Polimerinių saulės elementų trumpojo jungimo srovės ir galios konvertavimo efektyvumo gerinimas grafeno kvantiniais taškais, gautais iš dvigubų sienelių anglies nanovamzdelių | NPP Azijos medžiagos

Polimerinių saulės elementų trumpojo jungimo srovės ir galios konvertavimo efektyvumo gerinimas grafeno kvantiniais taškais, gautais iš dvigubų sienelių anglies nanovamzdelių | NPP Azijos medžiagos

Anonim

Dalykai

  • Anglies nanovamzdeliai ir fullenai
  • Polimerai
  • Kvantiniai taškai
  • Saulės elementai

Anotacija

Gauti iš dvigubų sienelių anglies nanovamzdelių, tirpalo chemija buvo paruošti grafeno kvantiniai taškai (GQD) su vienodo dydžio pasiskirstymu. Chlorbenzeno GQD ryškiai mėlyna skleidžia UV spindulius. GQD įvedimas į birią heterociklo polimerinę saulės bateriją, kurios pagrindą sudaro poli (3-heksiltiofenas) :( 6, 6) -fenil-C61 sviesto rūgšties metilo esteris (P3HT: PCBM), žymiai padidino energijos konvertavimo efektyvumą ( PCE). Efektyvumas buvo dar didesnis, pakoregavus PCBM kiekį aktyviajame sluoksnyje, pasiekiant maksimalų 5, 24% PCE. Ši trijų komponentų sistema, pagrįsta sumaišytais P3HT: PCBM: GQD, yra naujas metodas, skirtas padidinti polimerinių saulės elementų efektyvumą.

Įvadas

Polimeriniai saulės elementai (PSC) sulaukė plataus dėmesio ir yra laikomi perspektyviausiomis plastikinės fotoelektros pramonės technologijomis, nes jie yra bendras būdas pasiekti didelio ploto, nebrangius, lanksčius fotovoltinius įrenginius. 1, 2, 3, 4, 5 Šio tipo prietaisuose biriam heterojunkcijai sudaryti naudojamas elektronus paduodančios medžiagos (p tipo konjuguotų polimerų) ir elektronus priimančių medžiagų (n tipo fullereno dariniai) mišinys. aktyvusis sluoksnis. Vienas iš tipiškiausių biriųjų heterociklinių PSC yra prietaisas, pagrįstas poli (3-heksiltiofeno) (P3HT), kaip elektronų donoro, ir fullereno darinio (6, 6) -fenil-C61 sviesto rūgšties metilo esterio (PCBM) mišiniu. elektronų priėmėjas. 6, 7, 8 Donoras ir akceptorius natūraliai nanostruktūrizuojami dėl polimero ir fullereno darinio fazių segregacijos. Tačiau optimizuotų prietaisų galios konvertavimo efektyvumas (PCE) vis dar nėra pakankamai didelis, kad jį būtų galima pritaikyti praktiškai. 9 Norint dar labiau padidinti šį efektyvumą, reikia pristatyti naujas medžiagas, turinčias geresnes fotoelektros savybes, ir išsamiai išanalizuoti prietaiso veikimą remiantis šiomis medžiagomis.

Kvantiniai taškai (pavyzdžiui, CdSe ir PbTe) buvo plačiai naudojami fotoelektronikoje kaip elektronus priimančios medžiagos dėl jų dydžio priklausomos optinės reakcijos, efektyvios kelių nešiklių generavimo ir pigių. 10, 11, 12, 13, 14 Tačiau jų toksiškumas ir pavojingas pobūdis yra rimti trūkumai, naudojant didelius prietaisus. Įrodyta, kad grafeno kvantiniai taškai (GQD), sumaišyti su P3HT, žymiai pagerino PSC charakteristikas, palyginti su grafeno lakštais, sumaišytais su konjuguotais polimerais. 15 Tačiau PSQ, gauto naudojant GQDs, gautas PCE buvo gana žemas (∼ 1%). Čia parodome, kad naudojant PSC, šviesą skleidžiantys GQD, gauti iš dvigubų sienelių anglies nanovamzdelių (DCNT), gali būti naudojami kaip puikus P3HT: PCBM priedas, o ne kaip pakaitalas. Ši trijų komponentų sistema, pagrįsta P3HT: PCBM: GQD mišiniais, gali tarnauti kaip aktyvusis PSC sluoksnis su žymiai patobulintu PCE.

Eksperimentinės procedūros

GQD apibendrinimas

Kaip parodyta 1 paveiksle, GQD buvo gauti iš komerciškai prieinamų DCNT. DCNT buvo dedami į koncentruoto H2S04 (10 ml) ir HNO3 (5 ml) mišinį. Tirpalas buvo laikomas kambario temperatūroje 4 valandas ir maišomas 100 ° C temperatūroje 24 valandas. Atšaldžius iki kambario temperatūros, suspensija ultragarsu tiriama 4 valandas. Po to mišinys praskiedžiamas dejonizuotu vandeniu (60 ml), o pH buvo sureguliuotas iki 8 NaOH tirpalu. Po 4 dienų dializės dializės maiše (išlaikyta molekulinė masė: 2000 Da), produkto tirpalas 1, 5 h buvo centrifuguojamas ultrafiltravimo išcentriniame mėgintuvėlyje (išlaikoma molekulinė masė: 3000 Da, įsigytas iš Šanchajaus Jinxin Biotechnology Corporation, Šanchajus, Kinija). . Tirpalas buvo sumaišytas su chlorbenzenu santykiu 1: 1, po to smarkiai purtant ir maišant. Po 1 valandos stovėjimo dugno tirpalas buvo ekstrahuotas, į jį įeinant GQD vienodo dydžio pasiskirstymo būdu.

Image

GQD paruošimo iš DCNT schema.

Visas dydis

GQD apibūdinimas

GQD mikrostruktūrinėms savybėms ištirti buvo atlikti didelės skiriamosios gebos perdavimo elektronų mikroskopijos matavimai. Mėginys buvo paruoštas lašinant bandinio dispersiją į anglies dengtą vario tinklelį, po to džiovinant kambario temperatūroje. GQD fotoliuminescencijos (PL) spektrai buvo gauti naudojant fluorescencinį spektrofotometrą (Hitachi, Tokijas, Japonija, F-4600). Atominės jėgos mikroskopijos matavimai atlikti naudojant „Nanoscope IIIa“ sriegimo režimu. UV matymo spektrai buvo gauti naudojant Shimadzu UV3600 spektrofotometrą (Shimadzu, Kiotas, Japonija).

GQD pagrįstų PSC gamyba ir apibūdinimas

GQD pagrindu pagamintiems PSC gaminti buvo paruošti P3HT (10 mg ml – 1 ) tirpalai, kurių PCBM yra 0, 5, 0, 6, 0, 8, 1, 1, 25, 1, 67 ir 2 (svorio santykis su P3HT). GQD buvo pridedama prie tirpalo, kurio koncentracija buvo 0, 05 mg ml −1 . Tirpalas po to buvo verptas ant indžio alavo oksido (ITO) stiklo pagrindų ir padengtas poli (etilendioksitiofenu): poli (stireno sulfonrūgšties) (PEDOT: PSS) laidžiu polimeru, kuris tarnavo kaip apatinis elektrodas. LiF ir Al nusėda garinant kaip viršutinį kontaktą, kad susidarytų PSC įtaisas su struktūra ITO / PEDOT: PSS / P3HT: PCBM: GQDs / LiF / Al. Aktyvusis PSC plotas buvo 0, 1 cm 2 . Palyginimui taip pat buvo pagamintas PSC be GQD. Pagaminto PSC charakteristika buvo atlikta naudojant saulės imitatorių (Abet Sun 2000; Abet Technologies, Milford, CT, JAV) 100 mW galingumo 1, 5 G apšvietimu. Dabartinės tankio ir įtampos ( J - V ) charakteristikos buvo surinktos naudojant Keithley 4200 puslaidininkių apibūdinimo sistemą (Keithley, Cleveland, OH, JAV).

Rezultatai ir DISKUSIJA

Iš DCNT išvestų GQD didelės skiriamosios gebos perdavimo elektronų mikroskopijos vaizdai parodyti 2 paveiksle. GQD skersmenys daugiausia pasiskirsto 3–5 nm diapazone, o vidutinis skersmuo yra 4 nm (2a paveikslas). 2b paveiksle parodytas tipiškas labai kristalinio GQD vaizdas, kurio gardelės parametras yra 0, 322 nm, ir tai gerai atitinka ankstesnę ataskaitą. 16 Atominės jėgos mikroskopijos analizė, parodyta 2c paveiksle, taip pat atitinka TEM rezultatus. Apskaičiuota, kad GQD (nusodinto ant Si substrato) vidutinis aukštis yra nm 2 nm, o tai siejama su dvisluoksnio grafeno struktūra.

Image

a ) TEM paruoštų GQD vaizdas. b ) Aukštos skiriamosios gebos TEM vaizdas, rodantis atskiro GQD kristalų struktūrą. c ) Si substrate nusodintų GQD atominės jėgos mikroskopijos vaizdas.

Visas dydis

Esant 365 nm UV apšvietimui, GQD spinduliavo ryškiai mėlyną spinduliuotę, kaip parodyta 3 paveiksle. Norėdami toliau tirti GQD optines savybes, buvo užregistruoti PL spektrai ir parodyti 3 paveiksle. Panašiai kaip ir ankstesnėse ataskaitose, GQD rodė nuo sužadinimo priklausomą PL elgesį. Keičiant sužadinimo bangos ilgį nuo 310 nm iki 510 nm 20 nm žingsniais, pamažu PL smailė buvo perkelta į ilgesnius bangos ilgius. Apie tokį nuo sužadinimo priklausomą PL elgesį buvo plačiai pranešama apie fluorescencines anglies pagrindu pagamintas nanomedžiagas ir jis gali būti susijęs su defektų būsenų orbitos energijos pasiskirstymo nehomogeniškumu. 18

Image

Paruoštų GQD su įvairiais sužadinimo bangos ilgiais PL spektrai. Pradinė dalis: GQD nuotrauka chlorbenzene, padaryta esant 365 nm UV šviesai.

Visas dydis

4 paveiksle pavaizduotos P3HT: PCBM sumaišytų (svorio santykis 1: 1) plėvelių su GQD ir be jų UV-regėjimo absorbcijos spektrai. Mišinio absorbcijos intensyvumui normalizuoti buvo naudojamas 100 nm plėvelės storis. Kaip parodyta 4 paveiksle, abiejuose mišiniuose matomos srities vibroninės absorbcijos mentės yra ties 335, 510, 552 ir 600 nm, tai galima priskirti PCBM ir P3HT absorbcijai. Smailė ties 335 nm yra PCBM absorbcija, o smailė, esant 510 nm, yra pagrindinės P3HT grandinės absorbcija. Kiti du smailiai, turintys ilgesnį bangos ilgį, susidaro dėl tarpchininių sąveikų mišinyje užsakytose P3HT kristalinėse srityse. Įvedus GQD, padidėja absorbcijos smailės ir šiek tiek pasikeičia P3HT absorbcijos smailės. Ši išvada rodo, kad tarpuskaitos tarp grandinių pagerėja, į mišinį pridedant GQD.

Image

P3HT: PCBM (masės santykis 1: 1) UV-regėjimo absorbcijos spektrai su GQD ir be jo.

Visas dydis

5a paveiksle pavaizduotos PSC J - V charakteristikos su GQD ir be jų, o 5b paveiksle pavaizduotos GQD pagrįstų PSC su įvairiais PCBM turiniais J - V kreivės. Gautos PCE, pagamintos PSC, atvirosios grandinės įtampa ( V oc ), trumpojo jungimo srovės tankis ( J sc ) ir užpildymo koeficientas (FF) yra apibendrintos 1 lentelėje. GQD įvedimas turi akivaizdų poveikį P3HT: PCBM pagrįstų PSC fotoelektriniai pasirodymai. PSC be GQD neturi 2, 61% PCE, kai V oc yra 0, 59 V, J sc yra 14, 27 mA cm −2, o FF yra 0, 31. Pridėjus GQD į aktyvųjį sluoksnį, prietaiso V oc, J sc, FF ir PCE yra atitinkamai 0, 57 V, 24, 6 mA cm −2, 0, 31 ir 4, 35%. Palyginti su įprastais P3HT: PCBM pagrindu pagamintais PSC, prietaiso, paremto P3HT: PCBM: GQDs, trijų komponentų mišiniais, PCE yra žymiai patobulintas.

Image

a ) PSC, pagrįstų P3HT: PCBM (svorio santykis 1: 1), J sc - V charakteristikos, sumaišytos plėvelės su GQD ir be jų. ( b ) PSC J sc - V kreivės, pagrįstos P3HT: PCBM: GQD ternaziniais mišiniais su įvairiais PCBM kiekiais.

Visas dydis

Pilno dydžio lentelė

Atsižvelgiant į struktūrinius GQD ir PCBM panašumus, PCBM kiekis aktyviajame sluoksnyje yra įvairus, kad būtų galima optimizuoti įrenginio veikimą. Kaip parodyta 1 lentelėje, PSC J sc labai priklauso nuo PCBM kiekio trinariame mišinyje. Taigi P3HT: PCBM: GQDs pagrindu pagamintų PSC PCE gali būti pritaikytas keičiant PCBM ir P3HT svorio santykį, kaip parodyta 6 paveiksle. Kaip PCBM: P3HT svorio santykis padidėja nuo 0, 5–0, 6, PCE prietaisas smarkiai padidėja nuo 2, 48–5, 24%, o tai yra didžiausias efektyvumas, pasiektas šiame darbe. Tačiau didesnis PCBM kiekis nereiškia geresnio įrenginio veikimo, kai PCBM: P3HT svorio santykis viršija 0, 6. Tuo metu PSC PCE laipsniškai mažėja, o kai PCBM: P3HT svorio santykis pasiekia 2, įrenginio PCE yra tik 2, 05%.

Image

PSC PCE su skirtingais PCBM: P3HT svorio santykiais. Įžanga: juostinė schema, rodanti PSC su GQD darbo procesą. Iš literatūros yra paimtos didžiausios užimtos molekulinės orbitalės ir mažiausios neužimtos P3HT, PCBM ir GQD molekulinės vertės (Gupta et al. 15, Wang et al. 25 ir Gupta et al. 15 ).

Visas dydis

Donorų ir priimančių medžiagų santykis formuojant efektyvų birų heterojunkcinį sluoksnį yra svarbus parametras, kontroliuojantis sudedamųjų dalių morfologines, krūvio pernešimo ir eksitono disociacijos savybes. 20 Kai PCBM kiekis yra mažas (0, 5 svorio santykis su P3HT), matrica yra gana vienalytė. J J ir PCE žymiai padidėja padidėjus PCBM santykiui iki 0, 6, nes atsiranda fazių atskyrimas, dėl kurio padidėja krūvio nešiklio pernešimas ir sumažėja bimolekulinių krūvių rekombinacija. 22 Tačiau toliau didinant PCBM santykį (> 0, 6), mažėjantis plėvelės optinis tankis dėl mažo PCBM absorbcijos skerspjūvio, palyginti su P3HT, ilgainiui lemia J sc ir PCE sumažėjimą.

Svarbu atkreipti dėmesį į tai, kad trijų komponentų mišinių pagrindu gaminamiems PSC geriausi prietaiso našumai gaunami, kai PCBM santykis yra 0, 6, kuris yra mažesnis nei tipiškos vertės (1 ir 0, 8), apie kurias pranešta anksčiau. 23, 24 Be to, trijų komponentų mišinių pagrindu pagamintų PSC PCE yra daug didesnis nei įprastų prietaisų, turinčių tą patį PCBM santykį, o tai turi būti priskirta GQD buvimui aktyviajame sluoksnyje. Juostinė schema, iliustruojanti PSC su GQD darbo procesą, parodyta 6 paveiksle. Siūloma, kad unikali GQD juostų struktūra susiaurintų energetinį barjerą tarp aukščiausio užimto ​​molekulinės orbitalės ir žemiausio neužimto ​​molekulinės orbitalės lygio tarp P3HT ir PCBM, kurie skatina fotogeneruotų skylių ir elektronų pernešimą, kaip parodyta 6 paveiksle. Be to, kaip minėta pirmiau, GQD buvimas taip pat prisideda prie P3HT: PCBM mišinio absorbcijos pagerinimo. . Todėl įdomų P3HT: PCBM mišinio pagrindu pagaminto PSC J sc ir PCE patobulinimą galima pasiekti įvedant GQD į aktyvųjį sluoksnį.

Išvados

Apibendrinant galima teigti, kad GQD yra susintetinti iš DCNT vienodo dydžio pasiskirstymo per tirpalo chemiją, o chloro benzeno GQD išsiskiria ryškiai mėlyna spalva, sužadinant UV spindulius. PSC PCE, pagrįstas P3HT: PCBM: GQDs trijų komponentų mišiniais, yra žymiai patobulintas, palyginti su įprastu P3HT: PCBM pagrindu pagamintu prietaisu. Įrenginio veikimą dar galima pagerinti keičiant PCBM koncentraciją triračiame aktyviajame sluoksnyje, gaunant maksimalų 5, 24% PCE. Šis patobulinimas yra susijęs su padidinta sumaišytos plėvelės absorbcija ir unikalia GQD juostų struktūra. Trišakė sistema, pagrįsta P3HT: PCBM: GQD mišiniais, yra naujas būdas patenkinti didelę padidinto efektyvumo polimerinių saulės elementų paklausą. Be to, šis darbas išplečia GQD pritaikymą PSC įrenginiams.