염료 감응 태양 전지용 광촉매 전극의 전기 방사
Summary
이 프로젝트의 전반적인 목표는 전기 방사를 사용하여 염료 감응 형 태양 전지의 향상된 성능으로 광양자를 제조하는 것이 었습니다.
Abstract
이 작품은 상업적으로 사용할 수있는 이산화 티탄으로 만든 차단 층 위에 전기 방사 된 이산화 티타늄 나노 섬유 (TiO 2 -NFs)로 만든 광산란 층으로 구성된 염료 감응 태양 전지용 광섬유 기반 광전지를 제조하기위한 프로토콜을 시연합니다. 나노 입자 (TiO2 – Np)를 포함한다. 이는 복합 PVP / TiO2 나노 섬유를 얻기 위해 에탄올 내에서 티타늄 (IV) 부톡 사이드, 폴리 비닐 피 롤리 돈 (PVP) 및 빙초산의 용액을 먼저 전기 방사함으로써 달성된다. 그런 다음 이들을 500 ℃에서 하소하여 PVP를 제거하고 순수한 아나타제 상 티타니아 나노 파이버를 얻습니다. 이 물질은 주 사형 전자 현미경 (SEM) 및 분말 X 선 회절 (XRD)을 사용하여 특성화됩니다. photoanode는 닥터 블레이 딩 (doctor blading) 기술을 사용하여 불소가 도핑 된 산화 주석 (FTO) 유리 슬라이드 위에 TiO 2 -NPs / terpineol 슬러리를 증착하여 차단 층을 먼저 생성하여 준비됩니다. 후속 열처리500 ℃에서 수행한다. 그런 다음 동일한 기술을 사용하여 동일한 슬라이드에 TiO 2 -NFs / terpineol 슬러리를 증착하고 500 ℃에서 다시 소성하여 광산란 층을 형성합니다. 광 애노드의 성능은 염료 감응 형 태양 전지를 제작하고 0.25-1 일의 입사광 밀도 범위에서 JV 곡선을 통해 효율을 측정함으로써 시험된다.
Introduction
염료 감응 형 태양 전지 (DSSC)는 저비용, 상대적으로 간단한 제조 공정 및 대규모 생산 용이성 덕분에 실리콘 기반 태양 전지 1 에 대한 흥미로운 대안입니다. 또 다른 이점은 실리콘 기반 태양 전지에 비해 뚜렷한 장점 인 플렉시블 기판에 통합 될 가능성이다. 전형적인 DSSC는 (1) 광 수확 층 (light harvesting layer)으로서 염료로 감작 된 나노 입자 TiO2 광 이온 (photoanode); (2) 상대 전극으로 사용되는 Pt 코팅 된 FTO; 및 (3) "홀 전도성 매질 (hole-conducting medium)"로서 작용하는 두 전극 사이에 배치 된 산화 환원 커플 (예 : I- / I3-)을 함유하는 전해질.
DSSCs가 15 % 3 의 능가 능을 능가하더라도, nanoparticle 근거한 photanodes의 성과는 느린 전자 기동성을 포함하여 다수 제한에 의해 아직도, 아직도 방해됩니다y 4 , 저에너지 광자 5 의 가난한 흡수 및 전하 재결합 6 . 전자 수집 효율은 TiO2 나노 입자 층을 통한 전자 전달 속도에 크게 의존한다. 전하 확산이 느리다면, 전해질 용액에서 I3과 재결합 할 확률이 높아져 효율이 저하된다.
나노 입자 TiO2를 1 차원 (1D) TiO2 나노 구조로 대체하면 상호 연결된 TiO2 나노 입자의 입계에서 자유 전자의 산란을 감소시킴으로써 전하 수송을 향상시킬 수 있다는 것이 밝혀졌다. 1D 나노 구조가 전하 수집을위한보다 직접적인 경로를 제공하기 때문에, 나노 섬유 (NFs)에서의 전자 전달은 나노 입자 8 보다 훨씬 빠르다는 것을 기대할 수있다 . </sup> 9 .
Electrospinning은 직경이 sub-micron 인 섬유 소재의 제조에 가장 일반적으로 사용되는 방법 중 하나입니다. 이 기술은 방 사구를 통해 고분자 용액 분사의 방출을 유도하는 고전압의 사용을 포함합니다. 벤딩 불안정성으로 인해,이 제트는이어서 연속 나노 파이버를 형성하기 위해 여러 번 연신됩니다. 최근이 기술은 조직 공학 11 , 촉매 작용 12 및 리튬 이온 배터리 13 및 수퍼 커패시터 14의 전극 재료와 같이 다양하고 다양한 용도에 사용 되어온 고분자 및 무기 재료를 제조하는 데 광범위하게 사용되었습니다.
광 애노드에서 산란 층으로 전기 방사 된 TiO 2 -NF를 사용하면 DSSC의 성능을 향상시킬 수 있습니다. 그러나, nanofibro와 photoanodes우리 아키텍처는 표면적 제한으로 인해 염료 흡수가 열세 인 경향이 있습니다. 이를 극복하기위한 가능한 해결책 중 하나는 NF와 나노 입자를 혼합하는 것입니다. 이것은 광 흡수 및 전반적인 효율을 향상시키는 추가적인 산란 층을 가져 오는 것으로 나타났습니다 15 .
이 비디오에서 제시된 프로토콜은 소성 과정을 거친 전기 방사 및 졸 – 겔 기술의 조합을 통해 초소형 TiO2 나노 섬유를 합성하는 쉬운 방법을 제공합니다. 그 프로토콜은 닥터 블레이 딩 기술을 사용하여 향상된 광산란 기능을 가진 이중층 포토 노드의 제조를위한 나노 입자 TiO 2 와 TiO 2 -NF의 조합을 사용하는 것과 DSO의 후속 조립을 photoanode.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 연구에서 제시된 방법은 DSSC와 같은 광촉매 장치를위한 효율적인 나노 파이버 광 노드의 제조를 기술한다. Electrospinning은 나노 섬유 제조에 매우 다양한 기술이지만, 최적의 형태를 가진 물질을 얻으려면 일정 수준의 기술과 지식이 필요합니다. 좋은 나노 섬유를 얻기위한 가장 중요한 측면 중 하나는 전구체 용액의 준비입니다. 캐리어 폴리머의 농도와 티타늄 전구체의 선택과 같은 몇 가지 ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 인정하지 않습니다.
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
- 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).
