Una novela de WS2

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 7762 (2023) Citar este artículo

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Se ha sintetizado un nuevo compuesto de disulfuro de tungsteno y óxido de cobre de molibdeno soportado con puntos cuánticos de grafeno (WM@GQD) como contraelectrodo (CE) para células solares sensibilizadas por colorante (DSSC) utilizando un método de ultrasonicación simple y de bajo costo. La estructura única de WM@GQD exhibe una excelente eficiencia de conversión de energía debido a su alta actividad catalítica y propiedades de transporte de carga. Además, los puntos cuánticos de grafeno (GQD) proporcionan sitios más activos en los materiales de dimensión cero para una reacción redox I/I3- que puede mejorar las propiedades eléctricas y ópticas del compuesto. Los resultados indican que la cantidad de GQD en el compuesto afecta la efectividad de los dispositivos solares. Cuando se utilizó 0,9% en peso de GQD, el compuesto WM@GQDs logró una eficiencia del 10,38%, que es mayor que la del costoso platino CE en las mismas condiciones. También se analiza en detalle el mecanismo detrás de la mejora de la eficiencia de conversión de energía (PCE) de la muestra compuesta. Por lo tanto, los WM@GQD pueden ser un material eficiente para reemplazar el platino en los DSSC como CE.

La inminente escasez de combustibles fósiles debido al crecimiento anual de la población y el impacto del crecimiento económico sostenido ha hecho que la población mundial sea consciente de la importancia de las energías renovables. Entre las diversas fuentes de energía renovables, la energía solar es una fuente de energía natural y sostenible que puede utilizarse indefinidamente. En general, la tecnología de células solares basadas en silicio seguirá dominando el mercado global, pero los investigadores buscan soluciones alternativas para satisfacer las necesidades energéticas del sector industrial y reducir los costos de producción para que la población mundial pueda acceder a la energía solar1. Una de esas soluciones son las células solares sensibilizadas por colorante (DSSC), que son células de tercera generación debido a sus métodos de fabricación de bajo costo, simples y respetuosos con el medio ambiente2,3. Las DSSC constan de un fotoánodo (un semiconductor con una alta superficie específica para el colorante adsorbido), un contraelectrodo (generalmente en forma de FTO con platino) y un electrolito en el espacio entre electrodos (hecho de un disolvente orgánico con un mediador redox). )4. En general, el principio de funcionamiento de las DSSC es que las moléculas de tinte, después de absorber un fotón, se excitan desde el estado fundamental al estado excitado. Luego, se inyecta un electrón en la banda de conducción (CB) del semiconductor y se transporta a través de un circuito externo hasta el contraelectrodo. El tinte oxidado se regenera mediante un mediador redox y el electrón donado del electrodo de trabajo reduce las especies redox. Luego se cierra el ciclo y se repite hasta que se produce la iluminación5.

Como se mencionó anteriormente, el contraelectrodo (CE) es esencial para el correcto funcionamiento de los DSSC. El platino (Pt) es el CE más utilizado en DSSC debido a su excelente rendimiento electrocatalítico y alta conductividad, lo que conduce a una alta eficiencia en la transformación fotoeléctrica6. Sin embargo, el Pt es un metal precioso y su estabilidad es insuficiente, lo que puede provocar que reaccione con el electrolito con el tiempo7. Además, su alto costo limita la producción a gran escala de DSSC para su uso en los sectores doméstico e industrial. Por lo tanto, los investigadores buscan urgentemente materiales alternativos para reemplazar el Pt. Se han investigado diferentes tipos de materiales, como materiales a base de carbono8, polímeros orgánicos9, dicalcogenuros de metales de transición10, materiales a base de óxidos11 y materiales a base de sulfuros12, y han demostrado una excelente conversión de energía debido a sus propiedades electroquímicas superiores.

Los puntos cuánticos de grafeno (GQD) son materiales prometedores de puntos cuánticos basados ​​en carbono que se componen principalmente de átomos hibridados sp2 de láminas de grafeno de tamaño nanométrico, lo que les confiere propiedades de dimensión cero13. Los GQD tienen varias propiedades deseables, que incluyen inercia química, biocompatibilidad, propiedades de fotoluminiscencia estables, baja resistencia y buena reversibilidad redox. En 2013, Chen et al.14 sintetizaron polipirrol (PPy) dopado con GQD como contraelectrodo. La película de PPy dopada con GQD tiene una estructura altamente porosa y muestra una mayor densidad de corriente catalítica y una menor resistencia a la transferencia de carga que el PPy solo hacia la reacción redox I3-/I-. El DSSC con PPy dopado con 10% de GQD mostró la mayor eficiencia de conversión de energía (5,27%), que es mayor que la de un DSSC basado en contraelectrodo de Pt.

Recientemente, los dicalcogenuros de metales de transición (TMD) en capas 2D, como MoS2, TiS2, WS2 y MoSe2, se han considerado como posibles contraelectrodos (CE) en DSSC debido a su bajo costo, producción respetuosa con el medio ambiente, proceso simple, alta actividad electrocatalítica y estabilidad química15,16. Entre ellos, WS2 ha recibido especial atención debido a sus delgadas nanoláminas con una gran superficie, que pueden aumentar el número de sitios activos en la superficie y mejorar su actividad en aplicaciones de células solares. En 2018, Yuan et al.17 prepararon nanoflores de MoSe2 mediante un método hidrotermal sencillo y económico como CE en DSSC. Informaron que las DSSC ensambladas con MoSe2 CE lograron una alta eficiencia de conversión de energía (PCE = 7,01%) para la reducción de I3- en comparación con el Pt estándar debido a sus abundantes sitios activos y propiedades químicas estables. Sin embargo, se han utilizado varios métodos para aumentar la conductividad eléctrica de los TMD, como el dopaje con polímeros y la creación de compuestos a base de carbono y otros compuestos. En 2021, Silambarasan et al.18 fabricaron puntos cuánticos de grafeno dopado con MoS2 y N anclados en óxido de grafeno reducido (rGO) mediante un método hidrotermal de dos pasos para su uso como contraelectrodos en DSSC. El N-GQD@MoS2@rGO mostró una eficiencia de conversión de energía fotovoltaica (η) del 4,65%. Esto se debió a la propiedad catalítica superior del material, que se atribuyó al aumento de los sitios activos electroquímicos y la conductividad eléctrica del rGO y MoS2. Además, los materiales de carbono 2D actúan como una plataforma para reducir la aglomeración de MoS2 y mejorar los sitios electroquímicamente activos.

En este trabajo, sintetizamos un nuevo compuesto WS2-MoCuO3 soportado con puntos cuánticos de grafeno (WM@GQDs) a través de un método hidrotermal para su uso como contraelectrodo (CE) en células solares sensibilizadas por colorante (DSSC). Estos nanocompuestos se caracterizaron en términos de sus propiedades morfológicas y electroquímicas mediante técnicas como XPS, Raman, XRD, FESEM, análisis HRTEM y EIS. Optimizamos el porcentaje de peso de los GQD en el compuesto WM@GQDs e investigamos la eficiencia de conversión de energía (PCE) resultante. El compuesto 1,5% WM@GQDs logró un PCE del 10,00%, comparable al del estándar Pt (7,00%) debido a la presencia de GQD en el material compuesto, lo que aumenta la velocidad de los procesos de transferencia de carga a través de la capa electroactiva. en el compuesto WM@GQDs. Proponemos que el compuesto WM@GQDs podría ser un material CE alternativo prometedor para DSSC.

Se adquirió polvo de grafito (malla 325) de Sigma-Aldrich. Todos los productos químicos utilizados en este trabajo estaban disponibles comercialmente: como reactivos se utilizaron persulfato de amonio ([NH4]2S2O8), bromuro de potasio (KBr, ≥ 99%) y acetonitrilo (C2H3N, 98%, Sigma-Aldrich). El hexahidrato de ácido cloroplatínico (H2PtCl6 × 6H2O) y el borohidruro de sodio (NaBH4) se adquirieron de Sigma-Aldrich. Todos los productos químicos se utilizaron sin purificación adicional (la purificación de todos los productos químicos es del 99,0%).

El óxido de grafeno se sintetizó mediante el método de Hummer. Se añadió polvo de grafito (10 g) a los 45 ml de ácido sulfúrico concentrado (H2SO4) bajo agitación magnética continua en el baño de hielo. Después de mezclar durante 15 min, se añadieron a la solución 2,25 g de KMnO4. Luego, caliente la solución de la mezcla a 50–60 °C mientras se agita durante 2–3 h. La mezcla se colocó en el baño de ultrasonidos durante 30 min a temperatura ambiente y se añadió lentamente peróxido de hidrógeno (H2O2) mientras se agitaba. Este paso produce una reacción fuertemente exotérmica y hace que la mezcla burbujee vigorosamente. Después de 2 h de agitación, la mezcla se lava con agua desionizada para eliminar el exceso de iones ácido, nitrato y sulfato. El óxido de grafito resultante se seca al vacío para obtener una sustancia en polvo.

El proceso de preparación típico de puntos cuánticos de grafeno (GQD) es el siguiente: se disolvieron 500 mg de óxido de grafeno (GO) y 100 µl de dimetilformamida (DMF) en 10,0 ml de agua desionizada en condiciones de agitación vigorosa. Luego la mezcla se mezcló con 3 ml de amoníaco y se sonicó durante 20 min. Posteriormente, la mezcla se transfirió a un autoclave revestido de teflón y se calentó a 140 °C durante 48 h19.

Los nanocables de MoCuO3 se sintetizaron mediante un método hidrotermal. Se disolvieron 1,5 g de molibdato de amonio y 1,0 g de óxido de cobre (II) en agua desionizada (DI) y se agregaron 5 ml de HNO3 a la solución. Después de 10 minutos de agitación, la solución se transfirió a un autoclave de acero inoxidable revestido de teflón de 100 ml, se selló y se colocó en una estufa de secado al aire calentada a 180 °C durante 12 h. El producto final se enjuagó con agua desionizada hasta que la solución residual fue neutra y el precipitado se secó al vacío.

Luego se dispersaron el polvo de WS2, MoCuO3 y GQD en agua desionizada, se agitaron durante 30 minutos y se sometieron a ultrasonidos durante 1 h. Luego se transfirió la mezcla uniforme a un autoclave de acero inoxidable revestido de teflón de 100 ml, se centrifugó a 4000 rpm, se lavó con acetona DI y se secó para su uso posterior. Se prepararon cuatro concentraciones de GQD en WM@GQD, es decir, 0,3% en peso de GQD, 0,6% en peso de GQD y 0,9% en peso de GQD, utilizando el mismo procedimiento. La Figura 1 ilustra el método de síntesis de nanocompuestos WM@GQDs.

Diagrama esquemático que representa el método de preparación del punto cuántico CE WS2/MoCuO3@graphene (WM@GQDs).

Normalmente, se utiliza un sustrato de vidrio de óxido de estaño (FTO) dopado con flúor para diseñar el dispositivo de célula solar tipo sándwich, y se utiliza el método de la rasqueta para depositar tanto el fotoelectrodo como el contraelectrodo20. Primero, se dispersan 0,5 g de WM@GQDs en 5 ml de etanol y se muelen bien durante 30 minutos usando un mortero. La suspensión para cada contraelectrodo se recubre sobre el sustrato FTO y luego se seca a 80 °C antes de recocerse a 400 °C durante 2 h. Se sigue el mismo método de fabricación para preparar todos los demás fotoánodos (TiO2, P25 comercial). La solución de tinte N719 se sumerge en los electrodos de TiO2 PE durante 24 h y se recoce a 400 °C durante 2 h. Finalmente, la solución electrolítica (I-/I3-) se deja caer a través de uno de los orificios entre los dos electrodos, que luego se sellan con barras de silicona para evitar la evaporación.

Las propiedades cristalinas de los nanocompuestos sintetizados se estudiaron utilizando un difractómetro de rayos X (SmartLab, Rigaku) ​​bajo radiación Cu Kα. La morfología del nanocompuesto sintetizado se investigó mediante microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FESEM: Thermo Fisher Scientific, Apero2) y microscopía electrónica de transmisión (TEM, JEOL JEM-2100). La composición elemental de la superficie y los estados de oxidación se analizaron mediante espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS; PHI5000 VersaProbe II ULVAC-PHI, Japón) en el Instituto de Investigación de Luz Sincrotrón (SLRI) en Tailandia. Los espectros Raman se registraron utilizando un espectrómetro Raman de microscopía (NRS-7100, JASCO). Las características corriente-voltaje (I-V) de los dispositivos fotovoltaicos fabricados se estudiaron utilizando una estación de trabajo de simulador solar Clase A (SL-50A-WS, SCIENCE TECH) en AM1.5 (luz solar de 100 mW/cm2). Para las mediciones de espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS), la solución de electrolito consistía en 0,05 M I2 y 0,5 M LiI en acetonitrilo. Los gráficos de Nyquist se registraron en un rango de frecuencia de 0,1 Hz a 100 kHz y se midieron a 250 mV para anular el régimen limitado del transporte masivo.

Las propiedades cristalinas de los GQD, WS2 y WM@GQD sintetizados se estudiaron utilizando la técnica de análisis XRD, como se muestra en la Fig. 2. El análisis del patrón registrado para los GQD revela una estructura amorfa, que es evidente a partir del pico de difracción en 2θ. = 25,8°, que corresponde al plano (002) de los átomos de carbono con hibridación sp2 en GQDs21. Además, los picos de difracción en 25,7°, 42,9°, 44,7° y 54,9° correspondieron a los planos (004), (103), (006), (106) y (008), respectivamente, que fueron indexados como las fases hexagonales de WS2 (ARCHIVO JCPDS: 87–2417 y 84–1398)22. Los patrones correspondientes a WM@GQD muestran picos en 12,5°, 32,5°, 38,3° y 50,1°, correspondientes a los planos (020), (110), (022) y (-202), respectivamente. El análisis XRD confirmó que se formaron los compuestos WM@GQDs.

Patrones XRD registrados para (a) GQD, (b) WS2 y (c) WM@GQD.

La morfología de la superficie de GQD, WS2 y WM@GQD se investigó utilizando la técnica de imágenes FESEM, como se muestra en las figuras 3a-c. La Figura 3a muestra una estructura esférica uniforme y monodispersa de los GQD preparados, con un tamaño promedio de aproximadamente 10 nm. Además, la figura 3b muestra claramente la presencia de nanohojas WS2 en forma de escamas en la superficie. El tamaño de los WM@GQD osciló entre 2 y 10 nm para el sistema WS2-MoCuO3 integrado con GQD. La microestructura de WS2 se investigó utilizando la técnica TEM de alta resolución y los resultados se presentan en las figuras 3d-f. La Figura 3d presenta la imagen HRTEM de los GQD, que indica claramente la formación de nanohojas apiladas. También se observó que las nanohojas WS2 se aglomeraban en grupos más grandes, como se muestra en la Fig. 3e. Las imágenes TEM de alta resolución confirman la formación de láminas ultrafinas de WS2, GQD y MoCuO3 incrustadas en el compuesto.

Imagen SEM y TEM de (a, d) GQD, (b, e) WS2 y (c, f) WM@GQD.

Se utilizaron espectroscopia FTIR y Raman para caracterizar la estructura y composición del compuesto. La Figura 4a presentó los perfiles espectrales FTIR registrados para GQD, WS2 y WM@GQD. Los perfiles registrados para los GQD presentan bandas que confirman la estructura similar al grafeno de los materiales (las vibraciones de la columna vertebral C=C aparecen en 1921 cm-1, y la presencia de grupos que contienen oxígeno (como O-H) estuvo representada por las vibraciones de estiramiento a 3182 cm-1. Las vibraciones de estiramiento C = O aparecieron a 2178 cm-1. Los perfiles registrados para WS2 puro exhiben tres picos de absorción característicos a 620 cm-1 y en la región que abarca 875-1051 cm-1. Estos picos se atribuyeron a los enlaces W – S y S – S en WS223, 24. Además, los perfiles espectrales registrados para MoCuO3 revelaron la presencia de vibraciones de estiramiento de Mo – O a aproximadamente 1110 cm-1. La banda a aproximadamente 612 cm −1 se asoció con las vibraciones de los átomos de O en la red de MoCuO3. Las señales características de ambos componentes se observaron claramente en los perfiles espectrales registrados para WM@GQD.

Perfiles FTIR registrados para (a) GQD, (b) WS2 y (c) WM@GQD.

Los espectros Raman de WS2 y WM @ GQD se presentan en las figuras 5a, b para estudiar la estructura de los materiales y sus propiedades de interacción. La Figura 5a (línea azul) representa la monocapa WS2 de dominio único y presenta tres picos principales en 1351,76, 1577,31, 2716,15 y 32.381,12 cm-1. Los resultados fueron consistentes con los modos activos Raman informados de WS2. Los tres picos correspondieron a los dos modos Raman acústicos longitudinales (LA) de segundo orden en el punto M, E′2 g y A1 g de WS2, respectivamente25. El pico de 963,72 cm −1 representó el pico de primer orden de E12 g como se muestra en la Fig. 5b. Además, los picos ampliados de WM @ GQD se muestran en la figura insertada para confirmar la estructura compuesta (Fig. 5c). Estuvieron presentes dos picos fuertes en los perfiles espectrales registrados para los GQD (línea azul). La banda G en 1601 cm-1 indica una estructura plana ordenada de los átomos de carbono sp2 (enlace C-C), y la banda D en 1360 cm-1 corresponde a los defectos estructurales de sp3 (p. ej., bordes y grupos funcionales). La relación de bandas de la intensidad máxima de las bandas D y G (ID/IG = 1,07) puede reflejar la participación de grupos funcionales en los bordes de los GQD en relación con los enlaces C=C en sus estructuras.

Perfiles Raman registrados para (a) WS2 y (b) WM@GQD.

Las composiciones elementales, los estados de valencia y los estados de oxidación de los elementos en los WM@GQD se confirmaron utilizando la técnica de espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS), como se muestra en las figuras 6a-e. Los espectros de estudio XPS del compuesto WM@GQDs muestran la presencia de W 4f, S 2p, Mo 3d, Cu 2p, C 1s y O 1s en forma híbrida. No hay picos adicionales en el espectro de la encuesta, lo que indica la ausencia de impurezas en el híbrido. El espectro de alta resolución de W 4f (Fig. 6b) muestra un pico con una energía de enlace de aproximadamente 40,8 eV, lo que confirma la presencia de cristales de WS2. Se confirmó la presencia de la fase característica 2H (sin contribución observable de WOx). Los perfiles S 2p (Fig. 6c) exhiben el doblete órbita-espín S 2p3/2:2p1/2 a 164,3 y 169,1 eV, respectivamente, correspondiente al estado de oxidación S2- esperado para el WS226 cristalino. Además, la Fig. 6d presenta los dos picos principales en el espectro de Mo 3d a 232,8 y 235,7 eV, que están asignados a Mo 3d5/2 y Mo 3d3/2, respectivamente. El espectro de C 1s (Fig. 6e) presenta tres picos, correspondientes a C – C / C = C a 284,8 eV, C – O a 287,1 eV y C = O a 289,3 eV27. El espectro de O 1 (Fig. 6f) se divide en tres subbandas correspondientes a C – O, C = O y –OH en los GQD. El análisis XPS confirma la presencia de elementos unidos presentes en el composite WM@GQD.

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

La influencia de WS2 y el compuesto WM@GQD se estudió analizando las isotermas de adsorción-desorción de N2. La Figura 7a, b muestra que se registraron curvas de adsorción isotérmica tipo IV con bucles de histéresis tipo H3 (según la clasificación IUPAC) para todas las muestras, lo que indica que se formaron estructuras mesoporosas en todas las muestras28. Los WM@GQD se caracterizaron por una superficie específica máxima de aproximadamente 69,40 m2/g, que era mayor que la de WS2 (25,30 m2/g). El diámetro de poro de todas las muestras se distribuyó principalmente dentro del rango de 100 a 200 nm, como se muestra en las curvas de distribución del tamaño de poro en el recuadro de la Fig. 7. Según los resultados de BET, la incorporación de GQD en WM @ GQD puede aumentar el número de sitios activos, lo que puede mejorar la eficiencia de conversión de energía de los CE.

Isotermas de adsorción-desorción de N2 registradas para (a) WS2 y (b) WM @ GQD.

Los espectros UV-Vis de GQD, WS2 y WM @ GQD se presentan en la Fig. 8a. La región de absorción de un semiconductor está relacionada con su estructura de bandas. La energía de la banda prohibida (Eg) se puede obtener de la ecuación 29.

(a) Perfiles UV-Vis y (b) Energía de banda prohibida de GQD, WS2 y WM@GQD.

Como se muestra en la Fig. 8a, b, todos ellos muestran el mejor rendimiento de absorción óptica en el rango de luz visible y su borde de absorción está en aproximadamente 546 nm. correspondiente a la energía de banda prohibida (Eg) de 2,46 eV, 2,15 eV y 1,61 eV para WS2, GQD y WM@GQD respectivamente. Los resultados de UV-Vis DRS confirman que todos los compuestos WM @ GQDs preparados tienen buenas propiedades de absorción de luz en la región de la luz visible, lo que indica que la actividad catalítica inducida por la luz visible podría mejorarse de manera efectiva.

Las pruebas electroquímicas en la Fig. 9a, b muestran la actividad electroquímica de (0,3–0,9% en peso) WM @ GQD comparable con el Pt CE tradicional, y los parámetros fotovoltaicos detallados, como el voltaje de circuito abierto (Voc), el factor de llenado (FF) y el cortocircuito. La corriente del circuito (Jsc) se resume en la Tabla 1. Todas las mediciones de J – V se llevaron a cabo bajo luz solar simulada AM 1.5G utilizando un simulador solar de clase AAA. De las curvas J-V, 0,9% en peso de WM@GQDs representa la eficiencia de conversión de energía (PCE) más alta, hasta 10,38% (Voc = 0,68 V, Jsc = 21,97 mA/cm2, FF = 0,68), seguida de 0,6% en peso de WM@ Los GQD que alcanzaron una eficiencia de conversión de energía de hasta el 9,28 % (Voc = 0,67 V, Jsc = 20,21 mA/cm2, FF = 0,67), mientras que los WM@GQD del 0,3 % en peso mostraron una eficiencia de conversión de energía del 8,45 % (Voc = 0,66 V, Jsc = 18,93 mA/cm2, FF = 0,66) comparable con el electrodo de Pt (10,26%). El voltaje de circuito abierto más alto es fundamental para mantener una fuerza impulsora más alta para los electrones alrededor del circuito a fin de limitar las recombinaciones de huecos de electrones. Además, la mejora de la eficiencia de conversión de energía se debe a la mayor superficie de los WM@GQD para la reducción I3−30.

Análisis I – V para (a) Pt y (b) (0,3–0,9% en peso) de WM@GQD.

La resistencia de transferencia de carga en la interfaz contraelectrodo-electrolito se ha investigado mediante la técnica EIS. La Figura 10 y la Tabla 1 representan la curva de Nyquist para los electrodos WM@GQD y Pt correspondientes (0,3–0,9% en peso) con un rango de frecuencia aplicado de 100 MHz y 100 kHz. Se obtuvieron dos semicírculos, el primer semicírculo representa la transferencia de carga de los materiales FTO a CE y el segundo semicírculo indica la transferencia de carga del electrodo y el electrolito o la resistencia del electrolito. Según los espectros EIS, la resistencia de transferencia de carga de WM@GQD al 0,9% en peso (35,24 Ω) es menor en comparación con WM@GQD al 0,3% en peso y WM@GQD al 0,6% en peso, lo que se debe a la mayor conductividad eléctrica del grafeno y a la alta actividad catalítica.

Perfiles EIS para Pt y (0,3–0,9 % en peso) de WM@GQD.

El mecanismo de acción de los WM @ GQD en la celda DSSC se propone en la Fig. 11. En el primer paso, cuando la luz incide en el lado del fotoánodo (el TiO2 absorbe los tintes N719), las moléculas de tinte fotosensibles absorben energía de la luz solar. Esto hace que los electrones libres en las moléculas de tinte se exciten y salten del orbital molecular ocupado más alto (HOMO) al orbital molecular desocupado más bajo (LUMO). Luego, los electrones excitados se inyectan en la capa conductora, una banda conductora de dióxido de titanio, y se pasan a una capa de vidrio conductor translúcido. Numerosos electrones están presentes en esta capa y, cuando se conecta a una carga externa, se genera una corriente eléctrica a partir del flujo de electrones dentro de la celda a medida que fluyen a través de la carga hasta el cátodo. Este flujo de electrones se produce de forma continua hasta que se completa el ciclo31,32,33.

Representación esquemática del mecanismo de conversión fotovoltaica de WM@GQD.

Se sintetizó un nuevo material compuesto híbrido, hecho de disulfuro de tungsteno-óxido de cobre de molibdeno soportado con puntos cuánticos de grafeno (WM@GQDs), utilizando un método de ultrasonicación simple y de bajo costo. Se utilizaron técnicas como el análisis de difracción de rayos X, la microscopía electrónica de barrido de emisión de campo y el análisis BET para confirmar la cristalinidad y la morfología del material. Cuando se usó como cátodo WM@GQDs al 0,9% en peso en una célula solar sensibilizada con tinte, el material tenía una eficiencia de conversión de energía (PCE) máxima del 10,38%, que es mayor que la de un electrodo de Pt (10,26%). La espectroscopía de impedancia electroquímica mostró que el material WM@GQDs tenía una resistencia menor en comparación con otros materiales catódicos. La estructura única del compuesto híbrido, con la interconexión de WS2-MoCuO3 y GQD que proporciona una gran superficie para una máxima absorción de tinte en la superficie del electrodo, puede contribuir a su alto PCE.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

Zhao, Y. et al. Hacia una alta eficiencia a altas temperaturas: avances recientes y perspectivas de las células solares basadas en InGaN. Madre. Hoy Energía 31, 101229 (2022).

Artículo de Google Scholar

Oh, H.-J., Dao, V.-D., Ryu, K.-H., Lee, J.-H. y Choi, H.-S. Aleación FeSn/grafeno como electrocatalizador para el contraelectrodo de dispositivos fotovoltaicos de unión líquida de alta eficiencia. J. Compd. de aleaciones. 754, 139-146 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Bae, K.-H., Dao, V.-D. y Choi, H.-S. Utilidad de los contraelectrodos de aleación de Pt en PtNi como una nueva vía para dispositivos fotovoltaicos de unión líquida rentables y altamente eficientes. J. Ciencia de la interfaz coloidal. 495, 78–83 (2017).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Gomathi, M., Sankar, A., Kannan, S., Shkir, M. & Reddy, VRM Contraelectrodo de alta eficiencia basado en nanocompuesto de seleniuro de estaño/negro de humo para células solares sensibilizadas por colorante (DSSC). Química. Física. Letón. 802, 139802 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Das, A. & Nair, RG Fabricación de fotoánodo de nanoheterounión basado en ZnO funcionalizado con In2O3 para mejorar el rendimiento de DSSC mediante una separación efectiva de portadores de carga interfacial. Optar. Madre. 122, 111784 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Dao, V.-D. Nanopartículas bimetálicas de PtSe que incorporan óxido de grafeno reducido como materiales de electrodos eficientes y duraderos para dispositivos fotovoltaicos de unión líquida. Madre. Hoy Energía 16, 100384 (2020).

Artículo de Google Scholar

Dao, V.-D. et al. Catalizador nanohíbrido basado en nanohojas de NiO nanoporosas para la reducción eficiente de iones triyoduro. Sol. Energía 197, 546–552 (2020).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Wu, M., Lin, X., Wang, T., Qiu, J. & Ma, T. Célula solar sensibilizada por tinte de bajo costo basada en nueve tipos de contraelectrodos de carbono. Entorno energético. Ciencia. 4, 2308–2315 (2011).

Artículo CAS Google Scholar

Zhou, J. y col. Nuevos complejos metálicos poliméricos de cadena principal a base de carbazol que contienen complejos de fenantrolina con Zn (II) o Cd (II): síntesis, caracterización y aplicación fotovoltaica en DSSC. J. Mol. Estructura. 1058, 14-21 (2014).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Francisco, MK et al. DSSC bifacial fabricado utilizando flores 3D procesadas a baja temperatura como MoS2: contraelectrodos compuestos de carbono de alta conductividad. Madre. Hoy Común. 27, 102208 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Jin, L. y col. Propiedades de las heteroestructuras de puntos cuánticos de oxidación-CdO/TiO2 construidas como fotoánodos DSSC. Madre. Ciencia. Semisegundo. Proceso. 147, 106720 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Wu, M. y col. Catalizadores de sulfuro económicos y eficaces para células solares sensibilizadas con colorantes como contraelectrodos. Física. Química. Química. Física. 13, 19298–19301 (2011).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Kurniawan, D. y col. Avances recientes en los sensores biológicos y ambientales basados ​​en puntos cuánticos de grafeno. Sens. Actuadores 4, 100130 (2022).

Google Académico

Chen, L. y col. Contraelectrodo de polipirrol dopado con puntos cuánticos de grafeno para células solares sensibilizadas con colorante de alto rendimiento. Aplicación ACS. Madre. Interfaces 5(6), 2047–2052 (2013).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Wang, Z. y col. Métodos sintéticos y aplicaciones potenciales de nanocompuestos de dicalcogenuro/grafeno de metales de transición. Coordinación. Química. Rev. 326, 86–110 (2016).

Artículo CAS Google Scholar

Balis, N., Stratakis, E. & Kymakis, E. Nanohojas de grafeno y dicalcogenuro de metales de transición como capas de transporte de carga para células solares procesadas en solución. Madre. Hoy 19, 580–594 (2016).

Artículo CAS Google Scholar

Yuan, X., Zhou, B., Zhang, X., Li, Y. & Liu, L. Nanoflores jerárquicas de MoSe2 utilizadas como electrodo altamente eficiente para células solares sensibilizadas con tinte. Electrochim. Acta 283, 1163-1169 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Silambarasan, K., Harish, S., Hara, K., Archana, J. & Navaneethan, M. MoS2 en capas ultrafinas y puntos cuánticos de grafeno dopado con N (N-GQD) anclados a base de nanocompuestos de óxido de grafeno reducido (rGO) Electrodo para células solares sensibilizadas con colorante. Carbono 181, 107–117 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Ebrahimi, M., Soleimanian, V., Ghasemi, M., Nekoeinia, M. y Mokhtari, A. Efectos de los puntos cuánticos de grafeno en la microestructura, las propiedades ópticas y de detección de gases de las nanopartículas de ZnCo2O4 similares a los corales. Física. B condensa. Asunto. 650, 414439 (2023).

Artículo CAS Google Scholar

Rajamanickam, N., Soundarrajan, P., Senthil Kumar, SM, Jayakumar, K. y Ramachandran, K. Impulso de las propiedades de transporte del fotoportador de carga de los fotoanodos de perovskita BaSnO3 mediante dopaje Sr para mejorar el rendimiento de las DSSC. Electrochim. Acta. 296, 771–782 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Nie, Y. et al. Heteroestructuras altamente eficientes de C3N4 y o-GQD con enriquecimiento de grupos específicos que contienen oxígeno para aplicaciones fotocatalíticas. J. Compd. de aleaciones. 923, 166327 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Grützmacher, PG et al. Lubricidad sólida de recubrimientos WS2 y Bi2S3 depositados mediante pulverización por plasma y pulverización con aire. Navegar. Abrigo. Tecnología. 446, 128772 (2022).

Artículo de Google Scholar

Durai, L., Kong, CY y Badhulika, S. Síntesis solvotérmica en un solo paso del híbrido nanoflake-nanorod WS2 para la detección no enzimática de ácido úrico y quercetina en suero sanguíneo. Madre. Ciencia. Ing. C 107, 110217 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Fatima, T., Husain, S., Narang, J., Khanuja Shetti, M. y Raghava Reddy, NPK Nuevas nanohojas de disulfuro de tungsteno (WS2) para la degradación fotocatalítica y la detección electroquímica de contaminantes farmacéuticos. J. Proceso del Agua. Ing. 47, 102717 (2022).

Artículo de Google Scholar

Barbosa, AN, Figueroa, NS, Giarola, M., Mariotto, G. y Freire, FL Identificación sencilla de estructuras monocapa WS2 mediante espectroscopia Raman. Madre. Química. Física. 243, 122599 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Omelianovych, O., Dao, V.-D., Larina, LL y Choi, H.-S. Optimización de la estructura de la aleación de PtFe para su aplicación como contraelectrodo eficiente para células solares sensibilizadas con colorante. Electrochim. Acta 211, 842–850 (2016).

Artículo CAS Google Scholar

Zhang, H. y col. Ingeniería de materiales de protección contra interferencias electromagnéticas flexibles y ecológicos con alto rendimiento mediante la modulación de nanohojas WS2 sobre fibras de carbono. J. Materiomica. 8, 327–334 (2022).

Artículo de Google Scholar

Li, Y. et al. Síntesis sencilla de nanohíbridos WS2@GO para una mejora significativa en el rendimiento mecánico y tribológico de los compuestos EP. Tríbol. En t. 163, 107148 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Zhong, Y. et al. Compuesto de nanohojas CdSe QD/WS2 de banda prohibida: fotocatalizador de tamaño controlado para la división del agua de alta eficiencia. Nano Energía 31, 84–89 (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Dao, V.-D. et al. Mejora de la eficiencia de una célula solar sensibilizada con colorante utilizando un contraelectrodo de esfera hueca de Pt. J. Física. Química. C 115(51), 25529–25534 (2011).

Artículo CAS Google Scholar

Wu, M. y col. Diseñe un nuevo tipo de esfera de carbono de extremo abierto para un catalizador de contraelectrodo altamente eficaz en células solares sensibilizadas con colorante. Nano Energía 11, 540–549 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Wu, M., Sun, M., Zhou, H., Ma, J.-Y. & Ma, T. Contraelectrodos de carbono en células solares de perovskita y sensibilizadas con tinte. Adv. Función. Madre. 30, 1906451 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Hora, C. y col. Contraelectrodo PEDOT-grafeno para conversión de luz solar y artificial mejorada en DSSC regulares, bifaciales y sin FTO mediadas por cobalto. Electrochim. Acta 412, 140140 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

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Este trabajo (Subvención No. RGNS 64-247) fue apoyado por la Oficina del Secretario Permanente, el Ministerio de Educación Superior, Ciencia, Investigación e Innovación (OPS MHESI), Investigación Científica e Innovación de Tailandia (TSRI) y el Instituto de Tecnología del Rey Mongkut. Ladkrabang. Los autores agradecen el apoyo recibido del centro FE-SEM, Escuela de Ingeniería, Instituto de Tecnología Ladkrabang del Rey Mongkut, Bangkok. Los autores agradecen el apoyo de Asst. La profesora Pawinee Klangtakai trabaja en el Departamento de Física de la Universidad de Khon Kaen para ayudar con el proceso de adquisición de medidas.

Departamento de Ingeniería Industrial, Escuela de Ingeniería, Instituto de Tecnología del Rey Mongkut Ladkrabang, Bangkok, 10520, Tailandia

Yonrapach Areerob & Chaowalit Hamontree

Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales Avanzados, Universidad Hanseo, Seosan-Si, Chungcheongnam-Do, 31962, Corea del Sur

Won Chun Oh

Centro Internacional Conjunto de Investigación de Anhui para Materiales a Base de Nano Carbono y Salud Ambiental, Facultad de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Universidad de Ciencia y Tecnología de Anhui, Huainan, 232001, República Popular de China

Won Chun Oh

Departamento de Física, Facultad de Ciencias, Universidad de Khon Kaen, Khon Kaen, 40002, Tailandia

Theeranuch Nachaithong

Instituto de Investigación de Luz Sincrotrón (Organización Pública), 111 University Avenue, Distrito de Muang, Nakhon Ratchasima, 30000, Tailandia

La sopa es Nijpanich.

Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad Buriram Rajabhat, Buriram, 31000, Tailandia

Kongsak Pattarith

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YA, CH y OMA diseñaron la investigación. YA, CH y WCO, SN y TN analizaron los datos. YA y KP el periódico.

Correspondencia al rey Pattarith.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Areerob, Y., Oh, WC., Hamontree, C. et al. Una novela de WS2-MoCuO3 compatible con un punto cuántico de grafeno como contraelectrodo para la aplicación de células solares sensibilizadas con colorante. Representante científico 13, 7762 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34637-3

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Recibido: 08 de marzo de 2023

Aceptado: 04 de mayo de 2023

Publicado: 12 de mayo de 2023

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

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