Loading...
Fabrication and Characterization of Dye-Sensitized Solar Cells based on the hybrids of Multi Wall Carbon Nanotube and Nanostructured TiO2
Mokarami Ghartavol, Hajar | 2017
1197
Viewed
- Type of Document: Ph.D. Dissertation
- Language: Farsi
- Document No: 53371 (07)
- University: Sharif University of Technology
- Department: Materials Science and Engineering
- Advisor(s): Afshar, Abdollah; Mohammadi, Mohammad Reza
- Abstract:
- This study presents a facile sol-gel template-assisted route to prepare CNT-TiO2 hybrid structures (CTH) for dye-sensitized solar cell (DSSC) applications. Non-covalent functionalized multi-walled carbon nanotubes (CNTs) with average diameter of 80 nm are used as the template for TiO2 deposition. The X-ray diffraction reveals that the hybrid structures are composed of primary anatase TiO2 nanoparticles with the average crystallite size of 12 nm, after heat treatment at 450°C in air atmosphere. TEM and FESEM images show that the shell thickness of the coated TiO2 on CNTs’ outmost walls varies between 60 to 120 nm, when the ratio of CNTs:TiO2 is 10wt. %. Photovoltaic measurements demonstrate that the introduction of CNT-TiO2 hybrid structures into nanocrystalline TiO2 photoanodes improves the power conversion efficiency (PCE) of DSSCs as a result of increasing conductivity and thus the short circuit current density (JSC). The DSSC containing 0.3 wt. % CNT-TiO2 shows the highest PCE of 7.94% compared with 5.81% for DSSCs made of pure TiO2 nanoparticles. Then, CNT template is removed by oxidation process at 600°C and carbon derived TiO2 nanotubes (TTs) are formed. FESEM and X-Ray diffraction analyses reveal that synthesized TTs are uniform with nanocrystallite size of 17 nm. The maximum JSC of 17.96 mA.cm-2 and the efficiency of 8.23% are achieved by adding 5 wt.% TTs to TiO2 nanoparticles in photoelectrodes. To further PCE enhancement, Nb-doped TiO2 photoelectrodes with different atomic ratios of 0-4 at. % Nb, as well as Zn-doped TiO2 photoanodes in the range of 0-1 at.% Zn, are decorated with TTs to investigate photovoltaic performance of DSSCs. XPS reveals that Nb+5 and Zn2+ ions are well doped in TiO2 lattice without any secondary phases. The maximum PCE of 7.87% and 7.52% are obtained for 3 at.% Nb and 0.75 at.% Zn, respectively. In addition, different percentages of TTs (0-20 wt. %) are added to the optimal Nb and Zn-doped TiO2 electrodes. The highest amount of cell efficiency of 9.02% and 8.47% are obtained for Nb and Zn doped electrodes through adding of 5 wt. % TTs, respectively. It is concluded that a mixture of 3 at. % Nb dopant with 5 wt. % TT has the highest PCE amongst the cells due to electron injection and transportation, and light scattering enhancement. The results indicate that the mixture of CNT-TiO2 hybrids and TTs in conventional TiO2 nanoparticle photoelectrodes can highly improve the energy conversion efficiency of DSSCs
- Keywords:
- Dye Sensitized Solar Cells ; Titanium Nanotube Arrays (TNA) ; Titanium Oxide-Carbon Nanotube (Tio2-CNT) ; Niobium Doping ; Zinc Doping ; Multi-Walled Carbon Nanotube
-
محتواي کتاب
- view
- تاريخ:........................................................
- تقدیم به
- تشكر و قدرداني
- چکیده
- فهرست مطالب
- فهرست جدولها
- فهرست شکلها
- جدول علائم اختصاری
- فصل 1 مقدمه
- فصل 2 مروری بر منابع تحقیق
- 2-1 ساختار و اجزای سلول خورشیدی رنگدانهای
- 2-2 اصول و مکانیزم عملکرد سلول خورشیدی رنگدانهای
- 2-3 مکانیزمهای انتقال بار در سلول خورشیدی رنگدانهای
- 2-4 مکانیزمهای افزایش راندمان تبدیل انرژی در سلول خورشیدی رنگدانهای
- 2-5 اصلاح و بهبود نانوساختارهای TiO2 از طریق نانولولههای کربنی
- 2-6 بررسی ساختارهای تک بعدی TiO2 بر عملکرد و خصوصیات سلول خورشیدی رنگدانهای
- 2-7 اثر آلایش کاتیونهای فلزی در ساختار TiO2 بر خواص سلول DSSC
- 2-8 هدف و نوآوری پژوهش
- فصل 3 روش تحقیق
- 3-1 مواد و تجهیزات
- 3-2 فرایند سنتز هیبرید CNT-TiO2 (CTH)
- 3-3 عملیات حرارتی کلسیناسیون (آنیل) هیبرید CTH
- 3-4 تهیه نانولوله TiO2 (TT) با استفاده از هیبرید CTH
- 3-5 تهیه نانوذرات TiO2
- 3-6 آلایش کاتیونهای فلزی در ساختار TiO2
- 3-7 گروههای انتخابی فوتوآند بر پایه نانوذرات TiO2 برای ساخت سلول DSSC
- 3-8 ساخت سلول خورشیدی رنگدانهای (DSSC)
- 3-9 مشخصهیابی
- فصل 4 تحلیل نتایج
- 4-1 فرایند تشکیل ساختار هیبریدی CNT-TiO2 (CTH)
- 4-1-1 بررسیهای طیفسنجی FTIR
- 4-1-2 بررسی میکروسکوپ الکترونی FESEM نانولوله کربنی و هیبرید CNT-TiO2 پس از سنتز
- 4-1-3 بررسی میکروسکوپ الکترونی عبوری TEM و HRTEM هیبرید CNT-TiO2 پس از سنتز
- 4-1-4 بررسی و تعیین ساختار بلوری هیبرید CNT-TiO2 پس از سنتز
- 4-1-5 مطالعه رفتار حرارتی هیبرید CNT-TiO2 پس از سنتز
- 4-1-6 بررسی آنالیز عنصری (EDX) هیبرید CNT-TiO2 پس از سنتز
- 4-2 عملیات حرارتی کلسیناسیون (آنیل) هیبرید CNT-TiO2
- 4-2-1 بررسی میکروسکوپ الکترونی FESEMهیبریدCNT-TiO2 پس از عملیات حرارتی
- 4-2-2 بررسی میکروسکوپی HRTEM هیبریدهای CNT-TiO2 پس از عملیات حرارتی
- 4-2-3 بررسی ساختار بلوری هیبریدهای CNT-TiO2 پس از عملیات حرارتی
- 4-2-4 بررسی آنالیز عنصری (EDX) هیبرید TiO2-CNT پس از عملیات حرارتی
- 4-2-5 بررسی آنالیز رامان هیبرید CNT-TiO2 پس از عملیات حرارتی
- 4-2-6 بررسی طیفسنجی XPS هیبرید CNT-TiO2
- 4-2-7 بررسی خواص نوری هیبرید CNT-TiO2
- 4-2 سنتز و مشخصه یابی ساختار نانولوله TiO2 (TT) مشتق شده از هیبرید83F
- 4-3-1 بررسی میکروسکوپ الکترونی FESEM نانولولههای TiO2 (TT)
- 4-3-2 بررسی میکروسکوپ الکترونی عبوری TEM و HRTEM نانولوله TiO2 (TT)
- 4-3-3 بررسی و تعیین ساختار بلوری نانولوله TiO2 (TT)
- 4-3-4 بررسی آنالیز عنصری EDX نانولوله TiO2 (TT)
- 4-3-5 بررسی آنالیز رامان نانولوله TiO2 (TT)
- 4-3-6 مطالعه سطح ویژه نانولوله TiO2 (TT)
- 4-3-7 بررسی خواص نوری نانولولههای TiO2 مشتق شده از هیبرید CNT-TiO2
- 4-4 مطالعه خواص متالورژیکی و نوری شبکه TiO2 آلایش شده با کاتیونهای Nb+5
- 4-5 مطالعه خواص متالورژیکی و نوری شبکه TiO2 آلایش شده با کاتیونهای Zn2+
- 4-6 مطالعات ساخت و بررسیهای میکروسکوپی و ضخامتسنجی فوتوآندهای TiO2
- 4-7 مطالعه خصوصیات فوتوولتاییک ساختارهای هیبرید CNT-TiO2 و مشتقات آن
- 4-7-1 بررسی تاثیر افزودن هیبرید CNT-TiO2 بر خواص فوتوولتائیک سلول خورشیدی DSSC با فوتوآند پایه نانوذرات TiO2
- 4-7-2 بررسی تاثیر افزودن نانولوله TiO2 حاصل از هیبرید بر خواص فوتوولتائیک سلول خورشیدی DSSC با فوتوآند پایه نانوذرات TiO2
- 4-7-3 بررسی خواص فوتوولتائیک سلول خورشیدی DSSC با فوتوآند پایه نانوذرات TiO2 آلایش شده با Nb حاوی نانولوله TiO2 حاصل از هیبرید
- 4-7-4 بررسی خواص فوتوولتائیک سلول خورشیدی DSSC با فوتوآند پایه نانوذرات TiO2 آلایش شده با Zn حاوی نانولوله TiO2 حاصل از هیبرید
- 4-1 فرایند تشکیل ساختار هیبریدی CNT-TiO2 (CTH)
- فصل 5 نتیجهگیری و پیشنهادها
- مراجع