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Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 11487 (2022) Citare questo articolo

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In questo studio, polveri di ossido di zinco (ZnO) in due diverse morfologie, nanofili (NW) e nanofiori (NF), sono state sintetizzate mediante il metodo idrotermale. L'idoneità delle nanopolveri di ZnO incontaminate come materiale fotoattivo è stata rivelata progettando dispositivi P-SC tramite il semplice metodo di fusione a goccia su substrati sia di vetro che di plastica in applicazioni su vasta area. È stato esplorato l'impatto delle proprietà fisiche e in particolare delle strutture dei difetti sulle prestazioni del fotosupercondensatore (P-SC). Sebbene l'efficienza coulombiana oscura (CE%) sia del P-SC basato su NW che su quello NF fosse molto vicina l'una all'altra, il CE% del P-SC NW è aumentato di 3 volte, mentre il CE% del P-SC NF è aumentato di 1,7 volte sotto la luce UV. Questo perché i portatori di carica prodotti sotto eccitazione luminosa prolungano il tempo di scarica e, come confermato dalle analisi di risonanza paramagnetica elettronica, fotoluminescenza e microscopia elettronica a trasmissione, le prestazioni dei P-SC realizzati con polveri NF erano relativamente basse rispetto a quelle prodotte da NW a causa degli elevati difetti del nucleo nelle polveri NF. La densità energetica di 78,1 mWh kg−1 ottenuta per i P-SC basati su NF è molto promettente e il valore di ritenzione della capacità di quasi il 100% per 3000 cicli ha mostrato che i P-SC prodotti da questi materiali erano completamente stabili. Rispetto alla letteratura, i P-SC che proponiamo in questo studio sono essenziali per i sistemi di accumulo di energia di nuova generazione, grazie alla loro facilità di progettazione, adattabilità alla produzione di massa per applicazioni su vasta area e alla loro capacità di immagazzinare più energia in condizioni di illuminazione.

Lo sviluppo di sistemi avanzati e innovativi di conversione e stoccaggio dell’energia rappresenta una parte significativa della sostituzione dei combustibili fossili con fonti energetiche pulite e rinnovabili. A questo proposito, l’energia solare è la fonte energetica più abbondante e fornisce una soluzione pratica alla domanda mondiale di energia senza emissioni di carbonio. L’energia solare offre ampie zone di applicazione tecnologica, tra cui il fotovoltaico (PV)1,2,3,4,5,6,7, la scissione fotoelettrochimica dell’acqua (PEC)8,9,10,11,12,13,14. batterie fotoelettrochimiche a flusso redox15,16,17 e fotocatalisi18,19,20,21,22. I foto-supercondensatori (P-SC) sono dispositivi di conversione/immagazzinamento di energia relativamente nuovi e suscitano un crescente interesse per i sistemi a duplice uso che generano e immagazzinano simultaneamente energia23,24,25,26,27,28,29,30. Poiché il lavoro di Miyasaka si basa sul condensatore autocaricante in grado di immagazzinare direttamente l'energia elettrica generata dalle celle solari; in letteratura sono state riportate varie integrazioni PV-SC29,31,32,33,34,35,36,37,38. Tuttavia, la maggior parte dei sistemi integrati ha sofferto della complessità di integrare due o più parti separate.

D'altra parte, i sistemi PEC e P-SC configurati a stato solido si distinguono per la facilità di progettazione e il basso costo di fabbricazione per far fronte ai materiali delle celle solari ad alto costo in termini di densità di potenza efficiente39,40. Inoltre, il P-SC allo stato solido può essere progettato in molti modi alternativi. Questi includono sistemi a tre elettrodi costituiti da un fotoelettrodo, un elettrodo di accumulo di carica e un controelettrodo; o due elettrodi in cui il fotoelettrodo e l'elettrodo accumulatore di carica alterano il meccanismo di funzionamento e le prestazioni complessive. I (foto)supercondensatori a stato solido impiegano un elettrolita gel conduttore di ioni o una membrana polimerica e possono essere progettati molto più sottili, flessibili e leggeri, che possono essere applicati in varie applicazioni come l'elettronica indossabile e portatile41.

Le proprietà critiche dei materiali degli elettrodi, come l'utilizzo del bandgap, la raccolta della luce e l'ottimizzazione del trasferimento di carica, devono essere chiarite per applicazioni diffuse dei dispositivi P-SC. È inoltre fondamentale costruire una relazione tra le prestazioni del P-SC e i parametri del materiale dell'elettrodo correlati alla struttura del difetto. Qui, miravamo a utilizzare nanostrutture di ZnO con diverse morfologie in dispositivi P-SC a stato solido sia rigidi che flessibili. Sebbene lo ZnO sia stato utilizzato come materiale per elettrodi nelle applicazioni dei supercondensatori42,43,44,45,46,47, ci sono alcuni rapporti sul P-SC a base di ZnO. Tra questi rapporti limitati, ZnO è stato utilizzato come strato di trasporto degli elettroni o per costruire fotoelettrodi a eterogiunzione39,48,49,50. Tuttavia, ZnO ha un grande potenziale in P-SC come materiale attivo alla luce UV con un ampio bandgap diretto (3,37 eV), un'eccezionale mobilità elettronica (115–155 cm2·V−1·s−1) e un considerevole eccitone energia di legame (60 meV)51. Insieme a queste proprietà elettroniche, presenta il grande vantaggio di essere compatibile con l'ambiente e di facilità di sintesi avendo varie morfologie in condizioni blande52,53. Di conseguenza, la capacità di alterare proprietà fisiche quali morfologia, dimensione, chimica della superficie e struttura dei difetti, ha spinto molti campi di applicazione a progettare nuovi dispositivi basati su ZnO.