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Engineering

Electrospinning de electrodos fotocatalíticos para células solares sensibilizadas por tinte

Published: June 28, 2017 doi: 10.3791/55309

Summary

El objetivo general de este proyecto fue el uso de electrospinning para fabricar un fotoanodo con un rendimiento mejorado para las células solares sensibilizadas por colorantes.

Abstract

Este trabajo demuestra un protocolo para fabricar un fotoanodo basado en fibra para células solares sensibilizadas por colorante, que consiste en una capa de dispersión de luz hecha de nanofibras de dióxido de titanio (TiO2 - NF) electrospun sobre una capa de bloqueo de dióxido de titanio comercialmente disponible Nanopartículas (TiO $ $ -NPs). Esto se logra por primera electrospinning una solución de butóxido de titanio (IV), polivinilpirrolidona (PVP), y ácido acético glacial en etanol para obtener compuestos nanofibras PVP / TiO 2 . A continuación se calcinan a 500 ◦ C para retirar la PVP y obtener nanofibras de titania en fase anatásica pura. Este material se caracteriza por microscopía electrónica de barrido (SEM) y difracción de rayos X de polvo (XRD). El fotoanodo se prepara creando primero una capa de bloqueo a través de la deposición de una suspensión de TiO $ $ -NPs / terpineol sobre una lámina de vidrio de óxido de estaño dopado con flúor (FTO) usando técnicas de raspado médico. Un tratamiento térmico posteriorSe realiza a 500 ° C. Entonces, la capa de dispersión de luz se forma depositando una suspensión de TiO2 - NFs / terpineol en la misma diapositiva, usando la misma técnica, y calcinando de nuevo a 500 ° C. El rendimiento del fotoanodo se prueba fabricando una célula solar sensibilizada por colorante y midiendo su eficiencia a través de curvas JV bajo una gama de densidades de luz incidente, de 0,25-1 Sun.

Introduction

Las células solares sensibilizadas por colorantes (DSSCs) son una interesante alternativa a las células solares basadas en silicio 1 gracias a su bajo costo, proceso de fabricación relativamente sencillo y facilidad de producción a gran escala. Otro beneficio es su potencial para ser incorporados en sustratos flexibles, una clara ventaja sobre las células solares basadas en silicio 2 . Un DSSC típico utiliza: (1) un fotoanodo de TiO2 nanoparticulado, sensibilizado con un tinte, como una capa de recolección de luz; (2) un FTO recubierto de Pt, utilizado como un contraelectrodo; Y (3) un electrolito que contiene una pareja redox, tal como I - / I3 - , colocado entre los dos electrodos, que funciona como un "medio de conducción de orificios".

A pesar de DSSCs han superado las eficiencias de 15% 3 , el rendimiento de nanopartículas a base de fotoanodos sigue siendo todavía obstaculizada por una serie de limitaciones, incluyendo movilidad de electrones lentosY 4 , mala absorción de fotones de baja energía 5 , y la carga de recombinación [ 6] . La eficacia de la recolección de electrones depende en gran medida de la velocidad de transporte de electrones a través de la capa de nanopartículas de TiO2. Si la difusión de carga es lenta, aumenta la probabilidad de recombinación con I3 - en la solución electrolítica, resultando en una pérdida de eficiencia.

Se ha demostrado que la sustitución de TiO 2 nanoparticulado con nano-arquitecturas unidimensionales de TiO 2 (1D) puede mejorar el transporte de carga reduciendo la dispersión de electrones libres de los límites de grano de las nanopartículas de TiO 2 interconectadas 7 . Como las nanoestructuras 1D proporcionan una vía más directa para la recolección de carga, podemos esperar que el transporte de electrones en las nanofibras (NF) sea significativamente más rápido que en las nanopartículas 8 , 9 .

Electrospinning es uno de los métodos más comúnmente utilizados para la fabricación de materiales fibrosos con diámetros sub-micrométricos 10 . Esta técnica implica el uso de alto voltaje para inducir la expulsión de un chorro de solución de polímero a través de una hilera. Debido a la inestabilidad de flexión, este chorro se estira posteriormente muchas veces para formar nanofibras continuas. En los últimos años, esta técnica se ha utilizado ampliamente para fabricar materiales poliméricos e inorgánicos, que se han utilizado para numerosas y diversas aplicaciones, tales como ingeniería de tejidos 11 , catálisis 12 y como materiales de electrodo para baterías de ion de litio 13 y supercondensadores 14 .

El uso de TiO2 - NF de electrospun como capa de dispersión en el fotoanodo puede incrementar el rendimiento de los DSSC. Sin embargo, los fotoanodos con nanofibroLas arquitecturas tienden a tener una pobre absorción del color debido a las limitaciones de superficie. Una de las soluciones posibles para superar esto es mezclar NFs y nanopartículas. Se ha demostrado que esto da como resultado capas de dispersión adicionales, mejorando la absorción de la luz y la eficiencia global 15 .

El protocolo presentado en este video proporciona un método fácil para sintetizar ultralong TiO 2 nanofibers a través de una combinación de electrospinning y sol-gel técnicas, seguido de un proceso de calcinación. El protocolo ilustra entonces el uso de TiO2 - NFs en combinación con TiO2 nanoparticulado para la fabricación de un fotoanodo de doble capa con capacidad mejorada de dispersión de la luz utilizando técnicas de raspado médico, ası como el subsiguiente ensamblaje de un DSSC usando tal Fotoanodo

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Protocol

1. Preparación de la solución precursora

NOTA: Por favor, consulte todas las hojas de datos de seguridad del material (MSDS) antes de usar. Varios de los productos químicos utilizados en este procedimiento son dañinos y / o tóxicos para los seres humanos. Los nanomateriales pueden tener peligros adicionales en comparación con su contrapartida a granel. Utilice las medidas de seguridad y el equipo de protección personal adecuados.

  1. Colocar 5 g de n-butóxido de titanio (IV), 1 g de polivinilpirrolidona (PVP), 1 ml de ácido acético glacial y 10 ml de etanol absoluto en un vial de muestra.
  2. Utilice una placa de agitación magnética para mezclar la solución hasta que se haya homogeneizado y no se puedan observar burbujas.

2. Electrospinning y Calcinación de las Nanofibras

  1. Prepare la aguja usada para el proceso de electrospinning cortando la punta de una aguja de 21 G y lijándola con papel de lija de grado moderado hasta que la punta esté completamente plana.
  2. Monte la necesidadLe en una jeringa desechable de 10 ml.
  3. Cargue parte de la solución precursora en la jeringa y colóquela en la bomba de la jeringa.
  4. Envuelva la placa colectora en papel de aluminio y colóquela directamente en frente de la punta de la aguja.
    NOTA: La distancia entre la aguja y la placa debe ser de 20 cm.
  5. Conecte la placa colectora al suelo y la aguja a la fuente de alimentación de alto voltaje.
  6. Coloque el protector alrededor de la instalación.
  7. Ajuste el caudal de la bomba de la jeringa a 1 mL / h e inicie el bombeo.
  8. Tan pronto como aparece alguna solución en la punta de la aguja, encienda la fuente de alta tensión y póngala a 15 kV.
    NOTA: En este punto, las fibras se van a recoger en la placa. La configuración se deja en funcionamiento durante el tiempo que sea necesario para conseguir el espesor deseado de la estera de fibra.
  9. Una vez finalizada la centrifugación, apague la fuente de alta tensión y la bomba de jeringa. Retire la lámina de la placa colectora.
  10. Deje reposar las fibrasVernight y luego pelarlos de la hoja de aluminio.
  11. Coloque las fibras peladas en un crisol y colóquelas en un horno de mufla.
  12. Calcinar las fibras mediante el establecimiento de una rampa de temperatura de 5 ° / min hasta 500 ° C y mantener durante 2 h para eliminar la PVP y para producir nanofibras de TiO 2 puro.
  13. Una vez terminado el proceso de calcinación, deje el horno cerrado hasta que la temperatura alcance menos de 80 ° C para evitar cualquier choque térmico que pueda dañar las fibras.

3. Fabricación de electrodos

  1. Preparación de las suspensiones
    1. Añadir 500 mg de pasta de dióxido de titanio a 20 ml de etanol en un matraz de fondo redondo.
    2. En un matraz separado, mezclar 500 mg de TiO2 - NFs de electrospun con otros 20 ml de etanol.
    3. Sonicar las soluciones durante 2 h utilizando un sonicador de baño.
    4. Una vez que se obtienen mezclas uniformes, agregar 2 ml de terpineol a cada matraz y sonicar durante unOtros 15 min.
    5. Evaporar el disolvente de ambos matraces usando un evaporador rotatorio para obtener las suspensiones.
  2. Pizarra y sinterización
    1. Utilizando un cortador de vidrio de diamante, corte un portaobjetos de vidrio conductivo FTO en un cuadrado de 2 cm x 2 cm.
    2. Asegure el portaobjetos FTO al área de trabajo colocando cinta adhesiva en el portaobjetos de vidrio, dejando un área de 0,4 cm 2 expuesta en el centro. Para evitar un revestimiento irregular, coloque la cinta en dos lados paralelos primero y luego en los otros dos.
    3. Depositar unas gotas de la suspensión de TiO2 - NP en el centro expuesto de la diapositiva.
    4. Utilice una cuchilla de afeitar para extender la suspensión uniformemente sobre el área expuesta.
    5. Una vez que se logra un revestimiento uniforme, retire cuidadosamente la cinta adhesiva.
    6. Colocar la lámina recubierta en un horno y sinterizar a 500 ° C durante 2 h.
    7. Repita los pasos 3.2.2-3.2.6 en la misma diapositiva FTO, esta vez utilizando la suspensión de TiO2 - NF en lugar deLas nanopartículas, para obtener el fotoanodo.

4. Caracterización de NF

  1. Caracterización SEM
    1. Preparar la muestra para SEM uniendo una tira de cinta adhesiva de carbono a un trozo de microscopio. Coloque cuidadosamente una pequeña cantidad de nanofibras en la cinta.
    2. Montar el talón en un soporte de muestra y cargarlo en la cámara de intercambio del instrumento.
    3. Configure las condiciones y parámetros del instrumento: ajuste la tensión de aceleración a 20 kV y la distancia de trabajo a 10 mm.
    4. Recoger las imágenes de la muestra, asegurándose de que muestran la morfología general del material.
  2. Caracterización XRD
    1. Moler suavemente algunas nanofibras en un polvo fino y esparcir uniformemente en una etapa de XRD.
    2. Cargar la muestra en el difractómetro.
    3. Configure los parámetros de adquisición: use un ángulo inicial de 10 °, un ángulo final de 80 °,Da paso de 0,015 °.
    4. Inicie la adquisición de los datos XRD.

5. Fabricación de células solares

  1. Tratar el photoanodo con una solución acuosa de TiCl $ $ a 75 ° C durante 45 min. Después del tratamiento, lavar con agua desionizada y secarla.
  2. Sensibilizar el fotoanodo sumergiéndolo en una solución 0,5 mM de tinte de rutenio N719 en etanol absoluto durante 24 h en condiciones de oscuridad.
  3. Coloque una lámina de película de sellado sobre el fotoanodo sensibilizado para servir como junta termoplástica entre el fotoanodo y el contraelectrodo.
  4. Coloque un contraelectrodo FTO recubierto de Pt con un agujero previamente perforado en el centro, encima de la película de sellado, de modo que ambos lados se enfrenten entre sí.
  5. Calentar la celda ensamblada a 100 ° C durante 15 min para sellar la junta.
  6. Se depositan unas gotas de un mediador redox, que consiste en una solución de yoduro de 1-propil-3-metilimidazolio (0,8 M), yodo (0,1 M),Y bencimidazol (0,3 M) en 3-metoxipropionitrilo, encima del agujero previamente perforado del contraelectrodo.
  7. Coloque la celda en un desecador de vacío para permitir que el mediador redox llene el espacio interno de la celda ensamblada.

6. Caracterización de la Curva JV

  1. Adquirir las curvas JV usando un medidor de fuente digital bajo una iluminación de 100 mW / cm 2 de una fuente de arco de xenón pasada a través de un filtro AM1.5G.

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Representative Results

Las nanofibras de TiO 2 se caracterizaron mediante SEM, espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) y XRD. La nanoestructura del fotoanodo se caracterizó utilizando SEM. El rendimiento del DSSC ensamblado se probó usando un simulador solar y una unidad de medida de fuente.

La imagen de SEM en la Figura 1A muestra que las nanofibras sintetizadas usando este protocolo tienen una estructura porosa y una elevada relación de aspecto. Son hasta varios micrómetros de longitud y sólo unos pocos cientos de nanómetros de diámetro. La sección transversal de la Figura 1B muestra tres capas: la capa superior es la capa de dispersión fibrosa de la TiO2 - NF, la segunda capa es la capa de bloqueo de la pasta TiO2 - NP y la capa inferior es el sustrato FTO. Ambas capas son de aproximadamente 7 μm, dando como resultado un espesor de película total de aprox.Imately 14 μm.

El difractograma de la Figura 2 muestra una serie de picos que corresponden a la fase de anatasa del dióxido de titanio. Los picos agudos en los espectros indican que las nanofibras son altamente cristalinas, lo que es una característica favorable para este tipo de aplicación. La Figura 3 muestra el espectro de Ti 2p XPS para los fotoelectrodos TiO2 NF y NP. TiO 2 se verificó por los picos de Ti 2p presentes en energías de unión de 465 eV (Ti2p (1/2)) y 459 eV (Ti2p (3/2)).

La curva JV de la Figura 4 muestra que bajo 1-Iluminación solar (línea continua), el TiO2 - NF DSSC alcanzó una densidad de corriente de cortocircuito (J SC ) de 8,30 mA / cm2, una tensión de circuito abierto ( VOC ) De 0,63 V, un factor de llenado (FF) del 56% y un rendimiento de conversión de potencia (PCE)De 2,90%. Para investigar más, se midió la dependencia del rendimiento de la célula en la intensidad de la iluminación (de 0,25-1 Sun). Los valores característicos se representan en la figura 5 . El J SC aumenta linealmente hasta 0.75 Sol ( Figura 5A ); La pendiente aumenta entonces considerablemente entre 0,75 y 1 Sol. El VOC exhibe un aumento lineal a través del intervalo medido ( Figura 5B ). En la Figura 5C , el FF es estable entre 0,25 y 0,75 Sol, pero disminuye rápidamente hasta 1 Sol; Esto puede ser debido a un aumento en la recombinación de carga. La Figura 5D muestra que, a una intensidad de luz incidente de 25 mW / cm2, la DSSC alcanza un PCE de 3,7%, lo que indica un mayor rendimiento bajo intensidades de iluminación más bajas. Como una comparación, la Figura 6 muestra TiO2 NP DSSCs, que alcanzó un J SC de 6.53 mA / cm2, un VOC de 0,63 V, un FF de 57% y un PCE de 2,35%.

Figura 1
Figura 1 : Imágenes de la electrospun TiO 2 -NFs. ( A ) Imagen de alta resolución del TiO2 - NF de electrospun. ( B ) sección transversal SEM; La capa superior es la capa de nanofibra que dispersa la luz, y la capa inferior es la capa de bloqueo de TiO2 - NP. Figuras adaptadas y reimpresas con permiso de Macdonald et al. 16 . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2
Figura 2 : Espectro XRD del TiO2 - NFs de electrospun. La inserción muestra el patrón de difracción de electrones de área selectiva (SAED) indicativo de TiO2 en la fase de anatasa; Reimpreso con el permiso de Macdonald et al. 16 . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figura 3
Figura 3 : Ti 2p espectro XPS para TiO 2 NF y NP fotoelectrodos. La curva roja sólida muestra el espectro de las nanofibras, y la curva negra sólida muestra el espectro de las nanopartículas. PAGHaga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4
Figura 4 : curva JV bajo 1-Iluminación solar del DSSC hecho con TiO 2 NFs. ( A ) La corriente oscura está representada por la línea punteada. Reproducido con permiso de Macdonald et al. 16 . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5
Figura 5 : Parámetros de caracterización del dispositivo. ( A ) J SC , ( B ) V OC , ( D ) PCE en función de la intensidad de la luz, desde 25 mW / cm2 (0,25 Sol) hasta 100 mW / cm2 (1 Sol). Reproducido con permiso de Macdonald et al. 16 . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6
Figura 6 : curva JV bajo iluminación 1-Sun del DSSC hecho con TiO 2 -NPs. La curva muestra TiO2 NP DSSCs, que alcanzó un J SC de 6,53 mA / cm2, un VOC de 0,63 V, un FF de 57% y un PCE de 2,35%. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esteS figura.

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Discussion

Los métodos presentados en este trabajo describen la fabricación de fotoanodos nanofibrosos eficientes para dispositivos fotocatalíticos tales como DSSCs. Electrospinning es una técnica muy versátil para la fabricación de nanofibras, pero se requiere cierto nivel de habilidad y conocimiento para obtener materiales con morfologías óptimas. Uno de los aspectos más críticos para obtener buenas nanofibras es la preparación de la solución precursora: hay algunos factores clave, tales como la concentración del polímero portador y la elección del precursor de titanio, que puede tener un impacto crítico sobre la estructura final de el material. Una baja concentración de polímero portador conducirá a la formación de perlas oa la ausencia total de una estructura nanofibrosa. Por otra parte, una concentración excesivamente elevada aumentará excesivamente la viscosidad de la solución y conducirá a un aumento del diámetro de la nanofibra, con la consecuente pérdida de área superficial y movilidad de carga. El inorgánico preEl cursor necesita ser altamente soluble y no debe reaccionar o descomponerse en presencia de los otros componentes de la solución. También debe calcinarse fácilmente en el material final, sin dejar ningún subproducto no deseado.

Los parámetros instrumentales ( es decir, el voltaje, la distancia de la punta al colector y el diámetro de la aguja) también tienen un efecto importante en la morfología de las nanofibras. Aunque se puede observar una tendencia general al cambiar estas condiciones utilizando una solución precursora específica, esto no se aplica necesariamente a otras soluciones, ya que pueden ser afectadas de manera diferente por modificaciones del campo eléctrico y otras condiciones instrumentales 17 .

Gracias a la versatilidad de esta técnica, se puede fabricar y utilizar una amplia gama de nanomateriales en diversas aplicaciones, como conversión y almacenamiento de energía, catálisis, filtración, materiales compuestos y superficies superhidrófobas. Más lejosE, este método muestra un potencial significativo para upscaling, que es un factor clave para su uso en aplicaciones comerciales.

El proceso de calcinación debe realizarse a una temperatura suficientemente alta para eliminar completamente el polímero portador y para promover la cristalización del TiO2, pero sin alterar la nanoestructura del material. La temperatura de calcinación también debe alcanzarse a una velocidad de calentamiento relativamente lenta para evitar cualquier choque térmico, que podría dañar las fibras. Esto también se aplica al proceso de enfriamiento: después de terminar el tratamiento térmico, el horno debe permanecer cerrado hasta que la temperatura haya alcanzado una temperatura segura (<80 ° C).

Doctor blading es un método simple y rápido que permite obtener fácilmente substratos de película delgada en superficies planas. El factor clave para obtener una superficie lisa y uniformemente recubierta es la viscosidad de la suspensión: si se añade demasiado dispersante a la mezcla, el revestimientoPresentará poros y tendrá un espesor desigual; Si se añade demasiado poco dispersante, la película resultante tendrá probablemente grietas en su superficie.

Una vez dominada, esta técnica se puede utilizar fácilmente para cualquier aplicación que requiera deposición de película delgada para la fabricación del dispositivo.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Los autores no tienen reconocimientos.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
titanium(IV) n-butoxide Sigma-Aldrich 244112
Polyvinylpyrrolidone Sigma-Aldrich 437190
glacial acetic acid Sigma-Aldrich A6283
Ethanol, absolute Fisher Scientific E/0650DF/17
20 mL Sample vials (any) (or larger volume)
disposable 21G needle (any)
P150 grit sandpaper (any)
disposable 10mL syringe (any) (or larger volume)
magnetic stirrer + stirring bar (any)
PHD 2000 syringe pump Harvard Apparatus 71-2002 (or any other syringe pump capable of outputting a 1mL/hr flow
Aluminium foil (any)
Stainless steel collector plate (custom built)
High Voltage Power Source Gamma High Voltage Research, Inc ES30P-10W (or any other power supply capable of outputting +15 kV
Polycarbonate protective shield (custom built)
Ceramic crucible (any)
Muffle furnace (any)
Titanium dioxide, nanopowder Sigma-Aldrich 718467
50 mL 1-neck round bottom flasks (any)
bath sonicator (any)
Terpineol Sigma-Aldrich
Rotary evaporator (any)
FTO glass Solaronix TCO30-10/LI
Adhesive tape (any)
razor blade (any)
SEM JEOL 6500F
XRD PANalytical  X'pert Pro
Titanium Tetrachloride Sigma-Aldrich 89545
Ruthenizer  535-bisTBA Solaronix N719
sealing film Dyesol Meltonix 1170-25
Pt-coated FTO Solaronix TCO30-10/LI
1-propyl-3-methylimidazolium iodide Sigma-Aldrich 49637
Iodine Sigma-Aldrich 207772
benzimidazole Sigma-Aldrich 194123
3-Methoxypropionitrile Sigma-Aldrich 65290
Digital source meter Keithley 2400
Solar Simulator Abet technologies 10500

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References

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Canever, N., Hughson, F., Macdonald, More

Canever, N., Hughson, F., Macdonald, T. J., Nann, T. Electrospinning of Photocatalytic Electrodes for Dye-sensitized Solar Cells. J. Vis. Exp. (124), e55309, doi:10.3791/55309 (2017).

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