염료에 민감한 태양 전지의 광학 및 전기적 특성에 대한 TiO2의 금 나노 입자 분포의 영향

결과 및 토론

금 나노입자의 형태 및 광학적 특성

그림 1은 물에 분산된 다양한 크기의 GNP의 흡수 스펙트럼을 보여줍니다. 본 연구에 사용된 GNP의 TEM 이미지는 그림 2에 나와 있으며, 이는 GNP가 구형 형태로 단분산되어 있음을 나타냅니다. 공명 파장의 적색 이동은 보고된 문헌[17, 29,30,31]에 따라 더 큰 입자의 전자기 지연으로 인해 GMP의 크기가 증가함에 따라 관찰되었습니다. GNP의 크기는 준비된 샘플의 흡수 스펙트럼을 문헌에서 이용 가능한 데이터와 비교하여 결정되었습니다. GNP의 크기가 증가함에 따라 흡수 스펙트럼은 합성 중 응집에 의해 형성될 수 있는 더 큰 입자의 존재로 인해 적색 영역에서 넓은 특징을 나타냅니다[17]. 이러한 경향은 ~ 60nm 이상의 크기를 가진 GNP에서 현저합니다. TEM 관찰을 통해서도 GNP가 60nm 이상이면 크기 분포가 매우 커지는 것을 확인했습니다.

다양한 크기의 GNP의 흡광도 스펙트럼

a의 TEM 이미지 ~ 20, b ~ 40, c ~ 60 및 d ~ 90nm GNP

그림 3a는 TiO₂ 표면에 GNP 용액을 적용하고 건조하여 형성된 ~ 40nm GNP의 일반적인 SEM 이미지를 보여줍니다. 층. TiO₂ 표면의 SEM 이미지 GNP가 없는 레이어는 비교를 위해 그림 3b에 나와 있습니다. 대부분의 GNP가 TiO₂ 표면에 분산되어 있음이 분명합니다. 매우 적은 수의 응집으로 거의 균일하게 레이어를 형성합니다. 집적도는 한나라당의 밀도가 높을수록 증가하는 경향을 보였다. 아마도 GNP는 기판에 적용된 나노 입자 용액의 건조 중에 응집됩니다. 또한 ~ 40nm가 아닌 크기의 GNP의 경우 TiO₂에 GNP가 균일하게 분산됩니다. SEM으로 층을 관찰하여 GNP 용액의 적용 및 건조 방법이 TiO₂에서 GNP 층을 형성하는 데 효과적임을 시사합니다. 레이어.

TiO₂ 표면의 SEM 이미지 레이어 a 및 b GNP 없이. GNP는 TiO₂ 표면에 ~ 40nm GNP를 포함하는 용액을 떨어뜨림으로써 형성되었습니다. 레이어 및 건조

DSSC 성능에 대한 Au 나노입자의 크기 효과

다양한 크기의 GNP를 가진 DSSC의 광전지 성능은 표 1에 나열되어 있습니다.

이 경우 전도성 유리와 매우 얇은 TiO₂ 사이에 GNP가 형성되었습니다. 전도성 유리 표면에 GNP 용액을 떨어뜨리고 자연 건조하여 1.3μm 두께의 층을 만듭니다. 모든 샘플에 적용된 GNP의 무게 밀도는 동일했습니다(1.3μg/cm ² ). 단락 전류 밀도(J sc) 및 에너지 변환 효율(η ) GNP가 없는 DSSC의 경우와 비교하여 모든 크기의 GNP를 적용하면 증가하는 것으로 나타났습니다. J의 이러한 증가 sc는 이전 연구에서도 입증된 GNP의 플라즈몬 효과에 의해 발생합니다[15,16,17]. 제 sc 및 η GNP 크기가 ~ 20에서 ~ 60 nm로 증가하면 증가하고 GNP 크기가 ~ 60에서 ~ 90 nm로 증가하면 감소하는 것으로 나타났습니다. Jsc 및 η의 가장 큰 증가 ~ 60nm의 적용으로 ~ 45%의 GNP는 개방 회로 전압(V oc) 및 필 팩터(FF). 반면에 V ~ 20nm 크기의 더 작은 GNP를 가진 DSSC에서 oc 및 FF가 관찰되었습니다. V 감소 oc는 TiO₂에서 역전하 이동이 증가했기 때문일 수 있습니다. ~ 20nm 두께의 SiO₂로 덮인 ~ 20nm GNP 이후 노출된 GNP로 인한 전해질에 영화는 V의 감소를 일으키지 않았습니다. 오. SiO₂ 필름은 금속 표면에서 전하 재결합을 억제하는 절연체 역할을 합니다[21]. 이 단계에서 V oc는 더 작은 GNP의 경우에만 감소하는 것을 명확하게 설명할 수 없습니다. 그러나 모든 샘플에 적용된 GNP의 무게 밀도가 동일한 값(1.3μg/cm ² ).

~ 20nm GNP의 경우 GNP를 SiO₂로 코팅하는 과정 이 연구에서 플라즈몬 강화를 관찰하려면 필름이 필요합니다. 반대로 ~ 60nm 이상의 큰 GNP의 경우 GNP 합성 과정을 반복해야 하며 GNP의 응집으로 인해 GNP의 크기 변화가 증가하여 실험 정확도가 낮아질 수 있습니다. 따라서 이 연구의 대부분의 조사에 대해 ~ 40nm GNP를 사용했는데, 이는 크기 변화가 비교적 적고 J에서 충분히 큰 증가를 나타냅니다. sc 및 η (각각 ~ 36 및 ~ 33%) GNP가 없는 DSSC와 비교

TiO의 광흡수 특성의 상관관계₂ TiO₂에서 Au 나노입자 층의 위치에 따른 DSSC의 층 및 성능 레이어

TiO₂에서 GNP 층의 위치 사이의 상관관계를 연구하기 전에 높은 플라즈몬 향상 효과를 얻기 위해 GNP 층당 최적의 GNP 양을 조사하였다. GNP 층당 ~ 40nm GNP의 밀도를 변경한 DSSC의 전류 밀도-전압 곡선은 그림 4에 나와 있습니다. GNP의 밀도는 GNP 용액의 양을 변경하여 변경되었습니다. TiO₂에서 전도성 유리의 표면에서 3.6μm 위치에 GNP 층을 형성했습니다. 6.0μm 두께의 레이어. 분명히 GNP의 밀도가 0에서 1.3 또는 2.7μg/cm ² 으로 증가함에 따라 , 제 sc 및 η GNP에 의한 플라즈몬 강화로 인해 증가합니다. 그러나 GNP의 밀도가 5.4μg/cm ² 까지 증가하면 <서브>, 제 sc 및 η 과잉 GNP가 응집하여 국부 플라즈몬 효과를 감소시키고 입사광을 차단하기 때문에 감소합니다. 실제로 코팅에 사용된 GNP 용액의 양이 증가함에 따라 광양극이 금속의 색을 띠고 탁해지는 것을 육안으로 관찰하였다. 그림 4에서 J의 편차는 sc 및 η 추가 파일 1:그림 S1(a) 및 (b)에 각각 표시된 대로 GNP의 각 밀도에 해당하는 4개의 세포에서 얻은 DSSC의 DSSC는 상당히 큽니다. 각 로트에서 J sc 및 η GNP 밀도 1.3 또는 2.7μg/cm ² 에서 최대값 표시 . 또한 J의 관계는 sc 또는 η 및 전도성 유리와 TiO₂ 사이의 계면에 GNP 층이 형성된 다른 실험 로트의 GNP 밀도 다양한 두께의 레이어는 추가 파일 2:그림 S2(a) 및 (b)에 각각 표시됩니다. 이 결과는 J sc 및 η GNP 밀도 1.3 또는 2.7μg/cm ² 에서 최대값 표시 . 그러나 J의 절대값은 sc 및 η TiO₂의 얇아짐으로 인해 더 작습니다. 레이어. 따라서 밀도가 1.3 또는 2.7μg/cm인 GNP ² TiO₂에서 GNP 층의 위치 사이의 상관관계 조사가 최적인 것으로 밝혀졌고 적용되었습니다. 기판 위의 층과 TiO₂의 광흡수 특성 및 DSSC 성능.

GNP 층당 GNP 밀도 변화에 따른 DSSC의 전류 밀도-전압 곡선. GNP의 각 밀도에 대해 4개의 셀이 제작되었습니다. GNP 층은 TiO₂로 형성됩니다. TCO 표면에서 3.6μm 위치에 6.0μm 두께의 레이어

TiO₂의 흡수 스펙트럼 TiO₂의 다양한 위치에 증착된 GNP 층이 있거나 없는 층 N719 염료가 없는 레이어는 그림 5에 나와 있습니다. GNP 레이어의 위치는 GNP 레이어와 TCO 표면 사이의 거리로 정의됩니다. TiO₂의 흡광도 어떤 위치에서든 GNP 층이 있는 층은 TiO₂의 층보다 큰 것으로 밝혀졌습니다. GNP 계층이 없는 계층. Figure 6은 TiO₂의 흡광도를 빼서 구한 GNPs 적용에 따른 흡광도의 증가를 보여준다. TiO₂의 GNP가 없는 레이어 GNP로 인한 흡광도의 증가는 TCO 표면에서 GNP 층의 거리가 1.1에서 3.3μm 또는 4.4μm로 증가함에 따라 증가하고 4.4에서 거리가 증가함에 따라 감소한다는 점에 유의해야 합니다. ~ 5.5μm로, 흡광도의 최대 증분을 산출하는 거리가 약 4.0μm임을 나타냅니다. 증분은 350~800nm의 넓은 파장 범위에서 관찰할 수 있지만 500~650nm 범위에서 특히 두드러집니다. TiO₂의 흡수 스펙트럼 TiO₂의 다양한 위치에 형성된 GNP 층이 있거나 없는 층 N719 염료로 감작된 층은 그림 7에 나와 있습니다. 흡수 스펙트럼은 또한 TCO 표면에서 GNP 층 3.3 또는 4.4μm(즉, ~ 4.0μm)의 거리에서 최대값을 보여 N719 염료의 흡수가 다음과 같았음을 시사합니다. 이 GNP 계층 위치에서 효과적으로 향상되었습니다.

TiO₂의 흡광도 스펙트럼 GNP 계층의 위치가 다른 계층. GNP의 밀도는 2.7μg/cm ² 입니다.

TiO₂에서 GNP 층의 위치 변화에 따른 GNP로 인한 흡광도 증가 층. GNP의 밀도는 2.7μg/cm ² 입니다.

TiO₂의 흡광도 스펙트럼 GNP 계층의 위치가 다른 계층. GNP의 밀도는 2.7μg/cm ² 입니다.

TiO₂의 다양한 위치에 형성된 GNP 층이 있는 DSSC의 전류 밀도-전압 곡선 및 IPCE 스펙트럼 레이어는 그림 각각 8번과 9번. 어느 위치에든 GNP 층이 형성된 DSSC의 전류 밀도와 IPCE는 GNP 층이 없는 DSSC의 전류 밀도와 IPCE 모두 더 큰 것으로 밝혀졌다. GNP 레이어의 전류 밀도와 IPCE는 GNP 레이어의 거리가 1.1에서 3.3μm 또는 4.4μm(즉, ~ 4.0μm)으로 증가함에 따라 증가하고 거리가 5.5μm로 증가함에 따라 감소합니다. 그림 10은 J의 종속성을 보여줍니다. 그림 8에서 구한 한나라당 층의 위치에 대한 sc. 분명히, 최대 J sc는 GNP 층이 TCO 표면에서 ~ 4.0μm일 때 얻어졌습니다. J sc는 η의 증가로 이어집니다. , V oc 및 FF는 그림 8의 삽입된 표에서 볼 수 있듯이 GNP 레이어의 모든 위치에 대해 거의 변경되지 않습니다. GNP 밀도는 모든 위치에서 모든 GNP 레이어에 대해 동일하므로 TCO에서 ~ 4.0μm의 GNP 적용 표면이 가장 효과적인 것으로 간주될 수 있습니다. 그림 9와 같이 GNP 계층이 있는 DSSC의 IPCE에서 GNP 계층이 없는 DSSC의 IPCE를 빼면 그림 11과 같이 GNP 적용에 따른 IPCE 증가분을 알 수 있다. IPCE는 GNP 층이 TCO 표면에서 ~ 4.0μm에 존재할 때 가장 큽니다. 증분은 350–750 nm의 넓은 파장 범위에서 볼 수 있으며 520 nm 근처에서 특히 크게 나타나 그림 6의 흡수 스펙트럼과 유사한 경향을 보여 IPCE의 증가가 빛의 향상으로 인한 것임을 시사합니다. GNP의 플라즈몬 효과로 인한 흡수

GNP 층의 위치를 ​​변화시키는 DSSC의 전류 밀도-전압 곡선. GNP의 밀도는 2.7μg/cm ² 입니다.

GNP 층의 위치를 ​​변화시키는 DSSC의 IPCE 스펙트럼. GNP의 밀도는 2.7μg/cm ² 입니다.

J의 종속성 sc는 GNP 계층의 위치에 있습니다. GNP의 밀도는 2.7μg/cm ² 입니다.

한나라당 층의 위치가 변하는 한나라당으로 인한 IPCE의 증가. GNP의 밀도는 2.7μg/cm ² 입니다.

그림 12는 TiO₂의 흡광도 스펙트럼을 보여줍니다. 다양한 두께의 레이어. 여기서 N719 염료가 흡착되고 모든 TiO₂에 GNP가 적용되지 않습니다. 레이어. TiO₂가 증가함에 따라 흡착된 N719 염료의 양이 증가하기 때문에 흡광도가 증가하는 것으로 나타났습니다. 층 두께. 또한 염료의 광흡수로 인해 파장 520nm 부근에서 흡광도가 정점을 이루는 것으로 밝혀졌다. 따라서 그림 11에서 GNP에 의한 IPCE 증가는 GNP의 플라즈몬 효과로 인해 N719의 광흡수가 증가하는 것으로 설명할 수 있다. 도 12로부터 파장 350, 520, 650 nm의 빛의 흡광도와 TiO₂의 두께 사이의 상관관계 13과 같이 층이 얻어졌다. TiO₂의 흡광도가 650nm의 더 긴 파장의 빛을 가진 레이어는 TiO₂가 증가함에 따라 지속적으로 증가합니다. 층 두께. 이는 650nm의 빛이 TiO₂를 투과한다는 것을 의미합니다. 15.3μm보다 깊은 층으로 효과적으로 흡수됩니다. 한편, TiO₂의 흡광도는 350nm의 더 짧은 파장의 빛을 가진 층은 TiO₂에서 포화됩니다. ~ 3.0μm의 층 두께는 350nm의 빛이 TiO₂ 깊이의 ~ 3.0μm 내에서 완전히 흡수됨을 나타냅니다. 층. 흡광도는 TiO₂에서 포화된다는 점에 유의해야 합니다. GNP의 플라즈몬 효과로 인해 DSSC의 성능을 향상시키는 데 가장 효과적인 520nm의 빛에 대해 ~ 4.0μm의 층 두께. 파장이 520nm인 빛은 TiO₂의 N719 염료에 의해 거의 완전히 흡수된 것으로 간주될 수 있습니다. TCO 표면에서 최대 ~ 4.0μm의 층을 형성하고 ~ 4.0μm 이상의 위치에는 거의 도달할 수 없습니다. 따라서 J sc는 TiO₂에서 GNP 레이어의 위치가 감소할 때 감소합니다. 그림 10과 같이 TCO 표면에서 ~ 4.0μm 이상이 되는 것은 520nm의 빛 흡수 감소로 설명할 수 있습니다. 한편, J를 강화한 이유는 sc 및 TiO₂의 광 흡수 ~ 4.0μm 미만의 영역에서 TCO 표면으로부터 GNP 레이어의 거리가 멀어짐에 따라 레이어가 증가하는지는 이 단계에서 명확하지 않습니다. 그러나 GNP가 TCO 표면에서 ~ 4.0μm에 존재할 때, 이는 520nm의 빛이 TiO₂에 도달할 수 있는 가장 먼 거리에 해당합니다. 층에서 GNP에 의한 광산란은 광 경로 길이를 증가시켜 DSSC 성능 향상에 상당한 기여를 할 수 있습니다. GNP 층의 위치에 대한 DSSC 성능의 의존성의 결과는 TCO 표면에서 ~ 4.0μm 이상의 위치에 존재하는 GNP가 N719 염료의 광 흡수를 향상시키는 데 거의 유용하지 않으며 따라서 기존의 DSSC에서 낭비됨을 시사합니다. TiO₂에 균일하게 분포된 금속 나노입자 층. ~ 520nm의 빛의 투과 깊이는 이 연구에서 ~ 4.0μm이지만, 흡착된 N719 염료의 양과 빛의 조사 강도에 따라 달라질 수 있습니다.

염색된 TiO₂의 흡광도 스펙트럼 다양한 두께의 레이어. TiO₂ 계층에는 GNP가 포함되어 있지 않습니다.

다양한 파장에서의 흡광도와 TiO₂ 두께의 상관관계 레이어

Au 나노입자 층의 수를 증가시켜 DSSC의 성능 향상

조사된 빛은 금속 나노입자의 표면에 산란되어 흡수되고, 강한 전자기장을 갖는 소멸광파가 발생하여 나노입자의 표면에 편재된다. 소멸성 광파는 금속 나노입자의 직경보다 작은 거리 내에서 금속 나노입자 표면 부근에 잔류하고 플라즈몬 감도는 나노입자 표면으로부터 멀어질수록 기하급수적으로 감소한다[32, 33]. 따라서 이 연구에서는 GNP 표면에서 ~ 40nm 이내에 위치한 N719 염료 분자의 광 흡수가 향상될 수 있지만 나머지는 거의 영향을 받지 않아 J 얇은 TiO₂에 GNP 층을 적용하여 sc는 36%만큼 큽니다. layer of 1.3 μm as shown in Table 1, but this increase becomes only 8.1% when applying a GNP layer to a thick TiO₂ layer of 6.0 μm, as shown in Fig. 4. In an attempt to enhance the performance of DSSCs with a thick TiO₂ layer, the number of GNP layers in the TiO₂ layer was increased. Current density–voltage curves and IPCE spectra of DSSCs with varying the number of GNP layers and the density of GNPs are shown in Figs. 14 and 15, respectively. Three levels of GNP layers named P1, P2, and P3 are shown in the inset of Fig. 14, which were formed at positions of 1.1, 2.2, and 3.3 μm, respectively, from the TCO surface. The current densities and IPCEs of the DSSCs (A–E) with a GNP layer formed at the position of P3 in the TiO₂ layer are found to be larger than those of the DSSC (O) without a GNP layer. Moreover, the performance of the DSSC (B) with a GNP density of 1.3 μg/cm ² is found to be better than that of the DSSC (A) with a GNP density of 0.65 μg/cm ² . It should be noted that the addition of GNP layers with a GNP density of 0.65 μg/cm ² to the positions of P1 and P2, which are located near the front of the incident irradiation, improves J sc more significantly. However, increases in J sc were not observed by adding GNP layers with a GNP density of 1.3 μg/cm ² to the positions of P1 and P2 (E). The reason why the large quantity of GNPs existing near the front of the incident irradiation decreases J sc is unknown; however, it is speculated that some of these GNPs may aggregate and affect the absorption of GNPs at P3 by scattering the incident irradiation, judging from the SEM observation that GNPs aggregate in some parts of the TiO₂ 레이어. The DSSC (D), in which three levels of the GNP layer with a GNP density of 0.65, 0.65, and 1.3 μg/cm ² , were formed at positions of P1, P2, and P3, respectively, shows the best performance with J sc and η of 10.8 mA/cm ² and 5.0%, increases of 15 and 11%, respectively, compared with those of the DSSCs without a GNP layer. In other words, the best performance was obtained when relatively high concentrations of GNPs were formed at the position which is the penetration depth of the incident light of the wavelength corresponding to the maximum absorption of N719 dye (~ 520 nm) and relatively low concentrations of GNPs were formed in the path of the incident light before this position. Nevertheless, the increase in the performance of these DSSCs is not high enough compared with that of DSSCs with a thin TiO₂ 층. In this study, TiO₂ paste was applied by a screen-printing method, with which the limit of the thinnest a TiO₂ layer was ~ 1 μm after annealing, owing to the requirement of uniformity and reproducibility of its thickness. The thickness is considered too large to obtain a higher plasmonic enhancement. A spraying method using TiO₂ paste diluted with a solvent may be useful for reproducibly obtaining thinner TiO₂ 레이어. Increasing the ratio of GNP layers to TiO₂ layers with the technology of fabricating very thin TiO₂ layers may further enhance the performance of DSSCs. In addition, ~ 40 nm GNPs were used in the present study to reduce variations in GNP size, but with ~ 60 nm GNPs, there is a possibility that the performance may be further improved, judging from Table 1. Changing the size of GNPs at each GNP layer formed in the TiO₂ may improve the DSSC performance even more. It has been reported that the ratio of plasmon scattering to absorption increases with increasing volume of GNPs [34]. Formation of large GNPs near the back of the optical path through the TiO₂ layer may improve DSSC performance due to prolonging the optical path length by light scattering. Although the distribution of GNPs and the thickness of a TiO₂ layer have not yet been optimized, the purpose of this study, which was to confirm whether the performance of DSSCs can be improved by optimizing the distribution of GNPs for plasmonic enhancement, has been achieved.

Current density–voltage curves of the DSSCs with varying the number of GNP layers and the density of GNP layers. The GNP layers of P1, P2, and P3 were formed at positions of 1.1, 2.2, and 3.3 μm from the TCO surface, respectively. The numbering in the legend with the format (P1-P2-P3) shows the density of GNPs (μg/cm ² ) at each position

IPCE spectra of the DSSCs with varying the layer number and the density of GNPs. The GNP layers of P1, P2, and P3 were formed at positions of 1.1, 2.2, and 3.3 μm from the TCO surface, respectively. The numbering in the legend with the format (P1-P2-P3) shows the density of GNPs (μg/cm ² ) at each position