Оптимизация КПД перовскитных солнечных элементов размерно-контролируемыми Ag наночастицами в компактном TiO₂ слое

Аннотация

Серебряные (Ag) наночастицы (Ag NP) контролируемого размера и концентрации были включены в компактный TiO₂ слой через полиоловый синтез для повышения производительности перовскитных солнечных элементов (PSC). Рентгеновская дифракция подтвердила, что анатазная решетка TiO₂ осталась неизменной после добавления Ag, в то время как трансмиссионная электронная микроскопия раскрыла, что размер Ag NP напрямую влияет на светозахватывающую способность перовскитного поглотителя. Мы обнаружили, что 10-нм Ag NP при загрузке 1,5 моль.% (Ag:Ti) дают наивысший КПД 13,26%, обусловленный ускоренным зарядовым переносом, сниженной рекомбинацией и усиленным видимым поглощением.

Введение

Перовскитные солнечные элементы взлетели от 3,8% до 22,1% КПД за последнее десятилетие благодаря их прямой запрещенной зоне, высокой подвижности зарядов и сильным коэффициентам поглощения. В планарных архитектурах PSC компактный TiO₂ слой выступает барьером для дырок, в то время как мезопористый TiO₂ или ZrO₂ каркас обеспечивает высокоплощадной интерфейс для осаждения перовскита. Наноструктурированные металлы, особенно Ag и Au, демонстрируют локализованный поверхностный плазмонный резонанс (LSPR), который может усилить оптическое поглощение соседних полупроводников. Хотя плазмонные PSC сообщались, специфическое влияние Ag NP, встроенных в компактный TiO₂ слой, оставалось недостаточно изученным.

Методы

Ag NP диаметром 10, 30, 40 и 55 нм синтезировали восстановлением AgNO₃ в этиленгликоле с поливинилпирролидоном (PVP, K30) при 120–150 °C. Полученные коллоиды вымывали и сушили для получения монодисперсных частиц. Растворы предшественников TiO₂ (1 мл титана изопропоксида бис(75%) в 19 мл этанола) смешивали с Ag NP для достижения 0,5–2,5 моль.% соотношений Ag:Ti и перемешивали 1 ч. FTO-стекло последовательно покрывали Ag-допированным компактным TiO₂ пленкой (4000 об/мин, 20 с; 150 °C, 10 мин; 500 °C, 30 мин), затем отжигали при 500 °C 30 мин. Мезопористый TiO₂/ZrO₂ слой наносили центрифугированием 1:5 TiO₂/ZrO₂ коллоида, затем перовскитный FA₀.₄MA₀.₆PbI₃ слой (центрифугирование 1000 об/мин/10 с, 4000 об/мин/30 с; 1 мл диэтилового эфира; 100 °C, 10 мин). Углеродные контрэлектроды (30 мкм) экранной печатью и отжиг при 100 °C 30 мин.

Структурная характеристика использовала FE-РЭМ, ТЭМ, РД и XPS. Производительность устройств измеряли под AM 1.5G (100 мВт/см²) освещением, UV-Vis спектры записывали для оценки поглощения. Инцидентная фотон-электронная конверсия (IPCE) определялась с ноксевочным 300 В ксеноновым лампом.

Результаты и обсуждение

РД-паттерны TiO₂ оставались анатазными независимо от включения Ag, подтверждая структурную целостность. XPS показывал Ag 3d пики при 368,3 и 374,3 эВ, указывая на металлический Ag без химической реакции. ТЭМ-изображения подтверждали монодисперсные Ag NP и равномерную дисперсию в TiO₂ матрице.

UV-Vis спектры раскрыли, что плазмонный пик поглощения смещается от ~400 нм (10 нм NP) к ~420 нм (55 нм NP). Меньшие Ag NP демонстрировали более сильный LSPR и более высокое поглощение в видимой области, приводя к усиленному фотогенерации в перовскитном слое. По мере увеличения содержания Ag поглощение интенсифицировалось до 2,5 моль.%, но избыточная загрузка вводила зарядовые ловушки, ухудшающие производительность.

J-V измерения показали, что все Ag-допированные устройства сохраняли похожие разомкнутые напряжения (~1,0 В) в то время как достигали более высоких короткозамкнутых токов. 10-нм Ag NP при 1,5 моль.% достигли КПД 13,26%, превосходя чистое устройство (12,08%) и другие комбинации размер/концентрация. IPCE спектры подтвердили, что устройство с 10-нм NP демонстрирует наибольшее усиление по 380–780 нм, подтверждая пользу LSPR-индуцированного поглощения.

Заключение

Включение 10-нм серебряных наночастиц при загрузке 1,5 моль.% в компактный TiO₂ слой оптимально балансирует плазмонное поглощение и зарядовый перенос, повышая КПД PSC до 13,26%. Эти результаты предоставляют четкий путь для адаптации размера и концентрации наночастиц для максимизации производительности перовскитных устройств.