"Harvesting Solar Energy by Means of Charge-Separating Nanocrystals and Their Solids". G. Diederich, T. O'Connor, P. Moroz, E. Kinder, E. Kohn, D. Perera, R. Lorek, S. Lambright, M. Imboden, M. Zamkov. JOURNAL OF VISUALIZED EXPERIMENTS 66, e4296 (2012). DOI: 10.3791/429
Conjoining different semiconductor materials in a single nano-composite provides synthetic means for the development of novel optoelectronic materials offering a superior control over the spatial distribution of charge carriers across material interfaces. As this study demonstrates, a combination of donor-acceptor nanocrystal (NC) domains in a single nanoparticle can lead to the realization of efficient photocatalytic
materials, while a layered assembly of donor- and acceptor-like nanocrystals films gives rise to photovoltaic materials. Initially the paper focuses on the synthesis of composite inorganic nanocrystals, comprising linearly stacked ZnSe, CdS, and Pt domains, which jointly promote photoinduced charge separation. These structures are used in aqueous solutions for the photocatalysis of water under solar radiation, resulting in the production of H2 gas. To enhance the photoinduced separation of charges, a nanorod morphology with a linear gradient originating from an intrinsic electric field is used. The inter-domain energetics are then optimized to drive photogenerated electrons toward the Pt catalytic site while expelling the holes to the surface of ZnSe domains for sacrificial regeneration (via methanol). Here we show that the only efficient way to produce hydrogen is to use electron-donating ligands to passivate the surface states by tuning the energy level alignment at the semiconductor-ligand interface. Stable and efficient reduction of water is allowed by these ligands due to the fact that they fill vacancies in the valence band of the semiconductor domain, preventing energetic holes from degrading it. Specifically, we show that the energy of the hole is transferred to the ligand moiety, leaving the semiconductor domain functional. This enables us to return the entire nanocrystal-ligand system to a functional state, when the ligands are degraded, by simply adding fresh ligands to the system. To promote a photovoltaic charge separation, we use a composite two-layer solid of PbS and TiO2 films. In this configuration, photoinduced electrons are injected into TiO2 and are subsequently picked up by an FTO electrode, while holes are channeled to a Au electrode via PbS layer. To develop the latter we introduce a Semiconductor Matrix Encapsulated Nanocrystal Arrays (SMENA) strategy, which allows bonding PbS NCs into the surrounding matrix of CdS semiconductor. As a result, fabricated solids exhibit excellent thermal stability, attributed to the heteroepitaxial structure of nanocrystal-matrix interfaces, and show compelling light-harvesting performance in prototype solar cells.
materials, while a layered assembly of donor- and acceptor-like nanocrystals films gives rise to photovoltaic materials. Initially the paper focuses on the synthesis of composite inorganic nanocrystals, comprising linearly stacked ZnSe, CdS, and Pt domains, which jointly promote photoinduced charge separation. These structures are used in aqueous solutions for the photocatalysis of water under solar radiation, resulting in the production of H2 gas. To enhance the photoinduced separation of charges, a nanorod morphology with a linear gradient originating from an intrinsic electric field is used. The inter-domain energetics are then optimized to drive photogenerated electrons toward the Pt catalytic site while expelling the holes to the surface of ZnSe domains for sacrificial regeneration (via methanol). Here we show that the only efficient way to produce hydrogen is to use electron-donating ligands to passivate the surface states by tuning the energy level alignment at the semiconductor-ligand interface. Stable and efficient reduction of water is allowed by these ligands due to the fact that they fill vacancies in the valence band of the semiconductor domain, preventing energetic holes from degrading it. Specifically, we show that the energy of the hole is transferred to the ligand moiety, leaving the semiconductor domain functional. This enables us to return the entire nanocrystal-ligand system to a functional state, when the ligands are degraded, by simply adding fresh ligands to the system. To promote a photovoltaic charge separation, we use a composite two-layer solid of PbS and TiO2 films. In this configuration, photoinduced electrons are injected into TiO2 and are subsequently picked up by an FTO electrode, while holes are channeled to a Au electrode via PbS layer. To develop the latter we introduce a Semiconductor Matrix Encapsulated Nanocrystal Arrays (SMENA) strategy, which allows bonding PbS NCs into the surrounding matrix of CdS semiconductor. As a result, fabricated solids exhibit excellent thermal stability, attributed to the heteroepitaxial structure of nanocrystal-matrix interfaces, and show compelling light-harvesting performance in prototype solar cells.
La unión de distintos materiales semiconductores en un único nanocomposito proporciona un medio de síntesis para el desarrollo de nuevos materiales optoelectrónicos que ofrezcan un control superior sobre la distribución espacial de los portadores de carga a través de las interfaces de los materiales. Como se demuestra en este estudio, una combinación de dominios de nanocristales (NC) donadores-aceptores en una única nanopartícula puede llevar a la realización de materiales fotocatalíticos eficientes, mientras que un arreglo en capas de películas de los nanocristales aceptores y donadores da lugar a materiales fotovoltaicos. Inicialmente, el trabajo se enfoca en la síntesis de nanocristales inorgánicos compuestos, los cuales comprenden un acomodo en línea de dominios de ZnSe, CdS y Pt, que en conjunto promueven la separación de carga fotoinducida. Estas estructuras se usan en soluciones acuosas para la fotocatálisis de agua bajo radiación solar, resultando en la producción de H2 gaseoso. Para aumentar la separación de cargas fotoinducida, se utiliza una morfología de nanobarra con un gradiente lineal que se origina a partir de un campo eléctrico intrínseco. El balance de energía entre los dominios se optimiza para llevar a los electrones fotogenerados hacia el sitio catalítico de Pt, expulsando al mismo tiempo los huecos hacia la superficie de los dominios de ZnSe, para una regeneración de sacrificio (vía metanol). Aquí se muestra que la única manera eficiente de producir hidrógeno es el uso de ligantes donadores de electrones para pasivar los estados superficiales, por medio de la sintonización del alineamiento de los niveles de energía en la interfaz semiconductor-ligante. Estos ligantes permiten una reducción estable y eficiente del agua, debido al hecho de que llenan las vacancias de la banda de valencia del dominio semiconductor, previniendo que los huecos muy energéticos lo degraden. Se muestra, específicamente, que la energía de los huecos se transfiere a los ligantes, dejando funcional al dominio semiconductor. Ésto permite regresar el sistema completo de ligante-semiconductor a un estado funcional cuando los ligantes se degradan por la simple adición de ligantes frescos al sistema. Para promover la separación de carga fotovoltaica, se usa una bicapa sólida de películas de PbS y TiO2. En esta configuración los electrones fotoinducidos se inyectan en el TiO2 y son posteriormente colectados por un electrodo FTO, mientras que los huecos son encausados hacia un electrodo de Au, a través de la capa PbS. Para realizar esto último, se introduce un Arreglo de Nanocristales Encapsulados de Matriz Semiconductora (SMENA) como estrategia, la cual permite unir los NCs de PbS en la matriz envolvente del semiconductor CdS. Como resultado, los sólidos fabricados muestran una excelente estabilidad térmica, que se atribuye a la estructura heteroepitaxial de la interfaz matriz-nanocristal, y además muestran buen desempeño como colectores de luz en prototipos de celdas solares.
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