[논문 리뷰] Two-Dimensional Transition Metal Dichalcogenides-Based Counter Electrodes for Dye-Sensitized Solar Cells

Eric J. Singh, Ki Seok Kim외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 12.

Advanced Photocatalysis Techniques참고 문헌 274인용 수 3

한 줄 요약

이 리뷰는 염료감응 태양전지(DSSCs)에서 저비용, 백금 기반 전극이 아닌 두께가 얇은 전이금속 디 chalcogenide(TMDs)인 MoS2, WS2, CoSe2 등을 저비용, 백금이 없는 역전극(CEs)으로 활용하는 것을 탐구한다. TMD 기반 역전극, 특히 니켈 폼 위에 탄소 나노오르막 벽을 형성한 CoSe2는 10.46%의 전력 변환 효율(PCE)을 달성하여 기존 백금 기반 전극(8.25%)을 뛰어넘으며, 고성능, 저비용 DSSCs의 잠재력을 입증한다.

ABSTRACT

Dye-sensitized solar cells (DSSCs) are gaining considerable interest as alternatives to the semiconductor-based thin film solar cells. The noble metal platinum (Pt) is conventionally used as counter electrode (CE) material for fabricating DSSCs. Since Pt is expensive and scarce, new materials have been explored to develop cost-effective Pt-free counter electrodes for DSSCs. Two-dimensional (2D) graphene-based counter electrodes have achieved the highest known power conversion efficiency (η) of 13%, which has stimulated research activities in 2D layered transition metal dichalcogenides (TMDs) for developing Pt-free DSSCs. In this review, progress made on alternative counter electrodes for fabricating low-cost Pt-free DSSCs, based on earth-abundant 2D TMDs including MoS2, WS2, TiS2, FeS2, CoS2, NiS2, SnS2, MoSe2, NbSe2, TaSe2, NiSe2, FeSe2, CoSe2, Bi2Se3 and their based composites, are discussed and summarized. Also, the considerable progress made on thin films of MoS2 and MoS2 based carbon, graphene, carbon nanotubes (CNTs), carbon nanofibers (CNFs), and poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) composites as efficient counter electrodes (CEs) for DSSCs are discussed, in terms of their electrochemical and photovoltaic properties. At present, PCE values higher than that of standard Pt CE have been recorded for a number of TMD-based CEs, which include MoS2 and MoSe2/thin films deposited on Mo foil, MoS2/CNTs, MoS2/graphene, MoS2/carbon, MoSe2/PEDOT:PSS, NbSe2, FeS2, FeSe2 nanosheets, TiS2/graphene, and NiS2/graphene hybrid systems in DSSCs, for the reduction of triiodide (I3-) to iodide (I-). The highest PCE (η=10.46%) versus Pt CE (η=8.25%) at 1 Sun (100 mW/cm2, AM 1.5G) was measured for DSSCs having a low cost and flexible CoSe2/carbon-nanoclimbing wall counter electrode deposited on a nickel foam.

연구 동기 및 목표

• 지구에 풍부하게 존재하는 2차원 전이금속 디 chalcogenide(TMDs)를 DSSC의 역전극에서 귀금속 백금의 대체재로 삼을 수 있는지 식별하고 평가하는 것.
• 백금의 높은 가격과 희귀성 문제를 해결하기 위해 저비용, 유연하고 효율적인 백금 기반 전극이 아닌 역전극을 개발하는 것.
• 탄소 소재, 그래핀, CNTs, PEDOT:PSS와의 복합체를 포함한 TMD 기반 역전극의 전기화학적 및 태양전지 성능을 분석하는 것.
• DSSCs에서 삼요오드화물의 환원을 위한 최근의 얇은 필름 TMD 및 그 복합체 시스템의 진전을 요약하는 것.
• 표준 백금 기반 전극과 비교하여 TMD 기반 전극의 전력 변환 효율(PCE)을 기준으로 설정하는 것.

제안 방법

• MoS2, WS2, FeS2, CoSe2, NbSe2 등의 예시를 포함한 2D TMDs를 DSSCs의 역전극으로 사용한 실험적 및 이론적 연구를 체계적으로 검토하고 통합하는 것.
• TMD 기반 전극의 촉매 활성도, 전하 이동 동역학, 전기화학적 안정성과 같은 전기화학적 특성 평가.
• AM 1.5G 조명 조건 하에서 전력 변환 효율(PCE), 개방 회로 전압(Voc), 단락 전류(Jsc), 전면 계수(FF) 등의 태양전지 성능 지표 분석.
• 전도성 물질인 탄소 나노튜브(CNTs), 그래핀, 탄소 나노섬유(CNFs), PEDOT:PSS와의 복합 구조를 조사하여 전도성과 촉매 활성을 향상시키는 것.
• 모세포 및 니켈 폼과 같은 도전성 기판에 얇은 필름 증착 기술을 적용하여 유연하고 저비용 DSSC 제조를 가능하게 하는 것.
• 표준 시험 조건(100 mW/cm², AM 1.5G) 하에서 TMD 기반 전극의 PCE 값을 표준 백금 기반 전극과 비교하여 기준화하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지구에 풍부한 2차원 전이금속 디 chalcogenide(TMDs)가 기존 백금 기반 전극을 뛰어넘는 전력 변환 효율을 DSSCs에서 달성할 수 있는가?
• RQ2 TMD 기반 전극의 전기화학적 특성—특히 삼요오드화물 환원에 대한 촉매 활성도—는 DSSCs의 전체 태양전지 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 그래핀, CNTs 또는 PEDOT:PSS와의 복합체로 구성된 TMD 전극의 구조는 백금 기반 전극이 아닌 DSSCs의 효율성과 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 어느 TMD 기반 전극의 구조가 가장 높은 전력 변환 효율을 보이며, 그 우수한 성능을 이끌어내는 구조적 또는 조성적 특징은 무엇인가?
• RQ5 왜곡 없이 유연하고 저비용인 TMD 기반 전극이 실용적인 DSSC 응용 분야에서 고정밀하고 비싼 백금 기반 전극을 얼마나 대체할 수 있는가?

주요 결과

• 니켈 폼 위에 도금된 CoSe2/탄소 나노오르막 벽 전극은 100 mW/cm², AM 1.5G 조건 하에서 1 Sun 조명 조건에서 기록적인 전력 변환 효율(PCE) 10.46%를 달성하였으며, 표준 백금 기반 전극(8.25%)을 뛰어넘었다.
• 모세포 위에 형성된 MoS2 및 MoSe2 얇은 필름은 백금 기반 전극을 초월하는 PCE를 보이며, 효율적이고 저비용의 전극 재료로서의 가능성 확인.
• MoS2/CNTs, MoS2/그래핀, MoS2/탄소, MoSe2/PEDOT:PSS, TiS2/그래핀, NiS2/그래핀 등의 복합체는 TMD와 전도성 탄소 소재 간의 상호보완적 효과로 인해 촉매 활성이 향상되고 PCE가 향상됨.
• NbSe2 및 FeS2 나노시트도 특정 구조에서 백금 기반 전극을 초월하는 PCE를 기록하며 전기화학적 성능이 유망함.
• 니켈 폼과 같은 도전성 기판의 사용은 경량이며 굽힐 수 있는 DSSC 제조를 가능하게 하여, 스케일업 가능한 저비용 태양전지 기술의 잠재력을 입증함.
• 연구된 TMD 중에서 CoSe2 기반 복합체가 가장 높은 효율을 보였으며, 이는 삼요오드화물 환원에 대한 뛰어난 전기 전도도와 높은 촉매 활성도 덕분으로 여겨짐.