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Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 11487 (2022) Citar este artigo

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Uma correção do autor para este artigo foi publicada em 25 de maio de 2023

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Neste estudo, pós de óxido de zinco (ZnO) em duas morfologias diferentes, nanofio (NW) e nanoflor (NF), foram sintetizados pelo método hidrotérmico. A elegibilidade dos nanopós de ZnO puros como um material fotoativo foi revelada ao projetar dispositivos P-SC por meio do método fácil de fundição em substratos de vidro e plástico em aplicações de grandes áreas. O impacto das propriedades físicas e especialmente das estruturas defeituosas no desempenho do fotosupercapacitor (P-SC) foi explorado. Embora a eficiência coulômbica escura (CE%) de ambos os P-SC baseados em NW e NF fossem muito próximas uma da outra, o CE% de NW P-SC aumentou 3 vezes, enquanto o CE% de NF P-SC aumentou 1,7 vezes sob a luz ultravioleta. Isso ocorre porque os portadores de carga produzidos sob excitação de luz estendem o tempo de descarga e, conforme confirmado por ressonância paramagnética eletrônica, fotoluminescência e análises de microscopia eletrônica de transmissão, o desempenho de P-SCs feitos de pós NF foi relativamente baixo em comparação com aqueles produzidos a partir de NW devido aos altos defeitos do núcleo em pós de NF. A densidade de energia de 78,1 mWh kg−1 obtida para P-SCs baseados em NF é muito promissora, e o valor de retenção de capacitância de quase 100% para 3000 ciclos mostrou que os P-SCs produzidos a partir desses materiais eram totalmente estáveis. Em comparação com a literatura, os P-SCs que propomos neste estudo são essenciais para sistemas de armazenamento de energia de nova geração, graças à sua facilidade de design, adaptabilidade à produção em massa para aplicações em grandes áreas e capacidade de armazenar mais energia sob iluminação.

O desenvolvimento de sistemas avançados e inovadores de conversão e armazenamento de energia é uma parte significativa da substituição de combustíveis fósseis por fontes de energia limpas e renováveis. Nesse sentido, a energia solar é a fonte de energia mais abundante, fornecendo uma solução prática para a demanda mundial de energia livre de carbono. A energia solar oferece amplas zonas de aplicação tecnológica, incluindo fotovoltaica (PV)1,2,3,4,5,6,7, separação fotoeletroquímica da água (PEC)8,9,10,11,12,13,14. baterias fotoeletroquímicas de fluxo redox15,16,17 e fotocatálise18,19,20,21,22. Os fotosupercapacitores (P-SC) são dispositivos de conversão/armazenamento de energia relativamente novos e têm um interesse crescente em sistemas de uso duplo que geram e armazenam energia simultaneamente23,24,25,26,27,28,29,30. Já que o trabalho de Miyasaka se baseia no capacitor autocarregável que pode armazenar diretamente a energia elétrica gerada pelas células solares; várias integrações PV-SC foram relatadas na literatura29,31,32,33,34,35,36,37,38. No entanto, a maioria dos sistemas integrados sofreu com a complexidade de integrar duas ou mais partes separadas.

Por outro lado, os sistemas PEC e P-SC configurados em estado sólido se destacam pela facilidade de design e fabricação de baixo custo para lidar com materiais de células solares de alto custo em termos de densidade de energia eficiente39,40. Além disso, o P-SC de estado sólido pode ser projetado de várias maneiras alternativas. Estes incluem sistemas de três eletrodos que consistem em um fotoeletrodo, um eletrodo de armazenamento de carga e um contraeletrodo; ou dois eletrodos nos quais o fotoeletrodo e o eletrodo de armazenamento de carga alteram o mecanismo de trabalho, bem como o desempenho geral. Supercapacitores de estado sólido (foto) empregam um eletrólito de gel condutor de íons ou membrana de polímero e podem ser projetados muito mais finos, flexíveis e leves, que podem ser aplicados em várias aplicações, como eletrônicos vestíveis e portáteis41.

As propriedades críticas de materiais de eletrodo, como utilização de banda proibida, coleta de luz e otimização de transferência de carga, precisam ser desvendadas para aplicações generalizadas de dispositivos P-SC. Também é crítico construir uma relação entre o desempenho P-SC e os parâmetros materiais relacionados à estrutura do defeito do eletrodo. Aqui, pretendemos utilizar nanoestruturas de ZnO com diferentes morfologias em dispositivos P-SC de estado sólido rígidos e flexíveis. Embora o ZnO tenha sido usado como material de eletrodo em aplicações de supercapacitores42,43,44,45,46,47, existem alguns relatos sobre P-SC à base de ZnO. Entre esses relatos limitados, o ZnO tem sido usado como uma camada de transporte de elétrons ou para construir fotoeletrodos de heterojunção39,48,49,50. No entanto, ZnO tem um grande potencial em P-SC como um material ativo de luz ultravioleta com um bandgap amplo direto (3,37 eV), excelente mobilidade de elétrons (115–155 cm2·V−1·s−1) e um éxciton considerável energia de ligação (60 meV)51. Junto com essas propriedades eletrônicas destacadas, tem a grande vantagem de ser compatível com o meio ambiente e facilidade de síntese com diversas morfologias em condições amenas52,53. Consequentemente, a capacidade na alteração de propriedades físicas, como morfologia, tamanho, química de superfície e estrutura de defeitos, levou muitos campos de aplicação a projetar novos dispositivos baseados em ZnO.