Nos gustaría agradecer al Dr. Félix Castellano (BGSU) y Neal NR para las discusiones y recomendaciones valiosas. Agradecemos Obor &quot;Material Redes&quot; del programa y de la Universidad Bowling Green State de apoyo financiero. Este trabajo fue apoyado en parte por la NSF con la beca CHE - 1112227.

1. La síntesis de nanocristales ZnSe Core 8 <ol><li> Colocar 7,0 g AOD y una barra de agitación magnética en un matraz de tres bocas. </li><li> En un matraz separado, se combinan 0,063 g de Se y 2,4 TOP ml y añadir una barra de agitación magnética. La mezcla de TOP y selenio debe ser desgasificado al vacío durante 30 min. </li><li> Degas AOD durante 90 min a 120 ° C, luego poner bajo un flujo de Ar con un extractor de vidrio de ancho. </li><li> AOD calor a 300 ° C y, e inyectar la mezcla de Se. Que la temperatura de retorno a 300 ° C. </li><li> Inyectar 1,0 ml de Et 2 Zn (10% en peso. En hexano) al matraz de reacción y se deja reaccionar a 265 ° C durante alrededor de 3 minutos, o hasta que el pico de absorbancia excitón se desplaza a una longitud de onda deseada (λ = 350-400 nm), en la que quitar el matraz del manto de calentamiento. </li><li> Una vez que la temperatura del matraz de reacción se reduce a ~ 60 ° C, añadir 12 ml de metanol y dividida entre dos tubos de centrífuga de 15-ml, rematando con metanol. Centrifugar durante 5 min y se vierte fuerala fase líquida. Volver a disolver los nanocristales precipitados en tolueno y repetir. </li></ol> 2. El crecimiento de Barras CD en ZnSe Núcleos 9 <ol><li> Combinar 3,0 g TOPO, 0,280 ODPA g, 0,080 g HPA, y 0,090 g CdO y añadir una barra de agitación magnética en un matraz de tres bocas. </li><li> En un matraz separado, se combinan 0,120 g S, y 4,0 ml de TOP y añadir una barra de agitación magnética. </li><li> Degas CdO solución durante 45 min a 150 ° C y TOP durante 45 min a 120 ° C, luego poner bajo un flujo de Ar con tubos de escape de vidrio de ancho. </li><li> Calentar la solución CdO a 380 ° C hasta que se disuelve el CdO y la solución es transparente e incolora. Mientras tanto, calentar la solución de S a 120 ° C hasta que S se disuelve y la mezcla es clara e incolora. </li><li> Agregue todos los ZnSe desde el paso 1 a la solución S. </li><li> Añadir 2,0 ml de TOP a la solución de Cd y dejar que la temperatura de retorno a 380 ° C. Una vez que 380 ° C se alcanza, inmediatamente inyectar la solución de S en la solución de Cd. </li><li>Permita que los nanorods crecer durante 6-9 minutos, incluyendo el tiempo de recuperación de la temperatura, y retire el matraz de la manta calefactora. Cuanto más tiempo la solución se deja en el calor, la más largos de las varillas será. </li><li> El producto puede ser un gel verde, añadir cloroformo a licuar y se dividió en dos viales. </li><li> Nanocristales precipitado en etanol, se vierte la fase líquida, y volver a disolver los precipitados nanocristales en cloroformo. </li></ol> 3. El crecimiento de Pt Consejo sobre Varillas CdS 10 <ol><li> Combinar 0,2 ml de OA, 0,2 ml oleilamina, 10 ml de éter de difenilo, y 43 mg de 1,2-hexadecanodiol y añadir una barra de agitación magnética en un matraz. </li><li> Desgasificar la mezcla durante 1 hora a 80 ° C, luego poner bajo un flujo de Ar y aumentar la temperatura a 200 ° C. </li><li> Añadir una mezcla de varillas de CdS en cloroformo y 20 mg acetilacetonato de Pt (II). Después de 5-7 minutos de la mezcla de reacción a 190 º C, la solución se vuelve negro. Retirar el matraz del fuego. </li><li> Nanocristales precipitado en un 1Mezcla 0:3 de metanol a cloroformo con una centrífuga y se vierte fuera de la fase líquida. Volver a disolver los cristales precipitados en cloroformo y repetición. </li></ol> 4. Intercambio de ligandos con MUA 11 <ol><li> En un vial, dispersar nanorods en 10 ml de cloroformo. </li><li> Añadir 0,1 g MUA a la solución nanorod y sonicar hasta que todo el MUA se disuelve. </li><li> En un vial separado, se disuelven 0,1 g de KOH en 20 ml de agua destilada triple (PST). </li><li> Añadir aproximadamente 5,0 ml de la solución TDW a la solución nanorod y agitar enérgicamente. </li><li> Se centrifuga la mezcla de la etapa 4,4 a 6000 rpm durante 1 min para separar las fases acuosa y orgánica. </li><li> Recoger la parte superior (acuosa) de fase y se añade metanol para lograr una solución que es de 3:1 metanol a agua. </li><li> Se centrifuga la mezcla de la etapa 4,6 a 6000 rpm durante 2 min para precipitar los nanocristales. Se retira la fase líquida y redispersar los cristales precipitados por sonicación en TDW. </li><li> Si el ofase rganic en el paso 4.5 todavía conserva algunos de los colores de la original solución de nanocristales, repita los pasos 4,4 por 4,7. </li></ol> 5. Síntesis de PbS Cores (Adaptado de ref. 12) <ol><li> Combinar 0,49 g de PbO, 18 ODE ml, y 1-16 ml de OA (Dependiendo del tamaño deseado, más los rendimientos OA partículas más grandes) y se añade una barra de agitación magnética en un matraz de tres bocas. </li><li> En un matraz separado, añadir 10 ml ODE y una barra de agitación magnética. </li><li> Degas ambos matraces durante 1 hora a 120 ° C, luego poner bajo un flujo de Ar. </li><li> Calentar la solución Pb a 135 ° C. Mientras tanto, enfriar el matraz que contenía sólo ODE a temperatura ambiente. </li><li> Añadir 0,21 ml de TMS a la ODE temperatura ambiente, a continuación, inyectar la mezcla en la solución de Pb a 135 ° C. </li><li> Calentar la mezcla a 135 ° C durante 1-5 min (dependiendo del tamaño deseado, ya los rendimientos de calefacción partículas más grandes), y colocar en un baño de hielo para enfriar la reacción. </li><li> Nanocristales precipitado en acetona destilada, verter def la fase líquida, y volver a disolver cristales precipitados en tolueno. Repita dos veces más. </li></ol> 6. El crecimiento de CdS Shell en PbS Cores 13 <ol><li> Combinar 1,0 g CdO, 6 ml de OA, y 15 ODE ml y añadir una barra de agitación magnética en un matraz de tres bocas. </li><li> En un matraz separado añadir 20-40 mg de núcleos de PbS disolvió en tolueno y una barra de agitación magnética. </li><li> Calentar la solución CdO a 280 ° C hasta que la solución es clara e incolora, después enfriar a 100 ° C. </li><li> Calentar la solución de PBS a 110 ° C durante no más de 5 min a hervir el exceso, pero no todos, disolvente, a continuación, inyectar la solución de Cd. </li><li> Lentamente calentar la mezcla de reacción a 120-160 ° C (dependiendo del grosor de la cáscara deseado). Para cáscaras más delgadas (1-2 monocapas) detener la reacción inmediatamente después de la inyección de la solución de Cd. </li><li> Una vez que se alcanza la temperatura deseada, enfriar rápidamente la reacción colocando el matraz en un baño de hielo. </li><li> Precipitar los cristales en etanol, pour fuera de la fase líquida, y volver a disolver los cristales precipitados en tolueno. Repita dos veces. En el ciclo final de limpieza, volver a disolver y almacenar los cristales en octano anhidro. </li></ol> 7. Preparación de TiO 2 sobre FTO / sustratos de vidrio <ol><li> Lave a mano el vidrio FTO recubierto con detergente (Alconox) y enjuague con agua desionizada. </li><li> Sonicar el cristal en metanol, acetona, isopropanol y luego, durante 5 min cada uno y seco con un flujo de Ar. </li><li> Colocar el vaso en un baño de 75 mM TiCl 4 en agua desionizada y calor (en el aire) durante 30 min a 70 ° C. </li><li> Enjuague el vaso con agua desionizada y se seca con Ar, entonces el calor (en aire) a 450 ° C durante 1 hora y dejar enfriar a temperatura ambiente. </li><li> Mientras que el vidrio se enfría, se disuelve pasta de TiO 2 Dyesol en terpinol en una proporción de 3:1 en peso. </li><li> Colocar 3 gotas de la mezcla de TiO 2 en el centro del lado FTO de un portaobjetos de vidrio seco que ha sido tratado con un TiCl 4d centrifugado durante 6 segundos a 700 rpm y 1 min a 2.000 rpm. </li><li> Recocer la diapositiva en el aire a 450-500 ° C hasta que la película se vuelve marrón, y luego despejado. </li></ol> 8. Recubrimiento por rotación PbS / CdS en una película <ol><li> Todos los pasos de revestimiento por centrifugación se realizó en una guantera argón. </li><li> Coloque 4-5 gotas de PBS / CD En octanaje (10 mg / ml) en un portaobjetos aún desde el paso 7 y dejar que se reparten hasta el centro comience a secarse, luego girar durante 5 segundos a 600 rpm y después de 15 segundos a 2.500 rpm. </li><li> Colocar 10 gotas de un MPA 1:3: solución de metanol en la diapositiva, cubriendo por completo la superficie, y centrifugado durante 5 segundos a 600 rpm, entonces 15 segundos a 2.500 rpm. </li><li> Lavar la superficie con metanol mediante la colocación de 10 gotas de la diapositiva y girar durante 5 seg a 600 rpm, a continuación, 15 segundos a 2.500 rpm. </li><li> Limpiar la superficie con índice de octano mediante el mismo método que en el paso 8,4. </li><li> Repetir los pasos 8.2-8.5 para cada capa posterior de la película. </li><li> Recocer la película después de cada tercera capa a 150 ° C durante 15 min. La final película debe tener una absorbancia cerca de 1,5 en la longitud de onda del pico de la NC. </li></ol> 9. Recubrimiento por inmersión en PBS / CdS Películas <ol><li> Preparar una solución de 0,43 g de acetato de cadmio en 80 ml de metanol en un vaso de precipitados lo suficientemente grande para sumergir completamente la muestra. </li><li> Preparar una solución de nonahidrato de sulfuro de sodio (Na 2 S • 9H 2 O) en 80 ml ​​de metanol en un vaso de precipitados lo suficientemente grande para sumergir completamente la muestra. </li><li> Sumergir la muestra durante 1 min en el baño de cadmio, y aclarado con metanol. Luego sumergir durante 1 min en el baño Sulfer y enjuagar con metanol. </li><li> Repita los pasos 9,3 hasta los poros están llenos (generalmente 4-8 veces). </li><li> Recocer muestra a 150 ° C durante 15 min. </li></ol> 10. El tratamiento de las películas con CTAB 14 <ol><li> Colocar 0,25 ml de CTAB, se disolvió en metanol, a una concentración de 10 mg / ml, en la película de la etapa 9 y dejar reposar durante 1 min, a continuación, girar a 2.500 rpm durante 30 sec. </li&gt; <li> Lavar el portaobjetos con 10 gotas de metanol y centrifugado hasta que se seque. </li><li> Repita el 10,1 y el 10,2 una vez. </li></ol> 11. Los resultados representativos La evolución de los espectros de absorción y de emisión correspondiente a ZnSe / CdS / NCS Pt durante cada etapa de la síntesis se realiza un seguimiento en la figura 1. Se puede observar que la figura 1b expresa picos de absorbancia a 350 nm y ~ 450 ~, característicos de ZnSe y CdS, respectivamente, y, más notablemente, ahora muestra la aparición de un pico de FL en ~ 550 nm. Esta característica FL es un resultado de la desintegración de emisión excitónicos a través de la película de ZnSe / interfaz CdS. Este tipo II interdominio FL se extingue a continuación por el crecimiento de la punta de Pt (Figura 1c), debido a la rápida inyección del electrón deslocalizado en la fracción de metal. Esta separación de carga ultra rápida permite la utilización de la electrónica para la reducción fotocatalítica de agua. Ligandos hidrófilos MUA se añaden entonces a facilitar the eliminación del agujero desde el dominio de ZnSe, el aumento de la estabilidad mediante la inhibición de la oxidación de la base de semiconductores, lo que permite la reducción sostenida de la energía solar H 2 (Figura 2). Como resultado del agujero de barrido, los ligandos orgánicos se vuelven susceptibles a la fotodegradación, pero esto puede ser mitigado simplemente por la adición de ligandos frescos, como se ve en la Figura 2. Por lo tanto, no la introducción de ligandos hidrófilos sólo hacer que el agua soluble NCs, pero también ajustar la energética del sistema para proteger la nanoestructura en el costo de la facilidad de bajo costo, para sustituir a los tensioactivos orgánicos. Para PBS / CdS nanocristal sólidos, Figura 3a y 3b se muestra un esquema del proceso de fabricación y el dispositivo final. Figura 3c, una imagen TEM de los nanocristales de núcleo / corteza, muestra que los infiltrados CdS uniformemente alrededor del núcleo PBS. El sólido nanocristales se demuestra que es relativamente libre de poros enLa Figura 3d, una imagen SEM de la sección transversal de un dispositivo. Un resultado de la cáscara de crecimiento, que es observable, es un desplazamiento hacia el azul en tanto la absorbancia y picos de emisión. Este cambio se atribuye al núcleo PbS reduciendo a medida que los iones Cd infiltrarse más en el núcleo, y se puede ver en la Figura 4. Un gran incremento en la emisión también se puede ver en la Figura 4, debido a la mayor confinamiento cuántico proporcionado por la carcasa CdS. La capa de CdS no sólo aumenta la emisión, sino que también protege el núcleo, el aumento de la estabilidad térmica del sólido, hasta casi 200 ° C, casi 50 ° C más alta que un sólido PbS nanocristal solo. Las células solares construidos usando esta arquitectura nanocristal sólido no sólo han mostrado mejor estabilidad térmica, pero también se ha demostrado que tienen tensiones de circuito abierto más alta (tan alta como 0,7 V) que las películas relacionadas orgánicamente enlazados. Estas películas también han demostrado una tolerancia mucho mayor a atmósferas de oxígeno, con una duración de sarios días en condiciones atmosféricas normales, sin degradación. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/4296/4296fig1.jpg" /> Figura 1. Propiedades ópticas de heteronanocrystals fabricadas. (A). La absorbancia de los CN ZnSe que muestra una característica excitónica a λ = 390 nm. Vendaje de emisión no se observó para estas muestras. (B). Emisión y absorción de ZnSe / CdS nanorods obtenidas de ZnSe NCs núcleo. (C). Absorbancia de ZnSe / CdS nanorods después de la deposición de Pt. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/4296/4296fig2.jpg" /> Figura 2. Evolución de la producción de hidrógeno en MUA tope ZnSe / CDs / Pt heteronanocrystals. La producción de hidrógeno se reanuda después de la adición de nuevos ligandos a la película de ZnSe / CdS / nanopartículas de Pt. La tasa de producción de H2 (la pendiente de la curva experimental nuevo) después de la adición de ligandos frescos (8-12<html> hr) es aproximadamente la misma que antes de la degradación inicial (0-8 h). <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/4296/4296fig3.jpg" /> Figura 3. Representación esquemática de (a) los pasos involucrados en la fabricación de Nanocrystal sólidos y (b) el dispositivo fotovoltaico final. A continuación se muestran imágenes de SEM de nanocristales (c) PBS / CdS de núcleo / corteza y (d) una vista lateral del sólido nanocristales. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/4296/4296fig4.jpg" /> Cambios Figura 4. En la absorción (parte inferior) y la emisión (parte superior de NCs PbS resultante de la deposición de aproximadamente 1 monocapa de la cáscara de CdS. La contracción del núcleo de PBS desde el intercambio de cationes se refleja como un cambio ≈ 150 nm en tanto espectros. La intensidad de fluorescencia PbS se mejora debido a la formación de tipo 1 heteroestructura. ve_content &quot;fo: keep-together.within-page =&quot; always &quot;&gt; <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/4296/4296fig5.jpg" /> Figura 5. Representación esquemática de la alineación de nivel de energía en un (a) ZnSe / CdS / Pt núcleo / barra / estructuras de punta y (b) estructuras ZnTe / CdS / Pt núcleo / barra / punta. Elección de los materiales adecuados es de vital importancia en estos dispositivos, como los agujeros de CnTe estructuras sembradas sentarse en un nivel de energía que hace que viajar al ligando desfavorable.

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No hay conflictos de interés declarado.

Este estudio demuestra cómo las arquitecturas de compuestos de nanocristales inorgánicos pueden emplearse para lograr una separación espacial de las cargas fotoinducidas. En particular, estos compuestos permiten ajuste fino de la distribución de cargas en los dos dominios, que están entonces disponibles para llevar a cabo cualquiera de las funciones fotocatalítico o fotovoltaica. Por ejemplo, los fotocatalizadores eficientes se puede hacer si los donantes y aceptores de dominios nanocristales están integrados en ...

<table border="1"><tbody><tr><td> Nombre del reactivo </td><td> Empresa </td><td> Número de catálogo </td><td> Comentarios (opcional) </td></tr><tr><td> octadecilamina (AOD), el 90% </td><td> Pescador </td><td> AC12932-0050 </td><td></td></tr><tr><td> selenio (Se), 200 malla </td><td> Acros </td><td> AC19807-2500 </td><td></td></tr><tr><td> tri-n-octilfosfina (TOP), 97% </td><td> Strem </td><td> 15-6655 </td><td> Aire Sensible </td></tr><tr><td> dietil zinc (Et2Zn), 10% en peso. </td><td> Aldrich </td><td> 22080 </td><td> Aire Sensible Sensible a la Luz </td></tr><tr><td> metanol, 99,8%, anhidro </td><td> Aldrich </td><td> 179337 </td><td></td></tr><tr><td> tolueno, 99,8%, anhidro </td><td> Aldrich </td><td> 244511 </td><td></td></tr><tr><td> tri-n-octylphosphine óxido (TOPO), 99% </td><td> Aldrich </td><td> 223301 </td><td></td></tr><tr><td> n-octadecylphosphonic ácido (ODPA), 98% </td><td> PCI Síntesis </td><td> 104224 </td><td></td></tr><tr><td> hexylphosphonic ácido (HPA), el 98% </td><td> PCI Síntesis </td><td> 4721-24-8 </td><td></td></tr><tr><td> óxido de cadmio (CdO), el 99,99% </td><td> Aldrich </td><td> 202894 </td><td></td></tr><tr><td> azufre (S), 99,999% </td><td> Acros </td><td> AC19993-0500 </td><td> Olor fuerte </td></tr><tr><td> 11-mercaptoundecanoico ácido (MUA), 95% </td><td> Aldrich </td><td> 450561 </td><td></td></tr><tr><td> hidróxido de potasio (KOH) </td><td> Acros </td><td> AC13406-0010 </td><td></td></tr><tr><td> cloroformo </td><td> VWR </td><td> EM-CX1059-1 </td><td></td></tr><tr><td> óxido de plomo (PbO), 99,999% </td><td> Aldrich </td><td>32306-1KG </td><td></td></tr><tr><td> 1-octadeceno (ODE), 90% </td><td> Aldrich </td><td> O806-25ML </td><td></td></tr><tr><td> ácido oleico (OA), 90% </td><td> Aldrich </td><td> O1008-1G </td><td></td></tr><tr><td> bis (trimetilsilil) sulfuro (TMS), grado sintética </td><td> Aldrich </td><td> 283134-25G </td><td> Aire sensible olor, fuerte, altamente reactiva </td></tr><tr><td> acetona </td><td> Merck Chemicals </td><td> AX0118-2 </td><td></td></tr><tr><td> acetato de cadmio </td><td> Acros </td><td> AC31713-5000 </td><td></td></tr><tr><td> nonahidrato sulfuro de sodio (Na 2 S • 9H 2 O), el 98% </td><td> Alfa Aesar </td><td> CB1100945 </td><td> Sensible a la luz </td></tr><tr><td> bromuro de hexadeciltrimetil amonio (CTAB), el 99% </td><td> Sigma </td><td> H6269-100G </td><td></td></tr><tr><td> oleilamina, 70% </td><td> Aldrich </td><td> O7805-5G </td><td></td></tr><tr><td> difenil éter </td><td> Alfa Aesar </td><td> 101-84-8 </td><td></td></tr><tr><td> 1,2-hexadecanodiol </td><td> TCI </td><td> 6920-24-7 </td><td></td></tr><tr><td> Pt (II) acetilacetonato, 97% </td><td> Aldrich </td><td> 282782-5G </td><td></td></tr><tr><td> isopropanol, 99,8%, anhidro </td><td> Acros </td><td> AC32696-0025 </td><td></td></tr><tr><td> tetracloruro de titanio (TiCl4), 99,9% </td><td> Aldrich </td><td> 697079-25G </td><td> Extremadamente sensibles al aire </td></tr><tr><td> dióxido de titanio, DSL 90T </td><td> Dyesol </td><td> 90T DSL </td><td></td></tr><tr><td> terpineol </td><td> MP Biomedical </td><td> 98-55-5 </td><td></td></tr><tr><td> Ácido 3-mercaptopropiónico (MPA), 99% </td><td> Alfa Aesar </td><td> A10435 </td><td> Olor fuerte </td></tr><tr><td> octano, anhidro, 99% </td><td> Aldrich </td><td> 412236 </td><td></td></tr></tbody></table>

harvesting solar energy by means of charge-separating nanocrystals and their solids

Conjunción diferentes materiales semiconductores en un solo nano-compuesto proporciona medios sintéticos para el desarrollo de nuevos materiales optoelectrónicos que ofrecen un excelente control sobre la distribución espacial de los portadores de carga a través de interfaces de materiales. Como demuestra este estudio, una combinación de donante-aceptor de nanocristales (NC) dominios en una sola nanopartícula puede conducir a la realización de fotocatalíticos eficientes 1-5 materiales, mientras que un conjunto de capas de donantes y aceptor-como nanocristales películas da lugar a fotovoltaica materiales. Inicialmente, el documento se centra en la síntesis de compuestos de nanocristales inorgánicos, que comprende ZnSe linealmente apilados, CdS, y los dominios de PT, que promueven conjuntamente separación de carga fotoinducida. Estas estructuras se utilizan en soluciones acuosas para la fotocatálisis del agua bajo la radiación solar, lo que resulta en la producción de H 2 de gas. Para mejorar la separación de fotoinducidacargos, una morfología nanorod con un gradiente lineal procedente de un campo eléctrico intrínseco se utiliza 5. La energética entre dominios se optimizan para conducir electrones fotogenerados hacia el sitio catalítico de Pt, mientras que la expulsión de los orificios a la superficie de dominios de ZnSe para la regeneración de sacrificio (a través de metanol). Aquí se muestra que la única manera eficaz de producir hidrógeno es utilizar ligandos donadores de electrones para pasivar los estados de la superficie mediante la regulación de la alineación de nivel de energía en la interfaz semiconductor-ligando. Reducción estable y eficiente del agua es permitido por estos ligandos debido al hecho de que llenar vacantes en la banda de valencia del semiconductor de dominio, la prevención de agujeros energéticos de degradarlo. Específicamente, se muestra que la energía del agujero se transfiere al resto de ligando, dejando el dominio funcional semiconductor. Esto nos permite devolver la totalidad del nanocristal-ligando sistema a un estado funcional, cuando los ligandos son degradados, Por simple adición de ligandos frescos para el sistema 4. Para promover una separación de carga fotovoltaica, se utiliza un compuesto de dos capas sólido de PBS y TiO 2 películas. En esta configuración, los electrones fotoinducida se inyectan en TiO 2 y posteriormente son recogidos por un electrodo FTO, mientras que los agujeros se canalizan a través de un electrodo de Au PbS capa 6. Para desarrollar este último se introduce un semiconductor encapsulado matriz Matrices de nanocristales (Smena) Estrategia, que permite la unión CN PbS en la matriz circundante de semiconductor CdS. Como resultado, los sólidos fabricados presentan una excelente estabilidad térmica, que se atribuye a la estructura heteroepitaxial de nanocristales de matriz de interfaces, y muestra convincente captador de luz desempeño en prototipos de células solares 7.

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Harvesting Solar Energy by Means of Charge-Separating Nanocrystals and Their Solids

Una estrategia general para el desarrollo de la carga de separación de semiconductores compuestos de nanocristales de despliegue para la producción de energía solar se presenta. Se demuestra que el montaje de donante-aceptor dominios de nanocristales en una geometría sola nanopartícula da lugar a una función fotocatalítica, mientras que para cargas masivas de heterouniones de donante-aceptor películas nanocristal puede ser utilizado para la conversión de energía fotovoltaica.

Captación de energía solar por medio de carga de separación nanocristales y sus sólidos

Conjoining different semiconductor materials in a single nano-composite provides synthetic means for the development of novel optoelectronic materials ...

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Research

JoVE Journal

Engineering

14.0K vistas.  Bowling Green State University. Una estrategia general para el desarrollo de la carga de separación de semiconductores compuestos de nanocristales de despliegue para la producción de energía solar se presenta. Se demuestra que el montaje de donante-aceptor dominios de nanocristales en una geometría sola nanopartícula da lugar a una función fotocatalítica, mientras que para cargas masivas de heterouniones de donante-aceptor películas nanocristal puede ser utilizado para la conversión de energía...

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Characterization of Surface Modifications by White Light Interferometry: Applications in Ion Sputtering, Laser Ablation, and Tribology Experiments

In materials science and engineering it is often necessary to obtain quantitative measurements of surface topography with micrometer lateral resolution. From the measured surface, 3D topographic maps can be subsequently analyzed using a variety of software packages to extract the information that is needed.
In this article we describe how white light interferometry, and optical profilometry (OP) in general, combined with generic surface analysis software, can be used for materials science and engineering tasks. In this article, a number of applications of white light interferometry for investigation of surface modifications in mass spectrometry, and wear phenomena in tribology and lubrication are demonstrated. We characterize the products of the interaction of semiconductors and metals with energetic ions (sputtering), and laser irradiation (ablation), as well as ex situ measurements of wear of tribological test specimens.
Specifically, we will discuss:
<ol class="lroman">
	<li>Aspects of traditional ion sputtering-based mass spectrometry such as sputtering rates/yields measurements on Si and Cu and subsequent time-to-depth conversion.</li>
	<li>Results of quantitative characterization of the interaction of femtosecond laser irradiation with a semiconductor surface. These results are important for applications such as ablation mass spectrometry, where the quantities of evaporated material can be studied and controlled via pulse duration and energy per pulse. Thus, by determining the crater geometry one can define depth and lateral resolution versus experimental setup conditions.</li>
	<li>Measurements of surface roughness parameters in two dimensions, and quantitative measurements of the surface wear that occur as a result of friction and wear tests.</li>
</ol>
Some inherent drawbacks, possible artifacts, and uncertainty assessments of the white light interferometry approach will be discussed and explained.

White light microscope interferometry is an optical, noncontact and quick method for measuring the topography of surfaces. It is shown how the method can be applied toward mechanical wear analysis, where wear scars on tribological test samples are analyzed; and in materials science to determine ion beam sputtering or laser ablation volumes and depths.

Caracterización de modificaciones de la superficie de la interferometría de luz blanca: Aplicaciones en Sputtering Ion, ablación con láser y Experimentos Tribología

In materials science and engineering it is often necessary to obtain quantitative measurements of surface topography with micrometer lateral resolution. ...

Investigación

Ingeniería

Fabrication of Nano-engineered Transparent Conducting Oxides by Pulsed Laser Deposition

Nanosecond Pulsed Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas allows the deposition of metal oxides with tunable morphology, structure, density and stoichiometry by a proper control of the plasma plume expansion dynamics. Such versatility can be exploited to produce nanostructured films from compact and dense to nanoporous characterized by a hierarchical assembly of nano-sized clusters. In particular we describe the detailed methodology to fabricate two types of Al-doped ZnO (AZO) films as transparent electrodes in photovoltaic devices: 1) at low O2 pressure, compact films with electrical conductivity and optical transparency close to the state of the art transparent conducting oxides (TCO) can be deposited at room temperature, to be compatible with thermally sensitive materials such as polymers used in organic photovoltaics (OPVs); 2) highly light scattering hierarchical structures resembling a forest of nano-trees are produced at higher pressures. Such structures show high Haze factor (&gt;80%) and may be exploited to enhance the light trapping capability. The method here described for AZO films can be applied to other metal oxides relevant for technological applications such as TiO2, Al2O3, WO3 and Ag4O4.

We describe the experimental method to deposit nanostructured oxide thin films by nanosecond Pulsed Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas. By using this method Al-doped ZnO (AZO) films, from compact to hierarchically structured as nano-tree forests, can be deposited.

La fabricación de nano-ingeniería óxidos conductores transparentes por deposición por láser pulsado

Nanosecond Pulsed  Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas allows the deposition  of metal oxides with tunable morphology, structure, ...

Making Record-efficiency SnS Solar Cells by Thermal Evaporation and Atomic Layer Deposition

Tin sulfide (SnS) is a candidate absorber material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. SnS offers easy phase control and rapid growth by congruent thermal evaporation, and it absorbs visible light strongly. However, for a long time the record power conversion efficiency of SnS solar cells remained below 2%. Recently we demonstrated new certified record efficiencies of 4.36% using SnS deposited by atomic layer deposition, and 3.88% using thermal evaporation. Here the fabrication procedure for these record solar cells is described, and the statistical distribution of the fabrication process is reported. The standard deviation of efficiency measured on a single substrate is typically over 0.5%. All steps including substrate selection and cleaning, Mo sputtering for the rear contact (cathode), SnS deposition, annealing, surface passivation, Zn(O,S) buffer layer selection and deposition, transparent conductor (anode) deposition, and metallization are described. On each substrate we fabricate 11 individual devices, each with active area 0.25 cm2. Further, a system for high throughput measurements of current-voltage curves under simulated solar light, and external quantum efficiency measurement with variable light bias is described. With this system we are able to measure full data sets on all 11 devices in an automated manner and in minimal time. These results illustrate the value of studying large sample sets, rather than focusing narrowly on the highest performing devices. Large data sets help us to distinguish and remedy individual loss mechanisms affecting our devices.

Tin sulfide (SnS) is a candidate material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. Here, we demonstrate the fabrication procedure of the SnS solar cells employing atomic layer deposition, which yields 4.36% certified power conversion efficiency, and thermal evaporation which yields 3.88%.

Haciendo eficiencia Registro SnS Células solares por evaporación térmica y la deposición de capas atómicas

Tin sulfide (SnS) is a candidate absorber material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. SnS offers easy phase control and rapid growth by congruent ...

Integration of Light Trapping Silver Nanostructures in Hydrogenated Microcrystalline Silicon Solar Cells by Transfer Printing

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly known as plasmonic effects, play an important role. Research in this field has, however, been impeded owing to the difficulty of fabricating devices containing the desired functional metal nanostructures. In order to provide a viable strategy to this issue, we herein show a transfer printing-based approach that allows the quick and low-cost integration of designed metal nanostructures with a variety of device architectures, including solar cells. Nanopillar poly(dimethylsiloxane) (PDMS) stamps were fabricated from a commercially available nanohole plastic film as a master mold. On this nanopatterned PDMS stamps, Ag films were deposited, which were then transfer-printed onto block copolymer (binding layer)-coated hydrogenated microcrystalline Si (&#181;c-Si:H) surface to afford ordered Ag nanodisk structures. It was confirmed that the resulting Ag nanodisk-incorporated &#181;c-Si:H solar cells show higher performances compared to a cell without the transfer-printed Ag nanodisks, thanks to plasmonic light trapping effect derived from the Ag nanodisks. Because of the simplicity and versatility, further device application would also be feasible thorough this approach.

A viable transfer printing-based methodology to introduce plasmonic metal nanostructures in solar cells is described. Using nanopillar poly(dimethylsiloxane) stamps, an Ag-based ordered nanodisk array was integrated with standard hydrogenated microcrystalline Si solar cells, which led to improved device performances due to plasmonic light trapping.

Integración de luz de captura de plata de nanoestructuras en células solares de silicio hidrogenado microcristalina por transferencia Impresión

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly ...

Quantitative Hardness Measurement by Instrumented AFM-indentation

In this work, a combination of amplitude-modulated non-contact atomic force microscopy and atomic force spectroscopy is applied for instrumented hardness measurements on an Au(111) surface with atomistic resolution of single plasticity events. A careful experimental procedure is described that includes the force sensor selection, its calibration, the calibration of the cantilever deflection detection system, and the minimization of instrumental drift for accurate and reproducible force-distance measurements. Also, a method for the data analysis is presented that allows the extraction of force-penetration curves from recorded force-distance curves. A typical curve displays a clear elastic deformation regime up to the first plasticity event, or pop-in, with a length in the range of one to two Burger's vectors. Later plasticity events exhibit the same magnitude. The work of plasticity is further extracted from the measurements. Finally, the hardness is determined in combination with the indentation curve using non-contact atomic force microscopy images of the remaining indents.

This experimental protocol describes how atomic force microscopy can be used to measure hardness at the true nanometer scale and to detect single atomistic plasticity events.

Cuantitativa de la dureza de medición por instrumentado AFM-muesca

In this work, a combination of amplitude-modulated non-contact atomic force microscopy and atomic force spectroscopy is applied for instrumented hardness ...

Monovalent Cation Doping of CH3NH3PbI3 for Efficient Perovskite Solar Cells

Here, we demonstrate the incorporation of monovalent cation additives into CH3NH3PbI3 perovskite in order to adjust the optical, excitonic, and electrical properties. The possibility of doping was investigated by adding monovalent cation halides with similar ionic radii to Pb2+, including Cu+, Na+, and Ag+. A shift in the Fermi level and a remarkable decrease of sub-bandgap optical absorption, along with a lower energetic disorder in the perovskite, was achieved. An order-of-magnitude enhancement in the bulk hole mobility and a significant reduction of transport activation energy within an additive-based perovskite device was attained. The confluence of the aforementioned improved properties in the presence of these cations led to an enhancement in the photovoltaic parameters of the perovskite solar cell. An increase of 70 mV in open circuit voltage for AgI and a 2 mA/cm2 improvement in photocurrent density for NaI- and CuBr-based solar cells were achieved compared to the pristine device. Our work paves the way for further improvements in the optoelectronic quality of CH3NH3PbI3 perovskite and subsequent devices. It highlights a new avenue for investigations on the role of dopant impurities in crystallization and controls the electronic defect density in perovskite structures.

Monovalent Cation Doping of CH3NH3PbI3 for Efficient Perovskite Solar Cells

Here, we present a protocol to adjust the properties of solution-processed CH3NH3PbI3 through the incorporation of monovalent cation additives in order to achieve highly efficient perovskite solar cells.

Dopaje de cationes monovalentes de CH<sub&gt; 3</sub&gt; NH<sub&gt; 3</sub&gt; PBI<sub&gt; 3</sub&gt; Para células solares eficientes perovskita

Here, we demonstrate the incorporation of monovalent cation additives into CH3NH3PbI3 perovskite in order to adjust the optical, excitonic, and electrical ...

High Temperature Fabrication of Nanostructured Yttria-Stabilized-Zirconia (YSZ) Scaffolds by In Situ Carbon Templating Xerogels

We demonstrate a method for the high temperature fabrication of porous, nanostructured yttria-stabilized-zirconia (YSZ, 8 mol% yttria - 92 mol% zirconia) scaffolds with tunable specific surface areas up to 80 m2&#183;g-1. An aqueous solution of a zirconium salt, yttrium salt, and glucose is mixed with propylene oxide (PO) to form a gel. The gel is dried under ambient conditions to form a xerogel. The xerogel is pressed into pellets and then sintered in an argon atmosphere. During sintering, a YSZ ceramic phase forms and the organic components decompose, leaving behind amorphous carbon. The carbon formed in situ serves as a hard template, preserving a high surface area YSZ nanomorphology at sintering temperature. The carbon is subsequently removed by oxidation in air at low temperature, resulting in a porous, nanostructured YSZ scaffold. The concentration of the carbon template and the final scaffold surface area can be systematically tuned by varying the glucose concentration in the gel synthesis. The carbon template concentration was quantified using thermogravimetric analysis (TGA), the surface area and pore size distribution was determined by physical adsorption measurements, and the morphology was characterized using scanning electron microscopy (SEM). Phase purity and crystallite size was determined using X-ray diffraction (XRD). This fabrication approach provides a novel, flexible platform for realizing unprecedented scaffold surface areas and nanomorphologies for ceramic-based electrochemical energy conversion applications, e.g. solid oxide fuel cell (SOFC) electrodes.

High Temperature Fabrication of Nanostructured Yttria-Stabilized-Zirconia YSZ Scaffolds by In Situ Carbon Templating Xerogels

A protocol for fabricating porous, nanostructured yttria-stabilized-zirconia (YSZ) scaffolds at temperatures between 1,000 &#176;C and 1,400 &#176;C is presented.

Alta Fabrication Temperatura de-estabilizada con itria-óxido de circonio andamios nanoestructurados (YSZ) por<em&gt; In Situ</em&gt; carbono Templating xerogeles

We demonstrate a method for the high temperature fabrication of porous, nanostructured yttria-stabilized-zirconia (YSZ, 8 mol% yttria - 92 mol% zirconia) ...

Well-aligned Vertically Oriented ZnO Nanorod Arrays and their Application in Inverted Small Molecule Solar Cells

This manuscript describes how to design and fabricate efficient inverted solar cells, which are based on a two-dimensional conjugated small molecule (SMPV1) and [6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester (PC71BM), by utilizing ZnO nanorods (NRs) grown on a high quality Al-doped ZnO (AZO) seed layer. The inverted SMPV1:PC71BM solar cells with ZnO NRs that grew on both a sputtered and sol-gel processed AZO seed layer are fabricated. Compared with the AZO thin film prepared by the sol-gel method, the sputtered AZO thin film exhibits better crystallization and lower surface roughness, according to X-ray diffraction (XRD) and atomic force microscope (AFM) measurements. The orientation of the ZnO NRs grown on a sputtered AZO seed layer shows better vertical alignment, which is beneficial for the deposition of the subsequent active layer, forming better surface morphologies. Generally, the surface morphology of the active layer mainly dominates the fill factor (FF) of the devices. Consequently, the well-aligned ZnO NRs can be used to improve the carrier collection of the active layer and to increase the FF of the solar cells. Moreover, as an anti-reflection structure, it can also be utilized to enhance the light harvesting of the absorption layer, with the power conversion efficiency (PCE) of solar cells reaching 6.01%, higher than the sol-gel based solar cells with an efficiency of 4.74%.

This manuscript describes how to design and fabricate efficient inverted SMPV1:PC71BM solar cells with ZnO nanorods (NRs) grown on a high quality Al-doped ZnO (AZO) seed layer. The well-aligned vertically oriented ZnO NRs exhibit high crystalline properties. The power conversion efficiency of solar cells can reach 6.01%.

Bien alineados verticalmente orientado a ZnO Nanorod matrices y su aplicación en invertida pequeña molécula de las células solares

This manuscript describes how to design and fabricate efficient inverted solar cells, which are based on a two-dimensional conjugated small molecule ...

Indoor Experimental Assessment of the Efficiency and Irradiance Spot of the Achromatic Doublet on Glass (ADG) Fresnel Lens for Concentrating Photovoltaics

We present a method to characterize achromatic Fresnel lenses for photovoltaic applications. The achromatic doublet on glass (ADG) Fresnel lens is composed of two materials, a plastic and an elastomer, whose dispersion characteristics (refractive index variation with wavelength) are different. We first designed the lens geometry and then used ray-tracing simulation, based on the Monte Carlo method, to analyze its performance from the point of view of both optical efficiency and the maximum attainable concentration. Afterwards, ADG Fresnel lens prototypes were manufactured using a simple and reliable method. It consists of a prior injection of plastic parts and a consecutive lamination, together with the elastomer and a glass substrate to fabricate the parquet of ADG Fresnel lenses. The accuracy of the manufactured lens profile is examined using an optical microscope while its optical performance is evaluated using a solar simulator for concentrator photovoltaic systems. The simulator is composed of a xenon flash lamp whose emitted light is reflected by a parabolic mirror. The collimated light has a spectral distribution and an angular aperture similar to the real Sun. We were able to assess the optical performance of the ADG Fresnel lenses by taking photographs of the irradiance spot cast by the lens using a charge-coupled device (CCD) camera and measuring the photocurrent generated by several types of multi junction (MJ) solar cells, which have been previously characterized at a solar simulator for concentrator solar cells. These measurements have demonstrated the achromatic behavior of ADG Fresnel lenses and, as a consequence, the suitability of the modelling and manufacturing methods.

Indoor Experimental Assessment of the Efficiency and Irradiance Spot of the Achromatic Doublet on Glass ADG Fresnel Lens for Concentrating Photovoltaics

The achromatic doublet on glass (ADG) Fresnel lens makes use of two materials with differing dispersion to reduce chromatic aberration and increase attainable concentration. In this paper, a protocol for the complete characterization of the ADG Fresnel lens is presented.

Interior Evaluación Experimental de la eficiencia y el punto de irradiación de la doblete acromático en vidrio (ADG) lente de Fresnel para concentrar la energía solar fotovoltaica

We present a method to characterize achromatic Fresnel lenses for photovoltaic applications. The achromatic doublet on glass (ADG) Fresnel lens is ...

Developing High Performance GaP/Si Heterojunction Solar Cells

To improve the efficiency of Si-based solar cells beyond their Shockley-Queisser limit, the optimal path is to integrate them with III-V-based solar cells. In this work, we present high performance GaP/Si heterojunction solar cells with a high Si minority-carrier lifetime and high crystal quality of epitaxial GaP layers. It is shown that by applying phosphorus (P)-diffusion layers into the Si substrate and a SiNx layer, the Si minority-carrier lifetime can be well-maintained during the GaP growth in the molecular beam epitaxy (MBE). By controlling the growth conditions, the high crystal quality of GaP was grown on the P-rich Si surface. The film quality is characterized by atomic force microscopy and high-resolution x-ray diffraction. In addition, MoOx was implemented as a hole-selective contact that led to a significant increase in the short-circuit current density. The achieved high device performance of the GaP/Si heterojunction solar cells establishes a path for further enhancement of the performance of Si-based photovoltaic devices.

Here, we present a protocol to develop high-performance GaP/Si heterojunction solar cells with a high Si minority-carrier lifetime.

Desarrollo de células solares de alto rendimiento brecha/Si Heterojunction

To improve the efficiency of Si-based solar cells beyond their Shockley-Queisser limit, the optimal path is to integrate them with III-V-based solar ...