Electropinning של אלקטרודות photatalalytic עבור תאים סולריים רגישים צבען
Summary
המטרה הכוללת של פרויקט זה היתה להשתמש electrospinning כדי לפברק photanode עם ביצועים משופרים עבור תאים סולריים רגישים צבע.
Abstract
עבודה זו מדגימה פרוטוקול כדי לפברק photanode מבוסס סיבים עבור תאים סולריים רגישים צבע, המורכב שכבת אור פיזור עשוי Nanosibers דו תחמוצת טיטניום דו חמצני (TiO 2- NFs) על גבי שכבת חסימה עשוי טיטניום דו חמצני זמין מסחרית חלקיקים (TiO 2- NPs). זו מושגת על ידי הראשון electrospinning פתרון של טיטניום (IV) butoxide, polyvinylpyrrolidone (PVP), וחומצה אצטית קרחוני באתנול כדי להשיג PVP מרוכבים / TiO 2 ננו. אלה הם calcined אז ב 500 מעלות צלזיוס כדי להסיר את PVP ו להשיג טהור בשלב anatase טיטניה nanofibers. חומר זה מאופיין באמצעות סריקת מיקרוסקופ אלקטרונים (SEM) ו אבקת קרני X עקיפה (XRD). Photanode הוא הכין הראשון על ידי יצירת שכבת חסימה באמצעות בתצהיר של TIO 2- NPs / slurry טרפינול על פלואור מסומל בדיל תחמוצת (FTO) שקופית זכוכית באמצעות טכניקות הרופא blading. טיפול תרמי לאחר מכןמבוצעת ב 500 ° C. לאחר מכן, שכבת האור פיזור נוצרת על ידי הפקדת טיו 2 -NFs / slurry טרפינול על השקופית אותו, תוך שימוש באותה טכניקה, calcinating שוב ב 500 מעלות צלזיוס. הביצועים של photanode נבדק על ידי בודה תא סולרי רגיש לצבוע ומדידת היעילות שלה דרך עקומות JV תחת מגוון של צפיפות אור האירוע, מ 0.25-1 השמש.
Introduction
Dye-sensitized תאים סולריים (DSSCs) הם חלופה מעניינת סיליקון מבוססי תאים סולריים 1 הודות עלות נמוכה שלהם, תהליך הייצור פשוט יחסית, וקלות הייצור בקנה מידה גדול. יתרון נוסף הוא הפוטנציאל שלהם להיות משולב לתוך מצעים גמישים, יתרון מובהק על פני תאים סולריים מבוססי סיליקון 2 . A DSSC טיפוסי מנצל: (1) nanoparticulate TIO 2 photanode, רגיש עם צבע, כמו שכבת קצירת אור; (2) FT מצופים FTO, המשמש אלקטרודה נגד; ו (3) אלקטרוליט המכיל זוג החזר, כגון אני – אני 3 – , ממוקם בין שתי האלקטרודות, עובד כמו "מוליך חור".
למרות DSSCs יש surpassed היעילות של 15% 3 , הביצועים של photanodes מבוססי nanoparticle עדיין עוכבו על ידי מספר מגבלות, כולל המיליט אלקטרונים איטיY 4 , ספיגה גרועה של פוטונים אנרגיה נמוכה 5 , ו recombination תשלום 6 . יעילות האלקטרון אוסף מאוד תלוי בשיעור של התחבורה אלקטרונים דרך שכבת TiO 2 ננו. אם דיפוזיה החיוב הוא איטי, ההסתברות של רקומבינציה עם I 3 – בפתרון אלקטרוליטים מגביר, וכתוצאה מכך אובדן יעילות.
הוכח כי החלפת nanoparticulate Tio 2 עם חד מימדי (1D) Tano 2 nanoarchitectures יכול לשפר את התחבורה תשלום על ידי הפחתת פיזור של אלקטרונים חופשיים מגבולות התבואה של חלקיקי טאו 2 מחוברים. כמו ננו 1D לספק מסלול ישיר יותר עבור איסוף תשלום, אנו יכולים לצפות כי התחבורה האלקטרונית ב nanofibers (NFs) יהיה מהיר יותר באופן משמעותי מאשר חלקיקים 8 , </sup> 9 .
Electrospinning היא אחת השיטות הנפוצות ביותר עבור ייצור של חומרים סיביים עם בקוטר משנה מיקרון 10 . טכניקה זו כוללת את השימוש של מתח גבוה כדי לעורר את פליטה של סילון פולימר פתרון דרך spinneret. בשל חוסר יציבות כיפוף, מטוס זה הוא נמתח לאחר מכן פעמים רבות כדי ליצור nanofibers רציפה. בשנים האחרונות, טכניקה זו כבר בשימוש נרחב כדי לפברק חומרים פולימריים ואנאורגניים, אשר שימשו עבור יישומים רבים ומגוונים, כגון הנדסת רקמות 11 , קטליזה 12 , כמו חומרים אלקטרודה עבור סוללות ליתיום יון 13 ו supercacitors 14 .
השימוש electrospun TiO 2- NFs כמו שכבת פיזור photanode יכול להגדיל את הביצועים של DSSCs. עם זאת, Photanodes עם nanofibroארכיטקטורות לנו נוטים להיות קליטת צבע לקוי בשל מגבלות שטח הפנים. אחד הפתרונות האפשריים להתגבר על זה הוא לערבב NFs וחלקיקים. זה הוכח לגרום לשכבות פיזור נוספות, שיפור ספיגת האור ואת היעילות הכוללת 15 .
הפרוטוקול המוצג בסרטון זה מספק שיטה גמישה כדי לסנתז ultralong TiO 2 nanofibers באמצעות שילוב של electrospinning ו סול ג 'ל טכניקות, ואחריו תהליך calcination. הפרוטוקול ואז ממחיש את השימוש של TIO 2- TNs בשילוב עם nanoparticulate TiO 2 עבור ייצור של photanode שכבה כפולה עם יכולת משופר פיזור אור באמצעות טכניקות Blading הרופא, כמו גם את ההרכבה הבאים של DSSC באמצעות כזה .
Protocol
Representative Results
Discussion
השיטות המוצגות בעבודה זו מתארות את ייצור של photanodes nanofibrous יעיל עבור התקנים photocatalytic כגון DSSCs. Electrospinning היא טכניקה מאוד תכליתי עבור ייצור של nanofibers, אבל רמה מסוימת של מיומנות וידע נדרש להשיג חומרים עם מורפולוגיות אופטימלי. אחד ההיבטים הקריטיים ביותר כדי להשיג nanofibers טוב הו…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
למחברים אין תודות.
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).
