Name: Digitaldruck von Titandioxid für farbstoffsensibilisierte Solarzellen (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-05-04T14:10:00.000+00:00
Duration: 8 min 19 s
Description: Erfahren Sie die Herstellung von Titandioxid-Nanopartikel-Tinten und den Digitaldruck für farbstoffsensibilisierte Solarzellen. Diese Methode ermöglicht die Präzisionsabscheidung funktionaler Materialien für erneuerbare Energien.

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Diese Forschung wird mit Unterstützung der Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) gefördert durch ein Doktorandenausbildung Zuschuss dankbar vorgenommen. Open Access-Artikel Bearbeitungsgebühren (APCs) wurden von Research Councils UK (RCUK) gefördert. Alle Daten werden im Ergebnisteil des Papiers in vollem Umfang zur Verfügung gestellt. Repräsentative Ergebnisse wurden bereits von den Autoren 42 veröffentlicht. Wir möchten bei der Charakterisierung der elektrischen Leistung der Zellen Dr. Senthilarasu Sundaram von der University of Exeter für seine Hilfe danken.

1. Tintenformulierung Hinweis: Tintenformulierungen sind oft ein sehr vorsichtiges Geheimnis von den Herstellern gehalten. Erfolgreiche Formulierungen Gleichgewicht Strahlen, Tropfenbildung, Benetzung und Trocknungsverhalten neben funktionalen Leistung. Üblicherweise eine funktionelle Material in einem Lösungsmittel dispergiert sind, und mindestens eine weitere Komponente, um sie strahlbaren machen. Dieser Abschnitt erläutert die Entwicklung einer Tinte TiO 2 zur Verwendung im Tintenstrahldruck. Eine kleine Charge von Druckfarbe wurde durch das folgende Verfahren hergestellt. Achtung: Die Farbe der Zubereitung sollte in einem geeignet belüfteten Bereich, zum Beispiel unter einem Abzug durchgeführt werden, während Auge trägt eine Schutzbrille und Latex - Handschuhe. <ol><li> Bereiten einer 0,1 mM wässrigen Lösung von Salzsäure (HCl) mit einem pH-Wert von etwa 4 zu erzeugen. </li><li> Hinzufügen von 32 g der sauren Lösung auf 8 g eines kompatiblen Lösungsmittels mit einem höheren Siedepunkt und niedriger Oberflächenspannung als Wasser (wie Dimethylformamid (DMF)). Die Zugabe eines Co-solvent dient als Trocknungsmittel eine Zirkulationsströmung innerhalb des Tintentröpfchens , wenn die Tinte verdampft, was zu einer gleichförmigen Anordnung von Nanopartikeln auf der Oberfläche des Tropfens 21 zu induzieren. </li><li> Hinzufügen 1,5 g Dispergieradditiv (45% aktive Lösung aus Propylenglykol und Tetramethyl-5-decin-4,7-diol in Wasser). </li><li> 10 g Ethylenglykol, als Feuchthaltemittel Trocknen an den Düsen zu verhindern. </li><li> Mit 0,5 g Entschäumungsmittel (20% aktive Lösung von acetylenischen Diols in Methoxypolyethylenglycol) zu der Tinte Luftblasen zu verhindern, zu entwickeln. </li><li> Führen Sie eine einfache Shake-Test durch einen aliquoten Teil der Tinte in einen geschlossenen Behälter zu nehmen und schütteln mit der Hand für 60 Sekunden. Wenn irgendein Schaum beobachtet wird dann fügen Sie eine weitere 0,5 g Mittel auf die Tinte von Entschäumer. </li><li> Mischen Sie die Lösung für 8 h einen magnetischen Rührstab mit Homogenität bei RT zu gewährleisten. </li><li> Hinzufügen , 1,5 g Titandioxid (TiO 2) Nanoteilchen mit einer primären Teilchengrße von 21 nm und einer Oberfläche von35 - 65 m 2 / g. </li><li> Beschallen der Mischung bei einer Frequenz von 60 Hz eine Ultraschallsonde für 15 Minuten verwendet wird. </li><li> Messung der Partikelgrößen, eine geeignete Messtechnik, wie beispielsweise dynamische Lichtstreuung (DLS) unter Verwendung von nach dem Protokoll des Herstellers, um sicherzustellen, dass sie leicht durch die Düsenöffnungen fließt. Stellen Messungen unter den gleichen Bedingungen (z. B. gleiche Lösungsmittel, pH, die Konzentration des Dispersionsmittels ) für die Tinte , wie jede Komponente verwendet werden , können die Bildung von Agglomeraten in der Tinte beeinflussen. Für eine erfolgreiche Strahlen, die Partikel innerhalb des Fluids sollte 100 mal kleiner als die Düsenöffnung sein. </li><li> Messen der Viskosität der Tinte, eine geeignete Messtechnik, wie einem Rotations-Viskosimeter nach Herstellerprotokoll verwendet, zuverlässige Ausstoßen aus dem Druckkopf zu gewährleisten, wie Tintenstrahldruck niedriger Viskosität Tinten zwischen 2 und 20 Centipoise (cP) erfordert. Erhöhen Sie die Viskosität durch die additiauf polymerer Materialien oder Materialien auf Cellulosebasis; jedoch müssen diese nach der Abscheidung entfernt werden , freizugeben Stellen für den Farbstoff in der gedruckten Films 22. </li><li> Messen der Oberflächenspannung der Tinte, eine geeignete Messtechnik, wie einem Tensiometer nach Herstellerprotokoll verwendet, zuverlässige Ausstoßen zu gewährleisten. Die Strahlbare Fluidformulierung Richtlinien für Tintenstrahldrucker deuten auf eine Oberflächenspannung zwischen 28 und 33 mN / m höchste Zuverlässigkeit beim Drucken zu ermöglichen. </li></ol> 2. Inkjet Printing <ol><li> Vor dem Drucken tränken die Glassubstrate in einer 2 Gew% ige Lösung des Waschmittels Reinigung (eine Mischung aus anionischen und nichtionischen oberflächenaktiven Mittel, Stabilisierungsmittel, Alkalien, nicht-Phosphat-Detergensbuilder und Sequestriermittel in einer wässrigen Base) in VE-Wasser. Spülen Sie das Glas gründlich mit entionisiertem Wasser, sobald sie aus der Reinigungslösung entfernt werden, Spuren von Verunreinigungen zu entfernen und Reinigungsmittel. </li&gt; <li> Messung der Oberflächenenergie des Substrats, eine geeignete Messtechnik, wie einem Tensiometer Verwendung nach dem Protokoll des Herstellers. Für eine gute Haftung sollte die Oberflächenenergie des Substrats nicht die Oberflächenspannung des Fluids überschreitet um mehr als 10 bis 15 mN / m. Modifizieren , um die Oberflächenenergie des Substrats Methoden wie Coronabehandlung 23, Plasmabehandlung 24 und chemisches Ätzen unter Verwendung von 25 , wenn er nicht geeignet ist. </li><li> Laden des Substrats in dem Drucker nach dem Protokoll des Herstellers. </li><li> Spülen Sie den Druckkopf mit der Tinte durch den Anschluss an der Seite des Kopfes keine Luft oder Reinigungslösung innerhalb des Reservoirs und Düsen zu verdrängen. </li><li> Setzen Sie den Druckkopf in den Drucker. Schließen Sie den Druckkopf mit dem Kopf Persönlichkeit Bord. </li><li> Filtern, um die Tinte durch die richtige Größe Filter nur vor dem Laden in die Kassette großer Partikelaggregate zu entfernen, die die Düsen verstopfen können. DasDruckkopf in dieser Arbeit verwendet hat Düsen mit einem Durchmesser von 40 &amp; mgr; m (zB Konica KM512.); daher Tinten sollten keine Teilchen enthalten mit einem Durchmesser über 400 nm. Führen Sie die Suspensionen durch ein 5 &amp; mgr; m, durch einen 1,2 um Polyvinylidenfluorid (PVDF) Filter gefolgt alle großen Partikel zu entfernen. </li><li> Laden Sie die Tinte in die 150-ml-Spritze über dem Druckkopf befindet, der die Tinte an den Druckkopf liefert. Bringen Sie den luftdichten Deckel auf der Oberseite der Spritze und schalten Sie die Vakuumpumpe. </li><li> Spülen Sie die Tinte durch die Düsen durch Drücken der &quot;Säuberung&quot; Taste auf der Vakuumpumpe. </li><li> die Wellenform und Druckparameter Durch die geographischen Informationssystems (GIS) Printserver, Set-up. Beachten Sie, dass der Drucker mit einer Geschwindigkeit von 1,5 Meter pro Sekunde drucken kann, jedoch für diese Tinte einer Druckgeschwindigkeit von 0,3 Meter pro Sekunde hat sich gezeigt, eine optimale Beschichtung bereitzustellen </li><li> Open GIS Benutzeroberfläche Software und laden Sie das gewünschte Muster. </li><li> Print aus der beladenen Kartusche nach dem Protokoll des Herstellers. </li><li> Entfernen des Substrats von der Platte und erwärmen die bedruckten Folien bei 150 ºC für 30 min, gefolgt von 250 ºC für weitere 30 min entweder auf einer Heizplatte oder in einem Ofen. </li></ol> 3. Analyse der bedruckten Folien <ol><li> Verwenden eines optischen Mikroskops oder eines Rasterelektronenmikroskops (SEM) auf der Oberfläche der bedruckten Folien zu sehen bei geringer Vergrößerung (100X), um die Oberflächenmorphologie und bei hoher Vergrößerung (35,000X) zu analysieren, um die Porosität der bedruckten Folien zu analysieren. Überprüfen Sie, ob die Bilder eine gleichmäßige Abdeckung ohne Risse und eine gute Porosität zeigen. Nähere Informationen über SEM Operation kann 26,27 in den folgenden Referenzen gefunden werden. </li><li> Die Dicke der gedruckten Schicht, eine geeignete Messtechnik, wie beispielsweise eine Oberfläche Profiler nach dem Protokoll des Herstellers. Die Dicke und Porosität der TiO 2 -Schicht witHin DSSCs beeinflussen die Menge an Farbstoff , die auf der Oberfläche der Nanoteilchen absorbiert werden kann, was somit die gesamte elektrische Umwandlungseffizienz der Zelle 18 beeinflussen. Es ist daher ein wichtiger Parameter, zu bewerten. Verwenden, um eine Oberflächenprofil (Genauigkeit von 1 nm), die Dicke der bedruckten Folien zu messen. </li><li> Messen der Durchlässigkeit des Films, eine geeignete Messverfahren wie beispielsweise ein ultraviolett-sichtbares (UV-VIS) Spektrophotometer verwendet, um zu bestimmen, wie viel sichtbares Licht durch die bedruckte Folie übertragen wird. Verwenden Protokoll des Herstellers. </li></ol> 4. Machen Sie die Zelle <ol><li> Bilden eine Farbstofflösung mit 20 ml Ethanol gemischt und 2 mg Ruthenium-Farbstoff in einem Becherglas einen Magnetrührer für 8 h verwendet wird. </li><li> Unterzutauchen die TiO 2 beschichtetem Glas in der Lösung bei RT (20 bis 25 ° C) für 24 h der Farbstoff zu ermöglichen , auf der Oberfläche der TiO 2 -Teilchen zu absorbieren. </li><li> Entfernen Sie die TiO 2 </sub&gt; beschichtetes Glas aus der Lösung und Stelle auf Tissue - Papier überschüssige Farbstofflösung aufzusaugen (mit TiO 2 nach oben zu vermeiden Kontamination hin). </li><li> Legen Sie die vorgeschnittenen 60 &amp; mgr; m dicken thermoplastischen Dichtungsabstandhalter auf der Oberseite des leitenden Glas, um die TiO 2 -Beschichtung. </li><li> Legen Sie die mit Platin beschichteten Gegenelektrode auf der Oberseite des vorgeschnittenen 60 &amp; mgr; m dicken thermoplastischen Dichtungsabstandhalter, so dass die aktiven Seiten der Anode und der Kathode sind einander zugewandt sind. Erlauben genug Überlappung zwischen den zwei Glasscheiben, so dass ein elektrischer Kontakt mit dem leitfähigen Glas hergestellt sein. Dies sollte ein vorgebohrtes Loch in der Mitte später für die Elektrolytfüllung zu ermöglichen haben. </li><li> Wärme auf einer Heizplatte auf eine Temperatur von 110 ° C und Druck ausüben Licht Pinzette über den Bereich des Dichtungsabstandshalter verwendet wird. Nach 30 sec sollten die Elektroden miteinander versiegelt werden. </li><li> Die Lücke zwischen den beiden Elektroden mit einer Jodid / Triiodid-electroLyte in Acetonitril bei einer Konzentration von 50 mM, indem in dem Platin beschichtetes Glas durch die vorgebohrten Löcher injizierende unter Verwendung einer Spritze. </li></ol>

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</ol>

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Eine besondere Herausforderung bei der Formulierung von Tinten ist die natürliche Tendenz von Nanopartikeln, sich zu verklumpen. Diese werden je nach Art und Stärke der Bindungen zwischen den Partikeln entweder als Aggregate oder Agglomerate bezeichnet. Die Energie, die durch das einfache Einrühren von Partikeln in Wasser oder Bindemittel entsteht, reicht nicht aus, um die Anziehungskräfte der Partikel zu überwinden, die das Aufbrechen von Agglomeraten verhindern. Kugelmahlen, High-Shear-Mischen oder Ultraschall werden häufig verwendet, um agglomerierte Nanopartikel aufzubrechen. Verschiedene anionische, nichtionische und kationische Tenside und Polymere können ebenfalls verwendet werden, um eine langfristige Stabilisierung zu gewährleisten. Durch die Minimierung der Anzahl dieser Agglomerate kann eine qualitativ hochwertige Suspension erreicht werden. Die Flüssigkeiten sollten kurz vor dem Laden in die Kartusche durch den Filter der richtigen Größe gefiltert werden, um große Partikelaggregate zu entfernen, die die Düsen verstopfen können.
Es hat sich auch gezeigt, dass die Partikelgröße innerhalb der TiO2-Schicht die Gesamteffizienz von DSSCs beeinflusst. Die photokatalytische Aktivität von Titandioxid nimmt mit abnehmender Partikelgröße aufgrund einer Vergrößerung der spezifischen Oberfläche40 zu. Eine Studie, in der die Effizienz von DSSCs mit TiO2-Nanopartikeln mit 5 verschiedenen Größen von 400 nm bis 14 nm verglichen wurde, ergab, dass solche mit kleineren Partikelgrößen zu besseren elektrischen Umwandlungswirkungsgraden führten33.
Der Tintenstrahldruck ist eine berührungslose Abscheidungstechnik, die in mehreren Durchgängen gedruckt werden kann. Dies bietet die einzigartige Möglichkeit, schnell mehrschichtige Bauelemente in einem Arbeitsgang auf einer Vielzahl von Substraten mit minimalem Materialabfall herzustellen. Es bietet möglicherweise auch eine Möglichkeit, andere Komponenten (wie z. B. Batterien) durch das Drucken von Funktionsmaterialien41 in das System zu integrieren. Obwohl die repräsentativen Ergebnisse, die für die Inkjet-gedruckten Geräte gezeigt wurden, nicht so gut abschneiden wie die der Rakelgeräte, zeigen sie das Potenzial für die Abscheidungstechnik. Mit einer weiteren Farboptimierung könnte sie auf einem vergleichbaren Niveau wie derzeit verwendete Verfahren arbeiten und könnte weitere Möglichkeiten für eine kostengünstige und umweltfreundliche Integration von Photovoltaikzellen auf eine Vielzahl von Substraten bieten. Wir hoffen, die Effizienz der Inkjet-gedruckten Geräte zu verbessern, indem wir die Dicke der gedruckten Schicht näher an die des TiO2 mit Rakelklingen annähern, und werden uns weiterhin mit dem Drucken anderer Materialien und Schichten innerhalb von DSSCs befassen.

Herkömmliche Silizium-Solarzellen werden aus hochreinen Materialien hergestellt, die teure und energieintensive Spezialausrüstung erfordern. Diese herkömmlichen Siliziumzellen enthalten einen p-n-Übergang, der hochreine Materialien an der Grenzfläche erfordert, um Elektron-Loch-Paare zu erzeugen. Farbstoffsensibilisierte Solarzellen (DSSCs) haben ein grundlegend anderes Funktionsprinzip, bei dem die Ladungserzeugung an der Materialgrenzfläche stattfindet. Das bedeutet, dass eine Verarbeitung unter Vakuum, ultrahohen Temperaturen oder der Einsatz von Reinraumeinrichtungen nicht erforderlich ist1. Daher werden sie als potenziell kostengünstige Alternative angesehen; Das Upscaling von kleinen Labortestzellen zu großen Prototypen für die industrielle Fertigung erfordert jedoch die Überwindung mehrerer Probleme, einschließlich der schnellen Strukturierung von Substraten.
Die Elektronikfertigung erfordert im Allgemeinen ein gewisses Maß an Strukturierung, das entweder durch Maskieren oder selektives Entfernen des Materials nach der Abscheidung erreicht wird. Diese Schritte können durch den Einsatz von "additiven" Digitaldrucktechniken wie Inkjetdruck oder Sprühbeschichtung entfallen werden. Der Digitaldruck ist ein vielversprechendes Verfahren zur direkten Abscheidung von Funktionsmaterialien für elektronische Geräte. Die Technik kann als Drucken von einem digitalbasierten Muster direkt auf eine Vielzahl von Substratenbeschrieben werden 2. Es handelt sich um berührungslose Methoden, bei denen die Substratoberfläche nicht beschädigt oder verunreinigt wird und das Material nur dort abgelagert wird, wo es benötigt wird, was zu wenig oder keiner Verschwendung führt3. Diese Techniken wurden als ideal geeignet für die Skalierung auf die Großserienproduktionhervorgehoben 3. Da bei Digitaldruckverfahren flüssige Formen von Materialien verwendet werden, die in einem Lösungsmittel dispergiert sind, ist es wichtig, die Abscheidung von Tinte zu verstehen, um die Anwendungen der Technik zu bestimmen. 
DSSCs bestehen aus drei Hauptkomponenten: einer porösen Schicht aus Metalloxidmaterial mit breiter Bandlücke, einem Farbstoff, der die Partikel bedeckt, und einem "Ladungstransporter", der die Poren innerhalb der porösen Schicht des Halbleiters infiltriert. Diese sind zwischen einer transparenten leitenden Elektrode und einer Gegenelektrode4 angeordnet. Die Gegenelektrode ist mit einem katalytischen Material für den Elektronentransfer beschichtet, das in den meisten Fällen Platin ist. Unter Beleuchtung absorbieren die Farbstoffmoleküle Energie in Form von Photonen. Die Farbstoffmoleküle werden dann angeregt und es findet eine Ladungstrennung an der Grenzfläche zwischen Titandioxid und Farbstoff statt. Elektronen werden in die benachbarten Metalloxidpartikel geschleudert und es bleiben "Löcher" auf dem Farbstoffmolekül zurück. Die injizierten Elektronen wandern durch die Metalloxidpartikel und erreichen die transparente leitfähige Elektrode. Wenn eine Last angeschlossen wird, bewegen sich die Elektronen durch den externen Stromkreis zur Gegenelektrode und werden schließlich durch das im Elektrolyten1 vorhandene Redoxpaar wieder mit ihren Gegenladungen vereint. Die nanostrukturierte Metalloxidschicht in DSSCs spielt eine entscheidende Rolle für die Gesamtleistung der Zelle, wobei die Materialwahl, die Verarbeitungsmethoden und die Art der Struktur alle Einflussfaktoren5-10 haben. Eine der wichtigsten Anforderungen an die Photoanode ist, dass sie eine extrem große Oberfläche haben muss. Dies wird durch die Abscheidung von Nanopartikelmaterialien, üblicherweise TiO21,11, erreicht. Dies wurde durch unzählige verschiedene Verfahren hergestellt, jedoch sind Nassbeschichtungstechniken wie Siebdruck und Doctor-Blading immer noch der beliebteste Ansatz9,12,13. 
Die Inkjet-Technologie ist ein potenzieller Herstellungsweg für farbstoffsensibilisierte Solarzellen. Es nutzt die Bewegung eines piezoelektrischen Kristalls, um eine bestimmte Menge Flüssigkeit durch eine Düse auf das gewünschte Substrat auszustoßen. Dieses Abscheidungsverfahren ermöglicht es, Material sehr genau, aber auch bei hoher Frequenz mit einer potenziell hohen Druckgeschwindigkeit oder Abscheiderate zu spritzen. Die Inkjet-Technologie reagiert empfindlich auf die Viskosität der verwendeten Tinte, was bisher ein Hindernis für die Entwicklung funktionaler Tinten darstellte. Jüngste Arbeiten zur Entwicklung von Lösungsmitteln, die für die Formulierung von Tinte geeignet sind, haben dazu beigetragen, dieses Problem zu lindern, und das Drucken von elektronischen Bauteilen mit 2D-Schichtmaterialien wie Graphen wurde demonstriert14. Es wurde festgestellt, dass die Viskosität solcher Nanopartikelsuspensionen von der Größe und Konzentration der Nanopartikel abhängt15. Hohe Konzentrationen von Nanopartikeln führen zu höheren Viskositäten, daher liegt die Partikelbeladung in der Regel bei etwa 10 Gew.-%, um Düsenverstopfungenzu vermeiden 16, es wurden jedoch höhere Konzentrationen erreicht17.
Zu den wichtigsten Vorteilen der Inkjet-Technologie gehören die berührungslose, additive Strukturierung und maskenlose18. Die beiden letztgenannten Attribute beruhen auf der Fähigkeit, viele Düsen zusammen auf einem oder mehreren Druckköpfen zu positionieren, wobei jede Düse separat von der Steuerungssoftware angesprochen werden kann. Dadurch können sehr schnell hochkomplexe, mehrschichtige Muster erstellt werden, während sich die Druckköpfe über das Substrat bewegen. Es ist keine Maskierung zwischen Materialien oder Schichten erforderlich, da die Position jedes Tintentropfens genau gesteuert wird, in einigen Systemen mit einer Genauigkeit von ~1,5 μm19. Einer der Hauptvorteile besteht darin, dass die Inkjet-Technologie ausgereift ist und in der zweiten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts eine bedeutende Entwicklung stattgefunden hat. Das Ergebnis ist, dass der Inkjet-Inkjet eine sehr skalierbare Technologie ist, mit Rolle-zu-Rolle-Systemen, die in der Lage sind, präzise mit Geschwindigkeiten von vielen Metern pro Sekunde auf flexible Substrate zu drucken. Traditionell wurde dies für die Großserienproduktion verwendet, z. B. für Zeitungen. Technologische Entwicklungen haben es jedoch ermöglicht, den Inkjet bei der Rolle-zu-Rolle-Produktion elektronischer Schaltungen unter Verwendung von nanopartikulären Silbertinten20 einzusetzen. Der Inkjet ist daher ein attraktives Verfahren für die potentielle Herstellung von farbstoffsensibilisierten Solarzellen im Digitaldruck.

<table><tbody><tr><td>Titandioxid</td><td>Sigma Aldrich</td><td>718467</td><td></td></tr><tr><td>deionisiertes Wasser&nbsp;</td><td></td><td></td><td>Zuführung aus einem Filter im Labor</td></tr><tr><td>Salzsäure, 2 M (2 N) &nbsp;</td><td>Fisher Scientific</td><td>J/4250/17</td><td></td></tr><tr><td>Dimethylformamid (DMF)</td><td>Fisher Scientific</td><td>D/3840/08</td><td></td></tr><tr><td>Ethanol</td><td>VWR Chemicals</td><td>20721.33</td><td></td></tr><tr><td>Dispergieradditiv&nbsp;</td><td>Air Products</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Entschäumungsmittel</td><td>Air Products</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Ethylenglykol</td><td>Fluka</td><td>107-21-1</td><td></td></tr><tr><td>Spritzenvorsatzfilter aus Polyvinylidenfluorid (PVDF)</td><td>VWR International</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Reinigungsmittel&nbsp;</td><td>Fisher Scientific</td><td>10335650</td><td></td></tr><tr><td>Fluordotiertes Zinnoxid (FTO) Glas, 8 & Omega;/sq</td><td>Pilkington</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Ruthenizer Farbstoff</td><td>Solaronix</td><td>21613</td><td></td></tr><tr><td>Vorgeschnitten 60 & Mikro; m dicke thermoplastische Dichtungsfolie&nbsp;</td><td>Solaronix</td><td>74301</td><td></td></tr><tr><td>50 mM Jod/Tri-Iodid-Elektrolyt&nbsp; in Acetonitril</td><td>Solaronix</td><td>31111</td><td></td></tr><tr><td>Platinbeschichtetes FTO-Glas&nbsp;</td><td>Solaronix</td><td>74201</td><td></td></tr><tr><td>Vac'n'Fill Spritze</td><td>Solaronix</td><td>65209</td><td></td></tr><tr><td>Polyimidband (6,35 mm)</td><td>Onecall Farnell</td><td>1676087</td><td></td></tr></tbody></table>

digitaldruck von titandioxid für farbstoffsensibilisierte solarzellen

Digital Printing of Titanium Dioxide for Dye Sensitized Solar Cells

Die Herstellung von Silizium-Solarzellen ist ein teurer und energieintensiver Prozess. Im Gegensatz dazu ist die Herstellung von Farbstoffsolarzellen weniger umweltschädlich, da niedrigere Verarbeitungstemperaturen eine praktikable und kostengünstige Alternative zur konventionellen Produktion darstellen. Dieses Papier verbessert diese Umweltverträglichkeit weiter, indem es den Digitaldruck und damit den additiven Produktionsweg für diese Zellen bewertet. Dies wird hier erreicht, indem die Bildung und Leistungsfähigkeit einer Metalloxid-Photoelektrode unter Verwendung von Titandioxid in Nanopartikelgröße untersucht wird. Es wurde ein tintenstrahlfähiges Material formuliert, charakterisiert und mit einem piezoelektrischen Tintenstrahlkopf gedruckt, um eine 2,6 μm dicke Schicht zu erzeugen. Die resultierende gedruckte Schicht wurde zu einer funktionierenden Zelle mit einer aktiven Fläche von 0,25 cm2 und einem Wirkungsgrad von 3,5 % verarbeitet. Die bindemittelfreie Formulierung führte zu einer reduzierten Verarbeitungstemperatur von 250 °C, die mit flexiblen Polyamidsubstraten kompatibel ist, die bis zu Temperaturen von 350 °C stabil sind. Die Autoren entwickeln diesen Prozessweg weiter, indem sie den Tintenstrahldruck anderer Schichten innerhalb farbstoffsensibilisierter Solarzellen untersuchen.

Eine TiO 2 Tinte wurde nach dem dargestellten Verfahren formuliert. Die Größe der Partikel in der Tinte suspendiert wurde unter Verwendung von dynamischer Lichtstreuung (DLS) und eine mittlere Teilchengröße von 80 Nanometern (nm) gemessen wurde beobachtet. Die Viskosität der Tinte in dieser Arbeit gefunden wurde 3 cP zu sein, mit einem Rotationsviskosimeter mit einem kleinen Probenadapter gemessen und eine 18 mm Spindeldurchmesser. Die Oberflächenspannung wurde gemessen, um einen Tensiometer verwendet und berechnet einen Durchschnitt von 26 mN / m zu sein. Die Oberflächenenergie des FTO-Glas wurde nach der europäischen Norm EN 828 berechnet für die Benetzbarkeit einer festen Oberfläche zu bestimmen durch Messung des Kontaktwinkels und freie Energie Oberfläche. Zehn Tropfen von drei verschiedenen Flüssigkeiten (Wasser, Ethylenglykol und Diiodmethan) wurden auf einer Ebene Teststückoberfläche verteilt. Für jeden Tropfen, wurden die linken und rechten Kontaktwinkel measured. Aus den gemittelten Kontaktwinkel von jeder Flüssigkeit mit seiner Oberflächenspannung kombiniert wird, wird die freie Oberflächenenergie des Teststücks berechnet. Die Fowkes Methode berechnet die Gesamtoberflächenenergie (γ) aus der Summe der Beiträge von dispersiven Wechselwirkungen (&amp; ggr; d) und γnon dispersiven Wechselwirkungen (&amp; gamma; p). Diese Methode führte zu einer freien Oberflächenenergie von 26,45 mN / m für die FTO-beschichtetes Glas. Das Drucken wurde durchgeführt nach dem Verfahren von über 5 mm Quadrate herzustellen. Die Dicke der Druckschicht auf dem Glas wurde unter Verwendung eines Oberflächenprofil gemessen. Die maximale Dicke in der Mitte der Druckschicht wurde gemessen 2,6 um betrug. Die Durchlässigkeit des beschichteten Glases wurde unter Verwendung eines UV-VIS-Spektrometer gemessen. Bei einer Wellenlänge von 700 nm, eine 60% ​​ige Durchlässigkeit wurde für die TiO 2 bedruckter Folie , gemessen im Vergleich zu 78% für die Glas FTO. <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page = &quot;1&quot;&gt; Photovoltaic Vorrichtungen wurden gemß dem Verfahren hergestellt outline oberhalb und unmittelbar nach der Herstellung dadurch die Wirkung der Abbau durch Wasser und Sauerstoff in der Luft verursacht werden, zu minimieren. Es gibt fünf elektrischen Leistungsparameter , die verwendet werden , um zu charakterisieren und zu Solarzellen 28 zu vergleichen. Die Werte der Kurzschlussstrom (I sc) und Leerlaufspannung (V oc) von der Strom-Spannungs (IV) Kurve ableiten. Diese können dann verwendet werden, um den Füllfaktor zu bestimmen (FF) und Leistungsumwandlungseffizienz (η). Das FF ergibt ein Verhältnis der Zellen tatsächliche maximale Leistungsabgabe an das Produkt der Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom 29. Dies ist ein Schlüsselparameter in der Leistung von Solarzellen zu bewerten. Eine hohe FF bedeutet geringe elektrochemische Verluste, während eine niedrige FF gibt es Raum für Verbesserungen. Mehrere Faktoren sind dafür bekannt, die FF einschließlich der Qualität und der Schnittstelle der Schichten innerhalb der Zelle zu beeinflussen. DSSCs enthält ein Iodid / Triiodid Redoxpaar mit einem Rekordwirkungsgrade von 11,9% Bericht Faktoren von 0,71 30 füllen. Unter Standard - Testbedingungen müssen alle diese Parameter festgelegt werden , wo die Gerätetemperatur 25 ° C, spektrale Bestrahlungsstärke Verteilung des Lichts eine Luftmasse von 1,5 hat, Gesamtbestrahlungsstärke gemessen (E m) an der Solarzelle 100 mW / cm 2. Theoretische Maximum für den Umwandlungswirkungsgrad für einen einzelnen pn - Übergang Zelle wurde als 37,7% 31, jedoch für DSSCs berichtet wurde vielfach berichtet , daß der maximale Wirkungsgrad näher an 15,1% mit einem Absorptionsbeginn bei 920 nm 32. Der Ausgangsstrom und Spannungen wurden unter Verwendung einer Quelle Meter gemessen , während die Zellen mit einem 100 mW / cm 2 Lichtquelle mit einem Filter ausgestattet beleuchtet wurden mit einer Luftmasse von 1,5 die spektrale Bestrahlungsstärke Verteilung anzupassen. Die Ergebnisse wurden im Vergleich zu einer Zelleunter Verwendung eines Streichblatt-TiO 2 -Schicht mit einer handelsüblichen Paste hergestellt , die eine Mischung aus Anatas - Teilchen 20 nm und 450 nm aufweist. Die gedruckte Schicht hatte eine Fläche von 0,25 cm 2 und eine durchschnittliche Dicke von 18 um , die eine Oberfläche Profiler gemessen werden. Ein Vergleich der photoelektrischen Leistung zwischen den beiden Geräten wird in Abbildung 1 und Tabelle 1 gezeigt. Mehrere Studien haben die Beziehung zwischen der Dicke der TiO 2 -Schicht und der Umwandlungswirkungsgrad innerhalb DSSCs sucht. Die Ergebnisse unterscheiden sich erheblich, mit einer optimalen Schichtdicke von überall berichtet zwischen 9,5 um und 20 um 33-39. Tabelle 1 beschreibt die Dicke der TiO 2 gedruckten Schichten und die Wirkungsgrade. Die Dicke des TiO Tintenstrahldruck 2 ist deutlich geringer als der Arzt beschaufelten TiO 2, wasin einem geringeren Wirkungsgrad. Zukünftige Arbeiten werden die Verwendung von organischen Bindemittel in der Tintenformulierung zu untersuchen, die Dicke der Tintenstrahldruckschicht zu erhöhen. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/53963/53963fig1.jpg" /> Abbildung 1. Leistungskurven von DSSCs mit Inkjet gedruckt und Doktor Bladed TiO 2 Schichten. Stromdichte / Spannungskurven für DSSCs eines Tintenstrahl enthält gedruckt TiO 2 -Schicht und einen Arzt Blatt-TiO2-Schicht. Der Kurzschlussstromdichte in dem Gerät mit dem Tintenstrahl - Druck TiO 2 -Schicht ist deutlich niedriger als das Gerät mit dem Arzt bladed TiO2-Schicht , was zu einer geringeren Gesamtwirkungsgrad. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53963/53963fig1large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53963/53963fig1large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <table><tbody><tr><tdrowspan = &quot;3&quot;&gt; </td><td> Kurzschlussspannung </td><td> Leerlaufspannung </td><td rowspan="3"> Füllfaktor </td><td> Wirksamkeit </td><td> Dicke </td></tr><tr><td> (mA / cm 2) </td><td> (MV) </td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td> (%) </td><td> (Um) </td></tr><tr><td> Inkjet gedruckt </td><td> 9.42 </td><td> 760 </td><td> 0,49 </td><td> 3.5 </td><td> 2.6 </td></tr><tr><td> Doktor bladed </td><td> 11 </td><td> 756 </td><td> 0,58 </td><td> 4.8 </td><td> 18 </td></tr></tbody></table> Tabelle 1. Key Performance Eigenschaften der Zellen in Abbildung 1. Diese Tabelle vergleicht die wichtigsten Parameter der Solarzelle einschließlich Leerlaufspannung (V oc), Kurzschlussstrom (I sc) , die die Effizienz (η) unter dem angegebenen Licht bestimmen Zustand präsentiert. Die Parameter oproduziert fa Zelle einen Arzt Blatt-TiO2-Schicht auch zum Vergleich eingeschlossen wurden , verwenden. Die Füllfaktoren (FF) beider Geräte sind recht niedrig, die im Allgemeinen auf einen hohen Innenwiderstand innerhalb der Zelle zugeschrieben wird.

Diese Arbeit untersucht die Eignung des Tintenstrahldrucks für die Herstellung von farbstoffsensibilisierten Solarzellen. Eine bindemittelfreie TiO2-Nanopartikel-Tinte wurde formuliert und auf ein FTO-Glassubstrat gedruckt. Die gedruckte Schicht wurde zu einer Zelle mit einer aktiven Fläche von 0,25 cm2 und einem Wirkungsgrad von 3,5 % verarbeitet.

Digitaldruck von Titandioxid für farbstoffsensibilisierte Solarzellen

Silicon solar cell manufacturing is an expensive and high energy consuming process. In contrast, dye sensitized solar cell production is less ...

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments besteht darin, Titandioxid-Tinten für aufgedruckte Schichten zu formulieren, zu charakterisieren und ihre Leistung zu messen. Es wurde außerdem die Eignung des Tintenstrahldrucks für die Herstellung von farbstoffsensibilisierten Solarzellen untersucht. Mit dem Tintenstrahldruck können eine Vielzahl funktionaler Materialien aus einem digitalen Bild abgesetzt werden.Der Hauptvorteil dieser Technik liegt in der Fähigkeit, Muster auf ein Substrat zu übertragen. Die Entwicklung von Tinten mit funktionellen Materialien ermöglicht die Konstruktion komplexer elektronischer Bauteile, wie beispielsweise farbstoffsensibilisierter Solarzellen, die mit dieser Methode hergestellt werden können. Mit dem Tintenstrahldruck lässt sich potenziell mehrere Materialschichten in einer einzigen Verfahrensoperation aufbringen, um ein vollständiges Bauelement herzustellen. Die visuelle Demonstration dieser Methode ist entscheidend, da die Druckfarbenrheologie und die Druckparameter die Qualität der gedruckten Strukturen stark beeinflussen können. Gemeinsam mit mir wird Iulia Salaoru die Verfahrensweise demonstrieren, eine Expertin auf dem Gebiet der additiven Fertigung. Um mit der Herstellung der Druckfarbe zu beginnen, geben Sie zunächst 32 Gramm einer 0,1 Millimolar wässrigen Lösung von Salzsäure zu acht Gramm eines geeigneten Lösungsmittels, wie beispielsweise Dimethylformamid.Fügen Sie anschließend 1,5 Gramm einer 45%igen wässrigen Lösung von Propylenglykol, Tetramethyl-5-Decyn-4,7-Diol und ethoxyliertem Alkohol als dispergierenden Zusatzstoff hinzu. Um das Austrocknen der Tinte in den Druckdüsen zu verhindern, geben Sie 10 Gramm Ethylenglycol als Feuchthaltemittel zu der Mischung. Fügen Sie danach 0,5 Gramm eines Entschäumungsmittels, einer 20%igen Lösung von acetylenischem Diol und Methoxypolyethylenglycol, hinzu, um die Bildung von Luftblasen zu verhindern.Testen Sie die Tinte anschließend, indem Sie eine Aliquotprobe 60 Sekunden lang in einem geschlossenen Behälter schütteln. Falls Schaum entsteht, geben Sie weitere 0,5 Gramm des Entschäumungsmittels zur Tinte hinzu. Nach dem Schütteltest rühren Sie die Tintenlösung acht Stunden lang bei Raumtemperatur mit einem Magnetrührer um, um eine gleichmäßige Durchmischung zu gewährleisten.Als Nächstes die Lösung zu 1,5 Gramm Titandioxid-Nanopartikeln hinzufügen. Die Formulierung der Tinte abschließen, indem sie 15 Minuten lang unter Verwendung einer Ultraschallsonde sonifiziert wird. Vor Beginn des Druckens die Glassubstrate 24 Stunden lang in einer zwei Gewichtsprozentigen Lösung von Reinigungsdetergens in entionisiertem Wasser einweichen.Entfernen Sie die Substrate und spülen Sie sie vor der Verwendung gründlich mit entionisiertem Wasser ab. Filtern Sie die Tinte vor dem Befüllen in die Druckpatrone und den Druckkopf zunächst durch einen Fünf-Mikrometer-Filter aus Polyvinylidenfluorid und anschließend durch einen 1,2-Mikrometer-Filter, um größere Partikel zu entfernen, die die Düsen verstopfen könnten. Spülen Sie den Druckkopf durch die seitlich angebrachte Öffnung mit Tinte, um eventuell im Reservoir oder in den Düsen verbliebene Luft oder Reinigungslösung zu verdrängen.Setzen Sie die Druckkopf in den Drucker ein und verbinden Sie ihn mit der Head-Personality-Platine. Füllen Sie danach die Tinte in die 150 Milliliter-Spritze, die sich oberhalb des Druckkopfs befindet, und verschließen Sie sie, indem Sie eine luftdichte Kappe auf das obere Ende der Spritze setzen. Danach laden Sie das Glas-Substrat gemäß den Anweisungen des Herstellers in den Drucker.Schalten Sie die angeschlossene Vakuumpumpe ein und spülen Sie die Tinte durch die Druckdüsen, indem Sie den an der Vakuumpumpe befindlichen Spülknopf drücken. Stellen Sie über die GIS-Software auf dem Drucker-Computer eine Verbindung zum Druckserver her und stellen Sie die Wellenform sowie die Druckparameter ein. Wählen Sie das gewünschte Muster aus, laden Sie es und drucken Sie es anschließend gemäß den Herstelleranweisungen auf das Glas-Substrat. Um den Prozess abzuschließen, entfernen Sie das Substrat und erhitzen Sie den bedruckten Film auf einer Heizplatte. Schneiden Sie mithilfe eines Diamantschneiders entlang des bedruckten Bereichs, um ein kleineres Stück mit einer Größe von etwa 20 Millimetern Kantenlänge zu erhalten. Um die Herstellung der farbstoffsensibilisierten Solarzelle zu beginnen, bereiten Sie eine Farbstofflösung vor, indem Sie 20 Milliliter Ethanol und zwei Milligramm Rutheniumfarbstoff acht Stunden lang in einem Glasbecher umrühren.Als Nächstes wird das mit Titandioxid beschichtete Glas für 24 Stunden bei Raumtemperatur in die Farbstofflösung getaucht, damit sich der Farbstoff an der Oberfläche der Titandioxidpartikel anreichern kann. Entfernen Sie das Glas aus der Lösung und legen Sie die beschichtete Seite nach oben auf ein Tissuepapier. Anschließend wird ein vorgeschnittener 60 µm dicker thermoplastischer Dichtungsabstandshalter auf das leitfähige Glas gelegt, und zwar so, dass er die Titandioxidbeschichtung umgibt.Platzieren Sie eine platinbeschichtete Gegenelektrode mit einem vorgebohrten Loch in der Mitte auf dem thermoplastischen Dichtungsabstandshalter, sodass beide aktiven Seiten aufeinanderzeigen und ein ausreichender Überlappungsbereich vorhanden ist, um den elektrischen Kontakt herzustellen. Erhitzen Sie die Zelle auf einer Heizplatte auf 110 Grad Celsius und üben Sie mit einer Pinzette für 30 Sekunden leichten Druck auf den Bereich des Dichtungsabstandshalters aus, um die Elektroden miteinander zu verbinden.Die vollständige Herstellung der Zelle erfolgt durch Injizieren eines 50 Millimolar Iodid-Triiodid-Elektrolyten in Acetonitril in das vorgebohrte Loch, um den Zwischenraum zwischen den beiden Elektroden zu füllen. Die durchschnittliche Größe der Titandioxid-Partikel der Tinte wurde mittels dynamischer Lichtstreuung gemessen. Es wurde eine durchschnittliche Partikelgröße von 80 Nanometern beobachtet, was deutlich unterhalb der geforderten Größe liegt – 100-fach kleiner als die Öffnung der Druckdüse mit 40 Mikrometern.Stromdichtekurven und Spannungskurven wurden für Tintenstrahl-gedruckte und kommerzielle, mit dem Arzneispatel beschichtete DSSCs unter identischen Beleuchtungsbedingungen erhalten. Die Stromdichte im Kurzschluss für die Tintenstrahl-gedruckte Zelle ist deutlich niedriger als die der mit dem Arzneispatel beschichteten Zelle, was auf einen geringeren Umwandlungswirkungsgrad hinweist. Die wichtigsten Parameter für Tintenstrahl-gedruckte und mit dem Arzneispatel beschichtete Zellen sind die Leerlaufspannung und die Kurzschlussstromdichte.Diese beiden Parameter wurden zur Berechnung der Zelleffizienz verwendet. Die Dicke der titandioxidhaltigen, mittels Tintenstrahldruck aufgebrachten Schicht, gemessen mit einem Oberflächenprofilierer, betrug 2,6 Mikrometer und lag damit deutlich unter der Dicke von 18 Mikrometer, die mit der Rakeltechnik erzielt wurde. Dies führt zu einer geringeren Effizienz der mittels Tintenstrahldruck hergestellten Zelle von 3,5 %. Der Füllfaktor war sowohl bei den mittels Tintenstrahldruck als auch bei den mittels Rakelverfahren hergestellten Zellen niedrig.Dies deutet auf einen hohen inneren Widerstand 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, digitale Drucktechniken verwendet, um eine Schicht aus Titandioxid-Nanopartikeln abzuscheiden, und angeregte Farbstoffsolarzellen herstellt. Laufende Arbeiten konzentrieren sich darauf, diese Ansätze weiterzuentwickeln, um die Leistung gedruckter Bauelemente zu verbessern, und darauf, wie verschiedene Materialien in zusätzliche gedruckte Schichten integriert werden können.

digital-printing-of-titanium-dioxide-for-dye-sensitized-solar-cells

Research

Forschung

JoVE Journal

Engineering

Ingenieurwesen

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Die Herstellung von Voll Lösung verarbeitet Anorganische Nanokristalline Photovoltaik-Anlagen

Verfahren zur voll bedruckbar, fullerenfreie, hochluftstabile, bulk-Heterojunction-Solarzellen auf Basis von Ti-Alkoxide als Elektronenakzeptor und dem elektronenschiebenden Polymerherstellung wird hier beschrieben. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Bestimmung der Morphologie der photoaktiven Schicht durch die molekulare Sperrigkeit der Ti-Alkoxid-Einheiten steuert berichtet.

Morphologie-Steuerung für Volldruck organisch-anorganische Masse-Heterosolarzellen Basierend auf einem Ti-Alkoxid und halbleitendes Polymer

Das übergeordnete Ziel dieses Projektes war es, das Elektrospinnen zu verwenden, um eine Photoanode mit verbesserter Leistung für farbstoffsensibilisierte Solarzellen herzustellen.

Elektrospinnen von photokatalytischen Elektroden für farbstoffsensibilisierte Solarzellen

Hier präsentieren wir Ihnen detaillierte Protokolle für Lösung verarbeitet Silber-Wismut-Jod (Ag-Bi-I) ternärer Halbleiter Dünnschichten auf TiO2hergestellt-beschichtet, transparenten Elektroden und ihre mögliche Anwendung als Luft-stabil und bleifrei Optoelektronische Geräte.

Lösung verarbeitet "Silber-Wismut-Jod" ternäre Dünnschichten für bleifrei-Photovoltaik-Absorber

Wir präsentieren ein Protokoll zur Verbesserung der Leistung der CO2-Photoreduktion auf CH4 durch Erhöhung der einfallenden Lichtintensität durch konzentrierte Solarenergietechnologie.

CO2 Photoreduction zu CH4 Performance Under Concentrating Solar Light

Eine farbsensibilisierte Solarzelle wurde von RTILs gelöst; Mit Hilfe optimierter empirischer Potenziale wurde eine molekulare Dynamiksimulation zur Berechnung von Schwingungseigenschaften eingesetzt. Die erhaltenen Schwingungsspektren wurden mit Experiment und ab initio molekularer Dynamik verglichen; verschiedene empirische Potentialspektren zeigen, wie sich die Partiellenladungsparametrierung der ionischen Flüssigkeit auf die Vorhersage von Schwingungsspektren auswirkt.

Vibrationsspektra einer N719-Chromophore/Titania Schnittstelle aus Empirisch-Potential-Molekulardynamik-Simulation, Solvated by a Room Temperature Ionic Liquid

Erfahren Sie die Herstellung von Titandioxid-Nanopartikel-Tinten und den Digitaldruck für farbstoffsensibilisierte Solarzellen. Diese Methode ermöglicht die Präzisionsabscheidung funktionaler Materialien für erneuerbare Energien.

Digitaldruck von Titandioxid für farbstoffsensibilisierte Solarzellen

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