ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА TiO2 ИСПОЛЬЗУЕМОГО В ПРОИЗВОДСТВЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ К КРАСИТЕЛЯМ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

КРАСИТЕЛЯМ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Д.Х. Шукуров., Жалматова Г.С.

Термезский государственный университет

Аннотация. В статье представлена информация об оптических и фотоэлектрохимических свойствах диоксида титана, который используется в качестве фотокатализатора для чувствительных к красителям солнечных элементов как одного из альтернативных источников энергии. Данные анализа изображений с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) предназначены для описания структуры диоксида титана.

Abstract. The article provides information on the optical and photoelectrochemical properties of titanium dioxide, which is used as a photocatalyst for dye-sensitive solar cells as one of the alternative energy sources. Scanning Electron Microscopy (SEM) image analysis data are intended to describe the structure of titanium dioxide.

Ключевые слова: Солнечный элемент, оптические свойства, чувствительный к красителю солнечный элемент, фотоанод, диоксид титана TiO2, фотокатализатор.

Key words: Solar cell, optical properties, dye-sensitive solar cell, photoanode, titanium dioxide TiO2, photocatalyst.

Введение. Сегодня энергетический кризис-большая проблема для каждой страны мира. Ископаемое топливо по-прежнему является идолом из-за его относительно низкой цены, простоты использования и доступности. Однако, поскольку запасы становятся все меньше, необходимо исследовать и использовать альтернативные источники энергии, особенно экологически чистые и недорогие. Одним из экологически чистых и недорогих источников энергии является солнце. Каждый час солнечный свет падает на Землю, давая энергию, более чем достаточную для удовлетворения глобальных потребностей в энергии на целый год [1,2]. Именно Гратцель и О’Реган в 1991 году первыми представили привлекательный и недорогой СК, а именно сенсибилизированный красителем солнечный элемент (DSSC), основанный на материале TiO2 [3, 4]. Для DSSC был собран TiO2 структуры в качестве полупроводникового материала катода и Pd / Au в качестве катализатора по более низкой цене, чем Pt, и хорошей реакционной способности в отношении восстановления трийодида, сравнимой с Pt и углеродом [5,6]. Помимо полупроводникового материала, краситель также играет важную роль в улучшении характеристик DSSC, поскольку он должен быть в состоянии собрать солнечный свет и перевести его в электрическую энергию. Многие исследования были проведены на DSSC с использованием различных типов красителей, в том числе натуральных и синтетических красителей [7,8]. Основной характеристикой красителя является его способность в поглощение спектра видимого света от красного до синего, что может повысить чувствительность полупроводника с широкой запрещенной зоной материал, пигмента на основе фталоцианина меди был использован в качестве красителя для микросфер на основе TiO2 [9,10,11].

TiO2 наносили центрифугированием поверх прозрачного стекла ITO и прокаливали при 350°C, 450°C и 550°C каждый в течение 1 и 2 часа. Корреляция между структурой и электрическими свойствами материала была проанализирована с использованием сканирующего электронного микроскопа

(СЭМ) [12].

Экспериментальная часть. Для приготовления пасты из диоксида титана 6 г диоксида титана взвешивали на весах TiO2, помещали в ступку и смешивали с 20 мл 96% этанола. Процесс проводили в течение 25 минут, пока смесь не приобрела белый молочный цвет. Мы добавили каплю поверхностно-активного вещества поверх полученного раствора, потому что поверхностно-активное вещество снижает водопроницаемость раствора и в то же время помогает полностью покрыть поверхность стеклянной пластины. Приготовленная паста из диоксида титана покрыта с одной стороны проводящим прозрачным стеклянным (ITO) электродом толщиной 10 микрометров. Каждая поверхность (ITO) покрыта пластиковым клеем шириной 5 мм от края, так что он формуется в слой диоксида титана (TiO2). Затем односторонний электрод из проводящего прозрачного стекла (ITO), покрытый диоксидом титана, нагревали, помещая муфель в печь при 350°С, 450°С, 550°С, на 1 и 2 часа соответственно.

Для приготовления раствора йода в йодиде калия, используемого в качестве материала раствора электролита для чувствительных к красителям солнечных элементов, 0,5 г йодида калия добавляли к 10 мл ацетонитрила и добавляли 0,2 г измельченных кристаллов йода и перемешивали до образования коричневого раствора. Стеклянную пластину, покрытую диоксидом титана и погруженную в раствор фталоцианина меди, вынимают из раствора, промывают сначала дистиллированной водой, а затем раствором этанола и сушат на открытом воздухе. Медь покрыта лицом к лицу со сторонами стеклянной пластины (ITO), сенсибилизированной фталоцианиновым пигментом. (ITO) Два куска прозрачного стекла зажимаются зажимами с противоположных сторон. Раствор электролита попадает в пространство между двумя (ITO) прозрачными бутылями.

Результаты и их обсуждение. На рис-1 показан результат измерения на сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) -изображения наноматериала TiO2, который был покрыт поверх стекла ITO. Наноматериал TiO2 имел сферическую форму (0-D) и был распределен почти равномерно с размером частиц от 0,2 до 0,4 мкм. Некоторые сферы TiO2 слиплись, образуя небольшие кластеры. Более длительное время прокаливания привело к росту частиц.

Рис 1. Показано СЭМ-изображение наноматериала TiO2, нанесенного

на стакан ITO после нагрева.

СЭМ-изображения вторичных электронов наноматериала TiO2, который был нанесен поверх проводящего стекла ITO после прокаливания при (а) 350°C в течение 1часа (b) 350°C в течение 2 часа (c) 450°C в течение 1 часа (d ) 450°C в течение 2 часа (e) 550°C в течение 1 часа (f) 550°C в течение 2 часа.

Тенденция электрических характеристик соответствовала тенденции результатов СЭМ, где образец, прокаленный при 450°C в течение 1часа, позиционировался как образец, который показал самые высокие электрические характеристики, а образец, прокаленный при 550°C в течение 2 часа, как самый низкий.

Общий принцип работы чувствительных к красителю солнечных элементов

Для достижения высокой производительности DSSC важна большая площадь поверхности наноструктуры слоя TiO2, потому что это позволяет адсорбировать достаточно большое количество молекул красителя, необходимых для эффективного преобразования света [13]. Для уменьшения реакции фотопроизведенных электронов с три-йодидом электролита и гарантии хорошей электрической проводимости требуются:

● большая площадь поверхности слоя TiO2;

● хорошие связи между зернами TiO2;

● высокая адгезия к (ITO) -слою.

Базовый рабочий цикл чувствительного к красителю солнечного элемента (DSSC) можно резюмировать следующим образом с помощью фотохимических реакций: Раствор йода в йодиде калия, который отдает электроны красителю, иону йода, восстанавливает электроны через катод. Вот слой S-красителя, hvсвета, полупроводникового оксидного слоя TiO2.

фотоанод: S + hv → S * - поглощение света краситель;

краситель: S * → S + + e– (TiO2) - потеря электронов;

2S + + 3I– → 2S + I3– - восстановление потерянных электронов;

катод: I3– + 2e– (Pt) → 3I– - восстановление потерянного электрона

I3– + 2e– (TiO2) → 3I– + TiO2 - восстановление потерянного электрона

внешний вид процесса в целом: e– (Pt) + hv → e– (TiO2) На Рис 2.

Рис 2. Общий вид чувствительных к красителю солнечных элементов

(DSSC).

Когда солнечный свет проникает через проводящее стекло, краситель (фотосенсибилизатор), чувствительный к солнечному (видимому) свету, поглощает фотон. Электрон красителя будет возбужден и инжектирован в зону проводимости TiO2 и течет через внешний провод к нагрузке (например, лампе). Потеря электрона из красителя будет компенсирована электроном из электролита в результате окислительно-восстановительной реакции йодида (I-), окисленного до трииодида (I3-), и высвобождения электрона. Электрон от нагрузки будет течь обратно в DSSC через противоэлектрод (ITO), покрытый Pd/Au), который каталитически способствует реакции восстановления трииодида электролита (I3- ) в иодид (I-) и повторно используется в процессе преобразования света в

e

e

e

ТiO2

20nm

Kато

д

Ано

д

In2O3:

Sn

P

t

красители 1 nm

e

-

I-

I3

-

e

-

IT

O

e

-

IT

O электрическую энергию в DSSC. Ранее принцип работы и свойства этой солнечной батареи были тщательно изучены Грацелем и О’Реганом. с посохом [14].

Вывод. В этой работе электрические характеристики DSSC были улучшены за счет диоксид титана TiO2 высокой активной поверхности. Как уже упоминалось выше, всякий раз, когда площадь активной поверхности TiO2 увеличивалась, содержание красителя и электролита вместе с проникновением света также увеличивалось, что увеличивало характеристики DSSC. Для DSSC были успешно получены из наноматериала TiO2 со структурой с наивысшей эффективностью, в результате прокаливания ITO, покрытого TiO2, при 450°C в течение 1 часов из-за самой высокой активной поверхности. Несмотря на низкую эффективность, эта работа показала эффективность диоксид титана TiO2 в качестве фотоанод полупроводника для применения DSSC.

Список литературы:

1. Dresselhaus, M.S.,Thomas.I.L., //Alternative energy technologies//.Nature 2001, С. 332–337.

2. Kay A, Grдtzel M., // Low cost photovoltaic modules based on dye sensitized nanocrystalline titanium dioxide and carbon powder //, Sol. Energy Mater. Solor Cells 1996.

3. Riyaz Ahmad Mohamed Ali and Nafarizal Nayan // Fabrication and analysis of dye-sensitized solar cell using natural dye extracted from dragon fruit// International Journal of Integrated Engineering Issue on Electrical and Electronic Engineering 2005. С.61.

4. M. Gratzel. “Dye-sensitized solar cell”. Journal of Photochemistry & Photobiology C4 (2003) С.145.

5. Шукуров Д. Х.,Тураев Х.Х., Каримов М.У., Джалилов А.Т., // химия и биология: электрон.научн. журн. – 2020. – № 11 (77). С.75-81.

6. Zhang Y, Wang L, Liu B, Zhai J, Fan H, Wang D, Lin Y, Xie T., Synthesis Zn-doped TiO2 microspheres with enhanced photovoltaic performance and application for dye –sensitized solar cell, Electrochim. Acta 2011; 56: 6517-23.

7. Chang H, Wu HM, Chen TL, Huang KD, Jwo CS, Lo YJ., Dye-sensitized solar cell using natural dyes extracted from spinach and ipomoea, J. Alloys Comp. 2010; 495: 606-10.

8. Шукуров Д. Х.,Тураев Х. Х., Каримов М.У., Джалилов А.Т., // Изготовление и анализ сенсибилизированных солнечных элементов с использованием пигмента на основе фталоцианина меди // Universum: технические науки: электрон. научн. журн.2020.№ 11(80). С.73-77.

9. Shukurov D.Kh.,Turaev Kh.Kh., Tojiyev P.J., Karimov M.U. Synthesis of Polyaniline Dye Pigment and Its Study in Dye-Sensitive Solar Cells // International Journal of Engineering Trends and Technology (IJETT), –India, 2022. –№ 70(4). –Р. 236-244. Crossref, https://doi.org/10.14445/22315381/IJETT-V70I4P220.

10. Turaev Kh.Kh., Shukurov D.Kh., Djalilov A.T., Karimov M.U. New review of dye sensitive solar cells // International Journal of Engineering Trends and TechnologyIJETT),2021.№69(9).Р.265-271.doi.org/10.14445/22315381/IJETT-

V69I9P232.

11. Шукуров Д.Х., Тураев Х.Х., Каримов М.У., Джалилов А.Т., // технические науки: электрон.научн. журн. – 2020. – № 11 (80).С.78-81.

12. Dilmurod Shukurov, Khayit Turaev, Bakhodir Kholnazarov, Sherzod Kasimov, Zulkhumor Jumaeva and Kholmamat Tillayev. Synthesis of Polyaniline Dye Pigment and Its Study in Dye-Sensitive Solar Cells // International Journal of Engineering Trends and Technology (IJETT), –India, 2023. –№ 71(4). –Р. 453-461. Crossref, https://doi.org/10.14445/22315381/IJETT-V71I4P238.

13. Т. Н. Патрушева // Технологии изготовления компонентов оксидных солнечных батарей // Монография. Красноярск. СФУ. 2015.С 41-42.

14. D. Zhang, J. A. Jonathan, A. Downing et al. // Room-temperature preparation of nanocrystalline TiО2 films and the influence of surface properties on dye-sensitized solar energy conversion // J. Phys. Chem. – 2006. Vol. 110. P. 21890.