染料敏化太阳能电池的光催化电极的电纺丝
Summary
该项目的总体目标是使用静电纺丝来制造具有改进的染料敏化太阳能电池性能的光电阳极。
Abstract
这项工作展示了制造用于染料敏化太阳能电池的基于光纤的光电阳极的方案，其由在电子纺丝二氧化钛纳米纤维（TiO 2 -NF）制成的光散射层上形成，其由可商购的二氧化钛制成的阻挡层纳米粒子（TiO 2 -NPs）。这是通过首先将丁醇钛（IV），聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和冰醋酸在乙醇中静电纺丝获得复合PVP / TiO 2纳米纤维来实现的。然后将它们在500℃下煅烧以除去PVP并获得纯锐钛矿相二氧化钛纳米纤维。该材料的特征在于使用扫描电子显微镜（SEM）和粉末X射线衍射（XRD）。通过首先通过使用刮刀技术在掺氟氧化锡（FTO）载玻片上沉积TiO 2 -NPs /萜品醇浆料来形成阻挡层来制备光电阳极。随后的热处理在500℃下进行。然后，通过使用相同的技术在同一载玻片上沉积TiO 2 -NF /萜品醇浆料并在500℃下再次煅烧来形成光散射层。通过制造染料敏化太阳能电池并通过在0.25-1 Sun的入射光密度范围内的JV曲线测量其效率来测试光电阳极的性能。
Introduction
染料敏化太阳能电池（DSSC）是硅基太阳能电池1的有趣替代品，由于其低成本，相对简单的制造工艺和易于大规模生产。另一个好处是它们可能被并入到柔性基板中，与硅基太阳能电池相比具有明显的优势2 。典型的DSSC使用：（1）用染料敏化的纳米颗粒TiO 2光电阳极作为光收集层; （2）用作反电极的Pt涂覆的FTO;和（3）放置在两个电极之间的含有氧化还原对（如I – / I 3 – ）的电解质，用作“导电介质”。
虽然DSSC已经超过15％的效率3 ，但纳米颗粒型光电放电的性能仍然受到一些限制，包括慢电子迁移y 4 ，低能光子吸收不良5 ，电荷复合6 。电子收集效率强烈地取决于通过TiO 2纳米颗粒层的电子传输速率。如果电荷扩散缓慢，电解质溶液中与I 3 –重新组合的概率增加，导致效率损失。
已经表明，用一维（1D）TiO 2纳米结构代替纳米颗粒TiO 2可以通过减少自由电子从互连的TiO 2纳米颗粒7的晶界的散射来改善电荷传输。由于1D纳米结构为电荷收集提供了更直接的途径，我们可以预期纳米纤维（NF）中的电子传输将明显快于纳米颗粒8 ， </sup> 9 。
静电纺丝是用于制造亚微米直径10的纤维材料的最常用的方法之一。该技术涉及使用高电压来引发聚合物溶液喷射通过喷丝头的喷射。由于弯曲不稳定性，该射流随后被拉伸许多次以形成连续的纳米纤维。近年来，该技术广泛用于制造聚合物和无机材料，其已经用于众多和多种应用，例如组织工程11 ，催化12 ，以及用作锂离子电池13和超级电容器14的电极材料。
在光电阳极中使用电纺TiO 2 -NFs作为散射层可以增加DSSC的性能。然而，具有纳米纤维的光电偶由于表面积的限制，我们的结构倾向于具有差的染料吸收。克服此问题的一个可能的解决方案是混合NF和纳米颗粒。这已经显示产生额外的散射层，改善光吸收和整体效率15 。
该视频中提出的方案提供了一种通过静电纺丝和溶胶 – 凝胶技术的组合合成超长TiO 2纳米纤维的便捷方法，随后进行煅烧过程。该方案然后说明了使用TiO 2 -NF与纳米颗粒TiO 2的组合来制造具有增强的光散射能力的双层光电阳极，并使用刮刀技术进行组装，光阳极。
Protocol
Representative Results
Discussion
本文中介绍的方法描述了用于诸如DSSC的光催化装置的有效的纳米纤维光电偶的制造。静电纺丝是用于制造纳米纤维的非常通用的技术，但是需要一定水平的技能和知识来获得具有最佳形态的材料。获得良好纳米纤维最关键的方面之一是制备前体溶液：有一些关键因素，如载体聚合物的浓度和钛前体的选择，可能对最终结构产生关键影响材料。低浓度的载体聚合物将导致珠的形成或完全不存在纳米…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
作者没有确认。
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 |
Riferimenti
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