דפוס דיגיטלי של טיטניום דו-חמצני עבור לצבוע תאים סולריים רגישים

Protocol

1. גיבוש דיו

הערה: ניסוחים דיו לעתים קרובות נשמרים סוד שמור ביותר על ידי היצרנים. טיסות הללו איזון ניסוחים מוצלחים, ושחרר היווצרות, הרטבה והתנהגות ייבוש לצד ביצוע תפקודי. בדרך כלל חומר פונקציונלי מתפזר בתוך ממס ולפחות רכיב אחר אחד כדי לגרום להם jettable. סעיף זה מפרט את הפיתוח של דיו ₂ Tio לשימוש בתוך דיו להדפסה. תצווה קטן של דיו הוכן בשיטה הבאה.

זהירות: דיו הכנה צריכה להתבצע באזור פרקו כראוי, למשל, מתחת למכסה המנוע קטר, תוך לובש משקפי מגן עיניים וכפפות לטקס.

1. כן בתמיסה מימית 0.1 מ"מ של חומצה הידרוכלורית (HCl) לייצר pH של כ 4.
2. להוסיף 32 גרם של פתרון החומצה עד 8 גרם של חומר ממס תואם נקודת רתיחה גבוהה מתח פנים נמוך יותר מאשר מים (כגון dimethylformamide (DMF)). תוספת של שיתוף solvפעולות אף אוזן גרון כסוכן ייבוש להשפיע על זרימה מחזורית בתוך האגל דיו כפי מתאדה דיו, המוביל בהנפקה אחידה של חלקיקים על פני השטח של רביב ^21.
3. הוסף 1.5 גרם של פיזור כתוסף (פתרון פעיל 45% של פרופילן גליקול ו tetramethyl-5-decyne-4,7-דיאול במים).
4. הוסף 10 גר 'אתילן גליקול, כמו humectant כדי למנוע התייבשות על החרירים.
5. הוסף 0.5 גרם של סוכן defoaming (פתרון פעיל 20% של דיאול acetylenic ב methoxypolyethyleneglycol) אל דיו כדי למנוע בועות אוויר מלפתח.
6. בצע בדיקה שייק פשוט על ידי לקיחת aliquot של דיו לתוך מיכל סגור ולנער ביד במשך 60 שניות. אם כל קצף הוא ציין אז להוסיף עוד 0.5 גרם של לחלוקה וקצף לכיבוי סוכן הדיו.
7. מערבבים את הפתרון עבור 8 שעות באמצעות בר בחישה מגנטית על מנת להבטיח אחידות ב RT.
8. הוסף 1.5 גרם של תחמוצת טיטניום (Tio ₂₎ חלקיקים עם גודל חלקיקים עיקרי של 21 ננומטר שטח פנים של35 - 65 מ ^'2 / g.
9. Sonicate את התערובת באמצעות בדיקה קולי במשך 15 דקות בתדר של 60 הרץ.
10. מדוד את גודל החלקיקים, באמצעות טכניקת מדידה מתאימה כגון פיזור אור דינאמי (DLS) על פי הפרוטוקול של היצרן, על מנת להבטיח כי הם יזרמו בקלות דרך פתחי הנחיר. לבצע מדידות בתנאים זהים (למשל., באותו ממס, pH, ריכוז של פיזור) לשמש הדיו כמו כל רכיב עשוי להשפיע על היווצרות של agglomerates בתוך הדיו. עבור טיסות הללו מוצלחים, החלקיקים בתוך הנוזל צריכים להיות 100 פעמים יותר מאשר פתיחת הנחיר.
11. מדוד את הצמיגות של הדיו, באמצעות טכניקת מדידה מתאימה כגון viscometer סיבוב על פי הפרוטוקול של היצרן, על מנת להבטיח טיסות הללו אמינים מראש ההדפסה כמו דיו להדפסה דורשת דיו צמיגות נמוך של בין 2 ל 20 centipoise (CP). להגדיל את הצמיגות דרך additiעל חומרים פולימריים או חומרים מבוססי תאית; אולם אלה צורך להסירו לאחר בתצהיר כדי לפנות אתרים לצבוע בתוך הסרט מודפס ^22.
12. מדוד את מתח הפנים של הדיו, באמצעות טכניקת מדידה מתאימה כגון tensiometer על פי הפרוטוקול של היצרן, על מנת להבטיח טיסות הללו אמינים. הנחיות ניסוח נוזל jettable למדפסות הזרקה דיו להציע מתח פנים בין 28 ו -33 MN / m כדי לאפשר הדפסה אמינה.

2. הדפסת הזרקת דיו

1. לפני ההדפסה, יש להשרות את מצעי הזכוכית בתמיסת 2% WT של ניקוי חומרי ניקוי (תערובת של סוכנים פעילים anionic ואת המשטח שאינו יוני, ייצוב סוכנים, אלקליות, בוני ניקוי שאינו פוספט וסוכני sequestering, בבסיס מימי) ב מים ללא יונים. יש לשטוף את הכוס ביסודיות עם מים ללא יונים ברגע שהם מוסרים מפתרון ניקוי כדי להסיר עקבות של זיהום וניקוי חומר ניקוי. מדוד את האנרגיה פני השטח של המצע, באמצעות טכניקת מדידה מתאימה כגון tensiometer על פי הפרוטוקול של היצרן. לקבלת הידבקות טובה, האנרגיה פני השטח של המצע אינו צריך לעלות על מתח הפנים של הנוזל על ידי יותר מ 10 - 15 MN / m. שנה את האנרגיה פני השטח של המצע באמצעות שיטות כגון קורונה טיפול ^23, טיפול פלזמה ²⁴ ותחריט כימי ²⁵ אם זה לא מתאים.
2. טען את המצע לתוך המדפסת על פי הפרוטוקול של היצרן.
3. שטוף את ראש ההדפסה עם הדיו דרך הנמל הממוקם בצד של הראש כדי לתפוס כל פתרון אוויר או ניקוי בתוך המאגר החרירים.
4. הכנס את ראש ההדפסה במדפסת. חבר את ראש ההדפסה עם לוח אישיויות הראש.
5. סנן את דיו דרך מסנן הגודל הנכון רק לפני הטעינה לתוך המחסנית כדי להסיר אגרגטים חלקיקים גדולים שיכול ולסתום את החרירים. הראש ההדפסה המשמשת בעבודה זו יש חרירים בקוטר של 40 מיקרומטר (למשל, Konica KM512.); ולכן די לא יכיל חלקיקים בקוטר יותר מ -400 ננומטר. Pass השעיות באמצעות 5 מיקרומטר, ואחריו מסנן 1.2 מיקרומטר polyvinylidene פלואוריד (PVDF) כדי להסיר כל חלקיקים גדולים.
6. טען את הדיו לתוך מזרק 150 מיליליטר הממוקם מעל ראש ההדפסה, המספק את הדיו בראש ההדפסה. צרף את המכסה האטום על גבי המזרק ולהדליק את משאבת הוואקום.
7. טהר את הדיו דרך החרירים על ידי לחיצה על כפתור 'טיהור' ממוקם על משאבת ואקום.
8. באמצעות מערכת מידע גיאוגרפי שרת הדפסה (GIS), הגדרת הפרמטרים waveform והדפסה. ראוי לציין, כי המדפסת יכולה להדפיס עד למהירות של 1.5 מטרים לשנייה, אולם עבור דיו זה מהירות הדפסה של 0.3 מטרים לשנייה כבר נמצאה לספק ציפוי אופטימלי
9. המשתמש לפתוח GIS תוכנת ממשק לטעון את התבנית הרצויה.
10. יחסי ציבורint מהמחסנית הטעונה על פי הפרוטוקול של היצרן.
11. הסר את המצע מן platen ומחמם סרטים מודפסים ב -150 ºC למשך 30 דקות, ואחריו 250 ºC למשך 30 דקות נוספות או על פלטה חשמלית או בתנור.

3. ניתוח של סרטי המודפסים

1. שימוש במיקרוסקופ אופטי או מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) להסתכל על פני השטח של סרטים מודפסים בהגדלה נמוכה (100X) לנתח את המורפולוגיה פני השטח בהגדלה גדולה (35,000X) לנתח את נקבוביות של סרטים מודפסים. בדוק שהתמונות להראות כיסוי אחיד ללא סדקים נקבוביים טוב. מידע מפורט יותר על מבצע SEM ניתן למצוא את הפניות הבאות ^26,27.
2. מדוד את עובי השכבה המודפס, באמצעות טכניקת מדידה מתאימה כגון מאבחן שטח על פי הפרוטוקול של היצרן. העובי הנקבובי של שנינות שכבת ₂ TioDSSCs הין להשפיע על כמות צבע שיכול להיספג על פני השטח של החלקיקים, ולפיכך להשפיע על יעילות המרת חשמל הכוללת של התא ^18. לכן פרמטר חשוב להעריך. השתמש מאבחן פני שטח (דיוק של 1 ננומטר) כדי למדוד את העובי של הסרטים המודפסים.
3. מדוד את ההעברה של הסרט, באמצעות טכניקת מדידה מתאימה כגון ספקטרופוטומטר אולטרה סגול-גלוי (UV-VIS) כדי לקבוע כמה אור הנראה ישדר דרך הסרט המודפס. השתמש הפרוטוקול של היצרן.

4. הפיכת התא

1. בצע פתרון לצבוע ידי ערבוב 20 מ"ל של אתנול ו -2 מ"ג של צבע רותניום בכוס זכוכית באמצעות בוחש מגנטי עבור 8 שעות.
2. להטביע את זכוכית Tio ₂ מצופה בתמיסה ב RT (20 עד 25 מעלות צלזיוס) במשך 24 שעות כדי לאפשר לצבוע לספוג על פני השטח של חלקיקי ₂ Tio.
3. הסר את ₂ Tio 2 כלפי מעלה, כדי למנוע זיהום).
4. מניח את 60 מראש לחתוך מיקרומטר spacer איטום תרמופלסטיים העבה על גבי הזכוכית המוליכה, סביב ציפוי ₂ Tio.
5. מניח את האלקטרודה דלפק מצופה פלטינה על גבי 60 מראש לחתוך מיקרומטר spacer איטום תרמופלסטיים העבה כדי שהצדדים הפעילים של האנודה ואת הקתודה הם פונים זה לזה. לאפשר מספיק חפיפה בין שתי פיסות זכוכית כך כי מגע חשמלי יכול להתבצע עם זכוכית המוליך. זה צריך חור שנקדח מראש במרכז לאפשר למילוי אלקטרוליט מאוחר יותר.
6. מחממים על פלטה חשמלית לטמפרטורה של 110 C ו- להפעיל לחץ קל באמצעות פינצטה מעל האזור של spacer האיטום. לאחר 30 שניות האלקטרודות צריכים להיות אטומים יחד.
7. למלא את הפער בין שתי אלקטרודות עם אלקטרו יודיד / תלת-יודידLyte ב אצטוניטריל בריכוז של 50 מ"מ, על ידי הזרקת דרך החור שנקדחו מראש בכוס פלטינה מצופה באמצעות מזרק.

Representative Results

דיו ₂ Tio גובש על פי ההליך המתואר. הגודל של חלקיקים המרחפים בתוך הדיו נמדד באמצעות פיזור אור דינאמי (DLS) ואת גודל חלקיקים ממוצע של 80 ננומטר (ננומטר) נצפה. הצמיגות של הדיו בעבודה זו נמצא כי 3 CP, נמדד באמצעות viscometer הסיבוב עם מתאם מדגם קטן בקוטר ציר 18 מ"מ. מתח פנים נמדד באמצעות tensiometer ו חושב להיות ממוצע של 26 MN / m.

האנרגיה פני זכוכית FTO חושבה על פי התקן האירופי EN 828 לקביעת יכולת רטיבות משטח מוצק על ידי מדידת זווית המגע ואנרגיה חינם שטח. עשר טיפות של שלושה נוזלים שונים (מים, אתילן גליקול ו diiodomethane) הושבתו על משטח חתיכת מבחן מטוס. עבור כל ירידה, זווית המגע שמאל וימין היו measur ed. מתוך קשר עם הזוויות הממוצעות של כל נוזל בשילוב עם מתח הפנים שלה, משטח האנרגיה החופשית של חתיכת המבחן מחושבת. שיטת Fowkes מחשבת את אנרגית פנים הכוללת (γ) מסכום התרומות מאינטראקציות נפיצות (γd) ואינטראקציות נפיצות-γnon (γp). שיטה זו הביאה אנרגיה חופשית השטח של 26.45 MN / m עבור זכוכית מצופה FTO.

ההדפסה בוצעה על פי הנוהל לעיל כדי לייצר 5 ריבועים מ"מ. עובי ההשכבה מודפסת על הזכוכית נמדד באמצעות מאבחן פני שטח. העובי המרבי במרכז השכבה המודפסת נמדד להיות 2.6 מיקרומטר. ההעברה של הזכוכית המצופית נמדדה באמצעות ספקטרומטר UV-VIS. באורך גל של 700 ננומטר, העברת 60% נמדדה עבור מודפס סרט ₂ Tio לעומת 78% עבור זכוכית FTO.

-page = "1"> מכשירים פוטו יוצרו בהתאם למתווה ההליך הנ"ל ומאופיינת ישירות לאחר ייצור כדי למזער את ההשפעה של השפלה הנגרמת על ידי מים וחמצן באוויר. ישנם חמישה פרמטרי ביצועים חשמליים המשמשים לאפיין ולהשוות תאים סולריים ^28. הערכים של זרם קצר (אני _SC) ואת מתח מעגל פתוח _(OC V) יכולים להיגזר המתח הנוכחי (IV) עקומה. אלה לאחר מכן ניתן להשתמש כדי לקבוע את הגורם מילוי (FF) ויעילות המרה כוח (η). FF נותן יחס של תאי פלט כוח מרבי בפועל על המוצר של מתח המעגל הפתוח לקצר נוכחי ^29. זהו פרמטר מרכזי בהערכת הביצועים של תאים סולריים. פרנקים צרפתים גבוהים פירושו פסדים אלקטרוכימיים נמוכים, ואילו FF נמוך מצביע יש מקום לשיפור. מספר גורמים ידועים להשפיע על FF כולל איכות וממשק של שכבות בתוך התא. DSגיל שילוב זוג רדוקס יודיד / triiodide עם יעילות שיא של דו"ח 11.9% למלא גורמי 0.71 ^30. כל הפרמטרים האלה צריכים להיקבע בתנאי מבחן סטנדרטיים שבו הטמפרטורה המכשירה 25 C, הפצת irradiance הרפאים של האור יש מסת אוויר של 1.5, נמדד irradiance הכולל _(מ E) על התאים הסולריים הוא 100 mW / cm ^2. המרבית תיאורטית עבור יעילות ההמרה עבור תא צומת pn אחת דווחה בהרחבה כמו 37.7% ^31, אולם עבור DSSCs זה דווח כי היעילות מקסימלית קרובה 15.1% עם תחילת קליטה 920 ³² ננומטר.

זרם הפלט והמתחים נמדדו באמצעות מד מקור תוך התאים היו מוארים עם מקור אור ² 100 mW / cm מצויד במסנן כדי להתאים את חלוקת irradiance ספקטרלי עם מסת אוויר של 1.5. התוצאות הושוו לתאהופק באמצעות שכבת רופא הלהב Tio ₂ באמצעות משחה זמינה מסחרי אשר יש תערובת של חלקיקי anatase 20 ננומטר ו -450 ננומטר. השכבה המודפסת הייתה שטח של 0.25 סנטימטר ² ו עובי ממוצע של 18 מיקרומטר אשר נמדד באמצעות מאבחן פני שטח. מהשוואת הביצועים הפוטואלקטרי בין שני המכשירים מוצגת באיור 1 ולוח 1.

מספר מחקרים שבחנו את הקשר בין עובי שכבת Tio ₂ ואת יעילות ההמרה בתוך DSSCs. התוצאות להשתנות באופן משמעותי, עם עובי סרט אופטימלית דיווח מכל מקום בין 9.5 מיקרומטר ו 20 מיקרומטר ^33-39. טבלת 1 מתאר את העוביים של שכבות המודפסות ₂ Tio ואת היעילות. העובי של דיו מודפס Tio ₂ הוא פחות משמעותי מאשר הרופא להב ₂ Tio, וכתוצאה מכךבתוך יעילות נמוכה. עבודה עתידית לחקור את השימוש קלסרים אורגני בתוך ניסוח הדיו כדי להגדיל את עובי שכבת הראש מודפס.

Curves ביצועים איור 1. DSSCs עם ראש מודפס ודוקטור להב Tio ₂ שכבות. עקומות נוכחי צפיפות / מתח עבור DSSCs שילוב דיו מודפס שכבת Tio ₂ ושכבה ₂ הרופא להב טיו. הצפיפות הנוכחית לקצר במכשיר עם הדיו מודפס Tio ₂ שכבה נמוכה משמעותי מאשר המכשיר עם רופא שכבת Tio ₂ להב וכתוצאה מכך יעילת המרה כוללת נמוכה יותר. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

זרם קצר	מתח מעגל פתוח	מלאו גורם	יְעִילוּת	עוֹבִי
(mA / 2 ס"מ)	(MV)
			(%)	(מיקרומטר)
ראש מודפס	9.42	760	0.49	3.5	2.6
דוקטור להב	11	756	0.58	4.8	18

טבלת 1. מאפייני ביצועים מרכזיים של התאים באיור 1. טבלה זו משווה את הפרמטרים העיקריים של התאים הסולריים כוללים מתח מעגל פתוח _(OC V), ומזרם קצר (אני _SC) הקובעים את היעילות (η) תחת האור שצוין מצב מוצג. הפרמטרים oתא fa הופק באמצעות שכבת Tio ₂ רופא להב יש גם נכלל להשוואה. הגורמים המילוי (FF) של שני המכשירים מופעלים נמוכים למדי אשר מיוחס באופן כללי על התנגדות פנימית גבוהה בתוך התא.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Titanium dioxide	Sigma Aldrich	718467
Deionized water			Supplied from a filter in the laboratory
Hydrochloric acid, 2 M (2 N)	Fisher Scientific	J/4250/17
Dimethylformamide (DMF)	Fisher Scientific	D/3840/08
Ethanol	VWR Chemicals	20721.33
Dispersing additive	Air Products
Defoaming agent	Air Products
Ethylene glycol	Fluka	107-21-1
Polyvinylidene fluoride (PVDF) syringe filter	VWR International
Cleaning detergent	Fisher Scientific	10335650
Fluorine doped tin oxide (FTO) glass, 8 Ω/sq	Pilkington
Ruthenizer dye	Solaronix	21613
Pre-cut 60 µm thick thermoplastic sealing film	Solaronix	74301
50 mM Iodide/tri-iodide electrolyte  in acetonitrile	Solaronix	31111
Platinum coated FTO glass	Solaronix	74201
Vac'n'Fill Syringe	Solaronix	65209
Polyimide tape (6.35 mm)	Onecall Farnell	1676087