Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Elektroprzędzenie elektrod fotokatalitycznych do barwnikowych ogniw słonecznych

9K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/55309

⸱

28 czerwca 2017

 ,  ,  , 
1The MacDiarmid Institute for Advanced Materials & Nanotechnology, School of, Victoria University of Wellington, 2Department of Chemistry, University College London

W tym artykule

Podsumowanie

Ogólnym celem tego projektu było wykorzystanie elektroprzędzenia do wytworzenia fotoanody o ulepszonej wydajności dla barwnikowych ogniw słonecznych.

Streszczenie

Ta praca demonstruje protokół wytwarzania fotoanody na bazie włókien dla barwnikowych ogniw słonecznych, składającej się z warstwy rozpraszającej światło wykonanej z elektroprzędzonych nanowłókien dwutlenku tytanu (TiO 2-NFs) na wierzchu warstwy blokującej wykonanej z dostępnych na rynku nanocząstek dwutlenku tytanu (TiO2-NPs). Osiąga się to poprzez pierwsze elektroprzędzenie roztworu butotlenku tytanu (IV), poliwinylopirolidonu (PVP) i lodowatego kwasu octowego w etanolu w celu uzyskania kompozytowych nanowłókien PVP/TiO2. Są one następnie kalcynowane w temperaturze 500 °C w celu usunięcia PVP i uzyskania czystych nanowłókien tytanu w fazie anatazowej. Materiał ten został scharakteryzowany za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) i proszkowej dyfrakcji rentgenowskiej (XRD). Fotoanodę przygotowuje się poprzez uprzednie utworzenie warstwy blokującej poprzez osadzanie zawiesiny TiO2-NPs/terpineolu na szkiełku podstawowym z tlenku cyny domieszkowanym fluorem (FTO) przy użyciu technik raklowania. Kolejną obróbkę termiczną przeprowadza się w temperaturze 500 °C. Następnie warstwę rozpraszającą światło tworzy się poprzez osadzenie zawiesiny TiO2-NFs/terpineolu na tym samym szkiełku, przy użyciu tej samej techniki, i ponowne kalcynowanie w temperaturze 500 °C. Wydajność fotoanody jest testowana poprzez wytwarzanie uczulonego na barwnik ogniwa słonecznego i mierzenie jego wydajności za pomocą krzywych J-V w zakresie gęstości padającego światła, od 0,25-1 Słońca.

Wprowadzenie

Barwnikowe ogniwa słoneczne (DSSC) są interesującą alternatywą dla ogniw słonecznych na bazie krzemu1 dzięki ich niskim kosztom, stosunkowo prostemu procesowi produkcji i łatwości produkcji na dużą skalę. Kolejną zaletą jest ich potencjał do włączenia do elastycznych podłoży, co stanowi wyraźną przewagę nad ogniwami słonecznymi na bazie krzemu2. Typowy DSSC wykorzystuje: (1) nanocząsteczkową fotoanodę TiO2, uwrażliwioną barwnikiem, jako warstwę zbierającą światło; (2) FTO z powłoką Pt, stosowany jako przeciwelektroda; oraz (3) elektrolit zawierający parę redoks, taką jak I-/I3-, umieszczony między dwiema elektrodami, działający jako "medium przewodzące".

Chociaż DSSC przekroczyły wydajność 15%3, wydajność fotoanod opartych na nanocząstkach jest nadal utrudniona przez szereg ograniczeń, w tym niską ruchliwość elektronów4, słabą absorpcję fotonów o niskiej energii5, oraz rekombinację ładunku6. Skuteczność zbierania elektronów silnie zależy od szybkości transportu elektronów przez warstwę nanocząstek TiO2. Jeśli dyfuzja ładunku jest powolna, zwiększa się prawdopodobieństwo rekombinacji z I3- w roztworze elektrolitu, co powoduje utratę wydajności.

Wykazano, że zastąpienie nanocząstek TiO2 jednowymiarowymi (1D) nanoarchitekturami TiO2 może poprawić transport ładunku poprzez zmniejszenie rozpraszania wolnych elektronów z granic ziaren połączonych nanocząstek TiO27. Ponieważ nanostruktury 1D zapewniają bardziej bezpośrednią ścieżkę zbierania ładunków, możemy oczekiwać, że transport elektronów w nanowłóknach (NF) będzie znacznie szybszy niż w nanocząstkach8,9.

Elektroprzędzenie jest jedną z najczęściej używanych metod wytwarzania materiałów włóknistych o średnicach submikronowych10. Technika ta polega na użyciu wysokiego napięcia w celu wywołania wyrzutu strumienia roztworu polimeru przez dyszę przędzalniczą. Ze względu na niestabilność zginania, strumień ten jest następnie wielokrotnie rozciągany, tworząc ciągłe nanowłókna. W ostatnich latach technika ta jest szeroko stosowana do wytwarzania materiałów polimerowych i nieorganicznych, które są wykorzystywane do licznych i różnorodnych zastosowań, takich jak inżynieria tkankowa11, kataliza12 oraz jako materiały elektrodowe do akumulatorów litowo-jonowych13 i superkondensatory14.

Użycie elektroprzędzonych TiO 2-NFs jako warstwy rozpraszającej w fotoanodzie może zwiększyć wydajność DSSC. Jednak fotoanody o architekturze nanowłóknistej mają zwykle słabą absorpcję barwnika ze względu na ograniczenia powierzchni. Jednym z możliwych rozwiązań tego problemu jest mieszanie NF i nanocząstek. Wykazano, że powoduje to powstawanie dodatkowych warstw rozpraszających, poprawiających absorpcję światła i ogólną wydajność15.

Protokół przedstawiony w tym filmie dostarcza łatwej metody syntezy ultradługich nanowłókien TiO2 poprzez kombinację technik elektroprzędzenia i zol-żel, po której następuje proces kalcynacji. Protokół ilustruje następnie zastosowanie TiO2-NF w połączeniu z nanocząstkami TiO2 do wytwarzania dwuwarstwowej fotoanody o zwiększonej zdolności rozpraszania światła przy użyciu technik doctor-blading, a także do późniejszego montażu DSSC przy użyciu takiej fotoanody.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Przygotowanie roztworu prekursora

UWAGA: Proszę zapoznać się ze wszystkimi odpowiednimi kartami charakterystyki substancji niebezpiecznych (MSDS) przed użyciem. Niektóre substancje chemiczne stosowane w tej procedurze są szkodliwe i/lub toksyczne dla ludzi. Nanomateriały mogą wiązać się z dodatkowymi zagrożeniami w porównaniu z ich masowymi odpowiednikami. Prosimy o stosowanie odpowiednich środków bezpieczeństwa i środków ochrony osobistej.

  1. Umieścić 5 g n-butotlenku tytanu(IV), 1 g poliwinylopirolidonu (PVP), 1 ml lodowatego kwasu octowego i 10 ml absolutnego etanolu w fiolce z próbką.
  2. Za pomocą magnetycznej płytki mieszającej mieszać roztwór, aż stanie się jednorodny i nie będzie można zaobserwować pęcherzyków.

2. Elektroprzędzenie i kalcynacja nanowłókien

  1. Przygotuj igłę używaną do procesu elektroprzędzenia, odcinając końcówkę igły 21 G i szlifując ją papierem ściernym o umiarkowanej jakości, aż końcówka będzie całkowicie płaska.
  2. Zamocować igłę na jednorazowej strzykawce o pojemności 10 ml.
  3. Załadować trochę roztworu prekursora do strzykawki i umieścić go na pompie strzykawkowej.
  4. Owiń płytkę zbierającą folią aluminiową i umieść ją bezpośrednio przed końcówką igły.
    UWAGA: Odległość od igły do płytki powinna wynosić 20 cm.
  5. Podłącz płytkę kolektora do masy, a igłę do źródła zasilania wysokiego napięcia.
  6. Umieść osłonę ochronną wokół konfiguracji.
  7. Ustaw natężenie przepływu na pompie strzykawkowej na 1 ml/h i rozpocznij pompowanie.
  8. Gdy tylko na końcu igły pojawi się jakiś roztwór, włącz źródło wysokiego napięcia i ustaw je na 15 kV.
    UWAGA: W tym momencie włókna będą zbierać się na talerzu. Konfigurację należy pozostawić włączoną tak długo, jak to konieczne, aby osiągnąć pożądaną grubość maty z włókna.
  9. Po zakończeniu wirowania wyłącz źródło wysokiego napięcia i pompę strzykawkową. Usuń folię z płyty kolektora.
  10. Pozwól włóknom odpocząć przez noc, a następnie oderwij je od folii aluminiowej.
  11. Umieść oderwane włókna w tyglu i umieść go w piecu muflowym.
  12. Kalcynuj włókna, ustawiając rampę temperatury 5°/min do 500 °C i przytrzymując przez 2 godziny w celu usunięcia PVP i wytworzenia czystych nanowłókien TiO2.
  13. Po zakończeniu procesu kalcynacji pozostaw piec zamknięty do momentu, aż temperatura spadnie poniżej 80 °C, aby uniknąć szoku termicznego, który może uszkodzić włókna.

3. Produkcja elektrod

  1. Przygotowanie gnojowicy
    1. Dodać 500 mg pasty z ditlenku tytanu do 20 ml etanolu w kolbie okrągłodennej.
    2. W oddzielnej kolbie wymieszać 500 mg elektroprzędzonychTiO 2-NF z kolejnymi 20 ml etanolu.
    3. Sonikować roztwory przez 2 godziny za pomocą sonikatora do kąpieli.
    4. Po uzyskaniu jednolitych mieszanin dodać 2 ml terpineolu do każdej kolby i sonikować przez kolejne 15 minut.
    5. Odparować rozpuszczalnik z obu kolb za pomocą wyparki obrotowej w celu uzyskania zawiesin
      6. .
  2. Lekarze spiekanie i spiekanie
    1. Za pomocą diamentowego noża do szkła wytnij szkiełko przewodzące FTO na kwadrat o wymiarach 2 cm x 2 cm.
    2. Przymocuj suwak FTO do obszaru roboczego, umieszczając taśmę samoprzylepną na szklanym szkiełku, pozostawiając odsłonięty obszar o powierzchni 0.4cm2 pośrodku. Aby uniknąć nieregularnej powłoki, najpierw umieść taśmę po dwóch równoległych stronach, a następnie po dwóch pozostałych.
    3. Umieść kilka kropli gnojowicy TiO2-NP na odsłoniętym środku szkiełka.
    4. Użyj żyletki, aby równomiernie rozprowadzić gnojowicę na odsłoniętym obszarze.
    5. Po uzyskaniu jednolitej powłoki ostrożnie usuń taśmę klejącą.
    6. Umieścić powlekane szkiełko w piecu i spiekać w temperaturze 500 °C przez 2 godziny.
    7. Powtórzyć kroki 3.2.2-3.2.6 na tym samym szkiełku FTO, tym razem używając zawiesiny TiO2-NF zamiast nanocząstek, aby uzyskać fotoanodę.

4. Charakterystyka NF

  1. Charakterystyka SEM
    1. Przygotuj próbkę do SEM, przymocowując pasek samoprzylepnej taśmy węglowej do króćca mikroskopu. Ostrożnie umieść niewielką ilość nanowłókien na taśmie.
    2. Zamontuj króciec na uchwycie na próbkę i załaduj go do komory wymiany przyrządu.
    3. Ustaw warunki i parametry przyrządu: ustaw napięcie przyspieszania na 20 kV, a odległość roboczą na 10 mm.
    4. Zbierz obrazy próbki, upewniając się, że pokazują one ogólną morfologię materiału.
  2. Charakterystyka XRD
    1. Delikatnie zmiel kilka nanowłókien na drobny proszek i rozprowadź je równomiernie na stoliku XRD.
    2. Załaduj próbkę do dyfraktometru.
    3. Ustaw parametry akwizycji: użyj kąta początkowego 10°, kąta końcowego 80° i rozmiaru kroku 0,015°.
    4. Rozpocznij pobieranie danych XRD.

5. Produkcja ogniw słonecznych

  1. Traktować fotoanodę wodnym roztworem TiCl4 w temperaturze 75 °C przez 45 minut. Po zabiegu umyj go wodą dejonizowaną i wysusz
    2. .
  2. Uczulić fotoanodę, zanurzając ją w 0,5-mM roztworze barwnika rutenowego N719 w absolutnym etanolu na 24 godziny w ciemnych warunkach.
  3. Umieść arkusz folii uszczelniającej na uczulonej fotoanodzie, aby służył jako uszczelka termoplastyczna między fotoanodą a przeciwelektrodą.
  4. Umieść przeciwelektrodę FTO z powłoką Pt z wstępnie wywierconym otworem pośrodku, na górze folii uszczelniającej, tak aby obie strony były skierowane do siebie.
  5. Podgrzej zmontowaną komórkę do 100 °C przez 15 minut, aby uszczelnić uszczelkę.
  6. Umieść kilka kropli mediatora redoks, składającego się z roztworu jodku 1-propylo-3-metyloimidazolu (0,8 M), jodu (0,1 M) i benzimidazolu (0,3 M) w 3-metoksypropionitrylu, na wierzchu wstępnie wywierconego otworu przeciwelektrody.
  7. Umieścić ogniwo w eksykatorze próżniowym, aby mediator redoks wypełnił wewnętrzną przestrzeń zmontowanej komórki.

6. Charakterystyka krzywej J-V

  1. Uzyskaj krzywe J-V za pomocą miernika źródła cyfrowego przy natężeniu oświetlenia 100 mW/cm2 ze źródła łuku ksenonowego przepuszczonego przez filtr AM1.5G.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Nanowłókna TiO2 scharakteryzowano za pomocą SEM, spektroskopii fotoelektronów w promieniach X (XPS) oraz XRD. Nanostrukturę fotoanody scharakteryzowano za pomocą SEM. Wydajność zmontowanej ogniwa DSSC przetestowano przy użyciu symulatora słonecznego i jednostki pomiarowej źródła (SMU).

Obraz SEM na Rysunku 1A pokazuje, że nanowłókna zsyntetyzowane zgodnie z tym protokołem mają strukturę p...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Metody przedstawione w niniejszej pracy opisują wytwarzanie wydajnych fotoanod nanowłóknistych do urządzeń fotokatalitycznych, takich jak DSSC. Elektroprzędzenie jest bardzo wszechstronną techniką wytwarzania nanowłókien, ale do uzyskania materiałów o optymalnej morfologii wymagany jest pewien poziom umiejętności i wiedzy. Jednym z najbardziej krytycznych aspektów uzyskania dobrych nanowłókien jest przygotowanie roztworu prekursora: istnieje kilka kluczowych czynników, takich jak stężenie polimeru nośnego i wybór prekurs...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Autorzy nie mają żadnych podziękowań.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
n-buttlenek tytanu(IV)Sigma-Aldrich244112
PoliwinylopirolidonSigma-Aldrich437190
lodowaty kwas octowySigma-AldrichA6283
Etanol, absolutnyFisher ScientificE/0650DF/17
20 mL Fiolki na próbki(dowolne)(lub większa objętość)
jednorazowa igła 21G(dowolna)
papier ścierny o ziarnistości P150(dowolna)
jednorazowa strzykawka 10 ml(dowolna)(lub większa objętość)
mieszadło magnetyczne + pręt mieszający(dowolna)
Pompa strzykawkowa PHD 2000Aparat Harvarda71-2002(lub dowolna inna pompa strzykawkowa zdolna do wytworzenia przepływu 1 ml / godz
Aluminium folia(dowolna)
Płyta kolektora ze stali nierdzewnej(zbudowana na zamówienie)
Źródło zasilania wysokiego napięciaGamma High Voltage Research, IncES30P-10W(lub dowolny inny zasilacz zdolny do wyprowadzenia +15 kV
Osłona ochronna z poliwęglanu(zbudowana na zamówienie)
Tygiel ceramiczny(dowolny)
Mufla piec(dowolny)
Dwutlenek tytanu, nanoproszekSigma-Aldrich718467
50 ml Kolby okrągłodenne z 1 szyjką(dowolne)
TerpineolSigma-Aldrich
Wyparka obrotowa(dowolna)
Szkło FTOSolaronixTCO30-10/LI
Taśma klejąca(dowolna)
żyletka(dowolna)
SEMJEOL6500F
XRDPANalytical X'pert Pro
Tetrachlorek tytanuSigma-Aldrich89545
Ruthenizer  535-bisTBA Folia uszczelniającaSolaronixN719
DyesolMeltonix 1170-25
Pt-coated FTOSolaronixTCO30-10/LI
Jodek 1-propylo-3-metyloimidazoliumSigma-Aldrich49637
JodSigma-Aldrich207772
benzimidazolSigma-Aldrich194123
3-metoksypropionitrylSigma-Aldrich65290
Cyfrowy miernik źródłaKeithley2400
Symulator słonecznyTechnologie Abet10500
. Sonikator do kąpieli (dowolny)

Bibliografia

  1. O'Regan, B., Grätzel, M. A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films. Nature. 353 (6346), 737-740 (1991).
  2. Lee, C. H., Chiu, W. H., Lee, K. M., Hsieh, W. F., Wu, J. M. Improved performance of flexible dye-sensitized solar cells by introducing an interfacial layer on Ti substrates. J Mat Chem. 21 (13), 5114-5119 (2011).
  3. Burschka, J., Pellet, N., et al. Sequential deposition as a route to high-performance perovskite-sensitized solar cells. Nature. 499 (7458), 316-319 (2013).
  4. Ohsaki, Y., Masaki, N., et al. Dye-sensitized TiO2 nanotube solar cells: fabrication and electronic characterization. Phys Chem Chem Phys. 7 (24), 4157-4163 (2005).
  5. Mor, G. K., Shankar, K., Paulose, M., Varghese, O. K., Grimes, C. A. Enhanced Photocleavage of Water Using Titania Nanotube Arrays. Nano Letters. 5 (1), 191-195 (2005).
  6. Feng, X., Shankar, K., Varghese, O. K., Paulose, M., Latempa, T. J., Grimes, C. A. Vertically Aligned Single Crystal TiO2 Nanowire Arrays Grown Directly on Transparent Conducting Oxide Coated Glass: Synthesis Details and Applications. Nano Letters. 8 (11), 3781-3786 (2008).
  7. Roy, P., Berger, S., Schmuki, P. TiO2 Nanotubes: Synthesis and Applications. Angewandte Chemie International Edition. 50 (13), 2904-2939 (2011).
  8. Macdonald, T. J., Xu, J., et al. NiO Nanofibers as a Candidate for a Nanophotocathode. Nanomaterials. 4 (2), 256-266 (2014).
  9. Chuangchote, S., Sagawa, T., Yoshikawa, S. Efficient dye-sensitized solar cells using electrospun TiO2 nanofibers as a light harvesting layer. Appl Phys Lett. 93 (3), 033310(2008).
  10. Li, D., Xia, Y. Electrospinning of Nanofibers: Reinventing the Wheel? Adv Mat. 16 (14), 1151-1170 (2004).
  11. Li, W. J., Laurencin, C. T., Caterson, E. J., Tuan, R. S., Ko, F. K. Electrospun nanofibrous structure: A novel scaffold for tissue engineering. J Biomed Mat Res. 60 (4), 613-621 (2002).
  12. Jia, H., Zhu, G., Vugrinovich, B., Kataphinan, W., Reneker, D. H., Wang, P. Enzyme-Carrying Polymeric Nanofibers Prepared via Electrospinning for Use as Unique Biocatalysts. Biotechnol Prog. 18 (5), 1027-1032 (2002).
  13. Mai, L., Xu, L., et al. Electrospun Ultralong Hierarchical Vanadium Oxide Nanowires with High Performance for Lithium Ion Batteries. Nano Letters. 10 (11), 4750-4755 (2010).
  14. Cai, J., Niu, H., et al. High-Performance Supercapacitor Electrode Materials from Cellulose-Derived Carbon Nanofibers. ACS Appl Mat Interfaces. 7 (27), 14946-14953 (2015).
  15. Joshi, P., Zhang, L., et al. Composite of TiO2 nanofibers and nanoparticles for dye-sensitized solar cells with significantly improved efficiency. Energ Environ Sci. 3 (10), 1507-1510 (2010).
  16. Macdonald, T. J., Tune, D. D., Dewi, M. R., Gibson, C. T., Shapter, J. G., Nann, T. A TiO2 Nanofiber-Carbon Nanotube-Composite Photoanode for Improved Efficiency in Dye-Sensitized Solar Cells. ChemSusChem. 8 (20), 3396-3400 (2015).
  17. Teo, W. E. Electrospinning parameters and fiber control. , http://electrospintech.com/hb-espinparameters.html (2015).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Nanowłókna dwutlenku tytanuwytwarzanie fotoanodyskaningowa mikroskopia elektronowadyfrakcja rentgenowskatechnika doctor bladingobróbka termicznaanaliza krzywej J-Vpodłoże ze szkła FTO
Elektroprzędzenie elektrod fotokatalitycznych do barwnikowych ogniw słonecznych
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.