本项目的主要目标是利用静电纺丝技术制备一种性能更优的染料敏化太阳能电池光阳极。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文内容
摘要
摘要
本研究展示了一种用于染料敏化太阳能电池的纤维基光阳极的制备方案，该光阳极由位于阻挡层之上的光散射层构成，其中光散射层由静电纺丝制备的二氧化钛纳米纤维（TiO2-NFs）组成，而阻挡层则由市售的二氧化钛纳米颗粒（TiO2-NPs）构成。首先，将四丁氧基钛、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和冰醋酸溶于乙醇中形成溶液，通过静电纺丝获得PVP/TiO2复合纳米纤维；随后在500 °C下进行煅烧，以去除PVP并得到纯锐钛矿相的二氧化钛纳米纤维。该材料通过扫描电子显微镜（SEM）和粉末X射线衍射（XRD）进行表征。光阳极的制备过程如下：首先采用刮刀涂覆技术，将TiO2-NPs/松油醇浆料涂覆在氟掺杂氧化锡（FTO）导电玻璃片上，形成阻挡层，并在500 °C下进行热处理。随后，采用相同方法在同一基底上涂覆TiO2-NFs/松油醇浆料以形成光散射层，并再次于500 °C下煅烧。通过组装染料敏化太阳能电池并在0.25–1 Sun范围内的不同入射光强下测量其J-V曲线，评估该光阳极的性能。
引言
染料敏化太阳能电池（DSSC）由于其低成本、相对简单的制造工艺以及易于大规模生产，成为硅基太阳能电池的一种有趣替代方案1。另一个优势是它们可被集成到柔性基底中，这是相对于硅基太阳能电池的一个显著优点2。典型的DSSC包含以下组成部分：(1) 由染料敏化的纳米颗粒TiO2光阳极，作为吸光层；(2) 用作对电极的Pt涂层FTO；以及(3) 置于两个电极之间的电解质，其中含有氧化还原电对（如I-/I3-），作为"空穴传导介质"。
尽管染料敏化太阳能电池（DSSCs）的效率已超过15%3，但基于纳米颗粒的光阳极性能仍受到多种因素的限制，包括电子迁移速率较慢4、对低能光子的吸收能力差5以及电荷复合6。电子收集效率在很大程度上取决于电子在TiO2纳米颗粒层中的传输速率。若电荷扩散缓慢，则与电解质溶液中I3-发生复合的概率增加，从而导致效率损失。
已有研究表明，用一维（1D）TiO
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
方案
1. 前驱体溶液的制备
注意：使用前请查阅所有相关的材料安全数据表（MSDS）。本实验步骤中使用的多种化学物质对人体有害和/或具有毒性。与块体材料相比，纳米材料可能具有额外的危害。请采取适当的安全措施并使用个人防护装备。
- 将5 g正丁醇钛(IV)、1 g聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、1 mL冰醋酸和10 mL无水乙醇加入样品瓶中。
- 使用磁力搅拌器搅拌溶液，直至溶液均匀且无可见气泡。
2. 纳米纤维的静电纺丝与煅烧
- 通过使用中等粒度的砂纸将21 G针头的尖端切平并打磨，制备用于静电纺丝过程的针头，直至尖端完全平整。
- 将针头安装在一次性10 mL注射器上。
- 将部分前驱体溶液装入注射器中，并将其放置在注射泵上。
- 用铝箔包裹收集板，并将其直接放置在针尖前方。
注意：针尖到收集板的距离应为20 cm。 - 将收集板连接至接地端，将针头连接至高压电源。
- 在装置周围放置防护罩。
- 将注射泵的流速设置为1 mL/h，并开始泵送。
- 一旦溶液出现在针尖处，立即打开高压电源并将其设定为15 kV。
注意：此时纤维将开始在收集板上沉积。装置需持续运行足够长时间，以获得所需厚度的纤维膜。 - 纺....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
结果
采用SEM、X射线光电子能谱（XPS）和XRD对TiO2纳米纤维进行表征。使用SEM对光阳极的纳米结构进行表征。利用太阳能模拟器和源表测量单元测试组装的染料敏化太阳能电池（DSSC）的性能。
图1A中的扫描电镜图像显示，采用本方案合成的纳米纤维具有多孔结构和高长径比。这些纳米纤维长度可达几微米，直径仅为几百纳米。 图1B中的截面图显示了三层结构：顶层为TiO2-NF的纤维散射层，第二层为TiO2-NP浆料的阻挡层，底层为FTO基底。两层的厚度均约为7 µm，总膜厚约为14 µm。
图2中的衍.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
本文所述方法介绍了用于光催化器件（如染料敏化太阳能电池）的高效纳米纤维光阳极的制备。静电纺丝是一种制备纳米纤维的多功能技术，但要获得具有最佳形貌的材料，需要具备一定的技能和知识。获得优质纳米纤维最关键的环节之一是前驱体溶液的制备：一些关键因素，如载体聚合物的浓度和钛前驱体的选择，可能对材料的最终结构产生决定性影响。载体聚合物浓度过低会导致串珠结构的形成，甚至完全无法形成纳米纤维结构；而浓度过高则会显著增加溶液黏度，导致纳米纤维直径增大，从而导致比表面积和电荷迁移率下降。无机前驱体应具有高溶解性，且在溶液中与其他组分共存时不应发生反应或分解；同时还应易于在煅烧后转化为目标产物，且不残留任何不期望的副产物。
仪器参数（即， 电压、针尖到收集器的距离和针头直径等参数也对纳米纤维的形貌具有重要影响。尽管在使用特定前驱体溶液时，改变这些条件可观察到一定的普遍趋势，但该趋势并不一定适用于其他溶液，因为不同溶液可能对电场及其他仪器条件的改变产生不同的响应。17.
得益于该技术.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
作者无任何利益冲突需要披露。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 四丁氧基钛 | Sigma-Aldrich | 244112 | |
| 聚乙烯吡咯烷酮 | Sigma-Aldrich | 437190 | |
| 冰醋酸 | Sigma-Aldrich | A6283 | |
| 无水乙醇 | Fisher Scientific | E/0650DF/17 | |
| 20 mL 样品瓶 | (任意) | (或更大体积) | |
| 一次性 21G 针头 | (任意) | ||
| P150 粒度砂纸 | (任意) | ||
| 一次性 10 mL 注射器 | (任意) | (或更大体积) | |
| 磁力搅拌器 + 搅拌子 | (任意) | ||
| PHD 2000 注射泵 | Harvard Apparatus | 71-2002 | (或任何其他可输出 1 mL/hr 流速的注射泵) |
| 铝箔 | (任意) | ||
| 不锈钢收集板 | (定制) | ||
| 高压电源 | Gamma High Voltage Research, Inc | ES30P-10W | (或任何其他可输出 +15 kV 的电源) |
| 聚碳酸酯防护罩 | (定制) | ||
| 陶瓷坩埚 | (任意) | ||
| 马弗炉 | (任意) | ||
| 二氧化钛纳米粉末 | Sigma-Aldrich | 718467 | |
| 50 mL 单颈圆底烧瓶 | (任意) | ||
| 超声波清洗仪 | (任意) | ||
| 松油醇 | Sigma-Aldrich | ||
| 旋转蒸发仪 | (任意) | ||
| FTO 玻璃 | Solaronix | TCO30-10/LI | |
| 胶带 | (任意) | ||
| 剃刀片 | (任意) | ||
| SEM | JEOL | 6500F | |
| XRD | PANalytical | X'pert Pro | |
| 四氯化钛 | Sigma-Aldrich | 89545 | |
| Ruthenizer 535-bisTBA | Solaronix | N719 | |
| 密封膜 | Dyesol | Meltonix 1170-25 | |
| 铂涂层 FTO | Solaronix | TCO30-10/LI | |
| 1-丙基-3-甲基咪唑碘化物 | Sigma-Aldrich | 49637 | |
| 碘 | Sigma-Aldrich | 207772 | |
| 苯并咪唑 | Sigma-Aldrich | 194123 | |
| 3-甲氧基丙腈 | Sigma-Aldrich | 65290 | |
| 数字源表 | Keithley | 2400 | |
| 太阳光模拟器 | Abet technologies | 10500 |
参考文献
- 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).
- 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).
- Burschka, J., Pellet, N., et al.
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
