新技术的比较研究染料敏化太阳能电池的制造使用NanoTiO2和不同的染料

文摘

涂料太阳能电池(DSSCs)近年来获得了广泛的关注,因为他们生产成本低、易于制造和可调光学特性,如颜色和透明度。现今天然染料用于使电极和反电极是由炭黑的帮助。在这项研究中我们报告分子设计不同的染料(指甲花、石榴和甜菜根)和nanoTiO2 DSSCs,哪些特性的原型结构donor-π-bridge-acceptor和最大化电解质兼容改进聚光特性。BulkTiO2大小150微米的转换为nanoTiO2粒子有大小小于20 nm使用行星球磨机。我们的设计由一晶格modulated-diameter nanoTiO2粒子和间隙区域充满电解液。这不仅提供了光捕获和吸收增强,但提供了改善电力传输通过nanoTiO2粒子。可以看出当频率增加电容和电阻降低。在某些点电容保持一个稳定的状态和阻力几乎等于零。这是由于内部阻力和细胞的稳态电容。这符合制作染料敏化太阳能电池工作原理与传统的细胞。 It is found that henna and pomegranate dyes shows better energy conversion efficiency than beet root dye.

关键字

染料敏化太阳能电池(DSSC)、甜菜根、指甲花、石榴、TiO₂纳米粒子

介绍

世界现在从传统能源转向可再生能源来满足能源需求。在可持续技术,光电技术被认为是最有效的(1]。它是基于电荷分离的概念在一个接口的两种材料不同的传导机制(2]。染料敏化太阳能电池(DSSCs)得到了相当大的关注和非凡的高转换使用结晶介孔TiO能源效率接近10%₂电影(3),光学吸收和电荷分离。色素增感太阳能电池的组装是基于分层结构,它由两个透明玻璃板块的透明导电氧化物(TCO),相互平行,间隔约40μm分开。在其中一个板块是应用纳米晶体TiO₂层涂布有机金属光敏染料——这收集、检索的细胞功能photo-anode(照亮阳极)。其他TCO的玻璃板的表面通常是涂上nanoplatinum,这是一种催化层,这种安排是电池阴极。板之间的空间充满了电解质包含我ˉ/氧化还原系统₃ˉ。显示了每个组件之间的依赖许多其他材料。如果至少一个组件在国防部的改变,例如,染料,电解液的组成、TiO的粒度₂,或者,膜厚度,DSSC细胞需要调整,以确保最好的系统管理(4]。电解质和染料是细胞的基本要素。对电极的任务是收集电子从外电流和流向三碘化催化还原的离子。铂是最常见的材料作为对电极。虽然铂显示了较高的催化活性,其稀缺性资源,高成本和腐蚀机会通过三碘化解决方案,抑制在未来大规模应用。出于这个原因,有必要研究铂、替代材料的电化学活性和化学稳定性的特征。

国防部的转换效率也取决于染料的性质和选择。使用基于钌的DSSC的敏化剂表现出最大效率为12% (5为大规模应用程序),但它是昂贵的(6]。取代钌染料的多种天然染料进行了调查和测试(7]。此外,尽管低效率和寿命,天然染料一直吸引了研究人员的兴趣。简单的可用性、与环境相容性和生物降解性的主要优势是天然染料(8]。天然染料提取物一般含有植物化学物质如醌类,类黄酮;蒽醌类、花青素和香豆素,他们在DSSC扮演着至关重要的作用。官能团如羟基和羧基的存在可以作为良好的金属螯合剂TiO当吸附₂。DSSC的天然染料是环境友好、低成本相比,钌染料(6]。

许多论文DSSCs已报告在几个期刊(9- - - - - -12];所有这些DSSCs少能源效率和耐久性。目前的研究是基于通信的新方法;这里采用的技术非常简单,用户友好性。这是一个绿色的方法过程不污染环境和涉及无毒放电,进一步的染料敏化太阳能电池(DSSCs)捏造经济更好的能源效率。这个过程包括bulkTiO的转换₂nanoTiO(150微米)₂的大小小于20 nm的帮助下行星球磨机。从甜菜根中提取天然染料(甜菜属),用于使电极。对电极的制备与炭黑的帮助。tri-iodide电解质KI和我组成的₂在无水乙二醇。光照射时的表面DSSC电子传递过程发生在以下五个步骤:(a)染料分子变得兴奋到更高的电子状态的结果光子染料吸收,(b)兴奋分子给一个电子(eˉ)nanoTiO的半导体层₂,使氧化染料,(c),那么电子之间徘徊的二氧化钛纳米颗粒的玻璃柜台的TCO和外部电路电极,(d)我ˉ离子导致减少染料分子的激发态,,我这离子被氧化₃ˉ,三碘化(e)阴离子减少使用对电极的电子。然后系统返回到一个能量平衡的状态,准备接收下一个光子,并再次开始。发现增加频率细胞的抵抗力降低,几乎等于零,也趋向于零。所以制作染料敏化太阳能电池使用不同的染料(指甲花、石榴和甜菜根)正在像一个传统的细胞。更多不同类型的DSSC还捏造使用石墨棒代替一个氧化铟锡(ITO玻璃)。电压电流关系的比较研究也报道了对染料的影响。

材料和方法

以下材料所需的制造DSSC细胞中给出表1。

表1。材料列表。

制备NanoTiO₂

NanoTiO₂准备的帮助下行星球磨机(RETSCHPM 100)。球磨机的容器(杯)用蒸馏水洗净,然后用甲苯清洗和保存在干热灭菌器在80°C 5分钟晾干,最后保存在室温下10分钟。批量TiO₂(10 g)粉是在行星球磨机的容器随后添加15 - 20毫升的甲苯为湿法粉碎它。TiO的摩尔质量₂79.866通用/摩尔;根据10:1(球粉重量)比10 g的粉末被杯,减少了15 h . 300 rpm的速度紧随其后的每15分钟休息5分钟操作。

制备电极照片

工作电极是nanoTiO涂层的准备的₂在ITO玻璃上粘贴。纳米TiO₂粉(2 g)是50毫升烧杯,其次是增加3毫升蒸馏水和2毫升乙醇分别。混合物一直和允许振动大力ultrasonnicator 20 KHz的频率和功率600瓦的1小时,然后是保存在室温(25°C) 24小时;进行的ITO玻璃的帮助下可以确定多米。结果nanoTiO₂粘贴是所示图1一个,然后用于导电ITO玻璃的表面涂层撤出2毫米/秒的速度。镀膜玻璃是在室温1小时,然后在干热灭菌器1小时在100°C。

制备染料、电解质和对电极

甜菜根染料(图1 b)准备从甜菜根。第一个甜菜根是用水洗净,切成小块。小块甜菜根(10克)拍摄和增加了2 - 4毫升蒸馏水,然后减少了10分钟,过滤后的染料。也采用类似的流程分别指甲花染料的制备和石榴染料。

房间里的电解质制备温度。tri-iodide电解质(图1 c)KI组成的0.5米,0.05米吗₂在无水乙二醇。

对电极是由炭黑的帮助。进行的另一个ITO玻璃蜡烛的火焰,这样显示炭黑沉积均匀所示图1 d。

制造DSS的细胞

准备2到3滴的甜菜根染料添加到照片电极,以便与nanoTiO染料涂均匀₂。应该照顾,所需数量的染料应小心倒TiO₂不应该出来。然后是保存在室温(25°C) 1小时,随后在100°C的干热灭菌器1小时除去水分。几滴(2 - 3)的电解液添加到它,因为它是在室温下2到3小时,它完全干燥(图1 e)。DSSC细胞所示是捏造的图1 f通过电极夹准备对电极的照片。

仪器和方法

nanoTiO的粒度₂决心使用高分辨率透射电子显微镜(HRTEM模型蔡司EM910)在100千伏、0.4 nm的点对点分辨率进料侧测角器附加到CCD大型视觉ΙΙΙ图像处理器。

的导电ITO玻璃发现了多米(DT830D)的帮助。开路电压和短路电流的帮助也发现了多米(优秀的多12 s)。

电阻、电感和电容测定了细胞的变异频率的电感电容电阻测量计的帮助(Keysight /安捷伦4284 a)。

结果与讨论

nanoTiO粒子大小的决心₂

所选区域(电子)nanoTiO衍射(悲伤或SAED)₂所示图2一个。介绍了纳米- TiO的显微照片₂在不同的放大所示图2 b-2e,分别。这是看到nanoTiO的粒子大小₂在分裂到8 - 16个纳米的范围。

电压测量的照片

从每个实验结果提出并分析了在这一节中。电压(mV)和电流的读数(mA)测定在298°K和1 atm。压力与太阳光线的照明从上午10点到下午4点所示表2。阅读在KIST校园拍摄于2017年12月5日,布巴内斯瓦尔,印度奥里萨邦的地理位置20°7“43”北和85°40”39“东。不同的数据报告的开路电压和短路电流表3在室温下测量(298°K)的日光灯和白炽灯在不同的条件。一个40瓦日光灯和100瓦白炽灯分别进行测量。

表2。电压和电流在阳光下阅读(甜菜色素细胞)。

表3。前面的照片电压生产不同灯(甜菜色素细胞)。

这是观察到的表3照片与阳光的辐射增加电压生产增加,同时电流增加,反之亦然。由于太阳辐射的增加,染料可以吸收更多的光和电子激发高,电压和电流的生产变得很高。从表3,观察到的距离减少灯的生产照片电压和电流的增加,发生这种情况是因为更多的光辐照细胞。

测量不同参数的细胞

不同的参数如品质因数(Q),十个三角洲,危急,并行C和并行R的帮助下发现了电感电容电阻测量计(关键的景象)1和30电压可变频率的报道表4和表5分别。

表4。参数的变化对频率(甜菜色素细胞)。

表5所示。参数的变化对频率输入电压30 V。

在表4,增加从0.1000到1.3899赫兹的频率,阻抗、电容和并联电阻变化从321.03到257.98欧姆,0.00133到0.00011法拉第(F)和333.28 - 267.05欧姆,分别。在图3频率之间,图绘制,并行C和并行R,当输入1 V。两图满足彼此近150赫兹的频率。

在表5,增加从0.1000到1.3899赫兹的频率,阻抗、电容和并联电阻变化从290.66到257.39欧姆,0.0012到0.0001法拉第(F)和298.10 - 266.18欧姆,分别。在图4频率之间,图绘制,并行C和并行R,当输入3 V。图满足彼此在近50赫兹的频率。

这是观察到的图3,图4,表4和表5,随着电压的增加平行的截面点C,平行R和频率降低。也观察到的频率增加阻抗以及平行电容减少。一定频率的电容和电阻后成为常数。高频电阻趋于0或几乎等于零,但电容变成零。

它也观察到图3和图4分别,当频率增加电容和电阻降低。在某些点电容保持稳态和阻力几乎等于零,由于内部阻力和细胞的稳态电容。这符合制作染料敏化太阳能电池可以像传统的细胞。图5 - 7代表图之间的电流和电压的三种不同的染料(指甲花、石榴和甜菜根)致敏细胞分别。这是观察到图5,指甲花染料当前逐渐降低的电压增加时突然下降到0 500 mV。有一个急剧下降的电流,电压650 mV。这是由于突然阻力建立在细胞中,这一趋势也观察到图6和图7分别。图6显示了相同的趋势图5,但在图7当前急剧下跌500 mV。因此指甲花染料和石榴有更好的能源转换效率比甜菜根染料。

据报道,鲜花,水果和树叶是敏化剂的来源比树皮和根13),所以指甲花和石榴染料是染料敏化剂比甜菜根。醌染料在指甲花。色素存在于甜菜betalain染料,包括甜菜黄素和甜菜红色素。甜菜红色素是主要的组件甜菜根。这个顺序甜菜红色素染料由甜菜苷和indicaxanthin14]。低效率的甜菜根染料是由于贫穷与TiO betalain互动的本质₂(15]。尽管有报道称纯甜菜苷(染料从核心分离染料betalain形成的主要色素甜菜)作为一个潜在的敏化剂在DSSC,甜菜苷染料的衰变是一个主要因素导致DSSC的低效率16]。衰变的速率是影响氧,pH值,曝光,和温度。它也报告说,金属阳离子(Ti的存在^{4 +})将衰变率的提高甜菜苷(16]。这可能会导致低效率的甜菜根背后染料。进一步甜菜染料很容易凝固和退化的电解质,因此明智地不适合细胞制造。甜菜根的主要缺点之一是TiO的染料聚合₂这可能会导致淬火的运营商导致表现不佳的染料17]。然而,花青素染料在石榴是一个相对小分子的羧基和羟基官能团。他们用TiO形成强键₂,它有助于细胞的能量转换效率。事实上,这种染料的光学带隙是低,它也将有助于快速再生染料的在我面前ˉ/ I3ˉ氧化还原电解质导致增强DSSC的填充因子。花青素是石榴的主要色素。可以看出从石榴中提取的染料有至少带隙会促进快速电子运动TiO的导带₂(16]。Kavitha et al。18)报道,甜菜根、指甲花、石榴染料显示出相当大的转变,在吸收边向长波长TiO的涂层₂。转向更长的波长会提高光吸收能力,因此细胞的照片现在。这也表明部分染料与钛的化学结合^{4 +}TiO的₂,导致染料- TiO的形成₂复杂。除了花青素石榴还包含flavylium强烈结合Ti^{4 +}(15]。这些证据表明,指甲花和石榴染料敏化剂更好和更好的能量转换效率和甜菜根染料相比,我们的实验结果也直接相关。这也表明,部分化学键与Ti染料^{4 +}TiO的₂可能,导致dye-TiO的形成₂复杂。二氧化钛(TiO₂)是非常接近照片的理想半导体催化因其高稳定性、低成本和安全对人类和环境。TiO的各种调查建立了₂是更有效的光催化剂纳米颗粒的形式比散装粉(19]。当微晶半导体粒子的直径低于临界半径大约10 nm,每个电荷载子似乎表现出量子机械(20.作为一个简单的粒子在一个盒子里。由于这种监禁,带隙增加和乐队边缘转向收益率大的氧化还原电位(21]。然而,溶剂重组电荷转移到衬底的自由能保持不变。由于驱动力增加,改变溶剂重组自由能,电荷转移的速率常数在正常马库斯地区增加(22]。使用size-quantized半导体粒子增加的照片效率系统的病原反应步骤是电荷转移。机和Hunte23报道,因为吸收边蓝与减少颗粒大小变化,照片产生的电子和空穴的氧化还原电位在量子化的半导体粒子增加。换句话说,量子化的粒子活动照片显示高于宏观晶体半导体粒子。

结论

它是观察到的新技术开发制造的染料敏化太阳能电池(DSSC)。它可能会得出结论,增加细胞的阻力降低频率。它几乎等于零,也趋向于零。与增加染料的电子发射频率增加。更多数量的电子从价带导带的工作电极和对电极之间的电位差增加,从而提高能量转换。以某一频率,电阻很低,最大数量的电子发射频率被称为最高工作频率。超越它,就不会有电子的发射频率的增加。这里的染料也提高能量转换效率的重要因素。在这项研究中,我们观察到指甲花染料和石榴有更好的能量转换效率比甜菜根染料。

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