TiO₂ 내 금 나노입자 배치 최적화로 염료 감응 태양전지 효율 향상

초록

우리는 인듐 주석 산화물(ITO) 유리 위에 TiO₂ 페이스트와 AuNP 용액을 순차 증착하여 제어된 적층 구조로 금 나노입자(AuNP)를 포함하는 TiO₂ 광전극을 제작하였다. 각 층의 AuNP 농도를 변화시켜 TiO₂ 매트릭스 내 AuNP 공간 분포가 광 흡수와 소자 성능에 미치는 영향을 탐구하였다. N719 염료의 피크 흡수(~520 nm)와 일치하는 TiO₂ 침투 깊이에 밀집된 AuNP 층(≈1.3 µg/cm²)을 위치시켰을 때 가장 뚜렷한 플라즈몬 향상 흡수와 광전 출력을 관찰하였다. 이 구성에서 단락 전류 밀도(J_sc)는 10.8 mA/cm²로 상승했고 에너지 변환 효율(η)은 5.0%에 도달하여 AuNP 없는 기준 셀 대비 각각 15%, 11% 향상되었다. 이 결과는 TiO₂ 내 의도적 AuNP 배치가 DSSC 성능 극대화를 위한 핵심 전략임을 확인한다.

배경

염료 감응 태양전지(DSSC)는 저비용, 확장 가능한 제작, 환경 친화성으로 오랫동안 인정받아 왔다. 그럼에도 전력 변환 효율은 여전히 페로브스카이트, 박막, 결정질 실리콘 기술에 뒤처진다. TiO₂ 층 두께 증가 같은 전통적 흡수 향상 방법은 의도치 않게 전자 재결합을 증가시킨다. 나노포토닉스는 대안을 제공한다: 금속 나노입자는 국소 표면 플라즈몬 공명을 생성하여 국소 전자기장을 증폭하고 빛을 산란시켜 셀 내 광학 경로를 연장한다. 금과 은 나노입자는 대부분의 염료가 흡수하는 가시광선 영역에 플라즈몬 공명이 있어 선호된다. 수많은 연구가 플라즈몬 향상을 입증했으나, TiO₂ 스캐폴드 내 AuNP 최적 깊이 분포는 미탐구 상태이다. Au와 Ag는 고가이므로 신중한 배치는 재료 사용을 줄이면서 성능을 극대화할 수 있다.

재료 및 방법

AuNP 합성

AuNP(20~90 nm)를 Turkevich 법으로 합성하였다. 0.01 wt% HAuCl₄ 용액을 끓이고 트리소듐 시트르산을 첨가하여 입자를 핵생성시켰다. 후속 시드 매개 성장으로 40 nm, 60 nm, 90 nm 입자를 얻었다. 원심 분리 후 AuNP를 물:에탄올 1:10 용매 혼합물에 분산시켜 증착용으로 사용하였다. 20 nm 입자의 경우 Stöber 법으로 20 nm SiO₂ 쉘을 성장시켜 전하 재결합을 억제하였다.

광전극 제작

ITO 유리(시트 저항 ≈10 Ω/sq)를 세정하고 스크린 프린팅으로 TiO₂ 페이스트를 코팅하였다. 각 층(~1.1 µm 두께)을 450°C에서 15분 소성하였다. 어닐링된 TiO₂ 표면에 AuNP를 드롭 캐스팅하고 자연 건조하였으며, 용액 내 AuNP 무게를 측정하여 밀도를 제어하였다. TiO₂와 AuNP 증착을 반복하여 미리 정해진 깊이에 AuNP 층을 가진 적층 구조를 만들었다. 최종 500°C 30분 어닐링으로 층을 통합하였다. 염료 로딩은 0.3 mM N719(에탄올)에 광전극을 25°C에서 20시간 담그는 과정이다. 대향 전극은 TCO 유리에 2 mg/mL Pt 전구체 드롭 캐스팅 후 400°C 30분 어닐링으로 제조하였다. 50 µm Himilan 스페이서로 셀을 조립하고 커버 유리로 밀봉하였다. 전해질(0.05 M I₂, 0.05 M LiI, 0.6 M DMPII, 0.5 M TBP 아세토니트릴)을 진공 하에서 주입하여 공동을 채웠다.

특성 분석

UV-Vis 흡수 스펙트럼 기록(100 mW/cm², AM 1.5). TEM으로 단분산 구형 AuNP 확인. SEM으로 표면 형태 조사. TiO₂ 두께는 표면 프로파일러로 측정. J-V 곡선과 IPCE 스펙트럼은 0.05 cm² 활성 영역으로 보정된 분광 시스템으로 획득하였다.

결과 및 논의

AuNP 크기 효과

흡수 스펙트럼은 AuNP 크기 증가에 따른 예상 적색 편이를 확인하였으며, TEM 이미지는 60 nm까지 단분산성을 검증하였다. 40 nm AuNP를 포함하는 DSSC가 V_oc나 FF 저하 없이 최대 향상(≈45% J_sc 증가)을 보였다. 더 작은 20 nm 입자는 금속 표면에서 재결합으로 인한 V_oc 손실을 피하기 위해 SiO₂ 패시베이션이 필요하였다.

최적 AuNP 밀도 및 위치

6 µm TiO₂ 박막에서 층당 AuNP 밀도를 0~5.4 µg/cm²로 변화시켰다. J_sc와 η는 1.3 또는 2.7 µg/cm²에서 최댓값을 보였으며, 이 이상에서는 응집으로 플라즈몬 이점이 감소하고 입사광을 차단하였다. 흡광도 측정 결과 ITO 표면에서 4.0 µm 근처—N719의 520 nm 흡수 침투 깊이와 일치—에 AuNP 층을 위치시킬 때 광장 증강과 IPCE가 최대화됨을 보였다. IPCE 증분은 350~750 nm 범위에 걸쳐 520 nm 근처에서 피크를 보이며 흡수 증강을 직접 반영한다.

다중 AuNP 층

1.1, 2.2, 3.3 µm(P1-P3)에 AuNP 층을 삽입하여 누적 효과를 탐구하였다. 높은 밀도 층(1.3 µg/cm²)을 P3에, 낮은 밀도(0.65 µg/cm²)를 P1과 P2에 배치한 구성이 최적 성능을 보였다: J_sc=10.8 mA/cm², η=5.0%—기준 대비 15%, 11% 향상. 이는 염료 피크 흡수의 침투 깊이에 고밀도 AuNP 층이 위치해야 하며, 셀 전면 근처의 적당한 밀도는 산란 손실 유발 없이 광 결합을 향상시킴을 시사한다.

결론

우리의 체계적 연구는 TiO₂ 층 내 AuNP 전략적 배치—특히 520 nm 빛이 완전히 흡수되는 깊이에 집중시키는 것—이 DSSC에서 최대 플라즈몬 향상을 낳음을 입증한다. 조명면 근처의 저밀도 AuNP 층은 유의미한 재결합 유발 없이 광 결합을 향상시켜 성능을 추가 개선한다. 이 통찰은 나노입자 분포 제어가 비용 효율적, 고효율 염료 감응 태양전지에 중요함을 강조한다.