Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Электропереработка фотокаталитических электродов для сенсибилизированных красителем солнечных элементов

9K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/55309

⸱

28 июня 2017 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

Общая цель этого проекта состояла в том, чтобы использовать электроспиннинг для изготовления фотоанода с улучшенными характеристиками для чувствительных к красителю солнечных элементов.

Аннотация

Эта работа демонстрирует протокол для изготовления фотоанода на основе волокон для чувствительных к красителю солнечных элементов, состоящего из светоизлучающего слоя, изготовленного из нанотрубок из диоксида титана диоксида титана (TiO 2 -NFs) поверх блокирующего слоя, изготовленного из коммерчески доступного диоксида титана Наночастицы (TiO 2 -NPs). Это достигается за счет первого электропровождения раствора титанового (IV) бутоксида, поливинилпирролидона (ПВП) и ледяной уксусной кислоты в этаноле для получения композитных нановолокон PVP / TiO 2 . Затем их кальцинируют при 500 ° С для удаления ПВП и получения нанофабрикатов из оксида титана чистой анатазы. Этот материал характеризуется с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) и порошковой рентгеновской дифракции (XRD). Фотоанод готовят, сначала создавая блокирующий слой путем осаждения суспензии TiO 2 -NPs / терпинеола на стеклянном слайде из оксида олова (FTO), легированного фтором, с использованием методов лопасти врача. Последующая термическая обработкаПри 500 ° С. Затем рассеивающий свет слой образуется путем осаждения суспензии TiO 2 -NFs / терпинеола на том же слайде с использованием той же методики и последующего прокаливания при 500 ° C. Производительность фотоанода проверяется путем изготовления солнечного элемента сенсибилизированной красителем и измерения его эффективности с помощью кривых СП в диапазоне падающих световых плотностей от 0,25 до 1,5.

Введение

Сенсибилизированные красителем солнечные элементы (DSSC) представляют собой интересную альтернативу солнечным элементам на основе кремния 1 благодаря их недорогому, относительно простому производственному процессу и простоте крупномасштабного производства. Другим преимуществом является их потенциал для включения в гибкие подложки, что является несомненным преимуществом перед солнечными батареями на основе кремния 2 . Типичный DSSC использует: (1) фотонанод наночастиц TiO 2 , сенсибилизированный красителем, в качестве светоуплотняющего слоя; (2) PTO-покрытый FTO, используемый в качестве противоэлектрода; И (3) электролит, содержащий окислительно-восстановительную пару, такую ​​как I - / I 3 - , помещенный между двумя электродами, работающий как «дыропроводящая среда».

Несмотря на то, что DSSC превосходят эффективность 15% 3 , производительность фотонаносов на основе наночастиц все еще затруднена рядом ограничений, в том числе медленной подвижкой электроновY 4 , плохое поглощение низкоэнергетических фотонов 5 и рекомбинация заряда 6 . Эффективность электронного сбора сильно зависит от скорости переноса электронов через слой наночастиц TiO 2 . Если диффузия заряда медленная, вероятность рекомбинации с I 3 - в растворе электролита возрастает, что приводит к потере эффективности.

Было показано, что замена наночастиц TiO 2 на одномерные (1D) наноархитектуры TiO 2 может улучшить перенос заряда за счет уменьшения рассеяния свободных электронов на границах зерен связанных между собой наночастиц TiO 2 . Поскольку 1D наноструктуры обеспечивают более прямой путь для сбора заряда, можно ожидать, что перенос электронов в нановолокнах (NFs) будет значительно быстрее, чем в наночастицах 8 , 9 .

Электроспиннинг является одним из наиболее часто используемых способов изготовления волокнистых материалов с субмикронным диаметром 10 . Этот метод включает использование высокого напряжения для индуцирования выброса струи раствора полимера через фильеру. Из-за неустойчивости при изгибе эта струя затем растягивается много раз, образуя сплошные нановолокна. В последние годы этот метод широко используется для изготовления полимерных и неорганических материалов, которые использовались для многочисленных и разнообразных применений, таких как тканевая инженерия 11 , катализ 12 и в качестве электродных материалов для литиево-ионных батарей 13 и суперконденсаторов 14 .

Использование электроптана TiO 2 -NFs в качестве рассеивающего слоя в фотоаноде может повысить производительность DSSC. Однако фотоаноды с нанофиброНаша архитектура имеет тенденцию к плохому поглощению красителя из-за ограничений площади поверхности. Одним из возможных решений для преодоления этого является смешивание NF и наночастиц. Это, как было показано, приводит к дополнительным рассеивающим слоям, улучшая поглощение света и общую эффективность 15 .

Протокол, представленный в этом видео, представляет собой легкий метод синтеза ультранизких нановолокон TiO 2 посредством сочетания электроспиннинга и золь-гель-технологий с последующим процессом прокаливания. Затем протокол иллюстрирует использование TiO 2 -NF в комбинации с наночастицами TiO 2 для изготовления двухслойного фотоанода с улучшенной способностью рассеивания света с использованием методов лопасти врача, а также последующую сборку DSSC с использованием такой фотоанод.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Подготовка раствора-предшественника

ПРИМЕЧАНИЕ. Перед использованием проконсультируйтесь со всеми листами данных о безопасности материалов (MSDS). Некоторые из химических веществ, используемых в этой процедуре, являются вредными и / или токсичными для человека. Наноматериалы могут обладать дополнительными опасностями по сравнению с их массовым контрагентом. Пожалуйста, используйте соответствующие меры безопасности и средства индивидуальной защиты.

  1. Поместите 5 г титанового (IV) н-бутоксида, 1 г поливинилпирролидона (ПВП), 1 мл ледяной уксусной кислоты и 10 мл абсолютного этанола в пробирку для образца.
  2. Используйте магнитную мешалку для смешивания раствора до тех пор, пока он не станет однородным, и пузырьки не будут наблюдаться.

2. Электроспиннинг и кальцинирование нановолокон

  1. Подготовьте иглу, используемую для электроискрового процесса, отрезая кончик иглы 21 G и отшлифовав ее, используя наждачную бумагу умеренного качества, до тех пор, пока наконечник не станет полностью плоским.
  2. Устанавливать необходимостьLe на одноразовый шприц объемом 10 мл.
  3. Загрузите часть раствора-предшественника в шприц и поместите его на шприцевой насос.
  4. Оберните коллекционную пластину в алюминиевой фольге и поместите ее непосредственно перед наконечником иглы.
    ПРИМЕЧАНИЕ. Расстояние от иглы до пластины должно составлять 20 см.
  5. Подключите пластину коллектора к земле и игле к высоковольтному источнику питания.
  6. Поместите защитный экран вокруг установки.
  7. Установите скорость потока на шприцевом насосе до 1 мл / ч и начните прокачку.
  8. Как только какое-то решение появится на кончике иглы, включите источник высокого напряжения и установите его на 15 кВ.
    ПРИМЕЧАНИЕ. На этом этапе волокна собираются на пластину. Установку следует продолжать работать до тех пор, пока это необходимо для достижения желаемой толщины волокнистого мата.
  9. После завершения формования выключите высоковольтный источник и шприцевой насос. Снимите фольгу с пластины коллектора.
  10. Пусть волокна остываютА затем очистить их от алюминиевой фольги.
  11. Поместите отшелушенные волокна в тигль и поместите их в муфельную печь.
  12. Вычислите волокна, установив температурную рампу от 5 ° / мин до 500 ° C и удерживая в течение 2 часов для удаления PVP и получения чистых нановолокон TiO 2 .
  13. Как только процесс прокаливания будет завершен, оставьте печь закрытой до тех пор, пока температура не станет ниже 80 ° C, чтобы избежать любого теплового удара, который может повредить волокна.

3. Изготовление электродов

  1. Приготовление суспензий
    1. Добавьте 500 мг пасты диоксида титана в 20 мл этанола в круглодонную колбу.
    2. В отдельной колбе смешать 500 мг электроптана TiO 2 -NF с еще 20 мл этанола.
    3. Сонатируйте растворы в течение 2 часов с помощью ультразвука для ванны.
    4. После получения однородных смесей добавьте 2 мл терпинеола в каждую колбу и обработайте ультразвукомДругие 15 мин.
    5. Выпаривают растворитель из обеих колб с помощью роторного испарителя для получения суспензий.
  2. Вращение и спекание врача
    1. Используя режущий инструмент из алмазного стекла, разрежьте FTO-проводящее стекло на квадрат 2 см x 2 см.
    2. Закрепите FTO-ползунок на рабочей области, поместив клейкую ленту на предметное стекло, оставив в центре площадь 0,4 см 2 . Чтобы избежать нерегулярного покрытия, сначала поместите ленту на две параллельные стороны, а затем на две другие.
    3. Нанесите несколько капель суспензии TiO 2 -NP на открытый центр слайда.
    4. Используйте лезвие бритвы, чтобы равномерно распределить суспензию над открытой областью.
    5. После достижения равномерного покрытия осторожно удалите клейкую ленту.
    6. Поместите скелет с покрытием в печь и агломерат при 500 ° C в течение 2 часов.
    7. Повторите шаги 3.2.2-3.2.6 на одном и том же FTO-слайде, на этот раз используя суспензию TiO 2 -NF вместоНаночастиц, чтобы получить фотоанод.

4. Характеристика НФ

  1. SEM-характеристика
    1. Подготовьте образец для SEM, прикрепляя ленту клейкой углеродной ленты к заглушке микроскопа. Осторожно поместите небольшое количество нановолокон на ленту.
    2. Установите заглушку на держатель образца и загрузите его в камеру обмена инструмента.
    3. Настройте условия и параметры прибора: установите ускоряющее напряжение до 20 кВ и рабочее расстояние до 10 мм.
    4. Соберите изображения образца, убедившись, что они отображают общую морфологию материала.
  2. XRD-характеристика
    1. Мягко размалывайте несколько нановолокон в мелкий порошок и равномерно распределяйте их на стадии XRD.
    2. Загрузите образец в дифрактометр.
    3. Настройте параметры сбора: используйте начальный угол 10 °, угол конца 80 °,Шаг шага 0,015 °.
    4. Начните получение данных XRD.

5. Изготовление солнечных батарей

  1. Обработать фотоанод водным раствором TiCl 4 при 75 ° C в течение 45 минут. После обработки промыть его деионизированной водой и высушить.
  2. Сенсибилизировать фотоанод, погрузив его в 0,5-мМ раствор рутениевого красителя N719 в абсолютном этаноле в течение 24 часов в темных условиях.
  3. Поместите лист герметизирующей пленки поверх сенсибилизированного фотоанода, чтобы служить в качестве термопластичной прокладки между фотоанодом и противоэлектродом.
  4. Поместите противотод FTO с покрытием Pt с предварительно просверленным отверстием в центре, поверх уплотнительной пленки, так что обе стороны обращены друг к другу.
  5. Нагреть собранную ячейку до 100 ° С в течение 15 мин для герметизации прокладки.
  6. Депонируйте несколько капель окислительно-восстановительного медиатора, состоящего из раствора 1-пропил-3-метилимидазолиевого йодида (0,8 М), йода (0,1 М)И бензимидазола (0,3 М) в 3-метоксипропионитриле, поверх предварительно просверленного отверстия противоэлектрода.
  7. Поместите ячейку в вакуумный эксикатор, чтобы редокс-посредник заполнил внутреннее пространство собранной ячейки.

6. Характеристика кривых JV

  1. Приобретите кривые СП с использованием цифрового измерителя источника света при освещенности 100 мВт / см 2 от источника ксеноновой дуги, прошедшего через фильтр AM1.5G.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Нановолокни TiO 2 были охарактеризованы с использованием SEM, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) и XRD. Наноструктура фотоанода характеризовалась с использованием SEM. Производительность собранного DSSC была протестирована с использованием солнечного симулятора и блока измерения источника.

Изображение SEM на фиг. 1А показывает, что нановолокон, синтезированных с использов...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Методы, представленные в этой работе, описывают изготовление эффективных нановолоконных фотоанодов для фотокаталитических устройств, таких как DSSC. Электроспиннинг - очень универсальный метод изготовления нановолокон, но для получения материалов с оптимальными морфологиями требуется определенный уровень мастерства и знаний. Одним из наиболее важных аспектов получения хороших нановолокон является приготовление раствора предшественника: существуют некоторые ключевые факторы, такие как концентрация полимера-носителя и выб...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

У авторов нет подтверждений.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
титан(IV) н-бутоксидSigma-Aldrich244112
поливинилпирролидонSigma-Aldrich437190
ледяная уксусная кислотаSigma-AldrichA6283
Этанол, абсолютныйFisher ScientificE/0650DF/17
20 мл Флаконы с образцом(любой)(или больший объем)
одноразовая игла 21G(любая)
P150 зернистая наждачная бумага(любой)
одноразовый шприц 10 мл(любой)(или большего объема)
магнитная мешалка + мешалка(любой)
Шприцевой насос PHD 2000Harvard Apparatus71-2002(или любой другой шприцевой насос, способный выдавать поток 1 мл/ч
алюминия фольга(любая)
Коллекторная пластина из нержавеющей стали(изготовлена по индивидуальному заказу)
Источник питаниявысокого напряжения Gamma High Voltage Research, IncES30P-10W(или любой другой источник питания, способный выдавать
защитный экран из поликарбоната(изготовлен по индивидуальному заказу)
Керамический тигель(любой)
Муфель печь(любая)
Диоксид титана, нанопорошокSigma-Aldrich718467
50 мл колбы с круглым дном с 1 горлышком(любой)
Ультразвуковая ванналюбой)
ТерпинеолSigma-Aldrich
Ротационный испаритель(любой)
FTO стеклоSolaronixTCO30-10/LI
Клейкая лента(любая)
лезвие бритвы(любое)
SEMJEOL6500F
XRDPANalytical X'pert Pro
Титан ТетрахлоридSigma-Aldrich89545
Ruthenizer  535-bisTBASolaronixN719
герметизирующая пленкаDyesolMeltonix 1170-25
Pt-покрытие FTOSolaronixTCO30-10/LI
1-пропил-3-метилимидазолия йодидSigma-Aldrich49637
ЙодSigma-Aldrich207772
бензимидазолSigma-Aldrich194123
3-метоксипропионитрилSigma-Aldrich65290
Цифровой источник-измерительKeithley2400
Solar SimulatorAbet technologies10500
+15 кВ (

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Нановолокна диоксида титанаизготовление фотоанодасканирующая электронная микроскопиярентгеновская дифракцияметод доктора-блейдингатермическая обработкаанализ вольт-амперных характеристикподложка из стекла с покрытием FTO
Электропереработка фотокаталитических электродов для сенсибилизированных красителем солнечных элементов
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.