Digitaldruck von Titandioxid für farbstoffsensibilisierte Solarzellen

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments ist es, die Leistung von Titandioxid-Tinten in gedruckten Schichten zu formulieren, zu charakterisieren und zu messen. Die Machbarkeit des Tintenstrahldrucks für die Herstellung von farbstoffsensibilisierten Solarzellen wurde ebenfalls untersucht. Mit dem Tintenstrahldruck kann eine Vielzahl von Funktionsmaterialien aus einem digital basierten Bild abgeschieden werden.

Der Hauptvorteil dieser Technik ist die Möglichkeit, Muster auf einem Substrat herzustellen. Die Entwicklung von Tinten, die Funktionsmaterialien enthalten, ermöglicht das Design komplexer elektronischer Bauelemente, wie z. B. farbstoffsensibilisierte Solarzellen, die mit dieser Technik hergestellt werden können. Beim Tintenstrahldruck können potenziell mehrere Materialschichten innerhalb eines Arbeitsgangs abgeschieden werden, um ein ganzes Gerät herzustellen.

visuelle Demonstration dieser Methode ist von entscheidender Bedeutung, da die Farbrheologie und die Druckparameter die Qualität der gedruckten Strukturen stark beeinflussen können. Neben mir wird Iulia Salaoru, eine Expertin auf dem Gebiet der additiven Fertigung, das Verfahren vorführen. Um den Druckfarbenformulierungsprozess zu beginnen, fügen Sie zuerst 32 Gramm einer 0,1 Millimolare wässrige Lösung von Salzsäure zu acht Gramm eines kompatiblen Lösungsmittels, wie z. B. Dimethylformamid, hinzu.

Fügen Sie als nächstes 1,5 Gramm einer 45%igen wässrigen Lösung aus Propylenglykol, Tetramethyl-5-Decyn-4, 7-Diol und ethoxyliertem Alkohol hinzu, um als Dispergieradditiv zu wirken. Um ein Austrocknen der Tinte an den Druckdüsen zu verhindern, fügen Sie der Mischung 10 Gramm Ethylenglykol hinzu, das als Feuchthaltemittel wirkt. Fahren Sie fort, indem Sie 0,5 Gramm eines Entschäumungsmittels, eine 20%ige Lösung aus Acetylendiol und Methoxypolyethylenglykol hinzufügen, um die Bildung von Luftblasen zu verhindern.

Sie anschließend die Tinte, indem Sie ein Aliquot in einem geschlossenen Behälter 60 Sekunden lang mit der Hand schütteln. Wenn Schaum beobachtet wird, geben Sie weitere 0,5 Gramm des Entschäumers in die Tinte. Nach dem Schütteltest wird die Tintenlösung acht Stunden lang bei Raumtemperatur mit einem Magnetrührer gerührt, um die Homogenität zu gewährleisten.

Fügen Sie anschließend die Lösung zu 1,5 Gramm Titandioxid-Nanopartikeln hinzu. Vervollständigen Sie die Formulierung der Tinte, indem Sie sie 15 Minuten lang mit einer Ultraschallsonde beschallen. Weichen Sie die Glassubstrate vor Beginn des Druckvorgangs 24 Stunden lang in einer zwei Gewichtsprozent schweren Lösung des Reinigungsmittels in entionisiertem Wasser ein.

Entfernen Sie die Substrate und spülen Sie sie vor Gebrauch gründlich mit entionisiertem Wasser ab. Bevor Sie die Tinte in die Druckpatrone und den Druckkopf einlegen, filtern Sie sie durch einen Fünf-Mikrometer-Polyvinylidenfluoridfilter, gefolgt von einem 1,2-Mikrometer-Filter, um alle großen Partikel zu entfernen, die die Düsen verstopfen können. Spülen Sie den Druckkopf mit Tinte durch die Öffnung an der Seite, um die im Behälter oder in den Düsen verbliebene Luft oder Reinigungslösung zu verdrängen.

Setzen Sie den Druckkopf in den Drucker ein und verbinden Sie ihn mit dem Head Personality Board. Laden Sie die Tinte in die 150-Milliliter-Spritze, die sich über dem Druckkopf befindet, und verschließen Sie sie, indem Sie eine luftdichte Kappe an der Oberseite der Spritze anbringen. Legen Sie anschließend das Glassubstrat gemäß den Anweisungen des Herstellers in den Drucker ein.

Schalten Sie die angeschlossene Vakuumpumpe ein und spülen Sie die Tinte durch die Druckdüsen, indem Sie die Spültaste an der Vakuumpumpe drücken. Stellen Sie mit der GIS-Software auf dem Computer des Druckers eine Verbindung zum Druckserver her und legen Sie die Wellenform und die Druckparameter fest. Wählen Sie das gewünschte Muster aus, laden Sie es und drucken Sie es dann gemäß den Anweisungen des Herstellers auf das Glassubstrat.

Um den Vorgang abzuschließen, entfernen Sie das Substrat und erhitzen Sie die bedruckte Folie auf einer Heizplatte. Schneiden Sie mit einem Diamantglasschneider um den bedruckten Bereich herum, um ein kleineres Stück von etwa 20 Quadratmillimetern herzustellen. Um mit der Herstellung der farbstoffsensibilisierten Solarzelle zu beginnen, stellen Sie eine Farbstofflösung her, indem Sie 20 Milliliter Ethanol und zwei Milligramm Rutheniumfarbstoff acht Stunden lang in einem Becherglas rühren.

Tauchen Sie anschließend das mit Titandioxid beschichtete Glas 24 Stunden lang bei Raumtemperatur in die Farbstofflösung, damit der Farbstoff auf der Oberfläche der Titandioxidpartikel absorbiert werden kann. Nehmen Sie das Glas aus der Lösung und legen Sie die beschichtete Seite nach oben auf Seidenpapier. Platzieren Sie anschließend einen vorgestanzten, 60 Mikrometer dicken thermoplastischen Dichtungsabstandhalter auf dem leitfähigen Glas um die Titandioxid-Beschichtung.

Platzieren Sie eine platinbeschichtete Gegenelektrode mit einem vorgebohrten Loch in der Mitte auf dem thermoplastischen Dichtungsabstandhalter, so dass beide aktiven Seiten einander zugewandt sind und genügend Überlappung vorhanden ist, damit der elektrische Kontakt hergestellt werden kann. Erhitzen Sie die Zelle auf einer heißen Platte bei 110 Grad Celsius. Und üben Sie mit einer Pinzette 30 Sekunden lang leichten Druck auf den Bereich dieses Dichtungsabstandhalters aus, um die Elektroden miteinander abzudichten.

Vollständige Herstellung der Zelle durch Injektion von 50 Millimolar Jodid-Triiodid-Elektrolyten in Acetonitril in das vorgebohrte Loch, um den Spalt zwischen den beiden Elektroden zu füllen. Die durchschnittliche Größe der Titandioxid-Partikel der Tinte wurde mit Hilfe der dynamischen Lichtstreuung gemessen. Es wurde eine durchschnittliche Gesamtgröße von 80 Nanometern beobachtet, was deutlich innerhalb der Anforderung von 100 Falten kleiner ist als die Öffnung der Druckdüse von 40 Mikrometern.

Stromdichte- und Spannungskurven wurden für Inkjet-gedruckte und kommerzielle Rakel-DSSCs unter identischen Beleuchtungsbedingungen erhalten. Die Kurzschlussstromdichte für die mit Tintenstrahl gedruckte Zelle ist deutlich geringer als die der Rakelzelle, was auf einen geringeren Umwandlungswirkungsgrad hinweist. Die Schlüsselparameter für Inkjet-gedruckte und Rakelzellen sind die Leerlaufspannung und der Kurzschlussstrom.

Diese beiden Parameter wurden verwendet, um den Wirkungsgrad der Zelle zu berechnen. Die Dicke der im Tintenstrahl gedruckten Titandioxidschicht, gemessen mit einem Oberflächenprofilmesser, betrug 2,6 Mikrometer und lag damit deutlich unter der Rakeltechnik von 18 Mikrometern. Dies führt zu einem geringeren Wirkungsgrad für die Inkjet-gedruckte Zelle von 3,5 %Der Füllfaktor war sowohl für die Inkjet-gedruckten als auch für die Rakelzellen niedrig.

Dies deutet auf einen hohen Innenwiderstand innerhalb der Zellen und Raum für Verbesserungen bei beiden Designs hin. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man eine Nanopartikel-Tinte herstellt, Digitaldrucktechniken verwendet, um eine Schicht aus Titandioxid-Nanopartikeln abzuscheiden, und Farbstoffsolarzellen herstellt. Die laufende Arbeit konzentriert sich auf die Erweiterung dieser Ansätze, um die Leistung von gedruckten Geräten zu verbessern und zu bewerten, wie verschiedene Materialien in zusätzliche gedruckte Schichten integriert werden können.