Улучшенный апконверсионный TiO₂ наноматериал повышает КПД перовскитных солнечных элементов до 16,3 %

Аннотация

Соль-гель синтезированный Ho³⁺-Yb³⁺-Mg²⁺ три-допингированный TiO₂ (UC-Mg-TiO₂) демонстрирует заметно усиленное апконверсионное фотосвечение при включении Mg²⁺. Материал применен как тонкий промежуточный слой на электронно-транспортном слое (ETL) перовскитных солнечных элементов (PSC). Устройства с UC-Mg-TiO₂ достигли КПД 16,3 % против 15,2 % для референсных, подтверждая, что наноматериал эффективно конвертирует ближний ИК (NIR) фотоны в видимый свет, поглощаемый перовскитом.

Введение

Перовскитные солнечные элементы (PSC) быстро развились, КПД превысил 22 % в последние годы. Однако их спектр поглощения ограничен длинами волн ниже 800 нм, оставляя более половины солнечного спектра — включая NIR область — неиспользованной. Апконверсионные наноматериалы могут заполнить этот пробел, конвертируя NIR фотоны в видимые, которые PSC могут собирать. В то время как β-NaYF₄-базированные апконверсионные хосты распространены, они являются диэлектриками и не подходят для ETL. Диоксид титана (TiO₂) в анатасной фазе широко используется как ETL благодаря подходящему выравниванию зон, стоимостной эффективности и стабильности, но его широкая запрещенная зона (3,2 эВ) ограничивает поглощение видимого-NIR. Легирование TiO₂ редкоземельными ионами или переходными металлами может расширить спектральный отклик и улучшить зарядовые свойства. Предыдущие работы показывали, что Ho³⁺-Yb³⁺ ко-допингированный TiO₂ может апконвертировать NIR свет для красительно-сенсибилизированных солнечных элементов, а Mg²⁺ легирование может сдвигать уровень Ферми для улучшения PSC. В этой работе мы объединяем Ho³⁺, Yb³⁺, Mg²⁺ в TiO₂, создавая новый три-допингированный материал (UC-Mg-TiO₂) и изучаем его влияние на КПД PSC.

Методы

Материалы

Иодид формамидиниума (FAI), бромид метиламмония (MABr), дийодид свинца (PbI₂), 2,2′,7,7′-тетракис-(N,N-ди-p-метоксифениламино)-9,9′-спиробифлуорен (Spiro-OMeTAD), дибромид свинца (PbBr₂) от Xi'an Polymer Light Technology Corp. Коллоидный раствор SnO₂ от Alfa Aesar. ДМСО, ДМФ, 4-tert-бутилпиридин (TBP), литий бис(трифлуорметансульфонил)имид (Li-TFSI) от Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD.

Синтез Ho³⁺-Yb³⁺-Mg²⁺ три-допингированного TiO₂

UC-Mg-TiO₂ приготовили модифицированным соль-гель методом. Титан тетрабутоксид сначала реагировали с ацетилацетоном (AcAc), затем разбавили изопропиловым спиртом (IPA). Смесь IPA, азотной кислоты и воды добавляли медленно, после 6 ч перемешивания образовался светло-желтый TiO₂ соль. Ho(NO₃)₃·5H₂O, Yb(NO₃)₃·5H₂O, Mg(NO₃)₂·6H₂O вводили в молярных соотношения Ho:Yb:Mg:Ti = 1:4:x:100 (x = 0, 1, 1,5, 2, 2,5). Растворитель удалили при 100 °C 10 ч, полученные порошки кальцинировали при 500 °C 30 мин.

Подготовка PSC

FTO подложки очистили и обработали UV-O₃. Блокирующий слой TiO₂ (30NR-D) спин-коатом и закаливали 500 °C. ETL состоял из TiO₂ в этаноле (1:6 массовое соотношение) с последовательной закалкой 100 °C и 450 °C. Для модифицированных UC-Mg-TiO₂ элементов смесь соля UC-Mg-TiO₂ и TiO₂ соля (x : 100-x, объем/объем) спин-коатили (x = 0, 20, 40, 60, 80, 100) и закаливали 500 °C. Перовскитный прекурсор (FAI, PbI₂, MABr, PbBr₂, CsI) спин-коатили с капли анти-растворителя хлорбензол, затем Spiro-OMeTAD дыро-транспортный слой. Наконец, Au электрод термическим испарением.

Характеризация

Фотосвечение (PL) на FLS 980 E флуорометре. XRD на DX-2700 дифрактометре. XPS на THS-103 спектрометре. UV-Vis поглощение на Varian Cary 5000. SEM на JSM-7001F. Ток-напряжение (I-V) под AM 1.5 на Keithley 2440. Электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS) на CHI660e, IPCE спектры на Crowntech Qtest Station 500ADX.

Результаты и обсуждение

Оптимизация соотношений Ho³⁺ и Yb³⁺ показала, что 1:4 Ho:Yb дает сильнейшее апконверсионное излучение при 547 и 663 нм при возбуждении 980 нм (рис. 1a). Введение Mg²⁺ усилило фотосвечение; максимум при Ho:Yb:Mg = 1:4:2 (рис. 1b). XRD подтвердил, что все образцы сохраняют анатасную фазу TiO₂ (рис. 2). XPS верифицировал включение Ho, Yb, Mg в решетку TiO₂ (рис. 3). UV-Vis спектры показали, что UC-Mg-TiO₂ поглощает дополнительный видимый и NIR свет, снижая запрещенную зону до 3,09 эВ от 3,18 эВ для нелегированного TiO₂ (рис. 4).

SEM изображения показали похожие размеры наночастиц (~25–28 нм) и равномерную морфологию пленок для TiO₂ и UC-Mg-TiO₂ (рис. 5).

Тестирование устройств показало, что КПД растет с содержанием UC-Mg-TiO₂, пик при 60 % UC-Mg-TiO₂ в ETL (рис. 6a). Лучшая ячейка достигла V_oc = 1,05 В, J_sc = 22,6 мА/см², КПД = 16,3 % против 1,03 В, 21,2 мА/см², 15,2 % для референса (табл. 1). Более быстрый PL затухание и меньшее рекомбинационное сопротивление в UC-Mg-TiO₂ устройствах (рис. 8, 9) указывают на более эффективное извлечение заряда.

Под 980 нм NIR освещением элементы с UC-Mg-TiO₂ показали более высокий J_sc, подтверждая вклад апконверсии (рис. 10). IPCE спектры показали усиленный отклик между 400 и 650 нм для модифицированных элементов (рис. 10b).

Заключение

Успешно синтезирован Ho³⁺-Yb³⁺-Mg²⁺ три-допингированный TiO₂ (UC-Mg-TiO₂) с сильным апконверсионным фотосвечением, усиленным Mg²⁺ легированием. При применении как промежуточного слоя на ETL UC-Mg-TiO₂ улучшил характеристики PSC, повысив V_oc и J_sc до 1,05 В и 22,6 мА/см² соответственно, и увеличив КПД с 15,2 % до 16,3 %. Результаты демонстрируют, что UC-Mg-TiO₂ эффективно конвертирует NIR свет в используемые видимые фотоны, предлагая жизнеспособный путь к дальнейшему повышению эффективности перовскитных солнечных элементов.

Аббревиатуры

EIS

Electrochemical impedance spectroscopy (электрохимическая импедансная спектроскопия)

NIR

Near-infrared (ближний инфракрасный)

PCE

Power conversion efficiency (коэффициент преобразования мощности)

PL

Photoluminescence (фотосвечение)

PSCs

Perovskite solar cells (перовскитные солнечные элементы)

TRPL

Time-resolved photoluminescence (времени-разрешенное фотосвечение)