Хитозан — это натуральный полимер, полученный из хитина, который содержится в креветках, омарах и крабах. Хитозан не имеет запаха, не токсичен, биоразлагаем, биосовместим и обладает высокой механической прочностью. Этот биополимер имеет множество потенциальных применений, таких как фармацевтическая и биомедицинская инженерия, промышленность упаковки пищевых продуктов, производство бумаги, текстиля, цемента, тонкой очистки и образования пленки, а также для очистки сточных вод.
Хитозан может применяться в качестве полимерного хозяина в полимерных электролитах (соль, растворенная в высокомолекулярном полимерном растворителе). Однако хитозан плохо растворим и может растворяться только в разбавленных кислотах. Следовательно, хитозан был модифицирован посредством N-фталоилирования с целью улучшения его растворимости. N-фталоилхитозан можно растворить в диметилформамиде (DMF), диметилацетамиде (DMAc), диметилсульфоксиде (DMSO) и пиридине.
В данной работе был приготовлен гелевый полимерный электролит на основе фталоилхитозана, который применяется в солнечных элементах, сенсибилизированных красителем.Сенсибилизированные красителем солнечные элементы (DSSC) имеют потенциал в качестве недорогой более экологичной альтернативы доступным солнечным элементам на основе кремния (Si) на основе полупроводников. В настоящее время кремниевые солнечные элементы достигли эффективности порядка 25% в лабораторных условиях, а коммерческие кремниевые солнечные панели имеют эффективность порядка 15-16%. Эти панели очень дороги из-за потребности в очень чистых кристаллических материалах для изготовления солнечных элементов.
Кроме того, токсичные материалы, используемые при производстве Si, приводят к загрязнению окружающей среды. Поликристаллический Si и другие солнечные элементы на основе тонких пленок сравнительно дешевле, но имеют низкую эффективность.
Менее дорогие солнечные элементы на основе аморфного кремния имеют меньший срок службы, всего около 3-4 лет.С другой стороны, DSSC, которые были представлены Михаэлем Гратцелем из Швейцарии в 1991 году, намного дешевле, поскольку для их работы не требуются монокристаллические материалы. DSSC состоит из более дешевого широкополосного полупроводника, такого как диоксид титана (TiO2), сенсибилизированного красителем для поглощения света, и электролита, содержащего окислительно-восстановительную пару (обычно I- / I3-). TiO2 — нетоксичный материал, широко используемый в косметической промышленности.
Для изготовления DSSC TiO2 наносится на проводящую стеклянную подложку (оксид индия и олова, ITO или оксид олова, легированный фтором, FTO) и формирует нанопористую сеть частиц, которая приводит к увеличению площади поверхности для покрытия красителем. Противоэлектрод представляет собой другое проводящее стекло, покрытое тонким слоем платины. Электролит зажат между рабочим электродом, содержащим сенсибилизированный красителем TiO2, и противоэлектродом.Принцип работы DSSC следующий.
Фотоанод состоит из прозрачного проводящего стекла (TCG), на которое нанесен полупроводник из диоксида титана (TiO2) и пропитан рутениевым красителем. Гель-фталоилхитозановый электролит, который был добавлен с медиаторами, зажат между фотоанодом и противоэлектродом, обычно платиновым.
Молекулы красителя поглощают падающий свет и заряжаются. Это приводит к высвобождению электрона из каждой молекулы красителя.
Электроны проникают в полупроводник TiO2 и покидают ячейку во внешнюю цепь через TCG и, наконец, достигают противоэлектрода. На противоэлектроде медиаторы захватывают электроны и передают их молекулам красителя, которые выпустили электроны после поглощения света. Затем краситель пополняется. Электронный поток завершается, и возникает ток.
Этот процесс продолжается до тех пор, пока не погаснет свет. DSSC, использующий гелевый полимерный электролит N-фталоилхитозана, продемонстрировал высокую эффективность преобразования энергии, составляющую 7-8%.