Electrospinification d'électrodes photocatalytiques pour cellules solaires sensibilisées aux colorants
Summary
L'objectif global de ce projet était d'utiliser l'électrospinning pour fabriquer une photoanode avec des performances améliorées pour les cellules solaires sensibilisées au colorant.
Abstract
Ce travail démontre un protocole pour fabriquer une photoanode à base de fibres pour des cellules solaires sensibilisées au colorant, consistant en une couche de diffusion de lumière faite de nanofibres de dioxyde de titane (TiO 2 -NF) à l'électrospun au-dessus d'une couche de blocage en dioxyde de titane disponible dans le commerce Nanoparticules (TiO 2 -NP). Ceci est réalisé en électrosponnant d'abord une solution de butylate de titane (IV), de polyvinylpyrrolidone (PVP) et d'acide acétique glacial dans l'éthanol pour obtenir des nanofibres PVP / TiO 2 composites. Ceux-ci sont ensuite calcinés à 500 ° C pour éliminer le PVP et obtenir des nanofibres de titane à la phase anatase pure. Ce matériau est caractérisé par une microscopie électronique à balayage (SEM) et une diffraction des rayons X en poudre (XRD). La photoanode est préparée en créant d'abord une couche de blocage à travers le dépôt d'une suspension de TiO 2 -NPs / terpineol sur une lame de verre à oxyde d'étain dopé au fluor (FTO) en utilisant des techniques de blanchiment médicamenteux. Un traitement thermique ultérieurEst effectuée à 500 ° C. Ensuite, la couche de diffusion de la lumière est formée en déposant une suspension de TiO 2 -NFs / terpineol sur la même diapositive, en utilisant la même technique et en calcinant encore à 500 ° C. La performance de la photoanode est testée en fabriquant une cellule solaire sensibilisée aux colorants et en mesurant son efficacité grâce aux courbes JV sous une gamme de densités lumineuses incidentes, de 0,25 à 1,1 Soleil.
Introduction
Les cellules solaires sensibilisées aux colorants (DSSC) sont une alternative intéressante aux cellules solaires à base de silicium 1 grâce à leur faible coût, à leur processus de fabrication relativement simple et à leur grande facilité. Un autre avantage est leur potentiel d'intégration dans des substrats flexibles, un avantage distinct par rapport aux cellules solaires à base de silicium 2 . Un DSSC typique utilise: (1) une photoanode TiO 2 nanoparticulée, sensibilisée avec un colorant, en tant que couche de récolte légère; (2) un FTO revêtu de Pt, utilisé comme contre-électrode; Et (3) un électrolyte contenant un couple redox, tel que I – / I 3 – , placé entre les deux électrodes, fonctionnant comme un "milieu conducteur du trou".
Bien que les DSSC aient dépassé les rendements de 15% 3 , la performance des nanoparticules à base de photoanodes est encore entravée par un certain nombre de limitations, y compris le faible mobilité électroniqueY 4 , mauvaise absorption de photons à faible énergie 5 et recombinaison de charge 6 . L'efficacité de la collecte d'électrons dépend fortement du taux de transport d'électrons à travers la couche de nanoparticules de TiO 2 . Si la diffusion de la charge est lente, la probabilité de recombinaison avec I 3 – dans la solution d'électrolyte augmente, ce qui entraîne une perte d'efficacité.
Il a été démontré que le remplacement du TiO 2 nanoparticulé par des nanoarchitectures TiO 2 unidimensionnelles peut améliorer le transport des charges en réduisant la diffusion des électrons libres des limites des grains des nanoparticules TiO 2 interconnectées 7 . Comme les nanostructures 1D fournissent une voie plus directe pour la collecte des charges, nous pouvons nous attendre à ce que le transport d'électrons dans les nanofibres (NF) soit significativement plus rapide que dans les nanoparticules 8 , </sup> 9 .
L'électrospinification est l'une des méthodes les plus couramment utilisées pour la fabrication de matériaux fibreux avec des diamètres sous-micron 10 . Cette technique implique l'utilisation d'une haute tension pour induire l'éjection d'un jet de solution de polymère à travers une filière. En raison de l'instabilité de flexion, ce jet est ensuite étiré plusieurs fois pour former des nanofibres continues. Ces dernières années, cette technique a été largement utilisée pour fabriquer des matériaux polymères et inorganiques, qui ont été utilisés pour des applications nombreuses et diverses, telles que l'ingénierie tissulaire 11 , la catalyse 12 et les matériaux d'électrode pour les batteries au lithium-ion 13 et les supercapacités 14 .
L'utilisation de TiO 2 -NF en électrospun comme couche de diffusion dans la photo-anode peut augmenter les performances des DSSC. Cependant, les photoanodes avec nanofibroNous avons tendance à avoir une mauvaise absorption de colorant en raison des limites de surface. Une des solutions possibles pour remédier à cette situation est de mélanger les NF et les nanoparticules. Cela s'est traduit par des couches de diffusion supplémentaires, améliorant l'absorption de la lumière et l'efficacité globale 15 .
Le protocole présenté dans cette vidéo fournit une méthode facile pour synthétiser les nanofibres ultralong TiO 2 grâce à une combinaison de techniques d'électrospinning et de sol-gel, suivies d'un processus de calcination. Le protocole illustre alors l'utilisation des TiO 2 -NF en combinaison avec du TiO 2 nanoparticulé pour la fabrication d'une photoanode à double couche avec une capacité améliorée de diffusion de la lumière en utilisant des techniques de blanchiment médicamenteux, ainsi que l'assemblage ultérieur d'un DSSC en utilisant un tel Photoanode.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les méthodes présentées dans ce travail décrivent la fabrication de photoanodes nanofibres efficaces pour les dispositifs photocatalytiques tels que les DSSC. Electrospinning est une technique très polyvalente pour la fabrication de nanofibres, mais un certain niveau de compétences et de connaissances est nécessaire pour obtenir des matériaux avec des morphologies optimales. L'un des aspects les plus critiques pour l'obtention de bonnes nanofibres est la préparation de la solution précurseur: il existe…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs n'ont aucune reconnaissance.
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 |
Referenzen
- 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).
