Síntesis de nanocristales de ZnO y aplicación en células solares de polímero invertido

Resultados y discusión

Al ajustar los parámetros de crecimiento hidrotermal, como la concentración de la solución, la temperatura de reacción y el tensioactivo, se obtuvieron nanocristales de ZnO con diferentes morfologías, por ejemplo, nanobarras, nanotetrápodos, nanoflores y nanocubos de ZnO. Entre ellos, se sintetizó una matriz de nanovarillas de ZnO alineadas y con patrones a través de una ruta hidrotermal mediante el uso de TiO ₂ plantilla de anillo derivada de la monocapa autoensamblada de microesferas de poliestireno (plantilla monocapa autoensamblada invertida), que se ha demostrado en nuestro trabajo anterior [11]. La Figura 2a, b presenta la vista superior e inclinada de 45 ° de la matriz de nanovarillas de ZnO recién desarrollada, cultivada en la solución acuosa que contiene Zn 0,05 M (NO ₃ ) ₂ · 6H ₂ O y HMTA a 80 ° C durante 3 h. Puede verse que la matriz de nanovarillas de ZnO reserva la periodicidad hexagonal de largo alcance del TiO ₂ plantilla de anillo muy bien. Todas las nanovarillas de ZnO están perfectamente alineadas de forma normal al sustrato con el diámetro uniforme de 380 nm, lo que puede proporcionar una vía corta y continua para el transporte de electrones, y solo se cultiva una nanovarilla de ZnO en cada sitio de crecimiento. Desde la vista superior de la matriz de nanobarras de ZnO recién desarrollada en la Fig. 2a, podemos ver que el espacio entre nanobarras de ZnO adyacentes es de aproximadamente 200 nm de ancho, lo cual es importante para la siguiente infiltración del absorbente de luz orgánico. Además, tanto el diámetro como la longitud de las nanovarillas de ZnO se pueden variar fácilmente variando la concentración de la solución y la temperatura de reacción durante el crecimiento hidrotermal, como se informó en nuestro trabajo anterior [11]. La matriz de nanotetrápodos de ZnO, como se muestra en la Fig. 2c, d, se cultivó a 0,025 M, 50 ° C durante 6 h mediante la plantilla de monocapa autoensamblada invertida similar a la matriz de nanovarillas de ZnO. La diferencia con la matriz de nanovarillas de ZnO es que se ha utilizado una cierta cantidad de PEI (0,1 ml de PEI por 40 ml de solución de reacción) durante el crecimiento hidrotermal, que se informa que promueve el crecimiento en la dirección axial, pero suprime el crecimiento en el dirección radial [12]. Desde la vista superior (Fig. 2c) y la vista inclinada de 45 ° (Fig. 2d) de la matriz de nanotetrápodos de ZnO, podemos ver que la matriz de nanotetrápodos también reserva la periodicidad hexagonal de largo alcance del TiO ₂ plantilla de anillo muy bien, y cada nanotetrápodo se compone de tres a siete nanovarillas cultivadas en cada sitio de crecimiento, por lo que el área de superficie de la matriz de nanotetrápodos de ZnO es mucho mayor que la matriz de nanovarillas de ZnO.

un Vista superior y b Vista inclinada de 45 ° de la matriz de nanobarras de ZnO. c Vista superior y d Vista inclinada de 45 ° de la matriz de nanotetrapodos de ZnO

La Figura 3a, b muestra las imágenes SEM de nanoflores y nanocubos de ZnO, respectivamente, que se preparan mediante un método de dos pasos, como sigue. En primer lugar, se cultivaron nanobarras de ZnO mediante el proceso hidrotermal en la solución acuosa que contenía 0,025 M de Zn (NO ₃ ) ₂ · 6H ₂ O y HMTA a 85 ° C durante 3 h. Luego, las nanovarillas de ZnO crecidas se sumergieron en diferentes soluciones para el crecimiento secundario. Se obtuvieron nanoflores de ZnO en la solución de 0,0075 M de Zn (NO ₃ ) ₂ · 6H ₂ O y citrato de sodio 0,0075 M a 95 ° C durante 12 h, mientras que se obtuvieron nanocubos de ZnO en la solución de Zn 0,0075 M (NO ₃ ) ₂ · 6H ₂ O y citrato de sodio 0,015 M a 95 ° C durante 6 h. Finalmente, las nanoflores y nanocubos de ZnO recién crecidos se enjuagaron minuciosamente con agua desionizada y se secaron al aire para eliminar el polímero residual. Desde la vista superior de las nanoflores de ZnO en la Fig. 3a, podemos ver que las nanoflores de ZnO están desordenadas y apiñadas, y cada nanoflore está compuesta de muchos “pétalos”, por lo que el área de superficie aumenta enormemente. Sin embargo, el espacio entre los "pétalos" adyacentes de las nanoflores de ZnO es tan pequeño (~ 30 nm de ancho), como se muestra en la vista ampliada de la Fig. 3a, que la siguiente infiltración del absorbente de luz orgánico se vuelve muy difícil. La Figura 3b presenta la vista superior de los nanocubos de ZnO. Obviamente, los nanocubos de ZnO son de tamaño uniforme y la longitud del lado es de aproximadamente 150 nm. Además, cada nanocubo de ZnO se separa entre sí, lo que influirá en el transporte de electrones en las células solares, como se describe más adelante en este artículo.

Vista superior de a las nanoflores de ZnO y b los nanocubos de ZnO. El recuadro de la Fig. 3a es la vista ampliada de una única nanofloreciente de ZnO

A continuación, se introducen los cuatro tipos de nanocristales de ZnO en las células solares de heterounión de masa orgánica, como se muestra en la Fig. 1. Durante el proceso de fabricación, se fabricaron cuatro células solares en cada sustrato de ITO. Entre los cuales, si la desviación máxima de la eficiencia de conversión de fotones (PCE) es inferior al 3% en al menos tres células solares con valores de PCE más altos, se registrarán sus parámetros de rendimiento. Los valores de PCE más altos en los registros se adoptaron aquí para la comparación. Allí, se hicieron cinco muestras para cada ejemplo, entre las cuales, la desviación de PCE y otros parámetros clave para cada ejemplo es menor al 3%, por lo que los resultados son creíbles. El J - V Las características de los dispositivos de células solares con diferentes nanocristales de ZnO bajo luz solar simulada se muestran en la Fig. 4, y el rendimiento del dispositivo correspondiente se resume en la Tabla 1.

J - V características de las células solares de heterounión a granel orgánico con diferentes nanoestructuras de ZnO

Se puede ver que el dispositivo de nanotetrápodos de ZnO muestra un PCE más alto de 3.96, seguido por el dispositivo de nanovarillas y nanoflores de ZnO (3.71 y 3.69, respectivamente), y el dispositivo de nanocubos de ZnO mostró un PCE más bajo de 3.25. La mejora en PCE surge de la mayor densidad de corriente de cortocircuito ( J _SC ), mientras que el voltaje de circuito abierto ( V _OC ) de los cuatro dispositivos permanece casi sin cambios. El mejor rendimiento del dispositivo de nanotetrápodos de ZnO se puede atribuir a la gran superficie y el espacio adecuado (~ 300 nm) entre los nanocristales de ZnO adyacentes para la infiltración del absorbente de luz orgánico. El dispositivo de nanovarilla de ZnO tiene un área de superficie relativamente menor, lo que lleva a una menor carga de tinte y una recolección de luz, lo que afectará la extracción de carga y, por lo tanto, muestra un J más bajo. _SC en comparación con el dispositivo de nanotetrápodos de ZnO [13]. Las nanoflores de ZnO, como se muestra en la Fig. 2c, d, tienen el área de superficie más grande, pero el dispositivo correspondiente presenta un PCE más bajo en comparación con el nanotetrápodo de ZnO. Porque el espacio (menos de 50 nm) entre los "pétalos" adyacentes de las nanoflores de ZnO es tan estrecho que la infiltración y la combinación del absorbente de luz orgánico y el canal de transporte de electrones de ZnO se vuelven muy pobres. Como se sabe, para lograr una mayor capacidad de transmisión de portadores y disociación de excitones, es esencial una mejor infiltración y un contacto más efectivo. Por lo tanto, el dispositivo de nanoflorecientes de ZnO sufre menos J _SC , en comparación con el nanotetrápodo de ZnO. Además de la gran superficie y el espacio adecuado entre los nanocristales de ZnO adyacentes para la infiltración del absorbente de luz orgánico, también es muy importante una ruta corta y continua para el transporte de electrones. Para el dispositivo de nanocubos de ZnO, dado que cada nanocubo de ZnO está separado entre sí, la ruta para el transporte de electrones, que está interrumpida por el límite de grano entre nanocubos adyacentes, no es continua. Como resultado, el dispositivo de nanocubos de ZnO presenta el menor J _SC .

Conclusiones

En conclusión, hemos sintetizado varios nanocristales de ZnO mediante un proceso hidrotermal sencillo y rentable. Al ajustar los parámetros de crecimiento hidrotermal, como la concentración de la solución, la temperatura de reacción y el tensioactivo, se han obtenido nanobarras, nanotetrápodos, nanoflores y nanocubos de ZnO. Estos nanocristales de ZnO con diferentes morfologías se introdujeron en la capa activa de la célula solar de heterounión de masa orgánica como canal de transporte de electrones. Se descubrió que el rendimiento del dispositivo estaba estrechamente relacionado con la morfología de los nanocristales de ZnO. Para mejorar el rendimiento del dispositivo, es esencial una gran superficie, un espacio adecuado entre los nanocristales de ZnO adyacentes y una ruta corta y continua para el transporte de electrones.

Abreviaturas

HMTA:

Hexametilentetramina

ITO:

Óxido de indio-estaño

J _SC :

Densidad de corriente de cortocircuito

J - V :

Densidad-voltaje de corriente

P3HT:

Poli (3-hexiltiofeno)

PCBM:

Éster metílico del ácido [6] -fenil-C61-butírico

PCE:

Eficiencia de conversión de fotones

PEDOT:PSS:

Poli (3,4-etilen dioxitiofeno):poli (estireno sulfonato)

PEI:

Polietilenimina

SEM:

Microscopía electrónica de barrido por emisión de campo

V _OC :

Voltaje de circuito abierto

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