קצירת אנרגיה סולארית באמצעות תשלום פרדת Nanocrystals והמוצק שלהם

Summary

אסטרטגיה כללית לפיתוח של הפרדת תשלום מרוכבים מוליכים למחצה ננו פריסה לייצור אנרגיה סולארית מוצגת. אנו מראים כי הרכבה של תחומי התורם acceptor ננו בגיאומטרית nanoparticle אחת מעורר פונקצית הפוטו, בעוד בתפזורת-heterojunctions של-acceptor תורם ננו סרטים יכול לשמש להמרת אנרגית פוטו.

Abstract

התלכדות חומרים מוליכים למחצה שונים באחת ננו מרוכבים מספקת אמצעים סינטטיים לפיתוח של חומרים חדשים אופטו מציעים שליטה מעולה על ההתפלגות המרחבית של נושאי מטען על פני ממשקי חומר. כמחקר זה מדגים, שילוב של תחומי התורם acceptor ננו (NC) בnanoparticle אחת יכול להוביל למימוש ^1-5 חומרים photocatalytic יעילים, תוך הרכבה שכבתית של סרטי תורם וnanocrystals acceptor הדמוי מעוררת פוטו חומרים.

תחילה העבודה מתרכזת בסינתזה של nanocrystals האורגני המורכב, הכוללת ZnSe נערם באופן ליניארי, תקליטורים, ותחומי Pt, שמשותף לקדם תשלום הפרדת photoinduced. מבנים אלה נמצאים בשימוש בתמיסות מימיות לphotocatalysis של מים מתחת לקרינת שמש, וכתוצאה מכך הייצור של ₂ H גז. כדי לשפר את ההפרדה של photoinducedחיובים, מורפולוגיה nanorod עם שיפוע ליניארי שמקורם שדה חשמלי פנימי משמשת ^5. האנרגטיקה בין התחום אז מותאמת לנהוג אלקטרוני photogenerated כיוון האתר הקטליטי Pt תוך גירוש החורים אל פני השטח של תחומי ZnSe להתחדשות הקרבה (באמצעות מתנול). כאן אנו מראים כי הדרך היעילה רק כדי לייצר מימן היא להשתמש ligands אלקטרונים תורמים לpassivate מדינות פני השטח על ידי כוונון יישור רמת האנרגיה בממשק מוליכים למחצה יגנד. ירידה יציבה ויעילה של מים מותרת על ידי ligands אלה בשל העובדה שהם ממלאים משרות פנויות בפס הערכיות של תחום המוליכים למחצה, מניעת חורים אנרגטיים מזה משפיל. באופן ספציפי, אנו מראים כי האנרגיה של החור מועברת למחצית יגנד, עוזבת את תחום המוליכים למחצה פונקציונלי. זה מאפשר לנו להחזיר את המערכת כולה ננו-יגנד למצב תפקודי, כאשר ligands מפורק, פשוט על ידי הוספת ligands הטרי למערכת ^4.

כדי לקדם את תשלום הפרדת פוטו, אנו משתמשים מוצקים דו שכבתיים משולבים של ₂ סרטי PBS ודוד. בתצורה זו, אלקטרוני photoinduced מוזרקים Tio ₂ ולאחר מכן נאספים על ידי אלקטרודה FTO, ואילו חורים מועברים לאלקטרודה Au דרך PbS ⁶ שכבה. כדי לפתח את האחרונים אנחנו מציגים במערכי סמיקונדקטור מטריקס Encapsulated ננו אסטרטגיה (SMENA), המאפשרת NCS PbS מליטה לתוך המטריצה ​​שמסביב של מוליכים למחצה תקליטורים. כתוצאה מכך, מוצקים מפוברקים תערוכת יציבות תרמית מעולה, שיוחסו למבנה heteroepitaxial של ממשקי ננו מטריצה, ולהראות ביצועי אור קצירה משכנעים בתאי אב טיפוס שמש ^7.

Protocol

1. סינתזה של Nanocrystals Core ZnSe ⁸

1. המקום 7.0 גרם ODA ובר סערה מגנטית לתוך בקבוק צוואר 3.
2. בבקבוק נפרד, לשלב 0.063 גרם Se וTOP 2.4 מ"ל ולהוסיף פס מגנטי ומערבבים. התערובת של טופ וסלניום יש degassed תחת ואקום למשך 30 דקות.
3. דגת ODA עבור 90 דקות ב 120 מעלות צלזיוס, ואז לשים תחת זרימה ערה עם פליטת זכוכית רחבה.
4. החום ODA עד 300 מעלות צלזיוס ו, ולהזריק תערובת Se. בואו החזרת טמפרטורה עד 300 ° C.
5. להזריק 1.0 מ"ל של Et ₂ Zn (10% על ידי WT. בקסאן) לבקבוק התגובה ולאפשר להגיב על 265 מעלות צלזיוס במשך כ 3 דקות, או עד לשיא ספיגת אקסיטון עובר לאורך גל רצוי (λ = 350-400 ננומטר), שעליו להסיר את הבקבוקון ממעטפת החימום.
6. ברגע שהטמפרטורה של בקבוק התגובה יורדת ל ~ 60 ° C, להוסיף מתנול ופיצול בין שני צינורות צנטריפוגות 15-מיליליטר מ"ל 12, שמלא את עם מתנול. צנטריפוגה למשך 5 דקות ויוצקים אתהשלב הנוזלי. Redissolve את nanocrystals זרז בטולואן וחזור.

2. צמיחה של מוטות CDS על ZnSe ⁹ ליבות

1. שלב 3.0 גרם topo, גרם ODPA 0.280, 0.080 גרם HPA, וגרם CDO 0.090 ולהוסיף פס מגנטי סערה בבקבוק צוואר 3.
2. בבקבוק נפרד, לשלב 0.120 גרם S, ו -4.0 TOP מ"ל ולהוסיף פס מגנטי ומערבבים.
3. פתרון CDO דגה ל45 דקות ב 150 מעלות צלזיוס, וביותר ל45 דקות ב 120 מעלות צלזיוס, ואז לשים תחת זרימה ערה עם מפלטי זכוכית רחבים.
4. מחמם את פתרון CDO עד 380 מעלות צלזיוס עד שCDO נמס ופתרון הוא ברור וחסר צבע. בינתיים מחמם את פתרון S עד 120 מעלות צלזיוס עד שS נמס והתערובת בהירה וחסרת צבע.
5. הוסף כל ZnSe של שלב 1 לפתרון S.
6. הוסף 2.0 מ"ל של TOP לפתרון Cd ולתת תמורה לטמפרטורת 380 ° C. לאחר 380 ° C הוא הגיע, מחדיר את תמיסת S מייד לפתרון Cd.
7. לאפשר את nanorods לגדול עבור 6-9 דקות, כולל זמן התאוששות הטמפרטורה, ולהסיר את הבקבוקון ממעטפת החימום. עוד הפתרון שנותר בחום, ארוך יותר את המוטות תהיינה.
8. מוצר עשוי להיות ג'ל ירוק, להוסיף כלורופורם לנזל והתפצל לשני בקבוקונים.
9. nanocrystals המשקע באתנול, יוצק את נוזל השלב, וredissolve את nanocrystals זרז בכלורופורם.

3. צמיחה של Pt טיפ על מוטות תקליטורים ¹⁰

1. שלב 0.2 המ"ל OA, 0.2 המ"ל oleylamine, אתר 10 מ"ל diphenyl, ו 43 מ"ג 1,2-hexadecanediol ולהוסיף פס מגנטי סערה בבקבוק.
2. דגת התערובת במשך שעה 1 ב 80 ° C, ואז לשים תחת זרימה ערה ולהגדיל טמפ עד 200 מעלות צלזיוס
3. הוסף תערובת של מוטות תקליטורים בכלורופורם וacetylacetonate 20 מ"ג Pt (השני). לאחר דקות של 5-7 תגובת התערובת להיות ב190 מעלות צלזיוס, הפתרון יהפוך שחור. הסר את הבקבוקון מהחום.
4. nanocrystals משקע ב1תערובת של מתנול 00:03 לכלורופורם בצנטריפוגה ויוצקת את נוזל השלב. Redissolve זרזו את הגבישים בכלורופורם וחזור.

4. בורסת יגנד עם ¹¹ MUA

1. בבקבוקון, לפזר nanorods בכלורופורם 10 מ"ל.
2. הוסף 0.1 גרם MUA לפתרון nanorod וsonicate עד שכל MUA נמס.
3. בבקבוקון נפרד ממסים 0.1 גרם KOH במי 20 מ"ל משולשים מזוקקים (TDW).
4. הוסף כ 5.0 מ"ל של פתרון TDW לפתרון nanorod ולנער במרץ.
5. צנטריפוגה את התערובת מהצעד 4.4 ב6000 סל"ד ל1 דקות כדי להפריד בין השכבות המימיות ואורגניות.
6. לאסוף את השלב העליון (מימי) ולהוסיף מתנול כדי להשיג פתרון שהוא 03:01 מתנול למים.
7. צנטריפוגה את התערובת מצעד 4.6 ב6000 סל"ד עבור 2 דקות לnanocrystals משקע. יוצק את נוזל השלב וredisperse הגבישים זרזו ידי sonicating בTDW.
8. אם oשלב rganic בשלב 4.5 עדיין שומר על חלק מהצבע של ננו הפתרון המקורי, חזור על שלבים 4.4 עד 4.7.

5. סינתזה של PBS ליבות (מעובד מתוך נ"צ. ¹²⁾

1. שלב 0.49 גרם PBO, יודה מ"ל 18, והמ"ל OA 1-16 (בהתאם לגודל רצוי, יותר תשואות OA חלקיקים גדולים יותר) ולהוסיף פס מגנטי סערה בבקבוק צוואר 3.
2. בבקבוק נפרד, מוסיף 10 מ"ל יודה ובר סערה מגנטית.
3. דגת שתי הצלוחיות לשעה 1 ב120 מעלות צלזיוס, ואז לשים תחת זרימה ערה.
4. מחמם את תמיסת Pb עד 135 ° C. בינתיים, לקרר את הבקבוק שהכיל רק יודה לטמפרטורת חדר.
5. הוסף 0.21 TMS מ"ל ליודה טמפרטורת החדר, ולאחר מכן מזריק את התערובת לתוך תמיסת Pb ב 135 ° C.
6. מחמם את התערובת ב135 מעלות צלזיוס במשך 1-5 דקות (תלוי בגודל רצוי, תשואות חלקיקי חימום ארוכים יותר גדולים יותר), ומקום לתוך אמבט קרח כדי להרוות את התגובה.
7. nanocrystals המשקע באצטון המזוקק, יוצק שלf נוזלי, וredissolve גבישים זרזו בטולואן. חזור עוד פעמים.

6. צמיחה של התקליטורים Shell ב PBS ליבות ¹³

1. שלב 1.0 גרם CDO, 6 המ"ל OA, ויודה מ"ל 15 ולהוסיף פס מגנטי סערה בבקבוק צוואר 3.
2. בבקבוק נפרד להוסיף 20-40 מ"ג ליבות PBS מומס בטולואן ובר סערה מגנטית.
3. מחמם את פתרון CDO עד 280 מעלות צלזיוס עד שהפתרון הוא ברור וחסר צבע, אז מגניב עד 100 ° C.
4. מחמם את הפתרון PBS עד 110 מעלות צלזיוס למשך לא יותר מ 5 דקות לרתיחה את העודף, אבל לא כולם, ממס, ואז מחדיר את תמיסת Cd.
5. לאט לחמם את תערובת תגובה ל120-160 מעלות צלזיוס (בהתאם לעובי הקליפה הרצוי). לפגזים דקים (1-2 monolayers) להרוות את התגובה מייד לאחר ההזרקה של תמיסת Cd.
6. ברגע שהגיעה לטמפרטורה רצויה, להרוות את התגובה על ידי נחת הבקבוק באמבט קרח.
7. גבישי משקע באתנול, Pour את השלב הנוזלי, וredissolve הגבישים זרזו בטולואן. חזור פעמים. על מחזור ניקוי סופי, redissolve ולאחסן את הגבישים ביוקטנו נטול מים.

7. הכנה של Tio ₂ ב FTO / זכוכית מצעים

1. תן לשטוף את הזכוכית המצופית FTO עם חומר ניקוי (Alconox) ולשטוף עם מי deionized.
2. Sonicate הזכוכית במתנול, אצטון, אז isoproponal, במשך 5 דקות כל אחד ויבש עם זרימה ערה.
3. הנח את הכוס באמבט של 75 מ"מ TiCl ₄ במים וחום deionized (באוויר) למשך 30 דקות ב 70 ° C.
4. יש לשטוף את הזכוכית במי deionized ויבש עם אר, ולאחר מכן חום (באוויר) ב450 מעלות צלזיוס במשך שעה 1 ומצנן לטמפרטורת חדר.
5. בעוד הזכוכית מתקררת, לפזר רסק Dyesol Tio ₂ בterpinol ביחס 3:1 לפי משקל.
6. מקום 3 טיפין של תערובת ₂ Tio במרכז צד FTO של שקופית זכוכית יבשה שטופל עם TiCl ₄ספין ד ל6 שניות ב 700 סל"ד ו 1 דקות ב2000 סל"ד.
7. לחשל את השקופית באוויר ב450-500 מעלות צלזיוס עד שהסרט הופך לחום, ואחר כך ברור.

8. ספין הציפוי PbS / תקליטורים לקולנוע

1. כל צעדי ציפוי הספין מבוצעים בארגון תא כפפות.
2. מקום 4-5 טיפין של PBS / תקליטורים ביוקטנו (10 מ"ג / מ"ל) לשקופית עדיין משלב 7 ולתת התפשט עד שהמרכז מתחיל להתייבש, ולאחר מכן מסובבים למשך 5 שניות ב 600 סל"ד אז 15 שניות ב2500 סל"ד.
3. מקום 10 טיפי MPA 01:03: פתרון מתנול בשקופית, המכסה את פני שטח באופן מלא, והספין למשך 5 שניות ב 600 סל"ד, אז בת 15 שניות ב2500 סל"ד.
4. שטוף את המשטח עם מתנול ידי הצבת 10 טיפין בשקופית וספינינג למשך 5 שניות ב 600 סל"ד, אז 15 שניות ב2500 סל"ד.
5. שטוף את המשטח עם יוקטן באותה שיטה כמו בשלב 8.4.
6. חזור על שלבים 8.2-8.5 לכל שכבה הבאה של הסרט.
7. לחשל את הסרט לאחר כל שכבה שלישית ב 150 מעלות צלזיוס במשך 15 דקות. Fiסרט nal צריך ספיגה קרובה 1.5 באורך הגל של השיא של צפון קרוליינה.

9. טובל את ציפוי סרטי PBS / תקליטורים

1. הכן את פתרון של יצטט 0.43 גרם קדמיום במתנול 80 מ"ל בכוס גדולה מספיק כדי להטביע לחלוטין המדגם.
2. הכן את פתרון של nonahydrate גופרתי נתרן (Na ₂ S • 9 שעות ₂ O) במתנול 80 מ"ל בכוס גדולה מספיק כדי להטביע לחלוטין המדגם.
3. הצף את המדגם עבור 1 דקות באמבטית קדמיום, ולשטוף עם מתנול. אז להשקיע ל1 דקות באמבטית Sulfer, ולשטוף עם מתנול.
4. חזור על השלב 9.3 עד נקבוביים מתמלאים (בדרך כלל 4-8 פעמים).
5. Anneal מדגם ב 150 מעלות צלזיוס במשך 15 דקות.

10. טיפול בסרטים עם CTAB ¹⁴

1. מקום 0.25 מ"ל של CTAB, מומס במתנול, בריכוז של 10 מ"ג / מ"ל, בסרט משלב 9 ותן לו לשבת 1 דקות, ולאחר מכן להסתובב בסל"ד 2500 למשך 30 שניות.
2. יש לשטוף שקופית עם 10 טיפין של מתנול וספין עד יבש.
3. חזור על 10.1 ו -10.2 פעם אחת.

11. נציג תוצאות

האבולוציה של ספקטרום הבליעה ופליטה המקביל לZnSe / תקליטורים / NCS Pt במהלך כל שלב של הסינתזה היא במעקב באיור 1. ניתן לראות שהאיור 1b מבטא פסגות ספיגה ב~ 350 ננומטר ו ~ 450, אופייני לZnSe ותקליטורי בהתאמה, ובעיקר, מציג כעת את תחילתו של שיא בפלורידה ~ 550 ננומטר. תכונת FL זו היא תוצאה של ריקבון Excitonic emissive פני ZnSe / ממשק דיסקים. הסוג השני interdomain פלורידה זה אז יכבה על ידי הצמיחה של Pt הקצה (האיור 1 ג), עקב ההזרקה המהירה של אלקטרוני delocalized למחצית המתכת. תשלום הפרדת אולטרה מהיר זה מאפשר ניצול של האלקטרון להפחתת הפוטו של מים. ligands MUA הידרופילי מכן הוסיף כדי להקל על ההסרת דואר של החור מתחום ZnSe, הגדלת יציבות על ידי חמצון עיכוב של ליבת המוליכים למחצה, המאפשר להפחתה המתמשכת של שמש H ₂ (איור 2). כתוצאה מחור הדחה, את ligands האורגני הופך לרגיש לphotodegradation, אבל זה יכול להיות פשוט מתן על ידי התוספת של ligands הטרי, כפי שניתן לראות באיור 2. לפיכך, ההיכרות של ligands hydrophylic לא למסור רק מסיסה במי NCS, אבל הם גם להתאים את האנרגטיקה של המערכת להגן על nanostructure במחיר זול, הקל להחלפת שטח אורגני.

לPbS / תקליטורי ננו מוצקים, איור 3 א ו3b מראה סכמטי של תהליך הייצור ואת המכשיר הסופי. האיור 3C, תמונת TEM של nanocrystals ליבה / מעטפת, מראה כי מחלחל התקליטורים באופן שווה סביב ליבת PBS. ננו המוצק מוצג להיות חופשי יחסית של הנקבוביות בהאיור 3d, תמונת SEM של החתך של מכשיר. תוצאה אחת של צמיחת הפגז, שנצפית, היא בblueshift הן הספיגה ופסגות פליטה. שינוי זה נובע מליבת PbS מתכווצת כיוני Cd לחדור עמוק יותר לתוך הליבה, וניתן לראות באיור 4. עלייה גדולה בפליטה גם ניתן לראות בתרשים 4, עקב הכליאה הקוונטית המשופרת שמספקת מעטפת התקליטורים. שכבת התקליטורים לא רק מגבירה את הפליטה, הוא גם מגן על ליבה, הגדלת יציבות התרמית של מוצק, עד כמעט 200 מעלות, כמעט 50 מעלות צלזיוס גבוהה מPbS ננו מוצק לבד. תאים סולריים נבנים באמצעות ארכיטקטורה מוצקה זה ננו לא הראו רק יציבות תרמית טובה יותר, אבל יש גם הוכח שיש מתח מעגל הפתוח גבוה יותר (גבוה ככל 0.7 V) מאשר בסרטים הקשורים מקושרים באופן אורגני. סרטים אלה גם הראו סובלנות גבוהה בהרבה לאטמוספרות חמצן, שנמשכים ליםימי everal בתנאים אטמוספריים נורמלים עם שום שפלה.

איור 1. תכונות אופטיות של heteronanocrystals המפוברק. (א). הספיגה של NCS ZnSe מראה תכונת Excitonic בλ = 390 ננומטר. פליטת תחבושת לא נצפה לדגימות אלה. (ב). פליטה וספיגה של nanorods ZnSe / תקליטורים גדל מ NCS הליבה ZnSe. (ג). ספיגה של nanorods ZnSe / תקליטורים לאחר תצהיר Pt.

איור 2. אבולוציה של ייצור מימן על MUA תרי heteronanocrystals ZnSe / תקליטורים / Pt. ייצור המימן יתחדש על תוספת החדש לligands ZnSe / תקליטורים / חלקיקי Pt. שיעור H2 ייצור (השיפוע העקום הניסיוני החדש) אחרי תוספת של ligands הטרי (8-12 שעות) היא כ זהה לפני הפירוק הראשוני (0-8 שעות).

איור 3. ייצוג סכמטי של (א) את הצעדים הכרוכים בייצור של ננו מוצקים ו( ב) מכשיר פוטו הסופי. להלן SEM תמונות של nanocrystals (ג) ליבת PbS / תקליטורים / קליפה ו( ד) להציג צד של ננו המוצק.

איור 4. שינויים בקליטה (תחתון) ופליטה (ראש NCS PbS כתוצאה מהתצהיר של כ 1 monolayer של פגז התקליטורים. התכווצות ליבת PbS מחילופי קטיון משתקף כמשמרת ≈ 150 ננומטר בשניהם ספקטרום. עוצמת קרינת PbS מוגברת עקב ההיווצרות של heterostructure מסוג 1.

ve_content "fo: לשמור-together.within עמודים =" תמיד ">
איור 5. ייצוג סכמטי של יישור רמת אנרגיה ב() ZnSe / תקליטורים / Pt ליבה / מוט / מבני תשר ו( ב) מבנים ZnTe / תקליטורים / Pt ליבה / מוט / טיפ. בחירת חומרים מתאימים היא בעלת החשיבות העליונה במכשירים אלה, כמו חורים ממבני ZnTe seeded יושבים ברמת אנרגיה שעושה את הנסיעה ליגנד השלילי.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

מחקר זה מדגים כיצד ארכיטקטורות מורכבות של nanocrystals האורגני יכולות להיות מועסקות על מנת להשיג הפרדה המרחבית של חיובי photoinduced. בפרט, הרוכבים האלה מאפשרים כוונון העדין של התפלגות מטענים על פני שני התחומים, אשר ניתנים לביצוע גם פונקצית הפוטו או פוטו. לדוגמה, photocatalysts היעיל י...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
שם המגיב	חברה	מספר קטלוגים	תגובות (אופציונלי)
octadecylamine (ODA), 90%	דיג	AC12932-0050
סלניום (Se), 200 רשת	Acros	AC19807-2500
Tri-n-octylphosphine (למעלה), 97%	שטרם	15-6655	אוויר רגיש
diethyl אבץ (Et2Zn), 10% על ידי WT.	אולדריץ	22080	אוויר רגיש, רגיש לאור
מתנול, 99.8%, נטול מים	אולדריץ	179337
טולואן, 99.8%, נטול מים	אולדריץ	244511
Tri-n-octylphosphine תחמוצת (topo), 99%	אולדריץ	223301
n-octadecylphosphonic חומצה (ODPA), 98%	סינתזת PCI	104224
hexylphosphonic חומצה (HPA), 98%	סינתזת PCI	4721-24-8
תחמוצת קדמיום (CDO), 99.99%	אולדריץ	202894
גופרית (S), 99.999%	Acros	AC19993-0500	ריח חזק
חומצה 11-mercaptoundecanoic (MUA), 95%	אולדריץ	450561
אשלגן (KOH)	Acros	AC13406-0010
כלורופורם	VWR	EM-CX1059-1
להוביל תחמוצת (PBO), 99.999%	אולדריץ	32306-1 ק"ג
1-octadecene (יודה), 90%	אולדריץ	O806-25ML
חומצה אולאית (OA), 90%	אולדריץ	O1008-1G
גופרתי bis (trimethylsilyl) (TMS), כיתה סינטתית	אולדריץ	283134-25G	אוויר, ריח חזק רגיש, מאוד תגובתי
אצטון	כימיקלי EMD	AX0118-2
תצטט קדמיום	Acros	AC31713-5000
nonahydrate נתרן גופרתי (Na 2 S • 9 שעות 2 O), 98%	אלפא Aesar	CB1100945	אור רגיש
רומיד hexadecyltrimethyl אמוניום (CTAB), 99%	סיגמא	H6269-100G
oleylamine, 70%	אולדריץ	O7805-5G
אתר diphenyl	אלפא Aesar	101-84-8
1,2-hexadecanediol	TCI	6920-24-7
acetylacetonate Pt (השני), 97%	אולדריץ	282782-5G
isopropanol, 99.8%, נטול מים	Acros	AC32696-0025
טיטניום טטרא (TiCl4), 99.9%	אולדריץ	697079-25G	מאוד רגיש אוויר
טיטניום דו חמצני, DSL 90T	Dyesol	DSL 90T
terpineol	חבר פרלמנט ביו רפואית	98-55-5
חומצה 3-mercaptopropionic (MPA), 99%	אלפא Aesar	A10435	ריח חזק
יוקטנו, נטולי מים, 99%	אולדריץ	412236