염료 감응형 태양전지용 ZnO@SnO2 가공 복합 광양극

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 14523(2015) 이 기사 인용

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각 산화물의 유익한 특성을 활용하여 ZnO 및 SnO2를 기반으로 하는 염료 감응형 태양전지용 광양극 제조에 층상 다중 산화물 개념이 적용되었습니다. ZnO가 제공하는 높은 캐리어 이동성과 SnO2가 약속하는 UV 조사 하에서 더 높은 안정성을 활용하는 것을 목표로 ZnO@SnO2 층의 다양한 조합 효과가 조사되었습니다. 이산화막 광양극은 순수 SnO2(1.20%) 및 ZnO(1.03%)에 비해 광변환 효율(PCE)(4.96%) 측면에서 훨씬 더 나은 성능을 보였습니다. 시너지 협력은 개방 회로 전압과 광전류 밀도 모두에 효과적입니다. 노출된 산화물과 비교하여 층상 광양극에 대해 향상된 값이 실제로 기록되었습니다( 노출된 SnO2의 경우 Voc는 0.39V에서 0.60V로 향상되고 Jsc는 2.58mA/cm2에서 개선됨). 단일 ZnO ~ 14.8mA/cm2). 계층화된 네트워크의 개선된 기능적 성능은 높은 화학적 정전용량(SnO2에 의해 제공됨)과 낮은 재결합 저항(ZnO에 의해 보장됨)의 최적화와 SnO2 전도대에서 전해질의 산화종으로의 역전자 전달 억제에 기인합니다. . 이전에 보고된 결과와 비교하여, 이 연구는 간단한 전극 설계가 최종 장치의 기능적 성능을 향상시키는 데 어떻게 강력한지 입증합니다.

염료감응형 태양전지(DSSC)는 O'Regan과 Gratzel1의 선구적인 연구가 발표된 이후인 1991년부터 놀라운 관심을 불러일으켰습니다. 이러한 광전기화학 전지는 저렴한 비용(적용 재료 및 제조 공정 모두)과 환경 영향 감소로 인해 실리콘 기반 광전지(PV)에 대한 효과적인 대안이 될 것을 약속합니다2,3,4. 비록 성능은 기존 PV5보다 낮지만(광변환 효율은 14%를 초과하지 않음) 전하 수송의 본질적인 한계로 인해 장치 개선을 위한 노력이 줄어들지 않았습니다.

가장 많이 연구된 시스템은 광양극으로 TiO2 나노입자(NP)의 두꺼운 필름(12-18μm)을 활용하지만 ZnO, SnO2, Nb2O5 및 WO3와 같은 잠재적으로 적합한 다른 반도체 금속 산화물에도 관심이 집중되고 있습니다 6,7 ,8,9,10,11. 그 중에서 ZnO와 SnO2는 TiO212,13에 비해 더 높은 전자 이동도와 ZnO 밴드 갭 및 TiO2와 에너지적으로 유사한 밴드 위치 지정 및 더 큰 밴드 갭(3.8)과 같은 특정 이점으로 인해 가장 매력적인 후보입니다. TiO2와 비교하여 SnO2의 eV 대 3.2eV)는 UV 조명에서 더 높은 안정성을 보장해야 합니다15. 그러나 지금까지 이러한 산화물을 적용하여 기록된 장치 성능은 TiO2 NP에 의해 제공되는 것보다 낮았습니다. 이러한 결과는 ZnO 및 SnO2와 관련된 다양한 문제에서 비롯됩니다. 여러 저자가 ZnO에서 제시한 한 가지 이유는 산성 매질에서 이 물질의 불안정성입니다. 즉, N719 염료에 ZnO를 장기간 담그면 전자 주입 속도에 영향을 미치는 ZnO 표면 위에 Zn2+-N719 복합층이 형성됩니다. 성능 저하의 역할은 주입 자체에 의해 수행되는 것 같습니다17,18.

SnO2의 경우 불만족스러운 성능은 여전히 ​​DSSC에 가장 널리 적용되는 염료인 Ru 기반 염료 N719의 최저 비점유 분자 궤도(LUMO)에 대한 산화물의 불리한 밴드 정렬 및 재결합 과정과 관련이 있습니다. 결과적으로 광전압이 상당히 감소합니다19.

ZnO와 SnO2의 단일 한계를 극복하기 위한 잠재적으로 강력한 전략은 두 재료를 동시에 적용하는 것입니다. 이 접근 방식은 1999년 Tennakone과 동료의 연구가 발표된 이후 명성을 얻었습니다. 이 연구에서 저자는 매우 높은 광변환 효율(8%)을 특징으로 하는 혼합 ZnO-SnO2로 구성된 다공성 필름을 광양극으로 성공적으로 적용했습니다. 이 결과는 여전히 모든 가치를 유지하며 SnO2 기반 DSSC에 대해 기록된 최고 성능입니다. 그러나 여러 번의 시도에도 불구하고 지금까지 누구도 이 놀라운 결과를 재현할 수 없었습니다. Grätzel 그룹은 다양한 금속 산화물의 얇은 층으로 나노결정질 SnO2의 표면 개질을 연구했으며, 이 구성의 주요 개선은 SnO2에서 요오드 기반으로의 전하 재결합 억제와 함께 향상된 염료 흡수(따라서 생성된 광전류)에 기인할 수 있다고 결론지었습니다. 전해질21. 비슷한 접근법이 Zaban과 동료들22에 의해 제안되었는데, 그들은 아마도 광 생성된 전하 수집을 위한 특권 경로를 찾고 있는 core@shell MxOy@SnO2 나노 입자를 활용했습니다. 이러한 혼합 금속 산화물 시스템에서 활용되는 기본 개념은 전체 시스템(염료/금속 산화물 1/금속 산화물 2) 내에서 보다 유리한 밴드 정렬을 유도하여 광양극을 통해 확산되는 전자에 대해 가능한 한 낮은 에너지를 특징으로 하는 경로를 생성하는 것입니다. 이는 또한 TiCl4 처리를 통해 SnO2 양극 위에 TiO2 층을 증착하는 일반적으로 채택되는 방식의 주요 이유이기도 합니다.