Electrospinning de eletrodos fotocatalíticos para células solares sensibilizadas por corante
Summary
O objetivo geral deste projeto era usar eletrospinning para fabricar um fotoanode com desempenho melhorado para células solares sensibilizadas com corantes.
Abstract
Este trabalho demonstra um protocolo para fabricar um fotoaneto à base de fibra para células solares sensibilizadas com corantes, consistindo em uma camada de dispersão de luz feita de nanofibras de dióxido de titânio eletropun (TiO2 -NFs) em cima de uma camada de bloqueio feita de dióxido de titânio comercialmente disponível Nanopartículas (TiO2-NPs). Isto é conseguido através da primeira electrospinificação de uma solução de butóxido de titânio (IV), polivinilpirrolidona (PVP) e ácido acético glacial em etanol para obter nanofibras PVP / TiO 2 compostas. Estes são então calcinados a 500 ° C para remover a PVP e para obter nanofibras de titânia de fase anatase pura. Este material é caracterizado por microscopia eletrônica de varredura (SEM) e difracção de raios X em pó (XRD). O fotoanodo é preparado primeiro criando uma camada de bloqueio através da deposição de uma suspensão de TiO2-NPs / terpineol em uma lâmina de vidro de óxido de estanho dopada com flúor (FTO) usando técnicas de doutoramento. Um tratamento térmico subseqüenteÉ realizada a 500 ° C. Em seguida, a camada de dispersão de luz é formada depositando uma pasta de TiO2-Ns / terpineol no mesmo slide, usando a mesma técnica e calcinando novamente a 500 ° C. O desempenho do fotoanode é testado através da fabricação de uma célula solar sensibilizada por corante e medindo sua eficiência através de curvas JV sob uma gama de densidades de luz incidente, de 0,25-1 Sun.
Introduction
As células solares sensibilizadas por corantes (DSSCs) são uma alternativa interessante às células solares à base de silício 1, graças ao seu baixo custo, processo de fabricação relativamente simples e facilidade de produção em grande escala. Outro benefício é o seu potencial para ser incorporado em substratos flexíveis, uma vantagem distinta em relação às células solares à base de silício 2 . Um DSSC típico utiliza: (1) um fotoaneto de TiO 2 nanoparticulado, sensibilizado com um corante, como uma camada de colheita leve; (2) um FTO revestido com Pt, usado como um contra-eletrodo; E (3) um eletrólito contendo um casal redox, como I – / I 3 – , colocado entre os dois eletrodos, funcionando como um "meio condutor de furos".
Embora os DSSCs tenham ultrapassado as eficiências de 15% 3 , o desempenho de fotanodes à base de nanopartículas ainda está dificultado por uma série de limitações, incluindo mobilização de elétrons lentoY 4 , má absorção de fótons de baixa energia 5 e recombinação de carga 6 . A eficiência da coleta de elétrons depende fortemente da taxa de transporte de elétrons através da camada de nanopartículas de TiO 2 . Se a difusão de carga for lenta, a probabilidade de recombinação com I3 – na solução eletrolítica aumenta, resultando em uma perda de eficiência.
Demonstrou-se que a substituição do TiO 2 nanoparticulado por nanoarquitecturas de TiO 2 unidimensionais (1D) pode melhorar o transporte de carga reduzindo a dispersão de elétrons livres dos limites de grãos das nanopartículas de TiO 2 interconectadas 7 . À medida que as nanoestruturas 1D fornecem uma via mais direta para coleta de cobrança, podemos esperar que o transporte de elétrons em nanofibras (NFs) seja significativamente mais rápido do que em nanopartículas 8 , </sup> 9 .
Electrospinning é um dos métodos mais utilizados para a fabricação de materiais fibrosos com diâmetros submicrométricos 10 . Esta técnica envolve o uso de alta tensão para induzir a ejeção de um jato de solução de polímero através de uma fiação. Devido à instabilidade de flexão, este jato é posteriormente esticado muitas vezes para formar nanofibras contínuas. Nos últimos anos, esta técnica tem sido amplamente utilizada para fabricar materiais poliméricos e inorgânicos, que foram utilizados para aplicações numerosas e diversas, tais como engenharia de tecidos 11 , catálise 12 e como materiais de eletrodo para baterias de iões de lítio 13 e supercondensadores 14 .
O uso de TiO 2 -NFs electrospun como a camada de dispersão no fotoanode pode aumentar o desempenho de DSSCs. No entanto, os fotoanodes com nanofibroAs arquiteturas de nós tendem a ter pouca absorção de corantes devido às limitações da área de superfície. Uma das possíveis soluções para superar isso é misturar NFs e nanopartículas. Isso resultou em camadas de dispersão adicionais, melhorando a absorção de luz e a eficiência geral 15 .
O protocolo apresentado neste vídeo fornece um método fácil para sintetizar nanofibras ultralong TiO 2 através de uma combinação de técnicas de eletrospinning e sol-gel, seguidas de um processo de calcinação. O protocolo então ilustra o uso dos TiO 2 -NF em combinação com TiO 2 nanoparticulado para a fabricação de um fotoanodo de camada dupla com capacidade de dispersão de luz melhorada usando técnicas de doutoramento, bem como a subsequente montagem de um DSSC usando tal Photoanode.
Protocol
Representative Results
Discussion
Os métodos apresentados neste trabalho descrevem a fabricação de fotanodes nanofibrosos eficientes para dispositivos fotocatalíticos, como DSSCs. Electrospinning é uma técnica muito versátil para a fabricação de nanofibras, mas um certo nível de habilidade e conhecimento é necessário para obter materiais com morfologias ótimas. Um dos aspectos mais críticos para a obtenção de nanofibras boas é a preparação da solução precursora: existem alguns fatores fundamentais, como a concentração do polímero…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores não têm reconhecimento.
Materials
| titanium(IV) n-butoxide | Sigma-Aldrich | 244112 | |
| Polyvinylpyrrolidone | Sigma-Aldrich | 437190 | |
| glacial acetic acid | Sigma-Aldrich | A6283 | |
| Ethanol, absolute | Fisher Scientific | E/0650DF/17 | |
| 20 mL Sample vials | (any) | (or larger volume) | |
| disposable 21G needle | (any) | ||
| P150 grit sandpaper | (any) | ||
| disposable 10mL syringe | (any) | (or larger volume) | |
| magnetic stirrer + stirring bar | (any) | ||
| PHD 2000 syringe pump | Harvard Apparatus | 71-2002 | (or any other syringe pump capable of outputting a 1mL/hr flow |
| Aluminium foil | (any) | ||
| Stainless steel collector plate | (custom built) | ||
| High Voltage Power Source | Gamma High Voltage Research, Inc | ES30P-10W | (or any other power supply capable of outputting +15 kV |
| Polycarbonate protective shield | (custom built) | ||
| Ceramic crucible | (any) | ||
| Muffle furnace | (any) | ||
| Titanium dioxide, nanopowder | Sigma-Aldrich | 718467 | |
| 50 mL 1-neck round bottom flasks | (any) | ||
| bath sonicator | (any) | ||
| Terpineol | Sigma-Aldrich | ||
| Rotary evaporator | (any) | ||
| FTO glass | Solaronix | TCO30-10/LI | |
| Adhesive tape | (any) | ||
| razor blade | (any) | ||
| SEM | JEOL | 6500F | |
| XRD | PANalytical | X'pert Pro | |
| Titanium Tetrachloride | Sigma-Aldrich | 89545 | |
| Ruthenizer 535-bisTBA | Solaronix | N719 | |
| sealing film | Dyesol | Meltonix 1170-25 | |
| Pt-coated FTO | Solaronix | TCO30-10/LI | |
| 1-propyl-3-methylimidazolium iodide | Sigma-Aldrich | 49637 | |
| Iodine | Sigma-Aldrich | 207772 | |
| benzimidazole | Sigma-Aldrich | 194123 | |
| 3-Methoxypropionitrile | Sigma-Aldrich | 65290 | |
| Digital source meter | Keithley | 2400 | |
| Solar Simulator | Abet technologies | 10500 |
Referencias
- O’Regan, B., Grätzel, M. A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films. Nature. 353 (6346), 737-740 (1991).
- Lee, C. H., Chiu, W. H., Lee, K. M., Hsieh, W. F., Wu, J. M. Improved performance of flexible dye-sensitized solar cells by introducing an interfacial layer on Ti substrates. J Mat Chem. 21 (13), 5114-5119 (2011).
- Burschka, J., Pellet, N., et al. Sequential deposition as a route to high-performance perovskite-sensitized solar cells. Nature. 499 (7458), 316-319 (2013).
- Ohsaki, Y., Masaki, N., et al. Dye-sensitized TiO2 nanotube solar cells: fabrication and electronic characterization. Phys Chem Chem Phys. 7 (24), 4157-4163 (2005).
- Mor, G. K., Shankar, K., Paulose, M., Varghese, O. K., Grimes, C. A. Enhanced Photocleavage of Water Using Titania Nanotube Arrays. Nano Letters. 5 (1), 191-195 (2005).
- Feng, X., Shankar, K., Varghese, O. K., Paulose, M., Latempa, T. J., Grimes, C. A. Vertically Aligned Single Crystal TiO2 Nanowire Arrays Grown Directly on Transparent Conducting Oxide Coated Glass: Synthesis Details and Applications. Nano Letters. 8 (11), 3781-3786 (2008).
- Roy, P., Berger, S., Schmuki, P. TiO2 Nanotubes: Synthesis and Applications. Angewandte Chemie International Edition. 50 (13), 2904-2939 (2011).
- Macdonald, T. J., Xu, J., et al. NiO Nanofibers as a Candidate for a Nanophotocathode. Nanomaterials. 4 (2), 256-266 (2014).
- Chuangchote, S., Sagawa, T., Yoshikawa, S. Efficient dye-sensitized solar cells using electrospun TiO2 nanofibers as a light harvesting layer. Appl Phys Lett. 93 (3), 033310 (2008).
- Li, D., Xia, Y. Electrospinning of Nanofibers: Reinventing the Wheel?. Adv Mat. 16 (14), 1151-1170 (2004).
- Li, W. J., Laurencin, C. T., Caterson, E. J., Tuan, R. S., Ko, F. K. Electrospun nanofibrous structure: A novel scaffold for tissue engineering. J Biomed Mat Res. 60 (4), 613-621 (2002).
- Jia, H., Zhu, G., Vugrinovich, B., Kataphinan, W., Reneker, D. H., Wang, P. Enzyme-Carrying Polymeric Nanofibers Prepared via Electrospinning for Use as Unique Biocatalysts. Biotechnol Prog. 18 (5), 1027-1032 (2002).
- Mai, L., Xu, L., et al. Electrospun Ultralong Hierarchical Vanadium Oxide Nanowires with High Performance for Lithium Ion Batteries. Nano Letters. 10 (11), 4750-4755 (2010).
- Cai, J., Niu, H., et al. High-Performance Supercapacitor Electrode Materials from Cellulose-Derived Carbon Nanofibers. ACS Appl Mat Interfaces. 7 (27), 14946-14953 (2015).
- Joshi, P., Zhang, L., et al. Composite of TiO2 nanofibers and nanoparticles for dye-sensitized solar cells with significantly improved efficiency. Energ Environ Sci. 3 (10), 1507-1510 (2010).
- Macdonald, T. J., Tune, D. D., Dewi, M. R., Gibson, C. T., Shapter, J. G., Nann, T. A TiO2 Nanofiber-Carbon Nanotube-Composite Photoanode for Improved Efficiency in Dye-Sensitized Solar Cells. ChemSusChem. 8 (20), 3396-3400 (2015).
- Teo, W. E. . Electrospinning parameters and fiber control. , (2015).
