Nanotubos de carbono em energia fotovoltaica – HiSoUR Arte Cultura Exposição

Dispositivos fotovoltaicos orgânicos (OPVs) são fabricados a partir de filmes finos de semicondutores orgânicos, tais como polímeros e compostos de moléculas pequenas, e são tipicamente da ordem de 100 nm de espessura. Como os OPVs à base de polímeros podem ser feitos usando um processo de revestimento, como revestimento por rotação ou impressão a jato de tinta, eles são uma opção atraente para cobrir de maneira barata grandes áreas, bem como superfícies plásticas flexíveis. Uma promissora alternativa de baixo custo para as células solares convencionais feitas de silício cristalino, há uma grande quantidade de pesquisa sendo dedicada em toda a indústria e academia para o desenvolvimento de OPVs e aumentando sua eficiência de conversão de energia.

Nanotubos de carbono de parede única como meios de colheita de luz
Os nanotubos de carbono de parede única possuem uma ampla gama de bandgaps diretos que combinam com o espectro solar, fotoabsorção forte, de infravermelho a ultravioleta, e alta mobilidade portadora e espalhamento de transporte transportador reduzido, que se tornam material fotovoltaico ideal. O efeito fotovoltaico pode ser alcançado em diodos ideais de nanotubos de carbono de parede única (SWNT). Os SWNTs individuais podem formar diodos de junção pn ideais. Um comportamento ideal é o limite teórico de desempenho para qualquer diodo, um objetivo muito procurado em todo o desenvolvimento de materiais eletrônicos. Sob iluminação, os diodos SWNT mostram eficiências de conversão de energia significativas devido às propriedades aprimoradas de um diodo ideal.

Recentemente, os SWNTs foram configurados diretamente como materiais de conversão de energia para fabricar células solares de película fina, com nanotubos servindo como locais de fotogeração e uma camada de transporte / coleta de portadores de carga. As células solares consistem de uma película fina semitransparente de nanotubos revestidos conformaticamente sobre um substrato de silício cristalino do tipo n para criar heterojunção de alta densidade entre nanotubos e n-Si para favorecer a separação de carga e extrair elétrons (através de n-Si) e orifícios ( através de nanotubos). Testes iniciais mostraram uma eficiência de conversão de energia de & gt; 1%, provando que CNTs-on-Si é uma configuração potencialmente adequada para a fabricação de células solares. Pela primeira vez, Zhongrui Li demonstrou que o tratamento SOCL2 da SWNT aumenta a eficiência de conversão de energia das células solares de heterojunção SWNT / n-Si em mais de 60%. Mais tarde, a abordagem de doping ácido é amplamente adotada nas obras publicadas posteriormente pela CNT / Si. Eficiência ainda maior pode ser alcançada se o líquido ácido for mantido dentro do espaço vazio da rede de nanotubos. A infiltração ácida de redes de nanotubos aumenta significativamente a eficiência da célula para 13,8%, conforme relatado por Yi Jia, reduzindo a resistência interna que melhora o fator de preenchimento e formando unidades fotoeletroquímicas que aumentam a separação e o transporte de cargas. Os problemas induzidos por ácido úmido podem ser evitados usando filme de CNT alinhado. No filme CNT alinhado, a distância de transporte é encurtada e a taxa de atenuação do exciton também é reduzida. O filme de nanotubo alinhado adicionalmente possui espaço vazio muito menor e melhor contato com o substrato. Portanto, além da dopagem com ácido forte, o uso de filme de nanotubo de carbono de parede única alinhado pode melhorar ainda mais a eficiência de conversão de energia (uma eficiência de conversão de energia de mais de 11% foi alcançada por Yeonwoong Jung).

Zhongrui Li também fez o primeiro dispositivo fotovoltaico n-SWNT / p-Si, ajustando SWNTs do tipo-p ao tipo-n através da funcionalização da imina de polietileno.

Compósitos de nanotubos de carbono na camada fotoativa
Combinar as características físicas e químicas de polímeros conjugados com a alta condutividade ao longo do eixo do tubo de nanotubos de carbono (CNTs) fornece um grande incentivo para dispersar os CNTs na camada fotoativa, a fim de obter dispositivos de VPO mais eficientes. A heterojunção interpenetrante de doador-receptor em massa nesses dispositivos pode obter separação e coleta de carga devido à existência de uma rede bicontinua. Ao longo desta rede, os elétrons e buracos podem viajar em direção aos seus respectivos contatos através do aceptor de elétrons e do doador de orifícios de polímero. O aumento da eficiência fotovoltaica é proposto como sendo devido à introdução de junções internas de polímero / nanotubo dentro da matriz polimérica. O alto campo elétrico nessas junções pode dividir os excitons, enquanto o nanotubo de carbono de parede única (SWCNT) pode atuar como um caminho para os elétrons.

A dispersão de CNTs em uma solução de um polímero conjugado doador de elétrons é talvez a estratégia mais comum para implementar materiais de CNT em OPVs. Geralmente poli (3-hexiltiofeno) (P3HT) ou poli (3-octiltiofeno) (P3OT) são utilizados para este fim. Estas misturas são então revestidas por rotação sobre um eletrodo condutor transparente com espessuras que variam de 60 a 120 nm. Esses eletrodos condutores são geralmente cobertos por vidro com óxido de índio-estanho (ITO) e uma subcamada de 40 nm de poli (3,4-etilenodioxitiofeno) (PEDOT) e poli (estirenossulfonato) (PSS). PEDOT e PSS ajudam a suavizar a superfície do ITO, diminuindo a densidade dos orifícios e sufocando o vazamento de corrente que ocorre ao longo dos caminhos de desvio. Através de evaporação térmica ou revestimento por pulverização, uma camada de 20 a 70 nm de espessura de alumínio e às vezes uma camada intermediária de fluoreto de lítio é então aplicada sobre o material fotoativo. Múltiplas investigações de pesquisa com nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNTs) e nanotubos de carbono de parede única (SWCNTs) integrados ao material fotoativo foram concluídas.

Aprimoramentos de mais de duas ordens de magnitude foram observados na fotocorrente a partir da adição de SWCNTs à matriz P3OT. As melhorias foram especuladas como sendo devido à separação de carga nas conexões de polímero-SWCNT e ao transporte de elétrons mais eficiente através dos SWCNTs. No entanto, uma eficiência de conversão de energia bastante baixa de 0,04% sob 100 mW / cm2 de iluminação branca foi observada para o dispositivo sugerindo dissociação de exciton incompleta em concentrações baixas de CNT de 1,0% em peso. Como os comprimentos dos SWCNTs eram similares à espessura dos filmes fotovoltaicos, acreditava-se que dopar uma porcentagem maior de SWCNTs na matriz polimérica causava curto-circuito. Para fornecer locais de dissociação adicionais, outros pesquisadores misturaram MWCNTs funcionalmente funcionalizados no polímero P3HT para criar um P3HT-MWCNT com o dispositivo de dupla camada de fullereno C60. No entanto, a eficiência de energia ainda era relativamente baixa a 0,01% abaixo da iluminação branca de 100 mW / cm2. A fraca difusão do exciton em direção à interface doador-receptor na estrutura da bicamada pode ter sido a causa além da camada de Ceno do fullereno, possivelmente experimentando um transporte de elétrons deficiente.

Mais recentemente, um dispositivo fotovoltaico de polímero de SWCNTs e P3HT modificados em C60 foi fabricado. A irradiação por micro-ondas de uma mistura de solução aquosa de SWCNT e solução em C60 em tolueno foi o primeiro passo na produção destes compostos de SWCNT de polímero. O polímero conjugado P3HT foi então adicionado resultando em uma eficiência de conversão de energia de 0,57% sob irradiação solar simulada (95 mW / cm2). Concluiu-se que a densidade de corrente de curto-circuito melhorada foi um resultado direto da adição de SWCNTs no compósito, causando um transporte de elétrons mais rápido através da rede de SWCNTs. Concluiu-se também que a alteração morfológica levou a um melhor fator de preenchimento. No geral, o principal resultado foi a melhoria da eficiência de conversão de energia com a adição de SWCNTs, em comparação com as células sem SWCNTs; no entanto, a otimização adicional foi pensada para ser possível.

Adicionalmente, verificou-se que o aquecimento até ao ponto além da temperatura de transição vítrea de P3HT ou P3OT após a construção pode ser benéfico para manipular a separação de fases da mistura. Este aquecimento também afeta o ordenamento das cadeias poliméricas porque os polímeros são sistemas microcristalinos e melhora a transferência de carga, o transporte de carga e a coleta de carga em todo o dispositivo OPV. A mobilidade do furo e a eficiência de energia do dispositivo de polímero-CNT também aumentaram significativamente como resultado deste pedido.

Emergindo como outra abordagem valiosa para a deposição, o uso de brometo de tetraoctilamônio em tetrahidrofurano também tem sido objeto de investigação para auxiliar na suspensão pela exposição de SWCNTs a um campo eletroforético. De fato, eficiências de fotoconversão de 1,5% e 1,3% foram alcançadas quando os SWCNTs foram depositados em combinação com quantum dots e porfirinas de sulfeto de cádmio (CdS), respectivamente.

Entre as melhores conversões de potência alcançadas até hoje usando CNTs foram obtidas depositando uma camada SWCNT entre o ITO e o PEDOT: PSS ou entre o PEDOT: PSS e a mistura fotoativa em um ITO / PEDOT modificado: PSS / P3HT: (6,6 ) -fenil-éster metílico do ácido butilico-C61-butírico (PCBM) / célula solar de Al. Por revestimento por imersão a partir de uma suspensão hidrofílica, SWCNT foram depositados após uma exposição inicial da superfície a um plasma de argônio para alcançar uma eficiência de conversão de energia de 4,9%, em comparação com 4% sem CNTs.

No entanto, embora os CNTs tenham mostrado potencial na camada fotoativa, eles não resultaram em uma célula solar com uma eficiência de conversão de energia maior que as melhores células orgânicas em série (eficiência de 6,5%). Mas, tem sido demonstrado na maioria das investigações anteriores que o controle sobre uma mistura uniforme do polímero conjugado doador de elétrons e o elétron que aceita a CNT é um dos aspectos mais difíceis e cruciais na criação da coleta eficiente de fotocorrentes na CNT. Dispositivos OPV. Portanto, o uso de CNTs na camada fotoativa de dispositivos de OPV ainda está em fase inicial de pesquisa e ainda há espaço para novos métodos para aproveitar melhor as propriedades benéficas dos CNTs.

Um problema com a utilização de SWCNTs para a camada fotoativa de dispositivos fotovoltaicos é a pureza mista quando sintetizada (cerca de 1/3 de metal e 2/3 de semicondutor). SWCNTs metálicos (m-SWCNTs) podem causar recombinação de excitons entre os pares de elétrons e de furos, e a junção entre SWCNTs metálicos e semicondutores (s-SWCNTs) formam barreiras Schottky que reduzem a probabilidade de transmissão de furos. A discrepância na estrutura eletrônica dos CNTs sintetizados requer a classificação eletrônica para separar e remover os m-SWCNTs para otimizar o desempenho de semicondutores. Isso pode ser conseguido através do diâmetro e classificação eletrônica de CNTs através de um processo de ultracentrifugação por gradiente de densidade (DGU), envolvendo um gradiente de surfactantes que podem separar os CNTs por diâmetro, quiralidade e tipo eletrônico. Este método de classificação permite a separação de m-SWCNTs e a coleta precisa de múltiplas quiralidades de s-SWCNTs, cada quiralidade capaz de absorver um comprimento de onda único de luz. As quiralidades mtiplas de s-SWCNT s utilizadas como o material de transporte de orifios juntamente com o componente de fulereno PC71BM para fabricar heterojunções para a camada activa de PV. Os s-SWCNTs policatais permitem uma ampla absorção ótica visível a luz infravermelha próxima (NIR), aumentando a foto-corrente em relação ao uso de nanotubos de quiralidade única. Para maximizar a absorção de luz, a estrutura do dispositivo invertido foi usada com uma camada de nanofio de óxido de zinco penetrando na camada ativa para minimizar o comprimento da coleta. O óxido de molibdênio (MoOx) foi utilizado como uma camada de transporte de alta função de furo de trabalho para maximizar a tensão.

Células fabricadas com esta arquitetura alcançaram eficiências recordes de conversão de energia de 3,1%, mais altas que quaisquer outros materiais de células solares que utilizam CNTs na camada ativa. Este projeto também possui estabilidade excepcional, com o PCE permanecendo em torno de 90% durante um período de 30 dias. A excepcional estabilidade química dos nanomateriais de carbono permite excelente estabilidade ambiental em comparação com a maioria das fotovoltaicas orgânicas que devem ser encapsuladas para reduzir a degradação.

Em relação ao melhor das células solares de heterojunção de polímero-fulereno que têm PCEs de cerca de 10%, as células solares de nanotubo policlorais e fulereno ainda estão muito distantes. No entanto, essas descobertas aumentam os limites alcançáveis da tecnologia de CNT em células solares. A capacidade dos nanotubos policirais de absorverem o regime NIR é uma tecnologia que pode ser utilizada para melhorar as eficiências do futuro das células solares em tandem multi-junção, juntamente com o aumento da vida útil e durabilidade das futuras células solares não cristalinas.

Nanotubos de carbono como eletrodo transparente
ITO é atualmente o material mais popular usado para os eletrodos transparentes em dispositivos OPV; no entanto, tem várias deficiências. Por um lado, não é muito compatível com substratos poliméricos devido à sua alta temperatura de deposição de cerca de 600 ° C. ITO tradicional também tem propriedades mecânicas desfavoráveis, como ser relativamente frágil. Além disso, a combinação de deposição dispendiosa de camadas em vácuo e um fornecimento limitado de índio resulta em eletrodos transparentes ITO de alta qualidade sendo muito caros. Portanto, desenvolver e comercializar um substituto para ITO é um dos principais focos de pesquisa e desenvolvimento de OPV.

Os revestimentos condutores de CNT tornaram-se recentemente um substituto prospectivo baseado em ampla gama de métodos, incluindo pulverização, revestimento por rotação, fundição, camada por camada e deposição de Langmuir-Blodgett. A transferência de uma membrana de filtro para o suporte transparente usando um solvente ou na forma de uma película adesiva é outro método para obtenção de filmes de CNT flexíveis e opticamente transparentes. Outros esforços de pesquisa mostraram que filmes feitos de CNT de descarga em arco podem resultar em alta condutividade e transparência. Além disso, a função de trabalho das redes SWCNT está na faixa de 4,8 a 4,9 eV (comparada ao ITO que possui uma função de trabalho menor de 4,7 eV) levando à expectativa de que a função de trabalho SWCNT deve ser alta o suficiente para garantir uma coleta eficiente. Outro benefício é que os filmes SWCNT exibem uma alta transparência óptica em uma ampla faixa espectral desde a faixa UV-visível até a faixa próxima ao infravermelho. Apenas alguns materiais retêm transparência razoável no espectro infravermelho, mantendo a transparência na parte visível do espectro, bem como a condutividade elétrica geral aceitável. Os filmes SWCNT são altamente flexíveis, não fluem, não racham após a flexão, teoricamente possuem altas condutividades térmicas para tolerar a dissipação de calor e têm alta resistência à radiação. No entanto, a resistência da folha elétrica do ITO é uma ordem de magnitude menor que a resistência da folha medida para filmes SWCNT. No entanto, estudos iniciais demonstram que filmes finos SWCNT podem ser usados como eletrodos condutores transparentes para coleta de orifícios em dispositivos OPV com eficiências entre 1% e 2,5%, confirmando que são comparáveis a dispositivos fabricados usando ITO. Assim, existem possibilidades de avançar nesta pesquisa para desenvolver eletrodos transparentes baseados em CNT que excedam o desempenho de materiais tradicionais de ITO.

CNTs em células solares sensibilizadas por corantes
Devido ao processo de fabricação simples, baixo custo de produção e alta eficiência, há interesse significativo em células solares sensibilizadas por corantes (DSSCs). Assim, melhorar a eficiência do DSSC tem sido objeto de várias investigações de pesquisa, pois tem o potencial de ser fabricado economicamente o suficiente para competir com outras tecnologias de células solares. As nanopartículas de dióxido de titânio têm sido amplamente utilizadas como um eletrodo de trabalho para DSSCs porque fornecem uma alta eficiência, mais do que qualquer outro semicondutor de óxido de metal investigado. No entanto, a maior eficiência de conversão sob irradiação de massa de ar (AM) de 1,5 (100 mW / cm2) reportada para este dispositivo até hoje é de cerca de 11%. Apesar desse sucesso inicial, o esforço para aumentar ainda mais a eficiência não produziu nenhum resultado importante. O transporte de elétrons através da rede de partículas tem sido um problema chave para alcançar maior eficiência de fotoconversão em eletrodos nanoestruturados. Como os elétrons encontram muitos limites de grãos durante o trânsito e experimentam um caminho aleatório, a probabilidade de sua recombinação com o sensibilizador oxidado é aumentada. Portanto, não é adequado ampliar a área de superfície do eletrodo de óxido para aumentar a eficiência, pois a recombinação de carga gerada por foto deve ser evitada. A promoção da transferência de elétrons através de eletrodos de filme e estados de interface de bloqueio localizados abaixo da borda da banda de condução são algumas das estratégias não baseadas em CNT para aumentar a eficiência que foram empregadas.

Com o recente progresso no desenvolvimento e fabricação de CNT, há a promessa de usar vários nanocompósitos e nanoestruturas baseados em CNT para direcionar o fluxo de elétrons fotogerados e auxiliar na injeção e extração de carga. Para auxiliar o transporte de elétrons para a superfície do eletrodo de coleta em um DSSC, um conceito popular é utilizar redes CNT como suporte para ancorar partículas semicondutoras de coleta de luz. Os esforços de pesquisa ao longo destas linhas incluem a organização de pontos quânticos de CdS em SWCNTs. A injeção de carga de CdS excitado em SWCNTs foi documentada por excitação de nanopartículas de CdS. Outras variedades de partículas semicondutoras, incluindo CdSe e CdTe, podem induzir processos de transferência de carga sob irradiação de luz visível quando ligados a CNTs. Incluindo porfirina e fulereno C60, a organização do polímero doador fotoativo e do fulereno aceitador nas superfícies dos eletrodos também demonstrou oferecer uma melhora considerável na eficiência de fotoconversão das células solares. Portanto, existe uma oportunidade para facilitar o transporte de elétrons e aumentar a eficiência de fotoconversão de DSSCs utilizando a capacidade de aceitação de elétrons de SWCNTs semicondutores.

Outros pesquisadores fabricaram DSSCs usando o método sol-gel para obter MWCNTs revestidos com dióxido de titânio para uso como um eletrodo. Como os MWCNTs cristalinos têm uma superfície hidrofóbica e baixa estabilidade de dispersão, o pré-tratamento foi necessário para essa aplicação. Um método de destruição relativamente baixa para remoção de impurezas, o tratamento com H2O2 foi usado para gerar grupos de ácido carboxílico por oxidação de MWCNTs. Outro aspecto positivo foi o fato de que os gases de reação, incluindo CO2 e H2O, não eram tóxicos e poderiam ser liberados com segurança durante o processo de oxidação. Como resultado do tratamento, MWCNTs expostos a H2O2 têm uma superfície hidrofílica e os grupos de ácido carboxílico na superfície têm ligação covalente polar. Além disso, a superfície carregada negativamente dos MWCNTs melhorou a estabilidade da dispersão. Em seguida, cercando completamente os MWCNTs com nanopartículas de dióxido de titânio usando o método sol-gel, um aumento na eficiência de conversão de cerca de 50% em comparação com uma célula convencional de dióxido de titânio foi alcançado. A interconectividade aumentada entre as partículas de dióxido de titânio e os MWCNTs no filme de dióxido de titânio poroso foi concluída como sendo a causa da melhoria na densidade de corrente de curto-circuito. Aqui, novamente, a adição de MWCNTs foi pensada para fornecer transferência de elétrons mais eficiente através do filme no DSSC.

Células fabricadas com esta arquitetura alcançaram eficiências recordes de conversão de energia de 3,1%, mais altas que quaisquer outros materiais de células solares que utilizam CNTs na camada ativa. Este design também tem excepcional estabilidade, com o PCE permanecendo em torno de 90% durante um período de 30 dias. A excepcional estabilidade química dos nanomateriais de carbono permite excelente estabilidade ambiental em comparação com a maioria das fotovoltaicas orgânicas que devem ser encapsuladas para reduzir a degradação.