Elektrospinnen von photokatalytischen Elektroden für farbstoffsensibilisierte Solarzellen
Summary
Das übergeordnete Ziel dieses Projektes war es, das Elektrospinnen zu verwenden, um eine Photoanode mit verbesserter Leistung für farbstoffsensibilisierte Solarzellen herzustellen.
Abstract
Diese Arbeit veranschaulicht ein Protokoll zur Herstellung eines faserbasierten Photoanodens für farbstoffsensibilisierte Solarzellen, bestehend aus einer lichtstreuenden Schicht aus elektrogesponnenen Titandioxid-Nanofasern (TiO 2 -NFs) auf einer Sperrschicht aus handelsüblichem Titandioxid Nanopartikel (TiO 2 -NPs). Dies wird durch erstes Elektrospinnen einer Lösung von Titan (IV) butoxid, Polyvinylpyrrolidon (PVP) und Eisessig in Ethanol erreicht, um zusammengesetzte PVP / TiO 2 -Nanofasern zu erhalten. Diese werden dann bei 500 ° C calciniert, um das PVP zu entfernen und reine Anatasphasen-Titandioxid-Nanofasern zu erhalten. Dieses Material zeichnet sich durch Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Pulverröntgenbeugung (XRD) aus. Die Photoanode wird hergestellt, indem zuerst eine Sperrschicht durch die Abscheidung einer TiO & sub2; -NPs / Terpineol-Aufschlämmung auf einem mit einem Fluor-dotierten Zinnoxid (FTO) -Glasschlitten unter Verwendung von Rakeltechniken hergestellt wird. Eine anschließende thermische BehandlungWird bei 500 ° C durchgeführt. Dann wird die lichtstreuende Schicht durch Abscheiden einer TiO & sub2; -NFs / Terpineol-Aufschlämmung auf demselben Objektträger unter Verwendung derselben Technik und Calcinieren bei 500ºC gebildet. Die Leistung des Photoanodens wird durch die Herstellung einer farbstoffsensibilisierten Solarzelle getestet und deren Effizienz durch JV-Kurven unter einer Reihe von einfallenden Lichtdichten von 0,25-1 Sun gemessen.
Introduction
Dye-sensibilisierte Solarzellen (DSSCs) sind eine interessante Alternative zu Silizium-Solarzellen 1 dank ihrer geringen Kosten, dem relativ einfachen Herstellungsprozess und der Leichtigkeit der Großproduktion. Ein weiterer Vorteil ist ihr Potenzial, in flexible Substrate eingebaut zu werden, ein deutlicher Vorteil gegenüber Silizium-Solarzellen 2 . Ein typischer DSSC nutzt: (1) ein mit einem Farbstoff sensibilisierter nanopartikulärer TiO 2 -Analanode als lichtgewachsene Schicht; (2) eine Pt-beschichtete FTO, die als Gegenelektrode verwendet wird; Und (3) einen Elektrolyten, der ein Redoxpaar wie I – / I 3 – enthält , das zwischen den beiden Elektroden angeordnet ist und als "lochleitendes Medium" arbeitet.
Obwohl DSSCs Wirkungsgrade von 15% 3 übertroffen haben, wird die Leistung von Nanopartikel-basierten Photoanoden immer noch durch eine Reihe von Einschränkungen behindert, einschließlich langsamer ElektronenmobilisierungY 4 , schlechte Absorption von niederenergetischen Photonen 5 und Ladungsrekombination 6 . Der Elektronensammelwirkungsgrad hängt stark von der Geschwindigkeit des Elektronentransports durch die TiO 2 -Nanopartikelschicht ab. Wenn die Ladungsdiffusion langsam ist, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit der Rekombination mit I 3 – in der Elektrolytlösung, was zu einem Verlust an Effizienz führt.
Es wurde gezeigt, dass das Ersetzen von nanopartikulärem TiO 2 mit eindimensionalen (1D) TiO 2 -Nanoarchitekturen den Ladungstransport durch Verringerung der Streuung von freien Elektronen aus den Korngrenzen der miteinander verbundenen TiO 2 -Nanopartikel 7 verbessern kann. Da 1D-Nanostrukturen einen direkteren Weg zur Ladungssammlung bieten, können wir erwarten, dass der Elektronentransport in Nanofasern (NFs) deutlich schneller als in Nanopartikeln 8 , </sup> 9
Das Elektrospinnen ist eines der am häufigsten verwendeten Verfahren zur Herstellung von Fasermaterialien mit Submikrometer-Durchmessern 10 . Diese Technik beinhaltet die Verwendung von Hochspannung, um den Ausstoß eines Polymerlösungsstrahls durch eine Spinndüse zu induzieren. Aufgrund der Biegeinstabilität wird dieser Strahl anschließend oftmals zu kontinuierlichen Nanofasern gedehnt. In den letzten Jahren wurde diese Technik weitgehend zur Herstellung von polymeren und anorganischen Materialien verwendet, die für zahlreiche und vielfältige Anwendungen wie Tissue Engineering 11 , Katalyse 12 und als Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien 13 und Superkondensatoren verwendet wurden.
Die Verwendung von elektrogesponnenen TiO 2 -NFs als Streuschicht in der Photoanode kann die Leistung von DSSCs erhöhen. Allerdings photoanodes mit nanofibroUns Architekturen neigen dazu, eine schlechte Farbstoffabsorption aufgrund von Oberflächenbeschränkungen zu haben. Eine der möglichen Lösungen, um dies zu überwinden, besteht darin, NFs und Nanopartikel zu mischen. Es wurde gezeigt, dass sich zusätzliche Streuschichten ergeben, wodurch die Lichtabsorption und der Gesamtwirkungsgrad verbessert werden.
Das in diesem Video präsentierte Protokoll bietet ein einfaches Verfahren zur Synthese von ultralong-TiO 2 -Nanofasern durch eine Kombination von Elektrospinn- und Sol-Gel-Techniken, gefolgt von einem Kalzinierungsverfahren. Das Protokoll veranschaulicht dann die Verwendung der TiO 2 -NFs in Kombination mit nanopartikulärem TiO 2 für die Herstellung eines zweischichtigen Photoanodes mit verbesserter Lichtstreuungsfähigkeit unter Verwendung von Rakeltechniken sowie die anschließende Montage eines DSSC unter Verwendung eines solchen Photoanode
Protocol
Representative Results
Discussion
Die in dieser Arbeit vorgestellten Methoden beschreiben die Herstellung von effizienten nanofaserigen Photoanoden für photokatalytische Geräte wie DSSCs. Electrospinning ist eine sehr vielseitige Technik für die Herstellung von Nanofasern, aber ein gewisses Maß an Geschick und Wissen ist erforderlich, um Materialien mit optimalen Morphologien zu erhalten. Einer der kritischsten Aspekte, um gute Nanofasern zu erhalten, ist die Vorbereitung der Vorläuferlösung: Es gibt einige Schlüsselfaktoren wie die Konzentration…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren haben keine Anerkennung.
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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