플렉서블 DSSCs을 위한 그래핀/나노튜브 하이브리드 전극

Rice 대학 연구자들은 그래핀에 공유 겹합된 나노튜브로 부터 캐소드를 만들어 종래의 비싸고 부서지기 쉬운 백금/FTO를 대체했다. 

그들은 매우 긴 정렬된 탄소 나노튜브 묶음을 성장시키기 위해  “Flying carpet” 기술이 이용했는데 나노튜브가 기판 표면에 부착된 채로 촉매를 밀어오리면서 나노튜브가 자란다. 

그래핀/나노튜브 하이브리드 전극은 2년 전에 나왔고 그래핀에서 나노튜브로 매끄러운 전이가 특징이다.  

그래핀은 CVD 공정을 통해 자라고 그 위에 촉매를 패턴으로 배열시킨다. 온도를 증가 시키면 에어로졸 원료로 부터 탄소 원자가 촉매가 있는 그래핀에 달라 붙어 촉매를 들어올리고 새로운 나노튜브가 자라게 한다. 나노튜브가 자라는 것이 멈추면 남아 있는 촉매가 뚜껑 역할을 해서 나노튜브가 꼬이는 것을 막아준다. 

이 하이브리드 물질은 2가지 장점이 있다. 첫째, 그래핀과 나노튜브는 니켈 호일 기판위에 직접적으로 성장시킬 수 있어서 이 자체가 전극이 되기 때문에 백금 촉매의 경우와 같은 투명 전도성 산화물과의 부착력 이슈가 없다.  

두번째는 전해질과의 접촉 저항이 낮아서 전자를 더 자유롭게 흐르게 한다. 전하 이동 저항이 백금 기반 캐소드에 비해 20배 낮다.

사실 핵심은 하이브리드 전극의 큰 표면적이다. 이것은 전해질이 접촉할 많은 기회를 주어 전자에게 높은 전도성 경로를 제공한다. 

나노튜브가 가장 짧은 것은 4분 동안 자란 20~25 um이고 1시간 자라면 100~150 um이 된다. 

평가셀에서 나노튜브가 길 수록 셀 성능이 우수했고 가장 긴 나노튜브를 적용했을 때 백금 기반 셀 대비 딱딱한 셀에서 효율 8.2% 대 6.8%, 플렉서블 셀에서 3.9% 대 3.4%을 얻었다. 

참고: http://phys.org/news/2014-11-graphene-nanotube-hybrid-benefits-flexible.html