Verbetering van de efficiëntie van de foto-elektrische conversie voor de flexibele vezelachtige kleurstofgevoelige zonnecellen

Resultaten en discussie

Oppervlaktemorfologie en samenstelling van de monsters

Afbeelding 2 toont de SEM-afbeeldingen van de vezelvormige TiO₂ fotoanode en Pt CE met verschillende resoluties, de EDS-beelden van het fibreuze Pt CE en de TiO₂ fotoanode voor en na het sensibiliseren. Uit Fig. 2a en b, de vezelvormige TiO₂ fotoanode blijft glad oppervlak en poreuze structuur, en de TiO₂ nanodeeltjes verspreiden zich gelijkmatig in de Ti-draad. Dus de vezelvormige TiO₂ fotoanode aangepast met TiCl₄ vormde tweemaal de TiO₂ barrièrelaag, die de elektronenrecombinatie tussen de elektrolyt en Ti-vezel effectief kan voorkomen. Uit figuur 2c en d blijkt dat het oppervlak van het vezelige Pt CE glad is, uniforme microporiën en weinig uitstulpingen, die afkomstig zijn van het snel koken en vervluchtigen van isopropanol, en een grote hoeveelheid poriën werd in situ gevormd in het oppervlak van de elektrodepositie Pt. Een dergelijke oppervlaktemorfologie van het gemodificeerde vezelvormige Pt CE verhoogt grotendeels het specifieke oppervlak van platinavezels en wordt gebruikt voor de adsorptie van vloeibaar elektrolyt [18], wat resulteert in een grote verbetering van de fotostroomdichtheid en open-circuitspanning voor de FFDSSC. Afbeelding 2e en f tonen de EDS-afbeeldingen van de TiO₂ fotoanodes voor respectievelijk na sensibilisatie. Vergeleken met Fig. 2e, laat f zien dat de TiO₂ fotoanode werd met succes gesensibiliseerd door het sterke signaal van het Ru-element. De sterke signalen voor de Al- en Pt-elementen zoals weergegeven in Fig. 2g geven aan dat het vezelige Pt CE werd geprepareerd met Al-draad als binnenkern.

De SEM-beelden van de TiO₂ fotoanode (a , b ) en vezelig Pt CE (c , d ) met verschillende resoluties, de EDS-beelden van de TiO₂ fotoanode voor (e ) en na (f ) sensibiliserend, en het vezelige Pt CE (g )

Elektrochemische eigenschappen

Afbeelding 3 toont de cyclische voltammogrammen van de elektrolytische Pt CE's voor en na gemodificeerd met thermische ontleding Pt met een scansnelheid van 50 mV s ⁻¹ om de elektrokatalytische activiteit van de monsters te onderzoeken in het potentiaalinterval van -0,4 tot 1,0 V. Voor zover wij weten, is de absolute waarde van de kathodische piekstroomdichtheid |I_pc | is positief gecorreleerd met het katalytische vermogen van elektroden en de absolute waarde van piek-tot-piek scheiding |E_pp | is omgekeerd gecorreleerd met de elektrokatalytische activiteit van de CE's [19, 20]. Afbeelding 3 geeft bijna identieke vormen van twee paar redoxpieken en |E_pp | voor de Pt-1 en Pt-2 CE's in I ⁻ /I₃ ⁻ redox-systeem, en de |I_pc | van de Pt-1 en Pt-2 CE's zijn 2,10 en 2,87 mA cm ⁻² , die een veel hogere kathodische piekstroomdichtheid vertoont voor de Pt-2 CE. Dit is toe te schrijven aan het grote actieve oppervlak en de microporiënstructuur van de Pt-2 CE gemaakt van het snel kokende en vervluchtigen van isopropanol, en een grote hoeveelheid poriën die in situ in de platinafilm worden gegenereerd. Er werd opgemerkt dat hoewel de Pt-1 en Pt-2 CE's een vergelijkbare |E_pp . vertonen |, echter, de Pt-2 CE toont veel hoger |I_pc | dan die van de Pt-1 CE. Dit geeft aan dat de Pt-2 CE effectiever werkt als een katalysator bij de reactie van de I ⁻ /I₃ ⁻ elektrolyt dan die van de Pt-1 CE. Wat nog belangrijker is, is dat de Pt-2 CE met dubbellaagse structuur hogere waarden vertoont voor de |I_pc | en |E_pp | dan die van de zuivere Pt-vezel CE (vermeld in tabel 1). Het feit bewijst volledig dat de Pt-2 CE met een goedkope en eenvoudige voorbereiding dezelfde functie vervult als de pure Pt-vezel CE. Bijgevolg is de elektrodepositie Pt CE gemodificeerd met thermische ontleding Pt een efficiënte elektrokatalysator en heeft een goed elektrokatalytisch vermogen voor de I ⁻ /I₃ ⁻ redoxreactie.

De cyclische voltammogrammen voor de Pt-1, Pt-2 en pure Pt CE's met een scansnelheid van 50 mV s ⁻¹

Afbeelding 4 toont cyclische voltammogrammen van 50 cycli voor de Pt-2 CE met een scansnelheid van 50 mV s ⁻¹ om de elektrochemische stabiliteit op lange termijn van een CE te onderzoeken. Zoals weergegeven in figuur 4, blijven de genormaliseerde kathodische en anodische piekstroomdichtheden nauwelijks veranderd na 50 opeenvolgende cycli te zijn getest. Dit suggereert dat de elektrodepositie Pt CE na gemodificeerd met H₂ PtCl₆ thermische ontleding gecoat op het Al-substraat bezit een uitstekende elektrochemische en chemische stabiliteit.

Cyclische voltammogrammen voor de Pt-2 CE met een scansnelheid van 50 mV s ⁻¹ . 50 cycli continu scannen (a ); de cyclische voltammogrammen van de 1e en 50e cirkel (b )

Elektrochemische impedanties van de CE's zijn effectieve en uitgebreide hulpmiddelen om het ladingstransportproces te onderzoeken. Afbeelding 5 toont de Nyquist-grafieken van de symmetrische Pt-1, Pt-2 en pure Pt CE's voor I ⁻ /I₃ ⁻ elektrolyt en de bijbehorende EIS-parameters worden ook vermeld in Tabel 1, waarin de R _s is de weerstandswaarde op het beginpunt van de eerste halve cirkel, de R _ct is de straal van de eerste halve cirkel, en de halve cirkel vertegenwoordigt de Nernst-diffusie-impedantie (Z _w ) overeenkomend met de diffusieweerstand van de I ⁻ /I₃ ⁻ redox-soorten [21, 22]. Zoals iedereen weet, is de R _ct is een cruciale parameter voor het vergelijken van het elektrokatalytische vermogen van verschillende CE's, die omgekeerd evenredig is met het katalytisch vermogen van de CE's. Uit Afb. 5 en Tabel 1 blijkt de R _s geassocieerd met de Pt-1, Pt-2 en pure Pt CE's zijn 3,96, 3,57 en 3,75 Ω·cm ² , respectievelijk. De R _ct voor de Pt-1, Pt-2 en pure Pt zijn CE's 3,99, 3,11 en 3,10 Ω cm ⁻² , respectievelijk. Met andere woorden, de R _s en R _ct voor de bovengenoemde CE's volgt u de instructies van Pt-1> Pt-2> Pt. Het is dus vergelijkbaar met die van de Pt-1 CE en geeft aan dat er een lagere grensvlakladingsoverdrachtsweerstand is opgetreden op het grensvlak tussen de Pt-2 CE en I ⁻ /I₃ ⁻ elektrolyt onder dezelfde testomstandigheden. Deze resultaten bewijzen volledig dat het Pt-2 CE met dubbellaagse structuur na thermische ontleding Pt-modificatie een grote verbetering laat zien in elektrochemisch katalytisch vermogen in vergelijking met het zuivere Pt CE. De redenen voor het verbeteren van de prestaties van de CE kunnen worden toegeschreven aan de oppervlaktestructuur, d.w.z. uniforme microporiën en weinig uitstulpingen, en goede elektrochemische eigenschappen, waardoor de elektronen gemakkelijk over de Pt-2-film | Al-interface kunnen zenden. Op basis van de uitgebreide beschouwing van EIS-gegevens kan worden verwacht dat de eigenschap van de Pt-2 CE voordelig is om de fotovoltaïsche prestaties van de FFDSSC's te verbeteren.

EIS van de Pt-1, Pt-2 en pure Pt CE's voor I ⁻ /I₃ ⁻ redox koppel

Afbeelding 6 geeft de tabelcurves weer voor de symmetrische cellen die vergelijkbaar zijn met die welke in de EIS-metingen zijn gebruikt om de elektrokatalytische activiteit van de Pt-1, Pt-2 en pure Pt CE's te herbevestigen. Zoals te zien is in Fig. 6, vertoont de Pt-2 CE een veel grotere uitwisselingsstroomdichtheid (J ₀ ) en beperking van diffusiestroomdichtheid (J _lim ) (1,48 en 2,18 mA cm ^− 2 ) in vergelijking met die van de Pt-1 CE (1,28 en 1,89 mA cm ⁻² ), wat een hogere geleidbaarheid en elektrokatalytisch vermogen voor de Pt-2 CE suggereert. Ook de hogere J _lim voor de Pt-2 CE weerspiegelt een hogere diffusiesnelheid voor het redoxpaar in de elektrolyt [23,24,25]. Bovendien blijkt, zoals verwacht, de elektrokatalytische activiteit van het Pt-2 CE even uitstekend te zijn als het zuivere Pt CE. Deze positieve factoren kunnen worden toegeschreven aan dezelfde redenen als CV en EIS, die logischerwijs resulteren in een efficiënte stroomconversie-efficiëntie voor de FFDSSC. In theorie, J ₀ is omgekeerd evenredig met R _ct volgens vgl. (5) [26, 27]. De veranderde neiging van J ₀ in Tafel-curven voor de Pt-1, Pt-2 en pure Pt CE's is over het algemeen in overeenstemming met de EIS. Over het algemeen geven de uitgebreide elektrochemische meetresultaten (CV's, EIS en Tafel) aan dat de Pt-2 CE een verbeterde elektrokatalytische activiteit bezit in vergelijking met die van de zuivere Pt CE; er kan dus logischerwijs een aanzienlijke verbetering van de fotovoltaïsche prestaties voor de FFDSSC worden verwacht.

Tafelkrommen van de symmetrische Pt-1, Pt-2 en pure Pt CE's voor I ⁻ /I₃ ⁻ redox koppel

waar R is de gasconstante, T , F , n , en R _ct hebben hun gebruikelijke betekenis.

Fotovoltaïsche prestaties van de FFDSSC's

J-V-kenmerken van de FFDSSC's met verschillende CE's en fotoanodes werden gemeten onder 100 mW cm ⁻² (AM 1.5 G) bestraling, en de resultaten zijn weergegeven in Fig. 7 en Tabel 2. Curves b en c geven de FFDSSC's weer die zijn geassembleerd met Pt-1 en Pt-2 CE's en TiO₂ fotoanode zonder TiCl₄ gewijzigd in Fig. 7, die niet vloeiend zijn. Het is echter belangrijk op te merken dat de nullastspanning (V _oc ) en kortsluitstroomdichtheid (J _sc ) van de FFDSSC-c (0,760 V en 10,78 mA cm ⁻² ) is veel hoger dan die van de FFDSSC-b (0,625 V en 10,78 mA cm ⁻² ). Dit fenomeen wordt geassocieerd met de lage R _ct , uitstekende elektrochemische katalytische activiteit en geleidbaarheid voor de Pt-2 CE, en het grotere contactoppervlak tussen de Pt-2 CE en de elektrolyt [28, 29]. Krommen d en e van de FFDSSC's met Pt-1 en Pt-2 CE's en TiO₂ fotoanode met TiCl₄ aangepaste weergave van de vloeiende curven met hoge V _oc , J _sc en vulfactor (FF). De hogere foto-elektrische prestaties voor de FFDSSC-e zijn voornamelijk afkomstig van de lagere R _ct , en meer uitstekende elektrochemische katalytische activiteit en geleidbaarheid voor de Pt-2 CE vergeleken met die van de FFDSSC-a op basis van het zuivere Pt CE en TiO₂ fotoanode met TiCl₄ gewijzigd (6,32%). Bovendien worden de belangrijkste redenen toegeschreven aan de TiCl₄ modificatie, die de snelheid van de door de geëxciteerde kleurstofmoleculen gegenereerde foto-elektronen verhoogt en de recombinatiesnelheid van het elektron en de Ti-draad verlaagt; dus het apparaat toont logischerwijs betere V _oc , J _sc , en FF-waarden. Omgekeerd is de FFDSSC gebaseerd op de TiO₂ fotoanode zonder wijziging door de TiCl₄ laat een slechtere fotovoltaïsche prestatie zien. Tegelijkertijd heeft de dubbele wijziging voor de CE een significante invloed op de prestaties van FFDSSC, waardoor de elektrolytbelasting op het CE-oppervlak toeneemt en de interne weerstand en donkerstroom van de FFDSSC afnemen, waardoor de J aanzienlijk wordt verbeterd. _sc waarden. Deze geven aan dat de tweemaal aangebrachte modificaties voor de elektrode snel elektronentransport op het grensvlak tussen I ⁻ vergemakkelijken /I₃ ⁻ elektrolyt en de elektroden, en er kan ook worden afgeleid dat de FFDSSC op basis van de Pt-2 CE en TiO₂ fotoanodes aangepast met TiCl₄ kan inderdaad de ladingsrecombinatie verbeteren en een opmerkelijker effect hebben dan andere FFDSSC's.

Fotovoltaïsche prestatiecurven voor de FFDSSC's vervaardigd met verschillende fotoanodes en de CE's onder de standaardverlichting. J-V-kenmerken van de FFDSSC's (a ); de relatie tussen stroomconversie-efficiëntie en de nullastspanning (b )

Afbeelding 8 toont de Nyquist-grafieken van de FFDSSC's op basis van verschillende CE's en fotoanodes onder 100 mW cm ⁻² (AM 1.5 G) bestraling, en het equivalente circuit wordt weergegeven als de inzet. R _s is de serieweerstand, en R_ct is de ladingsoverdrachtsweerstand op het grensvlak van elektrolyt/fotoanode. R _s en R _ct waarden voor de FFDSSC's met compacte laag gemaakt van TiCl₄ gewijzigd (FFDSSC's a, d, e) zijn lager dan die van de FFDSSC's zonder TiCl₄ gewijzigd; dit komt door de ultradunne TiO₂ compacte laag met een hoge elektronenmobiliteit verbeterde het interfacecontact tussen Ti-draad en TiO₂ fotoanode, en het vermindert ook de kans op elektronenrecombinatie [30, 31]. Verder heeft de FFDSSC-e de kleinste R _s en R _ct waarden tussen de FFDSSC's a, d en e, die kleiner is dan die van de FFDSSC-a. Dit geeft aan dat de Pt-2 CE met tweemaal modificaties in de FFDSSC gunstiger is voor het elektronentransport op het grensvlak tussen I ⁻ /I₃ ⁻ elektrolyt en de elektroden dan die van het zuivere Pt CE. Als gevolg hiervan zijn de meerdere aanpassingen voor de anode en tegenelektrode in FFDSSC's geleidend om de fotovoltaïsche prestaties te verbeteren.

EIS voor de FFDSSC's vervaardigd met de verschillende fotoanodes en de CE's onder de standaardverlichting

Afbeelding 9 toont de IPCE van de FFDSSC's met verschillende CE's en fotoanodes om de lichtrespons weer te geven, die direct verband houdt met J _sc . Zoals getoond in Fig. 9 valt de maximale efficiëntie van alle FFDSSC's bij een golflengte van ongeveer 520 nm samen met de maximale absorptiegolflengte van kleurstof N719 [32, 33]. IPCE maximale piek voor de bovengenoemde FFDSSC's volgt de volgorde van e> a> d> c> b. Dit resultaat komt goed overeen met de fotovoltaïsche prestaties zoals weergegeven in Fig. 7, wat ook maar weer eens bewijst dat de meervoudige modificaties voor de anode en de tegenelektrode de foto-elektrische prestaties voor de FFDSSC's opmerkelijk kunnen verbeteren.

De IPCE van de verschillende FFDSSC's