การปรับปรุงพื้นผิวของเหลวหนืดไทเทเนียมไดออกไซด์ที่เจือด้วยเกลือแอมโมเนียมสำหรับการประยุกต์ใช้เป็นเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง
Article Sidebar
Main Article Content
Abstract
Woranan Lekphet, Suchada Boonniyom, Suntara Fueangfung and Pornyuth Sayan
รับบทความ: 11 พฤษภาคม 2563; แก้ไขบทความ: 2 กรกฎาคม 2563; ยอมรับตีพิมพ์: 24 กรกฎาคม 2563
บทคัดย่อ
การปรับปรุงพื้นผิวขั้วไฟฟ้าแอโนดของไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO2) มีบทบาทสำคัญในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง (DSSCs) และส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงานของเซลล์ ในงานวิจัยนี้ของเหลวหนืดไทเทเนียมไดออกไซด์อนุภาคนาโนที่สังเคราะห์ด้วยวิธีไฮโดรเทอร์มอลใช้เป็นขั้วไฟฟ้าแอโนดที่เจือด้วยเกลือแอมโมเนียมชนิดต่าง ๆ ได้แก่ แอมโมเนียมแอซีเทต (AA) แอมโมเนียมไบคาร์บอเนต (AB) และแอมโมเนียมคาร์บอเนต (AC) ภายใต้ปริมาณที่แตกต่างกัน ของเหลวหนืดไทเทเนียมไดออกไซด์จะถูกเคลือบลงบนพื้นผิวของกระจกที่นำไฟฟ้าได้ โดยวิธีการเคลือบด้วยมือและเผาที่ 500oC เป็นเวลา 35 นาที โครงสร้างผลึก ลักษณะทางสัณฐานวิทยา และความสามารถในการดูดซับของสีย้อมไวแสงบนพื้นผิวไทเทเนียมไดออกไซด์ตรวจสอบโดยใช้เทคนิคการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (XRD) กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) และการวัดค่าการดูดกลืนแสง (UV–Vis) ตามลำดับ การใช้ประโยชน์จากเซลล์ทั้งสามชนิด AA–TiO2 AB–TiO2 และ AC–TiO2 ที่มีเกลือแอมโม-เนียม 7%wt ใช้เป็นชั้นทำงานของขั้วไฟฟ้าแอโนดสำหรับ DSSCs ในบรรดาเซลล์เหล่านี้ขั้ว ไฟฟ้า 7%wt AC–TiO2 แสดงประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูงสุดที่ 9.30% ซึ่งดีกว่าเซลล์ที่ประดิษฐ์ได้โดยไม่ได้ดัดแปลงด้วยเกลือแอมโมเนียม (a–TiO2, 6.85%) ที่ความหนาของฟิล์มเดียวกัน (~9 mm) การเพิ่มขึ้นของการดูดซับสีย้อมที่ผ่านการเจือด้วยเกลือแอมโมเนียมเป็นผลมาจากขั้วไฟฟ้าแอโนดมีพื้นผิวจำเพาะสูง (7%wt AC-TiO2, 102.69 m2/g) และมีรูพรุนกระจายสม่ำเสมอ การปรับปรุงนี้นำไปสู่การเก็บเกี่ยวแสงและประสิทธิภาพของเซลล์ที่ยอดเยี่ยม
คำสำคัญ: เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง ไทเทเนียมไดออกไซด์ เกลือแอมโมเนียม การปรับปรุงพื้นผิว
Abstract
Surface modification of TiO2 photoanode currently has an important role in the dye–sensitized solar cells (DSSCs) and affects its performance. In this research, titanium dioxide nano–pastes (TiO2 nano–pastes) were synthesized by hydrothermal method as photoanode with different doping amounts of ammonium salts such as ammonium acetate (AA), ammonium bicarbonate (AB), and ammonium carbonate (AC). The TiO2 nano–pastes were coated onto the conductive glass substrate by the Doctor Blade method and then annealed at 500oC for 35 min. The crystal structure, morphology, and dye loading capability of the TiO2 surface were studied by X–ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and UV–Vis spectrophotometry (UV–Vis), respectively. AA–TiO2, AB–TiO2, and AC–TiO2 cells with 7%wt of ammonium salts were employed as working layers for photoelectrodes in DSSCs. Among them, the 7%wt AC–TiO2 photoanode based DSSC exhibited the highest power conversion efficiency of 9.30%, which was also better than that fabricated without an ammonium salts modification (a–TiO2, 6.85%) at the same film thickness of ∼9 mm. Further increasing of the dye adsorption through ammonium salts doped-TiO2 as a result of the photoanode has the highest specific surface area (7%wt AC–TiO2, 102.69 m2/g) and porous evenly distributed on the film. This improvement leads to enhanced light–harvesting and excellent efficiency.
Keywords: Dye–sensitized solar cells, Titanium dioxide, Ammonium salts, Surface modification
Downloads
Article Details
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
References
Agarwala, S., Kevin, M., Wong, A. S. W., Peh, C. K. N., Thavasi, V., and Ho, G. W. (2010). Mesophase ordering of TiO2 film with high surface area and strong light harvesting for dye–sensitized solar cell. ACS Applied Materials & Interfaces 2(7): 1844–1850.
Bang, H.–G., Chung, J.–K., Jung, R.–Y., and Park, S.–Y. (2012). Effect of acetic acid in TiO2 paste on the performance of dye– sensitized solar cells. Ceramics International 38: S511–S515.
Duan, Y., Fu, N., Liu, Q., Fang, Y., Zhou, X., Zhang, J., and Lin, Y. (2012). Sn–doped TiO2 photoanode for dye–sensitized solar cells. The Journal of Physical Chemistry C 116(16): 8888–8893.
Fukai, Y., Kondo, Y., Mori, S., and Suzuki, E. (2007). Highly efficient dye–sensitized SnO2 solar cells having sufficient electron diffusion length. Electrochemistry Communications 9(7): 1439–1443.
Gratzel, M. (2001). Photoelectrochemical cells. Nature 414(6861): 338–344.
Hagfeldt, A., Boschloo, G., Sun, L., Kloo, L. and Pettersson, H. (2010). Dye–sensitized solar cells. Chemical Reviews 110(11): 6595–6663.
Han, X., Wang, X., Xie, S., Kuang, Q., Ouyang, J., Xie, Z., Zheng, L. (2012). Carbonate ions–assisted syntheses of anatase TiO2 nanoparticles exposed with high energy (001) facets. RSC Advances 2(8): 3251–3253.
Huang, F., Cheng, Y.–B., and Caruso, R. A. (2011). Al–doped TiO2 photoanode for dye–sensitized solar cells. Australian Journal of Chemistry 64(6): 820–824.
Hwang, K.–J., Shim, W.–G., Jung, S.–H., Yoo, S.–J., and Lee, J.–W. (2010). Analysis of adsorption properties of N719 dye molecules on nanoporous TiO2 surface for dye–sensitized solar cell. Applied Surface Science 256(17): 5428–5433.
Jose, R., Thavasi, V., and Ramakrishna, S. (2009). Metal oxides for dye–sensitized solar cells. Journal of the American Ceramic Society 92(2): 289–301.
Lee, J.–K., Jeong, B.–H., Jang, S., Kim, Y.–G., Jang, Y.–W., Lee, S.–B., and Kim, M.–R. (2009). Preparations of TiO2 pastes and its application to light–scattering layer for dye–sensitized solar cells. Journal of Industrial and Engineering Chemistry 15(5): 724–729.
Lekphet, W., Ho, S.–Yu., Su, C., Sireesha, P., Kathirvel, S., Lin, Y–F., and Li, W.–R. (2017). Effect of ammonium salts on the hydro-thermal synthesis of TiO2 nanocubes for dye–sensitized Solar Cells. Journal of Nanoscience and Nanotechnology 17: 1–9.
Lekphet, W., Ke, T.–C., Su, C., Kathirvel, S., Sireesha, P., Akula, S. B., and Li, W.–R. (2016). Morphology control studies of TiO2 microstructures via surfactant–assisted hydrothermal process for dye–sensitized solar cell applications. Applied Surface Science 382: 15–26.
Li, H., Li, S., Zhang, Y., and Yan, F. (2016). Inorganic salt templated porous TiO2 photoelectrode for solid–state dye–sensitized solar cells. RSC Advances 6(1): 346–352.
Liao, J.–Y., He, J.–W., Xu, H., Kuang, D.–B., and Su, C.–Y. (2012). Effect of TiO2 morphology on photovoltaic performance of dye–sensitized solar cells: nanoparticles, nanofibers, hierarchical spheres and ellipsoid spheres. Journal of Materials Chemistry 22(16): 7910–7918.
Lim, J., Kwon, Y. S., and Park, T. (2011). Effect of coadsorbent properties on the photovoltaic performance of dye–sensitized solar cells. Chemical Communications 47(14): 4147–4149.
Liu, P., Zhang, H., Liu, H., Wang, Y., Yao, X., Zhu, G., Zhao, H. (2011). A facile vapor–phase hydrothermal method for direct growth of titanate nanotubes on a titanium substrate via a distinctive nanosheet roll–up mechanism. Journal of the American Chemical Society 133(47): 19032–19035.
Mahalingam, S., and Abdullah, H. (2016). Electron transport study of indium oxide as photoanode in DSSCs: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 63: 245–255.
Motlak, M., Hamza, A. M., Hammed, M. G., and Barakat, N. A. M. (2019). Cd–doped TiO2 nanofibers as effective working electrode for the dye sensitized solar cells. Materials Letters 246: 206–209.
Nguyen, P. T., Nguyen, V. S., Phan, T. A. P., Le, T. N. V., Le, D. M., Le, D. D., and Lund, T. (2017). Nicotinic acid as a new co–adsorbent in dye–sensitized solar cells. Applied Surface Science 392: 441–447.
O’Regan, B. C., Durrant, J. R., Sommeling, P. M., and Bakker, N. J. (2007). Influence of the TiCl4 treatment on nanocrystalline TiO2 films in dye–sensitized solar cells. 2. charge density, band edge shifts, and quantification of recombination losses at short circuit. The Journal of Physical Chemistry C 111(37): 14001–14010.
Palomares, E., Clifford, J. N., Haque, S. A., Lutz, T., and Durrant, J. R. (2003). Control of charge recombination dynamics in dye sensitized solar cells by the use of conformally deposited metal oxide blocking layers. Journal of the American Chemical Society 125(2): 475–482.
Qu, X., Hou, Y., Liu, M., Shi, L., Zhang, M., Song, H., and Du, F. (2016). Yttrium doped TiO2 porous film photoanode for dye–sensitized solar cells with enhanced photovoltaic performance. Results in Physics 6: 1051–1058.
Shen, H., Lin, H., Liu, Y., Li, X., Zhang, J., Wang, N., and Li, J. (2011). A Novel Diphenylphosphinic acid coadsorbent for dye–sensitized solar cell. Electrochimica Acta 56(5): 2092–2097.
Syrrokostas, G., Giannouli, M., Yianoulis, P. (2009). Effects of paste storage on the properties of nanostructured thin films for the development of dye–sensitized solar cells. Renewable Energy 34(7): 1759–1764.
Wang, X., Li, Z., Shi, J., and Yu, Y. (2014). One–dimensional titanium dioxide nanomaterials: nanowires, nanorods, and nanobelts. Chemical Reviews 114(19): 9346–9384.
Yun, J.-H., Wang, L., Amal, R., and Ng, Y. (2016). One–dimensional TiO2 nanostructured photoanodes: from dye–sensitised solar cells to perovskite solar cells. Energies 9(12): 1030.
Zhang, Q., Dandeneau, C. S., Zhou, X., and Cao, G. (2009). ZnO nanostructures for dye–sensitized solar cells. Advanced Materials 21(41): 4087–4108.