Name: Pozyskiwanie energii słonecznej za pomocą nanokryształów rozdzielających ładunki i ich ciał stałych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-08-23T12:03:00.000+00:00
Duration: 13 min 29 s
Description: Poznaj metodę wytwarzania nanokryształów półprzewodnikowych rozdzielających ładunki do zastosowań fotowoltaicznych i fotokatalitycznych. Technika ta umożliwia bezpośrednie sprzężenie absorbujących światło nanostruktur z katalizatorami.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Pragniemy podziękować dr. Felixowi Castellano (BGSU) oraz N. R. Neal za porady i cenne dyskusje. Z wdzięcznością dziękujemy programowi OBOR „Material Networks” oraz Bowling Green State University za wsparcie finansowe. Praca ta była częściowo wspierana przez NSF w ramach grantu CHE - 1112227.

1. Synteza nanokryształów rdzenia ZnSe8
<ol>
 <li>Do kolby trójszyjnej należy wprowadzić 7,0 g ODA oraz mieszadło magnetyczne.</li>
 <li>W oddzielnej kolbie należy połączyć 0,063 g Se i 2,4 ml TOP, a następnie dodać mieszadło magnetyczne. Mieszaninę TOP i selenu należy odgazować w próżni przez 30 min.</li>
 <li>ODA należy odgazować przez 90 min w temperaturze 120 °C, a następnie poddać przepływowi Ar z szerokim szklanym wylotem.</li>
 <li>ODA należy podgrzać do 300 °C, a następnie wstrzyknąć mieszaninę Se. Należy odczekać, aż temperatura powróci do 300 °C.</li>
 <li>Do kolby reakcyjnej należy wstrzyknąć 1,0 ml Et2Zn (10% masowych w heksanie) i pozwolić na reakcję w temperaturze 265 °C przez około 3 min lub do momentu przesunięcia piku absorbancji ekscytonu do pożądanej długości fali (λ=350-400 nm), po czym należy wyjąć kolbę z płaszcza grzewczego.</li>
 <li>Gdy temperatura kolby reakcyjnej spadnie do ~60 °C, należy dodać 12 ml metanolu i podzielić zawartość pomiędzy dwie probówki wirówki o pojemności 15 ml, dopełniając metanolem. Próbki należy wirować przez 5 min, a następnie odlać fazę ciekłą. Wytrącone nanokryształy należy ponownie rozpuścić w toluenie i powtórzyć procedurę.</li>
</ol>
2. Wzrost prętów CdS na rdzeniach ZnSe9
<ol>
 <li>Połączyć 3,0 g TOPO, 0,280 g ODPA, 0,080 g HPA oraz 0,090 g CdO i dodać mieszadło magnetyczne do kolby trójszyjnej.</li>
 <li>W oddzielnej kolbie połączyć 0,120 g S oraz 4,0 ml TOP i dodać mieszadło magnetyczne.</li>
 <li>Odgazować roztwór CdO przez 45 min w temperaturze 150 °C, a roztwór TOP przez 45 min w temperaturze 120 °C, następnie pozostawić pod przepływem Ar z szerokimi szklanymi wylotami.</li>
 <li>Podgrzać roztwór CdO do 380 °C, aż CdO się rozpuści, a roztwór stanie się przejrzysty i bezbarwny. W tym samym czasie podgrzać roztwór S do 120 °C, aż S się rozpuści, a mieszanina stanie się przejrzysta i bezbarwna.</li>
 <li>Dodać cały ZnSe z kroku 1 do roztworu S.</li>
 <li>Dodać 2,0 ml TOP do roztworu Cd i poczekać, aż temperatura powróci do 380 °C. Po osiągnięciu 380 °C natychmiast wstrzyknąć roztwór S do roztworu Cd.</li>
 <li>Pozostawić nanopręty do wzrostu przez 6-9 min, wliczając czas powrotu temperatury, a następnie wyjąć kolbę z płaszcza grzejnego. Im dłużej roztwór będzie podgrzewany, tym dłuższe będą pręty.</li>
 <li>Produkt może mieć postać zielnego żelu; dodać chloroform w celu upłynnienia i rozdzielić na dwie probówki.</li>
 <li>Wytrącić nanokryształy w etanolu, odlać fazę ciekłą i ponownie rozpuścić wytrącone nanokryształy w chloroformie.</li>
</ol>
3. Wzrost końcówki Pt na prętach CdS10
<ol>
 <li>W kolbie połączyć 0,2 ml OA, 0,2 ml oleylaminy, 10 ml eteru difenylowego oraz 43 mg 1,2-heksadekanodiolu i dodać magnetyczny mieszadło</li>
 <li>Odgazować mieszaninę przez 1 hr w temperaturze 80 °C, następnie wprowadzić przepływ Ar i zwiększyć temperaturę do 200 °C.</li>
 <li>Dodać mieszaninę prętów CdS w chloroformie oraz 20 mg acetylacetonianu Pt (II). Po 5-7 min utrzymywania mieszaniny reakcyjnej w temperaturze 190 °C roztwór stanie się czarny. Zdjąć kolbę z podgrzewacza.</li>
 <li>Wytrącić nanokryształy w mieszaninie metanolu i chloroformu w stosunku 10:3 za pomocą wirówki i odlać fazę ciekłą. Ponownie rozpuścić wytrącone kryształy w chloroformie i powtórzyć proces.</li>
</ol>
4. Wymiana ligandów na MUA11
<ol>
 <li>W fiolce zdyspergować nanopręty w 10 ml chloroformu.</li>
 <li>Dodać 0,1 g MUA do roztworu nanoprętów i sonykować aż do całkowitego rozpuszczenia MUA.</li>
 <li>W osobnej fiolce rozpuścić 0,1 g KOH w 20 ml trzykrotnie destylowanej wody (TDW).</li>
 <li>Dodać około 5,0 ml roztworu TDW do roztworu nanoprętów i energicznie wstrząsnąć.</li>
 <li>Odwiruj mieszaninę z kroku 4.4 przy 6000 rpm przez 1 min, aby oddzielić fazę wodną i organiczną.</li>
 <li>Zebrać górną (wodną) fazę i dodać metanol, aby uzyskać roztwór w stosunku metanol do wody 3:1.</li>
 <li>Odwiruj mieszaninę z kroku 4.6 przy 6000 rpm przez 2 min, aby wytrącić nanokryształy. Odlać fazę ciekłą i redyspergować wytrącone kryształy poprzez sonykację w TDW.</li>
 <li>Jeśli faza organiczna z kroku 4.5 nadal wykazuje zabarwienie pierwotnego roztworu nanokryształów, powtórzyć kroki od 4.4 do 4.7.</li>
</ol>
5. Synteza rdzeni PbS (na podstawie ref.12)
<ol>
 <li>Połączyć 0,49 g PbO, 18 ml ODE oraz 1-16 ml OA (w zależności od pożądanej wielkości; większa ilość OA pozwala uzyskać większe cząstki) i umieścić wraz z mieszadłem magnetycznym w kolbie trójszyjnej.</li>
 <li>Do oddzielnej kolby wlać 10 ml ODE i włożyć mieszadło magnetyczne.</li>
 <li>Odgazować obie kolby przez 1 h w temperaturze 120 °C, a następnie objąć przepływem Ar.</li>
 <li>Podgrzać roztwór Pb do 135 °C. W tym czasie schłodzić kolbę zawierającą sam ODE do temperatury pokojowej.</li>
 <li>Do ODE w temperaturze pokojowej dodać 0,21 ml TMS, a następnie wstrzyknąć mieszaninę do roztworu Pb w temperaturze 135 °C.</li>
 <li>Podgrzewać mieszaninę w temperaturze 135 °C przez 1-5 min (w zależności od pożądanej wielkości; dłuższe grzanie pozwala uzyskać większe cząstki), a następnie umieścić w kąpieli lodowej w celu gwałtownego schłodzenia i zatrzymania reakcji.</li>
 <li>Wytrącić nanokryształy w destylowanym acetonie, odlać fazę ciekłą i ponownie rozpuścić wytrącone kryształy w toluenie. Powtórzyć tę procedurę jeszcze dwukrotnie.</li>
</ol>
6. Wzrost powłoki CdS na rdzeniach PbS13
<ol>
 <li>W kolbie trójszyjnej połączyć 1,0 g CdO, 6 ml OA oraz 15 ml ODE i dodać mieszadło magnetyczne.</li>
 <li>W oddzielnej kolbie umieścić 20-40 mg rdzeni PbS rozpuszczonych w toluenie oraz mieszadło magnetyczne.</li>
 <li>Podgrzać roztwór CdO do 280 °C, aż stanie się on klarowny i bezbarwny, a następnie schłodzić do 100 °C.</li>
 <li>Podgrzać roztwór PbS do 110 °C na maksymalnie 5 min, aby odparować nadmiar (ale nie cały) rozpuszczalnika, a następnie wstrzyknąć roztwór Cd.</li>
 <li>Powoli podgrzać mieszaninę reakcyjną do 120-160 °C (w zależności od pożądanej grubości powłoki). W przypadku cieńszych powłok (1-2 monowarstwy) gwałtownie przerwać reakcję bezpośrednio po wstrzyknięciu roztworu Cd.</li>
 <li>Po osiągnięciu pożądanej temperatury przerwać reakcję, umieszczając kolbę w kąpieli lodowej.</li>
 <li>Wytrącić kryształy w etanolu, odlać fazę ciekłą i ponownie rozpuścić wytrącone kryształy w toluenie. Powtórzyć czynność dwukrotnie. Podczas ostatniego cyklu oczyszczania rozpuścić i przechowywać kryształy w bezwodnym oktanie.</li>
</ol>
7. Przygotowanie TiO2 na podłożach FTO/szklanych
<ol>
 <li>Umyć ręcznie szkło powlekane FTO detergentem (Alconox) i opłukać wodą dejonizowaną.</li>
 <li>Poddać szkło sonikacji w metanolu, acetonie, a następnie izopropanolu przez 5 min w każdym z tych rozpuszczalników i osuszyć strumieniem Ar.</li>
 <li>Umieścić szkło w kąpieli z 75 mM TiCl4 w wodzie dejonizowanej i ogrzewać (na powietrzu) przez 30 min w temperaturze 70 °C.</li>
 <li>Opłukać szkło wodą dejonizowaną i osuszyć za pomocą Ar, następnie ogrzewać (na powietrzu) w temperaturze 450 °C przez 1 hr i pozostawić do ostygnięcia do temperatury pokojowej.</li>
 <li>Podczas stygnięcia szkła rozpuścić pastę TiO2 Dyesol w terpinolu w stosunku masowym 3:1.</li>
 <li>Nanieść 3 krople mieszaniny TiO2 na środek strony z FTO suchej płytki szklanej poddanej działaniu TiCl4, a następnie wirować przez 6 sec przy 700 rpm oraz przez 1 min przy 2 000 rpm.</li>
 <li>Wyżarzyć płytkę na powietrzu w temperaturze 450-500 °C, aż film zmieni kolor na brązowy, a następnie stanie się przezroczysty.</li>
</ol>
8. Naniesienie warstwy PbS/CdS metodą spin coatingu
<ol>
 <li>Wszystkie etapy nanoszenia warstw metodą spin coatingu są wykonywane w rękawicowej komorze z argonem.</li>
 <li>Nanieś 4-5 kropli PbS/CdS w oktanie (10 mg/ml) na podłożkę z kroku 7 i poczekaj, aż się rozprzestrzenią, aż środek zacznie wysychać, następnie wiruj przez 5 s przy 600 rpm, a potem przez 15 s przy 2,500 rpm.</li>
 <li>Nanieś 10 kropli roztworu MPA:metanol w stosunku 1:3 na podłoże, całkowicie pokrywając jego powierzchnię, i wiruj przez 5 s przy 600 rpm, a następnie przez 15 s przy 2,500 rpm.</li>
 <li>Przemyj powierzchnię metanolem, nakraplając 10 kropli na podłoże i wirując przez 5 s przy 600 rpm, a następnie przez 15 s przy 2,500 rpm.</li>
 <li>Przemyj powierzchnię oktanem metodą analogiczną do tej z kroku 8.4.</li>
 <li>Powtórz kroki 8.2-8.5 dla każdej kolejnej warstwy filmu.</li>
 <li>Wykonaj wygrzewanie filmu po każdej trzeciej warstwie w temperaturze 150 °C przez 15 min. Końcowy film powinien mieć absorbancję bliską 1,5 przy długości fali odpowiadającej piki NC.</li>
</ol>
9. Powlekanie zanurzeniowe warstw PbS/CdS
<ol>
 <li>Przygotować roztwór 0,43 g octanu kadru w 80 ml metanolu w zlewce wystarczająco dużej, aby całkowicie zanurzyć próbkę.</li>
 <li>Przygotować roztwór nonahydratu siarczku sodu (Na2S•9H2O) w 80 ml metanolu w zlewce wystarczająco dużej, aby całkowicie zanurzyć próbkę.</li>
 <li>Zanurzyć próbkę na 1 min w kąpieli kadrowej, a następnie wypłukać metanolem. Następnie zanurzyć na 1 min w kąpieli siarkowej i wypłukać metanolem.</li>
 <li>Powtarzać krok 9.3 do momentu wypełnienia porów (zazwyczaj od 4 do 8 razy).</li>
 <li>Wyżarzyć próbkę w temperaturze 150 °C przez 15 min.</li>
</ol>
10. Traktowanie błon CTAB14
<ol>
 <li>Nanieś 0,25 ml CTAB, rozpuszczonego w metanolu w stężeniu 10 mg/ml, na film z kroku 9 i pozostaw na 1 min, następnie wiruj przy 2 500 rpm przez 30 sec.</li>
 <li>Przepłucz preparat 10 kroplami metanolu i wiruj do wyschnięcia.</li>
 <li>Powtórz kroki 10.1 i 10.2 raz.</li>
</ol>
11. Reprezentatywne wyniki
Ewolucja widm absorpcyjnych i emisyjnych odpowiadających NC ZnSe/CdS/Pt podczas każdego etapu syntezy została przedstawiona na Rysunku 1. Widać, że Rysunek 1b wykazuje piki absorbancji przy ~350 nm i ~450 nm, charakterystyczne odpowiednio dla ZnSe i CdS, a co najważniejsze, prezentuje teraz początek piku FL przy ~550 nm. Ta cecha FL jest wynikiem emisyjnego rozpadu ekscytonowego na interfejsie ZnSe/CdS. Ta fluorescencja międzydomenowa typu II jest następnie gaszona przez wzrost wierzchołka Pt (Rysunek 1c), ze względu na szybką injekcję zdelokalizowanego elektronu do części metalicznej. Ta ultraszybka separacja ładunku umożliwia wykorzystanie elektronu do fotokatalitycznej redukcji wody. Następnie dodaje się hydrofilowe ligandy MUA, aby ułatwić usuwanie dziury z domeny ZnSe, co zwiększa stabilność poprzez hamowanie utleniania rdzenia półprzewodnika, umożliwiając trwałą redukcję słonecznego H2 (Rysunek 2). W wyniku wychwytywania dziur ligandy organiczne stają się podatne na fotodegradację, ale można to łatwo zniwelować poprzez dodanie świeżych ligandów, co widać na Rysunku 2. Zatem wprowadzenie ligandów hydrofilowych nie tylko czyni NC rozpuszczalnymi w wodzie, ale także dostosowuje energetykę układu w celu ochrony nanostruktury kosztem tanich, łatwych do zastąpienia surfaktantów organicznych.
W przypadku ciał stałych z nanokryształów PbS/CdS, rycina 3a i 3b przedstawiają schemat procesu wytwarzania oraz gotowe urządzenie. Rycina 3c, obraz TEM nanokryształów typu rdzeń/otoczka, pokazuje, że CdS równomiernie przenika wokół rdzenia PbS. Na rycinie 3d, będącej obrazem SEM przekroju urządzenia, widoczne jest, że ciało stałe z nanokryształów jest stosunkowo wolne od porów. Jednym z obserwowalnych wyników wzrostu otoczki jest przesunięcie w stronę niebieską zarówno w pikach absorbancji, jak i emisji. Przesunięcie to przypisuje się kurczeniu się rdzenia PbS w miarę dalszego przenikania jonów Cd do wnętrza rdzenia, co można zobaczyć na rycinie 4. Na rycinie 4 widoczny jest również znaczny wzrost emisji, wynikający ze wzmocnionego uwięzienia kwantowego zapewnionego przez otoczkę CdS. Warstwa CdS nie tylko zwiększa emisję, ale również chroni rdzeń, zwiększając stabilność termiczną ciała stałego do niemal 200 °C, co jest wartością o niemal 50 °C wyższą niż w przypadku samego ciała stałego z nanokryształów PbS. Ogniwa słoneczne skonstruowane w oparciu o tę architekturę ciał stałych z nanokryształów wykazały nie tylko lepszą stabilność termiczną, ale także wyższe napięcia obwodu otwartego (sięgające 0,7 V) niż w przypadku powiązanych z nimi filmów organicznych. Filmy te wykazały również znacznie wyższą tolerancję na atmosferę tlenową, zachowując stabilność przez kilka dni w normalnych warunkach atmosferycznych bez degradacji.
<img alt="Widma absorpcyjne/emisyjne; ZnSe/ZnSe-CdS-ZnSe-CdS-Pt; analiza spektralna; diagram; długości fal 300-900 nm." src="/files/ftp_upload/4296/4296fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 1"> 
 Rycina 1. Właściwości optyczne otrzymanych heteronanokryształów. (a). Absorbancja nanokryształów (NCs) ZnSe wykazująca cechę ekscytonową przy λ = 390 nm. Dla tych próbek nie zaobserwowano emisji pasmowej. (b). Emisja i absorbancja nanoprętów ZnSe/CdS wyhodowanych z rdzeniowych nanokryształów ZnSe. (c). Absorbancja nanoprętów ZnSe/CdS po osadzeniu Pt.
<img alt="Wpływ liganda na reakcję chemiczną; wykres przedstawia nH2 w funkcji czasu; zmiana stężenia po 8 godzinach." src="/files/ftp_upload/4296/4296fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 2"> 
 Rysunek 2. Ewolucja produkcji wodoru na heteronanokryształach ZnSe/CdS/Pt stabilizowanych MUA. Produkcja wodoru zostaje wznowiona po dodaniu nowych ligandów do nanocząstek ZnSe/CdS/Pt. Szybkość produkcji H2 (nachylenie nowej krzywej eksperymentalnej) po dodaniu świeżych ligandów (8-12 h) jest w przybliżeniu taka sama jak przed początkową degradacją (0-8 h).
<img alt="Schemat wytwarzania ciał stałych z nanocryształów, rdzeń-powłoka PbS/CdS, optymalizacja TiO2, fuzja krystalograficzna." src="/files/ftp_upload/4296/4296fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 3"> 
 Rysunek 3. Schematyczny przedstawienie (a) etapów wytwarzania ciał stałych z nanokryształów oraz (b) końcowego urządzenia fotowoltaicznego. Poniżej znajdują się obrazy SEM (c) nanokryształów rdzeń-powłoka PbS/CdS oraz (d) widok z boku ciała stałego z nanokryształów.
<img alt="Widma absorbancji/emisji; NC PbS/CdS vs. NC PbS; zakres nanometrów; wyniki spektroskopowe." src="/files/ftp_upload/4296/4296fig4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 4"> 
 Rysunek 4. Zmiany w absorpcji (na dole) i emisji (na górze) NC PbS wynikające z osadzenia około 1 monowarstwy powłoki CdS. Zmniejszenie rdzenia PbS w wyniku wymiany kationowej objawia się przesunięciem o ≈150 nm w obu widmach. Intensywność fluorescencji PbS wzrosła dzięki utworzeniu heterostruktury typu 1.
<img alt="Schemat dopasowania pasm nanoprętów dla układów ZnSe/CdS/Pt oraz ZnTe/CdS/Pt, przedstawiający oddziaływania MUA." src="/files/ftp_upload/4296/4296fig5.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 5"> 
 Rysunek 5. Schematyczne przedstawienie dopasowania poziomów energetycznych w (a) strukturach rdzeń/pręt/wierzchołek ZnSe/CdS/Pt oraz (b) strukturach rdzeń/pręt/wierzchołek ZnTe/CdS/Pt. Wybór odpowiednich materiałów ma kluczowe znaczenie w tych urządzeniach, ponieważ dziury w strukturach z zarodkami ZnTe znajdują się na poziomie energetycznym, który sprawia, że transport do ligandu jest niekorzystny.

<ol><li>Kamat, P. V., Flumiani, M., Dawson, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Metal+-+Metal+and+Metal-+Semiconductor+Composite+Nanoclusters%5BTitle%5D)+AND+%22Colloids+Surf.+A%22%5BJournal%5D)">Metal - Metal and Metal- Semiconductor Composite Nanoclusters.</a> Colloids Surf. A. 202, 269-279 (2002).</li>
<li>Dawson, A., Kamat, P. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Complexation+of+Gold+Nanoparticles+with+Radiolytically+Generated+Thiocyanate+Radicals+%28%28SCN%292%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem.+B%22%5BJournal%5D)">Complexation of Gold Nanoparticles with Radiolytically Generated Thiocyanate Radicals ((SCN)2.</a> J. Phys. Chem. B. 105, 960-966 (2001).</li>
<li>Borensztein, Y., Delannoy, L., Djedidi, A., Barrera, R. G., Louis, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Monitoring+of+the+Plasmon+Resonance+of+Gold+Nanoparticles+in+Au%2FTiO2+Catalyst+under+Oxidative+and+Reducing+Atmospheres%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem.+C%22%5BJournal%5D)">Monitoring of the Plasmon Resonance of Gold Nanoparticles in Au/TiO2 Catalyst under Oxidative and Reducing Atmospheres.</a> J. Phys. Chem. C. 114, 9008(2010).</li>
<li>Acharya, K. P., Khnayzer, R. S., O'Connor, T., Diederich, G., Kirsanova, M., Klinkova, A., Roth, D., Kinder, E., Imboden, M., Zamkov, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Role+of+Hole+Localization+in+Sacrificial+Hydrogen+Production+by+Semiconductor-Metal+Heterostructured+Nanocrystals%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">The Role of Hole Localization in Sacrificial Hydrogen Production by Semiconductor-Metal Heterostructured Nanocrystals.</a> Nano Lett. 11, 2919(2011).</li>
<li>Amirav, L., Alivisatos, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photocatalytic+Hydrogen+Production+with+Tunable+Nanorod+Heterostructures%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem.+Lett%22%5BJournal%5D)">Photocatalytic Hydrogen Production with Tunable Nanorod Heterostructures.</a> J. Phys. Chem. Lett. 1, 1051-1054 (2010).</li>
<li>Pattantyus-Abraham, A. G., Kramer, I. J., Barkhouse, A. R., Wang, X., Konstantatos, G., Debnath, R., Levina, L., Raabe, I., Nazeeruddin, M. K., Gratzel, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Depleted-Heterojunction+Colloidal+Quantum+Dot+Solar+Cells%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Depleted-Heterojunction Colloidal Quantum Dot Solar Cells.</a> ACS Nano. 4, 3374-3380 (2010).</li>
<li>Kinder, E., Moroz, P., Diederich, G., Johnson, A., Kirsanova, M., Nemchinov, A., O'Connor, T., Roth, D., Zamkov, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+All-Inorganic+Nanocrystal+Solids+through+Matrix+Encapsulation+of+Nanocrystal+Arrays%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Amer.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Fabrication of All-Inorganic Nanocrystal Solids through Matrix Encapsulation of Nanocrystal Arrays.</a> J. Amer. Chem. Soc. 133, 20488-20499 (2011).</li>
<li>Davide, C. P., Liberato, M., Lucia, C. M., Stefan, K., Cinzia, G., Marinella, S., Angela, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shape+and+Phase+Control+of+Colloidal+ZnSe+Nanocrystals%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Mater%22%5BJournal%5D)">Shape and Phase Control of Colloidal ZnSe Nanocrystals.</a> Chem. Mater. 17, 1296-1306 (2005).</li>
<li>Carbone, L., Nobile, C., de Giorgi, M., Sala, F. D., Morello, G., Pompa, P., Hytch, M., Snoeck, E., Fiore, A., Franchini, I. R., Nadasan, M., Silvestre, A. F., Chiodo, L., Kudera, S., Cingolani, R., Krahne, R., Manna, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+and+Micrometer-Scale+Assembly+of+Colloidal+CdSe%2FCdS+Nanorods+Prepared+by+a+Seeded+Growth+Approach%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Synthesis and Micrometer-Scale Assembly of Colloidal CdSe/CdS Nanorods Prepared by a Seeded Growth Approach.</a> Nano Lett. 7, 2942-2950 (2007).</li>
<li>Habas, S. E., Yang, P., Mokari, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Selective+Growth+of+Metal+and+Binary+Metal+Tips+on+CdS+Nanorods%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Selective Growth of Metal and Binary Metal Tips on CdS Nanorods.</a> J. Am. Chem. Soc. 130, 3294-3295 (2008).</li>
<li>Costi, R., Saunders, A. E., Elmalem, E., Salant, A., Banin, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Visible+Light-Induced+Charge+Retention+and+Photocatalysis+with+Hybrid+CdSe-Au+Nanodumbbells%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Visible Light-Induced Charge Retention and Photocatalysis with Hybrid CdSe-Au Nanodumbbells.</a> Nano Lett. 8, 637-641 (2008).</li>
<li>Hines, M. A., Scholes, G. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Colloidal+PbS+Nanocrystals+with+Size-Tunable+Near-Infrared+Emission%3A+Observation+of+Post-Synthesis+Self-Narrowing+of+the+Particle+Size+Distribution%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Colloidal PbS Nanocrystals with Size-Tunable Near-Infrared Emission: Observation of Post-Synthesis Self-Narrowing of the Particle Size Distribution.</a> Adv. Mater. 15, 1844-1849 (2003).</li>
<li>Pietryga, J. M., Werder, D. J., Williams, D. J., Casson, J. L., Schaller, R. D., Klimov, V. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Utilizing+the+Lability+of+Lead+Selenide+to+Produce+Heterostructured+Nanocrystals+with+Bright%2C+Stable+Infrared+Emission%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Utilizing the Lability of Lead Selenide to Produce Heterostructured Nanocrystals with Bright, Stable Infrared Emission.</a> J. Am. Chem. Soc. 130, 4879-4885 (2008).</li>
<li>Tang, J., Kemp, K. W., Hoogland, S., Jeong, K. S., Liu, H., Levina, L., Furukawa, M., Wang, X., Debnath, R., Cha, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Colloidal-quantum-dot+photovoltaics+using+atomic-ligand+passivation%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Mat%22%5BJournal%5D)">Colloidal-quantum-dot photovoltaics using atomic-ligand passivation.</a> Nat. Mat. 10, 765-771 (2011).</li>
</ol>

Nie zadeklarowano żadnych konfliktów interesów.

Niniejsze badanie demonstruje, w jaki sposób kompozytowe architektury nieorganicznych nanokryształów mogą być wykorzystane do osiągnięcia przestrzennej separacji ładunków indukowanych światłem. W szczególności kompozyty te pozwalają na precyzyjne dostrojenie rozkładu ładunków pomiędzy dwiema domenami, które mogą następnie pełnić funkcję fotokatalityczną lub fotowoltaiczną. Na przykład, wydajne fotokatalizatory można stworzyć, wbudowując domeny nanokryształów donora i akceptora w pojedynczą nanocząstkę. Energetyka takiego...

<table><tbody><tr><td>oktadecyloamina (ODA), 90%</td><td>Fisher</td><td>AC12932-0050</td><td></td></tr><tr><td>selen (Se), 200 mesh</td><td>Acros</td><td>AC19807-2500</td><td></td></tr><tr><td>tri-n-oktylofosfina (TOP), 97% </td><td>Strem</td><td>15-6655</td><td>Wrażliwy na powietrze</td></tr><tr><td>dietyloocynk (Et2Zn), 10% masowo</td><td>Aldrich</td><td>22080</td><td>Wrażliwy na powietrze, wrażliwy na światło</td></tr><tr><td>metanol, 99,8%, bezwodny</td><td>Aldrich</td><td>179337</td><td></td></tr><tr><td>toluen, 99,8%, bezwodny</td><td>Aldrich</td><td>244511</td><td></td></tr><tr><td>tlenek tri-n-oktylofosfiny (TOPO), 99% </td><td>Aldrich</td><td>223301</td><td></td></tr><tr><td>kwas n-oktadecylfosfonowy (ODPA), 98% </td><td>PCI Synthesis</td><td>104224</td><td></td></tr><tr><td>kwas heksylofosfonowy (HPA), 98%</td><td>PCI Synthesis</td><td>4721-24-8</td><td></td></tr><tr><td>tlenek kadmu (CdO), 99,99%</td><td>Aldrich</td><td>202894</td><td></td></tr><tr><td>siarka (S), 99,999%</td><td>Acros</td><td>AC19993-0500</td><td>Silny zapach</td></tr><tr><td>kwas 11-merkapto-undekanowy (MUA), 95%</td><td>Aldrich</td><td>450561</td><td></td></tr><tr><td>wodorotlenek potasu (KOH) </td><td>Acros</td><td>AC13406-0010</td><td></td></tr><tr><td>chloroform</td><td>VWR</td><td>EM-CX1059-1</td><td></td></tr><tr><td>tlenek ołowiu (PbO), 99,999%</td><td>Aldrich</td><td>32306-1KG</td><td></td></tr><tr><td>1-oktadecen (ODE), 90%</td><td>Aldrich</td><td>O806-25ML</td><td></td></tr><tr><td>kwas oleinowy (OA), 90%</td><td>Aldrich</td><td>O1008-1G</td><td></td></tr><tr><td>siarczek bis(trimetylosililowy) (TMS), stopień syntetyczny</td><td>Aldrich</td><td>283134-25G</td><td>Wrażliwy na powietrze, silny zapach, wysoce reaktywny</td></tr><tr><td>aceton</td><td>EMD Chemicals</td><td>AX0118-2</td><td></td></tr><tr><td>octan kadmu</td><td>Acros</td><td>AC31713-5000</td><td></td></tr><tr><td>nonahydrat siarczku sodu (Na&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;S&amp;#8729;9H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O), 98%</td><td>Alfa Aesar</td><td>CB1100945</td><td>Wrażliwy na światło</td></tr><tr><td>bromek heksadecylotrimetylammoniumu (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>eter difenylowy</td><td>Alpha Aesar</td><td>101-84-8</td><td></td></tr><tr><td>1,2-heksadekanodiol</td><td>TCI</td><td>6920-24-7</td><td></td></tr><tr><td>acetyloacetonian Pt (II), 97%</td><td>Aldrich</td><td>282782-5G</td><td></td></tr><tr><td>izopropanol, 99,8%, bezwodny</td><td>Acros</td><td>AC32696-0025</td><td></td></tr><tr><td>tetrachlorek tytanu (TiCl4), 99,9%</td><td>Aldrich</td><td>697079-25G</td><td>Ekstremalnie wrażliwy na powietrze</td></tr><tr><td>dwutlenek tytanu, DSL 90T</td><td>DyeSol</td><td>DSL 90T</td><td></td></tr><tr><td>terpineol</td><td>MP Biomedical</td><td>98-55-5</td><td></td></tr><tr><td>kwas 3-merkaptopropionowy (MPA), 99%</td><td>Alfa Aesar</td><td>A10435</td><td>Silny zapach</td></tr><tr><td>oktan, bezwodny, 99%</td><td>Aldrich</td><td>412236</td><td></td></tr></tbody></table>

pozyskiwanie energii słonecznej za pomocą nanocryształów rozdzielających ładunki oraz ich ciał stałych

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

Połączenie różnych materiałów półprzewodnikowych w jednym nanokompozycie zapewnia syntetyczne możliwości opracowania nowych materiałów optoelektronicznych, oferujących lepszą kontrolę nad przestrzennym rozkładem nośników ładunku na granicach międzyfazowych materiałów. Jak wykazano w niniejszym badaniu, kombinacja domen nanokryształów (NC) typu donor-akceptor w pojedynczej nanocząsteczce może prowadzić do stworzenia wydajnych materiałów fotokatalitycznych1-5, podczas gdy warstwowa struktura z filmów nanokryształów typu donorowego i akceptorowego pozwala na uzyskanie materiałów fotowoltaicznych.
Wstępnie praca koncentruje się na syntezie kompozytowych nanokryształów nieorganicznych, składających się z liniowo ułożonych domen ZnSe, CdS i Pt, które wspólnie sprzyjają fotoindukowanej separacji ładunków. Struktury te są wykorzystywane w roztworach wodnych do fotokatalizy wody pod promieniowaniem słonecznym, co prowadzi do produkcji gazowego H2. Aby zwiększyć fotoindukowaną separację ładunków, zastosowano morfologię nanoprętów z liniowym gradientem wynikającym z wewnętrznego pola elektrycznego5. Następnie zoptymalizowano energetykę międzydomenową, aby skierować fotogenerowane elektrony w stronę katalitycznego miejsca Pt, jednocześnie wypychając dziury na powierzchnię domen ZnSe w celu regeneracji ofiarnej (za pomocą metanolu). Tutaj wykazujemy, że jedynym skutecznym sposobem produkcji wodoru jest zastosowanie ligandów donujących elektrony w celu pasywacji stanów powierzchniowych poprzez dostrojenie wyrównania poziomów energii na interfejsie półprzewodnik-ligand. Stabilna i wydajna redukcja wody jest możliwa dzięki tym ligandom, ponieważ wypełniają one luki w pasmie walencyjnym domeny półprzewodnikowej, zapobiegając degradacji przez wysokoenergetyczne dziury. Wykazujemy konkretnie, że energia dziury jest przenoszona na część ligandową, pozostawiając domenę półprzewodnikową funkcjonalną. Pozwala nam to przywrócić cały układ nanokryształ-ligand do stanu funkcjonalnego po degradacji ligandów poprzez proste dodanie do układu świeżych ligandów4.
Aby wspomóc fotowoltaiczną separację ładunków, stosujemy kompozytową strukturę dwuwarstwową składającą się z cienkich warstw PbS i TiO2. W tej konfiguracji elektrony wzbudzone światłem są wstrzykiwane do TiO2, a następnie odbierane przez elektrodę FTO, podczas gdy dziury są transportowane do elektrody Au poprzez warstwę PbS6. W celu opracowania tej ostatniej wprowadzamy strategię Semiconductor Matrix Encapsulated Nanocrystal Arrays (SMENA), która umożliwia wiązanie nanocząstek (NCs) PbS w otaczającej matrycy półprzewodnika CdS. W rezultacie otrzymane materiały wykazują doskonałą stabilność termiczną, przypisywaną heteroepitaksjalnej strukturze interfejsów nanocząstka-matryca, oraz wykazują przekonującą wydajność konwersji światła w prototypowych ogniwach słonecznych7.

Przedstawiono ogólną strategię opracowania kompozytów nanokryształów półprzewodnikowych z separacją ładunku, które można wykorzystać w produkcji energii słonecznej. Wykazano, że zgrupowanie domen nanokryształów typu donora i akceptora w obrębie pojedynczej nanocząstki nadaje jej funkcję fotokatalityczną, podczas gdy heterozłącza objętościowe (bulk-heterojunctions) w filmach z nanokryształów typu donora i akceptora mogą być wykorzystywane do fotowoltażnej konwersji energii.

Pozyskiwanie energii słonecznej za pomocą nanocryształów rozdzielających ładunki oraz ich ciał stałych

Łączenie różnych materiałów półprzewodnikowych w jednym nanokompozycie zapewnia syntetyczne możliwości opracowania nowatorskich materiałów optoelektronicznych ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest wytworzenie fotoaktywnych nanokryształów oraz nano filmów krystalicznych. Jest to realizowane poprzez wstępne wytworzenie komponentu donora elektronów z selenku cynku. Drugim krokiem jest nadrost selenku cynku komponentem akceptora elektronów z siarczku kadmu.Następnie katalizator metaliczny jest osadzany na nanocząsteczkach donora i akceptora z selenku cynku i siarczku kadmu w ramach syntezy fotoaktywnych filmów z nanokryształów półprzewodnikowych. Następnie zaprezentowano tworzenie struktur złożonych z macierzy siarczku kadmu z zatopionymi w niej sieciami nanokryształów siarczku ołowiu; ostatecznie wykazano fotoaktywność zarówno izolowanych nanokryształów selenku cynku, siarczku kadmu i platyny, jak i filmów z siarczku ołowiu i siarczku kadmu. Główną zaletą tej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami jest to, że umożliwia ona bezpośrednie, w pełni nieorganiczne sprzężenie absorbera światła i katalizatora.Wierzymy, że metoda ta może przyczynić się do aktualnych badań w dziedzinie fotokatalizy. Choć wytworzone materiały zostały zaprojektowane przede wszystkim do produkcji wodoru, mogą one zostać zastosowane również w innych funkcjach ka

harvesting-solar-energy-means-charge-separating-nanocrystals-their

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Wykorzystywanie energii słonecznej za pomocą nanokryształów separujących ładunki i ich ciał stałych

Polikrystaliczne cienkowarstwowe ogniwa słoneczne z krzemu na szkle są wytwarzane poprzez osadzanie warstw krzemu domieszkowanego borem i fosforem, a następnie krystalizację, pasywację defektów i metalizację. Pułapkowanie światła oparte na plazmonice wprowadza się poprzez formowanie nanocząsteczek Ag na powierzchni ogniwa krzemowego pokrytego reflektorem dyfuzyjnym, co skutkuje wzrostem prądu światła o ok. 45%.

Ogniwa słoneczne z cienkich warstw polikrystalicznego krzemu z plazmonicznym wspomaganiem pułapkowania światła

Wyprodukowano zintegrowane urządzenie, zawierające barwnikowe ogniwo słoneczne i jednostkę do konwersji w górę anihilacji trypletowo-trypletowej, co pozwoliło na lepsze zbieranie światła z szerszego wycinka spektrum słonecznego. Przy umiarkowanych poziomach napromieniowania wykazano znacznie zwiększoną reakcję na fotony o niskiej energii, co przyniosło rekordową wartość dla ogniw słonecznych wrażliwych na barwnik.

Integracja systemu konwersji w górę anihilacji triplet-triplet w celu zwiększenia wrażliwości barwnika ogniwa słonecznego na światło sub-pasmo wzbronione

Przedstawiono metodę wytwarzania, w warunkach otoczenia, organicznych tandemowych urządzeń fotowoltaicznych w konfiguracji równoległej. Urządzenia te wyposażone są w uzdatnioną powietrzem, półprzezroczystą wspólną katodę z nanorurek węglowych.

Metoda otoczenia do produkcji wspólnej katody z nanorurki węglowej bramkowanej jonowo w tandemowych organicznych ogniwach słonecznych

Siarczek cyny (SnS) jest materiałem kandydującym na nietoksyczne ogniwa słoneczne występujące w dużych ilościach na Ziemi. Tutaj demonstrujemy procedurę wytwarzania ogniw słonecznych SnS wykorzystującą osadzanie warstw atomowych, które daje 4,36% certyfikowaną sprawność konwersji energii, oraz parowanie termiczne, które daje 3,88%.

Wytwarzanie rekordowo wydajnych ogniw słonecznych SnS metodą termicznego odparowywania i osadzania warstw atomowych

Pokazano wytwarzanie siatek o wysokim kontraście jako elementu dyspersyjnego rozdzielającego równoległe spektrum w skoncentrowanym systemie fotowoltaicznym. Opisano procesy wytwarzania, w tym litografię nanoimprint, rozpylanie TiO2 i reaktywne trawienie jonowe. Wyniki pomiarów współczynnika odbicia służą do scharakteryzowania parametrów optycznych.

Wykonanie siatek o wysokim kontraście dla elementu dyspersyjnego rozdzielającego widmo w skoncentrowanym systemie fotowoltaicznym

Opisana jest realna metodologia oparta na druku transferowym, mająca na celu wprowadzenie plazmonicznych nanostruktur metalowych do ogniw słonecznych.  Wykorzystując nanofilarowe stemple poli(dimetylosiloksanowe), uporządkowany układ nanodysków oparty na Ag zintegrowano ze standardowymi uwodornionymi mikrokrystalicznymi ogniwami słonecznymi Si, co doprowadziło do poprawy wydajności urządzenia dzięki plazmonicznemu pułapkowaniu światła.

Integracja nanostruktur srebra zatrzymujących światło w uwodornionych mikrokrystalicznych krzemowych ogniwach słonecznych za pomocą druku transferowego

Tutaj prezentujemy protokół wytwarzania organicznych cienkich warstw ogniw słonecznych za pomocą powlekarki z matrycą mini-szczelinową oraz powiązane charakterystyki struktury w linii produkcyjnej za pomocą technik rozpraszania synchrotronowego.

Drukowanie, produkcja masowych heterozłączowych ogniw słonecznych i charakterystyka morfologii in situ

Ten protokół opisuje syntezę i osadzanie roztworu nieorganicznych nanokryształów warstwa po warstwie w celu wytworzenia cienkiej warstwy elektroniki na powierzchniach nieprzewodzących. Atramenty stabilizowane rozpuszczalnikiem mogą wytwarzać kompletne urządzenia fotowoltaiczne na podłożach szklanych poprzez powlekanie wirowe i natryskowe po wymianie ligandów i spiekaniu po osadzaniu.

Produkcja w pełni przetworzonych w roztworze nieorganicznych nanokrystalicznych urządzeń fotowoltaicznych

Ogólnym celem tego projektu było wykorzystanie elektroprzędzenia do wytworzenia fotoanody o ulepszonej wydajności dla barwnikowych ogniw słonecznych.

Elektroprzędzenie elektrod fotokatalitycznych do barwnikowych ogniw słonecznych

Ten manuskrypt opisuje, jak zaprojektować i wyprodukować wydajne odwrócone ogniwa słoneczne SMPV1:PC71BM z nanoprętami ZnO (NR) hodowanymi na wysokiej jakości warstwie nasiennej ZnO domieszkowanej Alem (AZO). Dobrze ustawione, zorientowane pionowo NR ZnO wykazują wysokie właściwości krystaliczne. Sprawność konwersji energii ogniw słonecznych może osiągnąć 6,01%.

Dobrze wyrównane pionowo zorientowane układy nanoprętów ZnO i ich zastosowanie w odwróconych małocząsteczkowych ogniwach słonecznych

Efektywna produkcja energii słonecznej i wodoru została niedawno zrealizowana na funkcjonalizowanych systemach półprzewodnikowo-elektrokatalitycznych w fotoelektrochemicznym półogniwie w środowisku mikrograwitacji w Bremen Drop Tower. W tym miejscu przedstawiamy procedury eksperymentalne dotyczące wytwarzania urządzenia półprzewodnikowo-elektrokatalitycznego, szczegóły dotyczące konfiguracji eksperymentalnej w kapsule kroplowej oraz sekwencję eksperymentalną podczas swobodnego spadania.

Eksperymentalne metody efektywnej produkcji wodoru słonecznego w środowisku mikrograwitacji

Poznaj metodę wytwarzania nanokryształów półprzewodnikowych rozdzielających ładunki do zastosowań fotowoltaicznych i fotokatalitycznych. Technika ta umożliwia bezpośrednie sprzężenie absorbujących światło nanostruktur z katalizatorami.

Pozyskiwanie energii słonecznej za pomocą nanocryształów rozdzielających ładunki oraz ich ciał stałych

Przeglądaj więcej filmów