Fullerén (C60)-TiO2 nanokompozit előállítása atomi réteg leválasztással

Justh Nóra, IV. évf. Bsc. hallgató

Témavezető: Dr. Szilágyi Imre Miklós tudományos munkatárs

BME Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék

MTA-BME Műszaki Analitikai Kémiai Kutatócsoport

A napelemek a nap energiáját használják megújuló energiaforrásként elektromos energia termelésére. Az újabb generációs szerves napelemekben előszeretettel alkalmazzák a fullerént (C60), mely konjugált π elektron rendszere révén jelentős akceptor, és segít a szerves félvezetőben a fény hatására keletkezett elektronok és pozitív lyukak töltésszétválasztásában. A festékkel érzékenyített napelemek központi félvezető anyaga a TiO2. Néhány példa már van arra, hogy C60-TiO2 kompozit rendszert alkalmaztak napelemekben. TiO2 nanofilmek és nanoszemcsék vastagságát nm pontossággal lehet szabályozni atomi réteg leválasztással (atomic layer deposition - ALD), ami egy gázfázisú vékonyfilm növesztési módszer. ALD-vel már sikeresen növesztettek filmet a szén nanostruktúrák közül szénnanocsövekre és grafénre, de fullerénre még nem.

TDK munkám során tiszta fullerén molekulából indultunk ki, melyet először funkcionalizálni kellett OH csoportokkal, hogy megfelelő nukleációs helyek legyenek az inert szén felületen az ALD reakcióhoz. Ehhez a C60-at tömény kénsav/salétromsav elegyben 120 °C főztük 6 órán át, majd desztillált vízzel semleges pH-ig mostuk először, utána pedig 0,1 M NaOH oldattal. Ezt követően [Ti(OC3H7)4] és H2O prekurzorokból TiO2-t választottunk le a C60-OH mintára ALD-vel 80°C és 160°C-on. Az alacsony hőmérsékletet az OH csoportok hőérzékenysége indokolta. A két prekurzor esetén a pulzus és öblítési idők 0,5 s/30 s és 0,5 s/90 s voltak. Mindkét leválasztásnál 80 ALD ciklust alkalmaztunk, ami kb. 1,5 nm-es TiO2 filmvastagságot jelent.

A funkcionalizálást és az ALD reakciót TG/DTA-MS, FTIR, XRD, SEM-EDX és TEM mérésekkel követtük nyomon. A savas oldattal kezelt és a vízzel mosott C60 mintánál az FTIR és a termoanalitikai mérés nem mutatta OH csoportok jelenlétét, de TG-DTA-MS méréssel SO3 távozását észleltük. Az FTIR és TG/DTA-MS mérések a NaOH-val mosott minta esetén már sikeres OH funkcionalizálást mutattak. Feltételezhetően az OH funkciós csoportok az SO3-H csoporton át alakultak ki a C60 felületén a NaOH hatására. A termikus mérésekből az is kiderült, hogy a C60-on lévő OH csoportok érzékenyek a hőmérsékletre és 80-300 °C között szakadtak le folyamatosan.

Az EDX elemanalízis kimutatta, hogy a C60-TiO2 mintában található titán és oxigén is, ami sikeres ALD reakcióra utalt. Az is kiderült, hogy 80°C-on több TiO2 nőtt a C60-ra, mivel 160 °C-on az OH csoportok egy része már leszakadt a C60-ról. A fullerén Raman csúcsainak megfelelő eltolódása is a TiO2 jelenlétére utalt. Végül összehasonlítottuk a C60 és C60-TiO2 fotovoltaikus tulajdonságait, és ezzel vizsgáltuk a kompozit napelemekben való alkalmazhatóságát.

szerző

Justh Nóra
vegyészmérnöki
nappali

konzulens

Dr. Szilágyi Imre Miklós
egyetemi docens, Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék