염료 감응 태양전지용 고성능 MoIn₂S₄@CNT 대향 전극

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@CNTs-2 복합체 CE 기반 DSSC는 8.38%의 인상적인 전력 변환 효율을 달성하여 MoIn₂S₄ CE(7.44%)와 Pt 전극(8.01%) 기반 DSSC를 현저히 초과합니다. 현재 작업은 DSSC를 위한 간소화된 제조 공정을 제공합니다.

배경

최근 수십 년간 심각한 에너지 부족과 환경 악화 증가로 기존 화석 연료를 대체할 재생 에너지 개발 및 활용이 시급해졌습니다[1, 2]. 염료 감응 태양전지(DSSC)는 환경 친화성, 쉬운 제조 공정, 뛰어난 광전 성능 등으로 광범위한 연구를 끌어모았습니다[3, 4]. 대향 전극(CE)은 DSSC의 중요한 구성 요소 중 하나로, 외부 회로에서 전자를 모아 액체 전해질에서 I₃⁻의 환원 반응을 I⁻로 촉매하는 역할을 합니다[5, 6]. 일반적으로 이상적인 CE 소재는 높은 전기 전도도와 뛰어난 촉매 활성을 가집니다. 그러나 널리 쓰이는 효율적인 CE 소재인 백금(Pt)은 희소성, 고가, 열악한 장기 안정성이라는 주요 약점으로 인해 대규모 상업적 응용이 제한됩니다[7, 8]. 따라서 수년간 DSSC에 적용하기 위해 쉽게 접근 가능하고 비용 효율적이며 Pt와 유사한 촉매 활성을 가진 소재 개발을 위한 많은 노력이 기울여졌습니다[9].

현재까지 탄소질 소재[10, 11], 전이금속 칼코게나이드[12], 전도성 고분자[13], 금속 합금[14], 및 그들의 화합물[15, 16] 등 다양한 우수한 대체 소재가 제안되었습니다. 그중 이원소 전이금속 칼코게나이드는 독특한 구조와 화학적 특성으로 많은 주목을 받았습니다. 예를 들어 FTO 기판에 합성된 MoS₂는 샌드위치 층상 구조, 더 큰 표면적, 더 많은 활성 에지 사이트를 보여 DSSC용 CE로서 극도로 우수한 광전 성능을 나타냅니다[17]. 한편, WS₂[18], FeS₂[19], CoS[20], NiS₂[21] 등에 대해서도 I₃⁻ 환원 촉매 활성에 대한 광범위한 연구가 수행되었으며, 이는 Pt 전극과 비교 가능하거나 더 우수했습니다. 그러나 이러한 소재의 고유 특성인 낮은 전기 전도도와 오직 두 가지 고정된 화학 조성은 촉매 활성의 추가 개선을 저해했습니다[22]. 따라서 성분 원소 조절, 구조 설계, 형태 제어를 통해 다가 전이금속 칼코게나이드 합성을 목표로 하는 수많은 방법이 채택되었습니다. 다행히 NiCo₂S₄[23], MIn₂S₄(M=Fe, Co, Ni)[22], CuInS₂[24], CoCuWS_x[25], Ag₈GeS₆[26] 등 상당한 다가 전이금속 칼코게나이드가 DSSC용 촉매 능력에서 이원소 대응물보다 현저히 더 나은 현저한 향상을 달성했습니다.

또한 탄소 나노튜브(CNTs)는 큰 비표면적, 우수한 전기 전도도, 높은 기계적 강도, 광화학적 안정성이라는 상당히 새로운 특성을 보여 다양한 소재 합성 및 수정에 널리 사용됩니다[27]. 유감스럽게도 CNTs는 I₃⁻ 환원에 대한 전기촉매 활성이 낮아 DSSC 소재로 독립적 적용이 크게 제한됩니다. 다행히 CNTs로 수정된 복합 CE에 대한 많은 연구에서 DSSC 광전 성능이 크게 향상됨이 밝혀졌습니다[18, 28, 29]. Liu 등은 용매열법으로 꽃 모양 계층 구조 Cu₂MnSnS₄/CNT(CMTS/CNT) CE를 보고했는데, DSSC에서 8.97%의 광전 변환 효율을 얻어 CMTS(6.21%)와 Pt(8.37%) CE 기반 DSSC보다 훨씬 높았습니다[29].

위 고려사항을 바탕으로 본 연구에서는 고슴도치 공 구조의 MoIn₂S₄@CNT 복합체 CE를 간편한 일단계 수열법으로 합성하여 더 높은 소자 성능 향상을 기대했습니다. 주사 전자 현미경 결과에 따르면 다른 CNT 함량은 형태에 가시적 변화를 초래합니다. 순환 전압전류법(CV), 전기화학적 임피던스 분광법(EIS), 타펠 곡선 테스트를 포함한 일련의 전기화학적 특성화에 따르면 MoIn₂S₄@CNTs CE는 놀라운 촉매 활성과 우수한 전하 이동 저항을 나타냅니다. 적절한 함량의 MoIn₂S₄@CNTs CE로 조립된 DSSC는 8.38%의 우수한 전력 변환 효율을 달성하여 Pt CE 기반 DSSC(8.01%)보다 우수합니다.

방법

재료

이수화 몰리브덴산나트륨(Na₂MoO₄·2H₂O), 사수화 염화 인듐(InCl₃·4H₂O), 티오아세트아마이드(TAA)는 중국 상하이 화학 시약 유한회사에서 구입하여 추가 정제 없이 직접 사용했습니다. 탄소 나노튜브(CNTs)는 중국 알라딘 화학 시약 유한회사에서 얻었습니다. 상용 Z907 염료는 스위스 Solaronix Ltd.에서 얻었습니다. 불소 도핑 SnO₂(FTO) 유리(일본 NSG, 15Ω sq⁻¹)를 구입하여 1.5cm×2.0cm 정사각형으로 자른 후 세제, 아세톤, 에틸알코올 순서로 세척했습니다.

다공성 TiO₂ 광전극 제조

TiO₂ 콜로이드는 이전 연구[30]와 같이 제조되었습니다. 염료 감응 TiO₂ 광전극은 다음과 같이 제조되었습니다: 먼저 3-M 테이프(50μm 두께)를 0.283cm² 노출 면적으로 FTO에 부착했습니다. 이후 블레이드 코팅법으로 제조된 TiO₂ 콜로이드를 코팅했습니다. 둘째, 건조된 TiO₂ 전극을 머플로에서 450°C로 30분간 소결했습니다. 이후 TiO₂ 전극을 70°C에서 30분간 40mM 사염화 티타늄(TiCl₄) 수용액에 담근 후 공기 중 450°C에서 30분간 어닐링했습니다. 실온으로 냉각 후 TiO₂ 전극을 0.3mM 염료 Z907 절대 에탄올 용액에 24시간 담가 충분한 염료 흡착으로 결과 염료 감응 TiO₂ 광전극을 얻었습니다.

삼원 MoIn₂S₄@CNTs CE 제조

MoIn₂S₄ 박막은 이전 보고서[31]를 참조한 간단한 방법으로 FTO 기판에 직접 성장시켰습니다. 일반적인 제조에서 0.0696g Na₂MoO₄·2H₂O, 0.169g InCl₃·4H₂O, 0.1394g TAA를 30ml 탈이온수에 초음파 처리하여 2시간 동안 모든 반응물이 용해될 때까지 분산시켰습니다. 미리 세척된 FTO 기판을 전도면이 위로 향하게 하여 100ml 테플론 라이닝 스테인리스 오토클레이브에 넣고 위 전구체 혼합물을 이송했습니다. 밀봉 후 오토클레이브를 오븐에 넣고 200°C에서 15시간 반응시켰습니다. MoIn₂S₄ 소재로 코팅된 FTO 유리 기판을 오토클레이브에서 꺼내 에탄올, 탈이온수로 세척한 후 60°C에서 12시간 공기 중 건조했습니다.

제작된 복합 CE와 DSSC 성능에 대한 CNT 함량 영향을 연구하기 위해 다른 시약과 제조 공정은 동일하게 유지하면서 전구체에 다른 양의 CNTs를 첨가했습니다. CNTs 양이 각각 10, 20, 30mg인 세 가지 샘플로, MoIn₂S₄(0mg), MoIn₂S₄@CNTs-1(10mg), MoIn₂S₄@CNTs-2(20mg), MoIn₂S₄@CNTs-3(30mg)으로 표시했습니다.

비교를 위해 열분해 Pt CE를 기준 CE로 사용했습니다. 아이소프로판올 중 H₂PtCl₆ 용액(0.50wt%)을 FTO 유리 표면에 떨어뜨린 후 머플로에서 450°C로 30분간 소결하여 Pt CE를 제조했습니다.

DSSC 제조

샌드위치 구조의 DSSC는 제조된 샘플 CE들(MoIn₂S₄, 다양한 MoIn₂S₄@CNTs, Pt CE)과 제조된 염료 감응 TiO₂ 광전극을 클립으로 고정하여 구성했습니다. 서린(Surlyn)을 전극 간 스페이서로 사용하고 액체 레독스 전해질로 간극을 채웠습니다. 전해질은 0.60M 테트라부틸암모늄 요오드화물, 0.10M 리튬 요오드화물, 0.05M 요오드, 0.50M 4-터트-부틸피리딘 아세토니트릴 용액으로 구성되었습니다.

특성화

시료의 화학적 원소 조성은 X선 광전자 분광법(XPS) 분석(Kratos Axis Ultra)으로 특성화되었습니다. 시료의 형태적 특징은 전계 방출 주사 전자 현미경(FESEM, JSM-7001F)으로 관찰되었습니다. BET 비표면적법은 JW-K 분석기로 질소 흡착을 이용해 표면적과 기공 크기 분포를 테스트하는 데 사용되었습니다. 기타 관련 전기화학적 특성은 CHI660E 전기화학 워크스테이션으로 연구되었습니다. 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)은 5mV 교란 진폭으로 0.1~10⁵Hz 주파수 범위에서 수행되었습니다. DSSC의 광전 성능은 태양 시뮬레이터(CEL-S500, 중국 베이징 China Education Au-light Co., Ltd)로부터 100mW cm⁻² 조사 하에서 전류 밀도-전압(J-V) 특성 곡선 측정으로 수행되었습니다.

결과 및 논의

조성 및 형태

XPS는 MoIn₂S₄와 MoIn₂S₄@CNTs 필름의 각 원소 표면 조성과 화학적 상태를 조사하는 데 사용되었습니다. MoIn₂S₄와 MoIn₂S₄@CNTs-2 샘플의 설문 데이터 스펙트럼은 Mo, In, S, C(참조용) 원소 존재를 검증하기 위해 그림 1a에 나와 있습니다. 또한 네 개 모든 샘플의 스펙트럼은 284.6eV 결합 에너지의 C 1s 피크로 보정된 후 가우시안 피팅 방법으로 분석되어 그림 1b, c에 나와 있습니다. MoIn₂S₄ 샘플에서 나타난 C 1s 피크는 공기 노출로 인한 흡착 탄소에서 기인한 것으로 잘 알려져 있습니다. Mo 3d 영역에서 228.8eV와 232.1eV의 두 주요 피크는 각각 MoS₂[32]의 Mo 3d5/2와 Mo 3d3/2에 할당됩니다. 이 결과는 Mo 원소가 4가 산화 상태에 있음을 확인하며, Mo⁶⁺(Na₂MoO₄)에서 Mo⁴⁺(MoIn₂S₄)로 환원됨[33]. 445.2eV와 452.2eV 결합 에너지의 이중 피크는 각각 In 3d5/2와 In 3d3/2에 대응합니다[24, 34]. XPS 스펙트럼의 S 2p 영역에서 161.8eV와 163.1eV에 위치한 피크는 각각 S 2p3/2와 2p1/2에 속하며, 이는 S₂⁻에 기인합니다[17, 32]. 위 결과는 이전 연구[31]와 잘 일치합니다. 또한 설문에서 다른 원소나 추가 피크가 발견되지 않아 합성된 시료가 유사한 화학적 조성과 구조를 가짐을 재확인합니다.

염료 감응 태양전지용 고성능 MoIn₂S₄@CNT 대향 전극 — 시료 XPS 스펙트럼

제조된 MoIn₂S₄와 MoIn₂S₄@CNTs 나노필름의 표면 형태는 그림 2의 SEM 이미지로 관찰되었습니다. 그림 2a에서 MoIn₂S₄ 샘플은 균일하고 매끄럽고 조밀한 표면을 가진 꽃잎 모양 나노시트 구조를 보입니다. MoIn₂S₄ 나노필름과 달리 고슴도치 공 구조가 MoIn₂S₄@CNT 샘플에서 발견됩니다(그림 2b-d). MoIn₂S₄@CNTs 나노구체의 평균 직경은 약 890nm입니다. 많은 네트워크 나노시트가 FTO 기판에 완전히 성장해 있음을 쉽게 관찰할 수 있습니다. 낮은(MoIn₂S₄@CNTs-1)과 높은(MoIn₂S₄@CNTs-3) CNT 함량 샘플과 비교하여 적정 함량(MoIn₂S₄@CNTs-2) 샘플은 MoIn₂S₄ 네트워크에 더 많은 고슴도치 공과 나노시트 배열을 보입니다. FTO 기판 상의 수많은 고슴도치 공이 있는 네트워크 나노시트 배열 구조의 좋은 접촉 성능은 우수한 전도성과 방대한 촉매 활성 부위로 인해 I₃⁻ 환원을 촉진할 수 있으며, 이는 MoIn₂S₄@CNTs-2 CE가 MoIn₂S₄, MoIn₂S₄@CNTs-1, MoIn₂S₄@CNTs-3 CE보다 더 나은 성능을 달성할 것임을 예측하게 합니다. 게다가 MoIn₂S₄와 MoIn₂S₄@CNTs 사이의 상이한 형태는 CNTs가 시료 형태 제어에 중추적 역할을 함을 나타냅니다.

그림 3은 다양한 시료의 XRD 패턴을 보여줍니다. 그중 25.74°와 42.85° 회절 피크는 CNTs 신호에 기인합니다[31]. 2θ=27.5°, 33.4°, 43.7°, 47.9°, 56.2°, 59.6° 회절 피크는 In₂S₃의 (311), (400), (511), (440), (533), (444) 결정면(JCPDS 카드 번호 32-0456)에 속합니다. 14.4°와 66.5° 피크는 MoS₂[33]의 입방 구조 (002)와 (114) 결정면(JCPDS 카드 번호 37-1492)으로 간주됩니다. 앞서 논의한 피크들은 MoIn₂S₄@CNTs-2와 MoIn₂S₄ 시료 모두에서 잘 나타납니다. MoIn₂S₄ 시료와 비교하여 25.74° CNTs 피크가 MoIn₂S₄@CNTs-2 XRD 패턴에서 명확히 보입니다. 따라서 MoIn₂S₄@CNTs-2 소재가 성공적으로 합성되었으며 불순물 도입이 없음을 추론할 수 있습니다.

N₂ 흡착-탈착 등온선을 측정하여 그림 4에 나타냈으며, 비표면적과 기공 특성을 탐구했습니다. 일반적으로 더 큰 비표면적은 CE/전해질 계면에서 더 편리한 전하 전달을 촉진합니다[35]. 그림 4에서 시료들이 명백한 IV형 흡착-탈착 이력 루프를 가짐을 보여주며, 해당 데이터는 Brunauer-Emmett-Teller(BET)와 Barrett-Joyner-Halenda(BJH) 방법으로 계산되어 표 1에 정리되었습니다. 비교해 보면 MoIn₂S₄@CNT 시료들의 비표면적과 평균 기공 직경이 MoIn₂S₄보다 훨씬 우수함을 쉽게 알 수 있습니다. 세 MoIn₂S₄@CNT 시료 중 MoIn₂S₄@CNTs-2가 66.80m²g⁻¹의 최대 비표면적과 17.8nm의 최소 평균 기공 직경을 보이며, 이는 적정 CNT 도핑 후 우수한 고슴도치 공 구조에 기인할 수 있습니다. MoIn₂S₄@CNTs-2 CE가 우수한 촉매 활성을 얻어 고효율 소자 성능을 달성할 것이라 믿는 것이 합리적입니다.

표 1: BET 및 BJH 방법으로 계산된 표면적 및 기공 데이터

전기화학적 특성

CV 측정은 -0.6~1.0V 전위 범위에서 60mV/s 주사 속도로 MoIn₂S₄와 MoIn₂S₄@CNTs CE의 전기촉매 거동 연구를 위해 수행되었으며, 계산된 값은 표 1에 요약되어 있습니다. 그림 5a에서 각 CV 곡선의 두 쌍 산화-환원 피크 중 왼쪽 피크는 식(I₃⁻+2e⁻↔3I⁻)에 기인하며, 이는 특히 DSSC에서 CE 소재의 전기촉매 활성 성능을 결정합니다[23, 36]. 음의 환원 피크 전류 밀도(J_pc) 값은 CV 테스트의 핵심 매개변수로, Pt(3.80mA cm⁻²) < MoIn₂S₄(4.31mA cm⁻²) < MoIn₂S₄@CNTs-1(4.68mA cm⁻²) < MoIn₂S₄@CNTs-3(5.09mA cm⁻²) < MoIn₂S₄@CNTs-2(7.47mA cm⁻²) 순서를 따릅니다. 분명히 MoIn₂S₄ CE 자체는 좋은 촉매 활성을 가지며, MoIn₂S₄@CNTs-2 CE는 독특한 표면 형태, CNTs 도핑의 시너지 효과, 더 큰 표면적으로 인해 Pt, MoIn₂S₄ CE 및 다른 두 종류의 MoIn₂S₄@CNTs CE보다 훨씬 높은 J_pc를 보입니다. 결과는 MoIn₂S₄@CNTs-2 CE가 DSSC CE에서 I⁻/I₃⁻ 레독스 쌍에 대해 우수한 전기촉매 활성을 가짐을 나타냅니다. 그림 5b는 60mV/s 주사 속도에서 MoIn₂S₄@CNTs-2 CE의 CV 곡선을 보여주며 50사이클 후 거의 변화가 없어 MoIn₂S₄@CNTs-2 CE가 우수한 전기화학적 안정성을 가짐을 나타냅니다.

그림 6a-c는 MoIn₂S₄@CNTs CE의 다양한 주사 속도에서 CV 곡선을 보여줍니다. 주사 속도가 20~120mV/s로 증가함에 따라 산화 및 환원 피크는 I⁻/I₃⁻ 레독스 쌍의 CE 표면에서 빠른 확산과 큰 전기화학적 분극으로 인해 양과 음 방향으로 이동합니다[28]. 또한 그림 6d는 왼쪽 피크 쌍의 양극 및 음극 피크 전류 밀도와 주사 속도 제곱근 간의 관계를 보여줍니다. 잘 피팅된 선형 관계는 I⁻/I₃⁻ 레독스 반응이 확산 제어 이온 이동에 의해 지배됨을 나타냅니다[22, 25].

그림 7a는 계면 전하 이동 과정 동역학을 더 깊이 이해하기 위한 다양한 시료의 나이퀴스트 플롯을 보여줍니다. 인셋의 모델 등가 회로로 피팅된 곡선으로부터 얻은 EIS 데이터는 표 2에 나와 있습니다. 일반적으로 나이퀴스트 플롯은 두 반원을 포함하며, 왼쪽 첫 번째 반원은 CE와 전해질 계면에서의 전하 이동 저항 R_ct를 나타내고, 두 번째 반원은 전해질 내 네른스트 확산 임피던스에 해당합니다. 고주파 영역에서 곡선의 실수축 절편은 직렬 저항 R_s로 알려져 있습니다. 일반적으로 R_s와 R_ct는 DSSC에서 CE 촉매 활성 평가에 중요한 두 매개변수입니다. 작은 R_s는 촉매와 기판 간 좋은 접촉을 나타내며, 따라서 전체 소자 저항도 작습니다[29, 37, 38]. 한편 작은 R_ct는 높은 전하 이동 속도를 의미합니다. 표 2에 제시된 바와 같이 MoIn₂S₄, MoIn₂S₄@CNTs-1, MoIn₂S₄@CNTs-2, MoIn₂S₄@CNTs-3 CE의 R_s 값은 각각 24.77, 23.16, 18.96, 19.58Ω cm²입니다. 분명히 모든 복합체 MoIn₂S₄@CNTs CE는 MoIn₂S₄ CE보다 작은 R_s를 가지며, 이는 CNTs 도핑 후 MoIn₂S₄@CNTs CE의 전도성이 향상됨을 나타냅니다. 또한 네 CE 중 R_ct 경향은 MoIn₂S₄ > MoIn₂S₄@CNTs-1 > MoIn₂S₄@CNTs-3 > MoIn₂S₄@CNTs-2 순으로, 이는 CE의 전기화학적 임피던스와 촉매 능력의 역순을 시사합니다. MoIn₂S₄@CNTs-2 CE는 가장 낮은 R_ct 값을 가지며, 이는 우수한 전도성을 가진 CNTs와 뛰어난 촉매 능력을 가진 MoIn₂S₄의 시너지 효과로 인해 CE/전해질 계면에서 삼요오드화물의 더 효과적인 환원에 기인할 수 있습니다. 명백히 MoIn₂S₄@CNTs 복합체 CE의 전도성과 촉매 능력이 MoIn₂S₄ CE보다 크게 향상되었으며, 결과는 BET와 CV 테스트와 완전히 일치합니다.

표 2: EIS 피팅 데이터 및 타펠 곡선 매개변수

다양한 CE의 타펠 분극 곡선은 그림 7b에 측정되어 있으며, 해당 매개변수 값은 표 2에 요약되어 있습니다. 일반적으로 표준 타펠 곡선은 교환 전류 밀도(J₀)와 한계 확산 전류 밀도(J_lim)라는 두 가지 중요한 매개변수를 포함합니다. J₀는 촉매 환원 반응과 관련되며, J₀가 클수록 촉매 효과가 더 좋습니다. J_lim도 전해질 확산 효율과 양의 상관관계가 있습니다. 더 큰 J_lim은 I₃⁻ 이온의 더 빠른 확산을 나타냅니다[29, 37]. 그림 7b와 표 2에 제시된 바와 같이 J_lim과 J₀는 모두 Pt < MoIn₂S₄ < MoIn₂S₄@CNTs-1 < MoIn₂S₄@CNTs-3 < MoIn₂S₄@CNTs-2 순서로, CNTs 도핑 후 MoIn₂S₄@CNTs-2 CE의 촉매 활성이 크게 향상됨을 시사합니다. 위 CE들 중 MoIn₂S₄@CNTs-2 CE가 가장 우수한 촉매 활성을 얻습니다. MoIn₂S₄@CNTs-2 CE의 최대 J_lim과 J₀는 고슴도치 공 구조로 인한 큰 비표면적과 CNTs 도핑에 의한 향상된 전도성에 기인할 수 있습니다.

DSSC 광전 성능

대조를 위해 MoIn₂S₄, MoIn₂S₄@CNTs, Pt CE를 가진 DSSC를 동일한 광전극과 전해질로 제조했습니다. J-V 특성 곡선은 1태양(AM 1.5G, 100mW cm⁻²) 하에서 측정되었으며, 해당 광전 매개변수 값은 표 3에 나와 있습니다. 단락 전류 밀도(J_sc), 개방 회로 전압(V_oc), 충전율(FF), 전력 변환 효율(η) 등 네 가지 핵심 매개변수는 보통 DSSC 광전 성능 평가에 채택됩니다. DSSC의 FF와 η는 식 (1)과 (2)에 따라 계산됩니다:

η(%) = (V_max×J_max)/P_in × 100% = (V_oc×J_sc×FF)/P_in × 100% (1)

FF = (V_max×J_max)/(V_oc×J_sc) (2)

식 (1), (2): 전력 변환 효율 및 충전율 계산 공식

여기서 P_in은 입사광 전력이고, J_max(mA cm⁻²)와 V_max(V)는 J-V 곡선에서 최대 출력 지점의 전류 밀도와 전압입니다.

그림 8에서 볼 수 있듯이 MoIn₂S₄와 CNTs CE를 가진 DSSC는 각각 7.44%와 3.62% 전력 변환 효율을 가집니다. MoIn₂S₄와 CNTs CE 기반 DSSC와 비교하여 세 가지 MoIn₂S₄@CNTs CE로 조립된 DSSC는 향상된 J_sc와 η 값을 보입니다. 게다가 MoIn₂S₄@CNTs CE 기반 DSSC의 J_sc와 η 값은 CNT 함량이 10~20mg로 증가함에 따라 증가합니다. CNT 함량을 30mg로 더 증가시키면 J_sc와 η가 약간 감소합니다. Pt 기반 DSSC와 비교하여 세 가지 MoIn₂S₄@CNTs 기반 DSSC 모두 8.16%, 8.31%, 8.38%의 향상된 η를 보이며, 이는 동일한 조건에서 Pt 기반 DSSC(η 8.01%)보다 높습니다. 특히 MoIn₂S₄@CNTs-2 CE로 조립된 DSSC가 최고의 광전 성능을 보이며 η 8.38%를 달성합니다. 해당 J_sc 17.17mA cm⁻², V_oc 0.745V, FF 0.655입니다. MoIn₂S₄@CNTs-2 CE를 가진 DSSC의 향상된 광전 특성은 CNTs와 MoIn₂S₄의 시너지 효과 때문입니다.

결론

삼원 MoIn₂S₄와 MoIn₂S₄@CNTs 대향 전극이 간편한 일단계 수열법으로 FTO 기판에 제조되어 DSSC에 사용되었습니다. 최적 조건에서 MoIn₂S₄@CNTs CE 기반 DSSC 모두 좋은 전력 변환 효율을 달성합니다. 특히 MoIn₂S₄@CNTs-2 복합체 CE를 가진 DSSC는 8.38%의 좋은 전력 변환 효율을 보이며, 이는 MoIn₂S₄ CE(7.44%)와 Pt 전극(8.01%) 기반 DSSC보다 훨씬 높습니다. MoIn₂S₄@CNTs-2 CE를 가진 DSSC의 향상된 광전 특성은 CNTs와 MoIn₂S₄의 시너지 효과 때문입니다. 한편, MoIn₂S₄@CNTs CE의 전기화학적 성능 시너지 효과는 순환 전압전류법, 전기화학적 임피던스, 타펠 곡선을 포함한 일련의 전기화학적 테스트로 확인되었습니다. 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. MoIn₂S₄@CNTs CE가 DSSC에서 사용된 사실은 광전자 화학 분야에서 전이금속 복합체 반도체 잠재적 응용을 확장합니다.