إلكتروسبينينغ من أقطاب تحفيز ضوئي للخلايا الشمسية توعية صبغ
Summary
وكان الهدف العام من هذا المشروع هو استخدام الكهربي لتصنيع فوتوانود مع تحسين الأداء للخلايا الشمسية توعية الصبغة.
Abstract
ويوضح هذا العمل بروتوكولا لتصنيع فوتوانود قائم على الألياف للخلايا الشمسية المحسوبة بالصباغة ويتكون من طبقة نثرية خفيفة مصنوعة من ألياف نانوية ثاني أكسيد التيتانيوم إليكتروسبون (تيو 2 -NFs) فوق طبقة حجب مصنوعة من ثاني أكسيد التيتانيوم المتاح تجاريا الجسيمات النانوية (تيو 2 -NPs). ويتحقق ذلك من خلال أول إليكتروسبينينغ حل من التيتانيوم (إيف) بوتوكسيد، بوليفينيلبيروليدون (بب)، وحامض الخليك الجليدي في الإيثانول للحصول على مركب بب / تيو 2 نانوفيبر. ثم يتم تكلس هذه عند 500 درجة مئوية لإزالة حماية الأصناف النباتية والحصول على نقية أناتاس المرحلة نانوفيبرز تيتانيا. وتتميز هذه المواد باستخدام المجهر الإلكتروني المسح (سيم) ومسحوق حيود الأشعة السينية (زرد). يتم إعداد فوتوانود من قبل أولا إنشاء طبقة حجب من خلال ترسب تيو 2 -NPs / الطين التربينيول على الفلور مخدر أكسيد القصدير (فتو) الشريحة الزجاجية باستخدام تقنيات بلادينغ الطبيب. المعالجة الحرارية اللاحقةفي 500 درجة مئوية. ثم يتم تشكيل طبقة نثر الضوء عن طريق إيداع الطين تيو 2 -NFs / تيربينول على نفس الشريحة، وذلك باستخدام نفس التقنية، وتكلس مرة أخرى عند 500 درجة مئوية. يتم اختبار أداء فوتوانود عن طريق تلفيق الخلايا الشمسية توعية صبغة وقياس كفاءتها من خلال منحنيات جف تحت مجموعة من كثافة الضوء الحادث، من 0.25-1 الشمس.
Introduction
الخلايا الشمسية الصبغية (دسس) هي بديل مثير للاهتمام للخلايا الشمسية القائمة على السيليكون 1 بفضل التكلفة المنخفضة، عملية التصنيع بسيطة نسبيا، وسهولة الإنتاج على نطاق واسع. فائدة أخرى هي إمكاناتها لإدراجها في ركائز مرنة، ميزة واضحة على الخلايا الشمسية القائمة على السيليكون 2 . دسك نموذجي يستخدم: (1) نانوبارتيكولات تيو 2 فوتوانود، توعية مع صبغة، كطبقة الحصاد الخفيفة. (2) فتو المغلفة بت، وتستخدم كقطب مضاد. و (3) بالكهرباء التي تحتوي على زوجين الأكسدة، مثل I – / I 3 – ، وضعت بين القطبين، والعمل ك "المتوسطة حفرة إجراء".
على الرغم من أن دسس قد تجاوزت الكفاءة من 15٪ 3 ، وأداء فوتوانوديس القائم على الجسيمات النانوية لا يزال لا يزال يعوقها عدد من القيود، بما في ذلك بطيئة الإلكترونذ 4 ، وسوء امتصاص الفوتونات منخفضة الطاقة 5 ، وإعادة شحن تهمة 6 . وتعتمد كفاءة جمع الإلكترونات بقوة على معدل نقل الإلكترون عبر طبقة الجسيمات النانوية تيو 2 . إذا كان نشر التهمة بطيئة، واحتمال إعادة التركيب مع I 3 – في حل بالكهرباء يزيد، مما أدى إلى فقدان الكفاءة.
وقد تبين أن استبدال نانوبارتيكولات تيو 2 مع أحادي البعد (1D) تيو 2 نانارشيتتوريس يمكن أن تحسن نقل المسؤول عن طريق الحد من تشتت الإلكترونات الحرة من حدود الحبوب من الجسيمات النانوية تيو 2 المترابطة 7 . كما توفر النانو 1D مسار أكثر مباشرة لجمع تهمة، يمكننا أن نتوقع أن النقل الإلكترون في ألياف النانو (نفس) سيكون أسرع بكثير مما كانت عليه في الجسيمات النانوية 8 ، </sup> 9 .
إليكتروسبينينغ هي واحدة من الطرق الأكثر شيوعا لتصنيع المواد الليفية مع ميكرون الفرعية أقطار 10 . هذه التقنية تنطوي على استخدام الجهد العالي للحث على طرد طائرة حل البوليمر من خلال سبينريت. بسبب الانحناء الانحناء، وتمتد هذه الطائرة في وقت لاحق عدة مرات لتشكيل ألياف النانو المستمر. في السنوات الأخيرة، وقد استخدمت هذه التقنية على نطاق واسع لتصنيع المواد البوليمرية وغير العضوية، والتي تم استخدامها لتطبيقات عديدة ومتنوعة، مثل هندسة الأنسجة 11 ، الحفز 12 ، والمواد القطب لبطاريات ليثيوم أيون 13 والمكثفات الفائقة 14 .
استخدام إليكتروسبون تيو 2 -NFs كطبقة نثر في فوتوانود يمكن أن تزيد من أداء دسس. ومع ذلك، فوتوانوديس مع نانوفيبرولنا الأبنية تميل إلى أن يكون امتصاص الصبغة الفقيرة بسبب القيود مساحة السطح. واحدة من الحلول الممكنة للتغلب على هذا هو خلط نفس والجسيمات النانوية. وقد تبين أن هذا يؤدي إلى طبقات تشتت إضافية، وتحسين امتصاص الضوء والكفاءة الكلية 15 .
بروتوكول المقدمة في هذا الفيديو يوفر طريقة سهلة لتجميع أولترالونغ تيانو 2 النانوية من خلال مزيج من إليكتروسبينينغ وتقنيات سول هلام، تليها عملية التكليس. بروتوكول يوضح بعد ذلك استخدام تيو 2 -NFs في تركيبة مع تيان 2 نانوبارتيكولات لتصنيع فوتوانود طبقة مزدوجة مع تعزيز قدرة الضوء تشتت باستخدام تقنيات بلادينغ الطبيب، فضلا عن التجمع اللاحق من دسك باستخدام مثل هذا photoanode.
Protocol
Representative Results
Discussion
الطرق المعروضة في هذا العمل تصف تلفيق فوتوانوديس نانوفيبروز فعالة للأجهزة تحفيز ضوئي مثل دسس. إليكتروسبينينغ هو تقنية متعددة جدا لتصنيع ألياف النانو، ولكن هناك حاجة إلى مستوى معين من المهارة والمعرفة للحصول على المواد مع مورفولوجيز الأمثل. واحدة من أهم الجوانب للح?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
المؤلفين ليس لديهم اعترافات.
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 |
References
- 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).
