[논문]나노튜브 전극 기반 양자점 감응 태양전지 구현을 위한 투명한 상대전극

김재엽

doi:10.5695/jkise.2019.52.1.1

나노튜브 전극 기반 양자점 감응 태양전지 구현을 위한 투명한 상대전극
Transparent Counter Electrode for Quantum Dot-Sensitized Solar Cells with Nanotube Electrodes 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.52 no.1, 2019년, pp.1 - 5

Abstract ▼ AI-Helper

Anodic oxidized $TiO_2$ nanotube arrays are promising materials for application in photoelectrochemical solar cells as the photoanode, because of their attractive properties including slow electron recombination rate, superior light scattering, and smooth electrolyte diffusion. However, because of the opacity of these nanotube electrodes, the back-side illumination is inevitable for the application in solar cells. Therefore, for the fabrication of solar cells with the anodic oxidized nanotube electrodes, it is required to develop efficient and transparent counter electrodes. Here, we demonstrate quantum dot-sensitized solar cells (QDSCs) based on the nanotube photoanode and transparent counter electrodes. The transparent counter electrodes based on Pt electrocatalysts were prepared by a simple thermal decomposition methods. The photovoltaic performances of QDSCs with nanotube photoanode were tested and optimized depending on the concentration of Pt precursor solutions for the preparation of counter electrodes.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1 Schematic device structure of quantum dotsensitized solar cells employing a TiO₂ nanotube electrode with a semitransparent Pt counter electrode.
그림 Fig. 2 SEM images of the surface of (a) one-step anodic oxidized TiO₂ nanotube electrode, (b) pre-treated Ti substrate, and (c) two-step anodic oxidized TiO₂ nanotube electrode. (d) Cross-sectional SEM image of two-step anodic oxidized TiO₂ nanotube electrode.
그림 Fig. 3 (a) Photographs of the Pt precursor solutions and Pt-coated FTO glasses according to the concentration of Pt precursor solution. (b) Specular transmittance of Pt-coated FTO glasses according to the concentration of Pt precursor solution.
그림 Fig. 4 Surface SEM images of (a) bare FTO glass and (b) Pt-coated FTO glass.
그림 Fig. 5 (a) electrochemical impedance spectra and (b) photocurrent density-voltage (J-V) characteristics of Pt counter electrodes according to the concentration of Pt precursor solution. The inset in (a) shows the equivalent circuit model.
표 Table 1. Summary of J-V characteristics for quantum dot-sensitized solar cells with Pt counter electrodes according to the concentration of Pt precursor solution.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 양극 산화법으로 합성한 TiO₂ 나노튜브 전극을 양자점 감응 태양전지에 적용하기 위하여 반투명한 Pt 상대전극 제작 및 최적화하는 과정을 진행하였다. UV-vis 데이터와 SEM 분석을 통하여 FTO 기판 위에 코팅된 Pt가 상대전극의 투과도에 미치는 영향이 크지 않음을 알 수 있었다.

제안 방법

또한 전기화학 임피던스 분석은 Solartron 1287 potentiostat과 Solartron 1260 frequency-response detector를 사용하여 bias potential을 가하지 않고 수행하였다. 10 mV의 sinusoidal perturbation을 가하였으며 주파수는 0.1~100 kHz에서 분석하였다.
나노튜브의 구조 및 Pt 상대전극 표면을 주사전자 현미경 (scanning electron microscope; SEM, Carl Zeiss SUPRA55VP)을 통해 관찰하였다. Pt 상대전극의 투과도는 UV-vis spectroscopy (Agilent 8453)으로 분석하였다. 제작한 양자점 감응 태양전 지의 전류밀도-전압 (J-V) 특성은 solar simulator (XIL model 05A50KS, 500 W 제논 램프 사용)를 활용하여 AM 1.
Pt 전구체 용액의 농도가 증가하여 코팅된 Pt의 양이 증가할수록 상대전극의 촉매 활성이 어느 정도로 변화하는지 전기화학 임피던스 분석을 통해 알아보았다. 동일한 Pt 상대전극을 열접착 필름으로 조립하여 더미 셀 (dummy cell)을 만들고, 이 사이에 polysulfide 전해질을 주입하였다.
TIO₂ 나노튜브의 구조 및 Pt 상대전극 표면을 주사전자 현미경 (scanning electron microscope; SEM, Carl Zeiss SUPRA55VP)을 통해 관찰하였다. Pt 상대전극의 투과도는 UV-vis spectroscopy (Agilent 8453)으로 분석하였다.
나노튜브 전극을 two-step 양극 산화법에 의해 합성하였다 [3]. Ti foil (Goodfellow, 0.25 cm 두께)을 0.25 wt% NH₄F, 2 wt% 증류수 용액에 넣어 양극 산화를 진행하였으며, Pt 를 상대전극으로 활용하였다. 60 V의 직류 전압을 가하여 2시간 동안 양극 산화를 진행한 후 증류수에 넣어 초음파 분산기를 통해 표면에 생성된 TiO₂ 나노튜브를 제거하였다.
Pt 전구체 용액의 농도가 증가하여 코팅된 Pt의 양이 증가할수록 상대전극의 촉매 활성이 어느 정도로 변화하는지 전기화학 임피던스 분석을 통해 알아보았다. 동일한 Pt 상대전극을 열접착 필름으로 조립하여 더미 셀 (dummy cell)을 만들고, 이 사이에 polysulfide 전해질을 주입하였다. 전해질과 접한 전극 면적은 약 1 cm² 였다.
튜브 안 지름 및 벽 두께는 각각 60~70 nm, 15~20 nm 가량인 것을 알 수 있다. 두 단계 (two-step) 양극 산화를 통하여 보다 더 규칙적인 구조의 나노튜브 전극을 합성하기 위하여 일차 양극 산화를 통해 생성된 나노튜브를 초음파분산기로 제거하였다. 그림 2(b) 에서 보듯이 제거된 나노튜브 자국이 Ti foil에 남게 된다.
5G, one sun 조건에서 분석하였다. 또한 전기화학 임피던스 분석은 Solartron 1287 potentiostat과 Solartron 1260 frequency-response detector를 사용하여 bias potential을 가하지 않고 수행하였다. 10 mV의 sinusoidal perturbation을 가하였으며 주파수는 0.
이러한 SILAR 공정을 2회 반복하였다. 반투명한 Pt 상대전극을 제작하기 위해 FTO 유리기판 표면에 5~50 mM H₂ PtCl₆ 의 isopropanol 용액을 떨어뜨린 뒤 공기 중에서 15분 동안 400℃ 열처리를 진행하였다. 이후 열접착 필름 (Surlyn, 두께: 60 μm) 을 사용하여 나노튜브 전극에 부착하고, 1 M S, 1 M Na₂S 의 증류수 용액을 전해질로 주입하였다.
본 연구에서는 투명 전도성 기판인 F-doped SnO₂ (FTO) 유리 기판 표면 위에 열분해 (thermal decomposition) 방법을 통해 반투명한 Pt 상대전극을 제작하고, 이를 양자점 감응 태양전지에 응용하였다. 광전극으로는 양극 산화법에 의해 합성한 길이 15 μm 의 TiO₂ 나노튜브 전극을 활용하였다.
Cu-In-Se 콜로이드 양자점을 기존 문헌에 나온 방법대로 합성하여 활용하였다 [5]. 열처리를 거친 TiO₂나노튜브 전극을 dichloromethane에 분산된 콜로이드 양자점 용액에 24 시간 담지하여 양자점을 전극 표면에 코팅하였다. 이후, successive ionic layer adsorption and reaction (SILAR) 방법을 통해 ZnS 층을 전극에 코팅하였다.
60 V의 직류 전압을 가하여 2시간 동안 양극 산화를 진행한 후 증류수에 넣어 초음파 분산기를 통해 표면에 생성된 TiO₂ 나노튜브를 제거하였다. 이렇게 전처리를 한 기판에 다시 같은 조건으로 1시간 동안 양극 산화를 진행하여 TiO₂ 나노 튜브 전극을 제작하였다. 이후 결정화를 위해 공기 중에서 450 열처리를 거친 TiO₂나노튜브 전극을 dichloromethane에 분산된 콜로이드 양자점 용액에 24 시간 담지하여 양자점을 전극 표면에 코팅하였다. 이후, successive ionic layer adsorption and reaction (SILAR) 방법을 통해 ZnS 층을 전극에 코팅하였다. 즉, 0.
Pt 상대전극의 투과도는 UV-vis spectroscopy (Agilent 8453)으로 분석하였다. 제작한 양자점 감응 태양전 지의 전류밀도-전압 (J-V) 특성은 solar simulator (XIL model 05A50KS, 500 W 제논 램프 사용)를 활용하여 AM 1.5G, one sun 조건에서 분석하였다. 또한 전기화학 임피던스 분석은 Solartron 1287 potentiostat과 Solartron 1260 frequency-response detector를 사용하여 bias potential을 가하지 않고 수행하였다.
광전극으로는 양극 산화법에 의해 합성한 길이 15 μm 의 TiO₂ 나노튜브 전극을 활용하였다. 특히 Pt 상대 전극 제작 시 전구체 (precursor) 용액 농도에 따라 상대전극의 전기화학 촉매 활성, 광학적 특성 및 태양전지 성능이 어떻게 달라지는지 분석하였다.

대상 데이터

광전극으로는 양극 산화법에 의해 합성한 길이 15 μm 의 TiO2 나노튜브 전극을 활용하였다.

이론/모형

Cu-In-Se 콜로이드 양자점을 기존 문헌에 나온 방법대로 합성하여 활용하였다 [5]. 열처리를 거친 TiO₂나노튜브 전극을 dichloromethane에 분산된 콜로이드 양자점 용액에 24 시간 담지하여 양자점을 전극 표면에 코팅하였다.
TiO₂ 나노튜브 전극을 two-step 양극 산화법에 의해 합성하였다 [3]. Ti foil (Goodfellow, 0.

성능/효과

그림 3(a)는 열분해 방법을 통해 제작한 Pt 상대 전극 및 Pt 전구체 용액을 농도에 따라 보여주고 있다. 그림 3(b)와 같이 전구체 용액의 농도가 진해질수록 상대전극의 투과도는 조금씩 감소함을 알수 있다. 그러나 가장 농도가 진한 50 mM의 경우에도 가시광선 영역 전체 및 근적외선 영역까지 50~75% 가량의 높은 투과도를 나타내고 있다.
나노튜브 전극을 양자점 감응 태양전지에 적용하기 위하여 반투명한 Pt 상대전극 제작 및 최적화하는 과정을 진행하였다. UV-vis 데이터와 SEM 분석을 통하여 FTO 기판 위에 코팅된 Pt가 상대전극의 투과도에 미치는 영향이 크지 않음을 알 수 있었다. 양자점 감응 태양전지에 적용했을 시에는 코팅된 Pt의 양이 일정 이상일 경우 상대전극의 투과도가 떨어짐에 따라 태양전지 성능이 다소 감소함을 알수 있었다.
UV-vis 데이터와 SEM 분석을 통하여 FTO 기판 위에 코팅된 Pt가 상대전극의 투과도에 미치는 영향이 크지 않음을 알 수 있었다. 양자점 감응 태양전지에 적용했을 시에는 코팅된 Pt의 양이 일정 이상일 경우 상대전극의 투과도가 떨어짐에 따라 태양전지 성능이 다소 감소함을 알수 있었다. 전기화학 임피던스 결과는 코팅된 Pt의 양이 증가할수록 polysulfide 전해질에 대한 촉매 활성이 계속적으로 향상됨을 보여준다.
양자점 감응 태양전지에 적용했을 시에는 코팅된 Pt의 양이 일정 이상일 경우 상대전극의 투과도가 떨어짐에 따라 태양전지 성능이 다소 감소함을 알수 있었다. 전기화학 임피던스 결과는 코팅된 Pt의 양이 증가할수록 polysulfide 전해질에 대한 촉매 활성이 계속적으로 향상됨을 보여준다. 이러한 trade- off 관계 속에서 Pt 전구체 용액 농도를 10 mM로하여 제작할 경우가 가장 높은 광변환 효율로 이어짐을 관찰하였다.
피팅의 결과, Pt 전구체 용액 농도가 5, 10, 20, 50 mM 로 증가할수록 Rct 값이 각각 1185, 843, 620, 368 Ω·cm2 을 나타내었다.

후속연구

또한, 나노튜브 array와 Ti 금속 기판 사이에 고온 열처리에 의해 다소 두껍고 조밀한 (dense) TiO₂ 층이 형성됨이 알려져 있는데, 이는 낮은 FF로 이어졌다고 할 수 있다 [1-3]. Polysulide 전해질에 대해 Pt 보다 더 높은 촉매 활성을 지니며 동시에 투명성을 확보할 수 있는 재료를 개발한다면 확연히 증가한 광변환 효율을 얻을 것이라 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	양자점의 어떤 특성으로 인해 태양전지에 응용 시 태양전지 이론 효율을 뛰어넘을 수 있다는 가능성이 입증되었는가?	이러한 양자점은 양자 구속효과 (quantum confinement effect)에 의해 그 물질의 벌크 상태 (bulk state) 보다 더 큰 광학 밴드갭 (optical band-gap)을 지니며, 양자점의 크기가 작을수록 밴드갭이 커지기 때문에 광학 성질의 조절이 쉽다는 장점을 지닌다. 또한, 하나의 광자 (photon)를 흡수해서 두개 이상의 광전자 (photoelectron)를 여기 (excitation)시킬 수 있는 특성을 지니기 때문에 태양전지에 응용 시 태양전지 이론 효율을 뛰어넘을 수 있다는 가능성이 입증되었다 [5-7].
	양자점이란?	염료감응 태양전지와는 달리 양자점 감응 태양전지 (quantum dot-sensitized solar cells)는 비슷한 소자 구조를 지님에도 불구하고 TiO2 나노튜브 전극을 응용한 연구가 많지않다. 양자점은 일반적으로 보어 반지름 (Bohr radius) 이하의 나노 크기를 지니는 반도체 입자를 일컫는다. 이러한 양자점은 양자 구속효과 (quantum confinement effect)에 의해 그 물질의 벌크 상태 (bulk state) 보다 더 큰 광학 밴드갭 (optical band-gap)을 지니며, 양자점의 크기가 작을수록 밴드갭이 커지기 때문에 광학 성질의 조절이 쉽다는 장점을 지닌다.
	양자점이 광학 성질의 조절이 쉽다는 장점을 지닐 수 있는 이유는?	양자점은 일반적으로 보어 반지름 (Bohr radius) 이하의 나노 크기를 지니는 반도체 입자를 일컫는다. 이러한 양자점은 양자 구속효과 (quantum confinement effect)에 의해 그 물질의 벌크 상태 (bulk state) 보다 더 큰 광학 밴드갭 (optical band-gap)을 지니며, 양자점의 크기가 작을수록 밴드갭이 커지기 때문에 광학 성질의 조절이 쉽다는 장점을 지닌다. 또한, 하나의 광자 (photon)를 흡수해서 두개 이상의 광전자 (photoelectron)를 여기 (excitation)시킬 수 있는 특성을 지니기 때문에 태양전지에 응용 시 태양전지 이론 효율을 뛰어넘을 수 있다는 가능성이 입증되었다 [5-7].

참고문헌 (7)

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상세보기
K. Zhu, N. R. Neale, A. Miedaner and A. J. Frank, Enhanced Charge-Collection Efficiencies and Light Scattering in Dye-Sensitized Solar Cells Using Oriented $TiO_2$ Nanotubes Arrays, Nano Lett., 7 (2007) 69.

상세보기
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J.-Y. Kim, J. S. Kang, J. Shin, J. Kim, S.-J. Han, J. Park, Y.-S. Min, M. J. Ko and Y.-E. Sung, Highly Uniform and Vertically Aligned $SiO_2$ Nanochannel Arrays for Photovoltaic Applications, Nanoscale, 7 (2015) 8368.

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A. J. Nozik, M.C. Beard, J.M. Luther, M. Law, R.J. Ellingson and J.C. Johnson, Semiconductor Quantum Dots and Quantum Dot Arrays and Applications of Multiple Exciton Generation to Third-Generation Photovoltaic Solar Cells, Chem. Rev., 110 (2010) 6873.

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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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