나노결정성 안티모니 산화물의 광-전기화학적 특성

Abstract

종래에는 시도되지 않았던 안티모니 산화물을 염료 감응 태양 전지용 전극 물질로 이용할 수 있는지 알아보기 위해 수십 나노 미터 크기의 안티모니 산화물 입자를 합성하고 그 열적, 구조적 특성과 광∙전기화학적 성질을 규명하였다. 우선 Sb2O3분말을 과산화수소 수용액에서 산화 시킨 결과, 물을 포함한 수화물의 형태의Sb2O5∙4H2O 구조를 가지는 흰색 분말이 얻어졌으며 이 화합물을 공기 중에서 가열하면 아래와 같은 과정을 거쳐 환원되어 감을 확인하였다.

Sb2O5-4H2O Sb2O5-2H2O Sb2O4.33 Sb2O4 [(H2O)H]2SbV2O6[H2O] [H]2SbV2O6[H2O] [SbIII]SbV2O6[O0.5]

염료 감응 태양전지에 응용한 화합물Sb6O13에는 3가 안티모니 이온(SbIII)과 5가 안티모니 이온(SbV)이 1:2의 몰 비로 존재하며 결정 구조 내에서 이들 이온들은 각각 다른 자리를 차지하고 있다. Sb6O13 화합물은 3.2eV 정도의 에너지 밴드 갭을 가지며 전도대의 위치가 약 -0.485 V에 해당하여 태양전지로 널리 쓰이는 전극 물질인 TiO2, ZnO 와 유사한 밴드 위치를 가짐을 알 수 있었다. 염료로부터 들뜬 전자를 효과적으로 받아들일 수 있는 것을 확인 할 수 있었다. 염료 감응 태양전지의 전극물질로서 입자 직경이 약 10-20nm인 물질을 사용하는데 나노 크기의 물질을 사용하는 이유는 입자 크기 감소에 의한 비표면적 증가로 많은 양의 광 감응 염료분자를 흡착시킬 수 있기 때문이다. Sb6O13 나노 입자의 SEM, TEM 이미지를 통하여 안티모니 산화물 역시 20-30nm의 다공성 구조를 가지는 것을 확인했다. 스핀 코터를 이용하여 두께가 1-2μm정도의 셀을 제작하여 염료 흡착 량과 J-V curve를 통해 Jsc, Voc, FF, 그리고 Efficiency을 측정하였다. J-V curve는 열처리 온도 별로 측정하였는데, 열처리 온도가 증가할수록 효율이 증가하였으며 600℃에서 열처리 하였을 때, 효율이 가장 좋았으며, 그 값은 각각 효율이0.74 %, Jsc 은 1.99 mA/cm2 그리고 Voc 은 0.76 V이었다.