Name: electrospinning of photocatalytic electrodes for dye-sensitized solar cells
Uploaded: 2017-06-28T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 30 s
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Die Autoren haben keine Anerkennung.

1. Vorläuferlösung Vorbereitung HINWEIS: Bitte konsultieren Sie vor dem Gebrauch alle relevanten Sicherheitsdatenblätter (MSDS). Mehrere der in diesem Verfahren verwendeten Chemikalien sind schädlich und / oder giftig für den Menschen. Nanomaterialien können zusätzliche Gefahren im Vergleich zu ihrem Bulk-Gegenstück haben. Bitte die entsprechenden Sicherheitsmaßnahmen und persönliche Schutzausrüstung verwenden. <ol><li> 5 g Titan (IV) n-butoxid, 1 g Polyvinylpyrrolidon (PVP), 1 ml Eisessig und 10 ml absolutem Ethanol in ein Probengefäß geben. </li><li> Verwenden Sie eine magnetische Rührplatte, um die Lösung zu mischen, bis sie homogen geworden ist und keine Blasen beobachtet werden können. </li></ol> 2. Elektrospinnen und Kalzinieren der Nanofasern <ol><li> Die Nadel, die für den Elektrospinnvorgang verwendet wird, vorbereiten, indem man die Spitze einer 21 G-Nadel abschneidet und mit mäßigem Sandpapier abschleift, bis die Spitze vollständig flach ist. </li><li> Montieren Sie die NotwendigkeitLe auf eine Einweg-10-ml-Spritze. </li><li> Legen Sie einige der Vorläuferlösung in die Spritze und legen Sie sie auf die Spritzenpumpe. </li><li> Wickeln Sie die Kollektorplatte in Aluminiumfolie ein und legen Sie sie direkt vor die Nadelspitze. HINWEIS: Der Abstand von der Nadel zur Platte sollte 20 cm betragen. </li><li> Verbinden Sie die Kollektorplatte mit dem Boden und der Nadel mit der Hochspannungsquelle. </li><li> Legen Sie den Schutzschild um das Setup herum. </li><li> Stellen Sie den Durchfluss auf die Spritzenpumpe auf 1 mL / h ein und beginnen Sie zu pumpen. </li><li> Sobald eine Lösung an der Spitze der Nadel erscheint, schalten Sie die Hochspannungsquelle ein und stellen Sie sie auf 15 kV ein. HINWEIS: An diesem Punkt werden Fasern auf dem Teller sammeln. Der Aufbau wird so lange wie nötig gelassen, um die gewünschte Dicke der Fasermatte zu erreichen. </li><li> Nachdem das Spinnen beendet ist, schalten Sie die Hochspannungsquelle und die Spritzenpumpe aus. Entfernen Sie die Folie von der Kollektorplatte. </li><li> Lassen Sie die Fasern ruhen oVernichten und dann die Aluminiumfolie abziehen. </li><li> Legen Sie die abgezogenen Fasern in einen Tiegel und legen Sie sie in einen Muffelofen. </li><li> Kalzinieren der Fasern durch Aufstellen einer Temperaturrampe von 5 ° / min bis 500 ° C und Halten für 2 h zur Entfernung des PVP und zur Herstellung von reinen TiO 2 -Nanofasern. </li><li> Sobald der Kalzinierungsvorgang abgeschlossen ist, lassen Sie den Ofen geschlossen, bis die Temperatur unter 80 ° C reicht, um einen thermischen Schock zu vermeiden, der die Fasern beschädigen könnte. </li></ol> 3. Elektrodenfertigung <ol><li> Vorbereitung der Aufschlämmungen <ol><li> Fügen Sie 500 mg Titandioxid-Paste zu 20 ml Ethanol in einem Rundkolben hinzu. </li><li> In einem separaten Kolben werden 500 mg der elektrogesponnenen TiO 2 -NFs mit weiteren 20 ml Ethanol vermischt. </li><li> Sonate die Lösungen für 2 h mit einem Bad-Sonicator. </li><li> Sobald einheitliche Mischungen erhalten werden, fügen Sie 2 ml Terpineol zu jedem Kolben und Sonate für einAndere 15 min. </li><li> Verdampfe das Lösungsmittel aus beiden Kolben unter Verwendung eines Rotationsverdampfers, um die Aufschlämmungen zu erhalten. </li></ol></li><li> Doktor Blading und Sinterung <ol><li> Mit einem Diamant-Glasschneider einen FTO-leitfähigen Glasschieber in ein 2 cm x 2 cm großes Quadrat schneiden. </li><li> Sichern Sie den FTO-Schieber in den Arbeitsbereich, indem Sie Klebeband auf den Glasschieber legen, so dass ein 0.4-cm 2- Bereich in der Mitte freigelegt wird. Um eine unregelmäßige Beschichtung zu vermeiden, platziere das Band auf zwei parallelen Seiten und dann auf die beiden anderen. </li><li> Legen Sie ein paar Tropfen der TiO 2 -NP-Aufschlämmung auf die exponierte Mitte des Objektträgers auf. </li><li> Verwenden Sie eine Rasierklinge, um die Aufschlämmung gleichmäßig über den exponierten Bereich zu verteilen. </li><li> Sobald eine gleichmäßige Beschichtung erreicht ist, entfernen Sie vorsichtig das Klebeband. </li><li> Den beschichteten Schieber in einen Ofen geben und 2 h bei 500 ° C sintern. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 3.2.2-3.2.6 auf der gleichen FTO-Folie, diesmal mit der TiO 2 -NF-Aufschlämmung anstelle vonDie Nanopartikel, um die Photoanode zu erhalten. </li></ol></li></ol> 4. NF Charakterisierung <ol><li> SEM-Charakterisierung <ol><li> Bereiten Sie die Probe für SEM vor, indem Sie einen Streifen Klebstoff-Klebeband an einen Mikroskopstutzen anschließen. Setzen Sie sorgfältig eine kleine Menge Nanofasern auf das Band. </li><li> Montieren Sie den Stutzen auf einen Probenhalter und legen Sie ihn in die Austauschkammer des Gerätes. </li><li> Stellen Sie die Gerätebedingungen und Parameter ein: Stellen Sie die Beschleunigungsspannung auf 20 kV und den Arbeitsabstand auf 10 mm ein. </li><li> Sammeln Sie Bilder der Probe, um sicherzustellen, dass sie die Gesamtmorphologie des Materials anzeigen. </li></ol></li><li> XRD-Charakterisierung <ol><li> Schütteln Sie einige Nanofasern vorsichtig in ein feines Pulver und breiten sie gleichmäßig auf einer XRD-Stufe aus. </li><li> Legen Sie die Probe in das Diffraktometer ein. </li><li> Stellen Sie die Erfassungsparameter ein: Verwenden Sie einen Startwinkel von 10 °, einen Endwinkel von 80 °, einDa Schrittgröße von 0,015 °. </li><li> Starten Sie die Erfassung der XRD-Daten. </li></ol></li></ol> 5. Solarzellenfertigung <ol><li> Die Photoanode mit einer wässrigen Lösung von TiCl &amp; sub4; bei 75ºC für 45 min behandeln. Nach der Behandlung mit gewaschenem Wasser waschen und trocknen lassen. </li><li> Sensibilisieren Sie die Photoanode, indem Sie sie in einer 0,5 mM Lösung des Rutheniumfarbstoffs N719 in absolutem Ethanol für 24 h unter dunklen Bedingungen eintauchen. </li><li> Legen Sie eine Folie des Siegelfilms auf die sensibilisierte Photoanode, um als thermoplastische Dichtung zwischen dem Photoanode und der Gegenelektrode zu dienen. </li><li> Legen Sie eine Pt-beschichtete FTO-Gegenelektrode mit einem vorgebohrten Loch in der Mitte auf die Oberseite der Siegelfolie, so dass beide Seiten einander zugewandt sind. </li><li> Die zusammengesetzte Zelle 15 min lang auf 100 ° C erhitzen, um die Dichtung abzudichten. </li><li> Ein paar Tropfen eines Redoxmediators, bestehend aus einer Lösung von 1-Propyl-3-methylimidazoliumjodid (0,8 M), Iod (0,1 M),Und Benzimidazol (0,3 M) in 3-Methoxypropionitril, oben auf dem vorgebohrten Loch der Gegenelektrode. </li><li> Legen Sie die Zelle in einen Vakuum-Exsikkator, damit der Redox-Mediator den Innenraum der zusammengesetzten Zelle füllen kann. </li></ol> 6. JV Kurvencharakterisierung <ol><li> Erfassen Sie die JV-Kurven mit einem digitalen Quellzähler unter 100 mW / cm 2 Beleuchtung aus einer Xenon-Bogen-Quelle, die durch ein AM1.5G-Filter geführt wird. </li></ol>

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	<li>O'Regan, B., Gr&#228;tzel, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+low-cost,+high-efficiency+solar+cell+based+on+dye-sensitized+colloidal+TiO2+films.">A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films.</a> Nature. 353 (6346), 737-740 (1991).</li><li>Lee, C. H., Chiu, W. H., Lee, K. M., Hsieh, W. F., Wu, J. 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J., Tune, D. D., Dewi, M. R., Gibson, C. T., Shapter, J. G., Nann, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+TiO2+Nanofiber-Carbon+Nanotube-Composite+Photoanode+for+Improved+Efficiency+in+Dye-Sensitized+Solar+Cells.">A TiO2 Nanofiber-Carbon Nanotube-Composite Photoanode for Improved Efficiency in Dye-Sensitized Solar Cells.</a> ChemSusChem. 8 (20), 3396-3400 (2015).</li><li>Teo, W. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Electrospinning parameters and fiber control. , (2015).</li></ol>

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Die in dieser Arbeit vorgestellten Methoden beschreiben die Herstellung von effizienten nanofaserigen Photoanoden für photokatalytische Geräte wie DSSCs. Electrospinning ist eine sehr vielseitige Technik für die Herstellung von Nanofasern, aber ein gewisses Maß an Geschick und Wissen ist erforderlich, um Materialien mit optimalen Morphologien zu erhalten. Einer der kritischsten Aspekte, um gute Nanofasern zu erhalten, ist die Vorbereitung der Vorläuferlösung: Es gibt einige Schlüsselfaktoren wie die Konzentration...

Dye-sensibilisierte Solarzellen (DSSCs) sind eine interessante Alternative zu Silizium-Solarzellen 1 dank ihrer geringen Kosten, dem relativ einfachen Herstellungsprozess und der Leichtigkeit der Großproduktion. Ein weiterer Vorteil ist ihr Potenzial, in flexible Substrate eingebaut zu werden, ein deutlicher Vorteil gegenüber Silizium-Solarzellen 2 . Ein typischer DSSC nutzt: (1) ein mit einem Farbstoff sensibilisierter nanopartikulärer TiO 2 -Analanode als lichtgewachsene Schicht; (2) eine Pt-beschichtete FTO, die als Gegenelektrode verwendet wird; Und (3) einen Elektrolyten, der ein Redoxpaar wie I - / I 3 - enthält , das zwischen den beiden Elektroden angeordnet ist und als &quot;lochleitendes Medium&quot; arbeitet. Obwohl DSSCs Wirkungsgrade von 15% 3 übertroffen haben, wird die Leistung von Nanopartikel-basierten Photoanoden immer noch durch eine Reihe von Einschränkungen behindert, einschließlich langsamer ElektronenmobilisierungY 4 , schlechte Absorption von niederenergetischen Photonen 5 und Ladungsrekombination 6 . Der Elektronensammelwirkungsgrad hängt stark von der Geschwindigkeit des Elektronentransports durch die TiO 2 -Nanopartikelschicht ab. Wenn die Ladungsdiffusion langsam ist, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit der Rekombination mit I 3 - in der Elektrolytlösung, was zu einem Verlust an Effizienz führt. Es wurde gezeigt, dass das Ersetzen von nanopartikulärem TiO 2 mit eindimensionalen (1D) TiO 2 -Nanoarchitekturen den Ladungstransport durch Verringerung der Streuung von freien Elektronen aus den Korngrenzen der miteinander verbundenen TiO 2 -Nanopartikel 7 verbessern kann. Da 1D-Nanostrukturen einen direkteren Weg zur Ladungssammlung bieten, können wir erwarten, dass der Elektronentransport in Nanofasern (NFs) deutlich schneller als in Nanopartikeln 8 , </sup&gt; 9 Das Elektrospinnen ist eines der am häufigsten verwendeten Verfahren zur Herstellung von Fasermaterialien mit Submikrometer-Durchmessern 10 . Diese Technik beinhaltet die Verwendung von Hochspannung, um den Ausstoß eines Polymerlösungsstrahls durch eine Spinndüse zu induzieren. Aufgrund der Biegeinstabilität wird dieser Strahl anschließend oftmals zu kontinuierlichen Nanofasern gedehnt. In den letzten Jahren wurde diese Technik weitgehend zur Herstellung von polymeren und anorganischen Materialien verwendet, die für zahlreiche und vielfältige Anwendungen wie Tissue Engineering 11 , Katalyse 12 und als Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien 13 und Superkondensatoren verwendet wurden. Die Verwendung von elektrogesponnenen TiO 2 -NFs als Streuschicht in der Photoanode kann die Leistung von DSSCs erhöhen. Allerdings photoanodes mit nanofibroUns Architekturen neigen dazu, eine schlechte Farbstoffabsorption aufgrund von Oberflächenbeschränkungen zu haben. Eine der möglichen Lösungen, um dies zu überwinden, besteht darin, NFs und Nanopartikel zu mischen. Es wurde gezeigt, dass sich zusätzliche Streuschichten ergeben, wodurch die Lichtabsorption und der Gesamtwirkungsgrad verbessert werden. Das in diesem Video präsentierte Protokoll bietet ein einfaches Verfahren zur Synthese von ultralong-TiO 2 -Nanofasern durch eine Kombination von Elektrospinn- und Sol-Gel-Techniken, gefolgt von einem Kalzinierungsverfahren. Das Protokoll veranschaulicht dann die Verwendung der TiO 2 -NFs in Kombination mit nanopartikulärem TiO 2 für die Herstellung eines zweischichtigen Photoanodes mit verbesserter Lichtstreuungsfähigkeit unter Verwendung von Rakeltechniken sowie die anschließende Montage eines DSSC unter Verwendung eines solchen Photoanode

<table><tbody><tr><td>titanium(IV) n-butoxide</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>244112</td><td></td></tr><tr><td>Polyvinylpyrrolidone</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>437190</td><td></td></tr><tr><td>glacial acetic acid</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>A6283</td><td></td></tr><tr><td>Ethanol, absolute</td><td>Fisher Scientific</td><td>E/0650DF/17</td><td></td></tr><tr><td>20 mL Sample vials</td><td>(any)</td><td></td><td>(or larger volume)</td></tr><tr><td>disposable 21G needle</td><td>(any)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>P150 grit sandpaper</td><td>(any)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>disposable 10mL syringe</td><td>(any)</td><td></td><td>(or larger volume)</td></tr><tr><td>magnetic stirrer + stirring bar</td><td>(any)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>PHD 2000 syringe pump</td><td>Harvard Apparatus</td><td>71-2002</td><td>(or any other syringe pump capable of outputting a 1mL/hr flow</td></tr><tr><td>Aluminium foil</td><td>(any)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Stainless steel collector plate</td><td>(custom built)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>High Voltage Power Source</td><td>Gamma High Voltage Research, Inc</td><td>ES30P-10W</td><td>(or any other power supply capable of outputting +15 kV</td></tr><tr><td>Polycarbonate protective shield</td><td>(custom built)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Ceramic crucible</td><td>(any)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Muffle furnace</td><td>(any)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Titanium dioxide, nanopowder</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>718467</td><td></td></tr><tr><td>50 mL 1-neck round bottom flasks</td><td>(any)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>bath sonicator</td><td>(any)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Terpineol</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Rotary evaporator</td><td>(any)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>FTO glass</td><td>Solaronix</td><td>TCO30-10/LI</td><td></td></tr><tr><td>Adhesive tape</td><td>(any)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>razor blade</td><td>(any)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>SEM</td><td>JEOL</td><td>6500F</td><td></td></tr><tr><td>XRD</td><td>PANalytical&amp;nbsp;</td><td>X&#039;pert Pro</td><td></td></tr><tr><td>Titanium Tetrachloride</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>89545</td><td></td></tr><tr><td>Ruthenizer&amp;nbsp; 535-bisTBA</td><td>Solaronix</td><td>N719</td><td></td></tr><tr><td>sealing film</td><td>Dyesol</td><td>Meltonix 1170-25</td><td></td></tr><tr><td>Pt-coated FTO</td><td>Solaronix</td><td>TCO30-10/LI</td><td></td></tr><tr><td>1-propyl-3-methylimidazolium iodide</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>49637</td><td></td></tr><tr><td>Iodine</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>207772</td><td></td></tr><tr><td>benzimidazole</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>194123</td><td></td></tr><tr><td>3-Methoxypropionitrile</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>65290</td><td></td></tr><tr><td>Digital source meter</td><td>Keithley</td><td>2400</td><td></td></tr><tr><td>Solar Simulator</td><td>Abet technologies</td><td>10500</td><td></td></tr></tbody></table>

electrospinning of photocatalytic electrodes for dye-sensitized solar cells

Diese Arbeit veranschaulicht ein Protokoll zur Herstellung eines faserbasierten Photoanodens für farbstoffsensibilisierte Solarzellen, bestehend aus einer lichtstreuenden Schicht aus elektrogesponnenen Titandioxid-Nanofasern (TiO 2 -NFs) auf einer Sperrschicht aus handelsüblichem Titandioxid Nanopartikel (TiO 2 -NPs). Dies wird durch erstes Elektrospinnen einer Lösung von Titan (IV) butoxid, Polyvinylpyrrolidon (PVP) und Eisessig in Ethanol erreicht, um zusammengesetzte PVP / TiO 2 -Nanofasern zu erhalten. Diese werden dann bei 500 ° C calciniert, um das PVP zu entfernen und reine Anatasphasen-Titandioxid-Nanofasern zu erhalten. Dieses Material zeichnet sich durch Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Pulverröntgenbeugung (XRD) aus. Die Photoanode wird hergestellt, indem zuerst eine Sperrschicht durch die Abscheidung einer TiO &amp; sub2; -NPs / Terpineol-Aufschlämmung auf einem mit einem Fluor-dotierten Zinnoxid (FTO) -Glasschlitten unter Verwendung von Rakeltechniken hergestellt wird. Eine anschließende thermische BehandlungWird bei 500 ° C durchgeführt. Dann wird die lichtstreuende Schicht durch Abscheiden einer TiO &amp; sub2; -NFs / Terpineol-Aufschlämmung auf demselben Objektträger unter Verwendung derselben Technik und Calcinieren bei 500ºC gebildet. Die Leistung des Photoanodens wird durch die Herstellung einer farbstoffsensibilisierten Solarzelle getestet und deren Effizienz durch JV-Kurven unter einer Reihe von einfallenden Lichtdichten von 0,25-1 Sun gemessen.

Die TiO 2 -Nanofasern wurden unter Verwendung von SEM, Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) und XRD charakterisiert. Die Nanostruktur des Photoanodes wurde durch SEM charakterisiert. Die Leistung des montierten DSSC wurde mit einem Solarsimulator und einer Quellmesseinheit getestet. Das SEM-Bild in Fig. 1A zeigt, daß die unter Verwendung dieses Protokolls synthetisierten Nanofas...

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Electrospinning of Photocatalytic Electrodes for Dye-sensitized Solar Cells

Das übergeordnete Ziel dieses Projektes war es, das Elektrospinnen zu verwenden, um eine Photoanode mit verbesserter Leistung für farbstoffsensibilisierte Solarzellen herzustellen.

Elektrospinnen von photokatalytischen Elektroden für farbstoffsensibilisierte Solarzellen

This work demonstrates a protocol to fabricate a fiber-based photoanode for dye-sensitized solar cells, consisting of a light-scattering layer made of ...

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Research

JoVE Journal

Engineering

9.6K Aufrufe.  Victoria University of Wellington.  Das übergeordnete Ziel dieses Projektes war es, das Elektrospinnen zu verwenden, um eine Photoanode mit verbesserter Leistung für farbstoffsensibilisierte Solarzellen herzustellen. 

Serie: Electrospinning of Photocatalytic Electrodes for Dye-sensitized Solar Cells

Electrospinning Fundamentals: Optimizing Solution and Apparatus Parameters

Electrospun nanofiber scaffolds have been shown to accelerate the maturation, improve the growth, and direct the migration of cells in vitro. Electrospinning is a process in which a charged polymer jet is collected on a grounded collector; a rapidly rotating collector results in aligned nanofibers while stationary collectors result in randomly oriented fiber mats. The polymer jet is formed when an applied electrostatic charge overcomes the surface tension of the solution. There is a minimum concentration for a given polymer, termed the critical entanglement concentration, below which a stable jet cannot be achieved and no nanofibers will form - although nanoparticles may be achieved (electrospray). A stable jet has two domains, a streaming segment and a whipping segment. While the whipping jet is usually invisible to the naked eye, the streaming segment is often visible under appropriate lighting conditions. Observing the length, thickness, consistency and movement of the stream is useful to predict the alignment and morphology of the nanofibers being formed. A short, non-uniform, inconsistent, and/or oscillating stream is indicative of a variety of problems, including poor fiber alignment, beading, splattering, and curlicue or wavy patterns. The stream can be optimized by adjusting the composition of the solution and the configuration of the electrospinning apparatus, thus optimizing the alignment and morphology of the fibers being produced. In this protocol, we present a procedure for setting up a basic electrospinning apparatus, empirically approximating the critical entanglement concentration of a polymer solution and optimizing the electrospinning process. In addition, we discuss some common problems and troubleshooting techniques.

Electrospinning techniques can create a variety of nanofibrous scaffolds for tissue engineering or other applications. We describe here a procedure to optimize the parameters of the electrospinning solution and apparatus to obtain fibers with the desired morphology and alignment. Common problems and troubleshooting techniques are also presented.

Elektrospinnen Grundlagen: Optimierung Solution und Geräteparameter

Electrospun nanofiber scaffolds have been shown to accelerate the maturation, improve the growth, and direct the migration of cells in vitro. ...

Forschung

Biotechnik

Integrating a Triplet-triplet Annihilation Up-conversion System to Enhance Dye-sensitized Solar Cell Response to Sub-bandgap Light

The poor response of dye-sensitized solar cells (DSCs) to red and infrared light is a significant impediment to the realization of higher photocurrents and hence higher efficiencies. Photon up-conversion by way of triplet-triplet annihilation (TTA-UC) is an attractive technique for using these otherwise wasted low energy photons to produce photocurrent, while not interfering with the photoanodic performance in a deleterious manner. Further to this, TTA-UC has a number of features, distinct from other reported photon up-conversion technologies, which renders it particularly suitable for coupling with DSC technology. In this work, a proven high performance TTA-UC system, comprising a palladium porphyrin sensitizer and rubrene emitter, is combined with a high performance DSC (utilizing the organic dye D149) in an integrated device. The device shows an enhanced response to sub-bandgap light over the absorption range of the TTA-UC sub-unit resulting in the highest figure of merit for up-conversion assisted DSC performance to date.

An integrated device, incorporating a dye-sensitized solar cell and triplet-triplet annihilation up-conversion unit was produced, affording enhanced light harvesting, from a wider section of the solar spectrum. Under modest irradiation levels a significantly enhanced response to low energy photons was demonstrated, yielding a record figure of merit for dye-sensitized solar cells.

Integration einer Triplett-Triplett-Annihilation Up-Conversion-System, um Farbstoffsolarzellantwort auf Sub-Bandgap-Licht Enhance

The poor response of dye-sensitized solar cells (DSCs) to red and infrared light is a significant impediment to the realization of higher photocurrents ...

Ingenieurwesen

Postproduction Processing of Electrospun Fibres for Tissue Engineering

Electrospinning is a commonly used and versatile method to produce scaffolds (often biodegradable) for 3D tissue engineering.1, 2, 3 Many tissues in vivo undergo biaxial distension to varying extents such as skin, bladder, pelvic floor and even the hard palate as children grow. In producing scaffolds for these purposes there is a need to develop scaffolds of appropriate biomechanical properties (whether achieved without or with cells) and which are sterile for clinical use. The focus of this paper is not how to establish basic electrospinning parameters (as there is extensive literature on electrospinning) but on how to modify spun scaffolds post production to make them fit for tissue engineering purposes - here thickness, mechanical properties and sterilisation (required for clinical use) are considered and we also describe how cells can be cultured on scaffolds and subjected to biaxial strain to condition them for specific applications.
Electrospinning tends to produce thin sheets; as the electrospinning collector becomes coated with insulating fibres it becomes a poor conductor such that fibres no longer deposit on it. Hence we describe approaches to produce thicker structures by heat or vapour annealing increasing the strength of scaffolds but not necessarily the elasticity. Sequential spinning of scaffolds of different polymers to achieve complex scaffolds is also described. Sterilisation methodologies can adversely affect strength and elasticity of scaffolds. We compare three methods for their effects on the biomechanical properties on electrospun scaffolds of poly lactic-co-glycolic acid (PLGA).
Imaging of cells on scaffolds and assessment of production of extracellular matrix (ECM) proteins by cells on scaffolds is described. Culturing cells on scaffolds in vitro can improve scaffold strength and elasticity but the tissue engineering literature shows that cells often fail to produce appropriate ECM when cultured under static conditions. There are few commercial systems available that allow one to culture cells on scaffolds under dynamic conditioning regimes - one example is the Bose Electroforce 3100 which can be used to exert a conditioning programme on cells in scaffolds held using mechanical grips within a media filled chamber.4 An approach to a budget cell culture bioreactor for controlled distortion in 2 dimensions is described. We show that cells can be induced to produce elastin under these conditions. Finally assessment of the biomechanical properties of processed scaffolds cultured with or without cells is described.

Electrospun scaffolds can be processed post production for tissue engineering applications. Here we describe methods for spinning complex scaffolds (by consecutive spinning), for making thicker scaffolds (by multi-layering using heat or vapour annealing), for achieving sterility (aseptic production or sterilisation post production) and for achieving appropriate biomechanical properties.

Postproduction Verarbeitung von Elektrogesponnene Fasern für Tissue Engineering

Electrospinning is a commonly used and versatile method to produce  scaffolds (often biodegradable) for 3D tissue engineering.1, 2, 3 Many tissues in vivo ...

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices have used devices prepared by spin coating, a process that is not amenable to large-scale fabrication. This mismatch in device fabrication makes it difficult to translate quantitative results obtained in the laboratory to the commercial level, making optimization difficult. Using a mini-slot die coater, this mismatch can be resolved by translating the commercial process to the laboratory and characterizing the structure formation in the active layer of the device in real time and in situ as films are coated onto a substrate. The evolution of the morphology was characterized under different conditions, allowing us to propose a mechanism by which the structures form and grow. This mini-slot die coater offers a simple, convenient, material efficient route by which the morphology in the active layer can be optimized under industrially relevant conditions. The goal of this protocol is to show experimental details of how a solar cell device is fabricated using a mini-slot die coater and technical details of running in situ structure characterization using the mini-slot die coater.

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Here, we present a protocol to fabricate organic thin film solar cells using a mini-slot die coater and related in-line structure characterizations using synchrotron scattering techniques.

Printing Herstellung von Bulk-Heterosolarzellen und<em&gt; In Situ</em&gt; Morphologie Charakterisierung

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices ...

Digital Printing of Titanium Dioxide for Dye Sensitized Solar Cells

Silicon solar cell manufacturing is an expensive and high energy consuming process. In contrast, dye sensitized solar cell production is less environmentally damaging with lower processing temperatures presenting a viable and low cost alternative to conventional production. This paper further enhances these environmental credentials by evaluating the digital printing and therefore additive production route for these cells. This is achieved here by investigating the formation and performance of a metal oxide photoelectrode using nanoparticle sized titanium dioxide. An ink-jettable material was formulated, characterized and printed with a piezoelectric inkjet head to produce a 2.6 &#181;m thick layer. The resultant printed layer was fabricated into a functioning cell with an active area of 0.25 cm2 and a power conversion efficiency of 3.5%. The binder-free formulation resulted in a reduced processing temperature of 250 &#176;C, compatible with flexible polyamide substrates which are stable up to temperatures of 350 &#730;C. The authors are continuing to develop this process route by investigating inkjet printing of other layers within dye sensitized solar cells.

This paper investigates the suitability of inkjet printing for the manufacturing of dye-sensitized solar cells. A binder-free TiO2 nanoparticle ink was formulated and printed onto a FTO glass substrate. The printed layer was fabricated into a cell with an active area of 0.25 cm2 and an efficiency of 3.5%.

Digitaldruck von Titandioxid für farbstoffsensibilisierte Solarzellen

Silicon solar cell manufacturing is an expensive and high energy consuming process. In contrast, dye sensitized solar cell production is less ...

Electrospinning Fibrous Polymer Scaffolds for Tissue Engineering and Cell Culture

As the field of tissue engineering evolves, there is a tremendous demand to produce more suitable materials and processing techniques in order to address the requirements (e.g., mechanics and vascularity) of more intricate organs and tissues. Electrospinning is a popular technique to create fibrous scaffolds that mimic the architecture and size scale of the native extracellular matrix. These fibrous scaffolds are also useful as cell culture substrates since the fibers can be used to direct cellular behavior, including stem cell differentiation (see extensive reviews by Mauck et al. and Sill et al. for more information). In this article, we describe the general process of electrospinning polymers and as an example, electrospin a reactive hyaluronic acid capable of crosslinking with light exposure (see Ifkovits et al. for a review on photocrosslinkable materials). We also introduce further processing capabilities such as photopatterning and multi-polymer scaffold formation. Photopatterning can be used to create scaffolds with channels and multi-scale porosity to increase cellular infiltration and tissue distribution. Multi-polymer scaffolds are useful to better tune the properties (mechanics and degradation) of a scaffold, including tailored porosity for cellular infiltration. Furthermore, these techniques can be extended to include a wide array of polymers and reactive macromers to create complex scaffolds that provide the cues necessary for the development of successful tissue engineered constructs.

The process of electrospinning polymers for tissue engineering and cell culture is addressed in this article. Specifically, the electrospinning of photoreactive macromers with additional processing capabilities of photopatterning and multi-polymer electrospinning is described.

Elektrospinnen Faserige Polymer Gerüste für Tissue Engineering und Cell Culture

As the field of tissue engineering evolves, there is a tremendous demand to produce more suitable materials and processing techniques in order to address ...

Biologie

Developing Photosensitizer-Cobaloxime Hybrids for Solar-Driven H2 Production in Aqueous Aerobic Conditions

Developing photocatalytic H2 production devices is the one of the key steps for constructing a global H2-based renewable energy infrastructure. A number of photoactive assemblies have emerged where a photosensitizer and cobaloxime-based H2 production catalysts work in tandem to convert light energy into the H-H chemical bonds. However, the long-term instability of these assemblies and the need for hazardous proton sources have limited their usage. Here, in this work, we have integrated a stilbene-based organic dye into the periphery of a cobaloxime core via a distinct axial pyridine linkage. This strategy allowed us to develop a photosensitizer-catalyst hybrid structure with the same molecular framework. In this article, we have explained the detailed procedure of the synthesis of this hybrid molecule in addition to its comprehensive chemical characterization. The structural and optical studies have exhibited an intense electronic interaction between the cobaloxime core and the organic photosensitizer. The cobaloxime was active for H2 production even in the presence of water as the proton source. Here, we have developed a simple airtight system connected with an online H2 detector for the investigation of the photocatalytic activity by this hybrid complex. This photosensitizer-catalyst dyad present in the experimental setup continuously produced H2 once it was exposed in the natural sunlight. This photocatalytic H2 production by the hybrid complex was observed in aqueous/organic mixture media in the presence of a sacrificial electron donor under complete aerobic conditions. Thus, this photocatalysis measurement system along with the photosensitizer-catalyst dyad provide valuable insight for the development of next generation photocatalytic H2 production devices.

Developing Photosensitizer-Cobaloxime Hybrids for Solar-Driven H2 Production in Aqueous Aerobic Conditions

We have directly incorporated a stilbene-based organic dye into a cobaloxime core to generate a photosensitizer-catalyst dyad for photocatalytic H2 production. We have also developed a simple experimental setup for evaluating the light-driven H2 production by photocatalytic assemblies.

Entwicklung von Photosensiatisator-Cobaloxim-Hybriden für die solargetriebene H2-Produktion unter wässrigen aeroben Bedingungen

Developing photocatalytic H2 production devices is the one of the key steps for constructing a global H2-based renewable energy infrastructure. A number ...

Chemie

Fully Automated Centrifugal Microfluidic Device for Ultrasensitive Protein Detection from Whole Blood

Enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) is a promising method to detect small amount of proteins in biological samples. The devices providing a platform for reduced sample volume and assay time as well as full automation are required for potential use in point-of-care-diagnostics. Recently, we have demonstrated ultrasensitive detection of serum proteins, C-reactive protein (CRP) and cardiac troponin I (cTnI), utilizing a lab-on-a-disc composed of TiO2 nanofibrous (NF) mats. It showed a large dynamic range with femto molar (fM) detection sensitivity, from a small volume of whole blood in 30 min. The device consists of several components for blood separation, metering, mixing, and washing that are automated for improved sensitivity from low sample volumes. Here, in the video demonstration, we show the experimental protocols and know-how for the fabrication of NFs as well as the disc, their integration and the operation in the following order: processes for preparing TiO2 NF mat; transfer-printing of TiO2 NF mat onto the disc; surface modification for immune-reactions, disc assembly and operation; on-disc detection and representative results for immunoassay. Use of this device enables multiplexed analysis with minimal consumption of samples and reagents. Given the advantages, the device should find use in a wide variety of applications, and prove beneficial in facilitating the analysis of low abundant proteins.

This protocol demonstrates how to achieve femto molar detection sensitivity of proteins in 10 &#181;L of whole blood within 30 min. This can be achieved by using electrospun nanofibrous mats integrated in a lab-on-a-disc, which offers high surface area as well as effective mixing and washing for enhanced signal-to-noise ratio.

Vollautomatische Schleuder Mikrofluidik-Vorrichtung zur Ultrasensitive Proteindetektion aus Vollblut

Enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) is a promising method to detect small amount of proteins in biological samples. The devices providing a platform ...

High-resolution Patterning Using Two Modes of Electrohydrodynamic Jet: Drop on Demand and Near-field Electrospinning

Electrohydrodynamic (EHD) jet printing has drawn attention in various fields because it can be used as a high-resolution and low-cost direct patterning tool. EHD printing uses a fluidic supplier to maintain the extruded meniscus by pushing the ink out of the nozzle tip. The electric field is then used to pull the meniscus down to the substrate to produce high-resolution patterns. Two modes of EHD printing have been used for fine patterning: continuous near-field electrospinning (NFES) and dot-based drop-on-demand (DOD) EHD printing. According to the printing modes, the requirements for the printing equipment and ink viscosity will differ. Even though two different modes can be implemented with a single EHD printer, the realization methods significantly differ in terms of ink, fluidic system, and driving voltage. Consequently, without a proper understanding of the jetting requirements and limitations, it is difficult to obtain the desired results. The purpose of this paper is to present a guideline so that inexperienced researchers can reduce the trial and error efforts to use the EHD jet for their specific research and development purposes. To demonstrate the fine-patterning implementation, we use Ag nanoparticle ink for the conductive patterning in the protocol. In addition, we also present the generalized printing guidelines that can be used for other types of ink for various fine-patterning applications.

Here, we present a protocol to produce high-resolution conductive patterns using electrohydrodynamic (EHD) jet printing. The protocol includes two modes of EHD jet printing: the continuous near-field electrospinning (NFES) and the dot-based drop-on-demand (DOD) EHD printing.

Hochauflösende Musterung mit zwei Modi der Electrohydrodynamic Jet: Drop-on-Demand und Nahfeld-Elektrospinnen

Electrohydrodynamic (EHD) jet printing has drawn attention in various fields because it can be used as a high-resolution and low-cost direct patterning ...

Vapor Phase Deposition of Electroactive Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) onto Electrospun Commodity Polymer Nanofibers

This study investigates the preparation of polyacrylonitrile (PAN) nanofibers through electrospinning to create highly porous and strong materials for applications in water purification, electrocatalysis, and biomedicine. The uniformly white PAN nanofiber mats were cut into 2 cm x 2 cm coupons to ensure consistency. After electrospinning, these nanofibers were coated with an electroactive polymer (EAP) using chemical vapor deposition, with iron (III) chloride (FeCl3) serving as an oxidant for polymerizing 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT) into poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT). The study examined the impact of different FeCl3 concentrations on PEDOT deposition on the PAN coupons. PEDOT deposition led to an increase in coupon weight. Scanning electron microscopy (SEM) revealed increases in the diameter of the nanofibers treated with increasing FeCl3 oxidant concentration, although higher FeCl3&#160;concentrations caused inter-fiber bridging, implying a concomitant decrease in inter-fiber spacing. Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) was used to confirm the presence of Fe, Cl, and S in the nanofibers, with sulfur content rising with FeCl3&#160;concentration used, suggesting increased PEDOT deposition efficiency with increasing oxidant concentration. Mechanical testing showed that PEDOT-coated PAN fibers had improved tensile strength and toughness in the hydrated state compared to pure PAN nanofibers. These results highlight the crucial role of FeCl3&#160;concentration in influencing the morphology and properties of PAN-PEDOT composites, enhancing their suitability for applications such as water purification, tissue engineering, biosensing, catalysis, and energy storage.

This paper describes a simple technique for coating electrospun PAN nanofibers with electroactive polymers using vapor deposition. The effects of the oxidant FeCl&#8323; on the deposition of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) coatings on PAN were investigated to understand and optimize polymer growth, fiber diameter, and overall mechanical strength of the nanofiber mats.

Dampfphasenabscheidung von elektroaktivem Poly(3,4-ethylendioxythiophen) auf elektrogesponnenen Polymer-Nanofasern

This study investigates the preparation of polyacrylonitrile (PAN) nanofibers through electrospinning to create highly porous and strong materials for ...

Elektrospinnen von photokatalytischen Elektroden für farbstoffsensibilisierte Solarzellen

Zusammenfassung

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