충전 분리 Nanocrystals와 고체를 통해 태양 에너지를 수확

태양 에너지 생산을위한 전개 반도체 nanocrystal의 복합를 충전 분리의 개발을위한 일반적인 전략을 제시하고 있습니다. 기증자 - 수용체 nanocrystal 영화의 대량 heterojunctions는 태양 광 에너지 변환에 사용하실 수 있습니다 우리는 하나의 nanoparticle 형태의 기증자 - 수용체 nanocrystal 도메인의 조립 photocatalytic 함수에 상승을 제공합니다을 보여줍니다.

단일 나노 복합 서로 다른 반도체 물질을 Conjoining은 자료 인터페이스를 통해 충전 사업자의 공간적 분포에 비해 뛰어난 제어를 제공하는 새로운 광전자 재료의 개발을위한 합성 방법을 제공합니다. 이 연구는 보여으로 기증자와 수용체 같은 nanocrystals 영화의 계층 어셈블리가 태양 광에 상승을 제공하면서, 하나의 nanoparticle의 기증자 - 수용체 nanocrystal (NC) 도메인의 조합, 효율적인 photocatalytic ^1-5 재료의 실현 될 수 자료.

처음에는 종이 선형 스택 ZnSe, CD 및 공동 photoinduced 충전 분리를 촉진 PT 도메인을 포함하는 복합 무기 nanocrystals의 합성에 초점을 맞추고 있습니다. 이러한 구조는 H ₂ 가스의 생산의 결과로, 태양 방사선에 따라 물을 photocatalysis에 수성 솔루션에 사용됩니다. 의 photoinduced 분리를 강화하기 위해비용, 본질적인 전기장에서 발생하는 선형 그라디언트와 nanorod 모폴로지은 ^{5 사용됩니다.} 간 도메인 에너지 론은 다음 (메탄올 경유) 희생 재생 용 ZnSe 도메인의 표면에 구멍을 추방하는 동안 PT 촉매 사이트를 향해 photogenerated 전자를 운전하도록 최적화되어 있습니다. 여기 수소를 생산하는 유일한 효율적인 방법은 반도체 - 리간드 인터페이스에서의 에너지 수준의 정렬을 조정하여 표면 상태를 패시베이션하기 전자 - 기부 리간드를 사용하는 것을 보여줍니다. 물 안정적이고 효율적으로 감소가 저하 여기에서 정력적인 구멍을 예방, 반도체 도메인의 원자가 밴드에 공석을 채우는 있다는 사실로 인해 이러한 리간드에 의해 허용됩니다. 특히, 우리는 구멍의 에너지가 반도체 도메인 기능 떠나, 리간드 잔기로 전송됩니다 것으로 나타났습니다. 리간드가 저하하는 경우이 우리가, 기능 상태로 전체 nanocrystal-리간드 시스템을 반환 할 수 있습니다단순히 시스템 ⁴ 새로운 리간드를 추가하여.

태양 광 충전 분리를 촉진하기 위해, 우리는 PBS와 티오 _두 영화의 합성 두 레이어 고체를 사용합니다. 구멍은 PBS 레이어 ^6을 통해 끊을 전극에 뚫어하는 동안,이 구성에서, photoinduced 전자는 티오 _2에 주입하고 이후 FTO 전극에 의해 선택됩니다. 후자를 개발하기 위해 우리는 CD를 반도체의 주변 행렬로 결합 PBS NCs 수 있습니다 (SMENA) 전략, 반도체 매트릭스 캡슐화 Nanocrystal 배열을 소개합니다. 그 결과, 가공 고체는, 우수한 열 안정성을 전시 nanocrystal 매트릭스 인터페이스의 heteroepitaxial 구조에 기인하고, 프로토 타입 태양 전지 ⁷ 강력한 빛을 수확 성능을 보여줍니다.

1. ZnSe 핵심 Nanocrystals ⁸ 합성

1. 장소 7.0 g ODA와 세 목 플라스크에 자기 저어 바.
2. 별도의 플라스크에 0.063 g 놈들이와 2.4 ML의 TOP를 결합하고 자기 저어 줄을 추가합니다. TOP 및 셀레늄의 혼합물은 30 분에 진공 degassed해야합니다.
3. 120 90 분에 가스를 제거하다 ODA ° C 한 다음 다양한 유리 배기와 아르곤의 흐름에 따라 넣어.
4. 열 300 ° C까지 ODA하고,하고 놈들이 혼합물을 주입. 300 ° C.에 온도 수익을하자
5. 반응 플라스크에 _장군님이 아연 (중량의 10 %. 헥산에)의 1.0 ML를 삽입하고 exciton의 흡광도 피크가 원하는 파장 (λ = 350-400로 옮겨 3시 경 분에 대한 ° C, 또는 때까지 265에 반응 할 수 있도록 nm 정도), 그 위에하면 가열 망태에서 병을 제거합니다.
6. 반응 플라스크의 온도가 ~ 60로 떨어지고 ° C, 메탄올을 벗어 토핑, 12 ML의 메탄올 두 개의 15 ML의 원심 분리기 튜브 사이의 분할을 추가합니다.되면 5 분을위한 원심 분리기 및 오프 따르다액상. 톨루엔의 시켰던 nanocrystals을 Redissolve하고 반복합니다.

2. ZnSe 코어 ⁹ CDS 봉의 성장

1. 3.0 g TOPO, 0.280 g ODPA, 0.080 g 고전력 증폭기, 그리고 0.090 g CDO를 결합하고 세 목 플라스크에 자기 저어 줄을 추가합니다.
2. 별도의 플라스크에 0.120 g S, 및 4.0 ML의 TOP를 결합하고 자기 저어 줄을 추가합니다.
3. 150 45 분에 가스를 제거하다 CDO 솔루션을 120 ° C와 45 분에 TOP ° C, 그리고 다양한 유리 배기 가스와 아르곤의 흐름에 따라 넣어.
4. 380에 CDO 솔루션을 가열 ° C CDO는 해산 솔루션은 명확하고 무색입니다 때까지. 한편, 120 S 솔루션을 가열 ° C S는 해산하고 혼합물이 명확하고 무색입니다 때까지.
5. 1 단계의 S 솔루션으로 ZnSe의 모든을 추가합니다.
6. CD의 솔루션으로 TOP 2.0 ML를 추가하고 380 ° C.에 온도 수익을하자 일단 380 ° C에 도달 한 즉시이 CD 솔루션에 S 솔루션을 주입.
7. nanorods의 온도 복구 시간을 포함하여 6-9 분을 위해 성장을 허용하고, 가열 망태에서 병을 제거합니다. 더 이상 솔루션은 열에 남아 있으며, 막대 이상이 될 것입니다.
8. 제품 액화 두 병으로 나눠야 클로로포름을 추가, 녹색 젤 될 수 있습니다.
9. 에탄올의 석출물 nanocrystals는 액상을 부어하고, 클로로포름에 시켰던 nanocrystals을 redissolve.

3. CDS 봉에 PT 팁의 성장 ¹⁰

1. 0.2 ML OA, 0.2 ML oleylamine, 10 ML의 디 페닐 에테르, 43 MG 1,2 - hexadecanediol을 결합하고 플라스크에 자기 저어 줄을 추가합니다.
2. 80 1 시간에 가스를 제거하다 혼합 ° C 한 다음 아르곤의 흐름에 따라 넣어 200 ° C.에 온도 증가
3. 클로로포름, 20 MG PT (II) acetylacetonate의 CD를 봉의 혼합물을 추가합니다. 190에서되는 반응 혼합물의 5-7 분 후에 ° C, 솔루션은 검은 색으로 바뀝니다. 열에서 병을 제거합니다.
4. 1 석출물 nanocrystals메탄올의 0시 3분 혼합물은 원심 분리기로 클로로포름과 액상을 부어합니다. 클로로포름과 반복의 시켰던 결정을 Redissolve.

4. MUA ¹¹ 리간드 교환

1. 병에, 10 ML의 클로로포름에 nanorods를 분산.
2. nanorod 솔루션에 0.1 g MUA를 추가하고 모든 MUA가 해산 될 때까지 sonicate.
3. 별도의 병에, 20 ML 트리플 증류수 (TDW)에서 0.1 g 코를 해산.
4. nanorod 솔루션 TDW 솔루션의 약 5.0 ML를 추가하고 힘차게 흔든다.
5. 수성 및 유기 단계를 분리하는 1 분에 6,000 rpm에서의 단계 4.4에서 혼합물을 원심 분리기.
6. 상단 (수성) 단계를 수집하고 물 3시 1분 메탄올있는 솔루션을 달성하기 위해 메탄올을 추가합니다.
7. 2 분에 6,000 rpm에서의 단계 4.6에서 석출물 nanocrystals에 혼합물을 원심 분리기. 액상을 넣어하고 TDW에 sonicating에 의해 유발 결정을 redisperse.
8. O 경우단계 4.5에서 rganic 단계는 여전히 원래 nanocrystal 솔루션의 색상의 일부를 유지, 반복 4.7을 통해 4.4 단계를 반복합니다.

5. (심판에서 적응. ¹²⁾ PBS 코어의 합성

1. 0.49 g PbO, 18 ML ODE, 그리고 1-16 ML OA을 (더 OA 수율 큰 입자, 원하는 크기에 따라) 결합과 세 목 플라스크에 자기 저어 줄을 추가합니다.
2. 별도의 플라스크에 10 ML ODE와 자기 저어 줄을 추가합니다.
3. 120 1 시간에 가스를 제거하다 모두 플라스크 ° C 한 다음 아르곤의 흐름에 따라 넣어.
4. 135에 PB 솔루션을 가열 ° C. 한편, 실내 온도에만 ODE가 포함 된 플라스크를 냉각.
5. 객실 온도 ODE에 0.21 ML의 TMS를​​ 추가 한 다음 135의 PB 솔루션에 혼합물을 주입 ° C.
6. 반응을 해소 할 수있는 얼음 욕조에 1-5 (원하는 크기에 따라 더 이상 가열 수율 큰 입자) 분, 장소에 대한 ° C 135에있는 혼합물을 가열.
7. 소주 아세톤의 석출물 nanocrystals은를 따르다F 액상 및 톨루엔의 시켰던 결정을 redissolve. 두 번 반복합니다.

6. PBS 코어 ¹³ CDS 셀의 성장

1. 1.0 g CDO, 6 ML OA, 15 ML ODE를 결합하고 세 목 플라스크에 자기 저어 줄을 추가합니다.
2. 별도의 플라스크에 톨루엔과 자기 저어 표시 줄에 용해 PBS 코어의 20-40 밀리그램을 추가합니다.
3. 280 CDO 솔루션을 가열 ° C 솔루션은 100 ° C.에 시원 다음, 명확하고 무색 할 때까지
4. 110 PBS 솔루션을 가열 ° C 더 이상 5 이상 분 초과를 삶아하지만 전부는 아니죠, 용매, 다음 CD 솔루션을 삽입하십시오.
5. 천천히 120-160에 반응 혼합물을 가열 ° C (원하는 쉘의 두께에 따라 다름). 얇은 껍질의 경우 (1-2 monolayers) 즉시 카드뮴 솔루션의 주입 후 반응을 해소.
6. 일단 원하는 온도는 반응이 얼음 욕조에 술병을 배치하여 잃게 가실 수 있습니다.
7. 에탄올, pou의 석출물 결정액상에서 R 및 톨루엔의 시켰던 결정을 redissolve. 두 번 반복합니다. 최종 청소주기에서 redissolve 및 무수 옥탄에 크리스탈을 저장합니다.

7. FTO / 유리 기판에 티오 ₂ 준비

1. 세제 (Alconox)와 FTO 코팅 유리를 빨고 탈 이온수로 씻어 줘.
2. 5 분 아르곤의 흐름과 각각의 건조에 대해 다음 isoproponal 메탄올, 아세톤에 유리를 Sonicate.
3. 70시 30 분 ° C.에 탈 이온수와 열 (공기)를 75 mm의 목욕 TiCl ₄ 잔을 놓고
4. 1 시간에 대해 450 ° C에서 아르곤과 탈 이온수 건조 후 열 (공기)와 유리를 씻어 실온에 시원 보자.
5. 유리가 냉각되는 동안, 체중에 의해 3시 1분 비율 terpinol에 티오 ₂ Dyesol의 붙여 넣기를 해산.
6. 장소 3 TiCl ₄ 처리 된 건조 유리 슬라이드의 FTO면의 중앙에 티오 _두 혼합물의 떨어6 700 rpm으로 초 및 2,000 RPM에서 1 분에 d 개의 회전.
7. 영화는 그때 분명, 갈색 변 ° C까지 450-500에서 공기의 슬라이드를 어닐링.

8. 필름으로 코팅 PBS / CD를 스핀

1. 모든 스핀 코팅 단계는 아르곤 글러브 박스에 수행됩니다.
2. 장소 4-5 PBS의 물방울 / 옥탄의 CDS (10 MG / ML) 7 단계에서 계속 슬라이드로와 센터는 건조하기 시작 때까지 확산 해보니 한 다음 2,500 rpm으로 한 후 15 초 600 rpm으로 5 초에 스핀.
3. 장소 1시 3분 MPA의 10 드랍스 : 전체 표면을 커버 슬라이드, 그리고 2,500 rpm에서 당시 600 rpm에서 15 초에서 5 초에 대한 스핀에 메탄올 솔루션입니다.
4. 2500 rpm으로 슬라이드에 10 방울을 넣어 15 초 후, 600 rpm으로 5 초에 회전하여 메탄올로 표면을 씻으십시오.
5. 단계 8.4에서와 같은 방법으로 옥탄가와 표면을 씻으십시오.
6. 반복 필름의 이후의 각 레이어에 대해 8.2-8.5 단계를 반복합니다.
7. ° C 15 분 150의 모든 세번째 레이어 후 필름을 어닐링. Fi를NAL 영화는 NC의 피크의 파장이 1.5 근처에서 흡광도가 있어야합니다.

9. 딥 코팅 PBS / CD의 영화

1. 완전히 잠기 샘플을 할 수있을만큼 큰 비커 80 ML의 메탄올에 0.43 g의 카드뮴 아세테이트의 솔루션을 준비합니다.
2. 완전히 잠기 샘플을 할 수있을만큼 큰 비커 80 ML의 메탄올에 나트륨 황화물의 nonahydrate의 솔루션 _{(오세영이} S • 9H ₂ O)를 준비합니다.
3. 1 카드뮴 욕조에서 분,과 메탄올로 세정에 잠기 샘플을. 그런 다음 1 Sulfer 욕조에서 분,과 메탄올로 씻어을위한 잠수함.
4. 모공은 (일반적으로 4-8 회) 가득 될 때까지 9.3 단계를 반복합니다.
5. 150 ° C 15 분에 샘플을 어닐링.

10. CTAB ¹⁴ 영화 치료

1. 9 단계에서 필름 10 MG / ML의 농도에서 메탄올에 용해하고 30 초에 2,500 rpm으로 회전 한 후, 1 분 동안 앉아 보자 CTAB 대신 0.25 ML.
2. 건조까지 메탄올과 스핀의 10 물방울로 슬라이드를 씻어.
3. 10.1 번 10.2를 반복합니다.

11. 대표 결과

합성의 각 단계에서 / CD를 / PT NCs을 ZnSe에 해당하는 흡수 및 방출 스펙트럼의 진화는 그림 1에서 추적됩니다. 이 그림 1b는 각각 ZnSe와 CD의 특징 ~ 350 나노 미터와 ~ 450에서 흡광도 봉우리를 표현하고, 특히, 지금의 ~ 550 nm의 FL 피크의 시작을 표시 볼 수 있습니다. 이 FL 기능은 ZnSe / CD의 인터페이스에서 방출 excitonic 부패의 결과입니다. 이 유형 II interdomain FL는 다음 금속 잔기에 delocalized 전자의 급속한 주입으로 인해 PT 팁 (그림 1C)의 성장에 침묵하고 있습니다. 이 초고속 충전 분리 물 photocatalytic 감소에 대한 전자의 활용을 할 수 있습니다. 친수성 MUA의 리간드 그런 다음 일을 촉진하기 위하여 추가됩니다태양 H _2의 지속적인 감소 (그림 2)을 허용, 반도체 코어의 억제 산화 안정성을 증가 ZnSe 도메인에서 구멍의 전자 제거. 청소 구멍의 결과로, 유기 리간드는 photodegradation에 민감 될하지만, 그림 2에서 볼로는 단순히, 신선한 리간드의 추가에 의해 완화 될 수 있습니다. 따라서, hydrophylic 리간드의 도입은 NCs 물에 용해를 렌더링하지,하지만 그들은 또한 유기 계면 활성제를 대체 할 저렴한, 쉬운의 비용에 나노 구조를 보호하기 위해 시스템의 에너지 론을 조정합니다.

PBS / CD를 nanocrystal 고체를 들어, 그림 3A와 3B는 제조 공정의 개략도 및 최종 장치를 나타낸다. 그림 3C, 코어 / 쉘 nanocrystals의 TEM 이미지, 쇼, 그 PBS 코어 주위에 골고루 CDS의 침투. nanocrystal 고체의 구멍이 상대적으로 무료로 표시됩니다그림 3D, 장치의 단면의 SEM 이미지입니다. 관찰되는 쉘 성장, 중 하나 결과는 흡광도와 방출 봉우리 모두 blueshift입니다. 이 변화는 CD 이온의 핵심에 더 침투로 축소 PBS 코어에 기인하고 있으며, 그림 4에서 볼 수 있습니다. 방출의 큰 증가는 또한 CDS 쉘에서 제공하는 향상된 양자 구속으로 인해, 그림 4에서 볼 수 있습니다. CDS 계층에서 방출 증가 할뿐 아니라 최대 200까지, 고체의 열 안정성을 증가의 핵심을 보호 ° C, 거의 50 ° C 형 PBS nanocrystal 고체보다. 이 nanocrystal 고체 아키텍처를 사용하여 만들어진 태양 전지는 더 나은 열 안정성을 표시되지 않은뿐만 아니라, 관련 유기적으로 연결된 필름보다 높은 개방 회로 전압을 (0.7 V만큼 높은) 할 표시되었습니다. 이 영화는 또한 s에 대한 지속, 산소 분위기에 훨씬 더 높은 허용 오차를 표시 한더 저하 정상적인 대기 조건에서 everal 일.

가공 heteronanocrystals의 그림 1. 광 속성. (). λ = 390 nm의에서 excitonic 기능을 보여주는 ZnSe NCs의 흡광도. 붕대 방출은 이러한 샘플에 대한 관찰되지 않았습니다. (B). ZnSe 핵심 NCs에서 성장 ZnSe / CD를 nanorods의 배기 가스와 흡광도. (C). PT 증착 후 ZnSe / CD를 nanorods의 흡광도.

그림 2. MUA에서 수소 생산의 진화 ZnSe / CD를 / PT heteronanocrystals을 상한선. 수소 생산 ZnSe / CD를 / PT의 나노 입자의 새로운 리간드의 추가에 재개됩니다. 신선한 리간드의 추가 후 H2 생산 속도 (새로운 실험 곡선의 기울기 () 8-12 HR)는 약의 초기 열화 (0-8 시간) 이전과 동일합니다.

그림 3. (가) Nanocrystal 고체의 제조에 관련된 단계와는 (b)는 최종 태양 광 장치의 도식 표현입니다. 다음은 (주) PBS / CD를 핵심 / 쉘 nanocrystals와 nanocrystal의 고체의 (D) 측면 뷰의 이미지를 SEM 있습니다.

흡수 (아래)과 배출 (CDS 쉘의 약 1 monolayer의 증착으로 인한 PBS NCs의 상단.의 그림 4. 변경 양이온 교환에서 PBS 코어의 축소는 모두 ≈ 150 nm의 이동으로 반영 스펙트럼. PBS 형광 강도는 제 1 형 heterostructure의 형성으로 인해 향상됩니다.

이 연구는 무기 nanocrystals의 복합 구조가 photoinduced 요금의 공간 분리를 달성하기 위해 고용 할 수있는 방법을 보여줍니다. 특히, 이러한 복합은 미세 조정 중 photocatalytic이나 태양 광 기능을 수행 할 수 후 사용할 수있는 두 도메인, 전체 요금의 배포를 허용합니다. 기증자와 수용체 nanocrystal 도메인은 단일 nanoparticle에 내장하는 경우 예를 들어, 효율적인 photocatalysts는 만들어 질 수있다. 이러한 시스템의 에너지 론은 그림 5에 표시됩니다. 한편,의 스태킹 기증자와 수용체 nanocrystal 필름은 태양 광 발전 재료로 이어질 수 있습니다.

nanocrystals을 분리 요금의 예를 들어, ZnSe / CD를 / PT 점 인 A-로드 금속은 이종 nanostructures은 H ₂ O.의 효율적인 분할을 위해 설계되었습니다 팁 고유 선형 그라디언트 가능성이있는 구조를 제조함으로써, 우리는 그 요금의 공간 분리를 활성화전자와 홀은 각각 PT 및 ZnSe의 도메인에 지역화됩니다. 구멍이 nanocrystal의 기능을 유지, 계면 활성제 분자에 주입하는 동안 흥분 전자의 에너지는 다음 물에 양자의​​ 사진을 유발 감소 고용 할 수 있습니다. 이 구성에서는 리간드 저하는 시스템 성능에 한계를 제공합니다. 수성 매체에 초과 리간드가 자동으로 손상된 리간드를 대체합니다 어디에 H ₂ 생산 지속하는 것은, 신선한 리간드는 항상 사용할 수 있어야합니다. 우리는 다시 유료, 전자 - 기부 리간드의 사용이 크게 비용을 분리 반도체 이종 인터페이스를 활용 photocatalytic 복합의 매출 번호를 향상시킬 수 있습니다 것으로 기대합니다. 이 장치는 잠재적으로 ZnSe 도메인에서 배출 구멍에 대한 장벽을 최소화 ZnSe 핵심 위에 얇은 CDS 쉘 성장에 의해 향상 될 수있다, 또는 약간 높은과 계면 활성제를 선택하여응급실 호모 수준은,이를 통해 더 많은 energetically 유리한 ZnSe의 구멍 배출를 갖추고 있습니다.

nanocrystal 고체 절차는 모든 무기 무기 영화로 nanocrystals의 조립이 가능합니다. 이 방법론은 nanocrystal 영화, 리간드 - nanocrystal 시스템의 즉 가난한 열 및 화학적 안정성을 연결 리간드의 주요 한계를 극복하기 위해 설계되었습니다. 이것은 넓은 밴드 갭 반도체의 매트릭스에 nanocrystal 배열을 encasing 통해 이루어집니다. 가공 필름 nanocrystal 매트릭스 인터페이스의 heteroepitaxial 구조에 따라 결정됩니다 좋은 열 안정성을 나타냅니다. 여기, 우리는 통합 nanocrystals의 양자 구속이 보존되도록 PBS nanocrystal 배열을 캡슐화 할 수있는 CDS 매트릭스를 사용합니다. 간 nanocrystal 간격이 영화의 전도성에 영향을 미치는 다양한 밴드 갭 반도체 쉘의 두께를 통해 제어 할 수 있습니다. 이것은로 만든 것으로 매우 다른 장치에 수nanocrystal 구조의 동일한 유형. 작은 간 nanocrystal 간격이있는 영화는 2.3 %로 높은 기록되어 효율성과 함께, 프로토 타입 태양 전지에 강력한 빛을 수확 성능을 보여줍니다. 이론적으로 더 큰 nanocrystal 분리와 영화는 이러한 적외선 조사기, 다른 형광 고체 등의 기기에 사용할 수 있습니다. 그것은 매트릭스 - 캡슐화 방식은 다른 유형의 I는 반도체 / 매트릭스 조합보다 조절 캐리어 이동성, 통합 요금 양자 구속, 그리고 뛰어난 공기를 게재하는 모든 - 무기 nanocrystal 영화의 "상향식"개발을 돕기위한까지 연장 할 수 것으로 기대된다 - 안정성.

관심 없음 충돌이 선언 없습니다.

우리는 조언과 귀중한 토론을 박사 펠릭스 Castellano (BGSU)와 NR 닐을 인정하고 싶습니다. 우리는 굉장히 OBOR "재료 네트워크 '프로그램과 재정 지원을위한 볼링 그린 주립 대학을 인정합니다. 1112227 -이 작품은 부분적으로 상 CHE 아래에있는 NSF에 의해 지원되었다.