Methodenartikel

Digital Printing titaandioxide voor kleurstof zonnecellen

13K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/53963

⸱

4 mei 2016

 ,  ,  , 
1Warwick Manufacturing Group, University of Warwick

In dit artikel

Samenvatting

Dit artikel onderzoekt de geschiktheid van inkjetprinten voor de productie van kleurling gevoelige zonnepanelen. Een bindmiddelvrije TiO2 nanodeeltjesinkt werd geformuleerd en op een FTO-glassubstraat geprint. De gedrukte laag werd vervaardigd tot een cel met een actieve oppervlakte van 0,25 cm2 en een efficiëntie van 3,5%.

Samenvatting

De productie van silicium zonnepanelen is een dure en energie-intensieve proces. In tegenstelling daarmee is de productie van kleurstof gevoelige zonnepanelen minder milieubelastend met lagere verwerkingstemperaturen die een haalbare en goedkope alternatief voor conventionele productie vormen. Dit artikel verbetert deze milieu-eigenschappen verder door de digitale druk en dus de additieve productieroute voor deze cellen te evalueren. Dit wordt hier bereikt door het onderzoek naar de vorming en prestatie van een metaaloxide foto-elektrode met behulp van nanodeeltjes van titaniumdioxide. Een inkjet-printbaar materiaal werd geformuleerd, gekarakteriseerd en gedrukt met een piëzo-elektrische inkjetkop om een laag van 2,6 μm dik te produceren. De resulterende bedrukte laag werd vervaardigd tot een functionerende cel met een actieve oppervlakte van 0,25 cm2 en een energie-omzettingsefficiëntie van 3,5%. De formule zonder bindmiddel resulteerde in een verlaagde verwerkingstemperatuur van 250 °C, compatibel met flexibele polyamide substraten die stabiel zijn tot temperaturen van 350 °C. De auteurs blijven deze procesroute ontwikkelen door het onderzoek naar inkjet-printen van andere lagen binnen kleurstof gevoelige zonnepanelen.

Inleiding

Conventionele silicium-zonnecellen worden gemaakt van zeer zuivere materialen die dure en energie-intensieve gespecialiseerde apparatuur vereisen. Deze conventionele siliciumcellen bevatten een p-n-overgang die zeer zuivere materialen vereist op de interface om elektron-gatparen te genereren. Dye-gesensibiliseerde zonnecellen (DSSC's) hebben een fundamenteel ander werkingsprincipe, waarbij ladingsgeneratie plaatsvindt op de materiaalinterface. Dit betekent dat verwerking onder vacuüm, ultrahoge temperaturen of het gebruik van cleanroomfaciliteiten niet vereist is1. Daarom worden ze gezien als een potentieel goedkope alternatief; echter het opschalen van kleine laboratoriumtestcellen naar grote prototypes voor industriële productie omvat het overwinnen van verschillende problemen, waaronder het snelle patroon van substraten.

Elektronicaproductie vereist over het algemeen een bepaalde mate van patroonvorming, die wordt bereikt door maskeren of selectieve verwijdering van het materiaal na afzetting. Deze stappen kunnen worden verwijderd door het gebruik van "additieve" digitale druktechnieken zoals inkjetprinten of spraycoating. Digitaal printen is een veelbelovende methode voor directe depositie van functionele materialen voor elektronische apparaten. De techniek kan worden beschreven als printen vanuit een digitaal gebaseerd patroon rechtstreeks op een verscheidenheid aan substraten2. Het zijn contactloze methoden die het oppervlak van het substraat niet beschadigen of verontreinigen en materiaal alleen daar deponeren waar het nodig is, wat resulteert in weinig of geen verspilling3. Deze technieken zijn geïdentificeerd als ideaal geschikt om te worden opgeschaald naar grootschalige productie3. Aangezien digitale drukmethoden vloeibare vormen van materialen gebruiken die in een oplosmiddel zijn gedispergeerd, is het van cruciaal belang om de depositie van inkt te begrijpen om de toepassingen van de techniek te bepalen.

DSSC's hebben drie hoofdcomponenten: een poreuze laag van breed-bandgap metaaloxidemateriaal, een kleurstof die de deeltjes bedekt, en een "ladingstransporteur" die de poriën binnen de poreuze laag van halfgeleider binnendringt. Deze worden tussen een transparante geleidende elektrode en een tegenelektrode geplaatst4. De tegenelektrode is bedekt met een katalytisch materiaal voor elektronenoverdracht, wat in de meeste gevallen platina is. Onder verlichting absorberen de kleurstofmoleculen energie in de vorm van fotonen. De kleurstofmoleculen raken vervolgens opgewonden en ladingsscheiding vindt plaats op de interface van het titaniumdioxide en de kleurstof. Elektronen worden uit de aangrenzende metaaloxidedeeltjes geëjecteerd en 'gaten' blijven achter op de kleurstofmolecuul. De geïnjecteerde elektronen reizen door de metaaloxidedeeltjes en bereiken de transparante geleidende elektrode. Wanneer een belasting is aangesloten, bewegen de elektronen naar de tegenelektrode via de externe stroomkring en worden uiteindelijk herenigd met hun tegenlading door het redoxkoppel dat aanwezig is in de elektrolyt1. De nano-gestructureerde metaaloxidelaag binnen DSSC's speelt een cruciale rol in de algehele prestatie van de cel, waarbij materiaalkeuze, verwerkingsmethoden en de aard van de structuur allemaal invloed hebbende factoren zijn5-10. Een van de belangrijkste vereisten voor de fotoanode is dat deze een extreem grote oppervlakte moet hebben. Dit wordt bereikt door de depositie van nanodeeltjesmaterialen, meestal TiO21,11. Dit is vervaardigd door talloze verschillende processen, maar natcoatingtechnieken zoals zeefdruk en doctor-blading, zijn nog steeds de meest populaire aanpak9,12,13.

Inkjet-technologie is een potentiële productieroute voor dye-gesensibiliseerde zonnecellen. Het gebruikt de beweging van een piëzo-elektrisch kristal om een vaste hoeveelheid vloeistof door een mondstuk op het gewenste substraat te spuiten. Deze depositiemethode maakt het mogelijk om materiaal zeer nauwkeurig maar ook met hoge frequentie met een potentieel hoge printsnelheid of depositiesnelheid te spuiten. Inkjet-technologie is gevoelig voor de viscositeit van de gebruikte inkt en dit was eerder een belemmering voor de ontwikkeling van functionele inkten. Recent werk in de ontwikkeling van oplosmiddelen geschikt voor inkformulering heeft geholpen om dit probleem te verlichten, en het printen van elektronische componenten met behulp van 2D gelaagde materialen zoals grafeen is aangetoond14. De viscositeit van nanodeeltjessuspensies zoals deze is gevonden om afhankelijk te zijn van de nanodeeltjesgrootte en concentratie15. Hoge concentraties nanodeeltjes resulteren in hogere viscositeiten, daarom zijn deeltjesladingspercentages meestal rond de 10 wt% om blokkades van de mondstukken te voorkomen16, maar hogere concentraties zijn bereikt17.

De belangrijkste voordelen van inkjet-technologie zijn dat het contactloos, additief patroonvorming en maskloos is18. De laatste twee attributen zijn te wijten aan de mogelijkheid om veel mondstukken samen op één of meer printkoppen te plaatsen, waarbij elk mondstuk afzonderlijk kan worden aangesproken door de besturingssoftware. Dit maakt het mogelijk om zeer snel complexe, meerlagige patronen te maken terwijl de printkoppen over het substraat bewegen. Er is geen maskering tussen materialen of lagen vereist, aangezien de positie van elke inktdruppel nauwkeurig wordt gecontroleerd, in sommige systemen tot een nauwkeurigheid van ~1,5 µm19. Een van de belangrijkste voordelen is dat inkjet-technologie volwassen is, met aanzienlijke ontwikkeling uitgevoerd in de laatste helft van de twintigste eeuw. Het resultaat is dat de inkjet een zeer schaalbare technologie is, met roll-to-roll systemen die nauwkeurig op flexibele substraten kunnen printen met snelheden van vele meters per seconde. Traditioneel werd dit gebruikt voor grote productie, bijv. kranten. Ontwikkelingen in technologie hebben echter de inkjet toegelaten om te worden gebruikt in roll-to-roll productie van elektronische circuits met behulp van nanodeeltjes zilver inkten20. De

Protocol

1. inktformule

Let op: de inkt formuleringen zijn vaak een zeer bewaard geheim door fabrikanten gehouden. Succesvolle formuleringen balans jetting, druppelvorming, bevochtiging en drogen gedrag naast functionele prestaties. Gewoonlijk wordt een functioneel materiaal gedispergeerd in een oplosmiddel en ten minste één andere component te spuitbare maken. Dit hoofdstuk beschrijft de ontwikkeling van een TiO 2 inkt voor gebruik in inkjetprinters. Een kleine partij inkt werd bereid met de volgende werkwijze.

Let op: de inkt voorbereiding moeten worden uitgevoerd in een geschikte geventileerde ruimte, bijvoorbeeld onder een zuurkast, terwijl het dragen van de ogen veiligheidsbril en latex handschoenen.

  1. Bereid een 0,1 mM waterige oplossing van zoutzuur (HCl) tot een pH van ongeveer 4 produceren.
  2. Voeg 32 g van de zure oplossing 8 g van een geschikt oplosmiddel met een hoger kookpunt en lagere oppervlaktespanning dan water (zoals dimethylformamide (DMF)). De toevoeging van een co-solvent fungeert als droogmiddel een circulatiestroom binnen de inktdruppel de inkt verdampt induceren, wat leidt tot een uniforme plaatsing van nanodeeltjes op het oppervlak van de druppel 21.
  3. Voeg 1,5 g dispergeren toevoegingsmiddel (45% actieve oplossing van propyleenglycol en tetramethyl-5-decyne-4,7-diol in water).
  4. Voeg 10 g ethyleenglycol als bevochtigingsmiddel aan droging bij de mondstukken te voorkomen.
  5. Voeg 0,5 g antischuimmiddel (20% actieve oplossing van acetylenische diol in methoxypolyethyleneglycol) om de inkt te voorkomen dat luchtbellen uit ontwikkelingslanden.
  6. Voer een eenvoudige schudtest door middel van een hoeveelheid van de inkt in een gesloten houder en schud met de hand gedurende 60 seconden. Bij schuimvorming wordt waargenomen voeg nog 0,5 g ontschuimer de inkt.
  7. Meng de oplossing gedurende 8 uur met een magnetische roerstaaf om homogeniteit te garanderen bij kamertemperatuur.
  8. Voeg 1,5 g titaniumdioxide (TiO2) nanodeeltjes met een primaire deeltjesgrootte van 21 nm en een oppervlakte van35-65 m 2 / g.
  9. Ultrasone trillingen het mengsel onder gebruikmaking van een ultrasone probe gedurende 15 minuten bij een frequentie van 60 Hz.
  10. Meet de deeltjesgrootten met een geschikte meettechniek zoals dynamische lichtverstrooiing (DLS) volgens het protocol van de fabrikant, zodat zij gemakkelijk zal door de mondstukopeningen. Metingen onder dezelfde omstandigheden (bijv., Hetzelfde oplosmiddel, pH, concentratie van dispergeermiddel) worden gebruikt voor de inkt omdat elke component klontvorming te beïnvloeden in de inkt. Voor succesvolle jetting moeten de deeltjes in de vloeistof 100 keer kleiner dan de mondstukopening worden.
  11. Meet de viscositeit van de inkt met een geschikte meettechniek zoals een roterende viscosimeter volgens het protocol van de fabrikant, betrouwbare jetting uit de printkop waarborgen inkjetprinten vereist lage viscositeit inkten tussen 2 en 20 centipoise (cP). Verhoog de viscositeit door de additiop polymere materialen of op cellulose gebaseerde materialen; maar deze moeten worden verwijderd na depositie vrij te plaatsen voor de kleurstof in het bedrukte folie 22.
  12. Meet de oppervlaktespanning van de inkt met een geschikte meettechniek zoals een bloeddrukmeter volgens het protocol van de fabrikant, betrouwbare jetting waarborgen. De spuitbare vloeistof richtlijnen opstellen voor inkjetprinters suggereren een oppervlaktespanning tussen de 28 en 33 mN / m om betrouwbare afdrukken in te schakelen.

2. Inkjet Printing

  1. Voor het afdrukken week de glazen substraten in een 2 gew% oplossing van schoonmaakmiddel (een mengsel van anionische en niet-ionogene oppervlakteactieve stoffen, stabiliserende middelen, alkaliën, fosfaatvrije wasmiddelversterkers en maskeermiddelen, op waterbasis) in gedeïoniseerd water. Spoel het glas grondig met gedemineraliseerd water zodra ze uit het reinigingsmiddel worden verwijderd om sporen van vervuiling en schoonmaakmiddel te verwijderen.
  2. Meet de oppervlakte-energie van het substraat met een geschikte meettechniek zoals een bloeddrukmeter volgens het protocol van de fabrikant. Voor een goede hechting dient de oppervlakte-energie van het substraat niet groter zijn dan de oppervlaktespanning van het fluïdum met meer dan 10 - 15 mN / m. Wijzig de oppervlakte-energie van het substraat onder toepassing van werkwijzen zoals coronabehandeling 23, plasmabehandeling 24 en 25 chemisch etsen als het niet geschikt.
  3. Plaats het substraat in de printer volgens protocol van de fabrikant.
  4. Spoel de printkop met inkt door de poort aan de zijkant van het hoofd om de lucht en reinigingsoplossing in het reservoir en mondstukken verdringen.
  5. Plaats de printkop in de printer. Sluit de printkop met het hoofd persoonlijkheid bord.
  6. Filter de inkt door de juiste maat filter vlak voor het laden in de cartridge om grote deeltjes aggregaten die de sproeiers kunnen verstoppen. Deprintkop gebruikt in dit werk mondstukken met een diameter van 40 urn (bijvoorbeeld Konica KM512.); derhalve inkten mag geen deeltjes bevatten met een diameter groter dan 400 nm. Leid de suspensies door een 5 urn, gevolgd door 1,2 um polyvinylideenfluoride (PVDF) filter om eventuele grote deeltjes te verwijderen.
  7. Laad de inkt in de 150 ml spuit boven de printkop bevindt, waarbij de inkt levert aan de printkop. Bevestig de luchtdichte dop op de top van de spuit en zet de vacuümpomp.
  8. Spoel de inkt door de mondstukken door op de 'purge' knop op de vacuümpomp.
  9. Door middel van het geografisch informatiesysteem (GIS) printserver, set-up van de golfvorm en printing parameters. Merk op dat de printer kan printen op een snelheid van 1,5 meter per seconde, maar voor deze inkt een afdruksnelheid van 0,3 meter per seconde is gebleken optimale bekleding
  10. Open GIS user interface software en laad het gewenste patroon.
  11. Print van de geladen patroon volgens protocol van de fabrikant.
  12. Verwijderen van het substraat uit de plaat en verwarm het bedrukte folies bij 150 ° C gedurende 30 min, gevolgd door 250 ° C gedurende nog eens 30 min ofwel op een hete plaat of in een oven.

3. Analyse van de Printed Films

  1. Met een optische microscoop en een scanning elektronenmicroscoop (SEM) te kijken naar het oppervlak van de bedrukte films bij lage vergroting (100X) aan de oppervlakte morfologie analyseren en bij een sterke vergroting (35,000X) de porositeit van de afgedrukte films analyseren. Controleer of de beelden tonen een uniforme dekking zonder scheuren en goede porositeit. Meer gedetailleerde informatie over SEM operatie kan worden gevonden in de volgende referenties 26,27.
  2. Meet de dikte van de gedrukte laag met een geschikte meettechniek zoals een oppervlak profiler volgens het protocol van de fabrikant. De dikte en porositeit van de TiO2-laag within DSSCs beïnvloeden de hoeveelheid kleurstof die kan worden geabsorbeerd op het oppervlak van de nanodeeltjes, die dus invloed op de algehele elektrische omzettingsrendement van de cel 18. Het is dan ook een belangrijke parameter te evalueren. Gebruik een oppervlak profiler (nauwkeurigheid van 1 nm) tot de dikte van de afgedrukte films te meten.
  3. Meet de doorlaatbaarheid van de film met een geschikte meettechniek zoals een ultraviolet-zichtbaar (UV-VIS) spectrofotometer te bepalen hoeveel zichtbaar licht door de bedrukte folie wordt doorgegeven. Gebruik protocol van de fabrikant.

4. Het maken van de Cell

  1. Voeg een kleurstofoplossing door mengen van 20 ml ethanol en 2 mg ruthenium kleurstof in een bekerglas met een magnetische roerder gedurende 8 uur.
  2. Dompel de TiO 2 gecoat glas in de oplossing bij kamertemperatuur (20-25 ° C) gedurende 24 uur om de kleurstof te absorberen op het oppervlak van de TiO 2 deeltjes.
  3. Verwijder de TiO 2 gecoat glas uit de oplossing en de plaats op zijdepapier om te genieten van overtollige kleurstof oplossing (met de TiO 2 naar boven om besmetting te voorkomen).
  4. Plaats de voorgesneden 60 pm dikke thermoplastische afdichting spacer bovenop de geleidende glas, rond de TiO 2 coating.
  5. Plaats de platinacoating tegenelektrode bovenop de voorgesneden 60 pm dikke thermoplastische afdichting afstandhouder zodat de actieve zijde van de anode en de kathode tegenover elkaar. Neem voldoende overlap tussen de twee stukken glas, zodat een elektrisch contact kan worden gemaakt met de geleidende glas. Dit moet een voorgeboorde gat in het midden hebben om voor elektrolytvulling later.
  6. Verwarm op een hete plaat tot een temperatuur van 110 ° C en breng lichte druk met een pincet in het gebied van de afdichting afstandhouder. Na 30 sec de elektroden samen moeten worden verzegeld.
  7. Vullen het gat tussen de twee elektroden een jodide / tri-jodide electrolyte in acetonitril bij een concentratie van 50 mM, door via de voorgeboorde gaten in de platina gecoat glas met een spuit.

Resultaten

A TiO 2 inkt werd geformuleerd volgens de werkwijze uiteengezet. De grootte van deeltjes in de inkt werd gemeten met behulp van dynamische lichtverstrooiing (DLS) en een gemiddelde deeltjesgrootte van 80 nanometer (nm) waargenomen. De viscositeit van de inkt in dit werk bleek 3 cP zijn, gemeten met een roterende viscometer met een klein monster adapter en een 18 mm asdiameter. De oppervlaktespanning werd gemeten met een tensiometer en berekend een gemiddelde van 26 mN / m.

De oppervlakte-energie van de FTO glas werd berekend volgens de Europese norm EN 828 voor het bepalen van de bevochtigbaarheid van een vast oppervlak door meting van de contacthoek en oppervlakte-energie. Tien druppels van de drie verschillende vloeistoffen (water, ethyleenglycol en dijoodmethaan) werden aangebracht op een vlak proefstuk oppervlak. Voor elke druppel, de linker en rechter contacthoek waren MEASURed. Van het gemiddelde contacthoeken van elke vloeistof in combinatie met de oppervlaktespanning wordt de oppervlakte-energie van het proefstuk berekend. De Fowkes methode berekent de totale oppervlakte-energie (γ) van de som van de bijdragen van de dispersieve interacties (yd) en γnon verspreide interacties (γp). Deze werkwijze resulteerde in een oppervlakte-energie van 26,45 mN / m bij de FTO gecoat glas.

Printing werd volgens de bovenstaande procedure tot 5 mm vierkantjes produceren uitgevoerd. De dikte van de bedrukte laag op het glas werd gemeten met een oppervlak profiler. De maximale dikte in het midden van de gedrukte laag werd gemeten als zijnde 2,6 urn. De transmissie van het beklede glas werd gemeten met een UV-VIS-spectrometer. Bij een golflengte van 700 nm, werd een 60% transmissie gemeten voor de TiO 2 bedrukte folie tegen 78% voor de FTO glas.

Fotovoltaïsche inrichtingen werden bereid volgens de procedure lijnen boven en direct kenmerk na fabricage om het effect van afbraak door water en zuurstof in de lucht te minimaliseren. Er zijn vijf elektrische prestatie parameters die worden gebruikt voor het karakteriseren en vergelijken zonnecellen 28. De waarden van kortsluitstroom (I sc) en nullastspanning (VOC) kan worden afgeleid uit de stroom-spanning (IV) curve. Deze kunnen dan worden gebruikt om de vulfactor (FF) en energieconversie-efficiëntie (η) te bepalen. De FF geeft een verhouding van de cellen werkelijke maximale vermogen aan het product van de open klemspanning en kortsluitstroom 29. Dit is een belangrijke parameter bij het beoordelen van de prestaties van zonnecellen. Een hoge FF betekent lage elektrochemische verliezen, terwijl een lage FF geeft aan dat er ruimte is voor verbetering. Verschillende factoren zijn bekend bij de FF inbegrip van de kwaliteit en de interface van lagen in de cel beïnvloeden. DSSC's opnemen van een jodide / trijodide redox koppel met een record rendement van 11,9% rapport vullen factoren van 0,71 30. Al deze parameters moeten onder standaard testomstandigheden waar de temperatuur van het apparaat is 25 ˚C, spectrale irradiantie verdeling van het licht heeft een luchtmassa van 1,5 vast te stellen, de totale straling gemeten (E m) op de zonnecel wordt 100 mW / cm 2. Theoretische maximum voor het omzettingsrendement van een pn-overgang cel is alom gerapporteerd als 37,7% 31, maar voor DSSCs is gemeld dat het maximale rendement dichter bij 15,1% met een absorptie bij 920 nm begin 32.

De uitgangsstroom en spanning werden gemeten met een bron meter terwijl de cellen werden belicht met een 100 mW / cm 2 lichtbron voorzien van een filter om de spectrale bestralingssterkte verdeling met een luchtmassa van 1,5 overeenkomt. De resultaten werden vergeleken met een celgeproduceerd met behulp van een doctor-bladed TiO 2 lagen met een algemeen verkrijgbare pasta, die een mengsel van anatase deeltjes 20 nm en 450 nm. De gedrukte laag had een oppervlak van 0,25 cm2 en een gemiddelde dikte van 18 urn die werd gemeten met een oppervlak profiler. Een vergelijking van de optische prestaties tussen de twee inrichtingen is weergegeven in figuur 1 en tabel 1.

Verscheidene studies hebben de relatie tussen de dikte van de TiO 2 laag en het omzettingsrendement in DSSCs onderzocht. De resultaten variëren sterk, met een optimale laagdikte gemeld uit ergens tussen 9,5 pm en 20 pm 33-39. Tabel 1 schetst de diktes van de TiO 2 gedrukte lagen en de efficiëntie. De dikte van de inkjetdruk TiO 2 is aanzienlijk minder dan de dokter bladed TiO 2, resulteertin een lagere efficiëntie. Verder onderzoek onderzoekt het gebruik van organische bindmiddelen in de inktsamenstelling om de dikte van de inkjet bedrukte laag te vergroten.

figure-results-1
Figuur 1. Prestaties Curves van DSSCs met Inkjet Gedrukte en Doctor Bladed TiO 2 lagen. Huidige-density / spanning curves voor DSSCs het opnemen van een inkjet bedrukte TiO 2 lagen en een arts-bladen TiO 2 laag. De kortsluitstroom dichtheid in het apparaat met de inkjet bedrukte TiO 2 laag is aanzienlijk lager dan het apparaat met de arts bladen TiO 2 lagen wat resulteert in een lagere totale omzettingsefficiëntie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Kortsluitstroom Open circuit spanning Vul factor doeltreffendheid Dikte
(mA / cm2) (MV)
(%) (Pm)
inkjet gedrukte 9.42 760 0.49 3.5 2.6
Doctor bladen 11 756 0.58 4.8 18

Tabel 1. Key Performance Kenmerken van de cellen in Figuur 1. Deze tabel vergelijkt de belangrijkste parameters van de zonnecel met inbegrip van open circuit spanning (V oc), kortsluitstroom (I sc) die de efficiëntie (η) te bepalen onder de aangegeven licht staat worden gepresenteerd. De parameters ofa cel geproduceerd met behulp van een doctor-bladed TiO 2 lagen zijn ook opgenomen ter vergelijking. De vulling factoren (FF) van beide apparaten behoorlijk laag die in het algemeen wordt toegeschreven aan een hoge inwendige weerstand in de cel.

Discussie

Een bijzondere uitdaging bij het formuleren van inkten is de natuurlijke neiging van nanodeeltjes om zich te verzamelen. Deze worden aangeduid als aggregaten of agglomeraten, afhankelijk van de aard en sterkte van de bindingen tussen de deeltjes. De energie van het eenvoudigweg roeren van deeltjes in water of bindmiddel is niet groot genoeg om de aantrekkingskracht tussen de deeltjes te overwinnen, wat de breking van agglomeraten verhindert. Balmalerij, hoge schuifmenging of ultrasone behandeling worden vaak gebruikt om geaggregeerd nanodeeltjes te breken. Verschillende anionische, niet-ionogene en kationische oppervlakteactieve stoffen en polymeren kunnen ook worden gebruikt om langdurige stabilisatie te bieden. Door het aantal van deze agglomeraten te minimaliseren, kan een goede kwaliteit suspensie worden bereikt. De vloeistoffen moeten worden gefilterd door het filter van de juiste maat net voordat ze in de cartridge worden geladen om grote deeltjesaggregaten te verwijderen die de nozzles kunnen verstoppen.

De deeltjesgrootte binnen de TiO2-laag blijkt ook van invloed te zijn op de algehele efficiëntie van DSSC's. De fotokatalytische activiteit van titaniumdioxide neemt toe naarmate de deeltjesgrootte afneemt als gevolg van een toename van de specifieke oppervlakte40. Een studie die de efficiëntie vergeleek van DSSC's met TiO2-nanodeeltjes met 5 verschillende groottes variërend van 400 nm tot 14 nm, ontdekte dat die met kleinere deeltjesgrootten resulteerden in betere elektrische conversie-efficiënties33.

Inkjetprinten is een non-contact depositietechniek die geschikt is voor meervoudig printen. Dit biedt de unieke mogelijkheid om snel meerlaagse apparaten in één bewerking te fabriceren op een breed scala aan substraten met minimale materiaalverspilling. Het biedt ook potentieel om andere componenten (zoals batterijen) in het systeem te integreren door het printen van functionele materialen41. Hoewel de representatieve resultaten die worden getoond voor de inkjetgeprinte apparaten niet zo goed presteren als de doctor-bladed-apparaten, demonstreert het het potentieel voor de depositietechniek. Met verdere optimalisatie van de inkt, zou het kunnen presteren op een vergelijkbaar niveau als de momenteel gebruikte methoden en kan het verdere mogelijkheden bieden voor een kosteneffectieve, milieuvriendelijke integratie van fotovoltaïsche cellen op een breed scala aan substraten. We hopen de efficiëntie van de inkjetgeprinte apparaten te verbeteren door de dikte van de gedrukte laag te verhogen dichter bij die van de doctor-bladed TiO2 en zullen doorgaan met het printen van andere materialen en lagen binnen DSSC's.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Dit onderzoek wordt dankbaar uitgevoerd met steun van de Techniek en Physical Sciences Research Council (EPSRC) gefinancierd via een doctoraatsopleiding subsidie. Open access artikel verwerkingskosten (APC's) werden gefinancierd door Research Councils UK (RCUK). Alle gegevens worden geheel voorzien in de resultaten van de papiermachine. Representatieve resultaten zijn eerder gepubliceerd door de auteurs 42.

We willen graag bedanken Dr. Senthilarasu Sundaram van de Universiteit van Exeter voor zijn hulp bij het karakteriseren van de elektrische prestaties van de cellen.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Titanium dioxideSigma Aldrich718467
Deionized water Geleverd door een filter in het laboratorium
Hydrochloric acid, 2 M (2 N) Fisher ScientificJ/4250/17
Dimethylformamide (DMF)Fisher ScientificD/3840/08
EthanolVWR Chemicals20721.33
Dispersing additive Air Products
Defoaming agentAir Products
Ethylene glycolFluka107-21-1
Polyvinylidene fluoride (PVDF) syringe filterVWR International
Cleaning detergent Fisher Scientific10335650
Fluorine doped tin oxide (FTO) glass, 8 Ω/sqPilkington
Ruthenizer dyeSolaronix21613
Pre-cut 60 µm thick thermoplastic sealing film Solaronix74301
50 mM Iodide/tri-iodide electrolyte  in acetonitrileSolaronix31111
Platinum coated FTO glass Solaronix74201
Vac'n'Fill SyringeSolaronix65209
Polyimide tape (6.35 mm)Onecall Farnell1676087

Referenties

  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).

Herprints en machtigingen

Meer artikelen verkennen

Inkjetprintennanodeeltjesinktinkformuleringoppervlakteprofilometerdynamische lichtverstrooiingenergieomzettingsrendementflexibele substraten
Digital Printing titaandioxide voor kleurstof zonnecellen
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.