مقالة منهجية

الطباعة الرقمية من ثاني أكسيد التيتانيوم للخلايا الشمسية صبغ الحساس

13K مشاهدة

⸱

DOI:

10.3791/53963

⸱

مايو 4, 2016

 ,  ,  , 
1Warwick Manufacturing Group, University of Warwick

في هذه المقالة

ملخص

تبحث هذه الورقة في مدى ملاءمة الطباعة النافثة للحبر لتصنيع الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة. تمت صياغة حبر TiO2 النانوي الخالي من المواد الرابطة وطباعته على ركيزة زجاجية FTO. تم تصنيع الطبقة المطبوعة في خلية بمساحة نشطة 0.25 سم2 وكفاءة 3.5٪.

الملخص

تصنيع الخلايا الشمسية من السيليكون هو عملية مكلفة ومستهلكة للطاقة. في المقابل ، فإن إنتاج الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة أقل ضررا بالبيئة مع انخفاض درجات حرارة المعالجة التي تقدم بديلا قابلا للتطبيق ومنخفض التكلفة للإنتاج التقليدي. تعمل هذه الورقة على تعزيز أوراق الاعتماد البيئية هذه من خلال تقييم الطباعة الرقمية وبالتالي مسار الإنتاج الإضافي لهذه الخلايا. يتم تحقيق ذلك هنا من خلال التحقيق في تكوين وأداء قطب ضوئي لأكسيد المعادن باستخدام ثاني أكسيد التيتانيوم بحجم الجسيمات النانوية. تمت صياغة مادة قابلة للنفث بالحبر وتمييزها وطباعتها برأس نافثة للحبر كهرضغطية لإنتاج طبقة بسمك 2.6 ميكرومتر. تم تصنيع الطبقة المطبوعة الناتجة في خلية عاملة بمساحة نشطة تبلغ 0.25 سم2 وكفاءة تحويل طاقة تبلغ 3.5٪. أدت التركيبة الخالية من الموثق إلى انخفاض درجة حرارة المعالجة بمقدار 250 درجة مئوية ، متوافقة مع ركائز البولي أميد المرنة المستقرة حتى درجات حرارة 350 درجة مئوية. يواصل المؤلفون تطوير مسار العملية هذا من خلال التحقيق في الطباعة النافثة للحبر لطبقات أخرى داخل الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة.

المقدمة

الخلايا الشمسية التقليدية من السيليكون مصنوعة من مواد عالية النقاء تتطلب معدات متخصصة باهظة الثمن ومستهلكة للطاقة. تشتمل خلايا السيليكون التقليدية هذه على تقاطع pn يتطلب مواد عالية النقاء في الواجهة لتوليد أزواج ثقب الإلكترون. الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة (DSSCs) لها مبدأ عمل مختلف اختلافا جوهريا ، حيث يتم توليد الشحنة في واجهة المواد. هذا يعني أن المعالجة تحت الفراغ أو درجات الحرارة المرتفعة للغاية أو استخدام مرافق الغرف النظيفة ليستمطلوبة 1. لذلك ينظر إليها على أنها بديل منخفض التكلفة. ومع ذلك ، فإن الارتقاء من خلايا الاختبار المختبرية الصغيرة إلى نماذج أولية كبيرة للتصنيع الصناعي ينطوي على التغلب على العديد من المشكلات بما في ذلك الزخرفة السريعة للركائز.

يتطلب تصنيع الإلكترونيات عموما درجة من الزخرفة ، والتي يتم تحقيقها إما عن طريق الإخفاء أو الإزالة الانتقائية للمادة بعد الترسيب. يمكن إزالة هذه الخطوات من خلال استخدام تقنيات الطباعة الرقمية "المضافة" مثل الطباعة النافثة للحبر أو طلاء الرش. الطباعة الرقمية هي طريقة واعدة للترسيب المباشر للمواد الوظيفية للأجهزة الإلكترونية. يمكن وصف هذه التقنية بأنها الطباعة من نمط رقمي مباشرة إلى مجموعة متنوعة من الركائز2. إنها طرق عدم الاتصال ، والتي لن تلحق الضرر أو تلوث سطح الركيزة وتودع المواد فقط عند الحاجة ، مما يؤدي إلى إهدار ضئيل أو معدوم3. تم تسليط الضوء على هذه التقنيات على أنها مناسبة بشكل مثالي لتوسيع نطاقها إلى الإنتاج بكميات كبيرة3. نظرا لأن طرق الطباعة الرقمية تستخدم أشكالا سائلة من المواد المنتشرة في مذيب ، فمن الأهمية بمكان فهم ترسب الحبر لتحديد تطبيقات هذه التقنية.

DSSCs لها ثلاثة مكونات رئيسية: طبقة مسامية من مادة أكسيد المعادن ذات فجوة النطاق العريض ، وصبغة تغطي الجسيمات ، و "ناقل الشحنة" الذي يتسلل إلى المسام داخل الطبقة المسامية لأشباه الموصلات. يتم وضعها بين قطب كهربائي موصل شفاف وقطب مضاد4. القطب المضاد مغطى بمادة تحفيزية لنقل الإلكترون ، والتي تكون في معظم الحالات بلاتينية. تحت الإضاءة ، تمتص جزيئات الصبغة الطاقة على شكل فوتونات. ثم تصبح جزيئات الصبغة متحمسة ويحدث فصل الشحنة عند واجهة ثاني أكسيد التيتانيوم والصبغة. يتم إخراج الإلكترونات في جزيئات أكسيد المعدن المجاورة وتترك "ثقوب" وراءها على جزيء الصبغة. تنتقل الإلكترونات المحقونة عبر جزيئات أكسيد المعدن وتصل إلى القطب الكهربائي الموصل الشفاف. عندما يتم توصيل الحمل ، تنتقل الإلكترونات إلى القطب المضاد عبر الدائرة الخارجية ويتم لم شملها أخيرا مع شحناتها المضادة من خلال زوجي الأكسدة والاختزال الموجودين في المنحلبالكهرباء 1. تلعب طبقة أكسيد المعادن ذات الهيكل النانوي داخل DSSCs دورا مهما في الأداء العام للخلية ، حيث يكون اختيار المواد وطرق المعالجة وطبيعة الهيكل جميعها لها عوامل مؤثرة5-10. أحد أهم متطلبات الأنود الضوئي هو أنه يجب أن يكون له مساحة سطح كبيرة للغاية. يتم تحقيق ذلك من خلال ترسب مواد الجسيمات النانوية ، عادة TiO21،11. لقد تم تصنيع هذا من خلال عدد لا يحصى من العمليات المختلفة ، ولكن تقنيات الطلاء الرطب مثل طباعة الشاشة وشفرة الطبيب ، لا تزال هي النهج الأكثر شيوعا9،12،13.

تعد تقنية

Inkjet طريقا محتملا لتصنيع الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة. يستخدم حركة البلورة الكهروإجهادية لطرد كمية ثابتة من السائل من خلال فوهة على الركيزة المرغوبة. تسمح طريقة الترسيب هذه بنفث المواد بدقة شديدة ولكن أيضا بتردد عال مع سرعة طباعة عالية محتملة أو معدل ترسيب. تقنية نفث الحبر حساسة لزوجة الحبر المستخدم وكان هذا في السابق عائقا أمام تطوير الأحبار الوظيفية. ساعد العمل الأخير في تطوير المذيبات المناسبة لصياغة الحبر في التخفيف من هذه المشكلة ، وقد تم عرض طباعة المكونات الإلكترونية باستخدام مواد ثنائية الأبعاد مثل الجرافين14. تم العثور على لزوجة معلقات الجسيمات النانوية مثل هذه تعتمد على حجم الجسيمات النانويةوتركيزها 15. تؤدي التركيزات العالية من الجسيمات النانوية إلى لزوجة أعلى ، وبالتالي فإن أحمال الجسيمات عادة ما تكون حوالي 10٪ بالوزن لتجنب انسداد الفوهة16 ، ولكن تم تحقيق تركيزات أعلى17.

تشمل المزايا الرئيسية لتقنية نفث الحبر كونها غير ملامسة ، ونقوش مضافة وخالية من القناع18. ترجع السمتان الأخيرتان إلى القدرة على وضع العديد من الفوهات معا على رأس طباعة واحد أو أكثر ، مع كل فوهة قابلة للمعالجة بشكل منفصل بواسطة برنامج التحكم. يسمح ذلك بإنشاء أنماط معقدة للغاية ومتعددة الطبقات بسرعة كبيرة حيث تتحرك رؤوس الطباعة عبر الركيزة. لا يلزم إخفاء بين المواد أو الطبقات حيث يتم التحكم بدقة في موضع كل قطرة حبر ، في بعض الأنظمة بدقة ~ 1.5 ميكرومتر19. تتمثل إحدى الفوائد الرئيسية في أن تقنية نفث الحبر ناضجة ، مع تطور كبير تم تنفيذه في النصف الأخير من القرن العشرين. والنتيجة هي أن نفث الحبر هو تقنية قابلة للتطوير للغاية ، مع أنظمة من لفة إلى لفة قادرة على الطباعة بدقة على ركائز مرنة بمعدلات عدة أمتار في الثانية. تقليديا كان يستخدم هذا للإنتاج بكميات كبيرة ، على سبيل المثال ، الصحف. ومع ذلك ، فقد سمحت التطورات في التكنولوجيا باستخدام نفث الحبر في إنتاج الدوائر الإلكترونية من لفة إلى لفة باستخدام أحبار الفضة الجسيمات النانوية20. لذلك فإن نفث الحبر هو عملية جذابة للإنتاج المحتمل للخلايا الشمسية الحساسة للصبغة عن طريق الطباعة الرقمية.

البروتوكول

1. الحبر صياغة

ملاحظة: تركيبات الحبر في كثير من الأحيان يتم الاحتفاظ حراسة سرية للغاية من قبل الشركات المصنعة. نجاح تركيبات التوازن النفث، وانخفاض تشكيل، ترطيب وتجفيف السلوك جنبا إلى جنب مع الأداء الوظيفي. وعادة ما فرقت مادة وظيفية في المذيبات وعنصر واحد على الأقل لجعلها jettable. تفاصيل هذا القسم وضع تيو 2 الحبر لاستخدامها في الطباعة النافثة للحبر. وقام الطريقة التالية إعداد دفعة صغيرة من الحبر.

يجب أن يتم تنفيذ إعداد الحبر في منطقة تنفيس مناسبة، على سبيل المثال، تحت غطاء الدخان، في حين يرتدي نظارات واقية العين وقفازات اللاتكس: الحذر.

  1. إعداد محلول 0.1 ملي مائي من حمض الهيدروكلوريك (حمض الهيدروكلوريك) لإنتاج الرقم الهيدروجيني من حوالي 4.
  2. إضافة 32 غرام من محلول حمض إلى 8 غرام من المذيبات متوافقة مع أعلى نقطة الغليان وانخفاض التوتر السطحي من المياه (مثل ثنائي ميثيل الفورماميد (DMF)). إضافة المشارك يذابأعمال والأنف والحنجرة كعامل تجفيف للحث على تدفق المتداولة داخل قطرة حبر كما يتبخر الحبر، مما يؤدي إلى وضع موحد من الجسيمات النانوية على سطح الحبرية 21.
  3. إضافة 1.5 غرام من تشتيت المضافة (حل فعال 45٪ من غليكول البروبيلين وميثيل-5-decyne-4،7-ديول في الماء).
  4. إضافة 10 غرام من جلايكول الإثيلين، باعتباره مرطب لمنع جفاف في الفتحات.
  5. إضافة 0.5 غرام من وكيل defoaming (حل فعال 20٪ من ديول acetylenic في methoxypolyethyleneglycol) إلى الحبر لمنع فقاعات الهواء من تطوير.
  6. إجراء اختبار هزة بسيطة عن طريق اتخاذ قسامة من الحبر في حاوية مغلقة ويهز باليد لمدة 60 ثانية. إذا لوحظ أي رغوة ثم إضافة 0.5 غرام آخر من defoaming وكيل للحبر.
  7. مزيج الحل لمدة 8 ساعة باستخدام شريط التحريك المغناطيسي لضمان التجانس في RT.
  8. إضافة 1.5 غرام من ثاني أكسيد التيتانيوم (تيو 2) النانوية مع حجم الجسيمات الأولية من 21 نانومتر، والمساحة السطحية لل35-65 م 2 / ز.
  9. يصوتن الخليط باستخدام مسبار الموجات فوق الصوتية لمدة 15 دقيقة على تردد 60 هرتز.
  10. قياس أحجام الجسيمات، وذلك باستخدام تقنيات القياس المناسبة مثل ديناميكية تشتت الضوء (DLS) وفقا لبروتوكول الشركة المصنعة، للتأكد من أنها سوف تتدفق بسهولة من خلال الفتحات فوهة. إجراء قياسات في ظل نفس الظروف (على سبيل المثال، المذيب نفسه، ودرجة الحموضة، وتركيز مشتت) ليتم استخدامها للحبر حيث أن كل عنصر يمكن أن تؤثر على تشكيل تكتلات داخل الحبر. لالنفث ناجحة، يجب أن تكون الجزيئات في السائل 100 مرات أصغر من فتحة الفوهة.
  11. قياس اللزوجة من الحبر، وذلك باستخدام تقنيات القياس المناسبة مثل مقياس اللزوجة الدوراني وفقا لبروتوكول الشركة المصنعة، لضمان النفث موثوق من رأس الطباعة كما تتطلب الطباعة النافثة للحبر الأحبار المنخفضة اللزوجة ما بين 2 و 20 سنتي بواز (CP). زيادة اللزوجة من خلال additiعلى المواد البوليمرية أو المواد القائمة على السليلوز. ولكن هذه تحتاج إلى إزالة بعد الترسيب لتحرير مواقع لصبغ داخل الفيلم المطبوعة 22.
  12. قياس التوتر السطحي للحبر، وذلك باستخدام تقنيات القياس المناسبة مثل مقياس التوتر السطحي وفقا لبروتوكول الشركة المصنعة، لضمان النفث موثوق بها. المبادئ التوجيهية صياغة السوائل jettable للطابعات النافثة للحبر تشير إلى التوتر السطحي بين 28 و 33 م ن / م لتمكين الطباعة موثوقة.

الطباعة النافثة للحبر 2.

  1. قبل الطباعة، نقع على ركائز الزجاج في محلول 2٪ بالوزن من المنظفات التنظيف (خليط من أنيونية والسطح غير الأيونية عنصرا فاعلا والوكلاء والقلويات، بناة المنظفات غير الفوسفات وكلاء عزل الاستقرار، في قاعدة المائية) في الماء منزوع الأيونات. شطف الزجاج جيدا بالماء منزوع الأيونات حالما يتم إزالتها من محلول التنظيف لإزالة آثار التلوث وتنظيف المنظفات.
  2. قياس الطاقة سطح الركيزة، وذلك باستخدام تقنيات القياس المناسبة مثل مقياس التوتر السطحي وفقا لبروتوكول الشركة المصنعة. لالتصاق جيدة، ينبغي أن الطاقة سطح الركيزة لا يتجاوز التوتر السطحي للسوائل بأكثر من 10-15 م ن / م. تعديل الطاقة سطح الركيزة باستخدام أساليب مثل العلاج الاكليل 23، العلاج البلازما 24 و الحفر الكيميائي 25 إذا لم يكن مناسبا.
  3. تحميل الركيزة في الطابعة وفقا لبروتوكول الشركة المصنعة.
  4. تدفق رأس الطباعة مع الحبر عن طريق ميناء يقع على الجانب من الرأس إلى تهجير أي حل الهواء أو التنظيف داخل الخزان وفوهات.
  5. إدراج رأس الطباعة في الطابعة. ربط رأس الطباعة مع مجلس الإدارة رئيس شخصية.
  6. تصفية الحبر من خلال تصفية الحجم الصحيح فقط قبل تحميل في خرطوشة لإزالة الركام الجسيمات الكبيرة التي يمكن أن تسد الفتحات. الرأس الطباعة المستخدمة في هذا العمل لديها فتحات يبلغ قطرها 40 ميكرومتر (على سبيل المثال، كونيكا KM512)؛ وبالتالي يجب أن لا تحتوي الأحبار الجسيمات التي يبلغ قطرها أكثر من 400 نانومتر. تمرير تعليق من خلال 5 ميكرون، تليها مرشح 1.2 ميكرون فلوريد البولي (PVDF) لإزالة أي الجسيمات الكبيرة.
  7. تحميل الحبر في المحقنة 150 مل تقع فوق رأس الطباعة، التي تمد الحبر لرأس الطباعة. تركيب غطاء محكم على رأس المحقنة وتشغيل مضخة فراغ.
  8. تطهير الحبر خلال الفتحات عن طريق الضغط على زر 'تطهير' الواقعة على مضخة فراغ.
  9. من خلال خادم الطباعة في نظام المعلومات الجغرافية (GIS)، المعلمات الموجي والطباعة انشاء. لاحظ أنه يمكن للطابعة طباعة تصل إلى سرعة 1.5 متر في الثانية الواحدة، ولكن لهذا الحبر سرعة طباعة 0.3 متر في الثانية تم العثور على توفير طلاء الأمثل
  10. فتح المستخدم لنظم المعلومات الجغرافية واجهة البرنامج وتحميل نمط المرجوة.
  11. العلاقات العامةكثافة العمليات من خرطوشة تحميل وفقا لبروتوكول الشركة المصنعة.
  12. إزالة الركيزة من الصوانى وتسخين الأفلام المطبوعة على 150 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة، تليها 250 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة أخرى إما على طبق ساخن أو في الفرن.

3. تحليل الأفلام مطبوعة

  1. استخدام المجهر الضوئي أو المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لإلقاء نظرة على سطح الأفلام المطبوعة في التكبير المنخفض (100X) لتحليل مورفولوجيا السطح وفي تضخم عالية (35،000X) لتحليل المسامية من الأفلام المطبوعة. تأكد من أن الصور تظهر تغطية موحدة مع عدم وجود تشققات والمسامية جيدة. ويمكن الاطلاع على معلومات أكثر تفصيلا عن عملية SEM في المراجع التالية 26،27.
  2. قياس سمك طبقة المطبوعة، وذلك باستخدام تقنيات القياس المناسبة مثل التعريف سطح وفقا لبروتوكول الشركة المصنعة. سمك والمسامية من تيو 2 طبقة الطرافةهين DSSCs التأثير على كمية من الصبغة التي يمكن استيعابها على سطح النانوية، التي بالتالي تؤثر على كفاءة التحويل الكهربائية العامة للخلية 18. ولذلك فمن معيارا هاما لتقييم. استخدام التعريف السطحية (دقة 1 نانومتر) لقياس سمك من الأفلام المطبوعة.
  3. قياس النفاذية للفيلم، وذلك باستخدام تقنيات القياس المناسبة مثل مقياس الطيف الضوئي المرئي الأشعة فوق البنفسجية (UV-VIS) لتحديد مقدار الضوء المرئي وستبث من خلال الفيلم المطبوعة. استخدام بروتوكول الشركة الصانعة.

4. جعل الخلية

  1. جعل محلول الصبغة عن طريق خلط 20 مل من الايثانول و 2 ملغ من الصبغة الروتينيوم في كوب زجاجي باستخدام محرك مغناطيسي لمدة 8 ساعة.
  2. غمر تيو 2 الزجاج المطلي في الحل في RT (20-25 درجة مئوية) لمدة 24 ساعة للسماح للصبغة لامتصاص على سطح الجزيئات تيو 2.
  3. إزالة تيو 2 الزجاج المطلي من الحل ومكان على المناديل الورقية لامتصاص أي حل الصبغة (مع تيو 2 متجهة لأعلى لتجنب التلوث).
  4. وضع قبل قطع 60 ميكرون سميكة بالحرارة ختم فاصل على أعلى من الزجاج موصل، حول طلاء تيو 2.
  5. وضع البلاتين المغلفة عداد الكهربائي على رأس قبل قطع 60 ميكرون سميكة هل الختم بالحرارة بحيث الجانبين نشطة من الأنود والكاثود في مواجهة بعضهما البعض. تسمح تداخل كافية بين قطعتين من الزجاج بحيث كهربائي الاتصال يمكن أن تكون مصنوعة من الزجاج موصل. هذا ينبغي أن يكون لها حفرة قبل حفر في مركز للسماح بالكهرباء ملء وقت لاحق.
  6. الحرارة على طبق ساخن على درجة حرارة 110 مئوية، وتطبيق ضوء الضغط باستخدام الملقط فوق منطقة وهل الختم. بعد 30 ثانية يجب أن تكون مختومة الأقطاب معا.
  7. سد الفجوة بين القطبين مع / ثلاثي يوديد الكهربائية يوديدLYTE في الأسيتونتريل بتركيز 50 ملي، عن طريق حقن من خلال ثقب ما قبل حفرها في الزجاج البلاتين المغلفة باستخدام حقنة.

النتائج

وتم وضع الحبر تيو 2 وفقا للإجراءات المبينة. وقد تم قياس حجم الجسيمات العالقة داخل الحبر باستخدام ديناميكية تشتت الضوء (DLS) ومتوسط ​​حجم الجسيمات من 80 نانومتر (نانومتر) وقد لوحظ. تم العثور على اللزوجة من الحبر في هذا العمل ليكون 3 CP، وتقاس باستخدام جهاز قياس اللزوجة الدوراني مع محول عينة صغيرة وقطر المغزل 18 ملم. وقد تم قياس التوتر السطحي باستخدام مقياس التوتر السطحي وحسبت أن تكون في المتوسط ​​26 م ن / م.

تم احتساب الطاقة سطح الزجاج منظمة إرهابية أجنبية وفقا لEN الأوروبية الموحدة 828 لتحديد بلل من سطح صلب عن طريق قياس زاوية الاتصال وسطح الطاقة الحرة. تم الاستغناء عشر قطرات من ثلاث سوائل مختلفة (المياه، وجلايكول الإثيلين وdiiodomethane) على سطح الطائرة قطعة الاختبار. لكل قطرة، وكانت زاوية الاتصال اليسار واليمين قياس آثافة أد. من زوايا الاتصال المتوسط ​​من كل السائل جنبا إلى جنب مع توتر سطحه، ويتم احتساب سطح الطاقة الحرة من قطعة الاختبار. طريقة Fowkes بحساب إجمالي الطاقة السطحية (γ) من مجموع المساهمات من التفاعلات التشتت (γd) والتفاعلات γnon التشتت (γp). أدى هذا الأسلوب في سطح الطاقة الحرة من 26.45 م ن / م للالزجاج المطلي منظمة إرهابية أجنبية.

وقد أجريت الطباعة وفقا للإجراء السابق للإنتاج 5 الساحات ملم. وقد تم قياس سمك طبقة المطبوع على الزجاج باستخدام التعريف السطح. تم قياس أقصى سمك في وسط الطبقة المطبوعة أن تكون 2.6 ميكرون. تم قياس النفاذية من الزجاج المطلي باستخدام مطياف الأشعة فوق البنفسجية-VIS. عند طول موجي 700 نانومتر، وقد تم قياس والنفاذية 60٪ لتيو 2 فيلم المطبوعة مقارنة مع 78٪ للزجاج منظمة إرهابية أجنبية.

أنتجت -page = "1"> الأجهزة الضوئية وفقا للمخطط الإجراء أعلاه وتتميز مباشرة بعد التصنيع للحد من تأثير التدهور الناجم عن الماء والأكسجين في الهواء. هناك خمسة معايير الأداء الكهربائية التي تستخدم لتوصيف ومقارنة الخلايا الشمسية 28. ويمكن الحصول على القيمة من الدوائر الحالية قصيرة (أنا الشوري) والجهد الدائرة المفتوحة (V OC) من الجهد الحالي (الرابع) منحنى. هذه يمكن استخدامها لتحديد عامل التعبئة (FF) وكفاءة تحويل الطاقة (η). فرنك فرنسي يعطي نسبة الخلايا الفعلي انتاج الطاقة القصوى للمنتج من الجهد الدائرة المفتوحة وماس كهربائى الحالية 29. هذا هو المعلمة الرئيسية في تقييم أداء الخلايا الشمسية. وFF عالية يعني خسائر الكهروكيميائية منخفضة، في حين أن FF منخفض يشير أن هناك مجالا للتحسين. ومن المعروف أن هناك عدة عوامل تؤثر على FF بما في ذلك نوعية واجهة من الطبقات داخل الخلية. DSالمنبوذة ادراج شركة الأكسدة زوجين يوديد / ثلاثي اليوديد مع كفاءات سجل التقرير 11.9٪ ملء عوامل 0.71 30. تحتاج إلى أن تحدد في ظل ظروف الاختبار القياسية حيث تبلغ درجة حرارة الجهاز 25 ج، توزيع الإشعاع الطيفي للضوء لديه كتلة الهواء 1.5 كل من هذه المعايير، ومجموع الإشعاع قياس (E م) في الخلية الشمسية 100 ميغاواط / سم 2. تم الإبلاغ عن الحد الأقصى النظري لكفاءة التحويل لخلية السندات الإذنية تقاطع واحدة على نطاق واسع 37.7٪ 31، ولكن لDSSCs تم الإبلاغ عن أن أقصى قدر من الكفاءة هي أقرب إلى 15.1٪ مع بداية امتصاص عند 920 نانومتر (32).

تم قياس التيار الناتج والفولتية باستخدام مقياس مصدر في حين أضيئت الخلايا مع 100 ميغاواط / سم 2 مصدر الضوء مزودة مرشح لتتناسب مع توزيع الإشعاع الطيفي مع كتلة الهواء 1.5. وتمت مقارنة النتائج إلى خليةالمنتجة باستخدام تيو 2 طبقة بين الطبيب والبيضاء باستخدام معجون المتاحة تجاريا التي لديها مزيج من الجسيمات التيتانيوم Anatase 20 نانومتر و 450 نانومتر. كانت طبقة المطبوعة على مساحة 0.25 سم 2 وسمك متوسط ​​من 18 ميكرون التي تم قياسها باستخدام التعريف السطح. وأظهرت مقارنة بين أداء الكهروضوئي بين الجهازين في الشكل 1 والجدول 1.

وقد حقق العديد من الدراسات العلاقة بين سماكة طبقة تيو 2 وكفاءة التحويل داخل DSSCs. نتائج تختلف اختلافا كبيرا، مع سماكة الفيلم الأمثل ذكرت من أي مكان ما بين 9.5 ميكرون و 20 ميكرون 33-39. الجدول رقم 1 يحدد سمك من تيو 2 طبقات المطبوعة والكفاءة. سمك النافثة للحبر طباعة تيو 2 هو أقل بكثير من الطبيب البيضاء تيو 2، مما أدىفي أقل كفاءة. والعمل المستقبلي تحقيق في استخدام المواد الرابطة العضوية في صياغة الحبر إلى زيادة سمك طبقة النافثة للحبر الطباعة.

figure-results-1
الشكل 1. منحنيات الأداء من DSSCs مع نفث الحبر المطبوع وطبيب يحتوي على شفرة تيو 2 طبقات. منحنيات الكثافة الحالية / الجهد لDSSCs دمج نفث الحبر المطبوعة تيو 2 طبقة وتيو 2 الطبقات الطبيب البيضاء. الكثافة الحالية ماس كهربائى في الجهاز مع النافثة للحبر طباعة تيو 2 طبقة أقل بكثير من الجهاز مع الطبيب البيضاء تيو 2 طبقة مما أدى إلى انخفاض كفاءة تحويل الشاملة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

قصيرة الدوائر الحالية فتح دائرة الجهد ملء عامل كفاءة سماكة
(مللي أمبير / سم 2) (السيارات)
(٪) (ميكرون)
النافثة للحبر طباعة 9.42 760 0.49 3.5 2.6
طبيب البيضاء 11 756 0.58 4.8 18

الجدول 1. خصائص الأداء الرئيسية للخلايا في الشكل 1. يقارن هذا الجدول المعايير الأساسية للخلية الشمسية بما في ذلك الجهد الدائرة المفتوحة (V OC)، قصيرة الدوائر الحالية (أنا الشوري) التي تحدد كفاءة (η) تحت الضوء المحدد وتعرض حالة. المعلمات سكما يشتمل خلية اتحاد كرة القدم المنتجة باستخدام تيو 2 الطبقات الطبيب البيضاء للمقارنة. العوامل التعبئة (FF) من كلا الجهازين منخفضة جدا وهو ما يرجع عموما إلى مقاومة داخلية عالية داخل الخلية.

المناقشة

التحدي الخاص عند صياغة الأحبار هو الميل الطبيعي للجسيمات النانوية للتجمع معا. تعرف هذه إما بالركام أو التكتلات ، اعتمادا على طبيعة وقوة الروابط بين الجسيمات. إن طاقة تحريك الجسيمات ببساطة في الماء أو الموثق ليست كبيرة بما يكفي للتغلب على القوى الجذابة للجسيمات التي تمنع تفكك التكتلات. يشيع استخدام طحن الكرة أو خلط القص العالي أو الموجات فوق الصوتية لتفكيك الجسيمات النانوية المتكتلة. يمكن أيضا استخدام العديد من المواد الخافضة للتوتر السطحي والبوليمرات الأنيونية وغير الأيونية والموجبة لتوفير الاستقرار على المدى الطويل. من خلال تقليل عدد هذه التكتلات ، يمكن تحقيق تعليق عالي الجودة. يجب ترشيح السوائل من خلال مرشح الحجم الصحيح قبل التحميل في الخرطوشة مباشرة لإزالة مجاميع الجسيمات الكبيرة التي يمكن أن تسد الفتحات.

كما ثبت أن حجم الجسيمات داخل طبقة TiO2 يؤثر على الكفاءة الإجمالية ل DSSCs. يزداد النشاط التحفيزي الضوئي لثاني أكسيد التيتانيوم مع انخفاض أحجام الجسيمات بسبب زيادة مساحة السطح المحددة40. دراسة تقارن كفاءة DSSCs التي تتضمن جسيمات TiO2 النانوية ب 5 أحجام مختلفة تتراوح من 400 نانومتر إلى 14 نانومتر ووجدت أن تلك ذات أحجام الجسيمات الأصغر أدت إلى كفاءات تحويل كهربائية أفضل33.

الطباعة النافثة للحبر هي تقنية ترسيب غير ملامسة قادرة على الطباعة متعددة التمريرات. وهذا يمثل فرصة فريدة لتصنيع أجهزة متعددة الطبقات بسرعة في عملية واحدة على مجموعة واسعة من الركائز مع الحد الأدنى من نفايات المواد. كما أنه من المحتمل أن يوفر طريقة لدمج المكونات الأخرى (مثل البطاريات) في النظام من خلال طباعة المواد الوظيفية41. على الرغم من أن النتائج التمثيلية الموضحة للأجهزة المطبوعة النافثة للحبر لا تعمل بشكل جيد مثل الأجهزة ذات الشفرات الطبية ، إلا أنها توضح إمكانات تقنية الترسب. مع مزيد من تحسين الحبر ، يمكن أن يعمل على مستوى مماثل للطرق المستخدمة حاليا وقد يوفر مجالا إضافيا للتكامل الفعال من حيث التكلفة والصديق للبيئة للخلايا الكهروضوئية على مجموعة واسعة من الركائز. نأمل في تحسين كفاءة الأجهزة المطبوعة النافثة للحبر عن طريق زيادة سمك الطبقة المطبوعة بالقرب من سمك TiO2 ذو الشفرة الطبية وسنواصل النظر في طباعة المواد والطبقات الأخرى داخل DSSCs.

الإفصاحات

الكتاب ليس لديهم ما يكشف.

شكر وتقدير

يجري هذا البحث بامتنان بدعم من الهندسة والعلوم الفيزيائية مجلس البحوث (EPSRC) الممول من خلال منحة تدريب الدكتوراه. وقد تم تمويل الوصول المفتوح رسوم معالجة المادة (ناقلات الجنود المدرعة) من خلال مجالس البحوث في المملكة المتحدة (RCUK). يتم توفير كافة البيانات بالكامل في قسم نتائج ورقة. وقد سبق أن نشرت نتائج ممثلة من قبل المؤلفين 42.

ونود أن نشكر الدكتور Senthilarasu سوندارام من جامعة إكستر لمساعدته في تشخيص الأداء الكهربائي للخلايا.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
ثاني أكسيد التيتانيومسيجما ألدريتش718467
المياه منزوعة الأيونات يتم توفيره من مرشح في المختبر
حمض الهيدروكلوريك, 2 M (2 N) فيشر ساينتفيكJ / 4250/17
ثنائي ميثيل فورماميد (DMF) فيشرساينتفيكD / 3840/08
الإيثانولVWR للكيماويات20721.33
مضافات تشتت   ؛الرغوة من منتجات
الهواء
الإيثيلين جلايكولفلوكا107-21-1
فلتر حقنة فلوريد البولي فينيلدين (PVDFمنظفات التنظيف الدولية
VWR   ؛فيشر10335650
أكسيد القصدير المخدر بالفلور (FTO) الزجاج ، 8 & أوميغا ؛ / متر مربعPilkington
RuthenizerSolaronix21613
قطع مسبق 60 & م فيلم ختم لدن بالحرارة سميكة Solaronix74301
50 ملي مولار إلكتروليت اليوديد / ثلاثي اليوديد   في أسيتونيتريلسولارونيكس31111
زجاج FTO مطلي بالبلاتين Solaronix74201
Vac'n'Fill حقنةSolaronix65209
شريط بوليميد (6.35 مم)Onecall Farnell1676087
عامل إزالة الهواء منتجات ) العلمي صبغة

المراجع

  1. Docampo, P., et al. Lessons Learned: From Dye-Sensitized Solar Cells to All-Solid-State Hybrid Devices. Adv. Mater. 26, 4013-4030 (2014).
  2. Hudd, A. The Chemistry of Inkjet Inks. Magdassi, S. , 3-18 (2009).
  3. 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).
  4. Reddy, P. J. Solar Power Generation: Technology, New Concepts & Policy. , Taylor & Francis. (2012).
  5. Gemeiner, P., Mikula, M. Acta. Chem. Slov. 6, 29(2013).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Jose, R., Thavasi, V., Ramakrishna, S. Metal Oxides for Dye-Sensitized Solar Cells. J. Am. Ceram. Soc. 92, 289-301 (2009).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Li, J., Lemme, M. C., östling, M. Inkjet Printing of 2D Layered Materials. ChemPhysChem. 15, 3427-3434 (2014).
  15. Rudyak, V. Y., Krasnolutskii, S. L. Dependence of the viscosity of nanofluids on nanoparticle size and material. Phys. Lett. A. 378, 1845-1849 (2014).
  16. 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).
  17. Hsien-Hsueh, L., Kan-Sen, C., Kuo-Cheng, H. Inkjet printing of nanosized silver colloids. Nanotechnology. 16, 2436(2005).
  18. Singh, M., Haverinen, H. M., Dhagat, P., Jabbour, G. E. Inkjet Printing: Inkjet Printing-Process and Its Applications. Adv. Mater. 22, 673-685 (2010).
  19. Stüwe, D., Mager, D., Biro, D., Korvink, J. G. Inkjet Technology for Crystalline Silicon Photovoltaics. Adv. Mater. 27, 599-626 (2015).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Hara, K., Arakawa, H. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. , John Wiley & Sons, Ltd. Ch. 15 663-700 (2003).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Echlin, P. Handbook of Sample Preparation for Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. , Springer. (2011).
  27. Flegler, S. L., Heckman, J. W., Klomparens, K. L. Scanning and Transmission Electron Microscopy: An Introduction. , Oxford University Press. (1993).
  28. 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).
  29. Grätzel, M. Dye-sensitized solar cells. J. Photochem. Photobiol. C: Photochem. Rev. 4, 145-153 (2003).
  30. 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).
  31. Shockley, W., Queisser, H. J. Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells. J. Appl. Phys. 32, 510-519 (1961).
  32. Snaith, H. J. Estimating the Maximum Attainable Efficiency in Dye-Sensitized Solar Cells. Adv. Funct. Mater. 20, 13-19 (2010).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. Ito, S., et al. High-Efficiency Organic-Dye- Sensitized Solar Cells Controlled by Nanocrystalline-TiO2 Electrode Thickness. Adv. Mater. 18, 1202-1205 (2006).
  37. Ito, S. Dye sensitized solar cells. Kalyanasundaram, K. , EFPL Press. Ch. 8 251-266 (2010).
  38. 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).
  39. 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).
  40. Brus, L. Electronic wave functions in semiconductor clusters: experiment and theory. J. Phys. Chem. 90, 2555-2560 (1986).
  41. Jung, S., et al. All-Inkjet-Printed, All-Air-Processed Solar Cells. Adv Energy Mater. 4, 1-9 (2014).
  42. 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).

إعادة الطباعة والأذونات

استكشف المزيد من المقالات

الطباعة بنفث الحبرحبر الجسيمات النانويةتركيب الحبرجهاز تحليل تضاريس السطحتشتت الضوء الديناميكيكفاءة تحويل الطاقةالركائز المرنة
الطباعة الرقمية من ثاني أكسيد التيتانيوم للخلايا الشمسية صبغ الحساس
تواصل معنا
أوصِ به للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

حقوق الطبع والنشر © 2026 MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.