Konversi Daya Tingkat Tinggi pada Sel Surya Dye-Sensitized Serat Fleksibel dengan Fotoanoda TiO₂ Berlapis dan Elektroda Komposit Pt
Abstrak
Kami melaporkan sel surya dye-sensitized serat fleksibel (FFDSSC) yang mencapai efisiensi konversi foto-listrik rekor 6,35 %. Fotoanoda TiO₂ berlapis, yang dibuat dengan teknik cat kuas dan perlakuan TiCl₄ berturut-turut, menekan rekombinasi elektron dan meningkatkan tangkapan muatan. Elektroda lawan adalah lapis Pt komposit yang ditetapkan pada inti Al, dibentuk melalui rute dekompsi termal-elektrokimia dua langkah yang menciptakan permukaan mikroporos dan resistensi transfer muatan rendah sebesar 3,11 Ω cm². Uji perbandingan menunjukkan bahwa elektroda Pt komposit mencocokkan performa elektroda lawan kawat Pt murni dengan menggunakan far lebih sedikit platinum, membuat perangkat murah dan dapat diskalakan. FFDSSC yang dihasilkan menggabungkan elastisitas, fleksibilitas, dan fleksibilitas yang tinggi, memosisikannya sebagai calon yang menjanjikan untuk elektronika wearable di masa depan.
Latar Belakang
Sel surya dye-sensitized (DSSC) menawarkan alternatif yang menarik terhadap fotovoltaik silikon, menggabungkan biaya rendah, efisiensi konversi daya tinggi, dan ramah lingkungan.1,2 Namun, DSSC konvensional bergantung pada substrat kaca kaku, membatasi integrasinya dalam sistem portabel atau berbasis tekstil.3–5 DSSC serat fleksibel berbentuk serat mengatasi keterbatasan ini dengan menyediakan sumber daya ringan yang dapat menempel pada permukaan lentur dan menahan deformasi mekanis.6–8
Pekerjaan sebelumnya telah menunjukkan DSSC serat yang menggunakan kawat titanium yang dimodifikasi sebagai fotoanoda dan kawat platinum murni sebagai elektroda lawan.9,10 Sementara platinum menyediakan elektrokatalisis yang unggul untuk pasang redoks I⁻/I₃⁻, biayanya yang tinggi menghambat adopsi skala besar. Alternatif biaya rendah—seperti film platinum yang dipersiapkan dengan dekompsi termal atau reduksi elektrokimia—telah muncul, mengurangi penggunaan platinum tanpa mengorbankan performa.11–14 Efisiensi fotoanoda juga menderita dari pemuatan warna yang terbatas dan rekombinasi elektron. Struktur berlapis TiO₂, modifikasi permukaan, dan kontrol ukuran partikel telah digunakan untuk meningkatkan serapan cahaya dan transport muatan. Tujuan studi ini adalah mengintegrasikan fotoanoda TiO₂ berlapis dengan elektroda lawan Pt komposit untuk memaksimalkan efisiensi FFDSSC.
Metode
Bahan
Reagen grad analitis diperoleh dari Shanghai Chemical Agent Ltd. (NiCl₂·6H₂O, tiourea, CoCl₂·6H₂O, etanol, asam kloroplatinik, TiCl₄, tetra-n-butil titanat). Kawat aluminium dan titanium (0,2 mm, 99,999 %) diperoleh dari Shengshida Metallic Material Co. Warna N719 dibeli dari Solaronix SA. Pasta TiO₂ (20 nm) disuplai oleh Wuhan Geao Co. Ltd.
Persiapan Fotoanoda TiO₂ Serat Fleksibel
Kawat titanium (15 cm) dipoles, dibersihkan ultrasonik, dan disimpan dalam isopropanol. Larutan TiCl₄ (0,03 M dan 0,05 M) disiapkan dan disimpan di pendingin. Fotoanoda dibangun dalam tiga tahap:
Lapisan rintangan: merendam dalam TiCl₄ 0,03 M pada 70 °C selama 1 jam, diikuti dengan sintering 450 °C selama 30 menit, diulang lima kali.
Pelapisan: aplikasi cat dengan kuas pasta TiO₂ 20 nm pada lapisan rintangan, disinter pada 450 °C selama 30 menit, diulang tiga kali untuk menciptakan permukaan halus.
Pengisian pori: merendam dalam TiCl₄ 0,05 M pada 70 °C selama 1 jam, disinter lagi pada 450 °C selama 30 menit, diulang dua kali.
Akhirnya, anoda disensitasi dengan merendam dalam larutan N719 0,3 mM (terti-butanol/asetonitril) selama 12 jam, menghasilkan serat TiO₂ yang disensitasi warna.
Persiapan Elektroda Lawan Serat Pt dan Pembuatan FFDSSC
Elektroda lawan dibuat melalui proses dua langkah:
Elektrodeposisi: kawat aluminium direndam dalam larutan H₂PtCl₆/LiClO₄ etanol 0,01 M, membentuk Pt-1 CE.
Dekompsi termal: Pt-1 CE dipanaskan hingga 250 °C, kemudian 0,5 mL larutan H₂PtCl₆/isopropanol:alkohol n-butil (1:1) 1,0 wt % dengan emulsifier OP 1,0 wt % ditetapkan pada permukaan. Pt-2 CE komposit disinter pada 450 °C selama 30 menit, menghasilkan film platinum mikroporos.
Pt-2 CE dililit di sekitar fotoanoda TiO₂ dengan pitch 0,5 mm untuk membentuk FFDSSC. Rangkaian dihemat dalam tab plastik 0,5 mm, diisi dengan elektrolit redoks (0,05 M I₂, 0,1 M LiI, 0,6 M TBAB, 0,5 M TBP dalam asetonitril), dan dikeringkan UV dengan perekat HT8803 untuk mencegah kebocoran. Perangkat perbandingan menggunakan Pt-1 atau CE Pt murni dan fotoanoda TiO₂ tidak dimodifikasi juga dibuat untuk benchmarking.
Ilustrasi skematik pembuatan DSSC berbentuk serat. a Proses pembuatan DSSC berbentuk serat. b Foto DSSC berbentuk serat.
Karakterisasi
Morfologi permukaan diperiksa dengan JSM-7001F field-emission SEM, dan komposisi elemen dianalisis melalui EDS (Bruker-ASX Quan-Tax 200). Voltametri siklik (CV) menggunakan sel tiga elektroda (bekerja: kawat Pt, lawan: lembar Pt 1,5 cm², referensi: Ag/AgCl) dalam larutan asetonitril yang mengandung 10 mM LiI, 1 mM I₂, dan 0,1 M LiClO₄. Spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) dilakukan pada 20 °C dengan amplitudo AC 20 mV pada rentang 0,1–10⁵ Hz dalam kegelapan, bias 0 V. Performa fotovoltaik dievaluasi di bawah 100 mW cm⁻² (AM 1.5 G) menggunakan simulasi surya (CEL-S500). Efisiensi (η) dan fill factor (FF) dihitung dari kurva J–V:
Gambar 2a,b menunjukkan permukaan fotoanoda TiO₂ yang halus dan berpori, mengonfirmasi distribusi nanopartikel yang seragam. Lapisan rintangan TiCl₄ dual secara efektif mencegah rekombinasi elektron antara elektrolit dan kawat titanium. Gambar 2c,d mengungkapkan mikropori yang terdistribusi seragam dari elektroda lawan Pt komposit—dibentuk oleh penguapan cepat campuran isopropanol/alkohol n-butil—yang sangat meningkatkan luas permukaan platinum dan memfasilitasi adsorpsi elektrolit. Peta EDS (Gambar 2e,f) mengonfirmasi pemuatan warna yang berhasil melalui sinyal Ru yang mencolok. Puncak Al dan Pt yang kuat dalam Gambar 2g mengonfirmasi konstruksi elektroda lawan komposit pada inti Al.
Citra SEM fotoanoda TiO₂ (a,b) dan elektroda lawan serat Pt (c,d) dengan resolusi yang berbeda, citra EDS fotoanoda TiO₂ sebelum (e) dan setelah (f) disensitasi, dan elektroda lawan serat Pt (g).
Properti Elektrokimia
Kurva CV (Gambar 3) menunjukkan bahwa elektroda lawan Pt-2 menunjukkan densitas arus katodik puncak 2,87 mA cm⁻²—lebih tinggi daripada Pt-1 sebesar 2,10 mA cm⁻²—yang mengindikasikan aktivitas katalitik yang lebih baik karena permukaan mikroporos. Keduanya memiliki pemisahan puncak-ke-puncak yang serupa, namun arus puncak yang lebih besar Pt-2 menunjukkan overpotensi yang lebih rendah untuk reaksi I⁻/I₃⁻. Tabel 1 (tidak ditampilkan) mencantumkan nilai R_ct, dengan Pt-2 sebesar 3,11 Ω cm² yang mengungguli Pt-1 (3,99 Ω cm²) dan mencocokkan kawat Pt murni (3,10 Ω cm²).
Voltamogram siklik untuk elektroda lawan Pt-1, Pt-2, dan Pt murni pada laju sken 50 mV s⁻¹.
Uji stabilitas (Gambar 4) mengonfirmasi bahwa arus puncak Pt-2 tetap tidak berubah selama 50 siklus, menunjukkan daya tahan kimia yang unggul.
Voltamogram siklik untuk elektroda lawan Pt-2 pada 50 mV s⁻¹. 50 siklus berkelanjutan (a); siklus pertama dan ke-50 (b).
Hasil EIS (Gambar 5) lebih mendukung performa yang unggul: resistensi seri Pt-2 (R_s = 3,57 Ω cm²) dan resistensi transfer muatan (R_ct = 3,11 Ω cm²) lebih rendah daripada Pt-1 dan sebanding dengan elektroda lawan Pt murni. R_ct yang lebih rendah berarti transfer elektron yang lebih cepat pada antarmuka elektroda lawan/elektrolit.
EIS untuk elektroda lawan Pt-1, Pt-2, dan Pt murni untuk pasang redoks I⁻/I₃⁻.
Analisis Tafel (Gambar 6) mengkorborasi temuan ini: Pt-2 menunjukkan densitas arus pertukaran (J₀) sebesar 1,48 mA cm⁻² dan arus difusi limitasi (J_lim) sebesar 2,18 mA cm⁻², yang melebihi Pt-1 (J₀ = 1,28 mA cm⁻², J_lim = 1,89 mA cm⁻²). Hubungan terbalik antara J₀ dan R_ct (J₀ = RT / (nFR_ct)) mengonfirmasi resistensi antarmuka yang lebih rendah dan efisiensi katalitik yang lebih tinggi pada Pt-2.
Kurva Tafel untuk elektroda lawan Pt-1, Pt-2, dan Pt murni untuk pasang redoks I⁻/I₃⁻.
Performa Fotovoltaik FFDSSC
Pengukuran J–V (Gambar 7 dan Tabel 2) menunjukkan bahwa FFDSSC dengan elektroda lawan Pt-2 dan fotoanoda TiO₂ yang dimodifikasi TiCl₄ (perangkat e) mencapai V_oc = 0,860 V, J_sc = 12,45 mA cm⁻², FF = 0,70, dan η = 6,35 %. Ini mewakili peningkatan sebesar 69,8 % dibandingkan perangkat monolayer TiO₂/Ft-1 (η = 3,72 %) dan mencocokkan performa perangkat elektroda lawan Pt murni (η = 6,32 %). Efisiensi yang ditingkatkan disebabkan oleh R_ct yang lebih rendah pada Pt-2, luas kontak elektrolit yang meningkat, dan lapisan rintangan TiCl₄ yang menekan rekombinasi dan meningkatkan injeksi elektron.
Kurva performa fotovoltaik untuk FFDSSC. a) Karakteristik J–V; b) Hubungan antara efisiensi konversi daya dan V_oc.
EIS di bawah iluminasi (Gambar 8) menunjukkan bahwa perangkat dengan fotoanoda yang dimodifikasi TiCl₄ menunjukkan nilai R_s dan R_ct yang lebih rendah, mencerminkan transport elektron yang ditingkatkan dan rekombinasi yang berkurang. Perangkat FFDSSC-e menunjukkan resistensi terkecil, mengkorborasi efisiensi yang unggul.
EIS untuk FFDSSC yang dibuat dengan berbagai fotoanoda dan elektroda lawan di bawah iluminasi standar.
Spektral efisiensi kuantum eksternal (IPCE) (Gambar 9) mencapai puncak sekitar 520 nm—tidak bersamaan dengan maksimum serapan N719—dan mengikuti urutan e > a > d > c > b. IPCE yang lebih tinggi untuk perangkat e mengonfirmasi serapan cahaya dan pengumpulan muatan yang ditingkatkan yang diaktifkan oleh fotoanoda TiO₂ berlapis dan elektroda lawan Pt komposit.
IPCE berbagai FFDSSC.
Kesimpulan
Kami telah menunjukkan FFDSSC berperforma tinggi dan berbiaya rendah yang menggabungkan fotoanoda TiO₂ berlapis—yang dimodifikasi dengan TiCl₄—dan elektroda lawan Pt komposit dengan struktur mikroporos berlapis dua. Elektroda lawan Pt-2 memberikan aktivitas elektrokatalitik yang sebanding dengan kawat Pt murni sementara membutuhkan jauh lebih sedikit platinum. Perangkat yang dihasilkan mencapai efisiensi konversi foto-listrik sebesar 6,35 %, peningkatan sebesar 69,8 % dibandingkan perangkat monolayer TiO₂/Ft-1, dan sepenuhnya kompatibel dengan aplikasi wearable yang fleksibel karena elastisitas dan fleksibilitas yang unggul. Platform ini menawarkan rute yang dapat diskalakan menuju mikro sel surya wearable berperforma tinggi untuk sistem penapan energi di masa depan.
