Organic/Inorganic Nano Hybrid Composite Structure for Photovoltaic Devices

Abstract

무기 재료와 유기 재료 각각의 장점을 모두 갖고 있기 때문에, 유/무기 복합 광전변환 소자는 차세대 광전변환 소자로서 각광을 받아오고 있다. 유/무기 복합 광전변환 소자는, 무기반도체의 빠른 전자이동속도와 유기재료의 낮은 생산단가와 쉬운 광흡수 조절 능력, 모두의 장점을 갖고 있다. 유/무기 복합 구조를 이용하여, 본 연구는 광전변환 소자의 효율을 높이는 방법을 기술하였다. 제1장에서는 청정에너지의 요구 및 그에 대한 배경, 그리고 본 연구의 목적을 서술하였다. 제 2 장에서는 염료감응형 광전기화학 태양전지의 원리를 기술하였다. 제 3 장에서는 분자레벨에서의 염료감응형 광전기 화학 태양전지를 연구 결과를 서술하였다. Triruthenium carbonyl clusters 분자를 자기조립으로 된 di(3-aminopropyl)viologen (DAPV)/indium tin oxide (ITO) 전극 위에서 간단한 액상 함침 방법을 통하여 합성하였고, 이를 이용하여 광전자이동에 대한 성능을 실험하였다. 분자레벨에서의 염료감응형 태양전지는 각각 6.3 nA/cm² 와 8.6 nA/cm² 의 광전류를 보여주었다. 또한 시분해형광 실험을 통해 광전자이동의 특성을 서술하였다. 탄소나노튜브를 이용한, Ru(2,2'-bipyridine-4,4'-dicarboxylic acid)₂(NCS)₂ [RuL₂(NCS)₂] on DAPV/single-walled carbon nanotubes (SWNTs)/ITO 실험에서는 탄소나노튜브가 존재할 때 10.3 nA/cm², 존재하지 않을 때5.6 nA/cm²의 광전류를 보여주었다. 탄소나노튜브가 있을 때 83.9 %의 효율 사승을 보였고, 이것은 광전기화학 태양전지에서 전자재결합의 억제 효과 때문이다. 제 4 장에서는 염료감응형 태양전지의 효율 향상에 대해서 서술하였다. 광전기화학 고분자중합 방법을 이용하여 thiophene을 RuL₂(NCS)₂/TiO₂/FTO 위에서 중합하였다. Polythiophene 보호 층이 있을 때 광전변환 효율은 6.01 % 이었으며, 이것은 보호층이 없을 때 보다 30 % 의 효율 증가를 나타낸다. ZnO를 기초로 한 염료감응형 태양전지에서는, 효율을 극대화하기 위해 전자 이동이 빠른 ZnO 나노막대를 액상 방법을 통하여 만들었으며, 전자재결합 반응을 막기 위해 ZrO₂ 에너지 박막을 sol-gel 을 통하여 형성시켰다. ZrO₂ 에너지 박막이 있을 때 ZnO 을 기초로 한 염료감응형 태양전지의 효율을 전자재결합 반응의 억제 때문에 81.3 %의 효율 향상을 보였다. 제 5 장에서는 고분자 감응형 광전기화학 태양전지에 대하여 기술하였다. 고분자 감응형 광전기화학 태양전지는 수용성 acetylene 고분자와 무기반도체를 이용하여 만들었다. 수용성 고분자는 물에 녹을 뿐만 아니라 친수성을 뛰고 있어, 친수성 성질을 갖고 있는 무기반도체 표면과 계면 조화를 잘 이루었다. 게다가, in situ polymerization 방법을 이용하여 고분자와 무기반도체의 계면 접촉을 크게 향상시켰다. 제 6 장에서는 탄소나노튜브를 이용하여 무기반도체 감응형 광전기화학 태양전지의 효율 향상을 보여주었다. 탄소나노뷰브의 향상된 전자포집 능력과 억제된 전자재결합 능력 때문에, 탄소나노뷰브가 있는 무기반도체 감응형 광전기화학 태양전지의 광전변환 효율이 52.9 % 향상되었다. 제 7 장에서는 탄소나노튜브와 이종감응 방법을 이용하여 양자점 감응형 태양전지의 효율을 증가 시켰다. 화학적 액상 증착 방법을 사용하여, CdS 양자점을 탄소나노튜가 깔려있는 다공성 TiO₂ 전극 위에 형성 시켰다. 탄소나노튜브가 존재하는 CdS/TiO₂ 양자점 감응형 광전기화학 태양전지는, 탄소나노뷰브의 향상된 전자포집 능력과 억제된 전자재결합 능력 때문에 탄소나노뷰브가 존재하지 않을 때 보다 50.0% 향상된 광전변환 효율을 보여주었다. 넓은 영역의 광시광선 영역의 빛을 흡수하기 위해, CdSe와 Mg 이 도핑 된 CdSe 양자점이 TiO₂ 전극 위에 이종감응 되었다. 이종감응된 양자점 태양전지는 1.03 %의 광전변환 효율을 보여주었고, 이것은 각각의 단일감응된 양자점 태양전지 보다 높은 효율을 보여주고 있다. 결과적으로, 본 연구는 간단한 유/무기 복합 구조의 쉬운 디자인, 조절 그리고 평가 방법을 열어주었으며, 쉬운 광전변환소자의 효율 증가 방법을 제공해 주었다.; Organic/inorganic hybrid composite structures have attracted considerable attention as the next generation structures because they combine the advantages of both inorganic and organic structures. Organic/inorganic hybrid composite electrical energy conversion devices combine the fast charge carrier mobility of inorganic semiconductors structures and the low production cost of organic structures with the easy tunable light absorption capability. Using organic/inorganic hybrid composite structures, this thesis describes a methodology for improved power conversion efficiency of solar to electrical energy conversion devices. Chapter I introduces a brief history of research on the clean energy demand and the goal of this research. Chapter II reviews the principle of dye-sensitized photoelectrochemical solar cells (PECs). Chapter III describes the dye-sensitized PECs at molecular level. In triruthenium carbonyl clusters on self assembled di(3-aminopropyl)viologen (DAPV)/indium tin oxide (ITO) system, triruthenium carbonyl clusters {[Ru₃(Br)(CO)_(11)]- (denoted as Ru-1), [Ru₃(μ₂-Br)(CO)_(10)]-(denoted as Ru-2)}, and [Ru₃(μ₃-NPh)(Br)(CO)_(9)]- (denoted as Ru-3) were synthesized on DAPV/ITO using dipping process, and were examined for photoinduced charge transfer performance. The photocurrents of (Ru-1 and Ru-2)/DAPV/ITO and Ru-3/DAPV/ITO were 6.3 nA/cm² and 8.6 nA/cm², respectively. Action spectra and time-resolved photoluminescence spectroscopy were recorded to bring out the photoinduced charge transfer process from ruthenium clusters to viologen. In Ru(2,2’-bipyridine-4,4’-dicarboxylic acid)₂(NCS)₂ [RuL₂(NCS)₂] on DAPV/single-walled carbon nanotubes (SWNTs)/ITO system, the RuL₂(NCS)₂/DAPV/ITO and RuL₂(NCS)₂/DAPV/SWNTs/ITO showed photocurrents of 5.6 and 10.3 nA/cm² under air mass (AM) 1.5 condition (I = 100 mW/cm²), respectively. The photocurrents of the RuL₂(NCS)₂/DAPV/SWNTs/ITO cells in which Ru-complexes were attached to carbon nanotubes by an only acid-base complex formation were raised to 83.9 % in comparison with RuL₂(NCS)₂/DAPV/ITO due to retardation of recombination reaction in PECs. Chapter IV presents improvement of photoconversion efficiency in dye-sensitized PECs. In polythiophene/RuL₂(NCS)₂/TiO₂/ITO system, photoelectrochemical polymerization of thiophene was carried out on Ru photosensitizers on TiO₂ electrode. The dye-sensitized PECs with polythiophene protecting layers shows a power conversion efficiency of 6.01 %, which is a 30 % increase compared to one without polythiophene layers. In RuL₂(NCS)₂/ZrO₂/ZnO/ITO system, in order to enhance the photoconversion efficiency of ZnO nanorods-based dye-sensitized PECs, ZnO films with a free hopping mechanism were prepared on electrode substrate by wet-chemical process, and then the ZrO₂ thin energy barrier layer was formed on it using the sol-gel method. In the presence of the ZrO₂ recombination barrier layer, the power conversion efficiency of ZnO nanorods-based DSSCs increased to 81.3% due to the reduced recombination reaction. Chapter V discusses the polymer-sensitized PECs, which were prepared using water-soluble acetylene polymer and inorganic semiconductor. Since water-soluble acetylene polymers are hydrophilic, they were able to overcome the problems associated with the adhesion of hydrophobic polymers and were well matched with the hydrophilic inorganic semiconductor. Furthermore, interfacial contacts between inorganic semiconductor and polymer were significantly improved by in situ polymerization. Chapter VI shows the improvement of power conversion efficiency in inorganic-sensitized PECs using SWNTs. Due to enhanced charge-collection and reduced recombination reaction in the presence of SWNTs on electrode substrate, 52.9% increment of power conversion efficiency is achieved compared to those without SWNTs layers. Chapter VII describes the improvement of power conversion efficiency in quantum dots (Q dots)-sensitized PECs using SWNTs and cosensitization method. Using wet-chemical process, CdS Q dots were fabricated on porous TiO₂/SWNTs electrode. The power conversion effi ciency of CdS/TiO₂ on ITO increased 50.0% in the presence of SWNTs due to the improved charge-collecting efficiency and red uced recombination. In order to absorb a broad spectrum in visible region, a co-sensitized TiO₂ electrode was prepared by CdSe and Mg-doped CdSe Q dots. The power conversion efficiency of the co-sensitized Q dots PECs showed 1.03 % under AM 1.5 condition (I = 100 mW/cm²), which is higher than that of individual Q dots-sensitized PECs. As a result, these results presented in this thesis can pave the way for simple design, modification and characterization of hybrid composite structures, and easy improvement of power conversion efficiency in photovoltaic devices.