Efeito do polietileno glicol no fotocátodo de NiO

Resumo

Neste estudo, um filme nanoporoso uniforme de NiO, com espessura de até 2,6 μm, foi preparado usando polietilenoglicol (PEG). A adição de PEG diminuiu significativamente as rachaduras no filme de NiO e evitou o descascamento do filme de NiO de um substrato de óxido de estanho dopado com flúor. O cátodo de NiO foi preparado usando pontos quânticos CdSeS (QDs) como sensibilizador, com uma conversão fotoelétrica otimizada de 0,80%. Os filmes de NiO sensibilizados com QD otimizados foram montados primeiro com o TiO ₂ ânodo para células solares em tandem do tipo p-n sensibilizadas com QD. A tensão de circuito aberto foi maior do que a obtida usando o cátodo de NiO separado ou TiO ₂ ânodo.

Histórico

A energia solar demonstra potencial como fonte primária de energia no futuro devido à sua limpeza, alta potência, processamento rápido e ampla disponibilidade [1, 2]. Desde o desenvolvimento das células solares nos últimos 30 anos, as células solares sensibilizadas tornaram-se dispositivos eficientes para a utilização da energia solar. No entanto, esses estudos se concentram em células solares tipo n, que são baseadas em um fotoanodo tipo n sensibilizado, por exemplo, TiO ₂ , ZnO e SnO ₂ [2,3,4,5,6]. A densidade de corrente de curto-circuito era maior do que 15 mA cm ⁻² , e a eficiência de conversão fotoelétrica foi de aproximadamente 13% [5]. He et al. relataram o uso de células solares tandem sensibilizadas com corante do tipo p-n (DSSCs) [7], que possivelmente proporcionam uma tensão de circuito aberto (OCV) mais alta e eficiência de conversão fotoelétrica. Nakasa et al. relataram um OCV de 0,918 V pela combinação de NiO e TiO sensibilizados com merocianina NK-2684 ₂ fotoanodo [8]. Nattestad et al. relataram uma diminuição na recombinação de carga do fotocátodo de NiO pela otimização de corantes doador-aceitador e alcançaram uma eficiência de conversão de fóton em elétron absorvido superior a 90% ao longo de uma faixa espectral de 400-500 nm [9], com um tensão de circuito aberto de 1079 mV. Este valor é o valor mais alto relatado até agora para DSSCs tandem do tipo p-n.

Para obter fotocorrentes mais altas comparáveis aos fotoanodos do tipo n, uma maneira é preparar um novo cátodo do tipo p [10, 11]. Outra forma é preparar fotocátodos mesoporosos espessos, que são preferíveis para adsorver uma grande quantidade de moléculas de corante. Algumas tentativas foram feitas para melhorar a espessura dos filmes de NiO; no entanto, a densidade de fotocorrente gerada ainda é uma ordem de magnitude menor do que a observada para DSSCs do tipo n, e filmes espessos muitas vezes sofrem de baixa estabilidade mecânica. Wu et al. prepararam filmes de NiO pelo método hidrotérmico e melhoraram suas propriedades pela otimização da espessura do filme e área superficial específica [12]. Qu et al. fabricaram filmes de NiO em camadas a partir de nanofolhas de NiO porosas enrugadas e relataram fotocorrente e fotovoltagem significativamente melhoradas [13]. Zhang et al. melhoraram a fotovoltagem pela aplicação de NiO altamente cristalino [14]. Powar et al. obtiveram uma alta fotocorrente de 7,0 mA cm ⁻² usando micro-bolas nanoestruturadas de NiO como materiais ativos para o fotocátodo [15]. Sumikura et al. prepararam filmes de NiO nanoporosos pela hidrólise de NiCl ₂ em uma solução misturada de água / etanol usando uma série de copolímeros tribloco de óxido de polietileno-óxido de polipropileno-óxido de polietileno (PEO-PPO-PEO) como molde [16]. Eles investigaram os efeitos do modelo PEO – PPO – PEO em detalhes. Li et al. adotaram o método de preparação utilizado por Sumikura et al. e preparou filmes espessos de NiO por um método de raspagem de raspagem de duas etapas [17]. Eles obtiveram uma eficiência recorde de fóton-corrente incidente (IPCE) de 64% e uma corrente de curto-circuito ( J _SC ) de 5,48 mA cm ⁻² . No entanto, a eficiência de conversão fotoelétrica do eletrodo de NiO tipo p é mantida entre 0,02 e 0,3% usando diferentes corantes. Neste experimento, soluções precursoras de NiO foram preparadas usando co-polímeros tribloco F108 (óxido de polietileno-óxido de polipropileno-óxido de polietileno (PEO-PPO-PEO), MW:ca. 14.600) como o modelo seguindo o método de Sumikura et al. Polietilenoglicol (PEG; MW:ca. 20.000) foi adicionado à solução precursora e seus efeitos no filme de NiO foram investigados em detalhes. Finalmente, células solares em tandem sensibilizadas com pontos quânticos do tipo p-n (QD) também foram montadas.

Experimental

Uma solução precursora de NiO foi preparada de acordo com um método previamente relatado [17]. Primeiro, NiCl anidro ₂ (1 g) e F108 (1 g) foram dissolvidos em uma mistura de água desionizada (3 g) e etanol (6 g). Em segundo lugar, a solução foi deixada em repouso por 3 dias. Terceiro, um conteúdo específico de polietilenoglicol (MW de 20.000) foi adicionado à solução do precursor de NiO. Em seguida, a mistura foi agitada durante 4 h e centrifugada a 8000 rad / min. O conteúdo de PEG foi controlado em 0,03, 0,075, 0,15 e 0,3 g. A solução anterior foi depositada sobre um substrato de vidro de óxido de estanho dopado com flúor (FTO) pelo método de lâmina raspadora e seca à temperatura ambiente. Os filmes foram sinterizados a 400 ° C por 30 min sob ar. Os CdSeS QDs foram preparados por síntese por injeção a quente de acordo com experimentos anteriores relatados por nosso grupo [18]. Os filmes de NiO preparados foram sensibilizados por CdSeS QDs pelo método eletroforético usando uma mistura de acetonitrila / tolueno (1:2,5 v / v ) solução aplicando uma DC de 50 V por um tempo específico. TiO ₂ os filmes foram co-sensibilizados com CdS / CdSe usando o método convencional de adsorção e reação em camadas iônicas sucessivas (SILAR) [19]. TiO sensibilizado com QD ₂ filmes foram usados como ânodo em vez de CuS para montar células solares sensibilizadas com QD do tipo p-n.

A morfologia dos filmes de NiO foi examinada usando um microscópio eletrônico de varredura por emissão de campo JSM-7001F (FE-SEM). Tensão-densidade da fotocorrente ( J - V ) características foram medidas usando um medidor de fonte Keithley 2440 sob iluminação AM 1.5G de um simulador solar Newport Oriel com uma intensidade de 1 Sun.

Resultados e discussão

O filme NiO foi preparado pelo método doctor blading. O filme iria descolar no caso da solução do precursor de NiO sem PEG quando o tempo de laminação fosse maior do que quatro vezes. A Figura 1a, c, e mostra a superfície e a morfologia cruzada dos filmes de NiO laminados quatro vezes. Os filmes de NiO, que exibiram várias micro-ravinas, enrolaram-se a partir do substrato FTO. A Figura 1b, d, f mostra a superfície e seção transversal dos filmes de NiO preparados usando PEG. Os filmes foram laminados sete vezes. Quase nenhuma trinca nos filmes de NiO foi observada. O tamanho de partícula foi menor do que o do filme NiO preparado sem PEG. Além disso, mudanças claras foram observadas nas seções transversais desses dois filmes de NiO preparados com ou sem PEG. O filme NiO preparado usando a solução do precursor NiO sem PEG era aparentemente composto de nanofolhas. Na verdade, essas nanofolhas devem aparecer como filmes de NiO enrolados, que podem se desprender do substrato FTO. No entanto, os filmes de NiO preparados usando a solução precursora de NiO com PEG compreenderam várias camadas, com cada camada de filme de NiO sendo ligada às outras camadas. Não houve rachaduras óbvias entre as diferentes camadas, com uma espessura de aproximadamente 2,6 μm. O PEG pode ter dois efeitos no processo de formação do filme NiO. Uma delas era que o PEG poderia melhorar a junção entre essas partículas de NiO e diminuir o aparecimento de trincas no processo de secagem após os géis de NiO serem laminados no substrato FTO. Enquanto isso, o PEG pode ser usado como agente direcionador de estrutura. A adição de PEG pode melhorar a área de superfície específica e o volume de poro do filme NiO.

Micrografias SEM dos filmes NiO: a , c , e e foram fabricados a partir da solução precursora sem polietilenoglicol. b , d , e f foram fabricados a partir da solução precursora com polietilenoglicol

Os filmes de NiO preparados com duas camadas foram sensibilizados com CdSeS QDs por deposição eletroforética. A fotocorrente-voltagem ( J - V ) curvas foram registradas sob uma intensidade de 1 Sol usando o simulador solar Newport Oriel como fonte de luz. A Figura 2 mostra o J – V curvas assim obtidas. Como pode ser observado na Fig. 2, com a adição de 0 a 0,15 g de PEG, a eficiência de conversão foi significativamente melhorada de 0,08 para 0,32%. O OCV, J _SC , e o fator de preenchimento (FF) para o melhor fotocátodo de NiO foi 0,158 V, 4,40 mA cm ⁻² e 0,46, respectivamente. A propriedade diminuiria acentuadamente com a mudança no conteúdo de PEG de 0,15 para 0,3 g. Portanto, a concentração de PEG na solução do precursor de NiO afetou significativamente a propriedade do cátodo de NiO.

Curvas características de densidade-voltagem de corrente dos fotocátodos de NiO com diferentes conteúdos de PEG na solução precursora

Os efeitos da espessura do filme de NiO também foram investigados. Nesta experiência, o conteúdo de PEG foi fixado em 0,15 g. A Figura 3 mostra as curvas das propriedades fotoelétricas. Com o aumento da espessura do filme de 0,6 para 2,1 μm, o OCV e J _SC aumentou. Ambos os fatores tendem a se deteriorar com o aumento da espessura do filme. O FF quase não exibiu alterações com o aumento da espessura do filme. Essas mudanças fracas podem estar relacionadas ao aumento na densidade da fotocorrente. Como resultado, a eficiência de conversão fotoelétrica aumentou com o espessamento inicial do filme de NiO. Mudanças fracas foram observadas para uma espessura de filme maior que 1,5 μm, relacionadas à baixa taxa de transporte do furo e ao curto tempo de vida do furo [20].

Efeito da espessura do filme nas características fotovoltaicas dos fotocátodos de NiO

O cátodo NiO preparado foi montado junto com o TiO ₂ ânodo para preparar células solares em tandem do tipo p-n sensibilizadas com QD. A Figura 4 mostra o J – V curvas do cátodo NiO e do TiO ₂ ânodo, bem como o tandem TiO ₂ (para baixo) / NiO (para cima) e TiO ₂ células solares (para cima) / NiO (para baixo). As células solares tandem do tipo p-n com TiO ₂ A configuração (para baixo) / NiO (para cima) exibiu OCV significativamente melhorado em comparação com o cátodo de NiO ou TiO ₂ separado ânodo. A eficiência de conversão fotoelétrica foi de 0,43%, com um OCV de 0,594 V, J _SC de 2,0 mA cm ⁻² e um FF de 0,36. Este é o primeiro estudo sobre células solares em tandem do tipo p-n sensibilizadas com QD. No entanto, o J _SC das células solares em tandem foi significativamente menor do que as do cátodo de NiO e TiO ₂ ânodo. Além disso, a eficiência de conversão fotoelétrica foi menor do que a do cátodo de NiO e TiO ₂ ânodo. No futuro, mais estudos devem ser conduzidos para melhorar o alto desempenho das células solares em tandem do tipo p-n sensibilizadas com QD.

Curvas características de densidade-voltagem de corrente de células solares em tandem do tipo p-n sensibilizadas com pontos quânticos do tipo p-n

Conclusão

Polietilenoglicol (PEG) foi usado para preparar filmes de NiO. A adição de PEG diminuiu significativamente as rachaduras nos filmes de NiO. Um filme de NiO nanoporoso uniforme de 2,6 μm de espessura foi preparado. A eficiência de conversão fotoelétrica otimizada foi de 0,80%. O filme de NiO com sensibilidade a pontos quânticos otimizado foi montado primeiro com o TiO ₂ ânodo para células solares em tandem do tipo p-n sensibilizadas com QD. A tensão de circuito aberto (OCV) foi maior do que a exibida pelo cátodo de NiO ou TiO ₂ separado ânodo. O TiO ₂ As células solares tandem (para baixo) / NiO (para cima) proporcionaram uma conversão fotoelétrica total de 0,43%, com um OCV, densidade de corrente de curto-circuito e fator de preenchimento de 0,594 V, 2,0 mA cm ⁻² e 0,36, respectivamente.

Efeito do tratamento de recozimento in situ na mobilidade e morfologia de transistores de efeito de campo orgânico baseados em TIPS-Pentaceno Nanotecnologia:do Sistema de Imagem In Vivo à Entrega Controlada de Medicamentos

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias