Elektrospinning van fotokatalytische elektroden voor kleurstofgevoeligte zonnecellen
Summary
Het algemene doel van dit project was om elektrospinning te gebruiken om een fotoanode te vervaardigen met verbeterde prestaties voor kleurstofgevoeligte zonnecellen.
Abstract
Dit werk demonstreert een protocol voor het vervaardigen van een vezelgebaseerde fotoanode voor kleurstofgevoeligte zonnecellen, bestaande uit een lichtverstrooiende laag gemaakt van elektrospun titaandioxide nanofibers (TiO 2 -NFs) bovenop een blokkerende laag gemaakt uit commercieel verkrijgbaar titaandioxide Nanodeeltjes (TiO2 -NPs). Dit wordt bereikt door eerst een oplossing van titanium (IV) butoxide, polyvinylpyrrolidon (PVP) en ijsazijn in ethanol te spinnen om samengestelde PVP / TiO 2 nanofibers te verkrijgen. Deze worden vervolgens bij 500 ° C gecalcineerd om de PVP te verwijderen en zuivere anatasefase titanium nanofibers te verkrijgen. Dit materiaal wordt gekenmerkt door gebruik van scan-elektronenmicroscopie (SEM) en poederröntgendiffractie (XRD). De fotoanode wordt bereid door eerst een blokkerende laag te creëren door de afzetting van een TiO 2 -NPs / terpineol-slurry op een fluordoophoudende tinoxide (FTO) glijschuif met behulp van arts blaadtechnieken. Een volgende thermische behandelingWordt uitgevoerd bij 500 ° C. Vervolgens wordt de lichtverstrooiingslaag gevormd door een TiO2 -NFs / terpineol-suspensie op dezelfde dia op te zetten, volgens dezelfde techniek, en opnieuw te calcineren bij 500 ° C. De prestatie van het fotoanode wordt getest door een kleurstofgevoelig zonnecel te fabriceren en de efficiëntie ervan te meten door middel van JV-curven onder een bereik van invallende lichtdichtheden, van 0,25-1 Zon.
Introduction
Kleurstofgevoelige zonnecellen (DSSC's) zijn een interessant alternatief voor silicium-gebaseerde zonnecellen 1 dankzij hun lage kosten, relatief eenvoudig productieproces en het gemak van grootschalige productie. Een ander voordeel is hun potentie om in flexibele ondergronden te worden opgenomen, een duidelijk voordeel ten opzichte van silicium gebaseerde zonnecellen 2 . Een typisch DSSC maakt gebruik van: (1) een nanoparticulaire TiO 2 fotoanode, gevoelig met een kleurstof, als een lichtopnamende laag; (2) een Pt-gecoate FTO, gebruikt als een tellerelektrode; En (3) een elektrolyt die een redoxpaar, zoals I – / I 3 – , tussen de twee elektroden bevindt, werkt als een "gatgeleidend medium".
Hoewel DSSC's de efficiëntie van 15% 3 hebben overschreden, wordt de prestatie van fotoanodes op nanodeeltjesbasis nog steeds belemmerd door een aantal beperkingen, waaronder langzame elektronen mobiliteitY 4 , slechte absorptie van low-energy fotonen 5 , en recombinatie laden 6 . De efficiëntie van de elektronenverzameling hangt sterk af van de snelheid van elektronenvervoer door de TiO 2 nanodeeltjeslaag. Als de ladingdiffusie langzaam is, neemt de kans op recombinatie met I 3 – in de elektrolytoplossing toe, wat resulteert in een efficiëntieverlies.
Er is aangetoond dat het vervangen van nanoparticulaire TiO 2 met een-dimensionale (1D) TiO 2 nanoarchitecturen het ladingsvervoer kan verbeteren door de verspreiding van vrije elektronen uit de graangrenzen van de onderling verbonden TiO 2 nanodeeltjes 7 te verminderen . Aangezien 1D-nanostructuren een meer directe weg bieden voor ladingverzameling, kunnen we verwachten dat electronransport in nanofibers (NF's) aanzienlijk sneller zou zijn dan in nanodeeltjes 8 , </sup> 9 .
Electrospinning is een van de meest gebruikte methoden voor de fabricage van vezelige materialen met sub-micron diameters 10 . Deze techniek houdt in dat het gebruik van hoogspanning de uitstraling van een polymeeroplossingsstraal door een spinnetje veroorzaakt. Vanwege de buiginstabiliteit wordt deze straal vele malen uitgerekt om continue nanofibers te vormen. In de afgelopen jaren is deze techniek extensief gebruikt voor het vervaardigen van polymere en anorganische materialen die zijn gebruikt voor talrijke en diverse toepassingen, zoals weefseltechniek 11 , katalyse 12 en als elektrode materialen voor lithium-ion batterijen 13 en supercapacitors 14 .
Het gebruik van elektrospun TiO 2 -NFs als de verstrooiingslaag in de fotoanode kan de prestaties van DSSC's verhogen. Echter, fotoanodes met nanofibroOnze architecturen hebben vaak een slechte kleurstofabsorptie door de beperking van het oppervlak. Een van de mogelijke oplossingen om dit te overwinnen is het mengen van NF's en nanodeeltjes. Dit blijkt te resulteren in extra verstrooiingslagen, waardoor lichtabsorptie en algemene efficiëntie 15 worden verbeterd .
Het protocol dat in deze video wordt gepresenteerd, biedt een eenvoudige methode om ultralong TiO 2 nanofibers te synthetiseren door middel van een combinatie van elektrospinning en sol-gel technieken, gevolgd door een calcineringsproces. Het protocol illustreert dan het gebruik van de Ti02 -NF's in combinatie met nanoparticulaire TiO2 voor de fabricage van een dubbele laagfotoanode met verbeterde lichtverstrooiingsvermogen met behulp van technieken voor het blazen van een arts, alsmede de daaropvolgende montage van een DSSC met behulp van een dergelijke fotoanode.
Protocol
Representative Results
Discussion
De methoden die in dit werk worden gepresenteerd beschrijven de fabricage van efficiënte nanofibiele fotoanoden voor fotokatalytische apparaten zoals DSSC's. Electrospinning is een zeer veelzijdige techniek voor het vervaardigen van nanofibers, maar een bepaald niveau van bekwaamheid en kennis is nodig om materialen met optimale morfologieën te verkrijgen. Een van de meest kritische aspecten om goede nanofibers te verkrijgen is de voorbereiding van de voorloperoplossing. Er zijn enkele belangrijke factoren, zoals …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs hebben geen erkenningen.
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).
