Boya Duyarlılaştırılmış Güneş Pilleri için Fotokatalitik Elektrotların Elektrospinning
Summary
Bu projenin genel amacı, boya hassas güneş pilleri için geliştirilmiş performansa sahip bir foto-anot üretmek için elektrospinning kullanmaktı.
Abstract
Bu çalışma, piyasaya sürülen titanyum dioksitten imal edilmiş bir bloke edici tabaka üzerine, elektrospun titanyum dioksit nanofiberlerden (Ti02-NFs) yapılmış bir ışık saçılım tabakasından oluşan, boya duyarlılaştırılmış güneş pilleri için bir fiber esaslı foto-anot imal etmek için bir protokolü göstermektedir Nanopartiküller (Ti02-NP). Bu, kompozit PVP / TiO2 nanofiber elde etmek için etanol içinde titanyum (IV) bütoksit, polivinilpirolidon (PVP) ve buzlu asetik asit solüsyonu ilk önce elektrospinleme ile elde edilir. Bunlar daha sonra PVP'yi çıkarmak ve saf anataz-faz titania nanofiberleri elde etmek için 500 ° C'de kalsine edilir. Bu malzeme, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve toz X-ışını kırınımı (XRD) kullanılarak karakterize edilmiştir. Fotoelektron, öncelikle, bir flor katkılı teneke oksit (FTO) cam slayt üzerinde dıf kıvırma teknikleri kullanılarak bir Ti02-NP / terpinol bulamacıyla bir blokaj tabakası oluşturarak hazırlanır. Sonraki bir ısıl işlem500 ° C'de gerçekleştirilir. Ardından, ışık saçma tabakası aynı teknede bir Ti02-NFs / terpineol bulamacının aynı kayma üzerine çökeltilmesi ve tekrar 500 ° C'de kalsinasyon ile oluşturulmuştur. Fotonodun performansı, bir boya duyarlılaştırılmış güneş pilinin imalatı ve 0.25-1 Güneş'ten gelen bir dizi ışık yoğunluğu aralığında JV eğrileri aracılığıyla verimliliğini ölçerek test edilir.
Introduction
Boya hassaslaştırılmış güneş pilleri (DSSC), düşük maliyetli, nispeten basit üretim prosesi ve büyük ölçekli üretim kolaylığı sayesinde silikon esaslı güneş pilleri 1 için ilginç bir alternatiftir. Bir başka yararı ise, esnek alt tabakalara dahil olma potansiyelleri, silikon esaslı güneş pilleri 2'ye kıyasla belirgin bir avantaj. Tipik bir DSSC aşağıdakileri kullanır: (1) bir ışıkla hasat tabakası olarak bir boya ile duyarlılaştırılmış bir nanopartikülat Ti02 foto-anodu; (2) bir karşı elektrot olarak kullanılan bir Pt kaplı FTO; Ve (3) iki elektrot arasına yerleştirilen, bir "delik ileten ortam" olarak çalışan, I – / I3 gibi bir redoks çiftini içeren bir elektrolit.
DSSC'ler% 15'lik etkinlikleri aştıysa da, nanopartikül bazlı foto-anotların performansı halen yavaş elektron mobilitesi de dahil olmak üzere bir dizi kısıtlamayla engellenmektedirY 4 , düşük enerjili fotonların zayıf emilimi 5 ve şarj rekombinasyonu 6 . Elektron toplama verimi, TiO 2 nanopartikül katmanı boyunca elektron taşıma hızına büyük oranda bağlıdır. Yük difüzyonu yavaşsa, elektrolit çözeltisindeki I3 ile rekombinasyon olasılığı artmakta ve verimlilik kaybına neden olmaktadır.
Nanopartikülatlı TiO2'nin bir boyutlu (1D) TiO2 nano-mimarileri ile değiştirilmesinin, serbest elektronların birbirine bağlı TiO2 nanopartiküllerinin 7 tane sınırlarından saçılmasını azaltarak yük naklini geliştirebileceği gösterilmiştir. 1D nano-yapıları, yük toplama için daha doğrudan bir yol oluşturduğundan, nanoyönerlerdeki (NFs) elektron taşıma oranının nanopartiküller 8'e göre çok daha hızlı olmasını bekleyebiliriz , </sup> 9 .
Elektrospinning, alt-mikron çapı 10 olan lifli malzemelerin imalatı için en sık kullanılan yöntemlerden biridir. Bu teknik, bir püskürtme memesinden bir polimer çözeltisi püskürtmesinin başlatılmasına neden olan yüksek voltaj kullanımını içerir. Bükülme kararsızlığından dolayı, bu jet daha sonra sürekli nanofiber oluşturmak için bir çok kez gerilir. Son yıllarda, bu teknik, doku mühendisliği 11 , kataliz 12 ve lityum iyon pilleri 13 ve süperkapasitler 14 için elektrot malzemeleri gibi sayısız ve çeşitli uygulamalar için kullanılan polimerik ve inorganik malzemeleri imal etmek için yaygın bir şekilde kullanılmaktadır.
Fotosonodaki saçılma tabakası olarak elektrospuan TiO2-NF'lerin kullanılması DSSC'lerin performansını artırabilir. Bununla birlikte, nanofibro ile foto-anotlarBiz mimariler yüzey alanı sınırlamaları yüzünden zayıf boya emilimine sahip olma eğilimindedirler. Bunun üstesinden gelmek için olası çözümlerden biri, NF'leri ve nanoparçacıkları karıştırmaktır. Bu, ışık emilimini ve genel verimliliği artıran ilave saçılma tabakalarına neden olduğu gösterilmiştir 15 .
Bu videoda sunulan protokol, elektrospinning ve sol-jel teknikleri kombinasyonu ile ultralong TiO2 nanofiber sentezlemek için kolay bir yöntem sağlar ve ardından kalsinasyon işlemi gerçekleştirilir. Protokol daha sonra, doktora blading teknikleri kullanılarak arttırılmış ışık yayılım kabiliyetine sahip olan bir çift katmanlı foto-anodun imalatı için TiO2-NF'lerin nanopartikülatlı Ti02 ile kombinasyon halinde kullanımını ve bunun ardından bir DSSC'yi, photoanode.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu çalışmada sunulan yöntemler, DSSC'ler gibi fotokatalitik cihazlar için etkili nanofibral fotoanodların üretimini tanımlamaktadır. Elektrospinning, nanofiberlerin üretimi için çok yönlü bir tekniktir, ancak optimum morfolojilere sahip malzemeler elde etmek için belirli bir beceri ve bilgi seviyesine ihtiyaç duyulmaktadır. İyi nano fiberler elde etmek için en kritik hususlardan biri prekürsör solüsyonun hazırlanmasıdır: taşıyıcı polimer konsantrasyonu ve titanyum öncüsünün seçimi g…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarların onayları yok.
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).
