염료에 민감한 태양 전지의 광학 및 전기적 특성에 대한 TiO2의 금 나노 입자 분포의 영향
초록
Au 나노입자(GNP)와 얇은 TiO2로 구성된 광양극 TiO2 도포를 반복하여 적층 구조의 층을 제작 TiO2에서 GNP 분포를 변경하기 위해 전도성 유리에 페이스트 및 GNP 솔루션 층. 이러한 광양극을 갖는 염료감응 태양전지(DSSC)의 플라즈몬 강화 특성을 조사하였다. TiO2의 흡수 모두 층 및 DSSC의 성능은 GNP가 TiO2의 위치 근처에 집중될 때 플라즈몬 강화에 의해 가장 증가되는 것으로 밝혀졌습니다. N719 염료(~ 520nm)의 최대 흡수에 해당하는 파장의 입사광의 침투 깊이입니다. 1.3μg/cm
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의 상대적으로 밀도가 높은 GNP 층이 그 위치에 밀도가 형성되었고 0.65μg/cm
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의 비교적 낮은 밀도를 갖는 두 개의 GNP 층이 형성되었습니다. 입사광의 전면 부근에 형성되어 단락전류밀도(J sc) 및 에너지 변환 효율(η ) DSSC의 10.8mA/cm
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GNP가 없는 DSSC와 비교하여 각각 15% 및 11% 증가한 5.0%입니다. 우리의 연구는 TiO2에서 GNP 분포의 최적화를 제안합니다. 레이어는 GNP를 활용하여 제작된 DSSC의 성능을 향상시키는 데 매우 중요합니다.
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배경
1991년 O'Regan과 Grätzel[1]에 의해 개발된 이래로 염료감응 태양전지(DSSC)는 간단한 제조 공정, 저비용 생산 가능성 및 환경에 대한 약한 영향으로 인해 많은 관심을 받았습니다. 2,3,4]. 그러나 DSSC의 에너지 변환 효율은 아직 실용화될 만큼 높지 않고 페로브스카이트 감응 태양 전지[5], 박막 태양 전지[6], 결정질 실리콘 태양 전지[6]와 같은 다른 기술에 비해 낮습니다. 7]. DSSC의 효율성을 높이는 한 가지 방법은 광 흡수를 향상시키는 것입니다. TiO2의 두께 증가 DSSCs의 층은 TiO2에 흡착된 염료 분자 수의 증가로 인해 빛 흡수를 향상시킵니다. 가벼운 수확을 위해. 그러나 이 접근법은 집광 전극에 도달하기 위해 더 먼 거리를 이동해야 하는 광전자의 재결합으로 인해 효율을 낮출 수 있다[8]. 고효율을 달성하기 위한 또 다른 접근법으로 태양전지 내부의 광관리를 위한 나노포토닉스 기술이 제시되고 있다[9, 10]. 금속 나노입자는 국부적인 표면 플라즈몬 공명을 통한 국부장 향상과 연장된 광학 경로 길이로 이어지는 광 산란에 의해 태양 전지에서 효과적인 광 흡수에 기여할 수 있습니다. Au와 Ag는 표면 플라즈몬 공명이 일반적인 합성 염료가 주로 흡수하는 가시 파장 영역에서 조정될 수 있기 때문에 DSSC에서 주로 나노 입자로 사용됩니다[11,12,13,14]. Au 나노 입자(GNP)는 일반적으로 TiO2에 적용됩니다. TiO2와 혼합하여 레이어 그런 다음 등각 TiO2를 제작하는 데 사용되는 나노 분말 -Au 나노복합 필름 [15,16,17]. SiO2 -코팅된 Au 나노입자 및 TiO2 -코팅된 Ag 나노 입자는 DSSC에도 적용되었습니다[18,19,20,21]. TiO2의 상하 양면에 Ag 나노입자를 형성하는 방법 스퍼터링 및 어닐링을 활용한 레이어가 발표되었습니다[22]. 물리적 기상 증착에 의해 합성된 GNP는 DSSC에서 광전류를 향상시키는 것으로 보고되었습니다[23]. 또한 TiO2에 화학적으로 고정된 기능화된 GNP의 맞춤형 바이모달 크기 분포를 사용하는 방법 디티오디부티르산 링커를 통한 층은 공개되었다[24]. 그러나 우리가 아는 한 TiO2에서 금속 나노 입자의 분포를 변화시키는 효과적인 접근 방식은 DSSC의 성능을 개선하기 위한 레이어는 아직 공개되지 않았습니다. TiO2에서 Au 또는 Ag와 같은 값비싼 금속 나노입자의 분포를 최적화하는 것이 중요합니다. 비교적 저렴한 비용으로 효율성을 향상시키는 레이어. 이 작업에서 우리는 TiO2에서 GNP 분포 간의 상관 관계를 연구했습니다. 층 및 TiO2의 광흡수 특성 DSSC의 성능을 개선하기 위한 최적의 GNP 분포를 얻기 위해 레이어를 사용합니다. TiO2의 GNP 분포 TiO2를 적용하는 과정을 반복하여 레이어를 조정했습니다. GNP와 얇은 TiO2로 구성된 적층 구조를 형성하는 전도성 유리에 GNP의 양이 조절된 페이스트 및 GNP 용액 레이어.
방법
자료
DSSC는 다음 재료를 사용하여 제작되었습니다. ITO(인듐 주석 산화물)로 코팅된 유리 기판 시트 저항이 약 10Ω sq
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인 투명 전도성 산화물(TCO) 필름 (no. 0052; Geomatec Co., Ltd.), 요오드, 1,2-디메틸-3-프로필 이미다졸륨 요오드화물(DMPII) 및 아세토니트릴(Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., 일본), 무수 요오드화 리튬(Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 수소 테트라클로로아우레이트(III) 삼수화물 및 디-테트라부틸암모늄 시스 -비스(이소티오시아네이토)비스(2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복실레이토)루테늄(II)(N719), 4-tert-부틸피리딘(TBP) 및 염화백금산 6수화물(Sigma-Aldrich), 산화티탄 페이스트 약 20nm의 입자 크기(PST-18NR, JGC Catalysts and Chemicals Ltd), 50μm 두께의 Himilan 필름(Peccell Technologies, Inc., 일본), 직경 12mm의 커버 유리(Fisher) . 위의 ITO 기반 TCO 0052는 기존의 ITO 기반 TCO와 달리 내열성이 있습니다. 기판은 Ref[25]에서도 활용되었으며, 500°C의 높은 온도에서 Annealing 후에도 광학적, 전기적 특성이 저하되지 않았습니다.
금 나노입자 합성
GNP는 잘 알려진 Turkevich 방법을 사용하여 합성되었습니다[26]. 탈이온수 중 0.01wt% 수소 테트라클로로아우레이트(III) 삼수화물의 100ml 용액을 핫 플레이트에서 끓을 때까지 가열했습니다. 다음으로, 격렬하게 교반하면서 끓는 용액에 1wt% 구연산삼나트륨 이수화물 수용액 3.5ml를 첨가하였다. 용액을 계속 끓이고 60분 동안 교반했습니다. 이 방법으로 ~ 20nm의 GNP를 얻었습니다. ~ 40nm의 GNP를 얻기 위해 ~ 20nm의 GNP를 갖는 용액 6ml를 끓인 탈이온수에 용해된 0.01wt% 수소 테트라클로로아우레이트(III) 삼수화물의 100ml 용액에 시드로 첨가한 다음, 1의 0.5ml를 첨가했습니다. 중량% 구연산 삼나트륨 이수화물 수용액. ~ 40 및 ~ 60 nm 크기의 종자 입자를 사용하여 각각 ~ 60 및 ~ 90 nm의 GNP를 얻었습니다. GNP 합성이 완료된 후 용액을 10,000rpm에서 20분 동안 원심분리했습니다. 상층액을 제거한 후, 튜브 바닥에서 채취한 GNP를 1/10 부피비로 탈이온수와 에탄올의 혼합물에 분산시켜 DSSC 제조에 사용되는 GNP 용액을 형성하였다. Stöber 방법은 ~ 20nm GNP를 SiO2로 코팅하는 데 사용되었습니다. 영화 [27, 28]. 0.6ml의 112mM 테트라에틸 오르토실리케이트와 0.09ml의 암모늄 용액을 0.5ml의 GNP 수용액을 함유한 2.5ml의 프로판올에 격렬하게 교반하면서 첨가했습니다. 15분 동안 교반을 유지하고 SiO2 ~20nm 두께의 필름이 형성되었습니다.
광양극 제작 및 DSSC 조립
GNP와 TiO2의 적층 구조를 갖는 광양극 얇은 TiO2의 형성을 반복하여 층을 제작했습니다. 계층과 한나라당 계층. TiO2 TCO 코팅 유리에 스크린 인쇄 방식으로 페이스트를 코팅한 다음 450°C에서 15분 동안 열처리했습니다. 각 얇은 TiO의 두께2 어닐링 후 레이어는 ~ 1.1μm였습니다. 준비된 다공성 TiO2의 대략적인 면적 레이어는 25mm
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였습니다. (5 mm × 5 mm). 열처리된 TiO2 표면에 GNP 용액을 도포하였다. 드롭 캐스팅 및 자연 건조에 의해 층. TiO2의 GNP 밀도 층은 적용된 GNP 용액의 양 또는 GNP 농도를 변경하여 변경되었습니다. 용액의 GNP 농도는 용액의 특정 부피에서 GNP의 무게를 측정하여 계산되었습니다. GNP와 TiO2의 적층 구조 TiO2의 형성을 반복하여 층을 형성했습니다. 그리고 GNP 계층. TiO2의 최종 어닐링 레이어는 500°C에서 30분 동안 수행되었습니다. 염료 흡착은 TiO2를 침지하여 수행되었습니다. N 719의 0.3mM 에탄올 용액에 전극을 25°C에서 20시간 동안 담았습니다. 상대 전극을 준비하기 위해 1ml 에탄올 용액에 녹인 2mg 염화백금산 6수화물 몇 방울을 0.9mm 직경의 구멍이 뚫린 TCO 코팅 유리에 떨어뜨렸습니다. 상대 전극을 400°C에서 30분 동안 가열했습니다. 전형적인 샌드위치형 DSSC의 제조공정은 다음과 같다. 상대전극과 염료감응 광양극을 스페이서로 히밀란 필름을 끼운 후 핫플레이트에서 필름을 녹여 접합하여 오픈 셀을 형성하였다. 0.05M I2를 포함하는 전해질 , 0.05M LiI, 0.6M DMPII 및 0.5M TBP in acetonitrile을 상대 전극의 구멍을 통해 열린 셀에 주입하고 진공 챔버에 채웠습니다. 마지막으로 핫플레이트에서 상대전극과 커버글라스 사이에 있는 히밀란 필름을 녹여 구멍을 막았다.
특성
물에 분산된 GNP의 흡수 스펙트럼은 UV/Visible Spectrophotometer(Amersham Biosciences Ultrospec 3300 pro)를 사용하여 측정되었습니다. GNP는 투과전자현미경(TEM, JEM-2200FS, JEOL)을 이용하여 관찰하였다. 한나라당의 표면 형태–TiO2 광양극은 주사전자현미경(SEM, SU6600, Hitachi)으로 검사하였다. TiO2의 두께 표면 프로파일러(AS500, KLA Tencor)로 층을 측정했습니다. 전류 밀도-전압(J –V ) 특성 및 제작된 DSSC의 입사광자-전류효율(IPCE) 스펙트럼 및 광양극의 광흡수 스펙트럼은 100mW cm− 2
(오전 1.5). 각 셀의 유효 조사 면적은 0.05cm
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로 유지했습니다. 모든 샘플에 대해 차광 금속 마스크를 사용하여.
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.