Повышение эффективности перовскитных солнечных элементов с Er3+-Yb3+-Li+ три-допированным TiO2 апконверсионным слоем

Аннотация

Мы изготовили Er³⁺-Yb³⁺-Li⁺ три-допированный TiO₂ (UC-TiO₂) введением Li⁺ в Er³⁺-Yb³⁺ ко-допированный TiO₂. UC-TiO₂ демонстрирует заметно более сильную апконверсионную эмиссию, чем ко-допированный аналог. При интеграции в перовскитные солнечные элементы (ПСЭ), КПД (PCE) вырос с 14,0 % до 16,5 % — улучшение на 19 % — демонстрируя UC-TiO₂ как эффективный усилитель сбора света, расширяющий поглощение от видимого в ближний инфракрасный (БИК) диапазон.

Введение

Органолейд галогенидные перовскитные солнечные элементы привлекли значительное внимание благодаря быстрому росту эффективности, низкой стоимости и прямому фарбикации. В то время как ПСЭ теперь достигают эффективности выше 22 %, их узкая запрещенная зона ограничивает поглощение в основном UV-видимым спектром, оставляя большую часть БИК света неиспользованной.

Апконверсионные материалы, конвертирующие БИК фотоны в видимый свет, могут заполнить этот пробел. Предыдущие работы использовали β-NaYF₄, допированный Er³⁺/Yb³⁺ ионами; однако такие системы могут препятствовать электронному транспорту в TiO₂ слое. Недавние исследования показали, что три-допирование TiO₂ с Er³⁺, Yb³⁺ и Li⁺ усиливает апконверсионную эмиссию и улучшает производительность красительно-сенсибилизированных солнечных элементов. Более того, Li-допирование сообщалось как повышающее КПД ПСЭ относительно недопированного TiO₂. Эти находки мотивировали настоящее исследование Er³⁺-Yb³⁺-Li⁺ три-допированного TiO₂ в ПСЭ.

В этом исследовании мы синтезировали UC-TiO₂ добавлением Li⁺ к Er³⁺-Yb³⁺ ко-допированному TiO₂, подтвердили его усиленную апконверсионную эмиссию и включили его в мезопористые TiO₂ слои для перовскитных солнечных элементов. Полученные устройства показали 19 % увеличение КПД.

Методы

Синтез Er³⁺-Yb³⁺-Li⁺ три-допированного TiO₂

TiO₂ нанокристаллы готовили модифицированным сол-гель путем. Титан(IV) n-бутоксид (Ti(OBu)₄) сначала комплексовали с ацетилацетоном (AcAc) при комнатной температуре 1 ч под возбуждением. Смесь затем гидролизовывали добавлением изопропанола, деионизированной воды и концентрированной азотной кислоты, давая светло-желтый TiO₂ сол после 6 ч перемешивания. Er(NO₃)₃·5H₂O, Yb(NO₃)₃·5H₂O и LiNO₃ затем вводили для достижения молярного соотношения Er:Yb:Li:Ti = 0,5:10:x:100 (x = 0, 10, 15, 20, 25). Растворитель удаляли сушкой при 100 °C 8 ч, и полученный порошок калинировали при 500 °C 30 мин.

Фабрикация перовскитных солнечных элементов

Фторированный оловяной оксид (FTO) стекло последовательно очищали ацетоном, изопропанолом и этанолом, затем 15 мин UV-O₃ обработки. Компактный TiO₂ слой спин-коатировали из 0,1 М титан диизопропоксид бис(ацетилацетонат) раствора в 1-бутаноле и отжигали при 500 °C 30 мин. Мезопористый TiO₂ слой затем наносили при 4000 об/мин 30 с, затем отжиг при 100 °C (10 мин) и 500 °C (30 мин). Мезопористый слой был либо чистым коммерческим TiO₂ (30NR-D) либо смесью UC-TiO₂ сола и разбавленной TiO₂ пасты (UC-TiO₂:TiO₂ = x:100 об/об, x = 10–40).

Перовскитный предшественник, включающий PbI₂ (1,1 М), FA_I (1 М), PbBr₂ (0,22 М) и MA_Br (0,2 М) в смеси DMF/DMSO (4:1 об/об) спин-коатировали в два этапа (1000 об/мин, 10 с; 4000 об/мин, 30 с) с 200 мкл хлорбензена, добавленным во второй этап. Пленка затем отжигали при 100 °C 1 ч. CsI стоковый раствор (1,5 М в DMSO) добавляли к перовскитному предшественнику для улучшения термической стабильности. Дырочный-транспортный слой формировали спин-коатированием spiro-MeOTAD (4000 об/мин, 30 с), и 80 нм золотый электрод испаряли сверху.

Характеризация

Апконверсионная фотолюминесценция измеряли на FLS 980 E флуориметре. Структурный анализ использовал XRD (DX-2700) и XPS (THS-103, Al Ka). UV-Vis-NIR абсорбцию записывали на Varian Cary 5000 спектрофотометре. Морфологию изучали SEM (JEM-7001F). Фотоэлектрическая производительность оценивали J-V кривыми под AM 1.5 G облучением с Keithley 2440 sourcemeter. Электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS) выполняли на CHI660e рабочей станции.

Результаты и обсуждение

Рисунок 1a показывает, что UC-TiO₂ с Li содержанием x = 20 демонстрирует сильнейшую апконверсионную эмиссию под 980-нм возбуждением, с зелеными (525/545 нм) и красными (658 нм) полосами, приписываемыми Er³⁺ переходам. Увеличение Li за этот уровень снижает интенсивность эмиссии.

Повышение эффективности перовскитных солнечных элементов с Er3+-Yb3+-Li+ три-допированным TiO2 апконверсионным слоем

XRD паттерны подтверждают, что UC-TiO₂ сохраняет анатазную фазу (JCPDS 21-1272). XPS спектры (Рисунок 3) детектируют Ti 2p, Er 4d, Yb 4d и Li 1s пики, верифицируя успешное допирование.

UV-Vis-NIR абсорбция (Рисунок 4a) раскрывает выраженный хвост, расширяющийся до 1000 нм для UC-TiO₂, и Таук анализ показывает уменьшенную запрещенную зону 3,10 эВ против 3,20 эВ для коммерческого TiO₂. SEM изображения (Рисунок 5) указывают, что размер частиц (~30 нм) и морфология не меняются Li включением.

Производительность устройства (Рисунок 6a) показывает, что добавление UC-TiO₂ при 20 % об/об максимизирует КПД, растущий с 14,0 % (контроль) до 16,5 % (UC-TiO₂) — 19 % буст. Таблица 1 перечисляет ключевые фотоэлектрические параметры. Улучшенный короткозамкнутый ток (I_sc) и разомкнутое напряжение (V_oc) движут прирост эффективности.

Стационарная PL (Рисунок 7a) показывает сниженную интенсивность для перовскита на UC-TiO₂, указывая на более эффективное электронное извлечение. Временнозависимая PL (Рисунок 7b) раскрывает более короткий быстрый компонент распада (2,8 нс) и более высокую долю (98,2 %) для UC-TiO₂ устройств, подтверждая более быстрый зарядовый перенос.

EIS Найквист графики (Рисунок 8a) показывают уменьшенное последовательное сопротивление и увеличенное рекомбинационное сопротивление для UC-TiO₂ устройств, указывая на улучшенный зарядовый транспорт и подавленную рекомбинацию.

Под 980-нм отфильтрованным облучением, UC-TiO₂ устройства производят более высокий фототок (Рисунок S3), подтверждая, что апконверсионный слой эффективно конвертирует БИК фотоны в используемый видимый свет.

Зонно-диаграммный анализ (Рисунок 9) показывает, что UC-TiO₂ имеет более низкий дно зоны проводимости, чем чистый TiO₂, создавая больший оффсет с перовскитным абсорбером. Этот барьер усиливает V_oc за счет снижения обратного туннелирования носителей.

В сумме, включение UC-TiO₂ в мезопористую структуру расширяет спектральный отклик в БИК, снижает рекомбинацию и ускоряет зарядовое извлечение, вместе давая 19 % увеличение КПД.

Заключение

Три-допирование TiO₂ с Er³⁺, Yb³⁺ и Li⁺ создает UC-TiO₂, испускающий сильный апконверсионный свет. При применении к ПСЭ, UC-TiO₂ улучшает I_sc, V_oc и заполнительный фактор, повышая КПД с 14,0 % до 16,5 % (19 % усиление). Прирост производительности возникает из расширенного БИК поглощения, улучшенного зарядового транспорта и благоприятного зонного оффсета.