/MAX-2200Ultima/PC, Rigaku, Japan)을 통하여 평가하였다.
사이클 당 1 Å의 두께로 쉘이 형성되며, 10 사이클의 ALD 공정을 진행한 쉘을 작동전극에 적용하였다.
전극 간의 접합은 200^oC의 온도에서 고분자인 설린이 녹아서 형성된다. 상대전극에 형성되어있는 구멍에 전해액을 주입시킨 뒤, 고분자 필름과 커버글라스를 이용하여 구멍을 봉합하였다.
2-4. 염료감응 태양전지의 제작

작동전극 제작을 위해 세척된 FTO 기판에 microwave plasmatorch를 이용하여 코어-TiO₂를 증착시킨 후 ALD를 이용하여 쉘-Al₂O₃를 코팅하고, 전극을 450^oC에서 1시간동안 열처리 한다. 열처리가 끝난 전극을 0.
작동전극과 상대전극을 샌드위치 모양으로 조립하고, 50 μm두께의 설린(surlyn, DuPont)에 의해 접합시켰다.
코어-TiO₂의 입자사이즈는 dynamic light scattering system (DLS)을 이용하여 측정하고, 결정구조의 분율을 X-ray diffraction (XRD, D/MAX-2200Ultima/PC, Rigaku, Japan)을 통하여 평가하였다. 제작된 쉘-Al₂O₃가 코팅된 코어-TiO₂의 전기적 특성을 확인하기 위하여 DSSC의 작동전극을 제작하였다. 제조된 DSSC의 광 전기화학적인 특성 평가는 100 mW/cm² , AM 1.
제작된 작동전극은 고해상도 주사전자현미경(high resolution scanning electron microscope, JEOL JSM 7000F)으로 박막의 성장률을 확인하였고, 투과전자현미경(transmission electron microscope, JEOL JEM-2100F)을 이용하여 코어-TiO₂에 코팅된 쉘-Al₂O₃의 형태를 확인하였다. 또한, 투과전자현미경-에너지 분산형 X-선 분광계(transmission electron microscope - energy dispersive X-ray spectrometer)를 이용하여 코어-TiO₂와 쉘-Al₂O₃ 의 조성을 확인하였다.
또한, 투과전자현미경-에너지 분산형 X-선 분광계(transmission electron microscope - energy dispersive X-ray spectrometer)를 이용하여 코어-TiO₂와 쉘-Al₂O₃ 의 조성을 확인하였다. 코어-TiO₂의 입자사이즈는 dynamic light scattering system (DLS)을 이용하여 측정하고, 결정구조의 분율을 X-ray diffraction (XRD, D/MAX-2200Ultima/PC, Rigaku, Japan)을 통하여 평가하였다. 제작된 쉘-Al₂O₃가 코팅된 코어-TiO₂의 전기적 특성을 확인하기 위하여 DSSC의 작동전극을 제작하였다.

대상 데이터

999%) 가스를 사용하였다. Al₂O₃을 코팅하기 위한 전구체인 Al(CH₃)₃ (TMA)은 CN1 회사로부터 공급받아 사용하였다. DSSC 제작을 위한 TCO (transparent conducting electrode) 전극은 우양지엠에스(GMC) 회사로부터 구입한 FTO (fluorine-doped tin oxide, 10 Ω/cm² , Pilkington)를 증류수와 아세톤을 이용하여 초음파 세척 후 질소 분위기에서 건조시켜 사용하였다.
DSSC 제작을 위한 TCO (transparent conducting electrode) 전극은 우양지엠에스(GMC) 회사로부터 구입한 FTO (fluorine-doped tin oxide, 10 Ω/cm2 , Pilkington)를 증류수와 아세톤을 이용하여 초음파 세척 후 질소 분위기에서 건조시켜 사용하였다.
FTO 투명전극을 기판으로 사용하였고, 전극은 증류수와 아세톤을 이용하여 초음파 세척 후 질소 분위기에서 건조시켰다. FTO를 나노입자 제조 및 증착장비 홀더에 고정시킨 후 마이크로파의 반사와 반응기의 냉각을 위하여 15 ^oC의 냉각수를 2 l/min으로 reactor와 isolator에 흘려주었다.
9%)는 Sigma Aldrich로부터 구매하여 bubble-type canister에 밀봉하여 사용하였다. 마이크로파 플라즈마-토치의 swirl gas 및 axial gas로써 고순도 Ar 가스(99.999%), 고순도 O₂가스 (99.999%), 고순도 H₂ 가스(99.999%) 를 사용하였고, 원자층증착(atomic layer deposition, ALD) 시스템의 Purging gas로 고순도 N₂(99.999%) 가스를 사용하였다. Al₂O₃을 코팅하기 위한 전구체인 Al(CH₃)₃ (TMA)은 CN1 회사로부터 공급받아 사용하였다.
코어-TiO2의 전구체로 TiCl4 (ReagentPlus ® , 99.9%)는 Sigma Aldrich로부터 구매하여 bubble-type canister에 밀봉하여 사용하였다.
DSSC 제작을 위한 TCO (transparent conducting electrode) 전극은 우양지엠에스(GMC) 회사로부터 구입한 FTO (fluorine-doped tin oxide, 10 Ω/cm² , Pilkington)를 증류수와 아세톤을 이용하여 초음파 세척 후 질소 분위기에서 건조시켜 사용하였다. 페이스트 방식의 DSSC에 사용되는 TiO₂ powder (nanopowder, TiO₂ anatase, 98% pure, APS: 30 nm)는 mkNANO로부터 구매하였다. 페이스트 방식의 염료감응 태양전지에 사용되는 TiO₂ powder (nanopowder, TiO₂ anatase, 98% pure, APS: 20 nm)는 mkNANO 로부터 구매하였다.
페이스트 방식의 DSSC에 사용되는 TiO₂ powder (nanopowder, TiO₂ anatase, 98% pure, APS: 30 nm)는 mkNANO로부터 구매하였다. 페이스트 방식의 염료감응 태양전지에 사용되는 TiO₂ powder (nanopowder, TiO₂ anatase, 98% pure, APS: 20 nm)는 mkNANO 로부터 구매하였다.

데이터처리

결정구조의 무게분율과 평균입도 분석결과를 나타낸다. 각 조건에 따라 합성된 코어-TiO₂ 의 결정구조를 XRD를 통하여 분석하였고(Fig. 5), DLS를 이용하여 평균입도를 측정하였다. H₂ 가스가 주입되지 않는 순수한 산소 플라즈마에서 anatase의 무게분율은 67%로 rutile보다 높게 측정되었다고, H₂ 가스가 30 sccm으로 주입될 때 anatase의 무게분율이 76%로 가장 높고 17.
제작된 쉘-Al₂O₃가 코팅된 코어-TiO₂의 전기적 특성을 확인하기 위하여 DSSC의 작동전극을 제작하였다. 제조된 DSSC의 광 전기화학적인 특성 평가는 100 mW/cm² , AM 1.5의 조건으로 solar simulator (Peccell Technologies, PEC-L11) 및 photocurrent-voltage (I-V) curve analyzer (Peccell Technologies, Inc., PECK2400-N, version 2.1)를 이용하여 I-V 곡선을 나타냈고, I-V 곡선을 통하여 에너지 변환효율을 계산하였다.

성능/효과

1 nm로 가장 작은 입자사이즈를 갖는 것을 확인하였다. H₂ 가스 주입이 없는 경우는 속도론적 안정성이 우세한 anatase의 결정구조가 더 많았고, 소량의 30 sccm의 H₂ 가스가 주입 되면 아래 반응 (1)과 같은 산소의 환원을 돕는 H₂ 의 작용으로 반응속도가 증가하여 속도론적 안정성이 높은 anatase가 더 증가하게 되었다. 또한 반응속도 증가로 TiO₂ -시드(seed)를 형성을 도와 평균입도가 감소하는 결과를 보였다.
5), DLS를 이용하여 평균입도를 측정하였다. H₂ 가스가 주입되지 않는 순수한 산소 플라즈마에서 anatase의 무게분율은 67%로 rutile보다 높게 측정되었다고, H₂ 가스가 30 sccm으로 주입될 때 anatase의 무게분율이 76%로 가장 높고 17.1 nm로 가장 작은 입자사이즈를 갖는 것을 확인하였다. H₂ 가스 주입이 없는 경우는 속도론적 안정성이 우세한 anatase의 결정구조가 더 많았고, 소량의 30 sccm의 H₂ 가스가 주입 되면 아래 반응 (1)과 같은 산소의 환원을 돕는 H₂ 의 작용으로 반응속도가 증가하여 속도론적 안정성이 높은 anatase가 더 증가하게 되었다.
88%로 측정된 것을 나타내었고, 일부의 Ti 성분은 코어에서 기인한 것이다. TEM 사진의 2번 박스는 코어부분으로 O, Al, Ti의 원자분율은 각각 69.19%, 17.10%, 13.69 %로 확인되었다. 측정된 Al은 코어를 둘러싼 쉘에서 나온 성분으로 코어를 쉘이 잘 둘러싼 구조임을 알 수 있다.
나노입자로 제작한 DSSC의 I-V 특성을 Table 3에 정리하였다. 기존 페이스트 방식의 DSSC의 V_oc , J_sc 는 활성전극면적 0.453 cm² 에서 각각 0.723 V, 9.62 mA/cm²의 측정값에 비해 고순도 코어-TiO₂/쉘-Al₂O₃ 나노입자로 제작한 DSSC의 V_oc, J_sc 는 활성전극면적 0.428 cm² 에서 각각 0.775 V, 10.9 mA/cm² 으로 전류와 전압이 모두 높은 것을 확인할 수 있었으며, 식 (3)과 (4)를 이용하여 계산된 fill factor와 광효율도 각각 71.6%에서 74.2%, 4.98%에서 6.30%로 증가하였다. Table 3에 대한 측정 그래프를 Fig.
추가적으로 TEM-EDS 분석을 통해 코어물질 (TiO₂)과 쉘 물질(Al₂O₃)의 조성을 분석하여 성공적으로 제조되었음을 검증하고, 공정조건에 따라 코어의 크기와 쉘의 두께조절이 가능함을 확인하였다. 기존의 페이스트 방식과 증착된 고순도 코어-TiO₂/쉘-Al₂O₃ 나노입자를 이용한 방식을 각각 적용한 DSSC의 에너지변환효율을 측정한 결과, 기존방식의 광효율 대비 고순도 코어-TiO₂/쉘-Al₂O₃ 나노입자를 사용한 방식의 광효율이 26.1% 향상되는 결과를 얻을 수 있었다. 이는 페이스트방식에서 TiO₂ 나노입자를 증착하기 위해 사용되는 첨가제와 후속공정에 의한 전극의 오염을 고순도 코어-TiO₂/쉘-Al₂O₃ 나노입자로 대신함으로서 얻은 결과이다.
H₂ 가스 주입이 없는 경우는 속도론적 안정성이 우세한 anatase의 결정구조가 더 많았고, 소량의 30 sccm의 H₂ 가스가 주입 되면 아래 반응 (1)과 같은 산소의 환원을 돕는 H₂ 의 작용으로 반응속도가 증가하여 속도론적 안정성이 높은 anatase가 더 증가하게 되었다. 또한 반응속도 증가로 TiO₂ -시드(seed)를 형성을 도와 평균입도가 감소하는 결과를 보였다. 하지만 H₂ 가스가 60~300 sccm으로 주입량이 증가함에 따라서 플라즈마의 온도가 상승하게 되고, 고온에서 anatase 보다 열역학적으로 안정한 rutile 구조의 무게분율은 39~86%까지 증가하는 것을 확인할 수 있었다[19].
이러한 트랩준위는 전달해야하는 전자를 포획함으로서 전도성 감소와 전자손실을 유발시키고, 나노입자로 전달된 전자가 작동전극으로 확산되지 못하고 전해질과 염료로 재결합하는 문제점을 발생하게 된다. 이러한 문제를 고순도 코어-TiO₂/쉘-Al₂O₃ 나노입자 증착공정으로 개선함으로써 광효율을 개선할 수 있었고, 쉘-Al₂O₃는 반도체 나노입자와 전해질 혹은 염료간의 전기적 퍼텐셜 장벽을 형성하여 재결합 속도를 지연시켜 DSSC의 에너지 변환효율을 향상시킬 수 있었다. 더불어 입자크기와 결정구조의 분율을 H₂가스의 주입량으로 조절하여, 주 결정구조가 rutile이고 평균입도가 25.
1 nm인 코어-TiO2/쉘-Al₂O₃ 나노입자를 각각 적용한 DSSC를 비교분석하였다. 작은 입도평균으로 표면적이 넓어 염료의 흡착량이 높고, 광활성도가 좋은 anatase 결정구조를 갖는 나노입자를 적용한 후자의 광효율이 16.3% 높은 것을 확인할 수 있었다.
나노입자를 DSSC의 작동전극으로 적용하여 전기적 특성을 평가하였다. 제작된 기판의 SEM을통해 코어-TiO₂가 성공적으로 기판에 증착된 것과 선택적인 코어박막 두께조절이 가능함을 보였으며, TEM을 통해 코어-TiO₂에 쉘-Al₂O₃가 코팅된 것을 확인할 수 있었다. 추가적으로 TEM-EDS 분석을 통해 코어물질 (TiO₂)과 쉘 물질(Al₂O₃)의 조성을 분석하여 성공적으로 제조되었음을 검증하고, 공정조건에 따라 코어의 크기와 쉘의 두께조절이 가능함을 확인하였다.
제작된 기판의 SEM을통해 코어-TiO₂가 성공적으로 기판에 증착된 것과 선택적인 코어박막 두께조절이 가능함을 보였으며, TEM을 통해 코어-TiO₂에 쉘-Al₂O₃가 코팅된 것을 확인할 수 있었다. 추가적으로 TEM-EDS 분석을 통해 코어물질 (TiO₂)과 쉘 물질(Al₂O₃)의 조성을 분석하여 성공적으로 제조되었음을 검증하고, 공정조건에 따라 코어의 크기와 쉘의 두께조절이 가능함을 확인하였다. 기존의 페이스트 방식과 증착된 고순도 코어-TiO₂/쉘-Al₂O₃ 나노입자를 이용한 방식을 각각 적용한 DSSC의 에너지변환효율을 측정한 결과, 기존방식의 광효율 대비 고순도 코어-TiO₂/쉘-Al₂O₃ 나노입자를 사용한 방식의 광효율이 26.
코어-TiO 2 표면에 쉘의 두께가 1 Å/cycle 로 성장한다는 것을 확인하였다.
7과 Table 4는 다른 입자사이즈와 결정구조를 갖는 코어-TiO₂ /쉘-Al₂O₃ 나노입자로 제작한 DSSC의 I-V 특성을 보여준다. 평균 입도가 25.2 nm이고 주 결정구조가 rutile인 코어-TiO₂로 제작한 DSSC의 V_oc과 J_sc 는 활성전극면적 0.453 cm² 에서 각각 0.744 V, 10.748 mA/cm² 을 보이며, 평균입도가 17.1 nm이고 주 결정구조가 anatase인 코어-TiO₂로 제작한 DSSC의 V_oc과 J_sc는 활성전극면적 0.425 cm²에서 각각 0.775 V, 10.922 mA/cm²이였다. 평균입도가 작고 광활성도가 큰 anatase 결정구조의 DSSC가 fill factor와 광효율 측면에서 각각 67.
922 mA/cm²이였다. 평균입도가 작고 광활성도가 큰 anatase 결정구조의 DSSC가 fill factor와 광효율 측면에서 각각 67.4%에서 74.2%, 5.39%에서 6.28%로 더 좋은특성을 보였고, 광효율은 16.3% 더 향상되었다. 이와 같은 현상은소량의 H₂ 첨가시 코어의 평균입도의 감소를 유발시키고, 작은 입자의 표면적 상승은 더 많은 염료흡착으로 전자의 생산량을 증가시킨 것으로 여겨진다.
플라즈마 파워에 따른 성장속도는 0.5 kw에서 2.50 μm/min의 값부터 2 kw에서 3.25 μm/min의 값을 갖으며, 플라즈마 파워가 강해질수록 성장속도는 증가했다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DSSC의 구성요소는 무엇인가?	특히, 1991년 Gratzel 교수가 염료감응 태양전지(dye-sensitized solar cell, DSSC)의 작동전극에 TiO2를 적용하여 높은 효율과 환경 친화성, 그리고 가격적인 면에서의 장점을 보여주어 DSSC는 차세대 태양전지로 각광 받고 있다[1,2]. DSSC는 일반적으로 작동전극(working electrode), 상대전극(counter electrode), 염료(sensitizer) 및 전해질(electrolyte)로 이루어진다. 이 중 작동전극은 SnO2, ZnO, Fe2O3와 같은 넓은 밴드 갭을 갖는 전이금속 산화물들도 이용되지만 주로 TiO2가 이용되고 있다[3-5].
	DSSC의 주된 문제점은 무엇인가?	이 중 작동전극은 SnO2, ZnO, Fe2O3와 같은 넓은 밴드 갭을 갖는 전이금속 산화물들도 이용되지만 주로 TiO2가 이용되고 있다[3-5]. DSSC의 주된 문제점으로 작동전극에 코팅된 나노입자에서의 전도성이나 나노입자와 전해질사이의 재결합 현상이다. 나노입자의 전도성을 향상시키고 전자와 홀의 재결합을 방지하기 위한 방법이 연구되고 있는데 밴드 갭이 다른 금속산화물의 사용[6]이나 1차원의 나노소자의 도입 등 이 있다[7-9].
	기존 페이스트 방식으로 제작된 작동전극이 오염물질에 노출되어 형성되는 트랩준위는 어떤 문제 현상을 유발하는가?	기존 페이스트 방식으로 제작된 작동전극은 복잡한 공정을 거치면서 오염 물질에 노출되게 되고 이로 인한 불순물은 반도체 나노입자의 밴드 갭 내에 도핑 되어 트랩준위를 형성하게 된다. 이러한 트랩준위는 전달해야하는 전자를 포획함으로서 전도성 감소와 전자손실을 유발하게 된다[18]. 또한 반도체 나노입자로 전달된 전자가 작동전극으로 확산되지 못하고 전해질과 재결합하는 현상도 발생하게 된다. 반도체 나노입자 층으로 전자가 주입되는 속도(nano second)는 빠르지만 나노입자 층을 통과하는 확산속도(milli second)는 상대적으로 느리기 때문에 밴드 갭 내의 트랩준위는 확산되는 전자들을 포획하여 전해질의 I3 - 이온이나 염료의 HOMO로 재결합되는 현상이 발생하게 된다[13-17].

참고문헌 (23)

O'Regan, B. and Gratzel, M., "A Low-Cost, High-Efficiency Solar Cell Based on Dye-Sensitized Colloidal $TiO_2$ Films," Nature., 353, 737-740(1991).

상세보기
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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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