مقایسه ساختار کریستالی، خواص ترابرد الکترونی و بازده در سلول های خورشیدی رنگدانه ای نانولوله ای دی اکسید تیتانیوم با دو هندسه ته باز و ته بسته

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه فیزیک، دانشگاه فرهنگیان، تهران، ایران

چکیده

نانولوله های دی اکسید تیتانیوم به روش الکتروشیمیایی آندایز بر روی فویل تیتانیوم ساخته می‌شوند. در کار حاضر، غشای نانولوله ای دی اکسید تیتانیوم با دو هندسه ته باز و ته بسته از زیر لایه تیتانیوم جدا شده و مقایسه ای بین سلول های خورشیدی رنگدانه ای ساخته شده از آن ها انجام می شود. برای داشتن نانولوله های با ته باز از روش شوک پتانسیل استفاده کردیم. پارامترهای بهینه شوک پتانسیل برای داشتن یک غشای نانولوله ای مستحکم با ته کاملا باز، ولتاژ شوک V 160 و زمان اعمال s 180 محاسبه شدند. ما نشان می دهیم که استفاده از چنین غشای نانولوله ای می تواند منجر به افزایش قابل توجهی در بازده سلول های خورشیدی رنگدانه ای شود (%8.73 = ƞ). آنالیزهای طیف سنجی شدت فوتوجریان تنظیم شده (IMPS) و همچنین طیف سنجی شدت فوتولتاژ تنظیم شده (IMVS) حرکت الکترونی سریع تر و زمان بازترکیب طولانی تری را در فوتوآندهای ساخته شده از نانولوله هایی با ته باز در مقایسه با نانولوله ها با ته بسته نشان می دهد. طیف پراش پرتو ایکس (XRD) خواص بلوری مشابهی را در هر دو ساختار نشان می دهد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Comparison of crystalline structure, electron transport properties and efficiency in open and closed bottom titanium dioxide nanotube dye sensitized solar cells

نویسندگان [English]

  • Fatemeh Mohammadpour
  • Asma Mansouri Najafabadi
Physics department, Farhangian university, Tehran, Iran
چکیده [English]

Titanium dioxide nanotubes are electrochemically anodized on titanium foil. In the present work, a titanium dioxide nanotube membrane with an open and closed bottom is separated from the titanium substrate and a comparison is made between the dye sensitized solar cells made of them. We used the potential shock method to have open-bottomed nanotubes. The optimum shock parameters of the potential to have a strong nanotube membrane with a fully open bottom, a shock voltage of 160 V and an application time of 180 s were calculated. We show that the use of such a nanotube membrane can lead to a significant increase in the efficiency of dye sensitized solar cells (ƞ=8.73%). Intensity modulated photocurrent spectroscopy (IMPS) as well as Intensity modulated photovoltage spectroscopy (IMVS) showed faster electron transport and longer recombination time in photoanodes made of open-bottom nanotubes compared to closed-bottom nanotubes. X-ray diffraction (XRD) spectra show similar crystal properties in both structures.

کلیدواژه‌ها [English]

  • TiO2 Nanotube
  • Membrane
  • Anodization
  • Dye-Sensitized Solar Cell
  • Potential Shock

مراجع

[1] B. O'Regan, M. Grätzel, “A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films,” Nature, 353, 737–740, 1991.
[2] N. S. Noorasid, F. Arith, A. N. Mustafa, M. A. Azam, S. Mahalingam, P. Chelvanathan and N. Amin, “Current advancement of flexible dye sensitized solar cell: A review,” Optik, 254, p.168089, 2022.
[3] M. Kokkonen, P. Talebi, J. Zhou, S. Asgari, S.A. Soomro, F. Elsehrawy, J. Halme, S. Ahmad, A. Hagfeldt and S.G. Hashmi, “Advanced research trends in dye-sensitized solar cells,” Journal of Materials Chemistry A, 9(17), 10527-10545, 2021.
[4] M. Gratzel, “Solar energy conversion by Dye-sensitized Photovoltiac cells,” Inorganic Chemistry, 44, 6841, 2005.
[5] M. Yahya, A. Bouziani, C. Ocak, Z. Seferoğlu, and M. Sillanpää, “Organic/metal-organic photosensitizers for dye-sensitized solar cells (DSSC): Recent developments, new trends, and future perceptions,” Dyes and Pigments, 192, 109227, 2021.
[6] A. Agrawal, S.A. Siddiqui, A. Soni, and G.D. Sharma, “Advancements, frontiers and analysis of metal oxide semiconductor, dye, electrolyte and counter electrode of dye sensitized solar cell,” Solar Energy, 233, 378-407, 2022.
[7] X. Hou, K. Aitola, and P.D. Lund, “TiO2 nanotubes for dye‐sensitized solar cells—A review,” Energy Science & Engineering, 9(7), 921-937, 2021.
[8] G. Cha, S. Ozkan, I. Hwang, A. Mazare, and P. Schmuki, P, “Li+ doped anodic TiO2 nanotubes for enhanced efficiency of Dye-sensitized solar cells,” Surface Science, 718, 122012, 2022.
[9] J. M. Macak, L.V. Taveira, H. Tsuchiya, et al,” Influence of different fluoride containing electrolytes on the formation of self-organized titania nanotubes by Ti anodization,” J Electroceram, 16, 29–34, 2006.
[10] J.M. Macák, H. Tsuchiya, P. Schmuki, “High-aspect-ratio TiO2 nanotubes by anodization of titanium,” Angew Chem Int Ed Engl. 29;44(14):2100-2, 2005.
[11] V. Zwilling, E. Darque-Ceretti, A. Boutry-Forveille, D. David, M. Y. perrin, M. Aucouturier, “Structure and physicochemistry of anodic oxide films on titanium and TA6V alloy,” Surface and Interface Analysis, 27, 629, 1999.
[12] H. Tsuchiya, P. Schmuki, “Less known facts and findings about TiO2 nanotubes,” Nanoscale, 12(15), 8119-8132, 2020.
[13] K. Ahmad, M. Bilal, M.A. Rasheed, Z. Ahmad, A. Shah, Khan, A. Waheed, and A.M. Qasim, “Influence of electrochemical reduction on the optical properties of TiO2 nanotubes under ambient conditions,” Applied Physics A, 127(8), 1-10, 2021.
[14] J.R. Jennings, A. Ghicov, L.M. Peter, P. Schmuki and A.B. Walker, “Dye sanitized solar cell Based on Oriented TiO2 Nanotube Arrays: Transport, Trapping, and Transfer of Electrons,” Journal of the American Chemical Society,130 (40), 13364-13372, 2008.
[15] J. J. Kelly, D. Vanmaekelbergh, J. Electrochim. Acta. 43, 2773, 1998.
[16] R. P. Lynch, A. Ghicov, P. Schmuki, J. Electrochem. Soc. 157, G67, 2010.
[17] W. Zhu, Y. Liu, A. Yi, M. Zhu, W. Li, and N. Fu, “Facile fabrication of open-ended TiO2 nanotube arrays with large area for efficient dye-sensitized solar cells,” Electrochimica Acta, 299, 339-345, 2019.
[18] N.S. Peighambardoust, S.K. Asl, R. Mohammadpour, “Improved efficiency in front-side illuminated dye sensitized solar cells based on free-standing one-dimensional TiO2 nanotube array electrodes,” Solar Energy, 184, 115-126, 2019.
[19] F. Mohammadpour, M. Moradi, K. Lee, G. Cha, S. So, A. Kahnt, D. M. Guldi, M. Altomare, P. Schmuki, “Enhanced performance of dye-sensitized solar cells based on TiO2 nanotube membranes using an optimized annealing profile,” Chemical Communication, 51, 1631, 2015.
[20] F. Mohammadpour, M. Moradi, G. Cha, S. So, K. Lee, M. Altomare, P. Schmuki, “Comparison of Anodic TiO2‐Nanotube Membranes used for Frontside‐Illuminated Dye‐Sensitized Solar Cells,” ChemElectroChem, 2, 204, 2015.
[21] L-L. Li, Y-J. Chen, H-P, Wu, N. S. Wang, E. W-G. Diau, “Detachment and transfer of ordered TiO2nanotube arrays for front-illuminated dye-sensitized solar cells,” Energy Environ. Sci. 4, 3420, 2011.
[22] C-J. Lin, W-Y. Yu, S-H. Chien,
“transparent electrodes of ordered opened-end TiO2-nanotube arrays for highly efficient dye-sensitized solar cells,” Journal of Materials  Chemistry, 20, 1073, 2010.
[23] L. Sun, S. Zhang, X. W. Sun, X. He, “Effect of electric field strength on the length of anodized titania nanotube arrays,” Journal of Electroanalytical Chemistry, 637(1-2), 6-12, 2009.
[24] F. Mohammadpour, M. Moradi, “Double-layer TiO2 nanotube arrays by two-step anodization: used in back and front-side illuminated dye-sensitized solar cells,” Materials Science in Semiconductor Processing, 39, 255-264, 2015.
[25] Y. Jo, I. Jung, I. Lee, J. Choi, Y. Tak, “Fabrication of through-hole TiO2 nanotubes by potential shock,” Electrochemistry Communications, 12, 616, 2010.
 [26] D. Wang, L. Liu, “TiO2 Nanotubes with Tunable Morphology, Diameter, and Length: Synthesis and Photo-Electrical/Catalytic Performance,” Chemistry of Materials. 22, 6656-6664, 2010.   
 
 
نانومقیاس
دوره 9، شماره 4
دی 1401
صفحه 63-71

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 29 خرداد 1401
  • تاریخ بازنگری: 24 مرداد 1401
  • تاریخ پذیرش: 11 مهر 1401

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار