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TiO2의 설계, 합성 및 성능 평가
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TiO2의 설계, 합성 및 성능 평가

Sep 01, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13825(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

우리는 TiO2 기반 염료감응형 태양전지(DSSC)의 공동 증감제로 사용되도록 설계된 6가지 새로운 2,2'-비티오펜 기반 유기 화합물(3a-c 및 5a-c)의 합성 및 특성 분석에 대해 보고합니다. . 화합물은 다양한 기증자 및 수용체 그룹과 연결되어 있으며 스펙트럼 분석을 통해 화학 구조를 확인합니다. 우리의 초점은 금속 기반 N3의 성능을 향상시키는 데 있으며, 이 화합물은 나노 규모에서 작동하도록 설계되었습니다. 우리는 화합물 5a 중 하나가 가장 긴 최대 흡수 및 최대 방출 파장을 나타내는 디메틸포름아미드(DMF)에서 흡수 및 형광 방출 측정을 수행했는데, 이는 파라메톡시 그룹이 강력한 전자 공여 그룹으로서 상당한 영향을 나타냄을 나타냅니다. 당사의 염료 5a + N3(eta = 7.42%) 및 5c + N3(eta = 6.57%)은 N3(eta = 6.16%) 단독보다 성능이 뛰어났는데, 여기서 이들 염료에 대한 단락 전류 밀도(JSC) 및 개방 회로 전압(VOC) 값은 두 가지 시스템도 개선되었습니다. 우리는 또한 나노기술의 맥락에서 중요한 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)을 사용하여 TiO2/염료/전해질 계면에서 전하 이동 저항을 조사했습니다. Nyquist 플롯에 따르면 5a + N3 칵테일은 가장 낮은 재조합 비율을 나타내어 VOC가 가장 높았습니다. 밀도 함수 이론(DFT)을 기반으로 한 이론적 계산도 실험 과정과 일치합니다. 이러한 발견은 우리의 화합물이 효율적인 DSSC 공동 증감제로서 큰 잠재력을 가지고 있음을 시사합니다. 이 연구는 TiO2를 기반으로 하는 DSSC의 보조 증감제로 사용하기 위한 새로운 유기 화합물의 설계 및 합성에 대한 귀중한 통찰력을 제공하고 효율적인 태양 에너지 전환에 사용할 수 있는 이러한 화합물의 잠재력을 강조합니다.

염료감응형 태양전지(DSSC)로 알려진 유기염료를 사용하여 제조된 태양전지는 저비용으로 태양전지를 제조하기 위한 미래 기술에 해당하는 기술입니다1,2,3,4. 염료감응형 태양전지를 만드는 데 있어 필수적인 원리 중 하나는 다공성이 높은 나노결정질 TiO2 층을 만드는 것입니다5. 이 층은 높은 몰 흡광 계수를 갖는 감광제 또는 염료가 화학적으로 부착되어 태양 전지의 작동 전극을 형성하는 표면 역할을 합니다. 그런 다음 작업 전극은 요오드화물-삼요오드화물 액체 전해질6,7에 의해 백금 상대 전극에서 분리됩니다. 전해질은 상대 전극(종종 백금)8에 의해 폐쇄된 \(I_{3}^{ - } / I^{ - }\)과 같은 산화환원 쌍을 포함합니다.

감광제는 입사광을 전류를 생성하는 데 사용할 수 있는 여기 전자로 변환하는 능력을 갖고 있기 때문에 DSSC의 중요한 구성 요소입니다. 이는 다른 구성 요소에 비해 DSSC의 전반적인 성능에서 이들 역할이 매우 중요하다는 것을 의미합니다9. 이 응용 분야에 사용했을 때 효율성을 보인 염료에는 두 가지 유형이 있습니다. 첫 번째 유형은 금속이 없는 유기 염료로 높은 흡수 강도가 특징이며 페노티아진, 인돌린, 카르바졸, 트리페닐아민과 같은 공여 부분과 비트 뿌리에서 추출한 베타라인 및 안토시아닌과 같은 천연 염료를 사용합니다. 크랜베리 또는 로젤, 시금치, 사탕무에서 추출한 세 가지 천연 감광제의 혼합물10 DSSC의 효율성을 향상시키기 위한11,12,13 수용체 부분인 디케토피롤로피롤, 벤조티아디아졸, 시아노아세트아미드 및 벤조트리아졸에 대한 링커14,15,16,17,18 . 두 번째 유형은 금속 기반 염료로, 그 중 가장 유명한 것은 cis-Bis(isothiocianato) bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarbonilato ruthenium(II) N3, di-tetra부틸암모늄 cis와 같은 루테늄 화합물입니다. -bis(isothioyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicardi복실라토)ruthenium(II) N719 및 검정색 염료19,20 두 번째 유형의 성능은 첫 번째 유형보다 우수하지만 다음과 같은 단점이 있습니다. 높은 비용과 복잡한 준비 방법21,22,23 두 가지 유형을 모두 활용하기 위해 동일한 준비에서 서로 다른 유형의 p 염료를 사용하는 동시 감작 공정이 이 응용 프로그램에서 사용되었습니다24,25 ,26,27,28.

 5c + N3 > 5b + N3 > N3 > 3a + N3 > 3b + N3 > 3c + N3, trend of is consistent with the trend of JSC. The cell co-sensitized by 5a + N3 had the highest IPCE response corresponding to its highest Jsc value of 18.14 mA cm−2 and gave over 65% IPCE values from 300 to 650 nm. This observation strongly advocates that during the dye loading process of co-sensitizers along with N3 should have interacted with each other. Such interaction generally tends to induce electron and energy transfer between the two kinds and hence causes deterioration in cell performance. The co-sensitized cell exhibits the highest Jsc value in the J-V measurements, which can be attributed to its broadest and highest IPCE response57. Additionally, the co-sensitized cell's improved Voc value, coupled with its highest Jsc value, contributes to its further increased PCE value when compared to that of 5a + N3, the improved IPCE response of (3a-c, and 5a-c is interpreted in terms of higher JSC value which showed the same order of 5a + N3 = 18.23 > 5c + N3 = 17.52 > 5b + N3 = 17.21 > 3a + N3 = 15.83 > 3b + N3 = 15.59 > 3c + N3 = 15.02 mA cm−2 compared to N3 (16.93 mA cm−2). These results implies that the structural optimization with 3a–c and 5a–c architecture is a key in getting greater efficiency, compared to the Jsc values obtained from the J–V data, the JscIPCE values integrated from the IPCE spectra are quite consistent. As a result, the co-sensitizer 5a dye produces the most abundant IPCE spectrum, proving that it also has the greatest Jsc. The enhanced IPCE replies match the enhanced Jsc results./p> 5c + N3 > N3 > 5b + N3 > 3b + N3 > 3a + N3 > 3c + N3, which shows the order of charge recombination resistance Rrec at the TiO2/dye/electrolyte interface. DSSCs with an increasing Rrec value have slower charge recombination between the electron injected and \(I_{3}^{ - }\) ions in the electrolyte. The charge recombination resistance of these dyes (RCT) corresponding to the diameter of the middle frequency semicircle was calculated to decrease in the order of 5a + N3 (23.21 Ω), 5c + N3 (21.24 Ω), N3 (20.34 Ω), 5b + N3 (18.19 Ω), 3b + N3 (16.58 Ω), 3a + N3 (15.56 Ω), 3c + N3 (14.29 Ω), in good agreement with the order photovoltage data. As a result, the Voc increases. Accordingly, this sequence of Voc values appears to be consistent. As a result, the 5a + N3 system with the largest diameter has the lowest recombination rate and the highest VOC, which is consistent with the photovoltaic values./p> 5c + N3 > N3 > 5b + N3 > 3b + N3 > 3a + N3 > 3c + N3, indicating the corresponding electron lifetimes ranked as: 5a + N3 (4.38 ms) > 5c + N3 (3.56 ms) > N3 (3.40 ms) > 5b + N3 (2.62 ms) > 3b + N3 (1.64 ms) > 3a + N3 (1.52 ms) > 3c + N3 (1.26 ms), also coincided well with Voc. The electron lifetime and charge recombination rate at the interface of TiO2/dye/electrolyte are affected by factors such as the size and shape of the dye molecule54, as well as the dye adsorption behavior. These factors have a strong influence on the photovoltage of solar cells, as has been previously reported in the literature. In this study, the values of Rrec and se for the new co-sensitizer dyes were found to be consistent with the corresponding VOC values obtained for the solar cells. The use of the 5a co-sensitizer in DSSCs resulted in higher VOC values compared to other sensitizers, including N3, due to the lower charge recombination rate at the TiO2/dye/electrolyte interface, which is attributed to the strength of the donating moiety./p>