KR20160134298A - 염료감응 태양전지 - Google Patents
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Abstract
입사된 광의 파장을 변환시키기 위한 형광체를 포함하는, 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
Description
본원은, 입사된 광의 파장을 변환시키기 위한 형광체를 포함하는, 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
1991년 O'regan 및 Gratzel 연구진에 의한 전기화학적 접합 태양 전지의 선구적인 연구 이후, 나노 결정 TiO2 필름의 표면에 염료 분자의 흡착에 의한 염료-감응 태양 전지(DSSCs)의 제조를 위한 그들의 전략은 표준 기술로 인식되어 왔다. 염료 분자, 반도체 광양극(photoanode), 및 전해질과 같은 체계적 성분은 DSSCs의 광전지 성능에 영향을 미친다. 현재 DSSCs는 광전지 태양전지의 모든 유형 중 주된 광기전성 에너지 발생 장치로서 인식되고 있다. DSSC 조성의 일련의 작업 공정 때문에, DSSCs에서 광전지 성능은 광 포집 효율(η lh ), 전하 분리 효율(η cs ), 및 전하 수집 효율(η cc )에 의해 영향을 받는다. 이러한 요소들은 단락 광전류 밀도(J sc ), 개방-회로 전압(V oc ), 및 충전율(FF)로 측정되고, 전체 태양-전기적 에너지 변환 효율(η)을 결정하는데 사용된다. DSSCs에서 거의 100% η cs 는 이미 달성되었기 때문에, η lh 및 η cc 는 DSSCs의 광전지 성능을 더욱 향상하기 위해 향상시킬 수 있는 요소로서 간주된다. 또한, η lh 는 J sc 와 가장 밀접하게 관련되고, DSSCs의 광전지 성능을 결정한다.
광전지에서 η lh 을 증가시키기 위해, 복합 재료 결합, 광 산란층 도입, 이중-기능화된 물질 사용, 및 팬크로매틱 흡수(panchromatic absorption)와 같은 여러 가지 방법들이 연구되고 있다. 또한, 루테늄(II)-기반 유기금속 분자는 높은 흡수 계수를 갖는 300 nm 내지 800 nm 파장 범위의 광을 흡수하는 염료로서 사용하기 위해 개발되어 왔다. 그러나, 이러한 방법은 근본적으로 태양 스펙트럼의 60% 이상을 구성하는 자외선(UV) 및 적외선(IR) 방사선의 흡수를 강화하기 위한 능력이 제한되어 있다. 태양 스펙트럼의 UV 및 IR 부분의 흡수를 향상시키기 위한 전략은 거의 주목 받지 못했다.
효과적인 대안 방법은 형광체 물질을 이용하여 파장 변환을 통해 염료 분자에 의해 흡수 가능한 태양 파장 스펙트럼을 개질하는 것이다. 염료 분자에 의해 흡수되는 태양 스펙트럼을 개질하기 위해서 형광체 물질을 도입하는 것은, UV 및 근적외선(NIR) 범위에서 태양 광자 에너지를 사용하기 위한 뛰어난 전략이다. 태양 전지 성능을 향상시키기 위해 형광체 물질을 사용하는 최초의 이론적 연구는 Trupke 등에 의해 보고되었고, 태양 스펙트럼의 파장 변환은 DSSCs의 η lh 를 향상시키기 위한 유망한 해결책이 될 것임을 나타냈다. 형광체 물질은 광전 발광 변환 공정의 세 가지 유형, 즉, 상향-변환, 하향-변환, 및 다운시프팅(downshifting)을 통해 태양 스펙트럼을 변경할 수 있다. 스펙트럼의 고-에너지 부분을 사용하는 하향-변환 공정과 비교하여, 상향-변환 공정은 에너지 손실 없는 스펙트럼의 저-에너지 부분을 사용한다. 광전지 응용을 위한 상향-변환 물질의 조합은 태양광이 55% 이상 IR 방사선이 포함되어 있기 때문에, 태양 전지 연구에서 주목을 받고 있다. 파장 변환을 위해 형광체 물질을 고용함으로써 향상된 DSSC 성능은 최근 논문에서 보고되고 있다. 대부분의 보고서는 지금까지 단일 위치에 형광체를 적용함으로써 향상된 DSSC 성능을 입증했다. 그러나, 파장 변환이 광 산란 효과에 의해 야기될 수 있다는 의견 때문에, DSSCs에서 형광체 물질의 파장 변환 효과의 논란이 계속되고 있다. 또한, 대부분의 연구들은 N719 염료 및 형광체 물질의 조합을 이용하여 태양광 흡수를 향상시키는데 초점을 맞추고 있다.
이와 관련하여, 대한민국 등록특허 제10-1088122호는 염료감응형 태양전지 및 염료감응형 태양전지의 제조방법에 대해 개시하고 있다.
본원은, 입사된 광의 파장을 변환시키기 위한 형광체를 포함하는, 염료감응 태양전지를 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 전도성 투명 기재에 형성된 광흡수층을 포함하는 제 1 전극; 상기 제 1 전극과 대향 배치되는 제 2 전극; 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 배치되며, 입사된 광의 파장을 변환시키기 위한 형광체를 포함하는 전해질; 및, 상기 제 2 전극 상에 배치되며, 상기 입사된 광의 파장을 변환시키기 위한 형광체를 포함하는 후면 반사 필름을 포함하는, 염료감응 태양전지를 제공한다.
본원의 일 구현예에 의하면, 유기금속 염료 분자에 의해 흡수된 광 파장이 형광체에 의해 변환되어 태양 파장 스펙트럼을 개질 할 수 있다. 더불어, 본원의 일 구현예에 따른 형광체 물질은 적외선 영역의 광을 흡수하여 가시광선의 광을 방출하는 상향-변환 형광체로서, 상기 상향-변환 공정은 에너지 손실 없는 스펙트럼의 저-에너지 부분을 사용하기 때문에, 광 효율을 증가시킬 수 있다.
본원의 일 구현예에 의하면, 고흡수 계수 염료 중 최적의 광-포집 성능을 나타내는 유기금속 염료와 상향-변환 형광체에 의해 나타나는 파장 변환 효과를 결합함으로써 광전지의 태양광 포집 성능을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 우수한 광전 에너지 변환 효율을 달성할 수 있다.
도 1은, 본원의 일 구현예에 있어서, 전해질에 분산된 형광체 및 후면-반사 필름에 도입된 형광체를 포함하는 염료감응 태양전지(UCEB)를 나타내는 개략도이다.
도 2는, 본원의 일 실시예에 있어서, β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정의 현미경 관찰에 관한 것으로서, SAED 패턴에 해당하는 HRTEM 이미지이다.
도 3은, 본원의 일 실시예에 있어서, β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정에 대한 격자 거리 계산을 나타낸 것이다.
도 4의 (a) 내지 (d)는, 각각 본원의 일 실시예에 있어서, (a) 초기 β-NaYF4:Yb3+,Er3+ 형광체 마이크로 결정, (b) 비교를 위한 기준으로서 사용되는 TiO2 나노입자 전극, (c) TiO2-필름 전극 상에 형성된 형광체(UCTF), 및 (d) 후면-반사 필름에 도입된 형광체(UCBR)의 XRD 결과를 나타낸 것이다.
도 5는, 본원의 일 실시예에 있어서, β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정의 결정 성장 매커니즘을 나타낸 것이다.
도 6의 (a) 및 (b)는, 각각 본원의 일 실시예에 있어서, 유리 기재 상에 후면-반사 필름으로서 사용된 β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정의 상부 및 횡단면 SEM 이미지(스케일 바: 20 ㎛)이다.
도 7a 내지 도 7c는, 각각 본원의 일 실시예에 있어서, 초기 β-NaYF4:Yb3+,Er3+ 형광체 마이크로 결정의 PL 스펙트럼(도 7a), TiO2 나노입자 필름 상에 형성된 형광체 마이크로 결정(UCTF)의 PL 스펙트럼(도 7b), 및 전해질 중 분산된 형광체 마이크로 결정(UCEL)의 PL 스펙트럼(도 7c)을 나타낸 것이다.
도 8은, 본원의 일 실시예에 있어서, β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정의 UV-Vis 스펙트럼이다.
도 9는, 본원의 일 실시예에 있어서, β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정 및 C106 염료를 포함하는 TiO2 전극에서 제안된 에너지 전이 메커니즘의 개략도를 나타낸 것이다.
도 10a 내지 도 10d는, 각각 본원의 일 실시예에 있어서, β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정의 위치의 함수로서 광전지 특성 및 전기화학적 임피던스 측정에 관한 것으로서, I-V 곡선(도 10a), IPCE(도 10b), 나이퀴스트 플롯(도 10c), 및 Yb3 +,Er3 +의 유무에 따른 다양한 종류의 샘플에 대한 광전류 밀도의 비교(도 10d)를 나타낸 것이다.
도 2는, 본원의 일 실시예에 있어서, β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정의 현미경 관찰에 관한 것으로서, SAED 패턴에 해당하는 HRTEM 이미지이다.
도 3은, 본원의 일 실시예에 있어서, β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정에 대한 격자 거리 계산을 나타낸 것이다.
도 4의 (a) 내지 (d)는, 각각 본원의 일 실시예에 있어서, (a) 초기 β-NaYF4:Yb3+,Er3+ 형광체 마이크로 결정, (b) 비교를 위한 기준으로서 사용되는 TiO2 나노입자 전극, (c) TiO2-필름 전극 상에 형성된 형광체(UCTF), 및 (d) 후면-반사 필름에 도입된 형광체(UCBR)의 XRD 결과를 나타낸 것이다.
도 5는, 본원의 일 실시예에 있어서, β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정의 결정 성장 매커니즘을 나타낸 것이다.
도 6의 (a) 및 (b)는, 각각 본원의 일 실시예에 있어서, 유리 기재 상에 후면-반사 필름으로서 사용된 β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정의 상부 및 횡단면 SEM 이미지(스케일 바: 20 ㎛)이다.
도 7a 내지 도 7c는, 각각 본원의 일 실시예에 있어서, 초기 β-NaYF4:Yb3+,Er3+ 형광체 마이크로 결정의 PL 스펙트럼(도 7a), TiO2 나노입자 필름 상에 형성된 형광체 마이크로 결정(UCTF)의 PL 스펙트럼(도 7b), 및 전해질 중 분산된 형광체 마이크로 결정(UCEL)의 PL 스펙트럼(도 7c)을 나타낸 것이다.
도 8은, 본원의 일 실시예에 있어서, β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정의 UV-Vis 스펙트럼이다.
도 9는, 본원의 일 실시예에 있어서, β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정 및 C106 염료를 포함하는 TiO2 전극에서 제안된 에너지 전이 메커니즘의 개략도를 나타낸 것이다.
도 10a 내지 도 10d는, 각각 본원의 일 실시예에 있어서, β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정의 위치의 함수로서 광전지 특성 및 전기화학적 임피던스 측정에 관한 것으로서, I-V 곡선(도 10a), IPCE(도 10b), 나이퀴스트 플롯(도 10c), 및 Yb3 +,Er3 +의 유무에 따른 다양한 종류의 샘플에 대한 광전류 밀도의 비교(도 10d)를 나타낸 것이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함” 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~ 를 위한 단계”를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합(들)”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, “A 및/또는 B”의 기재는 “A 또는 B, 또는 A 및 B”를 의미한다.
본원 명세서 전체에서 "투명"의 기재는, 소재의 광 투과율이 100%인 경우뿐만 아니라 광 투과율이 약 80% 이상으로 높은 경우를 모두 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 1 측면은, 전도성 투명 기재에 형성된 광흡수층을 포함하는 제 1 전극; 상기 제 1 전극과 대향 배치되는 제 2 전극; 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 배치되며, 입사된 광의 파장을 변환시키기 위한 형광체를 포함하는 전해질; 및, 상기 제 2 전극 상에 배치되며, 상기 입사된 광의 파장을 변환시키기 위한 형광체를 포함하는 후면 반사 필름을 포함하는, 염료감응 태양전지를 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 전극에 포함되는 전도성 투명 기재는 태양광과 같은 빛이 투과되어 내부로 입사됨으로써 광전극으로서 이용할 수 있도록, 투명 기재 상에 투명 전극(투명 전도성 필름)을 증착하여 제조할 수 있다. 상기 전도성 투명 기재는 외부광의 입사가 가능하도록 투명성을 가지는 물질이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 유리 기재 또는 유연성을 갖는 투명 고분자 기재를 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 투명 기재는 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 트리아세틸셀룰로오스(TAC), 및 이들의 조합들로 이루어지는 군에서 선택되는 것 또는 이들의 공중합체를 사용하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 또한, 상기 전도성 투명 기재로서 투명 기재 상에, 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), 안티몬틴 옥사이드(ATO), 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 투명 전극이 코팅된 것을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 투명 전극으로서 산화주석(SnO2)을 사용할 경우, 전도성, 투명성, 및 내열성이 우수하고, 상기 전도성 투명 전극으로서 ITO를 사용할 경우, 비용 절감의 효과가 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광흡수층은 유기금속 염료 및 전이금속 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유기금속 염료는 고흡수 계수 염료 중 최적의 광포집 성능을 나타내는 C106 유기금속 염료를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 전극으로 입사된 광은, 상기 염료에 의해 흡수될 수 있으며, 상기 유기금속 염료에 의해 약 550 nm 부근의 가시광선 영역의 광의 흡수가 최대화되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 유기금속 염료는 루테늄(Ru)을 중심으로 리간드 역할을 하는 유기물과 함께 이루어져, 가시광선의 흡수를 통해 서로 전자를 전달하는 물질로서, 예를 들어, C106 염료, N3 염료, Z907 염료, K19 염료 등이 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전이금속 산화물은 Ti, Cu, Zr, Fe, Zn, In, Ir, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Y, Sc, Sm, Ga, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것의 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 전극은 염료감응 태양전지에서 산화된 염료를 환원시키는데 사용된 전해질을 환원시키는 촉매 역할을 하는 전극으로서, 전도층을 포함하며, 상기 전도층은 산화·환원 쌍(redox couple)을 활성화시키는 역할을 수행한다. 예를 들어, 상기 제 2 전극은 백금(Pt), 금(Au), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 탄소(C), 산화텅스텐(WO3), 이산화티타늄(TiO2), 전도성 고분자, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 전도성 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 특히, 상기 제 2 전극의 일면에 형성되는 상기 전도층은 반사율이 높을수록 효율이 우수하므로, 반사율이 높은 재료를 선택하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 제 2 전극으로서 Pt를 사용할 경우, 우수한 전도도 및 I3 - 이온들의 환원에 대한 촉매 활성 효과를 달성할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 액체 전해질, 고체 고분자 전해질, 또는 겔형 고분자 전해질을 주입함으로써 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 전해질을 배치하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 전해질은, 전기 변색 물질의 산화·환원 반응을 촉진하는 것으로서, 예를 들어, 요오드화물(iodide)을 포함하는 것일 수 있으며, 산화·환원에 의해 상기 제 2 전극으로부터 전자를 받아, 전자를 잃은 염료 분자에 받은 전자를 전달하는 역할을 수행하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 염료감응 태양전지에 포함되는 전해질의 누출을 방지하기 위해, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극의 가장 자리에 형성된 밀봉부를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 형광체는 상기 제 1 전극을 통해 입사된 광의 파장을 변환시키는 것으로서, 상기 형광체는 상기 형광체 내에 도핑된 감광제 및 활성화제를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 감광제는 Yb3 +, Ho3 +, Tm3 +, Tb3 +, Pr3 +, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 활성화제는 Er3 +, Ho3 +, Tm3 +, Eu3 +, Gd3 +, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 형광체는 β-NaYF4:Yb3 +,Er3 +, LaVO4:Dy3 +, Y2O3:Eu3+, Y2SiO5:Pr3 +, La2O3:Eu3 +, TiO2:Sm3 +, Lu2O3:Tm3 +,Yb3 +, NaYF4:Tm3 +,Yb3 +, LiGdF4:Er3 +,Tb3 +, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 형광체는 입자, 나노와이어, 또는 나노로드 형태인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 형광체 내에 상기 감광제 및 상기 활성화제를 도핑함으로써, 상기 β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체는 입사된 광의 파장을 변환시키는 파장 변환 효과를 달성할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 형광체는 적외선 영역의 광을 흡수하여 가시광선 영역의 광을 방출하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 형광체는 약 780 nm 내지 약 1,400 nm의 광을 흡수하여 약 500 nm 내지 약 700 nm의 광을 방출하는 상향-변환 형광체일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 파장 변환 효과에 기반하여 우수한 광 포집 성능을 달성하기 위해, 상기 형광체는 상기 전해질 및 상기 후면 반사 필름에 포함될 수 있다.
이와 관련하여, 도 1은 상기 전해질(200) 내에 분산된 상기 형광체(300) 및 상기 형광체(300)를 포함하는 후면 반사 필름(500)을 모두 포함하는 염료감응 태양전지(이하, UCEB라 함)를 나타낸 모식도이다.
본원의 일 구현예에 있어서, 고흡수 계수 염료 중 최적의 광-포집 성능을 나타내는 C106 유기금속 염료와 상향-변환 β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정에 의해 나타나는 파장 변환 효과를 결합함으로써 광전지의 태양광 포집 성능을 향상시킬 수 있고, 이에 따라 태양-대 전기 에너지 변환 효율(η)을 향상시킬 수 있다.
이하, 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.
[
실시예
]
물질
이트륨(III) 니트레이트·테트라하이드레이트 [Y(NO3)3·4H2O, 99.99%, Aldrich], 이테르븀(III) 니트레이트·펜타하이드레이트[Yb(NO3)3·5H2O, 99.9%, Aldrich], 에르븀(III) 니트레이트·펜타하이드레이트[Er(NO3)3·5H2O, 99.99%, Aesar], 및 소듐 플루오라이드(NaF, > 98.5%, Ajax)를 각각 Y3 +, Yb3 +, Er3 +, 및 F-의 소스로서 사용하였다. 소듐 시트레이트(Na3C6H5O7·2H2O, > 99.0%, Aldrich)는 킬레이트제로서 사용하였고, 반면 질산(HNO3, 60.0% 내지 62.0%, Daejung)은 pH를 조절하기 위해 사용하였다. 분지된(branched) 폴리에틸렌이민(PEI, C2H5N, typical Mw 25,000, Aldrich)은 제조된 β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정 분말 및 유리 기재 사이의 접착을 촉진하기 위해 사용하였다. 모든 화학적 시약은 추가 정제 없이 받은 그대로 사용하였다. 초고순도 탈이온수(>18 MW, Millipore)는 모든 실험에서 사용하였다.
β-
NaYF
4
:
Yb
3
+
,
Er
3
+
형광체 마이크로 결정 및 후면-반사 필름의 제조
β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정은, Li의 연구에 기반하여, 일부 변경한 수열 합성법을 이용하여 합성하였다. Y(NO3)3·4H2O(1.6 mmol), Yb(NO3)3·5H2O(0.36 mmol), 및 Er(NO3)3·5H2O(0.04 mmol)은 40 mL 탈이온수에 용해하였다. 이 후, 4 mmol의 소듐 시트레이트를 상기 용액에 첨가하였고, 백색 침전물이 용액에서 관찰되었다. 30 분 동안 격렬하게 교반한 후 용액은 투명해졌고, 26 mmol의 NaF를 백색 침전물을 생성하기 위해 첨가하였다. 30 분 동안 추가 교반 후, pH는 1.0 M HNO3 용액을 첨가함으로써 산성 조건을 달성하기 위해 조절되었다. 용액은 100 mL 테플론-코팅된 스테인리스 스틸 오토클레이브에 옮겨 밀봉하였고, 전기 가열-오븐 중 200℃에서 20 시간 동안 유지하였다. 이어서, 오토클레이브를 자연적으로 상온(RT)으로 냉각시켰다. 침전물은 원심분리기에 의해 분리하였고, 탈이온수 및 에탄올로 여러 번 세척하였다. 마지막으로, 생성물을 12 시간 동안 80℃의 오븐에서 건조시켰다.
후면-반사 필름은 PEI-유도 수동 조립 방법을 일부 변경하여 이용하여 제조하였다. 에탄올 중 PEI 용액(1.5 mL; 4 wt%)은 세척된 (2 x 2) cm 플루오린-도핑된 틴 옥사이드(FTO) 유리 기재 상에 10 초 동안 2,000 rpm의 스피드로 스핀 코팅하였다. β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정은 PEI-코팅된 FTO 유리 기재 상에 부드럽게 문질렀다(rubbed). 상기-제조된 필름은 공기 중에서 4 시간 동안 450℃로 열-처리하였다. 에탄올 형광체 용액(3.5 mg mL-1)은 형광체 단층-코팅된 유리 기재 상에 0.185 mL 용액을 적하하여 분산시켰고, 70℃에서 건조시켰다. 코팅의 주기(cycle)는 제조된 에탄올 용액 0.185 mL를 적하함으로써 형광체 분산으로 구성되었다. PEI 및 임의의 유기 불순물을 제거하기 위해, 필름은 4 시간 동안 450℃에서 Ar 분위기 중 열-처리하였다. 분산 주기(26 주기)의 수를 증가시킴으로써, β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 상향-변환 후면-반사 필름의 상이한 두께가 수득되었다.
β-
NaYF
4
:
Yb
3
+
,
Er
3
+
형광체 마이크로 결정을 가지는
DSSCs
의 조립
TiO2-필름 전극을 제조하기 위해, FTO 유리 기재(Pilikington, TEC 7)는 20 분 동안 초음파 배스에서 헬마넥스 용액, 증류수, 및 에탄올로 순차적으로 세척하였다. 광전극은 1-부탄올(1-BuOH, 99.8%, Aldrich) 중 0.1 M Ti(IV) bis(에틸 아세토아세테이토)-디이소프로폭시드 용액(Aldrich)을 세척된 FTO 유리 기재 상에 스핀-코팅 및 30 분 동안 450℃에서 가열하는 것에 의해 제조하였다. 그 뒤, 12 ㎛ 두께의 TiO2 투명층은 상업용 TiO2 페이스트(JGC C&C, PST-18NR)를 이용하여 닥터-블레이드 기술에 의해 코팅하였고, 30 분 동안 450℃에서 소결하였다. TiO2-코팅된 FTO 유리 기재의 소결 후, 증류수 중 0.5 mM 티타늄 테트라클로라이드(TiCl4) 용액으로 70℃에서 20 분 동안 처리하였고, 이어서 30 분 동안 450℃에서 어닐링 공정을 수행하였다. 마이크로 결정 생성물의 수용액(2.5 mL, 0.25 wt%)은 TiO2 산란 층(영역 중 활성층은 0.16 cm2)의 표면에 5 회 직접 적하하였고, 마이크로 결정에 로딩된 TiO2 필름은 30 분 동안 450℃에서 어닐링되었다. 각각의 작업 전극은 상온에서 18 시간 동안 아세토니트릴(99.9%, Wako) 및 tert-부탄올(99%, Wako)(v/v, 1:1) 중 용해된 C106 염료(Dyesol) 0.5 mM에 침지되었다. 상기 전극은 잔여물을 제거하기 위해 아세토니트릴로 세척된 후 건조하였다.
0.6 M 1-메틸-3-프로필이미다졸륨 이오다이드(1-methyl-3-propylimidazolium iodide, MPII, = 98%, Aldrich), 0.03 M 이오딘(iodine, I2, = 99.8%, Aldrich), 0.5 M tert-부틸피리딘(tert-butylpyridine, t-BP, 96%, Aldrich), 0.1 M 리튬 이오다이드(lithium iodide, LiI, 99.9%, Aldrich), 및 0.1 M 구아니딘 티오시아네이트(guanidine thiocyanate, GuSCN, = 97%, Aldrich)로 구성된 전해질은 아세토니트릴/발레로니트릴(VN, 99.5%, Aldrich)(v/v, 85:15) 중 용해되었다. 전해질 내에 분산된 형광체를 포함하는 염료감응 태양전지(UCEL)를 제조하기 위해, 0.06 g β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정은 4 wt% 용액을 수득하기 위해 상기 전해질 용액 2 mL 내에 1 시간 동안 50℃에서 균질하게 분산시켰다.
백금 상대 전극은 0.1 M 클로로플라티닉 산(H2PtCl6, H2O 중 8 wt%, Aldrich)으로 스핀 코팅하였고, 2-프로판올(Aldrich) 중 용해하고, 30 분 동안 450℃에서 하소시켰다. 상기 작업 및 상대 전극들은 핫-멜팅된 60 ㎛의 설린(Solaronix)을 이용하여 조립하였다.
DSSCs
의 특성 및 광전지 성능 측정
200 keV의 가속 전압에서 작동하는 EDS 검출기가 장착된 HRTEM(JEM 2100F, Japan)는 샘플의 결정 구조 및 SAED 패턴을 분석하기 위해 사용되었다. HRTEM 실험에서, 전자 빔은 1D 마이크로 구조에 수직인 방향으로 입사했다. β-NaYF4:Yb3+,Er3+ 형광체 마이크로 결정은 에탄올 용액 중 분산된 β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정의 용액을 직접 적하함으로써 TEM 구리 그리드 상에 전사되었다. 생성물의 모폴로지는 20 kV의 가속 전압에서 동작하는 전계 방출 주사 전자 현미경(FESEM, Hitachi S-4300, Japan)으로 조사되었다. 약 15 nm의 두께를 갖는 백금/팔라듐 합금(w/w, 8:2)은 샘플 상에 증착되었다. 합성된 물질의 결정 구조는 10°≤2θ≤80°의 2θ 범위에서 스텝 당 0.02˚의 주사 속도를 가지는 30 kV 및 15 mA에서 동작하는 XRD(Rigaku miniFlex-2 desktop X-Ray diffractometer, Cu Kαradiation with λ = 0.154056 nm, Japan)에 의해 특성 분석되었다.
단일 입자뿐 아니라 단일 형광체의 PL 스펙트럼 및 이미지는 각각 발광 스펙트럼을 수득하고 이미징을 위해 도립 현미경(TE2000-U, Nikon), NIR(980 nm) 다이오드 레이저(P161-600-980A, EM4), 및 단색화 장치(HoloSpec f/1.8i, Kaiser Optical Systems)에 부착된 전하 결합 소자(CCD) 카메라(PIXIS 400BR, Princeton Instruments) 및 전자 증배 전하 결합 소자(EMCCD) 카메라(DV897DCS-BV, iXon, Andor Technology)를 포함하는 두 개의 카메라로 구성된 직접 제작한 현미경 구성(setup)을 이용하여 수득하였다. 현미경 대물 렌즈(Plan Fluor, 20x, NA 0.50, Nikon)를 통과한 포커싱된 980 nm 레이저 빔(~100 W cm-2)은, 보호 유리 상에 생성물을 여기시킨다. 여기된 생성물에 의해 나타난 발광은, 광 섬유에 의해 수집되었고, 마지막으로 CCD 카메라에 의해 검출되었다. 또한, 단일 형광체는 광 섬유가 아닌 다른 경로의 방법을 통해 EMCCD에 의해 이미지화되었다.
DSSCs의 I-V 성능은 실리콘 대조 셀로 조정한 후, 300 W 제논 램프 및 키슬리(Model 2400) 소스 미터 장착된 태양 시뮬레이터(Newport, 91160-1000)를 이용하여 1-sun 조건(AM 1.5 G, 100 mW cm-2) 하에서 측정되었다. 태양광은 광양극 표면의 0.2 cm x 0.8 cm 영역 상에 입사하였다. 표면의 다른 영역은 I-V 성능의 과대평가를 방지하기 위해서 마스킹되었다. 모든 평균 값은 3 회 측정하여 수득하였다.
DSSCs에 대한 IPCE 및 전기화학적 임피던스 분광(EIS) 데이터는 I-V 성능 측정과 같이 동일 광 조건 하에서 기록되었다. EIS 측정은 1 MHz 내지 200 MHz 주파수 범위에서 어두운 발광 조건 하에서 두 개의 전극 모드에서 작동되는 디지털-AVR 전위가변기(UPS BANK, Korea)를 사용하여 -0.70 V AC 전압을 적용함으로써 수행되었다. IPCE 측정은 10 Hz의 초핑 속도(chopping speed)로 QEX7(PV Measurements, Inc.)를 이용하여 수행되었다.
결과
본 실시예에 따른 β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 마이크로-로드 결정은 킬레이트제(chelating agent)로서 소듐 시트레이트를 이용하여 수열합성하였다. 도 2는 본 실시예에 있어서, β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 결정의 결정 구조의 현미경 관찰을 제공한다: 주사 전자 현미경(SEM) 이미지, 에너지-분산 X-선 분광법(EDS) 맵, 고-해상도 투과 전자 현미경(HRTEM) 이미지, 및 도 3의 격자 거리 계산에 따른 선택-영역 전자 회절(selected-area electron diffraction, SAED) 패턴. HRTEM 이미지 및 SAED 패턴은 β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정이 c-축과 마찬가지로 [0001] 방향을 따라 성장한 것을 나타내는 [100] 방향을 따라 나타났다. 대표적인 마이크로-로드에서 명확하게-정의된 마이크로 결정은 ~7.8 ㎛의 길이 및 ~0.86 ㎛의 직경을 나타냈다. 대응 원소 맵핑 이미지는 Yb3+ 및 Er3 + 이온이 NaYF4 호스트 결정 구조 중에 공간적으로 분산된 것을 나타낸다. 초기 pH 및 시트레이트의 전하 사이의 관계에 기반하여, 이것은 [0001]-배향된 마이크로-로드 결정의 형성을 야기하는 [0001] 방향을 따른 결정 성장이 다른 방향에 비해 훨씬 빠를 때, β-NaYF4:Yb3+,Er3+ 형광체 마이크로-로드 결정은 pH 3.13에서 성장됨을 나타냈다. 이러한 결과는 또한 도 4 및 도 5에 도시된 XRD 패턴에서 관찰된 (100) 축의 높은 피크 강도와 일치한다. 초기 β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로-로드 결정의 XRD 패턴에 도시된 바와 같이, [0001] 성장 방향에 더하여, β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정은 또한 여섯 효과적으로 동등한 
측일면[
, 및 
]을 따라 어느 정도 성장했다.
상향-변환 발광을 달성하기 위해, β-NaYF4 호스트 격자 결정은 감광제(Yb3 +) 및 활성화제(Er3 +)로 도핑되었다. Yb3 + 및 Er3 + 이온이 β-NaYF4 호스트 격자 결정 내에 삽입되었기 때문에, Yb3 + 및 Er3 +를 포함하지 않는 β-NaYF4 초기 마이크로 결정의 표준 JCPDS 카드에서 제공되는 값과 비교하여(PDF#160334, 공간군: P63/m), β-NaYF4:Yb3+,Er3+ 형광체 마이크로 결정의 피크 위치는 2θ 각도(PDF#281192, 공간군: P63/m) 더 낮게 이동되었다.
상기 합성된 β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정은 전해질 용액 중 마이크로 결정을 분산시킴으로써 광양극으로서 구형 TiO2 입자 층 상에 도입되었다. 또한, 마이크로 결정은 DSSCs에서 후면-반사 필름으로서 캐스팅되었다. 도 4의 (a) 내지 (d)는 각각, 초기 β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정[도 4의 (a)], TiO2-나노입자-필름 전극(nTF, 이는 기준으로서 사용됨)[도 4의 (b)], TiO2-나노입자-필름 광양극 상에 형성된 상향-변환 형광체[도 4의 (c), UCTF], 및 후면-반사 판에 도입된 상향-변환 형광체 필름[도 4의 (d), UCBR]의 XRD 패턴을 나타낸다. 이 때, 아나타제 TiO2(PDF#841285) 및 β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + (PDF#281192)이 사용되었다. 상기 XRD 패턴은 β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정이 성공적으로 nTF 상에 로딩되었음을 나타낸다. 
-배향된 투명 유리 상에 β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 필름은 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine, PEI)-유도된 수동 조립 기법을 통해 후면-반사 필름으로서 고용되었다. 도 6의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 합성된 β-NaYF4:Yb3+,Er3+ 형광체 마이크로 결정은 ~30 ㎛의 필름 두께를 가지는 UCBR로서 조립되었다.
초기 β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정, UCTF, 및 요오드 전해질 용액 중에 분산된 상향-변환 형광체(UCEL)의 광 발광(PL) 스펙트럼이 비교되었고, 그 결과를 도 7a 내지 도 7c에 나타내었다. 900 nm 내지 1,050 nm의 파장 범위에서 여기 시(도 8), 초기 β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정, UCTF, 및 UCEL의 PL 스펙트럼은 각각 도 7a 내지 도 7c에 도시된 바와 같이, 510 nm 내지 560 nm 및 640 nm 내지 675 nm에서 두 개의 강한 발광 밴드가 나타났다. 도 7a의 상부 이미지는 0.01 s의 노출 시간으로 얻은 초기 β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정의 광학 현미경 이미지이다. 마찬가지로, TiO2-나노입자 필름 상에 증착된 형광체의 명 시야 광학 현미경 이미지(상부) 및 PL 스펙트럼(하부)은 도 7b에 도시되었다.
도 7c의 상부 이미지에서, UCEL의 발광 색상은 순수 전해질의 발광 색상과 비교된다. 상기 도면으로부터 알 수 있듯이, 전해질로부터의 발광은 관찰되지 않았다. 활성화제(Er3 +) 이온을 통한 발광 밴드에 대한 모든 에너지 레벨은 도 9에 나타냈다. PL 스펙트럼은 NaYF4 호스트 물질 격자 내에 Yb3 +에서 Er3 +로 에너지 전이의 결과이기 때문에, 510 nm 내지 560 nm 및 640 nm 내지 675 nm에서 모두 발광된 광은 C106 유기금속 염료의 흡수 범위에 있었다. XRD 패턴, 현미경 이미지, 및 PL 스펙트럼으로부터, β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정은 UCTF 및 UCEL로서 DSSC 조성에 잘 혼입되었다고 결론을 내릴 수 있다. 각각 UCTF 및 UCEL의 경우 510 nm 내지 560 nm 및 640 nm 내지 675 nm 발광 밴드의 현저히 향상된 강도는 파장 변환 효과를 통해 태양광 포집을 향상시키는 중요한 요소가 될 것으로 예상되었다. UCTF, UCEL, UCBR, 및 UCEB에 대한 우리의 가설은 도 10a에 도시된 바와 같이, 광전류 밀도 측정에 의해 확인되었다.
파장 변환의 결과로서 η lh 을 결정하기 위해, β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정은 DSSCs 내에 도입되었다. β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정은 TiO2-나노입자-필름 상에 로딩되었고(UCTF), 요오드 전해질 내에 분산되었다(UCEL). 
-배향된 β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 필름은 외부 성분인 UCBR로서 고용되었다. 도 1에 도시된 바와 같이, 집적 파장 변환 효과를 달성하기 위해서, β-NaYF4:Yb3+,Er3+ 형광체 마이크로 결정들은 요오드 전해질 중 분산되었고, 외부 후면 반사 필름으로서 사용되었다(UCEB).
도 10a 내지 도 10d는, 각각 1-sun 조건 하에서 측정된 nTF, UCTF, UCEL, UCBR, 및 UCEB의 광전지 특성을 나타냈다. UCEL의 J sc 는 20.38 mA·cm-2였으며, 이는 nTF에 대해 수득한 18.89 mA·cm-2의 값과 구별할 수 있었다. 상기 UCEL 및 nTF의 Voc값은 각각 0.712 V 및 0.726 V였다. 흥미롭게도, β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 필름이 UCBR로서 이용될 때, J sc 값은 nTF에 해당하는 값보다 더 높은 22.73 mA·cm-2으로 증가했다. UCBR 필름의 J sc 가 증가하고 V oc 의 초기 값이 유지되었기 때문에, 이러한 외부 반사 필름은 DSSCs의 광 포집을 향상시키기 위한 유망한 옵션이다. 상기 결과는 J sc 값은, 대부분 β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체가 후면에서 외부 필름으로서 사용될 때, 파장 변환으로부터가 아닌 반사된 광으로부터 유래되는 것을 나타냈다. 예상외로, β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정이 DSSCs 중 UCEL 및 UCBR로서 동시에 적용될 때(UCEB), 초기 V oc 값이 유지되는 동안 DSSCs의 광전류 밀도는 급격히 증가되었다. 도 10a에 도시된 바와 같이, 상기 nTF에 대한 UCEB의 J sc 값은 V oc 가 0.714 V에서 유지되는 동안 18.89 mA·cm-2에서 24.54 mA·cm-2로 증가했다. FF에서 현저한 변화는 없었다. 기준 DSSC로서 nTF 및 UCEB 사이의 현저한 차이는 J sc 에서 급격한 증가에 의해 야기되었고, 그 결과 향상된 광 포집을 가져오는 것을 공지하는 것은 흥미롭다. β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체를 포함하는 DSSCs의 J sc 값 또한 급격하게 증가했다. 그러나, 그들의 V oc 값은 감소하지 않았다. 이것은 UCEL, UCBR, 및 UCEB의 FF 값이 일정하게 유지되었음을 나타낸다. 상기 β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정은 높은 광전지 성능을 달성하기 위한 DSSCs의 성분으로서 사용하기 위해 매우 적합하다. 그러나, β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정이 nTF 상에 로딩 될 때, 상기 DSSCs의 광전류 밀도는 현저하게 증가하지 않았고, 마이크로 결정의 존재는 DSSCs의 광전지 성능을 저하를 야기시켰다. 이것은 UCTF에 흡착된 염료 분자의 양과 비교하여, nTF에 흡착된 염료 분자의 양이 더 많기 때문일 수 있다. 흡착된 염료 분자의 양은 로딩된 형광체 마이크로 결정 및 nTF 사이의 감소한 접촉 면적의 결과로서 UCTF에서 더 낮아질 것이다. 흡착된 염료 분자의 양이 직접적으로 η lh 과 관련된다는 것을 고려하면, 흡착된 염료 분자의 양은 β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정의 상향-변환 효과뿐만 아니라, UCTF의 광전지 성능을 향상시키는데 중요한 역할을 한다. 이 결과는 nTF 및 UCTF 사이의 입사 광자-전류 효율(IPCE) 값을 비교함으로써 수득 된 결과와 일치하였다. 도 10b에서 도시된 바와 같이, IPCE에서 구별 가능한 차이는 β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 로딩된 DSSCs 및 nTF를 함유하는 기준 DSSCs 사이에서 관찰되었다. UCTF의 것과 비교하여, nTF의 높은 IPCE 값은 염료 분자의 η lh 와 관련되었다. 한편, UCEL 및 UCBR의 IPCE 값은 370 nm 내지 790 nm 파장 범위에서 nTF의 것보다 더 높았다. 다양한 형태 중, 520 nm에서 UCEB는 가장 높은 IPCE 값(68.8%)를 나타냈다. nTF, UCEL, 및 UCBR은 각각 65.6%, 68.3%, 및 66.4%의 IPCE 값을 나타냈다. UCEL 및 UCBR의 경우에서처럼 단일 위치에 도입된 것과 비교하여 UCEB의 경우에서처럼, 형광체가 DSSCs의 여러 위치에 적용될 때 더 높은 IPCE가 예상된다. 이것은 UCEL 및 UEBR 형태의 사용에 비해, UCEB 형태의 사용이 태양광 포집을 위해 더욱 유리한 것을 나타낸다. nTF, UCTF, UCEL, 및 UCEB 중 임피던스 값이 측정 및 비교되었고, 그 결과를 도 10c에 나타냈다. 샘플의 나이퀴스트 플롯에서, 산화·환원 전해질 및 백금 상대 전극 사이의 계면에서 임피던스와 관련된 높은 주파수에서 반원의 존재는 낮은 전하-이동 저항을 나타낸다. UCEL 및 UCEB의 경우 전해질 중 형광체 마이크로 결정이 존재하더라도, 전해질 용액 중 형광체 마이크로 결정은 요오드 전해질과 화학적으로 결합 되어 있지 않기 때문에, 이들은 전하 이동 저항에 영향을 미치지 않는다. 두 번째 반원은 C106 염료/TiO2 층과 전해질 사이의 계면에서 재결합 저항으로부터 유래하였기 때문에, 저항 값은 하기 순서대로 증가한다: UCEB < UCEL < UCBR < UCTF. 그 중, UCEB는 전하 이동에 대한 그것의 낮은 계면 임피던스 때문에, 가장 높은 η lh 및 광전지 성능을 나타낸다. Yb3 + 및 Er3 +의 유무에 따른 β-NaYF4 형광체 마이크로 결정의 상향-변환 효과를 평가하기 위해, Yb3 + 및 Er3 +의 유무에 따른 nTF, UCTF, UCEL, UCBR, 및 UCEB의 J sc 값이 비교되었고. 그 결과는 도 10d에 나타냈다. 도펀트로서 Yb3 + 및 Er3 +를 포함하는 UCTF, UCEL, UCBR, 및 UCEB의 J sc 값은 Yb3+ 및 Er3 +를 포함하지 않는 β-NaYF4 형광체 마이크로 결정의 값(nUCTF, nUCEL, nUCBR, 및 nUCEB)보다 더 높았다. 특히, UCEB(24.54 mA·cm-2) 및 nUCEB(22.85 mA·cm-2) 사이의 J sc 에서 현저한 차이를 공지하는 것은 흥미롭다. Yb3 + 및 Er3 +가 상향-변환 효과에 의해 NIR 파장 영역으로부터 가시광선을 포집하기 위한 형광체 마이크로 결정에서 감광제 및 활성화제의 역할을 수행하기 때문에, UCTF, UCEL, UCBR, 및 UCEB에서 J sc 값의 증가가 현저했다.
도 7a 내지 도 7c에 도시된 PL 스펙트럼에 따르면, β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정은 980 nm에서 NIR 방사선을 흡수하고 510 nm 내지 560 및 640 nm 내지 675 nm에서 두 개의 강한 발광 밴드를 발광하였다. 524 nm에서 피크는 2H11 /2에서 4I15/2까지 전이에 할당되는 반면, 541 nm에서 피크는 4S3 /2에서 4I15 /2까지 전이에 할당된다. 또한, 654 nm에서 피크는 4F9/2에서 4I15 /2까지 전이에 할당된다. 이러한 PL 피크는 도 9에 도시된 바와 같이, C106 염료의 흡수 파장 범위에 위치된다. 태양광의 상향-변환 부의 발광 파장은 광전지 성능의 향상을 달성하기 위해 C106 염료에 의해 흡수될 것이 요구된다. C106 분자는 ~550 nm에서 λmax 흡수를 나타낸다. 따라서, β-NaYF4:Yb3+,Er3+ 형광체 마이크로 결정은 NIR 방사선의 상향-변환에 의해 550 nm 부근(541 nm, 510 nm 내지 560 nm)에서 발광된 빛의 대부분을 제공할 수 있었고, C106 염료에 의해 최대 흡수를 지원하였다. 제조된 β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정에 의한 태양광의 상향-변환은 도 9에 나타냈다.
DSSCs 중 광전지 성능의 PL 스펙트럼 및 평가의 경보 특성에 기인하여, 반사 판으로서 외부 로딩된 형광체 필름을 가지는 DSSCs 내에 β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정의 내부 혼입은, 상기 표 1에 나타낸 바와 같이, DSSCs의 광전지 성능을 향상시키기 위한 유망한 전략이었다고 결론지었다. 상기 결과는 최대 DSSC 성능이 산란 및 파장 변환 효과에 의한 외부 후면-반사 필름과 DSSCs의 전해질 용액으로 형광체의 내부 도입 모두로부터 수득되는 것이라는 결론을 뒷받침한다. 본 연구에서, 상향-변환 β-NaYF4:Yb3 +,Er3 + 형광체 마이크로 결정은 태양광 포집을 촉진하기 위해 내부 및 외부 DSSC 성분에 혼입되었다. 총 태양광 중 UV 및 IR 방사선의 비율을 고려하면, 하향-변환 및 상향-변환 공정의 사용은 광 포집 효율을 향상시키기 위한 유망한 접근일 수도 있다.
결론적으로, 본원의 결과는 최대 태양광 포집을 위한 실행 가능한 전략은 DSSC 성분 중 상향-변환 형광체를 혼입시키는 것에 의한 것임을 시사한다. 본원에서, 상향-변환 형광체의 혼입은 파장 변환을 통해 DSSCs의 광전지 성능을 향상시키기 위한 용이한 방법을 제공한다. 추가로, 태양광 포집은 형광체를 포함하는 후면-반사 필름의 사용에 의해 향상되었다. 본원에서 형광체의 사용은 β-NaYF4:Yb3 + 및 Er3+ 상향-변환 형광체 마이크로 결정이 DSSCs의 내부 및 외부 성분 중 잠재적으로 사용될 수 있음을 나타낸다. 형광체 마이크로 결정이 C106 유기금속 염료(높은 광학흡수계수로 인한 높은 IPCE를 가짐)를 포함하는 DSSCs에 집적될 때, 광전지 성능은 파장 변환 효과를 통해 향상되었다. 본원에 기반하여, 본 연구원들은 이러한 방법론은 DSSCs 중 광 포집을 향상시키기 위해, UV/NIR/IR-응답 형광체와 같은 다른 파장 컨버터에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 제 1 전극
200 : 전해질
300 : 형광체
400 : 제 2 전극
500 : 후면 반사 필름
200 : 전해질
300 : 형광체
400 : 제 2 전극
500 : 후면 반사 필름
Claims (5)
- 전도성 투명 기재에 형성된 광흡수층을 포함하는 제 1 전극;
상기 제 1 전극과 대향 배치되는 제 2 전극;
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 배치되며, 입사된 광의 파장을 변환시키기 위한 형광체를 포함하는 전해질; 및,
상기 제 2 전극 상에 배치되며, 상기 입사된 광의 파장을 변환시키기 위한 형광체를 포함하는 후면 반사 필름
을 포함하는, 염료감응 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광흡수층은 유기금속 염료 및 전이금속 산화물을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 형광체는 상기 형광체 내에 도핑된 감광제 및 활성화제를 포함하는 것인, 염료감응 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 형광체는 β-NaYF4:Yb3 +,Er3 +, LaVO4:Dy3 +, Y2O3:Eu3 +, Y2SiO5:Pr3 +, La2O3:Eu3+, TiO2:Sm3 +, Lu2O3:Tm3 +,Yb3 +, NaYF4:Tm3 +,Yb3 +, LiGdF4:Er3 +,Tb3 +, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 염료감응 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 형광체는 적외선 영역의 광을 흡수하여 가시광선 영역의 광을 방출하는 것인, 염료감응 태양전지.
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| KR1020150068135A KR20160134298A (ko) | 2015-05-15 | 2015-05-15 | 염료감응 태양전지 |
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| KR20160134298A true KR20160134298A (ko) | 2016-11-23 |
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|---|---|---|---|---|
| CN106430090A (zh) * | 2016-10-17 | 2017-02-22 | 南昌航空大学 | 一种稀土掺杂TiO2的杂化太阳电池 |
| CN108039410A (zh) * | 2017-11-22 | 2018-05-15 | 河南大学 | TiO2掺杂材料及其制备方法和应用 |
| KR20200031586A (ko) * | 2020-03-11 | 2020-03-24 | 서강대학교산학협력단 | 염료감응형 태양전지 |
-
2015
- 2015-05-15 KR KR1020150068135A patent/KR20160134298A/ko active Search and Examination
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| CN108039410B (zh) * | 2017-11-22 | 2020-11-24 | 河南大学 | TiO2掺杂材料及其制备方法和应用 |
| KR20200031586A (ko) * | 2020-03-11 | 2020-03-24 | 서강대학교산학협력단 | 염료감응형 태양전지 |
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