폴리에틸렌 글리콜이 NiO 광음극에 미치는 영향

초록

이 연구에서는 폴리에틸렌 글리콜(PEG)을 사용하여 최대 2.6μm 두께의 균일한 나노다공성 NiO 필름을 제조했습니다. PEG의 첨가는 NiO 필름의 균열을 상당히 감소시켰고 불소 도핑된 산화주석 기판에서 NiO 필름의 박리를 방지했습니다. NiO 캐소드는 0.80%의 최적화된 광전 변환율로 증감제로 CdSeS 양자점(QD)을 사용하여 준비되었습니다. 최적화된 QD 증감 NiO 필름은 먼저 TiO₂로 조립되었습니다. 준비된 QD 감응 p-n형 탠덤 태양 전지에 대한 양극. 개방 회로 전압은 분리된 NiO 캐소드 또는 TiO₂를 사용하여 얻은 것보다 컸습니다. 양극.

<섹션 데이터-제목="배경">

배경

태양 에너지는 청정도, 고출력, 신속한 처리 및 광범위한 가용성으로 인해 미래의 주요 에너지원으로서의 잠재력을 보여줍니다[1, 2]. 지난 30년 동안 태양 전지가 개발된 이후로 감응형 태양 전지는 태양 에너지를 활용하기 위한 효율적인 장치가 되었습니다. 그러나 이러한 연구는 TiO₂와 같은 sensitized n-type photoanode를 기반으로 하는 n-type 태양 전지에 중점을 둡니다. , ZnO 및 SnO₂ [2,3,4,5,6]. 단락 전류 밀도가 15mA cm⁻² 보다 컸습니다. , 광전 변환 효율은 약 13%였다[5]. 그는 외. 더 높은 개방 회로 전압(OCV)과 광전 변환 효율을 제공할 수 있는 p-n형 직렬 염료 감응 태양 전지(DSSC)[7]의 사용을 보고했습니다. Nakasa et al. 메로시아닌 NK-2684에 민감한 NiO와 TiO₂의 조합으로 0.918V의 OCV를 보고했습니다. 광양극 [8]. Nattestad et al. 공여체-수용체 염료의 최적화로 NiO 광음극의 전하 재결합이 감소하고 400-500nm의 스펙트럼 범위에서 90% 이상의 흡수된 광자-전자 변환 효율을 달성했다고 보고했습니다. 1079mV의 개방 회로 전압. 이 값은 p-n-type tandem DSSC에 대해 지금까지 보고된 가장 높은 값입니다.

n형 광양극에 필적하는 더 높은 광전류를 얻기 위한 한 가지 방법은 새로운 p형 음극을 준비하는 것입니다[10, 11]. 또 다른 방법은 다량의 염료 분자를 흡착하기에 적합한 두꺼운 메조포러스 광음극을 제조하는 것입니다. NiO 필름의 두께를 개선하기 위한 몇 가지 시도가 있었습니다. 그러나 생성된 광전류 밀도는 여전히 n형 DSSC에서 관찰된 것보다 훨씬 작으며 후막은 종종 기계적 안정성이 좋지 않습니다. Wu et al. NiO 박막을 열수법으로 제조하고 박막 두께와 비표면적을 최적화하여 특성을 향상시켰다[12]. Quet al. 그들은 주름진 다공성 NiO 나노시트로부터 층상 NiO 필름을 제작했으며 광전류 및 광전압이 크게 향상되었다고 보고했습니다[13]. Zhang et al. 고 결정질 NiO를 적용하여 광전압을 향상시켰다[14]. Powaret al. 7.0mA cm⁻² 의 높은 광전류를 얻었습니다. 광음극의 활성 물질로 나노구조의 NiO 마이크로볼을 사용[15]. Sumikuraet al. NiCl₂의 가수분해에 의해 나노다공성 NiO 필름을 준비했습니다. 일련의 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드(PEO-PPO-PEO) 삼중 블록 공중합체를 주형으로 사용하는 물/에탄올 혼합 용액에서 [16]. 그들은 PEO-PPO-PEO 템플릿의 효과를 자세히 조사했습니다. Li et al. Sumikura et al.에 의해 사용된 제조 방법을 채택했습니다. 2단계 닥터 블레이드 방법으로 두꺼운 NiO 필름을 준비했습니다[17]. 그들은 64%의 기록적인 입사 광자 대 전류 효율(IPCE)과 단락 전류(J _SC ) 5.48mA cm⁻² . 그러나 p형 NiO 전극의 광전 변환 효율은 다른 염료를 사용하여 0.02~0.3%로 유지된다. 이 실험에서, NiO의 전구체 용액은 Sumikura 등의 방법에 따라 템플릿으로 F108(폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드(PEO-PPO-PEO) 삼중 블록 공중합체, MW:약 14,600)을 사용하여 제조되었습니다. 전구체 용액에 폴리에틸렌 글리콜(PEG; MW:약 20,000)을 첨가하고 NiO 필름에 미치는 영향을 자세히 조사했습니다. 마지막으로 pn형 양자점(QD) 감응 탠덤 태양전지도 조립했다.

실험

NiO의 전구체 용액은 이전에 보고된 방법에 따라 준비되었습니다[17]. 첫째, 무수 NiCl₂ (1g) 및 F108(1g)을 탈이온수(3g)와 에탄올(6g)의 혼합물에 용해시켰다. 둘째, 솔루션을 3일 동안 방치했습니다. 셋째, 특정 함량의 폴리에틸렌 글리콜(MW 20,000)을 NiO 전구체 용액에 첨가하였다. 다음으로, 혼합물을 4시간 동안 교반하고 8000rad/min에서 원심분리했습니다. PEG 함량은 0.03, 0.075, 0.15, 0.3g으로 조절되었습니다. 상기 용액을 불소 도핑된 산화주석(FTO) 유리 기판에 닥터 블레이딩 방식으로 증착하고 상온에서 건조하였다. 필름은 공기 중에서 400°C에서 30분 동안 소결되었습니다. CdSeS 양자점은 우리 그룹[18]이 보고한 이전 실험에 따라 고온 주입 합성에 의해 준비되었습니다. 준비된 NiO 필름은 혼합된 아세토니트릴/톨루엔(1:2.5 v /v ) 특정 시간 동안 50V의 DC를 적용하여 해결합니다. TiO₂ 필름은 기존의 연속 이온층 흡착 및 반응(SILAR) 방법을 사용하여 CdS/CdSe로 동시 민감화되었습니다[19]. QD 감응 TiO₂ pn형 QD감응 태양전지를 조립하기 위해 CuS 대신 박막을 양극으로 사용했다.

NiO 필름의 형태는 JSM-7001F 전계 방출 주사 전자 현미경(FE-SEM)을 사용하여 조사되었습니다. 광전류 밀도-전압(J –V ) 특성은 1 Sun의 강도로 Newport Oriel 태양광 시뮬레이터의 AM 1.5G 조명에서 Keithley 2440 소스 미터를 사용하여 측정되었습니다.

결과 및 토론

NiO 필름은 Doctor blading 방법으로 준비했습니다. 블레이딩 시간이 4배 이상일 때 PEG가 없는 NiO 전구체 용액의 경우 필름이 벗겨집니다. 그림 1a, c, e는 4번 블레이드를 가한 NiO 필름의 표면과 교차 형태를 보여줍니다. 여러 개의 미세 협곡을 나타내는 NiO 필름은 FTO 기판에서 말려 올라왔습니다. 그림 1b, d, f는 PEG를 사용하여 제조된 NiO 필름의 표면과 단면을 보여줍니다. 필름은 일곱 번 날이 깎였습니다. NiO 필름의 균열은 거의 관찰되지 않았습니다. 입자 크기는 PEG 없이 제조된 NiO 필름보다 작았다. 또한, PEG가 있거나 없는 이 두 NiO 필름의 단면에서 분명한 변화가 관찰되었습니다. PEG가 없는 NiO 전구체 용액을 사용하여 제조된 NiO 필름은 분명히 나노시트로 구성되어 있었다. 사실, 이러한 나노시트는 FTO 기판에서 벗겨질 수 있는 구부러진 NiO 필름으로 나타나야 합니다. 그러나, PEG와 함께 NiO 전구체 용액을 사용하여 제조된 NiO 필름은 여러 층으로 구성되어 있으며, 각 NiO 필름 층이 다른 층에 결합되어 있습니다. 두께가 약 2.6μm인 서로 다른 레이어 사이에는 뚜렷한 균열이 없었습니다. PEG는 NiO 필름의 형성 과정에서 두 가지 효과를 가질 수 있습니다. 하나는 PEG가 이러한 NiO 입자 사이의 접합을 개선하고 NiO 겔을 FTO 기판에 블레이드로 만든 후 건조 과정에서 균열의 출현을 감소시킬 수 있다는 것입니다. 한편, PEG는 구조 지시제로 사용될 수 있습니다. PEG의 첨가는 NiO 필름의 비표면적과 기공 부피를 향상시킬 수 있습니다.

<그림>

NiO 필름의 SEM 현미경 사진:a , ㄷ , 및 e 폴리에틸렌 글리콜이 없는 전구체 용액으로 제작되었습니다. ㄴ , d , 및 f 폴리에틸렌 글리콜이 포함된 전구체 용액으로 제작되었습니다.

2개의 층으로 준비된 NiO 필름은 전기영동 증착에 의해 CdSeS 양자점으로 감작되었다. 광전류-전압(J –V ) 곡선은 광원으로 Newport Oriel 태양광 시뮬레이터를 사용하여 1 Sun의 강도에서 기록되었습니다. 그림 2는 J–V를 보여줍니다. 이렇게 얻은 곡선. 그림 2에서 알 수 있듯이 0~0.15g의 PEG를 첨가하면 전환 효율이 0.08%에서 0.32%로 크게 향상되었습니다. OCV, J _SC , 그리고 최상의 NiO 광음극에 대한 충전 계수(FF)는 0.158V, 4.40mA cm⁻² 였습니다. , 및 0.46입니다. 0.15g에서 0.3g으로 PEG 함량이 변경되면 속성이 급격히 감소합니다. 따라서 NiO 전구체 용액에서 PEG의 농도는 NiO 음극의 특성에 상당한 영향을 미쳤습니다.

<그림>

전구체 용액에서 PEG 함량이 다른 NiO 광음극의 전류 밀도-전압 특성 곡선

NiO 막 두께의 영향도 조사되었습니다. 이 실험에서 PEG의 함량은 0.15g으로 고정되었습니다. 그림 3은 광전 특성 곡선을 보여줍니다. 필름 두께가 0.6에서 2.1μm로 증가함에 따라 OCV 및 J _SC 증가했다. 이 두 요소는 필름 두께가 더 증가함에 따라 감소하는 경향이 있습니다. FF는 막두께의 증가에 따른 변화가 거의 없었다. 이러한 약한 변화는 광전류 밀도의 증가와 관련이 있을 수 있습니다. 그 결과 NiO막의 초기 두께가 두꺼워짐에 따라 광전 변환 효율이 증가하였다. 낮은 정공 수송 속도 및 짧은 정공 수명과 관련하여 1.5μm 이상의 필름 두께에서 약한 변화가 관찰되었습니다[20].

<그림>

NiO 광음극의 광전지 특성에 대한 막 두께의 영향

준비된 NiO 음극은 TiO₂와 함께 조립되었습니다. 양극은 양자점 감응 pn형 탠덤 태양 전지를 준비하기 위한 것입니다. 그림 4는 J–V를 보여줍니다. NiO 음극과 TiO₂의 곡선 양극 및 탠덤 TiO₂ (아래)/NiO(위) 및 TiO₂ (위)/NiO(아래) 태양 전지. TiO₂가 포함된 p-n형 탠덤 태양 전지 (down)/NiO(up) 구성은 분리된 NiO 캐소드 또는 TiO₂에 비해 상당히 향상된 OCV를 나타냄 양극. 광전 변환 효율은 0.43%, OCV 0.594V, J _SC 2.0mA cm⁻² 및 FF 0.36의. 이것은 QD 증감 pn형 탠덤 태양 전지에 대한 첫 번째 연구입니다. 그러나 J _SC 탠덤 태양 전지의 경우 NiO 캐소드 및 TiO₂보다 훨씬 적습니다. 양극. 또한, 광전변환 효율은 NiO 캐소드 및 TiO₂보다 낮았다. 양극. 앞으로 양자점 증감 pn형 탠덤 태양전지의 고성능화를 위한 더 많은 연구가 수행되어야 한다.

<사진>

p-n형 양자점감응형 pn형 탠덤 태양전지의 전류밀도-전압 특성곡선

결론

폴리에틸렌 글리콜(PEG)을 사용하여 NiO 필름을 제조했습니다. PEG의 첨가는 NiO 필름의 균열을 상당히 감소시켰다. 균일한 2.6μm 두께의 나노다공성 NiO 필름이 준비되었다. 최적화된 광전 변환 효율은 0.80%였다. 최적화된 양자점 증감 NiO 필름은 먼저 TiO₂로 조립되었습니다. 준비된 QD 감응 pn형 탠덤 태양 전지에 대한 양극. 개방 회로 전압(OCV)은 분리된 NiO 캐소드 또는 TiO₂에 의해 나타나는 전압보다 컸습니다. 양극. TiO₂ (아래)/NiO(위) 탠덤 태양 전지는 OCV, 단락 전류 밀도 및 0.594V, 2.0mA cm의 충전 계수로 0.43%의 총 광전 변환을 제공했습니다.⁻² 및 각각 0.36입니다.

TIPS-펜타센 기반 유기 전계 효과 트랜지스터의 이동성과 형태에 대한 제자리 어닐링 처리의 효과 나노기술:생체 내 이미징 시스템에서 약물 전달 제어까지

나노물질