Electrospinning de electrodos fotocatalíticos para células solares sensibilizadas por tinte
Summary
El objetivo general de este proyecto fue el uso de electrospinning para fabricar un fotoanodo con un rendimiento mejorado para las células solares sensibilizadas por colorantes.
Abstract
Este trabajo demuestra un protocolo para fabricar un fotoanodo basado en fibra para células solares sensibilizadas por colorante, que consiste en una capa de dispersión de luz hecha de nanofibras de dióxido de titanio (TiO2 – NF) electrospun sobre una capa de bloqueo de dióxido de titanio comercialmente disponible Nanopartículas (TiO $ ₂ $ -NPs). Esto se logra por primera electrospinning una solución de butóxido de titanio (IV), polivinilpirrolidona (PVP), y ácido acético glacial en etanol para obtener compuestos nanofibras PVP / TiO 2 . A continuación se calcinan a 500 ◦ C para retirar la PVP y obtener nanofibras de titania en fase anatásica pura. Este material se caracteriza por microscopía electrónica de barrido (SEM) y difracción de rayos X de polvo (XRD). El fotoanodo se prepara creando primero una capa de bloqueo a través de la deposición de una suspensión de TiO $ ₂ $ -NPs / terpineol sobre una lámina de vidrio de óxido de estaño dopado con flúor (FTO) usando técnicas de raspado médico. Un tratamiento térmico posteriorSe realiza a 500 ° C. Entonces, la capa de dispersión de luz se forma depositando una suspensión de TiO2 – NFs / terpineol en la misma diapositiva, usando la misma técnica, y calcinando de nuevo a 500 ° C. El rendimiento del fotoanodo se prueba fabricando una célula solar sensibilizada por colorante y midiendo su eficiencia a través de curvas JV bajo una gama de densidades de luz incidente, de 0,25-1 Sun.
Introduction
Las células solares sensibilizadas por colorantes (DSSCs) son una interesante alternativa a las células solares basadas en silicio 1 gracias a su bajo costo, proceso de fabricación relativamente sencillo y facilidad de producción a gran escala. Otro beneficio es su potencial para ser incorporados en sustratos flexibles, una clara ventaja sobre las células solares basadas en silicio 2 . Un DSSC típico utiliza: (1) un fotoanodo de TiO2 nanoparticulado, sensibilizado con un tinte, como una capa de recolección de luz; (2) un FTO recubierto de Pt, utilizado como un contraelectrodo; Y (3) un electrolito que contiene una pareja redox, tal como I – / I3 – , colocado entre los dos electrodos, que funciona como un "medio de conducción de orificios".
A pesar de DSSCs han superado las eficiencias de 15% 3 , el rendimiento de nanopartículas a base de fotoanodos sigue siendo todavía obstaculizada por una serie de limitaciones, incluyendo movilidad de electrones lentosY 4 , mala absorción de fotones de baja energía 5 , y la carga de recombinación [ 6] . La eficacia de la recolección de electrones depende en gran medida de la velocidad de transporte de electrones a través de la capa de nanopartículas de TiO2. Si la difusión de carga es lenta, aumenta la probabilidad de recombinación con I3 – en la solución electrolítica, resultando en una pérdida de eficiencia.
Se ha demostrado que la sustitución de TiO 2 nanoparticulado con nano-arquitecturas unidimensionales de TiO 2 (1D) puede mejorar el transporte de carga reduciendo la dispersión de electrones libres de los límites de grano de las nanopartículas de TiO 2 interconectadas 7 . Como las nanoestructuras 1D proporcionan una vía más directa para la recolección de carga, podemos esperar que el transporte de electrones en las nanofibras (NF) sea significativamente más rápido que en las nanopartículas 8 , </sup> 9 .
Electrospinning es uno de los métodos más comúnmente utilizados para la fabricación de materiales fibrosos con diámetros sub-micrométricos 10 . Esta técnica implica el uso de alto voltaje para inducir la expulsión de un chorro de solución de polímero a través de una hilera. Debido a la inestabilidad de flexión, este chorro se estira posteriormente muchas veces para formar nanofibras continuas. En los últimos años, esta técnica se ha utilizado ampliamente para fabricar materiales poliméricos e inorgánicos, que se han utilizado para numerosas y diversas aplicaciones, tales como ingeniería de tejidos 11 , catálisis 12 y como materiales de electrodo para baterías de ion de litio 13 y supercondensadores 14 .
El uso de TiO2 – NF de electrospun como capa de dispersión en el fotoanodo puede incrementar el rendimiento de los DSSC. Sin embargo, los fotoanodos con nanofibroLas arquitecturas tienden a tener una pobre absorción del color debido a las limitaciones de superficie. Una de las soluciones posibles para superar esto es mezclar NFs y nanopartículas. Se ha demostrado que esto da como resultado capas de dispersión adicionales, mejorando la absorción de la luz y la eficiencia global 15 .
El protocolo presentado en este video proporciona un método fácil para sintetizar ultralong TiO 2 nanofibers a través de una combinación de electrospinning y sol-gel técnicas, seguido de un proceso de calcinación. El protocolo ilustra entonces el uso de TiO2 – NFs en combinación con TiO2 nanoparticulado para la fabricación de un fotoanodo de doble capa con capacidad mejorada de dispersión de la luz utilizando técnicas de raspado médico, ası como el subsiguiente ensamblaje de un DSSC usando tal Fotoanodo
Protocol
Representative Results
Discussion
Los métodos presentados en este trabajo describen la fabricación de fotoanodos nanofibrosos eficientes para dispositivos fotocatalíticos tales como DSSCs. Electrospinning es una técnica muy versátil para la fabricación de nanofibras, pero se requiere cierto nivel de habilidad y conocimiento para obtener materiales con morfologías óptimas. Uno de los aspectos más críticos para obtener buenas nanofibras es la preparación de la solución precursora: hay algunos factores clave, tales como la concentración del po…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores no tienen reconocimientos.
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
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