Optimierung der Perowskit-Solarzellen-Effizienz durch größenkontrollierte Ag-Nanopartikel in einer kompakten TiO₂-Schicht

Zusammenfassung

Silber (Ag) Nanopartikel (Ag NPs) mit kontrollierter Größe und Konzentration wurden via Polyol-Synthese in eine kompakte TiO₂-Schicht eingebaut, um die Leistung von Perowskit-Solarzellen (PSCs) zu verbessern. Röntgenbeugung bestätigte, dass das Anatase-TiO₂-Gitter nach Ag-Zugabe unverändert blieb, während Transmissionelektronenmikroskopie zeigte, dass Ag-NP-Größe die Lichterntekapazität des Perowskit-Absorbers direkt beeinflusst. Wir fanden, dass 10-nm Ag NPs bei 1,5 mol-% (Ag:Ti) Beladung den höchsten Wirkungsgrad (PCE) von 13,26 % liefern, zurückzuführen auf beschleunigten Ladungstransfer, reduzierte Rekombination und verstärkte Absorption im sichtbaren Licht.

Hintergrund

Perowskit-Solarzellen haben in den letzten zehn Jahren von 3,8 % auf 22,1 % PCE zugenommen, dank ihrer direkten Bandlücke, hoher Ladungsträgermobilität und starker Absorptionskoeffizienten. In planaren PSC-Architekturen fungiert eine kompakte TiO₂-Schicht als Lochblockierbarriere, während ein mesoporöser TiO₂- oder ZrO₂-Gerüst eine hochflächige Grenzfläche für Perowskitabscheidung bietet. Nanostrukturierte Metalle, besonders Ag und Au, zeigen lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR), die die optische Absorption benachbarter Halbleiter steigern kann. Obwohl plasmonische PSCs berichtet wurden, blieb der spezifische Einfluss von Ag NPs, eingebettet in eine kompakte TiO₂-Schicht, unerforscht.

Methoden

Ag NPs von 10, 30, 40 und 55 nm Durchmesser wurden durch Reduktion von AgNO₃ in Ethylenglycol mit Polyvinylpyrrolidon (PVP, K30) bei 120-150 °C synthetisiert. Die resultierenden Kolloide wurden gewaschen und getrocknet, um monodisperse Partikel zu erhalten. TiO₂-Vorläuferlösungen (1 ml Titaniumisopropoxid Bis(75 %) in 19 ml Ethanol) wurden mit Ag NPs gemischt, um 0,5-2,5 mol-% Ag:Ti-Verhältnisse zu erreichen und 1 h gerührt. FTO-Glassubstrate wurden sequenziell mit dem Ag-dotierten TiO₂-kompakten Film beschichtet (4000 rpm, 20 s; 150 °C, 10 min; 500 °C, 30 min), dann bei 500 °C für 30 min geglüht. Eine mesoporöse TiO₂/ZrO₂-Schicht wurde durch Spin-Coating eines 1:5 TiO₂/ZrO₂-Kolloids aufgebracht, gefolgt von der Perowskit-FA₀,₄MA₀,₆PbI₃-Schicht (Spin-Coating bei 1000 rpm/10 s, 4000 rpm/30 s; 1 ml Diethylether zugegeben; 100 °C, 10 min). Kohlenstoff-Gegenelektroden (30 µm) wurden siebdruckt und bei 100 °C für 30 min geglüht.

Strukturelle Charakterisierung employed FE-REM, TEM, XRD und XPS. Geräteleistung wurde unter AM 1.5G (100 mW cm⁻²) Beleuchtung gemessen, und UV-Vis-Spektren wurden aufgezeichnet, um Absorption zu bewerten. Incident Photon-to-Electron Conversion Efficiency (IPCE) wurde mit einer Newport 300 W Xenonlampe bestimmt.

Ergebnisse und Diskussion

TiO₂-XRD-Muster blieben Anatase unabhängig von Ag-Einbindung, was strukturelle Integrität bestätigt. XPS zeigte Ag 3d-Peaks bei 368,3 und 374,3 eV, was metallisches Ag ohne chemische Reaktion anzeigt. TEM-Bilder verifizierten monodisperse Ag NPs und gleichmäßige Dispersion innerhalb der TiO₂-Matrix.

UV-Vis-Spektren zeigten, dass der plasmonische Absorptionspeak von ~400 nm (10 nm NP) auf ~420 nm (55 nm NP) verschiebt. Kleinere Ag NPs zeigten stärkere LSPR und höhere Absorption im sichtbaren Bereich, was zu verbesserter Photogenerierung in der Perowskitschicht führte. Mit zunehmendem Ag-Gehalt intensivierte sich Absorption bis 2,5 mol-%, aber übermäßige Beladung führte Ladungsfangstellen ein, die die Leistung minderten.

J-V-Messungen zeigten, dass alle Ag-dotierten Geräte ähnliche Leerlaufspannungen (≈1,0 V) beibehielten, während sie höhere Kurzschlussströme erreichten. Die 10-nm Ag NPs bei 1,5 mol-% erreichten einen PCE von 13,26 %, übertreffen das unveränderte Gerät (12,08 %) und andere Größen/Konzentrationskombinationen. IPCE-Spektren bestätigten, dass das 10-nm NP-Gerät die größte Verbesserung über 380-780 nm aufwies, was den LSPR-induzierten Absorptionsvorteil corroboriert.

Schlussfolgerungen

Einbau von 10-nm Silbernanopartikeln bei 1,5 mol-% Beladung in eine kompakte TiO₂-Schicht balanciert plasmonische Absorption und Ladungstransport optimal, erhöht PSC-Effizienz auf 13,26 %. Diese Erkenntnisse liefern einen klaren Weg für die Anpassung von Nanopartikelgröße und -konzentration zur Maximierung der Perowskit-Geräteleistung.