Protocol
1. Ink Formulation
Примечание: составы чернил часто держали высоко охраняемую тайну изготовителями. Успешные составы баланс струйное, образование капель, смачивание и поведение сушки наряду с функциональными показателями. Как правило, функциональный материал диспергируют в растворителе, и, по меньшей мере один другой компонент, чтобы сделать их jettable. В этом разделе подробно о разработке TiO 2 чернил для использования в струйной печати. Небольшая партия чернил готовили следующим способом.
Внимание: подготовка Чернила должны быть выполнены в надлежащим образом вентилируемом области, например, под вытяжкой, в то время как ношение глаз защитные очки и резиновые перчатки.
- Готовят водный раствор 0,1 мМ соляной кислоты (HCl) с получением рН приблизительно 4.
- Добавьте 32 г кислотного раствора до 8 г совместимого растворителя с более высокой температурой кипения и низким поверхностным натяжением, чем у воды (например, в диметилформамиде (ДМФ)). Добавление совместно SOLVлор выступает в качестве сушильного агента , чтобы вызвать циркулирующий поток внутри капли чернил в качестве чернил испаряется, что приводит к равномерному размещению наночастиц на поверхности капли 21.
- Добавить 1,5 г диспергирующая добавка (45% активного раствора пропиленгликоля и тетраметил-5-децин-4,7-диола в воде).
- Добавляют 10 г этиленгликоля, в качестве увлажнителя для предотвращения высыхания на соплах.
- Добавьте 0,5 г пеногасителя (20% активного раствора ацетиленового диола в methoxypolyethyleneglycol) для чернил предотвращает образование воздушных пузырей из развивающихся.
- Выполнение простого теста встряхивания, принимая аликвоты чернил в закрытую емкость и встряхивают вручную в течение 60 сек. Если наблюдается любой пенопласт затем добавляют еще 0,5 г Пеногаситель к чернилам.
- Перемешать раствор в течение 8 часов с использованием магнитной мешалки, чтобы обеспечить гомогенность при комнатной температуре.
- Добавить 1,5 г диоксида титана (TiO 2) наночастицы с размером первичных частиц от 21 нм и площадь поверхности35 - 65 м 2 / г.
- Разрушать ультразвуком смесь с использованием ультразвукового зонда в течение 15 мин при частоте 60 Гц.
- Измерение размеров частиц, используя соответствующий метод измерения, такие как динамического рассеяния света (DLS) в соответствии с протоколом производителя, чтобы гарантировать, что они будут легко проходить через отверстия сопла. Сделайте измерения в одних и тех же условиях (например., Тот же растворитель, рН, концентрация диспергаторов) , которые будут использоваться для чернил каждого компонента может влиять на образование агломератов в чернилах. Для успешного струйная частицы внутри жидкости должна быть в 100 раз меньше, чем отверстие сопла.
- Измеряют вязкость краски, с помощью соответствующего метода измерения, такие как ротационного вискозиметра в соответствии с протоколом производителя, чтобы обеспечить надежную карбюратора на более богатую из печатающей головки, как струйная печать требует низкой вязкости чернил от 2 до 20 сП (сП). Повышение вязкости через дополнительна полимерных материалах или материалы на основе целлюлозы; Однако они должны быть удалены после осаждения , чтобы освободить места для красителя в пределах отпечатанной пленки 22.
- Измерить поверхностное натяжение чернил, с помощью соответствующего метода измерения, такие как тензометра в соответствии с протоколом производителя, чтобы обеспечить надежную карбюратора на более богатую. Способном к образованию струи жидкости принципы составов для струйных принтеров предлагают поверхностное натяжение между 28 и 33 мН / м, чтобы позволить надежную печать.
2. Струйный печать
- Перед печатью, пропитать стеклянных подложек в 2% -ного раствора моющего средства (смесь анионных и неионных поверхностно-активных веществ, стабилизирующих агентов, щелочам, не-фосфатные моющие компоненты и пассиваторы, такие, в водной основе) в деионизированная вода. Промыть стакан тщательно деионизированной водой, как только они будут удалены из раствора для очистки, чтобы удалить следы загрязнений и моющего средства. Измерьте энергию поверхности подложки, используя соответствующую технику измерения, такие как тензометра в соответствии с протоколом производителя. Для обеспечения хорошей адгезии, энергия поверхности подложки не должна превышать поверхностное натяжение жидкости более чем на 10 - 15 мН / м. Изменение энергии поверхности подложки с использованием методов , таких как обработка коронным разрядом 23, 24 обработки плазмы и химического травления 25 , если он не подходит.
- Загрузите подложку в принтер в соответствии с протоколом производителя.
- Промывка печатающей головки с чернилами через отверстие, расположенное на боковой стороне головы, чтобы вытеснить любой воздух или моющий раствор в резервуаре и соплами.
- Вставьте печатающую головку в принтер. Соедините печатающую головку с головой личности борту.
- Фильтр чернила через правильный фильтр с размером как раз перед загрузкой в картридж для удаления крупных агрегатов частиц, которые могут засорить сопла.печатающей головки используется в этой работе имеет сопла с диаметром 40 мкм (например, Konica KM512.); поэтому чернила не должны содержать частицы с диаметром более 400 нм. Пропускают суспензии через 5 мкм, с последующим поливинилиденфторид 1,2 мкм (ПВДФ) фильтр для удаления любых крупных частиц.
- Загрузка чернил в 150 мл шприца, расположенного над печатающей головкой, которая поставляет чернила в печатающей головке. Приложить герметичную крышку на верхней части шприца и включите вакуумный насос.
- Чистки чернила через сопла, нажав на кнопку «чистку», расположенную на вакуумном насосе.
- Через сервер печати географической информационной системы (ГИС), параметры сигнала и печати настройки. Обратите внимание, что принтер может печатать до скорости 1,5 метра в секунду, однако для этих чернил скорость печати 0,3 метра в секунду было установлено, чтобы обеспечить оптимальное покрытие
- Открытое программное обеспечение ГИС и интерфейс пользователя загрузить нужный шаблон.
- PrINT из загруженного картриджа в соответствии с протоколом производителя.
- Удалите подложку с валика и нагревать печатные пленки при 150 ° С в течение 30 мин, затем 250 ° С в течение еще 30 минут или на горячей плите или в печи.
3. Анализ печатных пленок
- С помощью оптического микроскопа или сканирующего электронного микроскопа (SEM), чтобы посмотреть на поверхности печатной пленок при малом увеличении (100X) для анализа морфологии поверхности и при большом увеличении (35,000X) для анализа пористости печатных пленок. Убедитесь, что изображения показывают равномерное покрытие без трещин и хорошую пористость. Более подробная информация о работе SEM можно найти в следующих ссылках 26,27.
- Измерить толщину печатного слоя, используя соответствующий метод измерения, такие как поверхности Profiler в соответствии с протоколом производителя. Толщина и пористость слоя остроумием TiO 2Hin DSSCs влияют на количество краски , которое может абсорбироваться на поверхности наночастиц, которые , следовательно , влияют на общую эффективность электрическое преобразование ячейки 18. Поэтому он является важным параметром для оценки. Используйте поверхность Profiler (точность 1 нм) для измерения толщины печатных пленок.
- Измеряют коэффициент пропускания пленки, используя соответствующий метод измерения, такие как видимой области ультрафиолетового (UV-VIS) на спектрофотометре, чтобы определить, насколько видимый свет будет передавать через печатное пленку. Используйте протокол производителя.
4. Создание Cell
- Приготовьте раствор красителя путем смешивания 20 мл этанола и 2 мг рутениевого красителя в стеклянном стакане с помощью магнитной мешалки в течение 8 часов.
- Погрузите стекла , покрытого TiO 2 в растворе при комнатной температуре ( от 20 до 25 ° С) в течение 24 часов , чтобы позволить краситель , чтобы абсорбироваться на поверхности частиц TiO 2.
- Извлеките TiO 2 к югу> стекла с покрытием из раствора и место на папиросную бумагу , чтобы впитать избыток раствора красителя (с TiO 2 вверх , чтобы избежать загрязнения).
- Поместите предварительно вырезанное толщиной 60 мкм термопластичного уплотнительную прокладку поверх электропроводного стекла, вокруг покрытия TiO 2.
- Поместите платины покрытием противоэлектрода поверх Нарезанные толщиной 60 мкм термопластичного уплотнительной прокладки так, чтобы активные стороны анода и катода обращены друг к другу. Обеспечьте достаточное перекрытие между двумя кусками стекла, так что электрический контакт может быть сделано с проводящим стеклом. Это должно быть предварительно просверленные отверстия в центре, чтобы обеспечить заполнение электролита позже.
- Тепло на плитке до температуры 110 ° С и применить давление света с помощью пинцета по площади уплотнительной прокладки. Через 30 секунд электроды должны быть запечатаны вместе.
- Заполните зазор между двумя электродами с иодидом / TRI-йодид электроLyte в ацетонитриле в концентрации 50 мМ, путем инъекции через предварительно просверленное отверстие в платиновом покрытого стекла с использованием шприца.
Representative Results
TiO 2 чернил была сформулирована в соответствии с процедурой , описанной. Размер частиц, взвешенных в чернилах измеряли с использованием динамического рассеяния света (DLS) и средний размер частиц от 80 нанометров (нм) наблюдалась. Было обнаружено, что вязкость краски в этой работе, чтобы быть 3 сП, измеренную с помощью ротационного вискозиметра с малым адаптером образца и диаметр шпинделя 18 мм. Поверхностное натяжение измеряли с использованием тензиометр и Рассчитанное в среднем на 26 мН / м.
Поверхностная энергия стекла FTO была рассчитана в соответствии с европейским стандартом EN 828 для определения смачиваемости твердой поверхности путем измерения угла смачивания и свободной поверхностной энергии. Десять капель трех различных жидкостей (вода, этиленгликоль и дийодметаном) разлили на плоскость поверхности образца. Для каждой капли, левый и правый угол контакта были измредактор Из усредненных контактных углов каждой жидкости в сочетании с ее поверхностного натяжения, поверхностная свободная энергия образца вычисляется. Метод Fowkes вычисляет общую поверхностную энергию (у) из суммы вкладов от дисперсионных взаимодействий (γd) и γnon-дисперсионные взаимодействий (Гр). Этот метод привел к свободной поверхностной энергией 26,45 мН / м для стекла с покрытием FTO.
Печать проводилась в соответствии с методикой выше, с получением 5 мм квадратов. Толщина нанесенного трафаретной печатью слоя на стекле измеряли с помощью поверхностного Profiler. Максимальная толщина в центре печатного слоя измеряли до 2,6 мкм. При этом коэффициент пропускания стекла с покрытием измеряли с помощью UV-VIS-спектрометра. На длине волны 700 нм, 60% Пропускание измеряли для печатной пленки TiO 2 по сравнению с 78% для стекла FTO.
28. Значения тока короткого замыкания (I SC) и напряжением холостого хода (V ОЦ) может быть получено из вольт-амперной (IV) кривой. Они могут быть использованы для определения коэффициента заполнения (FF) и эффективность преобразования энергии (п). FF дает отношение ячеек фактической максимальной выходной мощности к произведению напряжения холостого хода и тока короткого замыкания 29. Это является ключевым параметром при оценке эффективности солнечных батарей. Высокий FF означает низкие электрохимические потери, в то время как низкий FF указывает, есть место для улучшения. Несколько факторов, как известно, влияют на FF включая качество и интерфейс слоев внутри клетки. DSСтволовые включения иодид / трийодид окислительно - восстановительной пары с рекордным КПД 11,9% отчета коэффициентов заполнения 0,71 30. Все эти параметры должны быть определены в стандартных условиях испытаний , где температура устройства 25 ° С , спектральное распределение освещенности света имеет воздушную массу 1,5, общая освещенность измеряется (Е м) на солнечной батареи 100 мВт / см 2. Теоретический максимум для эффективности преобразования для одного р - п перехода клетки широко освещалось в 37,7% 31, однако для DSSCs сообщалось , что максимальный коэффициент полезного действия ближе к 15,1% с начала поглощения при 920 нм 32.
Выходной ток и напряжение измерялись с помощью измерителя источника в то время как клетки были освещены с / см 2 источника света 100 мВт , снабженный фильтром , чтобы соответствовать спектральное распределение освещенности с воздушной массой 1,5. Результаты сравнивали с ячейкойпроизводится с помощью врача-лопастной TiO 2 слоя с использованием коммерчески доступного пасты , которая имеет смесь анатаза частиц 20 нм и 450 нм. Напечатанный слой имел площадь 0,25 см 2 и среднюю толщину 18 мкм , которая была измерена с использованием поверхности Profiler. Сравнение фотоэлектрического производительности между двумя устройствами показана на рисунке 1 и в таблице 1.
Несколько исследований исследовали взаимосвязь между толщиной слоя TiO 2 и КПД преобразования в DSSCs. Результаты значительно различаются, при оптимальной толщине пленки сообщили из любой точки мира между 9,5 мкм и 20 мкм 33-39. В таблице 1 приведены толщин TiO 2 печатных слоев и эффективности. Толщина струйных печатных TiO 2 значительно меньше , чем врач лопаточного TiO 2, в результате чегов более низкой эффективности. Будущая работа будет расследовать использование органических связующих внутри состава краски, чтобы увеличить толщину струйного печатного слоя.
Рисунок 1. Производительность Кривые DSSCs струйных печатных и доктора Клинков TiO 2 слоя. Кривые плотности тока / напряжения для DSSCs , включающих струйный напечатанный TiO 2 слоя и врач-лопастной TiO 2 слоя. Плотность тока короткого замыкания в устройстве с струйной печатной TiO 2 слоя значительно ниже , чем устройства с врачом лезвиями TiO 2 слоя , что приводит к снижению общей эффективности преобразования. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Ток короткого замыкания | Холостое напряжение | Коэффициент заполнения | коэффициент полезного действия | Толщина | |
(мА / см 2) | (МВ) | ||||
(%) | (Мкм) | ||||
Струйный печатная | 9,42 | 760 | 0,49 | 3.5 | 2.6 |
Доктор клинковое | 11 | 756 | 0,58 | 4.8 | 18 |
Таблица 1. Основные рабочие характеристики ячеек на рисунке 1. В этой таблице сравниваются основные параметры солнечного элемента , включая напряжение холостого хода (V ОЦ), тока короткого замыкания (I SC) , которые определяют эффективность (п) в соответствии с указанным светом Состояние представлены. Параметры выводаФ.А. клеток производится с помощью врача-лопастной TiO 2 слоя также были включены для сравнения. Коэффициенты заполнения (FF) обоих устройств достаточно низки, которые, как правило, связано с высоким внутренним сопротивлением внутри клетки.
Disclosures
Авторы не имеют ничего раскрывать.
Acknowledgments
Это исследование проводится с благодарностью при поддержке инженерных и физических наук Научно-исследовательский совет (EPSRC) финансируется за счет гранта докторской подготовки. стоимость обработки статьи открытого доступа (АРС) финансировались советов по научным исследованиям Великобритании (RCUK). Все данные предоставляются в полном объеме в разделе результатов работы. Представитель результаты ранее были опубликованы авторами 42.
Мы хотели бы поблагодарить д-ра Senthilarasu сундарам из Университета Эксетера за его помощь при характеристике электрических характеристик клеток.
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 |
References
- Docampo, P., et al. Lessons Learned: From Dye-Sensitized Solar Cells to All-Solid-State Hybrid Devices. Adv. Mater. 26, 4013-4030 (2014).
- Hudd, A. The Chemistry of Inkjet Inks. Magdassi, S. , 3-18 (2009).
- Krebs, F. C. Fabrication and processing of polymer solar cells: A review of printing and coating. Sol. Energ. Mat. Sol. Cells. 93, 394-412 (2009).
- Reddy, P. J. Solar Power Generation: Technology, New Concepts & Policy. , Taylor & Francis. (2012).
- Gemeiner, P., Mikula, M. Acta. Chem. Slov. 6, 29 (2013).
- Xue, Z., Jiang, C., Wang, L., Liu, W., Liu, B. Fabrication of Flexible Plastic Solid-State Dye-Sensitized Solar Cells Using Low Temperature Techniques. J. Phys. Chem. C. 118, 16352-16357 (2014).
- Oh, Y., Yoon, H. G., Lee, S. -N., Kim, H. -K., Kim, J. Inkjet-Printing of TiO2 Co-Solvent Ink: From Uniform Ink-Droplet to TiO2 Photoelectrode for Dye-Sensitized Solar Cells. J. Electrochem. Soc. 159, 34-38 (2011).
- Lin, L. -Y., et al. Low-temperature flexible Ti/TiO2 photoanode for dye-sensitized solar cells with binder-free TiO2 paste. Prog. Photovolt. Res. Appl. 20, 181-190 (2012).
- Gong, J., Liang, J., Sumathy, K. Review on dye-sensitized solar cells (DSSCs): Fundamental concepts and novel materials. Renew. Sustainable Energy Rev. 16, 5848-5860 (2012).
- Bosch-Jimenez, P., Yu, Y., Lira-Cantu, M., Domingo, C., Ayllòn, J. A. Solution processable titanium dioxide precursor and nanoparticulated ink: Application in Dye Sensitized Solar Cells. J Colloid Interf Sci. 416, 112-118 (2014).
- Jose, R., Thavasi, V., Ramakrishna, S. Metal Oxides for Dye-Sensitized Solar Cells. J. Am. Ceram. Soc. 92, 289-301 (2009).
- Gemeiner, P., Mikula, M. Efficiency of dye sensitized solar cells with various compositions of TiO2 based screen printed photoactive electrodes. Acta. Chem. Slov. 6, 29-34 (2013).
- Lee, K. E., Charbonneau, C., Demopoulos, G. P. Thin single screen-printed bifunctional titania layer photoanodes for high performing DSSCs via a novel hybrid paste formulation and process. J. Mater. Res. 28, 480-487 (2013).
- Li, J., Lemme, M. C., östling, M. Inkjet Printing of 2D Layered Materials. ChemPhysChem. 15, 3427-3434 (2014).
- Rudyak, V. Y., Krasnolutskii, S. L. Dependence of the viscosity of nanofluids on nanoparticle size and material. Phys. Lett. A. 378, 1845-1849 (2014).
- Dispoto, G., Moroney, N., Hanson, E., Meyer, J. D., Allen, R. R. Color Desktop Printer Technology Optical Science and Engineering. , CRC Press. 111-155 (2006).
- Hsien-Hsueh, L., Kan-Sen, C., Kuo-Cheng, H. Inkjet printing of nanosized silver colloids. Nanotechnology. 16, 2436 (2005).
- Singh, M., Haverinen, H. M., Dhagat, P., Jabbour, G. E. Inkjet Printing: Inkjet Printing-Process and Its Applications. Adv. Mater. 22, 673-685 (2010).
- Stüwe, D., Mager, D., Biro, D., Korvink, J. G. Inkjet Technology for Crystalline Silicon Photovoltaics. Adv. Mater. 27, 599-626 (2015).
- Perelaer, J., et al. Roll-to-Roll Compatible Sintering of Inkjet Printed Features by Photonic and Microwave Exposure: From Non-Conductive Ink to 40% Bulk Silver Conductivity in Less Than 15 Seconds. Adv. Mater. 24, 2620-2625 (2012).
- Hwang, M. -s, Jeong, B. -y, Moon, J., Chun, S. -K., Kim, J. Inkjet-printing of indium tin oxide (ITO) films for transparent conducting electrodes. Mat. Sci. Eng. B. 176, 1128-1131 (2011).
- Hara, K., Arakawa, H. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. , John Wiley & Sons, Ltd. Ch. 15 663-700 (2003).
- Ryu, J., Wakida, T., Takagishi, T. Effect of Corona Discharge on the Surface of Wool and Its Application to Printing. Text. Res. J. 61, 595-601 (1991).
- Yang, L., Chen, J., Guo, Y., Zhang, Z. Surface modification of a biomedical polyethylene terephthalate (PET) by air plasma. Appl. Surf. Sci. 255, 4446-4451 (2009).
- Qian, B., Shen, Z. Fabrication of Superhydrophobic Surfaces by Dislocation-Selective Chemical Etching on Aluminum, Copper, and Zinc Substrates. J. Am. Chem. Soc. 21, 9007-9009 (2005).
- Echlin, P. Handbook of Sample Preparation for Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. , Springer. (2011).
- Flegler, S. L., Heckman, J. W., Klomparens, K. L. Scanning and Transmission Electron Microscopy: An Introduction. , Oxford University Press. (1993).
- O'Donnell, M. Z. R. How To Minimize Measurement Errors In Solar Cell Testing. Solar Industry Magazine. , http://www.newport.com/images/webdocuments-en/images/Solar_Industry-Solar_Cell_Testing.pdf (2011).
- Grätzel, M.
Dye-sensitized solar cells. J. Photochem. Photobiol. C: Photochem. Rev. 4, 145-153 (2003). - Green, M. A., Emery, K., Hishikawa, Y., Warta, W., Dunlop, E. D. Solar cell efficiency tables (version 46). Prog. Photovolt. Res. Appl. 23, 805-812 (2015).
- Shockley, W., Queisser, H. J. Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells. J. Appl. Phys. 32, 510-519 (1961).
- Snaith, H. J. Estimating the Maximum Attainable Efficiency in Dye-Sensitized Solar Cells. Adv. Funct. Mater. 20, 13-19 (2010).
- Jeng, M. -J., Wung, Y. -L., Chang, L. -B., Chow, L. Particle Size Effects of TiO2 Layers on the Solar Efficiency of Dye-Sensitized Solar Cells. Int. J. Photoenergy. 2013, 9 (2013).
- Song-Yuan, D., Kong-Jia, W. Optimum Nanoporous TiO2 Film and Its Application to Dye-sensitized Solar Cells. Chin. Phys. Lett. 20, 953-955 (2002).
- Baglio, V., Girolamo, M., Antonucci, V., Aricò, A. S. Influence of TiO2 Film Thickness on the Electrochemical Behaviour of Dye-Sensitized Solar Cells. Int. J. Electrochem. Sci. 6, 3375-3384 (2011).
- Ito, S., et al. High-Efficiency Organic-Dye- Sensitized Solar Cells Controlled by Nanocrystalline-TiO2 Electrode Thickness. Adv. Mater. 18, 1202-1205 (2006).
- Ito, S. Dye sensitized solar cells. Kalyanasundaram, K. , EFPL Press. Ch. 8 251-266 (2010).
- Tsai, J., Hsu, W., Wu, T., Meen, T., Chong, W. Effect of compressed TiO2 nanoparticle thin film thickness on the performance of dye-sensitized solar cells. Nanoscale Res Lett. 8, 1-6 (2013).
- Shin, I., et al. Analysis of TiO2 thickness effect on characteristic of a dye-sensitized solar cell by using electrochemical impedance spectroscopy. Curr. Appl. Phys. 10, 422-424 (2010).
- Brus, L. Electronic wave functions in semiconductor clusters: experiment and theory. J. Phys. Chem. 90, 2555-2560 (1986).
- Jung, S., et al.
All-Inkjet-Printed, All-Air-Processed Solar Cells. Adv Energy Mater. 4, 1-9 (2014). - Cherrington, R., Hughes, D. J., Senthilarasu, S., Goodship, V. Inkjet-Printed TiO2 Nanoparticles from Aqueous Solutions for Dye-Sensitized Solar Cells (DSSCs). Energy Technology. 3, (2015).