JP6251742B2 - Quantum dot sensitized solar cell - Google Patents
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Description
本発明は太陽電池に関する。特に、本発明は、量子ドット増感太陽電池に関する。 The present invention relates to a solar cell. In particular, the present invention relates to quantum dot sensitized solar cells.
有機色素または有機金属色素で増感したメソポーラスナノサイズ結晶TiO2膜(TiO2膜)に基づく光電気化学電池(PEC;photoelectrochemical cell)は、従来の固体太陽光発電の低コストの代替品となる可能性を持つものとして、過去20年間にわたり盛んに研究されている。色素増感太陽電池(DSSC;dye sensitized solar cell)の構成要素の最適化に大きな進歩があり、現在報告されている効率は最大11%を上回る。過去数年にわたるさらなる効率改善への新たなアプローチの探索の一部として、いくつかの研究グループが、増感色素をInP、CdS、CdSe、CdTe、PbSおよびInAs等の材料の半導体ナノサイズ結晶量子ドット(NQD;nanocrystalline quantum dot)に置き換えたPECの研究を報告した。これらの研究では、半導体NQDが可視域から中間赤外域までの広いスペクトル範囲にわたる効率的な増感剤として機能し、低製造コストの魅力は維持しながらNQDサイズの単純な変更により光学的性質および電子構造を調節可能である等の利点を提供できることが実証された。 Photoelectrochemical cells (PEC) based on mesoporous nano-sized crystalline TiO 2 films (TiO 2 films) sensitized with organic or organometallic dyes are a low-cost alternative to conventional solid-state photovoltaic power generation As a possibility, it has been actively studied over the past 20 years. There has been great progress in optimizing the components of dye-sensitized solar cells (DSSCs), with currently reported efficiencies exceeding up to 11%. As part of the search for new approaches to further efficiency improvements over the past few years, several research groups have sensitized dyes to semiconductor nanosize crystal quanta of materials such as InP, CdS, CdSe, CdTe, PbS and InAs. A study of PEC replaced with a dot (NQD; nanocrystalline quantum dot) was reported. In these studies, semiconductor NQDs function as efficient sensitizers over a wide spectral range from the visible to the mid-infrared, maintaining the attractiveness of low manufacturing costs, while maintaining the attractiveness of optical properties and simpler NQD sizes. It has been demonstrated that advantages such as being able to adjust the electronic structure can be provided.
最近の研究で、狭ギャップ半導体を用いたTiO2の増感への二つの異なるアプローチが実証されている。一つのアプローチでは、化学溶液浸漬法(CBD;chemical bath deposition)または逐次イオン層吸着反応法(SILAR;successive ionic layer adsorption and reaction)を用いて、TiO2膜の表面上に半導体NQDがin situ生成される。in situ堆積アプローチの利点は、単純性と、NQDがTiO2と直接電子的に接触することと、増感NQDの表面被覆率の高いTiO2膜を容易に生産できることである。しかし、in situアプローチには、NQDの化学組成、結晶性、サイズおよび表面特性に対する制御不足等のいくつかの限界があり、そのためにNQDの利点の有効活用が妨げられうる。 Recent studies have demonstrated two different approaches to sensitization of TiO 2 using narrow gap semiconductors. In one approach, the semiconductor NQD is generated in situ on the surface of the TiO 2 film using chemical solution deposition (CBD) or sequential ionic layer adsorption reaction (SILAR) or sequential ionic layer adsorption and reaction. Is done. The advantages of the in situ deposition approach are simplicity, the direct contact of NQD with TiO 2 and the ease of producing TiO 2 films with high surface coverage of sensitized NQD. However, the in situ approach has some limitations such as lack of control over the chemical composition, crystallinity, size and surface properties of NQD, which can hinder the effective use of the benefits of NQD.
代替的アプローチは二段階のプロセスに基づき、まず、確立されたコロイド合成法を用いてトリ‐n‐オクチルホスフィンオキシド(TOPO)、脂肪族アミン類、または酸類などの有機リガンド層によりNQDが独立して合成され、その後、TiO2膜がNQDの溶液への曝露によって増感される。このアプローチの利点は、in situアプローチと比較してNQDの化学的、構造的および電子的性質がより良く制御されることである。「裸の」TiO2膜または二官能性有機リンカー(すなわちTiO2およびNQD表面に対する化学的付着のための官能基を含む有機分子)で官能化したTiO2膜をNQDの溶液に曝露することで、TiO2膜が有効に増感され、リンカーを用いない方がリンカーを用いるよりもデバイス性能が良好であることが、複数のグループによって実証されている。PEC性能の研究においては、NQDサイズや対電極材料等のいくつかのパラメータは評価されているが、NQD有機表面不動態化はほとんど研究されなかった。 An alternative approach is based on a two-step process, in which NQDs are first separated by organic ligand layers such as tri-n-octylphosphine oxide (TOPO), aliphatic amines, or acids using established colloidal synthesis methods. The TiO 2 film is then sensitized by exposure to a solution of NQD. The advantage of this approach is that the chemical, structural and electronic properties of the NQD are better controlled compared to the in situ approach. By exposing the "naked" TiO 2 film or a bifunctional organic linker (i.e. organic molecules comprising functional groups for chemical attachment to TiO 2 and NQD surface) TiO 2 film functionalized with a solution of NQD Several groups have demonstrated that TiO 2 films are effectively sensitized and that device performance is better without the linker than with the linker. In PEC performance studies, several parameters such as NQD size and counter electrode material have been evaluated, but NQD organic surface passivation has been rarely studied.
本発明は、基板と、基板上の金属酸化物膜と、金属酸化物膜上のナノサイズ結晶量子ドットであって、量子ドットに付着したリガンドをさらに含み、リガンドは化学式RNH2を有する一級アミン類である、量子ドットとを含む物品の実施形態を提供する。いくつかの実施形態では、リガンドは、n‐ブチルアミンまたはt‐ブチルアミン等のブチルアミンである。 The present invention further includes a substrate, a metal oxide film on the substrate, and a nano-sized crystal quantum dot on the metal oxide film, wherein the ligand is attached to the quantum dot, the ligand having a chemical formula RNH 2 An embodiment of an article comprising a quantum dot is provided. In some embodiments, the ligand is butylamine, such as n-butylamine or t-butylamine.
本発明は、基板と;基板上の金属酸化物膜と、金属酸化物膜上の量子ドットであって、量子ドットに付着したリガンドをさらに含み、リガンドはトリ‐n‐オクチルホスフィンオキシド、1‐ドデカンチオール、オレイルアミン、またはオレイン酸/オレエートのサイズより小さいサイズを有する一級アミン類である、量子ドットとを含む物品も提供する。 The present invention further includes a substrate; a metal oxide film on the substrate; and a quantum dot on the metal oxide film, the ligand attached to the quantum dot, wherein the ligand is tri-n-octylphosphine oxide, 1- Also provided are articles comprising quantum dots, which are primary amines having a size smaller than that of dodecanethiol, oleylamine, or oleic acid / oleate.
本発明は、導電性基板と;導電性基板上の金属酸化物のナノサイズ結晶膜とを含む光陽極を含む、光電気化学電池(PEC)の実施形態も含む。ナノサイズ結晶膜は、内部に画成された細孔構造を有し、さらに、予め形成されたナノサイズ結晶量子ドット(NQD)をこの細孔構造内に有する。予め形成されたNQDは、NQDに付着した一級アミン類である有機不動態化リガンドを有する。PECは、対電極、ならびに光陽極および対電極の両方と接触する電解質も含む。 The present invention comprises a conductive substrate and, including the photoanode comprising the nano-sized crystalline film of a conductive metal oxide on a substrate, including an embodiment of a photoelectrochemical batteries (PEC). The nano-sized crystal film has a pore structure defined inside, and further has a nano-sized crystal quantum dot (NQD) formed in advance in the pore structure. The preformed NQD has an organic passivating ligand that is a primary amine attached to the NQD. The PEC also includes a counter electrode and an electrolyte that contacts both the photoanode and the counter electrode.
目的を達成するために、本発明の物品は、基板と、基板上の金属酸化物膜と、金属酸化物膜上の量子ドットであって、量子ドットに付着したt‐ブチルアミンリガンドをさらに含む量子ドットとを含む。 To achieve the object, the article of the present invention comprises a substrate, a metal oxide film on the substrate, and a quantum dot on the metal oxide film, the quantum dot further comprising a t-butylamine ligand attached to the quantum dot. Including dots.
目的を達成するために、本発明のPECは、導電性基板と、導電性基板上の金属酸化物のナノサイズ結晶膜であって、内部に画成された細孔構造を有し、予め形成されたナノサイズ結晶量子ドット(NQD)を細孔構造内にさらに有し、予め形成されたNQDは、NQDに付着したt-ブチルアミンリガンドを有する、ナノサイズ結晶膜とを含む光陽極と;対電極と;光陽極および対電極の両方と接触する電解質とを含む。 In order to achieve the object, the PEC of the present invention is a conductive substrate and a metal oxide nano-sized crystal film on the conductive substrate, and has a pore structure defined therein, and is formed in advance. A nano-sized crystal quantum dot (NQD) in the pore structure, the preformed NQD having a nano-sized crystal film having a t-butylamine ligand attached to the NQD; An electrode; and an electrolyte in contact with both the photoanode and the counter electrode.
目的を達成するために、本発明のPECは、導電性基板と、導電性基板上のナノサイズ結晶TiO2膜であって、内部に画成された細孔構造を有し、光吸収層および光散乱層、ならびにTiO2膜上の複数の予め形成されたナノサイズ結晶のカチオン交換したCuInSexS2−x量子ドット(NQD)を含み、カチオンはカドミウムであり、0<x<2であり、NQDは、NQDに付着したt‐ブチルアミンリガンドをさらに含む、TiO2膜とを含む光陽極と;対電極と;光陽極および対電極の両方と接触する電解質とを含む。
To achieve the object, the PEC of the present invention is a conductive substrate and a nano-sized crystalline TiO2 film on the conductive substrate, having a pore structure defined therein, a light absorbing layer and Including a light scattering layer, as well as a plurality of preformed nano-sized crystal cation-exchanged CuInSe x S 2-x quantum dots (NQDs) on a TiO 2 film, where the cation is cadmium and 0 <x <2. , NQD includes a photoanode including a
本明細書においては、光電気化学電池の実施形態、特に、一次アミンリガンドを含む量子ドットを含む光電気化学電池の実施形態を開示する。 In the present specification, embodiments of the photoelectrochemical cell, in particular, discloses an embodiment of a photoelectric chemical batteries including quantum dots includes a primary amine ligand.
「ナノサイズ結晶量子ドット」は、全ての形状およびサイズのナノサイズ結晶粒子を含むものである。ナノサイズ結晶量子ドットは、少なくとも一つの寸法が約100ナノメートル未満であるのが好ましいが、それに限定されない。ロッドは任意の長さであってよい。「ナノサイズ結晶」、「ナノロッド」および「ナノサイズ粒子」は、本明細書において互換可能に使用することができ、互換可能に使用される。本発明の一部の実施形態においては、ナノサイズ結晶粒子は、二つ以上の寸法が約100ナノメートル未満であればよい。ナノサイズ結晶は、核タイプでも核/殻タイプでもよいし、より複雑な構造を有していてもよい。例えば、本発明の一部の実施形態による一部の分岐ナノサイズ結晶粒子は、約1を上回るアスペクト比を有するアームを有しうる。他の実施形態では、アームは約5を上回るアスペクト比を有しても良く、約10を上回るアスペクト比を有しうるケースなどもある。アームの幅は、一部の実施形態では、約200ナノメートル未満、100ナノメートル未満、さらには50ナノメートル未満でもよい。例えば、核と四つのアームとを有するテトラポッドの例において、核は約3〜約4ナノメートルの直径を持ち、各アームは約4〜約50ナノメートル、100ナノメートル、200ナノメートル、500ナノメートル、さらには約1000ナノメートルを超える長さを持ちうる。もちろん、本明細書に記載のテトラポッドおよび他のナノサイズ結晶粒子は、他の適切な寸法を有していてもよい。本発明の実施形態では、ナノサイズ結晶粒子は、単結晶性でも多結晶性でもよい。本発明は、文献に記載されたプロセスにしたがって形成された、20を上回る、50にも達するアスペクト比および100nmを上回る長さを有するCdSeおよびCdTeのナノロッドを用いることも考慮している。ポン(Peng)X.G.ら、ネイチャー(Nature)404巻,p.59(2000年)およびポン(Peng)Z.A.ら、米国化学会誌(Journal of American Chemical Society)123巻,p.183 (2001年)を参照。 “Nano-sized crystal quantum dots” include nano-sized crystal particles of all shapes and sizes. Nano-sized crystal quantum dots preferably have, but are not limited to, at least one dimension that is less than about 100 nanometers. The rod may be of any length. “Nanosize crystals”, “nanorods” and “nanosize particles” can be used interchangeably herein and are used interchangeably. In some embodiments of the invention, the nanosized crystal particles may have two or more dimensions that are less than about 100 nanometers. The nano-sized crystal may be a nucleus type, a nucleus / shell type, or may have a more complicated structure. For example, some branched nanosized crystal particles according to some embodiments of the invention can have arms having an aspect ratio greater than about 1. In other embodiments, the arm may have an aspect ratio greater than about 5 and may have an aspect ratio greater than about 10. The arm width may be less than about 200 nanometers, less than 100 nanometers, or even less than 50 nanometers in some embodiments. For example, in the example of a tetrapod having a nucleus and four arms, the nucleus has a diameter of about 3 to about 4 nanometers, and each arm has a diameter of about 4 to about 50 nanometers, 100 nanometers, 200 nanometers, 500 nanometers. It can have a length of nanometers or even greater than about 1000 nanometers. Of course, the tetrapods and other nanosized crystal particles described herein may have other suitable dimensions. In embodiments of the present invention, the nano-sized crystal particles may be monocrystalline or polycrystalline. The present invention also contemplates the use of CdSe and CdTe nanorods formed according to the processes described in the literature, with aspect ratios greater than 20, as high as 50, and lengths greater than 100 nm. Peng X. G. Et al., Nature 404, p. 59 (2000) and Peng Z. A. Et al., Journal of American Chemical Society, 123, p. 183 (2001).
本明細書に開示されるナノサイズ結晶量子ドットは、一般にコロイドナノサイズ結晶量子ドットと呼ばれる。これらのコロイドナノサイズ結晶量子ドットは、単一の材料から成ってもよいし、内核と外殻とを含むこともできる。外殻は無機材料を含み、一実施形態では基本的に無機材料から成ればよい。コロイドナノサイズ結晶量子ドットの形状は、球状、ロッド状、ディスク状およびその組み合わせであればよく、ファセットがあってもなくてもよい。一実施形態では、コロイドナノサイズ結晶量子ドットは、二元半導体材料の核、例えばMがカドミウム、亜鉛、インジウム、鉛、またはその合金であっても良く、Xが硫黄、セレニウム、テルリウム、窒素、リン、ヒ素、アンチモンまたはその混合物である、化学式MXの核を含む。別の実施形態では、コロイドナノサイズ結晶量子ドットは、三元半導体材料の核、例えばM1およびM2はカドミウム、亜鉛、インジウム、銅、スズおよびその混合物または合金であっても良く、Xは硫黄、セレニウム、テルリウム、窒素、リン、ヒ素、アンチモンまたはその混合物である、化学式M1M2Xの核を含む。別の実施形態では、コロイドナノサイズ結晶量子ドットの核は、例えばM1、M2およびM3はカドミウム、亜鉛、インジウムであっても良く、Xは硫黄、セレニウム、テルリウム、窒素、リン、ヒ素、アンチモンまたはその混合物である、化学式M1M2M3Xの四元半導体材料を含む。適切な核材料の非限定的な例には、硫化カドミウム(CdS)、セレン化カドミウム(CdSe)、テルル化カドミウム(CdTe)、硫化鉛(PbS)、セレン化鉛(PbSe)、硫化セレン化鉛(PbSexS1−x)、硫化亜鉛(ZnS)、セレン化亜鉛(ZnSe)、テルル化亜鉛(ZnTe)、ヒ化インジウム(InAs)、窒化インジウム(InN)、リン化インジウム(InP)、アンチモン化インジウム(InSb)、セレン化亜鉛カドミウム(ZnCdSe2)など、このような材料の混合物、または他の任意の半導体材料または類似の材料が含まれる。核材料は、InP、InAs、InSb、CdS、CdSe、CdTeおよびその組み合わせからなる群より選択されるのが好ましく、核材料はCdSeであるのがさらに好ましい。別の実施形態では、コロイドナノサイズ結晶量子ドットの核は、三元半導体材料、例えばM1およびM2はカドミウム、亜鉛、インジウム、銅、スズおよびその混合物または合金であっても良く、Xは硫黄、セレニウム、テルリウム、窒素、リン、ヒ素、アンチモンまたはその混合物である、化学式M1M2Xの核を含む。その他の核材料の例には、硫化銅インジウム(CuInS2)、硫化セレン化銅インジウム(CuInSexS2−x)、硫化セレン化銅亜鉛スズ(CuZnySn1−zSexS2−x)およびそれらの組み合わせが含まれ、式中0<x<2、例えば1≦x<2または1≦x≦1.5であり、0<z<1、例えばz=0.5である。 The nanosize crystal quantum dots disclosed herein are generally referred to as colloidal nanosize crystal quantum dots. These colloidal nano-sized crystal quantum dots may be made of a single material or may include an inner core and an outer shell. The outer shell includes an inorganic material. In one embodiment, the outer shell may be basically made of an inorganic material. The shape of the colloidal nano-sized crystal quantum dots may be spherical, rod-shaped, disk-shaped, and combinations thereof, and may or may not have facets. In one embodiment, the colloidal nano-sized crystal quantum dot may be a binary semiconductor material nucleus, for example, M may be cadmium, zinc, indium, lead, or alloys thereof, and X is sulfur, selenium, tellurium, nitrogen, Contains a nucleus of formula MX, which is phosphorus, arsenic, antimony or mixtures thereof. In another embodiment, the colloidal nanosized crystal quantum dot may be a core of a ternary semiconductor material, e.g., M 1 and M 2 may be cadmium, zinc, indium, copper, tin and mixtures or alloys thereof, and X is Contains a nucleus of formula M 1 M 2 X, which is sulfur, selenium, tellurium, nitrogen, phosphorus, arsenic, antimony or mixtures thereof. In another embodiment, the nuclei of colloidal nanosized crystal quantum dots can be, for example, M 1 , M 2 and M 3 can be cadmium, zinc, indium and X is sulfur, selenium, tellurium, nitrogen, phosphorus, arsenic. , Quaternary semiconductor material of formula M 1 M 2 M 3 X, which is antimony or a mixture thereof. Non-limiting examples of suitable nuclear materials include cadmium sulfide (CdS), cadmium selenide (CdSe), cadmium telluride (CdTe), lead sulfide (PbS), lead selenide (PbSe), lead selenide sulfide (PbSe x S 1-x ), zinc sulfide (ZnS), zinc selenide (ZnSe), zinc telluride (ZnTe), indium arsenide (InAs), indium nitride (InN), indium phosphide (InP), antimony Included are mixtures of such materials, such as indium halide (InSb), zinc cadmium selenide (ZnCdSe 2 ), or any other semiconductor or similar material. The nuclear material is preferably selected from the group consisting of InP, InAs, InSb, CdS, CdSe, CdTe and combinations thereof, more preferably the nuclear material is CdSe. In another embodiment, the core of the colloidal nanosized crystal quantum dot may be a ternary semiconductor material, e.g. M 1 and M 2 may be cadmium, zinc, indium, copper, tin and mixtures or alloys thereof and X is Contains a nucleus of formula M 1 M 2 X, which is sulfur, selenium, tellurium, nitrogen, phosphorus, arsenic, antimony or mixtures thereof. Examples of other core materials include copper indium sulfide (CuInS 2 ), copper indium selenide sulfide (CuInSe x S 2-x ), copper zinc tin selenide sulfide (CuZn y Sn 1-z Se x S 2-x And combinations thereof, wherein 0 <x <2, such as 1 ≦ x <2, or 1 ≦ x ≦ 1.5, and 0 <z <1, such as z = 0.5.
一部の実施形態では、量子ドットは、カチオン交換した外殻または外側層をさらに含む。例えば、量子ドットは、Cd、Zn、Sn、Ag、Au、Hg、Cu、In、またはその組み合わせより選択される金属M4によりカチオンが部分的に、実質的に完全に、または完全に置き換えられた外側のカチオン交換層を含む。一部の実施形態では、外側のカチオン交換層は、外側単層であってもよい。本明細書において用いられるところの「外側単層」という用語は、量子ドットの核を取り囲む表面カチオンおよび陰イオンの単一原子厚の層を指す。ある実施形態では、M4はCdまたはZnであり、量子ドットのカチオン濃度は、約5〜40%のM4、例えば約5〜20%または5〜10%のM4を含む。 In some embodiments, the quantum dots further comprise a cation exchanged outer shell or outer layer. For example, quantum dots, Cd, Zn, Sn, Ag , Au, Hg, Cu, In or cations partially by the metal M 4 is selected from combinations thereof, substantially completely or completely replaced An outer cation exchange layer. In some embodiments, the outer cation exchange layer may be an outer monolayer. As used herein, the term “outer monolayer” refers to a single atomic thickness layer of surface cations and anions surrounding the nuclei of quantum dots. In some embodiments, M 4 is Cd or Zn, and the cation concentration of the quantum dot comprises about 5-40% M 4 , such as about 5-20% or 5-10% M 4 .
核材料および/または外側層は、一次アミンリガンドの結合に適した表面を有する性質により選択される。 The core material and / or outer layer is selected by its nature having a surface suitable for binding of primary amine ligands.
一部の実施形態は、量子ドット上に比較的短いリガンドを使用する。このようなリガンドの中には、アリルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキシルアミン、ヘプチルアミン、オクチルアミン、アニリン、およびベンジルアミンのうちの少なくとも一つが含まれうる。ブチルアミン(例えばn‐ブチルアミン、s‐ブチルアミン、t‐ブチルアミン)は、好適なアミンである。 Some embodiments use a relatively short ligand on the quantum dot. Such ligands can include at least one of allylamine, propylamine, butylamine, pentylamine, hexylamine, heptylamine, octylamine, aniline, and benzylamine. Butylamine (eg, n-butylamine, s-butylamine, t-butylamine) is a preferred amine.
金属酸化物は、遷移金属を含む。金属酸化物は、混合金属酸化物であってもよい。金属酸化物には、ドーパントを含みうる。適切な金属酸化物類の例には、酸化チタン(TiO2)、酸化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化タングステン(WO3)、酸化ニオブ(Nb2O5)、酸化タンタル(Ta2O5)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、チタン酸バリウム(BaTiO3)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、チタン酸亜鉛(ZnTiO3)、チタン酸銅(CuTiO3)、およびその組み合わせが含まれるが、これに限定されない。金属酸化物膜の構造は、薄膜、ナノチューブまたはナノロッドであればよいが、これに限定されない。金属酸化物は、ナノサイズ結晶であればよい。 The metal oxide includes a transition metal. The metal oxide may be a mixed metal oxide. The metal oxide can include a dopant. Examples of suitable metal oxides include titanium oxide (TiO 2 ), tin oxide (SnO 2 ), zinc oxide (ZnO), tungsten oxide (WO 3 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), tantalum oxide ( Ta 2 O 5 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), barium titanate (BaTiO 3 ), strontium titanate (SrTiO 3 ), zinc titanate (ZnTiO 3 ), copper titanate (CuTiO 3 ), and combinations thereof However, it is not limited to this. The structure of the metal oxide film may be a thin film, a nanotube, or a nanorod, but is not limited thereto. The metal oxide may be a nanosize crystal.
光電気化学電池(PEC)とは、公知技術の典型的なデバイスアーキテクチャを含むものである。PECデバイスの例は、例えば、オリーガン(O’Reagan)ら、ネイチャー(Nature)、353巻、pp.737−740、1991年10月24日に記載されており、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。 A photoelectrochemical cell (PEC) includes a typical device architecture of the known art. Examples of PEC devices are described, for example, in O'Reagan et al., Nature, 353, pp. 737-740, Oct. 24, 1991, the contents of which are incorporated herein by reference. Incorporated into.
本発明の太陽電池の電解質は、一般に硫化リチウム(Li2S)、硫化ナトリウム(Na2S)、硫化カリウム、硫化ルビジウム、硫化セシウム、およびその組み合わせ等の硫化物の水溶液である。一部の実施形態では、水性電解質は、硫化リチウム、硫化ナトリウム、または硫化ナトリウム/硫黄、例えば1MのNa2S、1MのSである。 The electrolyte of the solar cell of the present invention is generally an aqueous solution of sulfides such as lithium sulfide (Li 2 S), sodium sulfide (Na 2 S), potassium sulfide, rubidium sulfide, cesium sulfide, and combinations thereof. In some embodiments, the aqueous electrolyte is lithium sulfide, sodium sulfide, or sodium sulfide / sulfur, such as 1M Na 2 S, 1M S.
一部の実施形態では、本明細書において用いられるNQDは、マレー(Murray)ら、「ほぼ単分散のCdE(E=S、Se、Te)半導体ナノサイズ結晶子の合成および特性評価(Synthesis and Characterization of Nearly Monodisperse CdE(E=S,Se,Te)Semiconductor Nanocrystallites)」、米国化学会誌(Journal of American Chemical Society)1993年、115巻、p.8706−8715の標準文献手順にしたがって合成および精製され、このような参考文献は参照により本明細書に組み込まれる。ヘキサンまたはトルエン溶液から新たに調製したナノサイズ結晶TiO2膜(TiO2膜)上にNQDを直接堆積させることにより、CdSe NQD/TiO2複合フィルムを調製した。 In some embodiments, the NQDs used herein are described by Murray et al., “Synthesis and Characterization of Nearly Monodispersed CdE (E = S, Se, Te) Semiconductor Nanosize Crystallites. Characteristic of Nearly Monodisperse CdE (E = S, Se, Te) Semiconductor Nanocrystallines), Journal of American Chemical, Vol. 8706-8715 is synthesized and purified according to standard literature procedures, and such references are incorporated herein by reference. A CdSe NQD / TiO 2 composite film was prepared by directly depositing NQD on a nano-sized crystalline TiO 2 film (TiO 2 film) newly prepared from hexane or toluene solution.
NQD/TiO2膜の光学研究から、TiO2膜内に堆積されるNQDの量が、NQD表面不動態化のタイプにより有意に影響されることが分かった(図1a、1b参照)。図1aは、TOPOでキャップしたNQDを使用して調製したCdSe NQD/TiO2膜と、n‐ブチルアミン(nBA)でキャップしたNQDを使用して調製した膜の吸収スペクトルを比較する。nBAでキャップしたCdSe NQD(図1a、1bのNQD(BA))は、TOPOでキャップしたCdSe NQD(NQD(TOPO))の同じバッチから、高温でのMeOHでの連続沈殿およびNQDのn‐ブチルアミン中溶解により調製した(詳細は方法セクションを参照)。図1aには、ヘキサン溶液中の同じNQDの吸収スペクトル、およびTiO2膜の吸収スペクトルも含まれる。スペクトル特徴の比較から、表面不動態化の変更またはNQDのTiO2膜への吸着によってNQDの電子構造が有意に変化しないことが示される。しかし、NQD(BA)では、NQD/TiO2膜で有意により高い光学濃度が一貫して観察された。これは、NQD(BA)にLHEの明らかな向上が見られる図1bにまとめた光捕集効率(LHE)測定の結果と一致する。図1bには、N3色素として公知の有機金属発色団[シス‐ジ(チオシアネート)‐ビス(2,2’‐ビピリジル‐4,4’‐ジカルボキシレート)ルテニウム(II),Ru(dcbpy)2(NCS)2]で増感したTiO2膜のLHEも含まれる。N3/TiO2、NQD(TOPO)/TiO2、およびNQD(BA)/TiO2のLHE値の分析により、NQD/TiO2膜の光学的性質に対するNQD表面不動態化の影響についての重要な洞察が得られる。 Optical studies of NQD / TiO 2 films showed that the amount of NQD deposited in the TiO 2 film was significantly affected by the type of NQD surface passivation (see FIGS. 1a and 1b). FIG. 1a compares the absorption spectra of a CdSe NQD / TiO 2 film prepared using TOPO-capped NQD and a film prepared using n-butylamine (nBA) capped NQD. NBA-capped CdSe NQD (FIGS. 1a, 1b NQD (BA)) was obtained from the same batch of TOPO-capped CdSe NQD (NQD (TOPO)) from continuous precipitation with MeOH at high temperature and NQD n-butylamine. Prepared by medium dissolution (see Methods section for details). FIG. 1 a also includes the absorption spectrum of the same NQD in hexane solution and the absorption spectrum of the TiO 2 film. Comparison of spectral features indicates that the electronic structure of NQD does not change significantly due to changes in surface passivation or adsorption of NQD onto TiO 2 films. However, for NQD (BA), significantly higher optical densities were consistently observed with NQD / TiO 2 films. This is consistent with the results of light collection efficiency (LHE) measurements summarized in FIG. 1b, where NQD (BA) shows a clear improvement in LHE. FIG. 1b shows an organometallic chromophore known as N3 dye [cis-di (thiocyanate) -bis (2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylate) ruthenium (II), Ru (dcbpy) 2 Also included is the LHE of the TiO 2 film sensitized with (NCS) 2 ]. Analysis of LHE values of N3 / TiO 2 , NQD (TOPO) / TiO 2 , and NQD (BA) / TiO 2 provides important insights into the impact of NQD surface passivation on the optical properties of NQD / TiO 2 films Is obtained.
分析の第一段階として、実験で決定されたN3色素のモル吸光係数を、CdSe NQDの推定モル吸光係数と比較した。既知のように、400nmでのCdSe NQDのサイズに依存した吸収断面積は、経験的関係σ0(cm2)=(nCdSe/nsolvent)1.6×10−16[R(nm)]3を用いて推定でき、式中σ0は吸収断面積であり、nCdSeおよびnsolventはCdSe NQD(2.5とする)および溶媒(nhexane=1.354)の屈折率であり、RはNQDの半径である。NQDの半径は、NQDのサイズと、典型的には最低エネルギーの電子遷移(1s)のピークとされるNQDのバンドギャップとの間の経験的関係を用いてNQD溶液の吸収スペクトルから推定できる。NAをアボガドロ定数として、ε=σ0NA/(1000×2.303)=σ0×2.61×1020の関係を用いて、σ0(cm2)の計算値をモル吸光係数ε(M−1cm−1)に変換した。複数のサイズのCdSe NQDについてのεの計算値とN3色素のモル吸光係数との比較から、モル基準ではNQDが色素よりも有意に良好な吸収体であることが分かる(図1c)。この特色により、NQDはPECにおける増感剤として分子色素の非常に魅力的な代替物となる。しかし、NQDは典型的に分子色素よりはるかに大きいため、TiO2の表面積単位あたりに吸着されるNQDの量は、色素の量よりも有意に少なくなりうる。したがって、実際的観点からは、類似の発色団の表面被覆率を持つ複合材におけるLHEの比較がより有用である。
As a first step in the analysis, the experimentally determined molar extinction coefficient of N3 dye was compared with the estimated molar extinction coefficient of CdSe NQD. As is known, the absorption cross section depending on the size of CdSe NQD at 400 nm is empirical relationship σ 0 (cm 2 ) = (n CdSe / n solvent ) 1.6 × 10 −16 [R (nm)] 3 where σ 0 is the absorption cross section, n CdSe and n solvent are the refractive indices of CdSe NQD (assuming 2.5) and solvent (n hexane = 1.354), R Is the radius of the NQD. The radius of the NQD can be estimated from the absorption spectrum of the NQD solution using an empirical relationship between the size of the NQD and the NQD band gap, which is typically the peak of the lowest energy electronic transition (1 s). The N A as Avogadro's number, using the relationship ε = σ 0 N A /(1000×2.303)=σ 0 × 2.61 × 10 20,
過去にアルガッツィ(Argazzi)ら、「ルテニウム(II)ポリピリジルに基づく光起電力素子による分光感度の向上(Enhanced Spectral Sensitivity from Ruthenium(II)Polypyridyl Based Photovoltaic Devices)」、インオーガニックケミストリー(Inorganic Chemistry)1994年、33巻、p.5741‐5749により示されているように、散乱および反射率が吸収損失と比較して小さい場合には、式1に示すように、LHEは発色団のモル吸光係数と直接関係する。
In the past, Argazzi et al., “Enhanced Spectral Sensitivity from Ruthenium (II) Polyvalently Based Photovoltaic Intrinsic (inventive Spectral Sensitivity) 33, p. As shown by 5741-5749, when the scattering and reflectance is small compared to the absorption loss, LHE is directly related to the molar extinction coefficient of the chromophore, as shown in
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図1dのLHEの計算結果およびこの計算結果と図1bに示した実験によるLHEとの比較から、いくつかの観察が得られる。第一に、サイズ調整後には、NQDのモル吸光係数のほうがN3色素と比較して有意に高いものの、NQDは、少なくともバンド端付近のエネルギーで分子色素よりも有意に良好な吸収体とはいえない。第二に、理論的解析(図1d)および実験(図1b)の両方から、NQDキャップリガンドの長さの減少により、NQD/TiO2膜のLHEが有意に向上しうることが示される。最後に、実験で観察されたNQDの高いLHEは、NQDがTiO2表面を有効に被覆することを示唆する。 Several observations can be obtained from the calculation results of LHE in FIG. 1d and comparison of this calculation result with the experimental LHE shown in FIG. 1b. First, after size adjustment, NQD has a significantly higher molar extinction coefficient than N3 dye, but NQD is an absorber that is significantly better than molecular dye at least in the vicinity of the band edge. Absent. Second, both theoretical analysis (FIG. 1d) and experiment (FIG. 1b) show that decreasing the length of the NQD cap ligand can significantly improve the LHE of NQD / TiO 2 films. Finally, the high NQD LHE observed in the experiment suggests that NQD effectively coats the TiO 2 surface.
CdSe NQD/TiO2 PECにおける短絡電流および物質輸送に対する表面不動態化の影響。図2は、NQDキャップ層のタイプだけが異なる同一条件下で調製した二つのCdSe NQD/TiO2 PECについての、照射光強度に対する実験で観察された短絡電流(Isc)を示す。第一のデバイス群ではTOPOでキャップしたNQDを用い、第二のデバイス群ではデバイス製造の前にTOPOキャップ層をnBAに置き換えた(詳細は方法セクションを参照)。両デバイス群において、照射強度の増加に伴ってIscのほぼ線形の増加が観察されたが、これは式2で予想される。
Effect of surface passivation on short circuit current and mass transport in CdSe NQD / TiO 2 PEC. FIG. 2 shows the short circuit current (I sc ) observed in the experiment with respect to the irradiation light intensity for two CdSe NQD / TiO 2 PECs prepared under the same conditions that differ only in the type of NQD cap layer. The first device group used TOPO-capped NQD, and the second device group replaced the TOPO cap layer with nBA prior to device fabrication (see method section for details). In both device groups, a nearly linear increase in Isc was observed with increasing irradiation intensity, which is expected by
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式2において、I0は、波長λでの入射光強度であり、%T(λ)(substrate)は、入射波長での基板の透過率であり、φinjは電子注入率であり、φcollは、TiO2膜内の電子輸送および増感剤と対電極との間の酸化還元対により媒介された正孔輸送からの寄与を含む電荷収集効率である。
In
光強度に対するIscの依存性の全体的動向は二つのデバイスで類似するものの、注目すべき差異がいくつか存在する。最も明白な差異は、全ての照射強度でのIscの絶対値の相違であり、NQD(BA)で有意により高いIscが観察されている。式2および図1bに示した結果と一致して、Iscの向上の一部は、NQD(TOPO)/TiO2膜と比較したNQD(BA)/TiO2膜のLHEの増加が原因であると考えられる。より大きな細孔サイズのTiO2膜へのNQDのより良好な浸透によるIscの向上が、過去にヒメネス(Gimenez)ら、「コロイド量子ドット増感太陽電池の性能の改良(Improving the Performance of Colloidal Quantum‐Dot‐Sensitized Solar Cells)」、ナノテクノロジー(Nanotechnology)2009年、20巻、295204番により報告された。しかし、TOPOからnBAへの置き換えによって、1sピークでLHEの約40%の向上がもたらされる(図1b)が、Iscの向上はおよそ四倍である(図2)。このことは、LHE以外にもNQD(BA)ベースのデバイスにおけるIscの向上に寄与する要因があることを示す。本説明に拘束されるものではないが、NQD(BA)デバイスにおけるIscの向上は、電荷収集効率の向上に関連し、より短いBAリガンドの使用によって、NQD/TiO2膜の細孔を通じた電解質のより良好な拡散、ならびにNQD表面へのS2−のより良好なアクセスが可能になると考えられる。この考えは、NQD(BA)およびNQD(TOPO)につきそれぞれ白の四角および白の三角で示したIscの実験値に観察される、軸原点と最低照射強度で観察された最初の実験データポイントとの間に引いた線からの逸脱により裏付けられる。NQD(BA)の場合、実験ポイントと直線との間のずれは非常に小さく、高い光強度でも電荷収集効率に物質輸送の限界の影響がないことを示す。しかし、NQD(TOPO)ベースのデバイスでは、高い光強度で短絡電流の実験値が線形プロットから明らかに逸脱し、物質輸送の限界の増大を示唆しており、その限界は電解質の拡散およびNQD表面のアクセス可能性の制限に起因すると考えられた。
Although the overall trend of Isc dependence on light intensity is similar for the two devices, there are some notable differences. The most obvious difference is the difference in absolute value of I sc at all irradiation intensities, with significantly higher I sc being observed in NQD (BA). Consistent with the results shown in
電解質およびCdSe NQDの吸着程度のIPCEに対する影響。図2の短絡電流の測定結果と一致して、IPCEの測定値がNQD(BA)よりもNQD(TOPO)で有意に小さいことが分かった。NQD(BA)では、NQD溶液の濃度とともにIPCEが増加することが分かったが、これはLHEの向上に起因するものである。 Effect of the degree of adsorption of electrolyte and CdSe NQD on IPCE. In agreement with the measurement result of the short circuit current in FIG. 2, it was found that the measured value of IPCE was significantly smaller at NQD (TOPO) than at NQD (BA). In NQD (BA), it was found that the IPCE increases with the concentration of the NQD solution, which is due to the improvement of LHE.
CdSe NQD/TiO2 PECの内部量子効率(IQE)の決定。IQEはPECの重要な特徴であり、(入射ではなく)吸収された光子がどれくらい効率的に外部回路における電流に変換されるかを示す。PECのIQEは、式3により、実験で決定されたIPCEおよびLHEから、FTO基板による光吸収による損失を考慮した後に推定できる。
Determination of the internal quantum efficiency (IQE) of CdSe NQD / TiO 2 PEC. IQE is an important feature of PEC and indicates how efficiently absorbed photons (not incident) are converted to current in the external circuit. The IQ of the PEC can be estimated from the IPCE and LHE determined by the experiment according to
(3) (3)
TiO2膜構造のIPCEに対する影響。NQD PECのIPCEをさらに改善するために、(FTOと接触する)下部光吸収層(20nm粒子で約5マイクロメートル(10−6m))と、上部光散乱層(400nm粒子で約5×10−6m)とからなる二層TiO2膜構造を用いた一連のデバイスを製造した。このタイプの構造は、DSSCのLHEを向上させるために一般的に使用される。同じサイズのNQD(1sは590nm;rは約2.3nm)を用いた様々な構成の単層デバイスと比較した二層構造のIPCE研究の結果が、図3cに示される。結果は、450nmより上の全ての波長での二層デバイスのIPCEの向上を明らかに示し、これは散乱により生じる入射光の経路長の増加に起因する。 Effect of TiO 2 film structure on IPCE. To further improve the IPCE of NQD PEC, a lower light absorbing layer (in contact with FTO) (about 5 micrometers (10 −6 m) for 20 nm particles) and an upper light scattering layer (about 5 × 10 5 for 400 nm particles). A series of devices were manufactured using a two-layer TiO 2 film structure consisting of -6 m). This type of structure is commonly used to improve DSSC LHE. The results of a two-layer IPCE study compared to various configurations of single layer devices using the same size NQD (1s is 590 nm; r is about 2.3 nm) is shown in FIG. 3c. The results clearly show an improvement in the IPCE of the bilayer device at all wavelengths above 450 nm, which is due to the increased path length of incident light caused by scattering.
CdSe NQDの合成および精製。上述のMurrayの標準文献手順にしたがってTOPOでキャップしたNQDを合成および精製した。全ての合成および精製ステップをアルゴン雰囲気下で行い、生成物は使用までアルゴンを充填したグローブボックスに保管した。 Synthesis and purification of CdSe NQD. TOPO-capped NQDs were synthesized and purified according to the Murray standard literature procedure described above. All synthesis and purification steps were performed under an argon atmosphere and the product was stored in a glove box filled with argon until use.
CdSe NQDのリガンド交換。全ての操作を、アルゴン下のグローブボックス中で行った。CdSe NQD成長溶液(1g)を、35℃で1.5mLのヘキサンに溶解した。この溶液に、8〜10mLのMeOHを加えて、NQDを沈殿させた。溶液を遠心分離およびデカントし、デカントしたNQDを、0.5mLのn‐ブチルアミンに溶解した。この溶液を、55℃で40〜60分間加熱し、遠心管に注入し、5mLのMeOHで沈殿させた。溶液を遠心分離およびデカントし、沈殿物を1.2mLのn‐ブチルアミンに再溶解した。溶液を再び55℃で15〜30分間加熱した後、4mLのMeOHで沈殿させた。最後のステップをもう一度繰り返し、得られたNQDを0.2mLのn‐ブチルアミン+2mLのトルエンに溶解し、将来の使用のためこの混合物で保管した。
Ligand exchange of CdSe NQD. All manipulations were performed in a glove box under argon. CdSe NQD growth solution (1 g) was dissolved in 1.5 mL hexane at 35 ° C. To this solution, 8-10 mL of MeOH was added to precipitate NQD. The solution was centrifuged and decanted and the decanted NQD was dissolved in 0.5 mL n-butylamine. This solution was heated at 55 ° C. for 40-60 minutes, poured into a centrifuge tube and precipitated with 5 mL of MeOH. The solution was centrifuged and decanted, and the precipitate was redissolved in 1.2 mL n-butylamine. The solution was heated again at 55 ° C. for 15-30 minutes and then precipitated with 4 mL of MeOH. The last step was repeated once more and the resulting NQD was dissolved in 0.2 mL n-
CdSe NQD/TiO2膜の調製。参照により本明細書に組み込まれる、ワン(Wang)ら、「TiO2ナノ結晶上の両親媒性増感剤およびヘキサデシルマロン酸の共グラフトによる色素増感太陽電池性能の向上(Enhance the Performance of Dye‐Sensitized Solar Cells by Co‐Grafting Amphiphilic Sensitizer and Hexadecylmalonic Acid on TiO2 Nanocrystals)」、物理化学雑誌(Journal of Physical Chemistry B)2003年、107巻、p.14336‐14341の手順を用いて、ナノサイズ結晶TiO2膜を調製した。光計測では厚さ1mmのガラススライド(Marathon Glass)に膜を堆積し、デバイスでは1mmのフッ素ドープ酸化スズガラス(F‐SnO2ガラス)に膜を堆積した。堆積後、有機分を除去するために、膜を500℃で焼結した。Alpha Step500(TENCOR INSTRUMENTS)表面形状測定装置を用いてステップ形状測定により膜の厚みを決定した。アルゴン雰囲気下で、TOPOでキャップしたCdSe NQDのヘキサン中溶液またはn‐ブチルアミンでキャップしたCdSe NQDのトルエン中溶液に新たに焼結したTiO2を曝すことにより、NQD/TiO2膜を調製した。吸収およびLHE測定から明らかなように、トルエン溶液からのTOPOでキャップしたNQDのTiO2の上への堆積は、ヘキサンからのNQD(TOPO)の堆積またはトルエンからのNQD(BA)の堆積よりも効率が有意に低いことが分かった。文中に別段の記載がない限り、典型的な曝露時間は48時間であった。NQD/TiO2膜を適切な溶媒で二回洗浄し、アルゴン下で乾燥させた。乾燥した膜を、使用まで暗所でアルゴン雰囲気下のグローブボックスに保管した。
Preparation of CdSe NQD / TiO 2 film. Wang et al., “Enhance the performance of Dye by co-grafting amphiphilic sensitizers and hexadecylmalonic acid on
CdSe NQD PECの製造。標準のDSSCの配置と同様の二電極サンドイッチ電池構成を用いて、NQDベースの太陽電池を製造した。白金被覆F‐SnO2ガラスを対電極(CE;counter electrode)として用いた。二つの電極(F‐SnO2ガラス上のNQD/TiO2膜およびCE)を、Surlynスペーサ(厚さ40〜50×10−6m、Du Pont)で離し、ポリマフレームを加熱して密封した。毛細管現象を利用して電解質(水性1M Na2SまたはLi2S)で電池を満たした。 Manufacture of CdSe NQD PEC. NQD-based solar cells were fabricated using a two-electrode sandwich cell configuration similar to the standard DSSC arrangement. Platinum-coated F-SnO 2 glass was used as the counter electrode (CE). The two electrodes (NQD / TiO 2 film and CE on F-SnO 2 glass) were separated by Surlyn spacers (thickness 40-50 × 10 −6 m, Du Pont), and the polymer frame was heated and sealed. The battery was filled with electrolyte (aqueous 1M Na 2 S or Li 2 S) utilizing capillary action.
PECデバイスの特性評価。150WのXeランプ(#6253NEWPORT)の光源およびORIEL CORNERSTONE#260 1/4mモノクロメータを備えたQE/IPCE測定キットを使用してIPCE測定を行った。一連の減光フィルタで光強度を調節し、校正Siパワーメータ、NEWPORTモデル818UVを備えたNEWPORT光パワーメータ1830Cパワーメータでモニタした。デバイスにより生成される光電流は、KEITHLEY6517A電気計を使用して測定した。機器類とコンピュータとの間の通信は、GPIBインタフェースを介して促進し、LABVIEWでローカルに書かれたソフトウェアを使用して機器制御およびデータ処理を行った。PV MEASURMENTSにより構築されたモデルSC01太陽電池特性評価システム(ソフトウェアおよびハードウェア)の一部としてKEITHLY2400ソースメータを使用して電流電圧(I‐V)測定を行った。同様にPV MEASURMENTSにより構築されたクラスABAソーラシミュレータ(AM1.5)を、NEWPORT認証単結晶Si太陽電池を使用して校正した後、I‐V測定の間のPECの照射に用いた。測定前に電圧を−0.1V〜0.6Vまで、0.01V/ステップで各ポイントでの保持時間を1秒として掃引した。散乱光による照射を防ぐために、太陽電池に四角い黒色の遮蔽物(0.2209cm2)を取り付けた。 Characterization of PEC devices. IPCE measurements were performed using a QE / IPCE measurement kit equipped with a 150 W Xe lamp (# 6253 NEWPORT) light source and an ORIEL CORNERSTONE # 260 1/4 m monochromator. The light intensity was adjusted with a series of neutral density filters and monitored with a NEWPORT optical power meter 1830C power meter equipped with a calibrated Si power meter, NEWPORT model 818UV. The photocurrent generated by the device was measured using a KEITHLEY6517A electrometer. Communication between the devices and the computer was facilitated via the GPIB interface, and device control and data processing were performed using software written locally in LABVIEW. Current voltage (IV) measurements were made using a KEITHLLY 2400 source meter as part of a model SC01 solar cell characterization system (software and hardware) built by PV MEASURMENTS. A class ABA solar simulator (AM1.5), similarly constructed by PV MEASURMENTS, was calibrated using NEWPORT certified single crystal Si solar cells and then used to irradiate PEC during IV measurements. Before the measurement, the voltage was swept from -0.1 V to 0.6 V at 0.01 V / step with the holding time at each point being 1 second. In order to prevent irradiation with scattered light, a square black shield (0.2209 cm 2 ) was attached to the solar cell.
CdSe NQD/TiO2複合フィルムの光学特性およびPECにおける応用が調べられている。結果から、NQD表面キャップリガンドのサイズの減少が、TiO2表面のより効率的な被覆により、複合フィルムのLHEの有意な向上をもたらしうることが示された。同様に、より短いn‐ブチルアミンキャップリガンドの使用は、トリ‐n‐オクチルホスフィンオキシドでキャップしたNQDを使用したデバイスと比較して、PECの性能の有意な向上をもたらす。IPCEの向上は、n‐ブチルアミンでキャップしたNQDを使用したデバイスにおける電荷注入および電荷収集効率の両方の改善に起因すると考えられる。 The optical properties of CdSe NQD / TiO 2 composite films and their application in PEC are being investigated. The results indicated that a reduction in the size of the NQD surface cap ligand can result in a significant improvement in the LHE of the composite film by more efficient coating of the TiO 2 surface. Similarly, the use of shorter n-butylamine capped ligands results in a significant improvement in PEC performance compared to devices using NQD capped with tri-n-octylphosphine oxide. The improvement in IPCE is attributed to improvements in both charge injection and charge collection efficiency in devices using n-butylamine capped NQDs.
CuInSexS2−xNQDの合成。リ(Li)らの方法 (米国化学会誌(Journal of American Chemical Society)2011年、133(5)巻、p.1176‐1179)にしたがってCuInSexS2−xNQDを合成した。簡潔にいうと、1mmolのCuIおよび1mmolの酢酸インジウムを、5mlの1‐ドデカンチオール(DDT)および1mlのオレイルアミンに加え、50mlフラスコにおいて100℃で30分間脱ガスした。溶液を黄色で透明になるまで130℃に加熱した後、再び100℃で30分間脱ガスした。その後、温度を230℃にセットし、220℃に達したところで、シリンジポンプを用いて2MのTOP‐Seをフラスコにゆっくり注入し、NQD核形成および成長の間、加熱を継続した。しばらく経った後、典型的には10〜30分後に、反応物を冷まし、クロロホルムに溶解し、メタノールで沈殿することによりNQDを洗浄した。洗浄後、QDを5mlのオクタン中で保管した。合成の結果、典型的に、(銅およびインジウム前駆体に対して)90%以上のNQDの化学収率が得られる。 Synthesis of CuInSe x S 2-x NQD. CuInSe x S 2-x NQD was synthesized according to the method of Li et al. (Journal of American Chemical Society 2011, 133 (5), p. 1176-11179). Briefly, 1 mmol CuI and 1 mmol indium acetate were added to 5 ml 1-dodecanthiol (DDT) and 1 ml oleylamine and degassed at 100 ° C. for 30 minutes in a 50 ml flask. The solution was heated to 130 ° C. until it became yellow and transparent, and then degassed again at 100 ° C. for 30 minutes. The temperature was then set to 230 ° C., and when 220 ° C. was reached, 2M TOP-Se was slowly injected into the flask using a syringe pump and heating was continued during NQD nucleation and growth. After some time, typically 10-30 minutes later, the reaction was cooled, dissolved in chloroform, and washed with NQD by precipitation with methanol. After washing, the QD was stored in 5 ml octane. The result of the synthesis typically yields a chemical yield of NQD greater than 90% (relative to the copper and indium precursors).
カチオン交換したCuInSexS2−xNQDの調製。Cdによるカチオン交換のため、オクタデセン(ODE)に溶解した3:1のオレイン酸:Cdで、0.5Mのオレイン酸カドミウムの原液を調製した。所望のカチオン交換の程度に応じて、4mlのオクタン溶液中の洗浄したNQD(約50mg/ml)を、4mlの0.5Mのオレイン酸カドミウム溶液に加え、50℃にセットした。10分間カチオン交換を行った。 Preparation of cation exchanged CuInSe x S 2-x NQD. For cation exchange with Cd, a 0.5 M cadmium oleate stock solution was prepared with 3: 1 oleic acid: Cd dissolved in octadecene (ODE). Depending on the degree of cation exchange desired, washed NQD (about 50 mg / ml) in 4 ml octane solution was added to 4 ml 0.5 M cadmium oleate solution and set at 50 ° C. Cation exchange was performed for 10 minutes.
リガンド:t‐ブチルアミン(tBA)、n‐ブチルアミン(nBA)、s‐ブチルアミン(sBA)、メルカプトプロピオン酸(MPA)、またはピリジン(py)によるCuInSexS2−xNQDのリキャップ(図6〜10)。NQDを以下のように二回洗浄した。NQDをクロロホルムに溶解し、アセトンを加えてNQDを沈殿させた。NQDを遠心分離し、クロロホルムに再溶解した。メタノールを加えて、NQDを沈殿させた。沈殿したNQDを、遠心分離により収集した。沈殿したNQDをリガンドに溶解し(濃度約0.05g/ml)、その後、メタノールを加える(メタノール:リガンド約3:1)ことにより沈殿させて、NQDをリキャップし、遠心分離した。上清を廃棄し、NQDを再び同一量のリガンドに溶解した。溶液を数分間音波処理した。メタノールを加えてキャップされたNQDを沈殿させ、遠心分離によりNQDを収集した。キャップされたNQDをオクタンに溶解し(約0.05g/ml)、溶液を非常に高いrpmで(例えば20,000rpmで30分間)遠心分離して、リキャップの間に形成した凝集体を除去した。全ての沈殿物を廃棄した。NQD‐オクタン上清を、1S吸収ピーク(典型的に850nm)で約0.2の吸光度(約0.01g/ml)にオクタンで希釈し、NQD増感メソポーラス(mp;mesoporous)TiO2膜の調製に用いた。リガンドがMPAの場合には、沈殿したNQDを1:1のクロロホルムおよびMPAの混合物に約0.05g/mlで溶解し、メタノールを加えて(メタノール:(クロロホルム+MPA)は約3:1)沈殿させることにより、NQDをリキャップし、遠心分離した。上清を廃棄し、NQDを同じ総量のMPAおよびメタノール(1:1)に溶解した。溶液を数分間音波処理した。クロロホルムを加えてMPAでキャップしたNQDを沈殿させ、遠心分離によりNQDを収集した。MPAでキャップしたNQDをメタノールに溶解し(約0.05〜0.1g/ml)、溶液を遠心分離してリキャップ中に形成した凝集体を除去し、部分的にリキャップされたQDを除去した。 Licap of CuInSe x S 2-x NQD with ligand: t-butylamine (tBA), n-butylamine (nBA), s-butylamine (sBA), mercaptopropionic acid (MPA), or pyridine (py) (FIGS. 6-10) ). NQD was washed twice as follows. NQD was dissolved in chloroform, and acetone was added to precipitate NQD. NQD was centrifuged and redissolved in chloroform. Methanol was added to precipitate NQD. Precipitated NQD was collected by centrifugation. Precipitated NQD was dissolved in the ligand (concentration about 0.05 g / ml), and then precipitated by adding methanol (methanol: ligand about 3: 1), and the NQD was recapped and centrifuged. The supernatant was discarded and NQD was again dissolved in the same amount of ligand. The solution was sonicated for several minutes. Methanol was added to precipitate the capped NQD and the NQD was collected by centrifugation. The capped NQD was dissolved in octane (approximately 0.05 g / ml) and the solution was centrifuged at very high rpm (eg, 20,000 rpm for 30 minutes) to remove aggregates formed during recapping. . All the precipitate was discarded. The NQD-octane supernatant was diluted with octane to an absorbance of about 0.2 (about 0.01 g / ml) with a 1S absorption peak (typically 850 nm) to obtain an NQD-sensitized mesoporous mp 2 membrane. Used for preparation. When the ligand is MPA, the precipitated NQD is dissolved in a mixture of 1: 1 chloroform and MPA at about 0.05 g / ml, and methanol is added (methanol: (chloroform + MPA) is about 3: 1). The NQD was recapped and centrifuged. The supernatant was discarded and NQD was dissolved in the same total amount of MPA and methanol (1: 1). The solution was sonicated for several minutes. NQD capped with MPA was added by adding chloroform, and NQD was collected by centrifugation. MPA-capped NQD was dissolved in methanol (about 0.05-0.1 g / ml), and the solution was centrifuged to remove aggregates formed during recapping and partially recapped QD was removed. .
CuInSexS2−xNQD PECの調製:フッ化酸化スズ被覆ガラス上の厚さ10×10−6〜15×10−6mのメソポーラス(mp)TiO2膜を、希釈QDオクタン溶液(リガンドがMPAの場合にはQDメタノール溶液を用いた)に24時間浸漬することにより増感した。その後、膜をクロロホルムまたはオクタンですすいだ。フッ化酸化スズ(FTO)被覆ガラス基板上に100nmのCuを熱蒸着させて0.5<=y<=2.0であるCuyS/FTOを形成することにより、対電極を製造した。その後、電極をポリスルフィド電解質(水性1M Na2S、1M S)に浸漬した。40×10−6〜50×10−6mのSurlynスペーサ(DuPont)を用いてデバイスを完成し、ポリマフレームを加熱することにより密封した。電池をポリスルフィド電解質(水性1M Na2S、1M S)で満たした。 Preparation of CuInSe x S 2-x NQD PEC: 10 × 10 −6 to 15 × 10 −6 m thick mesoporous (mp) TiO 2 film on fluorinated tin oxide coated glass was diluted with diluted QD octane solution (ligand In the case of MPA, sensitization was performed by immersing in QD methanol solution for 24 hours. The membrane was then rinsed with chloroform or octane. A counter electrode was manufactured by thermally depositing 100 nm of Cu on a fluorinated tin oxide (FTO) coated glass substrate to form Cu y S / FTO where 0.5 <= y <= 2.0. Thereafter, the electrode was immersed in a polysulfide electrolyte (aqueous 1M Na 2 S, 1M S). Devices were completed using Surlyn spacers (DuPont) from 40 × 10 −6 to 50 × 10 −6 m and sealed by heating the polymer frame. The cell was filled with polysulfide electrolyte (aqueous 1M Na 2 S, 1M S).
図4に、PECの例が示されている。太陽電池10は、伝導性基板30(例えばフッ化酸化スズ被覆ガラス)上のポーラス金属酸化物膜20を含む。量子ドット40が、金属酸化物膜20の表面に付着している。太陽電池10は、電解質50および対電極60をさらに含む。一部の実施形態においては、金属酸化物膜20は、伝導性基板30と接触する光吸収層(20nm粒子で約5マイクロメートル(10−6m))と、電解質50と接触する光散乱層(400nm粒子で約5×10−6m)とを含む二層構造物であってもよい。このような構成では、光散乱層上に量子ドット40が配置される。ある実施形態では、光吸収層は10〜50nmの直径など、1〜50nmの直径を有する粒子を含み、光散乱層は300〜500nmの直径など、100〜500nmの直径を有する粒子を含む。光吸収層は、1〜30×10−6mの厚さを有し、光散乱層は、1〜10×10−6mの厚さを有していればよい。一例では、光吸収層は20nmの粒子を含み、10×10−6mの厚さを有し、光散乱層は400nmの粒子を含み、5×10−6mの厚さを有する。
FIG. 4 shows an example of PEC. The
吸収および光ルミネッセンス(PL;photoluminescence)分光法。Agilent8453フォトダイオードアレイ分光計により、可視紫外吸収スペクトルを得た。Horiba‐Yvon Fluoromax4を用い、500nmでの励起で静的可視PLを測定した。同じHoriba‐Yvon Fluoromax4を用い、455nmでのパルスLED励起で時間分解PLを測定した。808nmのダイオードレーザ励起下で、回折格子モノクロメータと液体N2冷却InSb検出器を用いて、近IR PL測定を行った。励起を機械的にチョップし、ロックインアンプで信号を増幅した。
Absorption and photoluminescence (PL) spectroscopy. A visible ultraviolet absorption spectrum was obtained with an Agilent 8453 photodiode array spectrometer. Static visible PL was measured using Horiba-
カチオン交換およびキャップの影響。図5は、50℃でのカドミウムカチオンによる部分的カチオン交換およびt‐ブチルアミンによるリキャップの前および後のCuInSe1.4S0.6NQDの規格化したPL強度を比較する。部分的カチオン交換により、典型的に、5〜10%のCdカチオンを含むカチオン組成を有するNQDが生じる。図5に示すように、カチオン交換およびその後のt‐ブチルアミンでのリキャップにより、PL強度の顕著な増加が生じた。 Effect of cation exchange and cap. FIG. 5 compares the normalized PL intensity of CuInSe 1.4 S 0.6 NQD before and after partial cation exchange with cadmium cation and recapping with t-butylamine at 50 ° C. Partial cation exchange typically results in NQDs having a cation composition containing 5-10% Cd cations. As shown in FIG. 5, cation exchange and subsequent recap with t-butylamine resulted in a significant increase in PL intensity.
図6は、カドミウムカチオン交換およびt‐ブチルアミン(tBA)、n‐ブチルアミン(nBA)、s‐ブチルアミン(sBA)、またはピリジン(py)リガンドによるリキャップ後、または、カドミウム交換およびメルカプトプロピオン酸(MPA)リンカーの付着後のPL強度の比較である。結果は、tBAがsBAおよびnBAと比較して優れた結果を生じることを実証する。 FIG. 6 shows cadmium cation exchange and after capping with t-butylamine (tBA), n-butylamine (nBA), s-butylamine (sBA), or pyridine (py) ligand, or cadmium exchange and mercaptopropionic acid (MPA). It is a comparison of PL intensity after attachment of a linker. The results demonstrate that tBA produces superior results compared to sBA and nBA.
図7は、tBA、nBA、sBA、MPAまたはピリジンでリキャップした、カドミウム交換したCuInSe1.4S0.6NQDを用いて構築した太陽電池の、電圧に対する電流密度のグラフである。図8は、図7の太陽電池の、入射光子エネルギーに対する増感膜の1−T(Tは透過率)のグラフである。1−Tは、増感mp‐TiO2膜におけるNQDの担持量の尺度である。電池の特徴付けを行い、結果を下表1に示す。
2Voc=開路電圧
3T=透過率
4効率=電力変換効果、すなわち太陽電池の電気出力対入射エネルギーの比
オレイン酸カドミウムで、50℃でカチオン交換した後、t‐ブチルアミンでリキャップしたCuInSe1.4S0.6NQDによりPECを構築した。電池は、接触ポイントが銀塗料で被覆されたFTO‐ガラス基板を含む光陽極と、30nm細孔を有する20nmのTiO2粒子の10×10−6mの層と、400nmのTiO2粒子の5×10−6mの層とを有した。光陽極を、(オクタン中)量子ドット溶液に36時間浸漬した。対電極は、接触ポイントが銀ペーストで被覆されたFTO‐ガラス上のCuySとし、熱蒸着機により厚さ100nmの銅膜を堆積し、電極を電解質に浸漬した。電解質は、25%H2O、75%メタノール中のNa2S:S(1:1)飽和液とした。
FIG. 7 is a graph of current density versus voltage for a solar cell constructed using cadmium exchanged CuInSe 1.4 S 0.6 NQD capped with tBA, nBA, sBA, MPA or pyridine. FIG. 8 is a graph of 1-T (T is transmittance) of the sensitizing film with respect to incident photon energy of the solar cell of FIG. 1-T is a measure of the amount of NQD supported in the sensitized mp-TiO 2 film. The battery was characterized and the results are shown in Table 1 below.
2 V oc = open circuit voltage
3 T = Transmissivity
4 Efficiency = Power conversion effect, that is, the ratio of solar cell electrical output to incident energy. PEC was constructed with CuInSe 1.4 S 0.6 NQD capped with cadmium oleate at 50 ° C and capped with t-butylamine. did. The battery consists of a photoanode comprising an FTO-glass substrate coated with silver paint at the contact point, a 10 × 10 −6 m layer of 20 nm TiO 2 particles with 30 nm pores, and 5 of 400 nm TiO 2 particles. And a layer of × 10 −6 m. The photoanode was immersed in a quantum dot solution (in octane) for 36 hours. The counter electrode was Cu y S on FTO-glass coated with silver paste at the contact point, a copper film having a thickness of 100 nm was deposited by a thermal evaporation machine, and the electrode was immersed in an electrolyte. The electrolyte was a Na 2 S: S (1: 1) saturated solution in 25% H 2 O, 75% methanol.
国立再生可能エネルギー研究所(NREL)から認証データを得た。図9は、PECの電圧に対する電流のグラフである。図10は、波長に対する外部量子効率(光バイアス=0.22cm2に1.00mA)のグラフである。PECの短絡電流(Isc)は3.9047mA、短絡電流密度(Jsc)は17.565mA/cm2、開路電圧(Voc)は0.5402V、曲線因子は0.5410、効率は5.13%、Imaxは3.2325mA、Vmaxは0.3530V、Pmaxは1.1410mWであった。 Certification data was obtained from the National Renewable Energy Laboratory (NREL). FIG. 9 is a graph of current against voltage of PEC. FIG. 10 is a graph of external quantum efficiency (optical bias = 0.02 cm 2 to 1.00 mA) versus wavelength. The short circuit current (I sc ) of the PEC is 3.9047 mA, the short circuit current density (J sc ) is 17.565 mA / cm 2 , the open circuit voltage (V oc ) is 0.5402 V, the fill factor is 0.5410, and the efficiency is 5. 13%, Imax is 3.2325mA, V max is 0.3530V, P max was 1.1410MW.
発明の詳細な説明に引用した全ての文書は、関連部分が参照により本明細書組み込まれ、いかなる文書の引用も、本発明に対する先行技術であることの承認として解釈されてはならない。本明細書における用語の任意の意味または定義が参照により組み込まれる文書における同一の用語の任意の意味または定義と矛盾する場合には、本明細書において当該用語に与えられた意味または定義が優先する。 All documents cited in the detailed description of the invention are incorporated herein by reference in their entirety, and the citation of any document should not be construed as an admission that it is prior art to the present invention. In the event that any meaning or definition of a term herein contradicts any meaning or definition of the same term in a document incorporated by reference, the meaning or definition given to that term herein shall prevail .
本発明の具体的実施形態を示し、説明しているが、当業者には当然のことながら、本発明の精神と範囲から逸脱することなく他の様々な変更および修正が行われうる。したがって、本発明の範囲内でのそのような変更および修正は全て、添付の請求項に包含されることが意図される。 While specific embodiments of the present invention have been shown and described, it will be appreciated by those skilled in the art that various other changes and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, all such changes and modifications within the scope of this invention are intended to be covered by the appended claims.
Claims (9)
前記導電性基板上のナノサイズ結晶TiO 2 膜であって、内部に画成された細孔構造を有し、光吸収層と光散乱層とを含む、TiO 2 膜と、
前記TiO 2 膜上の複数の予め形成されたナノサイズ結晶のカチオン交換したCuInSe x S 2−x 量子ドット(NQD)であって、前記カチオンはカドミウムであり、0<x<2であり、前記NQDは、前記NQDに付着したt‐ブチルアミンリガンドをさらに含む、NQDと
を含む光陽極と;
対電極と;
前記光陽極および前記対電極の両方と接触する電解質と
を含む、光電気化学電池(PEC)。 A conductive substrate;
A nano-sized crystalline TiO 2 film of the conductive substrate has a picture made pore structure therein, and a light absorbing layer and the light scattering layer, and the TiO 2 film,
A plurality of preformed nano-sized crystal cation-exchanged CuInSe x S 2-x quantum dots (NQDs) on the TiO 2 film, wherein the cation is cadmium, 0 <x <2, The NQD further comprises a t-butylamine ligand attached to the NQD, and a photoanode comprising NQD ;
With a counter electrode;
An electrolyte in contact with both the photoanode and the counter electrode;
A photoelectrochemical cell (PEC) .
前記対電極は、フッ化酸化スズ被覆ガラス上のCuySであり、0.5≦y≦2.0である、
請求項1に記載の光電気化学電池。 The conductive substrate is fluorinated tin oxide coated glass;
The counter electrode is Cu y S on fluorinated tin oxide-coated glass, and 0.5 ≦ y ≦ 2.0.
The photoelectrochemical cell according to claim 1 .
前記光散乱層は、300〜500nmの平均直径を有するTiO2粒子を含む、
請求項1から8のいずれか1項に記載の光電気化学電池。 The light absorbing layer comprises TiO 2 particles having an average diameter of 10 to 50 nm, and is in contact with the conductive substrate;
The light scattering layer includes TiO 2 particles having an average diameter of 300 to 500 nm,
The photoelectrochemical cell according to any one of claims 1 to 8 .
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