Dye-sensitized Solar Cells

기존에 제시되고 있는 염료감응형 태양전지 구조를 유지하면서, 추가적으로 탄소 (carbon), 귀금속 나노입자 등을 도입함으로써 발생하는 광전변환 효율의
향상을 목표로 연구를 진행해 왔습니다.
광전극 및 상대전극에 탄소소재를 도입하여 고효율, 저비용 전지 구현을 가능하게 하였으며, 귀금속 나노입자가 태양광에 의해 발현하는 근접 장 강화 및
표면 플라즈몬 전자 (plasmon-excited hot-electron) 발생에 의한 광전변환 효율의 증가를 제안하였습니다.

Carbon/TiO2 박막 도입에 따른 연료감응태양전지 효율 향상 연구

 우수한 전도성을 갖는 Carbon/TiO2 박막을 염료감응태양전지 (dye-sensitized solar cell)의 광전극에 도입함으로써 효율향상을 유도하였습니다. 
 본 논문에서는 자기조립 블록공중합체 박막을 템플레이트 및 carbon의 전구체로 이용하여 정렬된 TiO2 dot을 담지한 carbon/TiO2 박막을 제조하고, 이를 염료감응태양전지의 광전극에 도입하여 전극의 전도성을 향상시킴과 동시에 계면에서의 저항을 줄임으로써 기존 염료감응태양전지의 효율을 최대 40% 이상 향상시키는 창의적인 패러다임을 제시하고 있습니다.

메조세공성 carbon-TiO2 bead를 도입한 염료감응형 태양전지관련 연구

 메조세공성 carbon-TiO2 bead 구조체가 담지된 박막을 염료감응형 태양전지 (dye-sensitized solar cell)의 광전극에 도입함으로써 효율향상을 유도하였습니다. 
 본 연구에서는 콜로이드/블록공중합체 자기조립기법을 활용하여 제조한 메조세공성 carbon-TiO2 bead 구조체를 염료감응형 태양전지의 광전극에 적용하여 광전변환 효율 향상을 유도하였습니다. 
 특히, 삼중블록공중합체 (triblock copolymer, P123)을 템플레이트 및 탄소 전구체로 이용하여 만든 메조세공성 TiO2 bead와 carbon-TiO2 bead 구조체가 담지된 광전극은 염료의 흡착면적을 최대화하고 전극의 전도성을 향상시킴과 동시에 계면에서의 저항을 감소시켜 기존 염료감응형 태양전지의 효율을 최대 21% 이상 향상시키는 결과를 소개하고 있습니다.

플라즈모닉 코어-쉘 나노 구조체 염료감응형 태양전지 개발

본 연구에서는 플라즈모닉 현상이 발현되는 AuNP@GO의 코어-쉘 나노구조체를 염료감응형 태양전지의 광전극에 도입하여 최대 9.1%의 광전변환 효율 향상을 유도한 결과를 소개하고 있습니다.
특히, 금 나노입자 표면에 그래핀이 도입됨으로써 양자간 커플링 현상으로 인해 장파장 영역의 빛을 흡수하고 전하 재결합을 감소시킬 뿐만 아니라 전하이동도가 향상되었습니다.
본 연구를 통해 도출된 방법론과 개념은 다른 유형의 태양전지에도 적용 가능한 유용한 결과라고 사료됩니다.

다양한 환원 그래핀 산화물 전극을 사용한 염료감응형 태양전지 개발

 본 연구에서는 질소가 도핑된 환원 그래핀 산화물(N-rGO(+)), 질소와 황이 도핑된 환원 그래핀 산화물(NS-rGO(+)), 도핑되지 않은 환원 그래핀 산화물 (rGO(-))를 스핀 코팅, 스프레이 코팅과 같은 두가지의 다층구조 자가조립 방법을 사용하여 염료감응형 태양전지의 전극으로 적용하였습니다. 
 스핀 코팅 방법을 사용하여 만들어진 소자는 최대 7.0%, 스프레이 코팅으로 제작된 소자는 최대 6.4%의 전력 변환 효율(PCE)를 가지는 것으로 보고되었습니다. 
 본 연구를 통해 다양한 그래핀 산화물의 조합이 기존 태양광 소자의 대체 전극으로 사용될 수 있다는 잠재력을 보여주었습니다.

 Representative works in PNML:

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Y. Nah, O. Allam, et al., ACS Nano 2021, 15(1), 1486 – 1496
J. Lim et al. Nano Energy 2020, 75, 104984.
J. Han et al. J. Mater. Chem. A 2020, 8, 2105-2113.
H. Kwon et al. Nanoscale 2019, 11, 19586-19594.
Y. Jang et al. J. Power Sources 2019, 438, 227031.
J. Lim et al. J. Power Sources 2019, 438, 226956.
J. Lim et al. Nano Energy 2019, 57, 761-770.
H. Wang et al. Adv. Opt. Mater. 2018, 6, 1701397.
J. Lim et al. Nano Energy 2017, 33, 1-20.
Y. H. Jang et al. ACS Energ. Lett. 2017, 2, 117−123.
Y. Oh,§ J. W. Lim,§ et al. ACS Nano 2016, 10(11), 10143 – 10151.
L. N. Quan et al. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138(8), 2649 – 2655.
L. N. Quan et al. ChemSusChem 2014, 7(9), 2590 − 2596.
Y. H. Jang et al. Nanoscale 2014, 6(3), 1823 − 1832.
Y. H. Jang et al. Nano Lett. 2012, 12(1), 479 – 485.