Elektrospinning af fotokatalytiske elektroder til farvesensibiliserede solceller
Summary
Det overordnede mål med dette projekt var at anvende elektrospinning til fremstilling af en fotoanode med forbedret ydeevne for farvefølsomme solceller.
Abstract
Dette arbejde demonstrerer en protokol til fremstilling af en fiberbaseret photoanode til farvesensibiliserede solceller, der består af et lysdisplaylag lavet af elektrospun titandioxid nanofibre (TiO 2 -NF'er) oven på et blokeringslag lavet af kommercielt tilgængelig titandioxid Nanopartikler (Ti02-NP'er). Dette opnås ved først at elektrospinning en opløsning af titan (IV) butoxid, polyvinylpyrrolidon (PVP) og iseddikesyre i ethanol for at opnå sammensatte PVP / Ti02 nanofibre. Disse kalcineres derefter ved 500 ° C for at fjerne PVP og for at opnå rene anatasefase titanoxid nanofibre. Dette materiale er karakteriseret ved anvendelse af scanningselektronmikroskopi (SEM) og pulverrøntgendiffraktion (XRD). Fotoanoeden fremstilles ved først at skabe et blokeringslag gennem aflejringen af en TiO2-NPs / terpineolopslæmning på en fluordoteret tinoxid (FTO) glasskinne ved anvendelse af lægemiddelsøgningsteknikker. En efterfølgende termisk behandlingUdføres ved 500 ° C. Derefter dannes lysdisspredningslaget ved at deponere en TiO2 -NFs / terpineolopslæmning på samme dias ved anvendelse af den samme teknik og kalcinere igen ved 500 ° C. Udførelsen af fotoanoderen testes ved at fremstille en farvestof-sensibiliseret solcelle og måle dens effektivitet gennem JV-kurver under en række indfaldende lysdensiteter fra 0,25-1 søn.
Introduction
Farvefølsomme solceller (DSSC'er) er et interessant alternativ til siliciumbaserede solceller 1 takket være deres lave omkostninger, relativt enkle produktionsprocesser og lethed i storskala produktion. En anden fordel er deres potentiale at blive inkorporeret i fleksible substrater, en klar fordel over siliciumbaserede solceller 2 . En typisk DSSC udnytter: (1) en nanopartikulær TiO 2- fotoanode, sensibiliseret med et farvestof som et lyshøstende lag; (2) en Pt-belagt FTO, der anvendes som en counter elektrode; Og (3) en elektrolyt indeholdende et redoxpar, såsom I – / I3 – , placeret mellem de to elektroder, arbejder som et "hulledende medium".
Selv om DSSC'er har overgået effektiviteten på 15% 3 , er præstationen af nanopartikelbaserede fotanoder stadig stadig hindret af en række begrænsninger, herunder langsom elektron mobilitetY 4 , dårlig absorption af lavenergifotoner 5 og opladning af rekombination 6 . Elektronindsamlingseffektiviteten afhænger stærkt af hastigheden af elektrontransport gennem Ti02-nanopartiklerlaget. Hvis ladningsdiffusionen er langsom, øges sandsynligheden for rekombination med I3 – i elektrolytopløsningen, hvilket resulterer i tab af effektivitet.
Det har vist sig, at udskiftning af nanopartikulært Ti02 med endimensionale (1D) Ti02-nanoarkitekturer kan forbedre ladningstransporten ved at reducere spredningen af frie elektroner fra korngrænserne for de indbyrdes forbundne TiO2 nanopartikler 7 . Da 1D nanostrukturer giver en mere direkte vej til opladning, kan vi forvente, at elektrontransport i nanofibre (NF'er) ville være betydeligt hurtigere end i nanopartikler 8 , </sup> 9 .
Elektrospinning er en af de mest almindeligt anvendte metoder til fremstilling af fibrøse materialer med submikrondiametre 10 . Denne teknik indebærer anvendelsen af højspænding til at inducere udstødningen af en polymeropløsningsstråle gennem en spindel. På grund af bøjningsstabilitet strækkes denne stråle derefter mange gange for at danne kontinuerlige nanofibre. I de senere år har denne teknik været anvendt i vid udstrækning til fremstilling af polymere og uorganiske materialer, der er blevet anvendt til talrige og forskellige anvendelser, såsom vævsteknik 11 , katalyse 12 og som elektrodematerialer til lithiumionbatterier 13 og superkapacitorer 14 .
Anvendelsen af elektrospun TiO 2 -NF'er som spredningslaget i fotoanoeden kan øge DSSC'ernes ydeevne. Imidlertid fotoanoder med nanofibroOs arkitekturer har en tendens til at have dårlig absorption af farvestoffer som følge af overfladeareal begrænsninger. En af de mulige løsninger til at overvinde dette er at blande NF'er og nanopartikler. Dette har vist sig at resultere i yderligere spredningslag, hvilket forbedrer lysabsorptionen og den samlede effektivitet 15 .
Protokollen præsenteret i denne video giver en let metode til at syntetisere ultralong TiO 2 nanofibre gennem en kombination af elektrospinning og sol-gel teknikker, efterfulgt af en calcineringsproces. Protokollen illustrerer derefter anvendelsen af Ti02 -NF'erne i kombination med nanopartikulært TiO2 til fremstilling af en dobbeltlagsfotoanode med forbedret lysfordelingskapacitet ved anvendelse af lægemidleteknikteknikker såvel som den efterfølgende samling af en DSSC under anvendelse af en sådan photoanode.
Protocol
Representative Results
Discussion
Metoderne i dette værk beskriver fremstillingen af effektive nanofibre fotoanoder til fotokatalytiske indretninger, såsom DSSC'er. Elektrospinning er en meget alsidig teknik til fremstilling af nanofibre, men en vis grad af færdighed og viden er nødvendig for at opnå materialer med optimale morfologier. Et af de mest kritiske aspekter ved opnåelse af gode nanofibre er fremstillingen af precursoropløsningen: der er nogle nøglefaktorer, såsom koncentrationen af bærerpolymeren og valget af t…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne har ingen anerkendelser.
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).
