Elektrospinnen von photokatalytischen Elektroden für farbstoffsensibilisierte Solarzellen

Dye-sensibilisierte Solarzellen (DSSCs) sind eine interessante Alternative zu Silizium-Solarzellen ¹ dank ihrer geringen Kosten, dem relativ einfachen Herstellungsprozess und der Leichtigkeit der Großproduktion. Ein weiterer Vorteil ist ihr Potenzial, in flexible Substrate eingebaut zu werden, ein deutlicher Vorteil gegenüber Silizium-Solarzellen ² . Ein typischer DSSC nutzt: (1) ein mit einem Farbstoff sensibilisierter nanopartikulärer TiO ₂ -Analanode als lichtgewachsene Schicht; (2) eine Pt-beschichtete FTO, die als Gegenelektrode verwendet wird; Und (3) einen Elektrolyten, der ein Redoxpaar wie I ^– / I ₃ ^{– enthält} , das zwischen den beiden Elektroden angeordnet ist und als "lochleitendes Medium" arbeitet.

Obwohl DSSCs Wirkungsgrade von 15% ³ übertroffen haben, wird die Leistung von Nanopartikel-basierten Photoanoden immer noch durch eine Reihe von Einschränkungen behindert, einschließlich langsamer ElektronenmobilisierungY ⁴ , schlechte Absorption von niederenergetischen Photonen ⁵ und Ladungsrekombination ⁶ . Der Elektronensammelwirkungsgrad hängt stark von der Geschwindigkeit des Elektronentransports durch die TiO ₂ -Nanopartikelschicht ab. Wenn die Ladungsdiffusion langsam ist, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit der Rekombination mit I ₃ ^– in der Elektrolytlösung, was zu einem Verlust an Effizienz führt.

Es wurde gezeigt, dass das Ersetzen von nanopartikulärem TiO ₂ mit eindimensionalen (1D) TiO ₂ -Nanoarchitekturen den Ladungstransport durch Verringerung der Streuung von freien Elektronen aus den Korngrenzen der miteinander verbundenen TiO ₂ -Nanopartikel ⁷ verbessern kann. Da 1D-Nanostrukturen einen direkteren Weg zur Ladungssammlung bieten, können wir erwarten, dass der Elektronentransport in Nanofasern (NFs) deutlich schneller als in Nanopartikeln ^{8 ,} </sup> ⁹

Das Elektrospinnen ist eines der am häufigsten verwendeten Verfahren zur Herstellung von Fasermaterialien mit Submikrometer-Durchmessern ¹⁰ . Diese Technik beinhaltet die Verwendung von Hochspannung, um den Ausstoß eines Polymerlösungsstrahls durch eine Spinndüse zu induzieren. Aufgrund der Biegeinstabilität wird dieser Strahl anschließend oftmals zu kontinuierlichen Nanofasern gedehnt. In den letzten Jahren wurde diese Technik weitgehend zur Herstellung von polymeren und anorganischen Materialien verwendet, die für zahlreiche und vielfältige Anwendungen wie Tissue Engineering ¹¹ , Katalyse ¹² und als Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien ¹³ und Superkondensatoren verwendet wurden.

Die Verwendung von elektrogesponnenen TiO ₂ -NFs als Streuschicht in der Photoanode kann die Leistung von DSSCs erhöhen. Allerdings photoanodes mit nanofibroUns Architekturen neigen dazu, eine schlechte Farbstoffabsorption aufgrund von Oberflächenbeschränkungen zu haben. Eine der möglichen Lösungen, um dies zu überwinden, besteht darin, NFs und Nanopartikel zu mischen. Es wurde gezeigt, dass sich zusätzliche Streuschichten ergeben, wodurch die Lichtabsorption und der Gesamtwirkungsgrad verbessert werden.

Das in diesem Video präsentierte Protokoll bietet ein einfaches Verfahren zur Synthese von ultralong-TiO ₂ -Nanofasern durch eine Kombination von Elektrospinn- und Sol-Gel-Techniken, gefolgt von einem Kalzinierungsverfahren. Das Protokoll veranschaulicht dann die Verwendung der TiO ₂ -NFs in Kombination mit nanopartikulärem TiO ₂ für die Herstellung eines zweischichtigen Photoanodes mit verbesserter Lichtstreuungsfähigkeit unter Verwendung von Rakeltechniken sowie die anschließende Montage eines DSSC unter Verwendung eines solchen Photoanode