Şarj-Ayırma Nanokristaller ve Bunların Katılar Yoluyla Güneş Enerjisi Hasat

Özet

Güneş enerjisi üretimi için konuşlandırılabilir nanokristal kompozit yarı iletken yük-ayırma geliştirilmesi için genel bir strateji sunulmuştur. Verici-alıcı nanokristal film yığın-heterokavşaklar fotovoltaik enerji dönüşüm için kullanılabilir ederken, bir tek nanoparçacık geometri verici-alıcı nanokristal etki bu montaj bir fotokatalitik işlev yol açmaktadır göstermektedir.

Özet

Tek bir nano-kompozit farklı yarıiletken malzemeler conjoining malzeme arabirimleri arasında yük taşıyıcılarının mekansal dağılımı üzerinde üstün bir kontrol olanağı sunan yeni optoelektronik malzemelerin geliştirilmesi için sentetik araçlar sağlar. Bu çalışmanın da gösterdiği gibi donör ve akseptör benzeri nanokristaller filmlerin katmanlı bir derleme fotovoltaik yol verirken, tek bir nanoparçacık donör-alıcı nanokristal (NC) etki bir arada, verimli fotokatalitik ^1-5 malzemelerin gerçekleşmesine yol açabilir malzemeler.

Başlangıçta kağıt doğrusal yığılmış ZnSe, CdS ve ortaklaşa fotobaşlatılmış ücret ayrımı teşvik Pt etki, oluşan kompozit inorganik Nanokristallerin sentezi üzerinde duruluyor. Bu yapılar, ₂ H gaz üretimi ile sonuçlanan, güneş radyasyonu altında su fotokataliz için sulu çözeltiler kullanılır. Arasında fotobaşlatılmış ayrılması geliştirmek içinmasrafları, içsel bir elektrik alanı gelen bir doğrusal gradyan ile bir nanorod morfoloji ⁵ kullanılır. Inter-domain enerjetikleri sonra (metanol ile) kurban rejenerasyonu için ZnSe etki yüzeyine delik kovma sırasında Pt katalitik doğru foto elektron götürmek için optimize edilmiştir. Burada hidrojen üretmek için tek etkili yöntem yarıiletken-ligand arayüzü enerji seviyesi hizalama ayar göre yüzey durumları etkisizleştirmek için elektron-verici ligandlar kullanmak olduğunu göstermektedir. Su Kararlı ve etkili azaltma onlar aşağılayıcı ondan enerjik delikleri önlenmesi, yarıiletken etki valans bandında boşalan olması nedeniyle bu ligandlar tarafından izin verilir. Spesifik olarak, deliğin enerji yarı iletken alan fonksiyonel bırakarak, ligand parçası aktarılır olduğunu göstermektedir. Ligandlar bozulmuş olduğunda bu bize, işlevsel bir devlet için tüm nanokristal-ligand sistemi geri dönmelerini sağlayan, Basitçe, sistem ⁴ taze ligandlar ekleyerek.

Bir fotovoltaik ücret ayrımı teşvik etmek, biz PbS ve TiO ₂ film bir kompozit iki tabakalı katı kullanın. Delikleri PbS katmanı ⁶ üzeri Au elektrot kanalize ederken, bu yapılandırmada, fotobaşlatılmış elektronlar TiO ₂ enjekte edilir ve sonradan bir FTO elektrot tarafından alınıyor. İkincisi geliştirmek için biz CdS yarı iletken çevreleyen matriks içine yapıştırma PbS NC veriyor (SMENA) stratejisi, bir Yarıiletken Matrix Kapsüllü nanokristal Diziler tanıtmak. Sonuç olarak, imal edilmiş katı maddeler, mükemmel termal stabilite sergiler nanokristal-matris arayüzleri heteroepitaxial yapı atfedilen ve prototip güneş hücreleri ⁷ zorlayıcı ışık hasat performans göstermektedir.

Protokol

1. ZnSe Çekirdek Nanokristalleri ⁸ sentezi

1. Sıra 7.0 g ODA ve bir üç boyunlu şişeye, bir manyetik karıştırma çubuğu.
2. Ayrı bir şişe içinde, 0.063 g Se ve 2.4 ml TOP birleştirmek ve bir manyetik karıştırma çubuğu ilave edin. TOP ve selenyum ve karışım 30 dakika daha vakum altında gazı alınmalıdır.
3. 120 90 dakika Degas ODA ° C, daha sonra geniş bir cam egzoz ile Ar akışı altında koymak.
4. Isı 300 ° C ODA ve ve Se karışımı enjekte. 300 ° C'ye kadar sıcaklık iade edelim
5. Reaksiyon şişesine Et ₂ Zn (ağırlık olarak% 10'dur. Heksan içinde) 1.0 ml enjekte edilir ve uyarım absorbans tepe istenen bir dalga boyu (λ = 350-400 geçer yaklaşık 3 dakika için ° C kadar ya da 265 de tepki sağlamak nm), bunun üzerine ısıtma manto şişeyi çıkarın.
6. Reaksiyon şişenin sıcaklığı ~ 60 ° C'ye kadar düşer, metanol ile kapalı tepesi, 12 ml metanol ile iki adet 15 ml'lik bir santrifüj tüpleri arasında bölünmüş ekleyin. Kez 5 dakika boyunca santrifüjleyin ve kapalı dökmeksıvı faz. Toluen çöktürülmüş nanokristaller çözülür ve tekrarlayın.

2. ZnSe Çekirdek ⁹ CdS Çubukların Büyüme

1. 3.0 g TOPO, 0.280 g ODPA, 0.080 g HPA, ve 0.090 g CdO birleştirin ve bir üç boyunlu şişeye, bir manyetik karıştırma çubuğu ilave edin.
2. Ayrı bir şişe içinde, 0.120 g S, ve 4.0 ml TOP birleştirmek ve bir manyetik karıştırma çubuğu ilave edin.
3. 150 45 dakika süreyle gazdan arındırmak CdO çözelti 120 ° C de ve 45 dakika için TOP ° C, daha sonra geniş cam egzoz ile Ar akışı altında koydu.
4. 380 CdO çözüm ısıtın ° C CdO çözülür ve çözüm berrak ve renksizdir kadar. Bu arada, 120 S solüsyonu ısı ° C S çözülmüş ve karışım berrak ve renksizdir kadar.
5. 1. adımdaki S solüsyonu ile ZnSe tüm ekleyin.
6. Cd çözüm TOP 2.0 ml ekleyin ve 380 ° C'ye sıcaklık dönmesine izin verin Bir kere 380 ° C ulaşıldığında, hemen Cd çözüm içine S solüsyonu enjekte.
7. Nanoçubuklar sıcaklığı iyileşme süresi de dahil olmak üzere 6-9 dakika, büyümek için izin ver ve ısıtma manto şişeyi çıkarın. Artık çözümü ısı bırakılır, çubuklar daha uzun olacaktır.
8. Ürün sıvılaştırmak ve iki şişe bölmek kloroform eklemek, yeşil bir jel olabilir.
9. Çökelti etanol içinde nanokristaller, sıvı faz kapalı dökmek, ve solüsyona kloroform içinde tortulaşan nanokristaller çözülür.

3. CdS Çubuklar üzerindeki Pt İpucu Büyüme ¹⁰

1. 0.2 ml OA, 0.2 ml oleylamine, 10 mL difenil eter, ve 43 mg 1,2-hexadecanediol birleştirin ve bir şişeye bir manyetik karıştırma çubuğu ilave edin.
2. 80 de 1 saat için Degas karışım ° C, o zaman Ar akışı altında koymak ve 200 ° C sıcaklık ile arttırmak
3. Kloroform ve 20 mg Pt (II) asetilasetonat içinde CdS çubuklar bir karışımı ekleyin. 190 olmak reaksiyon karışımının 5-7 dk sonra ° C, çözelti siyah dönecektir. Isı şişeyi çıkarın.
4. 1. Bir çökelti nanokristallerMetanol 00:03 karışım bir santrifüj ile kloroform ve sıvı faz kapalı dökün. Kloroform ve tekrar bir çökelen kristaller çözülür.

4. MUA ¹¹ Ligand Borsası

1. Bir şişe içinde, 10 ml kloroform içinde nanoçubuklar dağılırlar.
2. Nanorod çözeltiye 0.1 g MUA ekleyin ve bütün MUA çözününceye kadar sonikasyon.
3. Ayrı bir flakon, 20 ml triple distile su (TDW) 0,1 g KOH çözülür.
4. Nanorod çözüm TDW çözeltinin yaklaşık 5,0 ml eklenir ve şiddetle çalkalanır.
5. Sulu ve organik fazlar ayırmak için 1 dakika için 6000 rpm'de bir adım 4,4 karışım santrifüjleyin.
6. Üst (sulu) faz toplayın ve su ila 3:1 metanol olan bir çözelti elde etmek için metanol ilave edin.
7. 2 dakika için 6000 rpm'de bir adım 4,6 çökelti nanokristaller için karışım santrifüjleyin. Sıvı faz kapalı dökün ve TDW içinde sonicating ile çökelen kristaller çökmeleri.
8. O takdirdeAdım 4.5 rganic aşamasında hala orijinal nanokristal çözümün bazı renk korur, tekrar 4.7 ile 4.4 adım.

5. (Ref den uyarlanmıştır. ¹²⁾ PbS Çekirdek Sentezi

1. 0.49 g PbO, 18 ml ODE ve 1-16 ml OA (daha OA verimleri büyük parçacıkları istenen boyutuna bağlı olarak) birleştirin ve üç boyunlu balona bir manyetik karıştırıcı ekleyin.
2. Ayrı bir şişede, 10 ml ODE ve bir manyetik karıştırma çubuğu ilave edin.
3. 120, 1 saat boyunca Degas her ikisi de şişeleri ° C, o zaman Ar akışı altında koydu.
4. 135 Pb çözüm Isı ° C Bu arada, oda sıcaklığı, sadece ODE içeren şişeye soğutulur.
5. Oda sıcaklığında ODE 0.21 ml TMS ekleyin, daha sonra 135 ° Pb çözelti karışımı içine enjekte ° C.
6. Reaksiyon gidermek için bir buz banyosu içinde 1-5 (istenen boyutuna bağlı olarak, uzun ısıtma verimi büyük parçacıkları) dk ve yer ° C de 135 ° karışım ısıtılır.
7. Damıtılmış aseton içinde çökelti nanokristaller, dökmekf sıvı faz, ve tolüen içinde tortulaşan kristallerin çözünmesi. Iki kez daha tekrarlayın.

6. PbS Çekirdek ¹³ CdS Shell Büyüme

1. 1.0 g CdO, 6 ml OA, ve 15 ml ODE birleştirin ve bir üç boyunlu bir şişeye bir manyetik karıştırma çubuğu ilave edin.
2. Ayrı bir şişe içinde, toluen ve bir manyetik karıştırıcı içinde çözülmüş PbS çekirdek 20-40 mg ekleyin.
3. 280 CdO çözüm ısıtın ° C çözelti 100 ° C'de serin sonra, berrak ve renksiz olana kadar
4. 110 PbS çözüm ısıtın ° C en fazla 5 dk aşan kapalı kaynatın, ama hepsi değil, çözücü, daha sonra Cd enjekte çözüm için.
5. Yavaş yavaş 120-160 için reaksiyon karışımının ısıtılması ° C (istenen kabuk kalınlığına bağlı olarak). Ince kabuklu için (1-2 mono tabakaları) hemen Cd çözeltinin enjeksiyonundan sonra reaksiyon söndürmek.
6. Bir kez istenilen sıcaklık reaksiyon bir buz banyosu içinde şişeye koyarak quench ulaşılır.
7. Etanol, Pou çökelti kristallerSıvı faz kapalı r, ve tolüen içinde tortulaşan kristallerin çözünmesi. Iki kez tekrarlayın. Son temizlik döngüsü üzerinde, çözülür ve susuz oktan içinde kristaller saklayın.

7. FTO / Cam Elyaf üzerine TiO ₂ Hazırlanması

1. Deterjan (Alconox) ile FTO kaplı cam yıkama ve deiyonize su ile durulayın uzat.
2. 5 dk Ar akışı ile her biri için ve kuru, daha sonra isoproponal metanol, aseton, içinde cam sonikasyon.
3. 70 ° C'de 30 dakika için deiyonize su ve ısı (havada) içinde 75 mM bir banyo TiCl ₄ cam yerleştirin
4. 1 saat boyunca 450 ° C 'de Ar, ile deiyonize su ve kuru, daha sonra sıcaklık (hava içinde) ile cam durulayın ve oda sıcaklığına soğumaya bırakın.
5. Cam soğutma olsa da, ağırlık itibariyle 3:1 oranında terpinol içinde TiO ₂ Dyesol yapıştırma çözülür.
6. Sıra 3 Bir TiCl ₄ ile muamele edilmiş olan kuru cam slayt FTO tarafının ortasına TiO ₂ karışımın düşer6 700 rpm'de sn ve 2.000 rpm'de 1 dk d sıkma.
7. Film daha sonra açık, kahverengi döner ° C kadar 450-500 havadaki slayt Tavlama.

8. Bir Film içine Kaplama PbS / CdS Spin

1. Tüm spin kaplama adımları bir argon glovebox yapılmaktadır.
2. Sıra 4-5 PbS damlaları / oktan içinde CdS (10 mg / ml) adım 7 hareketsiz slayt üzerine ve merkezi kurumaya başlayıncaya kadar yayıldı dursun, sonra 2.500 rpm'de sonra 15 sn 600 rpm'de 5 saniye için dönerler.
3. Sıra 1:3 MPA 10 damla: Yüzeyi tamamen kaplayarak slayt ve 2.500 rpm'de sonra 600 rpm, 15 sn 5 sn spin metanol çözeltisi.
4. 2.500 rpm'de slaytta 10 damla koyarak ve 15 sn sonra, 600 rpm'de 5 saniye iplik metanol ile yüzey yıkayın.
5. Adım 8.4 'de aynı yöntemle oktan ile yüzey yıkayın.
6. Tekrar filmin her bir katman için daha sonraki 8,2-8,5 adımları.
7. ° C'de 15 dakika boyunca 150 her üçüncü kat sonra filmin tavlama. Final filmin NC zirve dalga boyu 1.5 civarındaki bir absorbans sahip olmalıdır.

9. Dip Boya PbS / CdS Filmler

1. Tamamen batırmak numune için yeterince geniş bir deney şişesi içinde 80 mL metanol içinde 0.43 g kadmiyum asetat çözeltisi hazırlayın.
2. Tamamen batırmak numune için yeterince geniş bir deney şişesi içinde 80 mL metanol içindeki bir sodyum sülfit nonahydrate eden bir çözelti (Na ₂ S • 9H ₂ O) hazırlayın.
3. 1 Kadmiyum banyo dk, ve metanol ile durulama daldırın örnek. Sonra 1 sulfer banyosunda dk, ve metanol ile durulama için daldırmak.
4. Gözenekler (genellikle 4-8 kez) dolana kadar 9.3 adımı yineleyin.
5. 150 ° C 'de 15 dakika boyunca numune tavlaması.

10. CTAB ¹⁴ ile Filmler Tedavisi

1. Adım 9'da ikinci film üzerinde 10 mg / ml 'lik bir konsantrasyonda, metanol içinde çözüldü ve 30 saniye süreyle 2500 rpm'de döndürün, sonra 1 dakika bekletin CTAB il 0,25 ml' dir.
2. Kadar kuru metanol ve spin 10 damla ile slayt durulayın.
3. 10.1 ve 10.2 kez tekrarlayın.

11. Temsilcisi Sonuçlar

Her bir sentez adımında / CD / Pt NC ZnSe karşılık gelen absorpsiyon ve emisyon spektrumlarına evrimi Şekil 1 'de izlenir. Bu Şekil 1b sırasıyla ZnSe ve CdS karakteristik ~ 350 nm ve ~ 450, absorbans zirveleri ifade, ve, en önemlisi, şimdi de ~ 550 nm FL tepe başlangıcı görüntüler görülebilir. Bu özellik, FL ZnSe / CdS arayüzü genelinde yayıcı Eksitonik çürümenin bir sonucudur. Bu tip II arası bir FL sonra metal parçasının içine delokalize elektron hızlı bir şekilde enjeksiyonu yüzünden Pt ucu (Şekil 1c), büyüme ile söndürülür. Bu ultra-hızlı şarj ayırma su fotokatalitik azaltılması için elektronun kullanılmasını sağlar. Hidrofilik MUA ligandları sonra Th kolaylaştırmak için ilave edilirgüneş H ₂ kalıcı azalma (Şekil 2) sağlayan, yarı iletken çekirdek inhibe oksidasyon stabilitesinin artırılması ile ZnSe etki deliğin e çıkarılması. Atma deliğin bir sonucu olarak, organik ligandlar ile fotodegradasyon duyarlı olmak, ancak, Şekil 2'de görüldüğü gibi bu sadece taze ligand ilavesiyle hafifletilebilir. Bu nedenle, hidrofilik ligand giriş sadece NC suda çözünür kılmak değil, aynı zamanda organik yüzey aktif değiştirmek için ucuz, kolay ve maliyet nano korumak için sistemin enerjetikleri ayarlayın.

PBS / CdS nanokristal katı maddeler için, Şekil 3a ve 3b, imalat işleminin bir şematik ve nihai cihaz gösterilmektedir. Şekil 3c, çekirdek / kabuk Nanokristallerin bir TEM görüntü göstermektedir ki, PbS çekirdek çevresinde eşit olarak CdS infiltrasyonu. Nanokristal Katı gözeneklerin görece özgür olduğu gösterilmiştirŞekil 3d, bir cihazın kesit bir SEM görüntüsü. Gözlemlenebilir kabuk büyümesinin bir sonucu absorbans ve emisyon zirveleri hem bir blueshift olduğunu. Bu kayma Cd'un çekirdek içine daha fazla sızmak daralan PbS çekirdek atfedilen ve Şekil 4'te görülebilir. Emisyon büyük bir artış aynı zamanda CdS kabuk tarafından sağlanan gelişmiş kuantum kapatılma dolayı, Şekil 4'te görülebilir. CdS tabaka emisyon artırmakla kalmaz, aynı zamanda yukarı yaklaşık 200 e kadar bir katı termal stabilite artan çekirdek korur ° C, yaklaşık 50 ° C'de tek başına PBS nanokristal katı daha yüksektir. Bu nanokristal sağlam mimari kullanılarak inşa Güneş pilleri sadece daha iyi termal kararlılık göstermiştir değil, aynı zamanda ilgili organik olarak birbirine bağlı filmler daha yüksek açık devre gerilimleri (0,7 V) yüksek olduğu gösterilmiştir. Bu filmler ayrıca s süren, oksijen atmosfere çok daha yüksek bir hoşgörü göstermiştirhiçbir bozulma ile normal atmosfer şartlarında everal gün.

Fabrikasyon heteronanocrystals Şekil 1. Optik özellikleri. (A). Λ = 390 nm de bir Eksitonik özelliği gösteren ZnSe NC ve absorbans. Bandaj emisyon bu örnekler için gözlenmedi. (B). ZnSe çekirdek NC büyüdü ZnSe / CdS nanoçubuklar Emisyon ve absorbans. (C). Pt çökelme sonrası ZnSe / CdS nanoçubuklar Absorbans.

Şekil 2. MUA üzerindeki hidrojen üretimi Evrimi ZnSe / CdS / Pt heteronanocrystals şapkalı. Hidrojen üretimi ZnSe / CdS / Pt nanopartiküller yeni ligandlar eklendikten sonra devam edilir. Taze ligandların eklenmesinden sonra H2 üretim hızı (yeni deneysel eğrisinin eğimi) (8-12 hr) yaklaşık olarak ilk azalma (0-8 saat) önce olduğu gibi aynıdır.

Şekil 3,. (A) nanokristal katıların imalatı ile ilgili adımlar ve (b) nihai fotovoltaik cihazın şematik gösterimi. Aşağıda, (c) PBS / CdS çekirdek / kabuk nanokristaller ve nanokristal katı (d) bir yandan görünüşüdür SEM görüntülerini vardır.

Emilimi (alt) ve emisyon (CdS kabuğun yaklaşık 1 tek tabaka birikimi kaynaklanan PbS NC üst. Şekil 4. Değişiklikler katyon değişim gelen PbS çekirdek küçülmesi hem de bir ≈ 150 nm vardiya olarak yansımaktadır spektrumu. PbS floresan yoğunluğu tip 1 heteroyapı oluşumuna bağlı olarak geliştirilmiştir.

ve_content "fo: keep-together.within-page =" always ">
Şekil 5. Şematik (a) ZnSe / CdS / Pt çekirdek / çubuk / ucu yapılarda enerji seviyesi uyum gösterimi ve (b) ZnTe / CdS / Pt çekirdek / çubuk / ucu yapılar. ZnTe seribaşı yapılardan delikleri olumsuz ligand yolculuk yapan bir enerji düzeyi oturmak gibi uygun malzeme seçimi, bu cihazlarla, büyük önem taşımaktadır.

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

Tartışmalar

Bu çalışmada inorganik Nanokristallerin kompozit mimarileri fotobaşlatılmış ücretleri mekansal ayırma ulaşmak için istihdam edilebilir gösterilmiştir. Özellikle, bu kompozit ince ayar ya fotokatalitik veya fotovoltaik işlevi gerçekleştirmek için kullanılabilir sonra, iki etki alanı karşısında, yüklerin dağılımı sağlar. Verici ve alıcı nanokristal alan tek bir nanoparçacık yerleştirilmiştir Örneğin, etkin fotokatalizörlerin yapılabilir. Bu tür bir sistemin enerjetikleri Şe...

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

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
Reaktif Adı	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar (isteğe bağlı)
octadecylamine (ODA),% 90	Balıkçı	AC12932-0050
selenyum (Se), 200 mesh	Acros	AC19807-2500
tri-n-octylphosphine (TOP),% 97	Strem	15-6655	Hava Duyarlı
Dietil çinko (Et2Zn), ağırlık olarak% 10'dur.	Aldrich	22080	Hava Hassas, Işık Hassas
metanol,% 99,8, susuz	Aldrich	179337
toluen,% 99.8, susuz	Aldrich	244511
tri-n-octylphosphine oksit (TOPO),% 99	Aldrich	223301
n-octadecylphosphonic asit (ODPA),% 98	PCI Sentez	104224
hexylphosphonic asit (HPA),% 98	PCI Sentez	4721-24-8
kadmiyum oksit (CDO),% 99.99	Aldrich	202894
kükürt (S),% 99.999	Acros	AC19993-0500	Güçlü koku
11-mercaptoundecanoic asit (MUA),% 95	Aldrich	450561
potasyum hidroksit (KOH)	Acros	AC13406-0010
kloroform	VWR	EM-CX1059-1
oksit (PbO),% 99.999 kurşun	Aldrich	32306-1KG
1-octadecene (ODE),% 90	Aldrich	O806-25ml
oleik asit (OA), 90%	Aldrich	O1008-1G
bis (trimetilsilil) sülfat (TMS), sentetik dereceli	Aldrich	283134-25G	Hava duyarlı, güçlü bir koku, son derece reaktif
aseton	Merck Kimyasallar	AX0118-2
kadmiyum asetat	Acros	AC31713-5000
sodyum sülfit nonahydrate (Na 2 S • 9H 2 O),% 98	Alfa Aesar	CB1100945	Hassas Işık
Heksadesiltrimethil amonyum bromür (CTAB),% 99	Sigma	H6269-100G
oleylamine, 70%	Aldrich	O7805-5G
difenil eter	Alfa Aesar	101-84-8
1,2-hexadecanediol	TCI	6920-24-7
Pt (II) asetilasetonat,% 97	Aldrich	282782-5G
izopropanol,% 99.8, susuz	Acros	AC32696-0025
titanyum tetraklorür (TiCl4),% 99.9	Aldrich	697079-25G	Hassas derece hava
titanyum dioksit, DSL 90T	Dyesol	DSL 90T
terpinol	MP Biyomedikal	98-55-5
3-mercaptopropionik asit (MPA),% 99	Alfa Aesar	A10435	Güçlü koku
oktan, susuz,% 99	Aldrich	412236