ZnO 나노결정의 합성 및 역 고분자 태양전지의 응용

결과 및 토론

용액 농도, 반응 온도 및 계면 활성제와 같은 열수 성장 매개 변수를 조정하여 ZnO nanorods, nanotetrapods, nanoflowers 및 nanocubes와 같은 다양한 형태의 ZnO 나노 결정을 얻었습니다. 그 중 TiO₂를 사용하여 열수 경로를 통해 패턴화 및 정렬된 ZnO 나노로드 어레이를 합성했습니다. 폴리스티렌 미소구체 자기조립 단층(역전 자가조립 단층 주형)에서 파생된 링 주형은 이전 연구[11]에서 입증되었습니다. 그림 2a, b는 0.05M Zn(NO₃를 포함하는 수용액에서 성장한 as-grown ZnO nanorod 어레이의 상단 및 45° 경사도를 나타냅니다. )₂ ·6H₂ O 및 HMTA, 80°C에서 3시간 ZnO 나노로드 어레이는 TiO₂의 장거리 육각형 주기성을 보유하고 있음을 알 수 있습니다. 아주 잘 반지 템플릿. 모든 ZnO 나노로드는 380nm의 균일한 직경으로 기판에 수직으로 완벽하게 정렬되어 전자 수송을 위한 짧고 연속적인 경로를 제공할 수 있으며 각 성장 사이트에서 하나의 ZnO 나노로드만 성장합니다. 그림 2a의 as-grown ZnO 나노막대 어레이의 평면도에서 인접한 ZnO 나노막대 사이의 공간이 약 200nm 너비임을 알 수 있습니다. 이는 다음 유기광 흡수제의 침투에 중요합니다. 게다가, ZnO 나노로드의 직경과 길이는 우리의 이전 연구[11]에서 보고된 바와 같이 열수 성장 동안 용액 농도와 반응 온도를 변경함으로써 쉽게 변경할 수 있습니다. 그림 2c, d와 같이 ZnO 나노 테트라포드 어레이는 ZnO 나노로드 어레이와 유사한 역 자기 조립 단층 템플릿에 의해 0.025M, 50°C에서 6시간 동안 성장되었습니다. ZnO 나노로드 어레이와 다른 점은 열수 성장 과정에서 일정량의 PEI(반응 용액 40ml당 0.1ml PEI)가 사용되었다는 점인데, 이는 축 방향 성장은 촉진하지만, 열수 성장은 억제한다고 보고되고 있다. 반경 방향 [12]. ZnO 나노테트라포드 어레이의 평면도(그림 2c)와 45° 틸트 뷰(그림 2d)에서 나노테트라포드 어레이도 TiO_{2 링 템플릿이 매우 우수하고 각 나노테트라포드는 각 성장 사이트에서 성장한 3~7개의 나노로드로 구성되어 있으므로 ZnO 나노테트라포드 어레이의 표면적은 ZnO 나노로드 어레이보다 훨씬 큽니다.}

아 상위 뷰 및 b ZnO 나노로드 어레이의 45° 기울기 보기. ㄷ 상위 뷰 및 d ZnO 나노테트라포드 어레이의 45° 기울기 보기

그림 3a, b는 각각 다음과 같이 2단계 방법으로 제조된 ZnO 나노플라워와 나노큐브의 SEM 이미지를 보여줍니다. 먼저, ZnO 나노로드는 0.025M Zn(NO₃ )₂ ·6H₂ O 및 HMTA, 85°C에서 3시간 그런 다음, 성장한 ZnO 나노로드를 2차 성장을 위해 다른 용액에 담그었습니다. ZnO 나노플라워는 0.0075M Zn(NO₃ )₂ ·6H₂ O 및 0.0075M 구연산 나트륨 95°C에서 12시간 동안 ZnO 나노큐브는 0.0075M Zn(NO₃ )₂ ·6H₂ O 및 0.015M 구연산 나트륨 95°C에서 6시간 마지막으로, 성장한 ZnO 나노플라워와 나노큐브를 탈이온수로 완전히 헹구고 공기 중에서 건조하여 잔류 중합체를 제거했습니다. 그림 3a의 ZnO 나노플라워의 평면도에서 ZnO 나노플라워가 무질서하고 밀집되어 있으며 각 나노플라워는 많은 "꽃잎"으로 구성되어 표면적이 크게 증가함을 알 수 있습니다. 그러나 ZnO 나노플라워의 인접한 "꽃잎" 사이의 공간은 그림 3a의 확대도에서 볼 수 있듯이 너무 작아서(~ 30nm 폭) 유기광 흡수제의 다음 침투가 매우 어려워집니다. 그림 3b는 ZnO 나노큐브의 평면도를 보여줍니다. 분명히 ZnO 나노큐브는 크기가 균일하고 측면의 길이는 약 150nm입니다. 게다가, 각 ZnO 나노큐브는 이 기사의 뒷부분에서 설명하는 것처럼 태양 전지의 전자 수송에 영향을 미칠 서로 분리되어 있습니다.

a의 평면도 ZnO 나노플라워와 b ZnO 나노 큐브. 그림 3a의 삽입도는 단일 ZnO 나노플라워의 확대도입니다.

다음으로, 4가지 유형의 ZnO 나노결정이 그림 1과 같이 유기 벌크 이종접합 태양전지에 도입된다. 제작 과정에서 각 ITO 기판에 4개의 태양전지가 제작되었다. 그 중 PCE 값이 더 높은 최소 3개의 태양 전지에서 최대 광자 변환 효율(PCE) 편차가 3% 미만이면 성능 매개변수가 기록됩니다. 기록에서 가장 높은 PCE 값이 비교를 위해 여기에서 채택되었습니다. 거기에서 각 예에 대해 5개의 샘플이 만들어졌으며 그 중 각 예에 대한 PCE 및 기타 주요 매개변수 편차가 3% 미만이므로 결과를 믿을 수 있습니다. J -V 모의 태양광 하에서 서로 다른 ZnO 나노결정을 갖는 태양전지 소자의 특성은 그림 4에 나타나 있으며, 해당 소자의 성능은 표 1에 요약되어 있다.

제 -V ZnO 나노구조가 다른 유기 벌크 이종접합 태양전지의 특성

ZnO 나노테트라포드 소자가 3.96으로 가장 높은 PCE를 보였으며, ZnO 나노로드와 나노플라워 소자(각각 3.71, 3.69)가 그 뒤를 이었고, ZnO 나노큐브 소자가 3.25로 가장 낮은 PCE를 보였다. 더 높은 단락 전류 밀도(J _SC ), 개방 회로 전압(V _OC ) 4개 장치 중 거의 변경되지 않았습니다. ZnO 나노테트라포드 소자의 최고의 성능은 유기광 흡수체의 침투를 위한 인접한 ZnO 나노결정 사이의 넓은 표면적과 적절한 공간(~ 300 nm)에 기인할 수 있습니다. ZnO 나노로드 장치는 표면적이 상대적으로 낮아 염료 로딩 및 광 수확이 낮아 전하 추출에 영향을 미치므로 더 낮은 J를 나타냅니다. _SC ZnO 나노테트라포드 소자와 비교[13]. ZnO 나노플라워는 Fig. 2c, d와 같이 가장 큰 표면적을 가지지만 해당 장치는 ZnO nanotetrapod에 비해 더 낮은 PCE를 나타낸다. ZnO 나노플라워의 인접한 "꽃잎" 사이의 공간(50nm 미만)이 너무 가까워 유기광 흡수제와 ZnO 전자 전달 채널의 침투 및 조합이 매우 열악해지기 때문입니다. 알려진 바와 같이, 캐리어 전달 및 여기자 해리의 더 높은 능력을 달성하려면 더 나은 침투와 더 효과적인 접촉이 필수적입니다. 따라서 ZnO 나노플라워 소자는 더 낮은 J를 겪는다. _SC , ZnO 나노테트라포드와 비교. 유기광 흡수제의 침투를 위한 인접한 ZnO 나노결정 사이의 넓은 표면적과 적절한 공간 외에도 전자 수송을 위한 짧고 연속적인 경로 또한 매우 중요합니다. ZnO 나노큐브 소자의 경우, 각 ZnO 나노큐브가 서로 떨어져 있기 때문에 인접한 나노큐브 사이의 결정립계에 의해 차단되는 전자 수송 경로가 연속적이지 않다. 결과적으로 ZnO 나노큐브 소자는 가장 낮은 J _SC .