Verbesserung des photoelektrischen Umwandlungswirkungsgrads der flexiblen faserigen farbstoffsensibilisierten Solarzellen

Hintergrund

Farbstoffsensibilisierte Solarzellen (DSSCs) gelten als eine der vielversprechendsten Photovoltaikzellen der nächsten Generation, um konventionelle Si-basierte Solarzellen aufgrund ihrer Vorteile wie niedrige Kosten, hohe Energieumwandlungseffizienz und Umweltfreundlichkeit zu ersetzen [1, 2] . Die Solarzellen mit dem starren leitfähigen Glas stoßen nun jedoch in der praktischen Anwendung wie Transport, Installation, Handhabung und intelligenten Textilsystemen an Grenzen [3,4,5]. Um solche Probleme zu überwinden und ihren Anwendungsbereich zu erweitern, beschäftigen sich die DSSC-Forscher intensiv mit faserförmigen Solarzellen als vielversprechenden Kandidaten für zukünftige Anwendungen mit verschiedenen Richtungen.

Fasersolarzellen weisen die einzigartigen Vorteile auf, leicht, tragbar und anpassungsfähig an eine Vielzahl von gekrümmten Oberflächen wie unserem Körper im Vergleich zu planaren photovoltaischen Geräten zu sein, und entwickeln sich daher robust weiter, um die Anforderungen verschiedener tragbarer Elektronik im modernen Leben zu erfüllen [6,7, 8]. Zusätzlich zu den Vorteilen des flexiblen DSSC mit flacher Platte haben faserähnliche Solarzellen den einzigartigen Vorteil der dreidimensionalen Beleuchtung, die das diffuse Licht aus allen Winkeln voll ausnutzen kann.

Mehrere Studien zu faserigen DSSCs wurden über die Herstellung mit modifiziertem Titandraht als Photoanode und reinem Platin (Pt)-Draht als Gegenelektrode (CE) berichtet [9, 10]. Natürlich ist Pt eines der selektivsten Materialien, um die Reduktion von I₃ . zu katalysieren ⁻ zu I ⁻ aufgrund seiner überlegenen elektrokatalytischen Aktivität, Stabilität und ausgezeichneten Leitfähigkeit; es ist jedoch mit reinem Pt-Draht als CE sehr teuer und benachteiligt die Scale-up-Produktion für faserige Vorrichtungen. Daher ist ein effektives Elektrodendesign einschließlich kostengünstiger CE mit hoher Leitfähigkeit und katalytischer Fähigkeit wesentlich. In vielen Berichten wurden mehrere Möglichkeiten durch thermische Zersetzung oder elektrochemische Reduktion entdeckt, um Pt-Filme mit der gleichen Funktion wie reines Platin herzustellen, was die Verbrauchsmenge an Platin erheblich reduziert [11,12,13,14]. Darüber hinaus ist die Leistung des FFDSSC mit modifizierter Titandraht-Photoanode aufgrund seiner geringen Farbstoff- und Elektronenrekombinationsladung gering. Es werden viele Versuche unternommen, die Effizienz der optischen Absorption und des Ladungstransports durch Oberflächenmodifikation, Teilchengrößenänderung und Mehrstrukturkonstruktion für die Photoanode zu verbessern. Das Hauptziel besteht darin, Hochleistungs-Faserelektroden zu entwickeln, um die photovoltaische Leistung von faserförmigen Solarzellen zu verbessern.

Hierin ein flexibles faseriges DSSC (FFDSSC) basierend auf einem flexiblen faserigen TiO₂ Photoanode mit glatter Oberfläche, die auf dem Ti-Draht-Substrat unter Verwendung eines mehrstufigen Sinterverfahrens beschichtet wurde, und ein modifizierter Pt-Verbundstoff CE, der mit Al-Draht als innerem Kern über einen zweistufigen elektrochemisch-thermischen Zersetzungsansatz hergestellt wurde, wurden ins Auge gefasst, um die photoelektrische Umwandlungseffizienz. Wie erwartet zeigte das modifizierte Komposit Pt CE eine ausgezeichnete elektrokatalytische Aktivität und einen geringen Ladungsübertragungswiderstand von 3,11 Ω cm ² durch die umfangreichen elektrochemischen Messungen. Die FFDSSC zeigte eine deutlich verbesserte Leistung bei der photoelektrischen Umwandlungseffizienz von 6,35 % bei einer Bestrahlung von 100 mW cm ^–2 (AM 1.5).

Methoden

Materialien

Das Nickel(II)-Chlorid-Hexahydrat (NiCl₂ ·6H₂ O, 98%), Thioharnstoff (TU, ≥ 99,0%), Kobaltchlorid-Hexahydrat (CoCl₂ ·6H₂ O, 98%), Ethanol, Chlorplatinsäure, Titantetrachlorid (TiCl₄ .) ) und Tetra-n-butyltitanat werden von Shanghai Chemical Agent Ltd., China, bezogen. Alle Reagenzien sind von analytischer Reagenzqualität. Der Aluminium- und Titandraht (Durchmesser = 0,2 mm, 99,999%) werden von Shengshida Metallic Material Co., Ltd. China bezogen. Der mit einer metallorganischen Verbindung sensibilisierte Farbstoff N719 wird von Solaronix SA (Schweiz) bezogen. Das TiO₂ Paste (Durchmesser = 20 nm) werden von Wuhan Geao Co., Ltd. China bezogen.

Vorbereitung von flexiblem faserigem TiO₂ Photoanode

Die Aluminium- und Titandrähte mit einer Länge von 15 cm wurden mit Sandpapier poliert und nacheinander in Reinigungsmittel, Aceton, destilliertem Wasser bzw. Ethanol 30 Minuten lang mit Ultraschall gereinigt und dann in Isopropylalkohol gelagert. Das TiCl₄ Lösungen wurden mit einer Konzentration von 0,03 und 0,05 M konfiguriert und im Kühlschrank aufbewahrt.

Das farbstoffsensibilisierte flexible faserige TiO₂ Photoanode wurde gemäß unseren früheren Berichten hergestellt [15,16,17]. Zuerst wurde eine Sperrschicht durch Eintauchen des Titandrahtsubstrats mit einer Länge von 15 cm in 0,03 M TiCl₄ . gebildet Lösung bei 70 °C für 1 h, gefolgt von Sintern bei 450 °C für 30 min an Luft. Dieser Vorgang wird fünfmal wiederholt, um die Beladung mit TiO₂ . zu erhöhen . Anschließend wird das TiO₂ Schicht mit einer Partikelgröße von 20 nm wurde im Bürstenverfahren auf die Sperrschicht aufgetragen und dann bei 450 °C für 30 Minuten an Luft gesintert. Dieser Vorgang wird dreimal wiederholt, um eine glatte Oberfläche zu bilden. Durch Eintauchen des oben erwähnten TiO₂ . wird eine modifizierte Schicht gebildet Substrat in 0,05 M TiCl₄ Lösung bei 70 °C für 1 h und Sintern bei 450 °C für weitere 30 min. Dieser Vorgang wird zweimal wiederholt, um sicherzustellen, dass das TiO₂ Poren werden gefüllt. Der Farbstoff wurde geladen, indem das faserige TiO₂ . eingetaucht wurde Anode in 0,3 mM Farbstoff N719 tert-Butanol/Acetonitril-Lösung für 12 h. Somit ist das farbstoffsensibilisierte flexible faserige TiO₂ Photoanode wurde erhalten.

Vorbereitung von Pt-Faser-CE und Herstellung von FFDSSCs

Faseriges Pt CE wurde durch einen zweistufigen elektrochemisch-thermischen Zersetzungsansatz hergestellt. Zuerst wurde Aluminiumdraht in 0,01 M H₂ . getränkt PtCl₆ und LiClO₄ Ethanollösung zur Durchführung des Elektroabscheidungsverfahrens und erhielt Pt-1-Faser-CE. Das erhaltene Pt-1-Faser-CE wurde auf 250 °C erhitzt und dann 0,5 ml H₂ PtCl₆ (1,0 Gew.-%) Isopropanol und n-Butylalkohol (Volumenverhältnis =1:1)-Lösung mit OP-Emulgator (1,0 Gew.-%) wurde schnell auf die Oberfläche des Pt-1-Faser-CE getropft und bei 450 °C für 30 . gesintert min, um einige restliche organische Verbindungen in der Platinschicht zu entfernen, und so wurde ein mikroporöser Platinfilm hergestellt und mit Pt-2-Faser-CE gekennzeichnet. Das faserige Pt-2-CE wurde um das faserige TiO₂ . gewunden Photoanode mit einem Abstand von ungefähr 0,5 mm, um eine flexible faserförmige DSSC zu bilden (wie in Fig. 1 gezeigt). Der resultierende Draht wurde in ein Plastikrohr (Durchmesser von 0,5 mm) und Redoxelektrolyt (0,05 M von I₂ , 0,1 M LiI, 0,6 M Tetrabutylammoniumiodid und 0,5 M TBP in Acetonitril) wurde mit einer Spritze injiziert und mit der UV-härtenden Adhäsion (HT8803) versiegelt, um ein Auslaufen oder Verdampfen des flüssigen Elektrolyts zu verhindern. Zum Vergleich:die flexiblen faserförmigen DSSCs (basierend auf den Pt-1 und reinen Pt CEs und dem faserigen TiO₂ Photoanode mit und ohne TiCl₄ Modifikation) wurden nach einem ähnlichen Verfahren hergestellt.

Schematische Darstellung der faserförmigen DSSC-Fertigung. a Herstellungsprozess des faserförmigen DSSC. b Foto des faserförmigen DSSC

Charakterisierung

Die Oberflächenmorphologien der Proben wurden unter Verwendung des Feldemissions-Rasterelektronenmikroskops (REM) des JSM-7001F beobachtet. Die energiedispersive Spektroskopieanalyse (EDS) wurde von Bruker-ASX (Modell Quan-Tax 200) erhalten. Zyklische Voltammetrie (CV)-Messungen wurden in einer Drei-Elektroden-Einkammer-Zelle durchgeführt, in der ein vorbereiteter Pt-Draht als Arbeitselektrode verwendet wurde, eine Pt-Platte von 1,5 cm ² als CE und eine Ag/AgCl-Elektrode als Referenzelektrode in einer Acetonitrillösung bestehend aus 10 mM LiI, 1 mM I₂ , und 0,1 M LiClO₄ . Die EIS-Tests wurden unter Simulation von Leerlaufbedingungen bei Umgebungsatmosphäre unter Verwendung eines elektrochemischen Messsystems (CHI660E, Shanghai Chenhua Device Company, China) bei einer konstanten Temperatur von 20 °C mit einer AC-Signalamplitude von 20 mV im Frequenzbereich von . durchgeführt 0,1 bis 10 ⁵ Hz bei 0 V DC-Vorspannung im Dunkeln.

Die photovoltaischen Tests von FFDSSCs wurden durchgeführt, indem Photostrom-Photospannungs-Kennlinien (J-V) unter einer Bestrahlung von 100 mW cm ^− 2 . gemessen wurden aus dem Sonnensimulator (CEL-S500, Beijing China Education Au-light Co., Ltd) in Umgebungsatmosphäre. Der Füllfaktor (FF) und der photoelektrische Umwandlungswirkungsgrad (η ) von DSSC wurden nach den folgenden Gleichungen berechnet:

wo J _sc ist die Kurzschlussstromdichte (mA cm ⁻² ); V_oc ist die Leerlaufspannung (V), P _in ist die einfallende Lichtleistung (mW cm ⁻² ) und J _max (mA cm ⁻² ) und V _max (V) sind die Stromdichte bzw. die Spannung am Punkt der maximalen Leistungsabgabe in der J-V-Kurve.

Ergebnisse und Diskussion

Oberflächenmorphologie und Zusammensetzung der Proben

Abbildung 2 zeigt die REM-Bilder des faserförmigen TiO₂ Photoanode und Pt CE mit unterschiedlichen Auflösungen, die EDS-Bilder des faserigen Pt CE und des TiO₂ Photoanode vor und nach der Sensibilisierung. Aus Fig. 2a und b das faserförmige TiO₂ Photoanode bleibt glatte Oberfläche und poröse Struktur, und das TiO₂ Nanopartikel verteilen sich gleichmäßig im Ti-Draht. Somit ist das faserförmige TiO₂ Photoanode modifiziert mit TiCl₄ bildete zweimal das TiO₂ Sperrschicht, die die Elektronenrekombination zwischen Elektrolyt und Ti-Faser effektiv verhindern kann. Aus Abb. 2c und d ist ersichtlich, dass die Oberfläche des faserigen Pt CE glatt ist, einheitliche Mikroporen und wenige Ausbuchtungen aufweisen, die durch das schnelle Sieden und Verflüchtigen von Isopropanol verursacht wurden, und eine große Menge an Poren wurde in situ erzeugt die Oberfläche des galvanischen Pt. Eine solche Oberflächenmorphologie des modifizierten faserförmigen Pt CE erhöht die spezifische Oberfläche von Platinfasern stark und wird für die Adsorption von flüssigem Elektrolyt genutzt [18], was zu einer starken Verbesserung der Photostromdichte und der Leerlaufspannung für die FFDSSC. Abbildung 2e und f zeigen die EDS-Bilder des TiO₂ Photoanoden vor bzw. nach der Sensibilisierung. Im Vergleich zu Abb. 2e zeigt f, dass das TiO₂ Photoanode wurde erfolgreich durch das starke Signal des Ru-Elements sensibilisiert. Die starken Signale für die Al- und Pt-Elemente, wie in Fig. 2g gezeigt, weisen darauf hin, dass das faserige Pt-CE mit Al-Draht als Innenkern hergestellt wurde.

Die REM-Bilder des TiO₂ Photoanode (a , b ) und faseriges Pt CE (c , d ) mit unterschiedlichen Auflösungen, die EDS-Bilder des TiO₂ Photoanode vor (e ) und nach (f ) sensibilisierend, und das faserige Pt CE (g )

Elektrochemische Eigenschaften

Abbildung 3 zeigt die zyklischen Voltammogramme der elektrochemischen Abscheidungs-Pt-CE vor und nach der Modifizierung mit der thermischen Zersetzung von Pt bei einer Abtastrate von 50 mV s ⁻¹ die elektrokatalytische Aktivität der Proben im Potentialintervall von − 0,4 bis 1,0 V zu untersuchen. Unserer Kenntnis nach ist der Absolutwert der kathodischen Spitzenstromdichte |I_pc | korreliert positiv mit der katalytischen Fähigkeit der Elektroden und dem Absolutwert der Spitze-Spitze-Trennung |E_pp | korreliert umgekehrt mit der elektrokatalytischen Aktivität der CEs [19, 20]. Abbildung 3 zeigt fast identische Formen von zwei Paaren von Redoxpeaks und |E_pp | für die Pt-1 und Pt-2 CEs in I ⁻ /I₃ ⁻ Redox-System und das |I_pc | der Pt-1- und Pt-2-CE betragen 2,10 und 2,87 mA cm ⁻² , die eine viel höhere kathodische Spitzenstromdichte für das Pt-2 CE zeigt. Dies ist auf die große aktive Oberfläche und die Mikroporenstruktur des Pt-2 CE zurückzuführen, die durch das schnelle Sieden und Verflüchtigen von Isopropanol hergestellt wird, und eine große Menge an Poren, die in situ im Platinfilm erzeugt werden. Es wurde festgestellt, dass, obwohl die Pt-1- und Pt-2-CEs ein ähnliches |E_pp . aufweisen, |, der Pt-2 CE zeigt jedoch viel höhere |I_pc | als die des Pt-1 CE. Dies deutet darauf hin, dass Pt-2 CE effektiver als Katalysator in der Reaktion des I ⁻ . wirkt /I₃ ⁻ Elektrolyt als der des Pt-1 CE. Noch wichtiger ist, dass das Pt-2 CE mit Doppelschichtstruktur höhere Werte für den |I_pc . aufweist | und |E_pp | als die der reinen Pt-Faser CE (aufgelistet in Tabelle 1). Die Tatsache beweist voll und ganz, dass die Pt-2 CE mit kostengünstiger und einfacher Herstellung die gleiche Funktion erfüllt wie die reine Pt-Faser CE. Folglich ist das durch thermische Zersetzung modifizierte Pt CE ein effizienter Elektrokatalysator und weist eine gute elektrokatalytische Fähigkeit für die I ^– . auf /I₃ ⁻ Redoxreaktion.

Die zyklischen Voltammogramme für Pt-1, Pt-2 und reine Pt-CE bei einer Abtastrate von 50 mV s ⁻¹

Abbildung 4 zeigt zyklische Voltammogramme mit 50 Zyklen für den Pt-2 CE bei einer Abtastrate von 50 mV s ⁻¹ die elektrochemische Langzeitstabilität eines CE zu untersuchen. Wie in Fig. 4 dargestellt, bleiben die normierten kathodischen und anodischen Spitzenstromdichten nach 50 aufeinanderfolgenden Zyklen kaum verändert. Dies legt nahe, dass die elektrochemische Abscheidung von Pt CE nach der Modifizierung mit H₂ PtCl₆ Die auf das Al-Substrat aufgetragene thermische Zersetzung besitzt eine ausgezeichnete elektrochemische und chemische Stabilität.

Zyklische Voltammogramme für den Pt-2 CE bei einer Abtastrate von 50 mV s ⁻¹ . 50 Zyklen kontinuierliches Scannen (a ); die zyklischen Voltammogramme des 1. und 50. Kreises (b )

Elektrochemische Impedanzen der CEs sind effektive und umfangreiche Werkzeuge zur Untersuchung des Ladungstransportprozesses. Abbildung 5 zeigt die Nyquist-Diagramme der symmetrischen Pt-1, Pt-2 und reinen Pt-CE für I ⁻ /I₃ ⁻ Elektrolyt und die entsprechenden EIS-Parameter sind auch in Tabelle 1 aufgeführt, in der der R _s ist der Widerstandswert am Anfangspunkt des ersten Halbkreises, der R _ct ist der Radius des ersten Halbkreises und der Halbkreis repräsentiert die Nernst-Diffusionsimpedanz (Z _w ) entsprechend dem Diffusionswiderstand des I ⁻ /I₃ ⁻ Redoxspezies [21, 22]. Wie allen bekannt ist, ist die R _ct ist ein entscheidender Parameter zum Vergleich der elektrokatalytischen Fähigkeit verschiedener CEs, die umgekehrt mit der katalytischen Fähigkeit der CEs korreliert. Aus Abb. 5 und Tabelle 1 ist das R _s assoziiert mit Pt-1, Pt-2 und reinem Pt CEs sind 3,96, 3,57 und 3,75 Ω·cm ² , bzw. Die R _ct für Pt-1, Pt-2 und reine Pt-CEs sind 3,99, 3,11 und 3,10 Ω cm ⁻² , bzw. Mit anderen Worten, die R _s und R _ct für die oben genannten CEs folgen Sie der Reihenfolge Pt-1> Pt-2> Pt. Somit ist er mit dem des Pt-1 CE vergleichbar und weist auf einen geringeren Grenzflächen-Ladungstransferwiderstand hin, der an der Grenzfläche zwischen dem Pt-2 CE und I ⁻ . aufgetreten ist /I₃ ⁻ Elektrolyt unter den gleichen Testbedingungen. Diese Ergebnisse beweisen vollständig, dass das Pt-2 CE mit Doppelschichtstruktur nach der thermischen Zersetzung Pt-Modifizierung eine große Verbesserung der elektrochemischen katalytischen Fähigkeit im Vergleich zu dem reinen Pt CE zeigt. Die Gründe für das Verbessern der Leistung des CE können der Oberflächenstruktur zugeschrieben werden, d. h. gleichmäßigen Mikroporen und wenigen Ausbuchtungen, und guten elektrochemischen Eigenschaften, wodurch die Elektronen leicht über die Pt-2-Film|Al-Grenzfläche übertragen werden können. Basierend auf der umfassenden Berücksichtigung von EIS-Daten kann prospektiert werden, dass die Eigenschaft des Pt-2 CE von Vorteil ist, um die photovoltaische Leistung der FFDSSCs zu verbessern.

EIS der Pt-1, Pt-2 und reinen Pt CEs für I ⁻ /I₃ ⁻ Redoxpaar

Abbildung 6 zeigt die Tafel-Kurven für die symmetrischen Zellen, die denen ähnlich sind, die in den EIS-Messungen verwendet wurden, um die elektrokatalytische Aktivität der Pt-1, Pt-2 und reinen Pt-CEs zu bestätigen. Wie in Abb. 6 zu sehen ist, zeigt der Pt-2 CE eine viel größere Austauschstromdichte (J ₀ ) und begrenzende Diffusionsstromdichte (J _lim ) (1,48 und 2,18 mA cm ^− 2 ) im Vergleich zum Pt-1 CE (1,28 und 1,89 mA cm ⁻² ), was auf eine höhere Leitfähigkeit und elektrokatalytische Fähigkeit des Pt-2 CE hindeutet. Je höher J _lim für Pt-2 CE spiegelt eine schnellere Diffusionsgeschwindigkeit für das Redoxpaar im Elektrolyten wider [23,24,25]. Darüber hinaus ist die elektrokatalytische Aktivität des Pt-2 CE erwartungsgemäß genauso hervorragend wie die des reinen Pt CE. Diese positiven Faktoren können auf die gleichen Gründe wie CV und EIS zurückgeführt werden, die logischerweise zu einem effizienten Leistungsumwandlungswirkungsgrad für das FFDSSC führen. Theoretisch J ₀ ist umgekehrt proportional zu R _ct nach Gl. (5) [26, 27]. Die veränderte Tendenz von J ₀ in Tafel-Kurven für Pt-1, Pt-2 und reine Pt-CEs entspricht im Allgemeinen dem EIS. Im Allgemeinen weisen die umfangreichen elektrochemischen Messergebnisse (CVs, EIS und Tafel) darauf hin, dass Pt-2 CE eine verbesserte elektrokatalytische Aktivität im Vergleich zu reinem Pt CE besitzt; daher kann logischerweise eine erhebliche Verbesserung der Photovoltaikleistung für das FFDSSC erwartet werden.

Tafel-Kurven der symmetrischen Pt-1, Pt-2 und reinen Pt CEs für I ⁻ /I₃ ⁻ Redoxpaar

wo R ist die Gaskonstante, T , F , n , und R _ct haben ihre übliche Bedeutung.

Photovoltaische Leistung der FFDSSCs

Die J-V-Eigenschaften der FFDSSCs mit verschiedenen CEs und Photoanoden wurden unter 100 mW cm ⁻² . gemessen (AM 1,5 G) Bestrahlung, und die Ergebnisse sind in Abb. 7 und Tabelle 2 dargestellt. Die Kurven b und c zeigen die FFDSSCs, die mit Pt-1- und Pt-2-CEs und TiO₂ . zusammengesetzt sind Photoanode ohne TiCl₄ in Abb. 7 modifiziert, die nicht glatt sind. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Leerlaufspannung (V _oc ) und Kurzschlussstromdichte (J _sc ) des FFDSSC-c (0,760 V und 10,78 mA cm ⁻² ) ist viel höher als die des FFDSSC-b (0,625 V und 10,78 mA cm ⁻² ). Dieses Phänomen ist mit dem niedrigen R . verbunden _ct , ausgezeichnete elektrochemische katalytische Aktivität und Leitfähigkeit für das Pt-2 CE und die vergrößerte Kontaktfläche zwischen dem Pt-2 CE und dem Elektrolyten [28, 29]. Kurven d und e der FFDSSCs mit Pt-1 und Pt-2 CEs und TiO₂ Photoanode mit TiCl₄ modifizierte Darstellung der glatten Kurven mit hohem V _oc , J _sc , und Füllfaktor (FF). Die höhere photoelektrische Leistung des FFDSSC-e ist hauptsächlich auf das niedrigere R . zurückzuführen _ct , und eine bessere elektrochemische katalytische Aktivität und Leitfähigkeit für das Pt-2 CE im Vergleich zu der des FFDSSC-a basierend auf dem reinen Pt CE und TiO₂ Photoanode mit TiCl₄ modifiziert (6,32 %). Darüber hinaus werden die wichtigeren Gründe dem TiCl₄ . zugeschrieben Modifikation, die die von den angeregten Farbstoffmolekülen erzeugte Photoelektronenrate erhöht und die Rekombinationsrate des Elektrons und des Ti-Drahts verringert; somit zeigt das Gerät logischerweise bessere V _oc , J _sc , und FF-Werte. Umgekehrt basiert der FFDSSC auf dem TiO₂ Photoanode ohne Modifikation durch das TiCl₄ zeigt eine schlechtere Photovoltaikleistung. Gleichzeitig beeinflusst die zweimalige Modifikation für das CE signifikant die Leistung von FFDSSC, was die Elektrolytbeladung auf der CE-Oberfläche erhöht und den Innenwiderstand und den Dunkelstrom des FFDSSC verringert, wodurch das J . stark verbessert wird _sc Werte. Diese weisen darauf hin, dass die zweimaligen Modifikationen für die Elektrode einen schnellen Elektronentransport an der Grenzfläche zwischen I ⁻ /I₃ ⁻ Elektrolyt und die Elektroden, und es kann auch abgeleitet werden, dass die FFDSSC basierend auf dem Pt-2 CE und TiO₂ Photoanoden modifiziert mit TiCl₄ kann tatsächlich die Ladungsrekombination verbessern und eine herausragendere Wirkung haben als andere FFDSSCs.

Photovoltaik-Leistungskurven für die mit verschiedenen Photoanoden hergestellten FFDSSCs und die CEs unter Standardbeleuchtung. J-V-Eigenschaften der FFDSSCs (a ); die Beziehung zwischen der Leistungsumwandlungseffizienz und der Leerlaufspannung (b )

Abbildung 8 zeigt die Nyquist-Plots der FFDSSCs basierend auf verschiedenen CEs und Photoanoden unter 100 mW cm ⁻² (AM 1,5 G) Einstrahlung, und das Ersatzschaltbild ist als Einschub gezeigt. R _s ist der Serienwiderstand und R_ct ist der Ladungsübergangswiderstand an der Grenzfläche Elektrolyt/Photoanode. R _s und R _ct Werte für die FFDSSCs mit Kompaktschicht aus TiCl₄ modifiziert (FFDSSCs a, d, e) sind niedriger als die der FFDSSCs ohne TiCl₄ geändert; dies liegt am ultradünnen TiO₂ kompakte Schicht mit hoher Elektronenbeweglichkeit verbessert den Grenzflächenkontakt zwischen Ti-Draht und TiO₂ Photoanode und verringert auch die Wahrscheinlichkeit der Elektronenrekombination [30, 31]. Darüber hinaus besitzt das FFDSSC-e das kleinste R _s und R _ct Werte zwischen den FFDSSCs a, d und e, die kleiner als die der FFDSSC-a sind. Dies deutet darauf hin, dass das Pt-2 CE mit zweifacher Modifikation im FFDSSC vorteilhafter für den Elektronentransport an der Grenzfläche zwischen I ⁻ . ist /I₃ ⁻ Elektrolyt und den Elektroden als die des reinen Pt CE. Infolgedessen sind die mehrfachen Modifikationen für die Anode und Gegenelektrode in FFDSSCs leitfähig, um die photovoltaische Leistung zu verbessern.

EIS für die mit den verschiedenen Photoanoden hergestellten FFDSSCs und die CEs unter der Standardbeleuchtung

Abbildung 9 zeigt die IPCE der FFDSSCs mit verschiedenen CEs und Photoanoden, um die Lichtreaktion zu reflektieren, die direkt mit J . zusammenhängt _sc . Wie in Abb. 9 gezeigt, stimmt die maximale Effizienz aller FFDSSCs bei der Wellenlänge von etwa 520 nm mit der maximalen Absorptionswellenlänge des Farbstoffs N719 überein [32, 33]. Der maximale IPCE-Peak für die oben genannten FFDSSCs folgt den Reihenfolgen e> a> d> c> b. Dieses Ergebnis stimmt gut mit den photovoltaischen Leistungen überein, wie in Abb. 7 gezeigt, was wiederum beweist, dass die mehrfachen Modifikationen für die Anode und Gegenelektrode die photoelektrische Leistung für die FFDSSCs bemerkenswert verbessern können.

Das IPCE der verschiedenen FFDSSCs

Schlussfolgerungen

Eine effiziente flexible faserige farbstoffsensibilisierte Solarzelle (FFDSSC) wurde mit einer Mehrschichtstruktur-Faser TiO₂ . hergestellt Photoanode (modifiziert mit TiCl₄ ) und ein Pt-2 CE mit Doppelschichtstruktur zur Verbesserung der Leistung des Geräts. Pt-2-Faser CE zeigt eine ausgezeichnete elektrokatalytische Aktivität für die Reduktion von Triiodid in FFDSSC durch zyklische Voltammetrie, elektrochemische Impedanzspektroskopie und Tafel-Charakterisierung. Der FFDSSC basierend auf der Pt-2-Faserelektrode und TiO₂ Faserphotoanode modifiziert mit TiCl₄ zeigt einen photoelektrischen Umwandlungswirkungsgrad von 6,35 %, 69,8 % höher als bei der einschichtigen Faser TiO₂ Photoanode und galvanische Abscheidung von Pt-Draht, die mit der des FFDSSC auf Basis des reinen Pt-Drahts CE vergleichbar ist. Dieses kostengünstige und einfach herzustellende FFDSSC mit hoher Elastizität, Flexibilität und Dehnbarkeit könnte tragbare Hochleistungs-Mikrosolarzellen zur Anpassung an komplexe mechanische Verformungen vorbereiten, die ein enormes Potenzial zur Entwicklung einer neuen Familie von Energieumwandlungs- und -speichergeräten haben.

Abkürzungen

CE:

Gegenelektrode

Lebenslauf:

Zyklische Voltammetrie

FFDSSC:

Flexible faserige farbstoffsensibilisierte Solarzelle

I ⁻ /I₃ ⁻ :

Jodid/Trijodid

J ₀ :

Austauschstromdichte

J _lim :

Begrenzung der Stromdichte

J _{ma x} :

Maximale Stromdichte

J _sc :

Kurzschlussstromdichte

J-V:

Fotostrom-Fotospannung

PCE:

Leistungsumwandlungseffizienz

P _in :

Auflichtleistung

R _ct :

Ladungsübergangswiderstand

R _s :

Serienwiderstand

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

V _max :

Maximale Spannung

V _oc :

Leerlaufspannung