يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة منهجية

إلكتروسبينينغ من أقطاب تحفيز ضوئي للخلايا الشمسية توعية صبغ

9K مشاهدة

⸱

DOI:

10.3791/55309

⸱

يونيو 28, 2017

 ,  ,  , 
1The MacDiarmid Institute for Advanced Materials & Nanotechnology, School of, Victoria University of Wellington, 2Department of Chemistry, University College London

في هذه المقالة

ملخص

وكان الهدف العام من هذا المشروع هو استخدام الكهربي لتصنيع فوتوانود مع تحسين الأداء للخلايا الشمسية توعية الصبغة.

الملخص

ويوضح هذا العمل بروتوكولا لتصنيع فوتوانود قائم على الألياف للخلايا الشمسية المحسوبة بالصباغة ويتكون من طبقة نثرية خفيفة مصنوعة من ألياف نانوية ثاني أكسيد التيتانيوم إليكتروسبون (تيو 2 -NFs) فوق طبقة حجب مصنوعة من ثاني أكسيد التيتانيوم المتاح تجاريا الجسيمات النانوية (تيو 2 -NPs). ويتحقق ذلك من خلال أول إليكتروسبينينغ حل من التيتانيوم (إيف) بوتوكسيد، بوليفينيلبيروليدون (بب)، وحامض الخليك الجليدي في الإيثانول للحصول على مركب بب / تيو 2 نانوفيبر. ثم يتم تكلس هذه عند 500 درجة مئوية لإزالة حماية الأصناف النباتية والحصول على نقية أناتاس المرحلة نانوفيبرز تيتانيا. وتتميز هذه المواد باستخدام المجهر الإلكتروني المسح (سيم) ومسحوق حيود الأشعة السينية (زرد). يتم إعداد فوتوانود من قبل أولا إنشاء طبقة حجب من خلال ترسب تيو 2 -NPs / الطين التربينيول على الفلور مخدر أكسيد القصدير (فتو) الشريحة الزجاجية باستخدام تقنيات بلادينغ الطبيب. المعالجة الحرارية اللاحقةفي 500 درجة مئوية. ثم يتم تشكيل طبقة نثر الضوء عن طريق إيداع الطين تيو 2 -NFs / تيربينول على نفس الشريحة، وذلك باستخدام نفس التقنية، وتكلس مرة أخرى عند 500 درجة مئوية. يتم اختبار أداء فوتوانود عن طريق تلفيق الخلايا الشمسية توعية صبغة وقياس كفاءتها من خلال منحنيات جف تحت مجموعة من كثافة الضوء الحادث، من 0.25-1 الشمس.

المقدمة

الخلايا الشمسية الصبغية (دسس) هي بديل مثير للاهتمام للخلايا الشمسية القائمة على السيليكون 1 بفضل التكلفة المنخفضة، عملية التصنيع بسيطة نسبيا، وسهولة الإنتاج على نطاق واسع. فائدة أخرى هي إمكاناتها لإدراجها في ركائز مرنة، ميزة واضحة على الخلايا الشمسية القائمة على السيليكون 2 . دسك نموذجي يستخدم: (1) نانوبارتيكولات تيو 2 فوتوانود، توعية مع صبغة، كطبقة الحصاد الخفيفة. (2) فتو المغلفة بت، وتستخدم كقطب مضاد. و (3) بالكهرباء التي تحتوي على زوجين الأكسدة، مثل I - / I 3 - ، وضعت بين القطبين، والعمل ك "المتوسطة حفرة إجراء".

على الرغم من أن دسس قد تجاوزت الكفاءة من 15٪ 3 ، وأداء فوتوانوديس القائم على الجسيمات النانوية لا يزال لا يزال يعوقها عدد من القيود، بما في ذلك بطيئة الإلكترونذ 4 ، وسوء امتصاص الفوتونات منخفضة الطاقة 5 ، وإعادة شحن تهمة 6 . وتعتمد كفاءة جمع الإلكترونات بقوة على معدل نقل الإلكترون عبر طبقة الجسيمات النانوية تيو 2 . إذا كان نشر التهمة بطيئة، واحتمال إعادة التركيب مع I 3 - في حل بالكهرباء يزيد، مما أدى إلى فقدان الكفاءة.

وقد تبين أن استبدال نانوبارتيكولات تيو 2 مع أحادي البعد (1D) تيو 2 نانارشيتتوريس يمكن أن تحسن نقل المسؤول عن طريق الحد من تشتت الإلكترونات الحرة من حدود الحبوب من الجسيمات النانوية تيو 2 المترابطة 7 . كما توفر النانو 1D مسار أكثر مباشرة لجمع تهمة، يمكننا أن نتوقع أن النقل الإلكترون في ألياف النانو (نفس) سيكون أسرع بكثير مما كانت عليه في الجسيمات النانوية 8 ، 9 .

إليكتروسبينينغ هي واحدة من الطرق الأكثر شيوعا لتصنيع المواد الليفية مع ميكرون الفرعية أقطار 10 . هذه التقنية تنطوي على استخدام الجهد العالي للحث على طرد طائرة حل البوليمر من خلال سبينريت. بسبب الانحناء الانحناء، وتمتد هذه الطائرة في وقت لاحق عدة مرات لتشكيل ألياف النانو المستمر. في السنوات الأخيرة، وقد استخدمت هذه التقنية على نطاق واسع لتصنيع المواد البوليمرية وغير العضوية، والتي تم استخدامها لتطبيقات عديدة ومتنوعة، مثل هندسة الأنسجة 11 ، الحفز 12 ، والمواد القطب لبطاريات ليثيوم أيون 13 والمكثفات الفائقة 14 .

استخدام إليكتروسبون تيو 2 -NFs كطبقة نثر في فوتوانود يمكن أن تزيد من أداء دسس. ومع ذلك، فوتوانوديس مع نانوفيبرولنا الأبنية تميل إلى أن يكون امتصاص الصبغة الفقيرة بسبب القيود مساحة السطح. واحدة من الحلول الممكنة للتغلب على هذا هو خلط نفس والجسيمات النانوية. وقد تبين أن هذا يؤدي إلى طبقات تشتت إضافية، وتحسين امتصاص الضوء والكفاءة الكلية 15 .

بروتوكول المقدمة في هذا الفيديو يوفر طريقة سهلة لتجميع أولترالونغ تيانو 2 النانوية من خلال مزيج من إليكتروسبينينغ وتقنيات سول هلام، تليها عملية التكليس. بروتوكول يوضح بعد ذلك استخدام تيو 2 -NFs في تركيبة مع تيان 2 نانوبارتيكولات لتصنيع فوتوانود طبقة مزدوجة مع تعزيز قدرة الضوء تشتت باستخدام تقنيات بلادينغ الطبيب، فضلا عن التجمع اللاحق من دسك باستخدام مثل هذا photoanode.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

1. إعداد السلائف الحل

ملاحظة: يرجى الرجوع إلى جميع أوراق البيانات سلامة المواد ذات الصلة (مسس) قبل الاستخدام. العديد من المواد الكيميائية المستخدمة في هذا الإجراء هي ضارة و / أو سامة للبشر. وقد تكون للمواد النانوية مخاطر إضافية مقارنة بنظيرها الأكبر. يرجى استخدام تدابير السلامة المناسبة ومعدات الوقاية الشخصية.

  1. وضع 5 غرام من التيتانيوم (إيف) ن - بوتوكسيد، 1 غرام من البولي فينيل بيروليدون (بب)، 1 مل من حمض الخليك الجليدي، و 10 مل من الإيثانول المطلق في قارورة عينة.
  2. استخدام لوحة التحريك المغناطيسي لخلط الحل حتى أصبحت متجانسة ولا يمكن ملاحظة فقاعات.

2. إليكتروسبينينغ و كالسيناتيون من نانوفيبرز

  1. إعداد الإبرة المستخدمة في عملية إليكتروسبينينغ عن طريق قطع غيض من إبرة 21 G والصقل عليه باستخدام الصنفرة متوسطة الدرجة حتى طرف مسطح تماما.
  2. جبل الحاجةلي على المتاح 10 مل حقنة.
  3. تحميل بعض من السلائف الحل في حقنة ووضعه على مضخة حقنة.
  4. التفاف لوحة جامع في رقائق الألومنيوم ووضعه مباشرة أمام طرف الإبرة.
    ملاحظة: المسافة من الإبرة إلى لوحة يجب أن يكون 20 سم.
  5. ربط لوحة جامع على الأرض والإبرة لمصدر الطاقة ذات الجهد العالي.
  6. ضع الدرع الواقي حول الإعداد.
  7. تعيين معدل التدفق على مضخة حقنة إلى 1 مل / ساعة والبدء في ضخ.
  8. حالما يظهر بعض الحل على طرف الإبرة، بدوره على مصدر الجهد العالي وتعيينه إلى 15 كيلو فولت.
    ملاحظة: عند هذه النقطة، والألياف تسير لجمع على لوحة. يتم ترك الإعداد قيد التشغيل لطالما كان ذلك ضروريا لتحقيق سمك المطلوب من حصيرة الألياف.
  9. بعد الانتهاء من الغزل، إيقاف مصدر الجهد العالي ومضخة حقنة. إزالة احباط من لوحة جامع.
  10. السماح للألياف بقية سثم تقشرها من رقائق الألومنيوم.
  11. وضع الألياف مقشر في بوتقة ومكان ذلك في فرن غطس.
  12. تحلل الألياف عن طريق إنشاء منحدر درجة الحرارة من 5 درجة / دقيقة تصل إلى 500 درجة مئوية وعقد لمدة 2 ساعة لإزالة حماية الأصناف النباتية وإنتاج النقي تيانو 2 نانوفيبر.
  13. بمجرد اكتمال عملية التكليس، اترك الفرن مغلقا حتى تصل درجة الحرارة إلى أقل من 80 درجة مئوية لتجنب أي صدمة حرارية، مما قد يؤدي إلى تلف الألياف.

3. تصنيع الكهربائي

  1. إعداد العجائن
    1. إضافة 500 ملغ من معجون ثاني أكسيد التيتانيوم إلى 20 مل من الإيثانول في قارورة مستديرة القاع.
    2. في قارورة منفصلة، ​​مزيج 500 ملغ من إليكتروسبون تيو 2 -NFs مع آخر 20 مل من الإيثانول.
    3. يصوتن الحلول لمدة 2 ساعة باستخدام سونيكاتور حمام.
    4. مرة واحدة يتم الحصول على مخاليط موحدة، إضافة 2 مل من التربينيول إلى كل قارورة ويصوتن لأخرى 15 دقيقة.
    5. تتبخر المذيب من كل من القوارير باستخدام المبخر الدوار للحصول على الطين.
  2. طبيب بلادينغ وتلبد
    1. باستخدام قطع الزجاج الماس، وقطع شريحة زجاجية موصل فتو إلى 2 سم × 2 سم مربع.
    2. تأمين الشريحة فتو إلى منطقة العمل عن طريق وضع شريط لاصق على الشريحة الزجاجية، وترك منطقة 0.4 سم 2 تتعرض في المركز. لتجنب طلاء غير منتظم، ضع الشريط على جانبين متوازيين أولا ثم على اثنين آخرين.
    3. إيداع بضع قطرات من الطين تيو 2 -NP على مركز يتعرض للشريحة.
    4. استخدام شفرة حلاقة لنشر الطين بالتساوي على المنطقة المكشوفة.
    5. مرة واحدة يتم تحقيق طلاء موحد، إزالة بعناية الشريط اللاصق.
    6. وضع الشريحة المغلفة في الفرن والملبد في 500 درجة مئوية لمدة 2 ساعة.
    7. كرر الخطوات 3.2.2-3.2.6 على نفس الشريحة فتو، وهذه المرة باستخدام الطين تيو 2 -NF بدلا منالجسيمات النانوية، للحصول على فوتوانود.

4. نف توصيف

  1. توصيف سيم
    1. إعداد عينة ل سيم عن طريق ربط شريط من الشريط الكربون لاصق إلى كعب المجهر. ضع بعناية كمية صغيرة من النانو على الشريط.
    2. جبل كعب على حامل عينة وتحميله في غرفة الصرف من الصك.
    3. إعداد الشروط والمعلمات الصك: تعيين الجهد المتسارع إلى 20 كيلو فولت ومسافة العمل إلى 10 ملم.
    4. جمع الصور من العينة، والتأكد من أنها تعرض التشكل العام للمادة.
  2. توصيف زرد
    1. طحن بلطف بعض الألياف النانوية في مسحوق ناعم وانتشارها بالتساوي على مرحلة زرد.
    2. تحميل العينة في ديفراكتوميتر.
    3. إعداد معلمات الاستحواذ: استخدام زاوية بداية من 10 درجة، زاوية نهاية 80 درجة، أدا خطوة حجم 0.015 °.
    4. بدء اكتساب البيانات زرد.

5. الخلايا الشمسية تلفيق

  1. علاج فوتوانود مع محلول مائي من تيكل 4 في 75 درجة مئوية لمدة 45 دقيقة. بعد العلاج، وغسله بالماء منزوع الأيونات وجففه.
  2. توعية فوتوانود عن طريق غمره في حل 0.5 ملم من الروثينيوم صبغ N719 في الايثانول المطلق لمدة 24 ساعة في ظل ظروف مظلمة.
  3. وضع ورقة من فيلم ختم على رأس فوتوانود توعية لتكون بمثابة طوقا بالحرارة بين فوتوانود ومكافحة القطب.
  4. وضع بت المغلفة فتو مكافحة القطب مع حفرة قبل حفر في المركز، على رأس فيلم الختم، بحيث أن كلا الجانبين تواجه بعضها البعض.
  5. تسخين الخلية تجميعها إلى 100 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة لختم طوقا.
  6. إيداع بضع قطرات من وسيط الأكسدة، ويتكون من حل من 1-بروبيل -3 ميثيل أميدازوليوم يوديد (0.8 M)، اليود (0.1 M)،و بنزيميدازول (0.3 M) في 3-ميثوكسيبروبيونيتريل، على رأس حفرة قبل حفر من مكافحة القطب.
  7. ضع الخلية في مجفف فراغ للسماح للوسيط الأكسدة ملء المساحة الداخلية للخلية تجميعها.

6. جف منحنى توصيف

  1. الحصول على منحنيات جف باستخدام متر مصدر رقمي تحت 100 ميغاواط / سم 2 الإضاءة من مصدر زينون قوس مرت من خلال مرشح AM1.5G.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

وتميزت النانو تيو 2 باستخدام سيم، الأشعة السينية الضوئية الطيفي (زس)، و زرد. وقد تميزت البنية النانوية من فوتوانود باستخدام سيم. تم اختبار أداء دسك تجميعها باستخدام جهاز محاكاة الطاقة الشمسية وحدة قياس المصدر.

وتظهر صورة سيم في الشكل 1A أن الألياف النانوية توليفها باستخدام هذا البروتوكول لديها بنية يسهل اختر...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

الطرق المعروضة في هذا العمل تصف تلفيق فوتوانوديس نانوفيبروز فعالة للأجهزة تحفيز ضوئي مثل دسس. إليكتروسبينينغ هو تقنية متعددة جدا لتصنيع ألياف النانو، ولكن هناك حاجة إلى مستوى معين من المهارة والمعرفة للحصول على المواد مع مورفولوجيز الأمثل. واحدة من أهم الجوانب للحصول على الألياف النانوية جيدة هو إعداد الحل السلائف: هناك بعض العوامل الرئيسية، مثل تركيز البوليمر الناقل واختيار السلائف التيتانيوم، التي يمكن أن يكون لها تأثير حاسم على الهيكل النهائي من المادة. وتركيز منخفض من البوليمر...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

الكتاب ليس لديهم ما يكشف.

شكر وتقدير

المؤلفين ليس لديهم اعترافات.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
التيتانيوم (IV) n-butoxideSigma-Aldrich244112
PolyvinylpyrrolidoneSigma-Aldrich437190
حمض الخليك الجليديSigma-AldrichA6283
الإيثانول ، المطلقفيشر ScientificE / 0650DF / 17
20 مل قوارير عينة(أي)(أو حجم أكبر)
إبرة 21G يمكن التخلصمنها (أي)
ورق صنفرة P150 حصى(أي) حقنة
10 مل يمكن التخلصمنها (أي)(أو حجم أكبر)
محرك مغناطيسي + شريطتحريك (أي)
حقنة PHD 2000جهاز هارفارد71-2002(أو أي مضخة حقنة أخرى قادرة على إخراج تدفق 1 مل / ساعة
من الألومنيوم احباط(أي)
لوحة تجميع الفولاذ المقاوم(مصممة حسب الطلب) مصدر
طاقة عاليGamma High Voltage Research ، IncES30P-10W(أو أي مصدر طاقة آخر قادر على إخراج + 15 كيلو فولت
درع واقي من البولي كربونات(مخصص بنيت) بوتقة
سيراميك(أي)
دثر فرن(أي)
ثاني أكسيد التيتانيوم ، مسحوق نانويسيجما ألدريتش718467
50 مل 1 قوارير مستديرة القاع(أي)
سونيكاتور الحمام(أي)
المبخر الروتاري
TCO30-10 / LI
شريط لاصق(أي)
شفرة حلاقة(أي)
SEMJEOL6500F
XRDPANalytical   ؛X'pert Pro
Titanium TetrachlorideSigma-Aldrich89545
Ruthenizer  535-bisTBASolaronixN719
فيلم الختمDyesolMeltonix 1170-25
PT المغلفة FTOSolaronixTCO30-10 / LI
1-propyl-3-methylimidazolium يوديدSigma-Aldrich49637
اليودسيجما ألدريتش207772
بنزيميدازولسيجما ألدريتش194123
3-MethoxypropionitrileSigma-Aldrich65290
مقياس المصدر الرقميKeithley2400
Solar SimulatorAbet technologies10500
مضخة للصدأ الجهد Terpineol Sigma-Aldrich (أي) زجاج FTO Solaronix

المراجع

  1. 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).
  2. 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).
  3. Burschka, J., Pellet, N., et al. Sequential deposition as a route to high-performance perovskite-sensitized solar cells. Nature. 499 (7458), 316-319 (2013).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Roy, P., Berger, S., Schmuki, P. TiO2 Nanotubes: Synthesis and Applications. Angewandte Chemie International Edition. 50 (13), 2904-2939 (2011).
  8. Macdonald, T. J., Xu, J., et al. NiO Nanofibers as a Candidate for a Nanophotocathode. Nanomaterials. 4 (2), 256-266 (2014).
  9. 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).
  10. Li, D., Xia, Y. Electrospinning of Nanofibers: Reinventing the Wheel? Adv Mat. 16 (14), 1151-1170 (2004).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Teo, W. E. Electrospinning parameters and fiber control. , http://electrospintech.com/hb-espinparameters.html (2015).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

ألياف ثاني أكسيد التيتانيوم النانويةتصنيع المصعد الضوئيالمجهر الإلكتروني الماسححيود الأشعة السينيةتقنية المسح بالشفرةالمعالجة الحراريةتحليل منحنى الجهد والتيارركيزة زجاج FTO
إلكتروسبينينغ من أقطاب تحفيز ضوئي للخلايا الشمسية توعية صبغ
تواصل معنا
أوصِ به للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

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