Modulation doping of absorbent cotton derived carbon dots for quantum dot-sensitized solar cells

文献情報

出版日 2019-11-07
DOI 10.1039/C9CP04880D
インパクトファクター 3.676
著者

Shunjian Xu, Meng Zhang, Wei Zhong, Zonghu Xiao, Yongping Luo


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要旨

In order to improve the power conversion efficiency (PCE) of quantum dot-sensitized solar cells (QDSC), a series of absorbent cotton derived carbon quantum dots (CQDs) with different dopants (namely carbamide, thiourea, and 1,3-diaminopropane) have been successfully synthesized by a one-pot hydrothermal method. The average particle sizes of the three doped CQDs are 1.7 nm, 5.6 nm, and 1.4 nm respectively, smaller than that of the undoped ones (24.2 nm). The morphological and structural characteristics of the four CQDs have been studied in detail. In addition, the three doped CQDs exhibit better optical properties compared with the undoped ones in the UV-vis and PL spectra. Then CQD-based QDSC are experimentally fabricated, showing that the short current density (Jsc) and open circuit voltage (Voc) of the QDSC are distinctly improved owing to the dopants. Especially the QDSC with the 1,3-diaminopropane doped CQD achieves the highest PCE (0.527%), 299% larger than that without dopant (0.176%). In order to highlight a reasonable mechanism, the UV-vis diffuse reflectance spectrum of CQD sensitized TiO2 and the calculated energy band structures of various CQDs are investigated. It's found from the above analysis that the addition of carbamide, thiourea, and 1,3-diaminopropane is beneficial to obtain CQDs of smaller size, and with a smaller band gap and more nitrogenous or sulphureous functional groups, which enhance the light absorption performance and photo-excitation properties. The above factors are helpful to improve the Jsc of QDSC. Nitrogen, acting as a donor to the CQDs, will assist the sensitized photoanode with a higher Fermi level, resulting in a larger Voc of the QSDC. Finally this study builds the relation among the microstructure of the CQDs, three characteristics of the CQDs (namely the spectra, energy band structure and functional groups) and the photoelectric properties of the QDSC, which will provide guidance for the modulation doping of CQDs to improve the PCE of QDSC.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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