Электропереработка фотокаталитических электродов для сенсибилизированных красителем солнечных элементов
Summary
Общая цель этого проекта состояла в том, чтобы использовать электроспиннинг для изготовления фотоанода с улучшенными характеристиками для чувствительных к красителю солнечных элементов.
Abstract
Эта работа демонстрирует протокол для изготовления фотоанода на основе волокон для чувствительных к красителю солнечных элементов, состоящего из светоизлучающего слоя, изготовленного из нанотрубок из диоксида титана диоксида титана (TiO 2 -NFs) поверх блокирующего слоя, изготовленного из коммерчески доступного диоксида титана Наночастицы (TiO 2 -NPs). Это достигается за счет первого электропровождения раствора титанового (IV) бутоксида, поливинилпирролидона (ПВП) и ледяной уксусной кислоты в этаноле для получения композитных нановолокон PVP / TiO 2 . Затем их кальцинируют при 500 ° С для удаления ПВП и получения нанофабрикатов из оксида титана чистой анатазы. Этот материал характеризуется с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) и порошковой рентгеновской дифракции (XRD). Фотоанод готовят, сначала создавая блокирующий слой путем осаждения суспензии TiO 2 -NPs / терпинеола на стеклянном слайде из оксида олова (FTO), легированного фтором, с использованием методов лопасти врача. Последующая термическая обработкаПри 500 ° С. Затем рассеивающий свет слой образуется путем осаждения суспензии TiO 2 -NFs / терпинеола на том же слайде с использованием той же методики и последующего прокаливания при 500 ° C. Производительность фотоанода проверяется путем изготовления солнечного элемента сенсибилизированной красителем и измерения его эффективности с помощью кривых СП в диапазоне падающих световых плотностей от 0,25 до 1,5.
Introduction
Сенсибилизированные красителем солнечные элементы (DSSC) представляют собой интересную альтернативу солнечным элементам на основе кремния 1 благодаря их недорогому, относительно простому производственному процессу и простоте крупномасштабного производства. Другим преимуществом является их потенциал для включения в гибкие подложки, что является несомненным преимуществом перед солнечными батареями на основе кремния 2 . Типичный DSSC использует: (1) фотонанод наночастиц TiO 2 , сенсибилизированный красителем, в качестве светоуплотняющего слоя; (2) PTO-покрытый FTO, используемый в качестве противоэлектрода; И (3) электролит, содержащий окислительно-восстановительную пару, такую как I – / I 3 – , помещенный между двумя электродами, работающий как «дыропроводящая среда».
Несмотря на то, что DSSC превосходят эффективность 15% 3 , производительность фотонаносов на основе наночастиц все еще затруднена рядом ограничений, в том числе медленной подвижкой электроновY 4 , плохое поглощение низкоэнергетических фотонов 5 и рекомбинация заряда 6 . Эффективность электронного сбора сильно зависит от скорости переноса электронов через слой наночастиц TiO 2 . Если диффузия заряда медленная, вероятность рекомбинации с I 3 – в растворе электролита возрастает, что приводит к потере эффективности.
Было показано, что замена наночастиц TiO 2 на одномерные (1D) наноархитектуры TiO 2 может улучшить перенос заряда за счет уменьшения рассеяния свободных электронов на границах зерен связанных между собой наночастиц TiO 2 . Поскольку 1D наноструктуры обеспечивают более прямой путь для сбора заряда, можно ожидать, что перенос электронов в нановолокнах (NFs) будет значительно быстрее, чем в наночастицах 8 , </sup> 9 .
Электроспиннинг является одним из наиболее часто используемых способов изготовления волокнистых материалов с субмикронным диаметром 10 . Этот метод включает использование высокого напряжения для индуцирования выброса струи раствора полимера через фильеру. Из-за неустойчивости при изгибе эта струя затем растягивается много раз, образуя сплошные нановолокна. В последние годы этот метод широко используется для изготовления полимерных и неорганических материалов, которые использовались для многочисленных и разнообразных применений, таких как тканевая инженерия 11 , катализ 12 и в качестве электродных материалов для литиево-ионных батарей 13 и суперконденсаторов 14 .
Использование электроптана TiO 2 -NFs в качестве рассеивающего слоя в фотоаноде может повысить производительность DSSC. Однако фотоаноды с нанофиброНаша архитектура имеет тенденцию к плохому поглощению красителя из-за ограничений площади поверхности. Одним из возможных решений для преодоления этого является смешивание NF и наночастиц. Это, как было показано, приводит к дополнительным рассеивающим слоям, улучшая поглощение света и общую эффективность 15 .
Протокол, представленный в этом видео, представляет собой легкий метод синтеза ультранизких нановолокон TiO 2 посредством сочетания электроспиннинга и золь-гель-технологий с последующим процессом прокаливания. Затем протокол иллюстрирует использование TiO 2 -NF в комбинации с наночастицами TiO 2 для изготовления двухслойного фотоанода с улучшенной способностью рассеивания света с использованием методов лопасти врача, а также последующую сборку DSSC с использованием такой фотоанод.
Protocol
Representative Results
Discussion
Методы, представленные в этой работе, описывают изготовление эффективных нановолоконных фотоанодов для фотокаталитических устройств, таких как DSSC. Электроспиннинг – очень универсальный метод изготовления нановолокон, но для получения материалов с оптимальными морфологиями требует?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
У авторов нет подтверждений.
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).
