Verbeterde up-conversie TiO₂ nanomateriaal verhoogt perovskiet zonnecel efficiëntie tot 16,3%

Samenvatting

Een sol-gel gesynthetiseerd Ho³⁺-Yb³⁺-Mg²⁺ tri-gedopeerd TiO₂ (UC-Mg-TiO₂) toont aanzienlijk verbeterde up-conversie fluorescente wanneer Mg²⁺ geïntegreerd is. Het materiaal werd toegepast als een dunne interlaag op de elektronen-transportlaag (ETL) van perovskiet zonnecellen (PSCs). Apparaten die UC-Mg-TiO₂ incorporeren bereikten een omzettingsefficiëntie (PCE) van 16,3% vergeleken met 15,2% voor referentiecellen, wat bevestigt dat het nanomateriaal effectief nabij-infrarood (NIR) fotonen omzet in zichtbaar licht dat de perovskiet absorbeert.

Achtergrond

Perovskiet zonnecellen (PSCs) hebben zich snel ontwikkeld, met PCE's boven 22% in recente jaren. Echter, hun absorptiespectrum is beperkt tot golflengtes onder 800 nm, wat meer dan de helft van het zonspectrum – inclusief de NIR-regio – onbenut laat. Up-conversie nanomaterialen kunnen deze kloof overbruggen door NIR-fotonen om te zetten in zichtbare fotonen die PSCs kunnen oogsten. Terwijl β-NaYF₄-gebaseerde up-conversie gastheren gebruikelijk zijn, zijn ze isolerend en ongeschikt voor elektronen-transportlagen (ETLs). Titaniumdioxide (TiO₂) in de anataase-fase is een wijd gebruikte ETL vanwege de geschikte banduitlijning, kostenefficiëntie, en stabiliteit, maar het wijd bandgap (3,2 eV) beperkt zichtbaar-NIR absorptie. Doping van TiO₂ met zeldzame-aard ionen of overgangsmetalen kan de spectrale respons uitbreiden en ladingstransporteigenschappen verbeteren. Eerdere studies hebben aangetoond dat Ho³⁺-Yb³⁺ co-gedopeerd TiO₂ NIR-licht kan up-converteren voor kleurstof-gesensibiliseerde zonnecellen, en Mg²⁺ doping kan het Ferminiveau verschuiven om PSC-prestaties te verbeteren. In dit werk combineren we Ho³⁺, Yb³⁺, en Mg²⁺ in TiO₂ om een nieuw tri-gedopeerd materiaal (UC-Mg-TiO₂) te creëren en onderzoeken we de impact ervan op PSC-efficiëntie.

Methoden

Materialen

Formamidinium iodide (FAI), methylammonium bromide (MABr), looddiiodide (PbI₂), 2,2′,7,7′-tetrakis-(N,N-di-p-methoxyfenylamine)-9,9′-spirobifluoreen (Spiro-OMeTAD), en looddibromide (PbBr₂) werden bezorgd door Xi'an Polymer Light Technology Corp. De SnO₂ colloïdale oplossing werd gekocht van Alfa Aesar. Dimethylsulfoxide (DMSO), N,N-dimethylformamide (DMF), 4-tert-butylpyridine (TBP), en lithium-bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (Li-TFSI) werden verkregen van Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD.

Synthese van Ho³⁺-Yb³⁺-Mg²⁺ Tri-gedopeerd TiO₂

De UC-Mg-TiO₂ werd bereid via een gemodificeerde sol-gel-route. Titanium-tetrabutoxide reageerde eerst met acetylaceton (AcAc) en werd vervolgens gedilueerd met isopropylalcohol (IPA). Een gemengde oplossing van IPA, salpeterzuur, en water werd langzaam toegevoegd, en na 6 uur roeren vormde een lichtgeel TiO₂-sol. Ho(NO₃)₃·5H₂O, Yb(NO₃)₃·5H₂O, en Mg(NO₃)₂·6H₂O werden geïntroduceerd in molaire verhoudingen van Ho:Yb:Mg:Ti = 1:4:x:100 (x = 0, 1, 1,5, 2, 2,5). De oplosmiddel werd verwijderd bij 100 °C gedurende 10 uur, en de resulterende poeders werden gecalcineerd bij 500 °C gedurende 30 min.

Bereiding van PSCs

Fluorine-gedopeerde tin-oxide (FTO) substraten werden gereinigd en behandeld met UV-O₃. Een blokkerende laag van TiO₂ (30NR-D) werd gespincote en geanneald bij 500 °C. De ETL bestond uit TiO₂ gedilueerd in ethanol (1:6, massa-verhouding) en achtereenvolgens geanneald bij 100 °C en 450 °C. Voor de UC-Mg-TiO₂ gemodificeerde cellen, werd een mengsel van UC-Mg-TiO₂ sol en TiO₂ sol (x : 100 – x, v/v) gespincote (x = 0, 20, 40, 60, 80, 100) en geanneald bij 500 °C. De perovskiet-voorlopersoplossing (FAI, PbI₂, MABr, PbBr₂, en CsI) werd gespincote met een chlorobenzene anti-solvent-druppel, gevolgd door een Spiro-OMeTAD gat-transportlaag. Ten slotte werd een Au-elektrode thermisch verdampt.

Karakterisering

Fotoluminescentie (PL) spectra werden opgenomen met een FLS 980 E fluorometer. Röntgendiffractie (XRD) gebruikte een DX-2700 diffractometer. Röntgen-foto-elektron-spectroscopie (XPS) werd uitgevoerd met een THS-103 spectrometer. UV-Vis absorptie werd gemeten met een Varian Cary 5000. Scanning elektronenmicroscopie (SEM) gebruikte een JSM-7001F. Stroom-spanning (I-V) curven onder AM 1,5 verlichting werden genomen met een Keithley 2440 Sourcemeter. Electrochemische impedantiespectroscopie (EIS) werd uitgevoerd met een CHI660e workstation, en incident foton-naar-stroom efficiëntie (IPCE) spectra werden verkregen met een Crowntech Qtest Station 500ADX.

Resultaten en Discussie

Optimalisatie van de Ho³⁺ en Yb³⁺ verhoudingen onthulde dat een 1:4 Ho:Yb verhouding de sterkste up-conversie emissie produceerde bij 547 nm en 663 nm wanneer geëxciteerd bij 980 nm (Fig. 1a). Introductie van Mg²⁺ versterkte de fluorescente verder; de maximale emissie trad op bij Ho:Yb:Mg = 1:4:2 (Fig. 1b). XRD bevestigde dat alle monsters de anataase TiO₂-fase behielden (Fig. 2). XPS-analyse verifieerde de incorporatie van Ho, Yb, en Mg in het TiO₂-rooster (Fig. 3). UV-Vis-spectra toonden aan dat UC-Mg-TiO₂ additionele zichtbare en NIR-licht absorbeerde, het bandgap verminderde tot 3,09 eV van 3,18 eV voor ongedopeerd TiO₂ (Fig. 4).

SEM-afbeeldingen onthulden vergelijkbare deeltjesgroottes (~25–28 nm) en uniforme filmmorfologie voor zowel TiO₂ als UC-Mg-TiO₂ (Fig. 5).

Apparaattesten toonden aan dat de PCE steeg met UC-Mg-TiO₂-inhoud, met een piek bij 60% UC-Mg-TiO₂ in de ETL (Fig. 6a). De beste cel bereikte V_oc = 1,05 V, J_sc = 22,6 mA cm⁻², en PCE = 16,3% versus 1,03 V, 21,2 mA cm⁻², en 15,2% voor de referentie (Tabel 1). Snellere PL-verval en lagere recombinatieweerstand in UC-Mg-TiO₂ apparaten (Fig. 8, Fig. 9) wijzen op efficiëntere ladingsextractie.

Onder 980 nm NIR-verlichting vertoonden cellen met UC-Mg-TiO₂ een hogere J_sc, wat de up-conversie-bijdrage bevestigt (Fig. 10). IPCE-spectra toonden verbeterde respons tussen 400 nm en 650 nm voor de gemodificeerde cellen (Fig. 10b).

Conclusies

We hebben met succes Ho³⁺-Yb³⁺-Mg²⁺ tri-gedopeerd TiO₂ (UC-Mg-TiO₂) gesynthetiseerd dat sterke up-conversie fluorescente vertoont versterkt door Mg²⁺-doping. Toegepast als interlaag op de ETL verbeterde UC-Mg-TiO₂ de PSC-prestaties, V_oc en J_sc verhogend tot respectievelijk 1,05 V en 22,6 mA cm⁻², en de PCE verhoogd van 15,2% tot 16,3%. Deze resultaten tonen aan dat UC-Mg-TiO₂ effectief NIR-licht omzet in bruikbare zichtbare fotonen, wat een haalbare route biedt om de perovskiet zonnecel-efficiëntie verder te verbeteren.

Afkortingen

EIS

Electrochemische impedantiespectroscopie

NIR

Nabij-infrarood

PCE

Omzettingsefficiëntie

PL

Fotoluminescentie

PSCs

Perovskiet zonnecellen

TRPL

Tijd-aufgeloste fotoluminescentie