고효율 염료 감응 태양 전지를 위한 상대 전극에 나노구조 탄소 복합 재료의 통합

초록

본 연구에서는 나노 구조의 탄소 복합 재료가 적층된 상대 전극(CE)으로 구성된 염료 감응 태양 전지(DSSC)를 제작했습니다. 고가의 백금(Pt) 박막을 대체할 가능성이 있는 것으로 0차원 탄소나노입자(CNP), 1차원 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT), 2차원 그래핀 플레이크(GF) 등 다양한 탄소 복합 재료가 적합하다. 전하 이동 매체는 스크린 인쇄 공정을 사용하여 CE의 표면에 증착되었습니다. 그 결과, CNP는 매우 낮은 비표면적을 갖는 고도로 응집된 구조의 형성으로 인해 CE에서 액체 전해질로의 전하 이동을 저하시키는 결과를 초래하는 것으로 밝혀졌다. 그러나 MWCNT 및 MWCNT가 첨가된 탄소 복합재(예:CNP/MWCNT, MWCNT/GF, CNP/MWCNT/GF)는 높은 비표면적을 갖는 고도로 네트워크화된 구조의 형성으로 인해 CE에서 액체 전해질로의 전하 이동을 향상시키는 것으로 밝혀졌습니다. 지역. 순수한 MWCNT 및 MWCNT가 첨가된 탄소 복합 재료 기반 CE로 구성된 DSSC의 결과 PCE는 Pt 기반 CE로 구성된 DSSC의 PCE와 매우 유사했습니다. 이것은 특히 MWCNT와 그 복합물로 구성된 나노구조 탄소 재료가 DSSC의 CE에서 값비싼 Pt를 대체할 유망한 후보 중 하나임을 시사합니다.

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배경

염료감응형 태양전지(DSSC)는 실리콘 기반 태양전지의 대안으로 많은 관심을 받고 있다. 비교적 저렴한 제조원가, 손쉬운 제작, 우수한 광기전 특성 등의 장점을 가지고 있어 가장 눈에 띄는 3세대 태양전지 중 하나로 평가받고 있다[1, 2]. DSSC의 주요 구성 요소는 TiO₂입니다. 박막 코팅된 불소 도핑된 산화주석(FTO) 광전극, 염료, 액체 전해질(${I}^{-}/{I}_3^{-} $ 산화환원 커플) 및 상대 전극(CE) [ 3, 4].

DSSC의 작동 원리로 염료 분자는 일반적으로 반도체 TiO₂ 표면에 흡착됩니다. 나노입자(NPs)를 광전극으로 사용합니다. DSSC가 햇빛에 노출되면 여기된 염료 분자에서 생성된 전자가 TiO₂의 전도대에 지속적으로 주입됩니다. NP는 전도성 산화물 전극(예:FTO 유리)에 도달합니다. 광 발생 전자는 외부 회로를 통해 전달된 다음 Pt 코팅된 CE를 통해 액체 전해질로 도입됩니다. 전해질은 최종적으로 전자를 수송하여 DSSC에서 전류 주기를 완료합니다.

Pt는 귀금속으로서 촉매 활성이 우수하고 요오드화물/삼극관의 환원에 효과적이며 전기 전도성이 우수하여 DSSC의 CE로 일반적으로 사용된다[5,6,7,8,9,10,11]. . 그러나 Pt는 상대적으로 고가이므로 태양전지 산업에서 DSSC의 대량 생산을 방해하고 부식성 전해질로 인해 DSSC의 안정성이 좋지 않습니다. 따라서 DSSC에서 Pt 촉매를 카본 블랙(CB), 탄소 나노튜브(CNT), 합금 금속, 금속 황화물 및 전도성 고분자와 같은 저렴한 재료로 대체할 수 있는 적합한 후보를 찾기 위해 많은 연구가 진행되었습니다[5,6 ,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]. 이러한 다양한 대안 중 탄소나노입자(CNPs, C₆₀ ), 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNT) 및 그래핀 플레이크(GF)는 상대적으로 높은 전도도, 큰 비표면적, 높은 광화학적 안정성 및 우수한 기계적 강도를 갖기 때문에 DSSC의 CE에서 Pt에 대한 잠재적인 대안이 될 수 있다고 보고되었습니다[17, 18,19,20,21].

탄소나노구조 물질이 코팅된 CE를 제조하기 위해 화학기상증착[22, 23], 드롭 코팅[24, 25], 스핀 코팅[26] 및 스프레이 코팅 공정[27]을 포함한 다양한 방법이 개발된다. 그러나 일반적으로 매우 복잡한 제조 절차가 필요하며 동시에 사용된 탄소 나노구조 재료의 단단한 결합과 균일한 두께를 얻는 것이 본질적으로 어렵습니다. 스크린 인쇄는 기판 표면에 페이스트를 균일하게 증착하기 위해 스퀴지 또는 기타 기계 장치를 사용하여 압력을 가하는 간단하고 쉽고 다양한 공정입니다. 그것은 외부 접촉에 저항할 수 있는 내구성 속성을 가진 다양한 인쇄물을 만들 수 있습니다[28, 29]. 따라서 기판 표면에 균일한 박막을 만들기 위해 많이 사용되어 왔으며 동시에 박막의 두께를 스크린 인쇄 공정의 수를 달리하여 쉽게 조절할 수 있습니다.

본 연구에서는 DSSC의 CE와 같이 두께가 다른 FTO 유리 기판 표면에 CNP, MWCNT, GF 및 이들의 혼합물을 포함한 다양한 탄소 나노구조 물질로 구성된 박막을 스크린 인쇄 공정을 사용하여 제작합니다. 그런 다음 결과 DSSC의 광전지 성능은 개방 회로 전압(V _oc ), 단락 전류 밀도(J _sc ), 필 팩터(FF) 및 전력 변환 효율(PCE)도 최종적으로 Pt 기반 DSSC의 광전지 성능과 비교됩니다.

방법/실험

TiO 제작₂ -DSSC 기반 광전극

TiO₂ NP 기반 광전극은 FTO 유리(SnO₂ :F, 7Ω/sq., Pilkington, Boston, USA). 상업적으로 이용 가능한 TiO₂ NP(P25, Degussa, Germany)는 추가 처리 없이 사용되었습니다. TiO₂를 제작하려면 페이스트, TiO 6g₂ NP, 테르피네올 20g, 아세트산 1ml(CH₃ COOH) 및 15g의 에탄올을 바이알에 혼합하여 용액-I를 만들었다. 그리고 다른 바이알에 에틸셀룰로오스 3g과 에탄올 27g을 섞어 용액-II를 만들었다. 이어서, 두 용액을 바이알에 넣고 유성 믹서를 이용하여 3분간 균일하게 혼합한 후 오븐에서 가열하여 에탄올을 제거하였다. 스크린 인쇄 프로세스의 도움으로 TiO₂ 박막은 ~ 23μm의 두께와 0.6cm × 0.6cm의 광활성 영역을 가진 FTO 유리에 형성되었습니다. FTO 유리를 아세톤, 에탄올, 탈이온수로 세척한 후 TiOCl₂ 0.247ml의 혼합물로 전처리했습니다. TiO₂ 사이의 접착력을 향상시키기 위한 용액 및 20ml의 탈이온수 NP 및 FTO 유리. TiO₂ 그런 다음 박막 코팅된 FTO 유리를 ~ 500°C에서 30분 동안 소결하여 잔류 성분을 제거했습니다. 소결된 TiO₂ -코팅된 FTO 유리를 0.3mM의 N719(Solaronix, SA, Switzerland)가 포함된 염료 용액에 24시간 동안 담그었습니다[20].

나노구조 탄소 재료 기반 CE 제작

균질한 CNP(C₆₀ , CNT Co., Ltd., Korea), MWCNTs(CNT Co., Ltd., Korea), GFs(CNT Co., Ltd., Korea) paste, CNPs 0.2g, MWCNTs 0.2g, 및 0.2g 1g의 테르피네올과 0.1g의 에틸 셀룰로오스의 혼합 용액에 GF를 분산시켜 나노구조 탄소 재료와 기판 사이의 접착력을 향상시켰다. 그런 다음 에탄올 용액에 분산시킨 후 프로브 초음파기(대한사이언티픽)로 2시간 동안 초음파 처리하여 균일한 현탁액을 얻은 다음 핫 플레이트에서 증발시켜 비교적 높은 점도의 페이스트를 제조하였다. 그림 1a와 같이 CNP/MWCNT, CNP/GF/, MWCNT/GF, CNP/MWCNT/GF를 포함한 다양한 탄소재료 혼합물을 제조하기 위해 CNP, MWCNT, GF 분말을 terpineol과 ethyl cellulose 용액에 분산시켰다. , 그리고 그들은 초음파 처리 및 증발 공정으로 처리되었습니다. 그런 다음 CNP, MWCNT 및 GF로 구성된 7가지 다른 페이스트를 FTO 유리 표면에 스크린 인쇄했으며, 면적이 0.6cm × 0.6cm인 두 개의 구멍이 뚫렸습니다. 그런 다음 400 ^° 에서 열처리 15분 동안 C에서 나노구조 탄소 재료에 형성된 모든 유기 오염 물질을 제거했습니다. 본 연구에 사용된 탄소 재료의 두께는 스크린 인쇄 횟수에 따라 변화하였다. 기준 CE로 FTO 유리는 1.2kV 및 7mA에서 작동되는 이온 스퍼터(E1010, Hitachi, Chiyoda-ku, Japan)를 사용하여 Pt로 코팅되었습니다.

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아 염료감응 태양전지(DSSC) 및 b의 상대전극(CE)용 탄소나노입자(CNP)/다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)/그래핀 플레이크(GF) 복합재 제조 개략도 본 연구에서 조립된 DSSC의 사진 및 구성요소

DSSC의 제조 및 특성화

제작된 광전극과 CE를 핫멜트 폴리머 필름(두께 60μm, Wooyang, Korea)으로 샌드위치 형태로 밀봉한 후 120 ^° 가열 4분 동안 C 이어서, CE에 천공된 두 개의 구멍을 통해 두 전극 사이의 공간에 요오드화물계 액체 전해질(AN-50, Solaronix, SA, Switzerland)을 주입한 후 핫멜트 폴리머를 사용하여 커버 유리로 구멍을 밀봉하였다. 영화. 마지막으로 그림 1b와 같이 DSSC 장치가 완전히 조립되었습니다.

본 연구에서 제작된 DSSC의 태양광 성능은 기단 1.5와 1 태양(=100mW cm^{− 2} )에서 측정되었습니다. ) 솔라 시뮬레이터(PEC-L11, Peccell Technologies, Inc., Kanagawa, Japan)를 사용한 조명. 광 조명의 강도는 KG-5 필터가 있는 표준 Si 포토다이오드 검출기를 사용하여 정밀하게 보정되었습니다. 전류 밀도-전압(J-V) 곡선 및 전기화학적 임피던스 스펙트럼(EIS)은 100mW cm^{− 2} 조명에서 Keithley SMU 2400 소스 미터(Cleveland, OH, USA)를 사용하여 자동으로 기록되었습니다. .

나노구조 탄소 재료의 물리적 구조와 두께는 ~ 15kV에서 작동하는 주사 전자 현미경(SEM, S-4200, Hitachi)을 사용하여 측정되었습니다. 비표면적 및 다공성은 Brunauer-Emmett-Teller (BET) (ASAP 2020, USA) 장비를 사용하여 측정하였고, 기공크기 분포는 탈착가지로부터 Barrett-Joyner-Halenda (BJH) 공식을 사용하여 결정하였다. 나노구조 탄소 재료의 구조적 특성은 여기를 위해 532nm 레이저를 사용한 Raman spectroscopy(Ramboss 500i, DongWoo Optron)를 사용하여 조사했습니다.

순환 전압 전류 측정은 Keithley SMU 2400 소스 미터(Cleveland, OH, USA)의 전기화학적 워크스테이션과 탄소 복합재 또는 Pt 코팅된 작업 전극, Pt 시트 상대 전극 및 칼로멜 기준 전극(ALS Co., Ltd., 일본). 이 전극은 10mM LiI, 1mM I₂에 담궈졌습니다. 아세토니트릴, 0.1M LiClO₄ 혼합 솔루션.

결과 및 토론

라만 분광법 측정은 탄소 재료의 결정 상태 및 결함 특성화를 위한 비파괴 분석 중 하나입니다. 그림 2는 CNP, MWCNT 및 GF의 경우에 대한 다양한 라만 스펙트럼을 보여줍니다. D 피크는 1차 zone-boundary phonon과 관련이 있으며 탄소재료층의 결함에 기인하는 무질서 피크로 알려져 있다. G 피크는 탄소 재료의 기본 모드이며 sp² 의 평면 구성으로 알려져 있습니다. 본드[13]. D 및 G 피크는 일반적으로 1355cm^{− 1} 에서 나타났습니다. 및 1579cm^{− 1} 본 연구에 사용된 CNP, GF 및 MWCNT의 경우. D 및 G 피크의 상대 강도(I _D /나 _G )는 탄소 재료의 결함을 나타냅니다[30]. 나노구조의 탄소재료의 결함은 탄소재료의 결함에서 DSSC에서 요오드화물 전해질의 환원과정이 일어나기 때문에 효과적인 촉매 활성을 수행하는데 유리하다[31]. CNP, GF 및 MWCNT의 계산된 상대 강도는 각각 ~ 0.95, ~ 0.97 및 ~ 1.01이었습니다. MWCNT가 존재할 때 D 및 G 피크의 가장 큰 상대 강도가 나타났습니다. 아마도 MWNCT의 에지 플레인에 결함이 많기 때문일 것입니다. 그러나 CNP와 GF가 존재할 때 더 작았습니다. 이는 각각 CNP의 비정질 구조와 GF의 상대적으로 큰 2D 평면 구조의 존재에 기인한 것으로 추정됩니다.

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CNP, MWCNT 및 GF의 라만 스펙트럼

측정된 나노구조 탄소 재료의 기공 부피 분포는 그림 3에 나와 있습니다. GNP, MWCNT 및 GF는 24.7m² 의 BET 표면적을 가졌습니다. g^{− 1} , 311.8m² g^{− 1} 및 269.5m² g^{− 1} , 각각. 질소 흡착량과 평균 기공 크기는 CNP/MWCNT> MWCNT> CNP/MWCNT/GF> MWCNT/GF> GF> CNP/GF> CNP의 순으로 증가하여 MWCNT의 존재가 매우 효과적임을 시사한다. CE와 액체 전해질 사이의 전자 전달이 크게 향상될 수 있도록 DSSC의 CE에서 나노구조 탄소 재료의 비표면적을 증가시킵니다.

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아 질소 흡착 및 탈착 곡선. ㄴ CNP, MWCNT, GF, MWCNT/GF, CNP/GF, CNP/MWCNT 및 CNP/MWCNT/GF 분말의 기공 부피 분포

그림 4의 평면도 SEM 이미지는 FTO 레이저 표면에 코팅된 CNP, MWCNT, GF 및 이들의 복합체를 포함한 다양한 나노구조 탄소 재료의 형태를 보여줍니다. CNP는 서로 현저하게 응집되어 FTO 유리에서 분리된 클러스터를 형성하는 반면 MWCNT는 액체 전해질의 ${I}_3^{-} $ 이온이 쉽게 확산될 수 있는 무작위 네트워크 다공성 구조를 만듭니다. 활성 사이트. GF는 대부분 2차원 평면층을 만드는 것으로 밝혀졌다. MWCNT/GF 혼합물의 경우, MWCNT 네트워크가 GF 표면에 형성되었다. MWNCT와 GF에 CNP를 첨가한 후, MWCNT와 GF의 표면은 CNP로 부분적으로 코팅되었다. 그림 4의 단면도 SEM 이미지는 CNP 기반 박막이 FTO 유리 표면에 균질하게 접합되지 않아 CNP와 FTO 유리 사이의 계면 접촉이 매우 불량함을 명확하게 보여줍니다. CNP와 달리 다른 모든 나노구조 탄소 재료(CNP/MWCNT, MWCNT/GF, CNP/MWCNT/GF)는 FTO 유리 표면에 강하게 부착되는 것으로 보였다. 나노구조 탄소재료 기반 박막의 두께는 ~ 5μm로 매우 유사했으며, 이는 스크린 인쇄 공정의 수를 늘리면 간단히 증가할 수 있습니다.

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CNP, MWCNT, GF, MWCNT/GF, CNP/GF, CNP/MWCNT, CNP/MWCNT/GF를 포함한 다양한 탄소 재료를 스크린 인쇄 공정을 사용하여 FTO 유리 표면에 적층한 평면도 및 단면도 평면도 이미지의 눈금 막대는 0.5μm이고 횡단면 보기 이미지의 눈금 막대는 5μm입니다.

그림 5는 I₃에 대한 순환 전압전류 곡선의 비교를 나타냅니다. ^- /나⁻ Pt 및 탄소 재료 코팅 전극과 접촉하는 시스템. 그림 5a와 같이 Pt 및 MWCNT의 경우 두 쌍의 산화 및 환원 피크가 명확하게 관찰되었습니다. 그러나 순수한 GF와 CNP는 명확한 산화 및 환원 피크를 나타내지 않아 DSSC의 CE에 대한 잠재적인 촉매 물질로서 중요한 역할을 할 수 없음을 시사합니다. Pt 및 MWCNT 기반 CE의 경우 1 및 2로 표시된 왼쪽의 상단 및 하단 피크는 각각 Eqs로 표현된 산화환원 반응을 나타냅니다. (1)과 (2)는 DSSC의 광전지 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 3과 4로 표시된 오른쪽의 다른 두 피크는 Eqs로 표현된 산화환원 반응을 나타냅니다. (3)과 (4)는 DSSC의 광전지 성능에 약간의 영향을 미칩니다[12, 32,33,34,35].

$$ 3{\mathrm{I}}^{-}-2{\mathrm{e}}^{-}=\kern0.5em {\mathrm{I}}_3^{-} $$ (1) $ $ {\mathrm{I}}_3^{-}\kern0.5em +\kern0.5em 2{\mathrm{e}}^{-}=\kern0.5em 3{\mathrm{I}}^{- } $$ (2) $$ 2{\mathrm{I}}_3^{-}-2{\mathrm{e}}^{-}=3{\mathrm{I}}_2 $$ (3) $ $ 3{\mathrm{I}}_2+2{\mathrm{e}}^{-}=2{\mathrm{I}}_3^{-} $$ (4) <그림><소스 유형=" image/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-018-2692-1/MediaObjects/11671_2018_2692_Fig5_HTML.png

아 Pt-, CNP-, MWCNT 및 GF 코팅된 CE의 순환 전압전류법. ㄴ 50mV s^{− 1} 의 스캔 속도로 측정된 Pt 및 탄소 복합 재료 코팅 CE의 순환 전압전류법 10mM LiI, 1mM I₂ 아세토니트릴, 0.1M LiClO₄ 혼합 전해질 용액

DSSC에서 광생성 전자는 I^- 전해질의 이온은 광산화된 염료로 바뀌고 $ {\mathrm{I}}_3^{-} $ 이온은 CE 표면에서 환원됩니다. CV 곡선에서 피크 대 피크 분리는 전하 이동 속도에 반비례하여 변화하는 것으로 관찰되었습니다[34, 35]. 그림 5a는 Pt 코팅된 CE에 대한 산화환원 피크가 각각 - 0.29 V 및 0.33 V에서 나타났고 그 결과 ∆ E_p (Pt)는 ~ 0.62V였습니다. 대조적으로, MWCNT 코팅된 CE에 대한 산화환원 피크는 각각 - 0.44V 및 0.33V에서 나타났고, 그 결과 ∆ E_p (MWCNT)는 ~ 0.77 V였습니다. 그림 5b에서 볼 수 있듯이 MWCNT가 첨가된 탄소 복합재 기반 CE의 경우 결과 ΔE_p (CNP/MWCNT), ΔE_p (CNP/GF/MWCNT) 및 ΔE_p (GF/MWCNT)는 각각 ~ 0.83 V, ~ 0.98 V 및 ~ 1.025 V였습니다. 이는 순수한 MWCNT 및 MWCNT가 첨가된 탄소 복합 재료 기반 CE가 삼요오드화물 환원에서 상대적으로 높은 촉매 활성과 빠른 반응 속도를 가짐을 시사합니다. MWCNT의 존재는 DSSC의 CE에서 나노구조 탄소 재료의 비표면적을 증가시키는 데 매우 효과적이어서 탄소 복합체로 코팅된 CE와 액체 전해질 사이의 전자 전달이 크게 향상되었습니다.

그림 6은 단락 전류 밀도(J _sc ), 개방 회로 전압(V _oc ), 충전율(FF) 및 전력 변환 효율(PCE)은 DSSC의 CE에서 나노구조 탄소 재료 두께의 함수입니다. CNP의 경우 J _sc CNP 박막의 두께가 증가함에 따라 크게 증가하였으나 FF와 V _oc 상대적으로 낮은 값에서 눈에 띄게 변화하지 않아 결국 매우 열악한 PCE 값을 초래했습니다. 이것은 전자가 CE에서 액체 전해질로 효과적으로 전달되도록 CNP 사이에 심각한 클러스터가 형성되어 발생해야 합니다. GF 및 CNP/GF의 경우 FF도 상대적으로 열악했습니다. 이는 GF의 2차원 평면 구조가 적층 배열에서 서로 밀접하게 접촉하지 않도록 어느 정도 구겨지고 비틀렸기 때문으로 추정된다. 따라서 GF 및 CNP/GF 기반 CE에 의해 만들어진 DSSC의 결과 PCE는 상대적으로 낮았습니다. 그러나, 나노구조 탄소 재료(즉, MWCNT, MWCNT/GF, CNP/MWCNT, CNP/MWCNT/GF)에 MWCNT의 존재는 J를 안정적으로 증가시키는 것으로 관찰되었습니다. _sc 및 FF는 DSSC의 결과 PCE가 비교적 높은 값으로 유지되도록 하였다. 이것은 MWCNT의 존재에 의해 형성된 친밀한 네트워크와 높은 비표면적이 CE와 액체 전해질의 계면에서 전자 수송을 향상시켰기 때문일 것입니다.

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a 측면에서 다양한 탄소 재료 및 Pt 기반 CE로 구성된 DSSC의 광전지 성능 비교 제 _sc , b V _oc , ㄷ FF 및 d PCE

전류 밀도-전압(JV) 및 전기화학적 임피던스 분광법(EIS) 측정은 그림 7a 및 표 1과 같이 유사한 두께 ~ 20μm의 서로 다른 탄소 재료로 적층된 CE에 대해 수행되었습니다. CE도 비교를 위해 수행되었습니다. CE에서 CNP로 적층된 DSSC는 매우 높은 J _sc ~ 17.18mA cm^{− 2} , 그러나 상당히 낮음 V _oc ~ 0.5V 및 ~ 0.25의 FF, 따라서 ~ 0.22%의 가장 낮은 PCE를 유발하여 CNP가 CE에서 FTO 유리와의 강한 응집 유도 낮은 계면 접촉 면적으로 인해 DSSC에 적합하지 않음을 시사합니다. CE에서 GF 및 CNP/GF로 적층된 DSSC는 그림 3과 같이 이전 BET 측정에서 확인된 상대적으로 낮은 비표면적으로 인해 더 낮은 FF 및 PCE를 나타냈다. 그러나 MWCNT 및 MWCNT가 첨가된 탄소 복합물로 적층된 DSSC는 재료는> 5%의 더 높은 PCE를 가졌다. CNP/MWCNT 복합 재료로 적층된 DSSC는 ~ 5.67%의 최고의 PCE를 가졌으며, 이는 Pt 기반 DSSC에 의해 생성된 ~ 5.7%의 PCE에 매우 가깝습니다. 이는 MWCNT 기반 나노구조 탄소복합재료를 사용하여 생성된 더 높은 비표면적이 CE와 액체 전해질의 계면에서 환원 과정을 보다 효과적으로 촉진시킴을 시사한다. 그림 7b는 다양한 탄소 재료 기반 CE로 구성된 DSSC에 대한 Nyquist 플롯을 보여줍니다. 수송 저항(R _ce ) 첫 번째 반원 및 계면 커패시턴스(CPE_pt ), 이는 CE에서의 전하 전송입니다. 재조합 저항(R _녹음 ) 및 계면 커패시턴스(CPE_{TiO2/염료/전해질} ) TiO₂의 인터페이스에서 전하 이동을 나타내는 두 번째 반원과 관련이 있습니다. /염료/전해질 [36,37,38]. 표 1은 본 연구에 사용된 CNP 및 CNP/CF 복합재 케이스를 제외한 모든 탄소 재료로 구성된 DSSC가 더 낮은 R을 나타냄을 보여줍니다. _ce 이는 MWCNT와 그 복합체가 높은 전기촉매 반응성과 전기 전도도를 가지므로 CE와 액체 전해질의 계면에서 전자 손실이 적음을 나타냅니다. 그리고 R _녹음 탄소 재료의 비표면적이 증가함에 따라 감소하였고, 이는 결국 염료와 전해질의 계면에서 전자 재결합을 감소시키는 결과를 초래하였다. 그러나 R의 값은 _녹음 Pt 기반 DSSC의 경우 탄소 재료 기반 DSSC보다 훨씬 낮았으며, 이는 Pt가 TiO₂ 계면에서 전하 이동에 더 유리함을 시사합니다. /dye/electrolyte 및 탄소 재료는 Pt와 비교하여 $ {\mathrm{I}}_3^{-} $를 빠르게 감소시키지 못했습니다[39]. 그림 7c는 다양한 탄소 재료로 구성된 DSSC의 Bode 플롯을 보여줍니다. 전자 수명(τ _e )는 τ_e로 계산할 수 있습니다. =(2πf _최대 )^{− 1} (여기서, f _최대 최대 피크 주파수) [40]. 탄소 복합 재료에 MWCNT가 존재할 때 탄소 재료 기반 DSSC의 전자 수명은 Pt 기반 DSSC의 전자 수명보다 길었습니다. 이것은 본질적으로 더 높은 비표면적을 갖는 MWCNT 및 MWCNT가 첨가된 탄소 복합체를 통해 CE에서 액체 전해질로의 급속한 전하 이동으로 인해 전자가 더 확산되었음을 시사합니다.

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a의 비교 전류 밀도-전압 곡선, b Nyquist 플롯 및 c 다양한 탄소 재료 및 Pt 기반 CE로 구성된 DSSC의 보드 플롯

결론

이 연구에서 우리는 DSSC의 광전지 성능에 대한 CE의 Pt 대체물로서 다양한 나노구조 탄소 재료의 효과를 체계적으로 조사했습니다. 구체적으로 CNP, MWCNT, GF 및 이들의 복합물을 CE 표면에 적층하고 DSSC의 결과적인 광전지 성능을 J로 측정했습니다. _sc , V _oc , FF 및 PCE. 그 결과, CNP는 고도로 응집된 구조의 형성으로 인해 DSSC의 CE에서 Pt 대체물로 사용하기에 적합하지 않았으며, 이는 형성된 CNP 기반 박막을 FTO 유리 표면에서 분리시키는 결과를 낳았다. CNP와 달리 다양한 탄소 복합재에 MWCNT가 존재하면 FTO 유리 표면에 본질적으로 높은 비표면적을 갖는 고도로 네트워크화된 MWCNT 구조의 형성으로 인해 CE에서 액체 전해질로의 전하 이동을 효과적으로 촉진하는 것으로 밝혀졌습니다. 따라서 특히 MWCNT와 MWCNT가 첨가된 탄소 복합체(예:CNP/MWCNT, MWCNT/GF, CNP/MWCNT/GF)로 구성된 나노구조 탄소 재료는 DSSC의 CE에서 값비싼 Pt를 대체할 유망한 후보 중 하나입니다. /P>