[논문]나노튜브 전극을 기반으로 한 플렉서블 양자점 감응 태양전지

김재엽

doi:10.4150/kpmi.2019.26.1.45

나노튜브 전극을 기반으로 한 플렉서블 양자점 감응 태양전지
Flexible Cu-In-Se Quantum Dot-Sensitized Solar Cells Based on Nanotube Electrodes 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.26 no.1, 2019년, pp.45 - 48

Abstract ▼ AI-Helper

Quantum dots (QDs) are an attractive material for application in solar energy conversion devices because of their unique properties including facile band-gap tuning, a high-absorption coefficient, low-cost processing, and the potential multiple exciton generation effect. Recently, highly efficient quantum dot-sensitized solar cells (QDSCs) have been developed based on CdSe, PbS, CdS, and Cu-In-Se QDs. However, for the commercialization and wide application of these QDSCs, replacing the conventional rigid glass substrates with flexible substrates is required. Here, we demonstrate flexible CISe QDSCs based on vertically aligned $TiO_2$ nanotube (NT) electrodes. The highly uniform $TiO_2$ NT electrodes are prepared by two-step anodic oxidation. Using these flexible photoanodes and semi-transparent Pt counter electrodes, we fabricate the QDSCs and examine their photovoltaic properties. In particular, photovoltaic performances are optimized by controlling the nanostructure of $TiO_2$ NT electrodes.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

본 연구에서는 Fig. 1(a)에서 보듯이 플렉서블한 Ti 호일기판을 기반으로 하여 TiO₂ 나노튜브 전극을 제작하였으며 이를 양자점 감응 태양전지에 응용하였다. Fig.
나노튜브 전극을 합성하였다[7]. 0.25 wt% NH₄F, 2 wt% 증류수 용액에 Ti 호일(Good fellow, 0.25 cm 두께)을 넣어 양극 산화를 진행하였으며, 상대전극으로는 Pt mesh를 활용하였다. 60 V의 직류 전압을 가하여 2시간 동안 일차 양극 산화를 진행한 후 증류수에 넣고 초음파 분산기를 통해 Ti 호일 표면에 생성된 TiO₂나노튜브를 제거하였다.
Cu-In-Se 콜로이드 양자점을 기존 문헌에 보고된 방법에 따라 합성하였다[3]. Dichloromethane에 분산된 콜로이드양자점 용액에 고온 열처리를 거친 TiO₂ 나노튜브 전극을 24시간 동안 담지하여 전극 표면에 양자점을 코팅하였다. 이후 광전극 표면에 successive ionic layer adsorption and reaction(SILAR) 방법을 통해 ZnS 층을 코팅하였다.
나노튜브의 구조를 주사전자 현미경(scanningelectron microscope; SEM, Carl Zeiss SUPRA55VP)과 투과전자 현미경(transmission electron microscope; TEM)을통해 관찰하였다. TiO₂ 나노튜브 전극 위에 코팅된 양자점의 화학적 특성은 X-ray photoelectron spectroscopy(XPS,AXIS SUPRA, Kratos Inc.)를 사용하여 분석하였다. 양자점 감응 태양전지의 전류밀도-전압(J-V) 특성은 solarsimulator(XIL model 05A50KS, 500 W 제논 램프)를 사용하여 AM 1.
TiO₂ 나노튜브의 구조를 주사전자 현미경(scanningelectron microscope; SEM, Carl Zeiss SUPRA55VP)과 투과전자 현미경(transmission electron microscope; TEM)을통해 관찰하였다. TiO₂ 나노튜브 전극 위에 코팅된 양자점의 화학적 특성은 X-ray photoelectron spectroscopy(XPS,AXIS SUPRA, Kratos Inc.
나노튜브 길이에 따른 광전기화학 특성을 더 상세히 분석하기 위해 Fig. 4(b)에서 보듯이 전기화학 임피던스 분석을 수행하였다. 얻은 결과를 Fig.
5G, one sun 조건에서 분석하였다. 또한 전기화학 임피던스 분석을 위해 Solartron 1287 potentiostat과 Solartron 1260 frequency-response detector를 사용하였으며, -0.4 V bias potential에서 임피던스 스펙트럼을 얻었다.이 때, 10 mV의 sinusoidal perturbation을 가하였으며 주파수는 0.
이후 열접착 필름(Surlyn, 두께: 60 μm)을 사용하여 TiO₂ 나노튜브 전극과 Pt 상대전극을 결합하였다. 마지막으로 소자 내에1 M S, 1 M Na₂S 의 증류수 용액을 전해질로 주입하여 최종적으로 Fig. 1과 같은 구조의 양자점 감응 태양전지를 제작하였다.
본 연구에서는 양극 산화법으로 합성한 플렉서블한 TiO₂ 나노튜브 전극을 양자점 감응 태양전지에 적용하였다. Two-step 양극 산화법에 의해 비교적 대면적에서 균일한 나노구조를 보이는 전극을 합성할 수 있었다.
본 연구에서는 플렉서블한 Ti 금속 호일(foil) 위에 전기화학 양극 산화법(anodic oxidation)으로 TiO₂ 나노튜브 전극을 합성하고, 이를 양자점 감응 태양전지에 응용하였다. 특별히 two-step 양극 산화법을 통해 대면적에서 균일한 구조의 TiO₂ 나노튜브 전극을 합성하였으며, 광흡수 물질로서 Cu-In-Se 양자점을 활용하였다.
양극 산화 시간을 1, 2,3, 4시간 진행 시 나노튜브의 길이는 각각 10, 20, 30,40 μm를 지님을 확인하였다.
양극 산화 시간의 조절을 통해 나노튜브의 길이를 10~40 μm로 변화시켰으며, 나노튜브 길이에 따라 태양전지 성능이 어떻게 달라지는지 분석하였다.
)를 사용하여 분석하였다. 양자점 감응 태양전지의 전류밀도-전압(J-V) 특성은 solarsimulator(XIL model 05A50KS, 500 W 제논 램프)를 사용하여 AM 1.5G, one sun 조건에서 분석하였다. 또한 전기화학 임피던스 분석을 위해 Solartron 1287 potentiostat과 Solartron 1260 frequency-response detector를 사용하였으며, -0.
이후 열접착 필름(Surlyn, 두께: 60 μm)을 사용하여 TiO2 나노튜브 전극과 Pt 상대전극을 결합하였다.
1(b)에서 보듯이 고온 열처리 후 나노튜브 전극 표면에 Cu-InSe 양자점이 효과적으로 코팅됨을 알 수 있다. 제작한 플렉서블 광전극은 불투명하기 때문에 back-side illumination을 위하여 반투명한 Pt 상대전극을 활용하여 태양전지를 제작하였다(Fig. 2(c)).
나노튜브 전극을 합성하고, 이를 양자점 감응 태양전지에 응용하였다. 특별히 two-step 양극 산화법을 통해 대면적에서 균일한 구조의 TiO₂ 나노튜브 전극을 합성하였으며, 광흡수 물질로서 Cu-In-Se 양자점을 활용하였다. 양극 산화 시간의 조절을 통해 나노튜브의 길이를 10~40 μm로 변화시켰으며, 나노튜브 길이에 따라 태양전지 성능이 어떻게 달라지는지 분석하였다.

이론/모형

Cu-In-Se 콜로이드 양자점을 기존 문헌에 보고된 방법에 따라 합성하였다[3]. Dichloromethane에 분산된 콜로이드양자점 용액에 고온 열처리를 거친 TiO₂ 나노튜브 전극을 24시간 동안 담지하여 전극 표면에 양자점을 코팅하였다.
Pt 상대전극은 열분해법(thermal decomposition)을 통해F-doped SnO₂(FTO) 기판에 제작하였다. FTO 기판 위에 5 mM H₂PtCl₆의 isopropanol 용액을 떨어뜨린 뒤 400℃공기 중에서 15분 동안 열처리를 진행하였다.
Two-step 양극 산화법으로 TiO₂ 나노튜브 전극을 합성하였다[7]. 0.
Dichloromethane에 분산된 콜로이드양자점 용액에 고온 열처리를 거친 TiO₂ 나노튜브 전극을 24시간 동안 담지하여 전극 표면에 양자점을 코팅하였다. 이후 광전극 표면에 successive ionic layer adsorption and reaction(SILAR) 방법을 통해 ZnS 층을 코팅하였다. 즉, 먼저 0.

성능/효과

Two-step 양극 산화법에 의해 비교적 대면적에서 균일한 나노구조를 보이는 전극을 합성할 수 있었다. 고온 열처리 후 TiO₂ 나노튜브 전극 표면에 Cu-In-Se 양자점이 효과적으로 코팅되었으며, XPS 분석결과 양자점 표면은 부분적으로 산화됨을 알 수 있었다. 나노튜브 길이를 10~40μm로 변화시켜가며 태양전지 성능을 분석하였는데, 나노튜브의 길이가 길어질수록 광전류는 증가하지만 광전압은 지속적으로 감소함을 알 수 있었다.
나노튜브 길이를 10~40μm로 변화시켜가며 태양전지 성능을 분석하였는데, 나노튜브의 길이가 길어질수록 광전류는 증가하지만 광전압은 지속적으로 감소함을 알 수 있었다.
피팅한 결과 나노튜브의 길이가 10, 20, 30, 40 μm로 증가할수록 Rct 값이 각각874, 580, 455, 192 Ω·cm2로 감소하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	양자점의 장점은 무엇인가?	이러한반도체 나노 입자를 일반적으로 양자점(quantum dot)이라일컫는다. 양자점은 크기가 작을수록 밴드갭이 커지기 때문에 광학 성질의 조절이 쉽다는 장점을 지니며, 몰 흡광계수(molar absorption coefficient)가 크기 때문에 태양전지 소재로 큰 관심을 받아왔다. 또한, 하나의 광자(photon)를 흡수하여 광전자(photoelectron)를 두 개 이상여기(excitation)시킬 수 있는 특성 때문에 태양전지에 응용 시 이론 효율을 뛰어넘을 수 있다는 가능성이 입증된바 있다[1-3].
	본 연구에서 플렉서블 양자점 감응 태양전지 제작을 위해 고안한 방법은 무엇인가?	본 연구에서는 플렉서블한 Ti 금속 호일(foil) 위에 전기화학 양극 산화법(anodic oxidation)으로 TiO2 나노튜브 전극을 합성하고, 이를 양자점 감응 태양전지에 응용하였다.특별히 two-step 양극 산화법을 통해 대면적에서 균일한구조의 TiO2 나노튜브 전극을 합성하였으며, 광흡수 물질로서 Cu-In-Se 양자점을 활용하였다.
	양자점(quantum dot)은 무엇인가?	반도체 물질을 그 물질의 보어 반지름(Bohr radius) 이하의 나노 크기로 만들었을 때 양자구속효과(quantumconfinement effect)에 의해 벌크 상태(bulk state) 보다 더큰 광학 밴드갭(optical band-gap)을 지니게 된다. 이러한반도체 나노 입자를 일반적으로 양자점(quantum dot)이라일컫는다. 양자점은 크기가 작을수록 밴드갭이 커지기 때문에 광학 성질의 조절이 쉽다는 장점을 지니며, 몰 흡광계수(molar absorption coefficient)가 크기 때문에 태양전지 소재로 큰 관심을 받아왔다.

참고문헌 (10)

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동의어: Packet Collision Rate

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