브러시 코팅법과 연속적인 TiCl4 처리로 제작한 다층 TiO2 광양극과, 알루미늄 코어에 2단계 전기화학-열분해 공정으로 증착한 복합 Pt 대극을 적용한 유연 섬유형 염료감응 태양전지(FFDSSC)가 6.35%의 기록적인 광전 변환 효율을 달성했습니다. 다층 TiO2 광양극은 전자 재결합을 억제하고 전하 포집을 향상시킵니다. 복합 Pt 대극은 미세다공성 표면과 3.11 Ω cm2의 낮은 전하전달 저항을 가집니다. 비교 테스트에서 복합 Pt 대극은 순수 Pt 와이어 대극과 동등한 성능을 내면서 백금 사용량을 크게 줄여 저렴하고 확장 가능한 소자를 만듭니다. 이 FFDSSC는 높은 탄성, 유연성, 신축성을 겸비해 미래 웨어러블 전자기기의 유망한 후보입니다.
염료감응 태양전지(DSSC)는 저비용, 고효율, 환경 친화성으로 실리콘 태양전지의 매력적인 대안입니다. 그러나 기존 DSSC는 딱딱한 유리 기판에 의존해 휴대용이나 섬유 기반 시스템 통합을 제한합니다. 유연 섬유형 DSSC는 가볍고 형상에 순응하는 전원으로 곡면에 부착 가능하고 기계적 변형을 견뎌 이러한 제약을 해결합니다.
이전 연구들은 변형된 티타늄 와이어를 광양극으로, 순수 백금 와이어를 대극으로 쓴 섬유형 DSSC를 시연했습니다. 백금은 I-/I3- 레독스 커플에 뛰어난 전기촉매 활성을 보이지만 높은 비용이 대규모 보급을 가로막습니다. 열분해나 전기화학적 환원으로 제조한 백금 박막 등 저비용 대안들이 등장해 성능 저하 없이 백금 사용량을 줄였습니다. 광양극 효율도 제한된 염료 로딩과 전자 재결합으로 저하됩니다. 다층 TiO2 구조, 표면 개질, 입자 크기 제어 등으로 광흡수와 전하 수송을 향상시키려 시도해 왔습니다. 본 연구는 다층 TiO2 광양극과 복합 Pt 대극을 통합해 FFDSSC 효율을 극대화하는 것을 목표로 합니다.
시약급 시약들을 상하이 화학시약사에서 구입했습니다(NiCl2·6H2O, 티오우레아, CoCl2·6H2O, 에탄올, 클로로플라틴산, TiCl4, 테트라-n-부틸 티타네이트). 알루미늄과 티타늄 와이어(0.2 mm, 99.999%)는 성시다 금속재료사에서 구했습니다. N719 염료는 솔라로닉스사에서, TiO2 페이스트(20 nm)는 우한 지아오사에서 공급받았습니다.
Ti 와이어(15 cm)를 연마, 초음파 세척 후 이소프로판올에 보관했습니다. TiCl4 용액(0.03 M, 0.05 M)을 제조해 냉장 보관했습니다. 광양극은 3단계로 제작했습니다:
마지막으로 0.3 mM N719 용액(터트-부탄올/아세토니트릴)에 12시간 침지해 염료 감응 TiO2 섬유를 얻었습니다.
대극은 2단계 공정으로 제작했습니다:
Pt-2 대극을 TiO2 광양극 주위에 0.5 mm 피치로 감아 FFDSSC를 조립했습니다. 조립체를 0.5 mm 플라스틱 튜브에 밀봉하고 레독스 전해질(0.05 M I2, 0.1 M LiI, 0.6 M TBAB, 0.5 M TBP 아세토니트릴 용액)을 주입한 후 HT8803 접착제로 UV 경화해 누액을 방지했습니다. 비교용으로 Pt-1 또는 순수 Pt 대극과 비개질 TiO2 광양극을 쓴 소자도 제작했습니다.
표면 형상은 JSM-7001F 전계방출 SEM으로 관찰하고, 원소 조성은 EDS(Bruker-ASX Quan-Tax 200)로 분석했습니다. 순환 전압전류법(CV)은 3전극 셀(작동극: Pt 와이어, 대극: 1.5 cm2 Pt 시트, 기준극: Ag/AgCl)에서 10 mM LiI, 1 mM I2, 0.1 M LiClO4 함유 아세토니트릴 용액으로 수행했습니다. 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)은 20°C에서 20 mV 교류 진폭, 0.1-105 Hz 범위, 암실, 0 V 바이어스 조건으로 측정했습니다. 광전 성능은 100 mW cm-2(AM 1.5 G) 태양 모의기(CEL-S500)로 평가했습니다. 효율(η)과 충전율(FF)은 J-V 곡선에서 계산했습니다:
η(%) = (Vmax × Jmax / Pin) × 100 = (Voc × Jsc × FF / Pin) × 100
FF = (Vmax × Jmax / Voc × Jsc)
Figure 2a,b는 TiO2 광양극의 매끄럽고 다공성 표면을 보여주며 균일한 나노입자 분포를 확인합니다. 이중 TiCl4 차단층은 전해질과 Ti 와이어 간 전자 재결합을 효과적으로 차단합니다. Figure 2c,d는 복합 Pt 대극의 균일하게 분포된 미세다공성을 보여주는데, 이소프로판올/n-부틸알코올 혼합물의 급속 증발로 형성되어 백금 표면적을 크게 늘리고 전해질 흡착을 촉진합니다. EDS 맵(Figure 2e,f)은 감응 전후 뚜렷한 Ru 신호로 염료 로딩 성공을 확인합니다. Figure 2g의 강한 Al과 Pt 피크는 Al 코어 위 복합 대극 구조를 확인시킵니다.
CV 곡선(Figure 3)에서 Pt-2 대극은 2.87 mA cm-2의 음극 피크 전류 밀도를 보여 Pt-1의 2.10 mA cm-2보다 높으며, 미세다공성 표면 덕에 우수한 촉매 활성을 입증합니다. 두 전극 모두 유사한 피크 간 간격을 보이지만 Pt-2의 더 큰 피크 전류는 I-/I3- 반응에 대한 더 낮은 과전압을 의미합니다. Table 1(미표시)에 Rct 값이 있는데, Pt-2의 3.11 Ω cm2가 Pt-1(3.99 Ω cm2)보다 우수하고 순수 Pt 와이어(3.10 Ω cm2)와 대등합니다.
안정성 테스트(Figure 4)에서 Pt-2의 피크 전류가 50 사이클 동안 변하지 않아 우수한 화학적 내구성을 확인했습니다.
EIS 결과(Figure 5)도 우수한 성능을 뒷받침합니다: Pt-2의 직렬 저항(Rs = 3.57 Ω cm2)과 전하전달 저항(Rct = 3.11 Ω cm2)이 Pt-1보다 낮고 순수 Pt 대극과 비슷합니다. 낮아진 Rct는 대극/전해질 계면에서 더 빠른 전자 전달을 의미합니다.
타펠 분석(Figure 6)도 이를 확증합니다: Pt-2는 교환 전류 밀도(J0) 1.48 mA cm-2와 한계 확산 전류(Jlim) 2.18 mA cm-2로 Pt-1(J0 = 1.28 mA cm-2, Jlim = 1.89 mA cm-2)을 능가합니다. J0와 Rct의 역관계(J0 = RT / nFRct)는 Pt-2의 낮은 계면 저항과 높은 촉매 효율을 확인시켜 줍니다.
J-V 측정(Figure 7, Table 2)에서 Pt-2 대극과 TiCl4 개질 TiO2 광양극을 쓴 FFDSSC(소자 e)는 Voc = 0.860 V, Jsc = 12.45 mA cm-2, FF = 0.70, η = 6.35%를 달성했습니다. 이는 단일층 TiO2/Pt-1 소자(η = 3.72%) 대비 69.8% 향상이며, 순수 Pt 대극 소자(η = 6.32%)와 대등합니다. 효율 향상은 Pt-2의 낮은 Rct, 증가된 전해질 접촉 면적, 재결합 억제와 전자 주입 향상을 가져온 TiCl4 차단층 덕분입니다.
조명 하 EIS(Figure 8)에서 TiCl4 개질 광양극 소자들은 더 낮은 Rs와 Rct를 보여 전자 수송 개선과 재결합 감소를 반영합니다. FFDSSC-e 소자가 가장 작은 저항을 보여 우수한 효율과 일치합니다.
외부 양자 효율(IPCE) 스펙트럼(Figure 9)은 N719 흡수 최대치와 일치하는 520 nm 부근에서 피크를 보이며, 순서는 e > a > d > c > b입니다. 소자 e의 더 높은 IPCE는 다층 TiO2와 복합 Pt 대극이 가능케 한 향상된 광수확과 전하 수집을 확인시켜 줍니다.
TiCl4로 개질된 다층 TiO2 광양극과 이중층 미세다공성 구조의 복합 Pt 대극을 결합한 고성능 저비용 FFDSSC를 시연했습니다. Pt-2 대극은 순수 Pt 와이어에 버금가는 전기촉매 활성을 내면서 백금 사용량을 크게 줄였습니다. 이 소자는 6.35% 광전 변환 효율을 달성해 단일층 TiO2/Pt-1 소자 대비 69.8% 향상되었으며, 뛰어난 탄성과 신축성으로 유연 웨어러블 응용에 완전히 부합합니다. 이 플랫폼은 미래 에너지 하베스팅 시스템을 위한 고성능 웨어러블 마이크로 태양전지의 확장 가능한 길을 제시합니다.
나노물질
초록 고슴도치 공 구조를 가진 삼원 복합체 MoIn2S4@CNTs 대향 전극(CE)이 간편한 일단계 수열법으로 합성되었습니다. 복합체 MoIn2S4@CNTs 필름은 N2 흡착-탈착 등온선 테스트를 통해 큰 비표면적을 가짐이 확인되었으며, 이는 더 많은 전해질 흡착과 전극을 위한 더 큰 활성 접촉 면적 제공에 유리합니다. 또한 일련의 전기화학적 테스트(순환 전압전류법, 전기화학적 임피던스, 타펠 곡선)를 통해 복합체 MoIn2S4@CNTs CE는 낮은 전하 이동 저항과 우수한 전기촉매 능력을 보입니다. 최적 조건에서 MoIn2S4@C
초록 산화물/금속/산화물(OMO) 다층 구조는 박막 태양전지 전면 전극으로 투명 전도성 산화물(TCO)을 대체합니다. 이 다층 구조는 전체 전극 두께를 줄일 뿐만 아니라 간섭 효과를 이용해 셀 색상 구현도 가능합니다. 그러나 시트 저항과 기생 흡수는 금속 층에 크게 의존하므로 태양전지 고효율 달성을 위해 추가 감소가 필요합니다. 본 논문에서는 Cu(In,Ga)Se₂(CIGS) 박막 태양전지 성능 향상을 위해 OMO 전극에 AgOₓ 웨팅 층을 적용했습니다. AgOₓ 웨팅 층이 다층 전극 투과율과 전도성을 높이는 효과적 수단임을 보였습
