PbTe Kuantum Noktacıklarının Yüzey Modifikasyon Tekniklerinin Tasarımı ve Singlet Fisyona Duyarlı Fotovoltaik Hücrelere Uygulanması

Proje Grubu: TÜBİTAK MFAG Proje Sayfa Sayısı: 0 Proje No: 115F187 Proje Bitiş Tarihi: 01.10.2018 Metin Dili: Türkçe

PbTe Kuantum Noktacıklarının Yüzey Modifikasyon Tekniklerinin Tasarımı ve Singlet Fisyona Duyarlı Fotovoltaik Hücrelere Uygulanması

Öz:
Kurşun bazlı kuantum noktacıkları küçük bant aralığı ve büyük Bohr yarıçapı gibi karakteristik özelliklere sahip olmaları nedeniyle güneş hücresi uygulamaları için seçkin adaylar olarak değerlendirilmektedir. Bu uygulama alanlarında etkin bir biçimde kullanılamamalarının altında yatan en temel neden ise atmosferik koşullara karşı oldukça hassas olmaları ve buna karşılık yüzey kimyaları hakkında yeterli bilgiye sahip olmamamızdır. Oksitleyici reaktifler ile karşılaşmaları durumunda kuantum noktacık yüzeyinde istenmeyen reaksiyonlar gerçekleşmekte ve bu durum elektronları tuzaklayabilen yeni enerji seviyelerinin oluşumuna yol açmaktadır. Buna ek olarak yüzeyde bulunan kusurlar sentez sırasında da oluşabilmektedir. Bu sebeple kuantum noktacık kalitesini artırmak ve yüzey özelliklerini kontrol altında tutacak yeni stratejiler belirlemek, sistematik bir çalışmayı gerektiren zorlu bir konudur. Projemizde PbTe kuantum noktacıklarının atmosferik koşullar altında göstermiş olduğu yüksek hassasiyeti anlamaya yönelik sistematik çalışmalar yapılmış ve birçok yüzey modifikasyon metodu geliştirilmiştir. Çalışmalarımız boyut, ligand konsantrasyonu, katalizör varlığı ve saflaştırma metodu gibi deney koşullarının noktacık kararlılığını belirlemede büyük rol aldığını göstermiştir. Yüksek oleik asit konsantrasyonunda sentezlenen noktacıkların atmosferik koşullarda daha kararlı oldukları görülürken sentez veriminin %50 oranında düştüğü görülmüştür. Noktacık verimini artırmak amacıyla ortamına eklenen katalizör, sentez verimini radikal bir biçimde artırırken, noktacık kararlılığının azalmasına neden olmuştur. Noktacık kararlılığını sentez parametreleri ile bir dereceye kadar kontrol edebildiğimizi göstermemizin akabinde, PbTe kuantum noktacıkları için yüzey modifikasyon teknikleri geliştirilmiştir. Birden fazla tekniğin bir arada kullanıldığı yüzey modifikasyon protokollerinin, uygulanan diğer yüzey geliştirme metotları arasından en etkin ve stratejik bir metot olduğu sonucuna varılmıştır. Bu yolla üretilen ince filmlerin atmosferik koşullarda üstün kararlılık özelliklerine sahip olduğu görülmüştür. Bu sayede PbTe kuantum noktacık tabanlı ve tekli fisyon prensibi ile çalışan ilk güneş hücreleri üretilmiştir.
Anahtar Kelime: güneş hücreleri tekli fisyon yüzey modifikasyonu PbTe kuantum noktacıkları

Konular: Kimya, Uygulamalı Fizikokimya
Erişim Türü: Erişime Açık
  • 1. Woo, J. Y. et al. Highly Stable Cesium Lead Halide Perovskite Nanocrystals through in Situ Lead Halide Inorganic Passivation. Chem. Mater. 29, 7088–7092 (2017).
  • 1- DESIGN OF PBTE QUANTUM DOTS SURFACE PASSIVATION PROTOCOLS: AIMING TO INCREASE STABILITY AND EFFICIENCY OF SINGLET FISSION SENSITIZED SOLAR CELLS (Bildiri - Uluslararası Bildiri - Poster Sunum),
  • 2. Sukhovatkin, V., Hinds, S., Brzozowski, L. & Sargent, E. H. Colloidal quantum-dot photodetectors exploiting multiexciton generation. Science 324, 1542–4 (2009).
  • 2- PbTe Kuantum Noktacıklarının Yüzey Pasivasyon Protokollerinin Tasarımı (Bildiri - Ulusal Bildiri - Poster Sunum),
  • 3. Saran, R. & Curry, R. J. Lead sulphide nanocrystal photodetector technologies. Nat. Photonics 10, 81–92 (2016).
  • 4. Konstantatos, G. et al. Ultrasensitive solution-cast quantum dot photodetectors. Nature 442, 180–183 (2006).
  • 5. Chuang, C.-H. M., Brown, P. R., Bulović, V. & Bawendi, M. G. Improved performance and stability in quantum dot solar cells through band alignment engineering. Nat. Mater. 13, 1–6 (2014).
  • 6. Zhang, J. et al. PbSe Quantum Dot Solar Cells with More than 6% Efficiency Fabricated in Ambient Atmosphere. Nano Lett. 14, 6010–5 (2014).
  • 7. Shirasaki, Y., Supran, G. J., Bawendi, M. G. & Bulović, V. Emergence of colloidal quantum-dot light-emitting technologies. Nat. Photonics 7, 933–933 (2013).
  • 8. Medintz, I. L., Uyeda, H. T., Goldman, E. R. & Mattoussi, H. Quantum dot bioconjugates for imaging, labelling and sensing. Nat. Mater. 4, 435–446 (2005).
  • 9. Murphy, J. E. et al. PbTe Colloidal Nanocrystals: Synthesis, Characterization, and Multiple Exciton Generation. J. Am. Chem. Soc. 128, 3241–3247 (2006).
  • 10. Brus, L. E. Electron–electron and electron-hole interactions in small semiconductor crystallites: The size dependence of the lowest excited electronic state. J. Chem. Phys. 80, 4403 (1984).
  • 11. Wise, F. W. Lead Salt Quantum Dots: the Limit of Strong Quantum Confinement. Acc. Chem. Res. 33, 773–780 (2000).
  • 12. Erslev, P. T. et al. Sharp exponential band tails in highly disordered lead sulfide quantum dot arrays. Phys. Rev. B 86, 155313 (2012).
  • 13. Frederick, M. T., Achtyl, J. L., Knowles, K. E., Weiss, E. A. & Geiger, F. M. Surfaceamplified ligand disorder in CdSe quantum dots determined by electron and coherent vibrational spectroscopies. J. Am. Chem. Soc. 133, 7476–81 (2011).
  • 14. Petkov, V., Moreels, I., Hens, Z. & Ren, Y. PbSe quantum dots: Finite, offstoichiometric, and structurally distorted. Phys. Rev. B 81, 241304 (2010).
  • 15. Ip, A. H. et al. Hybrid passivated colloidal quantum dot solids. Nat. Nanotechnol. 7, 577–82 (2012).
  • 16. Tauc, J. Amorphous semiconductors. Phys. Today 29, 23 (1976).
  • 17. Hanrath, T., Choi, J. J. & Smilgies, D.-M. Structure/processing relationships of highly ordered lead salt nanocrystal superlattices. ACS Nano 3, 2975–88 (2009).
  • 18. Moreels, I., Fritzinger, B., Martins, J. C. & Hens, Z. Surface Chemistry of Colloidal PbSe Nanocrystals. J. Am. Chem. Soc. 130, 15081–15086 (2008).
  • 19. Zhitomirsky, D. et al. Colloidal Quantum Dot Photovoltaics: The Effect of Polydispersity. Nano Lett. 12, 1007–1012 (2012).
  • 20. Asil, D. et al. Role of PbSe Structural Stabilization in Photovoltaic Cells. Adv. Funct. Mater. 25, 928–935 (2015).
  • 21. Tang, J. et al. Colloidal-quantum-dot photovoltaics using atomic-ligand passivation. Nat. Mater. 10, 765–771 (2011).
  • 22. Lin, Q. et al. Phase-Transfer Ligand Exchange of Lead Chalcogenide Quantum Dots for Direct Deposition of Thick, Highly Conductive Films. J. Am. Chem. Soc. 139, 6644–6653 (2017).
  • 23. Böhm, M. L. et al. Lead Telluride Quantum Dot Solar Cells Displaying External Quantum Efficiencies Exceeding 120%. Nano Lett. 15, 7987–7993 (2015).
  • 24. Urban, J. J., Talapin, D. V., Shevchenko, E. V. & Murray, C. B. Self-Assembly of PbTe Quantum Dots into Nanocrystal Superlattices and Glassy Films. J. Am. Chem. Soc. 128, 3248–3255 (2006).
  • 25. Beek, W. J. E., Wienk, M. M., Kemerink, M., Yang, X. & Janssen, R. A. J. Hybrid Zinc Oxide Conjugated Polymer Bulk Heterojunction Solar Cells. J. Phys. Chem. B 109, 9505–9516 (2005).
  • 26. Chuang, C.-H. M., Brown, P. R., Bulović, V. & Bawendi, M. G. Improved performance and stability in quantum dot solar cells through band alignment engineering. Nat. Mater. 13, 796–801 (2014).
  • 27. Meulenkamp, E. A. Synthesis and Growth of ZnO Nanoparticles. J. Phys. Chem. B 102, 5566–5572 (1998).
  • 28. Carnie, M. J. et al. A one-step low temperature processing route for organolead halide perovskite solar cells. Chem. Commun. (Camb). 49, 7893–5 (2013).
  • 29. Urban, J. J., Talapin, D. V., Shevchenko, E. V. & Murray, C. B. Self-assembly of PbTe quantum dots into nanocrystal superlattices and glassy films. J. Am. Chem. Soc. 128, 3248–3255 (2006).
  • 30. Zhang, J., Gao, J., Miller, E. M., Luther, J. M. & Beard, M. C. Diffusion-Controlled Synthesis of PbS and PbSe Quantum Dots with in Situ Halide Passivation for Quantum Dot Solar Cells. ACS Nano 8, 614–622 (2013).
  • 31. LaMer, V. K. & Dinegar, R. H. Theory, Production and Mechanism of Formation of Monodispersed Hydrosols. J. Am. Chem. Soc. 72, 4847–4854 (1950).
  • 32. Asil, D. et al. Role of PbSe Structural Stabilization in Photovoltaic Cells. Adv. Funct. Mater. 25, 928–935 (2015).
  • 33. Oh, S. J. et al. Stoichiometric control of lead chalcogenide nanocrystal solids to enhance their electronic and optoelectronic device performance. ACS Nano 7, 2413– 21 (2013).
  • 34. Bae, W. K. et al. Highly Effective Surface Passivation of PbSe Quantum Dots through Reaction with Molecular Chlorine. J. Am. Chem. Soc. 134, 20160–20168 (2012).
  • 35. Tan, L., Li, P., Sun, B., Chaker, M. & Ma, D. Stabilities Related to Near-Infrared Quantum Dot-Based Solar Cells: The Role of Surface Engineering. ACS Energy Lett. 2, 1573–1585 (2017).
  • 36. Woo, J. Y. et al. Ultrastable PbSe Nanocrystal Quantum Dots via in Situ Formation of Atomically Thin Halide Adlayers on PbSe(100). J. Am. Chem. Soc. 136, 8883–8886 (2014).
  • 37. Liu, M. et al. Hybrid organic–inorganic inks flatten the energy landscape in colloidal quantum dot solids. Nat. Mater. 16, 258–263 (2017).
  • 38. Lan, X. et al. Passivation Using Molecular Halides Increases Quantum Dot Solar Cell Performance. Adv. Mater. 28, 299–304 (2016).
  • 39. Brown, P. R. et al. Energy level modification in lead sulfide quantum dot thin films through ligand exchange. ACS Nano 8, 5863–72 (2014).
  • 40. Thon, S. M. et al. Role of Bond Adaptability in the Passivation of Colloidal Quantum Dot Solids. ACS Nano 7, 7680–7688 (2013).
  • 41. Jadhav, P. J. et al. Triplet Exciton Dissociation in Singlet Exciton Fission Photovoltaics. Adv. Mater. 24, 6169–6174 (2012).
  • 42. Ehrler, B. et al. In situ measurement of exciton energy in hybrid singlet-fission solar cells. Nat. Commun. 3, 1019 (2012).
  • 43. Yang, L. et al. Solution-Processable Singlet Fission Photovoltaic Devices. Nano Lett. 15, 354–358 (2015).
APA ASİL ALPTEKİN D, ESENTÜRK O (2018). PbTe Kuantum Noktacıklarının Yüzey Modifikasyon Tekniklerinin Tasarımı ve Singlet Fisyona Duyarlı Fotovoltaik Hücrelere Uygulanması. , 1 - 0. 115F187
Chicago ASİL ALPTEKİN Demet,ESENTÜRK Okan PbTe Kuantum Noktacıklarının Yüzey Modifikasyon Tekniklerinin Tasarımı ve Singlet Fisyona Duyarlı Fotovoltaik Hücrelere Uygulanması. (2018): 1 - 0. 115F187
MLA ASİL ALPTEKİN Demet,ESENTÜRK Okan PbTe Kuantum Noktacıklarının Yüzey Modifikasyon Tekniklerinin Tasarımı ve Singlet Fisyona Duyarlı Fotovoltaik Hücrelere Uygulanması. , 2018, ss.1 - 0. 115F187
AMA ASİL ALPTEKİN D,ESENTÜRK O PbTe Kuantum Noktacıklarının Yüzey Modifikasyon Tekniklerinin Tasarımı ve Singlet Fisyona Duyarlı Fotovoltaik Hücrelere Uygulanması. . 2018; 1 - 0. 115F187
Vancouver ASİL ALPTEKİN D,ESENTÜRK O PbTe Kuantum Noktacıklarının Yüzey Modifikasyon Tekniklerinin Tasarımı ve Singlet Fisyona Duyarlı Fotovoltaik Hücrelere Uygulanması. . 2018; 1 - 0. 115F187
IEEE ASİL ALPTEKİN D,ESENTÜRK O "PbTe Kuantum Noktacıklarının Yüzey Modifikasyon Tekniklerinin Tasarımı ve Singlet Fisyona Duyarlı Fotovoltaik Hücrelere Uygulanması." , ss.1 - 0, 2018. 115F187
ISNAD ASİL ALPTEKİN, Demet - ESENTÜRK, Okan. "PbTe Kuantum Noktacıklarının Yüzey Modifikasyon Tekniklerinin Tasarımı ve Singlet Fisyona Duyarlı Fotovoltaik Hücrelere Uygulanması". (2018), 1-0. https://doi.org/115F187
  • 1- DESIGN OF PBTE QUANTUM DOTS SURFACE PASSIVATION PROTOCOLS: AIMING TO INCREASE STABILITY AND EFFICIENCY OF SINGLET FISSION SENSITIZED SOLAR CELLS (Bildiri - Uluslararası Bildiri - Poster Sunum),
  • 2- PbTe Kuantum Noktacıklarının Yüzey Pasivasyon Protokollerinin Tasarımı (Bildiri - Ulusal Bildiri - Poster Sunum),