광전지의 탄소 나노 튜브

유기 광전지 소자 (OPV)는 고분자 및 소형 분자 화합물과 같은 유기 반도체 박막으로 제조되며 일반적으로 두께가 100 nm 정도입니다. 폴리머 기반 OPV는 스핀 코팅이나 잉크젯 프린팅과 같은 코팅 공정을 사용하여 만들 수 있기 때문에 유연한 플라스틱 표면뿐만 아니라 넓은 영역을 저렴한 비용으로 커버 할 수있는 매력적인 옵션입니다. 결정질 실리콘으로 만들어진 기존의 태양 전지를 대체 할 수있는 유망한 저비용의 대안으로, OPV를 개발하고 전력 변환 효율을 높이기 위해 업계 및 학계 전반에 걸쳐 많은 연구가 진행되고 있습니다.

단일 벽 탄소 나노 튜브는 빛을 수확하는 매질로 사용됩니다.
단일 벽 탄소 나노 튜브는 태양 광 스펙트럼, 적외선에서 자외선으로의 강력한 광 흡수 및 높은 캐리어 이동성과 감소 된 캐리어 수송 산란과 일치하는 광범위한 직접 밴드 갭을 보유하고있어 이상적인 광전지 재료가됩니다. 이상적인 단일 벽 탄소 나노 튜브 (SWNT) 다이오드에서 광전지 효과를 얻을 수 있습니다. 개별 SWNT는 이상적인 pn 접합 다이오드를 형성 할 수있다. 이상적인 행동은 모든 전자 재료 개발에서 매우 모색적인 모든 다이오드의 이론적 인 성능 한계입니다. 조명 하에서, SWNT 다이오드는 이상적인 다이오드의 향상된 특성 때문에 상당한 전력 변환 효율을 보여준다.

최근에, SWNT는 박막 태양 전지를 제조하기위한 에너지 변환 물질로 직접 구성되었으며, 나노 튜브는 광 생성 사이트와 전하 운반자 수집 / 수송 레이어의 역할을합니다. 태양 전지는 나노 튜브와 n-Si 사이에 고밀도 pn 헤테로 접합을 형성하여 전하 분리를 촉진하고 (n-Si를 통해) 전자와 (홀을 통해) 전자를 추출하기 위해 n 형 결정 실리콘 기판에 등각 코팅 된 나노 튜브의 반투명 박막으로 구성된다. 나노 튜브를 통해). 초기 테스트는 CNTs-on-Si가 태양 전지를 제조하기위한 잠재적 인 적합한 구성임을 증명하면서,> 1 %의 전력 변환 효율을 나타냈다. 처음으로 Zhongrui Li는 SWNT의 SOCl2 처리가 SWNT / n-Si 헤테로 접합 태양 전지의 전력 변환 효율을 60 % 이상 향상 시킨다는 것을 입증했다. 나중에 산성 도핑 접근법은 널리 출판 된 CNT / Si 작품에서 널리 채택되고있다. 산성 액체가 나노 튜브 네트워크의 빈 공간 내부에 보관되면 훨씬 더 높은 효율이 달성 될 수 있습니다. 나노 튜브 네트워크의 산 침투는이 지아 (Yi Jia)가보고 한 것처럼 셀 효율을 13.8 %까지 크게 향상시키고, 필 팩터를 향상시키는 내부 저항을 줄이고, 전하 분리 및 수송을 향상시키는 광전자 화학 유닛을 형성함으로써 크게 향상시킨다. 젖은 산성 유도 된 문제는 정렬 된 CNT 필름을 사용함으로써 회피 될 수있다. 정렬 된 CNT 필름에서, 이송 거리가 단축되고, 엑시톤 담금질 속도가 또한 감소된다. 또한, 정렬 된 나노 튜브 필름은 보이드 공간이 훨씬 작고 기판과의 접촉 성이 우수합니다. 따라서 단벽 카본 나노 튜브 박막을 사용하여 강산성 도핑을 더하면 전력 변환 효율을 더욱 향상시킬 수 있습니다 (정연정은 11 % 이상의 높은 전력 변환 효율을 달성했습니다).

Zhongrui Li는 또한 폴리에틸렌 이민 작용기를 통해 p-type에서 n-type으로 SWNT를 조정하여 최초의 n-SWNT / p-Si 광전지 소자를 만들었다.

광활성 층의 탄소 나노 튜브 복합체
탄소 나노 튜브 (CNTs)의 튜브 축을 따라 높은 전도도를 갖는 공액 고분자의 물리적 및 화학적 특성을 결합하면보다 효율적인 OPV 장치를 얻기 위해 CNT를 광활성 층으로 분산시키는 데 많은 인센티브를 제공합니다. 이들 장치에서의 상호 침투 형 벌크 도너 – 억 셉터 헤테로 접합은 이원 연속 네트워크의 존재로 인해 전하 분리 및 수집을 달성 할 수있다. 이 네트워크를 따라, 전자 및 정공은 전자 수용체 및 중합체 정공 공여체를 통해 각각의 접촉을 향해 이동할 수있다. 광전지 효율 향상은 폴리머 매트릭스 내에 내부 폴리머 / 나노 튜브 접합을 도입하기 때문에 제안되었다. 단일 벽 탄소 나노 튜브 (single-walled carbon nanotube, SWCNT)는 전자에 대한 통로 역할을 할 수있는 반면, 이러한 접합부에서의 높은 전기장은 여기자를 분리시킬 수 있습니다.

전자 공여체 공액 고분자의 용액에서의 CNT의 분산은 아마도 CNT 물질을 OPV에 적용하는 가장 일반적인 전략 일 것이다. 일반적으로 폴리 (3- 헥 실티 오펜) (P3HT) 또는 폴리 (3- 옥틸 티 오펜) (P3OT)가이 목적으로 사용됩니다. 이 블렌드는 60-120 nm의 두께로 투명한 전도성 전극 위에 스핀 코팅됩니다. 이 전도성 전극은 보통 인듐 주석 산화물 (ITO)로 덮인 유리와 40nm의 폴리 (3,4- 에틸렌 디옥 시티 오펜) (PEDOT) 및 폴리 (스티렌 설포 네이트) (PSS)의 서브 레이어입니다. PEDOT 및 PSS는 ITO 표면을 매끄럽게하여 핀 홀의 밀도를 줄이고 션트 경로를 따라 발생하는 전류 누출을 억제합니다. 열 증발 또는 스퍼터 코팅을 통해 20 내지 70nm 두께의 알루미늄 층 및 때로는 불화 리튬의 중간층이 광활성 재료 상에 도포된다. 광활성 물질에 통합 된 다중 벽 탄소 나노 튜브 (MWCNT)와 단일 벽 탄소 나노 튜브 (SWCNT)를 이용한 여러 연구 조사가 완료되었습니다.

SWCNT를 P3OT 매트릭스에 첨가하는 것에서 광전류에서 2 차 이상의 크기의 향상이 관찰되었다. 개선점은 고분자 -SWCNT 연결부에서의 전하 분리와 SWCNT를 통한보다 효율적인 전자 수송으로 인한 것으로 추측된다. 그러나 100mW / cm2 백색 조명 하에서 0.04 %의 다소 낮은 전력 변환 효율이 장치에 대해 관찰되어 1.0 % wt의 낮은 CNT 농도에서 불완전한 여기자 해리를 제안했다. SWCNT의 길이가 광전지 막의 두께와 유사하기 때문에, 높은 비율의 SWCNT를 중합체 매트릭스에 도핑하는 것은 단락을 야기하는 것으로 여겨졌다. 추가적인 해리 사이트를 제공하기 위해 다른 연구자들은 기능화 된 MWCNT를 P3HT 폴리머에 물리적으로 혼합하여 플러렌 C60 이중층 장치가있는 P3HT-MWCNT를 만들었습니다. 그러나, 전력 효율은 100mW / cm2 백색 조명 하에서 여전히 0.01 %로 비교적 낮았다. 이중층 구조에서 도너 – 억 셉터 계면으로의 약한 여기자 확산이 풀러렌 C60 층에 부가 적으로 불량한 전자 전달을 야기 할 수있다.

보다 최근에는 C60- 변형 된 SWCNT 및 P3HT의 폴리머 광전지 소자가 제조되었다. 톨루엔에서 SWCNT 수용액과 C60 용액의 혼합물을 조사하는 마이크로 웨이브는 이러한 폴리머 -SWCNT 복합체를 제조하는 첫 단계였다. 공액 중합체 P3HT를 첨가하여 모의 태양 조사 (95mW / cm2) 하에서 0.57 %의 전력 변환 효율을 얻었다. 개선 된 단락 전류 밀도는 SWCNT의 네트워크를 통해보다 빠른 전자 전달을 일으키는 복합체 내로의 SWCNT의 첨가의 직접적인 결과라고 결론 지었다. 또한 형태학적인 변화로 인해 충진 인자가 향상되었다고 결론 지었다. 전반적으로 SWCNT가없는 세포에 비해 SWCNT를 첨가하면 전력 변환 효율이 향상되었다. 그러나 더 많은 최적화가 가능할 것으로 생각되었다.

또한, 제조 후 P3HT 또는 P3OT의 유리 전이 온도를 초과하는 지점으로 가열하는 것이 블렌드의 상분리를 조작하는 데 유익 할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이러한 가열은 고분자 사슬의 순서에 영향을 미치는데, 그 이유는 고분자가 미정 질계이기 때문에 OPV 장치 전체에서 전하 이동, 전하 수송 및 전하 수집이 향상되기 때문입니다. 중합체 CNT 장치의 정공 이동도 및 전력 효율 또한이 순서의 결과로 상당히 증가했다.

침전을위한 또 다른 가치있는 접근 방법으로 떠오르고있는 테트라 하이드로 푸란 중 테트라 옥틸 암모늄 브로마이드의 사용은 SWCNT를 전기 영동 분야에 노출시킴으로써 현탁을 돕는 조사 대상이되어왔다. 실제로 SWCNT가 광 수확 CdS 양자점과 포르피린과 함께 증착 될 때 1.5 %와 1.3 %의 광 전환 효율이 달성되었다.

지금까지 CNT를 사용하여 얻은 최고의 전력 변환 중 ITO / PEDOT : PSS 또는 PEDOT : PSS와 수정 된 ITO / PEDOT : PSS / P3HT의 광 활성 블렌드 사이에 SWCNT 층을 증착하여 얻을 수있다. (6,6 ) – 페닐 -C61- 부티르산 메틸 에스테르 (PCBM) / Al 태양 전지. 친수성 현탁액으로부터의 침지 코팅에 의해, 표면을 아르곤 플라즈마에 최초로 노출시킨 후에 SWCNT를 증착시켜 4.9 %의 전력 변환 효율을 얻었으며, CNT가없는 경우는 4 %였다.

그러나 CNT가 광활성 층에 잠재력을 보였음에도 불구하고 최상의 직렬 형 유기 전지 (6.5 % 효율)보다 큰 전력 변환 효율을 갖는 태양 전지는 얻지 못했다. 그러나 전자 조사 공액 고분자와 전자 수용성 CNT의 균일 한 블렌딩에 대한 제어가 CNT 기반의 효율적인 광전류 수집을 생성하는 데 가장 어렵고 중요한 측면 중 하나라는 이전 연구의 대부분에서 나타났습니다 OPV 장치. 따라서, OPV 디바이스의 광 활성층에 CNT를 사용하는 것은 아직 초기 연구 단계에 있으며, CNT의 유리한 특성을 더 잘 활용할 수있는 새로운 방법을위한 여지가 여전히 남아있다.

PV 소자의 광활성 층에 SWCNT를 이용하는 것과 관련된 한 가지 문제점은 합성시 혼합 순도 (약 1/3 금속성 및 2/3 반도체 성)입니다. 금속 SWCNT (m-SWCNTs)는 전자와 홀 쌍 사이의 엑시톤 재조합을 일으킬 수 있고, 금속과 반도체 SWCNTs (s-SWCNTs) 사이의 접합은 홀 전송 확률을 감소시키는 쇼트 키 장벽을 형성한다. 합성 된 CNT의 전자 구조상의 불일치는 m-SWCNT를 분리 및 제거하여 반도체 성능을 최적화하기위한 전자 분류가 필요합니다. 이것은 CNT를 직경, 키랄성 및 전자 유형으로 분리 할 수있는 계면 활성제의 구배를 포함하는 밀도 구배 초 원심 분리 (DGU) 공정을 통해 CNT의 직경 및 전자 선별을 통해 달성 될 수있다. 이 정렬 방법은 m-SWCNT의 분리와 s-SWCNT의 다중 chiralities의 정확한 수집을 가능하게하며, 각 chirality는 고유 한 파장의 빛을 흡수 할 수 있습니다. s-SWCNT의 다중 키랄성은 PV 활성층을위한 헤테로 접합을 제조하기 위해 플러렌 성분 PC71BM과 함께 정공 수송 물질로서 사용된다. polychiral s-SWCNTs는 가시광에서 근적외선 (NIR) 빛까지 광범위한 광 흡수를 가능하게하여 단일 키릴 성 나노 튜브를 사용하는 경우보다 광전류를 증가시킵니다. 광 흡수를 최대화하기 위해, 전도 길이를 최소화하기 위해 활성층을 관통하는 산화 아연 나노 와이어 층을 갖는 역전 된 장치 구조가 사용되었다. 몰리브덴 산화물 (MoOx)은 전압을 최대화하기 위해 높은 일 함수 홀 전송 층으로 이용되었다.

이 아키텍처로 제조 된 셀은 활성층에서 CNT를 사용하는 다른 태양 전지 소재보다 3.1 % 높은 기록 전력 변환 효율을 달성했습니다. 이 디자인은 30 일 동안 약 90 %의 PCE를 유지하면서 탁월한 안정성을 제공합니다. 탄소 나노 물질의 탁월한 화학적 안정성으로 인해 분해를 줄이기 위해 캡슐화해야하는 대부분의 유기 태양 전지와 비교하여 우수한 환경 안정성이 가능합니다.

약 10 %의 PCE를 갖는 고분자 – 풀러렌 헤테로 접합 태양 전지의 최고치에 비해 폴리 실리콘 나노 튜브 및 풀러렌 태양 전지는 여전히 멀리 떨어져 있습니다. 그럼에도 불구하고, 이러한 발견은 태양 전지에서 CNT 기술의 달성 가능한 한계를 밀어 낸다. NIR 정권에서 흡수하는 폴리 실리콘 나노 튜브의 능력은 미래의 비결 정성 태양 전지의 수명과 내구성을 증가 시킴과 동시에 다중 접합 직렬 태양 전지의 미래 효율을 향상시키는 데 활용 될 수있는 기술이다.

투명 전극으로서 탄소 나노 튜브
ITO는 현재 OPV 장치의 투명 전극에 사용되는 가장 보편적 인 소재입니다. 그러나, 그것은 많은 결핍을 가지고있다. 하나는 약 600 ° C의 높은 증착 온도로 인해 고분자 기판과 잘 호환되지 않습니다. 전통적인 ITO는 또한 비교적 연약한 것과 같은 바람직하지 못한 기계적 특성을 갖는다. 또한, 진공에서 값 비싼 층 증착과 인듐의 제한된 공급의 조합은 고품질의 ITO 투명 전극을 매우 비싸게 만든다. 따라서 OPV 연구 개발의 주요 초점은 ITO 대체품을 개발하고 상용화하는 것입니다.

전도성 CNT 코팅은 최근 분무, 스핀 코팅, 캐스팅, 층별 및 랑 뮤어 – 블로 젯 (Langmuir-Blodgett) 침착을 포함하는 광범위한 방법을 기반으로 한 예비 대체품이되었습니다. 용매를 사용하거나 접착 필름의 형태로 필터 막에서 투명 지지체로 전달하는 것은가요 성 및 광학적으로 투명한 CNT 필름을 얻는 또 다른 방법이다. 다른 연구 결과에 따르면 아크 방전 CNT로 만들어진 필름은 높은 전도성과 투명성을 가져올 수 있습니다. 또한, SWCNT 네트워크의 일 함수는 (4.7eV의 더 낮은 일 함수를 갖는 ITO에 비해) 4.8 내지 4.9eV 범위에 있으며, SWCNT 일 함수는 효율적인 홀 수집을 보장 할만큼 충분히 높아야한다는 기대를 유도한다. 또 다른 이점은 SWCNT 필름이 UV- 가시 광선에서 근적외선 범위의 넓은 스펙트럼 범위에서 높은 광학 투명성을 나타낸다는 점입니다. 소수의 재료 만이 적외선 스펙트럼에서 합리적인 투명성을 유지하면서 허용되는 전체 전기 전도도는 물론 스펙트럼의 보이는 부분의 투명도를 유지합니다. SWCNT 필름은 매우 유연하며 크리프가 발생하지 않고 굽힘 후에 균열이 발생하지 않으며 이론적으로 열 전도율이 높기 때문에 열 방출을 견디며 높은 방사 저항을 갖습니다. 그러나, ITO의 전기적 시트 저항은 SWCNT 필름에 대해 측정 된 시트 저항보다 훨씬 작습니다. 그럼에도 불구하고 초기 연구 결과에 따르면 SWCNT 박막은 ITO를 사용하여 제조 된 장치와 비교할 때 1 % ~ 2.5 %의 효율을 갖는 OPV 장치의 홀 수집을위한 전도성 투명 전극으로 사용될 수 있음을 보여줍니다. 따라서 전통적인 ITO 재료의 성능을 능가하는 CNT 기반 투명 전극을 개발하기 위해이 연구를 발전시킬 가능성이있다.

염료 감응 형 태양 전지 CNT
간단한 제조 공정, 낮은 제조 비용 및 고효율로 인해, 염료 감응 형 태양 전지 (DSSC)에 상당한 관심이있다. 따라서 DSSC 효율을 향상시키는 것은 다른 태양 전지 기술과 경쟁 할만큼 경제적으로 제조 될 잠재력을 가지고 있기 때문에 다양한 연구 조사의 대상이되었습니다. 이산화 티타늄 나노 입자는 조사 된 다른 금속 산화물 반도체보다 높은 효율을 제공하기 때문에 DSSC의 작동 전극으로 널리 사용되었습니다. 그러나 현재까지이 장치에 대해보고 된 대기 질량 (AM) 1.5 (100mW / cm2) 조사 하에서 가장 높은 변환 효율은 약 11 %입니다. 이러한 초기 성공에도 불구하고 효율성을 더욱 향상시키기위한 노력으로 큰 성과를 거두지는 못했습니다. 입자 네트워크를 통한 전자의 전달은 나노 구조 전극에서 더 높은 광 변환 효율을 달성하는 데있어 핵심적인 문제였습니다. 전자가 이동 중에 많은 입자 경계를 만나고 무작위 경로를 경험하기 때문에 산화 된 sensitizer와의 재결합 가능성이 증가합니다. 따라서, 광 생성 전하 재조합이 방지되어야하므로 산화물 전극 표면적을 확대하여 효율을 증가시키는 것은 적절하지 않다. 막 전극을 통한 전자 전달을 촉진하고 전도대의 가장자리 아래에있는 계면 상태를 차단하는 것은 사용 된 효율성을 향상시키는 비 CNT 기반 전략의 일부입니다.

최근 CNT 개발 및 제조의 진전으로 광 생성 된 전자의 흐름을 유도하고 전하 주입 및 추출을 돕기 위해 다양한 CNT 기반 나노 복합체 및 나노 구조를 사용할 것으로 기대된다. DSSC에서 수집 전극 표면으로의 전자 전달을 돕기 위해, 대중적인 개념은 빛을 수확하는 반도체 입자를 고정시키는 지지체로서 CNT 네트워크를 이용하는 것이다. 이 연구를 통한 연구 노력에는 SWCNTs에 CdS 양자점을 조직하는 것이 포함된다. 여기 된 CdS로부터 SWCNT 로의 전하 주입은 CdS 나노 입자의 여기시 문서화되었다. CdSe 및 CdTe를 포함하는 다른 종류의 반도체 입자는 CNT에 부착 될 때 가시 광선 조사 하에서 전하 이동 과정을 유도 할 수있다. 포르피린 및 C60 플러렌을 포함하여, 전극 표면 상에 광활성 도너 중합체 및 억 셉터 풀러린의 조직은 또한 태양 전지의 광 전환 효율에서 상당한 개선을 제공하는 것으로 나타났다. 따라서, 반도체 성 SWCNT의 전자 수용 능력을 이용하여 전자 수송을 촉진하고 DSSC의 광 변환 효율을 증가시킬 수있는 기회가있다.

다른 연구자들은 전극으로 사용하기 위해 이산화 티타늄 코팅 MWCNT를 얻기 위해 졸 – 겔 (sol-gel) 방법을 사용하여 DSSC를 제조했다. 원래의 MWCNT는 표면이 소수성이어서 분산 안정성이 좋지 않기 때문에 전처리가 필요했습니다. 불순물을 제거하기위한 상대적으로 낮은 파괴 방법 인 H2O2 처리를 사용하여 MWCNT의 산화에 의해 카르 복실 산기를 생성했습니다. 또 다른 긍정적 인 측면은 CO2와 H2O를 포함한 반응 가스가 무독성이었으며 산화 공정 중에 안전하게 방출 될 수 있다는 사실이었습니다. 처리 결과, H2O2에 노출 된 MWCNT는 친수성 표면을 가지며 표면의 카르 복실 산 그룹은 극성 공유 결합을 갖는다. 또한, MWCNT의 음으로 대전 된 표면은 분산의 안정성을 향상시켰다. 그 후, 졸 – 겔 방법을 사용하여 MWCNT를 이산화 티타늄 나노 입자로 완전히 둘러싼 다음, 종래의 이산화 티타늄 전지에 비해 약 50 %의 전환 효율 증가가 달성되었다. 다공성 이산화 티타늄 필름 내의 이산화 티타늄 입자와 MWCNT 사이의 향상된 상호 연결성은 단락 전류 밀도의 향상의 원인으로 결론 지어졌다. 여기서 다시, MWCNT의 첨가는 DSSC에서 필름을 통한보다 효율적인 전자 전달을 제공하는 것으로 생각되었다.

이 아키텍처로 제조 된 셀은 활성층에서 CNT를 사용하는 다른 태양 전지 소재보다 3.1 % 높은 기록 전력 변환 효율을 달성했습니다. 이 디자인은 30 일 동안 약 90 %의 PCE를 유지하면서 매우 안정적입니다. 탄소 나노 물질의 탁월한 화학적 안정성으로 인해 분해를 줄이기 위해 캡슐화해야하는 대부분의 유기 태양 전지와 비교하여 우수한 환경 안정성이 가능합니다.

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