Verbessertes Up-Conversion-TiO₂-Nanomaterial steigert Perowskit-Solarzellen-Wirkungsgrad auf 16,3 %

Zusammenfassung

Ein sol-gel-synthetisiertes Ho³⁺-Yb³⁺-Mg²⁺-tri-dotiertes TiO₂ (UC-Mg-TiO₂) zeigt deutlich verstärkte Up-Conversion-Fluoreszenz, wenn Mg²⁺ eingebaut wird. Das Material wurde als dünne Zwischenschicht auf der Elektronentransportschicht (ETL) von Perowskit-Solarzellen (PSCs) angewendet. Bauelemente mit UC-Mg-TiO₂ erreichten einen Wirkungsgrad (PCE) von 16,3 % im Vergleich zu 15,2 % für Referenzzellen, was bestätigt, dass das Nanomaterial Nahinfrarot-(NIR)-Photonen effektiv in sichtbares Licht umwandelt, das der Perowskit absorbiert.

Hintergrund

Perowskit-Solarzellen (PSCs) haben sich rasant entwickelt, mit PCEs über 22 % in jüngster Zeit. Allerdings ist ihr Absorptionsspektrum auf Wellenlängen unter 800 nm begrenzt, wodurch mehr als die Hälfte des Sonnenspektrums – einschließlich des NIR-Bereichs – ungenutzt bleibt. Up-Conversion-Nanomaterialien können diese Lücke schließen, indem sie NIR-Photonen in sichtbare Photonen umwandeln, die PSCs ernten können. Während β-NaYF₄-basierte Up-Conversion-Hosts üblich sind, sind sie isolierend und für Elektronentransportschichten (ETLs) ungeeignet. Titandioxid (TiO₂) in seiner Anatasphase ist eine weit verbreitete ETL aufgrund seiner geeigneten Bandausrichtung, Kosteneffizienz und Stabilität, aber seine breite Bandlücke (3,2 eV) beschränkt die Absorption im sichtbaren-NIR-Bereich. Dotierung von TiO₂ mit Selten-Erd-Ionen oder Übergangsmetallen kann seine spektrale Antwort erweitern und Ladungstransporteigenschaften verbessern. Frühere Studien haben gezeigt, dass Ho³⁺-Yb³⁺-ko-dotiertes TiO₂ NIR-Licht für Farbstoff-sensibilisierte Solarzellen up-convertieren kann, und Mg²⁺-Dotierung kann das Fermi-Niveau verschieben, um die PSC-Leistung zu verbessern. In dieser Arbeit kombinieren wir Ho³⁺, Yb³⁺ und Mg²⁺ in TiO₂, um ein neues tri-dotiertes Material (UC-Mg-TiO₂) zu schaffen und dessen Einfluss auf den PSC-Wirkungsgrad zu untersuchen.

Methoden

Materialien

Formamidiniumiodid (FAI), Methylammoniumbromid (MABr), Bleidiodid (PbI₂), 2,2′,7,7′-Tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenylamino)-9,9′-spirobifluoren (Spiro-OMeTAD) und Bleibromid (PbBr₂) wurden von Xi'an Polymer Light Technology Corp. bezogen. Die SnO₂-Kolloidlösung wurde von Alfa Aesar gekauft. Dimethylsulfoxid (DMSO), N,N-Dimethylformamid (DMF), 4-tert-Butylpyridin (TBP) und Lithium-bis(trifluormethansulfonyl)imid (Li-TFSI) wurden von Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD. bezogen.

Synthese von Ho³⁺-Yb³⁺-Mg²⁺-tri-dotiertem TiO₂

Das UC-Mg-TiO₂ wurde über eine modifizierte Sol-Gel-Route hergestellt. Titantetrabutanolat wurde zuerst mit Acetylaceton (AcAc) reagiert und dann mit Isopropylalkohol (IPA) verdünnt. Eine gemischte Lösung aus IPA, Salpetersäure und Wasser wurde langsam hinzugefügt, und nach 6 h Rühren bildete sich ein hellgelbes TiO₂-Sol. Ho(NO₃)₃·5H₂O, Yb(NO₃)₃·5H₂O und Mg(NO₃)₂·6H₂O wurden in Molverhältnissen von Ho:Yb:Mg:Ti = 1:4:x:100 (x = 0, 1, 1,5, 2, 2,5) eingeführt. Das Lösungsmittel wurde bei 100 °C für 10 h entfernt, und die resultierenden Pulver wurden bei 500 °C für 30 min kalziniert.

Herstellung von PSCs

Fluor-dotiertes Zinnoxid (FTO)-Substrate wurden gereinigt und mit UV-O₃ behandelt. Eine Blockierschicht aus TiO₂ (30NR-D) wurde aufgespinnt und bei 500 °C geglüht. Die ETL bestand aus TiO₂, verdünnt in Ethanol (1:6, Massenverhältnis) und sequentiell bei 100 °C und 450 °C geglüht. Für die UC-Mg-TiO₂-modifizierten Zellen wurde ein Gemisch aus UC-Mg-TiO₂-Sol und TiO₂-Sol (x : 100 – x, v/v) aufgespinnt (x = 0, 20, 40, 60, 80, 100) und bei 500 °C geglüht. Die Perowskit-Vorläuferlösung (FAI, PbI₂, MABr, PbBr₂ und CsI) wurde mit einem Chlorbenzol-Antisolvent-Tropfen aufgespinnt, gefolgt von einer Spiro-OMeTAD-Lochtransportschicht. Schließlich wurde eine Au-Elektrode thermisch verdampft.

Charakterisierung

Photolumineszenz-(PL)-Spektren wurden mit einem FLS 980 E Fluorometer aufgezeichnet. Röntgenbeugung (XRD) wurde mit einem DX-2700-Diffraktometer verwendet. Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) setzte ein THS-103-Spektrometer ein. UV-Vis-Absorption wurde mit einem Varian Cary 5000 gemessen. Rasterelektronenmikroskopie (REM) verwendete ein JSM-7001F. Strom-Spannungs-(I-V)-Kurven unter AM 1,5-Beleuchtung wurden mit einem Keithley 2440 Sourcemeter aufgenommen. Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) wurde mit einem CHI660e-Arbeitsstation durchgeführt, und die eingehende Photonen-zu-Strom-Wirkungsgrad-(IPCE)-Spektren wurden mit einem Crowntech Qtest Station 500ADX erhalten.

Ergebnisse und Diskussion

Die Optimierung der Ho³⁺- und Yb³⁺-Verhältnisse zeigte, dass ein 1:4 Ho:Yb-Verhältnis die stärkste Up-Conversion-Emission bei 547 nm und 663 nm bei Anregung bei 980 nm erzeugte (Abb. 1a). Die Einführung von Mg²⁺ verstärkte die Fluoreszenz weiter; die maximale Emission trat bei Ho:Yb:Mg = 1:4:2 auf (Abb. 1b). XRD bestätigte, dass alle Proben die Anatas-TiO₂-Phase beibehielten (Abb. 2). XPS-Analyse verifizierte die Einlagerung von Ho, Yb und Mg in das TiO₂-Gitter (Abb. 3). UV-Vis-Spektren zeigten, dass UC-Mg-TiO₂ zusätzliches sichtbares und NIR-Licht absorbierte und seine Bandlücke auf 3,09 eV von 3,18 eV für undotiertes TiO₂ reduzierte (Abb. 4).

a Ho³⁺-Yb³⁺-ko-dotiertes TiO₂ (Ho:Yb:Ti = 1:x:100). b Ho³⁺-Yb³⁺-Mg²⁺-tri-dotiertes TiO₂ (Ho:Yb:Mg:Ti = 1:4:x:100).

REM-Bilder zeigten ähnliche Nanopartikelgrößen (~25–28 nm) und einheitliche Filmmorphologie für sowohl TiO₂ als auch UC-Mg-TiO₂ (Abb. 5).

a TiO₂ (30NR-D) Film. b UC-Mg-TiO₂ Film.

Bauelementtests zeigten, dass der PCE mit UC-Mg-TiO₂-Gehalt zunahm, mit einem Maximum bei 60 % UC-Mg-TiO₂ in der ETL (Abb. 6a). Die beste Zelle erreichte V_oc = 1,05 V, J_sc = 22,6 mA cm⁻² und PCE = 16,3 % versus 1,03 V, 21,2 mA cm⁻² und 15,2 % für die Referenz (Tabelle 1). Schnellerer PL-Zerfall und geringerer Rekombinationswiderstand in UC-Mg-TiO₂-Bauelementen (Abb. 8, Abb. 9) deuten auf effizientere Ladungsextraktion hin.

a Beziehung zwischen PCE und UC-Mg-TiO₂-Gehalt. b Repräsentative I-V-Kurven.

Unter 980 nm NIR-Beleuchtung zeigten Zellen mit UC-Mg-TiO₂ einen höheren J_sc, was den Up-Conversion-Beitrag bestätigt (Abb. 10). IPCE-Spektren zeigten eine verbesserte Antwort zwischen 400 nm und 650 nm für die modifizierten Zellen (Abb. 10b).

a I-V unter 980 nm Filter. b IPCE-Spektren.

Schlussfolgerungen

Wir synthetisierten erfolgreich Ho³⁺-Yb³⁺-Mg²⁺-tri-dotiertes TiO₂ (UC-Mg-TiO₂), das starke Up-Conversion-Fluoreszenz aufweist, die durch Mg²⁺-Dotierung verstärkt wird. Als Zwischenschicht auf der ETL angewendet, verbesserte UC-Mg-TiO₂ die PSC-Leistung, indem es V_oc und J_sc auf 1,05 V bzw. 22,6 mA cm⁻² steigerte und den PCE von 15,2 % auf 16,3 % erhöhte. Diese Ergebnisse demonstrieren, dass UC-Mg-TiO₂ NIR-Licht effektiv in nutzbare sichtbare Photonen umwandelt und einen gangbaren Weg bietet, den Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen weiter zu steigern.

Abkürzungen

EIS

Elektrochemische Impedanzspektroskopie

NIR

Nahinfrarot

PCE

Wirkungsgrad

PL

Photolumineszenz

PSCs

Perowskit-Solarzellen

TRPL

Zeitaufgelöste Photolumineszenz