Un romanzo di WS2

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7762 (2023) Citare questo articolo

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Un nuovo composito di ossido di rame di disolfuro di tungsteno-molibdeno supportato con punti quantici di grafene (WM@GQD) è stato sintetizzato come controelettrodo (CE) per celle solari sensibilizzate con coloranti (DSSC) utilizzando un metodo di ultrasuoni semplice ed economico. La struttura unica dei WM@GQD mostra un'eccellente efficienza di conversione di potenza grazie alla sua elevata attività catalitica e alle proprietà di trasporto della carica. Inoltre, i punti quantici del grafene (GQD) forniscono più siti attivi nei materiali a dimensione zero per una reazione redox I/I3 che può migliorare le proprietà elettriche e ottiche del composito. I risultati indicano che la quantità di GQD nel composito influisce sull’efficacia dei dispositivi solari. Quando è stato utilizzato lo 0,9% in peso di GQD, il composito WM@GQDs ha raggiunto un'efficienza del 10,38%, che è superiore a quella del costoso platino CE nelle stesse condizioni. Viene discusso in dettaglio anche il meccanismo alla base del miglioramento dell'efficienza di conversione della potenza (PCE) del campione composito. Pertanto, i WM@GQD possono essere un materiale efficiente per sostituire il platino nei DSSC come CE.

L’incombente carenza di combustibili fossili dovuta alla crescita annuale della popolazione e all’impatto di una crescita economica sostenuta ha reso la popolazione globale consapevole dell’importanza delle energie rinnovabili. Tra le varie fonti di energia rinnovabile, l’energia solare è una fonte energetica naturale e sostenibile che può essere utilizzata indefinitamente. In generale, la tecnologia delle celle solari basate sul silicio continuerà a dominare il mercato globale, ma i ricercatori sono alla ricerca di soluzioni alternative per soddisfare le esigenze energetiche del settore industriale e ridurre i costi di produzione in modo che la popolazione mondiale possa accedere all'energia solare1. Una di queste soluzioni sono le celle solari sensibilizzate con coloranti (DSSC), che sono celle di terza generazione grazie ai loro metodi di produzione economici, semplici e rispettosi dell'ambiente2,3. I DSSC sono costituiti da un fotoanodo (un semiconduttore con un'elevata area superficiale specifica per il colorante adsorbito), un controelettrodo (solitamente sotto forma di FTO con platino) e un elettrolita nello spazio interelettrodico (costituito da un solvente organico con un mediatore redox )4. In generale, il principio di funzionamento delle DSSC è che le molecole del colorante, dopo aver assorbito un fotone, vengono eccitate dallo stato fondamentale allo stato eccitato. Quindi, un elettrone viene iniettato nella banda di conduzione (CB) del semiconduttore e trasportato attraverso un circuito esterno al controelettrodo. Il colorante ossidato viene rigenerato da un mediatore redox e l'elettrone donato dall'elettrodo di lavoro riduce le specie redox. Il ciclo viene quindi chiuso e ripetuto fino all'illuminazione5.

Come accennato in precedenza, il controelettrodo (CE) è essenziale per il corretto funzionamento delle DSSC. Il platino (Pt) è il CE più utilizzato nei DSSC grazie alle sue eccellenti prestazioni elettrocatalitiche e all'elevata conduttività, che porta a un'elevata efficienza nella trasformazione fotoelettrica6. Tuttavia, il Pt è un metallo prezioso e la sua stabilità è insufficiente, il che può portarlo a reagire con l'elettrolita nel tempo7. Inoltre, il suo costo elevato limita la produzione su larga scala di DSSC da utilizzare nei settori domestico e industriale. Pertanto, i ricercatori stanno cercando urgentemente materiali alternativi per sostituire Pt. Sono stati studiati diversi tipi di materiali, come materiali a base di carbonio8, polimeri organici9, dicalcogenuri di metalli di transizione10, materiali a base di ossidi11 e materiali a base di solfuri12 e hanno mostrato un'eccellente conversione di potenza grazie alle loro proprietà elettrochimiche superiori.

I punti quantici di grafene (GQD) sono promettenti materiali a punti quantici a base di carbonio composti principalmente da atomi ibridati sp2 di fogli di grafene di dimensioni nanometriche, che conferiscono loro proprietà zero-dimensionali13. I GQD hanno diverse proprietà desiderabili, tra cui inerzia chimica, biocompatibilità, proprietà stabili di fotoluminescenza, bassa resistenza e buona reversibilità redox. Nel 2013, Chen et al.14 hanno sintetizzato il polipirrolo (PPy) drogato con GQD come controelettrodo. Il film PPy drogato con GQD ha una struttura altamente porosa e mostra una densità di corrente catalitica più elevata e una resistenza al trasferimento di carica inferiore rispetto al solo PPy verso la reazione redox I3−/I−. Il DSSC con PPy drogato con il 10% di GQD ha mostrato la più alta efficienza di conversione di potenza (5,27%), che è superiore a quella di un DSSC basato su controelettrodi di Pt.