Влияние плазмонного эффекта на сенсибилизацию диоксида титана молекулами красителей
DOI:
https://doi.org/10.31489/2024No1/49-56Ключевые слова:
полупроводник, краситель, наноструктура ядро-оболочка, плазмонный эффект, перенос заряда, сенсибилизацияАннотация
Изучено влияние плазмонногоэффекта металлических наночастиц на перенос электрона от красителей эозин и родамин Б к TiO2. Спектрально-кинетические измерения показали, что по сравнению с SiO2 на поверхности TiO2 уменьшается не только интенсивность, но и длительность флуоресценции обоих красителей, что свидетельствует о передаче заряда от красителя к полупроводнику. В присутствии плазмонных наноструктур ядро@оболочка (Ag@TiO2) наблюдается интенсификация быстрой флуоресценции, а также сокращение длительности свечения красителей. Оптимальной концентрацией, для которой был зарегистрирован максимальный плазмонный эффект является 3 мас% Ag@TiO2. Плазмонный эффект также приводит к увеличению эффективности сенсибилизации полупроводника молекулами исследуемых красителей, что выражается в росте фотовольтаических и зарядо-транспортных характеристик исследуемых полупроводниковых пленок. Полученные результаты могут быть использованы при разработке устройств для фотовольтаики, фотокаталитических и оптоэлектронных элементов.
Библиографические ссылки
Pourasl H.H., Barenji R.V., Khojastehnezhad V.M. Solar energy status in the world: A comprehensive review. Energy Reports, 2023, Vol. 10, pp. 3474 – 3493. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2023.10.022
Chiarello G.L., Dozzi M.V., Selli E. TiO2–based materials for photocatalytic hydrogen production. Journal of Energy Chemistry. 2017, Vol. 26(2), pp. 250–258. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2017.02.005
Ibrayev N., Seliverstova E., Aimukhanov A., Serikov T. Role of energy transfer in conversion of light to electric energy. Molecular Crystals and Liquid Crystals. 2014, Vol. 589, pp. 202 – 208. https://doi.org/10.1080/15421406.2013.872827
Sun X.Y., Wang C.Y., Su D.W., Wang G., Yunhao Z. Application of photocatalytic materials in sensors. Advanced Materials Technologies, 2020, Vol. 5, рр.1900993. https://doi.org/10.1002/admt.201900993
Tong H, Ouyang S.X., Bi Y.P., Umezawa N., Oshikiri M., Ye J. Nano-photocatalytic materials: possibilities and challenges. Advanced Materials. 2012, Vol. 24, рр. 229 – 251. https://doi.org/10.1002/adma.201102752
Clifford J.N., Martínez–Ferrero E., Viterisi A., Palomares E. Sensitizer molecular structure–device efficiency relationship in dye sensitized solar cells. Chemical Society Reviews. 2011, Vol. 40(3), рр. 1635 – 1646. https://doi.org/10.1039/B920664G
Ardo S., Meyer G.J. Photo-driven heterogeneous charge transfer with transition–metal compounds anchored to TiO2 semiconductor surfaces. Chemical Society Reviews. 2009, Vol. 38(1), рр. 115-164. https://doi.org/10.1039/B804321N
Haque S.A., Palomares E., Cho B.M., Green A. N. M., Hirata N., Klug D. R., Durrant, J. R. Charge separation versus recombination in dye–sensitized nanocrystalline solar cells: the minimization of kinetic redundancy. Journal of the American Chemical Society. 2005, Vol. 127(10), рр. 3456 – 3462. https://doi.org/10.1021/ja0460357
Anderson N.A., Lian T.Q. Ultrafast electron transfer at the molecule–semiconductor nanoparticle interface. Annual Review of Physical Chemistry. 2005, Vol. 56(1), рр. 491–519. https://doi.org/10.1146/annurev.physchem.55.091602.094347
Regan B.O., Grätzel M. A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye sensitized colloidal TiO2 films. Nature. 1991, Vol. 353(6346), рр. 737 – 740. https://doi.org/10.1038/353737a0
Hagfeldt A., Boschloo G., Sun L., Kloo L., Pettersson H. Dye-sensitized solar cells. Chemical Reviews, 2010, Vol. 110(11), рр.6595 – 6663. https://doi.org/10.1021/cr900356p
Listorti A., O’Regan B., Durrant J. R. Electron transfer dynamics in dye sensitized solar cells. Chemistry of Materials. 2011, Vol. 23, рp. 3381. https://doi.org/10.1021/cm200651e
Wang J., Liu K., Ma L., Zhan X. Triarylamine: Versatile platform for organic, dye-sensitized, and perovskite solar cells. Chemical Reviews. 2016, Vol. 116(23), рр. 14675 – 14725. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00432
Zhou N., López-Puente V., Wang Q., Polavarapu L., Pastoriza-Santos I., Xu Q.-H. Plasmon-enhanced light harvesting: applications in enhanced photocatalysis, photodynamic therapy and photovoltaics. RSC Advances. 2015, Vol. 5, pp. 29076-29097. https://doi.org/10.1039/C5RA01819F
Adnan A., Fedwa E., Anirban M., Brahim A. Research progress of plasmonic nanostructure-enhanced photovoltaic solar cells. Nanomaterials. 2022, Vol. 12(5), рр. 788. https://doi.org/10.3390/nano12050788
Ibrayev N., Omarova G., Seliverstova E., Ishchenko A., Nuraje N. Plasmonic effect of Ag nanoparticles on polymethine dyes sensitized titanium dioxide. Engineered Science. 2021, Vol. 14, рр. 69 – 77. https://doi.org/10.30919/es8d1168
Jiang N., Zhuo X., Wang J. Active plasmonics: principles, structures and applications. Chemical Reviews, 2018, Vol. 118(6), рр. 3054 – 3099. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.7b00252
Biswas C, Ahmed S., Santosh S., Kumar R.S.S. Ultrafast electron injection kinetics and effect of plasmonic silver nanoparticle at organic dye-TiO2 interface. Asian Journal of Physics. 2021, Vol. 30(6), рр. 933 – 945. https://doi.org/10.54955/AJP.30.6.2021.933-945
Geddes C.D., Lakowicz J.R. Metal–enhanced fluorescence. Journal of Fluorescence, 2002, Vol. 12, рр. 121 – 129. https://doi.org/10.1023/A:1016875709579
Maier S.A. Plasmonics fundamentals and applications. NY, Springer, 2007, 209p. https://doi.org/10.1007/0-387-37825-1
Zhang B., Zhao Y., Liang W. Collaborative effect of plasmon-induced resonance energy and electron transfer on the interfacial electron injection dynamics of dye-sensitized solar cell. The Journal of Chemical Physics.2019, Vol.151(4), рр. 044702. https://doi.org/10.1063/1.5111601
Yang M., Moroz P., Jin Z., Budkina D. S., Sundrani N., Porotnikov D., Zamkov M. Delayed photoluminescence in metal-conjugated fluorophores. Journal of the American Chemical Society, 2019, Vol. 141(28), рр. 11286 – 11297. https://doi.org/10.1021/jacs.9b04697
Afanasyev D.A., Ibrayev N.Kh., Serikov T.M., Zeinidenov A.K. Effect of the titanium dioxide shell on the plasmon properties of silver nanoparticles. Russian Journal of Physical Chemistry A. 2016, Vol. 90(4), рр. 833 – 837. https://doi.org/10.1134/S0036024416040026
Becker W. The BH TCSPC e-Handbook, 2023. https://www.becker-hickl.com/literature/documents/flim/the-bh-tcspc-handbook
Ibrayev N.Kh., Seliverstova E. V., Valiev R. R., Kanapina A. E., Ishchenko A. A., Kulinich A. V., Kurten T., Sundholm D. Influence of plasmons on the luminescence properties of solvatochromicmerocyanine dyes with different solvatochromism. Physical Chemistry Chemical Physics. 2023, Vol. 25, рр. 22851 – 22861. https://doi.org/10.1039/D3CP03029F
Kanapina A.E., Seliverstova E.V., Ibrayev N.K., Derevyanko N.A., Ishchenko A.A. Features of the decay of excited states of ionic dyes in the near field of metal nanoparticles. Eurasian Physical Technical Journal. 2023, Vol. 20, No. 2(44), рр. 106 – 111. https://doi.org/10.31489/2023NO2/106-111
Ibrayev N.Kh., Seliverstova E.V., Omarova G.S., Derevyanko N.A., Khamza T., Photovoltaic properties of functionalized indodicarbocyanine dye. Eurasian Physical Technical Journal, 2022, Vol. 19(3), рр. 55–59. https://doi.org/10.31489/2022No3/55-59
Ito S., Murakami T.N., Comte P., Liska P., Grätzel C., Nazeeruddin M.K., Grätzel M. Fabrication of thin film dye sensitized solar cells with solar to electric power conversion efficiency over 10%. Thin Solid Films, 2008, Vol.516(14), рр. 4613 – 4619. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2007.05.090
Yang C.C., Zhang H., Zheng Y. DSSC with a novel Pt counter electrodes using pulsed electroplating techniques. Current Applied Physic. 2011, Vol. 11, pp. S147-S153. https://doi.org/10.1016/j.cap.2010.11.012
Bisquert J., Garcia-Belmonte G., Fabregat-Santiago F., Bueno P.R. Theoretical models for ac impedance of finite diffusion layers exhibiting low frequency dispersion. Journal of Electroanalytical Chemistry. 1999, Vol. 475, рр.152 – 63. https://doi.org/10.1016/S0022-0728(99)00346-0
Zhang F., Shi F., Ma W., Gao F., Jiao Ya. Controlling adsorption structure of Eosin Y dye on nanocrystalline TiO2 films for improved photovoltaic performances. The Journal of Physical Chemistry C, 2013, Vol. 117. рр. 14659 – 14666. https://doi.org/10.1021/jp404439p
Kim H., Do–Hyun L., Son Y. Electrochemical study on Rhodamine 6G–indole, based dye for HOMO and LUMO energy levels. Textile Coloration and Finishing. 2013, Vol.25(1), рр. 83 – 88. https://doi.org/10.5764/TCF.2013.25.1.7
Seliverstova E., Ibrayev N., Omarova G., Ishchenko A., Kucherenko M. Competitive influence of the plasmon effect and energy transfer between chromophores and Ag nanoparticles on the fluorescent properties of indopolycarbocyanine dyes. Journal of Luminescence. 2021, Vol. 235, р. 118000. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2021.118000
