Bu projenin genel amacı, boya hassas güneş pilleri için geliştirilmiş performansa sahip bir foto-anot üretmek için elektrospinning kullanmaktı.
Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.
Yöntem makalesi
Boya Duyarlılaştırılmış Güneş Pilleri için Fotokatalitik Elektrotların Elektrospinning
Bu makalede
Özet
Özet
Bu çalışma, piyasaya sürülen titanyum dioksitten imal edilmiş bir bloke edici tabaka üzerine, elektrospun titanyum dioksit nanofiberlerden (Ti02-NFs) yapılmış bir ışık saçılım tabakasından oluşan, boya duyarlılaştırılmış güneş pilleri için bir fiber esaslı foto-anot imal etmek için bir protokolü göstermektedir Nanopartiküller (Ti02-NP). Bu, kompozit PVP / TiO2 nanofiber elde etmek için etanol içinde titanyum (IV) bütoksit, polivinilpirolidon (PVP) ve buzlu asetik asit solüsyonu ilk önce elektrospinleme ile elde edilir. Bunlar daha sonra PVP'yi çıkarmak ve saf anataz-faz titania nanofiberleri elde etmek için 500 ° C'de kalsine edilir. Bu malzeme, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve toz X-ışını kırınımı (XRD) kullanılarak karakterize edilmiştir. Fotoelektron, öncelikle, bir flor katkılı teneke oksit (FTO) cam slayt üzerinde dıf kıvırma teknikleri kullanılarak bir Ti02-NP / terpinol bulamacıyla bir blokaj tabakası oluşturarak hazırlanır. Sonraki bir ısıl işlem500 ° C'de gerçekleştirilir. Ardından, ışık saçma tabakası aynı teknede bir Ti02-NFs / terpineol bulamacının aynı kayma üzerine çökeltilmesi ve tekrar 500 ° C'de kalsinasyon ile oluşturulmuştur. Fotonodun performansı, bir boya duyarlılaştırılmış güneş pilinin imalatı ve 0.25-1 Güneş'ten gelen bir dizi ışık yoğunluğu aralığında JV eğrileri aracılığıyla verimliliğini ölçerek test edilir.
Giriş
Boya hassaslaştırılmış güneş pilleri (DSSC), düşük maliyetli, nispeten basit üretim prosesi ve büyük ölçekli üretim kolaylığı sayesinde silikon esaslı güneş pilleri 1 için ilginç bir alternatiftir. Bir başka yararı ise, esnek alt tabakalara dahil olma potansiyelleri, silikon esaslı güneş pilleri 2'ye kıyasla belirgin bir avantaj. Tipik bir DSSC aşağıdakileri kullanır: (1) bir ışıkla hasat tabakası olarak bir boya ile duyarlılaştırılmış bir nanopartikülat Ti02 foto-anodu; (2) bir karşı elektrot olarak kullanılan bir Pt kaplı FTO; Ve (3) iki elektrot arasına yerleştirilen, bir "delik ileten ortam" olarak çalışan, I - / I3 gibi bir redoks çiftini içeren bir elektrolit.
DSSC'ler% 15'lik etkinlikleri aştıysa da, nanopartikül bazlı foto-anotların performansı halen yavaş elektron mobilitesi de dahil olmak üzere bir dizi kısıtlamayla engellenmektedirY 4 , düşük enerjili fotonların zayıf emilimi 5 ve şarj rekombinasyonu 6 . Elektron toplama verimi, TiO 2 nanopartikül katmanı boyunca elektron taşıma hızına büyük oranda bağlıdır. Yük difüzyonu yavaşsa, elektrolit çözeltisindeki I3 ile rekombinasyon olasılığı artmakta ve verimlilik kaybına neden olmaktadır.
Nanopartikülatlı TiO2'nin bir boyutlu (1D) TiO2 nano-mimarileri ile değiştirilmesinin, serbest elektronların birbirine bağlı TiO2 nanopartiküllerinin 7 tane sınırlarından saçılmasını azaltarak yük naklini geliştirebileceği gösterilmiştir. 1D nano-yapıları, yük toplama için daha doğrudan bir yol oluşturduğundan, nanoyönerlerdeki (NFs) elektron taşıma oranının nanopartiküller 8'e göre çok daha hızlı olmasını bekleyebiliriz , 9 .
Elektrospinning, alt-mikron çapı 10 olan lifli malzemelerin imalatı için en sık kullanılan yöntemlerden biridir. Bu teknik, bir püskürtme memesinden bir polimer çözeltisi püskürtmesinin başlatılmasına neden olan yüksek voltaj kullanımını içerir. Bükülme kararsızlığından dolayı, bu jet daha sonra sürekli nanofiber oluşturmak için bir çok kez gerilir. Son yıllarda, bu teknik, doku mühendisliği 11 , kataliz 12 ve lityum iyon pilleri 13 ve süperkapasitler 14 için elektrot malzemeleri gibi sayısız ve çeşitli uygulamalar için kullanılan polimerik ve inorganik malzemeleri imal etmek için yaygın bir şekilde kullanılmaktadır.
Fotosonodaki saçılma tabakası olarak elektrospuan TiO2-NF'lerin kullanılması DSSC'lerin performansını artırabilir. Bununla birlikte, nanofibro ile foto-anotlarBiz mimariler yüzey alanı sınırlamaları yüzünden zayıf boya emilimine sahip olma eğilimindedirler. Bunun üstesinden gelmek için olası çözümlerden biri, NF'leri ve nanoparçacıkları karıştırmaktır. Bu, ışık emilimini ve genel verimliliği artıran ilave saçılma tabakalarına neden olduğu gösterilmiştir 15 .
Bu videoda sunulan protokol, elektrospinning ve sol-jel teknikleri kombinasyonu ile ultralong TiO2 nanofiber sentezlemek için kolay bir yöntem sağlar ve ardından kalsinasyon işlemi gerçekleştirilir. Protokol daha sonra, doktora blading teknikleri kullanılarak arttırılmış ışık yayılım kabiliyetine sahip olan bir çift katmanlı foto-anodun imalatı için TiO2-NF'lerin nanopartikülatlı Ti02 ile kombinasyon halinde kullanımını ve bunun ardından bir DSSC'yi, photoanode.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Protokol
1. Prekürsör Solüsyon Hazırlığı
NOT: Kullanmadan önce lütfen ilgili tüm malzeme güvenlik bilgi formlarına (MSDS) başvurun. Bu prosedürde kullanılan kimyasallardan birçoğu insanlar için zararlı ve / veya toksiktir. Nanomalzemeler, muadillerine kıyasla ek tehlike oluşturabilir. Lütfen uygun güvenlik tedbirlerini ve kişisel koruyucu ekipmanı kullanın.
- Bir örnek şişesine 5 g titanyum (IV) n-butoksit, 1 g polivinilpirolidon (PVP), 1 mL buzlu asetik asit ve 10 mL saf etanol yerleştirin.
- Çözeltiyi homojen hale gelene ve kabarcıklar gözlenene kadar karıştırmak için manyetik bir karıştırma plakası kullanın.
2. Nanofiberlerin Elektrospinning ve Kireçlenmesi
- Elektrospinning işlemi için kullanılan iğneyi, 21 G'lik bir iğnenin ucunu kesip uç tamamen düz olacak şekilde ılımlı dereceli zımpara kullanarak zımparalayarak hazırlayın.
- Ihtiyacı monte edinTek kullanımlık bir 10 mL'lik şırınga üzerinde.
- Öncü çözümün bir kısmını şırıngaya yükleyin ve şırınga pompasına yerleştirin.
- Kolektör plakasını alüminyum folyoya sarın ve doğrudan iğne ucunun önüne yerleştirin.
NOT: İğneden tabağa olan mesafe 20 cm olmalıdır. - Toprak toplayıcı plakayı ve iğne yüksek gerilim güç kaynağına bağlayın.
- Koruyucu ekranı kurulumun etrafına yerleştirin.
- Şırınga pompasındaki akış oranını 1 mL / saate ayarlayın ve pompalamaya başlayın.
- İğnenin ucunda bir çözüm görünür görmez yüksek voltaj kaynağını açın ve 15 kV'ye ayarlayın.
NOT: Bu noktada, elyaf plakada toplanacaktır. Kurulum, fiber hasırın istenilen kalınlığını elde etmek için gerektiği kadar çalışmaya bırakılmalıdır. - İplik tamamlandıktan sonra, yüksek voltaj kaynağı ve şırınga pompasını kapatın. Folyoyu toplayıcı plakadan çıkarın.
- Elyafların durmasına izin verinGeceyarısından sonra alüminyum folyodan soyun.
- Soyulmuş elyafları bir pota içine yerleştirin ve bir mufle fırınına yerleştirin.
- Elyafları, 500 ° C'ye kadar 5 ° / dakikalık bir sıcaklık rampası ayarlayarak ve PVP'yi çıkarmak ve saf TiO2 nanofiber üretmek için 2 saat tutarak hesaplayın.
- Kalsinasyon işlemi tamamlandıktan sonra, lifleri tahrip edebilecek herhangi bir termal şoktan kaçınmak için sıcaklık 80 ° C'nin altına düşene kadar fırını bırakın.
3. Elektrot Üretimi
- Çamurların hazırlanması
- Yuvarlak tabanlı bir şişede, 500 mg titanyum dioksit macunu 20 mL etanol ekleyin.
- Ayrı bir balonda 500 mg elektrospınn Ti02-NFs ile 20 mL etanol karıştırılır.
- Solüsyonları banyo sonikatörü kullanarak 2 saat boyunca sonike hale getirin.
- Üniform karışımlar elde edildiğinde, her şişeye 2 mL terpineol ilave edin veDiğer 15 dak.
- Çamurları elde etmek için çözücüyü bir döner buharlaştırıcı kullanarak iki şişeden uçurun.
- Doktor balyalama ve sinterleme
- Bir elmas cam kesici kullanarak, 2 cm x 2 cm'lik bir kareye FTO iletken cam kaydırın.
- FTO slaytını, cam slayt üzerine yapışkan bant yerleştirerek, çalışma alanına sabitleyin, ortada 0.4 cm2 alan açık bırakın. Düzensiz bir kaplamayı önlemek için bandı önce iki paralel kenara yerleştirin ve ardından diğer ikisine yerleştirin.
- Slaytun açıktaki merkezine birkaç damla TiO 2 -NP bulamaç bırakın.
- Bulamaçları maruz kalan alanın üzerine eşit bir şekilde yaymak için tıraş bıçağı kullanın.
- Düzgün bir kaplama sağlandıktan sonra, yapışkan bandı dikkatli bir şekilde çıkarın.
- Kaplanmış slayt bir fırında yerleştirilir ve 2 saat boyunca 500 ° C'de sinterlenir.
- Aynı FTO slaytında 3.2.2-3.2.6 adımlarını tekrarlayın, bu sefer TiO 2 -NF bulamaç kullanarak yerineNanopartiküller, foto-anot elde etmek için.
4. NF Karakterizasyonu
- SEM karakterizasyonu
- Bir mikroskop sapına yapışkan karbon bandı bandı takarak SEM için numune hazırlayın. Kasete küçük miktarda nanofiber yerleştirin.
- Saplamayı bir numune tutucusuna takın ve aletin değişim odasına yükleyin.
- Alet koşullarını ve parametrelerini ayarlayın: ivmelenme voltajını 20 kV'a ve çalışma mesafesini 10 mm'ye ayarlayın.
- Materyalin genel morfolojisini sergilediklerinden emin olarak, numunenin görüntülerini toplayın.
- XRD karakterizasyonu
- Bazı nanofiberleri ince bir toz haline getirin ve XRD aşamasına eşit olarak yayın.
- Numuneyi difraktometreye yükleyin.
- Edinim parametrelerini ayarlayın: başlangıç açısı 10 °, uç açısı 80 °, bir başlangıç açısı 80 ° kullanın.0,015 ° kademeli boyut.
- XRD verilerini edinmeye başlayın.
5. Güneş pili imalatı
- Fotonodoyu sulu bir TiCl4 çözeltisi ile 75 ° C'de 45 dakika boyunca muamele edin. İşlemden sonra, deiyonize su ile yıkayın ve kurutun.
- Fotoğrafanodu, koyu renk koşullar altında mutlak etanolde 24 saat süreyle 0.5 mM rutenyum boya N719 çözeltisine daldırarak duyarlı hale getirin.
- Foto-anot ve karşı elektrot arasında bir termoplastik conta görevi görecek şekilde sensitize foto-anodun üzerine bir yapışkan film tabakası yerleştirin.
- Her iki yüzü birbirine bakacak şekilde, sızdırmazlık filminin üzerinde, önceden delinmiş bir delik bulunan bir Pt kaplı FTO karşı elektrot yerleştirin.
- Birleştirilen hücreleri, contayı kapatmak için 15 dakika boyunca 100 ° C'ye ısıtın.
- 1-propil-3-metilimidazolyum iyodür (0.8 M), iyot (0.1 M), tetrahidrofuranVe benzimidazol (0.3 M) ihtiva eden, 3-metoksipropionitrilde, karşılık gelen elektrotun ön delinmiş deliğinin tepesinde.
- Redoks medyatörünün toplanan hücrenin iç alanını doldurması için hücrenin bir vakum desikatörüne yerleştirilmesi.
6. JV Eğri Karakterizasyonu
- JV eğrilerini bir AM1.5G filtreden geçen bir xenon ark kaynağından 100 mW / cm2 aydınlatma altında bir dijital kaynak metre kullanarak edinin.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Sonuçlar
TiO 2 nanofiberleri SEM, X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) ve XRD kullanılarak karakterize edildi. Fotonodun nanoyapısı SEM kullanılarak karakterize edildi. Toplanan DSSC'nin performansı bir güneş simülatörü ve bir kaynak ölçme birimi kullanılarak test edildi.
Şekil 1A'daki SEM görüntüsü, bu protokol kullanılarak sentezlenen nanofiberlerin gözenekli bir yapıya ve yüksek ...
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Tartışma
Bu çalışmada sunulan yöntemler, DSSC'ler gibi fotokatalitik cihazlar için etkili nanofibral fotoanodların üretimini tanımlamaktadır. Elektrospinning, nanofiberlerin üretimi için çok yönlü bir tekniktir, ancak optimum morfolojilere sahip malzemeler elde etmek için belirli bir beceri ve bilgi seviyesine ihtiyaç duyulmaktadır. İyi nano fiberler elde etmek için en kritik hususlardan biri prekürsör solüsyonun hazırlanmasıdır: taşıyıcı polimer konsantrasyonu ve titanyum öncüsünün seçimi gibi bazı temel faktörler, bunların...
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Açıklamalar
Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.
Teşekkürler
Yazarların onayları yok.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Malzemeler
| Ad | Şirket | Katalog numarası | Yorumlar |
|---|---|---|---|
| titanyum (IV) n-butoksit | Sigma-Aldrich | 244112 | |
| Polivinilpirolidon | Sigma-Aldrich | 437190 | |
| buzlu asetik asit | Sigma-Aldrich | A6283 | |
| Etanol, mutlak | Fisher Scientific E | / 0650DF / 17 | |
| 20 mL Numune şişeleri | (herhangi biri) | (veya daha büyük hacim) | |
| tek kullanımlık 21G iğne | (herhangi bir) | ||
| P150 kum zımpara kağıdı | (herhangi bir) | ||
| tek kullanımlık 10 mL şırınga | (herhangi biri) | (veya daha büyük hacimli) | |
| manyetik karıştırıcı + karıştırma çubuğu | (herhangi biri) | ||
| PHD 2000 şırınga pompası | Harvard Aparatı | 71-2002 | (veya 1 mL / saat akış çıkışı verebilen başka bir şırınga pompası |
| Alüminyum folyo | (herhangi bir) | ||
| Paslanmaz çelik kolektör plakası | (özel yapım) | ||
| Yüksek Gerilim Güç | Kaynağı Gamma High Voltage Research, Inc | ES30P-10W | (veya +15 kV çıkış yapabilen başka bir güç kaynağı |
| Polikarbonat koruyucu kalkan | (özel yapım) | ||
| Seramik pota | (herhangi bir) | ||
| Kül fırın | (herhangi bir) | ||
| Titanyum dioksit, nanopowder | Sigma-Aldrich | 718467 | |
| 50 mL 1 boyunlu yuvarlak tabanlı şişeler | (herhangi bir) | ||
| banyo sonikatörü | (herhangi biri) | ||
| Terpineol | Sigma-Aldrich | ||
| Döner buharlaştırıcı | (herhangi biri) | ||
| FTO cam | Solaronix | TCO30-10 / LI | |
| Yapışkan bant | (herhangi bir) | ||
| tıraş bıçağı | (herhangi biri) | ||
| SEM | JEOL | 6500F | |
| XRD | PANalytical | X'pert Pro | |
| Titanyum Tetraklorür | Sigma-Aldrich | 89545 | |
| Ruthenizer 535-bisTBA | Solaronix | N719 | |
| sızdırmazlık filmi | Dyesol | Meltonix 1170-25 | |
| Pt kaplı FTO | Solaronix | TCO30-10/LI | |
| 1-propil-3-metilimidazolyum iyodür | Sigma-Aldrich | 49637 | |
| İyot | Sigma-Aldrich | 207772 | |
| benzimidazol | Sigma-Aldrich | 194123 | |
| 3-Metoksipropionitril | Sigma-Aldrich | 65290 | |
| Dijital kaynak ölçer | Keithley | 2400 | |
| Güneş Simülatörü | Abet teknolojileri | 10500 |
Kaynaklar
- 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).
- 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).
- Burschka, J., Pellet, N., et al. Sequential deposition as a route to high-performance perovskite-sensitized solar cells. Nature. 499 (7458), 316-319 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- Roy, P., Berger, S., Schmuki, P. TiO2 Nanotubes: Synthesis and Applications. Angewandte Chemie International Edition. 50 (13), 2904-2939 (2011).
- Macdonald, T. J., Xu, J., et al. NiO Nanofibers as a Candidate for a Nanophotocathode. Nanomaterials. 4 (2), 256-266 (2014).
- 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).
- Li, D., Xia, Y. Electrospinning of Nanofibers: Reinventing the Wheel? Adv Mat. 16 (14), 1151-1170 (2004).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Teo, W. E. Electrospinning parameters and fiber control. , http://electrospintech.com/hb-espinparameters.html (2015).
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Yeniden basım ve izinler
