Elettrospinning degli elettrodi fotocatalitici per le celle solari sensibilizzate a tinte
Summary
L'obiettivo generale di questo progetto era quello di utilizzare elettrospinning per la realizzazione di un photoanode con prestazioni migliori per le celle solari sensibilizzate ai coloranti.
Abstract
Questo lavoro dimostra un protocollo per la fabbricazione di un fotoanodo a fibra per le celle solari sensibilizzate ai coloranti, costituito da uno strato di dispersione leggera in nanofibri di titanio elettrospuanico (TiO 2 -NFs) in cima ad uno strato di blocco realizzato in biossido di titanio commercialmente disponibile Nanoparticelle (TiO 2 -NPs). Ciò si ottiene con la prima elettrospinning di una soluzione di butano di titanio (IV), polivinilpirrolidone (PVP) e acido acetico glaciale in etanolo per ottenere nanofibre composite PVP / TiO 2 . Questi sono poi calcificati a 500 ° C per rimuovere il PVP e per ottenere puro nanofibre in titanio a fase anatase. Questo materiale è caratterizzato da microscopia elettronica a scansione (SEM) e diffrazione a raggi X in polvere (XRD). Il photoanode viene preparato creando innanzitutto uno strato di bloccaggio attraverso la deposizione di una slurry di TiO 2- NaPs / terpineol su una vetretta di vetro di ossido di stagno drogato con fluoro (FTO) usando tecniche di pettinatura a dito. Un successivo trattamento termicoViene eseguita a 500 ° C. Quindi, lo strato di spargimento di luce viene formato depositando una slurry di TiO 2 -NFs / terpineol sulla stessa slitta, utilizzando la stessa tecnica e riconducendo a 500 ° C. La performance del photoanode viene testata realizzando una cella solare sensibilizzata ai coloranti e misurando la sua efficienza attraverso le curve JV sotto una gamma di densità di luce incidente, da 0.25 a 1 Sole.
Introduction
Le celle solari sensibilizzate ai colori (DSSCs) sono un'interessante alternativa alle celle solari basate sul silicio 1 grazie al loro basso costo, relativamente semplice processo produttivo e alla facilità di produzione su vasta scala. Un altro vantaggio è il loro potenziale per essere incorporato in substrati flessibili, un vantaggio distinto sulle celle solari a base di silicio 2 . Un tipico DSSC utilizza: (1) un nanoparticolare TiO 2 photoanode, sensibilizzato con un colorante, come uno strato di raccolta leggera; (2) un FTO rivestito in Pt, utilizzato come contatore elettrodo; E (3) un elettrolito contenente una coppia di redox, come I – / I 3 – , posto tra i due elettrodi, che funziona come "mezzo di conduzione del foro".
Sebbene i DSSC abbiano superato l'efficienza del 15% 3 , la performance di fotoanodi a base di nanoparticelle è ancora ostacolata da una serie di limitazioni, tra cui la mobilit elettronica lentaY 4 , scarso assorbimento di fotoni a basso consumo energetico 5 e ricarica di carica 6 . L'efficienza della raccolta elettronica dipende fortemente dalla velocità di trasporto elettronico attraverso lo strato di nanoparticelle TiO 2 . Se la diffusione di carica è lenta, la probabilità di ricombinazione con I3 – nella soluzione di elettrolita aumenta, con conseguente perdita di efficienza.
È stato dimostrato che la sostituzione del nanoparticulato TiO 2 con nanoparticelle TiO 2 a dimensione (1D) può migliorare il trasporto dei carichi riducendo la dispersione di elettroni liberi dai confini dei grani delle nanoparticelle TiO 2 interconnesse 7 . Poiché le nanostrutture 1D forniscono un percorso più diretto per la raccolta di cariche, ci si può aspettare che il trasporto di elettroni in nanofibre (NF) sarebbe significativamente più veloce che nelle nanoparticelle 8 , </sup> 9 .
L'elettrospinning è uno dei metodi più comunemente utilizzati per la fabbricazione di materiali fibrosi con diametri sub micron 10 . Questa tecnica prevede l'uso di alta tensione per indurre l'espulsione di un getto di soluzione polimerica attraverso un filettatore. A causa dell'instabilità di flessione, questo getto viene successivamente tirato molte volte per formare nanofibre continue. Negli ultimi anni questa tecnica è stata ampiamente utilizzata per la fabbricazione di materiali polimerici e inorganici, utilizzati per applicazioni numerose e diverse, quali l'ingegneria tissutale 11 , la catalisi 12 e come materiali per elettrodi per le batterie agli ioni di litio 13 e per i supercapacitori 14 .
L'utilizzo di TiO 2 -NFs elettrospinning come strato di dispersione nel photoanode può aumentare le prestazioni dei DSSC. Tuttavia, fotoanodi con nanofibroLe architetture us tendono ad avere un cattivo assorbimento di tinture a causa delle limitazioni della superficie. Una delle soluzioni possibili per superare questo è quella di mescolare NF e nanoparticelle. Ciò ha dimostrato di provocare ulteriori livelli di dispersione, migliorando l'assorbimento della luce e l'efficienza complessiva 15 .
Il protocollo presentato in questo video fornisce un metodo facile per sintetizzare nanofibre TiO 2 a ultrasuoni attraverso una combinazione di tecniche elettrospinning e sol-gel, seguita da un processo di calcinazione. Il protocollo illustra quindi l'uso dei TiO 2 -NFs in combinazione con nanoparticulato TiO 2 per la fabbricazione di un photoanode a doppio strato con una maggiore capacità di scattering della luce usando tecniche di pettinatura a dito, nonché il successivo assemblaggio di un DSSC usando un tale fotoanodo.
Protocol
Representative Results
Discussion
I metodi presentati in questo lavoro descrivono la realizzazione di fotoanodi nanofibre efficienti per dispositivi fotocatalitici come i DSSC. L'elettrospinning è una tecnica molto versatile per la fabbricazione di nanofibre, ma è necessario un certo livello di competenza e conoscenza per ottenere materiali con morfologie ottimali. Uno degli aspetti più critici per ottenere i buoni nanofibri è la preparazione della soluzione precursore: ci sono alcuni fattori chiave, come la concentrazione del polimero portante …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori non hanno alcun riconoscimento.
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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