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Scientific Reports volume 13、記事番号: 7762 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

グラフェン量子ドットで担持された新しい二硫化タングステン-モリブデン銅酸化物複合体(WM@GQD)が、色素増感太陽電池(DSSC)の対極(CE)として、簡単で低コストの超音波処理法を使用して合成されました。 WM@GQD のユニークな構造は、その高い触媒活性と電荷輸送特性により、優れた電力変換効率を示します。 さらに、グラフェン量子ドット (GQD) は、I/I3- 酸化還元反応のための 0 次元材料内により多くの活性サイトを提供し、複合材料の電気的および光学的特性を向上させることができます。 この結果は、複合材料中の GQD の量が太陽光発電デバイスの効率に影響を与えることを示しています。 0.9%wtのGQDを使用した場合、WM@GQD複合材料は10.38%の効率を達成しました。これは、同じ条件下で高価な白金CEよりも高い効率です。 複合サンプルの電力変換効率 (PCE) の向上の背後にあるメカニズムについても詳細に説明します。 したがって、WM@GQD は、CE として DSSC のプラチナを置き換える効率的な材料となり得ます。

毎年の人口増加と持続的な経済成長の影響により、化石燃料の不足が差し迫り、世界の人々は再生可能エネルギーの重要性を認識するようになりました。 さまざまな再生可能エネルギーの中でも、太陽エネルギーは無限に利用できる持続可能な自然エネルギーです。 一般に、シリコンベースの太陽電池技術は今後も世界市場を支配し続けるでしょうが、研究者らは産業部門のエネルギー需要を満たし、世界の人口が太陽エネルギーにアクセスできるように生産コストを削減するための代替ソリューションを模索しています1。 そのような解決策の 1 つが色素増感太陽電池 (DSSC) です。DSSC は、低コストでシンプルで環境に優しい製造方法を備えた第 3 世代の電池です 2,3。 DSSC は、光陽極 (色素を吸着させるための高い比表面積を持つ半導体)、対電極 (通常は白金を含む FTO の形)、および電極間空間の電解質 (酸化還元メディエーターを含む有機溶媒で作られています) で構成されています。 )4. 一般に、DSSC の動作原理は、色素分子が光子を吸収した後、基底状態から励起状態に励起されるというものです。 次に、電子が半導体の伝導帯 (CB) に注入され、外部回路を通って対電極に輸送されます。 酸化された染料は酸化還元メディエーターによって再生され、作用電極から供与された電子によって酸化還元種が還元されます。 その後、サイクルが終了し、照明が発生するまで繰り返されます5。

前述したように、対電極 (CE) は DSSC が適切に機能するために不可欠です。 プラチナ（Pt）は、その優れた電極触媒性能と高い導電性により、DSSC で最も広く使用されている CE であり、光電変換の高効率につながります6。 ただし、Pt は貴金属であり、その安定性が不十分なため、時間の経過とともに電解液と反応する可能性があります7。 さらに、コストが高いため、家庭用および産業用の DSSC の大規模生産が制限されます。 したがって、研究者はPtに代わる代替材料を緊急に探しています。 炭素系材料 8、有機ポリマー 9、遷移金属ジカルコゲニド 10、酸化物系材料 11、硫化物系材料 12 など、さまざまな種類の材料が研究されており、その優れた電気化学的特性により優れた電力変換が示されています。

グラフェン量子ドット (GQD) は、主にナノメートルサイズのグラフェン シートの sp2 混成原子で構成され、ゼロ次元の特性を与える、有望な炭素ベースの量子ドット材料です 13。 GQD は、化学的不活性、生体適合性、安定したフォトルミネッセンス特性、低抵抗、優れた酸化還元可逆性など、いくつかの望ましい特性を備えています。 2013 年に、Chen ら 14 は、対電極として GQD をドープしたポリピロール (PPy) を合成しました。 GQD ドープ PPy 膜は高度に多孔質な構造を持ち、I3-/I- 酸化還元反応に対して PPy 単独よりも高い触媒電流密度と低い電荷移動抵抗を示します。 10% の GQD をドープした PPy を含む DSSC は、最も高い電力変換効率 (5.27%) を示しました。これは、Pt 対電極ベースの DSSC よりも高いです。