방법 논문

염료 감응 형 태양 전지에 대한 이산화 티타늄의 디지털 인쇄

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DOI:

10.3791/53963

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2016년 5월 4일

 ,  ,  , 
1Warwick Manufacturing Group, University of Warwick

이 논문에서

요약

이 논문은 염료 감응 태양 전지 제조를 위한 잉크젯 인쇄의 적합성을 조사합니다. 바인더가 없는 TiO2 나노 입자 잉크를 제조하여 FTO 유리 기판에 인쇄했습니다. 프린팅된 층은 활성 면적이 0.25cm2이고 효율이 3.5%인 셀로 제작되었습니다.

초록

실리콘 태양 전지 제조는 비용이 많이 들고 에너지를 많이 소비하는 공정입니다. 대조적으로, 염료 감응 태양 전지 생산은 낮은 가공 온도로 인해 환경에 덜 해를 끼치며 기존 생산에 대한 실행 가능하고 저렴한 대안을 제시합니다. 이 백서는 디지털 인쇄를 평가하고 따라서 이러한 세포에 대한 첨가제 생산 경로를 평가함으로써 이러한 환경적 자격 증명을 더욱 강화합니다. 이것은 나노 입자 크기의 이산화 티타늄을 사용하여 금속 산화물 광전극의 형성 및 성능을 조사함으로써 달성됩니다. 잉크젯 가능 소재를 제조하고 특성화하고 압전 잉크젯 헤드로 인쇄하여 2.6μm 두께의 층을 생성했습니다. 그 결과로 생성된 프린팅 층을 0.25cm2의 활성 영역과 3.5%의 전력 변환 효율을 갖는 기능적인 셀로 제작하였다. 바인더가 없는 제형은 가공 온도를 250°C로 낮췄으며, 이는 최대 350°C의 온도에서 안정적인 유연한 폴리아미드 기판과 호환됩니다. 저자는 염료 감응 태양 전지 내의 다른 층의 잉크젯 인쇄를 조사하여 이 공정 경로를 계속 개발하고 있습니다.

서론

기존의 실리콘 태양 전지는 고가의 고에너지 소비 전문 장비가 필요한 고순도 재료로 만들어집니다. 이러한 기존 실리콘 셀은 전자-정공 쌍을 생성하기 위해 계면에서 매우 순수한 재료가 필요한 pn 접합을 통합합니다. 염료 감응 태양 전지(DSSC)는 재료 계면에서 전하 생성이 이루어지는 근본적으로 다른 작동 원리를 가지고 있습니다. 이는 진공, 초고온 또는 클린룸 시설의 사용이 필요하지 않음을 의미합니다1. 따라서 잠재적으로 저렴한 대안으로 간주됩니다. 그러나 소규모 실험실 테스트 셀에서 산업 제조를 위한 대형 프로토타입으로 업스케일링하려면 기판의 신속한 패터닝을 비롯한 여러 문제를 극복해야 합니다.

전자 제품 제조에는 일반적으로 어느 정도의 패터닝이 필요하며, 이는 증착 후 재료를 마스킹하거나 선택적으로 제거함으로써 달성됩니다. 이러한 단계는 잉크젯 인쇄 또는 스프레이 코팅과 같은 "적층" 디지털 인쇄 기술을 사용하여 제거할 수 있습니다. 디지털 인쇄는 전자 장치의 기능성 재료를 직접 증착할 수 있는 유망한 방법입니다. 이 기술은 디지털 기반 패턴에서 다양한 기판으로 직접 인쇄하는 것으로 설명할 수 있습니다2. 이는 비접촉 방식으로, 기판 표면을 손상시키거나 오염시키지 않고 필요한 곳에만 재료를 증착하여 낭비가 거의 또는 전혀 발생하지 않습니다3. 이러한 기술은 대량 생산으로 확장하는 데 이상적으로 적합한 것으로 강조되었습니다3. 디지털 인쇄 방법은 용매에 분산된 액체 형태의 물질을 사용하기 때문에 기술의 적용을 결정하기 위해 잉크의 증착을 이해하는 것이 중요합니다.

DSSC는 와이드 밴드갭 금속 산화물 물질의 다공성 층, 입자를 덮는 염료, 반도체의 다공성 층 내의 기공에 침투하는 "전하 수송체"의 세 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다. 이들은 투명 전도성 전극과 상대 전극 사이에 끼워져 있습니다4. 상대 전극은 전자 전달을 위한 촉매 물질로 코팅되어 있으며, 대부분의 경우 백금입니다. 조명 아래에서 염료 분자는 광자 형태로 에너지를 흡수합니다. 그런 다음 염료 분자가 여기되고 이산화 티타늄과 염료의 계면에서 전하 분리가 발생합니다. 전자는 인접한 금속 산화물 입자로 분출되고 염료 분자에 '구멍'이 남습니다. 주입된 전자는 금속 산화물 입자를 통해 이동하여 투명 전도성 전극에 도달합니다. 부하가 연결되면 전자는 외부 회로를 통해 상대 전극으로 이동하고 최종적으로 전해질1에 존재하는 산화 환원 커플을 통해 상대 전하와 재결합합니다. DSSC 내의 나노 구조 금속 산화물 층은 재료 선택, 처리 방법 및 구조의 특성과 함께 셀의 전반적인 성능에 중요한 역할을 하며, 모두5-10에 영향을 미치는 요인을 가지고 있습니다. 광양극에 대한 가장 중요한 요구 사항 중 하나는 매우 큰 표면적을 가져야 한다는 것입니다. 이것은 나노 입자 물질, 일반적으로 TiO21,11의 증착을 통해 달성됩니다. 이것은 셀 수 없이 많은 다른 공정에 의해 제작되었지만, 스크린 인쇄 및 닥터 블레이딩과 같은 습식 코팅 기술은 여전히 가장 인기 있는 접근 방식입니다9,12,13.

잉크젯 기술은 염료 감응 태양 전지의 잠재적인 제조 경로입니다. 그것은 압전 결정의 움직임을 사용하여 노즐을 통해 고정된 양의 액체를 원하는 기판으로 배출합니다. 이 증착 방법을 사용하면 재료를 매우 정확하게 분사할 수 있을 뿐만 아니라 잠재적으로 높은 인쇄 속도 또는 증착 속도로 고주파로 제트할 수 있습니다. 잉크젯 기술은 사용되는 잉크의 점도에 민감하며, 이는 이전에 기능성 잉크 개발의 장벽이었습니다. 잉크 제형에 적합한 용제 개발에 대한 최근의 연구는 이러한 문제를 완화하는 데 도움이 되었으며, 그래핀과 같은 2D 적층 재료를 사용한 전자 부품의 프린팅이 입증되었습니다14. 이와 같은 나노 입자 현탁액의 점도는 나노 입자 크기와 농도15에 따라 달라지는 것으로 밝혀졌다. 고농도의 나노 입자는 더 높은 점도를 초래하므로 입자 포집은 노즐 막힘을 피하기 위해 일반적으로 약 10 wt%이지만16 더 높은 농도가 달성되었습니다17.

잉크젯 기술의 주요 장점은 비접촉, 적층 패터닝 및 마스크리스18입니다. 후자의 두 가지 속성은 하나 이상의 프린트 헤드에 많은 노즐을 함께 배치할 수 있는 기능 때문이며, 각 노즐은 제어 소프트웨어에서 개별적으로 주소를 지정할 수 있습니다. 이를 통해 프린트 헤드가 기판을 가로질러 이동할 때 매우 복잡한 다층 패턴을 매우 빠르게 생성할 수 있습니다. 각 잉크 방울의 위치가 ~1.5μm19의 정확도로 정확하게 제어되므로 재료 또는 층 간의 마스킹이 필요하지 않습니다. 주요 이점 중 하나는 잉크젯 기술이 성숙하여 20세기 후반에 상당한 개발이 이루어졌다는 것입니다. 그 결과 잉크젯은 초당 수 미터의 속도로 유연한 기판에 정확하게 인쇄할 수 있는 롤투롤(roll-to-roll) 시스템을 갖춘 매우 확장 가능한 기술이 되었습니다. 전통적으로 이것은 신문과 같은 대량 생산에 사용되었습니다. 그러나, 기술의 발전으로 잉크젯은 나노 미립자 은 잉크를 사용하여 전자 회로의 롤 투 롤 생산에 사용할 수 있게 되었습니다20. 따라서 잉크젯은 디지털 인쇄를 통한 염료 감응 태양 전지의 잠재적 생산에 매력적인 공정입니다.

프로토콜

1. 잉크 배합

참고 : 잉크 제제는 종종 제조업체의 높은 지키고 비밀을 유지됩니다. 성공적인 공식 균형 분사 기능적인 성능과 함께 형성, 습윤 및 건조 동작을 놓습니다. 보통 기능성 물질이 용매에 분산되고 적어도 하나의 다른 구성 요소들을 만들기 위해 jettable. 이 섹션은 잉크젯 인쇄에서 사용하기위한 이산화 티탄 잉크의 개발 사항. 잉크의 작은 배치의 방법에 의해 제조 하였다.

주의 : 잉크 제조는 눈 보호 고글과 라텍스 장갑을 착용하는 동안, 흄 후드, 적절하게 배출 지역, 예를 들면 수행해야합니다.

  1. 약 4의 pH를 생성하기 위하여, 염산 (HCL)을 0.1㎜의 수용액을 준비한다.
  2. (디메틸 포름 아미드 (DMF) 등), 물보다 비점이 낮은 표면 장력과 호환 가능한 용매 8g을 산 용액 32 g을 넣고. 공동 SOLV의 추가건조제 ENT 작용은 액적 (21)의 표면에 나노 입자의 균일 한 배치로 이어지는 잉크 증발 잉크 방울 내에서 순환 흐름을 유도한다.
  3. 첨가제 (프로필렌 글리콜 및 물에 테트라 메틸 -5- 데신 -4,7- 디올 45 % 활성 용액) 1.5 g 분산을 추가한다.
  4. 노즐에서 건조를 방지하기위한 습윤제로서, 에틸렌 글리콜 10 g을 넣고.
  5. 현상에서 공기 방울을 방지하기 위해 잉크 소포제 (, 메 톡시에 아세틸렌 계 디올의 20 % 활성 용액) 0.5 g을 추가한다.
  6. 밀폐 용기에 잉크의 분취 량을 고려하여 간단한 흔들림 테스트를 수행하고 60 초 동안 손으로 흔들어. 모든 거품이 관찰되는 경우 잉크에 소포제의 또 다른 0.5 g을 추가합니다.
  7. RT에서 균질성을 확인하기 위해 자기 교반 막대를 사용하여 8 시간 동안 용액을 혼합한다.
  8. 이산화 티탄 1.5 g 추가 (이산화 티탄)가 21 nm 인 일차 입자 크기와 표면적 나노 입자35-65m 2 / g.
  9. 60 Hz의 주파수에서 15 분 동안 초음파 프로브를 사용하여 혼합물을 초음파 처리.
  10. 들이 노즐 개구를 통해 용이하게 유동 할 수 있도록, 제조자의 프로토콜에 따라 동적 광산란 (DLS)으로 적절한 측정 기법을 사용하여 입자 크기를 측정한다. 동일한 조건에서 측정 (예., 동일한 용매의 pH, 분산제 농도) 잉크 내에 응집체의 형성에 영향을 미칠 수있는 각각의 구성 요소로서 상기 잉크에 사용되는 확인. 성공적인 분출 유체 내의 입자는 노즐 개구보다 100 배 작아야한다.
  11. 잉크젯 인쇄는 2 내지 20 센티 포이즈 (cP 인)의 저점도 잉크를 필요로 프린트 헤드의 신뢰성 분사를 위해, 제조자의 프로토콜에 따라 이러한 회전 점도계로 적절한 측정 기술을 사용하여 잉크의 점도를 측정한다. additi를 통해 점도를 증가중합체 물질 또는 셀룰로오스 계 재료 일; 그러나이 인쇄 된 필름 (22) 내에서 염료 사이트를 무료로 증착 후 제거 될 필요가있다.
  12. 신뢰성 분사를 위해, 제조자의 프로토콜에 따라 이러한 장력 등의 적당한 측정 기술을 이용하여, 잉크의 표면 장력을 측정한다. 잉크젯 프린터를위한 유체 제형 jettable 지침 안정적인 인쇄가 가능하도록 28, 33 MN / m 사이의 표면 장력을 제안한다.

2. 잉크젯 인쇄

  1. 인쇄에 앞서, (수성 염기에서, 음이온 및 비 이온 계면 활성제의 혼합물을 제, 알칼리 비 포스페이트 세제 빌더 및 봉쇄 안정제) 세제 세척의 2 중량 % 용액에 유리 기판을 침지에 탈 이온수. 이들이 오염 세제 세정의 흔적을 제거하기 위해 세정 용액으로부터 제거 즉시 탈 이온수로 철저히 씻어 유리.
  2. 같은 제조사의 프로토콜에 따라 적절한 장력으로 측정 기술을 이용하여 기판의 표면 에너지를 측정한다. / m 15 MN - 밀착성 들어, 기판의 표면 에너지는 10 개 이상으로 유체의 표면 장력을 초과하지 않아야한다. 적합하지 않은 경우 코로나 처리 (23), 플라즈마 처리, 화학적 에칭 (24) (25) 방법을 이용하여 기판의 표면 에너지를 수정한다.
  3. 제조 업체의 프로토콜에 따라 프린터에 기판을로드합니다.
  4. 저장조 노즐 내의 공기 또는 세정 용액을 대체하는 헤드 측에 위치 된 포트를 통해 잉크를 프린트 헤드를 세척.
  5. 프린터에 프린트 헤드를 삽입합니다. 헤드 성격 보드와 헤드를 연결합니다.
  6. 단지 노즐을 방해 할 수있는 큰 입자 집계를 제거하기 위해 카트리지에로드하기 전에 올바른 크기의 필터를 통해 잉크를 필터링합니다. 그만큼프린트 헤드는 본 연구에 사용 된 40 ㎛의 직경을 갖는 노즐을 갖는 (예를 들어, 코니카 KM512입니다.); 따라서 잉크는 직경 400 개 이상의 나노로 입자를 포함 할 수 없습니다. 임의의 커다란 입자를 제거하기 위해 1.2 ㎛의 폴리 불화 비닐 리덴 (PVDF) 필터 뒤에이 5㎛를 통해 현탁액을 통과한다.
  7. 상기 프린트 헤드에 잉크를 공급하는 프린트 헤드 위에있는 150 ㎖ 주사기로 잉크를로드. 주사기의 상단에 밀폐 캡을 부착하고 진공 펌프의 전원을 켭니다.
  8. 진공 펌프에 위치한 '퍼지'버튼을 눌러 노즐을 통해 잉크를 제거.
  9. 지리 정보 시스템 (GIS) 프린트 서버를 통해 셋업 파형 인쇄 파라미터. 그러나,이 잉크가 초당 0.3 미터의 인쇄 속도가 최적의 코팅을 제공하는 것으로 밝혀졌다 프린터가 초당 1.5 미터의 속도까지 인쇄 할 수 있습니다
  10. 오픈 GIS 사용자 인터페이스 소프트웨어는 소망의 패턴을로드.
  11. 홍보제조 업체의 프로토콜에 따라로드 된 카트리지에서 int로.
  12. 플래 튼으로부터 상기 기판을 제거하고 추가의 30 분 중, 핫 플레이트 나 오븐에서 250 ºC 다음 30 분 동안 150 ºC에서 인쇄 된 필름을 가열한다.

인쇄 된 필름 3. 분석

  1. 인쇄 된 필름의 다공도를 분석하는 표면 형태를 분석하는 낮은 배율 (100X)에서 인쇄 된 필름의 표면 및 고배율 (35,000X) 살펴 광학 현미경 또는 주 사형 전자 현미경 (SEM)을 사용한다. 이미지가없는 균열 및 좋은 다공성과 균일 한 커버리지를 보여 있는지 확인합니다. SEM 동작에 대한 자세한 정보는 아래의 참고 문헌 26, 27에서 볼 수있다.
  2. 같은 제조사의 프로토콜에 따라 표면 프로파일과 같은 적절한 측정 기술을 사용하여 인쇄 층의 막 두께를 측정한다. 산화 티타늄 2 층 위트의 두께 및 다공성힌으로 DSSC 따라서 상기 셀 (18)의 전체 전원 변환 효율에 영향을 나노 입자의 표면에 흡수 될 수있는 염료의 양에 영향을 미친다. 따라서 평가하는 중요한 매개 변수입니다. 인쇄 된 필름의 두께를 측정하는 표면 프로파일 (1 나노 미터의 정밀성)을 사용한다.
  3. 이러한 많은 가시광 인쇄 된 필름을 통해 전송하는 방법을 결정하기 위해, 자외선 - 가시 광선 (UV-VIS) 분광 광도계로 측정 적절한 기술을 사용하여, 필름의 투과율을 측정한다. 제조 업체의 프로토콜을 사용합니다.

4. 셀 만들기

  1. 8 시간 동안 자기 교반기를 사용하여 유리 비이커에 20 ㎖의 에탄올 및 루테늄 색소 2 mg을 혼합하여 염료 용액을 제조.
  2. 색소는 이산화 티탄 입자의 표면에 흡수 할 수 있도록 24 시간 동안 실온에서 용액 (20-25 ℃)에서 이산화 티탄이 피복 된 유리를 담근다.
  3. 산화 티타늄 2를 제거 코팅 유리 (오염을 방지하기 위해 위쪽으로 향 산화 티타늄 2) 초과 염료 용액을 흡수합니다.
  4. 산화 티타늄이 코팅 주위에 전도성 유리 위에 미리 잘라 60 μm의 두께 열가소성 밀봉 스페이서를 놓습니다.
  5. 양극과 음극의 활성 측면이 서로 대향되도록 프리 컷 60 μm의 두께의 열가소성 밀봉 스페이서의 상부에 백금 코팅 된 대향 전극을 배치했다. 전기 접점은 전도성 유리로 제조 될 수 있도록 유리의 두 개의 조각 사이에 충분한 오버랩을 허용한다. 이 전해질 나중에 작성 수 있도록 중앙에 사전 뚫고 구멍이 있어야합니다.
  6. 밀봉 용 스페이서의 영역에 핀셋을 이용하여 110 ℃의 온도로 핫 플레이트상에서 가열하여 적용 저압. 30 초 후 전극을 함께 밀봉해야한다.
  7. 요오드 / 요오드화 트리 전기로 두 전극 사이의 갭을 ​​채우기주사기를 사용하여 백금을 코팅 유리에 미리 드릴 된 구멍에 주입하여 50 mm의 농도로 아세토 니트릴 LYTE.

결과

이산화 티탄 잉크는 설명 된 절차에 따라 공식화했다. 잉크 내에 현탁 된 입자의 크기는 동적 광산란 (DLS) 및 관찰 80 나노 미터의 평균 입자 크기를 측정 하였다. 이 연구에서의 잉크의 점도는 작은 샘플 어댑터 회전 점도계 및 스핀들 18mm 직경 측정 3 cP 인 것으로 밝혀졌다. 표면 장력은 표면 장력을 이용하여 측정 및 / m 26 MN의 평균값으로 계산 하였다.

FTO 유리의 표면 에너지는 접촉각 및 표면 자유 에너지를 측정함으로써 고체 표면의 습윤성을 판정하기위한 유럽 표준 EN 828에 따라 계산 하였다. 세 가지 액체 (물, 에틸렌 글리콜 및 디 요오도 메탄)의 텐 방울 평면 시험편의 표면에 분배 하였다. 각 강하 좌우 접촉각 지표 성과 있었다에디션. 표면 장력과 결합 된 각각의 액의 평균 접촉각에서 시험편의 표면 자유 에너지를 산출한다. Fowkes 방법은 분산 상호 작용 (γd) 및 γnon - 분산 상호 작용 (γp)에서 기부금의 합계에서 총 표면 에너지 (γ)를 계산한다. 이 방법은 코팅 된 FTO 유리 26.45 MN / m의 표면 자유 에너지 결과.

인쇄가 절차에 따라 상기 5mm 사각를 제작했다. 유리에 인쇄 층의 두께는 표면 프로파일 러를 사용하여 측정 하였다. 인쇄 층의 중앙에서의 최대 두께는 2.6 μm의 수를 측정 하였다. 피복 유리의 투과율은 UV-VIS 스펙트로 미터를 이용하여 측정 하였다. 700 nm의 파장에서 60 %의 투과율은 FTO 유리에 대한 78 %와 비교하여 산화 티타늄이 인쇄 된 필름에 대해 측정 하였다.

PV 소자는 상기 절차 개요에 따라 제조하고, 공기, 물 및 산소에 의한 열화의 영향을 최소화하기 위해 제조 직후에있어서 하였다. 특징 및 태양 전지 (28)를 비교하는 데 사용되는 다섯 전기적 성능 매개 변수가있다. 단락 전류 (I의 SC) 및 개방 전압 (V OC는)의 값은 전류 - 전압 (IV) 곡선으로부터 유도 될 수있다. 이 후, 충진 계수 (FF) 및 전력 변환 효율 (η)을 결정하는데 사용될 수있다. 빨리 감기는 개방 회로 전압, 단락 회로 전류 (29)의 제품의 세포의 비율이 실제 최대 전력 출력을 제공한다. 이 태양 전지의 성능을 평가하는 중요한 매개 변수이다. 낮은 FF는 개선의 여지가 나타내는 반면, 높은 FF는, 낮은 전기 손실을 의미한다. 몇몇 요인은 셀 내의 층의 품질 및 인터페이스를 포함하는 FF에 영향을 미치는 것으로 알려져있다. DSSCS는 11.9 %의 보고서의 레코드 효율성과 요오드 / 트리 요오드의 산화 환원 부부는 0.71 (30)의 요소를 작성하여 통합. 이들 모든 파라미터는 장치의 온도가 25 ℃가 된 광의 분광 방사 조도 분포가 1.5의 기단을 갖고 표준 시험 조건 하에서 측정 될 필요가 총 조사량은, 태양 전지에서 (E의 m) 100 mW의 / cm이다 측정 2. 단일 pn 접합 전지의 변환 효율에 대한 이론적 인 최대 널리 단으로 DSSC를위한 그것의 최대 효율은 920 나노 미터 (32)에서 흡수 발병 15.1 % 가까이가 있음을보고 한, 37.7 % (31)로보고되었다.

출력 전류 및 전압이 세포를 1.5의 공기 질량 분광 방사 조도 분포와 일치하는 필터가 장착 된 100 mW의 / cm 2 광원으로 조명 하였다 동안 소스 미터를 사용하여 측정 하였다. 그 결과는 셀에 비교했다아나타제 형 입자가 20 nm 내지 450 nm의 블렌드를 갖는 시판 페이스트를 이용하여 닥터 블레이드 이산화 티탄 층을 사용하여 제조. 인쇄 층은 0.25 cm 2의 영역 및 표면 프로파일 러를 사용하여 측정 된 18 μm의 평균 두께를 갖는다. 두 장치 사이의 광전 성능의 비교는도 1 및 표 1에 나타낸다.

몇몇 연구는 이산화 티탄 층의 두께으로 DSSC 내의 변환 효율의 관계를 조사 하였다. 결과는 이산화 티탄 층과 인쇄 효율의 두께를 설명 어딘가에 33-39 ㎛] 9.5 내지 20. 표 1에서보고 된 최적의 막 두께가 크게 변화한다. 이산화 티탄 인쇄, 잉크젯의 두께는 결과 이산화 티탄 닥터 블레이 딩보다 상당히 작다낮은 효율이다. 향후 연구는 잉크젯 인쇄 층의 두께를 증가시키는 잉크 조성물 내의 유기 결합제의 사용을 조사한다.

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이산화 티탄 층과 의사 블레이드 이산화 티탄 층을 인쇄 잉크젯 통합으로 DSSC를위한 잉크젯 인쇄 및 의사 칼날 이산화 티탄 층으로으로 DSSC 그림 1. 성능 곡선. 전류 밀도 / 전압 곡선. 티오 인쇄 잉크젯와 장치의 단락 전류 밀도는 2 층은 전반적으로 낮은 변환 효율의 결과로 의사 블레이드 이산화 티탄 층 장치보다 훨씬 낮습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

단락 전류 개방 회로 전압 요소 채우기 능률 두께
(mA / cm 2) (MV)
(%) (μm의)
잉크젯 인쇄 9.42 (760) 0.49 3.5 2.6
닥터 블레이 딩 (11) 756 0.58 4.8 (18)

도 1이 표는 특정 조명에서 효율 (η)을 결정 개방 회로 전압 (V OC는), 단락 전류 (I의 SC)을 포함하는 태양 전지의 주요 파라미터를 비교의 셀 표 1. 중요한 성능 특성 상태가되게됩니다. 매개 변수 오닥터 - 블레이드 이산화 티탄 층을 사용하여 제조 FA 전지는 비교를 위해 포함되었다. 두 장치의 충전 인자 (FF)은 일반적으로 세포 내에서 높은 내부 저항에 기인하는 매우 낮다.

토론

잉크를 제조할 때 특히 어려운 점은 나노입자가 서로 뭉치는 자연스러운 경향입니다. 이들은 입자 사이의 결합의 특성과 강도에 따라 응집체 또는 응집체로 알려져 있습니다. 단순히 입자를 물이나 바인더로 교반하는 에너지는 응집체의 분해를 방지하는 입자 인력을 극복할 만큼 충분히 크지 않습니다. 볼 밀링, 고전단 혼합 또는 초음파는 일반적으로 응집 된 나노 입자를 분해하는 데 사용됩니다. 다양한 음이온성, 비이온성 및 양이온성 계면활성제와 폴리머를 사용하여 장기적인 안정화를 제공할 수도 있습니다. 이러한 응집체의 수를 최소화함으로써 좋은 품질의 서스펜션을 얻을 수 있습니다. 노즐을 막을 수 있는 큰 입자 응집체를 제거하기 위해 카트리지에 적재하기 직전에 올바른 크기의 필터를 통해 유체를 여과해야 합니다.

TiO2 층 내의 입자 크기도 DSSC의 전반적인 효율에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 이산화티타늄의 광촉매 활성은 비표면적(40)의 증가로 인해 입자 크기가 감소함에 따라 증가한다. 400nm에서 14nm에 이르는 5가지 크기의 TiO2 나노입자를 통합한 DSSC의 효율을 비교한 연구에서 입자 크기가 더 작은 DSSC가 더 나은 전기 변환 효율을 초래하는 것으로 나타났습니다33.

잉크젯 인쇄는 다중 패스 인쇄가 가능한 비접촉식 증착 기술입니다. 이는 재료 낭비를 최소화하면서 광범위한 기판에서 한 번의 작업으로 다층 장치를 신속하게 제작할 수 있는 독특한 기회를 제공합니다. 또한 기능성 재료(41)의 인쇄를 통해 다른 구성 요소(예컨대의 배터리)를 시스템에 통합하는 방법을 잠재적으로 제공한다. 잉크젯 인쇄 장치에 대해 나타난 대표적인 결과는 닥터 블레이드 장치만큼 성능이 좋지는 않지만 증착 기술의 잠재력을 보여줍니다. 추가 잉크 최적화를 통해 현재 사용되는 방법과 비슷한 수준의 성능을 발휘할 수 있으며 광범위한 기판에 광전지를 비용 효율적이고 환경 친화적으로 통합할 수 있는 추가 범위를 제공할 수 있습니다. 우리는 인쇄된 층의 두께를 닥터 블레이드 TiO2 의 두께에 가깝게 늘려 잉크젯 인쇄 장치의 효율성을 향상시키기를 희망하며 DSSC 내에서 다른 재료 및 층의 인쇄를 계속 살펴볼 것입니다.

공개 사항

저자는 공개 아무것도 없어.

감사의 글

이 연구는 감사 박사 교육 교부금을 통해 투자 공학 및 물리 과학 연구위원회 (EPSRC)의 지원으로 수행된다. 오픈 액세스 문서 처리 비용 (장갑차)은 영국 연구위원회 (R​​CUK)에 의해 투자되었다. 모든 데이터는 용지의 결과 섹션 전체에 설치되어있다. 대표 결과는 이전에 저자 (42)에 의해 발표되었다.

우리는 세포의 전기적 성능을 특징 짓는 그의 도움을 엑서 터 대학에서 박사 Senthilarasu 선데 람에게 감사의 말씀을 전합니다.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
이산화 티타늄시그마 알드리치718467
탈 이온수 실험실의 필터에서 공급되는
염산, 2 M (2 N) Fisher ScientificJ/4250/17
디메틸포름아미드 (DMF)Fisher ScientificD/3840/08
에탄올VWR 화학물질20721.33
분산 첨가제 Air Products
소포제Air Products
에틸렌 글리콜Fluka107-21-1
폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 주사기 필터VWR International
Cleaning detergent Fisher Scientific10335650
불소 도핑 주석 산화물 (FTO) 유리, 8 Ω/sqPilkington
Ruthenizer 염료Solaronix21613
Pre-cut 60 µ M 두께의 열가소성 밀봉 필름 Solaronix74301
50 mM 요오드화물/삼요오드화물 전해질  아세토니트릴Solaronix31111
플래티넘 코팅 FTO 유리 Solaronix74201
Vac'n'Fill 주사기Solaronix65209
폴리이미드 테이프 (6.35 mm)Onecall Farnell1676087

참고문헌

  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).

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