Hoogpresterende Kleurstof-gevoeligde Zonnecellen met Screen-geprinte Multi-walled Koolstofnanobuizen Counter-elektroden

Samenvatting

In deze studie tonen we aan dat genanostructureerde koolstofcomposieten, met name multi-walled koolstofnanobuizen (MWCNTs) en hun mengsels, platina (Pt) kunnen vervangen als counter-elektrode (CE) materialen in kleurstof-gevoeligde zonnecellen (DSSCs). Met een eenvoudig screen-printproces depositeerden we koolstofnanopartikelen (CNPs), grafenevlokken (GFs), en diverse composieten (CNP/MWCNT, MWCNT/GF, CNP/MWCNT/GF) op fluor-gedopeerde tin oxide (FTO) substraten. Electrochemische analyses onthulden dat de MWCNT-gebaseerde composieten een hoog-genetworkte, hoge-oppervlakte interface bieden die snelle tri-iodide reductie faciliteert. DSSCs uitgerust met deze CE lagen bereikten vermogensomzettingsrendementen (PCEs) vergelijkbaar met Pt-gebaseerde apparaten, met het CNP/MWCNT composiet 5,67% bereikend versus 5,70% voor Pt. Deze resultaten positioneren MWCNT-rijke koolstofcomposieten als een kosteneffectieve, schaalbare alternatief voor Pt in next-generation DSSCs.

Achtergrond

Kleurstof-gevoeligde zonnecellen (DSSCs) zijn een toonaangevende derde-generatie fotovoltaïsche technologie, gewaardeerd om hun lage productiekosten, eenvoudige fabricage, en competitieve rendementen. Een typische DSSC omvat een TiO₂ fotoanode op FTO glas, een fotogevoelig kleurstof, een iodide/tri-iodide vloeibare elektrolyt, en een counter-elektrode (CE) die de reductie van I₃⁻ tot I⁻ katalyseert. Platina is lang de CE materiaal van keuze geweest vanwege de uitstekende katalytische activiteit en geleiding. Echter, Pt's hoge kosten en vatbaarheid voor corrosie in iodide-gebaseerde elektrolyten beperken de commerciële schaalbaarheid van DSSCs. Daarom heeft onderzoek zich gericht op alternatieve lage-kosten katalysatoren zoals koolstofzwart, metaallegeringen, metaalsulfiden, en geleidende polymeren. Hierbij bieden genanostructureerde koolstoffen - CNPs, MWCNTs, en GFs - hoge geleiding, grote specifieke oppervlakte, en fotochemische stabiliteit, wat ze veelbelovende Pt-vervangers maakt.

Traditionele fabricagemethoden voor koolstof-gebaseerde CEs, zoals chemische dampdepositie, druppel-coating, spin-coating, en spray-coating, omvatten vaak complexe procedures en leveren non-uniforme films. Screen-printen biedt een eenvoudige, schaalbare, en controleerbare alternatief, wat nauwkeurige afstemming van filmdikte en uniformiteit door meerdere printpasses toelaat. In dit werk gebruiken we screen-printen om dunne films van CNPs, MWCNTs, GFs, en hun composieten op FTO glas te fabriceren en hun impact op DSSC prestaties systematisch te evalueren.

Methoden/Experimenteel

Fabricage van TiO₂-gebaseerde Foto-elektroden van DSSCs

TiO₂ nanopartikelen (NP) pasta werd bereid door 6 g TiO₂ NPs (Degussa P25) te mengen met 20 g terpineol, 1 ml azijnzuur, en 15 g ethanol (oplossing-I). Apart werden 3 g ethylcellulose en 27 g ethanol gemengd (oplossing-II). De twee oplossingen werden 3 minuten in een planeetmenger gemengd en vervolgens verhit om ethanol te verdampen. Met een screen-printer werd de pasta gedeponeerd op gereinigd FTO glas (0,6 cm × 0,6 cm) tot een dikte van ~23 µm. De films werden gesinterd bij ~500 °C gedurende 30 min om organica te verwijderen, en vervolgens 24 uur gedoopt in een 0,3 mM N719 kleurstofoplossing.

Fabricage van Nanogestructureerde Koolstofmateriaal-gebaseerde CEs

Koolstofcomposieten werden bereid door 0,2 g elk van CNPs, MWCNTs, en GFs te disperseren in 1 g terpineol plus 0,1 g ethylcellulose, gevolgd door 2 uur sonicatie in ethanol. Na verdamping op een hitteplaat werd de resulterende viskeuze pasta screen-geprint op FTO glas (0,6 cm × 0,6 cm). Zeven pastaformuleringen - CNP, MWCNT, GF, CNP/MWCNT, CNP/GF, MWCNT/GF, en CNP/MWCNT/GF - werden geprint. Een 400 °C hittebehandeling gedurende 15 min verwijderde residuele organica. CE-dikte werd afgestemd door het aantal printpasses te variëren. Voor vergelijking werd een Pt CE gedeponeerd door ion-sputteren (1,2 kV, 7 mA).

Productie en Karakterisering van DSSCs

De fotoanode en CE werden geseald in een sandwich configuratie met een 60 µm hitte-smelt polymere film, dan verhit bij 120 °C gedurende 4 min. Een iodide-gebaseerde vloeibare elektrolyt (AN-50, Solaronix) werd in de tussenruimte geïnjecteerd, en de gaten werden geseald met een dekselglas. DSSCs werden verlicht onder AM 1.5 (100 mW cm⁻²) met een PEC-L11 zonsimulator gekalibreerd met een Si fotodiodes. Stroomdichtheid-spanning (J-V) kurven en electrochemische impedantiespectra (EIS) werden opgenomen met een Keithley SMU 2400 onder verlichting. Structurele karakterisering gebruikte SEM (Hitachi S-4200, 15 kV) voor morfologie en dikte, BET (ASAP 2020) voor oppervlakte, Raman-spectroscopie (Ramboss 500i, 532 nm) voor defectanalyse, en cyclische voltammetrie (CV) in een drie-elektrode cel (Pt counter, kalomel referentie) in 10 mM LiI, 1 mM I₂, 0,1 M LiClO₄ acetonitrile.

Resultaten en Discussies

Raman-spectra van CNPs, MWCNTs, en GFs vertoonden de karakteristieke D (≈1355 cm⁻¹) en G (≈1579 cm⁻¹) pieken. De D/G intensiteitsverhoudingen waren 0,95 (CNPs), 1,01 (MWCNTs), en 0,97 (GFs), wat aangeeft dat MWCNTs de hoogste defectdensiteit bezitten, wat de katalytische activiteit aan de CE-elektrolyt interface versterkt.

BET analyse onthulde oppervlaktes van 24,7 m² g⁻¹ (CNPs), 311,8 m² g⁻¹ (MWCNTs), en 269,5 m² g⁻¹ (GFs). Composietformuleringen toonden toenemende specifieke oppervlakte met de inclusie van MWCNTs, wat bevestigt dat MWCNTs cruciaal zijn voor het verbeteren van interfaciale ladingsoverdracht.

SEM-beeldvorming (Fig. 4) toont dat CNPs grote aggregaten vormen die slecht aan FTO hechten, terwijl MWCNTs een porieus, geïntegreerd netwerk creëren dat efficiënt iontransport bevordert. GFs neigen om in plannaire lagen te stapelen met beperkte interlaagcontact. Composietcoatings (CNP/MWCNT, MWCNT/GF, CNP/MWCNT/GF) combineren de hoge oppervlakte van MWCNTs met de mechanische stabiliteit van GFs en CNPs, wat resulteert in een uniforme, goed gehechte CE oppervlakte.

CV-metingen (Fig. 5) tonen aan dat Pt en MWCNT-gebaseerde CEs duidelijke oxidatie/reductie pieken vertonen voor de I₃⁻/I⁻ redoxkoppel, terwijl zuivere GF en CNP CEs dergelijke kenmerken missen, wat hun slechte katalytische activiteit onderstreept. Piek-tot-piek scheidingen (ΔEₚ) zijn 0,62 V voor Pt, 0,77 V voor MWCNT, en tot 1,03 V voor de composiet CEs, wat verbeterde ladingsoverdrachtskinetiek in de laatste weerspiegelt.

Fotovoltaïsche testen (Fig. 6) tonen aan dat CNP-gebaseerde CEs hoge kortsluitingstroomdichtheid (J_sc ≈ 17 mA cm⁻²) leveren maar lage open-circuitspanning (V_oc ≈ 0,5 V) en vulfactor (FF ≈ 0,25), wat resulteert in een PCE van slechts 0,22%. GFs en CNP/GF CEs vertonen soortgelijke tekortkomingen door beperkte oppervlakte. In tegenstelling leveren MWCNT-gebaseerde CEs en hun composieten J_sc > 12 mA cm⁻², V_oc ≈ 0,62 V, FF ≈ 0,75, en PCEs boven 5%. Het CNP/MWCNT composiet bereikt 5,67% PCE, bijna identiek aan de Pt-benchmark (5,70%). Deze data bevestigen dat een hoge-oppervlakte MWCNT-netwerk cruciaal is voor efficiënte elektronenoverdracht aan de CE-elektrolyt interface.

J-V en EIS data (Fig. 7a-c, Tabel 1) illustreren verder dat MWCNT en composiet CEs lagere ladingsoverdrachtsweerstand (R_ce) vertonen dan Pt, terwijl hun recombinatieweerstand (R_rec) hoger is, wat verminderde elektronenrecombinatie en langere elektronenlevensduur (τ_e) aangeeft. Bode plots onthullen τ_e waarden boven 50 ms voor composiet CEs, wat de 30 ms voor Pt-gebaseerde apparaten overstijgt, wat vertaalt naar hogere FF en algehele efficiëntie.

Conclusies

Onze systematische studie bevestigt dat CNPs alleen ongeschikt zijn als Pt-vervangers in DSSC counter-elektroden vanwege aggregatie en slecht interfacecontact. In tegenstelling vormen MWCNT-rijke composieten - met name CNP/MWCNT, MWCNT/GF, en CNP/MWCNT/GF - een hoog-genetworkte, hoge-oppervlakte CE laag die snelle tri-iodide reductie bevordert en recombinatie onderdrukt. Gevolglijk bereiken DSSCs uitgerust met deze screen-geprinte koolstofcomposieten PCEs op niveau met Pt-gebaseerde apparaten, wat een schaalbare, lage-kosten alternatief biedt voor commerciële DSSC productie.

Afkortingen

BET:

Brunauer-Emmett-Teller

CEs:

Counter-elektroden

CNPs:

Koolstofnanopartikelen

DSSCs:

Kleurstof-gevoeligde zonnecellen

EIS:

Electrochemische impedantiespectroscopie

FF:

Vulfactor

FTO:

Fluor-gedopeerde tin oxide

GFs:

Grafenevlokken

MWCNTs:

Multi-walled koolstofnanobuizen

PCE:

Vermogensomzettingsrendement

SEM:

Scanning elektronenmicroscopie