Struktura a optoelektronické vlastnosti kompozitů nanodiamantu s barvivem

Abstract

Nanoškálový kompozit detonačního nanodiamantu (DND) a organického barviva polypyrrolu (PPy) byl zkoumán jako nový koncept pro výrobu energie, kde nanodiamant byl využit jako anorganický akceptor elektronu. Zavedli jsme technologii pro syntézu kompozitu vrstvu po vrstvě, která je vhodná pro výrobu solárních článků. Formace, výrazná interakce v rámci materiálu a fotovoltaické vlastnosti DND/PPy kompozitu byly charakterizovány na nanoškále pomocí mikroskopie atomárních sil, infračervené spektroskopie, Kelvinovy sondy a měření elektronického transportu. Data ukázala, že DND s různými povrchovými zakončeními (hydrogenované, oxidované, polyfunkční) interagují a navazují oligomery PPy různými způsoby. To vede ke vzniku kompozitu s různými optoelektronickými vlastnostmi. Výsledkem těsné interakce v rámci materiálu je významně zvýšené fotonapětí a širokopásmová optická absorpce (1 - 3,5 eV) v DND/PPy kompozitech ve srovnání s původním DND a PPy. Pro optoelektronické efekty se jeví jako nejpříznivější kombinace kyslíkových a vodíkových funkčních skupin na nanodiamondovém povrchu. Prezentované experimentální data jsou podpořeny teoretickými výpočty pomocí teorie hustotního funkcionálu. Funkčnost tohoto konceptu byla prokázána prototypovým hybridním solárním článkem.

Nanoscale composite of detonation nanodiamond (DND) and polypyrrole (PPy) as an organic dye was explored as a novel concept for energy generation, using nanodiamond as an inorganic electron acceptor. We established technology for the composite layer-by-layer synthesis that is suitable for solar cell fabrication. The formation, pronounced material interaction, and photovoltaic properties of DND/PPy composites were characterised down to nanoscale by atomic force microscopy, infrared spectroscopy, Kelvin probe and electronic transport measurements. The data showed that DNDs with different surface terminations (hydrogenated, oxidised, poly-functional) assemble PPy oligomers in different ways. This led to the composites with different optoelectronic properties. Tight material interaction resulted in significantly enhanced photovoltage and broadband (1 - 3.5 eV) optical absorption in DND/PPy composites compared to pristine DND and PPy. Combination of both oxygen and hydrogen functional groups on the nanodiamond surface appears to be the most favourable for the optoelectronic effects. Theoretical density functional theory calculations corroborated the experimental data. Prototype hybrid solar cell demonstrated the functionality of the concept.