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Scientific Reports 12권, 기사 번호: 11487(2022) 이 기사 인용

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이 기사에 대한 저자 수정 사항은 2023년 5월 25일에 게시되었습니다.

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본 연구에서는 나노와이어(NW)와 나노플라워(NF)의 두 가지 형태의 산화아연(ZnO) 분말을 열수법으로 합성했습니다. 광활성 물질로서 순수한 ZnO 나노분말의 적격성은 대면적 응용 분야에서 유리 및 플라스틱 기판 모두에 대한 손쉬운 드롭 캐스팅 방법을 통해 P-SC 장치를 설계함으로써 밝혀졌습니다. 물리적 특성과 특히 결함 구조가 P-SC(포토 슈퍼커패시터) 성능에 미치는 영향이 조사되었습니다. NW 및 NF 기반 P-SC의 다크 쿨롱 효율(CE%)은 서로 매우 유사했지만 NW P-SC의 CE%는 3배 증가한 반면 NF P-SC의 CE%는 1.7배 증가했습니다. 자외선 아래서. 이는 광 여기 하에서 생성된 전하 캐리어가 방전 시간을 연장시키고 전자 상자성 공명, 광발광 및 투과 전자 현미경 분석으로 확인된 바와 같이 NF 분말로 만든 P-SC의 성능이 NF 분말로 만든 P-SC의 성능이 상대적으로 낮기 때문입니다. NF 분말의 높은 코어 결함으로 인한 NW. NF 기반 P-SC에 대해 얻은 78.1 mWh kg-1의 에너지 밀도는 매우 유망하며 3000주기 동안 거의 100%의 정전 용량 유지 값은 이러한 재료로 생산된 P-SC가 완전히 안정적이라는 것을 보여주었습니다. 문헌과 비교하면, 본 연구에서 제안하는 P-SC는 설계 용이성, 대면적 응용 분야의 대량 생산 적응성, 조명 하에서 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 능력 덕분에 차세대 에너지 저장 시스템에 필수적입니다.

진보되고 혁신적인 에너지 변환 및 저장 시스템을 개발하는 것은 화석 연료를 깨끗하고 재생 가능한 에너지원으로 대체하는 데 있어 중요한 부분입니다. 이런 점에서 태양에너지는 전 세계적으로 무탄소 에너지 수요에 대한 실용적인 솔루션을 제공하는 가장 풍부한 에너지원이다. 태양 에너지는 광전지(PV)1,2,3,4,5,6,7, 광전기화학 물 분해(PEC)8,9,10,11,12,13,14를 포함하여 광범위한 기술 응용 분야를 제공합니다. 광전기화학 산화환원 흐름 배터리15,16,17 및 광촉매18,19,20,21,22. 광슈퍼커패시터(P-SC)는 상대적으로 새로운 에너지 변환/저장 장치이며 동시에 전력을 생성하고 저장하는 이중 용도 시스템에 대한 관심이 증가하고 있습니다. Miyasaka의 연구는 태양전지에서 생성된 전기 에너지를 직접 저장할 수 있는 자체 충전 커패시터를 기반으로 하기 때문에; 다양한 PV-SC 통합이 문헌29,31,32,33,34,35,36,37,38에 보고되었습니다. 그러나 대부분의 통합 시스템은 두 개 이상의 개별 부품을 통합하는 복잡성으로 인해 어려움을 겪었습니다.

반면, PEC 및 솔리드 스테이트 구성 P-SC 시스템은 효율적인 전력 밀도 측면에서 고가의 태양 전지 재료에 대처할 수 있는 설계 용이성과 저비용 제조가 돋보입니다. 또한 고체 P-SC는 다양한 대체 방법으로 설계할 수 있습니다. 여기에는 광 전극, 전하 저장 전극 및 상대 전극으로 구성된 3전극 시스템이 포함됩니다. 또는 광전극과 전하 저장 전극이 전체 성능뿐만 아니라 작동 메커니즘을 변경하는 두 개의 전극. 고체(광)슈퍼커패시터는 이온 전도성 젤 전해질 또는 고분자 멤브레인을 사용하며 훨씬 더 얇고 유연하며 경량으로 설계될 수 있어 웨어러블 및 휴대용 전자 기기와 같은 다양한 응용 분야에 적용할 수 있습니다.

P-SC 장치의 광범위한 응용을 위해서는 밴드갭 활용, 광 수확 및 전하 이동 최적화와 같은 전극 재료의 중요한 특성을 밝혀야 합니다. P-SC 성능과 전극의 결함 구조 관련 재료 매개변수 간의 관계를 구축하는 것도 중요합니다. 여기서 우리는 단단하고 유연한 고체 상태 P-SC 장치 모두에서 다양한 형태를 가진 ZnO 나노구조를 활용하는 것을 목표로 했습니다. ZnO는 슈퍼커패시터 응용에서 전극 재료로 사용되었지만 ZnO 기반 P-SC에 대한 몇 가지 보고가 있습니다. 이러한 제한된 보고서 중에서 ZnO는 전자 수송층으로 사용되거나 이종접합 광전극을 구축하는 데 사용되었습니다. 그러나 ZnO는 직접적인 넓은 밴드갭(3.37eV), 뛰어난 전자 이동도(115~155cm2·V−1·s−1) 및 상당한 엑시톤을 갖는 UV-광 활성 물질로서 P-SC에서 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 결합에너지(60meV)51. 이러한 특징적인 전자 특성과 함께 온화한 조건52,53에서 다양한 형태를 가지며 환경 친화적이고 합성이 용이하다는 큰 장점을 가지고 있습니다. 결과적으로, 형태, 크기, 표면 화학 및 결함 구조와 같은 물리적 특성을 변경할 수 있는 능력으로 인해 많은 응용 분야에서 ZnO 기반의 새로운 장치를 설계하게 되었습니다.