Síntese e caracterização de pontos quânticos de CdS, CdSe E CdTe para aplicação em células solares

Abstract

Este trabalho foi desenvolvido em duas etapas: i) síntese, caracterização e aplicação de pontos quânticos de CdS, CdSe e CdTe em células solares. ii) modificação da superfície dos pontos quânticos de CdSe através de troca de ligante, seguida de caracterização e aplicação em células solares. Os pontos quânticos foram sintetizados utilizando acetatos de cádmio, selênio, telúrio e enxofre como precursores e ácido oleico como agente de estabilização. Na segunda etapa o ácido oleico foi substituído por ligantes com maior afinidade eletrônica pelos sítios de Cd2+: ácido 3-mercaptopropiônico, 4-ácido-mercaptobenzóico e ácido 11-mercaptoundecanóico. As amostras foram caracterizadas por UV-Vis, fluorescência, microscopia eletrônica de transmissão, difratometria de raios-X e voltametria cíclica. Adicionalmente, testes de solubilidade, análises de TGA e de RMN foram realizadas para confirmar a troca de ligante. Através dos resultados, verificou-se que todos os pontos quânticos sintetizados são adequados para sensibilização de TiO2 em dispositivos fotovoltaicos. No entanto, os pontos quânticos de CdSe e CdTe apresentaram fatores que evidenciam maior confinamento quântico, sendo que a maior estabilidade do éxciton foi obtida para o CdSe. Através das análises de RMN foi possível verificar que não existe apenas uma confirguração espacial preferencial para a adsorção do ligante sobre a superfície deste ponto quântico enquanto que curvas de corrente versus potencial e de eficiência de conversão de fóton incidente mostraram que a eficiência do dispositivo é fracamente dependente do ligante. Contudo, a troca de ligantes favorece a solubilidade em solventes com diferentes polaridades, inclusive água, o que amplia as possibilidades de aplicação dos pontos quânticos sintetizados neste trabalho.

This work was developed in two stages: i) synthesis, characterization and application of CdS, CdSe and CdTe quantum dots to assemble solar cells, ii) surface modification, characterization and application of CdSe quantum dots to assemble solar cells. The quantum dots were synthesized by using cadmium acetate, Se, S or Te as precursors and oleic acid as stabilizing agent. In the second stage the oleic acid capping layer was replaced by other ligands with higher electron affinity to Cd2+: 3-mercaptopropionic acid, 4-mercaptobenzoic acid and 11-mercaptoundecanoic acid. The samples were characterized by UV-Vis, fluorescence, transmission electron microscopy, x-ray diffractometry and cyclic voltammetry. Additionally, solubility tests, TGA analysis and NMR were performed to evaluate the CdSe surface modification. The results showed that all quantum dots synthesized are adequate to sensitize TiO2 in photovoltaic devices. However, CdSe and CdTe quantum dots presented better quantum confinement and the exciton generated in CdSe presented the higher stability. NMR analysis provided information about the non-preferential orientation for adsorption of the ligands on the CdSe surface, meanwhile measurements of current vs. potential and incident photon current efficiency showed a weak dependence of photovoltaic device efficiency with the nature of the ligand. On the other side, the surface modification favors the solubility in solvents with different polarizabilities, including water, widening the range for applications of the quantum dots synthesized in this work.