염료감응태양전지 내 백금 대체 무기물질 CZTS

[유성]

염료감응태양전지 내 백금 대체 무기물질

  자료출처 GTB

염료 감응 태양전지 (DSSC)는 상대적으로 높은 효율로 저가 광-에너지 전환을 위한 가장 촉망 받는 광전소자들 중 하나이다. 비록 DSSC가 거의 완벽한 디자인이지만, 연구원들은 여전히 다양한 기술로 효율을 향상시키기 위해 노력 중이다. 탄소 물질들과 고분자들에 비해, 무기 화합물들은 예를 들어, 이용될 수 있는 간편한 준비와 물질의 다양성 등 많은 이로운 특성들을 가지고 있다. 수년 동안, 많은 이원 금속 산화물, 금속 황화물, 금속 질화물 과 금속 탄화물은 상대 전극들로 개발되어 왔다.

고가이며 귀금속인 백금에 대한 대체 상대 전극 물질을 찾기 위한 요구로, 과학자들의 연구그룹은 현재 백금의 잠재적 대체물질들로 풍부한 3원 혹은 4원 물질들의 이용을 조사해 왔다.

 

그림설명: 구리 아연 주석 황화물 (CZTS) 반도체는 저가, 고효율 염료 감응 태양전지를 이용되는 백금 금속의 대체 물질로써 효과적인 상대 전극으로 이용될 수 있다. CZTS 나노결정들은 합성된 후 불소 도핑된 주석 산화물 (FTO) 상에 스핀 코팅된다.

이 연구팀은 저가 4원 구리 아연 주석 황화물 (CZTS) 나노결정 기반 염료 감응 태양 전지에 대한 새로운 백금 없는 상대 전극을 개발하는 초기 연구를 실현했다. 조지아 공대 재료공학과 부교수인 지퀀 린 (Zhiqun Lin)이 설명했다. CZTS의 간단한 습식 화학 합성과 전극의 스핀 코팅 (spin-coating) 제조 방법으로 셀렌화(selenization) 이후 CZTS 박막은 백금 전극의 전력 전환 효율 (PCE = 7.04%)에 비교할 만한 7.37%의 전력 전환 효율을 생산하는 전해질 내 트리아이오다이드(triiodide)로부터 아이오다이드(iodide) 재생산를 촉진시키기 위한 상대 전극으로써 굉장한 전기촉매적 성능을 보였다.

2011년 9월 7일 Angewandte Chemie International Edition 온라인 판에 "Low-Cost Copper Zinc Tin Sulfide Counter Electrodes for High-Efficiency Dye-Sensitized Solar Cells"이란 제목으로 게재된 논문에서, 상대 전극으로써 CZTS (copper zinc tin sulfide)의 이용은 고가, 희귀 백금에 대한 요구를 대체하여 저가, 대형화 DSSC를 개발하는 가능성을 높여줄 수 있을 것이다.

4원 칼코겐 화합물(chalcogenide) 반도체인 CZTS는 가장 유망한 광전 물질로써 가장 폭넓게 알려져 있고 박막 태양전지 내에서 널리 이용되고 있다. 특히, CZTS는 지표면 내 자연적으로 풍부한 원소들로 구성되고 낮은 독성을 가진다. 즉, 독성 원소와 회귀 금속들을 가진 CdTe와 CIGS를 이용한 두 고효율 박막 태양전지들에 비해 환경친화적이다.

현재, 고효율 박막 태양전지는 p-형 반도체로써 CZTS의 높은 광전 성능에 기초해 실현했다. 그러나, DSSC 내 사용을 위해 CZTS의 전기 촉매 작용에 대해서는 어떠한 연구도 없었다. 조지아 공대, 아이오와 주립대학, 푸단 대학의 연구팀은 CZTS 나노결정을 얻기 위해 용액 기반 합성 방법을 사용했다.

일반적인 비용이 많이 들고 생산성이 낮은 CZTS의 고진공 스퍼터링과 증착법에 비해, 표면상에 뿌리거나 코팅될 수 있고 이후 더 큰 결정 박막으로 열처리하는 CZTS 나노결정 분산, 즉 나노결정 잉크를 생산하는 능력은 제조 비용을 더 낮게 하고 생산성이 높은 태양전지 제조를 가능케 할 수 있다.

CZTS 잉크는 깨끗한 FTO 유리 기판 상으로 약 180nm 두께의 층으로 스핀 코팅 되거나 2.3 μm 두깨 층으로 드롭-캐스트(drop-cast) 된 후, 셀레늄(selenium) 증기 내에서 1시간 동안 540 도씨로 소결된다. 다른 상대 전극들을 가진 여러 염료 감응 태양전지들의 성능과 비교했을 때, 스핀 코팅된 CZTS를 셀레늄 증기(CZTSSe) 내에 서 소결했을 때, 7.37%의 가장 높은 전력 전환 효율을 얻었다.

이 연구팀은 CZTS 성분비와 제조 방법 등 상대 전극 준비의 많은 매개변수들을 아직 최적화하지 못했기 때문에 광전 성능을 더 개선될 것으로 믿고 있다. 산란 층을 부가하여 광 음극의 방사 처리는 CZTSSe코팅되고 백금 코팅된 태양전지 모두의 효율을 더 향상시킬 것이다 이 연구팀은 CZTS와 CZTSSe 층들의 두께를 줄이고 이를 통해 저항을 줄여, 태양전지의 성능을 더 증가시킬 수 있을 것으로 기대한다.

CZTS 물질의 초기 결과는 광전 특성이었다. 이 연구에서 CZTS의 전기 촉매 특성을 선보였다. 태양 전지 내 CZTS의 두 특성을 결합하는 것, 동시에 광전 물질과 촉매 모두로써 CZTS를 사용하는 것은 미래 주요 연구가 될 것이라고 연구원들은 밝혔다.

참고 문헌

Low-Cost Copper Zinc Tin Sulfide Counter Electrodes for High-Efficiency Dye-Sensitized Solar Cells†

1. Xukai Xin1,2,

2. Dr. Ming He3,

3. Wei Han1,2,

4. Jaehan Jung1,2,

5. Prof. Zhiqun Lin1,2,*

Article first published online: 7 SEP 2011

DOI: 10.1002/ange.201104786

Copyright © 2011 WILEY-VCH Verlag GmbH &Co. KGaA, Weinheim
($$ 원문은 유료라서 올리지 못했습니다.)

[정실장]

좋은글 감사드립니다

[Hiphopist]

잘 보고 갑니다 ^^

[깡돌근버섯]

좋은 자료 감사합니다.

[윤용태]

결과만 잠깐 봤는데 Se증기 내에서 열처리 하는게 관건인거 같네요. 두께조절이야 스핀코팅 조건만 조절해주면 되지만 열처리하기가 쉬워보이지는 않습니다. cigs하시는 분들은 장비가 갖춰져있겠지만 그렇지 않은 경우는 어렵겠네요. 그래도 해보고 싶은건 저뿐만이 아니겠죠?^^

[b0nd007]

좋은자료 감사합니다~

[나노튜브]

감사합니다.

[우히히]

국내논문은 주로 탄소소자를 주목하는것 같더군요 ㅎㅎ 저희는 TiO2를 이용하는 방법을 고려중이고요 ㅎㅎ