High-resolution TEM characterization of ZnO core-shell nanowires for dye-sensitized solar cells

Recently ZnO nanowire films have been used in very promising and inexpensive dye-sensitized solar cells (DSSC). It was found that the performance of the devices can be enhanced by functionalising the nanowires with a thin metal oxide coating. This nm-scale shell is believed to tailor the electronic structure of the nanowire, and help the absorption of the dye. Core-shell ZnO nanowire structures are synthesised at low temperature (below 120°C) by consecutive hydrothermal growth steps. Different materials are investigated for the coating, including Mg, Al, Cs and Zr oxides. High resolution TEM is used to characterise the quality of both the nanowire core and the shell, and to monitor the thickness and the degree of crystallisation of the oxide coating. The interface between the nanowire core and the outer shell is investigated in order to understand the adhesion of the coating, and give valuable feedback for the synthesis process. Nanowire films are packaged into dye-sensitised solar cell prototypes; samples coated with ZrO2 and MgO show the largest enhancement in the photocurrent and open-circuit voltage and look very promising for further improvement. © 2010 IOP Publishing Ltd.

Adsorption of human serum albumin onto gold: a combined electrochemical and ellipsometric study

Human serum albumin adsorption onto gold surfaces was investigated by electrochemical and ellipsometric methods. Albumin adsorption onto gold was confirmed by the change of the open circuit potential of gold and by the ellipsometric parameter variation during albumin immobilization. In both experiments the parameters reached stable values within 10-15 min. The albumin adsorption layer thickness measured with the ellipsometer was about 1.5 nm. The adsorption of albumin Under applied potential was also investigated and it was found that both positive and negative applied potential promote albumin adsorption. Changes in the optical parameters of bare gold and albumin adsorbed onto gold surface under applied potential were investigated with in Situ ellipsometry. The similarity and reversibility of the optical changes showed that adsorbed albumin was stable on the gold surface Under the applied potential range (-200-600 mV). The cyclic voltammograms of K3Fe(CN)(6) on the modified gold surface showed that albumin Could partly block the oxidation and reduction reaction. (C) 2004 Elsevier Inc. All rights reserved.

Quantum Efficiency And Temperature Coefficients Of Gainp/Gaas Dual-Junction Solar Cell

GaInP/GaAs dual-junction solar cell with a conversion efficiency of 25.2% has been fabricated using metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) technique. Quantum efficiencies of the solar cell were measured within a temperature range from 25 to 160A degrees C. The results indicate that the quantum efficiencies of the subcells increase slightly with the increasing temperature. And red-shift phenomena of absorption limit for all subcells are observed by increasing the cell's work temperature, which are consistent with the viewpoint of energy gap narrowing effect. The short-circuit current density temperature coefficients dJ (sc)/dT of GaInP subcell and GaAs subcell are determined to be 8.9 and 7.4 mu A/cm(2)/A degrees C from the quantum efficiency data, respectively. And the open-circuit cell voltage temperature coefficients dV (oc)/dT calculated based on a theoretical equation are -2.4 mV/A degrees C and -2.1 mV/A degrees C for GaInP subcell and GaAs subcell.

Parylene-C as a new piezoelectric material

The goal of this thesis is to develop a proper microelectromechanical systems (MEMS) process to manufacture piezoelectric Parylene-C (PA-C), which is famous for its chemical inertness, mechanical and thermal properties and electrical insulation. Furthermore, piezoelectric PA-C is used to build miniature, inexpensive, non-biased piezoelectric microphones.

These piezoelectric PA-C MEMS microphones are to be used in any application where a conventional piezoelectric and electret microphone can be used, such as in cell phones and hearing aids. However, they have the advantage of a simplified fabrication process compared with existing technology. In addition, as a piezoelectric polymer, PA-C has varieties of applications due to its low dielectric constant, low elastic stiffness, low density, high voltage sensitivity, high temperature stability and low acoustic and mechanical impedance. Furthermore, PA-C is an FDA approved biocompatible material and is able to maintain operate at a high temperature.

To accomplish piezoelectric PA-C, a MEMS-compatible poling technology has been developed. The PA-C film is poled by applying electrical field during heating. The piezoelectric coefficient, -3.75pC/N, is obtained without film stretching.

The millimeter-scale piezoelectric PA-C microphone is fabricated with an in-plane spiral arrangement of two electrodes. The dynamic range is from less than 30 dB to above 110 dB SPL (referenced 20 µPa) and the open-circuit sensitivities are from 0.001 – 0.11 mV/Pa over a frequency range of 1 - 10 kHz. The total harmonic distortion of the device is less than 20% at 110 dB SPL and 1 kHz.

Wire array photovoltaics

Over the past five years, the cost of solar panels has dropped drastically and, in concert, the number of installed modules has risen exponentially. However, solar electricity is still more than twice as expensive as electricity from a natural gas plant. Fortunately, wire array solar cells have emerged as a promising technology for further lowering the cost of solar.

Si wire array solar cells are formed with a unique, low cost growth method and use 100 times less material than conventional Si cells. The wires can be embedded in a transparent, flexible polymer to create a free-standing array that can be rolled up for easy installation in a variety of form factors. Furthermore, by incorporating multijunctions into the wire morphology, higher efficiencies can be achieved while taking advantage of the unique defect relaxation pathways afforded by the 3D wire geometry.

The work in this thesis shepherded Si wires from undoped arrays to flexible, functional large area devices and laid the groundwork for multijunction wire array cells. Fabrication techniques were developed to turn intrinsic Si wires into full p-n junctions and the wires were passivated with a-Si:H and a-SiNx:H. Single wire devices yielded open circuit voltages of 600 mV and efficiencies of 9%. The arrays were then embedded in a polymer and contacted with a transparent, flexible, Ni nanoparticle and Ag nanowire top contact. The contact connected >99% of the wires in parallel and yielded flexible, substrate free solar cells featuring hundreds of thousands of wires.

Building on the success of the Si wire arrays, GaP was epitaxially grown on the material to create heterostructures for photoelectrochemistry. These cells were limited by low absorption in the GaP due to its indirect bandgap, and poor current collection due to a diffusion length of only 80 nm. However, GaAsP on SiGe offers a superior combination of materials, and wire architectures based on these semiconductors were investigated for multijunction arrays. These devices offer potential efficiencies of 34%, as demonstrated through an analytical model and optoelectronic simulations. SiGe and Ge wires were fabricated via chemical-vapor deposition and reactive ion etching. GaAs was then grown on these substrates at the National Renewable Energy Lab and yielded ns lifetime components, as required for achieving high efficiency devices.

Cu2O substrates and epitaxial Cu2O/ZnO thin film hetero-structures for solar energy conversion

Future fossil fuel scarcity and environmental degradation have demonstrated the need for renewable, low-carbon sources of energy to power an increasingly industrialized world. Solar energy with its infinite supply makes it an extraordinary resource that should not go unused. However with current materials, adoption is limited by cost and so a paradigm shift must occur to get everyone on the same page embracing solar technology. Cuprous Oxide (Cu2O) is a promising earth abundant material that can be a great alternative to traditional thin-film photovoltaic materials like CIGS, CdTe, etc. We have prepared Cu2O bulk substrates by the thermal oxidation of copper foils as well Cu2O thin films deposited via plasma-assisted Molecular Beam Epitaxy. From preliminary Hall measurements it was determined that Cu2O would need to be doped extrinsically. This was further confirmed by simulations of ZnO/Cu2O heterojunctions. A cyclic interdependence between, defect concentration, minority carrier lifetime, film thickness, and carrier concentration manifests itself a primary reason for why efficiencies greater than 4% has yet to be realized. Our growth methodology for our thin-film heterostructures allow precise control of the number of defects that incorporate into our film during both equilibrium and nonequilibrium growth. We also report process flow/device design/fabrication techniques in order to create a device. A typical device without any optimizations exhibited open-circuit voltages Voc, values in excess 500mV; nearly 18% greater than previous solid state devices.

Caracterização metalúrgica de juntas de aço inoxidável superduplex soldadas por processo TIG autógeno

Os aços inoxidáveis do tipo duplex possuem grande importância na indústria, principalmente na do petróleo e gás natural, por apresentarem elevada resistência mecânica e excelente resistência à corrosão. Caracterizam-se por apresentar estrutura bifásica, constituída de proporções praticamente iguais de ferrita e austenita. O presente trabalho caracterizou juntas soldadas por TIG autógeno de aço inoxidável duplex UNS S32760. Foram confeccionados quatro grupos de amostras, provenientes da variação da corrente de soldagem e consequentemente do aporte térmico (corrente de pico: 25A e 40A - aporte térmico: 0,12KJ/mm e 0,19KJ/mm) e da composição do gás de proteção (argônio puro ou argônio contendo 2,5% nitrogênio). Foram utilizadas técnicas de caracterização por metalografia colorida, análise e processamento digital de imagens, ensaios de microdureza Vickers. Para avaliar a resistência à corrosão foram realizados ensaios de potencial em circuito aberto com solução de cloreto férrico (FeCl3) e eletrodo de referência de calomelano saturado. A análise quantitativa das fases ferrita e austenita presentes nas juntas soldadas mostrou que a adição de nitrogênio no gás de proteção favoreceu a formação da fase austenita, variando de 11% (sem nitrogênio) para 26% (com nitrogênio) a quantidade desta fase. Em uma análise qualitativa a variação do aporte térmico: 0,12KJ/mm para 0,19KJ/mm resultou no aumento do tamanho de grãos da fase ferrita.

Corrosão dos aços UNS S30400 e 31600 em meios simuladores de poros de concreto

Com o objetivo de investigar a influência que o molibdênio exerce nas propriedades das camadas passivas das armaduras de aços austeníticos, barras redondas dos aços UNS S30400 e 31600 foram submetidas à ação de soluções que simulam as que são encontradas nos poros de concreto. Para caracterizar o efeito do molibdênio na resistência daqueles aços à corrosão por pites, foram conduzidos ensaios de circuito aberto, polarização anódica, espectroscopia de impedância eletroquímica, análise de Mott-Schottky, tração em baixa taxa de deformação e análise das superfícies por microscopias óptica e eletrônica de varredura. Os resultados obtidos demonstram que, de uma forma geral, o aço UNS S30400 (sem molibdênio) apresentou maior resistência à corrosão localizada que o UNS S31600 (2% de Mo) nas soluções alcalinas cloretadas naturalmente aeradas, comportamento este inverso ao que se observa nos mesmos materiais quando submetidos a soluções cloretadas neutras ou ácidas.

Um esquema de Fourier local para análise tempo-frequência de sinais não-estacionários aplicado a ruído eletroquímico

Sinais diversos estão presentes em nosso cotidiano, assim como nas medidas realizadas nas atividades de ciência e tecnologia. Dentre estes sinais, tem grande importância tecnológica aqueles associados à corrosão de estruturas metálicas. Assim, esta tese propõe o estudo de um esquema local de transformada de Fourier janelada, com a janela variando em função da curtose, aplicada a sinais de ruído eletroquímico. A curtose foi avaliada nos domínios do tempo e da frequência e processada pelo programa desenvolvido para esse fim. O esquema foi aplicado a sinais de ruído eletroquímico dos aços UNS S31600, UNS G10200 e UNS S32750 imersos em três soluções: FeCl3 0,1 mol=L (cloreto férrico), H2SO4 5%(ácido sulfúrico) e NaOH 0,1%(hidróxido de sódio). Para os aços inoxidáveis, estas soluções promovem corrosão localizada, uniforme e passivação, respectivamente. Visando testar o desempenho do esquema de Fourier desenvolvido, testes foram realizados utilizando-se inicialmente sinais sintéticos e em seguida sinais de ruído eletroquímico. Notou-se que os sinais têm características de não-estacionaridade e a maior parte da energia está presente em baixa frequência. Os intervalos de tempo e de frequência onde se concentra a maior parte da energia do sinal foram correlacionados. Para os picos máximos dos sinais de potencial e corrente obtidos de amperimetria de resistência nula, a correlação entre eles foi baixa, independente da forma de corrosão presente. Conclui-se que o método se adaptou bastante bem às características locais do sinal eletroquímico permitindo o monitoramento dos espectros tempo-frequência. O fato de ser sensível às características locais do sinal permite analisar aspectos dos sinais que do modo clássico não podem ser diretamente processados. O método da transformada de Fourier janelada variável (Variable Short-Time Fourier Transform - VSTFT) adaptou-se muito bem no monitoramento dos sinais originados de potencial de circuito aberto e amperimetria de resistência nula.

Comportamento tribocorrosivo do aço inoxidável e de ligas de titânio em meio salino

No presente trabalho, foram realizados ensaios de tribocorrosão no aço inoxidável AISI 304L, no titânio comercialmente puro (CPTi) e na liga de titânio Ti6Al4V em solução aquosa de 0,90% m/v NaCl. Amostras de ligas de titânio com tratamento térmico superficial de refusão a laser também foram utilizadas. Um tribômetro do tipo pino-no-disco com contracorpo de alumina foi usado. Técnicas eletroquímicas in situ de monitoramento em circuito aberto, espectroscopia de impedância eletroquímica, curvas de polarização e amperimetria de resistência nula foram empregadas. Os resultados obtidos indicam que o desgaste tribocorrosivo das ligas de titânio é mais intenso do que o observado no aço inoxidável, apresentando perfis de superfície mais irregulares. A análise da impedância eletroquímica mostrou que todos os materiais utilizados apresentam uma rápida recuperação da camada passiva, exibindo módulos e fases um pouco menores do que os medidos antes do desgaste. Sob atrito, os diagramas de impedância apresentam uma forte redução do módulo. Sob desgaste, o expoente α do elemento de fase constante (CPE) atinge seu valor mais baixo, enquanto o parâmetro γ é máximo. As curvas de polarização exibem potenciais menores e densidades de corrente de corrosão maiores durante o desgaste. O tratamento de refusão a laser, embora mude a microestrutura e a dureza superficial das amostras, não indica uma mudança aparente nos parâmetros eletroquímicos sob tribocorrosão, bem como do coeficiente de atrito. Nos ensaios de amperimetria de resistência nula, foi possível estimar a corrente mensurada no ARN por meio do emprego de um circuito elétrico equivalente. A densidade espectral de potência dos sinais de potencial e de corrente exibe a frequência de rotação (1,25 Hz) e seus harmônicos. Para baixas frequências (abaixo de 10 mHz), o decaimento obedece à relação 1 ⁄ e 1⁄ para os sinais de potencial e corrente, respectivamente.

Análise tribológica na interface aço carbono SAE 1020 e poliamida 11 em sistemas de deslizamento automotivos

Sistemas deslizantes com interface formada com aços baixa liga e polímeros variados são vastamente utilizados na indústria automotiva em sistemas de transmissão de torque submetidas à carregamento axial. Geralmente esses sistemas são acoplados aos sistemas de direção e interagem quase diretamente com o usuário final do veículo. Para conhecer as condições de desgaste mais severas as quais esses sistemas são submetidos e tentar minimiza-las, foi proposta a análise tribológica, em tribômetro do tipo pino-no-disco, da interface aço SAE 1020 com poliamida 11 em água destilada, solução aquosa com 5% em massa de cloreto de sódio e solução aquosa com 184,21 g/l. de areia natural, de acordo com as normas técnicas automotivas VW PV1210:2010-02 e VW PV2982:2013-07. Os ensaios foram realizados em frequências de 3,0 Hz e 1,5 Hz com quantidade fixada em 10.000 ciclos de rotação. O potencial de corrosão em circuito aberto foi monitorado ao longo dos ensaios e a taxa de desgaste foi calculada. Foram evidenciados maiores coeficientes de atrito, maiores taxas de desgaste e maiores amplitudes de potencial de corrosão nas amostras ensaiadas em solução de areia; com valores mais brandos para as amostras ensaiadas em água destilada e valores intermediários para as amostras ensaiadas em solução de cloreto de sódio.

Desenvolvimento de revestimentos de óxidos mistos nanoestruturados de TiO2/Al2O3 em substratos metálicos de aço AISI 1020 e estudo das propriedades anticorrosivas

Sóis liofilizados precursores de Al2O3/TiO2, foram preparados via tecnologia sol-gel, com diferentes porcentagens de óxido de titânio (5%, 10%, 15% e 20%, em massa). Os sóis liofilizados foram caracterizados por meio de diversas análises, com o intuito de obter informações sobre o comportamento térmico, fases presentes, tamanho de partícula, composição e uniformidade das amostras. Os resultados obtidos indicam que os sóis apresentam as fases boemita e anatase, com partículas de tamanho nanométrico, tem composições muito similares quando analisadas em pontos distintos, átomos bem dispersos e distribuídos. Após esta etapa, amostras de aço AISI 1020 foram recobertas com estes sóis através do método dip-coating, o comportamento corrosivo foi estudado por meio de ensaios eletroquímicos e a morfologia das camadas, analisadas por meio de microscopias. Observou-se que as camadas eram uniformes e recobriam por completo toda a superfície das amostras, os ensaios de polarização indicaram melhorias no potencial eletroquímico para amostras recobertas, em comparação com amostras de aço sem recobrimento. O monitoramento de circuito aberto apresentou bons ajustes, indicando bom comportamento da camada. Notou-se pelas microscopias a presença de pontos de corrosão em algumas amostras antes dos ensaios, suspeitando-se que os resultados obtidos teriam sido melhores, caso houvesse um maior controle do processo de recobrimento.

Photovoltaic measurements in carbon nanotube - Amorphous silicon core/shell nanowire

Carbon nanotube is one of the promising materials for exploring new concepts in solar energy conversion and photon detection. Here, we report the first experimental realization of a single core/shell nanowire photovoltaic device (2-4μm) based on carbon nanotube and amorphous silicon. Specifically, a multi-walled carbon nanotube (MWNTs) was utilized as the metallic core, on which n-type and intrinsic amorphous silicon layers were coated. A Schottky junction was formed by sputtering a transparent conducting indium-tin-oxide layer to wrap the outer shell of the device. The single coaxial nanowire device showed typical diode ratifying properties with turn-on voltage around 1V and a rectification ratio of 104 when biased at ±2V. Under illumination, it gave an open circuit voltage of ∼0.26V. Our study has shown a simple and useful platform for gaining insight into nanowire charge transport and collection properties. Fundamental studies of such nanowire device are important for improving the efficiency of future nanowire solar cells or photo detectors. © 2012 IEEE.

Photovoltaic effects in InGaN structures with p-n junctions

InGaN photovoltaic structures with p-n junctions have been fabricated by metal organic chemical vapour deposition. Using double-crystal X-ray diffraction measurements, it was found that the room temperature band gaps of p-InGaN and n-InGaN films were 2.7 and 2.8 eV, respectively. Values of 3.4 x 10(-2) mA cm(-2) short-circuit current, 0.43 V open-circuit voltage and 0.57 fill factor have been achieved under ultraviolet illumination (360 nm), which were related to p-n junction connected back-to-back with a Schottky barrier and many defects of the p-InGaN film. 2007 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

Substantial photo-response of InGaN p-i-n homojunction solar cells

InGaN p-i-n homojunction structures were grown by metal-organic chemical vapor deposition, and solar cells with different p-contact schemes were fabricated. X-ray diffraction measurements demonstrated that the epitaxial layers have a high crystalline quality. Solar cells with semitransparent p-contact exhibited a fill factor (FF) of 69.4%, an open-circuit voltage (V-oc) of 2.24 V and an external quantum efficiency (EQE) of 41.0%. On the other hand, devices with grid p-contact showed the corresponding values of 57.6%, 2.36 V, 47.9% and a higher power density. These results indicate that significant photo-responses can be achieved in InGaN p-i-n solar cells.