Incorporación de materiales compuestos de carbono nanoestructurado en contraelectrodos para células solares sensibilizadas por colorante altamente eficientes

Resumen

En el presente estudio se fabricaron células solares sensibilizadas por colorante (DSSC) compuestas de contraelectrodos apilados de materiales compuestos de carbono nanoestructurado (CE). Como reemplazo potencial de la costosa película delgada de platino (Pt), varios materiales compuestos de carbono, incluidas las nanopartículas de carbono de dimensión cero (CNP), los nanotubos de carbono de paredes múltiples unidimensionales (MWCNT) y las escamas de grafeno bidimensionales (GF) como un adecuado El medio de transferencia de carga se depositó en la superficie de los CE mediante un proceso de serigrafía. Como resultado, se encontró que los CNP daban como resultado el deterioro de la transferencia de carga de CE al electrolito líquido debido a la formación de estructuras altamente agregadas con un área de superficie específica muy baja. Sin embargo, se encontró que los compuestos de carbono MWCNT y MWCNT agregados (p. Ej., CNP / MWCNT, MWCNT / GF, CNP / MWCNT / GF) mejoran la transferencia de carga de CE al electrolito líquido debido a la formación de estructuras altamente interconectadas con alta superficie específica área. El PCE resultante de los DSSC compuestos de CE basados en compuestos de carbono puro MWCNT y MWCNT agregados fue muy similar al de los DSSC compuestos de CE basados en Pt. Esto sugiere que los materiales de carbono nanoestructurados especialmente compuestos de MWCNT y sus compuestos son uno de los candidatos prometedores para reemplazar el costoso Pt en los CE de DSSC.

Antecedentes

Las células solares sensibilizadas por colorante (DSSC) han recibido mucha atención como alternativa a las células solares basadas en silicio. Tienen derecho a ser una de las células solares de tercera generación más destacadas, porque tienen las ventajas de un coste de fabricación relativamente bajo, fácil fabricación y excelentes propiedades fotovoltaicas [1, 2]. Los componentes clave de las DSSC son TiO ₂ fotoelectrodo, tinte, electrolito líquido (\ ({I} ^ {-} / {I} _3 ^ {-} \) par redox de óxido de estaño dopado con flúor (FTO) recubierto de película delgada) y contraelectrodo (CE) [ 3, 4].

Como principio operativo de DSSC, las moléculas de colorante generalmente se adsorben en la superficie del TiO ₂ semiconductor. nanopartículas (NP) como fotoelectrodo. Cuando un DSSC se expone a la luz solar, los electrones generados a partir de las moléculas de colorante excitadas se inyectan continuamente en la banda de conducción de TiO ₂ NP, y luego llegan al electrodo de óxido conductor (por ejemplo, vidrio FTO). Los electrones fotogenerados se transfieren a través del circuito externo y luego se introducen en un electrolito líquido a través de CE recubiertos de Pt. El electrolito finalmente transporta los electrones para completar un ciclo de corriente en DSSC.

Como metal precioso, el Pt tiene las ventajas de una excelente actividad catalítica, una reducción eficaz de yoduro / triodo y una buena conductividad eléctrica, por lo que generalmente se emplea como CE de DSSC [5,6,7,8,9,10,11] . Sin embargo, el Pt es relativamente caro, lo que dificulta la producción masiva de DSSC en la industria de las células solares y da como resultado una mala estabilidad de los DSSC debido a los electrolitos corrosivos. Por lo tanto, muchas investigaciones se han dedicado a encontrar candidatos adecuados para reemplazar el catalizador de Pt en DSSC con materiales de bajo costo, como negro de carbón (CB), nanotubos de carbono (CNT), aleación de metal, sulfuro de metal y polímero conductor [5,6 , 7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]. Entre esas diversas alternativas, los materiales nanoestructurados de carbono, como las nanopartículas de carbono (CNP, C ₆₀ ), se informa que los nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWCNT) y las escamas de grafeno (GF) tienen una alternativa potencial al Pt en las CE de las DSSC porque tienen una conductividad relativamente alta, una gran superficie específica, una alta estabilidad fotoquímica y una buena resistencia mecánica [17, 18,19,20,21].

Para fabricar CE recubiertos con materiales nanoestructurados de carbono, se desarrollan varios métodos, que incluyen la deposición química en fase de vapor [22, 23], el recubrimiento por gota [24, 25], el recubrimiento por rotación [26] y el proceso de recubrimiento por pulverización [27]. Sin embargo, generalmente requieren procedimientos de fabricación bastante complejos y, al mismo tiempo, es intrínsecamente difícil obtener una unión firme y un espesor uniforme de los materiales nanoestructurados de carbono empleados. La serigrafía es un proceso simple, fácil y versátil que hace presión usando una escobilla de goma u otro dispositivo mecánico para depositar las pastas de manera uniforme en la superficie del sustrato. Puede crear varios productos impresos con propiedades duraderas, que pueden resistir un contacto externo [28, 29]. Por lo tanto, se ha empleado a menudo para hacer películas delgadas uniformes en la superficie del sustrato y, al mismo tiempo, el grosor de las películas delgadas se puede controlar fácilmente variando el número de procesos de serigrafía.

En este estudio, empleamos un proceso de serigrafía para fabricar películas delgadas compuestas de varios materiales nanoestructurados de carbono, incluidos CNP, MWCNT, GF y sus mezclas en la superficie de sustratos de vidrio FTO con diferentes espesores como CE de DSSC. Y luego, el rendimiento fotovoltaico de los DSSC resultantes se examina sistemáticamente en términos de voltaje de circuito abierto ( V _oc ), densidad de corriente de cortocircuito ( J _sc ), factor de llenado (FF) y eficiencia de conversión de energía (PCE), que también se comparan finalmente con el rendimiento fotovoltaico de los DSSC basados en Pt.

Métodos / Experimental

Fabricación de TiO ₂ -Fotoelectrodos basados en DSSC

TiO ₂ El fotoelectrodo a base de NP se preparó mediante un proceso de serigrafía en la superficie del vidrio FTO (SnO ₂ :F, 7 Ω / sq., Pilkington, Boston, EE. UU.). TiO ₂ disponible comercialmente Se utilizaron NP (P25, Degussa, Alemania) sin tratamiento adicional. Para fabricar TiO ₂ pasta, 6 g de TiO ₂ NP, 20 g de terpineol, 1 ml de ácido acético (CH ₃ COOH) y 15 g de etanol se mezclaron en un vial para hacer una solución-I. Y luego se mezclaron 3 g de etilcelulosa y 27 g de etanol en otro vial para formar la solución II. Posteriormente, las dos soluciones se mezclaron de manera homogénea en un vial utilizando un mezclador planetario durante 3 min, y luego se calentó en un horno para eliminar el etanol. Con la ayuda del proceso de serigrafía, TiO ₂ Se formó una película delgada sobre un vidrio FTO con un área fotoactiva de 0,6 cm x 0,6 cm con un grosor de ~ 23 µm. El vidrio FTO se limpió con acetona, etanol y agua desionizada, y luego se pretrató con la mezcla de 0,247 ml de TiOCl ₂ solución y 20 ml de agua desionizada para mejorar la adhesión entre TiO ₂ Vidrio NP y FTO. El TiO ₂ A continuación, se sinterizó vidrio FTO recubierto de película fina a ~ 500 ° C durante 30 min para eliminar los componentes residuales. El TiO ₂ sinterizado A continuación, se sumergió vidrio FTO recubierto en una solución de tinte que contenía 0,3 mM de N719 (Solaronix, SA, Suiza) durante 24 h [20].

Fabricación de CE basados en materiales de carbono nanoestructurado

Para fabricar un CNP homogéneo (C ₆₀ , CNT Co., Ltd., Corea), MWCNT (CNT Co., Ltd., Corea), pasta GF (CNT Co., Ltd., Corea), 0,2 g de CNP, 0,2 g de MWCNT y 0,2 g de Los FG se dispersaron en la solución de mezcla de 1 g de terpineol y 0,1 g de etilcelulosa, lo que mejoró la adhesión entre los materiales de carbono nanoestructurados y el sustrato. Y luego se dispersaron en una solución de etanol seguido de sonicación durante 2 h con un sonicador de sonda (Daihan Scientific Co., Ltd.) para obtener una suspensión homogénea, que luego se evaporó en una placa caliente para fabricar una pasta con viscosidad relativamente alta. Para fabricar diversas mezclas de materiales de carbono, incluidos CNP / MWCNT, CNP / GF /, MWCNT / GF, CNP / MWCNT / GF como se muestra en la Fig.1a, se dispersaron polvos de CNP, MWCNT y GF en la solución de terpineol y etilcelulosa , y luego fueron tratados con procesos de sonicación y evaporación. Las siete pastas diferentes compuestas de CNP, MWCNT y GF fueron luego serigrafiadas en la superficie del vidrio FTO, que se taladró con dos orificios con un área de 0,6 cm x 0,6 cm. Luego, un tratamiento térmico a 400 ^° C durante 15 min para eliminar cualquier contaminante orgánico formado en materiales de carbono nanoestructurados. Los espesores de los materiales de carbono empleados en el presente estudio fueron modificados por el número de procesos de serigrafía. Como CE de referencia, se recubrió un vidrio FTO con Pt utilizando pulverizador iónico (E1010, Hitachi, Chiyoda-ku, Japón) operado a 1,2 kV y 7 mA.

un Esquema de fabricación de compuestos de nanopartículas de carbono (CNP) / nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWCNT) / escamas de grafeno (GF) para contraelectrodos (CE) de células solares sensibilizadas con colorante (DSSC) y b fotografía y componentes de DSSC ensamblados en el presente estudio

Fabricación y caracterización de DSSC

Los fotoelectrodos y los CE fabricados se sellaron como una configuración tipo sándwich con una película de polímero termofusible (60 μm de espesor, Wooyang, Corea), y luego se calentaron a 120 ^° C durante 4 min. Posteriormente, se inyectó electrolito líquido a base de yoduro (AN-50, Solaronix, SA, Suiza) en el espacio intermedio entre dos electrodos a través de los dos orificios perforados en los CE, y luego los orificios se sellaron con un cubreobjetos utilizando polímero termofusible. película. Finalmente, se ensambló completamente una unidad DSSC como se muestra en la Fig. 1b.

El rendimiento fotovoltaico de los DSSC fabricados en el presente estudio se midió con una masa de aire de 1,5 y 1 sol (=100 mW cm ^{- 2} ) iluminación usando un simulador solar (PEC-L11, Peccell Technologies, Inc., Kanagawa, Japón). La intensidad de la iluminación de la luz se calibró con precisión utilizando un detector de fotodiodo de Si estándar con un filtro KG-5. Las curvas de densidad-voltaje de corriente (J-V) y los espectros de impedancia electroquímica (EIS) se registraron automáticamente con un medidor de fuente Keithley SMU 2400 (Cleveland, OH, EE. UU.) Con una iluminación de 100 mW cm ^{- 2} .

La estructura física y el espesor de los materiales de carbono nanoestructurados se midieron utilizando un microscopio electrónico de barrido (SEM, S-4200, Hitachi) operado a ~ 15 kV. El área de superficie específica y la porosidad se midieron utilizando un instrumento Brunauer-Emmett-Teller (BET) (ASAP 2020, EE. UU.), Y sus distribuciones de tamaño de poro se determinaron utilizando la fórmula de Barrett-Joyner-Halenda (BJH) de la rama de desorción. La propiedad estructural de los materiales de carbono nanoestructurados se examinó mediante una espectroscopía Raman (Ramboss 500i, DongWoo Optron), en la que se utilizó un láser de 532 nm para la excitación.

La medición de la voltamperometría cíclica se realizó utilizando una estación de trabajo electroquímica de un medidor de fuente Keithley SMU 2400 (Cleveland, OH, EE. UU.) Y un sistema convencional de tres electrodos, que consistía en un electrodo de trabajo recubierto con compuestos de carbono o Pt, un contraelectrodo de lámina de Pt y un electrodo de trabajo con recubrimiento de Pt. electrodo de referencia de calomelanos (ALS Co., Ltd., Japón). Estos electrodos se sumergieron en LiI 10 mM, I ₂ 1 mM acetonitrilo y LiClO ₄ 0,1 M solución mixta.

Resultados y discusiones

La medición por espectroscopía Raman es uno de los análisis no destructivos para la caracterización del estado cristalino y los defectos de los materiales de carbono. La Figura 2 muestra varios espectros Raman para los casos de CNP, MWCNT y GF. El pico D está relacionado con el primer orden de fonones de límite de zona y se conoce como pico de desorden originado por defectos en la capa de material de carbono. El pico G es el modo principal de los materiales de carbono y se conoce como la configuración plana de sp ² enlace [13]. Los picos D y G solían aparecer a 1355 cm ^{- 1} y 1579 cm ^{- 1} para los CNP, GF y MWCNT empleados en el presente estudio. La intensidad relativa de los picos D y G ( I _D / Yo _G ) indica los defectos de los materiales de carbono [30]. Los defectos en los materiales de carbono nanoestructurados son beneficiosos para realizar una actividad catalítica eficaz porque el proceso de reducción del electrolito de yoduro en las DSSC se produce en los defectos de los materiales de carbono [31]. La intensidad relativa calculada de CNP, GF y MWCNT fue ~ 0,95, ~ 0,97 y ~ 1,01, respectivamente. La mayor intensidad relativa de los picos D y G se mostró cuando los MWCNT están presentes. Probablemente se debió a que los MWNCT tienen abundantes defectos en sus planos de borde. Sin embargo, era más pequeño cuando había CNP y GF. Esto probablemente fue causado por la presencia de estructuras amorfas de CNP y estructuras planas 2 D relativamente grandes de GF, respectivamente.

Espectros Raman de CNP, MWCNT y GF

Las distribuciones del volumen de poros de los materiales de carbono nanoestructurados medidos se muestran en la Fig. 3. Los GNP, MWCNT y GF tenían una superficie BET de 24,7 m ² g ^{- 1} , 311,8 m ² g ^{- 1} y 269,5 m ² g ^{- 1} , respectivamente. La cantidad de nitrógeno adsorbido y el tamaño medio de los poros aumentaron en el orden de CNP / MWCNT> MWCNT> CNP / MWCNT / GF> MWCNT / GF> GF> CNP / GF> CNP, lo que sugiere que la presencia de MWCNT es muy eficaz para Aumentar el área de superficie específica de los materiales de carbono nanoestructurados en las CE de las DSSC para que la transferencia de electrones entre la CE y el electrolito líquido se pueda mejorar significativamente.

un Curvas de adsorción y desorción de nitrógeno. b Distribuciones de volumen de poros de polvos CNP, MWCNT, GF, MWCNT / GF, CNP / GF, CNP / MWCNT y CNP / MWCNT / GF

Las imágenes SEM de la vista superior en la Fig. 4 muestran las morfologías de varios materiales de carbono nanoestructurados, incluidos CNP, MWCNT, GF y sus compuestos, que se recubrieron en la superficie de las láminas FTO. Parecía que los CNP se agregaban significativamente entre sí y daban como resultado la formación de grupos separados del vidrio FTO, mientras que los MWCNT creaban estructuras porosas en red al azar, en las que los iones \ ({I} _3 ^ {-} \) en el electrolito líquido pueden difundirse fácilmente al sitios activos. Se encontró principalmente que los GFs formaban capas planas bidimensionales. Para el caso de la mezcla MWCNT / GF, las redes MWCNT se formaron en la superficie de los GF. Después de agregar CNP en MWNCT y GF, las superficies de MWCNT y GF se recubrieron parcialmente con CNP. Las imágenes SEM de la vista en sección transversal en la Fig. 4 muestran claramente que la película delgada basada en CNP no se unió de manera homogénea a la superficie del vidrio FTO, de modo que el contacto interfacial entre los CNP y el vidrio FTO fue muy deficiente. A diferencia de los CNP, todos los demás materiales de carbono nanoestructurados (es decir, CNP / MWCNT, MWCNT / GF, CNP / MWCNT / GF) parecían tener una fuerte unión a la superficie del vidrio FTO. Los espesores de las películas delgadas a base de materiales de carbono nanoestructurado fueron muy similares con ~ 5 μm, que pueden incrementarse simplemente aumentando el número de procesos de serigrafía.

Vistas superiores y transversales de varios materiales de carbono, incluidos CNP, MWCNT, GF, MWCNT / GF, CNP / GF, CNP / MWCNT, CNP / MWCNT / GF apilados en la superficie del vidrio FTO mediante un proceso de serigrafía (el las barras de escala en las imágenes de la vista superior son de 0,5 μm y las barras de escala en las imágenes de la vista transversal son de 5 μm)

La Figura 5 presenta la comparación de las curvas de voltamperometría cíclica para I ₃ ^- / I ^- sistema en contacto con los electrodos recubiertos de material de carbono y Pt. Se observaron claramente dos pares de picos de oxidación y reducción para los casos de Pt y MWCNT como se muestra en la Fig. 5a. Sin embargo, el GF puro y el CNP no tenían picos claros de oxidación y reducción, lo que sugiere que no podrían desempeñar un papel clave como materiales catalíticos potenciales para las CE de las DSSC. Para los casos de CE basados en Pt y MWCNT, los picos superior e inferior en el lado izquierdo marcados como 1 y 2, respectivamente, presentan las reacciones redox expresadas en las Ecs. (1) y (2), lo que afecta directamente al rendimiento fotovoltaico de las DSSC. Los otros dos picos en el lado derecho marcados como 3 y 4 presentan las reacciones redox expresadas en las Ecs. (3) y (4), que tienen un pequeño efecto sobre el rendimiento fotovoltaico de las DSSC [12, 32,33,34,35].

$$ 3 {\ mathrm {I}} ^ {-} - 2 {\ mathrm {e}} ^ {-} =\ kern0.5em {\ mathrm {I}} _ 3 ^ {-} $$ (1) $ $ {\ mathrm {I}} _ 3 ^ {-} \ kern0.5em + \ kern0.5em 2 {\ mathrm {e}} ^ {-} =\ kern0.5em 3 {\ mathrm {I}} ^ {- } $$ (2) $$ 2 {\ mathrm {I}} _ 3 ^ {-} - 2 {\ mathrm {e}} ^ {-} =3 {\ mathrm {I}} _ 2 $$ (3) $ $ 3 {\ mathrm {I}} _ 2 + 2 {\ mathrm {e}} ^ {-} =2 {\ mathrm {I}} _ 3 ^ {-} $$ (4)

un Voltamperometría cíclica de CE recubiertos de Pt, CNP, MWCNT y GF. b Voltamperometría cíclica de CE recubiertos con compuestos de carbono y Pt medida mediante una velocidad de barrido de 50 mV s ^{- 1} en 10 mM LiI, 1 mM I ₂ acetonitrilo y LiClO ₄ 0,1 M solución de electrolitos mixtos

En DSSC, los electrones fotogenerados se transfieren desde I ^- iones en el electrolito a tinte foto-oxidado, y los iones \ ({\ mathrm {I}} _ 3 ^ {-} \) se reducen en la superficie de los CE. En las curvas CV, se observó que la separación de pico a pico variaba inversamente con la tasa de transferencia de carga [34, 35]. La Figura 5a muestra que los picos redox para los CE recubiertos de Pt aparecieron a - 0,29 V y 0,33 V, respectivamente, y el ∆ resultante E _p (Pt) fue ~ 0,62 V. En contraste, los picos redox para los CE revestidos con MWCNT aparecieron a - 0,44 V y 0,33 V, respectivamente, y el ∆ resultante E _p (MWCNT) fue ~ 0,77 V. Como se muestra en la Fig. 5b, para los casos de CE basados en compuestos de carbono con adición de MWCNT, el ΔE _p resultante (CNP / MWCNT), ΔE _p (CNP / GF / MWCNT) y ΔE _p (GF / MWCNT) fueron ~ 0,83 V, ~ 0,98 V y ~ 1,025 V, respectivamente. Esto sugiere que los CE basados en compuestos de carbono puro MWCNT y MWCNT añadidos tenían una actividad catalítica relativamente alta y una velocidad de reacción rápida en la reducción de triyoduro. La presencia de MWCNT fue muy eficaz para aumentar el área de superficie específica de los materiales de carbono nanoestructurados en los CE de DSSC, de modo que la transferencia de electrones entre el CE revestido con compuestos de carbono y el electrolito líquido se mejoró significativamente.

La Figura 6 muestra el rendimiento fotovoltaico resultante de las DSSC en términos de densidad de corriente de cortocircuito ( J _sc ), voltaje de circuito abierto ( V _oc ), factor de relleno (FF) y eficiencia de conversión de energía (PCE) en función del espesor de los materiales de carbono nanoestructurados en las CE de las DSSC. Para el caso de los CNP, J _sc se incrementó significativamente al aumentar el grosor de la película delgada de CNP, pero tanto FF como V _oc no se modificaron apreciablemente en valores relativamente bajos, lo que finalmente dio como resultado valores de PCE muy pobres. Esto debe ocurrir por la formación de agrupaciones severas entre los CNP para que los electrones se transporten de manera efectiva desde los CE al electrolito líquido. Para los casos de GF y CNP / GF, los FF también fueron relativamente pobres. Esto se debió presumiblemente a que las estructuras planas 2D de los GF estaban arrugadas y torcidas hasta cierto punto para que no estuvieran en contacto íntimo entre sí en la disposición de apilamiento. Por lo tanto, los PCE resultantes de DSSC fabricados por CE basados en GF y CNP / GF fueron relativamente bajos. Sin embargo, se observó que la presencia de MWCNT en los materiales de carbono nanoestructurados (es decir, MWCNT, MWCNT / GF, CNP / MWCNT, CNP / MWCNT / GF) aumenta de manera estable la J _sc y FF de modo que los PCE resultantes de DSSC se mantuvieron en valores relativamente altos. Esto se debió presumiblemente a que las redes íntimas y la alta superficie específica formada por la presencia de MWCNT mejoraron el transporte de electrones en la interfaz de CE y electrolito líquido.

La comparación de los rendimientos fotovoltaicos de DSSC compuestos de varios materiales de carbono y CE basados en Pt en términos de a J _sc , b V _oc , c FF y d PCE

Las mediciones de densidad-voltaje de corriente (JV) y espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) se realizaron para los CE apilados con diferentes materiales de carbono con el espesor similar de ~ 20 μm como se muestra en la Fig. 7a y la Tabla 1. Los de los convencionales basados en Pt También se realizaron EC para comparación. Los DSSC apilados con CNP en CE tenían un J extremadamente alto _sc de ~ 17,18 mA cm ^{- 2} , pero bastante bajo V _oc de ~ 0.5 V y FF de ~ 0.25, por lo que causó el PCE más bajo de ~ 0.22%, lo que sugiere que los CNP no son adecuados para DSSC debido al área de contacto interfacial baja inducida por agregación fuerte con vidrio FTO en los CE. Las DSSC apiladas con GF y CNP / GF en CE también mostraron FF y PCE más bajas debido a su área de superficie específica relativamente baja confirmada por mediciones BET previas como se muestra en la Fig. 3. Sin embargo, las DSSC apiladas con MWCNT y compuesto de carbono agregado MWCNT los materiales tenían PCE más altos de> 5%. Los DSSC apilados con compuestos CNP / MWCNT tuvieron el mejor PCE de ~ 5,67%, que estaba muy cerca del PCE de ~ 5,7% generado por los DSSC basados en Pt. Esto sugiere que la mayor superficie específica creada mediante el empleo de materiales compuestos de carbono nanoestructurados basados en MWCNT promovió el proceso de reducción de manera más eficaz en la interfaz de CE y electrolito líquido. La Figura 7b muestra los gráficos de Nyquist para los DSSC compuestos por varios CE basados en materiales de carbono. La resistencia al transporte ( R _ce ) está relacionado con el primer semicírculo y la capacitancia interfacial (CPE _pt ), que es la transferencia de cargo en las CE. La resistencia a la recombinación ( R _rec ) y capacitancia interfacial (CPE _{TiO2 / tinte / electrolito} ) están relacionados con el segundo semicírculo, que representa la transferencia de carga en las interfaces de TiO ₂ / colorante / electrolito [36,37,38]. La Tabla 1 muestra que los DSSC compuestos por todos los materiales de carbono, excepto los casos compuestos de CNP y CNP / CF empleados en el presente estudio, exhibieron un R más bajo _ce que el de los DSSC basados en Pt, lo que indica que los MWCNT y sus compuestos tenían una alta reactividad electrocatalítica y conductividad eléctrica y, por lo tanto, hubo menos pérdidas de electrones en la interfaz de CE y electrolito líquido. Y R _rec disminuyó al aumentar el área de superficie específica de los materiales de carbono, lo que finalmente resultó en la reducción de la recombinación de electrones en la interfaz del tinte y el electrolito. Sin embargo, el valor de R _rec para los DSSC basados en Pt fue mucho más bajo que el de los DSSC basados en material de carbono, lo que sugiere que el Pt fue más beneficioso para la transferencia de carga en las interfaces de TiO ₂ / tinte / electrolito, y los materiales de carbono no pudieron reducir rápidamente el \ ({\ mathrm {I}} _ 3 ^ {-} \) en comparación con Pt [39]. La Figura 7c muestra diagramas de Bode para las DSSC compuestas de varios materiales de carbono. La vida útil del electrón ( τ _e ) se puede calcular mediante τ _e =(2π f _máx ) ^{- 1} (donde, f _máx es la frecuencia de pico máxima) [40]. Cuando los MWCNT estaban presentes en los materiales compuestos de carbono, la vida útil de los electrones de los DSSC basados en material de carbono era más larga que la de los DSSC basados en Pt. Esto sugiere que los electrones se difundieron aún más debido a la rápida transferencia de carga de los CE al electrolito líquido a través de los compuestos de carbono MWCNT y MWCNT agregados, que tenían un área de superficie específica inherentemente más alta.

Comparación de a curvas de tensión-densidad de corriente, b Gráficos de Nyquist y c Diagramas de Bode para los DSSC compuestos de varios materiales de carbono y CE basados en Pt

Conclusiones

En este trabajo, examinamos sistemáticamente el efecto de varios materiales de carbono nanoestructurados como reemplazo de Pt en los CE sobre el rendimiento fotovoltaico de los DSSC. Específicamente, los CNP, MWCNT, GF y sus compuestos se apilaron en la superficie de los CE, y el rendimiento fotovoltaico resultante de los DSSC se midió en términos de J _sc , V _oc , FF y PCE. Como resultado, los CNP no eran adecuados para su uso como reemplazo de Pt en los CE de DSSC debido a la formación de estructuras altamente agregadas, lo que resultó en la separación de la película delgada a base de CNP formada de la superficie del vidrio FTO. A diferencia de los CNP, se descubrió que la presencia de MWCNT en los diversos compuestos de carbono promueve eficazmente la transferencia de carga de los CE al electrolito líquido debido a la formación de estructuras MWCNT altamente interconectadas con un área de superficie específica inherentemente alta en la superficie del vidrio FTO. Por lo tanto, los materiales de carbono nanoestructurados especialmente compuestos de MWCNT y compuestos de carbono con MWCNT añadido (por ejemplo, CNP / MWCNT, MWCNT / GF, CNP / MWCNT / GF) son uno de los candidatos prometedores para reemplazar el costoso Pt en los CE de DSSC.