폴리에틸렌 글리콜이 양자점 탠덤 태양전지용 NiO 광음극 성능을 향상시킴

요약

본 연구에서는 전구체 용액에 폴리에틸렌 글리콜(PEG)을 첨가하여 최대 2.6 μm 두께의 균일한 나노다공성 NiO 박막을 제작했습니다. PEG는 균열 형성을 크게 억제하고 불소 도핑 산화 주석(FTO) 기판으로부터의 박리 현상을 방지했습니다. CdSeS 양자점(QD)으로 감작된 NiO 음극은 0.80%의 기록적인 광변환 효율을 달성했습니다. TiO₂ 양극과 조립했을 때, 결과적인 QD 감작 p-n형 탠덤 태양전지는 개별 전극보다 높은 개방 회로 전압(OCV)을 보이며 0.43% 효율(OCV = 0.594 V, JSC = 2.0 mA cm⁻², FF = 0.36)을 달성했습니다.

배경

태양 에너지는 청정하고 풍부하며 신속한 배치 가능성으로 인해 주요 전력원이 될 것으로 예상됩니다. 지난 30년간 염료 감작 태양전지(DSSC)는 효율적인 소자로 발전해 왔으나, 대부분의 진전은 TiO₂, ZnO, SnO₂ 광양극을 사용하는 n형 구조에 집중되어 왔으며, 단락 전류 밀도(JSC) 15 mA cm⁻² 이상, 효율 13% 근처를 달성했습니다. p-n형 탠덤 DSSC는 p형 광음극과 n형 양극을 결합하여 더 높은 OCV와 전체 효율을 약속합니다. 주목할 만한 성과로는 NK-2684 감작 NiO/TiO₂ 쌍의 0.918 V OCV, 기증자-수용체 염료 최적화를 통한 1079 mV OCV 등이 있으며, 이는 현재까지 보고된 p-n 탠덤 중 최고 기록입니다.

이러한 발전에도 불구하고, p형 광음극은 일반적으로 n형 대응물보다 한 자릿수 낮은 광전류를 제공합니다. 이는 두꺼운 박막의 기계적 불안정성 때문이기도 합니다. 최근 연구에서는 고표면적 NiO 나노구조, 향상된 결정성, 적층 구조 등을 탐구하여 성능을 개선하고자 했습니다. 그러나 다양한 염료와 결합했을 때 NiO 전극의 광변환 효율은 여전히 0.02-0.30% 범위에 머물고 있습니다.

본 연구는 PEO-PPO-PEO 트라이블록 공중합체 템플릿 전략을 기반으로 두꺼운 NiO 박막을 합성하고, 구조 개질제로서 PEG를 첨가하여 박막 무결성과 다공성을 향상시킴으로써 고효율 QD 감작 탠덤 소자 구현을 가능하게 했습니다.

실험 방법

NiO 전구체 용액은 무수 NiCl₂(1 g)와 F108(1 g)을 탈수 3 g과 에탄올 6 g에 용해하여 제조했습니다. 3일간 숙성 후, PEG(분자량 ≈ 20,000)를 0.03, 0.075, 0.15, 0.30 g씩 첨가했습니다. 혼합물을 4시간 교반하고 8000 rpm으로 원심 분리했습니다. 결과 겔을 닥터 블레이드 방식으로 FTO 유리에 도포하고 실온에서 건조한 후, 공기 중 400°C에서 30분간 소결했습니다. CdSeS QD는 열주입법으로 합성했으며, NiO 박막은 50 V DC 하에서 아세토니톨/톨루엔(1:2.5 v/v) 용액에서 전기영동 증착으로 감작했습니다. TiO₂ 양극은 SILAR 법으로 CdS/CdSe로 공동 감작했으며, 탠덤 전지 조립 시 CuS 대극을 대체했습니다.

박막 형태학은 JSM-7001F FE-SEM으로 관찰했습니다. 광전류-전압(J-V) 특성은 AM 1.5G 조명(1 Sun) 하에서 Keithley 2440 소스 미터로 측정했습니다.

결과 및 논의

SEM 이미징 결과, PEG 없이 제작된 NiO 박막은 뚜렷한 미세 균열과 말려 올라간 나노시트를 보이며 다중 닥터 블레이드 패스 후 박리되었습니다. 반면 PEG 함유 박막은 7회 블레이딩 후에도 연속적이고 균열 없는 표면을 보이며 ~2.6 μm 두께를 달성했습니다. PEG는 כנראה 입자 간 결합력을 높이는 바인더 역할을 하고, 비표면적과 기공 부피를 증가시키는 구조 지향제 역할을 하여 박막 무결성을 향상시킵니다.

J-V 측정 결과, PEG 첨가량 0.15 g까지 광변환 효율이 0.08%(PEG = 0)에서 0.32%로 향상되었습니다. 최적 NiO 음극은 OCV = 0.158 V, JSC = 4.40 mA cm⁻², FF = 0.46을 달성했습니다. 과량 PEG(0.30 g)는 성능 저하를 유발하여 최적 농도 범위가 존재함을 시사합니다.

박막 두께 변화(고정 PEG = 0.15 g) 실험에서, 두께가 0.6에서 2.1 μm로 증가함에 따라 OCV와 JSC가 상승했으나, ~1.5 μm 이상에서는 정공 수송 제한과 수명 단축으로 이점이 정체되었습니다.

TiO₂ 양극과 결합했을 때, TiO₂(아래)/NiO(위) 탠덤 구조는 0.594 V의 OCV와 0.43% 전체 효율을 달성하여 개별 전극을 능가했습니다. 단독 NiO 음극이나 TiO₂ 양극보다 JSC와 효율은 낮았으나, 이는 QD 감작 p-n형 탠덤 소자의 첫 시연으로서 향후 최적화 가능성을 보여줍니다.

결론

PEG 첨가는 균열 없는 2.6-μm 두께의 나노다공성 NiO 박막을 생성하여 우수한 기계적 안정성과 표면적을 제공합니다. 최적화된 QD 감작 NiO 음극은 0.80% 광변환 효율을 달성합니다. TiO₂/NiO 탠덤 구조의 일부로 0.594 V OCV와 0.43% 효율을 기록하여 개별 전극을 능가했습니다. 향후 연구는 전하 추출 향상과 재결합 감소를 통해 QD 감작 p-n형 탠덤 태양전지의 잠재력을 완전히 실현하는 데 초점을 맞출 것입니다.