BIO-FOTOVOLTAICA CONVERSIÓN DISPOSITIVO HECHO DE QUITOSANO NANOFIBRAS Y VARIEDADES DE NATURAL PIGMENTOS

En este estudio, la antocianina naturales pigmentos, beta caroteno, clorofila, y la curcumina, extraído de col roja, zanahoria, el jacinto de agua y la cúrcuma, respectivamente, fueron utilizados como colorantes sensibilizados en un dispositivo de conversión de Bio-fotovoltaica (BPV), y la energía eficiencias de conversión () se compararon. Los fotoelectrodos fueron diseñados para usar varias capas fotoactivas hechos de TiO2 poroso o un nuevo TiO2: Interfaz de nanofibras. Las nanofibras se prepararon por una solución de quitosano electrospinning, una solución de PVA (poli (alcohol vinílico)), y su mezcla a diferentes condiciones. Análisis de un microscopio electrónico de barrido (SEM) mostró que la formación y la densidad de nanofibras aumentan con el aumento de cantidad de PVA. El más alta se observó en células solares que utilizan antocianina extraído de col roja. Al considerar las capas fotoactivas hechas de TiO2: nanofibras preparados a partir de la mezcla entre 1,2% de quitosano en ácido acético y 8% de PVA en solución acuosa en la proporción de 1: 1. w / w ([1.2Chitosan] + [8PVA]), que elevó los hasta 5,3 veces más alto que el TiO2 solo. Por lo tanto, la utilización de nanofibras de quitosano junto con la aplicación de tintes naturales tiene el potencial de aumentar

de BPVS.

INTRODUCCIÓN

La célula fotovoltaica Grätzel fue desarrollado por primera vez por el científico suizo Michel Grätzel y sus colegas en la década de 1990 como un dispositivo que utiliza pigmentos orgánicos para convertir la energía de la luz en corriente continua [1]. Tales células son ahora conocidos como células solares sensibilizadas por colorante (DSSCs), que por lo general están hechos de un pigmento ópticamente activo encerrado entre dos electrodos adecuados. Un dispositivo de conversión de bio-fotovoltaica (BPV) aquí se define como orgánico-inorgánico DSSC híbrido, que representa el estado de la técnica para la conversión de energía de bajo costo, así como para minimizar el impacto ambiental. La base de este tipo interesante de DSSC implica el acoplamiento entre las moléculas de TiO2 y moléculas de tinte orgánico para producir electrones fotogenerados [1,2]. Siguen siendo el objeto de la investigación y el desarrollo competitivo para aplicaciones de conversión de energía [3,4].

Un número de moléculas orgánicas puede absorber una parte muy importante del espectro solar visible (400 - 700 nm), que representa el 60% de todo el

espectro de energía solar. Por ejemplo, la clorofila a y b, que actúan como fotosensibilizadores puros en la fotosíntesis de las plantas verdes, cada uno tiene 2 picos de absorción alrededor de 425 nm y 662 y 463 y 645 nm, respectivamente [5]. La antocianina son moléculas orgánicas que pertenecen al grupo de bioflavonoides cuya diferencia de energía entre el último estado de llenado, llamado el orbital molecular ocupado más alto (HOMO) y el primer estado vacía, el más bajo orbital molecular desocupado (LUMO), se corresponde bien con la banda prohibida de un semiconductor (alrededor de 2,2 eV a 2,4 eV) y parece demostrar picos de absorción entre 520ºC - 560 nm [6]. Pigmentos en el carotenoide grupo, como carotenos, xantofilas y zeaxantina, puede actuar como pigmentos antena en el fotosistema I y II mediante la absorción de la parte restante de la luz visible entre 400 a 530 nm, y que ayuda a las plantas para maximizar la eficiencia de recolección de luz en ambientes naturales [5] . Todo esto promueve la idea de las células fotovoltaicas de moléculas orgánicas basadas siendo ideal para la absorción de la luz visible.

Al igual que las células solares de estado sólido convencionales, DSSCs separar la función de absorción de la luz por el transporte de portadores de carga. Sin embargo, en DSSCs, el último se genera cuando los fotones son absorbidos por colorantes orgánicos, la inyección de electrones en la banda de conducción de los semiconductores de tipo n TiO2 [1,7,8]. Los electrones fluyen hacia el electrodo de vidrio conductor a través de la red de TiO2 y siguen el contraelectrodo a través de un circuito externo. Los colorantes recuperar los electrones que se transfirieron desde el contraelectrodo por reacción redox, el proceso que debe ser facilitado por cualquiera de los electrolitos sólidos o líquidos. Una de las posibles causas que afectan la eficiencia baja conversión en BPVS es la recombinación de carga interfacial entre el recubrimiento semiconductor poroso (TiO2) en las moléculas de electrodos y colorantes. Se ha informado de que este inconveniente podría ser suprimida mediante la inserción de una capa aislante entre el semiconductor y el colorante [9,10]. Por otro lado, muchos grupos han mejorado en lugar de contacto entre el colorante y el semiconductor al aumentar el número de grupos carboxílicos en las estructuras de tinte. Esto es porque los grupos carboxílicos más, la capacidad de un mejor anclaje entre el colorante y el semiconductor, y por lo tanto la mejor inyección de electrones [11,12]. Sin embargo, no todos los pigmentos naturales contienen grupos carboxílicos en sus estructuras, y esto podría prohibir a un costo tan bajo y medioambiental- tinte amigos como la clorofila para entrar fabricación intoBPV.

Las nanofibras son fibras ultrafinas, tan delgada como varios nanómetros, preparados a partir de diversos tipos de polímeros orgánicos (por ejemplo, ADN, el colágeno y el quitosano) e inorgánicos (por ejemplo, alcohol polivinílico y polivinilpirrolidona). Las nanofibras se hicieron muy valiosa por sus características sorprendentes, como superficiales muy grandes proporciones

de área-volumen y alta porosidad con tamaños muy pequeños poros. Por lo tanto, nanofibras pueden ser materiales prometedores para muchas aplicaciones biomédicas, tales como órganos artificiales, ingeniería de tejidos, prótesis médicas, vendaje de heridas, la composición farmacéutica, la administración de fármacos, y así sucesivamente. Una de las técnicas que son ampliamente utilizados para la preparación de nanofibras se llama "electrospin". Esta técnica implica principalmente la aplicación de la fuerza de repulsión electrostática para superar la fuerza de tensión superficial de la solución de polímero que gotea de una punta de una aguja en un campo eléctrico. El resultado es un filamento continuo extremadamente fino, con una rápida evaporación simultánea [13].

Por electrospinning solución de quitosano, nanofibras de quitosano se depositan con éxito en óxido de indio y estaño

(ITO) sustratos. Entonces, polioxometalato enzima (α- [P2W18O62]) 6- se inmovilizan sobre el electrodo modificado para crear un biosensor para el nitrito (NO -) de detección de [14]. Aquí, los autores proponen un depósito de nanofibras en el TiO2 poroso para producir una nueva interfaz de semiconductores (TiO2: nanofibras). Las nanofibras no sólo actúan como capas de aislante entre los semiconductores y los tintes, pero probablemente mejorar la capacidad de adherirse entre tintes naturales no carboxílicos y las capas fotoactivas así.

Además, el rendimiento de varios BPVS preparados a partir de variedades de pigmentos naturales (fotoactivos extracto de lombarda, zanahoria, el jacinto de agua y la cúrcuma) que hacen contacto con el nuevo TiO2: se reportan interfaz de nanofibras. Microscopía electrónica de barrido (SEM) de análisis se utiliza para estudiar la morfología superficial de la TiO2 y TiO2: películas de nanofibras.

MATERIALES Y MÉTODOS

PREPARACIÓN DE SENSIBILIZADORES DE COLORANTES NATURALES

Los extractos alcohólicos de col roja y el resultado de la cúrcuma en antocianinas y la curcumina, mientras que los extractos de acetona de jacinto de agua y el resultado de zanahoria en la clorofila y el caroteno beta, respectivamente. Extracción de pigmentos se obtiene según los siguientes pasos: la carne limpia de col roja, zanahoria, jacinto de agua, y la cúrcuma se seca a 40 C en un horno de secado al vacío y luego triturado en un fractionlet. Las materias primas se ponen en cualquiera de 95 wt.% Solución de etanol o acetona y se mantienen en temperaturas ambiente, sin exposición a la luz solar directa, para extraer tintes naturales en la solución de manera

adecuada. Los residuos sólidos se filtraron y las soluciones de colorantes naturales se concentran a un cuarto con un evaporador rotatorio a 40 C. Después de eso, las soluciones de sensibilizador colorante natural, ya sea en alcohol o acetona son preparado. Los espectros de absorción de la solución del extracto se llevó a cabo con espectrofotómetro (Jasco V- 530) de barrido 400-800 nm.

PREPARACIÓN DE BPVS

La pasta de TiO2 se prepara mezclando 5 g de polvo de TiO2 con 12 cm3 de solución de polietilenglicol (6% en peso en agua); a continuación, la pasta de TiO2 se reviste sobre el vidrio conductor (SnO2 dopado con F FTO,, resistencia de la lámina es 8 / cm2) por la técnica de la pintura de la pantalla, que cubre el área de la película de 0,5 × 2 cm2, con un espesor de aproximadamente 50 micras, y es seguido por sinterización a 450 C durante 1 h con una velocidad de calentamiento de 5 C / min. La capa de semiconductores en los fotoelectrodos se fabrica mediante recubrimiento por rotación con el nanofibras de quitosano y PVA en 4 condiciones, llamado 1.2Chitosan, [1.2Chitosan] + [8PVA], [1.2Chitosan + 8PVA] y 8PVA, donde 1.2Chitosan es TiO2 + nanofibras de quitosano 1,2% w / w en ácido acético, [1.2Chitosan] + [8PVA] es TiO2 + nanofibras de una mezcla entre el mismo quitosano 1,2% w / v y PVA 8% w / v en solución acuosa en una proporción de 1: 1, [1.2Chitosan + 8PVA] es TiO2 + nanofibras preparada disolviendo tanto el quitosano y PVA en ácido acético para alcanzar una concentración final de 1,2% de quitosano y PVA 8% w / v, y 8PVA es TiO2 + nanofibras de PVA 8 % w / v en solución acuosa.

Para una muestra de control [TiO2], TiO2 se proyectará en el cristal del conductor sin la fabricación de nanofibras. En cada condición, las muestras se sumergen en soluciones de colorantes o bien extraídas de col roja, zanahoria, jacinto de agua y la cúrcuma durante 3 h. Electrospinning experimentos se llevan a cabo con los parámetros aparato como el descrito por el siguiente: la solución polimérica se coloca en una jeringa de 5 ml adjunto con una punta de aguja hipodérmica que apunta hacia abajo. Un alambre de cobre conectado al electrodo positivo está conectado con la punta de la aguja de metal cuando una placa colectora de cobre con los fotoelectrodos colocados sobre el mismo está conectado a la tierra. Para evitar la excesiva caída solución polimérica sobre los fotoelectrodos debido a la fuerza de la gravedad, la placa colectora se inclina 45 y se coloca a 1 cm de distancia de una línea de base vertical. Se emplea una fuente de alimentación de alta tensión para generar el campo eléctrico. El voltaje aplicado y la distancia de punta a colector se fijan en 19 kV y 10 cm, respectivamente. Las nanofibras de quitosano resultantes se secan a temperatura ambiente antes de su una mayor investigación.

El electrodo contador es un vidrio térmicamente platinado conductor (5 mM H2PtCl6 en solución de acetona, se sinteriza a 450 ° C sobre un substrato de vidrio conductor durante 1 h). El electrodo fotoelectrodo y el contador se incorpora en una célula solar de tipo sándwich de capa fina, con una lámina de película PARA grueso como un espaciador. La solución de electrolito, una mezcla de 0,03 MI2 + 0,3 MLII en un nitrilo acetona, se encapsula entre los electrodos fotoelectrodo y el contador. Las características fotoelectroquímicos de BPVS son probados bajo la luz solar simulada en 1,5 AM producida por un simulador solar (Solar Light Co., modelo XPS 400) con una potencia radiante de 100 mW / cm2 (emitida desde 400 W Xenon lámpara de arco corto). La densidad de corriente frente a características de tensión se mide con un voltaje de DC y fuente de corriente que está interconectado y controlado por un ordenador. La densidad de corta corriente (CCM), voltaje de circuito abierto (Voc), factor de llenado (FF) y la eficiencia fotoconversión general () se determina a partir de las curvas de riesgo compartido.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Espectros de absorción de colorantes sensibilizadores naturales

La figura 1 muestra los espectros de absorción UV-VIS de extracto de col roja, el jacinto de agua, la zanahoria, y la cúrcuma. Se puede observar que el pico de absorbancia de col roja (522 nm), el jacinto de agua (410, 664 nm), zanahoria (501 nm) y la cúrcuma (421 nm) correspondía bien con los pigmentos naturales de antocianinas, clorofila, beta-caroteno, y la curcumina, respectivamente [15].

Figura 1

Los espectros de absorción de los extractos de col roja y la cúrcuma en solución 95% de

alcohol y el jacinto de agua y zanahoria en una solución de acetona. La barra de color muestra el color correspondiente en el espectro visible solar.

La antocianina es el componente principal de algunos tintes naturales, y por lo general expresa color fuerte en varias partes de las plantas, que van desde las frutas, las flores y las hojas. Debido antocianina muestra de color en el rango de la luz visible del rojo al azul, que promete convertirse en un sensibilizador altamente eficiente para los semiconductores de banda prohibida ancha [16].

La clorofila y caroteno beta 2 pigmentos fotosintéticos comunes ampliamente encuentran en las plantas terrestres. Su función es captar la energía de fotones utilizados para impulsar el transporte de electrones en la reacción de la luz de la fotosíntesis. Se ha informado de que tanto los pigmentos se utilizan juntos como colorantes sensibilizados en los DSSCs para imitar el transporte de electrones fotosintética observado en las plantas con resultados satisfactorios [17].

La curcumina es un antioxidante y ampliamente utilizado en la medicina tradicional. Debido a su fuerte color amarillo-naranja, que fue utilizado como aditivo alimentario para proporcionar color comestible para numerosos tipos de cocina [18]. Recientemente, la curcumina fue utilizado como un tinte sensibilizado en DSSCs y produjo con éxito una densidad de corriente de 0,53 mA / cm2, con una eficiencia de conversión de 0,41% [19]. Cuando la curcumina fue modificado mediante la adición de dos grupos carboxílicos en su estructura, se convirtió en un nuevo colorante fotoactivo con un fuerte apego superficie [20].

Morfología de fotoelectrodos y tintes naturales sensibilizados

Figuras 2a - e muestran topografías SEM de la película de TiO2 y los nuevos TiO2: interfaces de nanofibras. La morfología de la superficie de la deposición de nanofibras (Figuras 2b - e) es bastante distinguible de la de los semiconductores de TiO2 desnudos (Figura 2a). Es evidente que la solución de quitosano solo no pudo formar nanofibras (Figura 2b), mientras que el quitosano / PVA mezclar con éxito produjo las nanofibras de TiO2 en una placa (Figuras 2c, d). El quitosano es un derivado de la quitina, el segundo más abundante polisacárido natural junto a la celulosa, que está incrustado en la matriz de proteína de una pluma de calamar o una concha de crustáceo [21]. Es ampliamente aceptado que electrospinning de quitosano puro es difícil debido a su alta tensión superficial [13]. A superar este problema, se recomienda para disolver el quitosano en una alta concentración de ácido acético para reducir la fuerza de la tensión superficial. El protocolo descrito en la literatura fue seguido, pero no logró producir nanofibras de quitosano (Figura 2b). Esto se debe probablemente al aparato de electrospinning en-casa

construida no ser capaz de producir fuerzas de repulsión electrostáticas suficientemente altas como para iniciar la formación de nanofibras de quitosano (19 kV, 40 kV en comparación con en la literatura). La mezcla entre el quitosano y polímeros de cadena larga, tales como PVA, PEG (polietilenglicol) y ácido trifluoroacético (TFA), se informó para formar finas nanofibras [14,22,23] y aquí nanofibras de quitosano fueron producidos con éxito mediante la adición de PVA a solución de quitosano. Al duplicar la cantidad de PVA en la mezcla polimérica ([1.2Chitosan 8PVA +] en comparación con [1.2Chitosan] + [8PVA]), la densidad de nanofibras de quitosano compuestos aumentó drásticamente (Figuras 2d, c). espectro.

Figura 2 micrografías SEM de fotoelectrodos (a) TiO2, (b) 1.2Chitosan, (c) [1.2Chitosan] + [8PVA], (d) [1.2Chitosan + 8PVA] y (e) 8PVA, así como la morfología de colorantes naturales en la antocianina fotoelectrodos (f), (g) de beta-caroteno, (h) clorofila y (i) la curcumina.

Figuras 2f - i son micrografías SEM que muestra la morfología de todos los tintes naturales en este experimento, y revelar que las partículas de todos los colorantes eran en la magnitud de micrómetros.

Propiedades fotoeléctricas de DSSCs preparados a partir de diferentes capas fotoactivas

Pruebas fotovoltaicos de BPVS utilizando diferentes tipos de capas fotoactivas en los fotoelectrodos se llevaron a cabo mediante la medición de las curvas características de JV (Figura 3). Además, las pruebas se llevaron a cabo con diferentes tipos de colorantes naturales extraídos de las plantas mencionadas anteriormente. Las curvas de JV indicaron que todos BPVS preparados en este proyecto fueron, obviamente, capaz de generar fotocorriente, aunque estaban en la magnitud de mA (Figura 3). La minúscula cantidad de fotocorriente

observado aquí es típico de cualquier BPVS han sido obtenidas de los tintes naturales en otros lugares. Por ejemplo, beta caroteno, clorofila, y la antocianina, se han reportado para producir una fotocorriente de 0,35, 0,43 y 0,65 mA, respectivamente, cuando se reviste sobre TiO2 porosa [17,24,25].

Figura 3 La densidad de corriente frente a la curva de tensión de BPVS preparados con diversos colorantes, (a) antocianina, (b) beta caroteno, (c) la clorofila y (d) la curcumina.

Se midieron y calcularon los parámetros fotoeléctricas de BPVS preparados a partir de diferentes fotoelectrodos, así como diferentes naturales, tintes; los resultados se resumen en la Tabla 1.

De la Tabla 1, todos los parámetros calculados fotoeléctricas se pueden ver en detalle. Por ejemplo, el factor de llenado (FF) de la mayoría de BPVS intervalo de 0,3 - 0,4; esto se considera que es muy baja en comparación con la literatura [2,9,10]. La eficiencia de conversión () Se debe prestar atención a, y esto se comparó de acuerdo a los tipos de capas fotoactivas. Los resultados muestran que la nueva interfaz de nanofibras de TiO2: aumentó significativamente más que por la película de TiO2 solo en el caso de colorante antocianina (Tabla 1,). En contraste, la nueva interfaz causó una reducción en en comparación con el TiO2 solo en el caso de tinte de la clorofila (). En aras de la comparación conveniente, los valores se presentan en forma de gráfico de barras (Figura 4).

Tabla 1 Parámetros Fotoelectricos de BPVS preparados por diferentes capas fotoactivas y sensibilizados por diferentes tintes naturales.

tinte sensibilizador

capas fotoactivas

La antocianina

Betacaroteno

clorofila

La curcumina

* Cada valor se calculó dividiendo la eficacia de fotoconversión de cada capa fotoactiva por la eficiencia del control (TiO2). La flecha indica la dirección de la diferencia en la eficiencia de fotoconversión entre cada capa fotoactiva y el

control en cada colorante. = Mayor que el control, = inferior a la de control y = igual al control.

Figura 4 la eficiencia de conversión de energía () de BPVS preparados a partir de diversos colorantes (a) de antocianina, (b) beta caroteno, (c) la clorofila y (d) la curcumina.

En general, BPVS que utilizan antocianinas como colorantes sensibilizados mostraron el mayor en comparación con otros tintes naturales (Figura 4). La razón de la alta puede ser debido a la alta estabilidad de extracto de antocianina in vitro. Según Jenshi roobha et al. extracto de antocianina tiene 4 estructuras diferentes que están en equilibrio, cationes flavilio, bases quinoidal, pseudobase carbinol y chalcona. Observaron que la antocianina purificada en solución acuosa puede mantener sus propiedades ópticas a temperatura tan alta como 30 C de pH 6,0 a 7,0 a la luz [26], una condición ambiental similar experimentada por colorantes sensibilizada durante la prueba fotoeléctrica. Los investigadores sugirieron que esta condición era posiblemente en favor de la construcción de cationes flavilio, la estructura que es altamente tolerante a la descomposición causada por la hidrólisis [26]. Al considerar el nuevo TiO2: nanofibras en cada gráfico (Figura 4), tendido a ser más alta en el caso de [1.2Chitosan] + [8PVA] seguido de [1.2Chitosan + 8PVA], 1.2Chitosan y 8PVA, respectivamente. Los resultados indican que el quitosano ayudó a aumentar independientemente de la morfología capa fotoactiva, mientras PVA tendió a reducir . PVA causó la reducción de y puede ser el resultado de su alta solubilidad en agua. Es probable que las nanofibras de PVA perdieron su nanoestructura cuando está en contacto con un electrolito soluble en agua durante la prueba fotoeléctrica, lo que lleva a una baja . Esta explicación está respaldada por el hecho de que el PVA es un polímero hidrófilo por lo que su gel acuoso ha sido ampliamente utilizado en muchas industrias debido a su fácil preparación, así como sus beneficios versátiles [27,28]. En el caso de colorante curcumina, ningún efecto de las capas fotoactivas en se observó (Figura 4d). Debido a que la curcumina tiene tal alta capacidad de fijación, es posible que la curcumina puede unirse a cualquier tipo de capa fotoactiva y penetrar a cualquier profundidad de la misma. Se ha demostrado previamente que la curcumina se une fuertemente a la proteína humana a través de enlaces de hidrógeno, que era un resultado de la deslocalización de la carga en su estructura [29]. Se presume que un fenómeno similar ocurrió aquí entre la curcumina y la nueva interfaz en las capas fotoactivas.

CONCLUSIONES

BPVS prepara a partir de la nueva TiO2: Interfaz de nanofibras genera éxito de electricidad, con la densidad de fotocorriente más alto de 0,42 mA / cm2 si se utiliza con tintes de antocianina. El más alto se observaron en la nueva interfaz a partir de [1.2Chitosan] + [8PVA] nanofibras en un valor de 0,089%, es decir, 5,37 veces mayor que los que utilizan la película de TiO2 poroso solo. Por lo tanto, la utilización de las nanofibras de quitosano junto con colorante antocianina natural tiene el potencial de aumentar de BPVS.

AGRADECIMIENTOS

Este proyecto fue patrocinado por el Consejo de Investigación Nacional de Tailandia (NRCT) para Siriwat B (contrato no. PYO 008/2552). Los autores también agradecen al Departamento de la Universidad de Chiang Mai y Universidad de Khon Kaen Física por su amable asistencia y el acceso a sus laboratorios.

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