Un roman de WS2

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7762 (2023) Citer cet article

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Un nouveau composite d'oxyde de cuivre-molybdène disulfure de tungstène soutenu par des points quantiques de graphène (WM @ GQD) a été synthétisé comme contre-électrode (CE) pour les cellules solaires à colorant (DSSC) en utilisant une méthode d'ultrasonication simple et peu coûteuse. La structure unique de WM@GQD présente une excellente efficacité de conversion de puissance en raison de son activité catalytique élevée et de ses propriétés de transport de charge. De plus, les points quantiques de graphène (GQD) fournissent des sites plus actifs dans les matériaux de dimension zéro pour une réaction redox I/I3− qui peut améliorer les propriétés électriques et optiques du composite. Les résultats indiquent que la quantité de GQD dans le composite affecte l'efficacité des dispositifs solaires. Lorsque 0,9 % en poids de GQD ont été utilisés, le composite WM@GQDs a atteint une efficacité de 10,38 %, ce qui est supérieur à celui du coûteux platine CE dans les mêmes conditions. Le mécanisme derrière l'amélioration de l'efficacité de conversion de puissance (PCE) de l'échantillon composite est également discuté en détail. Par conséquent, les WM@GQD peuvent être un matériau efficace pour remplacer le platine dans les DSSC en tant que CE.

La pénurie imminente de combustibles fossiles due à la croissance démographique annuelle et à l'impact d'une croissance économique soutenue a fait prendre conscience à la population mondiale de l'importance des énergies renouvelables. Parmi les différentes sources d'énergie renouvelables, l'énergie solaire est une source d'énergie naturelle et durable qui peut être utilisée indéfiniment. De manière générale, la technologie des cellules solaires à base de silicium continuera de dominer le marché mondial, mais les chercheurs cherchent des solutions alternatives pour répondre aux besoins énergétiques du secteur industriel et réduire les coûts de production afin que la population mondiale puisse accéder à l'énergie solaire1. L'une de ces solutions est les cellules solaires à colorant (DSSC), qui sont des cellules de troisième génération en raison de leurs méthodes de fabrication peu coûteuses, simples et respectueuses de l'environnement2,3. Les DSSC consistent en une photoanode (un semi-conducteur avec une surface spécifique élevée pour le colorant adsorbé), une contre-électrode (généralement sous la forme de FTO avec du platine) et un électrolyte dans l'espace interélectrode (constitué d'un solvant organique avec un médiateur redox)4. En général, le principe de fonctionnement des DSSC est que les molécules de colorant, après avoir absorbé un photon, sont excitées de l'état fondamental à l'état excité. Ensuite, un électron est injecté dans la bande de conduction (CB) du semi-conducteur et transporté à travers un circuit externe jusqu'à la contre-électrode. Le colorant oxydé est régénéré par un médiateur redox, et l'électron donné de l'électrode de travail réduit l'espèce redox. Le cycle est ensuite fermé et répété jusqu'à ce que l'illumination se produise5.

Comme mentionné ci-dessus, la contre-électrode (CE) est essentielle au bon fonctionnement des DSSC. Le platine (Pt) est le CE le plus largement utilisé dans les DSSC en raison de ses excellentes performances électrocatalytiques et de sa conductivité élevée, ce qui conduit à une efficacité élevée dans la transformation photoélectrique6. Cependant, le Pt est un métal précieux, et sa stabilité est insuffisante, ce qui peut le faire réagir avec l'électrolyte au fil du temps7. De plus, son coût élevé limite la production à grande échelle de DSSC à utiliser dans les secteurs domestique et industriel. Par conséquent, les chercheurs recherchent de toute urgence des matériaux alternatifs pour remplacer le Pt. Différents types de matériaux, tels que les matériaux à base de carbone8, les polymères organiques9, les dichalcogénures de métaux de transition10, les matériaux à base d'oxyde11 et les matériaux à base de sulfure12, ont été étudiés et ont montré une excellente conversion de puissance en raison de leurs propriétés électrochimiques supérieures.

Les points quantiques de graphène (GQD) sont des matériaux de points quantiques à base de carbone prometteurs qui sont principalement composés d'atomes hybrides sp2 de feuilles de graphène de taille nanométrique, ce qui leur confère des propriétés zéro dimension13. Les GQD ont plusieurs propriétés souhaitables, notamment l'inertie chimique, la biocompatibilité, des propriétés de photoluminescence stables, une faible résistance et une bonne réversibilité redox. En 2013, Chen et al.14 ont synthétisé du polypyrrole (PPy) dopé aux GQD comme contre-électrode. Le film de PPy dopé au GQD a une structure hautement poreuse et affiche une densité de courant catalytique plus élevée et une résistance au transfert de charge plus faible que le PPy seul vers la réaction redox I3−/I−. Le DSSC avec PPy dopé avec 10% de GQD a montré le rendement de conversion de puissance le plus élevé (5,27%), supérieur à celui d'un DSSC à base de contre-électrode Pt.

Récemment, les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) en couches 2D tels que MoS2, TiS2, WS2 et MoSe2 ont été considérés comme des contre-électrodes potentielles (CE) dans les DSSC en raison de leur faible coût, de leur production respectueuse de l'environnement, de leur processus simple, de leur activité électrocatalytique élevée et de leur stabilité chimique15,16. Parmi ceux-ci, WS2 a fait l'objet d'une attention particulière en raison de ses nanofeuillets minces à grande surface, qui peuvent augmenter le nombre de sites actifs à la surface et améliorer son activité dans les applications de cellules solaires. En 2018, Yuan et al.17 ont préparé des nanofleurs de MoSe2 via une méthode hydrothermique simple et économique en tant que CE dans les DSSC. Ils ont rapporté que les DSSC assemblés avec des CE MoSe2 atteignaient une efficacité de conversion de puissance élevée (PCE = 7, 01%) pour la réduction de I3− par rapport au Pt standard en raison de leurs sites actifs abondants et de leurs propriétés chimiques stables. Cependant, diverses méthodes ont été utilisées pour augmenter la conductivité électrique des TMD, telles que le dopage avec des polymères et la création de composites avec des composés à base de carbone et autres. En 2021, Silambarasan et al.18 ont fabriqué des points quantiques de graphène dopés au MoS2 et au N ancrés sur de l'oxyde de graphène réduit (rGO) par une méthode hydrothermique en deux étapes à utiliser comme contre-électrodes dans les DSSC. Le N-GQD@MoS2@rGO a montré une efficacité de conversion de puissance photovoltaïque (η) de 4,65 %. Cela était dû à la propriété catalytique supérieure du matériau, qui a été attribuée à l'augmentation des sites actifs électrochimiques et de la conductivité électrique du rGO et du MoS2. De plus, les matériaux en carbone 2D agissent comme une plate-forme pour réduire l'agglomération de MoS2 et améliorer les sites électrochimiquement actifs.

Dans ce travail, nous avons synthétisé un nouveau composite WS2-MoCuO3 supporté par des points quantiques de graphène (WM @ GQD) par une méthode hydrothermale à utiliser comme contre-électrode (CE) dans les cellules solaires à colorant (DSSC). Ces nanocomposites ont été caractérisés en termes de propriétés morphologiques et électrochimiques à l'aide de techniques telles que XPS, Raman, XRD, FESEM, analyse HRTEM et EIS. Nous avons optimisé le pourcentage de poids des GQD dans le composite WM@GQDs et étudié l'efficacité de conversion de puissance (PCE) résultante. Le composite WM@GQDs à 1,5 % a atteint un PCE de 10,00 %, ce qui est comparable à celui de la norme Pt ​​(7,00 %) en raison de la présence de GQD dans le matériau composite, ce qui augmente le taux de processus de transfert de charge à travers la couche électroactive dans le composite WM@GQDs. Nous proposons que le composite WM@GQDs pourrait être un matériau CE alternatif prometteur pour les DSSC.

La poudre de graphite (325 mesh) a été achetée chez Sigma-Aldrich. Tous les produits chimiques utilisés dans ce travail étaient disponibles dans le commerce : le persulfate d'ammonium ([NH4]2S2O8), le bromure de potassium (KBr, ≥ 99 %) et l'acétonitrile (C2H3N, 98 %, Sigma-Aldrich) ont été utilisés comme réactifs. L'acide chloroplatinique hexahydraté (H2PtCl6 × 6H2O) et le borohydrure de sodium (NaBH4) ont été achetés chez Sigma-Aldrich. Tous les produits chimiques ont été utilisés sans autre purification (la purification de tous les produits chimiques est de 99,0 %).

L'oxyde de graphène a été synthétisé par la méthode de Hummer. De la poudre de graphite (10 g) a été ajoutée aux 45 ml d'acide sulfurique concentré (H2SO4) sous agitation magnétique continue dans le bain de glace. Après mélange pendant 15 minutes, 2,25 g de KMnO4 ont été ajoutés à la solution. Ensuite, chauffez la solution de mélange à 50–60 °C tout en remuant pendant 2–3 h. Le mélange a été placé dans le bain à ultrasons pendant 30 min à température ambiante et ajouter lentement du peroxyde d'hydrogène (H2O2) tout en agitant. Cette étape produit une réaction fortement exothermique et fait bouillonner vigoureusement le mélange. Après 2 h d'agitation, le mélange est lavé avec de l'eau déminéralisée pour éliminer l'excès d'ions acide, nitrate et sulfate. L'oxyde de graphite résultant est séché sous vide pour obtenir une substance pulvérulente.

Le processus de préparation typique des points quantiques de graphène (GQD) est le suivant : 500 mg d'oxyde de graphène (GO) et 100 µL de diméthylformamide (DMF) ont été dissous dans 10,0 mL d'eau désionisée dans des conditions d'agitation vigoureuse. Le mélange a ensuite été mélangé avec 3 ml d'ammoniaque et soniqué pendant 20 min. Ensuite, le mélange a été transféré dans un autoclave revêtu de téflon et chauffé à 140 °C pendant 48 h19.

Des nanofils de MoCuO3 ont été synthétisés par une méthode hydrothermale. 1,5 g de molybdate d'ammonium et 1,0 g d'oxyde de cuivre (II) ont été dissous dans de l'eau désionisée (DI) et 5 ml de HNO3 ont été ajoutés à la solution. Après 10 min d'agitation, la solution a été transférée dans un autoclave en acier inoxydable revêtu de téflon de 100 ml, scellée et placée dans un four de séchage à l'air chauffé à 180 ° C pendant 12 h. Le produit final a été rincé avec de l'eau DI jusqu'à ce que la solution de déchets soit neutre, et le précipité a été séché sous vide.

La poudre WS2, MoCuO3 et les GQD ont ensuite été dispersés dans de l'eau DI, agités pendant 30 min et passés aux ultrasons pendant 1 h. Le mélange uniforme a ensuite été transféré dans un autoclave en acier inoxydable revêtu de téflon de 100 ml, centrifugé à 4 000 tr/min, lavé avec de l'acétone DI et séché pour une utilisation ultérieure. Quatre concentrations de GQD dans WM@GQD, c'est-à-dire 0,3 % en poids de GQD, 0,6 % en poids de GQD et 0,9 % en poids de GQD, ont été préparées en utilisant la même procédure. La figure 1 illustre la méthode de synthèse des nanocomposites WM@GQDs.

Schéma de principe représentant la méthode de préparation du WS2/MoCuO3@graphene quantum dot CE (WM@GQDs).

En règle générale, un substrat en verre d'oxyde d'étain dopé au fluor (FTO) est utilisé pour concevoir le dispositif de cellule solaire de type sandwich, et la méthode de la racle est utilisée pour déposer à la fois la photo et la contre-électrode20. Tout d'abord, 0,5 g de WM @ GQDs est dispersé dans 5 ml d'éthanol et bien broyé pendant 30 min à l'aide d'un mortier et d'un pilon. La bouillie pour chaque contre-électrode est enduite sur le substrat FTO puis séchée à 80 ° C avant d'être recuite à 400 ° C pendant 2 h. La même méthode de fabrication est suivie pour préparer toutes les autres photoanodes (TiO2, P25 commercial). La solution de colorant N719 est immergée dans les électrodes TiO2 PE pendant 24 h et recuite à 400 ° C pendant 2 h. Enfin, la solution d'électrolyte (I-/I3-) est déposée à travers l'un des trous entre les deux électrodes, qui sont ensuite scellées avec des bâtons de silicium pour éviter l'évaporation.

Les propriétés cristallines des nanocomposites synthétisés ont été étudiées à l'aide d'un diffractomètre à rayons X (SmartLab, Rigaku) ​​sous rayonnement Cu Kα. La morphologie du nanocomposite synthétisé a été étudiée à l'aide de la microscopie électronique à balayage à émission de champ (FESEM : Thermo Fisher Scientific, Apero2) et de la microscopie électronique à transmission (TEM, JEOL JEM-2100). La composition élémentaire de surface et les états d'oxydation ont été analysés à l'aide de la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS; PHI5000 VersaProbe II ULVAC-PHI, Japon) au Synchrotron Light Research Institute (SLRI) en Thaïlande. Les spectres Raman ont été enregistrés à l'aide d'un spectromètre Raman de microscopie (NRS-7100, JASCO). Les caractéristiques courant-tension (I-V) des dispositifs photovoltaïques fabriqués ont été étudiées à l'aide d'un simulateur solaire de classe A (SL-50A-WS, SCIENCE TECH) à AM1.5 (lumière solaire de 100 mW/cm2). Pour les mesures de spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS), la solution d'électrolyte consistait en 0,05 M I2 et 0,5 M LiI dans de l'acétonitrile. Les tracés de Nyquist ont été enregistrés sur une plage de fréquences de 0,1 Hz à 100 kHz et mesurés à 250 mV pour annuler le régime limité du transport de masse.

Les propriétés cristallines des GQD, WS2 et WM@GQD synthétisés ont été étudiées à l'aide de la technique d'analyse XRD, comme illustré à la Fig. 2. L'analyse du motif enregistré pour les GQD révèle une structure amorphe, qui ressort du pic de diffraction à 2θ = 25,8 °, qui correspond au plan (002) des atomes de carbone hybrides sp2 dans les GQD21. De plus, les pics de diffraction à 25,7°, 42,9°, 44,7° et 54,9° correspondaient respectivement aux plans (004), (103), (006), (106) et (008), qui étaient indexés comme les phases hexagonales de WS2 (JCPDS FILE : 87-2417 et 84-1398)22. Les modèles correspondant aux WM@GQD montrent des pics à 12,5°, 32,5°, 38,3° et 50,1°, correspondant aux plans (020), (110), (022) et (-202), respectivement. L'analyse XRD a confirmé la formation des composites WM@GQDs.

Modèles XRD enregistrés pour (a) GQD, (b) WS2 et (c) WM@GQD.

La morphologie de surface des GQD, WS2 et WM @ GQD a été étudiée à l'aide de la technique d'imagerie FESEM, comme le montre la Fig. 3a – c. La figure 3a montre une structure sphérique monodispersée et uniforme des GQD préparés, avec une taille moyenne d'environ 10 nm. De plus, la figure 3b montre clairement la présence de nanofeuillets WS2 en forme de flocons à la surface. La taille des WM @ GQD variait de 2 à 10 nm pour le système WS2-MoCuO3 intégré aux GQD. La microstructure de WS2 a été étudiée à l'aide de la technique TEM haute résolution et les résultats sont présentés sur les figures 3d – f. La figure 3d présente l'image HRTEM des GQD, qui indique clairement la formation de nanofeuilles empilées. On a également observé que les nanofeuilles WS2 s'aggloméraient en grappes plus grandes, comme le montre la figure 3e. Les images TEM haute résolution confirment la formation de feuilles ultrafines de WS2, GQD et MoCuO3 intégrées dans le composite.

Image SEM et TEM des GQD (a, d), (b, e) WS2 et (c, f) WM@GQD.

La spectroscopie FTIR et Raman a été utilisée pour caractériser la structure et la composition du composite. La figure 4a présente les profils spectraux FTIR enregistrés pour les GQD, WS2 et WM@GQD. Les profils enregistrés pour les GQD présentent des bandes qui confirment la structure de type graphène des matériaux (les vibrations du squelette C=C apparaissent à 1921 cm−1, et la présence des groupes contenant de l'oxygène (comme O–H) était représentée par les vibrations d'étirement à 3182 cm−1. Les vibrations d'étirement C=O sont apparues à 2178 cm−1. Les profils enregistrés pour WS2 pur présentent trois pics d'absorption caractéristiques à 620 cm−1 et dans 875–1051 cm−1. Ces pics ont été attribués aux liaisons W–S et S–S dans WS223, 24. De plus, les profils spectraux enregistrés pour MoCuO3 ont révélé la présence de vibrations d'étirement Mo–O à environ 1110 cm−1. La bande à environ 612 cm−1 était associée aux vibrations des atomes O dans le réseau MoCuO3. Des signaux caractéristiques des deux composants ont été clairement observés dans les profils spectraux enregistrés pour WM@GQ D

Profils FTIR enregistrés pour (a) GQD, (b) WS2 et (c) WM@GQD.

Les spectres Raman de WS2 et WM @ GQD sont présentés sur les Fig. 5a, b pour étudier la structure des matériaux et leur propriété d'interaction. La figure 5a (ligne bleue) représente la monocouche WS2 à domaine unique et présente trois pics principaux à 1351,76, 1577,31, 2716,15 et 32 ​​381,12 cm-1. Les résultats étaient cohérents avec les modes actifs Raman rapportés de WS2. Les trois pics correspondaient aux deux modes Raman acoustiques longitudinaux (LA) du second ordre au point M, E′2 g et A1 g de WS2, respectivement25. Le pic à 963,72 cm-1 représentait le pic de premier ordre de E12 g comme le montre la figure 5b. De plus, les pics agrandis de WM @ GQD sont illustrés dans la figure en médaillon pour confirmer la structure composite (Fig. 5c). Deux pics forts étaient présents dans les profils spectraux enregistrés pour les GQD (ligne bleue). La bande G à 1601 cm-1 indique une structure planaire ordonnée des atomes de carbone sp2 (liaison C-C), et la bande D à 1360 cm-1 correspond aux défauts structurels sp3 (par exemple, les bords et les groupes fonctionnels). Le rapport de bande de l'intensité maximale des bandes D et G (ID/IG = 1,07) peut refléter la participation des groupes fonctionnels aux bords des GQD par rapport aux liaisons C=C dans leurs structures.

Profils Raman enregistrés pour (a) WS2 et (b) WM@GQD.

Les compositions élémentaires, les états de valence et les états d'oxydation des éléments dans les WM @ GQD ont été confirmés à l'aide de la technique de spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS), comme le montre la Fig. 6a – e. Les spectres d'enquête XPS du composite WM@GQDs montrent la présence de W 4f, S 2p, Mo 3d, Cu 2p, C 1s et O 1s sous forme hybride. Il n'y a pas de pics supplémentaires dans le spectre de l'enquête, indiquant l'absence d'impuretés dans l'hybride. Le spectre haute résolution de W 4f (Fig. 6b) affiche un pic avec une énergie de liaison d'environ 40,8 eV, ce qui confirme la présence de cristaux de WS2. La présence de la phase 2H caractéristique (sans contribution observable de WOx) a été confirmée. Les profils S 2p (Fig. 6c) présentent le doublet spin-orbite S 2p3 / 2: 2p1 / 2 à 164, 3 et 169, 1 eV, respectivement, correspondant à l'état d'oxydation S 2 − attendu pour le WS226 cristallin. De plus, la figure 6d présente les deux principaux pics du spectre Mo 3d à 232,8 et 235,7 eV, qui sont respectivement attribués à Mo 3d5/2 et Mo 3d3/2. Le spectre C 1s (Fig. 6e) présente trois pics, correspondant à C – C / C = C à 284, 8 eV, C – O à 287, 1 eV et C = O à 289, 3 eV27. Le spectre O 1s (Fig. 6f) est divisé en trois sous-bandes correspondant à C–O, C=O et –OH dans les GQD. L'analyse XPS confirme la présence d'éléments collés présents dans le composite WM@GQD.

Profils XPS : (a) Survey, (b) W 4f, (c) S 2p, (d) Mo 3d, (e) C 1s et (f) O 1s profiles.

L'influence de WS2 et du composite WM@GQD a été étudiée en analysant les isothermes d'adsorption-désorption de N2. La figure 7a,b montre que des courbes d'adsorption isothermes de type IV avec des boucles d'hystérésis de type H3 (selon la classification IUPAC) ont été enregistrées pour tous les échantillons, indiquant que des structures mésoporeuses se sont formées dans tous les échantillons28. Les WM@GQD étaient caractérisées par une surface spécifique maximale d'environ 69,40 m2/g, supérieure à celle de WS2 (25,30 m2/g). Le diamètre des pores de tous les échantillons était principalement distribué dans la plage de 100 à 200 nm, comme le montrent les courbes de distribution de la taille des pores dans l'encadré de la Fig. 7. Selon les résultats du BET, l'incorporation de GQD dans les WM @ GQD peut augmenter le nombre de sites actifs, ce qui peut améliorer l'efficacité de conversion de puissance des CE.

Isothermes d'adsorption-désorption de N2 enregistrées pour (a) WS2 et (b) WM@GQDs.

Les spectres UV-Vis des GQD, WS2 et WM @ GQD sont présentés à la Fig. 8a. La région d'absorption d'un semi-conducteur est liée à sa structure de bande. L'énergie de la bande interdite (Eg) peut être obtenue à partir de l'équation29.

( a ) profils UV – Vis et ( b ) énergie de bande interdite des GQD, WS2 et WM @ GQD.

Comme le montrent les Fig. 8a, b, tous présentent les meilleures performances d'absorption optique dans la plage de lumière visible et leur bord d'absorption se situe à environ 546 nm. correspondant à l'énergie de la bande interdite (Eg) de 2,46 eV, 2,15 eV et 1,61 eV pour WS2, GQDs et WM@GQDs respectivement. Les résultats du DRS UV-Vis confirment que les composites WM @ GQDs préparés ont tous de bonnes propriétés d'absorption de la lumière dans la région de la lumière visible, ce qui indique que l'activité catalytique induite par la lumière visible pourrait être efficacement améliorée.

Les tests électrochimiques de la Fig. 9a, b montrent l'activité électrochimique des WM@GQD (0,3 à 0,9 % en poids) comparables aux Pt CE traditionnels, et les paramètres photovoltaïques détaillés tels que la tension en circuit ouvert (Voc), le facteur de remplissage (FF) et le courant de court-circuit (Jsc) sont résumés dans le tableau 1. Toutes les mesures J – V ont été effectuées sous la lumière du soleil simulée AM 1,5 G à l'aide d'un simulateur solaire de classe AAA. D'après les courbes J–V, 0,9 % en poids WM@GQDs représente l'efficacité de conversion de puissance (PCE) la plus élevée jusqu'à 10,38 % (Voc = 0,68 V, Jsc = 21,97 mA/cm2, FF = 0,68) suivi de 0,6 % en poids WM@GQDs qui a atteint une efficacité de conversion de puissance jusqu'à 9,28 % (Voc = 0,67 V, Jsc = 20,21 mA/cm2, FF = 0,67), tandis que 0,3 %wt WM@GQDs ont montré une efficacité de conversion de puissance de 8,45 % (Voc = 0,66 V, Jsc = 18,93 mA/cm2, FF = 0,66) comparable à l'électrode Pt (10,26 %). La tension de circuit ouvert plus élevée est essentielle pour maintenir une force motrice plus élevée pour les électrons autour du circuit afin de limiter les recombinaisons électron-trou. De plus, l'amélioration de l'efficacité de conversion de puissance est due à la plus grande surface des WM@GQD pour la réduction de I3−30.

Analyse I–V pour (a) Pt et (b) (0,3–0,9 % en poids) de WM@GQD.

La résistance de transfert de charge à l'interface contre-électrode-électrolyte a été étudiée par la technique EIS. La figure 10 et le tableau 1 représentent la courbe de Nyquist pour les électrodes WM@GQD et Pt correspondantes (0,3 à 0,9 % en poids) avec une plage de fréquences appliquée de 100 MHz et 100 kHz. Deux demi-cercles ont été obtenus, le premier demi-cercle représente le transfert de charge des matériaux FTO aux CEs et le second demi-cercle indique le transfert de charge de l'électrode et de l'électrolyte ou de la résistance à l'électrolyte. D'après les spectres EIS, la résistance au transfert de charge de 0,9% wt WM@GQDs (35,24 Ω) est inférieure à celle de 0,3%wt WM@GQDs et 0,6%wt WM@GQDs, ce qui est dû à la plus grande conductivité électrique du graphène et à une activité catalytique élevée.

Profils EIS pour Pt et (0,3 à 0,9 % en poids) de WM@GQD.

Le mécanisme d'action des WM @ GQD dans la cellule DSSC est proposé à la Fig. 11. Dans la première étape, lorsque la lumière tombe du côté de la photoanode (TiO2 absorbe les colorants N719), les molécules de colorant photosensible absorbent l'énergie de la lumière solaire. Cela provoque l'excitation des électrons libres dans les molécules de colorant et leur fait passer de l'orbitale moléculaire occupée la plus élevée (HOMO) à l'orbitale moléculaire inoccupée la plus basse (LUMO). Les électrons excités sont ensuite injectés dans la couche conductrice, une bande conductrice de dioxyde de titane, et transmis à une couche de verre conducteur translucide. De nombreux électrons sont présents dans cette couche, et lorsqu'elle est connectée à une charge externe, un courant électrique est généré à partir du flux d'électrons à l'intérieur de la cellule lorsqu'ils traversent la charge jusqu'à la cathode. Ce flux d'électrons se produit en continu jusqu'à ce que le cycle soit complet31,32,33.

Représentation schématique du mécanisme de conversion photovoltaïque de WM@GQDs.

Un nouveau matériau composite hybride, composé de bisulfure de tungstène et d'oxyde de cuivre molybdène supporté par des points quantiques de graphène (WM@GQDs), a été synthétisé à l'aide d'une méthode d'ultrasonication simple et peu coûteuse. Des techniques telles que l'analyse par diffraction des rayons X, la microscopie électronique à balayage à émission de champ et l'analyse BET ont été utilisées pour confirmer la cristallinité et la morphologie du matériau. Lorsqu'il est utilisé comme cathode WM@GQDs à 0,9 % en poids dans une cellule solaire sensibilisée par un colorant, le matériau a un rendement de conversion de puissance (PCE) maximal de 10,38 %, ce qui est supérieur à celui d'une électrode Pt (10,26 %). La spectroscopie d'impédance électrochimique a montré que le matériau WM @ GQDs avait une résistance inférieure à celle des autres matériaux de cathode. La structure unique du composite hybride, avec l'interconnexion de WS2-MoCuO3 et de GQD fournissant une surface élevée pour une absorption maximale du colorant sur la surface de l'électrode, peut contribuer à son PCE élevé.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Ce travail (Grant No. RGNS 64-247) a été soutenu par le Bureau du Secrétaire permanent, Ministère de l'Enseignement supérieur, des Sciences, de la Recherche et de l'Innovation (OPS MHESI), Thailand Science Research and Innovation (TSRI) et King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang. Les auteurs sont reconnaissants pour le soutien reçu du centre FE-SEM, School of Engineering, King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang, Bangkok. Les auteurs reconnaissent le soutien de Asst. Le professeur Pawinee Klangtakai travaille au Département de physique de l'Université de Khon Kaen pour aider au processus d'acquisition des mesures.

Département de génie industriel, École d'ingénierie, Institut de technologie du roi Mongkut Ladkrabang, Bangkok, 10520, Thaïlande

Yonrapach Areerob & Chaowalit Hamontree

Département de science et d'ingénierie des matériaux avancés, Université Hanseo, Seosan-Si, Chungcheongnam-Do, 31962, Corée du Sud

Won Chun Oh

Anhui International Joint Research Center for Nano Carbon-Based Materials and Environmental Health, College of Materials Science and Engineering, Anhui University of Science & Technology, Huainan, 232001, République populaire de Chine

Won Chun Oh

Département de physique, Faculté des sciences, Université de Khon Kaen, Khon Kaen, 40002, Thaïlande

Theeranuch Nachaithong

Synchrotron Light Research Institute (organisme public), 111 University Avenue, Muang District, Nakhon Ratchasima, 30000, Thaïlande

La soupe est Nijpanich

Département de chimie, Faculté des sciences, Université Buriram Rajabhat, Buriram, 31000, Thaïlande

Kongsak Pattarith

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YA, CH et WCO ont conçu la recherche. YA, CH et WCO, SN et TN ont analysé les données. YA et KP le papier.

Correspondance au roi Pattarith.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Areerob, Y., Oh, WC., Hamontree, C. et al. Un roman de WS2 – MoCuO3 soutenu par un point quantique de graphène comme contre-électrode pour l'application de cellules solaires à colorant. Sci Rep 13, 7762 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34637-3

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Reçu : 08 mars 2023

Accepté : 04 mai 2023

Publié: 12 mai 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-34637-3

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