Name: Impressão digital de dióxido de titânio para células solares Dye sensibilizados (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-05-04T14:10:00.000+00:00
Duration: 8 min 19 s
Description: Aprenda a fabricar células solares sensibilizadas por corante usando impressão inkjet de tinta de nanopartículas de TiO₂ sem ligante. Este método demonstra viabilidade para dispositivos fotovoltaicos impressos com eficiência de 3,5%.

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Esta pesquisa é gratamente realizado com o apoio da Engenharia e Ciências Físicas Research Council (EPSRC), financiado através de uma bolsa de formação de doutoramento. Abrir acesso taxas de processamento artigo (APCs) foram financiados pela Research Conselhos Reino Unido (RCUK). Todos os dados são fornecidos na íntegra na seção de resultados do papel. Os resultados representativos foram previamente publicados pelos autores 42. Nós gostaríamos de agradecer ao Dr. Senthilarasu Sundaram, da Universidade de Exeter por sua ajuda na caracterização do desempenho elétrico das células.

1. fórmula da tinta Nota: formulações de tinta são frequentemente mantidos em segredo bem guardado pelos fabricantes. Sucesso formulações equilíbrio jacto, gota formação, molhamento e comportamento de secagem ao lado de desempenho funcional. Normalmente, um material funcional é disperso num solvente e pelo menos um outro componente para torná-los jettable. Esta seção detalha o desenvolvimento de um TiO2 de tinta para uso dentro de impressão jato de tinta. Um pequeno lote de tinta foi preparada pelo método seguinte. Cuidado: preparação da tinta deve ser realizada em uma área adequadamente ventilada, por exemplo, sob um exaustor, enquanto vestindo olho óculos de proteção e luvas de látex. <ol><li> Prepara-se uma solução aquosa 0,1 mM de ácido clorídrico (HCl) para produzir um pH de aproximadamente 4. </li><li> Adicionar 32 g de solução de ácido de 8 g de um solvente compatível com um ponto de ebulição mais elevado e mais baixo do que a tensão superficial da água (tal como dimetilformamida (DMF)). A adição de um co-solvent actua como um agente de secagem para induzir um fluxo de circulação no interior da gotícula de tinta tal como a evaporação da tinta, que conduz a um posicionamento uniforme das nanopartículas sobre a superfície da gotícula de 21. </li><li> Adicionar 1,5 g de dispersão de aditivo (45% de solução activa de propileno glicol e tetrametil-5-decino-4,7-diol em água). </li><li> Adiciona-se 10 g de etileno glicol, como um humectante para evitar a secagem nos bicos. </li><li> Adicionar 0,5 g de agente anti-espuma (20% de solução activa de diol acetilénico em methoxypolyethyleneglycol) para a tinta para evitar que as bolhas de ar de se desenvolver. </li><li> Realizar um teste simples agitar tomando uma alíquota da tinta em um recipiente fechado e agitar à mão durante 60 segundos. Se qualquer espuma é observada depois adicionar mais 0,5 g de agente anti-espuma para a tinta. </li><li> Misture a solução durante 8 horas usando uma barra de agitação magnética, para assegurar a homogeneidade à TA. </li><li> Adicionar 1,5 g de dióxido de titânio (TiO2) nanopartículas com um tamanho de partícula primária de 21 nm, e a área de superfície de35-65 m2 / g. </li><li> Sonicar a mistura utilizando uma sonda de ultra-sons durante 15 minutos com uma frequência de 60 Hz. </li><li> Medir os tamanhos de partículas, usando uma técnica de medição apropriado, tal como espalhamento dinâmico da luz (DLS) de acordo com o protocolo do fabricante, para assegurar que eles vão fluir facilmente através das aberturas de bocal. Adicione medições nas mesmas condições (por ex., Mesmo solvente, pH, concentração de dispersante) a serem utilizados para a tinta à medida que cada componente pode influenciar a formação de aglomerados de tinta dentro da. Para jacto bem sucedida, as partículas dentro do fluido deve ser 100 vezes mais pequeno do que a abertura de injector. </li><li> Medir a viscosidade da tinta, utilizando uma técnica de medição apropriado, tal como um viscosímetro rotacional de acordo com o protocolo do fabricante, para assegurar jacto fiável a partir da cabeça de impressão de jacto de tinta como a impressão requer tintas de baixa viscosidade de entre 2 e 20 centipoise (cP). Aumentar a viscosidade através da additino dos materiais polímeros ou de materiais à base de celulose; no entanto, estes precisam ser removidos após a deposição de liberar locais para o corante dentro do filme impresso 22. </li><li> Medir a tensão superficial da tinta, utilizando uma técnica de medição apropriado, tal como um tensiómetro de acordo com o protocolo do fabricante, para assegurar jacto fiável. As diretrizes de formulação de fluidos jettable para impressoras jato de tinta sugerem uma tensão superficial entre 28 e 33 mN / m para permitir a impressão de confiança. </li></ol> 2. Inkjet Printing <ol><li> Antes da impressão, embeber os substratos de vidro numa solução a 2% em peso de detergente de limpeza (uma mistura de agentes tensioactivos aniónicos e de superfície não iónico, agentes, alcalis, detergentes sem fosfatos e agentes sequestrantes de estabilização, numa base aquosa) em água desionizada. Lavar o vidro completamente com água desionizada, logo que eles são removidos da solução de limpeza para remover os vestígios de contaminação e de limpeza do detergente. </li&gt; <li> Medir a energia de superfície do substrato, utilizando uma técnica de medição apropriado, tal como um tensiómetro de acordo com o protocolo do fabricante. Para uma boa aderência, a energia de superfície do substrato não deverá exceder a tensão superficial do fluido em mais de 10 - 15 mN / m. Modificar a energia de superfície do substrato, utilizando métodos tais como tratamento de coroa 23, o tratamento por plasma 24 e ataque químico 25, se não é adequada. </li><li> Carregar o substrato na impressora de acordo com o protocolo do fabricante. </li><li> Lave a cabeça de impressão com a tinta através da porta localizada no lado da cabeça para deslocar qualquer ar ou solução de limpeza dentro do reservatório e bicos. </li><li> Insira o cabeçote de impressão para a impressora. Conectar-se a cabeça de impressão com a placa de cabeça personalidade. </li><li> Filtra-se a tinta através do filtro de tamanho correcto apenas antes de carregar para dentro do cartucho para remover grandes agregados de partículas que podem entupir os bocais. ocabeça de impressão utilizada neste trabalho tem bicos com um diâmetro de 40 um (por exemplo, Konica KM512.); Por conseguinte, as tintas não devem conter partículas com um diâmetro superior a 400 nm. Passar as suspensões por meio de uma 5? M, seguido por um filtro de 1,2 uM de fluoreto de polivinilideno (PVDF) para remover quaisquer partículas grandes. </li><li> Coloque a tinta dentro da seringa 150 ml localizado acima da cabeça de impressão, que fornece a tinta na cabeça de impressão. Coloque a tampa hermética no topo da seringa e ligar a bomba de vácuo. </li><li> Purgar a tinta através dos bocais, premindo o botão de &quot;purga&quot; localizada na bomba de vácuo. </li><li> Através do servidor de impressão sistema de informação geográfica (GIS), os parâmetros de forma de onda e impressão de set-up. Note-se que a impressora pode imprimir até uma velocidade de 1,5 metros por segundo, no entanto, para esta tinta uma velocidade de impressão de 0,3 metros por segundo foi encontrado para fornecer o revestimento ideal </li><li> GIS aberta usuário do software de interface e carregar o padrão desejado. </li><li> Print do cartucho carregado de acordo com o protocolo do fabricante. </li><li> Remover o substrato a partir do rolo de impressão e aquecer as películas impressas a 150 ºC durante 30 min, seguido de 250 ° C durante mais 30 min, quer por uma placa de aquecimento ou num forno. </li></ol> 3. Análise dos filmes impressos <ol><li> Usar um microscópio óptico ou um microscópio de varrimento electrónico (SEM) a olhar para a superfície das películas impressas a baixa ampliação (100X) para analisar a morfologia da superfície e na ampliação elevada (35,000X) para analisar a porosidade dos filmes impressos. Verifique se as imagens mostram uma cobertura uniforme, sem rachaduras e boa porosidade. Informações mais detalhadas sobre a operação SEM pode ser encontrada nas seguintes referências 26,27. </li><li> Medir a espessura da camada impressa, usando uma técnica de medição apropriado, tal como um gerador de perfil de superfície de acordo com o protocolo do fabricante. A espessura e porosidade da sagacidade camada de TiO 2Hin DSSCs influenciar a quantidade de corante que pode ser absorvido na superfície das nanoparticulas, que influenciam, por conseguinte, a eficiência global de conversão eléctrica da célula 18. É, portanto, um parâmetro importante para avaliar. Usar um perfilador de superfície (precisão de 1 nm) para medir a espessura das películas impressas. </li><li> Medir a transmitância do filme, utilizando uma técnica de medição apropriado, tal como um espectrofotómetro de ultravioleta-visível (UV-VIS) para determinar a quantidade de luz visível vai transmitir através da película impressa. Use o protocolo do fabricante. </li></ol> 4. Tornar o celular <ol><li> Adicione uma solução de corante por mistura de 20 ml de etanol e 2 mg de corante ruténio num copo de vidro com um agitador magnético, durante 8 h. </li><li> Submergir o vidro revestido TiO2 na solução à TA (20 a 25 ° C) durante 24 horas para permitir que o corante de absorção sobre a superfície das partículas de TiO 2. </li><li> Remover o TiO2 </sub&gt; vidro revestido a partir da solução e coloque sobre papel absorvente para absorver qualquer solução corante em excesso (com o TiO 2 virada para cima para evitar a contaminação). </li><li> Colocar o pré-corte de 60 um de espessura de vedação espaçador termoplástico no topo do vidro condutor, em torno do revestimento de TiO2. </li><li> Coloque a platina revestido contra-eltrodo no topo do pré-corte de 60 um de espessura de vedação espaçador termoplástico de modo a que os lados activos do ânodo e do cátodo estão voltadas uma para a outra. Permitir sobreposição suficiente entre as duas peças de vidro de modo a que um contacto eléctrico podem ser feitos com o vidro condutor. Este deve ter um furo pré-furado no centro a fim de permitir o enchimento do electrólito mais tarde. </li><li> Aquece-se em uma placa quente a uma temperatura de 110 C e aplica uma pressão ligeira com uma pinça sobre a área de vedação do espaçador. Após 30 seg os eletrodos devem ser seladas. </li><li> Preencher a lacuna entre os dois eléctrodos com uma electro iodeto / tri-iodetoLyte em acetonitrilo a uma concentração de 50 mM, por injecção através do furo pré-furado na platina de vidro revestido utilizando uma seringa. </li></ol>

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</ol>

Os autores não têm nada para revelar.

Um desafio particular ao formular tintas é a tendência natural das nanopartículas se agruparem. Estes são conhecidos como agregados ou aglomerados, dependendo da natureza e força das ligações entre as partículas. A energia de simplesmente agitar partículas em água ou aglutinante não é grande o suficiente para superar as forças atrativas de partículas que impedem a quebra de aglomerados. Moagem de bolas, mistura de alto cisalhamento ou ultrassom são comumente usados para quebrar nanopartículas aglomeradas. Vários surfactantes e polímeros aniônicos, não iônicos e catiônicos também podem ser usados para fornecer estabilização a longo prazo. Ao minimizar o número desses aglomerados, uma suspensão de boa qualidade pode ser alcançada. Os fluidos devem ser filtrados através do filtro de tamanho correto antes de serem carregados no cartucho para remover grandes agregados de partículas que podem entupir os bicos.
O tamanho da partícula dentro da camada de TiO2 também demonstrou influenciar a eficiência geral dos DSSCs. A atividade fotocatalítica do dióxido de titânio aumenta à medida que o tamanho das partículas diminui devido a um aumento na área de superfície específica40. Um estudo comparando a eficiência de DSSCs incorporando nanopartículas de TiO2 com 5 tamanhos diferentes variando de 400 nm a 14 nm e descobriu que aqueles com tamanhos de partícula menores resultaram em melhores eficiências de conversão elétrica33.
A impressão a jato de tinta é uma técnica de deposição sem contato capaz de impressão em várias passagens. Isso apresenta a oportunidade única de fabricar rapidamente dispositivos multicamadas em uma operação em uma ampla variedade de substratos com o mínimo de desperdício de material. Também fornece potencialmente uma maneira de integrar outros componentes (como baterias) ao sistema por meio da impressão de materiais funcionais41. Embora os resultados representativos mostrados para os dispositivos impressos a jato de tinta não tenham um desempenho tão bom quanto os dispositivos de lâmina raspada, isso demonstra o potencial da técnica de deposição. Com uma maior otimização da tinta, ele pode funcionar em um nível comparável aos métodos usados atualmente e pode fornecer mais espaço para a integração econômica e ecológica de células fotovoltaicas em uma ampla variedade de substratos. Esperamos melhorar a eficiência dos dispositivos impressos a jato de tinta, aumentando a espessura da camada impressa para mais perto da do TiO2 com lâmina raspada e continuaremos a analisar a impressão de outros materiais e camadas dentro dos DSSCs.

As células solares de silício convencionais são feitas de materiais altamente puros que requerem equipamentos especializados caros e de alto consumo de energia. Essas células de silício convencionais incorporam uma junção pn que requer materiais altamente puros na interface para gerar pares de elétrons-buracos. As células solares sensibilizadas por corante (DSSCs) têm um princípio de funcionamento fundamentalmente diferente, onde a geração de carga ocorre na interface dos materiais. Isso significa que o processamento sob vácuo, temperaturas ultra-altas ou o uso de instalações de sala limpa não são necessários1. Portanto, eles são vistos como uma alternativa potencialmente de baixo custo; no entanto, o aumento de escala de pequenas células de teste de laboratório para grandes protótipos para fabricação industrial envolve a superação de vários problemas, incluindo a rápida padronização de substratos.
A fabricação de eletrônicos geralmente requer um grau de padronização, que é obtido por mascaramento ou remoção seletiva do material após a deposição. Essas etapas podem ser removidas por meio do uso de técnicas de impressão digital "aditivas", como impressão a jato de tinta ou revestimento por spray. A impressão digital é um método promissor para deposição direta de materiais funcionais para dispositivos eletrônicos. A técnica pode ser descrita como impressão de um padrão digital diretamente para uma variedade de substratos2. São métodos sem contato, que não danificam ou contaminam a superfície do substrato e depositam o material apenas onde é necessário, resultando em pouco ou nenhum desperdício3. Essas técnicas foram destacadas como ideais para serem dimensionadas para produção de alto volume3. Como os métodos de impressão digital usam formas líquidas de materiais dispersos em um solvente, é fundamental entender a deposição de tinta para determinar as aplicações da técnica. 
As DSSCs têm três componentes principais: uma camada porosa de material de óxido metálico de banda larga, um corante que cobre as partículas e um "transportador de carga" que se infiltra nos poros dentro da camada porosa do semicondutor. Estes são colocados entre um eletrodo condutor transparente e um contra-eletrodo4. O contra-eletrodo é revestido com um material catalítico para transferência de elétrons, que na maioria dos casos é a platina. Sob iluminação, as moléculas de corante absorverão energia na forma de fótons. As moléculas do corante então ficam excitadas e a separação da carga ocorre na interface do dióxido de titânio e do corante. Os elétrons são ejetados nas partículas de óxido metálico adjacentes e 'buracos' são deixados para trás na molécula de corante. Os elétrons injetados viajam através das partículas de óxido metálico e alcançam o eletrodo condutor transparente. Quando uma carga é conectada, os elétrons se movem para o contra-eletrodo através do circuito externo e são finalmente reunidos com suas contra-cargas através do par redox presente no eletrólito1. A camada de óxido metálico nanoestruturada dentro das DSSCs desempenha um papel crítico no desempenho geral da célula, com a escolha do material, os métodos de processamento e a natureza da estrutura, todos tendo fatoresde influência 5-10. Um dos requisitos mais importantes para o fotoânodo é que ele precisa ter uma área de superfície extremamente grande. Isso é conseguido através da deposição de materiais nanoparticulados, comumente TiO21,11. Isso foi fabricado por inúmeros processos diferentes, no entanto, técnicas de revestimento úmido, como serigrafia e médico, ainda são a abordagem mais popular9,12,13. 
A tecnologia de jato de tinta é uma rota de fabricação potencial para células solares sensibilizadas por corantes. Ele usa o movimento de um cristal piezoelétrico para expelir uma quantidade fixa de líquido através de um bico para o substrato desejado. Este método de deposição permite que o material seja jateado com muita precisão, mas também em alta frequência com uma velocidade de impressão ou taxa de deposição potencialmente alta. A tecnologia de jato de tinta é sensível à viscosidade da tinta usada e isso era anteriormente uma barreira para o desenvolvimento de tintas funcionais. Trabalhos recentes no desenvolvimento de solventes adequados para formulação de tintas ajudaram a aliviar esse problema, e a impressão de componentes eletrônicos usando materiais em camadas 2D, como o grafeno, foi demonstrada14. Descobriu-se que a viscosidade de suspensões de nanopartículas como essas depende do tamanho e da concentração da nanopartícula15. Altas concentrações de nanopartículas resultam em viscosidades mais altas, portanto, as cargas de partículas são geralmente em torno de 10% em peso para evitar bloqueios de bicos16, no entanto, concentrações mais altas foram alcançadas17.
As principais vantagens da tecnologia de jato de tinta incluem ser sem contato, padrão aditivo e sem máscara18. Os dois últimos atributos são devidos à capacidade de posicionar muitos bicos juntos em um ou mais cabeçotes de impressão, com cada bico endereçado separadamente pelo software de controle. Isso permite que padrões altamente complexos e multicamadas sejam criados muito rapidamente à medida que os cabeçotes de impressão se movem pelo substrato. Nenhum mascaramento entre materiais ou camadas é necessário, pois a posição de cada gota de tinta é controlada com precisão, em alguns sistemas com uma precisão de ~ 1,5 μm19. Um dos principais benefícios é que a tecnologia de jato de tinta está madura, com um desenvolvimento significativo realizado na segunda metade do século XX. O resultado é que o jato de tinta é uma tecnologia muito escalável, com sistemas rolo a rolo capazes de imprimir com precisão em substratos flexíveis a taxas de muitos metros por segundo. Tradicionalmente, isso era usado para produção de alto volume, por exemplo, jornais. No entanto, a evolução da tecnologia permitiu que o jato de tinta fosse utilizado na produção rolo a rolo de circuitos eletrónicos utilizando tintas de prata nanoparticuladas20. O jato de tinta é, portanto, um processo atraente para a produção potencial de células solares sensibilizadas por corante por impressão digital.

<table><tbody><tr><td>Dióxido de titânio</td><td>Sigma Aldrich</td><td>718467</td><td></td></tr><tr><td>Água deionizada&nbsp;</td><td></td><td></td><td>Fornecido por um filtro no laboratório</td></tr><tr><td>Ácido clorídrico, 2 M (2 N)&nbsp;</td><td>Fisher Scientific</td><td>J/4250/17</td><td></td></tr><tr><td>Dimetilformamida (DMF)</td><td>Fisher Scientific</td><td>D/3840/08</td><td></td></tr><tr><td>Etanol</td><td>VWR Chemicals</td><td>20721.33</td><td></td></tr><tr><td>Aditivo dispersante&nbsp;</td><td>Air Products</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Agente antiespumante</td><td>Air Products</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Etilenoglicol</td><td>Fluka</td><td>107-21-1</td><td></td></tr><tr><td>Filtro de seringa de fluoreto de polivinilideno (PVDF)</td><td>VWR Detergente de limpeza internacional</td><td></td><td></td></tr><tr><td>&nbsp;</td><td>Fisher Scientific</td><td>10335650</td><td></td></tr><tr><td>Vidro de óxido de estanho dopado com flúor (FTO), 8 &Omega;/sq</td><td>Corante Rutenizador Pilkington</td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td>Solaronix</td><td>21613</td><td></td></tr><tr><td>Pré-cortado 60 &micro; M de espessura Filme de vedação termoplástico&nbsp;</td><td>Solaronix</td><td>74301</td><td></td></tr><tr><td>50 mM Eletrólito de iodeto/tri-iodeto&nbsp; em acetonitrila</td><td>Solaronix</td><td>31111</td><td></td></tr><tr><td>Vidro FTO revestido de platina&nbsp;</td><td>Seringa Solaronix</td><td>74201</td><td></td></tr><tr><td>Vac'n'Fill</td> Fita de poliimida <td>Solaronix</td><td>65209</td><td></td></tr><tr><td>(6,35 mm)</td><td>Onecall Farnell</td><td>1676087</td><td></td></tr></tbody></table>

impressão digital de dióxido de titânio para células solares dye sensibilizados

Digital Printing of Titanium Dioxide for Dye Sensitized Solar Cells

A fabricação de células solares de silício é um processo caro e de alto consumo de energia. Em contraste, a produção de células solares sensibilizadas por corante é menos prejudicial ao meio ambiente, com temperaturas de processamento mais baixas, apresentando uma alternativa viável e de baixo custo à produção convencional. Este artigo aprimora ainda mais essas credenciais ambientais, avaliando a impressão digital e, portanto, a rota de produção aditiva para essas células. Isso é conseguido aqui investigando a formação e o desempenho de um fotoeletrodo de óxido metálico usando dióxido de titânio do tamanho de nanopartículas. Um material jato de tinta foi formulado, caracterizado e impresso com um cabeçote de jato de tinta piezoelétrico para produzir uma camada de 2,6 μm de espessura. A camada impressa resultante foi fabricada em uma célula funcional com uma área ativa de 0,25 cm2 e uma eficiência de conversão de energia de 3,5%. A formulação sem aglutinante resultou em uma temperatura de processamento reduzida de 250 °C, compatível com substratos flexíveis de poliamida que são estáveis até temperaturas de 350 °C. Os autores continuam a desenvolver essa rota de processo, investigando a impressão a jato de tinta de outras camadas dentro de células solares sensibilizadas por corantes.

Uma tinta de TiO 2 foi formulada de acordo com o procedimento delineado. O tamanho de partículas em suspensão no interior da tinta foi medida usando dispersão dinâmica de luz (DLS) e um tamanho de partícula médio de 80 nanómetros (nm) foi observado. A viscosidade da tinta no presente trabalho verificou-se ser de 3 cP, medida usando um viscosímetro rotacional com um adaptador de amostra pequeno e um diâmetro de fuso de 18 mm. A tensão superficial foi medida utilizando um tensiómetro e foi calculado como sendo uma média de 26 mN / m. A energia de superfície do vidro FTO foi calculada de acordo com a Norma Europeia EN 828 para determinar a molhabilidade de uma superfície sólida através da medição do ângulo de contacto e a energia livre de superfície. Dez gotas de três diferentes líquidos (água, etilenoglicol e di-iodometano) foram distribuídos sobre uma superfície plana de teste peça. Para cada queda, o ângulo de contato esquerda e direita foram MEASUREd. A partir dos ângulos de contacto médios de cada líquido combinada com a sua tensão superficial, a energia livre de superfície da peça de ensaio é calculado. O método Fowkes calcula a energia de superfície total (γ) a partir da soma das contribuições das interações dispersivas (γd) e interações γnon dispersivo (γp). Este método resultou num energia livre de superfície de 26,45 mN / m, para o vidro revestido FTO. A impressão foi realizada de acordo com o procedimento acima para produzir 5 mm quadrados. A espessura da camada impressa sobre o vidro foi medida utilizando um perfilador de superfície. A espessura máxima no centro da camada impressa foi medido como sendo de 2,6 uM. A transmitância do vidro revestido foi medida utilizando um espectrómetro de UV-VIS. Num comprimento de onda de 700 nm, uma transmitância de 60% ​​foi medido para o filme impresso de TiO 2, em comparação com 78% para o vidro FTO. <p class="jove_content" fo:keep-together.within-páginas = &quot;1&quot;&gt; dispositivos fotovoltaicos foram produzidos de acordo com o contorno procedimento acima e caracterizadas imediatamente após a fabricação para minimizar o efeito da degradação provocada pela água e o oxigénio no ar. Há cinco parâmetros de desempenho elétricos que são usados ​​para caracterizar e comparar células solares 28. Os valores de corrente de curto circuito (I SC) e tensão de circuito aberto (V OC) pode ser derivada a partir da corrente-tensão (IV) curva. Estes podem então ser utilizados para determinar o factor de enchimento (FF) e a eficiência de conversão de energia (η). O FF dá uma proporção das células de saída de potência máxima real para o produto da tensão de circuito aberto e de corrente de curto-circuito 29. Este é um parâmetro chave na avaliação do desempenho de células solares. A alta FF significa baixas perdas eletroquímicos, enquanto um baixo FF indica que há espaço para melhorias. Vários factores são conhecidos por influenciar o FF incluindo a qualidade e a interface de camadas no interior da célula. DSSCs incorporando um par redox iodeto / triiodide com eficiências recorde de relatório de 11,9% factores de 0,71 30 preencher. Todos estes parâmetros devem ser determinados sob condições de teste padrão, onde a temperatura do dispositivo é 25 C, distribuição de irradiância espectral da luz tem uma massa de ar de 1,5, irradiância total medido (E m) na célula solar é de 100 mW / cm 2. Máximo teórico para a eficiência de conversão para uma única célula junção pn tem sido amplamente relatado como 37,7% 31, no entanto, para DSSCs tem sido relatado que a eficiência máxima está mais perto de 15,1% com um início de absorção a 920 nm de 32. A corrente de saída e as tensões foram medidas usando um medidor de fonte, enquanto as células foram iluminadas com uma fonte cm2 a 100 mW / luz equipado com um filtro para igualar a distribuição da irradiância espectral com uma massa de ar de 1,5. Os resultados foram comparados com uma célulaproduzido usando uma camada de TiO 2 médico de lâmina utilizando uma pasta comercialmente disponível que tem uma mistura de anatase partículas de 20 nm e 450 nm. A camada impressa tinha uma área de 0,25 cm2 e uma espessura média de 18 uM, que foi medida utilizando um perfilador de superfície. Uma comparação do desempenho fotoeléctrica entre os dois dispositivos é mostrada na Figura 1 e Tabela 1. Vários estudos investigaram a relação entre a espessura da camada de TiO 2 e a eficiência de conversão dentro DSSCs. Os resultados variam de forma significativa, com espessura do filme óptima relatada em qualquer lugar entre 9,5 uM e 20 uM 33-39. A Tabela 1 descreve as espessuras das camadas de TiO 2 impressos e as eficiências. A espessura do jacto de tinta impressa de TiO 2 é significativamente menor do que o médico laminado de TiO 2, resultandonuma eficiência mais baixa. Trabalho futuro será investigado o uso de ligantes orgânicos, na formulação de tinta para aumentar a espessura da camada de jacto de tinta impressos. <img alt="figura 1" src="/files/ftp_upload/53963/53963fig1.jpg" /> Figura 1. Curvas de Desempenho de DSSCs com jato de tinta impressa e Doutor Bladed TiO 2 camadas. Curvas de densidade de corrente / tensão para DSSCs incorporam um jato de tinta impressa TiO 2 camada e uma camada de TiO 2 médico de lâmina. A densidade de corrente de curto-circuito no dispositivo com o jato de tinta impressa TiO 2 camada é significativamente menor do que o dispositivo com o médico lâmina camada de TiO 2, resultando em uma menor eficiência de conversão global. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53963/53963fig1large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <table><tbody><tr><tdrowspan = &quot;3&quot;&gt; </td><td> corrente de curto circuito </td><td> Voltagem de circuito aberto </td><td rowspan="3"> Fator de preenchimento </td><td> Eficiência </td><td> Espessura </td></tr><tr><td> (mA / cm 2) </td><td> (MV) </td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td> (%) </td><td> (Mm) </td></tr><tr><td> Inkjet impresso </td><td> 9,42 </td><td> 760 </td><td> 0,49 </td><td> 3,5 </td><td> 2.6 </td></tr><tr><td> Doutor laminado </td><td> 11 </td><td> 756 </td><td> 0.58 </td><td> 4.8 </td><td> 18 </td></tr></tbody></table> Tabela 1. Características chave de desempenho das células na Figura 1. Esta tabela compara os parâmetros-chave da célula solar, incluindo tensão de circuito aberto (V OC), a corrente de curto-circuito (I sc) que determinam a eficiência (η) sob a luz especificada condição são apresentados. Os parâmetros Scélula fa produzido usando uma camada de TiO 2 médico lâminas foram também incluídos para comparação. Os fatores de enchimento (FF) de ambos os dispositivos são bastante baixa, o que é geralmente atribuído a uma elevada resistência interna dentro da célula.

Este artigo investiga a adequação da impressão a jato de tinta para a fabricação de células solares sensibilizadas por corantes. Uma tinta de nanopartículas de TiO2 sem aglutinante foi formulada e impressa em um substrato de vidro FTO. A camada impressa foi fabricada em uma célula com área ativa de 0,25cm2 e eficiência de 3,5%.

Impressão digital de dióxido de titânio para células solares Dye sensibilizados

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

O objetivo geral deste experimento é formular, caracterizar e medir o desempenho de tintas de Dióxido de Titânio em camadas impressas. A viabilidade da impressão por jato de tinta para a produção de células solares sensibilizadas por corante também foi investigada. A impressão por jato de tinta pode ser usada para depositar uma ampla gama de materiais funcionais a partir de uma imagem digital.A principal vantagem dessa técnica é a capacidade de fabricar padrões sobre um substrato. O desenvolvimento de tintas contendo materiais funcionais permite o projeto de dispositivos eletrônicos complexos, como células solares sensibilizadas por corante, que podem ser produzidos usando esta técnica. A impressão jato de tinta pode potencialmente depositar várias camadas de material dentro de uma única operação unitária para produzir um dispositivo completo.A demonstração visual deste método é fundamental, pois a reologia da tinta e os parâmetros de impressão podem influenciar fortemente a qualidade das estruturas impressas. Ao meu lado, durante a demonstração do procedimento, estará Iulia Salaoru, especialista atuante na área da fabricação aditiva. Para iniciar o processo de formulação da tinta, adicione primeiro 32 gramas de uma solução aquosa 0,1 milimolar de ácido clorídrico a oito gramas de um solvente compatível, como a dimetilformamida.Em seguida, adicione 1,5 gramas de uma solução aquosa a 45% de glicol propilênico, Tetrametil-5-Decin-4,7-Diol e álcool etoxilado, para atuar como aditivo dispersante. Para evitar que a tinta seque nos bicos de impressão, adicione 10 gramas de glicol etilênico à mistura para atuar como um umectante. Continue adicionando 0,5 gramas de um agente antiespumante, uma solução a 20% de diol acetilênico e metoxipolietileno glicol, para evitar o desenvolvimento de bolhas de ar.Posteriormente, teste a tinta agitando manualmente uma alíquota em um recipiente fechado durante 60 segundos. Se alguma espuma for observada, adicione mais 0,5 gramas do agente antiespumante à tinta. Após o teste de agitação, agite a solução da tinta por oito horas à temperatura ambiente com um agitador magnético, para garantir a homogeneidade.Em seguida, adicione a solução a 1,5 gramas de nanopartículas de dióxido de titânio. Complete a formulação da tinta por meio da sonicação durante 15 minutos, utilizando uma sonda de ultrassom. Antes de iniciar a impressão, mergulhe os substratos de vidro em uma solução de detergente de limpeza a dois por cento em peso em água desionizada por 24 horas.Remova os substratos e enxágue completamente com água desionizada antes do uso. Antes de carregar a tinta na cartucho e no cabeçote de impressão, filtre-a através de um filtro de fluoreto de polivinilideno de cinco micrômetros, seguido por um filtro de 1,2 micrômetro, para remover quaisquer partículas grandes que possam entupir os bicos. Passe tinta pelo cabeçote de impressão através da porta localizada em seu lado, para deslocar qualquer ar ou solução de limpeza remanescente no reservatório ou nos bicos.Insira o cabeçote de impressão na impressora e conecte-o à placa de personalidade do cabeçote. Em seguida, carregue a tinta na seringa de 150 mililitros, localizada acima do cabeçote de impressão, e feche-a fixando uma tampa hermética na parte superior da seringa. Depois disso, carregue o substrato de vidro na impressora, de acordo com as instruções do fabricante.Ligue a bomba de vácuo acoplada e remova a tinta através dos bicos de impressão pressionando o botão de purga localizado na bomba de vácuo. Usando o software GIS no computador da impressora, conecte-se ao servidor de impressão e configure a forma de onda e os parâmetros de impressão. Selecione e carregue o padrão desejado e, em seguida, imprima-o sobre o substrato de vidro, de acordo com as instruções do fabricante.Para concluir o processo, remova o substrato e aqueça o filme impresso em uma placa aquecida. Usando um cortador de vidro de diamante, corte ao redor da área impressa para obter um pedaço menor, com aproximadamente 20 milímetros quadrados. Para iniciar a fabricação da célula solar sensibilizada por corante, prepare uma solução de corante misturando 20 mililitros de etanol e dois miligramas de corante de rutênio em um béquer de vidro durante oito horas.Em seguida, mergulhe o vidro revestido com dióxido de titânio na solução de corante, à temperatura ambiente por 24 horas, para permitir que o corante seja absorvido na superfície das partículas de dióxido de titânio. Remova o vidro da solução e coloque o lado revestido voltado para cima sobre papel-toalha. Posteriormente, coloque um espaçador selante térmico pré-cortado com espessura de 60 micrômetros sobre o vidro condutor, ao redor do revestimento de dióxido de titânio.Coloque um eletrodo contraplaca revestido com platina, com um orifício pré-perfurado no centro, sobre o espaçador de vedação termoplástico, de modo que ambas as faces ativas fiquem voltadas uma para a outra e haja sobreposição suficiente para que o contato elétrico possa ser estabelecido. Aqueça a célula em uma placa aquecedora a 110 graus Celsius e aplique leve pressão com pinças sobre a área deste espaçador de vedação durante 30 segundos para selar os eletrodos juntos.Manufactura completa da célula mediante injeção de eletrólito de iodeto triiodeto 50 milimolar em acetonitrila no orifício pré-perfurado, para preencher a lacuna entre os dois eletrodos. O tamanho médio das partículas de dióxido de titânio na tinta foi medido por espalhamento dinâmico de luz. Observou-se um tamanho médio geral de 80 nanômetros, bem dentro do requisito de ser 100 vezes menor que a abertura do bico de impressão de 40 micrômetros.As curvas de densidade de corrente e tensão foram obtidas para células solares sensibilizadas por corante (DSSC) impressas por jato de tinta e células comerciais fabricadas com lâmina de deposição, sob condições idênticas de iluminação. A densidade de corrente de curto-circuito para a célula impressa por jato de tinta é significativamente menor do que a da célula fabricada com lâmina de deposição, indicando uma eficiência de conversão mais baixa. Os parâmetros principais para as células impressas por jato de tinta e as fabricadas com lâmina de deposição são a tensão de circuito aberto e a corrente de curto-circuito.Esses dois parâmetros foram utilizados para calcular a eficiência da célula. A espessura da camada de dióxido de titânio impressa por jato de tinta, medida utilizando um perfilômetro de superfície, foi de 2,6 micrômetros, significativamente menor do que a técnica de laminação de 18 micrômetros. Isso resulta em uma eficiência mais baixa para a célula impressa por jato de tinta de 3,5%. O fator de preenchimento, tanto para as células impressas por jato de tinta quanto para as laminadas, foi baixo.Isso indica uma alta resistência interna dentro das células e espaço para melhoria em ambos os projetos. Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como criar uma tinta de nanopartículas, utilizar técnicas de impressão digital para depositar uma camada de nanopartículas de dióxido de titânio e fabricar células solares sensibilizadas por corante. Os trabalhos em andamento estão focados em estender essas abordagens para melhorar o desempenho de dispositivos impressos e avaliar como diferentes materiais podem ser incorporados em camadas impressas adicionais.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Engenharia

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Uma célula solar sensibilizada de tinta foi solizada por RTILs; usando potenciais empíricos otimizados, uma simulação de dinâmica molecular foi aplicada para calcular propriedades vibracionais. Os espectros vibracionais obtidos foram comparados com experimentos e dinâmicamolecular ab initio; vários espectros potenciais empíricos empíricos mostram como a parametrização parcial da carga do líquido iônico afeta a previsão de espectro spectra vibracional.

Espectro vibracional de uma interface N719-Cromosforre/Titania da Simulação Empírica-Potencial de Dinâmica Molecular, solvated por um líquido iônico de temperatura ambiente

Aprenda a fabricar células solares sensibilizadas por corante usando impressão inkjet de tinta de nanopartículas de TiO₂ sem ligante. Este método demonstra viabilidade para dispositivos fotovoltaicos impressos com eficiência de 3,5%.

Impressão digital de dióxido de titânio para células solares Dye sensibilizados

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