קצירת אנרגיה סולארית באמצעות תשלום פרדת Nanocrystals והמוצק שלהם
Summary
אסטרטגיה כללית לפיתוח של הפרדת תשלום מרוכבים מוליכים למחצה ננו פריסה לייצור אנרגיה סולארית מוצגת. אנו מראים כי הרכבה של תחומי התורם acceptor ננו בגיאומטרית nanoparticle אחת מעורר פונקצית הפוטו, בעוד בתפזורת-heterojunctions של-acceptor תורם ננו סרטים יכול לשמש להמרת אנרגית פוטו.
Abstract
התלכדות חומרים מוליכים למחצה שונים באחת ננו מרוכבים מספקת אמצעים סינטטיים לפיתוח של חומרים חדשים אופטו מציעים שליטה מעולה על ההתפלגות המרחבית של נושאי מטען על פני ממשקי חומר. כמחקר זה מדגים, שילוב של תחומי התורם acceptor ננו (NC) בnanoparticle אחת יכול להוביל למימוש 1-5 חומרים photocatalytic יעילים, תוך הרכבה שכבתית של סרטי תורם וnanocrystals acceptor הדמוי מעוררת פוטו חומרים.
תחילה העבודה מתרכזת בסינתזה של nanocrystals האורגני המורכב, הכוללת ZnSe נערם באופן ליניארי, תקליטורים, ותחומי Pt, שמשותף לקדם תשלום הפרדת photoinduced. מבנים אלה נמצאים בשימוש בתמיסות מימיות לphotocatalysis של מים מתחת לקרינת שמש, וכתוצאה מכך הייצור של 2 H גז. כדי לשפר את ההפרדה של photoinducedחיובים, מורפולוגיה nanorod עם שיפוע ליניארי שמקורם שדה חשמלי פנימי משמשת 5. האנרגטיקה בין התחום אז מותאמת לנהוג אלקטרוני photogenerated כיוון האתר הקטליטי Pt תוך גירוש החורים אל פני השטח של תחומי ZnSe להתחדשות הקרבה (באמצעות מתנול). כאן אנו מראים כי הדרך היעילה רק כדי לייצר מימן היא להשתמש ligands אלקטרונים תורמים לpassivate מדינות פני השטח על ידי כוונון יישור רמת האנרגיה בממשק מוליכים למחצה יגנד. ירידה יציבה ויעילה של מים מותרת על ידי ligands אלה בשל העובדה שהם ממלאים משרות פנויות בפס הערכיות של תחום המוליכים למחצה, מניעת חורים אנרגטיים מזה משפיל. באופן ספציפי, אנו מראים כי האנרגיה של החור מועברת למחצית יגנד, עוזבת את תחום המוליכים למחצה פונקציונלי. זה מאפשר לנו להחזיר את המערכת כולה ננו-יגנד למצב תפקודי, כאשר ligands מפורק, פשוט על ידי הוספת ligands הטרי למערכת 4.
כדי לקדם את תשלום הפרדת פוטו, אנו משתמשים מוצקים דו שכבתיים משולבים של 2 סרטי PBS ודוד. בתצורה זו, אלקטרוני photoinduced מוזרקים Tio 2 ולאחר מכן נאספים על ידי אלקטרודה FTO, ואילו חורים מועברים לאלקטרודה Au דרך PbS 6 שכבה. כדי לפתח את האחרונים אנחנו מציגים במערכי סמיקונדקטור מטריקס Encapsulated ננו אסטרטגיה (SMENA), המאפשרת NCS PbS מליטה לתוך המטריצה שמסביב של מוליכים למחצה תקליטורים. כתוצאה מכך, מוצקים מפוברקים תערוכת יציבות תרמית מעולה, שיוחסו למבנה heteroepitaxial של ממשקי ננו מטריצה, ולהראות ביצועי אור קצירה משכנעים בתאי אב טיפוס שמש 7.
Protocol
Discussion
מחקר זה מדגים כיצד ארכיטקטורות מורכבות של nanocrystals האורגני יכולות להיות מועסקות על מנת להשיג הפרדה המרחבית של חיובי photoinduced. בפרט, הרוכבים האלה מאפשרים כוונון העדין של התפלגות מטענים על פני שני התחומים, אשר ניתנים לביצוע גם פונקצית הפוטו או פוטו. לדוגמה, photocatalysts היעיל י…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ברצוננו להודות ד"ר פליקס Castellano (BGSU) וניל ע"נ לדיוני ייעוץ ובעל ערך. אנו מכירים תודה "חומר רשתות" תכנית OBOR ואוניברסיטת מדינת באולינג גרין לתמיכה כספית. עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי NSF בפרס המועצה להשכלה גבוהה – 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).
