Einfluss von in einer TiO2-Kompaktschicht eingebetteten Ag-Nanopartikeln unterschiedlicher Größe und Konzentration auf die Konversionseffizienz von Perowskit-Solarzellen

Hintergrund

In den letzten Jahren ist mit der allmählichen Erschöpfung der fossilen Energie die Suche nach nachhaltigen neuen Energiequellen zu einer wichtigen Aufgabe geworden. Als vielversprechende Alternative haben Perowskit-Solarzellen (PSCs) aufgrund ihrer charakteristischen photovoltaischen Eigenschaften großes Interesse auf sich gezogen [1,2,3,4,5]. Der Leistungsumwandlungswirkungsgrad (PCE) von PSCs wurde im Laufe der Zeit signifikant von 3,8 auf 22,1 % verbessert [6,7,8]. Organometallhalogenid-Perowskite sind Materialien mit direkter Bandlücke mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit, langer Ladungsdiffusion und großen Absorptionskoeffizienten [9,10,11,12]. Diese hervorragenden Eigenschaften machen sie zu idealen photoaktiven Materialien in Solarzellen [4, 13,14,15,16].

Das Vorhandensein einer mesoporösen Schicht bestimmt den Unterschied zwischen mesoporösen und planaren Strukturen. Im Allgemeinen wird die mesoporöse Struktur in hocheffizienten PSC-Bauelementen verwendet, da sie die Grenzflächenkontaktfläche vergrößert, um die Filmabscheidung zu unterstützen und auch die Ladungsextraktion und den Ladungstransfer verbessert [17,18,19]. Ein typischer PSC mit mesoporöser Struktur besteht aus einer leitfähigen Schicht aus fluordotiertem Zinnoxid (FTO), einer kompakten Schicht, einer mesoporösen Schicht, einer Perowskitschicht, einer Lochtransportschicht und einer Gegenelektrodenschicht. Im Allgemeinen TiO₂ wurde oft als Elektronentransportschicht verwendet. Andere Materialien wie Al₂ O₃ , SnO₂ , und ZnO wurden auch als Photoanoden in PSC-Bauelementen verwendet [20,21,22,23,24,25]. Tatsächlich ist TiO₂ Nanopartikel spielen eine dominante Rolle bei der Übertragung von Elektronen, weshalb TiO₂ ist derzeit das bevorzugte Material zur Verwendung in PSC-Geräten. Bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht werden Elektron-Loch-Paare in der Perowskitschicht des PSC-Bauelements erzeugt, wonach die Elektronen getrennt auf die Elektronentransportschicht (ETL) übertragen werden, während die Löcher auf die Lochtransportschicht übertragen werden [26]. Die ETL umfasst zwei verschiedene Schichten, nämlich die mesoporöse Schicht und die kompakte Schicht. Die kompakte Schicht wird auch als Lochblockierungsschicht bezeichnet, da sie die Rekombination von Elektronen und Löchern verhindern kann, wenn sie sich auf der Oberfläche von leitfähigem FTO-Glas treffen [1, 20, 27, 28, 29]. Daher können hochwertige Kompaktfilme mit überraschend hohen Trägermobilitätseigenschaften und ausgezeichneter elektrischer Leitfähigkeit einen signifikanten Einfluss auf die Effizienz von PSC-Vorrichtungen haben. An der Grenzfläche Kompaktschicht/mesoporöse Schicht/Perowskitschicht wird die Ladungsträgerrekombination reduziert und die Elektroneninjektion kann beschleunigt werden. Nach den Forschungen der letzten Jahre hat sich zur Verbesserung des PCE eines PSC-Geräts die Anwendung von plasmonischen Nanopartikeln als machbar erwiesen [29, 30]. Metallnanopartikel mit Oberflächenplasmonenresonanzeffekt können die effektive Absorption des sichtbaren Lichts der Lichtabsorptionsschicht erhöhen [29,30,31], was durch die Anwendung von Metallplasmonennanopartikeln in verschiedenen Arten von Solarzellen, wie organischen Solarzellen und Siliziumsolarzellen [32, 33]. Somit könnte das gleiche Verfahren verwendet werden, um die PCE von PSC-Vorrichtungen zu verbessern. Oberflächenplasmonen können durch edle metallische Nanopartikel wie Ag und Au lokalisiert werden. Die Anregung der lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) kann realisiert werden, wenn die Frequenz des einfallenden sichtbaren Lichts mit dem Resonanzpeak übereinstimmt, was zu einzigartigen optischen Eigenschaften führt, wie z metallische Nanopartikel [34]. Daher werden die Effizienz und der Photostrom einer PSC-Vorrichtung verbessert, nachdem die optischen Eigenschaften von LSPR genutzt wurden.

Die Wirkung von in TiO₂ . eingebetteten Ag-Nanopartikeln (Ag-NPs) Kompaktfilme über die Effizienz von PSC-Geräten wurde nicht gründlich untersucht. Darüber hinaus haben sich in den letzten Jahren viele Arbeiten auf plasmonische PSCs und organische Photovoltaik [35,36,37,38,39,40] konzentriert, während Ag/TiO₂ Nanopartikel-Komposite wurden in den letzten Jahrzehnten umfassend für den Einsatz in photokatalytischen und farbstoffsensibilisierten Solarzellen (DSSCs) untersucht. Edelmetall-NPs haben einen beeindruckenden Streueffekt und eine starke lokale Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR). Diese Eigenschaften können den Photostrom von DSSCs verbessern und ihre photokatalytische Kapazität erhöhen [41,42,43,44,45,46,47,48]. In unserer vorherigen Arbeit wurde mit Ag abgeschiedenes TiO₂ Verbundwerkstoffe, TiO₂ Nanoröhren-Arrays und ionendotierte Seltenerd-Nanomaterialien wurden in DSSCs und PSCs eingesetzt [49,50,51,52,53]. In dieser Arbeit wurde ein Kolloid mit verschiedenen Größen und Konzentrationen von Ag-NPs hergestellt und in ein TiO₂ . eingebettet Kompaktschicht, um die Leistung von PSCs zu verbessern. Die Ergebnisse zeigten, dass die Anwesenheit von Ag-NPs im kompakten Film die Absorption des PSC-Bauelements bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht erhöhen kann. Dies führt zur Bildung von mehr photogenerierten Ladungsträgern aufgrund der LSPR-Eigenschaft von Ag-NPs im Vergleich zu einem ähnlichen Gerät, das ohne Ag-NPs gebaut wurde. Darüber hinaus ist die optimierte Größe und Konzentration von Ag-NPs im TiO₂ Vorläufer liegen bei etwa 10 nm bzw. 1,5 Mol %, was die höchste Leistungsumwandlungseffizienz des PSC-Geräts bewirken kann.

Methoden

Zur Herstellung größenkontrollierter Ag-NPs wurden verschiedene Ansätze entwickelt [38, 54,55,56]. In dieser Studie haben wir uns aufgrund der leicht verfügbaren chemischen Materialien und des kontrollierbaren Protokolls für die chemische Methode zur Herstellung von Ag-NPs unterschiedlicher Größe entschieden. Für Ag-NPs mit 10 nm Durchmesser wurden 0,75 g Polyvinylpyrrolidon (PVP, K30) in 50 ml Ethylenglykol gelöst. Nachdem die PVP-Lösung auf 120 °C erhitzt wurde, wurden 0,25 g Silbernitrat (AgNO₃ ) gelöst in 25 ml Ethylenglykol wurde zugetropft und 1 h bei dieser Temperatur reagieren gelassen. Es entstand eine hellbraune kolloidale Lösung, die auf die Bildung von Ag-NPs schließen ließ. Für Ag-NPs mit einer Größe von 30 nm wurden 1,5 g PVP zu 20 ml Ethylenglykol hinzugefügt, um vollständig aufgelöst und auf 120 °C erhitzt zu werden, dann 0,25 g AgNO₃ in 10 ml Ethylenglykol gelöst wurde tropfenweise in die erhitzte Lösung gegeben und 1 h bei dieser Temperatur reagieren gelassen. Die Farbe der Lösung war nach der 1-stündigen Reaktion braun. Für Ag-NPs mit einer Größe von 40 nm wurden 1,5 g PVP zu 20 ml Ethylenglykol hinzugefügt, um vollständig aufgelöst und auf 120 °C erhitzt zu werden, dann 0,15 g AgNO₃ in 10 ml Ethylenglykol gelöst wurde tropfenweise in die erhitzte Lösung gegeben und 1 h bei dieser Temperatur reagieren gelassen. Die Farbe der Lösung war nach der 1-stündigen Reaktion braun. Für Ag-NPs von 55 nm waren das grundlegende Verfahren und die Menge des Rohmaterials die gleichen wie für die 30-nm-Ag-NPs, aber die Erwärmungstemperatur betrug 150 °C, um größere Ag-NPs zu bilden. Die Lösung wurde nach einer 30-minütigen Reaktion allmählich dunkelbraun. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurden alle Lösungen der Reihe nach mit entionisiertem Wasser, Ethanol und Aceton gewaschen und anschließend bei 50 °C über Nacht in einem Vakuumtrockenschrank getrocknet. Daher wurden Ag-NPs von vier verschiedenen Größen erhalten.

Das TiO₂ Eine kompakte Vorläuferlösung wurde durch Zugabe von 1 ml Titandiisopropoxid-bis (75%, Sigma-Aldrich, USA) zu 19 ml Ethanol hergestellt. Um Vorstufen herzustellen, die Ag-NPs unterschiedlicher Größe und Konzentration enthalten, wurden dem TiO₂ . unterschiedliche Mengen an Ag-NPs zugesetzt Vorläufer, um verschiedene Molverhältnisse von Ag zu Ti zu erhalten, d. h. 0,5, 1, 1,5, 2 und 2,5 Mol-%, und 1 h bei Raumtemperatur gerührt, um einheitliche Vorläuferlösungen zu bilden. Für die Vorstufe der mesoporösen Schicht, ZrO₂ oder TiO₂ kolloidale Lösung wurde in einem Massenverhältnis von 1:5 zu Ethanol gegeben und 12 h bei Raumtemperatur gerührt.

Die Glas/FTO-Substrate wurden nacheinander in einer Ultraschallbox mit entionisiertem Wasser (mit Detergens), Aceton, Isopropanol und Ethanol vorgereinigt. Für die Herstellung der PSC-Bauelemente wird TiO₂ Sol-Gel-Vorstufen mit unterschiedlichen Größen von Ag-NPs wurden zunächst 20 s lang bei 4000 U/min auf die transparente Elektrode schleuderbeschichtet und dann etwa 10 Minuten lang auf 150 °C erhitzt. Die obigen Verfahren wurden für die Herstellung des Kompaktfilms wiederholt, der schließlich nach 30-minütigem Tempern bei 500 °C gebildet wurde. Das gleiche Verfahren wurde verwendet, um das unberührte TiO₂ . herzustellen Kompaktfolie ohne Metall-NPs. Dann wurden die Substrate mit Kompaktfilm in eine wässrige Lösung von TiCl₄ . eingetaucht 30 Minuten bei 70 °C erhitzt und anschließend etwa 10 Minuten lang auf 150 °C erhitzt, um das TiO₂ . zu optimieren kompakte Schicht.

Das mesoporöse TiO₂ Schicht wurde auf der Oberseite des kompakten Films durch Spin-Coating des TiO₂ . abgeschieden kolloidale Lösung bei 3500 U/min für 20 s, gefolgt von Erhitzen auf 150 °C für 10 Minuten und Tempern bei 500°C für 30 Minuten, um Anatas TiO₂ . zu erzeugen mesoporöse Schicht. Es hat sich gezeigt, dass die Einführung von ZrO₂ in PSCs können deren Stabilität erhöhen [57]. Hier haben wir zusätzlich ein ZrO₂ . verwendet kolloidale Lösung zum Spin-Coating auf dem Anatas TiO₂ mesoporöser Film und das erhaltene ZrO₂ Der Film wurde bei 500 °C für 30 Minuten gesintert. Nachdem das Substrat auf Raumtemperatur abgekühlt war, betrug der FA_0,4 MA_0.6 PbI₃ Perowskitschicht wurde durch Schleuderbeschichten der Vorläuferlösung bei 1000 U/min für 10 s und 4000 U/min für 30 s gebildet. Die Perowskit-Vorläuferlösung (FA_0,4 MA_0.6 PbI₃ ) enthielt 462 mg PbI₂ , 95,4 mg Methylammoniumjodid (CH₃ .) NH₃ I, 99,99 % und 68,8 mg Formamidiniumiodid (HN=CHNH₃ .) I, 99,99 %), die in 600 mg N . gelöst wurden ,N -Dimethylformamid und 78 mg Dimethylsulfoxid. Während des Spin-Coatings der Perowskit-Vorstufe wurde 1 ml Diethylether gleichmäßig zugegeben, um einen stabilen Perowskitfilm zu bilden, laut einem früheren Bericht [58], der dann 10 min auf 100 °C erhitzt wurde. Die PSC-Vorrichtung wurde erhalten, nachdem die Kohlenstoff-Gegenelektroden (30 μm) durch Siebdruck und anschließendes Tempern bei 100 °C für 30 Minuten hergestellt wurden.

Ein Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (Zeiss Ultra Plus, Deutschland) und ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM; JEM-2100F, Japan) wurden verwendet, um die Querschnitte der PSC-Bauelemente sowie die Oberflächenmorphologie der Ag-NPs und Kompakt zu untersuchen Film. Die Kristallstruktur von Ag und TiO₂ Nanopartikel wurden mit einem Röntgendiffraktometer (XRD; MAX-RB RU-200B, Japan) erhalten. Die Oberfläche der kompakten Schichtproben wurde durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS; ESCALAB 250Xi, Thermo Fisher Scientific) gemessen. Stromdichte-Spannung (J -V )-Kurven der PSCs wurden mit einem Sonnenlichtsimulator (Oriel Sol3A, Newport Corporation, USA) unter AM 1,5 G-Beleuchtung bei 100 mW/cm ² . getestet Intensität. Die Absorptionsspektren wurden durch Ultraviolett-Vis-Spektroskopie (UV-vis; Shimadzu, Japan) bestimmt. Die einfallende Photon-zu-Elektron-Umwandlungseffizienz (IPCE; Newport Corporation, USA) wurde verwendet, um die Quanteneffizienz der PSC-Bauelemente zu untersuchen.

Ergebnisse und Diskussion

Bei sphärischen NPs kann, wenn ihre Größe viel kleiner ist als die Wellenlänge des einfallenden Lichts, die quasistatische Näherung verwendet werden, um ihre LSPR-Eigenschaften zu beschreiben. Nach der Mie-Theorie und in quasistatischer Näherung spielt die Streuung mit zunehmendem Radius der sphärischen NPs eine führende Rolle, und die Extinktionsintensität wird dann hauptsächlich durch die Streuung bestimmt. Darüber hinaus beeinflusst die Absorption allmählich die Extinktionsintensität, wenn der Radius der sphärischen NPs abnimmt [59]. Die Extinktionsintensität hängt jedoch auch vom Ladungsfallenzustand der kugelförmigen NPs und der Dielektrizitätskonstante des umgebenden Mediums ab. Daher muss die Extinktionsintensität weiter untersucht werden.

Abbildung 1 zeigt die XRD-Muster von TiO₂ und das Ag-haltige TiO₂ . Es ist offensichtlich, dass alle XRD-Kurven starke Peaks aufweisen, die Anatas TiO₂ . zugeschrieben werden mit der Standard-Anatas-PDF-Karte, die anzeigt, dass die Kristallstruktur von TiO₂ ändert sich durch die Zugabe von Ag kaum. Tatsächlich können die Ag-Peaks aufgrund der geringen Ag-Konzentration und des zusammenfallenden Peaks bei etwa 2θ . nicht direkt beobachtet werden = 38°.

XRD-Spektren von TiO₂ und in Ag eingebettetes TiO₂

Um die chemischen Elemente des TiO₂ . zu untersuchen Komposit-Kompaktfilm wurde XPS verwendet, um die chemische Bindungsenergie der in das TiO₂ . eingebetteten Ag-NPs zu untersuchen Verbindung in der Kompaktfolie. Abbildung 2a zeigt die Elektronenbindungsenergie von Ag 3d mit dem kompakten Verbundfilm. Die Spitzen von Ag 3d_5/2 und Ag 3d_3/2 lagen zwischen 368,3 und 374,3 eV, was mit der Standardbindungsenergie von Ag ⁰ . übereinstimmt [42, 43]. Dies impliziert, dass die Ag-Elemente im kompakten Film in Form einfacher Substanzen ohne chemische Reaktion vorhanden waren. Abbildung 2b, c zeigt die Gerätestruktur und das Querschnittsbild des PSC-Geräts mit integrierten Ag-NPs in der kompakten Schicht. Tatsächlich ist die Größe von ZrO₂ und TiO₂ ist mit etwa 20 nm fast gleich. Somit ist die Grenzfläche zwischen ZrO₂ und TiO₂ ist nicht leicht zu identifizieren.

a Ag-3d-XPS-Spektren von Ag/TiO₂ Verbundstoffe. b Gerätestruktur eines Ag/TiO₂ Perowskit-Solarzelle. c Ein FE-REM-Querschnittsbild von Ag/TiO₂ Perowskit-Solarzelle. d Schematische Darstellung der photogenerierten Ladungsträgertrennung und -übertragung (die grauen, blauen und gelben Kreise stehen für Anatas TiO₂ , Ag und Perowskit-Nanopartikel)

Da die Verteilung von Ag durch SEM-Bildgebung nicht genau unterschieden werden kann, wurden TEM-Bilder verwendet, um die Größe sowohl der Ag-NPs als auch des Ag/TiO₂ . zu bestimmen Verbund-Kompaktfolie. TEM-Bilder mit unterschiedlichen Größen von Ag-NPs und Ag/TiO₂ Verbundwerkstoffe sind in Abb. 3 dargestellt. Abbildung 3a–d zeigt die unterschiedlichen Strukturen und Größenverteilungsergebnisse von Ag-NPs mit den Größen 10 nm (Abb. 3a), 30 nm (Abb. 3b), 40 nm (Abb. 3c) , und 55 nm (Abb. 3d), die nach der Polyolmethode hergestellt wurden. Wie in den oben genannten Abbildungen zu sehen ist, variierten die Größen der einzelnen Ag-NPs kaum und die einheitliche Größe der Ag-NPs konnte leicht unterschieden werden. Abbildung 3f zeigt ein vergrößertes Bild von Ag/TiO₂ Verbundstoffe in der Kompaktfolie aus dem gepunkteten Bereich in Abb. 3e. Die Ag-NPs waren von TiO₂ . umgeben zur Bildung von Ag/TiO₂ Verbundwerkstoffe und die Gittersäume von Ag und TiO₂ NPs lagen etwa 2,40 und 3,50 Å vom gepunkteten Bereich in Abb. 3f entfernt.

HRTEM-Bilder und Ergebnisse der Größenverteilung von a 10-nm-Ag-NPs, b 30-nm-Ag-NPs, c 40-nm-Ag-NPs und d 55-nm-Ag-NPs; HRTEM-Bilder von e Ag/TiO₂ Verbund-Kompaktfolie und f vergrößertes Bild aus dem gepunkteten Bereich von e

Abbildung 2e zeigt das schematische Diagramm der photogenerierten Ladungsträgertrennung und -übertragung im Ag/TiO₂ . PSC-Gerät unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht, ohne ZrO₂ (rote Pfeile zeigen den Elektronentransportweg und der blaue Pfeil den Lochtransportweg). Für das TiO₂ kompakter Schicht, die die Ag-NPs enthält, können die Ag-NPs als Ladungsfallenstellen fungieren, da das Leitungsband der Ag-NPs zwischen dem TiO₂ . liegt und das Perowskitmaterial [35]. Im Allgemeinen kann die LSPR von Ag die Absorption sowohl von organischen als auch von Perowskit-Solarzellen signifikant verbessern [35, 36, 44, 45]. Daher sollte das Management von Absorption und Ladungseinfang durch die Verwendung von Ag-NPs unterschiedlicher Größe und Konzentration die Stärke des Photostroms und die Leistung des PSC-Geräts beeinflussen.

Abbildung 4a zeigt die Absorptionsspektren von Ag-NPs unterschiedlicher Größe in Wasser, was durch die unterschiedlichen Absorptionspeaks angezeigt wird. Die entsprechenden Absorptionspeaks von 10-, 30-, 40- und 55-nm-Ag-NPs betrugen etwa 400, 410, 415 bzw. 420 nm. Darüber hinaus sind die UV-Vis-Absorptionsspektren des Ag/TiO₂ Verbundkompaktfilme und die gesamten PSC-Vorrichtungen, die Ag-NPs verschiedener Größen und verschiedener Konzentrationen enthalten, sind jeweils in den Fig. 1 und 2 gezeigt. 4 und 5. Wie in Abb. 4b zu sehen, ist die Extinktion von 10-nm-Ag-NPs im Ag/TiO₂ kompakter Verbundfilm war höher als bei den anderen Größen, und die Absorption variierte umgekehrt mit der Größe der Ag-NPs. Tatsächlich folgen die Absorptionsspektren in Abb. 4c demselben Trend wie oben in Abb. 4b dargestellt und nehmen mit zunehmender Ag-NP-Größe ab. Dies könnte auf den erhöhten optischen Verlust zurückzuführen sein, der durch die Reflexion größerer Ag-NPs und den intrinsisch starken LSPR-Effekt kleiner Ag-NPs verursacht wird. Nach früheren Forschungen nimmt der LSPR-Effekt mit zunehmender Größe von edlen mentalen NPs allmählich ab und die Lichtstreuung wird dominanter [37, 46, 47]. Somit hat der LSPR-Effekt einen großen Einfluss auf die Absorption von PSC-Bauelementen, wenn die Ag-NPs relativ klein sind.

UV-Vis-Absorptionsspektren des a verschiedene Größen von Ag-NP-Proben, b Ag/TiO₂ Proben mit verschiedenen Größen von Ag-NPs und c Ag/TiO₂ PSC-Geräteproben mit verschiedenen Größen von Ag-NPs

UV-Vis-Absorptionsspektren der Kompaktfolien und der gesamten PSC-Geräte mit a , b 10-nm-Ag-NPs; c , d 30-nm-Ag-NPs; e , f 40-nm-Ag-NPs; und g , h 55-nm-Ag-NPs

Abbildung 5a–h zeigt die UV-Vis-Absorptionsspektren der Kompaktfilme und der gesamten PSC-Geräte mit 10-, 30-, 40- und 55-nm-Ag-NPs. Wie beobachtet, wurde mit der Zunahme des Ag-Gehalts die Absorption des Kompaktfilms im vollständig sichtbaren Bereich allmählich verbessert. Die Absorption der gesamten PSC-Vorrichtung folgte dem gleichen Trend wie der Gehalt an Ag zunahm. Diese Spektren zeigen zusammengenommen einen Gehalt von 2,5 Mol-% an Ag/TiO₂ hatte die höchste Absorption bei jeder einzigartigen Ag-NP-Größe, was auf den LSPR-Effekt zurückzuführen ist. Mit der Zunahme des Gehalts an Ag-NPs wurde auch der LSPR-Effekt stärker. Die Nanopartikelgröße spielt eine wichtige Rolle im Extinktionsverhalten, wie der Lichtabsorption und -streuung. Beim Vergleich von Abb. 4 mit Abb. 5a, c, z /sub> kompakte Schicht, die auf den größeren Brechungsindex von TiO₂ . zurückgeführt wird im Vergleich zu Wasser [48]. Tatsächlich ist TiO₂ NPs haben in diesem Wellenlängenbereich eine relativ hohe Absorption. Obwohl der LSPR-Effekt der Ag-NPs immer unter Lichtbestrahlung auftritt, zeigt die Absorption in einem Wellenlängenbereich von weniger als 350 nm aufgrund des hohen Extinktionskoeffizienten des Perowskitmaterials, der zur Sättigung der Lichtabsorption führt, keinen signifikanten Anstieg. Die Absorption des Perowskitmaterials ist im Kurzwellenbereich von etwa 400 nm stark und im Langwellenbereich von 600–800 nm relativ schwach. Aufgrund des LSPR-Effekts der Ag-NPs wird die Absorption des gesamten PSC-Geräts erheblich verbessert. Darüber hinaus erhöhen die Ag-NPs die Lichtabsorption im sichtbaren Bereich (380~780 nm), was neben der Absorption des Perowskitmaterials hauptsächlich auf die LSPR von Ag-NPs zurückgeführt werden kann, wenn die Größe der Ag-NPs kleiner ist als ~ 100 nm [46].

Das gemessene J -V Kurven, die die Leistung der PSC-Bauelemente mit unterschiedlichen Größen und Gehalten an Ag-NPs zeigen, sind in Abb. 6 dargestellt. Abb. 7 zeigt ein zweidimensionales Diagramm und die entsprechende Tabelle der PCE-Kurzschlussstromdichte (J _sc ), Leerlaufspannung (V _oc ) und Füllfaktor (FF) des Ag/TiO₂ PSC-Geräte mit unterschiedlichen Inhalten und Größen von Ag-NPs. Tatsächlich zeigten die Geräte mit unterschiedlichen Größen von Ag-NPs und unterschiedlichem Ag-Gehalt im Vergleich zu den Geräten ohne Ag-NPs einen geringen Unterschied in V _oc . Für die Ag-NP-Größe von 10, 30, 40 und 55 nm ist der J _sc des Ag/TiO₂ PSC-Geräte waren alle höher als die der Geräte ohne Ag-NPs (20,38 mA cm ⁻² ), die entsprechenden Werte betragen ungefähr 23,02, 23,7, 22,46 und 22,1 mA cm ^–2 , bzw. Das verbesserte J _sc des Ag/TiO₂ PSC-Vorrichtungen können der Verbesserung der Perowskit-Materialabsorption durch LSPR zugeschrieben werden. Somit kann der Einbau von Ag-NPs die PCE von PSC-Bauelementen verbessern, indem die Absorptionsintensität des Perowskitmaterials erhöht wird. Bei gleichem Gehalt an Ag-NPs nimmt der PCE mit zunehmender Größe der Ag-NPs allmählich ab. Der erhöhte optische Verlust, der durch die Reflexion und Absorption größerer Ag-NPs verursacht wird, verringert die Lichtabsorption des Perowskitmaterials. Basierend auf der Tabelle in Abb. 7 ist der PCE von Ag/TiO₂ PSC-Geräte variieren umgekehrt mit der Größe der Ag-NPs und 1,5 Mol-% Ag/TiO₂ PSC-Geräte mit 10-nm-Ag-NPs hatten eine durchschnittliche PCE von 12,01 % (von 10 PSC-Geräten) und die höchste PCE von 13,26 %. Für die Ag-NP-Größe von 10 nm ist der J _sc der 1,5 Mol-% Ag/TiO₂ PSC-Geräte waren etwas niedriger als die mit 2 Mol-% Ag/TiO₂ PSC-Geräte, aber die 1,5 Mol-% Ag/TiO₂ PSC-Geräte hatten den höchsten FF im Vergleich zu allen anderen Gehalten an 10-nm-Ag/TiO₂ PSC-Geräte. Mit der Zunahme des Ag-NP-Gehalts steigt jedoch der PCE von Ag/TiO₂ PSC-Bauelemente mit unterschiedlich großen Ag-NPs nahmen allmählich ab, was auf die Ladungseinfangstellen der Ag-NPs zurückzuführen ist, die die Leistung des PSCs verringern. Tatsächlich wird angenommen, dass Ag-NPs die von Perowskitmaterialien erzeugten Elektronen einfangen und den Ladungstransport aufgrund der unterschiedlichen Energieniveaus zwischen TiO₂ . behindern können und die Ag-NPs [60]. Somit kann der kombinierte Effekt von Lichtstreuung und LSPR die Leistung von Ag/TiO₂ . erheblich beeinflussen PSC-Geräte.

J -V Kurven von PSC-Geräten mit unterschiedlichem Gehalt verschiedener Größe von Ag-NPs von a 10 nm, b 30 nm, c 40 nm und d 55 nm

Zweidimensionale Histogramme und die entsprechenden Tabellen von a PCE, b J _sc , c Spannung und d FF von PSC-Geräten mit unterschiedlichen Größen und Gehalten an Ag-NPs

Abbildung 8 zeigt die IPCE-Kurven der PSC-Geräte mit oder ohne Ag-NPs. Das PSC-Gerät mit den 10-nm-Ag-NPs zeigte die höchste Verstärkung des IPCE im sichtbaren Bereich, wie in Abb. 8a dargestellt. Darüber hinaus können niedrige Verstärkungswerte beobachtet werden, wenn die Größe der Ag-NPs größer als 10 nm war. Im Allgemeinen wiesen PSC-Geräte mit Ag-NPs höhere IPCE-Verstärkungswerte im Vergleich zu Proben ohne Ag-NPs auf, was hauptsächlich auf die Absorptionsverstärkung durch die LSPR von Ag-NPs zurückzuführen ist. In Abb. 8b–e ist zu erkennen, dass die IPCE-Verstärkungswerte von 1,5 Mol-% Ag/TiO₂ PSC-Geräte waren für jede Ag-NP-Größe am höchsten. Darüber hinaus nahmen die IPCE-Verstärkungswerte der PSC-Vorrichtungen mit zunehmendem Ag-Gehalt allmählich ab, was auf das Ladungseinfang auf den Ag-NPs und die Verschlechterung des Elektronentransports, die den PCE senkt, zurückzuführen sein kann. Schließlich wird die IPCE durch den Elektronentransfer zu den Ag-NPs verringert, wo die Ladungen durch die Barrieren zwischen TiO₂ . eingefangen werden und die Ag-NPs.

IPCE-Spektren (380 bis 800 nm) von PSC-Geräten mit a verschiedene Größen von Ag-NPs, b unterschiedlicher Gehalt von 10-nm-Ag-NPs, c unterschiedlicher Gehalt von 30-nm-Ag-NPs, d unterschiedlicher Gehalt von 40-nm-Ag-NPs und e unterschiedlicher Gehalt von 55-nm-Ag-NPs