JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
עברית

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

דפוס דיגיטלי של טיטניום דו-חמצני עבור לצבוע תאים סולריים רגישים

Published: May 04, 2016
doi:
10.3791/53963
, , ,
1Warwick Manufacturing Group,University of Warwick

Summary

This paper investigates the suitability of inkjet printing for the manufacturing of dye-sensitized solar cells. A binder-free TiO2 nanoparticle ink was formulated and printed onto a FTO glass substrate. The printed layer was fabricated into a cell with an active area of 0.25 cm2 and an efficiency of 3.5%.

Abstract

Silicon solar cell manufacturing is an expensive and high energy consuming process. In contrast, dye sensitized solar cell production is less environmentally damaging with lower processing temperatures presenting a viable and low cost alternative to conventional production. This paper further enhances these environmental credentials by evaluating the digital printing and therefore additive production route for these cells. This is achieved here by investigating the formation and performance of a metal oxide photoelectrode using nanoparticle sized titanium dioxide. An ink-jettable material was formulated, characterized and printed with a piezoelectric inkjet head to produce a 2.6 µm thick layer. The resultant printed layer was fabricated into a functioning cell with an active area of 0.25 cm2 and a power conversion efficiency of 3.5%. The binder-free formulation resulted in a reduced processing temperature of 250 °C, compatible with flexible polyamide substrates which are stable up to temperatures of 350 ˚C. The authors are continuing to develop this process route by investigating inkjet printing of other layers within dye sensitized solar cells.

Introduction

Conventional silicon solar cells are made from highly pure materials that require expensive and high-energy consuming specialist equipment. These conventional silicon cells incorporate a p-n junction that requires highly pure materials at the interface to generate electron-hole pairs. Dye-sensitized solar cells (DSSCs) have a fundamentally different working principle, where charge generation takes place at the materials interface. This means that processing under vacuum, ultrahigh temperatures or the use of clean room facilities are not required1. Therefore they are seen as a potentially low cost alternative; however up-scaling from small laboratory test cells into large prototypes for industrial manufacturing involves overcoming several issues including the rapid patterning of substrates.

Electronics manufacturing generally requires a degree of patterning, which is either achieved by masking or selective removal of the material after deposition. These steps can be removed through the use of “additive” digital printing techniques such as inkjet printing or spray coating. Digital printing is a promising method for direct deposition of functional materials for electronic devices. The technique can be described as printing from a digital-based pattern directly to a variety of substrates2. They are non-contact methods, which will not damage or contaminate the substrate surface and deposit material only where it is required, resulting in little or no wastage3. These techniques have been highlighted as being ideally suited to being scaled up to high-volume production3. Since digital printing methods use liquid forms of materials dispersed in a solvent, it is critical to understand the deposition of ink to determine the applications of the technique.

DSSCs have three main components: a porous layer of wide bandgap metal oxide material, a dye that covers the particles, and a “charge transporter” that infiltrates the pores within the porous layer of semiconductor. These are sandwiched in between a transparent conductive electrode and a counter electrode4. The counter electrode is coated with a catalytic material for electron transfer, which in most cases is platinum. Under illumination, the dye molecules will absorb energy in the form of photons. The dye molecules then become excited and charge separation occurs at the interface of the titanium dioxide and the dye. Electrons are ejected into the adjacent metal oxide particles and ‘holes’ are left behind on the dye molecule. The injected electrons travel through the metal oxide particles and reach the transparent conductive electrode. When a load is connected, the electrons move to the counter electrode through the external circuit and are finally reunited with their counter charges through the redox couple present in the electrolyte1. The nano-structured metal oxide layer within DSSCs plays a critical role in the overall performance of the cell, with material choice, processing methods and nature of the structure all having influencing factors5-10. One of the most important requirements for the photoanode is that it needs to have an extremely large surface area. This is achieved through the deposition of nanoparticle materials, commonly TiO21,11. This has been fabricated by countless different processes, however wet coating techniques such as screen-printing and doctor-blading, are still the most popular approach9,12,13.

Inkjet technology is a potential manufacturing route for dye-sensitized solar cells. It uses the movement of a piezoelectric crystal to expel a fixed quantity of liquid through a nozzle onto the desired substrate. This deposition method allows material to be jetted very accurately but also at high frequency with a potentially high print speed or deposition rate. Inkjet technology is sensitive to the viscosity of the ink used and this was previously a barrier to the development of functional inks. Recent work in the development of solvents suitable for ink formulation has helped to alleviate this problem, and printing of electronic components using 2D layered materials such as graphene has been demonstrated14. The viscosity of nanoparticle suspensions such as these has been found to depend on the nanoparticle size and concentration15. High concentrations of nanoparticles result in higher viscosities, therefore particle loadings are usually around 10 wt% to avoid nozzle blockages16, however higher concentrations have been achieved17.

The key advantages of inkjet technology include it being non-contact, additive patterning and maskless18. The latter two attributes are due to the ability to position many nozzles together on one or more printheads, with each nozzle separately addressable by the control software. This allows highly complex, multi-layered patterns to be created very rapidly as the printheads move across the substrate. No masking between materials or layers is required as the position of each ink drop is accurately controlled, in some systems to an accuracy of ~1.5 µm19. One of the key benefits is that inkjet technology is mature, with significant development carried out in the latter half of the twentieth century. The result is that the inkjet is a very scalable technology, with roll-to-roll systems capable of printing accurately onto flexible substrates at rates of many meters per second. Traditionally this was used for high volume production, e.g., newspapers. However, developments in technology have allowed the inkjet to be used in roll-to-roll production of electronic circuits using nanoparticulate silver inks20. The inkjet is therefore an attractive process for the potential production of dye-sensitized solar cells by digital printing.

Protocol

1. גיבוש דיו הערה: ניסוחים דיו לעתים קרובות נשמרים סוד שמור ביותר על ידי היצרנים. טיסות הללו איזון ניסוחים מוצלחים, ושחרר היווצרות, הרטבה והתנהגות ייבוש לצד ביצוע תפקודי. בדרך כלל חומר פונקציונלי מתפזר בתוך ממס ולפחות רכיב אחר אחד כדי לגרום להם jettable. סעיף זה מפרט את הפיתוח של דיו 2 Tio לשימוש בתוך דיו להדפסה. תצווה קטן של דיו הוכן בשיטה הבאה. זהירות: דיו הכנה צריכה להתבצע באזור פרקו כראוי, למשל, מתחת למכסה המנוע קטר, תוך לובש משקפי מגן עיניים וכפפות לטקס. כן בתמיסה מימית 0.1 מ"מ של חומצה הידרוכלורית (HCl) לייצר pH של כ 4. להוסיף 32 גרם של פתרון החומצה עד 8 גרם של חומר ממס תואם נקודת רתיחה גבוהה מתח פנים נמוך יותר מאשר מים (כגון dimethylformamide (DMF)). תוספת של שיתוף solvפעולות אף אוזן גרון כסוכן ייבוש להשפיע על זרימה מחזורית בתוך האגל דיו כפי מתאדה דיו, המוביל בהנפקה אחידה של חלקיקים על פני השטח של רביב 21. הוסף 1.5 גרם של פיזור כתוסף (פתרון פעיל 45% של פרופילן גליקול ו tetramethyl-5-decyne-4,7-דיאול במים). הוסף 10 גר 'אתילן גליקול, כמו humectant כדי למנוע התייבשות על החרירים. הוסף 0.5 גרם של סוכן defoaming (פתרון פעיל 20% של דיאול acetylenic ב methoxypolyethyleneglycol) אל דיו כדי למנוע בועות אוויר מלפתח. בצע בדיקה שייק פשוט על ידי לקיחת aliquot של דיו לתוך מיכל סגור ולנער ביד במשך 60 שניות. אם כל קצף הוא ציין אז להוסיף עוד 0.5 גרם של לחלוקה וקצף לכיבוי סוכן הדיו. מערבבים את הפתרון עבור 8 שעות באמצעות בר בחישה מגנטית על מנת להבטיח אחידות ב RT. הוסף 1.5 גרם של תחמוצת טיטניום (Tio 2) חלקיקים עם גודל חלקיקים עיקרי של 21 ננומטר שטח פנים של35 – 65 מ '2 / g. Sonicate את התערובת באמצעות בדיקה קולי במשך 15 דקות בתדר של 60 הרץ. מדוד את גודל החלקיקים, באמצעות טכניקת מדידה מתאימה כגון פיזור אור דינאמי (DLS) על פי הפרוטוקול של היצרן, על מנת להבטיח כי הם יזרמו בקלות דרך פתחי הנחיר. לבצע מדידות בתנאים זהים (למשל., באותו ממס, pH, ריכוז של פיזור) לשמש הדיו כמו כל רכיב עשוי להשפיע על היווצרות של agglomerates בתוך הדיו. עבור טיסות הללו מוצלחים, החלקיקים בתוך הנוזל צריכים להיות 100 פעמים יותר מאשר פתיחת הנחיר. מדוד את הצמיגות של הדיו, באמצעות טכניקת מדידה מתאימה כגון viscometer סיבוב על פי הפרוטוקול של היצרן, על מנת להבטיח טיסות הללו אמינים מראש ההדפסה כמו דיו להדפסה דורשת דיו צמיגות נמוך של בין 2 ל 20 centipoise (CP). להגדיל את הצמיגות דרך additiעל חומרים פולימריים או חומרים מבוססי תאית; אולם אלה צורך להסירו לאחר בתצהיר כדי לפנות אתרים לצבוע בתוך הסרט מודפס 22. מדוד את מתח הפנים של הדיו, באמצעות טכניקת מדידה מתאימה כגון tensiometer על פי הפרוטוקול של היצרן, על מנת להבטיח טיסות הללו אמינים. הנחיות ניסוח נוזל jettable למדפסות הזרקה דיו להציע מתח פנים בין 28 ו -33 MN / m כדי לאפשר הדפסה אמינה. 2. הדפסת הזרקת דיו לפני ההדפסה, יש להשרות את מצעי הזכוכית בתמיסת 2% WT של ניקוי חומרי ניקוי (תערובת של סוכנים פעילים anionic ואת המשטח שאינו יוני, ייצוב סוכנים, אלקליות, בוני ניקוי שאינו פוספט וסוכני sequestering, בבסיס מימי) ב מים ללא יונים. יש לשטוף את הכוס ביסודיות עם מים ללא יונים ברגע שהם מוסרים מפתרון ניקוי כדי להסיר עקבות של זיהום וניקוי חומר ניקוי. </li> מדוד את האנרגיה פני השטח של המצע, באמצעות טכניקת מדידה מתאימה כגון tensiometer על פי הפרוטוקול של היצרן. לקבלת הידבקות טובה, האנרגיה פני השטח של המצע אינו צריך לעלות על מתח הפנים של הנוזל על ידי יותר מ 10 – 15 MN / m. שנה את האנרגיה פני השטח של המצע באמצעות שיטות כגון קורונה טיפול 23, טיפול פלזמה 24 ותחריט כימי 25 אם זה לא מתאים. טען את המצע לתוך המדפסת על פי הפרוטוקול של היצרן. שטוף את ראש ההדפסה עם הדיו דרך הנמל הממוקם בצד של הראש כדי לתפוס כל פתרון אוויר או ניקוי בתוך המאגר החרירים. הכנס את ראש ההדפסה במדפסת. חבר את ראש ההדפסה עם לוח אישיויות הראש. סנן את דיו דרך מסנן הגודל הנכון רק לפני הטעינה לתוך המחסנית כדי להסיר אגרגטים חלקיקים גדולים שיכול ולסתום את החרירים. הראש ההדפסה המשמשת בעבודה זו יש חרירים בקוטר של 40 מיקרומטר (למשל, Konica KM512.); ולכן די לא יכיל חלקיקים בקוטר יותר מ -400 ננומטר. Pass השעיות באמצעות 5 מיקרומטר, ואחריו מסנן 1.2 מיקרומטר polyvinylidene פלואוריד (PVDF) כדי להסיר כל חלקיקים גדולים. טען את הדיו לתוך מזרק 150 מיליליטר הממוקם מעל ראש ההדפסה, המספק את הדיו בראש ההדפסה. צרף את המכסה האטום על גבי המזרק ולהדליק את משאבת הוואקום. טהר את הדיו דרך החרירים על ידי לחיצה על כפתור 'טיהור' ממוקם על משאבת ואקום. באמצעות מערכת מידע גיאוגרפי שרת הדפסה (GIS), הגדרת הפרמטרים waveform והדפסה. ראוי לציין, כי המדפסת יכולה להדפיס עד למהירות של 1.5 מטרים לשנייה, אולם עבור דיו זה מהירות הדפסה של 0.3 מטרים לשנייה כבר נמצאה לספק ציפוי אופטימלי המשתמש לפתוח GIS תוכנת ממשק לטעון את התבנית הרצויה. יחסי ציבורint מהמחסנית הטעונה על פי הפרוטוקול של היצרן. הסר את המצע מן platen ומחמם סרטים מודפסים ב -150 ºC למשך 30 דקות, ואחריו 250 ºC למשך 30 דקות נוספות או על פלטה חשמלית או בתנור. 3. ניתוח של סרטי המודפסים שימוש במיקרוסקופ אופטי או מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) להסתכל על פני השטח של סרטים מודפסים בהגדלה נמוכה (100X) לנתח את המורפולוגיה פני השטח בהגדלה גדולה (35,000X) לנתח את נקבוביות של סרטים מודפסים. בדוק שהתמונות להראות כיסוי אחיד ללא סדקים נקבוביים טוב. מידע מפורט יותר על מבצע SEM ניתן למצוא את הפניות הבאות 26,27. מדוד את עובי השכבה המודפס, באמצעות טכניקת מדידה מתאימה כגון מאבחן שטח על פי הפרוטוקול של היצרן. העובי הנקבובי של שנינות שכבת 2 TioDSSCs הין להשפיע על כמות צבע שיכול להיספג על פני השטח של החלקיקים, ולפיכך להשפיע על יעילות המרת חשמל הכוללת של התא 18. לכן פרמטר חשוב להעריך. השתמש מאבחן פני שטח (דיוק של 1 ננומטר) כדי למדוד את העובי של הסרטים המודפסים. מדוד את ההעברה של הסרט, באמצעות טכניקת מדידה מתאימה כגון ספקטרופוטומטר אולטרה סגול-גלוי (UV-VIS) כדי לקבוע כמה אור הנראה ישדר דרך הסרט המודפס. השתמש הפרוטוקול של היצרן. 4. הפיכת התא בצע פתרון לצבוע ידי ערבוב 20 מ"ל של אתנול ו -2 מ"ג של צבע רותניום בכוס זכוכית באמצעות בוחש מגנטי עבור 8 שעות. להטביע את זכוכית Tio 2 מצופה בתמיסה ב RT (20 עד 25 מעלות צלזיוס) במשך 24 שעות כדי לאפשר לצבוע לספוג על פני השטח של חלקיקי 2 Tio. הסר את 2 Tio </זכוכית sub> מצופית מהפתרון והמקום על נייר טישו כדי לספוג כל פתרון עודף צבע (עם Tio 2 כלפי מעלה, כדי למנוע זיהום). מניח את 60 מראש לחתוך מיקרומטר spacer איטום תרמופלסטיים העבה על גבי הזכוכית המוליכה, סביב ציפוי 2 Tio. מניח את האלקטרודה דלפק מצופה פלטינה על גבי 60 מראש לחתוך מיקרומטר spacer איטום תרמופלסטיים העבה כדי שהצדדים הפעילים של האנודה ואת הקתודה הם פונים זה לזה. לאפשר מספיק חפיפה בין שתי פיסות זכוכית כך כי מגע חשמלי יכול להתבצע עם זכוכית המוליך. זה צריך חור שנקדח מראש במרכז לאפשר למילוי אלקטרוליט מאוחר יותר. מחממים על פלטה חשמלית לטמפרטורה של 110 C ו- להפעיל לחץ קל באמצעות פינצטה מעל האזור של spacer האיטום. לאחר 30 שניות האלקטרודות צריכים להיות אטומים יחד. למלא את הפער בין שתי אלקטרודות עם אלקטרו יודיד / תלת-יודידLyte ב אצטוניטריל בריכוז של 50 מ"מ, על ידי הזרקת דרך החור שנקדחו מראש בכוס פלטינה מצופה באמצעות מזרק.

Representative Results

דיו 2 Tio גובש על פי ההליך המתואר. הגודל של חלקיקים המרחפים בתוך הדיו נמדד באמצעות פיזור אור דינאמי (DLS) ואת גודל חלקיקים ממוצע של 80 ננומטר (ננומטר) נצפה. הצמיגות של הדיו בעבודה זו נמצא כי 3 CP, נמדד באמצעות viscometer הסיבוב עם מתאם מדגם קטן בקוטר ציר 18 מ"מ. מתח פנים נמדד באמצעות tensiometer ו חושב להיות ממוצע של 26 MN / m. האנרגיה פני זכוכית FTO חושבה על פי התקן האירופי EN 828 לקביעת יכולת רטיבות משטח מוצק על ידי מדידת זווית המגע ואנרגיה חינם שטח. עשר טיפות של שלושה נוזלים שונים (מים, אתילן גליקול ו diiodomethane) הושבתו על משטח חתיכת מבחן מטוס. עבור כל ירידה, זווית המגע שמאל וימין היו measur ed. מתוך קשר עם הזוויות הממוצעות של כל נוזל בשילוב עם מתח הפנים שלה, משטח האנרגיה החופשית של חתיכת המבחן מחושבת. שיטת Fowkes מחשבת את אנרגית פנים הכוללת (γ) מסכום התרומות מאינטראקציות נפיצות (γd) ואינטראקציות נפיצות-γnon (γp). שיטה זו הביאה אנרגיה חופשית השטח של 26.45 MN / m עבור זכוכית מצופה FTO. ההדפסה בוצעה על פי הנוהל לעיל כדי לייצר 5 ריבועים מ"מ. עובי ההשכבה מודפסת על הזכוכית נמדד באמצעות מאבחן פני שטח. העובי המרבי במרכז השכבה המודפסת נמדד להיות 2.6 מיקרומטר. ההעברה של הזכוכית המצופית נמדדה באמצעות ספקטרומטר UV-VIS. באורך גל של 700 ננומטר, העברת 60% נמדדה עבור מודפס סרט 2 Tio לעומת 78% עבור זכוכית FTO. <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page = "1"> מכשירים פוטו יוצרו בהתאם למתווה ההליך הנ"ל ומאופיינת ישירות לאחר ייצור כדי למזער את ההשפעה של השפלה הנגרמת על ידי מים וחמצן באוויר. ישנם חמישה פרמטרי ביצועים חשמליים המשמשים לאפיין ולהשוות תאים סולריים 28. הערכים של זרם קצר (אני SC) ואת מתח מעגל פתוח (OC V) יכולים להיגזר המתח הנוכחי (IV) עקומה. אלה לאחר מכן ניתן להשתמש כדי לקבוע את הגורם מילוי (FF) ויעילות המרה כוח (η). FF נותן יחס של תאי פלט כוח מרבי בפועל על המוצר של מתח המעגל הפתוח לקצר נוכחי 29. זהו פרמטר מרכזי בהערכת הביצועים של תאים סולריים. פרנקים צרפתים גבוהים פירושו פסדים אלקטרוכימיים נמוכים, ואילו FF נמוך מצביע יש מקום לשיפור. מספר גורמים ידועים להשפיע על FF כולל איכות וממשק של שכבות בתוך התא. DSגיל שילוב זוג רדוקס יודיד / triiodide עם יעילות שיא של דו"ח 11.9% למלא גורמי 0.71 30. כל הפרמטרים האלה צריכים להיקבע בתנאי מבחן סטנדרטיים שבו הטמפרטורה המכשירה 25 C, הפצת irradiance הרפאים של האור יש מסת אוויר של 1.5, נמדד irradiance הכולל (מ E) על התאים הסולריים הוא 100 mW / cm 2. המרבית תיאורטית עבור יעילות ההמרה עבור תא צומת pn אחת דווחה בהרחבה כמו 37.7% 31, אולם עבור DSSCs זה דווח כי היעילות מקסימלית קרובה 15.1% עם תחילת קליטה 920 32 ננומטר. זרם הפלט והמתחים נמדדו באמצעות מד מקור תוך התאים היו מוארים עם מקור אור 2 100 mW / cm מצויד במסנן כדי להתאים את חלוקת irradiance ספקטרלי עם מסת אוויר של 1.5. התוצאות הושוו לתאהופק באמצעות שכבת רופא הלהב Tio 2 באמצעות משחה זמינה מסחרי אשר יש תערובת של חלקיקי anatase 20 ננומטר ו -450 ננומטר. השכבה המודפסת הייתה שטח של 0.25 סנטימטר 2 ו עובי ממוצע של 18 מיקרומטר אשר נמדד באמצעות מאבחן פני שטח. מהשוואת הביצועים הפוטואלקטרי בין שני המכשירים מוצגת באיור 1 ולוח 1. מספר מחקרים שבחנו את הקשר בין עובי שכבת Tio 2 ואת יעילות ההמרה בתוך DSSCs. התוצאות להשתנות באופן משמעותי, עם עובי סרט אופטימלית דיווח מכל מקום בין 9.5 מיקרומטר ו 20 מיקרומטר 33-39. טבלת 1 מתאר את העוביים של שכבות המודפסות 2 Tio ואת היעילות. העובי של דיו מודפס Tio 2 הוא פחות משמעותי מאשר הרופא להב 2 Tio, וכתוצאה מכךבתוך יעילות נמוכה. עבודה עתידית לחקור את השימוש קלסרים אורגני בתוך ניסוח הדיו כדי להגדיל את עובי שכבת הראש מודפס. Curves ביצועים איור 1. DSSCs עם ראש מודפס ודוקטור להב Tio 2 שכבות. עקומות נוכחי צפיפות / מתח עבור DSSCs שילוב דיו מודפס שכבת Tio 2 ושכבה 2 הרופא להב טיו. הצפיפות הנוכחית לקצר במכשיר עם הדיו מודפס Tio 2 שכבה נמוכה משמעותי מאשר המכשיר עם רופא שכבת Tio 2 להב וכתוצאה מכך יעילת המרה כוללת נמוכה יותר. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. <tdrowspan = "3"> זרם קצר מתח מעגל פתוח מלאו גורם יְעִילוּת עוֹבִי (mA / 2 ס"מ) (MV) (%) (מיקרומטר) ראש מודפס 9.42 760 0.49 3.5 2.6 דוקטור להב 11 756 0.58 4.8 18 טבלת 1. מאפייני ביצועים מרכזיים של התאים באיור 1. טבלה זו משווה את הפרמטרים העיקריים של התאים הסולריים כוללים מתח מעגל פתוח (OC V), ומזרם קצר (אני SC) הקובעים את היעילות (η) תחת האור שצוין מצב מוצג. הפרמטרים oתא fa הופק באמצעות שכבת Tio 2 רופא להב יש גם נכלל להשוואה. הגורמים המילוי (FF) של שני המכשירים מופעלים נמוכים למדי אשר מיוחס באופן כללי על התנגדות פנימית גבוהה בתוך התא.

Discussion

A particular challenge when formulating inks is the natural tendency for nanoparticles to cluster together. These are known as either aggregates or agglomerates, depending on the nature and strength of the bonds between the particles. The energy of simply stirring particles into water or binder is not great enough to overcome the particle attractive forces preventing the breakup of agglomerates. Ball milling, high shear mixing or ultrasonication are commonly used to break up agglomerated nanoparticles. Various anionic, nonionic, and cationic surfactants and polymers can also be used to provide long-term stabilization. By minimizing the number of these agglomerates, a good quality suspension can be achieved. The fluids should be filtered through the correct size filter just before loading into the cartridge to remove large particle aggregates which can clog the nozzles.

The particle size within the TiO2 layer also has been shown to influence the overall efficiency of DSSCs. The photocatalytic activity of titanium dioxide increases as particle sizes decrease due to an increase in the specific surface area40. A study comparing the efficiency of DSSCs incorporating TiO2 nanoparticles with 5 different sizes ranging from 400 nm to 14 nm and found that those with smaller particle sizes resulted in better electrical conversion efficiencies33.

Inkjet printing is a non-contact deposition technique capable of multi-pass printing. This presents the unique opportunity to rapidly fabricate multilayer devices in one operation on a wide range of substrates with minimal material waste. It also potentially provides a way to integrate other components (such as batteries) into the system through the printing of functional materials41. Although the representative results shown for the inkjet printed devices do not perform as well as the doctor-bladed devices, it demonstrates the potential for the deposition technique. With further ink optimization, it could perform on a comparable level to currently used methods and may provide further scope for cost-effective, environmentally friendly integration of photovoltaic cells onto a wide range of substrates. We hope to improve the efficiency of the inkjet printed devices by increasing the thickness of the printed layer closer to that of the doctor-bladed TiO2 and will continue to look at the printing of other materials and layers within DSSCs.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

מחקר זה מתבצע בתודה בתמיכת הנדסה המדעים הפיזיקליים המועצה למחקר (EPSRC) במימון באמצעות מענק דוקטורט. גישה להרחיב בעיבוד חיובי מאמר (נגמ"שים) מומנו על ידי מחקר המועצות בבריטניה (RCUK). כל הנתונים מסופק במלואו בסעיף התוצאות של נייר. נציג התוצאות פורסמו בעבר על ידי המחברים 42.

ברצוננו להודות לד"ר Senthilarasu Sundaram מאוניברסיטת אקסטר על עזרתו באפיון הביצועים החשמליים של התאים.

Materials

Titanium dioxide Sigma Aldrich 718467
Deionized water  Supplied from a filter in the laboratory
Hydrochloric acid, 2M(2N)  Fisher Scientific J/4250/17
Dimethylformamide (DMF) Fisher Scientific D/3840/08
Ethanol VWR Chemicals 20721.33
Dispersing additive  Air Products
Defoaming agent Air Products
Ethylene glycol Fluka 107-21-1
Polyvinylidene fluoride (PVDF) syringe filter VWR International
Cleaning detergent  Fisher Scientific 10335650
Fluorine doped tin oxide (FTO) glass, 8 Ω/sq Pilkington
Ruthenizer dye Solaronix 21613
Pre-cut 60 µm thick thermoplastic sealing film  Solaronix 74301
50 mM iodide/tri-iodide electrolyte  in acetonitrile Solaronix 31111
Platinum coated FTO glass  Solaronix 74201
Vac'n'Fill Syringe Solaronix 65209
Polyimide tape (6.35 mm) Onecall Farnell 1676087
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Docampo, P., et al. Lessons Learned: From Dye-Sensitized Solar Cells to All-Solid-State Hybrid Devices. Adv. Mater. 26, 4013-4030 (2014).
  2. Hudd, A., Magdassi, S. . The Chemistry of Inkjet Inks. , 3-18 (2009).
  3. Krebs, F. C. Fabrication and processing of polymer solar cells: A review of printing and coating. Sol. Energ. Mat. Sol. Cells. 93, 394-412 (2009).
  4. Reddy, P. J. . Solar Power Generation: Technology, New Concepts & Policy. , (2012).
  5. Gemeiner, P., Mikula, M. . Acta. Chem. Slov. 6, 29 (2013).
  6. Xue, Z., Jiang, C., Wang, L., Liu, W., Liu, B. Fabrication of Flexible Plastic Solid-State Dye-Sensitized Solar Cells Using Low Temperature Techniques. J. Phys. Chem. C. 118, 16352-16357 (2014).
  7. Oh, Y., Yoon, H. G., Lee, S. -. N., Kim, H. -. K., Kim, J. Inkjet-Printing of TiO2 Co-Solvent Ink: From Uniform Ink-Droplet to TiO2 Photoelectrode for Dye-Sensitized Solar Cells. J. Electrochem. Soc. 159, 34-38 (2011).
  8. Lin, L. -. Y., et al. Low-temperature flexible Ti/TiO2 photoanode for dye-sensitized solar cells with binder-free TiO2 paste. Prog. Photovolt. Res. Appl. 20, 181-190 (2012).
  9. Gong, J., Liang, J., Sumathy, K. Review on dye-sensitized solar cells (DSSCs): Fundamental concepts and novel materials. Renew. Sustainable Energy Rev. 16, 5848-5860 (2012).
  10. Bosch-Jimenez, P., Yu, Y., Lira-Cantu, M., Domingo, C., Ayllòn, J. A. Solution processable titanium dioxide precursor and nanoparticulated ink: Application in Dye Sensitized Solar Cells. J Colloid Interf Sci. 416, 112-118 (2014).
  11. Jose, R., Thavasi, V., Ramakrishna, S. Metal Oxides for Dye-Sensitized Solar Cells. J. Am. Ceram. Soc. 92, 289-301 (2009).
  12. Gemeiner, P., Mikula, M. Efficiency of dye sensitized solar cells with various compositions of TiO2 based screen printed photoactive electrodes. Acta. Chem. Slov. 6, 29-34 (2013).
  13. Lee, K. E., Charbonneau, C., Demopoulos, G. P. Thin single screen-printed bifunctional titania layer photoanodes for high performing DSSCs via a novel hybrid paste formulation and process. J. Mater. Res. 28, 480-487 (2013).
  14. Li, J., Lemme, M. C., östling, M. Inkjet Printing of 2D Layered Materials. ChemPhysChem. 15, 3427-3434 (2014).
  15. Rudyak, V. Y., Krasnolutskii, S. L. Dependence of the viscosity of nanofluids on nanoparticle size and material. Phys. Lett. A. 378, 1845-1849 (2014).
  16. Dispoto, G., Moroney, N., Hanson, E., Meyer, J. D., Allen, R. R. . Color Desktop Printer Technology Optical Science and Engineering. , 111-155 (2006).
  17. Hsien-Hsueh, L., Kan-Sen, C., Kuo-Cheng, H. Inkjet printing of nanosized silver colloids. Nanotechnology. 16, 2436 (2005).
  18. Singh, M., Haverinen, H. M., Dhagat, P., Jabbour, G. E. Inkjet Printing: Inkjet Printing-Process and Its Applications. Adv. Mater. 22, 673-685 (2010).
  19. Stüwe, D., Mager, D., Biro, D., Korvink, J. G. Inkjet Technology for Crystalline Silicon Photovoltaics. Adv. Mater. 27, 599-626 (2015).
  20. Perelaer, J., et al. Roll-to-Roll Compatible Sintering of Inkjet Printed Features by Photonic and Microwave Exposure: From Non-Conductive Ink to 40% Bulk Silver Conductivity in Less Than 15 Seconds. Adv. Mater. 24, 2620-2625 (2012).
  21. Hwang, M. -. s., Jeong, B. -. y., Moon, J., Chun, S. -. K., Kim, J. Inkjet-printing of indium tin oxide (ITO) films for transparent conducting electrodes. Mat. Sci. Eng. B. 176, 1128-1131 (2011).
  22. Hara, K., Arakawa, H. . Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. , 663-700 (2003).
  23. Ryu, J., Wakida, T., Takagishi, T. Effect of Corona Discharge on the Surface of Wool and Its Application to Printing. Text. Res. J. 61, 595-601 (1991).
  24. Yang, L., Chen, J., Guo, Y., Zhang, Z. Surface modification of a biomedical polyethylene terephthalate (PET) by air plasma. Appl. Surf. Sci. 255, 4446-4451 (2009).
  25. Qian, B., Shen, Z. Fabrication of Superhydrophobic Surfaces by Dislocation-Selective Chemical Etching on Aluminum, Copper, and Zinc Substrates. J. Am. Chem. Soc. 21, 9007-9009 (2005).
  26. Echlin, P. . Handbook of Sample Preparation for Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. , (2011).
  27. Flegler, S. L., Heckman, J. W., Klomparens, K. L. . Scanning and Transmission Electron Microscopy: An Introduction. , (1993).
  28. O’Donnell, M. Z. R. How To Minimize Measurement Errors In Solar Cell Testing. Solar Industry Magazine. , (2011).
  29. Grätzel, M. Dye-sensitized solar cells. J. Photochem. Photobiol. C: Photochem. Rev. 4, 145-153 (2003).
  30. Green, M. A., Emery, K., Hishikawa, Y., Warta, W., Dunlop, E. D. Solar cell efficiency tables (version 46). Prog. Photovolt. Res. Appl. 23, 805-812 (2015).
  31. Shockley, W., Queisser, H. J. Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells. J. Appl. Phys. 32, 510-519 (1961).
  32. Snaith, H. J. Estimating the Maximum Attainable Efficiency in Dye-Sensitized Solar Cells. Adv. Funct. Mater. 20, 13-19 (2010).
  33. Jeng, M. -. J., Wung, Y. -. L., Chang, L. -. B., Chow, L. Particle Size Effects of TiO2 Layers on the Solar Efficiency of Dye-Sensitized Solar Cells. Int. J. Photoenergy. 2013, 9 (2013).
  34. Song-Yuan, D., Kong-Jia, W. Optimum Nanoporous TiO2 Film and Its Application to Dye-sensitized Solar Cells. Chin. Phys. Lett. 20, 953-955 (2002).
  35. Baglio, V., Girolamo, M., Antonucci, V., Aricò, A. S. Influence of TiO2 Film Thickness on the Electrochemical Behaviour of Dye-Sensitized Solar Cells. Int. J. Electrochem. Sci. 6, 3375-3384 (2011).
  36. Ito, S., et al. High-Efficiency Organic-Dye- Sensitized Solar Cells Controlled by Nanocrystalline-TiO2 Electrode Thickness. Adv. Mater. 18, 1202-1205 (2006).
  37. Ito, S., Kalyanasundaram, K. . Dye sensitized solar cells. , 251-266 (2010).
  38. Tsai, J., Hsu, W., Wu, T., Meen, T., Chong, W. Effect of compressed TiO2 nanoparticle thin film thickness on the performance of dye-sensitized solar cells. Nanoscale Res Lett. 8, 1-6 (2013).
  39. Shin, I., et al. Analysis of TiO2 thickness effect on characteristic of a dye-sensitized solar cell by using electrochemical impedance spectroscopy. Curr. Appl. Phys. 10, 422-424 (2010).
  40. Brus, L. Electronic wave functions in semiconductor clusters: experiment and theory. J. Phys. Chem. 90, 2555-2560 (1986).
  41. Jung, S., et al. All-Inkjet-Printed, All-Air-Processed Solar Cells. Adv Energy Mater. 4, 1-9 (2014).
  42. Cherrington, R., Hughes, D. J., Senthilarasu, S., Goodship, V. Inkjet-Printed TiO2 Nanoparticles from Aqueous Solutions for Dye-Sensitized Solar Cells (DSSCs). Energy Technology. 3, (2015).

Tags

Titanium DioxideDye Sensitized Solar CellsInkjet PrintingInk FormulationDispersing AdditivesHumectantsDefoaming AgentsNanoparticlesSubstrate PreparationFiltration

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Cherrington, R., Wood, B. M., Salaoru, I., Goodship, V. Digital Printing of Titanium Dioxide for Dye Sensitized Solar Cells. J. Vis. Exp. (111), e53963, doi:10.3791/53963 (2016).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image