Yöntem makalesi

Boya duyarlı güneş pilleri için Titanyum Dioksit Dijital Baskı

13K görüntülenme

⸱

DOI:

10.3791/53963

⸱

4 Mayıs 2016

 ,  ,  , 
1Warwick Manufacturing Group, University of Warwick

Bu makalede

Özet

Bu makale, boya duyarlı güneş pillerinin üretimi için mürekkep püskürtmeli baskının uygunluğunu araştırmaktadır. Bağlayıcı içermeyen bir TiO2 nanopartikül mürekkebi formüle edildi ve bir FTO cam alt tabaka üzerine basıldı. Basılı katman, 0,25cm2 aktif alana ve% 3,5 verimliliğe sahip bir hücreye üretildi.

Özet

Silikon güneş hücresi üretimi pahalı ve yüksek enerji tüketen bir süreçtir. Buna karşılık, boya duyarlı güneş pili üretimi, geleneksel üretime uygun ve düşük maliyetli bir alternatif sunan daha düşük işlem sıcaklıkları ile çevreye daha az zarar verir. Bu makale, dijital baskıyı ve dolayısıyla bu hücreler için eklemeli üretim yolunu değerlendirerek bu çevresel kimlik bilgilerini daha da geliştirmektedir. Bu, burada nanoparçacık boyutlu titanyum dioksit kullanılarak bir metal oksit fotoelektrotun oluşumunu ve performansını araştırarak elde edilir. Mürekkep püskürtmeli bir malzeme, 2,6 μm kalınlığında bir tabaka oluşturmak için piezoelektrik mürekkep püskürtmeli bir kafa ile formüle edildi, karakterize edildi ve basıldı. Elde edilen baskılı katman, 0,25cm2'lik bir aktif alana ve% 3,5'lik bir güç dönüştürme verimliliğine sahip işleyen bir hücreye dönüştürüldü. Bağlayıcı içermeyen formülasyon, 350 °C sıcaklığa kadar stabil olan esnek poliamid substratlarla uyumlu, 250 °C'lik bir düşük işleme sıcaklığı ile sonuçlandı. Yazarlar, boyaya duyarlı güneş pilleri içindeki diğer katmanların mürekkep püskürtmeli baskısını araştırarak bu işlem rotasını geliştirmeye devam ediyorlar.

Giriş

Konvansiyonel silikon güneş pilleri, pahalı ve yüksek enerji tüketen özel ekipman gerektiren oldukça saf malzemelerden yapılmıştır. Bu geleneksel silikon hücreler, elektron deliği çiftleri oluşturmak için arayüzde oldukça saf malzemeler gerektiren bir pn bağlantısı içerir. Boyaya duyarlı güneş pilleri (DSSC'ler), şarj üretiminin malzeme arayüzünde gerçekleştiği temelde farklı bir çalışma prensibine sahiptir. Bu, vakum, ultra yüksek sıcaklıklar veya temiz oda tesislerinin kullanımı altında işlemenin gerekli olmadığı anlamına gelir1. Bu nedenle, potansiyel olarak düşük maliyetli bir alternatif olarak görülürler; Bununla birlikte, küçük laboratuvar test hücrelerinden endüstriyel üretim için büyük prototiplere ölçek büyütme, alt tabakaların hızlı bir şekilde modellenmesi de dahil olmak üzere çeşitli sorunların üstesinden gelmeyi içerir.

Elektronik üretimi genellikle, biriktirme işleminden sonra malzemenin maskelenmesi veya seçici olarak çıkarılmasıyla elde edilen bir dereceye kadar modelleme gerektirir. Bu adımlar, mürekkep püskürtmeli baskı veya sprey kaplama gibi "katkı maddesi" dijital baskı tekniklerinin kullanılmasıyla kaldırılabilir. Dijital baskı, elektronik cihazlar için fonksiyonel malzemelerin doğrudan biriktirilmesi için umut verici bir yöntemdir. Teknik, dijital tabanlı bir desenden doğrudan çeşitli alt tabakalara baskı olarak tanımlanabilir2. Alt tabaka yüzeyine zarar vermeyecek veya kirletmeyecek ve malzemeyi yalnızca gerektiği yerde biriktirmeyecek, çok az israfa neden olan veya hiç israf etmeyen temassız yöntemlerdir3. Bu tekniklerin, yüksek hacimli üretime ölçeklendirilmek için ideal olarak uygun olduğu vurgulanmıştır3. Dijital baskı yöntemleri, bir çözücü içinde dağılmış malzemelerin sıvı formlarını kullandığından, tekniğin uygulamalarını belirlemek için mürekkebin birikmesini anlamak çok önemlidir.

DSSC'lerin üç ana bileşeni vardır: geniş bant aralıklı metal oksit malzemeden oluşan gözenekli bir tabaka, parçacıkları kaplayan bir boya ve yarı iletkenin gözenekli tabakası içindeki gözeneklere sızan bir "yük taşıyıcı". Bunlar şeffaf bir iletken elektrot ile bir karşı elektrot4 arasına sıkıştırılır. Karşı elektrot, elektron transferi için çoğu durumda platin olan katalitik bir malzeme ile kaplanmıştır. Aydınlatma altında, boya molekülleri enerjiyi fotonlar şeklinde emecektir. Boya molekülleri daha sonra uyarılır ve titanyum dioksit ile boyanın arayüzünde yük ayrılması meydana gelir. Elektronlar bitişik metal oksit parçacıklarına atılır ve boya molekülü üzerinde 'delikler' kalır. Enjekte edilen elektronlar metal oksit parçacıklarından geçer ve şeffaf iletken elektroda ulaşır. Bir yük bağlandığında, elektronlar harici devre yoluyla karşı elektroda hareket eder ve son olarak elektrolit1'de bulunan redoks çifti aracılığıyla karşı yükleriyle yeniden bir araya gelir. DSSC'ler içindeki nano yapılı metal oksit tabakası, malzeme seçimi, işleme yöntemleri ve yapının doğası ile hücrenin genel performansında kritik bir rol oynar ve bunların tümü5-10 etkileyen faktörlere sahiptir. Fotoanot için en önemli gereksinimlerden biri, son derece geniş bir yüzey alanına sahip olması gerektiğidir. Bu, yaygın olarak TiO21,11 olan nanopartikül malzemelerin biriktirilmesi yoluyla elde edilir. Bu, sayısız farklı işlemle üretilmiştir, ancak serigrafi ve sıyırma gibi ıslak kaplama teknikleri hala en popüler yaklaşımdır9,12,13.

Mürekkep püskürtme teknolojisi, boyaya duyarlı güneş pilleri için potansiyel bir üretim rotasıdır. Sabit miktarda sıvıyı bir nozuldan istenen alt tabakaya atmak için bir piezoelektrik kristalin hareketini kullanır. Bu biriktirme yöntemi, malzemenin çok doğru bir şekilde püskürtülmesine izin verir, ancak aynı zamanda potansiyel olarak yüksek bir baskı hızı veya biriktirme hızı ile yüksek frekansta da püskürtülür. Mürekkep püskürtme teknolojisi, kullanılan mürekkebin viskozitesine karşı hassastır ve bu, daha önce işlevsel mürekkeplerin geliştirilmesinin önünde bir engeldi. Mürekkep formülasyonu için uygun çözücülerin geliştirilmesindeki son çalışmalar bu sorunun hafifletilmesine yardımcı olmuştur ve grafen gibi 2D katmanlı malzemeler kullanılarak elektronik bileşenlerin basıldığı gösterilmiştir14. Bunlar gibi nanopartikül süspansiyonlarının viskozitesinin, nanopartikül boyutuna ve konsantrasyonuna15 bağlı olduğu bulunmuştur. Yüksek nanopartikül konsantrasyonları daha yüksek viskozitelere neden olur, bu nedenle nozul tıkanmalarını önlemek için partikül yüklemeleri genellikle ağırlıkça %10 civarındadır16, ancak daha yüksek konsantrasyonlar elde edilmiştir17.

Mürekkep püskürtme teknolojisinin temel avantajları arasında temassız olması, eklemeli desenleme ve maskesizolması yer alır 18. Son iki özellik, birçok nozülü bir veya daha fazla yazıcı kafası üzerinde bir araya getirme yeteneğinden kaynaklanır ve her bir nozül kontrol yazılımı tarafından ayrı ayrı adreslenebilir. Bu, baskı kafaları alt tabaka boyunca hareket ettikçe son derece karmaşık, çok katmanlı desenlerin çok hızlı bir şekilde oluşturulmasını sağlar. Her mürekkep damlasının konumu, bazı sistemlerde ~1,5 μm19 hassasiyetle doğru bir şekilde kontrol edildiğinden, malzemeler veya katmanlar arasında maskeleme gerekmez. En önemli faydalarından biri, mürekkep püskürtme teknolojisinin olgunlaşması ve yirminci yüzyılın ikinci yarısında önemli bir gelişme kaydedilmesidir. Sonuç olarak, mürekkep püskürtmeli çok ölçeklenebilir bir teknolojidir ve rulodan ruloya sistemler, esnek alt tabakalara saniyede birkaç metre hızla doğru bir şekilde baskı yapabilmektedir. Geleneksel olarak bu, örneğin gazeteler gibi yüksek hacimli üretim için kullanılırdı. Bununla birlikte, teknolojideki gelişmeler, mürekkep püskürtmenin nanopartiküllü gümüş mürekkepler kullanılarak elektronik devrelerin rulodan ruloya üretiminde kullanılmasına izin vermiştir20. Bu nedenle mürekkep püskürtmeli, dijital baskı ile boyaya duyarlı güneş pillerinin potansiyel üretimi için çekici bir süreçtir.

Protokol

1. Mürekkep Formülasyon

Not: Mürekkep formülasyonları genellikle üreticiler tarafından oldukça korunan gizli tutulur. Başarılı formülasyonlar denge jeti, fonksiyonel performans yanında oluşumu, ıslatma ve kurutma davranışı bırakın. Genellikle fonksiyonel malzeme bir çözücü içinde dağıtılır ve en az bir başka bileşen bunları jettable yapmak. Bu bölümde mürekkep püskürtmeli baskı içinde kullanılmak üzere bir TiO2 mürekkep gelişimini göstermektedir. mürekkep bir küçük ölçekli, aşağıdaki yöntem ile hazırlanmıştır.

Dikkat: Mürekkep preparat, göz koruyucu gözlük ve Lateks eldiven ederken, bir davlumbaz altında, uygun bir havalandırmalı bir alanda, örneğin yapılmalıdır.

  1. yaklaşık 4 olan bir pH elde etmek hidroklorik asit (HCI) içindeki bir 0.1 mM sulu çözelti hazırlayın.
  2. (Örneğin, dimetilformamid (DMF) gibi), su daha yüksek bir kaynama noktasına ve en düşük yüzey gerilimine sahip uygun bir çözücü içinde 8 g asit çözeltisi 32 g ekleyin. bir ko-Solv ilavesibir kurutma maddesi olarak ent görür damlacık 21 yüzeyi üzerine nanopartiküllerinin tek tip bir yerleşime gelen mürekkep buharlaşır mürekkep damlacığı içindeki sirkülasyon akışı başlatmak için.
  3. katkı maddesi (propilen glikol ve su içinde tetrametil-5-desin-4,7-diol,% 45 aktif çözelti) dağıtıcı 1.5 g ekleyin.
  4. memelerde kurumasını önlemek için bir nemlendirici olarak, etilen glikol, 10 g ekleyin.
  5. gelişmekte olan hava kabarcıklarını önlemek için mürekkep köpük giderici ajan (methoxypolyethyleneglycol içinde asetilenik diol 20% aktif çözelti) 0.5 g ekleyin.
  6. kapalı bir kap içine mürekkep bir kısım alarak basit bir sarsıntı testi yapın ve 60 saniye boyunca elle çalkalanır. köpüğü görülmektedir sonra mürekkep köpük alma maddesi bir başka 0.5 g ekleyin.
  7. Oda sıcaklığında homojenliği sağlamak için manyetik bir karıştırma çubuğu kullanılarak 8 saat çözüm karıştırın.
  8. Titanyum dioksit 1.5 g ekleme (TiO2) birincil 21 nm parçacık boyutu ve yüzey alanı Nanopartiküllerin35-65 m2 / g.
  9. 60 Hz'lik bir frekansta, 15 dakika boyunca ultrasonik prob kullanılarak karışımın sonikasyon.
  10. bu meme açıklıklarından kolay akacak sağlamak için, üreticinin protokolüne göre olan dinamik ışık saçılımı (DLS) gibi uygun bir ölçüm tekniği kullanılarak, tanecik boyutları ölçün. Aynı koşullar altında, ölçüm (örn., Aynı çözücü, pH, dağıtıcı madde konsantrasyonu) mürekkep içinde topakların oluşumunu etkileyen her parça mürekkep için kullanılacak sağlayın. Başarılı jeti için, sıvı içinde parçacıkların meme açıklığı 100 kat daha küçük olmalıdır.
  11. mürekkep püskürtmeli baskı 2 ila 20 centipoise (cP) düşük viskoziteli mürekkep gerektirir baskı kafası güvenilir jeti sağlamak için, üreticinin protokolüne uygun olarak bu tür bir döner viskometre gibi uygun bir ölçüm tekniği kullanılarak, mürekkebin viskozitesi ölçülür. Additi ile viskoziteyi arttırmakpolimerik malzemeler veya selüloz bazlı malzeme ile; Ancak bu baskılı film 22 içinde boya siteleri boşaltmak için birikimi sonra kaldırılması gerekir.
  12. güvenilir jeti sağlamak için, üreticinin protokolüne göre, bir tansiyometre gibi uygun bir ölçüm tekniği kullanılarak, mürekkep yüzey gerilimi ölçülür. mürekkep püskürtmeli yazıcılar için jettable sıvı formülasyon yönergeleri güvenilir yazdırmayı etkinleştirmek için 28 ve 33 mN / m arasında bir yüzey gerilimini göstermektedir.

2. Mürekkep Püskürtmeli Baskı

  1. baskı öncesinde (bir sulu baz içinde, anyonik ve iyonik olmayan yüzey aktif maddelerin bir karışımının maddeleri, alkaliler, fosfat-olmayan deterjan etkinliğini arttırıcı maddeleri ve kompleks dengeleyici maddeler) ve deterjanın bir temizleme ağırlıkça% 2 çözeltisi içinde, cam substratlar emmek deiyonize su. kirlenme ve deterjan temizlik izlerini silmek için temizleme çözeltisinden çıkarılır en kısa sürede, deiyonize su ile iyice cam durulayın.
  2. Bu üreticinin protokolüne göre bir tansiyometre gibi uygun bir ölçüm tekniği kullanılarak substrata yüzey enerjisini, ölçün. / M 15 mN - iyi bir yapışma için, alt-tabakanın yüzey enerjisi 10 daha sıvının yüzey gerilimini aşmamalıdır. Bu uygun değilse, bu korona muamelesi 23, plazma işlemi 24 ve kimyasal aşındırma 25 gibi yöntemler kullanılarak alt-tabakanın yüzey enerjisini değiştirir.
  3. üreticinin protokolüne göre yazıcının içine substrat yükleyin.
  4. rezervuar ve memeleri içinde herhangi bir hava veya temizleme solüsyonu yerinden başın yan tarafında bulunan bağlantı noktası üzerinden mürekkep ile baskı kafasını yıkayın.
  5. yazıcının içine yazıcı kafası takın. Baş kişilik yönetim kurulu ile yazıcı kafasını takın.
  6. Sadece memeleri yapışmasına neden olabilir büyük parçacık agrega kaldırmak için kartuş içine yüklemeden önce doğru boyutta filtre ile mürekkebi Filtre.Yazıcı kafası, bu çalışmada kullanılan 40 um bir çapı olan ağzı vardır (örneğin Konica KM512.); Bu nedenle, mürekkep çapı 400 nm'den parçacıklar içermemesi gerekir. herhangi bir büyük partikülleri ortadan kaldırmak için bir 1.2 um poliviniliden florit (PVDF), filtre ve ardından, 5 um, üzerinden süspansiyonlar geçirin.
  7. baskı kafasına mürekkep malzemeleri baskı kafası üzerinde bulunan 150 ml şırınga, içine mürekkep yükleyin. şırınganın üstünde hava geçirmez kapağı takın ve vakum pompası açın.
  8. vakum pompası üzerinde bulunan 'tasfiye' düğmesine basarak memeler boyunca mürekkebi temizleyin.
  9. coğrafi bilgi sistemi (CBS) baskı sunucusu aracılığıyla, set-up dalga ve baskı parametrelerini. ancak bu mürekkep için saniyede 0.3 metre baskı hızı optimum kaplama sağlamak bulunmuştur yazıcı, saniyede 1.5 metre hıza kadar yazdırabilirsiniz unutmayın
  10. Açık CBS kullanıcı arayüzü yazılımı ve istenilen desen yükleyin.
  11. Prüreticinin protokolüne uygun olarak yüklenen kartuş int.
  12. levhanın alt tabakanın çıkarın ve 30 dakika daha ya da sıcak bir levha ya da bir fırın içinde 250 ° C, ardından 30 dakika boyunca 150 ° C'de baskılı film, ısı.

Baskılı Filmleri 3. Analiz

  1. basılı filmlerin gözenekliliğini analiz yüzey morfolojisi analiz düşük büyütme (100X) basılan filmlerin yüzeyinde ve yüksek büyütme (35,000X) bakmak için bir optik mikroskop ya da taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanın. görüntüler hiçbir çatlak ve iyi gözenekli homojen bir kapsama gösterdiğini kontrol edin. SEM işleyişi hakkında ayrıntılı bilgi aşağıdaki referanslarda 26,27 bulunabilir.
  2. Bu üreticinin protokolüne göre bir yüzey Profiler gibi uygun bir ölçüm tekniği kullanılarak, basılı tabaka kalınlığı ölçülür. TiO2 tabakası zekâ kalınlığı ve gözenekliliğihin DSSCs dolayısıyla hücre 18 genel elektrik dönüşüm verimliliği etkileyen nanopartiküllerinin yüzeyi üzerine absorbe edilebilir boya miktarını etkilemektedir. Nedenle, ortaya koymak için de önemli bir parametredir. basılı filmlerin kalınlığını ölçmek için bir yüzey profiler (1 nm hassasiyet) kullanın.
  3. Böyle çok görünür ışık baskılı film boyunca iletir nasıl belirlemek için bir ultraviyole-görünür (UV-VIS) spektrofotometre gibi uygun bir ölçüm tekniği kullanılarak, filmin geçirgenliği ölçün. Üreticinin protokolü kullanın.

4. Hücre yapma

  1. 8 saat için bir manyetik karıştırıcı kullanılarak, bir cam beher içinde, 20 ml etanol ve rutenyum boya 2 mg karıştırılarak bir boya çözeltisini yapın.
  2. Boya TiO2 parçacıkların yüzeyi üzerine absorbe sağlamak için 24 saat boyunca oda sıcaklığında çözeltisi (20-25 ° C) TiO2 kaplanmış cam daldırın.
  3. TiO 2 Kaldır kaplamalı cam (kirlenmeyi önlemek için yukarı bakacak TiO2) ile herhangi bir aşırı boya çözümü kadar emmek için.
  4. TiO2 kaplama etrafında, iletken cam üstünde önceden kesilmiş 60 mikron kalınlığında termoplastik sızdırmazlık ayırıcı yerleştirin.
  5. anot ve katot aktif tarafları birbirine bakacak şekilde önceden kesilmiş 60 mikron kalınlığında termoplastik sızdırmazlık ara parçasının üstünde platin kaplı sayaç elektrot yerleştirin. bir elektriksel kontak, iletken cam ile yapılabilir, böylece iki cam arasında yeterli üst üste izin verin. Bu, elektrolit, daha sonra dolgu sağlamak için merkezi bir önceden delinmiş delik olmalıdır.
  6. Sızdırmazlık ara parçasının alanı üzerinde cımbız kullanarak 110 ° C'lik bir sıcaklıkta bir sıcak plaka üzerinde ısı ve geçerli ışık basıncı. 30 saniye sonra elektrotlar birlikte kapatılmalıdır.
  7. Bir iyodür / tri-iyodür elektro iki elektrot arasındaki boşluğu doldurmakBir şırınga kullanılarak platin kaplı cam önceden delinmiş bir delikten enjekte edilerek 50 mM bir konsantrasyonda, asetonitril lit.

Sonuçlar

Bir TiO2 mürekkep tarif edilen prosedüre uygun olarak formüle edilmiştir. mürekkep içinde süspanse parçacıkların boyutu, dinamik ışık saçılımı (DLS) ile gözlendi 80 nanometre (nm) arasında bir ortalama parçacık boyutuna kullanılarak ölçülmüştür. Bu çalışmada, mürekkebin viskozitesinin küçük bir örnek adaptörü ile döner viskometre ve 18 mm Mil çapı kullanılarak ölçülmüştür, 3 cP olduğu bulunmuştur. yüzey gerilimi gerilimölçer kullanılarak ölçüldü ve / m 26 mN arasında bir ortalama olduğu hesaplandı.

FTO cam yüzey enerjisi temas açısı ve yüzey serbest enerjisi ölçümü ile sert bir yüzey ıslatılabilirliğini belirlemek için, Avrupa Standardı EN 828 uyarınca hesaplanmıştır. Üç farklı sıvılar (su, etilen glikol ve diiyodometan) on damla düzlem test parçası yüzeyi üzerine dağıtılmıştır. Her damla için, sol ve sağ temas açısı kuv vardıEd. onun yüzey gerilimi ile birlikte her sıvının ortalama temas açılardan, deney parçasının yüzey serbest enerjisi hesaplanır. Fowkes yöntemi dağıtıcı etkileşimler (γd) ve γnon -yayındırma etkileşimler (γp) katkılarıyla toplamından toplam yüzey enerjisini (γ) hesaplar. Bu yöntem, FTO kaplanmış cam için 26.45 mN / m bir yüzey serbest enerjisi ile sonuçlanmıştır.

Baskı edilen prosedüre göre yukarıdaki 5 mm kare üretmek üzere gerçekleştirilmiştir. Cam üzerinde baskılı tabakanın kalınlığı, yüzey Profiler kullanılarak ölçülmüştür. baskılı tabakanın merkezinde maksimum kalınlığı 2.6 um olarak ölçülmüştür. Kaplanmış cam geçirgenliği bir UV spektrometre kullanılarak ölçülmüştür. 700 nm'lik bir dalga boyunda, bir% 60 geçirgenlik FTO cam için% 78 ile karşılaştırıldığında, TiO2 baskılı film ölçülmüştür.

Fotovoltaik cihazlar yukarıda özetlenen prosedürü uygun olarak üretilmiş ve havadaki su ve oksijen neden bozulması etkisini en aza indirmek için imalattan sonra direkt olarak karakterize edildi. Karakterize ve güneş hücreleri 28 karşılaştırmak için kullanılan beş elektriksel performans parametreleri vardır. Kısa devre akımı (I sc) ve açık devre voltajı (V oc) değerleri akım-gerilim (IV) eğrisi elde edilebilir. Bunlar daha sonra bir dolgu faktörüne (FF) ve güç dönüşüm verimliliği (η) belirlenmesi için de kullanılabilir. FF açık devre voltaj ve kısa devre 29 akım ürüne hücrelerin oranı gerçek maksimum güç çıkışı verir. Bu güneş pillerinin performansını değerlendirirken önemli bir parametredir. Düşük FF iyileştirme için bir oda var olduğunu gösterir ise yüksek FF, düşük elektrokimyasal zararları ifade eder. Çeşitli faktörler hücre içinde tabakaların kalitesini ve arayüz içeren FF etkilemekte olarak da bilinirler. DSAVM'ler% 11,9 raporun kayıt verimliliği ile bir iyodür / triiyodür redoks çift 0.71 30 faktörleri dolgu içeren. Bu parametrelerin Tüm aygıt sıcaklığı 25 ˚C, ışığın spektral radyasyonu dağılımı 1.5'lik bir hava kütlesi vardır standart test koşulları altında tespit edilmesi gerekmektedir, toplam ışınım güneş pili de (E m) 100 mW / cm ölçülen 2. Tek bir pn eklemi hücresinin dönüşüm verimliliği için teorik maksimum yaygın ancak DSSCs için maksimum verim 920 nm 32 bir emme başlangıcı ile% 15,1 daha yakın olduğunu rapor edilmiştir,% 37.7 31 olarak rapor edilmiştir.

Çıkış akımı ve gerilim hücreleri 1.5 bir atmosfer hacmi ile spektral radyasyonu dağılımı eşleştirmek için bir filtre takılmış 100 mW / cm2 ışık kaynağı ile aydınlatılır iken kaynak sayacı kullanılarak ölçüldü. Sonuçlar pılı ıle karşılaştırılmıştıranataz partikülleri 20 nm ve 450 nm bir karışımı olan bir piyasada mevcut macun kullanılarak bir doktor ağızlı TiO2 katmanını kullanarak üretti. Baskılı tabaka, 0.25 cm2'lik bir alana ve bir yüzey Profiler kullanarak ölçüldü 18 um arasında bir ortalama kalınlığa sahip olmuştur. İki cihaz arasındaki fotoelektrik performansı karşılaştırma, Şekil 1 ve Tablo 1 'de gösterilmiştir.

Çeşitli çalışmalar TiO2 tabakasının kalınlığı ve DSSCs içinde dönüşüm verimliliği arasındaki ilişkiyi incelemiştir. Sonuçlar TiO2 basılı katmanları ve verimlilik kalınlıkları özetliyor her yerde 33-39 mikron mikron 9.5 ile 20. Tablo 1 bildirilen optimum film kalınlığı ile önemli ölçüde değişir. TiO2 basılı inkjet kalınlığı sonuçlanan TiO2 bıçaklı doktor önemli ölçüde daha azdaha düşük bir verim. Gelecek çalışma inkjet basılmış tabakasının kalınlığını artırmak için mürekkep formülasyonu içinde organik bağlayıcıların kullanımını araştırmak olacaktır.

figure-results-1
TiO2 tabakası ve bir doktor ağızlı TiO2 tabakası basılmış bir inkjet içeren DSSCs için Mürekkep Baskılı ve Doktor Kanat TiO2 Katmanlar ile DSSCs Şekil 1. Performans Eğrileri. Akım yoğunluğu / gerilim eğrileri. TiO baskılı inkjet ile cihazda kısa devre akım yoğunluğu 2 kat daha düşük bir genel dönüşüm verimliliği ile sonuçlanan doktor bıçaklı TiO2 tabakası ile cihazın önemli ölçüde düşüktür. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Kısa devre akımı Açık devre voltajı Doldurma faktörü verim Kalınlık
(mA / cm2) (MV)
(%) (Um)
Mürekkep Püskürtmeli baskılı 9.42 760 0.49 3.5 2.6
doktor bıçaklı 11 756 0.58 4.8 18

Şekil 1. Bu tablo, belirtilen ışığı altında etkinliğini (η) belirleyen açık devre gerilimi (V oc), kısa devre akımı (I sc) de dahil olmak üzere güneş pili anahtar parametreleri karşılaştırır içinde Hücreleri Tablo 1. Temel Performans Özellikleri koşul sunulmaktadır. parametreler oBir doktor ağızlı TiO2 tabakası kullanılarak üretilen fa hücre de karşılaştırma amacıyla dahil edilmiştir. Her iki cihaz dolgu faktörleri (FF), genellikle hücre içinde yüksek bir iç direnç atfedilen hangi oldukça düşüktür.

Tartışma

Mürekkepleri formüle ederken özel bir zorluk, nanopartiküllerin bir araya toplanma eğilimidir. Bunlar, parçacıklar arasındaki bağların doğasına ve gücüne bağlı olarak agregalar veya aglomeralar olarak bilinir. Parçacıkları suya veya bağlayıcıya basitçe karıştırmanın enerjisi, topakların parçalanmasını önleyen parçacık çekici kuvvetlerinin üstesinden gelmek için yeterince büyük değildir. Bilyalı öğütme, yüksek kesmeli karıştırma veya ultrasonikasyon, aglomera nanopartikülleri parçalamak için yaygın olarak kullanılır. Uzun süreli stabilizasyon sağlamak için çeşitli anyonik, iyonik olmayan ve katyonik yüzey aktif maddeler ve polimerler de kullanılabilir. Bu aglomeraların sayısını en aza indirerek kaliteli bir süspansiyon elde edilebilir. Nozulları tıkayabilecek büyük partikül agregalarını gidermek için sıvılar kartuşa yüklenmeden hemen önce doğru boyuttaki filtreden filtrelenmelidir.

TiOiçindeki partikül boyutunun 2 katmanının da DSSC'lerin genel verimliliğini etkilediği gösterilmiştir. Titanyum dioksitin fotokatalitik aktivitesi, spesifik yüzey alanındaki40 artışa bağlı olarak partikül boyutları azaldıkça artar. 400 nm ila 14 nm arasında değişen 5 farklı boyutta TiO2 nanopartikülleri içeren DSSC'lerin verimliliğini karşılaştıran ve daha küçük partikül boyutlarına sahip olanların daha iyi elektriksel dönüşüm verimlilikleri ile sonuçlandığını bulan bir çalışma33.

Mürekkep püskürtmeli baskı, çok geçişli baskı yapabilen temassız bir biriktirme tekniğidir. Bu, çok katmanlı cihazları tek bir işlemde, çok çeşitli alt tabakalar üzerinde minimum malzeme israfıyla hızlı bir şekilde üretmek için eşsiz bir fırsat sunuyor. Ayrica, potansiyel olarak, islevsel malzemelerin basilmasi yoluyla diger komponentleri (piller gibi) sisteme entegre etmenin bir yolunu saglar41. Mürekkep püskürtmeli baskılı cihazlar için gösterilen temsili sonuçlar, doktor bıçaklı cihazlar kadar iyi performans göstermese de, biriktirme tekniğinin potansiyelini göstermektedir. Daha fazla mürekkep optimizasyonu ile, şu anda kullanılan yöntemlerle karşılaştırılabilir düzeyde performans gösterebilir ve fotovoltaik hücrelerin çok çeşitli alt tabakalara uygun maliyetli, çevre dostu entegrasyonu için daha fazla kapsam sağlayabilir. Basılı katmanın kalınlığını doktor bıçaklı TiO 2'ninkine yaklaştırarak mürekkep püskürtmeli baskılı cihazların verimliliğini artırmayı umuyoruz ve DSSC'ler içindeki diğer malzemelerin ve katmanların baskısına bakmaya devam edeceğiz.

Açıklamalar

Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.

Teşekkürler

Bu araştırma minnetle bir doktora eğitim hibe yoluyla finanse Mühendislik ve Fizik Bilimleri Araştırma Konseyi (EPSRC) desteği ile yürütülmektedir. Açık erişim makale işleme ücretleri (APC) Araştırma Konseyleri UK (RCUK) tarafından finanse edildi. Tüm veriler çalışmanın sonuçları bölümde tam olarak verilmektedir. Temsilcisi sonuçları önceden yazarlar 42 tarafından yayınlanmıştır.

Biz hücrelerinin elektriksel performansını karakterize yaptığı yardım için Exeter Üniversitesi'nden Dr. Senthilarasu Sundaram teşekkür etmek istiyorum.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Titanyum dioksitSigma Aldrich718467
Deiyonize su Laboratuvardaki bir filtreden sağlanır
Hidroklorik asit, 2 M (2 N) Fisher ScientificJ / 4250/17
Dimetilformamid (DMF)Fisher ScientificD / 3840/08
EtanolVWR Kimyasalları20721.33
Dağıtıcı katkı maddesi;Hava Ürünleri
Köpük Giderici ajanHava Ürünleri
Etilen glikolFluka107-21-1
Poliviniliden florür (PVDF) şırınga filtresiVWR Uluslararası
Temizlik deterjanı Fisher Scientific10335650
Flor katkılı kalay oksit (FTO) cam, 8 Ω/sqPilkington
Ruthenizer boyasıSolaronix21613
Önceden kesilmiş 60 & mikro; M kalınlığında termoplastik sızdırmazlık filmi  Solaronix74301
50 mM İyodür / tri-iyodür elektrolit & asetonitril içindeSolaronix31111
Platin kaplı FTO cam Solaronix74201
Vac'n'Fill ŞırıngaSolaronix65209
Poliimid bant (6,35 mm)Onecall Farnell1676087

Kaynaklar

  1. Docampo, P., et al. Lessons Learned: From Dye-Sensitized Solar Cells to All-Solid-State Hybrid Devices. Adv. Mater. 26, 4013-4030 (2014).
  2. Hudd, A. The Chemistry of Inkjet Inks. Magdassi, S. , 3-18 (2009).
  3. Krebs, F. C. Fabrication and processing of polymer solar cells: A review of printing and coating. Sol. Energ. Mat. Sol. Cells. 93, 394-412 (2009).
  4. Reddy, P. J. Solar Power Generation: Technology, New Concepts & Policy. , Taylor & Francis. (2012).
  5. Gemeiner, P., Mikula, M. Acta. Chem. Slov. 6, 29(2013).
  6. Xue, Z., Jiang, C., Wang, L., Liu, W., Liu, B. Fabrication of Flexible Plastic Solid-State Dye-Sensitized Solar Cells Using Low Temperature Techniques. J. Phys. Chem. C. 118, 16352-16357 (2014).
  7. Oh, Y., Yoon, H. G., Lee, S. -N., Kim, H. -K., Kim, J. Inkjet-Printing of TiO2 Co-Solvent Ink: From Uniform Ink-Droplet to TiO2 Photoelectrode for Dye-Sensitized Solar Cells. J. Electrochem. Soc. 159, 34-38 (2011).
  8. Lin, L. -Y., et al. Low-temperature flexible Ti/TiO2 photoanode for dye-sensitized solar cells with binder-free TiO2 paste. Prog. Photovolt. Res. Appl. 20, 181-190 (2012).
  9. Gong, J., Liang, J., Sumathy, K. Review on dye-sensitized solar cells (DSSCs): Fundamental concepts and novel materials. Renew. Sustainable Energy Rev. 16, 5848-5860 (2012).
  10. Bosch-Jimenez, P., Yu, Y., Lira-Cantu, M., Domingo, C., Ayllòn, J. A. Solution processable titanium dioxide precursor and nanoparticulated ink: Application in Dye Sensitized Solar Cells. J Colloid Interf Sci. 416, 112-118 (2014).
  11. Jose, R., Thavasi, V., Ramakrishna, S. Metal Oxides for Dye-Sensitized Solar Cells. J. Am. Ceram. Soc. 92, 289-301 (2009).
  12. Gemeiner, P., Mikula, M. Efficiency of dye sensitized solar cells with various compositions of TiO2 based screen printed photoactive electrodes. Acta. Chem. Slov. 6, 29-34 (2013).
  13. Lee, K. E., Charbonneau, C., Demopoulos, G. P. Thin single screen-printed bifunctional titania layer photoanodes for high performing DSSCs via a novel hybrid paste formulation and process. J. Mater. Res. 28, 480-487 (2013).
  14. Li, J., Lemme, M. C., östling, M. Inkjet Printing of 2D Layered Materials. ChemPhysChem. 15, 3427-3434 (2014).
  15. Rudyak, V. Y., Krasnolutskii, S. L. Dependence of the viscosity of nanofluids on nanoparticle size and material. Phys. Lett. A. 378, 1845-1849 (2014).
  16. Dispoto, G., Moroney, N., Hanson, E., Meyer, J. D., Allen, R. R. Color Desktop Printer Technology Optical Science and Engineering. , CRC Press. 111-155 (2006).
  17. Hsien-Hsueh, L., Kan-Sen, C., Kuo-Cheng, H. Inkjet printing of nanosized silver colloids. Nanotechnology. 16, 2436(2005).
  18. Singh, M., Haverinen, H. M., Dhagat, P., Jabbour, G. E. Inkjet Printing: Inkjet Printing-Process and Its Applications. Adv. Mater. 22, 673-685 (2010).
  19. Stüwe, D., Mager, D., Biro, D., Korvink, J. G. Inkjet Technology for Crystalline Silicon Photovoltaics. Adv. Mater. 27, 599-626 (2015).
  20. Perelaer, J., et al. Roll-to-Roll Compatible Sintering of Inkjet Printed Features by Photonic and Microwave Exposure: From Non-Conductive Ink to 40% Bulk Silver Conductivity in Less Than 15 Seconds. Adv. Mater. 24, 2620-2625 (2012).
  21. Hwang, M. -s, Jeong, B. -y, Moon, J., Chun, S. -K., Kim, J. Inkjet-printing of indium tin oxide (ITO) films for transparent conducting electrodes. Mat. Sci. Eng. B. 176, 1128-1131 (2011).
  22. Hara, K., Arakawa, H. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. , John Wiley & Sons, Ltd. Ch. 15 663-700 (2003).
  23. Ryu, J., Wakida, T., Takagishi, T. Effect of Corona Discharge on the Surface of Wool and Its Application to Printing. Text. Res. J. 61, 595-601 (1991).
  24. Yang, L., Chen, J., Guo, Y., Zhang, Z. Surface modification of a biomedical polyethylene terephthalate (PET) by air plasma. Appl. Surf. Sci. 255, 4446-4451 (2009).
  25. Qian, B., Shen, Z. Fabrication of Superhydrophobic Surfaces by Dislocation-Selective Chemical Etching on Aluminum, Copper, and Zinc Substrates. J. Am. Chem. Soc. 21, 9007-9009 (2005).
  26. Echlin, P. Handbook of Sample Preparation for Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. , Springer. (2011).
  27. Flegler, S. L., Heckman, J. W., Klomparens, K. L. Scanning and Transmission Electron Microscopy: An Introduction. , Oxford University Press. (1993).
  28. O'Donnell, M. Z. R. How To Minimize Measurement Errors In Solar Cell Testing. Solar Industry Magazine. , http://www.newport.com/images/webdocuments-en/images/Solar_Industry-Solar_Cell_Testing.pdf (2011).
  29. Grätzel, M. Dye-sensitized solar cells. J. Photochem. Photobiol. C: Photochem. Rev. 4, 145-153 (2003).
  30. Green, M. A., Emery, K., Hishikawa, Y., Warta, W., Dunlop, E. D. Solar cell efficiency tables (version 46). Prog. Photovolt. Res. Appl. 23, 805-812 (2015).
  31. Shockley, W., Queisser, H. J. Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells. J. Appl. Phys. 32, 510-519 (1961).
  32. Snaith, H. J. Estimating the Maximum Attainable Efficiency in Dye-Sensitized Solar Cells. Adv. Funct. Mater. 20, 13-19 (2010).
  33. Jeng, M. -J., Wung, Y. -L., Chang, L. -B., Chow, L. Particle Size Effects of TiO2 Layers on the Solar Efficiency of Dye-Sensitized Solar Cells. Int. J. Photoenergy. 2013, 9(2013).
  34. Song-Yuan, D., Kong-Jia, W. Optimum Nanoporous TiO2 Film and Its Application to Dye-sensitized Solar Cells. Chin. Phys. Lett. 20, 953-955 (2002).
  35. Baglio, V., Girolamo, M., Antonucci, V., Aricò, A. S. Influence of TiO2 Film Thickness on the Electrochemical Behaviour of Dye-Sensitized Solar Cells. Int. J. Electrochem. Sci. 6, 3375-3384 (2011).
  36. Ito, S., et al. High-Efficiency Organic-Dye- Sensitized Solar Cells Controlled by Nanocrystalline-TiO2 Electrode Thickness. Adv. Mater. 18, 1202-1205 (2006).
  37. Ito, S. Dye sensitized solar cells. Kalyanasundaram, K. , EFPL Press. Ch. 8 251-266 (2010).
  38. Tsai, J., Hsu, W., Wu, T., Meen, T., Chong, W. Effect of compressed TiO2 nanoparticle thin film thickness on the performance of dye-sensitized solar cells. Nanoscale Res Lett. 8, 1-6 (2013).
  39. Shin, I., et al. Analysis of TiO2 thickness effect on characteristic of a dye-sensitized solar cell by using electrochemical impedance spectroscopy. Curr. Appl. Phys. 10, 422-424 (2010).
  40. Brus, L. Electronic wave functions in semiconductor clusters: experiment and theory. J. Phys. Chem. 90, 2555-2560 (1986).
  41. Jung, S., et al. All-Inkjet-Printed, All-Air-Processed Solar Cells. Adv Energy Mater. 4, 1-9 (2014).
  42. Cherrington, R., Hughes, D. J., Senthilarasu, S., Goodship, V. Inkjet-Printed TiO2 Nanoparticles from Aqueous Solutions for Dye-Sensitized Solar Cells (DSSCs). Energy Technology. 3, (2015).

Yeniden basım ve izinler

Daha fazla makale keşfet

Mürekkep Püskürtmeli YazdırmaNanoparçacık MürekkebiMürekkep FormülasyonuYüzey ProfilometresiDinamik Işık SaçılmasıGüç Dönüşüm VerimliliğiEsnek Altlıklar
Boya duyarlı güneş pilleri için Titanyum Dioksit Dijital Baskı
Bize Ulaşın
Kütüphaneye Öner

Gizlilik

Kullanım Koşulları

Politikalar

Telif Hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.