Fabrication of SiO2/TiO2 based multifunctional nanomaterial and their solar cell applications

Abstract

나노물질은 단위 부피당 표면적이 급격히 늘어나면서 양자 크기 효과로 인해 자기적, 화학적, 기계적, 전기적, 광학적 성질을 타나낸다. 이러한 독특한 특성으로 인하여 물리학, 화학, 기계공학, 전기공학, 생물의학, 생물학에서 큰 주목을 받고 있다. 나노물질을 만드는 방법은 물리적 방법인 하향식과 화학적 방법인 상향식으로 나뉜다. 이러한 방법을 토대로 하여 다양한 접근법을 통해 나노물질을 제조하였지만 세부적인 응용 분야에서 획기적인 성능 향상을 기대할 수 있는 다기능적 맞춤형 나노물질의 제조가 강력히 요구된다. 본 논문에서는 실리카와 이산화티타늄 기반의 다기능적 나노물질의 제조와 태양전지 분야의 응용에 대해 서술하고 있다. 실리카와 이산화티타늄 나노물질은 전기방사와 졸-겔 방법으로 준비하였다. 전기방사법은 일차원 나노섬유 제조 기술이며 졸-겔법은 다양한 모양과 크기의 무기 나노물질의 제조에 있어서 간편한 방법을 제공한다. 이러한 방법을 기반으로 하여 실리카/이산화티타늄 나노물질을 준비한 후 각 응용분야에 높은 성능 향상을 위해 추가적으로 맞춤형 기능성을 부여하였다. 다기능성을 나타내는 은나노 입자가 부착된 실리카/이산화티타늄 중공입자, 은나노 입자가 부착된 이산화티타늄 나노섬유, 이중 쉘 구조의 실리카/이산화티타늄 중공입자, 다중 쉘 구조의 이산화티타늄 중공입자, 크기가 다른 기공을 가지는 이산화티타늄 나노섬유, 크기가 조절된 실리카 나노입자가 성공적으로 제조되었다. 제조된 실리카/이산화티타늄 기반의 다기능적 나노물질은 염료감응형 태양전지와 페로브스카이스 태양전지의 소재로써 응용하였다. 첫번째로 은나노가 부착된 실리카/이산화티타늄 중공입자 및 나노섬유는 은나노 입자의 표면 플라즈몬 공명형산으로 인해 단파장 영역에서 빛의 흡수를 증진할수 있었고 동시에 중공입자 및 나노섬유의 광산랑 효과로 인해 장파장 영역의 빛의 흡수 또한 증진 시킬 수 있었다. 이중 쉘 구조의 실리카/이산화티타늄 중공입자의 경우에는 다중 광산란으로 인하여 염료감응형 태양전지에서 증진된 광 흡수를 도모하였다. 다중 쉘 이산화티타늄 중공입자는 가장작은 크기의 쉘, 중간 크기의 쉘, 가장 큰 쉘로 이루어져 있다. 가장작은 크기의 쉘은 염료의 흡착을 향상할 수 있으며 다중쉘의 구조는 광산란 증진할 수 있어 염료감응형 태양전지에 최적화된 나노물질이다. 크기가 다른 기공을 지니는 이산화티타늄 나노섬유 역시 높은 표면적과, 강한 광산란, 뿐만 아니라 산화/환원반응을 위한 전해질 이동을 용이하게 할 수 있는 기공을 제공하는 구조이다. 마지막으로 크기가 조절된 실리카 나노입자를 도입한 페로브스카이트 태양전지는 증진된 광 흡수율을 나타내었다. 결과적으로 본 논문에서 제시된 방법을 통하여 제조된 실리카/이산화티타늄 기반의 다기능성 나노물질은 태양전지 분야의 이해를 높이고 성능 향상을 제공하였다.