מאמר שיטה

דפוס דיגיטלי של טיטניום דו-חמצני עבור לצבוע תאים סולריים רגישים

13K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/53963

⸱

4 במאי 2016

 ,  ,  , 
1Warwick Manufacturing Group, University of Warwick

במאמר זה

סיכום

מאמר זה חוקר את ההתאמה של הדפסת הזרקת דיו לייצור תאים סולאריים רגישים לצבע. דיו ננו-חלקיקים TiO2 נטול קלסר נוסח והודפס על מצע זכוכית FTO. השכבה המודפסת יוצרה לתא עם שטח פעיל של 0.25 ס"מ 2 ויעילות של 3.5%.

תקציר

ייצור תאים סולאריים מסיליקון הוא תהליך יקר וצורך אנרגיה גבוהה. לעומת זאת, ייצור תאים סולאריים רגישים לצבע מזיק פחות לסביבה עם טמפרטורות עיבוד נמוכות יותר המציגות אלטרנטיבה בת קיימא ובעלות נמוכה לייצור קונבנציונלי. מאמר זה משפר עוד יותר את האישורים הסביבתיים הללו על ידי הערכת ההדפסה הדיגיטלית ולכן מסלול הייצור התוסף עבור תאים אלה. זה מושג כאן על ידי חקירת היווצרות וביצועים של פוטואלקטרודה של תחמוצת מתכת באמצעות טיטניום דו חמצני בגודל ננו-חלקיקים. גובש, אופיין והודפס חומר הזרקת דיו עם ראש הזרקת דיו פיזואלקטרי ליצירת שכבה בעובי 2.6 מיקרומטר. השכבה המודפסת שהתקבלה יוצרה לתא מתפקד עם שטח פעיל של 0.25ס"מ 2 ויעילות המרת הספק של 3.5%. הפורמולה נטולת הקלסר הביאה לטמפרטורת עיבוד מופחתת של 250 מעלות צלזיוס, התואמת למצעי פוליאמיד גמישים היציבים עד לטמפרטורות של 350 מעלות צלזיוס. המחברים ממשיכים לפתח מסלול תהליך זה על ידי חקירת הדפסת הזרקת דיו של שכבות אחרות בתוך תאים סולאריים רגישים לצבע.

מבוא

תאים סולאריים קונבנציונליים מסיליקון עשויים מחומרים טהורים ביותר הדורשים ציוד מומחה יקר וצורך אנרגיה גבוהה. תאי סיליקון קונבנציונליים אלה משלבים צומת pn הדורש חומרים טהורים ביותר בממשק כדי ליצור זוגות אלקטרונים-חורים. לתאים סולאריים רגישים לצבע (DSSCs) יש עקרון עבודה שונה מהותית, שבו ייצור המטען מתרחש בממשק החומרים. המשמעות היא שעיבוד בוואקום, טמפרטורות גבוהות במיוחד או שימוש במתקני חדרים נקיים אינם נדרשים1. לכן הם נתפסים כאלטרנטיבה בעלות נמוכה פוטנציאלית; עם זאת, העלאת קנה המידה מתאי בדיקה מעבדתיים קטנים לאבות טיפוס גדולים לייצור תעשייתי כרוכה בהתגברות על מספר בעיות, כולל דפוס מהיר של מצעים.

ייצור אלקטרוניקה דורש בדרך כלל מידה מסוימת של דפוס, המושגת על ידי מיסוך או הסרה סלקטיבית של החומר לאחר השקיעה. ניתן להסיר שלבים אלה באמצעות שימוש בטכניקות הדפסה דיגיטליות "תוספות" כגון הדפסת הזרקת דיו או ציפוי ריסוס. הדפסה דיגיטלית היא שיטה מבטיחה לתצהיר ישיר של חומרים פונקציונליים למכשירים אלקטרוניים. ניתן לתאר את הטכניקה כהדפסה מתבנית מבוססת דיגיטלית ישירות למגוון מצעים2. מדובר בשיטות ללא מגע, אשר לא יפגעו או יזהמו את משטח המצע וחומר ההפקדה רק היכן שהוא נדרש, וכתוצאה מכך בזבוז מועט או ללא בזבוז3. טכניקות אלה הודגשו כמתאימות באופן אידיאלי להרחבה לייצור בנפח גבוה3. מכיוון ששיטות הדפסה דיגיטליות משתמשות בצורות נוזליות של חומרים המפוזרים בממס, חשוב להבין את שקיעת הדיו כדי לקבוע את יישומי הטכניקה.

ל-DSSCs

DSSCs יש שלושה מרכיבים עיקריים: שכבה נקבובית של חומר תחמוצת מתכת עם מרווח פס רחב, צבע המכסה את החלקיקים ו"מוביל מטען" החודר לנקבוביות בתוך השכבה הנקבובית של מוליכים למחצה. אלה דחוסים בין אלקטרודה מוליכה שקופה לאלקטרודה נגדית4. האלקטרודה הנגדית מצופה בחומר קטליטי להעברת אלקטרונים, שברוב המקרים הוא פלטינה. תחת תאורה, מולקולות הצבע יספגו אנרגיה בצורה של פוטונים. לאחר מכן מולקולות הצבע מתרגשות והפרדת המטען מתרחשת בממשק של הטיטניום הדו-חמצני והצבע. אלקטרונים נפלטים לחלקיקי תחמוצת המתכת הסמוכים ו'חורים' נותרים מאחור על מולקולת הצבע. האלקטרונים המוזרקים עוברים דרך חלקיקי תחמוצת המתכת ומגיעים לאלקטרודה המוליכה השקופה. כאשר עומס מחובר, האלקטרונים עוברים לאלקטרודה הנגדית דרך המעגל החיצוני ולבסוף מתאחדים עם המטענים הנגדיים שלהם דרך זוג החיזור הקיים באלקטרוליט1. שכבת תחמוצת המתכת הננו-מובנית בתוך DSSCs ממלאת תפקיד קריטי בביצועים הכוללים של התא, כאשר לבחירת החומרים, שיטות העיבוד ואופי המבנה יש גורמים משפיעים5-10. אחת הדרישות החשובות ביותר עבור הפוטואנודה היא שהיא צריכה להיות בעלת שטח פנים גדול במיוחד. זה מושג באמצעות שקיעה של חומרים ננו-חלקיקים, בדרך כלל TiO21,11. זה נוצר על ידי אינספור תהליכים שונים, אולם טכניקות ציפוי רטוב כגון הדפסת רשת ולהב רופא, הן עדיין הגישה הפופולרית ביותר9,12,13.

טכנולוגיית הזרקת דיו היא נתיב ייצור פוטנציאלי לתאים סולאריים רגישים לצבע. הוא משתמש בתנועה של גביש פיזואלקטרי כדי להוציא כמות קבועה של נוזל דרך זרבובית אל המצע הרצוי. שיטת תצהיר זו מאפשרת להזריק חומר בצורה מדויקת מאוד אך גם בתדירות גבוהה עם מהירות הדפסה או קצב שקיעה גבוהים פוטנציאליים. טכנולוגיית הזרקת דיו רגישה לצמיגות הדיו המשמש וזה היה בעבר מחסום לפיתוח דיו פונקציונלי. עבודה אחרונה בפיתוח ממיסים המתאימים לניסוח דיו סייעה להקל על בעיה זו, והוכחה הדפסת רכיבים אלקטרוניים באמצעות חומרים דו-ממדיים שכבתיים כגון גרפן14. נמצא כי הצמיגות של תרחיפי ננו-חלקיקים כגון אלה תלויה בגודל ובריכוז הננו-חלקיקים15. ריכוזים גבוהים של ננו-חלקיקים מביאים לצמיגות גבוהה יותר, ולכן עומסי החלקיקים הם בדרך כלל בסביבות 10% משקל כדי למנוע חסימות זרבובית16, אולם ריכוזים גבוהים יותר הושגו17.

היתרונות העיקריים של טכנולוגיית הזרקת דיו כוללים היותה ללא מגע, דפוס תוסף וללא מסכה18. שתי התכונות האחרונות נובעות מהיכולת למקם חרירים רבים יחד על ראש הדפסה אחד או יותר, כאשר כל זרבובית ניתנת להתייחסות בנפרד על ידי תוכנת הבקרה. הדבר מאפשר ליצור תבניות מורכבות ורב-שכבתיות במהירות רבה כאשר ראשי ההדפסה נעים על פני המצע. אין צורך במיסוך בין חומרים או שכבות מכיוון שהמיקום של כל טיפת דיו נשלט במדויק, במערכות מסוימות לדיוק של ~1.5 מיקרומטר19. אחד היתרונות המרכזיים הוא שטכנולוגיית הזרקת הדיו בשלה, עם פיתוח משמעותי שבוצע במחצית השנייה של המאה העשרים. התוצאה היא שהזרקת דיו היא טכנולוגיה ניתנת להרחבה מאוד, עם מערכות גליל לגליל המסוגלות להדפיס במדויק על מצעים גמישים בקצב של מטרים רבים לשנייה. באופן מסורתי זה שימש לייצור בנפח גדול, למשל עיתונים. עם זאת, התפתחויות בטכנולוגיה אפשרו להשתמש בהזרקת דיו בייצור גליל לגליל של מעגלים אלקטרוניים באמצעות דיו כסף ננו-חלקיקים20. לכן הזרקת הדיו היא תהליך אטרקטיבי לייצור פוטנציאלי של תאים סולאריים רגישים לצבע על ידי הדפסה דיגיטלית.

פרוטוקול

1. גיבוש דיו

הערה: ניסוחים דיו לעתים קרובות נשמרים סוד שמור ביותר על ידי היצרנים. טיסות הללו איזון ניסוחים מוצלחים, ושחרר היווצרות, הרטבה והתנהגות ייבוש לצד ביצוע תפקודי. בדרך כלל חומר פונקציונלי מתפזר בתוך ממס ולפחות רכיב אחר אחד כדי לגרום להם jettable. סעיף זה מפרט את הפיתוח של דיו 2 Tio לשימוש בתוך דיו להדפסה. תצווה קטן של דיו הוכן בשיטה הבאה.

זהירות: דיו הכנה צריכה להתבצע באזור פרקו כראוי, למשל, מתחת למכסה המנוע קטר, תוך לובש משקפי מגן עיניים וכפפות לטקס.

  1. כן בתמיסה מימית 0.1 מ"מ של חומצה הידרוכלורית (HCl) לייצר pH של כ 4.
  2. להוסיף 32 גרם של פתרון החומצה עד 8 גרם של חומר ממס תואם נקודת רתיחה גבוהה מתח פנים נמוך יותר מאשר מים (כגון dimethylformamide (DMF)). תוספת של שיתוף solvפעולות אף אוזן גרון כסוכן ייבוש להשפיע על זרימה מחזורית בתוך האגל דיו כפי מתאדה דיו, המוביל בהנפקה אחידה של חלקיקים על פני השטח של רביב 21.
  3. הוסף 1.5 גרם של פיזור כתוסף (פתרון פעיל 45% של פרופילן גליקול ו tetramethyl-5-decyne-4,7-דיאול במים).
  4. הוסף 10 גר 'אתילן גליקול, כמו humectant כדי למנוע התייבשות על החרירים.
  5. הוסף 0.5 גרם של סוכן defoaming (פתרון פעיל 20% של דיאול acetylenic ב methoxypolyethyleneglycol) אל דיו כדי למנוע בועות אוויר מלפתח.
  6. בצע בדיקה שייק פשוט על ידי לקיחת aliquot של דיו לתוך מיכל סגור ולנער ביד במשך 60 שניות. אם כל קצף הוא ציין אז להוסיף עוד 0.5 גרם של לחלוקה וקצף לכיבוי סוכן הדיו.
  7. מערבבים את הפתרון עבור 8 שעות באמצעות בר בחישה מגנטית על מנת להבטיח אחידות ב RT.
  8. הוסף 1.5 גרם של תחמוצת טיטניום (Tio 2) חלקיקים עם גודל חלקיקים עיקרי של 21 ננומטר שטח פנים של35 - 65 מ '2 / g.
  9. Sonicate את התערובת באמצעות בדיקה קולי במשך 15 דקות בתדר של 60 הרץ.
  10. מדוד את גודל החלקיקים, באמצעות טכניקת מדידה מתאימה כגון פיזור אור דינאמי (DLS) על פי הפרוטוקול של היצרן, על מנת להבטיח כי הם יזרמו בקלות דרך פתחי הנחיר. לבצע מדידות בתנאים זהים (למשל., באותו ממס, pH, ריכוז של פיזור) לשמש הדיו כמו כל רכיב עשוי להשפיע על היווצרות של agglomerates בתוך הדיו. עבור טיסות הללו מוצלחים, החלקיקים בתוך הנוזל צריכים להיות 100 פעמים יותר מאשר פתיחת הנחיר.
  11. מדוד את הצמיגות של הדיו, באמצעות טכניקת מדידה מתאימה כגון viscometer סיבוב על פי הפרוטוקול של היצרן, על מנת להבטיח טיסות הללו אמינים מראש ההדפסה כמו דיו להדפסה דורשת דיו צמיגות נמוך של בין 2 ל 20 centipoise (CP). להגדיל את הצמיגות דרך additiעל חומרים פולימריים או חומרים מבוססי תאית; אולם אלה צורך להסירו לאחר בתצהיר כדי לפנות אתרים לצבוע בתוך הסרט מודפס 22.
  12. מדוד את מתח הפנים של הדיו, באמצעות טכניקת מדידה מתאימה כגון tensiometer על פי הפרוטוקול של היצרן, על מנת להבטיח טיסות הללו אמינים. הנחיות ניסוח נוזל jettable למדפסות הזרקה דיו להציע מתח פנים בין 28 ו -33 MN / m כדי לאפשר הדפסה אמינה.

2. הדפסת הזרקת דיו

  1. לפני ההדפסה, יש להשרות את מצעי הזכוכית בתמיסת 2% WT של ניקוי חומרי ניקוי (תערובת של סוכנים פעילים anionic ואת המשטח שאינו יוני, ייצוב סוכנים, אלקליות, בוני ניקוי שאינו פוספט וסוכני sequestering, בבסיס מימי) ב מים ללא יונים. יש לשטוף את הכוס ביסודיות עם מים ללא יונים ברגע שהם מוסרים מפתרון ניקוי כדי להסיר עקבות של זיהום וניקוי חומר ניקוי.
  2. מדוד את האנרגיה פני השטח של המצע, באמצעות טכניקת מדידה מתאימה כגון tensiometer על פי הפרוטוקול של היצרן. לקבלת הידבקות טובה, האנרגיה פני השטח של המצע אינו צריך לעלות על מתח הפנים של הנוזל על ידי יותר מ 10 - 15 MN / m. שנה את האנרגיה פני השטח של המצע באמצעות שיטות כגון קורונה טיפול 23, טיפול פלזמה 24 ותחריט כימי 25 אם זה לא מתאים.
  3. טען את המצע לתוך המדפסת על פי הפרוטוקול של היצרן.
  4. שטוף את ראש ההדפסה עם הדיו דרך הנמל הממוקם בצד של הראש כדי לתפוס כל פתרון אוויר או ניקוי בתוך המאגר החרירים.
  5. הכנס את ראש ההדפסה במדפסת. חבר את ראש ההדפסה עם לוח אישיויות הראש.
  6. סנן את דיו דרך מסנן הגודל הנכון רק לפני הטעינה לתוך המחסנית כדי להסיר אגרגטים חלקיקים גדולים שיכול ולסתום את החרירים. הראש ההדפסה המשמשת בעבודה זו יש חרירים בקוטר של 40 מיקרומטר (למשל, Konica KM512.); ולכן די לא יכיל חלקיקים בקוטר יותר מ -400 ננומטר. Pass השעיות באמצעות 5 מיקרומטר, ואחריו מסנן 1.2 מיקרומטר polyvinylidene פלואוריד (PVDF) כדי להסיר כל חלקיקים גדולים.
  7. טען את הדיו לתוך מזרק 150 מיליליטר הממוקם מעל ראש ההדפסה, המספק את הדיו בראש ההדפסה. צרף את המכסה האטום על גבי המזרק ולהדליק את משאבת הוואקום.
  8. טהר את הדיו דרך החרירים על ידי לחיצה על כפתור 'טיהור' ממוקם על משאבת ואקום.
  9. באמצעות מערכת מידע גיאוגרפי שרת הדפסה (GIS), הגדרת הפרמטרים waveform והדפסה. ראוי לציין, כי המדפסת יכולה להדפיס עד למהירות של 1.5 מטרים לשנייה, אולם עבור דיו זה מהירות הדפסה של 0.3 מטרים לשנייה כבר נמצאה לספק ציפוי אופטימלי
  10. המשתמש לפתוח GIS תוכנת ממשק לטעון את התבנית הרצויה.
  11. יחסי ציבורint מהמחסנית הטעונה על פי הפרוטוקול של היצרן.
  12. הסר את המצע מן platen ומחמם סרטים מודפסים ב -150 ºC למשך 30 דקות, ואחריו 250 ºC למשך 30 דקות נוספות או על פלטה חשמלית או בתנור.

3. ניתוח של סרטי המודפסים

  1. שימוש במיקרוסקופ אופטי או מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) להסתכל על פני השטח של סרטים מודפסים בהגדלה נמוכה (100X) לנתח את המורפולוגיה פני השטח בהגדלה גדולה (35,000X) לנתח את נקבוביות של סרטים מודפסים. בדוק שהתמונות להראות כיסוי אחיד ללא סדקים נקבוביים טוב. מידע מפורט יותר על מבצע SEM ניתן למצוא את הפניות הבאות 26,27.
  2. מדוד את עובי השכבה המודפס, באמצעות טכניקת מדידה מתאימה כגון מאבחן שטח על פי הפרוטוקול של היצרן. העובי הנקבובי של שנינות שכבת 2 TioDSSCs הין להשפיע על כמות צבע שיכול להיספג על פני השטח של החלקיקים, ולפיכך להשפיע על יעילות המרת חשמל הכוללת של התא 18. לכן פרמטר חשוב להעריך. השתמש מאבחן פני שטח (דיוק של 1 ננומטר) כדי למדוד את העובי של הסרטים המודפסים.
  3. מדוד את ההעברה של הסרט, באמצעות טכניקת מדידה מתאימה כגון ספקטרופוטומטר אולטרה סגול-גלוי (UV-VIS) כדי לקבוע כמה אור הנראה ישדר דרך הסרט המודפס. השתמש הפרוטוקול של היצרן.

4. הפיכת התא

  1. בצע פתרון לצבוע ידי ערבוב 20 מ"ל של אתנול ו -2 מ"ג של צבע רותניום בכוס זכוכית באמצעות בוחש מגנטי עבור 8 שעות.
  2. להטביע את זכוכית Tio 2 מצופה בתמיסה ב RT (20 עד 25 מעלות צלזיוס) במשך 24 שעות כדי לאפשר לצבוע לספוג על פני השטח של חלקיקי 2 Tio.
  3. הסר את 2 Tio מצופית מהפתרון והמקום על נייר טישו כדי לספוג כל פתרון עודף צבע (עם Tio 2 כלפי מעלה, כדי למנוע זיהום).
  4. מניח את 60 מראש לחתוך מיקרומטר spacer איטום תרמופלסטיים העבה על גבי הזכוכית המוליכה, סביב ציפוי 2 Tio.
  5. מניח את האלקטרודה דלפק מצופה פלטינה על גבי 60 מראש לחתוך מיקרומטר spacer איטום תרמופלסטיים העבה כדי שהצדדים הפעילים של האנודה ואת הקתודה הם פונים זה לזה. לאפשר מספיק חפיפה בין שתי פיסות זכוכית כך כי מגע חשמלי יכול להתבצע עם זכוכית המוליך. זה צריך חור שנקדח מראש במרכז לאפשר למילוי אלקטרוליט מאוחר יותר.
  6. מחממים על פלטה חשמלית לטמפרטורה של 110 C ו- להפעיל לחץ קל באמצעות פינצטה מעל האזור של spacer האיטום. לאחר 30 שניות האלקטרודות צריכים להיות אטומים יחד.
  7. למלא את הפער בין שתי אלקטרודות עם אלקטרו יודיד / תלת-יודידLyte ב אצטוניטריל בריכוז של 50 מ"מ, על ידי הזרקת דרך החור שנקדחו מראש בכוס פלטינה מצופה באמצעות מזרק.

תוצאות

דיו 2 Tio גובש על פי ההליך המתואר. הגודל של חלקיקים המרחפים בתוך הדיו נמדד באמצעות פיזור אור דינאמי (DLS) ואת גודל חלקיקים ממוצע של 80 ננומטר (ננומטר) נצפה. הצמיגות של הדיו בעבודה זו נמצא כי 3 CP, נמדד באמצעות viscometer הסיבוב עם מתאם מדגם קטן בקוטר ציר 18 מ"מ. מתח פנים נמדד באמצעות tensiometer ו חושב להיות ממוצע של 26 MN / m.

האנרגיה פני זכוכית FTO חושבה על פי התקן האירופי EN 828 לקביעת יכולת רטיבות משטח מוצק על ידי מדידת זווית המגע ואנרגיה חינם שטח. עשר טיפות של שלושה נוזלים שונים (מים, אתילן גליקול ו diiodomethane) הושבתו על משטח חתיכת מבחן מטוס. עבור כל ירידה, זווית המגע שמאל וימין היו measur ed. מתוך קשר עם הזוויות הממוצעות של כל נוזל בשילוב עם מתח הפנים שלה, משטח האנרגיה החופשית של חתיכת המבחן מחושבת. שיטת Fowkes מחשבת את אנרגית פנים הכוללת (γ) מסכום התרומות מאינטראקציות נפיצות (γd) ואינטראקציות נפיצות-γnon (γp). שיטה זו הביאה אנרגיה חופשית השטח של 26.45 MN / m עבור זכוכית מצופה FTO.

ההדפסה בוצעה על פי הנוהל לעיל כדי לייצר 5 ריבועים מ"מ. עובי ההשכבה מודפסת על הזכוכית נמדד באמצעות מאבחן פני שטח. העובי המרבי במרכז השכבה המודפסת נמדד להיות 2.6 מיקרומטר. ההעברה של הזכוכית המצופית נמדדה באמצעות ספקטרומטר UV-VIS. באורך גל של 700 ננומטר, העברת 60% נמדדה עבור מודפס סרט 2 Tio לעומת 78% עבור זכוכית FTO.

-page = "1"> מכשירים פוטו יוצרו בהתאם למתווה ההליך הנ"ל ומאופיינת ישירות לאחר ייצור כדי למזער את ההשפעה של השפלה הנגרמת על ידי מים וחמצן באוויר. ישנם חמישה פרמטרי ביצועים חשמליים המשמשים לאפיין ולהשוות תאים סולריים 28. הערכים של זרם קצר (אני SC) ואת מתח מעגל פתוח (OC V) יכולים להיגזר המתח הנוכחי (IV) עקומה. אלה לאחר מכן ניתן להשתמש כדי לקבוע את הגורם מילוי (FF) ויעילות המרה כוח (η). FF נותן יחס של תאי פלט כוח מרבי בפועל על המוצר של מתח המעגל הפתוח לקצר נוכחי 29. זהו פרמטר מרכזי בהערכת הביצועים של תאים סולריים. פרנקים צרפתים גבוהים פירושו פסדים אלקטרוכימיים נמוכים, ואילו FF נמוך מצביע יש מקום לשיפור. מספר גורמים ידועים להשפיע על FF כולל איכות וממשק של שכבות בתוך התא. DSגיל שילוב זוג רדוקס יודיד / triiodide עם יעילות שיא של דו"ח 11.9% למלא גורמי 0.71 30. כל הפרמטרים האלה צריכים להיקבע בתנאי מבחן סטנדרטיים שבו הטמפרטורה המכשירה 25 C, הפצת irradiance הרפאים של האור יש מסת אוויר של 1.5, נמדד irradiance הכולל (מ E) על התאים הסולריים הוא 100 mW / cm 2. המרבית תיאורטית עבור יעילות ההמרה עבור תא צומת pn אחת דווחה בהרחבה כמו 37.7% 31, אולם עבור DSSCs זה דווח כי היעילות מקסימלית קרובה 15.1% עם תחילת קליטה 920 32 ננומטר.

זרם הפלט והמתחים נמדדו באמצעות מד מקור תוך התאים היו מוארים עם מקור אור 2 100 mW / cm מצויד במסנן כדי להתאים את חלוקת irradiance ספקטרלי עם מסת אוויר של 1.5. התוצאות הושוו לתאהופק באמצעות שכבת רופא הלהב Tio 2 באמצעות משחה זמינה מסחרי אשר יש תערובת של חלקיקי anatase 20 ננומטר ו -450 ננומטר. השכבה המודפסת הייתה שטח של 0.25 סנטימטר 2 ו עובי ממוצע של 18 מיקרומטר אשר נמדד באמצעות מאבחן פני שטח. מהשוואת הביצועים הפוטואלקטרי בין שני המכשירים מוצגת באיור 1 ולוח 1.

מספר מחקרים שבחנו את הקשר בין עובי שכבת Tio 2 ואת יעילות ההמרה בתוך DSSCs. התוצאות להשתנות באופן משמעותי, עם עובי סרט אופטימלית דיווח מכל מקום בין 9.5 מיקרומטר ו 20 מיקרומטר 33-39. טבלת 1 מתאר את העוביים של שכבות המודפסות 2 Tio ואת היעילות. העובי של דיו מודפס Tio 2 הוא פחות משמעותי מאשר הרופא להב 2 Tio, וכתוצאה מכךבתוך יעילות נמוכה. עבודה עתידית לחקור את השימוש קלסרים אורגני בתוך ניסוח הדיו כדי להגדיל את עובי שכבת הראש מודפס.

figure-results-1
Curves ביצועים איור 1. DSSCs עם ראש מודפס ודוקטור להב Tio 2 שכבות. עקומות נוכחי צפיפות / מתח עבור DSSCs שילוב דיו מודפס שכבת Tio 2 ושכבה 2 הרופא להב טיו. הצפיפות הנוכחית לקצר במכשיר עם הדיו מודפס Tio 2 שכבה נמוכה משמעותי מאשר המכשיר עם רופא שכבת Tio 2 להב וכתוצאה מכך יעילת המרה כוללת נמוכה יותר. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

זרם קצר מתח מעגל פתוח מלאו גורם יְעִילוּת עוֹבִי
(mA / 2 ס"מ) (MV)
(%) (מיקרומטר)
ראש מודפס 9.42 760 0.49 3.5 2.6
דוקטור להב 11 756 0.58 4.8 18

טבלת 1. מאפייני ביצועים מרכזיים של התאים באיור 1. טבלה זו משווה את הפרמטרים העיקריים של התאים הסולריים כוללים מתח מעגל פתוח (OC V), ומזרם קצר (אני SC) הקובעים את היעילות (η) תחת האור שצוין מצב מוצג. הפרמטרים oתא fa הופק באמצעות שכבת Tio 2 רופא להב יש גם נכלל להשוואה. הגורמים המילוי (FF) של שני המכשירים מופעלים נמוכים למדי אשר מיוחס באופן כללי על התנגדות פנימית גבוהה בתוך התא.

דיון

אתגר מיוחד בעת ניסוח דיו הוא הנטייה הטבעית של ננו-חלקיקים להתקבץ יחד. אלה ידועים כאגרגטים או אגרגטים, בהתאם לאופי וחוזק הקשרים בין החלקיקים. האנרגיה של ערבוב חלקיקים למים או לקלסר אינה גדולה מספיק כדי להתגבר על כוחות המשיכה של החלקיקים המונעים את פירוק הצברים. כרסום כדורים, ערבוב גזירה גבוהה או אולטרסאונד משמשים בדרך כלל לפירוק ננו-חלקיקים מצטברים. ניתן להשתמש גם בחומרים פעילי שטח ופולימרים אניוניים, לא יוניים וקטיוניים שונים כדי לספק ייצוב לטווח ארוך. על ידי מזעור מספר הצברים הללו, ניתן להשיג מתלה באיכות טובה. יש לסנן את הנוזלים דרך המסנן בגודל הנכון ממש לפני הטעינה למחסנית כדי להסיר אגרגטים של חלקיקים גדולים שעלולים לסתום את החרירים.

גודל החלקיקים בתוך שכבת TiO2 הוכח גם כמשפיע על היעילות הכוללת של DSSCs. הפעילות הפוטו-קטליטית של טיטניום דו חמצני גדלה ככל שגודל החלקיקים פוחת עקב עלייה בשטח הפנים הספציפי40. מחקר שהשווה את היעילות של DSSCs המשלבים ננו-חלקיקי TiO2 עם 5 גדלים שונים הנעים בין 400 ננומטר ל-14 ננומטר ומצא כי אלה עם גדלי חלקיקים קטנים יותר הביאו ליעילות המרה חשמלית טובה יותר33.

הדפסת הזרקת דיו היא טכניקת תצהיר ללא מגע המסוגלת להדפיס מרובה מעברים. זה מציג את ההזדמנות הייחודית לייצר במהירות מכשירים רב-שכבתיים בפעולה אחת על מגוון רחב של מצעים עם בזבוז חומרים מינימלי. זה גם מספק דרך פוטנציאלית לשלב רכיבים אחרים (כגון סוללות) במערכת באמצעות הדפסת חומרים פונקציונליים41. למרות שהתוצאות המייצגות המוצגות עבור המכשירים המודפסים בהזרקת דיו אינן מתפקדות כמו המכשירים עם להבי רופא, זה מדגים את הפוטנציאל לטכניקת התצהיר. עם אופטימיזציה נוספת של דיו, הוא יכול לבצע ברמה דומה לשיטות המשמשות כיום ועשוי לספק מרחב נוסף לשילוב חסכוני וידידותי לסביבה של תאים פוטו-וולטאיים על מגוון רחב של מצעים. אנו מקווים לשפר את היעילות של המכשירים המודפסים בהזרקת דיו על ידי הגדלת עובי השכבה המודפסת קרוב יותר לזה של ה-TiO2 עם להב הרופא ונמשיך לבחון את ההדפסה של חומרים ושכבות אחרות בתוך DSSCs.

גילויים

החוקרים אין לי מה לחשוף.

תודות

מחקר זה מתבצע בתודה בתמיכת הנדסה המדעים הפיזיקליים המועצה למחקר (EPSRC) במימון באמצעות מענק דוקטורט. גישה להרחיב בעיבוד חיובי מאמר (נגמ"שים) מומנו על ידי מחקר המועצות בבריטניה (RCUK). כל הנתונים מסופק במלואו בסעיף התוצאות של נייר. נציג התוצאות פורסמו בעבר על ידי המחברים 42.

ברצוננו להודות לד"ר Senthilarasu Sundaram מאוניברסיטת אקסטר על עזרתו באפיון הביצועים החשמליים של התאים.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
טיטניום דו-חמצניSigma Aldrich718467
מים נטולי יונים מסופק מפילטר במעבדה
חומצה הידרוכלורית, 2 M (2 N) פישר סיינטיפיקJ/4250/17
דימתילפורממיד (DMF)פישר סיינטיפיקD/3840/08
אתנולVWR כימיקלים20721.33
תוסף פיזור סוכן
אוויר
אתילן גליקולפלוקה107-21-1
מסנן מזרק פוליווינילידן פלואוריד (PVDF)חומר ניקוי בינלאומי VWR
 Fisher Scientific10335650
זכוכית תחמוצת פח מסוממת פלואור (FTO), 8 Ω/sqPilkington
RuthenizerSolaronix21613
חתוך מראש 60 µ סרט איטום תרמופלסטי בעובי M סולרוניקס74301
50 מ"מ אלקטרוליט יודיד/תלת יודיד  באצטוניטרילSolaronix31111
זכוכית FTO מצופה פלטינה Solaronix74201
מזרק Vac'n'Fillסרט פולימיד Solaronix65209
(6.35 מ"מ)Onecall Farnell1676087
הסרת קצף מוצרי אוויר מוצרי חומר ניקוי בינלאומי צבע

מקורות

  1. Docampo, P., et al. Lessons Learned: From Dye-Sensitized Solar Cells to All-Solid-State Hybrid Devices. Adv. Mater. 26, 4013-4030 (2014).
  2. Hudd, A. The Chemistry of Inkjet Inks. Magdassi, S. , 3-18 (2009).
  3. Krebs, F. C. Fabrication and processing of polymer solar cells: A review of printing and coating. Sol. Energ. Mat. Sol. Cells. 93, 394-412 (2009).
  4. Reddy, P. J. Solar Power Generation: Technology, New Concepts & Policy. , Taylor & Francis. (2012).
  5. Gemeiner, P., Mikula, M. Acta. Chem. Slov. 6, 29(2013).
  6. Xue, Z., Jiang, C., Wang, L., Liu, W., Liu, B. Fabrication of Flexible Plastic Solid-State Dye-Sensitized Solar Cells Using Low Temperature Techniques. J. Phys. Chem. C. 118, 16352-16357 (2014).
  7. Oh, Y., Yoon, H. G., Lee, S. -N., Kim, H. -K., Kim, J. Inkjet-Printing of TiO2 Co-Solvent Ink: From Uniform Ink-Droplet to TiO2 Photoelectrode for Dye-Sensitized Solar Cells. J. Electrochem. Soc. 159, 34-38 (2011).
  8. Lin, L. -Y., et al. Low-temperature flexible Ti/TiO2 photoanode for dye-sensitized solar cells with binder-free TiO2 paste. Prog. Photovolt. Res. Appl. 20, 181-190 (2012).
  9. Gong, J., Liang, J., Sumathy, K. Review on dye-sensitized solar cells (DSSCs): Fundamental concepts and novel materials. Renew. Sustainable Energy Rev. 16, 5848-5860 (2012).
  10. Bosch-Jimenez, P., Yu, Y., Lira-Cantu, M., Domingo, C., Ayllòn, J. A. Solution processable titanium dioxide precursor and nanoparticulated ink: Application in Dye Sensitized Solar Cells. J Colloid Interf Sci. 416, 112-118 (2014).
  11. Jose, R., Thavasi, V., Ramakrishna, S. Metal Oxides for Dye-Sensitized Solar Cells. J. Am. Ceram. Soc. 92, 289-301 (2009).
  12. Gemeiner, P., Mikula, M. Efficiency of dye sensitized solar cells with various compositions of TiO2 based screen printed photoactive electrodes. Acta. Chem. Slov. 6, 29-34 (2013).
  13. Lee, K. E., Charbonneau, C., Demopoulos, G. P. Thin single screen-printed bifunctional titania layer photoanodes for high performing DSSCs via a novel hybrid paste formulation and process. J. Mater. Res. 28, 480-487 (2013).
  14. Li, J., Lemme, M. C., östling, M. Inkjet Printing of 2D Layered Materials. ChemPhysChem. 15, 3427-3434 (2014).
  15. Rudyak, V. Y., Krasnolutskii, S. L. Dependence of the viscosity of nanofluids on nanoparticle size and material. Phys. Lett. A. 378, 1845-1849 (2014).
  16. Dispoto, G., Moroney, N., Hanson, E., Meyer, J. D., Allen, R. R. Color Desktop Printer Technology Optical Science and Engineering. , CRC Press. 111-155 (2006).
  17. Hsien-Hsueh, L., Kan-Sen, C., Kuo-Cheng, H. Inkjet printing of nanosized silver colloids. Nanotechnology. 16, 2436(2005).
  18. Singh, M., Haverinen, H. M., Dhagat, P., Jabbour, G. E. Inkjet Printing: Inkjet Printing-Process and Its Applications. Adv. Mater. 22, 673-685 (2010).
  19. Stüwe, D., Mager, D., Biro, D., Korvink, J. G. Inkjet Technology for Crystalline Silicon Photovoltaics. Adv. Mater. 27, 599-626 (2015).
  20. Perelaer, J., et al. Roll-to-Roll Compatible Sintering of Inkjet Printed Features by Photonic and Microwave Exposure: From Non-Conductive Ink to 40% Bulk Silver Conductivity in Less Than 15 Seconds. Adv. Mater. 24, 2620-2625 (2012).
  21. Hwang, M. -s, Jeong, B. -y, Moon, J., Chun, S. -K., Kim, J. Inkjet-printing of indium tin oxide (ITO) films for transparent conducting electrodes. Mat. Sci. Eng. B. 176, 1128-1131 (2011).
  22. Hara, K., Arakawa, H. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. , John Wiley & Sons, Ltd. Ch. 15 663-700 (2003).
  23. Ryu, J., Wakida, T., Takagishi, T. Effect of Corona Discharge on the Surface of Wool and Its Application to Printing. Text. Res. J. 61, 595-601 (1991).
  24. Yang, L., Chen, J., Guo, Y., Zhang, Z. Surface modification of a biomedical polyethylene terephthalate (PET) by air plasma. Appl. Surf. Sci. 255, 4446-4451 (2009).
  25. Qian, B., Shen, Z. Fabrication of Superhydrophobic Surfaces by Dislocation-Selective Chemical Etching on Aluminum, Copper, and Zinc Substrates. J. Am. Chem. Soc. 21, 9007-9009 (2005).
  26. Echlin, P. Handbook of Sample Preparation for Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. , Springer. (2011).
  27. Flegler, S. L., Heckman, J. W., Klomparens, K. L. Scanning and Transmission Electron Microscopy: An Introduction. , Oxford University Press. (1993).
  28. O'Donnell, M. Z. R. How To Minimize Measurement Errors In Solar Cell Testing. Solar Industry Magazine. , http://www.newport.com/images/webdocuments-en/images/Solar_Industry-Solar_Cell_Testing.pdf (2011).
  29. Grätzel, M. Dye-sensitized solar cells. J. Photochem. Photobiol. C: Photochem. Rev. 4, 145-153 (2003).
  30. Green, M. A., Emery, K., Hishikawa, Y., Warta, W., Dunlop, E. D. Solar cell efficiency tables (version 46). Prog. Photovolt. Res. Appl. 23, 805-812 (2015).
  31. Shockley, W., Queisser, H. J. Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells. J. Appl. Phys. 32, 510-519 (1961).
  32. Snaith, H. J. Estimating the Maximum Attainable Efficiency in Dye-Sensitized Solar Cells. Adv. Funct. Mater. 20, 13-19 (2010).
  33. Jeng, M. -J., Wung, Y. -L., Chang, L. -B., Chow, L. Particle Size Effects of TiO2 Layers on the Solar Efficiency of Dye-Sensitized Solar Cells. Int. J. Photoenergy. 2013, 9(2013).
  34. Song-Yuan, D., Kong-Jia, W. Optimum Nanoporous TiO2 Film and Its Application to Dye-sensitized Solar Cells. Chin. Phys. Lett. 20, 953-955 (2002).
  35. Baglio, V., Girolamo, M., Antonucci, V., Aricò, A. S. Influence of TiO2 Film Thickness on the Electrochemical Behaviour of Dye-Sensitized Solar Cells. Int. J. Electrochem. Sci. 6, 3375-3384 (2011).
  36. Ito, S., et al. High-Efficiency Organic-Dye- Sensitized Solar Cells Controlled by Nanocrystalline-TiO2 Electrode Thickness. Adv. Mater. 18, 1202-1205 (2006).
  37. Ito, S. Dye sensitized solar cells. Kalyanasundaram, K. , EFPL Press. Ch. 8 251-266 (2010).
  38. Tsai, J., Hsu, W., Wu, T., Meen, T., Chong, W. Effect of compressed TiO2 nanoparticle thin film thickness on the performance of dye-sensitized solar cells. Nanoscale Res Lett. 8, 1-6 (2013).
  39. Shin, I., et al. Analysis of TiO2 thickness effect on characteristic of a dye-sensitized solar cell by using electrochemical impedance spectroscopy. Curr. Appl. Phys. 10, 422-424 (2010).
  40. Brus, L. Electronic wave functions in semiconductor clusters: experiment and theory. J. Phys. Chem. 90, 2555-2560 (1986).
  41. Jung, S., et al. All-Inkjet-Printed, All-Air-Processed Solar Cells. Adv Energy Mater. 4, 1-9 (2014).
  42. Cherrington, R., Hughes, D. J., Senthilarasu, S., Goodship, V. Inkjet-Printed TiO2 Nanoparticles from Aqueous Solutions for Dye-Sensitized Solar Cells (DSSCs). Energy Technology. 3, (2015).

הדפסות חוזרות והרשאות

גלה מאמרים נוספים

הדפסת הזרקת דיודיו ננו-חלקיקיפורמולציית דיופרופילר שטח (Surface Profiler)פיזור אור דינמינצילות המרת אנרגיהתשתיות גמישות
דפוס דיגיטלי של טיטניום דו-חמצני עבור לצבוע תאים סולריים רגישים
צרו קשר
המליצו לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

זכויות יוצרים © 2026 MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.