Фото

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 11487 (2022) Цитировать эту статью

2694 Доступа

8 цитат

Подробности о метриках

Авторская поправка к этой статье была опубликована 25 мая 2023 г.

Эта статья обновлена

В этом исследовании гидротермальным методом были синтезированы порошки оксида цинка (ZnO) двух различных морфологий: нанопроволока (NW) и наноцветок (NF). Пригодность первичных нанопорошков ZnO в качестве фотоактивного материала была подтверждена путем разработки устройств P-SC с помощью метода простого капельного литья как на стеклянные, так и на пластиковые подложки для приложений большой площади. Было исследовано влияние физических свойств и особенно дефектных структур на характеристики фотосуперконденсаторов (P-SC). Хотя темновая кулоновская эффективность (CE%) как P-SC на основе NW, так и P-SC на основе NF была очень близка друг к другу, CE% NW P-SC увеличился в 3 раза, а CE% NF P-SC увеличился в 1,7 раза. под УФ-светом. Это связано с тем, что носители заряда, образующиеся при световом возбуждении, увеличивают время разряда, и, как подтверждено анализами электронного парамагнитного резонанса, фотолюминесценции и просвечивающей электронной микроскопии, характеристики П-СК, изготовленных из порошков NF, были относительно низкими по сравнению с теми, которые были изготовлены из порошков NF. NW из-за большого количества дефектов сердцевины в порошках NF. Плотность энергии 78,1 мВт·ч кг-1, полученная для П-СК на основе NF, является очень многообещающей, а значение сохранения емкости почти 100% в течение 3000 циклов показало, что П-СК, изготовленные из этих материалов, полностью стабильны. По сравнению с литературными данными, P-SC, которые мы предлагаем в этом исследовании, необходимы для систем хранения энергии нового поколения благодаря простоте конструкции, адаптируемости к массовому производству для приложений на больших площадях и их способности хранить больше энергии при освещении.

Разработка передовых и инновационных систем преобразования и хранения энергии является важной частью замены ископаемого топлива чистыми и возобновляемыми источниками энергии. В этом отношении солнечная энергия является наиболее распространенным источником энергии, обеспечивающим практическое решение мировой потребности в безуглеродной энергии. Солнечная энергия предлагает широкое технологическое применение, включая фотоэлектрические (PV)1,2,3,4,5,6,7, фотоэлектрохимическое расщепление воды (PEC)8,9,10,11,12,13,14. фотоэлектрохимические окислительно-восстановительные проточные батареи15,16,17 и фотокатализ18,19,20,21,22. Фотосуперконденсаторы (P-SC) являются относительно новыми устройствами преобразования/накопления энергии и вызывают растущий интерес к системам двойного назначения, которые одновременно генерируют и хранят энергию23,24,25,26,27,28,29,30. Поскольку работа Миясаки основана на самозарядном конденсаторе, который может напрямую хранить электрическую энергию, генерируемую солнечными элементами; В литературе сообщалось о различных интеграциях PV-SC29,31,32,33,34,35,36,37,38. Однако большинство интегрированных систем страдают от сложности интеграции двух или более отдельных частей.

С другой стороны, системы PEC и полупроводниковой конфигурации P-SC отличаются простотой конструкции и дешевизной изготовления, что позволяет им справляться с дорогостоящими материалами солнечных элементов с точки зрения эффективной удельной мощности39,40. Кроме того, твердотельный P-SC можно спроектировать множеством альтернативных способов. К ним относятся трехэлектродные системы, состоящие из фотоэлектрода, электрода накопления заряда и противоэлектрода; или два электрода, в которых фотоэлектрод и электрод накопления заряда изменяют рабочий механизм, а также общую производительность. Твердотельные (фото)суперконденсаторы используют ионопроводящий гелевый электролит или полимерную мембрану и могут быть спроектированы намного тоньше, гибче и легче, что может применяться в различных приложениях, таких как носимая и портативная электроника41.

Для широкого применения устройств P-SC необходимо раскрыть критически важные свойства материалов электродов, такие как использование запрещенной зоны, сбор света и оптимизация переноса заряда. Также важно построить взаимосвязь между характеристиками P-SC и параметрами материала электрода, связанными с дефектной структурой. Здесь мы стремились использовать наноструктуры ZnO с различной морфологией как в жестких, так и в гибких твердотельных устройствах P-SC. Хотя ZnO использовался в качестве электродного материала в суперконденсаторах42,43,44,45,46,47, имеется несколько сообщений о P-SC на основе ZnO. Среди этих ограниченных сообщений ZnO использовался либо в качестве слоя переноса электронов, либо для создания фотоэлектродов с гетеропереходом39,48,49,50. Однако ZnO ​​имеет большой потенциал в P-SC как активный материал в УФ-излучении, имеющий прямую широкую запрещенную зону (3,37 эВ), выдающуюся подвижность электронов (115–155 см2·В-1·с-1) и значительную экситонную активность. энергия связи (60 мэВ)51. Наряду с этими уникальными электронными свойствами, он имеет большое преимущество: он совместим с окружающей средой и легко синтезируется, имея различную морфологию в мягких условиях52,53. Следовательно, возможность изменения физических свойств, таких как морфология, размер, химия поверхности и дефектная структура, побудила многие области применения разработать новые устройства на основе ZnO.