[논문 리뷰] Performance enhancement of TiO2-based dye-sensitized solar cells by carbon nanospheres in photoanode

Elham Bayatloo, Esmaiel Saievar-Iranizad|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 02.

Chemical and Physical Properties of Materials참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 탄소 나노구를 타이타니아(100–600 nm) 기반 염료 감응 태양전지(DSSC)의 광반도체 양극 페이스트에 첨가하여, 소성 공정 중에 제거되어 통제된 다공성을 형성함으로써 DSSC의 성능을 향상시켰다. 이로 인해 형성된 공극은 빛 산산조각 내림과 염료 흡착을 향상시켜 효율을 33% 향상시켰다(5.72%에서 7.59%로), 단락 전류 밀도는 40% 증가(12.59에서 17.73 mA/cm²)하였으며, 이는 탄소 나노구 3 wt.% 첨가 시에 관찰되었다.

ABSTRACT

The conversion efficiency of dye-sensitized solar cells (DSSCs) is optimized by modifying the optical design and improving absorbance within the cell. These objectives are obtained by creating different sized cavities in TiO2 photoanode. For this purpose, carbon nanospheres with diameters 100-600 nm are synthesized by hydrothermal method. A paste of TiO2 is mixed with various amounts of carbon nanospheres. During TiO2 photoanode sintering processes at 500C temperature, the carbon nanospheres are removed. This leads to random creation of cavities in the DSSCs photoanode. These cavities enhance light scattering and porosity which improve light absorbance by dye N719 and provide a larger surface area for dye loading. These consequences enhance performance of DSSCs. By mixing 3% Wt. carbon nanospheres in the TiO2 pastes, we were able to increase the short circuit current density and efficiency by 40% (from 12.59 to 17.73 mA/cm2) and 33% (from 5.72% to 7.59%), respectively.

연구 동기 및 목표

• 광흡수 및 염료 흡착 향상을 통해 타이타니아 기반 염료 감응 태양전지(DSSC)의 전력 변환 효율을 향상시키기.
• 광흡수 및 전자 재결합의 한계를 광반도체 양극의 미세구조를 설계하여 해결하기.
• 희생성 탄소 나노구를 통한 통제된 다공성이 광학적 및 전자적 성질 최적화에 미치는 영향을 조사하기.
• 재결합을 증가시키지 않으면서 효율을 최대화하는 탄소 나노구의 최적 농도를 규명하기.

제안 방법

• 포도당을 원료로 사용하여 수열법을 통해 탄소 나노구를 합성하였다(100–600 nm).
• 에탄올에 0%, 1%, 2%, 3%, 4%의 무게 분율로 탄소 나노구를 첨가한 타이타니아 페이스트를 제조하였다.
• 도코르드라이브 기법을 사용하여 FTO 기반 타이타니아 광반도체 양극을 제작하고, 500°C에서 소성하여 탄소 나노구를 연소시켜 다공성을 형성하였다.
• 20–24시간 동안 0.4 mM 염료 용액에 담그는 방식으로 광반도체 양극에 N719 염료를 침착시켰다.
• 성능 평가를 위해 입사광자에서 전류로의 변환 효율(IPCE), 전기화학적 임피던스 분석(EIS), 염료 탈착 측정을 수행하였다.
• EIS 데이터를 이용해 화학적 용량(Cμ)과 재결합 저항(Rrec)을 추출하여 전하 이동 역학을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탄소 나노구의 첨가가 타이타니아 광반도체 양극 내 빛 산산조각 내림과 광경로 길이에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 염료 흡착을 극대화하고 재결합을 최소화하는 데 가장 적합한 탄소 나노구의 무게 분율은 얼마인가?
• RQ3 탄소 나노구 제거로 인한 다공성이 전자 재결합과 개방회로 전압(VOC)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 큰 크기와 작은 크기의 공극이 입사광자에서 전류로의 변환 효율(IPCE)과 단락 전류 밀도(JSC)에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 공학적 다공성이 타이타니아의 밀도 상태 또는 도핑 밴드 에지 위치를 변화시키는가?

주요 결과

• 3 wt.% 탄소 나노구 첨가 시 단락 전류 밀도가 40% 증가하여 12.59 mA/cm²에서 17.73 mA/cm²로 상승하였다.
• 전력 변환 효율이 33% 향상되어 제어군(0 wt.%)의 5.72%에서 7.59%로 상승하였다.
• 3 wt.% 시료의 IPCE 스펙트럼은 400–600 nm 범위에서 반응 범위가 넓어지고 피크 효율이 30%에서 60%로 증가하였다.
• EIS 분석 결과 T3(3 wt.%) 시료는 가장 높은 재결합 저항(Rrec)을 보였으며, 이는 높은 개방회로 전압과 관련이 있었다.
• 염료 탈착 측정 결과 다공성 광반도체 양극에서 염료 흡착이 증가했으며, 이는 3 wt.%에서 최고 수준에 도달하였다.
• 화학적 용량(Cμ)은 모든 시료에서 거의 일정하게 유지되어 다공성이 타이타니아의 도핑 밴드 에지 위치에 영향을 주지 않았음을 시사했다.