Summary

إلكتروسبينينغ من أقطاب تحفيز ضوئي للخلايا الشمسية توعية صبغ

Published: June 28, 2017
doi:

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

1. إعداد السلائف الحل ملاحظة: يرجى الرجوع إلى جميع أوراق البيانات سلامة المواد ذات الصلة (مسس) قبل الاستخدام. العديد من المواد الكيميائية المستخدمة في هذا الإجراء هي ضارة و / أو سامة للبشر. وقد تكون للمواد النانوية مخاطر إضافية مقار?…

Representative Results

وتميزت النانو تيو 2 باستخدام سيم، الأشعة السينية الضوئية الطيفي (زس)، و زرد. وقد تميزت البنية النانوية من فوتوانود باستخدام سيم. تم اختبار أداء دسك تجميعها باستخدام جهاز محاكاة الطاقة الشمسية وحدة قياس المصدر. <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page="1" …

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

  1. 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).
  2. 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).
  3. Burschka, J., Pellet, N., et al. Sequential deposition as a route to high-performance perovskite-sensitized solar cells. Nature. 499 (7458), 316-319 (2013).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Roy, P., Berger, S., Schmuki, P. TiO2 Nanotubes: Synthesis and Applications. Angewandte Chemie International Edition. 50 (13), 2904-2939 (2011).
  8. Macdonald, T. J., Xu, J., et al. NiO Nanofibers as a Candidate for a Nanophotocathode. Nanomaterials. 4 (2), 256-266 (2014).
  9. 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).
  10. Li, D., Xia, Y. Electrospinning of Nanofibers: Reinventing the Wheel?. Adv Mat. 16 (14), 1151-1170 (2004).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Teo, W. E. . Electrospinning parameters and fiber control. , (2015).

Play Video

Cite This Article
Canever, N., Hughson, F., Macdonald, T. J., Nann, T. Electrospinning of Photocatalytic Electrodes for Dye-sensitized Solar Cells. J. Vis. Exp. (124), e55309, doi:10.3791/55309 (2017).

View Video