Høsting Solar energi ved hjelp av Charge-Skille nanokrystaller og deres Solids
Summary
En generell strategi for utvikling av kostnad-skille halvledere nanocrystal kompositter deployerbare for produksjon av solenergi er presentert. Vi viser at montering av donor-akseptor nanocrystal domener i en enkelt nanopartikkel geometri gir opphav til en fotokatalytisk funksjon, mens bulk-heterojunctions av donor-akseptor nanocrystal filmer kan brukes for fotovoltaiske energiomforming.
Abstract
Conjoining forskjellige halvledermaterialer i en enkelt nano-kompositt gir syntetiske midler for utvikling av nye optoelektroniske materialer som tilbyr en overlegen kontroll over den romlige fordelingen av ladningsbærere over materielle grensesnitt. Som denne studien viser, kan en kombinasjon av donor-akseptor nanocrystal (NC) domener i en enkelt nanopartikkel føre til realisering av effektive fotokatalytiske 1-5 materialer, mens en lagdelt montering av donor-og akseptor-lignende nanokrystaller filmene gir opphav til photovoltaic materialer.
Utgangspunktet papiret fokuserer på syntesen av kompositt uorganiske nanokrystaller, bestående lineært stablet ZnSe, CDer og Pt domener, som sammen fremmer photoinduced ladningsseparasjon. Disse strukturene er brukt i vandige løsninger for photocatalysis av vann under solstråling, som resulterer i produksjon av H 2 gass. Å forbedre photoinduced separasjon avkostnader, er en nanorod morfologi med en lineær gradient som stammer fra en iboende elektrisk felt benyttes 5. De inter-domene energetikk blir så optimalisert for å kjøre fotogenererte elektroner mot Pt katalytiske området mens utvise hullene til overflaten av ZnSe domener for oppofrende regenerering (via metanol). Her viser vi at den eneste effektive måten å produsere hydrogen på er å bruke elektron-donerer ligander å passivere overflaten statene ved å justere energinivået justering på halvleder-ligand grensesnitt. Stabil og effektiv reduksjon av vann tillates av disse ligander på grunn av det faktum at de fyller stillinger i valensen band av halvleder domenet, hindrer energiske hull fra nedverdigende den. Spesifikt viser vi at energien av hullet overføres til liganden del, forlater halvleder domenet funksjonell. Dette gjør oss i stand til å returnere hele nanocrystal-ligand systemet til en funksjonell stat, når ligandene er degradert, Ved å legge friske ligander til systemet 4.
For å fremme en photovoltaic ladningsseparasjon, bruker vi et sammensatt to-lags solid PBS og TiO 2 filmer. I denne konfigurasjonen er photoinduced elektroner injiseres TiO 2 og senere blir plukket opp av en FTO elektrode, mens hull kanaliseres til en Au elektrode via PbS lag 6. Å utvikle sistnevnte vi introdusere en halvleder Matrix Encapsulated nanocrystal Arrays (SMENA) strategi, som gjør bonding PbS norsk sokkel i det omkringliggende matrise av CdS halvledere. Som et resultat, fremstille faststoffer oppviser utmerket termisk stabilitet, tilskrives heteroepitaxial strukturen nanocrystal-matrise grensesnitt, og vise overbevisende lys-høsting ytelse i prototype solceller 7.
Protocol
Discussion
Denne studien viser hvordan sammensatte arkitekturer av uorganiske nanokrystaller kan anvendes for å oppnå en romlig atskillelse av photoinduced kostnader. Spesielt disse kompositter tillate finjustering av fordelingen av avgifter over de to domener, som deretter er tilgjengelig for å utføre enten fotokatalytiske eller fotovoltaiske funksjon. For eksempel kan effektive photocatalysts gjøres dersom donor og akseptor nanocrystal domener er bygget inn i en enkelt nanopartikkel. De Energetics av et slikt system er vist…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi ønsker å erkjenne Dr. Felix Castellano (BGSU) og NR Neal for råd og verdifulle diskusjoner. Vi takknemlig erkjenne OBOR "Material Networks" program og Bowling Green State University for økonomisk støtte. Dette arbeidet ble delvis støttet av NSF etter Award CHE – 1112227.
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
| octadecylamine (ODA), 90% | Fisher | AC12932-0050 | |
| selenium (Se), 200 mesh | Acros | AC19807-2500 | |
| tri-n-octylphosphine (TOP), 97% | Strem | 15-6655 | Air Sensitive |
| diethyl zinc (Et2Zn), 10% by wt. | Aldrich | 22080 | Air Sensitive, Light Sensitive |
| methanol, 99.8%, anhydrous | Aldrich | 179337 | |
| toluene, 99.8%, anhydrous | Aldrich | 244511 | |
| tri-n-octylphosphine oxide (TOPO), 99% | Aldrich | 223301 | |
| n-octadecylphosphonic acid (ODPA), 98% | PCI Synthesis | 104224 | |
| hexylphosphonic acid (HPA), 98% | PCI Synthesis | 4721-24-8 | |
| cadmium oxide (CdO), 99.99% | Aldrich | 202894 | |
| sulfur (S), 99.999% | Acros | AC19993-0500 | Strong odor |
| 11-mercaptoundecanoic acid (MUA), 95% | Aldrich | 450561 | |
| potassium hydroxide (KOH) | Acros | AC13406-0010 | |
| chloroform | VWR | EM-CX1059-1 | |
| lead oxide (PbO), 99.999% | Aldrich | 32306-1KG | |
| 1-octadecene (ODE), 90% | Aldrich | O806-25ML | |
| oleic acid (OA), 90% | Aldrich | O1008-1G | |
| bis(trimethylsilyl) sulfide (TMS), synthetic grade | Aldrich | 283134-25G | Air sensitive, strong odor, highly reactive |
| acetone | EMD Chemicals | AX0118-2 | |
| cadmium acetate | Acros | AC31713-5000 | |
| sodium sulfide nonahydrate (Na2S•9H2O), 98% | Alfa Aesar | CB1100945 | Light sensitive |
| hexadecyltrimethyl ammonium bromide (CTAB), 99% | Sigma | H6269-100G | |
| oleylamine, 70% | Aldrich | O7805-5G | |
| diphenyl ether | Alpha Aesar | 101-84-8 | |
| 1,2-hexadecanediol | TCI | 6920-24-7 | |
| Pt (II) acetylacetonate, 97% | Aldrich | 282782-5G | |
| isopropanol, 99.8%, anhydrous | Acros | AC32696-0025 | |
| titanium tetrachloride (TiCl4), 99.9% | Aldrich | 697079-25G | Extremely air sensitive |
| titanium dioxide, DSL 90T | DyeSol | DSL 90T | |
| terpineol | MP Biomedical | 98-55-5 | |
| 3-mercaptopropionic acid (MPA), 99% | Alfa Aesar | A10435 | Strong odor |
| octane, anhydrous, 99% | Aldrich | 412236 |
References
- Kamat, P. V., Flumiani, M., Dawson, A. Metal – Metal and Metal- Semiconductor Composite Nanoclusters. Colloids Surf. A. 202, 269-279 (2002).
- Dawson, A., Kamat, P. V. Complexation of Gold Nanoparticles with Radiolytically Generated Thiocyanate Radicals ((SCN)2. J. Phys. Chem. B. 105, 960-966 (2001).
- Borensztein, Y., Delannoy, L., Djedidi, A., Barrera, R. G., Louis, C. Monitoring of the Plasmon Resonance of Gold Nanoparticles in Au/TiO2 Catalyst under Oxidative and Reducing Atmospheres. J. Phys. Chem. C. 114, 9008 (2010).
- Acharya, K. P., Khnayzer, R. S., O’Connor, T., Diederich, G., Kirsanova, M., Klinkova, A., Roth, D., Kinder, E., Imboden, M., Zamkov, M. The Role of Hole Localization in Sacrificial Hydrogen Production by Semiconductor-Metal Heterostructured Nanocrystals. Nano Lett. 11, 2919 (2011).
- Amirav, L., Alivisatos, A. P. Photocatalytic Hydrogen Production with Tunable Nanorod Heterostructures. J. Phys. Chem. Lett. 1, 1051-1054 (2010).
- 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. Depleted-Heterojunction Colloidal Quantum Dot Solar Cells. ACS Nano. 4, 3374-3380 (2010).
- Kinder, E., Moroz, P., Diederich, G., Johnson, A., Kirsanova, M., Nemchinov, A., O’Connor, T., Roth, D., Zamkov, M. Fabrication of All-Inorganic Nanocrystal Solids through Matrix Encapsulation of Nanocrystal Arrays. J. Amer. Chem. Soc. 133, 20488-20499 (2011).
- Davide, C. P., Liberato, M., Lucia, C. M., Stefan, K., Cinzia, G., Marinella, S., Angela, A. Shape and Phase Control of Colloidal ZnSe Nanocrystals. Chem. Mater. 17, 1296-1306 (2005).
- 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. Synthesis and Micrometer-Scale Assembly of Colloidal CdSe/CdS Nanorods Prepared by a Seeded Growth Approach. Nano Lett. 7, 2942-2950 (2007).
- Habas, S. E., Yang, P., Mokari, T. Selective Growth of Metal and Binary Metal Tips on CdS Nanorods. J. Am. Chem. Soc. 130, 3294-3295 (2008).
- Costi, R., Saunders, A. E., Elmalem, E., Salant, A., Banin, U. Visible Light-Induced Charge Retention and Photocatalysis with Hybrid CdSe-Au Nanodumbbells. Nano Lett. 8, 637-641 (2008).
- Hines, M. A., Scholes, G. D. Colloidal PbS Nanocrystals with Size-Tunable Near-Infrared Emission: Observation of Post-Synthesis Self-Narrowing of the Particle Size Distribution. Adv. Mater. 15, 1844-1849 (2003).
- Pietryga, J. M., Werder, D. J., Williams, D. J., Casson, J. L., Schaller, R. D., Klimov, V. I. Utilizing the Lability of Lead Selenide to Produce Heterostructured Nanocrystals with Bright, Stable Infrared Emission. J. Am. Chem. Soc. 130, 4879-4885 (2008).
- Tang, J., Kemp, K. W., Hoogland, S., Jeong, K. S., Liu, H., Levina, L., Furukawa, M., Wang, X., Debnath, R., Cha, D. Colloidal-quantum-dot photovoltaics using atomic-ligand passivation. Nat. Mat. 10, 765-771 (2011).
