Elektrospinning van fotokatalytische elektroden voor kleurstofgevoeligte zonnecellen

Kleurstofgevoelige zonnecellen (DSSC's) zijn een interessant alternatief voor silicium-gebaseerde zonnecellen ¹ dankzij hun lage kosten, relatief eenvoudig productieproces en het gemak van grootschalige productie. Een ander voordeel is hun potentie om in flexibele ondergronden te worden opgenomen, een duidelijk voordeel ten opzichte van silicium gebaseerde zonnecellen ² . Een typisch DSSC maakt gebruik van: (1) een nanoparticulaire TiO ₂ fotoanode, gevoelig met een kleurstof, als een lichtopnamende laag; (2) een Pt-gecoate FTO, gebruikt als een tellerelektrode; En (3) een elektrolyt die een redoxpaar, zoals I ^– / I ₃ ^– , tussen de twee elektroden bevindt, werkt als een "gatgeleidend medium".

Hoewel DSSC's de efficiëntie van 15% ³ hebben overschreden, wordt de prestatie van fotoanodes op nanodeeltjesbasis nog steeds belemmerd door een aantal beperkingen, waaronder langzame elektronen mobiliteitY ⁴ , slechte absorptie van low-energy fotonen ⁵ , en recombinatie laden ⁶ . De efficiëntie van de elektronenverzameling hangt sterk af van de snelheid van elektronenvervoer door de TiO ₂ nanodeeltjeslaag. Als de ladingdiffusie langzaam is, neemt de kans op recombinatie met I ₃ ^– in de elektrolytoplossing toe, wat resulteert in een efficiëntieverlies.

Er is aangetoond dat het vervangen van nanoparticulaire TiO ₂ met een-dimensionale (1D) TiO ₂ nanoarchitecturen het ladingsvervoer kan verbeteren door de verspreiding van vrije elektronen uit de graangrenzen van de onderling verbonden TiO ₂ nanodeeltjes ^{7 te verminderen} . Aangezien 1D-nanostructuren een meer directe weg bieden voor ladingverzameling, kunnen we verwachten dat electronransport in nanofibers (NF's) aanzienlijk sneller zou zijn dan in nanodeeltjes ^{8 ,} </sup> ⁹ .

Electrospinning is een van de meest gebruikte methoden voor de fabricage van vezelige materialen met sub-micron diameters ¹⁰ . Deze techniek houdt in dat het gebruik van hoogspanning de uitstraling van een polymeeroplossingsstraal door een spinnetje veroorzaakt. Vanwege de buiginstabiliteit wordt deze straal vele malen uitgerekt om continue nanofibers te vormen. In de afgelopen jaren is deze techniek extensief gebruikt voor het vervaardigen van polymere en anorganische materialen die zijn gebruikt voor talrijke en diverse toepassingen, zoals weefseltechniek ¹¹ , katalyse ¹² en als elektrode materialen voor lithium-ion batterijen ¹³ en supercapacitors ¹⁴ .

Het gebruik van elektrospun TiO ₂ -NFs als de verstrooiingslaag in de fotoanode kan de prestaties van DSSC's verhogen. Echter, fotoanodes met nanofibroOnze architecturen hebben vaak een slechte kleurstofabsorptie door de beperking van het oppervlak. Een van de mogelijke oplossingen om dit te overwinnen is het mengen van NF's en nanodeeltjes. Dit blijkt te resulteren in extra verstrooiingslagen, waardoor lichtabsorptie en algemene efficiëntie ^{15 worden verbeterd} .

Het protocol dat in deze video wordt gepresenteerd, biedt een eenvoudige methode om ultralong TiO ₂ nanofibers te synthetiseren door middel van een combinatie van elektrospinning en sol-gel technieken, gevolgd door een calcineringsproces. Het protocol illustreert dan het gebruik van de Ti02 -NF's in combinatie met nanoparticulaire TiO2 voor de fabricage van een dubbele laagfotoanode met verbeterde lichtverstrooiingsvermogen met behulp van technieken voor het blazen van een arts, alsmede de daaropvolgende montage van een DSSC met behulp van een dergelijke fotoanode.