Peningkatan efisiensi konversi fotolistrik untuk sel surya peka pewarna berserat fleksibel

Abstrak

TiO yang peka terhadap pewarna dan fleksibel₂ serat dengan struktur multilayer disiapkan dengan menggunakan metode kuas sebagai fotoanoda dalam sel surya peka pewarna berserat fleksibel (FFDSSCs) yang efisien untuk menghindari rekombinasi elektronik dan meningkatkan efisiensi penangkapan elektronik. Elektroda lawan Pt komposit, preparasi dari modifikasi permukaan kawat Pt yang diendapkan dengan menggunakan pendekatan dekomposisi termal satu langkah sederhana H₂ PtCl₆ isopropanol dan n-butil alkohol (rasio volume =1:1), memberikan peningkatan yang signifikan dalam aktivitas elektrokatalitik, yang dikonfirmasi oleh uji elektrokimia ekstensif. FFDSSC dirakit dengan TiO berbentuk serat₂ photoanode dan elektroda lawan Pt komposit mencapai efisiensi konversi fotolistrik yang ditingkatkan sebesar 6,35%, lebih tinggi dari FFDSSC dengan TiO berserat monolayer₂ fotoanoda dan elektroda penghitung kawat Pt yang dielektrodeposisi. Lebih penting lagi, efisiensi konversi fotolistrik sebesar 6,35% sebanding dengan FFDSSC berdasarkan elektroda penghitung kawat Pt murni (6,32%). FFDSSC dengan elastisitas, fleksibilitas, dan daya regangan yang tinggi dapat beradaptasi dengan deformasi mekanis yang kompleks, yang sangat penting untuk pengembangan perangkat elektronik yang dapat dikenakan di masa depan.

Latar Belakang

Dye-sensitized solar cell (DSSCs) dianggap sebagai salah satu sel fotovoltaik generasi berikutnya yang paling menjanjikan untuk menggantikan sel surya konvensional berbasis Si karena keunggulan biaya rendah, efisiensi konversi daya tinggi, dan ramah lingkungan [1, 2] . Namun, sel surya dengan kaca konduktif kaku sekarang menghadapi keterbatasan dalam aplikasi praktis seperti transportasi, instalasi, penanganan, dan sistem tekstil pintar [3,4,5]. Untuk mengatasi masalah tersebut dan untuk memperluas area aplikasinya, sel surya berbentuk serat sebagai kandidat yang menjanjikan untuk aplikasi masa depan dengan berbagai arah sangat diperhatikan oleh para peneliti DSSC.

Sel surya berserat menunjukkan keunggulan unik karena ringan, dapat dipakai, dan adaptif terhadap berbagai permukaan melengkung seperti tubuh kita dibandingkan dengan perangkat fotovoltaik planar dan dengan demikian berkembang pesat untuk memenuhi tuntutan berbagai perangkat elektronik yang dapat dikenakan dalam kehidupan modern [6,7, 8]. Selain keunggulan DSSC fleksibel pelat datar, sel surya seperti serat memiliki keunggulan unik dari pencahayaan tiga dimensi, yang dapat memanfaatkan sepenuhnya cahaya difus dari semua sudut.

Beberapa penelitian tentang DSSCs berserat telah melaporkan persiapan dengan kawat titanium yang dimodifikasi sebagai fotoanoda dan kawat platinum murni (Pt) sebagai elektroda lawan (CE) [9, 10]. Tentu saja Pt adalah salah satu bahan yang paling selektif untuk mengkatalisis reduksi I₃ ⁻ untuk saya⁻ karena aktivitas elektrokatalitiknya yang unggul, stabilitas, dan konduktivitas yang sangat baik; namun, biayanya sangat tinggi dengan kawat Pt murni sebagai CE dan tidak mendukung peningkatan produksi untuk perangkat berserat. Oleh karena itu, desain elektroda yang efektif termasuk CE berbiaya rendah dengan konduktivitas tinggi dan kemampuan katalitik sangat penting. Banyak laporan telah menemukan beberapa pilihan dengan dekomposisi termal atau reduksi elektrokimia untuk menyiapkan film Pt dengan fungsi yang sama seperti platinum murni, yang secara signifikan mengurangi jumlah penggunaan platinum [11,12,13,14]. Selain itu, kinerja FFDSSC dengan fotoanoda kawat titanium yang dimodifikasi rendah karena pemuatan pewarna dan rekombinasi elektron yang kecil. Banyak upaya dilakukan untuk meningkatkan efisiensi penyerapan optik dan transportasi muatan dengan modifikasi permukaan, perubahan ukuran partikel, dan konstruksi multi-struktur untuk fotoanoda. Tujuan utamanya adalah untuk mengembangkan elektroda serat berkinerja tinggi dalam meningkatkan kinerja fotovoltaik sel surya berbentuk serat.

Di sini, DSSC berserat fleksibel (FFDSSC) berdasarkan TiO berserat fleksibel₂ photoanode dengan permukaan halus yang dilapisi pada substrat kawat Ti dengan menggunakan metode sintering multi-langkah, dan komposit Pt CE yang dimodifikasi disiapkan dengan kawat Al sebagai inti dalam melalui pendekatan dekomposisi elektrokimia-termal dua langkah dipertimbangkan untuk meningkatkan foto-listrik efisiensi konversi. Seperti yang diharapkan, komposit Pt CE yang dimodifikasi menunjukkan aktivitas elektrokatalitik yang sangat baik dan resistansi transfer muatan yang rendah sebesar 3,11 Ω cm² melalui pengukuran elektrokimia yang ekstensif. FFDSSC menunjukkan kinerja yang jauh lebih baik dalam efisiensi konversi fotolistrik sebesar 6,35% di bawah iradiasi 100 mW cm⁻² (AM 1.5).

Metode

Materi

Nikel (II) klorida heksahidrat (NiCl₂ ·6H₂ O, 98%), tiourea (TU, 99,0%), kobalt klorida heksahidrat (CoCl₂ ·6H₂ O, 98%), etanol, asam kloroplatinat, titanium tetraklorida (TiCl₄ ), dan tetra-n-butil titanat dibeli dari Shanghai Chemical Agent Ltd., Cina. Semua reagen adalah kelas reagen analitis. Kawat aluminium dan titanium (diameter = 0.2 mm, 99,999%) dibeli dari Shengshida Metallic Material Co., Ltd. China. Zat pewarna peka senyawa organologam N719 diperoleh dari Solaronix SA (Swiss). TiO₂ pasta (diameter = 20 nm) dibeli dari Wuhan Geao Co., Ltd. China.

Persiapan TiO berserat fleksibel₂ fotoanoda

Kawat aluminium dan titanium dengan panjang 15 cm dipoles dengan amplas dan dibersihkan secara ultrasonik secara berurutan dalam deterjen, aseton, air suling, dan etanol masing-masing selama 30 menit, kemudian disimpan dalam isopropil alkohol. TiCl₄ solusi dikonfigurasi dengan konsentrasi 0,03 dan 0,05 M dan disimpan di lemari es.

TiO berserat fleksibel yang peka terhadap pewarna₂ photoanode disiapkan mengacu pada laporan kami sebelumnya [15,16,17]. Pertama, lapisan penghalang dibentuk dengan merendam substrat kawat titanium dengan panjang 15 cm dalam 0,03 M TiCl₄ larutan pada 70 °C selama 1 jam, diikuti dengan sintering pada 450 °C selama 30 menit di udara. Proses ini berulang lima kali untuk meningkatkan pemuatan TiO₂ . Selanjutnya, TiO₂ lapisan dengan ukuran partikel 20 nm dilapiskan ke lapisan penghalang dengan menggunakan metode kuas kemudian disinter pada suhu 450 °C selama 30 menit di udara. Proses ini berulang tiga kali untuk membentuk permukaan yang halus. Lapisan yang dimodifikasi dibentuk dengan merendam TiO₂ yang disebutkan di atas substrat dalam 0,05 M TiCl₄ larutan pada 70 °C selama 1 jam dan sintering pada 450 °C selama 30 menit lagi. Proses ini berulang dua kali untuk memastikan TiO₂ pori-pori terisi. Pewarna dimuat dengan merendam TiO berserat₂ anoda dalam 0,3 mM larutan pewarna N719 Tert-butanol/asetonitril selama 12 jam. Dengan demikian, TiO berserat fleksibel yang peka terhadap pewarna₂ fotoanoda diperoleh.

Persiapan Pt berserat CE dan fabrikasi FFDSSCs

Pt CE berserat disiapkan dengan pendekatan dekomposisi elektrokimia-termal dua langkah. Pertama, kawat aluminium direndam ke dalam 0,01 M H₂ PtCl₆ dan LiClO₄ larutan etanol untuk melakukan prosedur elektrodeposisi dan mendapatkan CE berserat Pt-1. CE berserat Pt-1 yang diperoleh dipanaskan hingga 250 °C, lalu 0,5 ml H₂ PtCl₆ (1,0%berat) isopropanol dan n-butil alkohol (rasio volume =1:1) larutan yang mengandung zat pengemulsi OP (1,0%berat) dengan cepat dijatuhkan ke permukaan CE berserat Pt-1 dan disinter pada 450 °C selama 30 menit untuk menghilangkan beberapa senyawa organik sisa dalam lapisan platina, dan film platina mikropori dibuat dan ditandatangani CE berserat Pt-2. CE berserat Pt-2 diputar di sekitar TiO berserat₂ photoanode dengan pitch sekitar 0,5 mm untuk membentuk DSSC berbentuk serat yang fleksibel (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1). Kawat yang dihasilkan disegel ke dalam tabung plastik (diameter 0,5 mm), dan elektrolit redoks (0,05 M I₂ , 0,1 M LiI, 0,6 M tetrabutilamonium iodida, dan 0,5 M TBP dalam asetonitril) disuntikkan dengan jarum suntik dan disegel dengan adhesi UV-cure (HT8803) untuk mencegah kebocoran atau penguapan elektrolit cair. Sebagai perbandingan, DSSC berbentuk serat fleksibel (berdasarkan Pt-1 dan Pt CE murni, dan TiO₂ berserat photoanode dengan dan tanpa TiCl₄ modifikasi) disiapkan menggunakan proses serupa.

Ilustrasi skema fabrikasi DSSC berbentuk serat. a Proses fabrikasi DSSC berbentuk fiber. b Foto DSSC berbentuk serat

Karakterisasi

Morfologi permukaan sampel diamati dengan menggunakan mikroskop elektron pemindaian emisi lapangan (SEM) JSM-7001F. Analisis spektroskopi dispersi energi (EDS) diperoleh dari Bruker-ASX (Model Quan-Tax 200). Pengukuran voltametri siklik (CV) dilakukan dalam sel satu kompartemen tiga elektroda, di mana kawat Pt yang telah disiapkan diambil sebagai elektroda kerja, lembaran Pt 1,5 cm² sebagai CE, dan elektroda Ag/AgCl sebagai elektroda referensi dalam larutan asetonitril yang terdiri dari 10 mM LiI, 1 mM I₂ , dan 0,1 M LiClO₄ . Pengujian EIS dilakukan dengan mensimulasikan kondisi sirkuit terbuka di atmosfer sekitar dengan menggunakan sistem pengukuran elektrokimia (CHI660E, Shanghai Chenhua Device Company, China) pada suhu konstan 20 °C dengan amplitudo sinyal AC 20 mV dalam rentang frekuensi dari 0,1 hingga 10⁵ Hz pada bias 0 V DC dalam gelap.

Uji fotovoltaik FFDSSC dilakukan dengan mengukur kurva karakteristik arus foto-fotovoltase (J-V) di bawah iradiasi 100 mW cm^− 2 dari simulator surya (CEL-S500, Beijing China Education Au-light Co., Ltd) di atmosfer sekitar. Faktor pengisian (FF) dan efisiensi konversi foto-listrik (η ) dari DSSC dihitung menurut persamaan berikut:

$$ \upeta\ \left(\%\right)=\frac{\mathrm{Vmax}\times \mathrm{Jmax}}{\mathrm{Pin}}\times 100\%=\frac{\mathrm{Voc }\times \mathrm{Jsc}\times \mathrm{FF}}{\mathrm{Pin}}\times 100\% $$ (1) $$ \mathrm{FF}=\frac{V\max \times J \max }{V\mathrm{oc}\times J\mathrm{sc}} $$ (2)

dimana J _sc adalah rapat arus hubung singkat (mA cm⁻² ); V_oc adalah tegangan rangkaian terbuka (V), P _di adalah daya cahaya datang (mW cm⁻² ) dan J _maks (mA cm⁻² ) dan V _maks (V) masing-masing adalah rapat arus dan tegangan pada titik keluaran daya maksimum dalam kurva J–V.

Hasil dan diskusi

Morfologi permukaan dan komposisi sampel

Gambar 2 menyajikan gambar SEM TiO berbentuk serat₂ photoanode dan Pt CE dengan resolusi berbeda, gambar EDS dari Pt CE berserat, dan TiO₂ fotoanoda sebelum dan sesudah sensitisasi. Dari Gambar. 2a dan b, TiO berbentuk serat₂ photoanode tetap permukaan halus dan struktur berpori, dan TiO₂ nanopartikel tersebar merata di kawat Ti. Dengan demikian, TiO berbentuk serat₂ photoanode dimodifikasi dengan TiCl₄ dua kali membentuk TiO₂ lapisan penghalang, yang secara efektif dapat mencegah rekombinasi elektron antara elektrolit dan serat Ti. Dari Gbr. 2c dan d, dapat dilihat bahwa permukaan Pt CE berserat halus, pori mikro seragam dan sedikit tonjolan, yang berasal dari isopropanol yang mendidih dan menguap dengan cepat, dan sejumlah besar pori in situ dihasilkan di permukaan elektrodeposisi Pt. Morfologi permukaan Pt CE berbentuk serat yang dimodifikasi seperti itu sebagian besar meningkatkan luas permukaan spesifik serat platinum dan digunakan untuk adsorpsi elektrolit cair [18], akibatnya menghasilkan peningkatan besar kerapatan arus foto dan tegangan rangkaian terbuka untuk FFDSSC. Gambar 2e dan f menunjukkan gambar EDS dari TiO₂ photoanodes sebelum dan sesudah sensitisasi, masing-masing. Dibandingkan dengan Gbr. 2e, f menunjukkan bahwa TiO₂ photoanode berhasil peka dari sinyal kuat elemen Ru. Sinyal kuat untuk elemen Al dan Pt seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2g menunjukkan bahwa Pt CE berserat dibuat dengan kawat Al sebagai inti dalam.

Gambar SEM dari TiO₂ fotoanoda (a , b ) dan Pt CE berserat (c , d ) dengan resolusi berbeda, gambar EDS dari TiO₂ fotoanoda sebelum (e ) dan setelah (f ) sensitisasi, dan Pt CE berserat (g )

Sifat elektrokimia

Gambar 3 menyajikan voltamogram siklik dari elektrodeposisi Pt CEs sebelum dan sesudah dimodifikasi dengan dekomposisi termal Pt pada laju pemindaian 50 mV s⁻¹ untuk menyelidiki aktivitas elektrokatalitik sampel dalam interval potensial 0,4 hingga 1,0 V. Sepengetahuan kami, nilai absolut rapat arus puncak katodik |I_pc | berkorelasi positif dengan kemampuan katalitik elektroda, dan nilai absolut pemisahan puncak-ke-puncak |E_pp | berkorelasi terbalik dengan aktivitas elektrokatalitik dari CEs [19, 20]. Gambar 3 memberikan bentuk yang hampir identik dari dua pasang puncak redoks dan |E_pp | untuk Pt-1 dan Pt-2 CE di I⁻ /I₃ ⁻ sistem redoks, dan |I_pc | dari Pt-1 dan Pt-2 CE adalah 2,10 dan 2,87 mA cm⁻² , masing-masing, yang menunjukkan kerapatan arus puncak katodik yang jauh lebih tinggi untuk Pt-2 CE. Hal ini berkaitan dengan luas permukaan aktif yang besar dan struktur mikropori Pt-2 CE yang dibuat dari isopropanol yang mendidih dan menguap dengan cepat, dan sejumlah besar pori yang dihasilkan secara in situ dalam film platinum. Terlihat bahwa meskipun Pt-1 dan Pt-2 CE menunjukkan |E_pp . yang serupa |, namun, Pt-2 CE menunjukkan |I_pc much yang jauh lebih tinggi | dibandingkan dengan Pt-1 CE. Hal ini menunjukkan bahwa Pt-2 CE lebih efektif bertindak sebagai katalis dalam reaksi I⁻ /I₃ ⁻ elektrolit daripada Pt-1 CE. Lebih penting lagi, Pt-2 CE dengan struktur lapisan ganda menunjukkan nilai yang lebih tinggi untuk |I_pc | dan |E_pp | dibandingkan serat Pt CE murni (tercantum dalam Tabel 1). Fakta membuktikan sepenuhnya bahwa Pt-2 CE dengan persiapan murah dan sederhana melakukan fungsi yang sama seperti serat Pt CE murni. Akibatnya, elektrodeposisi Pt CE yang dimodifikasi dengan dekomposisi termal Pt adalah elektrokatalis yang efisien dan memiliki kemampuan elektrokatalitik yang baik untuk I⁻ /I₃ ⁻ reaksi redoks.

Voltammogram siklik untuk Pt-1, Pt-2, dan Pt CE murni pada kecepatan pemindaian 50 mV s⁻¹

Gambar 4 menunjukkan voltamogram siklik 50 siklus untuk Pt-2 CE pada kecepatan pemindaian 50 mV s⁻¹ untuk menyelidiki stabilitas elektrokimia jangka panjang dari CE. Seperti yang disajikan pada Gambar. 4, rapat arus puncak katodik dan anodik yang dinormalisasi hampir tidak berubah setelah diuji selama 50 siklus berturut-turut. Hal ini menunjukkan bahwa elektrodeposisi Pt CE setelah dimodifikasi dengan H₂ PtCl₆ dekomposisi termal yang dilapisi pada substrat Al memiliki stabilitas elektrokimia dan kimia yang sangat baik.

Voltammogram siklik untuk Pt-2 CE pada kecepatan pemindaian 50 mV s⁻¹ . 50 siklus pemindaian berkelanjutan (a ); voltamogram siklik dari lingkaran ke-1 dan ke-50 (b )

Impedansi elektrokimia dari CE adalah alat yang efektif dan ekstensif untuk menyelidiki proses transportasi muatan. Gambar 5 menunjukkan plot Nyquist dari Pt-1, Pt-2, dan Pt CE simetris untuk I⁻ /I₃ ⁻ elektrolit, dan parameter EIS yang sesuai juga tercantum dalam Tabel 1, di mana R _s adalah nilai resistansi pada titik awal setengah lingkaran pertama, R _ct adalah jari-jari setengah lingkaran pertama, dan setengah lingkaran mewakili impedansi difusi Nernst (Z _dengan ) sesuai dengan resistansi difusi I⁻ /I₃ ⁻ spesies redoks [21, 22]. Seperti diketahui semua, R _ct adalah parameter penting untuk membandingkan kemampuan elektrokatalitik CE yang berbeda, yang berkorelasi terbalik dengan kemampuan katalitik CE. Dari Gambar 5 dan Tabel 1, R _s terkait dengan Pt-1, Pt-2, dan Pt CE murni adalah 3,96, 3,57, dan 3,75 Ω·cm² , masing-masing. R _ct untuk Pt-1, Pt-2, dan Pt CE murni adalah 3,99, 3,11, dan 3,10 Ω cm⁻² , masing-masing. Dengan kata lain, R _s dan R _ct untuk CE tersebut di atas ikuti perintah Pt-1> Pt-2> Pt. Dengan demikian, ini sebanding dengan Pt-1 CE dan menunjukkan resistansi transfer muatan antarmuka yang lebih rendah terjadi pada antarmuka antara Pt-2 CE dan I⁻ /I₃ ⁻ elektrolit di bawah kondisi pengujian yang sama. Hasil ini sepenuhnya membuktikan bahwa Pt-2 CE dengan struktur lapisan ganda setelah dekomposisi termal modifikasi Pt menunjukkan peningkatan besar dalam kemampuan katalitik elektrokimia dibandingkan dengan Pt CE murni. Alasan untuk meningkatkan kinerja CE dapat dikaitkan dengan struktur permukaan, yaitu, pori mikro yang seragam dan sedikit tonjolan, dan sifat elektrokimia yang baik, yang dapat membuat elektron tertransmisi melintasi antarmuka film|Al Pt-2 dengan mudah. Berdasarkan pertimbangan komprehensif data EIS, dapat diperkirakan bahwa properti Pt-2 CE menguntungkan untuk meningkatkan kinerja fotovoltaik FFDSSC.

EIS dari Pt-1, Pt-2, dan Pt CE murni untuk I⁻ /I₃ ⁻ pasangan redoks

Gambar 6 menyajikan kurva Tafel untuk sel simetris yang serupa dengan yang digunakan dalam pengukuran EIS untuk mengonfirmasi ulang aktivitas elektrokatalitik Pt-1, Pt-2, dan Pt CE murni. Seperti yang terlihat pada Gambar. 6, Pt-2 CE menunjukkan kerapatan arus pertukaran yang jauh lebih besar (J ₀ ) dan membatasi rapat arus difusi (J _lim ) (1,48 dan 2,18 mA cm^− 2 ) dibandingkan dengan Pt-1 CE (1,28 dan 1,89 mA cm⁻² ), menunjukkan konduktivitas yang lebih tinggi dan kemampuan elektrokatalitik untuk Pt-2 CE. Juga, semakin tinggi J _lim untuk Pt-2 CE mencerminkan kecepatan difusi yang lebih cepat untuk pasangan redoks dalam elektrolit [23,24,25]. Selain itu, seperti yang diharapkan, aktivitas elektrokatalitik Pt-2 CE ditampilkan sebaik Pt CE murni. Faktor positif ini dapat dikaitkan dengan alasan yang sama seperti CV dan EIS, yang secara logis menghasilkan efisiensi konversi daya yang efisien untuk FFDSSC. Secara teori, J ₀ berbanding terbalik dengan R _ct menurut Persamaan. (5) [26, 27]. Kecenderungan berubah dari J ₀ dalam kurva Tafel untuk Pt-1, Pt-2, dan Pt CEs murni umumnya sesuai dengan EIS. Umumnya, hasil pengukuran elektrokimia ekstensif (CV, EIS, dan Tafel) menunjukkan bahwa Pt-2 CE memiliki aktivitas elektrokatalitik yang lebih baik dibandingkan dengan Pt CE murni; dengan demikian, secara logis dapat diharapkan peningkatan yang cukup besar dalam kinerja fotovoltaik untuk FFDSSC.

$$ {J}_0=\frac{RT}{nFR_{\mathrm{ct}}} $$ (5)

Kurva tafel dari Pt-1, Pt-2, dan Pt CE simetris simetris untuk I⁻ /I₃ ⁻ pasangan redoks

dimana R adalah konstanta gas, T , B , n , dan R _ct memiliki arti yang biasa.

Kinerja fotovoltaik FFDSSC

Karakteristik J-V dari FFDSSC dengan CE dan fotoanoda yang berbeda diukur di bawah 100 mW cm⁻² (AM 1,5 G) iradiasi, dan hasilnya disajikan pada Gambar 7 dan Tabel 2. Kurva b dan c menunjukkan FFDSSC yang dirakit dengan Pt-1 dan Pt-2 CE dan TiO₂ photoanode tanpa TiCl₄ dimodifikasi pada Gambar. 7, yang tidak mulus. Namun, penting untuk dicatat bahwa tegangan rangkaian terbuka (V _ok ) dan rapat arus hubung singkat (J _sc ) dari FFDSSC-c (0,760 V dan 10,78 mA cm⁻² ) jauh lebih tinggi daripada FFDSSC-b (0,625 V dan 10,78 mA cm⁻² ). Fenomena ini dikaitkan dengan R . yang rendah _ct , aktivitas katalitik elektrokimia yang sangat baik dan konduktivitas untuk Pt-2 CE, dan area kontak yang meningkat antara Pt-2 CE dan elektrolit [28, 29]. Kurva d dan e dari FFDSSC dengan Pt-1 dan Pt-2 CE dan TiO₂ fotoanoda dengan TiCl₄ dimodifikasi menampilkan kurva halus dengan V high tinggi _ok , J _sc , dan faktor pengisian (FF). Di antara keduanya, kinerja fotolistrik yang lebih tinggi untuk FFDSSC-e terutama berasal dari R yang lebih rendah. _ct , dan aktivitas katalitik dan konduktivitas elektrokimia yang lebih baik untuk Pt-2 CE dibandingkan dengan FFDSSC-a berdasarkan Pt CE dan TiO₂ murni fotoanoda dengan TiCl₄ dimodifikasi (6,32%). Selain itu, alasan yang lebih penting dikaitkan dengan TiCl₄ modifikasi, yang meningkatkan laju fotoelektron yang dihasilkan oleh molekul pewarna tereksitasi dan mengurangi laju rekombinasi elektron dan kawat Ti; dengan demikian, perangkat secara logis menunjukkan V . yang lebih baik _ok , J _sc , dan nilai FF. Sebaliknya, FFDSSC berdasarkan TiO₂ photoanode tanpa modifikasi oleh TiCl₄ menunjukkan kinerja fotovoltaik yang lebih buruk. Secara bersamaan, modifikasi dua kali untuk CE secara signifikan mempengaruhi kinerja FFDSSC, yang meningkatkan pemuatan elektrolit pada permukaan CE, dan mengurangi resistansi internal dan arus gelap FFDSSC, sehingga sangat meningkatkan J _sc nilai-nilai. Ini menunjukkan bahwa modifikasi dua kali untuk elektroda memfasilitasi transpor elektron cepat pada antarmuka antara I⁻ /I₃ ⁻ elektrolit dan elektroda, dan juga dapat disimpulkan bahwa FFDSSC berdasarkan Pt-2 CE dan TiO₂ fotoanoda dimodifikasi dengan TiCl₄ memang dapat meningkatkan rekombinasi muatan dan memiliki efek yang lebih luar biasa daripada FFDSSC lainnya.

Kurva kinerja fotovoltaik untuk FFDSSC yang dibuat dengan berbagai fotoanoda dan CE di bawah pencahayaan standar. Karakteristik J-V dari FFDSSC (a ); hubungan antara efisiensi konversi daya dan tegangan rangkaian terbuka (b )

Gambar 8 menunjukkan plot Nyquist dari FFDSSC berdasarkan CE dan fotoanoda yang berbeda di bawah 100 mW cm⁻² (AM 1,5 G) iradiasi, dan rangkaian ekivalennya ditampilkan sebagai sisipan. R _s adalah resistansi seri, dan R_ct adalah resistansi transfer muatan pada antarmuka elektrolit / fotoanoda. R _s dan R _ct nilai untuk FFDSSC dengan lapisan padat yang terbuat dari TiCl₄ dimodifikasi (FFDSSC a, d, e) lebih rendah daripada FFDSSC tanpa TiCl₄ diubah; ini karena TiO yang sangat tipis₂ lapisan kompak dengan mobilitas elektron tinggi meningkatkan kontak antarmuka antara kawat Ti dan TiO₂ fotoanoda, dan juga mengurangi kemungkinan rekombinasi elektron [30, 31]. Selanjutnya, FFDSSC-e memiliki R . terkecil _s dan R _ct nilai antara FFDSSC a, d, dan e, yang lebih kecil dari FFDSSC-a. Hal ini menunjukkan bahwa Pt-2 CE dengan dua kali modifikasi di FFDSSC lebih bermanfaat untuk transpor elektron pada antarmuka antara I⁻ /I₃ ⁻ elektrolit dan elektroda daripada Pt CE murni. Akibatnya, beberapa modifikasi untuk anoda dan elektroda lawan di FFDSSC bersifat konduktif untuk meningkatkan kinerja fotovoltaik.

EIS untuk FFDSSC yang dibuat dengan berbagai fotoanoda dan CE di bawah pencahayaan standar

Gambar 9 menampilkan IPCE FFDSSC dengan CE dan fotoanoda yang berbeda untuk mencerminkan respons cahaya, yang secara langsung terkait dengan J _sc . Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 9, efisiensi maksimum semua FFDSSC pada panjang gelombang sekitar 520 nm bertepatan dengan panjang gelombang serapan maksimum pewarna N719 [32, 33]. Puncak maksimum IPCE untuk FFDSSC yang disebutkan di atas mengikuti urutan e> a> d> c> b. Hasil ini sesuai dengan kinerja fotovoltaik seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7, yang juga membuktikan lagi bahwa beberapa modifikasi untuk anoda dan elektroda lawan dapat sangat meningkatkan kinerja fotolistrik untuk FFDSSC.

IPCE dari berbagai FFDSSC

Kesimpulan

Sel surya tersensitisasi zat warna berserat fleksibel (FFDSSC) yang efisien dibuat dengan serat struktur multilayer TiO₂ photoanode (dimodifikasi dengan TiCl₄ ) dan Pt-2 CE dengan struktur lapisan ganda untuk meningkatkan kinerja perangkat. Pt-2 fiber CE menunjukkan aktivitas elektrokatalitik yang sangat baik untuk reduksi triiodida dalam FFDSSC melalui voltametri siklik, spektroskopi impedansi elektrokimia, dan karakterisasi Tafel. FFDSSC berdasarkan elektroda serat Pt-2 dan TiO₂ serat fotoanoda dimodifikasi dengan TiCl₄ menunjukkan efisiensi konversi fotolistrik sebesar 6,35%, 69,8% lebih tinggi dibandingkan dengan serat monolayer TiO₂ fotoanoda dan elektrodeposisi kawat Pt, yang sebanding dengan FFDSSC berdasarkan kawat Pt murni CE. FFDSSC fabrikasi yang murah dan mudah dengan elastisitas tinggi, fleksibilitas, dan daya regangan ini dapat menyiapkan sel surya mikro berperforma tinggi untuk beradaptasi dengan deformasi mekanis yang kompleks, yang memiliki potensi besar untuk mengembangkan keluarga baru dalam konversi energi dan perangkat penyimpanan.