Einbau nanostrukturierter Kohlenstoff-Verbundmaterialien in Gegenelektroden für hocheffiziente farbstoffsensibilisierte Solarzellen

Hintergrund

Farbstoffsensibilisierte Solarzellen (DSSCs) haben viel Aufmerksamkeit als Alternative zu siliziumbasierten Solarzellen erhalten. Sie gelten als eine der bekanntesten Solarzellen der dritten Generation, da sie die Vorteile relativ niedriger Herstellungskosten, einfacher Herstellung und ausgezeichneter photovoltaischer Eigenschaften aufweisen [1, 2]. Die Schlüsselkomponenten von DSSCs sind TiO₂ dünnfilmbeschichtete fluordotierte Zinnoxid (FTO) Photoelektrode, Farbstoff, flüssiger Elektrolyt (\( {I}^{-}/{I}_3^{-} \) Redoxpaar) und Gegenelektrode (CE) [ 3, 4].

Als Funktionsprinzip von DSSC werden Farbstoffmoleküle im Allgemeinen an der Oberfläche von halbleitendem TiO₂ . adsorbiert Nanopartikel (NPs) als Photoelektrode. Wenn ein DSSC dem Sonnenlicht ausgesetzt wird, werden von den angeregten Farbstoffmolekülen erzeugte Elektronen kontinuierlich in das Leitungsband von TiO₂ . injiziert NPs und erreichen dann die leitende Oxidelektrode (z. B. FTO-Glas). Die photogenerierten Elektronen werden durch den externen Stromkreis übertragen und dann durch Pt-beschichtete CEs in einen flüssigen Elektrolyten eingebracht. Der Elektrolyt transportiert schließlich die Elektronen, um einen Stromzyklus in DSSCs abzuschließen.

Als Edelmetall hat Pt die Vorteile einer ausgezeichneten katalytischen Aktivität, einer effektiven Reduktion von Iodid/Triode und einer guten elektrischen Leitfähigkeit, so dass es im Allgemeinen als CEs von DSSCs verwendet wird [5,6,7,8,9,10,11] . Pt ist jedoch relativ teuer, was die Massenproduktion von DSSCs in der Solarzellenindustrie behindert und zu einer schlechten Stabilität der DSSCs aufgrund korrosiver Elektrolyte führt. Daher haben sich viele Forschungen der Suche nach geeigneten Kandidaten für den Ersatz von Pt-Katalysatoren in DSSCs durch kostengünstige Materialien wie Ruß (CB), Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT), Legierungsmetall, Metallsulfid und leitfähiges Polymer gewidmet [5,6 ,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]. Unter diesen verschiedenen Alternativen sind nanostrukturierte Kohlenstoffmaterialien wie Kohlenstoffnanopartikel (CNPs, C₆₀ .) ). 18,19,20,21].

Zur Herstellung von mit Kohlenstoffnanostrukturen beschichteten CEs werden verschiedene Verfahren entwickelt, darunter chemische Gasphasenabscheidung [22, 23], Tropfenbeschichtung [24, 25], Spin-Coating [26] und Sprühbeschichtungsverfahren [27]. Sie erfordern jedoch im Allgemeinen ziemlich komplexe Herstellungsverfahren, und gleichzeitig ist es von Natur aus schwierig, eine feste Bindung und eine gleichmäßige Dicke der verwendeten nanostrukturierten Kohlenstoffmaterialien zu erreichen. Siebdruck ist ein einfaches, leichtes und vielseitiges Verfahren, bei dem mit einer Rakel oder einem anderen mechanischen Gerät Druck ausgeübt wird, um Pasten gleichmäßig auf der Oberfläche des Substrats abzuscheiden. Es kann verschiedene Druckprodukte mit dauerhaften Eigenschaften herstellen, die einem äußeren Kontakt widerstehen können [28, 29]. Daher wurde es oft verwendet, um gleichmäßige Dünnfilme auf der Oberfläche des Substrats herzustellen, und gleichzeitig kann die Dicke der Dünnfilme leicht durch Variieren der Anzahl der Siebdruckprozesse gesteuert werden.

In dieser Studie verwenden wir einen Siebdruckprozess, um dünne Filme aus verschiedenen nanostrukturierten Kohlenstoffmaterialien, einschließlich CNPs, MWCNTs, GFs und deren Mischungen, auf der Oberfläche von FTO-Glassubstraten mit unterschiedlichen Dicken als CEs von DSSCs herzustellen. Und dann wird die photovoltaische Leistung der resultierenden DSSCs systematisch in Bezug auf die Leerlaufspannung (V _oc ), Kurzschlussstromdichte (J _sc ), Füllfaktor (FF) und Leistungsumwandlungseffizienz (PCE), die schließlich auch mit der Photovoltaikleistung von Pt-basierten DSSCs verglichen werden.

Methoden/Experimental

Herstellung von TiO₂ -basierte Photoelektroden von DSSCs

TiO₂ Photoelektrode auf NP-Basis wurde unter Verwendung eines Siebdruckverfahrens auf der Oberfläche von FTO-Glas (SnO₂ :F, 7 Ω/qm, Pilkington, Boston, USA). Kommerziell erhältliches TiO₂ NPs (P25, Degussa, Deutschland) wurden ohne weitere Behandlung verwendet. Zur Herstellung von TiO₂ Paste, 6 g TiO₂ NPs, 20 g Terpineol, 1 ml Essigsäure (CH₃ .) COOH) und 15 g Ethanol wurden in einem Fläschchen gemischt, um eine Lösung-I herzustellen. Dann wurden 3 g Ethylcellulose und 27 g Ethanol in einem anderen Fläschchen gemischt, um Lösung II herzustellen. Anschließend wurden die beiden Lösungen in einem Fläschchen mit einem Planetenmischer für 3 Minuten homogen gemischt und dann in einem Ofen erhitzt, um Ethanol zu entfernen. Mit Hilfe des Siebdruckverfahrens wird TiO₂ Auf einem FTO-Glas wurde ein dünner Film mit einer photoaktiven Fläche von 0,6 cm  ×  0,6 cm mit einer Dicke von ~ 23 μm gebildet. Das FTO-Glas wurde mit Aceton, Ethanol und entionisiertem Wasser gereinigt und dann mit der Mischung aus 0,247 ml TiOCl₂ . vorbehandelt Lösung und 20 ml entionisiertem Wasser, um die Haftung zwischen TiO₂ . zu verbessern NPs und FTO-Glas. Das TiO₂ dünnfilmbeschichtetes FTO-Glas wurde dann bei ~ 500 °C für 30 Minuten gesintert, um die restlichen Komponenten zu entfernen. Das gesinterte TiO₂ -beschichtetes FTO-Glas wurde dann 24 h lang in eine Farbstofflösung mit 0,3 mM N719 (Solaronix, SA, Schweiz) eingetaucht [20].

Herstellung von auf nanostrukturierten Kohlenstoffmaterialien basierenden CEs

Zur Herstellung homogener CNPs (C₆₀ , CNT Co., Ltd., Korea), MWCNTs (CNT Co., Ltd., Korea), GFs (CNT Co., Ltd., Korea) Paste, 0,2 g CNPs, 0,2 g MWCNTs und 0,2 g GFs wurden in der Mischlösung aus 1 g Terpineol und 0,1 g Ethylcellulose dispergiert, was die Haftung zwischen nanostrukturierten Kohlenstoffmaterialien und Substrat verbesserte. Und dann wurden sie in einer Ethanollösung dispergiert, gefolgt von einer Beschallung für 2 h mit einem Sondenbeschallungsgerät (Daihan Scientific Co., Ltd.), um eine homogene Suspension zu erhalten, die dann auf einer Heizplatte verdampft wurde, um eine Paste mit relativ hoher Viskosität herzustellen. Zur Herstellung verschiedener Kohlenstoffmaterialmischungen, einschließlich CNP/MWCNT, CNP/GF/, MWCNT/GF, CNP/MWCNT/GF, wie in Fig. 1a gezeigt, wurden CNP-, MWCNT- und GF-Pulver in der Lösung von Terpineol und Ethylcellulose dispergiert , und dann wurden sie mit Ultraschall- und Verdampfungsprozessen behandelt. Die sieben verschiedenen Pasten aus CNP, MWCNT und GF wurden dann auf die Oberfläche von FTO-Glas siebgedruckt, in das zwei Löcher mit einer Fläche von 0,6 cm × 0,6 cm gebohrt wurden. Anschließend eine Wärmebehandlung bei 400 ^° C für 15 Minuten wurde durchgeführt, um alle organischen Verunreinigungen zu entfernen, die sich auf nanostrukturierten Kohlenstoffmaterialien gebildet haben. Die Dicken der in der vorliegenden Studie verwendeten Kohlenstoffmaterialien wurden durch die Anzahl der Siebdruckverfahren verändert. Als Referenz-CE wurde ein FTO-Glas mit Pt unter Verwendung von Ionensputtern (E1010, Hitachi, Chiyoda-ku, Japan) beschichtet, das bei 1,2 kV und 7 mA betrieben wurde.

a Schema der Herstellung von Verbundwerkstoffen aus Kohlenstoffnanopartikeln (CNP)/mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren (MWCNT)/Graphenflocken (GF) für Gegenelektroden (CEs) von farbstoffsensibilisierten Solarzellen (DSSCs) und b Foto und Komponenten von DSSC, die in der vorliegenden Studie zusammengebaut wurden

Herstellung und Charakterisierung von DSSCs

Die hergestellten Photoelektroden und CEs wurden als Sandwich-Konfiguration mit einem heißschmelzenden Polymerfilm (60 μm dick, Wooyang, Korea) versiegelt und dann auf 120  ^° . erhitzt C für 4 Minuten. Anschließend wurde ein flüssiger Elektrolyt auf Jodidbasis (AN-50, Solaronix, SA, Schweiz) durch die beiden Löcher auf den CEs in den Zwischenraum zwischen zwei Elektroden injiziert und die Löcher wurden dann mit einem Deckglas mit Hot-Melt-Polymer verschlossen Film. Schließlich wurde eine DSSC-Einheit komplett zusammengebaut, wie in Abb. 1b gezeigt.

Die photovoltaische Leistung der in der vorliegenden Studie hergestellten DSSCs wurde bei einer Luftmasse von 1,5 und 1 Sonne (=100 mW cm ^− 2 .) gemessen ) Beleuchtung unter Verwendung eines Sonnensimulators (PEC-L11, Peccell Technologies, Inc., Kanagawa, Japan). Die Intensität der Lichtbeleuchtung wurde unter Verwendung eines Standard-Si-Photodioden-Detektors mit einem KG-5-Filter genau kalibriert. Die Stromdichte-Spannungs-Kurven (J-V) und die elektrochemischen Impedanzspektren (EIS) wurden automatisch mit einem Keithley SMU 2400 Source Meter (Cleveland, OH, USA) bei einer Beleuchtung von 100 mW cm ^− 2 . aufgenommen .

Die physikalische Struktur und Dicke von nanostrukturierten Kohlenstoffmaterialien wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM, S-4200, Hitachi) gemessen, das bei ~ 15 kV betrieben wurde. Die spezifische Oberfläche und Porosität wurden mit einem Brunauer-Emmett-Teller (BET) (ASAP 2020, USA) Instrument gemessen und ihre Porengrößenverteilungen wurden mit der Barrett-Joyner-Halenda (BJH) Formel aus dem Desorptionszweig bestimmt. Die strukturellen Eigenschaften von nanostrukturierten Kohlenstoffmaterialien wurden mit einer Raman-Spektroskopie (Ramboss 500i, DongWoo Optron) untersucht, bei der ein 532 nm-Laser zur Anregung verwendet wurde.

Die zyklische Voltammetrie-Messung wurde unter Verwendung einer elektrochemischen Workstation eines Keithley SMU 2400 Source Meter (Cleveland, OH, USA) und eines herkömmlichen Drei-Elektroden-Systems durchgeführt, das aus einer Kohlenstoff-Verbundwerkstoff- oder Pt-beschichteten Arbeitselektrode, einer Pt-Blech-Gegenelektrode und einem Kalomel-Referenzelektrode (ALS Co., Ltd., Japan). Diese Elektroden wurden in 10 mM LiI, 1 mM I₂ . eingetaucht Acetonitril und 0,1 M LiClO₄ gemischte Lösung.

Ergebnisse und Diskussionen

Die Raman-Spektroskopie-Messung ist eine der zerstörungsfreien Analysen zur Charakterisierung des kristallinen Zustands und der Defekte von Kohlenstoffmaterialien. Abbildung 2 zeigt verschiedene Raman-Spektren für die Fälle von CNPs, MWCNTs und GFs. Der D-Peak steht im Zusammenhang mit der ersten Ordnung der zonengrenzenden Phononen und ist als der Fehlordnungspeak bekannt, der von Defekten in der Kohlenstoffmaterialschicht herrührt. Der G-Peak ist die primäre Mode von Kohlenstoffmaterialien und ist als planare Konfiguration von sp ² . bekannt Bindung [13]. Die D- und G-Peaks traten üblicherweise bei 1355 cm ^− 1 . auf und 1579 cm ^− 1 für die in der vorliegenden Studie verwendeten CNPs, GFs und MWCNTs. Die relative Intensität der D- und G-Peaks (I _D /Ich _G ) weist auf die Defekte von Kohlenstoffmaterialien hin [30]. Defekte in den nanostrukturierten Kohlenstoffmaterialien sind für eine effektive katalytische Aktivität von Vorteil, da der Reduktionsprozess des Jodidelektrolyten in DSSCs an Defekten in Kohlenstoffmaterialien stattfindet [31]. Die berechneten relativen Intensitäten von CNPs, GFs und MWCNTs betrugen ~ 0.95, ~ 0.97 bzw. ~ 1.01. Die größte relative Intensität der D- und G-Peaks wurde gezeigt, wenn MWCNTs vorhanden waren. Dies lag vermutlich daran, dass MWNCTs reichlich Defekte in ihren Kantenebenen aufweisen. Es war jedoch kleiner, wenn CNPs und GFs vorhanden waren. Dies wurde vermutlich durch das Vorhandensein amorpher Strukturen von CNPs bzw. relativ großen 2D-planaren Strukturen von GFs verursacht.

Raman-Spektren von CNPs, MWCNTs und GFs

Die gemessenen Porenvolumenverteilungen nanostrukturierter Kohlenstoffmaterialien sind in Abb. 3 dargestellt. Die BET-Oberflächen der GNPs, MWCNTs und GFs betrugen 24,7 m ² . g ^− 1 , 311,8 m ² g ^− 1 , und 269,5 m ² g ^− 1 , bzw. Die adsorbierte Stickstoffmenge und die durchschnittliche Porengröße wurden in der Reihenfolge CNP/MWCNT > MWCNT > CNP/MWCNT/GF > MWCNT/GF > GF > CNP/GF > CNP erhöht, was darauf hindeutet, dass die Anwesenheit von MWCNTs sehr effektiv ist, um erhöhen die spezifische Oberfläche von nanostrukturierten Kohlenstoffmaterialien in den CEs von DSSCs, sodass der Elektronentransfer zwischen CE und flüssigem Elektrolyt deutlich verbessert werden kann.

a Stickstoffadsorptions- und -desorptionskurven. b Porenvolumenverteilungen von CNP-, MWCNT-, GF-, MWCNT/GF-, CNP/GF-, CNP/MWCNT- und CNP/MWCNT/GF-Pulver

Die REM-Aufnahmen von oben in Abb. 4 zeigen die Morphologien verschiedener nanostrukturierter Kohlenstoffmaterialien, einschließlich CNPs, MWCNTs, GFs und deren Verbundwerkstoffe, die auf die Oberfläche von FTO-Glasschichten aufgetragen wurden. CNPs aggregierten anscheinend signifikant und führten zur Bildung von Clustern, die vom FTO-Glas getrennt waren, während MWCNTs zufällig vernetzte poröse Strukturen bildeten, in denen \( {I}_3^{-} \)-Ionen im flüssigen Elektrolyten leicht zum . diffundieren können aktive Seiten. Es stellte sich heraus, dass die GFs hauptsächlich zweidimensionale planare Schichten bilden. Im Fall der MWCNT/GF-Mischung wurden MWCNT-Netzwerke auf der Oberfläche von GFs gebildet. Nach Zugabe von CNPs in MWNCTs und GFs wurden die Oberflächen von MWCNTs und GFs teilweise mit CNPs beschichtet. Die Querschnitts-REM-Bilder in Abb. 4 zeigen deutlich, dass der CNP-basierte Dünnfilm nicht homogen an die Oberfläche des FTO-Glases gebunden war, so dass der Grenzflächenkontakt zwischen CNPs und FTO-Glas sehr schlecht war. Im Gegensatz zu CNPs schienen alle anderen nanostrukturierten Kohlenstoffmaterialien (d. h. CNP/MWCNT, MWCNT/GF, CNP/MWCNT/GF) eine starke Anhaftung an der Oberfläche von FTO-Glas zu haben. Die Dicken von dünnen Filmen auf Basis von nanostrukturierten Kohlenstoffmaterialien waren mit ~ 5 μm sehr ähnlich, die mit zunehmender Anzahl von Siebdruckprozessen einfach erhöht werden können.

Draufsichten und Querschnittsansichten verschiedener Kohlenstoffmaterialien, einschließlich CNP, MWCNT, GF, MWCNT/GF, CNP/GF, CNP/MWCNT, CNP/MWCNT/GF, die im Siebdruckverfahren auf der Oberfläche von FTO-Glas gestapelt sind (der Maßstabsbalken in den Draufsichtbildern sind 0,5 μm und die Maßstabsbalken in den Querschnittsansichtsbildern sind 5 μm groß)

Abbildung 5 zeigt den Vergleich der zyklischen Voltammetriekurven für I₃ ⁻ /I ⁻ mit den Pt- und kohlenstoffbeschichteten Elektroden kontaktiert. Für Pt- und MWCNT-Fälle wurden deutlich zwei Paare von Oxidations- und Reduktionspeaks beobachtet, wie in Abb. 5a gezeigt. Reines GF und CNP wiesen jedoch keine klaren Oxidations- und Reduktionspeaks auf, was darauf hindeutet, dass sie als potenzielle katalytische Materialien für CEs von DSSCs keine Schlüsselrolle spielen könnten. Für die Fälle von Pt- und MWCNT-basierten CEs zeigen die oberen und unteren Peaks auf der linken Seite, die mit 1 bzw. 2 gekennzeichnet sind, die Redoxreaktionen, ausgedrückt in Gl. (1) und (2), was sich direkt auf die photovoltaische Leistung von DSSCs auswirkt. Die anderen beiden Peaks auf der rechten Seite, die mit 3 und 4 gekennzeichnet sind, zeigen die Redoxreaktionen, ausgedrückt in Gl. (3) und (4), die einen geringen Einfluss auf die photovoltaische Leistung von DSSCs haben [12, 32,33,34,35].

a Zyklische Voltammetrie von Pt-, CNP-, MWCNT- und GF-beschichteten CEs. b Zyklische Voltammetrie von mit Pt- und Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen beschichteten CEs, gemessen mit einer Abtastrate von 50 mV s ^− 1 in 10 mM LiI, 1 mM I₂ Acetonitril und 0,1 M LiClO₄ gemischte Elektrolytlösung

In DSSCs werden die photogenerierten Elektronen von I ⁻ Ionen im Elektrolyten zu photooxidiertem Farbstoff, und die \( {\mathrm{I}}_3^{-}\)-Ionen werden auf der Oberfläche von CEs reduziert. In den CV-Kurven wurde beobachtet, dass die Peak-to-Peak-Trennung umgekehrt zur Ladungstransferrate variiert [34, 35]. Abbildung 5a zeigt, dass die Redoxpeaks für Pt-beschichtete CEs bei − 0,29 V bzw. 0,33 V auftraten und das resultierende ∆ E_p (Pt) betrug ~ 0,62 V. Im Gegensatz dazu erschienen die Redoxpeaks für MWCNT-beschichtete CEs bei − 0,44 V bzw. 0,33 V, und das resultierende ∆ E_p (MWCNT) war ~ 0,77 V. Wie in Abb. 5b gezeigt, ergibt sich für die Fälle von MWCNT-zugesetzten CE auf Kohlenstoffverbundstoffbasis das resultierende ΔE_p (CNP/MWCNT), ΔE_p (CNP/GF/MWCNT) und ΔE_p (GF/MWCNT) betrugen ~ 0,83 V, ~ 0,98 V bzw. ~ 1,025 V. Dies legt nahe, dass CEs auf der Basis von reinen MWCNTs und MWCNT-zugesetzten Kohlenstoff-Kompositen eine relativ hohe katalytische Aktivität und eine schnelle Reaktionsgeschwindigkeit bei der Triiodid-Reduktion aufwiesen. Die Anwesenheit von MWCNTs war sehr effektiv, um die spezifische Oberfläche von nanostrukturierten Kohlenstoffmaterialien in den CEs von DSSCs zu erhöhen, so dass der Elektronentransfer zwischen Kohlenstoff-Komposit-beschichteten CE und Flüssigelektrolyt signifikant verbessert wurde.

Abbildung 6 zeigt die resultierende Photovoltaikleistung von DSSCs in Bezug auf die Kurzschlussstromdichte (J _sc ), Leerlaufspannung (V _oc ), Füllfaktor (FF) und Leistungsumwandlungseffizienz (PCE) als Funktion der Dicke nanostrukturierter Kohlenstoffmaterialien in CEs von DSSCs. Für CNPs gilt:J _sc wurde mit zunehmender Dicke des CNP-Dünnfilms signifikant erhöht, aber sowohl FF als auch V _oc wurden bei relativ niedrigen Werten nicht merklich verändert, was schließlich zu sehr schlechten PCE-Werten führte. Dies muss durch die Bildung starker Cluster zwischen den CNPs geschehen, damit die Elektronen effektiv von den CEs in den flüssigen Elektrolyten transportiert werden. Bei den Fällen von GF und CNP/GF waren die FFs ebenfalls relativ gering. Dies lag vermutlich daran, dass die planaren 2D-Strukturen von GFs zu einem gewissen Grad zerknittert und verdreht waren, sodass sie in der Stapelanordnung nicht in engem Kontakt miteinander standen. Daher waren die resultierenden PCEs von DSSCs, die von GF- und CNP/GF-basierten CEs hergestellt wurden, relativ gering. Es wurde jedoch beobachtet, dass die Anwesenheit von MWCNTs in den nanostrukturierten Kohlenstoffmaterialien (d. h. MWCNT, MWCNT/GF, CNP/MWCNT, CNP/MWCNT/GF) die J . stabil erhöht _sc und FF, so dass die resultierenden PCEs von DSSCs auf relativ hohen Werten gehalten wurden. Dies lag vermutlich daran, dass die engen Netzwerke und die hohe spezifische Oberfläche, die durch die Anwesenheit von MWCNTs gebildet werden, den Elektronentransport an der Grenzfläche von CE und flüssigem Elektrolyten verbesserten.

Der Vergleich der photovoltaischen Leistung von DSSCs bestehend aus verschiedenen Kohlenstoffmaterialien und Pt-basierten CEs in Bezug auf a J _sc , b V _oc , c FF und d PCE

Die Messungen der Stromdichte-Spannung (JV) und der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) wurden für die CEs durchgeführt, die mit verschiedenen Kohlenstoffmaterialien mit einer ähnlichen Dicke von ~ 20 μm gestapelt waren, wie in Abb. 7a und Tabelle 1 gezeigt Zum Vergleich wurden auch CEs durchgeführt. Die mit CNPs in CEs gestapelten DSSCs hatten extrem hohe J _sc von ~ 17,18 mA cm ^− 2 , aber ziemlich niedrig V _oc von ~ 0.5 V und FF von ~ 0.25, daher verursachte es den niedrigsten PCE von ~ 0.22%, was darauf hindeutet, dass CNPs aufgrund der starken aggregationsinduzierten geringen Grenzflächenkontaktfläche mit FTO-Glas in den CEs nicht für DSSCs geeignet sind. Die mit GF und CNP/GF in CEs gestapelten DSSCs zeigten aufgrund ihrer relativ geringen spezifischen Oberfläche, die durch frühere BET-Messungen bestätigt wurden, ebenfalls niedrigere FF und PCE, wie in Abb. 3 gezeigt. Die DSSCs, die mit MWCNT und MWCNT-verstärktem Kohlenstoffverbundstoff gestapelt wurden Materialien hatten höhere PCEs von> 5%. Die mit CNP/MWCNT-Kompositen gestapelten DSSCs hatten die beste PCE von ~5,67%, was sehr nahe an der PCE von ~~5,7% lag, die von den Pt-basierten DSSCs erzeugt wurde. Dies deutet darauf hin, dass die höhere spezifische Oberfläche, die durch den Einsatz von MWCNT-basierten nanostrukturierten Kohlenstoff-Verbundmaterialien erzeugt wurde, den Reduktionsprozess an der Grenzfläche von CE und flüssigem Elektrolyten effektiver förderte. Abbildung 7b zeigt Nyquist-Diagramme für die DSSCs, die aus verschiedenen auf Kohlenstoffmaterialien basierenden CEs bestehen. Der Transportwiderstand (R _ce ) bezieht sich auf den ersten Halbkreis und die Grenzflächenkapazität (CPE_pt ), das ist der Ladungstransfer bei CEs. Der Rekombinationswiderstand (R _Aufnahme ) und Grenzflächenkapazität (CPE_{TiO2/Farbstoff/Elektrolyt} ) beziehen sich auf den zweiten Halbkreis, der den Ladungstransfer an den Grenzflächen von TiO₂ . darstellt /Farbstoff/Elektrolyt [36,37,38]. Tabelle 1 zeigt, dass DSSCs, die aus allen Kohlenstoffmaterialien bestehen, mit Ausnahme von CNP- und CNP/CF-Verbundfällen, die in der vorliegenden Studie verwendet wurden, einen niedrigeren R . aufwiesen _ce als die von Pt-basierten DSSCs, was darauf hindeutet, dass MWCNTs und ihre Komposite eine hohe elektrokatalytische Reaktivität und elektrische Leitfähigkeit aufweisen und somit weniger Elektronenverluste an der Grenzfläche von CE und flüssigem Elektrolyt auftraten. Und R _Aufnahme wurde mit zunehmender spezifischer Oberfläche von Kohlenstoffmaterialien verringert, was schließlich zu einer Verringerung der Elektronenrekombination an der Grenzfläche von Farbstoff und Elektrolyt führte. Der Wert von R _Aufnahme für Pt-basierte DSSCs war viel niedriger als die von Kohlenstoffmaterial-basierten DSSCs, was darauf hindeutet, dass Pt für den Ladungstransfer an den Grenzflächen von TiO₂ . vorteilhafter war /Farbstoff/Elektrolyt und Kohlenstoffmaterialien konnten den \({\mathrm{I}}_3^{-}\) im Vergleich zu Pt nicht schnell reduzieren [39]. Abbildung 7c zeigt Bode-Diagramme für die DSSCs, die aus verschiedenen Kohlenstoffmaterialien bestehen. Die Elektronenlebensdauer (τ _e ) kann berechnet werden durch τ_e = (2πf _max ) ^− 1 (wo, f _max ist die maximale Spitzenfrequenz) [40]. Wenn MWCNTs in den Kohlenstoff-Verbundmaterialien vorhanden waren, war die Elektronenlebensdauer von auf Kohlenstoffmaterial basierenden DSSCs länger als die von Pt-basierten DSSCs. Dies deutet darauf hin, dass die Elektronen aufgrund des schnellen Ladungstransfers von CEs auf den flüssigen Elektrolyten durch die MWCNTs und die mit MWCNTs hinzugefügten Kohlenstoffverbundwerkstoffe, die von Natur aus eine höhere spezifische Oberfläche hatten, weiter diffundiert wurden.

Vergleich von a Stromdichte-Spannungs-Kurven, b Nyquist-Plots und c Bode-Plots für die DSSCs bestehend aus verschiedenen Kohlenstoffmaterialien und Pt-basierten CEs

Schlussfolgerungen

In dieser Arbeit haben wir systematisch den Einfluss verschiedener nanostrukturierter Kohlenstoffmaterialien als Pt-Ersatz in CEs auf die photovoltaische Leistung von DSSCs untersucht. Insbesondere CNPs, MWCNTs, GFs und ihre Verbundstoffe wurden auf der Oberfläche von CEs gestapelt und die resultierende photovoltaische Leistung von DSSCs wurde in Bezug auf J . gemessen _sc , V _oc , FF und PCE. Als Ergebnis waren CNPs aufgrund der Bildung von stark aggregierten Strukturen, die dazu führten, dass sich der gebildete CNP-basierte Dünnfilm von der Oberfläche des FTO-Glases ablöste, nicht für die Verwendung als Pt-Ersatz in den CEs von DSSCs geeignet. Im Gegensatz zu CNPs fördert das Vorhandensein von MWCNTs in den verschiedenen Kohlenstoffverbundwerkstoffen aufgrund der Bildung von stark vernetzten MWCNT-Strukturen mit inhärent hoher spezifischer Oberfläche auf der Oberfläche von FTO-Glas effektiv den Ladungstransfer von CEs zum flüssigen Elektrolyten. Daher sind nanostrukturierte Kohlenstoffmaterialien, die insbesondere aus MWCNTs und mit MWCNTs hinzugefügten Kohlenstoffverbundwerkstoffen (z. B. CNP/MWCNT, MWCNT/GF, CNP/MWCNT/GF) bestehen, einer der vielversprechenden Kandidaten, um das teure Pt in den CEs von DSSCs zu ersetzen.

Abkürzungen

WET:

Brunauer-Emmett-Teller

CEs:

Gegenelektroden

CNPs:

Kohlenstoff-Nanopartikel

DSSCs:

Farbstoffsensibilisierte Solarzellen

EIS:

Elektrochemische Impedanzspektroskopie

FF:

Füllfaktor

FTO:

Fluordotiertes Zinnoxid

GFs:

Graphenflocken

MWCNTs:

Mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen

PCE:

Leistungsumwandlungseffizienz

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie