Das übergeordnete Ziel dieses Projektes war es, das Elektrospinnen zu verwenden, um eine Photoanode mit verbesserter Leistung für farbstoffsensibilisierte Solarzellen herzustellen.
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Methodenartikel
Elektrospinnen von photokatalytischen Elektroden für farbstoffsensibilisierte Solarzellen
In diesem Artikel
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Diese Arbeit veranschaulicht ein Protokoll zur Herstellung eines faserbasierten Photoanodens für farbstoffsensibilisierte Solarzellen, bestehend aus einer lichtstreuenden Schicht aus elektrogesponnenen Titandioxid-Nanofasern (TiO 2 -NFs) auf einer Sperrschicht aus handelsüblichem Titandioxid Nanopartikel (TiO 2 -NPs). Dies wird durch erstes Elektrospinnen einer Lösung von Titan (IV) butoxid, Polyvinylpyrrolidon (PVP) und Eisessig in Ethanol erreicht, um zusammengesetzte PVP / TiO 2 -Nanofasern zu erhalten. Diese werden dann bei 500 ° C calciniert, um das PVP zu entfernen und reine Anatasphasen-Titandioxid-Nanofasern zu erhalten. Dieses Material zeichnet sich durch Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Pulverröntgenbeugung (XRD) aus. Die Photoanode wird hergestellt, indem zuerst eine Sperrschicht durch die Abscheidung einer TiO & sub2; -NPs / Terpineol-Aufschlämmung auf einem mit einem Fluor-dotierten Zinnoxid (FTO) -Glasschlitten unter Verwendung von Rakeltechniken hergestellt wird. Eine anschließende thermische BehandlungWird bei 500 ° C durchgeführt. Dann wird die lichtstreuende Schicht durch Abscheiden einer TiO & sub2; -NFs / Terpineol-Aufschlämmung auf demselben Objektträger unter Verwendung derselben Technik und Calcinieren bei 500ºC gebildet. Die Leistung des Photoanodens wird durch die Herstellung einer farbstoffsensibilisierten Solarzelle getestet und deren Effizienz durch JV-Kurven unter einer Reihe von einfallenden Lichtdichten von 0,25-1 Sun gemessen.
Einleitung
Dye-sensibilisierte Solarzellen (DSSCs) sind eine interessante Alternative zu Silizium-Solarzellen 1 dank ihrer geringen Kosten, dem relativ einfachen Herstellungsprozess und der Leichtigkeit der Großproduktion. Ein weiterer Vorteil ist ihr Potenzial, in flexible Substrate eingebaut zu werden, ein deutlicher Vorteil gegenüber Silizium-Solarzellen 2 . Ein typischer DSSC nutzt: (1) ein mit einem Farbstoff sensibilisierter nanopartikulärer TiO 2 -Analanode als lichtgewachsene Schicht; (2) eine Pt-beschichtete FTO, die als Gegenelektrode verwendet wird; Und (3) einen Elektrolyten, der ein Redoxpaar wie I - / I 3 - enthält , das zwischen den beiden Elektroden angeordnet ist und als "lochleitendes Medium" arbeitet.
Obwohl DSSCs Wirkungsgrade von 15% 3 übertroffen haben, wird die Leistung von Nanopartikel-basierten Photoanoden immer noch durch eine Reihe von Einschränkungen behindert, einschließlich langsamer ElektronenmobilisierungY 4 , schlechte Absorption von niederenergetischen Photonen 5 und Ladungsrekombination 6 . Der Elektronensammelwirkungsgrad hängt stark von der Geschwindigkeit des Elektronentransports durch die TiO 2 -Nanopartikelschicht ab. Wenn die Ladungsdiffusion langsam ist, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit der Rekombination mit I 3 - in der Elektrolytlösung, was zu einem Verlust an Effizienz führt.
Es wurde gezeigt, dass das Ersetzen von nanopartikulärem TiO 2 mit eindimensionalen (1D) TiO 2 -Nanoarchitekturen den Ladungstransport durch Verringerung der Streuung von freien Elektronen aus den Korngrenzen der miteinander verbundenen TiO 2 -Nanopartikel 7 verbessern kann. Da 1D-Nanostrukturen einen direkteren Weg zur Ladungssammlung bieten, können wir erwarten, dass der Elektronentransport in Nanofasern (NFs) deutlich schneller als in Nanopartikeln 8 , 9
Das Elektrospinnen ist eines der am häufigsten verwendeten Verfahren zur Herstellung von Fasermaterialien mit Submikrometer-Durchmessern 10 . Diese Technik beinhaltet die Verwendung von Hochspannung, um den Ausstoß eines Polymerlösungsstrahls durch eine Spinndüse zu induzieren. Aufgrund der Biegeinstabilität wird dieser Strahl anschließend oftmals zu kontinuierlichen Nanofasern gedehnt. In den letzten Jahren wurde diese Technik weitgehend zur Herstellung von polymeren und anorganischen Materialien verwendet, die für zahlreiche und vielfältige Anwendungen wie Tissue Engineering 11 , Katalyse 12 und als Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien 13 und Superkondensatoren verwendet wurden.
Die Verwendung von elektrogesponnenen TiO 2 -NFs als Streuschicht in der Photoanode kann die Leistung von DSSCs erhöhen. Allerdings photoanodes mit nanofibroUns Architekturen neigen dazu, eine schlechte Farbstoffabsorption aufgrund von Oberflächenbeschränkungen zu haben. Eine der möglichen Lösungen, um dies zu überwinden, besteht darin, NFs und Nanopartikel zu mischen. Es wurde gezeigt, dass sich zusätzliche Streuschichten ergeben, wodurch die Lichtabsorption und der Gesamtwirkungsgrad verbessert werden.
Das in diesem Video präsentierte Protokoll bietet ein einfaches Verfahren zur Synthese von ultralong-TiO 2 -Nanofasern durch eine Kombination von Elektrospinn- und Sol-Gel-Techniken, gefolgt von einem Kalzinierungsverfahren. Das Protokoll veranschaulicht dann die Verwendung der TiO 2 -NFs in Kombination mit nanopartikulärem TiO 2 für die Herstellung eines zweischichtigen Photoanodes mit verbesserter Lichtstreuungsfähigkeit unter Verwendung von Rakeltechniken sowie die anschließende Montage eines DSSC unter Verwendung eines solchen Photoanode
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Protokoll
1. Vorläuferlösung Vorbereitung
HINWEIS: Bitte konsultieren Sie vor dem Gebrauch alle relevanten Sicherheitsdatenblätter (MSDS). Mehrere der in diesem Verfahren verwendeten Chemikalien sind schädlich und / oder giftig für den Menschen. Nanomaterialien können zusätzliche Gefahren im Vergleich zu ihrem Bulk-Gegenstück haben. Bitte die entsprechenden Sicherheitsmaßnahmen und persönliche Schutzausrüstung verwenden.
- 5 g Titan (IV) n-butoxid, 1 g Polyvinylpyrrolidon (PVP), 1 ml Eisessig und 10 ml absolutem Ethanol in ein Probengefäß geben.
- Verwenden Sie eine magnetische Rührplatte, um die Lösung zu mischen, bis sie homogen geworden ist und keine Blasen beobachtet werden können.
2. Elektrospinnen und Kalzinieren der Nanofasern
- Die Nadel, die für den Elektrospinnvorgang verwendet wird, vorbereiten, indem man die Spitze einer 21 G-Nadel abschneidet und mit mäßigem Sandpapier abschleift, bis die Spitze vollständig flach ist.
- Montieren Sie die NotwendigkeitLe auf eine Einweg-10-ml-Spritze.
- Legen Sie einige der Vorläuferlösung in die Spritze und legen Sie sie auf die Spritzenpumpe.
- Wickeln Sie die Kollektorplatte in Aluminiumfolie ein und legen Sie sie direkt vor die Nadelspitze.
HINWEIS: Der Abstand von der Nadel zur Platte sollte 20 cm betragen. - Verbinden Sie die Kollektorplatte mit dem Boden und der Nadel mit der Hochspannungsquelle.
- Legen Sie den Schutzschild um das Setup herum.
- Stellen Sie den Durchfluss auf die Spritzenpumpe auf 1 mL / h ein und beginnen Sie zu pumpen.
- Sobald eine Lösung an der Spitze der Nadel erscheint, schalten Sie die Hochspannungsquelle ein und stellen Sie sie auf 15 kV ein.
HINWEIS: An diesem Punkt werden Fasern auf dem Teller sammeln. Der Aufbau wird so lange wie nötig gelassen, um die gewünschte Dicke der Fasermatte zu erreichen. - Nachdem das Spinnen beendet ist, schalten Sie die Hochspannungsquelle und die Spritzenpumpe aus. Entfernen Sie die Folie von der Kollektorplatte.
- Lassen Sie die Fasern ruhen oVernichten und dann die Aluminiumfolie abziehen.
- Legen Sie die abgezogenen Fasern in einen Tiegel und legen Sie sie in einen Muffelofen.
- Kalzinieren der Fasern durch Aufstellen einer Temperaturrampe von 5 ° / min bis 500 ° C und Halten für 2 h zur Entfernung des PVP und zur Herstellung von reinen TiO 2 -Nanofasern.
- Sobald der Kalzinierungsvorgang abgeschlossen ist, lassen Sie den Ofen geschlossen, bis die Temperatur unter 80 ° C reicht, um einen thermischen Schock zu vermeiden, der die Fasern beschädigen könnte.
3. Elektrodenfertigung
- Vorbereitung der Aufschlämmungen
- Fügen Sie 500 mg Titandioxid-Paste zu 20 ml Ethanol in einem Rundkolben hinzu.
- In einem separaten Kolben werden 500 mg der elektrogesponnenen TiO 2 -NFs mit weiteren 20 ml Ethanol vermischt.
- Sonate die Lösungen für 2 h mit einem Bad-Sonicator.
- Sobald einheitliche Mischungen erhalten werden, fügen Sie 2 ml Terpineol zu jedem Kolben und Sonate für einAndere 15 min.
- Verdampfe das Lösungsmittel aus beiden Kolben unter Verwendung eines Rotationsverdampfers, um die Aufschlämmungen zu erhalten.
- Doktor Blading und Sinterung
- Mit einem Diamant-Glasschneider einen FTO-leitfähigen Glasschieber in ein 2 cm x 2 cm großes Quadrat schneiden.
- Sichern Sie den FTO-Schieber in den Arbeitsbereich, indem Sie Klebeband auf den Glasschieber legen, so dass ein 0.4-cm 2- Bereich in der Mitte freigelegt wird. Um eine unregelmäßige Beschichtung zu vermeiden, platziere das Band auf zwei parallelen Seiten und dann auf die beiden anderen.
- Legen Sie ein paar Tropfen der TiO 2 -NP-Aufschlämmung auf die exponierte Mitte des Objektträgers auf.
- Verwenden Sie eine Rasierklinge, um die Aufschlämmung gleichmäßig über den exponierten Bereich zu verteilen.
- Sobald eine gleichmäßige Beschichtung erreicht ist, entfernen Sie vorsichtig das Klebeband.
- Den beschichteten Schieber in einen Ofen geben und 2 h bei 500 ° C sintern.
- Wiederholen Sie die Schritte 3.2.2-3.2.6 auf der gleichen FTO-Folie, diesmal mit der TiO 2 -NF-Aufschlämmung anstelle vonDie Nanopartikel, um die Photoanode zu erhalten.
4. NF Charakterisierung
- SEM-Charakterisierung
- Bereiten Sie die Probe für SEM vor, indem Sie einen Streifen Klebstoff-Klebeband an einen Mikroskopstutzen anschließen. Setzen Sie sorgfältig eine kleine Menge Nanofasern auf das Band.
- Montieren Sie den Stutzen auf einen Probenhalter und legen Sie ihn in die Austauschkammer des Gerätes.
- Stellen Sie die Gerätebedingungen und Parameter ein: Stellen Sie die Beschleunigungsspannung auf 20 kV und den Arbeitsabstand auf 10 mm ein.
- Sammeln Sie Bilder der Probe, um sicherzustellen, dass sie die Gesamtmorphologie des Materials anzeigen.
- XRD-Charakterisierung
- Schütteln Sie einige Nanofasern vorsichtig in ein feines Pulver und breiten sie gleichmäßig auf einer XRD-Stufe aus.
- Legen Sie die Probe in das Diffraktometer ein.
- Stellen Sie die Erfassungsparameter ein: Verwenden Sie einen Startwinkel von 10 °, einen Endwinkel von 80 °, einDa Schrittgröße von 0,015 °.
- Starten Sie die Erfassung der XRD-Daten.
5. Solarzellenfertigung
- Die Photoanode mit einer wässrigen Lösung von TiCl & sub4; bei 75ºC für 45 min behandeln. Nach der Behandlung mit gewaschenem Wasser waschen und trocknen lassen.
- Sensibilisieren Sie die Photoanode, indem Sie sie in einer 0,5 mM Lösung des Rutheniumfarbstoffs N719 in absolutem Ethanol für 24 h unter dunklen Bedingungen eintauchen.
- Legen Sie eine Folie des Siegelfilms auf die sensibilisierte Photoanode, um als thermoplastische Dichtung zwischen dem Photoanode und der Gegenelektrode zu dienen.
- Legen Sie eine Pt-beschichtete FTO-Gegenelektrode mit einem vorgebohrten Loch in der Mitte auf die Oberseite der Siegelfolie, so dass beide Seiten einander zugewandt sind.
- Die zusammengesetzte Zelle 15 min lang auf 100 ° C erhitzen, um die Dichtung abzudichten.
- Ein paar Tropfen eines Redoxmediators, bestehend aus einer Lösung von 1-Propyl-3-methylimidazoliumjodid (0,8 M), Iod (0,1 M),Und Benzimidazol (0,3 M) in 3-Methoxypropionitril, oben auf dem vorgebohrten Loch der Gegenelektrode.
- Legen Sie die Zelle in einen Vakuum-Exsikkator, damit der Redox-Mediator den Innenraum der zusammengesetzten Zelle füllen kann.
6. JV Kurvencharakterisierung
- Erfassen Sie die JV-Kurven mit einem digitalen Quellzähler unter 100 mW / cm 2 Beleuchtung aus einer Xenon-Bogen-Quelle, die durch ein AM1.5G-Filter geführt wird.
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Ergebnisse
Die TiO 2 -Nanofasern wurden unter Verwendung von SEM, Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) und XRD charakterisiert. Die Nanostruktur des Photoanodes wurde durch SEM charakterisiert. Die Leistung des montierten DSSC wurde mit einem Solarsimulator und einer Quellmesseinheit getestet.
Das SEM-Bild in Fig. 1A zeigt, daß die unter Verwendung dieses Protokolls synthetisierten Nanofaser...
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Diskussion
Die in dieser Arbeit vorgestellten Methoden beschreiben die Herstellung von effizienten nanofaserigen Photoanoden für photokatalytische Geräte wie DSSCs. Electrospinning ist eine sehr vielseitige Technik für die Herstellung von Nanofasern, aber ein gewisses Maß an Geschick und Wissen ist erforderlich, um Materialien mit optimalen Morphologien zu erhalten. Einer der kritischsten Aspekte, um gute Nanofasern zu erhalten, ist die Vorbereitung der Vorläuferlösung: Es gibt einige Schlüsselfaktoren wie die Konzentration des Tr...
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Offenlegungen
Die Autoren haben nichts zu offenbaren.
Danksagungen
Die Autoren haben keine Anerkennung.
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Materialien
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Titan(IV)-n-Butoxid | Sigma-Aldrich | 244112 | |
| Polyvinylpyrrolidon | Sigma-Aldrich | 437190 | |
| Eisessig | Sigma-Aldrich | A6283 | |
| Ethanol, absolut | Fisher Scientific | E/0650DF/17 | |
| 20 mL Probenfläschchen | (beliebig) | (oder größeres Volumen) | |
| Einwegnadel 21G | (beliebig) | ||
| P150 Körnung Schleifpapier | (beliebig) | ||
| Einwegspritze 10 ml | beliebig) | (oder größeres Volumen) | |
| Magnetrührer + Rührstab | (beliebig) | ||
| PHD 2000 Spritzenpumpe | Harvard Apparatus | 71-2002 | (oder jede andere Spritzenpumpe, die einen Durchfluss von 1 ml/h |
| abgeben kann Aluminium Folie | (beliebig) | ||
| Kollektorplatte aus Edelstahl | (Sonderanfertigung) | ||
| Hochspannungsquelle | Gamma High Voltage Research, Inc | ES30P-10W | (oder jedes andere Netzteil, das +15 kV |
| kann (Sonderanfertigung) | |||
| Keramiktiegel | (beliebig) | ||
| Muffel Ofen | (beliebig) | ||
| Titandioxid, Nanopulver | Sigma-Aldrich | 718467 | |
| 50 mL 1-Hals-Rundkolben | (beliebig) | ||
| Bad-Ultraschallgerät | (beliebig) | ||
| Terpineol | Sigma-Aldrich | ||
| Rotationsverdampfer | (beliebig) | ||
| FTO-Glas | Solaronix | TCO30-10/LI | |
| Klebeband | (beliebig) | ||
| Rasierklinge | (beliebig) | ||
| SEM | JEOL | 6500F | |
| XRD PANalytical | X'pert Pro | ||
| Titanium Tetrachloride | Sigma-Aldrich | 89545 | |
| Ruthenizer 535-bisTBA | Solaronix | N719 | |
| Siegelfolie | Dyesol | Meltonix 1170-25 | |
| Pt-beschichtet FTO | Solaronix | TCO30-10/LI | |
| 1-propyl-3-methylimidazoliumiodid | Sigma-Aldrich | 49637 | |
| Jod | Sigma-Aldrich | 207772 | |
| Benzimidazol | Sigma-Aldrich | 194123 | |
| 3-Methoxypropionitril | Sigma-Aldrich | 65290 | |
| Digitales Quellenmessgerät | Keithley | 2400 | |
| Sonnensimulator | Abet technologies | 10500 |
Referenzen
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