Incorporatie van nanogestructureerde koolstofcomposietmaterialen in tegenelektroden voor zeer efficiënte kleurstofgevoelige zonnecellen

Abstract

Kleurstofgevoelige zonnecellen (DSSC's) samengesteld uit nanogestructureerde koolstofcomposietmaterialen-gestapelde tegenelektroden (CE's) werden in de huidige studie gefabriceerd. Als mogelijke vervanging van dure platina (Pt) dunne film, verschillende koolstofcomposietmaterialen, waaronder nuldimensionale koolstofnanodeeltjes (CNP's), eendimensionale meerwandige koolstofnanobuisjes (MWCNT's) en tweedimensionale grafeenvlokken (GF's) als een geschikte ladingsoverdrachtsmedium werden met behulp van een zeefdrukproces op het oppervlak van CE's afgezet. Als resultaten bleken CNP's te resulteren in een verslechtering van de ladingsoverdracht van CE naar vloeibare elektrolyt als gevolg van de vorming van sterk geaggregeerde structuren met een zeer laag specifiek oppervlak. Echter, MWCNT's en MWCNT's toegevoegde koolstofcomposieten (bijv. CNP/MWCNT, MWCNT/GF, CNP/MWCNT/GF) bleken de ladingsoverdracht van CE naar vloeibare elektrolyt te verbeteren vanwege de vorming van sterk genetwerkte structuren met een hoog specifiek oppervlak Oppervlakte. De resulterende PCE van DSSC's bestaande uit pure MWCNT's- en MWCNT's-toegevoegde koolstofcomposieten gebaseerde CE's waren zeer vergelijkbaar met die van DSSC's samengesteld uit Pt-gebaseerde CE's. Dit suggereert dat de nanogestructureerde koolstofmaterialen die speciaal zijn samengesteld uit MWCNT's en hun composieten een van de veelbelovende kandidaten zijn om het dure Pt in de CE's van DSSC's te vervangen.

Achtergrond

Kleurstofgevoelige zonnecellen (DSSC's) hebben veel aandacht gekregen als alternatief voor op silicium gebaseerde zonnecellen. Ze worden beschouwd als een van de meest prominente zonnecellen van de derde generatie, omdat ze de voordelen hebben van relatief lage fabricagekosten, gemakkelijke fabricage en uitstekende fotovoltaïsche eigenschappen [1, 2]. De belangrijkste componenten van DSSC's zijn TiO₂ dunne film-gecoate fluor-gedoteerde tinoxide (FTO) foto-elektrode, kleurstof, vloeibare elektrolyt ($ {I}^{-}/{I}_3^{-} $ redoxpaar), en tegenelektrode (CE) [ 3, 4].

Als werkingsprincipe van DSSC worden kleurstofmoleculen over het algemeen geadsorbeerd op het oppervlak van halfgeleidend TiO₂ nanodeeltjes (NP's) als foto-elektrode. Wanneer een DSSC wordt blootgesteld aan zonlicht, worden elektronen die worden gegenereerd door de geëxciteerde kleurstofmoleculen continu geïnjecteerd in de geleidingsband van TiO₂ NP's, en dan bereiken ze de geleidende oxide-elektrode (bijv. FTO-glas). De door foto gegenereerde elektronen worden via het externe circuit overgebracht en vervolgens via met Pt-gecoate CE's in een vloeibare elektrolyt gebracht. De elektrolyt transporteert uiteindelijk de elektronen om een huidige cyclus in DSSC's te voltooien.

Als edelmetaal heeft Pt de voordelen van uitstekende katalytische activiteit, effectieve reductie van jodide/triode en goede elektrische geleidbaarheid, zodat het over het algemeen wordt gebruikt als CE's van DSSC's [5,6,7,8,9,10,11] . Pt is echter relatief duur, wat de massale productie van DSSC's in de zonnecelindustrie belemmert en resulteert in een slechte stabiliteit van DSSC's als gevolg van corrosieve elektrolyten. Daarom hebben veel onderzoeken zich gericht op het vinden van geschikte kandidaten voor het vervangen van de Pt-katalysator in DSSC's door goedkope materialen, zoals carbon black (CB), carbon nanotube (CNT), gelegeerd metaal, metaalsulfide en geleidend polymeer [5,6] ,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]. Van die verschillende alternatieven zijn koolstof nanogestructureerde materialen zoals koolstof nanodeeltjes (CNP's, C₆₀ ), meerwandige koolstofnanobuisjes (MWCNT's) en grafeenvlokken (GF's) hebben naar verluidt een potentieel alternatief voor Pt in CE's van DSSC's omdat ze een relatief hoge geleidbaarheid, een groot specifiek oppervlak, een hoge fotochemische stabiliteit en een goede mechanische sterkte hebben [17, 18,19,20,21].

Om met koolstof nanogestructureerde materialen gecoate CE's te fabriceren, zijn verschillende methoden ontwikkeld, waaronder chemische dampafzetting [22, 23], druppelcoating [24, 25], spincoating [26] en sproeicoatingproces [27]. Ze vereisen echter over het algemeen vrij complexe fabricageprocedures, en tegelijkertijd is het inherent moeilijk om een hechte hechting en uniforme dikte van gebruikte koolstof nanogestructureerde materialen te verkrijgen. Zeefdruk is een eenvoudig, gemakkelijk en veelzijdig proces waarbij druk wordt uitgeoefend met een rakel of ander mechanisch apparaat om pasta's gelijkmatig op het oppervlak van het substraat af te zetten. Het kan verschillende gedrukte producten maken met duurzame eigenschappen, die bestand zijn tegen extern contact [28, 29]. Daarom is het vaak gebruikt om uniforme dunne films op het oppervlak van het substraat te maken, en tegelijkertijd kan de dikte van dunne films gemakkelijk worden geregeld door het aantal zeefdrukprocessen te variëren.

In deze studie gebruiken we een zeefdrukproces om dunne films te fabriceren die zijn samengesteld uit verschillende koolstofnanogestructureerde materialen, waaronder CNP's, MWCNT's, GF's en hun mengsels op het oppervlak van FTO-glassubstraten met verschillende diktes als CE's van DSSC's. En dan wordt de fotovoltaïsche prestatie van resulterende DSSC's systematisch onderzocht in termen van open circuit spanning (V _oc ), kortsluitstroomdichtheid (J _sc ), vulfactor (FF) en stroomconversie-efficiëntie (PCE), die ook ten slotte worden vergeleken met de fotovoltaïsche prestaties van op Pt gebaseerde DSSC's.

Methoden/experimenteel

Vervaardiging van TiO₂ -Gebaseerde foto-elektroden van DSSC's

TiO₂ Op NP gebaseerde foto-elektrode werd geprepareerd met behulp van een zeefdrukproces op het oppervlak van FTO-glas (SnO₂ :F, 7 Ω/sq., Pilkington, Boston, VS). In de handel verkrijgbare TiO₂ NP's (P25, Degussa, Duitsland) werden zonder verdere behandeling gebruikt. Om TiO₂ . te fabriceren pasta, 6 g TiO₂ NP's, 20 g terpineol, 1 ml azijnzuur (CH₃ COOH) en 15 g ethanol werden in een flesje gemengd om een oplossing-I te maken. En vervolgens werden 3 g ethylcellulose en 27 g ethanol gemengd in een ander flesje om oplossing II te maken. Vervolgens werden de twee oplossingen vervolgens gedurende 3 minuten homogeen gemengd in een flesje met behulp van een planeetmenger en vervolgens werd het in een oven verwarmd om ethanol te verwijderen. Met behulp van zeefdrukproces, TiO₂ dunne film werd gevormd op een FTO-glas met een fotoactief gebied van 0,6 cm × 0,6 cm met een dikte van ~ 23 μm. Het FTO-glas werd gereinigd met aceton, ethanol en gedeïoniseerd water en vervolgens voorbehandeld met het mengsel van 0,247 ml TiOCl₂ oplossing en 20 ml gedeïoniseerd water om de hechting tussen TiO₂ . te verbeteren NP's en FTO-glas. De TiO₂ dun filmgecoat FTO-glas werd vervolgens gedurende 30 minuten bij ~ -500 ° C gesinterd om de resterende componenten te verwijderen. De gesinterde TiO₂ -gecoat FTO-glas werd vervolgens 24 uur ondergedompeld in een kleurstofoplossing met 0,3 mM N719 (Solaronix, SA, Zwitserland).

Vervaardiging van op nanogestructureerde koolstofmaterialen gebaseerde CE's

Om homogene CNP's te fabriceren (C₆₀ , CNT Co., Ltd., Korea), MWCNT's (CNT Co., Ltd., Korea), GF's (CNT Co., Ltd., Korea) pasta, 0,2 g CNP's, 0,2 g MWCNT's en 0,2 g GF's werden gedispergeerd in de mengseloplossing van 1 g terpineol en 0,1 g ethylcellulose, wat de hechting tussen nanogestructureerde koolstofmaterialen en het substraat verbeterde. En vervolgens werden ze gedispergeerd in een ethanoloplossing gevolgd door sonicatie gedurende 2 uur met een sonde-sonicator (Daihan Scientific Co., Ltd.) om een homogene suspensie te verkrijgen, die vervolgens werd verdampt op een hete plaat om een pasta te vervaardigen met relatief hoge viscositeit. Voor het fabriceren van verschillende koolstofmateriaalmengsels, waaronder CNP/MWCNT, CNP/GF/, MWCNT/GF, CNP/MWCNT/GF zoals getoond in Fig. 1a, werden CNP-, MWCNT- en GF-poeders gedispergeerd in de oplossing van terpineol en ethylcellulose en vervolgens werden ze behandeld met sonicatie- en verdampingsprocessen. De zeven verschillende pasta's bestaande uit CNP, MWCNT en GF werden vervolgens gezeefdrukt op het oppervlak van FTO-glas, dat was geboord met twee gaten met een oppervlakte van 0,6 cm × 0,6 cm. Daarna een warmtebehandeling bij 400 ^° C gedurende 15 minuten werd gemaakt om alle organische verontreinigingen te verwijderen die waren gevormd op nanogestructureerde koolstofmaterialen. De diktes van koolstofmaterialen die in de huidige studie werden gebruikt, werden veranderd door het aantal zeefdrukprocessen. Als referentie-CE werd een FTO-glas gecoat met Pt met behulp van ionensputter (E1010, Hitachi, Chiyoda-ku, Japan) bij 1,2 kV en 7 mA.

een Schematische voorstelling van het fabriceren van koolstofnanodeeltjes (CNP)/meerwandige koolstofnanobuisjes (MWCNT)/grafeenvlokken (GF) composieten voor tegenelektroden (CE's) van kleurstofgevoelige zonnecellen (DSSC's) en b foto en onderdelen van DSSC geassembleerd in de huidige studie

Productie en karakterisering van DSSC's

De gefabriceerde foto-elektroden en CE's werden verzegeld als een sandwich-configuratie met een hotmelt-polymeerfilm (60 m dik, Wooyang, Korea), en vervolgens werden ze verwarmd tot 120 ^° C gedurende 4 minuten. Vervolgens werd op jodide gebaseerde vloeibare elektrolyt (AN-50, Solaronix, SA, Zwitserland) in de tussenruimte tussen twee elektroden geïnjecteerd door de twee gaten die op de CE's waren geboord, en de gaten werden vervolgens afgedicht met een dekglas met behulp van hotmelt polymeer film. Ten slotte werd een DSSC-eenheid volledig geassembleerd zoals weergegeven in Fig. 1b.

De fotovoltaïsche prestaties van DSSC's die in het huidige onderzoek zijn vervaardigd, werden gemeten onder een luchtmassa van 1,5 en 1 zon (=100 mW cm^− 2 ) verlichting met behulp van een zonnesimulator (PEC-L11, Peccell Technologies, Inc., Kanagawa, Japan). De intensiteit van de lichtverlichting werd nauwkeurig gekalibreerd met behulp van een standaard Si-fotodiodedetector met een KG-5-filter. De stroomdichtheid-spanningscurves (J-V) en elektrochemische impedantiespectra (EIS) werden automatisch geregistreerd met een Keithley SMU 2400-bronmeter (Cleveland, OH, VS) onder verlichting van 100 mW cm^− 2 .

De fysieke structuur en dikte van nanogestructureerde koolstofmaterialen werd gemeten met behulp van een scanning-elektronenmicroscopie (SEM, S-4200, Hitachi) bij ~-15 kV. Het specifieke oppervlak en de porositeit werden gemeten met behulp van een Brunauer-Emmett-Teller (BET) (ASAP 2020, VS) instrument, en hun poriegrootteverdelingen werden bepaald met behulp van de Barrett-Joyner-Halenda (BJH) -formule van desorptietak. De structurele eigenschap van nanogestructureerde koolstofmaterialen werd onderzocht met behulp van een Raman-spectroscopie (Ramboss 500i, DongWoo Optron), waarbij een 532 nm laser werd gebruikt voor excitatie.

Cyclische voltammetriemeting werd uitgevoerd met behulp van een elektrochemisch werkstation van Keithley SMU 2400-bronmeter (Cleveland, OH, VS) en een conventioneel systeem met drie elektroden, dat bestond uit koolstofcomposiet- of Pt-gecoate werkelektrode, een Pt-vel-tegenelektrode en een calomel referentie-elektrode (ALS Co., Ltd., Japan). Deze elektroden werden ondergedompeld in 10 mM LiI, 1 mM I₂ acetonitril en 0,1 M LiClO₄ gemengde oplossing.

Resultaten en discussies

Raman-spectroscopiemeting is een van de niet-destructieve analyses voor de karakterisering van de kristallijne status en defecten van koolstofmaterialen. Afbeelding 2 toont verschillende Raman-spectra voor de gevallen van CNP's, MWCNT's en GF's. De D-piek is gerelateerd aan de eerste orde van zonegrens fononen en staat bekend als de stoornispiek die voortkwam uit defecten in de koolstofmateriaallaag. De G-piek is de primaire modus van koolstofmaterialen en staat bekend als de vlakke configuratie van sp² binding [13]. De D- en G-pieken verschenen gewoonlijk op 1355 cm^− 1 en 1579 cm^− 1 voor de CNP's, GF's en MWCNT's die in de huidige studie werden gebruikt. De relatieve intensiteit van D- en G-pieken (I _D /Ik _G ) geeft de gebreken van koolstofmaterialen aan [30]. Defecten in de nanogestructureerde koolstofmaterialen zijn gunstig voor het uitvoeren van een effectieve katalytische activiteit omdat het reductieproces van jodide-elektrolyt in DSSC's optreedt bij defecten in koolstofmaterialen [31]. De berekende relatieve intensiteit van CNP's, GF's en MWCNT's waren respectievelijk ~ -0.95, ~ -0.97 en ~-1.01. De grootste relatieve intensiteit van D- en G-pieken werd vertoond wanneer MWCNT's aanwezig zijn. Het was vermoedelijk omdat MWNCT's overvloedige defecten hebben in hun randvlakken. Het was echter kleiner wanneer CNP's en GF's aanwezig waren. Dit werd vermoedelijk veroorzaakt door de aanwezigheid van respectievelijk amorfe structuren van CNP's en relatief grote 2D-vlakke structuren van GF's.

Raman-spectra van CNP's, MWCNT's en GF's

De porievolumeverdelingen van nanogestructureerde koolstofmaterialen die zijn gemeten, worden getoond in Fig. 3. De BNP's, MWCNT's en GF's hadden een BET-oppervlak van 24,7 m² g^− 1 , 311,8 m² g^− 1 , en 269,5 m² g^− 1 , respectievelijk. De hoeveelheid geadsorbeerde stikstof en de gemiddelde poriegrootte namen toe in de volgorde CNP/MWCNT > MWCNT > CNP/MWCNT/GF > MWCNT/GF > GF > CNP/GF > CNP, wat suggereert dat de aanwezigheid van MWCNT's zeer effectief is om vergroot het specifieke oppervlak van nanogestructureerde koolstofmaterialen in de CE's van DSSC's, zodat de elektronenoverdracht tussen CE en vloeibare elektrolyt aanzienlijk kan worden verbeterd.

een Stikstofadsorptie- en desorptiecurven. b Poriënvolumeverdelingen van CNP-, MWCNT-, GF-, MWCNT/GF-, CNP/GF-, CNP/MWCNT- en CNP/MWCNT/GF-poeders

De SEM-afbeeldingen in het bovenaanzicht in Fig. 4 tonen de morfologieën van verschillende nanogestructureerde koolstofmaterialen, waaronder CNP's, MWCNT's, GF's en hun composieten, die op het oppervlak van FTO-lassen waren gecoat. CNP's leken elkaar significant te aggregeren en resulteren in het vormen van clusters gescheiden van het FTO-glas, terwijl MWCNT's willekeurig genetwerkte poreuze structuren maakten, waarin $ {I}_3^{-} $ ionen in vloeibare elektrolyt gemakkelijk kunnen diffunderen naar de actieve sites. De GF's bleken meestal tweedimensionale vlakke lagen te maken. Voor het geval van MWCNT / GF-mengsel werden MWCNT-netwerken gevormd op het oppervlak van GF's. Na toevoeging van CNP's aan MWNCT's en GF's, werden de oppervlakken van MWCNT's en GF's gedeeltelijk gecoat met CNP's. De SEM-afbeeldingen in dwarsdoorsnede in Fig. 4 laten duidelijk zien dat de op CNP gebaseerde dunne film niet homogeen was gebonden aan het oppervlak van FTO-glas, zodat het grensvlakcontact tussen CNP's en FTO-glas erg slecht was. In tegenstelling tot CNP's leken alle andere nanogestructureerde koolstofmaterialen (dwz CNP / MWCNT, MWCNT / GF, CNP / MWCNT / GF) een sterke hechting aan het oppervlak van FTO-glas te hebben. De diktes van op nanogestructureerde koolstofmaterialen gebaseerde dunne films waren vergelijkbaar met ~ 5 μm, die eenvoudig kan worden vergroot door het aantal zeefdrukprocessen te vergroten.

Boven- en dwarsdoorsnede van verschillende koolstofmaterialen, waaronder CNP, MWCNT, GF, MWCNT/GF, CNP/GF, CNP/MWCNT, CNP/MWCNT/GF gestapeld op het oppervlak van FTO-glas met behulp van zeefdrukproces (de schaalbalken in de bovenaanzichtafbeeldingen zijn 0,5 m en de schaalbalken in de dwarsdoorsnedeafbeeldingen zijn 5 μm)

Afbeelding 5 toont de vergelijking van de cyclische voltammetriecurves voor I₃ ⁻ /I⁻ systeem in contact komt met de met Pt en koolstof beklede elektroden. Twee paren oxidatie- en reductiepieken werden duidelijk waargenomen voor Pt- en MWCNT-gevallen, zoals weergegeven in figuur 5a. De zuivere GF en CNP hadden echter geen duidelijke oxidatie- en reductiepieken, wat suggereert dat ze geen sleutelrol konden spelen als potentiële katalytische materialen voor CE's van DSSC's. Voor de gevallen van op Pt en MWCNT gebaseerde CE's, presenteren de bovenste en onderste pieken aan de linkerkant gemarkeerd als respectievelijk 1 en 2 de redoxreacties uitgedrukt in vergelijkingen. (1) en (2), die rechtstreeks van invloed zijn op de fotovoltaïsche prestaties van DSSC's. De andere twee pieken aan de rechterkant gemarkeerd als 3 en 4 vertegenwoordigen de redoxreacties uitgedrukt in Vgl. (3) en (4), die een klein effect hebben op de fotovoltaïsche prestaties van DSSC's [12, 32,33,34,35].

$$ 3{\mathrm{I}}^{-}-2{\mathrm{e}}^{-}=\kern0.5em {\mathrm{I}}_3^{-} $$ (1) $ $ {\mathrm{I}}_3^{-}\kern0.5em +\kern0.5em 2{\mathrm{e}}^{-}=\kern0.5em 3{\mathrm{I}}^{- } $$ (2) $$ 2{\mathrm{I}}_3^{-}-2{\mathrm{e}}^{-}=3{\mathrm{I}}_2 $$ (3) $ $ 3{\mathrm{I}}_2+2{\mathrm{e}}^{-}=2{\mathrm{I}}_3^{-} $$ (4)

een Cyclische voltammetrie van Pt-, CNP-, MWCNT- en GF-gecoate CE's. b Cyclische voltammetrie van met Pt en koolstofcomposieten gecoate CE's gemeten met een scansnelheid van 50 mV s^− 1 in 10 mM LiI, 1 mM I₂ acetonitril en 0,1 M LiClO₄ gemengde elektrolytoplossing

In DSSC's worden de door foto gegenereerde elektronen overgedragen van I⁻ ionen in de elektrolyt tot foto-geoxideerde kleurstof, en de $ {\mathrm{I}}_3^{-} $ ionen worden gereduceerd op het oppervlak van CE's. In de CV-curven werd waargenomen dat de piek-tot-piekscheiding omgekeerd werd gevarieerd met de ladingsoverdrachtssnelheid [34, 35]. Figuur 5a laat zien dat de redoxpieken voor met Pt gecoate CE's verschenen bij respectievelijk -0,29 V en 0,33 V, en de resulterende ∆ E_p (Pt) was ~ -0,62 V. Daarentegen verschenen de redoxpieken voor met MWCNT gecoate CE's bij respectievelijk -0,44 V en 0,33 V, en de resulterende ∆ E_p (MWCNT) was ~ -0,77 V. Zoals weergegeven in Fig. 5b, voor de gevallen van op MWCNT-toegevoegde op koolstofcomposieten gebaseerde CE's, is de resulterende ΔE_p (CNP/MWCNT), ΔE_p (CNP/GF/MWCNT), en ΔE_p (GF/MWCNT) waren respectievelijk ~ -0,83 V, ~ -0,98 V en ~ -1,025 V. Dit suggereert dat pure MWCNT's en MWCNT-toegevoegde op koolstofcomposieten gebaseerde CE's een relatief hoge katalytische activiteit en een snelle reactiesnelheid hadden bij de reductie van trijodide. De aanwezigheid van MWCNT's was zeer effectief om het specifieke oppervlak van nanogestructureerde koolstofmaterialen in de CE's van DSSC's te vergroten, zodat de elektronenoverdracht tussen met koolstofcomposieten gecoate CE en vloeibare elektrolyt aanzienlijk werd verbeterd.

Afbeelding 6 toont de resulterende fotovoltaïsche prestaties van DSSC's in termen van kortsluitstroomdichtheid (J _sc ), nullastspanning (V _oc ), vulfactor (FF) en energieconversie-efficiëntie (PCE) als een functie van de dikte van nanogestructureerde koolstofmaterialen in CE's van DSSC's. Voor het geval van CNP's, J _sc was significant toegenomen met toenemende dikte van CNP dunne film, maar zowel FF als V _oc werden niet merkbaar veranderd in relatief lage waarden, wat uiteindelijk resulteerde in zeer slechte PCE-waarden. Dit moet gebeuren door de vorming van ernstige clusters tussen CNP's, zodat de elektronen effectief van CE's naar vloeibare elektrolyt werden getransporteerd. Voor de gevallen van GF en CNP/GF waren FF's ook relatief slecht. Dit was vermoedelijk omdat de 2D-vlakke structuren van GF's tot op zekere hoogte verfrommeld en verdraaid waren, zodat ze niet innig met elkaar in contact stonden in de stapelopstelling. Daarom waren de resulterende PCE's van DSSC's gemaakt door GF- en CNP / GF-gebaseerde CE's relatief laag. Er werd echter waargenomen dat de aanwezigheid van MWCNT's in de nanogestructureerde koolstofmaterialen (d.w.z. MWCNT, MWCNT/GF, CNP/MWCNT, CNP/MWCNT/GF) de J stabiel verhoogde. _sc en FF zodat de resulterende PCE's van DSSC's in relatief hoge waarden werden gehouden. Dit was vermoedelijk omdat de intieme netwerken en het hoge specifieke oppervlak gevormd door de aanwezigheid van MWCNT's het elektronentransport op het grensvlak van CE en vloeibare elektrolyt verbeterden.

De vergelijking van fotovoltaïsche prestaties van DSSC's die zijn samengesteld uit verschillende koolstofmaterialen en op Pt gebaseerde CE's in termen van a J _sc , b V _oc , c FF, en d PCE

De metingen van de stroomdichtheid-spanning (JV) en elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) werden uitgevoerd voor de CE's die waren gestapeld met verschillende koolstofmaterialen met een vergelijkbare dikte van ~ -20 μm zoals weergegeven in figuur 7a en tabel 1. Die van conventionele Pt-gebaseerde CE's werden ook uitgevoerd ter vergelijking. De DSSC's gestapeld met CNP's in CE's hadden extreem hoge J _sc van ~ 17,18 mA cm^− 2 , maar vrij lage V _oc van ~ -0,5 V en FF van ~ -0,25, waardoor het de laagste PCE van ~ -0,22% veroorzaakte, wat suggereert dat CNP's niet geschikt zijn voor DSSC's vanwege het sterke aggregatie-geïnduceerde lage grensvlakcontactgebied met FTO-glas in de CE's. De DSSC's gestapeld met GF en CNP / GF in CE's vertoonden ook lagere FF en PCE vanwege hun relatief lage specifieke oppervlak, bevestigd door eerdere BET-metingen zoals weergegeven in Fig. 3. De DSSC's gestapeld met MWCNT en MWCNT-toegevoegde koolstofcomposiet materialen hadden hogere PCE's van> 5%. De DSSC's gestapeld met CNP / MWCNT-composieten hadden de beste PCE van ~ 5.67%, wat zeer dicht bij de PCE van ~ 5.7% lag, gegenereerd door de op Pt gebaseerde DSSC's. Dit suggereert dat het hogere specifieke oppervlak gecreëerd door het gebruik van op MWCNT gebaseerde nanogestructureerde koolstofcomposietmaterialen het reductieproces effectiever bevorderde op het grensvlak van CE en vloeibare elektrolyt. Afbeelding 7b toont Nyquist-grafieken voor de DSSC's die zijn samengesteld uit verschillende op koolstofmaterialen gebaseerde CE's. De transportweerstand (R _ce ) is gerelateerd aan de eerste halve cirkel en grensvlakcapaciteit (CPE_pt ), wat de overdracht van kosten is bij CE's. De recombinatieweerstand (R _rec ) en grensvlakcapaciteit (CPE_{TiO2/kleurstof/elektrolyt} ) zijn gerelateerd aan de tweede halve cirkel, die de ladingsoverdracht vertegenwoordigen op de interfaces van TiO₂ /kleurstof/elektrolyt [36,37,38]. Tabel 1 laat zien dat DSSC's die zijn samengesteld uit alle koolstofmaterialen behalve CNP- en CNP/CF-composietgevallen die in het huidige onderzoek werden gebruikt, een lagere R vertoonden _ce dan die van op Pt gebaseerde DSSC's, wat aangeeft dat MWCNT's en hun composieten een hoge elektrokatalytische reactiviteit en elektrische geleidbaarheid hadden, en dus waren er minder elektronenverliezen op het grensvlak van CE en vloeibare elektrolyt. En R _rec werd verminderd met het vergroten van het specifieke oppervlak van koolstofmaterialen, wat uiteindelijk resulteerde in het verminderen van de elektronenrecombinatie in het grensvlak van kleurstof en elektrolyt. De waarde van R _rec voor op Pt gebaseerde DSSC's was veel lager dan die van op koolstofmateriaal gebaseerde DSSC's, wat suggereert dat de Pt gunstiger was voor de ladingsoverdracht aan de interfaces van TiO₂ /dye/elektrolyt, en koolstofmaterialen waren niet in staat om snel de $ {\mathrm{I}}_3^{-} $ te verminderen in vergelijking met Pt [39]. Afbeelding 7c toont Bode-plots voor de DSSC's die zijn samengesteld uit verschillende koolstofmaterialen. De levensduur van het elektron (τ _e ) kan worden berekend door τ_e = (2πf _max )^− 1 (waar, f _max is de maximale piekfrequentie) [40]. Toen MWCNT's aanwezig waren in de koolstofcomposietmaterialen, was de elektronenlevensduur van op koolstofmateriaal gebaseerde DSSC's langer dan die van op Pt gebaseerde DSSC's. Dit suggereert dat de elektronen verder werden verspreid als gevolg van snelle ladingsoverdracht van CE's naar vloeibare elektrolyt via de MWCNT's en MWCNT's toegevoegde koolstofcomposieten, die een inherent hoger specifiek oppervlak hadden.

Vergelijking van a stroomdichtheid-spanningscurven, b Nyquist-plots, en c Bode-plots voor de DSSC's samengesteld uit verschillende koolstofmaterialen en op Pt gebaseerde CE's

Conclusies

In dit werk hebben we systematisch het effect onderzocht van verschillende nanogestructureerde koolstofmaterialen als een Pt-vervanging in CE's op de fotovoltaïsche prestaties van DSSC's. Met name CNP's, MWCNT's, GF's en hun composieten werden op het oppervlak van CE's gestapeld en de resulterende fotovoltaïsche prestaties van DSSC's werden gemeten in termen van J _sc , V _oc , FF en PCE. Als resultaten waren CNP's niet geschikt voor gebruik als Pt-vervanging in de CE's van DSSC's vanwege de vorming van sterk geaggregeerde structuren, wat resulteerde in het losmaken van de gevormde op CNP gebaseerde dunne film van het oppervlak van FTO-glas. In tegenstelling tot CNP's bleek de aanwezigheid van MWCNT's in de verschillende koolstofcomposieten de ladingsoverdracht van CE's naar vloeibare elektrolyt effectief te bevorderen vanwege de vorming van sterk genetwerkte MWCNT-structuren met een inherent hoog specifiek oppervlak op het oppervlak van FTO-glas. Daarom zijn de nanogestructureerde koolstofmaterialen die speciaal zijn samengesteld uit MWCNT's en MWCNT's toegevoegde koolstofcomposieten (bijv. CNP/MWCNT, MWCNT/GF, CNP/MWCNT/GF) een van de veelbelovende kandidaten om het dure Pt in de CE's van DSSC's te vervangen.