염료감응형 태양전지(DSSC)는 저렴한 비용, 간단한 제조 방법, 낮은 독성 및 생산 용이성으로 인해 20년 이상 광범위한 연구를 수행해 온 박막 태양전지 그룹에 속합니다. 그러나 현재의 DSSC 재료는 높은 비용, 적은 양, 장기 안정성으로 인해 대체할 여지가 많습니다. 기존 DSSC의 효율은 1세대 및 2세대 태양전지, 즉 다른 박막형 태양전지 및 ~ 20–30% 효율을 제공하는 Si 기반 태양 전지. 이 기사는 DSSC 구성, 작동 원리, 주요 문제(낮은 효율성, 낮은 확장성, 낮은 안정성), 잠재적인 효율적인 재료 및 마지막으로 상용화에 대한 간략한 통찰력에 대한 심층 검토를 제공합니다.
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소개
염료감응 태양전지(DSSC)는 pn 접합 광전지 장치에 대한 기술 및 경제적으로 신뢰할 수 있는 대안으로 부상했습니다. 1960년대 후반, 전기화학 전지에서 조명된 유기 염료를 통해 전기가 생성될 수 있다는 것이 발견되었습니다. 캘리포니아 버클리 대학에서는 시금치에서 엽록소를 추출했습니다(광합성). 1972년에 최초로 클로로필 감응 산화아연(ZnO) 전극이 합성되었다. 반도체의 넓은 밴드갭에 들뜬 염료 분자를 처음으로 전자 주입하여 광자를 전기로 변환시켰다[1]. ZnO 단결정[2]에 대해 많은 연구가 수행되었지만 염료 분자의 단층이 입사광을 1%까지만 흡수할 수 있었기 때문에 이러한 염료 감응 태양 전지의 효율은 매우 열악했습니다. 따라서, 미세 산화물 분말로 이루어진 전극의 기공도를 최적화하여 효율을 향상시켜 전극에 대한 염료의 흡수를 향상시키고 결과적으로 광 수확 효율(LHE)도 향상시킬 수 있었다. 그 결과 나노다공성 이산화티타늄(TiO2 ) 거칠기 계수가 약 1000인 전극이 발견되었고 1991년에 7% 효율의 DSSC가 발명되었습니다[3]. Grätzel 세포라고도 알려진 이 세포는 원래 1988년 UC Berkeley의 Brian O'Regan과 Michael Grätzel에 의해 공동 발명되었으며 1991년까지 Ecole Polytechnique Fédèrale de Lausanne(EPFL)의 앞서 언급한 과학자들에 의해 추가로 개발되었습니다.
Brian O'Regan과 Michael Grätzel은 10μm 두께의 높은 표면적과 광학적으로 투명한 TiO2 필름을 기반으로 장치를 제작했습니다. 광 수확을 위해 필름을 민감하게 만들기 위해 이상적인 스펙트럼 특성을 가진 전하 이동 염료의 단층으로 코팅된 나노 입자. 이 장치는 46%의 입사 태양 에너지 플럭스의 높은 비율을 수집했으며 입사 광자를 전류로 변환하는 데 80% 이상의 효율성을 보이는 예외적으로 높은 효율을 보였습니다. 전체 입사 광자-전류 변환 효율(IPCE) 수율은 시뮬레이션된 태양광에서 7.1–7.9%, 확산 일광에서 12%였습니다. 큰 단락 전류 밀도 JSC (12mAcm 초과
− 2
) 및 탁월한 안정성(분해 없이 최소 500만 회전 유지) 및 저렴한 비용으로 인해 실제 적용이 가능했습니다[3]. 1993년에 Grätzel et al. 9.6%의 전지 효율을 보고했고, 1997년에는 NREL(National Renewable Energy Laboratory)에서 10%를 달성했습니다. 증감제는 일반적으로 -COOH, -PO3와 같은 작용기를 갖도록 설계되었습니다. H2 , 및 –B(OH)2 반도체 기판에 안정적인 흡착을 위해 [4, 5]. 최근 2018년에 Costa et al.에 의해 우수한 저온을 위한 하이브리드 염료-티타니아 나노입자 기반 DSSC에 대해 8.75%의 효율이 보고되었습니다. [6]. 전통적인 태양 전지에서 Si는 두 가지 기능을 제공합니다. 광전자 소스 역할을 하고 전하를 분리하고 전류를 생성하는 전기장을 제공합니다. 그러나 DSSC에서 대부분의 반도체는 전하 수송체로만 사용되며 광전자는 감광성 염료에 의해 제공됩니다. DSSC의 이론적으로 예측된 전력 변환 효율(PCE)은 약 20%였습니다[7, 8]. 따라서 효율성을 개선하고 상업화를 확대하기 위해 DSSC에 대한 광범위한 연구가 수년에 걸쳐 이루어졌습니다. 그러나 지난 수십 년 동안 DSSC의 성능을 향상시키기 위해 많은 실험이 수행되었습니다. 예를 들어, 1920년과 1921년경에 발표된 리뷰 기사나 논문을 살펴보면 이러한 셀의 성능과 제작에서 눈에 띄는 차이가 관찰될 수 있습니다. 이러한 세포의 성능이 어떻게 개선되었고, 따라서 DSSC가 어떻게 연구원들에게 뜨거운 주제가 되었는지에 대한 아이디어를 얻기 위해 각 기사에 표시된 목적 및 주요 결과와 함께 아래에서 몇 가지 검토 논문을 논의합니다.
Anandan은 2007년까지 염료감응 태양전지의 개선점과 발생하는 과제를 검토했습니다[9]. 그의 검토 연구의 주요 구성 요소는 광 수확 무기 염료 분자, p-CuO 나노막대 상대 전극 및 전기 활성 고분자의 자가 조직화였으며 그는 이 재료가 합리적으로 설계된 태양 전지에서 어떻게 작동하는지 보여주었습니다. 그러나 7%의 최대 IPCE는 2007년까지는 좋았지만 이후 작업에서 보여진 효율성의 거의 절반에 불과한 나프티리딘 배위된 Ru 복합체[10]에 대한 검토 논문에서 논의되었습니다.
Bose et al.에 의해 출판된 리뷰 논문의 주요 강조점. [11]은 2015년까지 DSSC용 광전극, 감광제 및 전해질 분야의 현황과 발전이었다. 여기에는 DSSC 모듈의 성능을 Si 기반 모듈의 성능과 비교하는 흥미로운 연구가 포함되어 있다. 그림 1[12]에서 DSSC 모듈의 성능이 Si 모듈의 성능보다 훨씬 낫다는 결론을 내렸습니다. 또한 이 리뷰 논문에서 논의된 최고 효율은 N719 염료 기반 DSSC의 경우 11.2%였습니다.
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염료 PV 모듈의 성능은 Si 기반 모듈과 달리 온도에 따라 증가합니다[(웹 참조 [http://www.sta.com.au/downloads/DSC%20Booklet.pdf에서 온라인으로 제공] [11, 12]
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Shalini et al. [13]은 루테늄 착물, 무금속 유기 염료, 양자점 증감제, 페로브스카이트 기반 증감제, 매염제 염료 및 천연 염료를 포함한 증감제를 강조했습니다. 그러나 이 기사는 다양한 유형의 증감제에 대한 훌륭한 지식을 제공하지만 DSSC의 다른 중요한 구성 요소에 대한 정보는 부족합니다. 다시 말하지만, DSSC의 모든 다른 구성 요소를 논의하는 것 외에도 Jihuai Wu et al.의 리뷰 기사. [14]는 상대 전극 부분에 집중되었다. 그들은 투명성과 유연성, 금속 및 합금, 탄소 재료, 전도성 고분자, 전이 금속 화합물 및 하이브리드에 기반한 다양한 유형의 상대 전극에 대한 연구에 대해 논의했습니다. Au/GNP를 상대 전극으로 사용하여 제작한 DSSC에 대해 14.3%의 최고 효율이 논의되었습니다. Co
3+/2+
산화 환원 커플로, LEG4 + ADEKA-1은 증감제로 [15] 검토 기사에 표시되었습니다. 유사하게, Yeoh et al. 및 Fan et al. [16, 17]은 DSSC의 광양극에 대해 간략하게 검토했습니다. 그들은 광양극의 개질을 세 가지 범주, 즉 차단 및 산란층의 도입을 통한 계면 개질, 합성, 비금속 음이온 및 금속 양이온으로 도핑, 계면 공학 및 1-과 같은 기존 메조포러스 반도체 금속 산화물 필름 대체로 분류했습니다. D 또는 2D 나노구조.
따라서 이전에 발표된 여러 리뷰 기사를 비교함으로써 본 리뷰 기사 "Dye Sensitized Solar Cells:Fundamentals and Current Status"가 다양한 구성 요소와 DSSC 및 건설 및 이 세포의 작동.
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DSSC의 구성 및 작업
작동 전극, 증감제(염료), 산화환원 매개체(전해질) 및 상대 전극은 DSSC의 4가지 주요 매개변수입니다. DSSC는 증감제 또는 염료로 적셔진 작동 전극의 집합체이며 전해질의 누출을 방지하기 위해 핫멜트 테이프를 사용하여 얇은 층의 전해질로 적신 상대 전극에 밀봉되어 있습니다(그림 2 참조). . 구성 요소와 DSSC의 구성 및 작동은 다음과 같습니다.
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염료감응 나노결정질 태양전지의 구성 및 작동 원리
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투명 및 전도성 기판
DSSC는 일반적으로 두 장의 전도성 투명 재료 시트로 구성되며, 이는 반도체 및 촉매 증착을 위한 기판을 돕고 집전체로도 작용합니다. [18, 19] DSSC에 사용되는 기판의 두 가지 주요 특성이 있습니다. , 최적의 햇빛이 세포의 유효 영역으로 통과할 수 있도록 80% 이상의 투명도가 기질에 필요합니다. 둘째, DSSC에서 효율적인 전하 이동과 에너지 손실 감소를 위해서는 높은 전기 전도성을 가져야 합니다. 불소 도핑된 산화주석(FTO, SnO2 :F) 및 인듐 도핑된 산화주석(ITO, In2 O3 :Sn)은 일반적으로 DSSC에서 전도성 기판으로 적용됩니다. 이 기판은 인듐이 도핑된 산화주석과 불소가 도핑된 산화주석 층으로 코팅된 소다석회 유리로 구성됩니다. ITO 필름의 투과율은> 80%이고 18Ω/cm
2
입니다. FTO 필름은 가시 영역에서 ~ 5%의 낮은 투과율과 8.5Ω/cm
2
의 시트 저항을 나타냅니다. [18].
작업 전극(WE)
작업 전극(WE)은 TiO2와 같은 산화물 반도체 물질의 얇은 층을 증착하여 준비됩니다. , Nb2 O5 , ZnO, SnO2 (n형), FTO 또는 ITO로 만들어진 투명 전도성 유리판에 NiO(p형). 이러한 산화물은 3~3.2eV의 넓은 에너지 밴드 갭을 가지고 있습니다. TiO2의 아나타제 동소체 형태의 적용 루틸 형태는 3.2eV의 더 높은 에너지 밴드 갭으로 인해 루틸 형태에 비해 DSSC에서 더 칭찬할 만하지만 루틸 형태는 약 3eV의 밴드 갭을 가지지만[20, 21], ZnO 및 Nb와 같은 대안적인 넓은 밴드 갭 산화물 2 O5 또한 유망한 결과를 제공했습니다[22, 23]. 독성이 없고 저렴하며 쉽게 구할 수 있기 때문에 TiO2 주로 반도체 층으로 사용됩니다. 그러나 이러한 반도체 층은 UV 영역에서 아주 작은 부분의 빛만을 흡수합니다. 따라서 이러한 작업 전극은 감광성 분자 증감제와 용매의 혼합물에 담가집니다. 염료 용액에 필름을 담근 후 염료는 TiO2에 공유 결합됩니다. 표면. 다공성 구조와 전극의 넓은 표면적 때문에 나노결정질 TiO2에 많은 수의 염료 분자가 부착됩니다. 따라서 반도체 표면에서 빛의 흡수가 증가합니다.
감광제 또는 염료
염료는 입사광의 최대 흡수를 담당하는 DSSC의 구성 요소입니다. 염료가 되는 모든 물질은 다음과 같은 광물리학적 및 전기화학적 특성을 가져야 합니다.
<리> 1.
첫째, 염료는 발광해야 합니다.
<리> 2.
둘째, 염료의 흡수 스펙트럼은 자외선 가시 영역(UV-vis) 및 근적외선 영역(NIR) 영역을 커버해야 합니다.
<리> 3.
가장 높은 점유 분자 궤도(HOMO)는 TiO2의 전도대 표면에서 멀리 떨어져 있어야 합니다. 최저 비점유 분자 궤도(LUMO)는 TiO2 표면에 최대한 가깝게 위치해야 합니다. , 그리고 이후에 TiO2에 대해 더 높아야 합니다. 전도대 잠재력.
<리> 4.
HOMO는 산화환원 전해질보다 낮아야 합니다.
<리> 5.
염료의 주변부는 전해질과 양극 사이의 직접적인 접촉을 최소화하기 때문에 전지의 장기 안정성을 향상시키기 위해 소수성이어야 합니다. 그렇지 않으면 TiO2에서 염료의 물에 의한 왜곡 표면이 나타날 수 있으며 이는 세포의 안정성을 감소시킬 수 있습니다.
<리> 6.
TiO2 위의 염료 응집을 방지하려면 표면, chenodeoxycholic acid(CDCA)와 같은 공동 흡수제와 알콕시-실릴[24], 인산[25] 및 카르복실산 그룹[26, 27]과 같은 고정 그룹이 염료와 TiO2 사이에 삽입되었습니다. 하위> . 이것은 염료 응집을 방지하여 산화 환원 전해질과 TiO2의 전자 사이의 재결합 반응을 제한합니다. 나노층을 형성할 뿐만 아니라 안정적인 결합을 형성합니다.
전해질
전해질(예:I
−
/나
−3 , 브
−
/Br
−2 [29], SCN
-
/SCN2 [30], Co(II)/Co(III) [31]) 산화환원 커플, 용매, 첨가제, 이온성 액체 및 양이온의 5가지 주요 구성 요소가 있습니다. 전해질에는 다음과 같은 속성이 있어야 합니다.
<리> 1.
산화환원 쌍은 산화된 염료를 효율적으로 재생시킬 수 있어야 합니다.
<리> 2.
장기적인 화학적, 열적, 전기화학적 안정성을 가져야 합니다.
<리> 3.
DSSC 구성 요소와 부식되지 않아야 합니다.
<리> 4.
전하 캐리어의 빠른 확산을 허용하고 전도성을 향상시키며 작업 전극과 상대 전극 사이에 효과적인 접촉을 생성할 수 있어야 합니다.
<리> 5.
전해질의 흡수 스펙트럼은 염료의 흡수 스펙트럼과 겹치지 않아야 합니다.
나
-
/나
−3 고효율 전해질 [32]로 입증되었지만 DSSC에서의 적용과 관련된 특정 제한 사항이 있습니다. 나
-
/나
−3 전해질은 유리/TiO2를 부식시킵니다. /Pt; 휘발성이 높고 광분해 및 염료 탈착을 담당하며 장기간 안정성이 좋지 않습니다[33, 34]. 아세토니트릴(ACN), N -메틸피롤리딘(NMP) 및 ACN/발레로니트릴과 같은 용매 혼합물이 유전율이 높은 용매로 사용되어 왔다. 4-tert-부틸피리딘(TBP)은 주로 TiO2의 전도대를 이동시키는 첨가제로 사용됩니다. 개방 회로 전압(VOC ), 감소된 세포 광전류(JSC ) 및 더 적은 사출 구동력. TiO2의 TBP는 표면은 전해질로의 역전이를 통해 재조합을 감소시킨다[35]. 그러나 이온성 액체와 관련된 가장 큰 단점은 누출 요인입니다. 따라서 고체 전해질은 이온성 액체(IL) 전해질과 관련된 단점을 피하기 위해 개발되었습니다[36]. 또한, 산화 환원 전해질의 실패 또는 장기간 조명 하에서의 밀봉을 테스트하기 위해 밀봉된 셀에 대한 장기간의 빛 흡수 테스트도 수년에 걸쳐 크게 진행되었습니다[37].
대향 전극(CE)
DSSC의 CE는 대부분 백금(Pt) 또는 탄소(C)를 사용하여 제조됩니다. 작동 전극과 상대 전극을 함께 밀봉한 다음 주사기를 사용하여 전해질을 채웁니다. 상대 전극은 I
−
의 감소를 촉매합니다. /나
−3 액체 전해질과 정공 수송 재료(HTM)에서 정공을 수집합니다. Pt는 더 높은 효율을 나타내기 때문에 주로 상대 전극으로 사용되지만[38], Pt는 더 높은 비용과 덜 풍부하기 때문에 Pt의 대체가 많이 필요했습니다. 따라서 탄소[39], 카보닐설파이드(CoS)[40], Au/GNP[15], FeSe와 같은 합금 CE[41] 및 CoNi0.250.25와 같은 DSSC에서 Pt를 대체하기 위해 여러 대안이 개발되었습니다. 하위> [42], 비록 다른 유형의 CE도 Jihuai Wu et al.에 의해 논의되었지만. [14].
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작동 원리
DSSC의 작동 원리는 빛 흡수, 전자 주입, 캐리어 수송 및 전류 수집의 4가지 기본 단계를 포함합니다. 다음 단계는 광자를 전류로 변환하는 것과 관련됩니다(그림 2 참조).
<리> 1.
첫째, 입사광(광자)은 감광제에 의해 흡수되어 광자 흡수로 인해 전자가 기저상태(S
+
/S) 여기 상태(S
+
)로 /S*), 여기서 대부분의 염료에 대한 흡수는 약 1.72eV의 광자 에너지에 해당하는 700nm 범위입니다.
<리> 2.
이제 나노세컨드 범위의 수명을 갖는 여기된 전자가 나노다공성 TiO2의 전도대에 주입됩니다. TiO2에서 염료의 여기 상태 아래에 있는 전극 UV 영역에서 태양 광자의 작은 부분을 흡수합니다[43]. 그 결과 염료가 산화됩니다.
염료감응 태양전지의 성능은 입사광자를 전류변환효율(IPCE, %), 단락전류(JSC , mAcm
− 2
), 개방 회로 전압(VOC , V ), 최대 전력 출력 [P최대 ], 전체 효율성 [η , %] 및 필 팩터 [FF](그림 3 참조)는 Eq. 1 [44].
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I–V 세포 성능을 평가하는 곡선
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전류는 셀의 음극과 양극이 0mV 전압에서 단락될 때 생성됩니다. VOC (V )은 0mA 전류 또는 간단히 반도체 물질의 전도대 에너지와 전해질의 산화환원 전위 사이의 전위차에서 개방 회로 조건 하에서 음극과 양극의 전압입니다. 피최대 는 태양광을 전기로 변환하는 DSSC의 최대 효율입니다. 최대 출력의 비율(Jmp × Vmp ) 제품(VOC × JSC ) FF를 제공합니다.
여기서 LHE는 광 수확 효율, φE1은 전자 주입 양자 효율, ηEC는 외부 회로에서 전자를 수집하는 효율입니다.
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기기의 제한 사항
최근 몇 년 동안 DSSC에 대해 비교 가능한 효율성이 입증되었지만 여전히 이러한 셀과 관련된 일부 제한으로 인해 추가 수정이 필요합니다. 한계 측면에서 안정성 실패는 (i) 외부 안정성에 대한 제한 및 (ii) 고유 안정성에 대한 제한이라는 두 가지 다른 클래스로 특징지을 수 있습니다. 또한, 산화된 염료와 전해질 사이의 에너지 불일치로 인해 재생 과정에서 막대한 양의 산화된 염료 에너지 손실이 발생한다. 따라서 이러한 전지의 효능을 향상시키기 위한 대기열에서 다양한 전해질이 개발되었습니다. Grätzel et al. 900mV 이상의 개방 회로 전압 및 단락 전류 ISC TBP 및 Li[CF3 조합과 정공 도체 매트릭스를 혼합하여 최대 5.1mA SO2 ]2 N, 기단 1.5(AM 1.5) 조명에서 2.56%의 전체 효율을 산출합니다[46]. 또한 FTO 유리판의 면저항은 약 10Ω/sq입니다. 따라서 이는 기기의 크기 조정을 어렵게 만들고 활성 셀 영역> 1 cm
2
에 대한 제한 요소로 작용합니다. . 따라서 시트 저항을 높이고 작업 전극과 상대 전극 사이의 간격을 유지하려면 태양 전지의 단락이 필요하거나 작은 모듈에서 간격을 25~50μm[47] 늘려야 합니다. 활성 셀 영역(1cm
2
)의 작은 줄무늬로 구성 ) 인접한 은색 선 [47, 48]). 결과적으로 1cm
2
의 경우 IPCE 값이 10.4%에서 6.3%로 떨어집니다. 26.5cm
2
의 하위 모듈에서 세포가 관찰되었습니다. [49].
전지 성능을 향상시키기 위해 실버 핑거를 사용하여 전류를 수집하고 전해질 누출로부터 보호하기 위해 핫멜트 테이프와 같은 밀봉재를 사용할 수 있습니다. 전해질의 화학적 공격적 특성으로 인해 실버 핑거의 사용은 실현 가능성이 적습니다. 그리고 작은 모듈로 인해 누출 가능성이 증가하여 활성 셀 영역이 32% 감소합니다[47]. 또 다른 요인은 DSSC의 성능에 영향을 미치는 유리판의 전도성입니다. 따라서 투명 전도성 산화물(TCO)의 전도성은 인듐이 도핑된 산화주석(ITO, 전도성이 높지만 화학적으로 덜 안정적임)과 불소가 도핑된 산화주석(FTO, 화학적으로 안정적이지만 전도성이 낮음)을 함께 결합하여 향상시킬 수 있습니다. . 그 결과 TCO 유리의 시트 저항이 1.3Ω/sq로 감소합니다. [50].
기기의 안정성에 대한 제한
DSSC는 Si 태양전지와 견줄 만큼 내재적으로는 물론 외재적으로도 안정적이어야 시장의 요구를 충족시켜 상용화를 높일 수 있다. 안정성에 대한 제한 사항은 아래에 설명되어 있습니다.
외부 안정성(실란트 재료의 안정성)에 대한 제한
Surlyn® 및 Bynel® 핫멜트 포일과 같은 실런트 재료는 DSSC에서 셀을 밀봉하는 데 사용됩니다[48]. 그들의 밀봉 능력은 압력이 셀 내부에 축적될 때 감소하고[51], 주기적인 또는 규칙적인 온도 변화에 노출되는 경우에도 감소합니다[52]. 그러나 저렴한 비용과 쉬운 처리로 인해 활용도를 무시할 수 없습니다. 따라서 금속산화물 입자로 유리를 전처리하여 유리와의 접착력을 높이는 것이 필요하다. 대안으로, 핫멜트 포일보다 더 높은 안정성을 제공하는 저융점 유리 프릿[53]을 기반으로 하는 실런트도 개발되었지만 이러한 실런트는 대면적 모듈 생산에 적합하지 않습니다.
내재적 안정성에 대한 제한
세포의 고유 안정성을 확인하기 위해 가속 노화 실험을 수행했습니다. 이러한 가속 노화 실험은 1000시간 동안 지속되어 80°C의 온도에서 염료, 전해질, Pt 상대 전극의 열 안정성을 보여줍니다. 이러한 실험을 통해 작은 테스트 셀은 고온에서 초기 효율의 90%를 유지할 수 있으며 관찰된 초기 효율은 각각 7.65%[54]와 8%[55]로 나타났습니다. 또한 AM 1.5 및 55~60°C의 적당한 온도에서 기기가 1000시간 동안 안정적이었습니다. 그러나 두 스트레스 요인, 즉 약 80°C의 온도와 가벼운 담금질이 결합되었을 때 전지 성능의 급격한 저하가 관찰되었습니다[52]. 따라서 맑은 날에는 80°C 온도에 쉽게 도달할 수 있으므로 셀의 고유 안정성 향상이 필요합니다.
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DSSC의 효율성을 높이는 다양한 방법
DSSC의 효율성과 안정성을 향상시키기 위해 연구자들은 이러한 전지의 작동뿐만 아니라 기본적인 제조 방법 및 재료에 중점을 두어야 합니다. 이러한 태양 전지(SC)의 효율성을 개선하는 다양한 방법은 아래에 설명되어 있습니다.
<리> 1.
DSSC의 효율을 높이려면 산화된 염료가 전자 주입 후 원래의 바닥 상태로 단단하게 환원되어야 합니다. 즉, 재생과정(나노초 범위[56])은 염료의 산화과정[재결합과정(0.1~30μs)]에 비해 빨라야 한다. 산화환원 매개체 잠재력(I
−
이온)은 최대 광전압에 강한 영향을 미치므로 산화 환원 커플의 전위는 염료의 바닥 상태에 가까워야 합니다. 이 실행 가능한 반복 프로세스를 수행하려면 약 210mV의 구동력(또는 약 0.6V[56])이 필요합니다.
<리> 2.
TiO2의 다공성을 증가시켜 나노 입자, 최대 염료 흡수는 WE에서 발생합니다.
<리> 3.
TiO2의 균일한 박막 또는 하부층을 증착하여 암전류 형성을 감소 또는 방지 전도성 유리판 위의 나노 입자. 따라서 전해질은 FTO와 직접 접촉하거나 후면 접촉이 없으므로 컬렉터 전자에 의해 환원되지 않아 암전류 형성이 제한됩니다.
<리> 4.
나노다공성 TiO2의 포획 방지 TBP 분자 또는 전해질 용매에 의한 나노 입자. 따라서 sensitizer에 의한 WE의 균일한 sensitization이 필요합니다. 나노다공성 TiO2의 전체 표면이 전극이 sensitizer에 의해 균일하게 덮이지 않은 다음 nanoporous TiO2의 노출된 부분 TBP 분자나 전해질 용매에 의해 포획될 수 있습니다.
<리> 5.
Co-sensitization은 DSSC의 성능을 최적화하는 또 다른 방법입니다. 동시 증감에서는 흡수 스펙트럼 범위가 다른 두 가지 이상의 증감 염료가 함께 혼합됩니다. 스펙트럼 응답 범위를 넓히기 위해 [57].
<리> 6.
나노튜브, 탄소 나노와이어, 그래핀과 같은 전극 제조에 다양한 재료의 사용을 촉진함으로써; 겔 전해질 및 준고체 전해질과 같은 액체 전해질 대신 다양한 전해질 사용; 양극 산화 전처리 및 TiCl4과 같은 작업 전극에 다양한 사전 사후 처리 제공 치료; 다양한 유형의 CE[14]를 사용하고 소수성 증감제를 개발함으로써 이러한 전지의 성능과 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
<리> 7.
희토류 도핑된 산화물을 DSSC에 적용하는 것과 같은 인광 또는 발광 발색단을 삽입함으로써[58,59,60], 광양극 유리에 발광층을 코팅[60,61,62], 즉 플라즈몬 현상[ 63] 및 전해질에 에너지 릴레이 염료(ERD) 추가 [57, 64, 65].
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DSSC의 이전 및 추가 개선 사항
To fabricate low cost, more flexible, and stable DSSCs with higher efficiencies, new materials that are light weight, thin, low cost, and easy to synthesize are required. Thus, previous as well as further improvement in the field of DSSCs is included in this section. This section gives a brief account on the work done by the different researchers in the last 10–12 years and the results they observed for respective cells.
Working and Counter Electrodes
Grätzel and co-workers showed drastic improvements in the performance of DSSCs. They demonstrated efficiency of 7–10% under AM 1.5 irradiation using nanocrystalline (nc) TiO2 thin-film electrode with nanoporous structure and large surface area, and used a novel Ru bipyridyl complex as a sensitizer and an ionic redox electrolyte at EPFL [3, 26]. The conduction band level of TiO2 electrode and the redox potential of I
−
/I
−3 as − 0.7 V versus saturated calomel electrode (SCE) and 0.2 V versus SCE has been evaluated [66, 67]. A binary oxide photoelectrode with coffee as a natural dye was demonstrated, in 2014 [68]. SnO2 (x )–ZnO (1 − x ) binary system with two different SnO2 composition (x = 3, 5 mol%) were prepared by solid-state reaction at high temperature and employed as a photoanode. An improved efficiency was demonstrated for the larger SnO2 composition and an overall power conversion efficiency (PCE) observed for SnO2 :ZnO device was increased from 0.18% (3:97 mol%) to 0.26% for a device with SnO2 :ZnO (5:95 mol%) photoanode. Hu et al. observed that the performance of the DSSCs with graphite-P25 composites as photoanodes has been significantly enhanced by 30% improvement of conversion efficiency compared with P25 alone. They found an enhancement in the value of JSC from 9.03 to 12.59 mA/cm
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under the condition of 0.01 wt% graphite amount and attained the conversion efficiency of 5.76% [69]. Figure 4 shows the SEM images of the photoanodes. Apart from TiO2 , carbon and its different allotropes are also widely applied in DSSCs to fulfill future demand and arisen as a perfect surrogate material for DSSCs. Some reports have shown that incorporating carbon nanotube (CNT) in TiO2 by hydrothermal or sol–gel methods greatly improved the cell’s performance [70,71,72]. Also, by improving the interconnectivity between the TiO2 and CNT, an increase in the IPCE can be found [70]. Sun et al. reported that the DSSCs incorporating graphene in TiO2 photoanode showed a PCE of 4.28%, which was 59% higher than that without graphene [73]. Sharma et al. has shown the improvement in the PCE value from 7.35 to 8.15% of the co-sensitized solar cell using modified TiO2 (G-TiO2 ) photoanode, instead of pure TiO2 photoanode [74]. In 2014, it was shown that the electronically and catalytically functional carbon cloth works as a permeable and flexible counter electrode for DSSC [75]. The researchers have found that the TiN nanotube arrays and TiN nanoparticles supported on carbon nanotubes showed high electrocatalytic activity for the reduction of triiodide ions in DSSCs [76, 77]. Single-crystal CoSe2 nanorods were applied as an efficient electrocatalyst for DSSCs by Sun et al. in 2014 [78]. They prepared single-crystal CoSe2 nanorods with a facile one step hydrothermal method. By drop-casting the CoSe2 nanorod suspension onto conductive substrates followed by simple drying without sintering, they fabricated the thin CoSe2 films and used as a highly efficient electrocatalyst for the reduction of I
−3 . They showed a power conversion efficiency of 10.20% under AM1.5G one-sun illumination for DSSCs with the standard N719 dye. Park et al. prepared a mesoporous TiO2 Bragg stack templated by graft copolymer for dye-sensitized solar cells [79]. To enhance dye loading, electron transport, light harvesting and electrolyte pore-infiltration in DSSCs, they prepared organized mesoporous TiO2 Bragg stacks (om-TiO2 BS) consisting of alternating high and low refractive index organized mesoporous TiO2 (om-TiO2 ) films. They synthesized om-TiO2 films through sol-gel reaction using amphiphilic graft copolymers consisting of poly(vinyl chloride) backbones and poly(oxyethylene methacrylate) side chains, i.e., PVC-g -POEM as templates. They showed that a polymerized ionic liquid (PIL)-based DSSC fabricated with a 1.2-μm-thick om-TiO2 BS-based photoanode exhibited an efficiency of 4.3%, which was much higher than that of conventional DSSCs with a nanocrystalline TiO2 layer (nc-TiO2 layer) with an efficiency of 1.7%. An excellent efficiency of 7.5% was demonstrated for a polymerized ionic liquid (PIL)-based DSSC with a heterostructured photoanode consisting of 400-nm-thick organized mesoporous TiO2 interfacial (om-TiO2 IF) layer, 7-μm-thick nc-TiO2 , and 1.2-μm-thick om-TiO2 BS as the bottom, middle, and top layers, respectively, which was again much higher than that of nanocrystalline TiO2 photoanode with an efficiency of 3.5%. Lee et al. reported platinum-free, low-cost, and flexible DSSCs using graphene film coated with a conducting polymer as a counter electrode [80]. In 2014, Banerjee et al. demonstrated nickel cobalt sulfide nanoneedle-array as an effective alternative to Pt as a counter electrode in dye-sensitized solar cells [81].