플라이애시는 염료의 삼요오드화 환원을 위한 PEDOT:PSS 상대 전극의 전기촉매 특성을 강화했습니다.

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 6012(2023) 이 기사 인용

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발전소에서 발생하는 비산회 고형 폐기물이 처음으로 태양전지 응용 분야에 적용되었습니다. 플라이애시와 PEDOT:PSS(FP)가 혼합된 복합 필름으로 FTO-유리를 코팅하기 위해 닥터 블레이드를 사용했습니다. 본 연구에서는 플라이애시의 결정구조, 형태, 작용기를 규명하기 위해 XRD, FTIR, SEM, EDX, BET 분석을 사용하였다. 플라이애시를 활용해 효율이 매우 높은 태양전지를 제작했다. CV, Tafel 및 EIS 분석에서는 전하 이동 저항이 감소하고 상대 전극의 촉매 활성이 증가한 것으로 나타났습니다. FP 상대 전극으로 만든 DSSC의 성능은 존재하는 비산회 입자의 비율에 따라 달라졌습니다. PEDOT:PSS를 농도비 2:5 g/mL로 혼합한 플라이애시는 4.23%로 Pt DSSC(4.84%)와 비슷한 수준의 높은 효율을 보였다. 또한, FP-2:5는 MoO(3.08%)와 CoO(3.65%)를 혼합한 PEDOT:PSS로 만든 상대 전극보다 더 효율적인 전극을 제시했습니다. DSSC에 사용하기 위한 이 저가형 CE 재료의 적합성은 확립되었습니다.

플래너 실리콘 태양전지의 대체 형태인 염료감응형 태양전지(DSSC)는 저렴한 비용, 제조 용이성, 단순성 및 설계 다양성으로 인해 광범위하게 연구되었습니다. DSSC에서 작업 전극(WE)은 일반적으로 N719 염료를 증감제로 사용하는 다공성 이산화티타늄 나노입자, 요오드화물(\({\text{I}}^{ - } \))/삼요오드화물(\({ \text{I}}_{3}^{ - }\)) 산화환원 전해질, 백금(Pt)을 상대 전극(CE)1,2,3,4로 사용합니다.

현재 DSSC 개발의 목표는 높은 효율을 달성하고 생산 비용을 줄이는 것인데, 이는 연구자에게 새로운 과제이다. 카본 블랙5, 다중벽 탄소 나노튜브6, 전도성 폴리머7, 활성 탄소8, 금속 산화물 재료9,10 및 황화물 재료11는 높은 전기 전도성, 내화학성, 전기촉매 특성 및 저렴한 비용으로 인해 고가의 촉매 Pt를 대체하는 데 사용되었습니다. 우리 연구는 저비용이면서 환경 친화적인 새로운 Pt-free CE 소재 개발과 발전소에서 발생하는 고형 폐기물을 포함하여 폐기물 재활용에 대한 고려에 중점을 두고 있습니다. 태국 북부 람팡(Lampang) 지역의 매모(Mae Moh) 발전소는 엄청난 양의 석탄을 에너지원으로 사용합니다. 이로 인해 비산회, 바닥재, 석고 형태의 고형 폐기물이 대량으로 생성됩니다. 그러나 바닥재와 석고의 양은 일반적으로 비산재의 양보다 훨씬 적습니다12. 비산재를 제거하는 방법이나 효과적인 활용 방법을 개발하는 것은 연구자들의 과제였습니다. 현재 플라이애시는 접착력, 내식성, 압축강도가 우수하여 주로 시멘트, 콘크리트 생산, 토양 보강용 원료로 사용됩니다13,14. 대안으로, 발전소에서 나오는 비산재를 태양전지에 사용하기 위해 적용한 연구는 없습니다. 이는 전도성이 좋지 않기 때문일 수 있습니다. 그러나 높은 전해질 내식성과 결합 형성 용이성으로 인해 매력적인 소재입니다. 또한, 플라이애시를 복합재료로 사용하면 안정성과 전기촉매 특성을 향상시킬 수 있는 것으로 보고되었다. 예를 들어, Thirumalai 등에 따르면 비산회가 포함된 산화아연은 ​​증가된 유효 표면적 때문에 순수 ZnO 촉매보다 더 높은 전기촉매 활성과 전기화학적 안정성을 나타냅니다. 또한 Altalhi et al.16이 개발한 비산회와 TiO2 나노복합체(FA-TiO2)는 알칼리 용액에서 수소 발생 반응(HER)에 대한 우수한 전기화학적 촉매 성능을 입증했습니다. 결과적으로, 제조된 FA-TiO2 촉매는 H2 및 음극 활성화를 생성할 수 있는 보다 활성인 촉매 부위를 갖게 됩니다. 따라서 플라이애시 기반 촉매의 더 높은 전기화학적 특성과 안정성 특성은 DSSC 응용 분야에서 매우 중요합니다. 플라이애시의 특성을 개선하는 한 가지 접근법은 이를 전도성 폴리머와 합성하는 것입니다17. 이전의 많은 연구에서는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT)18, 폴리피롤(PPy)19, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리스티렌 설포네이트(PEDOT:PSS)와 같은 DSSC의 CE용 전도성 고분자 사용에 대해 보고했습니다. )20, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)21 또는 폴리(비닐 피롤리돈)/폴리아닐린(PVP/PANI)22. 이들 폴리머는 DSSC에 대해 우수한 상대 전극 특성을 나타냅니다. CE의 전기촉매 활성을 향상시키기 위해 다른 초기 연구에서 금속 산화물 또는 비금속 산화물의 나노 입자 및 미세 입자가 전도성 고분자 필름에 추가되었습니다. Maiaugree et al.25은 2012년에 PEDOT:PSS와 TiO2를 혼합한 상대전극을 개발하였다. 이를 닥터 블레이드를 사용하여 적용한 결과 8.49%의 높은 효율을 나타내었으며, 이는 TiO2 나노입자가 Pt CE(7.50%)와 비교할 수 있는 수준이다. 필름 산화환원 반응을 향상시키기 위해 폴리머 표면을 증가시킵니다. 6.50%의 고효율(Pt CE는 6.48%)의 CE는 Xu et al.26에 의해 PEDOT:PSS와 결합된 TiO2/SnO2 나노다공성 복합 필름을 사용하여 만들어졌습니다. \({\text{I}}_{3}^{ - }\) 환원을 위한 활성 사이트로 인해 얻은 TiO2/SnO2/PEDOT:PSS 복합 필름은 원래 PEDOT보다 삼요오드화 환원에 대한 더 나은 촉매 활성을 나타냅니다. :PSS 필름. 이로 인해 재료의 충전율과 셀 효율성이 크게 향상됩니다. Tapa et al.27이 개발한 PEDOT:PSS 상대 전극과 결합된 다공성 rGO/ZnSe/CoSe2는 8.60%의 높은 태양전지 효율을 가지며 \({\text에 대한 촉매 활성 측면에서 백금화된 CE(7.14%)보다 성능이 뛰어납니다. {I}}^{ - } /{\text{I}}_{3}^{ - }\) 산화환원 반응. Ahmed et al.28은 PEDOT:PSS를 사용하여 MoS2/NC 합성물을 만들었습니다. 더 큰 표면적을 갖는 MoS2/NC-PEDOT:PSS 복합 CE를 갖춘 장치의 PCE는 7.67% 더 높았으며, 이는 순수 PEDOT:PSS CE(4.11%)보다 전기촉매 성능이 더 높았습니다. 최근 우리 연구에서는 DSSC 효율 5.85%, \({\text{I}}_{3}^{ - }\) 감소, 전도성 및 더 높은 전기촉매 활성을 위해 PEDOT:PSS와 결합된 농업 잔류물 활성탄을 사용했습니다. Pt CE보다 효율성(5.43%)29. 따라서 비산회를 PEDOT:PSS에 혼합하면 DSSC의 활성 부위 수, 촉매 특성 및 효율성이 증가할 수 있습니다.