Nós gostaríamos de agradecer o Dr. Felix Castellano (BGSU) e NR Neal para discussões conselhos e valioso. Agradecemos Obor &quot;Material Networks&quot; do programa e Bowling Green State University de apoio financeiro. Este trabalho foi parcialmente financiado pela NSF sob Prêmio CHE - 1112227.

1. Síntese de Nanocristais Núcleo ZnSe 8 <ol><li> Colocar 7,0 g APD e uma barra de agitação magnética num balão de três tubuladuras. </li><li> Num frasco separado, combinam 0,063 g de Se e de 2,4 TOP ml e adicionar uma barra de agitação magnética. A mistura de TOP e selênio deve ser desgaseificada sob vácuo durante 30 min. </li><li> Degas APD durante 90 min a 120 ° C, em seguida, colocada sob fluxo de Ar com uma descarga de vidro de largura. </li><li> ODA calor a 300 ° C e, e injectar mistura de Se. Deixe retorno temperatura de 300 ° C. </li><li> Injectar 1,0 mL de Et 2 Zn (10% em peso. Em hexano) para o balão de reacção e deixa-se reagir a 265 ° C durante cerca de 3 minutos, ou até que o pico de absorvância exciton desloca-se para um comprimento de onda desejado (λ = 350-400 nm), em que retirar o balão da manta de aquecimento. </li><li> Uma vez que a temperatura do balão de reacção cai para ~ 60 ° C, adicionar 12 ml de metanol e dividida entre dois tubos de centrífuga de 15 ml, cobrindo-se com metanol. Centrifugar durante 5 minutos e decantara fase líquida. Deitam os nanocristais precipitados em tolueno e repetir. </li></ol> 2. Crescimento de Rods CDS sobre ZnSe Núcleos 9 <ol><li> Combinar 3,0 g TOPO, 0,280 g ODPA, 0,080 g HPA, e 0,090 g de CdO e adicionar uma barra de agitação magnética, num balão de três tubuladuras. </li><li> Num frasco separado, combinam 0,120 g S, e 4,0 ml TOP e adicionar uma barra de agitação magnética. </li><li> CdO Degas solução durante 45 min a 150 ° C e TOP durante 45 min a 120 ° C, em seguida, colocada sob fluxo de Ar com escapes de vidro grandes. </li><li> Aquecer a solução para CdO 380 ° C até que CdO é dissolvido ea solução é límpida e incolor. Ao mesmo tempo, aquecer a solução S e 120 ° C até que S é dissolvido e a mistura é transparente e incolor. </li><li> Adicionar todo o ZnSe da etapa 1 para a solução de S. </li><li> Adicionar 2,0 ml de solução para o TOP Cd e deixar que o retorno à temperatura de 380 ° C. Uma vez que 380 ° C é atingida, imediatamente injectar a solução de S na solução de Cd. </li><li>Permitir que o nanorods a crescer para 6-9 min, incluindo o tempo de recuperação da temperatura, e retirar o balão da manta de aquecimento. Quanto mais tempo a solução é deixada no calor, o mais longo dos varões será. </li><li> O produto pode ser um gel verde, adicionar clorofórmio para liquefazer e dividido em dois frascos. </li><li> Nanocristais precipitado em etanol, decantar a fase líquida, e redissolver os precipitados nanocristais em clorofórmio. </li></ol> 3. Crescimento do Pt Dica em CDs Rods 10 <ol><li> Combine 0,2 ml OA, 0,2 ml oleilamina, 10 ml de éter difenílico, e 43 mg de 1,2-hexadecanediol e adicionar uma barra de agitação magnética, num balão. </li><li> Desgaseificar a mistura durante 1 hora a 80 ° C, em seguida, colocada sob fluxo de Ar e aumentar a temperatura até 200 ° C. </li><li> Adicionar uma mistura de CdS hastes em clorofórmio e 20 mg de acetilacetonato de Pd (II). Depois de 5-7 minutos da mistura de reacção ser a 190 ° C, a solução torna-se preta. Retirar o balão do calor. </li><li> Nanocristais precipitar em um 1Mistura 0:03 de metanol em clorofórmio, com uma centrifugadora e decantar a fase líquida. Redissolver os cristais precipitados em clorofórmio e de repetição. </li></ol> 4. Troca de ligantes com MUA 11 <ol><li> Num frasco pequeno, dispersar nanorods em 10 ml de clorofórmio. </li><li> Adicionar 0,1 g de solução de MUA nanorod e sonicar até que todo o MUA é dissolvido. </li><li> Num frasco separado, dissolve-se 0,1 g de KOH em 20 ml de água destilada tripla (TDW). </li><li> Adicionar aproximadamente 5,0 ml de solução de TDW à solução nanorod e agitar vigorosamente. </li><li> Centrifugar a mistura a partir do passo 4,4 a 6000 rpm durante 1 min para separar as fases aquosa e orgânica. </li><li> Recolher a fase (aquosa) de topo e adicionar metanol para obter uma solução que é de 3:1 metanol para a água. </li><li> Centrifugar a mistura a partir do passo 4,6 a 6000 rpm durante 2 min para precipitar os nanocristais. Deitar fora a fase líquida e redispersar os cristais precipitados por sonicação em TDW. </li><li> Se o ofase rganic no passo 4.5 ainda retém alguma da cor da solução de nanocristais original, repetir as etapas de 4,4 por 4,7. </li></ol> 5. Síntese de PbS Núcleos (Adaptado de ref. 12) <ol><li> Combinar 0,49 g PbO, 18 ml ODE, e 1-16 ml OA (dependendo do tamanho desejado, os rendimentos mais partículas maiores OA) e adicionar uma barra de agitação magnética, num balão de três tubuladuras. </li><li> Num frasco separado, adicionam-se 10 ml ODE e uma barra de agitação magnética. </li><li> Degas ambos os frascos para 1 hora a 120 ° C, em seguida, colocar sob fluxo de Ar. </li><li> Aquece-se a solução de Pb a 135 ° C. Enquanto isso, arrefecer o balão contendo apenas ODE à temperatura ambiente. </li><li> Adicionar 0,21 ml de TMS ODE temperatura ambiente, e depois injectar a mistura na solução de Pb a 135 ° C. </li><li> Aquecer a mistura a 135 ° C durante 1-5 minutos (dependendo do tamanho desejado, os rendimentos mais longos de aquecimento as partículas maiores), e colocar num banho de gelo para terminar a reacção. </li><li> Nanocristais precipitado em acetona destilada, derrame def a fase líquida, e redissolver os cristais precipitados em tolueno. Repita mais duas vezes. </li></ol> 6. Crescimento de CdS Shell na PBS Cores 13 <ol><li> Combinar 1,0 g CdO, 6 ml de OA, e 15 ml ODE e adicionar uma barra de agitação magnética, num balão de três tubuladuras. </li><li> Num balão separado, adicionar 20-40 mg de núcleos de PbS dissolvidos em tolueno e uma barra de agitação magnética. </li><li> Aquece-se a solução CdO a 280 ° C até que a solução é límpida e incolor, e depois arrefecer a 100 ° C. </li><li> Aquece-se a solução de PBS a 110 ° C durante não mais do que 5 minutos para evaporar o excesso, mas não todo, o solvente, em seguida, injectar a solução de Cd. </li><li> Lentamente, aquecer a mistura reaccional até 120-160 ° C (dependendo da espessura da casca desejado). Para casca fina (1-2 monocamadas) extinguir a reacção imediatamente após a injecção da solução de Cd. </li><li> Uma vez que a temperatura desejada seja atingida, extinguir a reacção, colocando o frasco num banho de gelo. </li><li> Precipitar cristais em etanol, pour para fora da fase líquida, e redissolver os cristais precipitados em tolueno. Repita duas vezes. No ciclo de limpeza final, redissolver e armazenar os cristais em octano anidro. </li></ol> 7. Preparação de TiO2 na FTO / substratos de vidro <ol><li> Lavar a mão no vidro FTO revestido com detergente (Alconox) e enxágüe com água deionizada. </li><li> Sonicar o vidro em metanol, acetona, em seguida isoproponal, durante 5 min cada, e seca com um fluxo de Árgon. </li><li> Colocar o copo num banho de 75 mM de TiCl 4 em água desionizada e calor (no ar) durante 30 min a 70 ° C. </li><li> Lavar o copo com água desionizada e seca com Ar, em seguida, o calor (no ar) a 450 ° C durante 1 hora e deixar arrefecer até à temperatura ambiente. </li><li> Enquanto o vidro está a arrefecer, dissolvem-se TiO 2 na pasta Dyesol terpinol na proporção de 3:1 em peso. </li><li> Colocar 3 gotas da mistura de TiO 2 no centro do lado FTO de uma lâmina de vidro seco, que tenha sido tratado com TiCl4 umad centrifugação durante 6 segundos a 700 rpm e 1 min a 2000 rpm. </li><li> Hibridar a corrediça ao ar a 450-500 ° C até que o filme torna-se castanha e depois limpa. </li></ol> 8. Revestimento girar PbS / CDS em um filme <ol><li> Todos os passos de centrifugação de revestimento são realizadas num glovebox árgon. </li><li> Colocar 4-5 gotas de PBS / CdS em octano (10 mg / ml) sobre uma lâmina continua a partir do passo 7 e deixe espalhar até que o centro começa a secar, em seguida girar durante 5 segundos a 600 rpm, em seguida 15 segundos a 2500 rpm. </li><li> Colocar 10 gotas de uma MPA 1:3: solução de metanol na corrediça, cobrindo totalmente a superfície, e centrifugação durante 5 segundos a 600 rpm, em seguida 15 segundos a 2500 rpm. </li><li> Lavar a superfície com metanol colocando 10 gotas sobre a lâmina e fiação durante 5 segundos a 600 rpm, em seguida 15 segundos a 2500 rpm. </li><li> Lavar a superfície com octano pelo método idêntico ao descrito no passo 8.4. </li><li> Repita os passos de 8,2-8,5 para cada camada subsequente do filme. </li><li> Hibridar a película depois de cada terceira camada a 150 ° C durante 15 min. O final filme deverá ter uma absorvência próximo de 1,5 ao comprimento de onda do pico da NC. </li></ol> 9. Dip Coating PBS / CdS Films <ol><li> Prepara-se uma solução de 0,43 g de acetato de cádmio em 80 ml de metanol num copo grande o suficiente para submergir completamente a amostra. </li><li> Prepara-se uma solução de sulfureto de sódio nona-hidrato (Na 2 S 2 O • 9H) em 80 ml ​​de metanol num copo grande o suficiente para submergir completamente a amostra. </li><li> Submergir a amostra por 1 min no banho de cádmio, e enxágüe com metanol. Em seguida, mergulhe por 1 min no banho Sulfer, e enxaguar com metanol. </li><li> Repita o passo até 9,3 poros são preenchidos (geralmente 4-8 vezes). </li><li> Hibridar amostra a 150 ° C durante 15 min. </li></ol> 10. Tratar Films com CTAB 14 <ol><li> Colocar 0,25 ml de CTAB, dissolvido em metanol, a uma concentração de 10 mg / ml, em filme a partir do passo 9 e deixe descansar durante 1 min, em seguida girar a 2.500 rpm durante 30 segundos. </li&gt; <li> Lavar a lâmina com 10 gotas de metanol e de rotação até à secura. </li><li> Repita 10.1 e 10.2, uma vez. </li></ol> 11. Resultados representativos A evolução dos espectros de absorção e emissão correspondendo a ZnSe / CdS / Pt NCs durante cada passo da síntese é controlado na Figura 1. Pode ser visto que a Figura 1b expressa picos de absorvância a 350 nm e ~ ~ 450, característico de ZnSe e CdS, respectivamente, e, mais notavelmente, apresenta agora o aparecimento de um pico a ~ FL 550 nm. Esta característica FL é um resultado da deterioração excitônicas emissiva através do ZnSe / interface CdS. Este tipo II interdomain FL é então temperada por meio do crescimento da ponta Pt (Figura 1c), devido à rápida injecção de electrões deslocalizados para a porção de metal. Esta separação de cargas ultra-rápida permite a utilização de electrões para a redução catalítica de água. Ligantes hidrofílicos MUA são então adicionados para facilitar the remoção do furo a partir do domínio ZnSe, aumentando a estabilidade de inibição da oxidação do núcleo de semicondutores, tendo em conta a redução sustentada de energia solar H 2 (Figura 2). Como resultado do orifício de limpeza, os ligantes orgânicos tornam-se susceptíveis a fotodegradação, mas isso pode ser simplesmente reduzidos pela adição de ligandos frescos, como pode ser visto na Figura 2. Assim, não da introdução de ligantes hidrofílicos só tornar o solúvel NCs água, mas também ajustar a energética do sistema para proteger a nanoestrutura no custo da barata, fácil de substituir surfactantes orgânicos. Para sólidos nanocristais PbS / CdS, Figura 3a e 3b mostra um diagrama esquemático do processo de fabrico e o dispositivo final. Figura 3c, uma imagem TEM de nanocristais de núcleo / invólucro, mostra que os infiltrados CdS uniformemente em torno do núcleo de PBS. O sólido nanocristais é mostrado para ser relativamente livres de poros emFigura 3d, uma imagem SEM da secção transversal de um dispositivo. Um resultado do crescimento concha, que é observável, é um blueshift tanto a absorvância e picos de emissão. Esta mudança é atribuída ao núcleo PbS encolhimento como os iões Cd continuar a infiltrar-núcleo, e pode ser visto na Figura 4. Um grande aumento na emissão pode também ser visto na Figura 4, devido ao confinamento quântico proporcionado pelo invólucro CdS. A camada de CdS, não só aumenta a emissão, como também protege o núcleo, o aumento da estabilidade térmica do sólido, até cerca de 200 ° C, cerca de 50 ° C mais elevada do que a dos nanocristais PbS sólido sozinho. As células solares construídos usando esta arquitetura nanocristais sólido não só têm mostrado melhor estabilidade térmica, mas têm também sido demonstrado que têm tensões de circuito aberto superior (tão elevada como 0,7 V) do que os filmes relacionados organicamente ligados. Estes filmes mostraram também uma tolerância muito maior para atmosferas de oxigênio, com duração de sdia árias em condições atmosféricas normais sem degradação. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/4296/4296fig1.jpg" /> Figura 1. Propriedades ópticas de heteronanocrystals fabricados. (A). A absorvância de ZnSe NCs mostrando uma característica excitônicas em λ = 390 nm. Emissão de curativo não foi observada para estas amostras. (B). Emissão e absorção de ZnSe / CDS nanorods cultivadas a partir de ZnSe núcleo CNs. (C). Absorvância de ZnSe / CDS nanorods após a deposição Pt. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/4296/4296fig2.jpg" /> Figura 2. Evolução da produção de hidrogênio em MUA tampado ZnSe / CDS / Pt heteronanocrystals. A produção de hidrogênio é retomada com a adição de novos ligantes para o ZnSe / CDS / nanopartículas de Pt. A taxa de produção de H2 (o declive da curva experimental) após a adição de ligantes de fresco (8-12<html> hr) é aproximadamente a mesma que antes da degradação inicial (0-8 horas). <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/4296/4296fig3.jpg" /> Figura 3. Representação esquemática de (a) os passos envolvidos no fabrico de nanocristal sólidos e (b) o dispositivo fotovoltaico final. Abaixo estão as imagens de SEM (c) principais PbS / CDS / shell nanocristais e (d) uma vista lateral do sólido nanocristais. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/4296/4296fig4.jpg" /> Figura 4. Mudanças na absorção (parte inferior) e de emissão (do topo da PbS NCs resultante da deposição de aproximadamente uma monocamada da concha CdS. O encolhimento do núcleo PbS a partir da troca de catiões é reflectida como uma mudança ≈ 150 nm, em ambos espectros. A intensidade de fluorescência, PbS é melhorada devido à formação de heteroestrutura tipo 1. &quot;fo: manter-together.within-page =&quot; ve_content sempre &quot;&gt; <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/4296/4296fig5.jpg" /> Figura 5. Representação esquemática do alinhamento em nível de energia (a) ZnSe / CDS / Pt core / haste / estruturas de ponta e (b) ZnTe / CDS / Pt core / haste / ponta estruturas. A escolha dos materiais adequados é de extrema importância nestes dispositivos, como buracos de estruturas ZnTe semeados sentar-se em um nível de energia que faz com que viajar para o ligante desfavorável.

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Não há conflitos de interesse declarados.

Este estudo demonstra como arquitecturas de compósitos de nanocristais inorgânicos podem ser empregues para conseguir uma separação espacial de cargas fotoinduzidas. Em particular, estes compósitos permitir o ajuste fino da distribuição de cargas em todo os dois domínios, que são, então, disponível para realizar qualquer função fotocatalítica ou fotovoltaica. Por exemplo, fotocatalisadores eficientes pode ser feita caso de doadores e aceitadores de nanocristais domínios são construídos numa única nanop...

<table border="1"><tbody><tr><td> Nome do reagente </td><td> Companhia </td><td> Número de catálogo </td><td> Comentários (opcional) </td></tr><tr><td> octadecilamina (ODA), 90% </td><td> Pescador </td><td> AC12932-0050 </td><td></td></tr><tr><td> selênio (Se), malha 200 </td><td> Acros </td><td> AC19807-2500 </td><td></td></tr><tr><td> tri-n-octylphosphine (TOP), 97% </td><td> Strem </td><td> 15-6655 </td><td> Ar Sensitive </td></tr><tr><td> dietil zinco (Et2Zn), 10% em peso. </td><td> Aldrich </td><td> 22080 </td><td> Ar, sensível Luz </td></tr><tr><td> metanol, 99,8%, anidro </td><td> Aldrich </td><td> 179337 </td><td></td></tr><tr><td> tolueno, 99,8% anidro </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> Síntese PCI </td><td> 104224 </td><td></td></tr><tr><td> hexylphosphonic ácido (HPA), 98% </td><td> Síntese PCI </td><td> 4721-24-8 </td><td></td></tr><tr><td> óxido de cádmio (CdO), 99,99% </td><td> Aldrich </td><td> 202894 </td><td></td></tr><tr><td> enxofre (S), 99,999% </td><td> Acros </td><td> AC19993-0500 </td><td> Odor forte </td></tr><tr><td> 11-mercaptoundecanoic ácido (MUA), 95% </td><td> Aldrich </td><td> 450561 </td><td></td></tr><tr><td> hidróxido de potássio (KOH) </td><td> Acros </td><td> AC13406-0010 </td><td></td></tr><tr><td> clorofórmio </td><td> VWR </td><td> EM-CX1059-1 </td><td></td></tr><tr><td> óxido de chumbo (PbO), 99,999% </td><td> Aldrich </td><td>32.306-1KG </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 sulfito (trimetilsililo) (TMS), grau de síntese </td><td> Aldrich </td><td> 283134-25G </td><td> Ar odor, sensível forte, altamente reactivo </td></tr><tr><td> acetona </td><td> Merck Química </td><td> AX0118-2 </td><td></td></tr><tr><td> acetato de cádmio </td><td> Acros </td><td> AC31713-5000 </td><td></td></tr><tr><td> nonahidrato sulfureto de sódio (Na 2 S 2 O • 9H), 98% </td><td> Alfa Aesar </td><td> CB1100945 </td><td> Sensível à luz </td></tr><tr><td> brometo de hexadeciltrimetil amônio (CTAB), 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> éter difenílico </td><td> Alfa Aesar </td><td> 101-84-8 </td><td></td></tr><tr><td> 1,2-hexadecanediol </td><td> TCI </td><td> 6920-24-7 </td><td></td></tr><tr><td> Pt acetilacetonato (II), 97% </td><td> Aldrich </td><td> 282782-5G </td><td></td></tr><tr><td> isopropanol, 99,8% anidro </td><td> Acros </td><td> AC32696-0025 </td><td></td></tr><tr><td> tetracloreto de titânio (TiCl4), 99,9% </td><td> Aldrich </td><td> 697079-25G </td><td> Extremamente sensível ao ar </td></tr><tr><td> dióxido de titânio, DSL 90T </td><td> Dyesol </td><td> DSL 90T </td><td></td></tr><tr><td> terpineol </td><td> MP Biomédica </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> Odor forte </td></tr><tr><td> octano, anidro, 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

Conjugando materiais semicondutores diferentes em um único nano-compósito fornece meios sintéticos para o desenvolvimento de novos materiais optoelectrónicos que oferecem um controle superior sobre a distribuição espacial dos portadores de carga através de interfaces de material. Como este estudo demonstra, uma combinação de dador-aceitador de nanocristais (NC) os domínios de uma nanopartícula único pode conduzir para a realização da eficiência fotocatalítica 1-5 materiais, enquanto que um conjunto de camadas de doadores e aceitador de nanocristais como filmes dá origem a fotovoltaica materiais. Inicialmente, o trabalho se concentra na síntese de compostos inorgânicos nanocristais, compreendendo ZnSe linearmente empilhados, CDS e domínios PT, que em conjunto promovem a separação de cargas fotoinduzida. Essas estruturas são usadas em soluções aquosas para a fotocatálise de água sob a radiação solar, o que resultou na produção de H2 gasoso. Para melhorar a separação de fotoinduzidacargas, uma morfologia nanorod com um gradiente linear de origem de um campo eléctrico intrínseca é utilizada 5. A energética inter-domínios são então optimizados para conduzir electrões fotogerados em direcção ao local catalítico Pt enquanto os orifícios de expulsão para a superfície de domínios de ZnSe para regeneração sacrificial (via metanol). Aqui, mostramos que a única forma eficaz de produzir hidrogénio é a utilização de dadores de electrões ligantes para passivar os estados de superfície por meio do ajuste do alinhamento nível de energia na interface semicondutor-ligando. Redução estável e eficiente da água é permitido por estes ligandos, devido ao fato de que as vagas na banda de valência do domínio semicondutor, evitando buracos energéticos de danificá-la. Especificamente, mostra-se que a energia do furo é transferido para a porção de ligando, deixando o domínio funcional de semicondutores. Isso nos permite retornar o sistema nanocristais-ligante toda para um estado funcional, quando os ligantes são degradados, Pela simples adição de ligandos frescos para o sistema 4. Para promover uma separação de carga fotovoltaica, usamos um sólido de duas camadas composto de dois filmes de PbS e TiO. Nesta configuração, os electrões fotoinduzida são injectados TiO 2 e são, subsequentemente, retirada por um eléctrodo FTO, enquanto que os furos são canalizados para um eléctrodo de Au através de PbS camada 6. Para desenvolver este último, apresentamos um semicondutor Matrix Matrizes encapsulados nanocristal (Smena), estratégia que permite a ligação PbS CNs na matriz circundante de semicondutor CdS. Como resultado, os sólidos fabricados exibem excelente estabilidade térmica, atribuído à estrutura heteroepitaxial de nanocristais de matriz interfaces, e mostrar o desempenho decolheita convincente em células solares protótipo 7.

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

Uma estratégia geral para o desenvolvimento de carga de separação de compostos semicondutores nanocristais implantáveis ​​para a produção de energia solar é apresentada. Mostra-se que a montagem de domínios dador-aceitador de nanocristais de uma geometria de nanopartículas único dá origem a uma função fotocatalítica, enquanto bulk-heterojunções de dador-aceitador de nanocristais películas podem ser usados ​​para a conversão da energia fotovoltaica.

Captação de energia solar por meio da carga de separação de nanocristais e seus 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 visualizações.  Bowling Green State University. Uma estratégia geral para o desenvolvimento de carga de separação de compostos semicondutores nanocristais implantáveis ​​para a produção de energia solar é apresentada. Mostra-se que a montagem de domínios dador-aceitador de nanocristais de uma geometria de nanopartículas único dá origem a uma função fotocatalítica, enquanto bulk-heterojunções de dador-aceitador de nanocristais películas podem ser usados ​​para a conversão da energia fotovoltaic...

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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.

Caracterização de modificações superficiais por interferometria de luz branca: Aplicações em Ion Sputtering, ablação por laser, e as experiências Tribologia

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

Engenharia

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.

Fabricação de Nano-engenharia transparentes Óxidos Realização por deposição por laser 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%.

Fazendo Record-eficiência SnS Células solares por evaporação térmica e Deposição Camada Atómica

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.

Integração da luz Interceptação de prata Nanoestruturas em células solares de silício hidrogenado microcristalina por Transferência de impressão

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.

Medição de dureza quantitativa por Instrumented AFM-recuo

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.

Monovalente Cation Doping de CH<sub&gt; 3</sub&gt; NH<sub&gt; 3</sub&gt; PBI<sub&gt; 3</sub&gt; For eficientes células solares 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.

Fabricação de alta temperatura de nanoestruturado ria-Stabilized Zirconia-Scaffolds (ZEI) pela<em&gt; In Situ</em&gt; Carbono Templating xerogéis

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%.

Bem alinhados verticalmente orientado ZnO Nanorod matrizes e sua aplicação em invertida pequena molécula 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 avaliação Experimental da eficiência e da irradiância Spot do dubleto acromático em vidro (ADG) lente de Fresnel para concentrar a energia 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.

Desenvolvimento de células solares de alta Performance GaP/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 ...