질산촉매하의 수열반응에 의한 TiO2 나노입자들의 합성 및 염료감응형 태양전지에의 적용에 관한 연구

Abstract

Titanium tetraisopropoxide의 가수분해 수열 반응에서 온도와 시간을 조절하여 다양한 크기 TiO2 나노입자를 합성하였고 질산 촉매의 여부에 따라 TiO2의 결정성과 모양 크기들 또한 변화시킬 수 있었다. 강산 촉매없이 가수분해하는 경우에 반응 온도를 90 - 250 oC로 조절함에 따라 4-15 nm 직경의 순수한 anatase 결정성의 나노입자를 합성할 수 있었다. 반응 시간의 증가에 따라 24시간까지는 입자의 크기가 온도별로 증가하여 24시간 이후에는 일정한 온도에서는 크기의 변화가 없었다. 질산 촉매 하에서는 150 oC 이하의 저온에서는 결정성의 변화없이 오히려 입자의 크기가 감소하는 경향을 보였고 200 oC 이상의 온도에서는 나노막대형의 rutile 결정이 형성되기 시작하여 24시간 이상의 합성조건에서는 aspect ratio 6-15의 다양한 rutile 나노막대 결정이 형성되었다. 흥미롭게도 질산 조건하에서도 약 80 oC의 저온에서 1시간 가량 열처리 후에 200 oC 이상의 온도로 올려 반응시킨 경우에는 rutile 결정이 전혀 나타나지 않았다. 합성한 다양한 입자 크기의 순수한 anatase TiO2를 사용하여 TiO2 나노다공성 박막을 제작하여 입자크기에 따른 이들의 물리적 특성을 비교 분석한 결과 같은 조건으로 제작할 경우 박막의 두께는 입자의 크기가 클수록 커지나 박막의 다공성은 중간 크기인 7-8 nm의 경우 가장 컸으며 염료의 흡착량으로 계산된 surface roughness factor는 입자 크기에 따른 경향성을 보여주지는 않았지만 합성 TiO2들이 시판 TiO2들 보다 모두 크게 나타났다. 제작한 TiO2 박막을 활용하여 염료감응형 태양전지를 제작하여 시판 Degussa P25 TiO2 및 다른 시판 순수 anatase TiO2(CNTi-01)를 사용하여 같은 조건에서 제작된 태양전지와 광변환 특성을 비교해 본 결과 합성 TiO2들이 모두 시판 TiO2보다 변환효율이 높았으며 합성 TiO2 가운데 입자의 크기가 약 10 nm인 것이 가장 좋은 효율을 보여주었다.

TiO2 nanoparticles were synthesized by the controlled thermal hydrolysis of titanium tetraisopropoxide precursor. The simple hydrolysis of the precursor without strong acid gave only pure anatase TiO2 nanoparticles of which sizes were 4 - 15 nm depending on the synthetic temperature and time. As the temperature and time increased, the size of the nanoparticle increased in the temperature and time range of 90 - 250 oC and 12 - 24 hours, respectively. When the hydrolysis was performed under the catalytic condition of the strong acid, nitric acid, the various results were obtained depending on the synthetic temperature and time. When synthesized at the temperature below 150 oC, only anatase TiO2 nanoparticles were obtained regardless of the synthetic time and the sizes of the nanoparticles were a little smaller than that synthesized without nitric acid at the same temperature. When synthesized at the temperature higher than 200 oC, the TiO2 was the mixture of anatase nanoparticles and rutile nanorods. As the synthetic time increased from 12 to 24 hours only pure rutile nanorods of which aspect ratio was in the range of 6 - 15 were obtained. Insterestingly, Only anatase nanopartilces were obtained even under the condition of nitric acid and high temperature when the preheating was performed at about 80 oC for an hour before the temperature increased to above 200 oC. Using the synthesized anatase TiO2 nanoparticles of various sizes, the nanoporous TiO2 thin films were prepared on ITO glass substrate by the well-known method of dye-sensitized solar cell. The prepared TiO2 thin films showed the different physical chatacteristics depending on the particle size of the used TiO2. The film thickness increased as the particle size increased and the porosity of the film was the highest for the mid size one among the used TiO2 nanoparticles. The surface roughness factor that was calculated from the amount of the adsorbed dye did not show any tendency depending on the size but the synthesized TiO2 film showed higher values than the commercial TiO2. When the dye-sensitized solar cells were assembled using these TiO2 thin film under the exactly same condition, the cell performance test results showed that the synthesized TiO2 cells were all better than the commercial TiO2 ones. The best result was obtained with the cell which was made of the 10 nm size TiO2 nanoparticle.