Verhoging perovskiet zonnecel efficiëntie met Er3+-Yb3+-Li+ tri-gedopeerde TiO₂ up-conversie laag

Samenvatting

We fabriceerden Er³⁺-Yb³⁺-Li⁺ tri-gedopeerde TiO₂ (UC-TiO₂) door Li⁺ te introduceren in Er³⁺-Yb³⁺ co-gedopeerde TiO₂. UC-TiO₂ vertoont aanzienlijk sterkere up-conversie emissie dan de co-gedopeerde tegenhanger. Geïntegreerd in perovskiet zonnecellen (PSCs), steeg het vermogensomzettingsrendement (PCE) van 14,0% naar 16,5%—een 19% verbetering—wat UC-TiO₂ demonstreert als effectieve licht-opvang verbetering die absorptie uitstrekt van zichtbaar naar nabij-infrarood (NIR) golflengtes.

Achtergrond

Organo-lood haliede perovskiet zonnecellen hebben veel aandacht getrokken door hun snelle efficiëntiestoename, lage kosten en eenvoudige fabricatie. Terwijl PSCs nu efficiënten boven 22% bereiken, beperkt hun smalle bandkloof de absorptie voornamelijk tot het UV-zichtbare spectrum, waardoor een groot deel van NIR licht onbenut blijft.

Up-conversie materialen die NIR fotonen omzetten in zichtbaar licht kunnen deze kloof overbruggen. Eerder werk heeft β-NaYF₄ gedopeerd met Er³⁺/Yb³⁺ ionen gebruikt; dergelijke systemen kunnen echter elektronen-transport in de TiO₂ laag belemmeren. Recente studies hebben getoond dat tri-doping van TiO₂ met Er³⁺, Yb³⁺ en Li⁺ de up-conversie emissie versterkt en de prestaties van kleurstof-gesensitiseerde zonnecellen verbetert. Bovendien is gerapporteerd dat Li-doping PSC efficiëntie verhoogt ten opzichte van ongedopeerde TiO₂. Deze bevindingen motiveerden het huidige onderzoek naar Er³⁺-Yb³⁺-Li⁺ tri-gedopeerde TiO₂ in PSCs.

In deze studie synthetiseerden we UC-TiO₂ door Li⁺ toe te voegen aan Er³⁺-Yb³⁺ co-gedopeerde TiO₂, bevestigden de verbeterde up-conversie emissie en integreerden het in mesoporese TiO₂ lagen voor perovskiet zonnecellen. De resulterende apparaten vertoonden een 19% toename in PCE.

Methodes

Synthese van Er³⁺-Yb³⁺-Li⁺ Tri-gedopeerde TiO₂

TiO₂ nanokristallen werden bereid via een gemodificeerde sol-gel route. Titanium(IV) n-butoxide (Ti(OBu)₄) werd eerst gecomplexeerd met acetylacetoon (AcAc) bij kamertemperatuur gedurende 1 uur onder agitatie. Het mengsel werd vervolgens gehydrolyseerd door isopropanol, gedemineraliseerd water en geconcentreerde salpeterzuur toe te voegen, wat een licht-gele TiO₂ sol opleverde na 6 uur roeren. Er(NO₃)₃·5H₂O, Yb(NO₃)₃·5H₂O en LiNO₃ werden vervolgens geïntroduceerd om een molaire verhouding van Er:Yb:Li:Ti = 0,5:10:x:100 te bereiken (x = 0, 10, 15, 20, 25). De oplosmiddel werd verwijderd door drogen bij 100 °C gedurende 8 uur, en de resulterende poeder werd gekalcinereerd bij 500 °C gedurende 30 min.

Fabricatie van Perovskiet Zonnecellen

Fluorine-gedopeerde tin oxide (FTO) glas werd achtereenvolgens gereinigd met aceton, isopropanol en ethanol, gevolgd door 15 min UV-O₃ behandeling. Een compacte TiO₂ laag werd gespincote uit een 0,1 M titanium diisopropoxide bis(acetylacetonaat) oplossing in 1-butanol en geanneald bij 500 °C gedurende 30 min. Een mesoporese TiO₂ film werd vervolgens gedeponeerd bij 4000 toer/min gedurende 30 s, gevolgd door anealing bij 100 °C (10 min) en 500 °C (30 min). De mesoporese laag was ofwel zuiver commercieel TiO₂ (30NR-D) of een mengsel van UC-TiO₂ sol en gedilueerde TiO₂ pasta (UC-TiO₂:TiO₂ = x:100 v/v, x = 10–40).

Een perovskiet precursor bestaande uit PbI₂ (1,1 M), FA_I (1 M), PbBr₂ (0,22 M) en MA_Br (0,2 M) in een DMF/DMSO (4:1 v/v) mengsel werd in twee stappen gespincote (1000 toer/min, 10 s; 4000 toer/min, 30 s) met 200 µL chlorobenzene toegevoegd tijdens de tweede stap. De film werd vervolgens geanneald bij 100 °C gedurende 1 uur. Een CsI voorraadaoplossing (1,5 M in DMSO) werd toegevoegd aan de perovskiet precursor om thermische stabiliteit te verbeteren. De gat-transportlaag werd gevormd door spiro-MeOTAD te spincoten (4000 toer/min, 30 s), en een 80 nm goude elektrode werd erbovenop verdampt.

Karakterisering

Up-conversie fotoluminescentie werd gemeten met een FLS 980 E fluorometer. Structurele analyse werd uitgevoerd met XRD (DX-2700) en XPS (THS-103, Al Ka). UV-vis-NIR absorptie werd geregistreerd op een Varian Cary 5000 spectrophotometer. Morfologie werd onderzocht met SEM (JEM-7001F). Fotovoltaïsche prestaties werden geëvalueerd door J-V curven onder AM 1.5 G verlichting met een Keithley 2440 sourcemeter. Electrochemische impedantiespectroscopie (EIS) werd uitgevoerd met een CHI660e workstation.

Resultaten en Discussie

Figuur 1a toont dat UC-TiO₂ met Li-inhoud x = 20 de sterkste up-conversie emissie vertoont onder 980-nm excitatie, met groene (525/545 nm) en rode (658 nm) banden toeschrijfbaar aan Er³⁺ overgangen. Verhoging van Li boven dit niveau verlaagt emissie-intensiteit.

Verhoging perovskiet zonnecel efficiëntie met Er3+-Yb3+-Li+ tri-gedopeerde TiO₂ up-conversie laag

XRD patronen bevestigen dat UC-TiO₂ de anataasfase behoudt (JCPDS 21‑1272). XPS spectras (Figuur 3) detecteren Ti 2p, Er 4d, Yb 4d en Li 1s pieken, wat succesvolle doping verifieert.

UV-vis-NIR absorptie (Figuur 4a) onthult een duidelijke staart die zich uitstrekt tot 1000 nm voor UC-TiO₂, en Tauc analyse toont een verminderde bandkloof van 3,10 eV versus 3,20 eV voor commercieel TiO₂. SEM beelden (Figuur 5) geven aan dat de deeltjesgrootte (~30 nm) en morfologie ongewijzigd blijven door Li incorporatie.

Apparaatprestaties (Figuur 6a) tonen dat toevoeging van UC-TiO₂ bij 20 % v/v PCE maximaliseert, stijgend van 14,0% (controle) naar 16,5% (UC-TiO₂)—een 19% boost. Tabel 1 lijst de belangrijkste fotovoltaïsche parameters. Verbeterde kortsluitstroom (I_sc) en open-circuitspanning (V_oc) drijven de efficiëntiewinst.

Stationaire PL (Figuur 7a) toont verminderde intensiteit voor perovskiet op UC-TiO₂, wat efficiëntere elektronen-onttrekking aangeeft. Tijdsopgeloste PL (Figuur 7b) onthult een kortere snelle vervalkomponent (2,8 ns) en een hogere fractie (98,2%) voor UC-TiO₂ apparaten, wat snellere ladingsoverdracht bevestigt.

EIS Nyquist plots (Figuur 8a) tonen een verminderde seriesweerstand en verhoogde hercombinatieweerstand voor UC-TiO₂ apparaten, wat verbeterde ladingstransport en onderdrukte hercombinatie aangeeft.

Onder 980-nm gefilterde verlichting produceren UC-TiO₂ apparaten hogere fotostroom (Figuur S3), wat bevestigt dat de up-conversie laag effectief NIR fotonen omzet in bruikbaar zichtbaar licht.

Band-diagram analyse (Figuur 9) toont dat UC-TiO₂ een lagere geleidingsbandrand heeft dan zuiver TiO₂, wat een groter offset met de perovskiet absorber creëert. Deze barrière verhoogt V_oc door terug-tunneling van dragers te reduceren.

Samenvattend, het incorporeren van UC-TiO₂ in het mesoporese skelet verbreedt de spectrale respons in het NIR, vermindert hercombinatie en versnelt ladingsextractie, samen leidend tot een 19% PCE toename.

Conclusies

Tri-doping van TiO₂ met Er³⁺, Yb³⁺ en Li⁺ creëert UC-TiO₂ dat sterke up-conversie licht emiteert. Toegepast op PSCs verbetert UC-TiO₂ I_sc, V_oc en vulfactor, wat PCE verhoogt van 14,0% naar 16,5% (19% verbetering). De prestatiegewinnen voortvloeien uit uitgebreide NIR absorptie, verbeterde ladingstransport en een gunstige band-offset.