Ein neues Up-Conversion-Material von Ho3+-Yb3+-Mg2+ Tri-dotiertem TiO2 und seine Anwendungen auf Perowskit-Solarzellen
Zusammenfassung
Ein neues Hochkonvertierungs-Nanomaterial von Ho 3+ -Yb 3+ -Mg 2+ dreifach dotiertes TiO2 (UC-Mg-TiO2 ) wurde mit einem Sol-Gel-Verfahren entworfen und synthetisiert. Das UC-Mg-TiO2 präsentierte eine verbesserte Up-Conversion-Fluoreszenz durch Zugabe von Mg 2+ . Das UC-Mg-TiO2 wurde verwendet, um Perowskit-Solarzellen herzustellen, indem eine dünne Schicht auf der Elektronentransferschicht gebildet wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass die Leistungsumwandlungseffizienz der Solarzellen basierend auf der Elektronentransferschicht mit UC-Mg-TiO2 verbessert sich von 15,2 % auf 16,3 für diejenigen ohne UC-Mg-TiO2 . Es wird gezeigt, dass das synthetisierte UC-Mg-TiO2 kann das Nahinfrarotlicht in sichtbares Licht umwandeln, das der Perowskitfilm absorbieren kann, um die Leistungsumwandlungseffizienz der Geräte zu verbessern.
Hintergrund
Auf dem Gebiet der Solarzellen wurde den Perowskit-Solarzellen (PSCs) mehr Aufmerksamkeit geschenkt [1,2,3,4,5]. Der Leistungsumwandlungswirkungsgrad (PCE) der PSCs hat innerhalb weniger Jahre 22% überschritten [6]. Die Perowskitmaterialien absorbieren jedoch normalerweise das sichtbare Licht, dessen Wellenlänge weniger als 800 nm beträgt, und mehr als die Hälfte der Sonnenenergie wird nicht genutzt, insbesondere im Bereich des nahen Infrarots (NIR). Um die Probleme zu lösen, besteht eine der effektivsten Methoden darin, das Up-Conversion-Nanomaterial auf Perowskit-Solarzellen anzuwenden, indem das NIR-Licht in sichtbares Licht umgewandelt wird, das der Perowskit nutzen kann [7,8,9]. Das Beta-Natrium-Yttrium-Fluorid (β-NaYF4 ) wird üblicherweise als Wirtsgitter für Seltenerdionen verwendet, um die Aufwärtskonversionsmaterialien herzustellen. Während das β-NaYF4 -basierte Upconversion-Materialien sind Isolatoren, was für den Elektronentransfer nicht von Vorteil ist [ETL] [10].
Titandioxid (TiO2 .) ) Nanokristall mit Anatas-Phase wird aufgrund seiner geeigneten Energiebandstruktur, geringen Kosten und langer Stabilität häufig als Elektronentransfermaterial in Perowskit-Solarzellen verwendet [11,12,13]. Die Energiebandlücke von TiO2 ist groß (3,2 eV), was seine Anwendung behindert. Um die Anwendungen von TiO2 . zu verbessern im sichtbaren Licht und im Nahinfrarotbereich wurden einige Methoden erforscht. Eine der effektivsten Methoden ist die Dotierung von TiO2 mit Metall oder Nichtmetall [14,15,16]. Yuet al. [17] zeigte, dass Ho 3+ -Yb 3+ -F − dotiertes TiO2 könnten NIR-Licht in sichtbares Licht umwandeln, das von den farbstoffsensibilisierten Solarzellen (DSSCs) absorbiert werden kann. Zhang und Co-Autoren [18] bewiesen, dass Mg-dotiertes TiO2 kann das Fermi-Energieniveau von TiO2 . ändern um die Leistung von Perowskit-Solarzellen zu verbessern.
In dieser Arbeit kombinieren wir vorzugsweise die hinteren Erdionen (Ho 3+ und Yb 3+ ) und das Metallion (Mg 2+ ) dotiertes TiO2 zusammen, um ein neues Material mit verbesserter Up-Conversion-Fluoreszenz zu synthetisieren. Unser Ziel ist es zu untersuchen, wie die Zugabe von Mg 2+ beeinflussen die Up-Conversion-Fluoreszenz von TiO2 und das Up-Conversion-Nanomaterial von Ho 3+ . anzuwenden -Yb 3+ -Mg 2+ dreifach dotiertes TiO2 zu Perowskit-Solarzellen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Zugabe von Mg 2+ verbesserte die Aufwärtskonversionsemission von TiO2 , und die Anwendung von Ho 3+ -Yb 3+ -Mg 2+ dreifach dotiertes TiO2 verbesserte den PCE von PSCs von 15,2 % auf 16,3 %.
Methoden/Experimental
Materialien
Formamidiniumjodid (FAI), Methylamiumbromid (MABr), Bleidijodid (PbI2 ), 2,2′,7,7′-Tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenylamin)-9,9′-spirobifluoren (Spiro-OMeTAD) und Bleidibromid (PbBr2 ) wurden von Xi’an Polymer Light Technology Corp. (China) bezogen. Das SnO2 Kolloidlösung wurde von Alfa Aesar (Zinn(IV)-oxid) bezogen. Dimethylsulfoxid (DMSO), N,N-Dimethylformamid (DMF), 4-tert-Butylpyridin (TBP) und Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (Li-TFSI) wurden von Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD ( China).
Synthese von Ho 3+ -Yb 3+ -Mg 2+ Dreifach dotiertes TiO2
Das Up-Conversion-Material von Ho 3+ -Yb 3+ -Mg 2+ dreifach dotiertes TiO2 wurde mit einer beschriebenen Methode [19] mit einigen Modifikationen synthetisiert. Zunächst wurde ein Titantetrabutanolat durch Mischen von Acetylaceton (AcAc) und Titantetrabutanolat (Ti(OBu)4 . erhalten ) für 1 h unter Rühren bei 25 °C und dann wurde der Isopropylalkohol (IPA) zugegeben, um das (Ti(OBu)4 . herzustellen ) Lösung. Eine gemischte Lösung aus IPA, HNO3 , und H2 O wurde langsam in die Lösungen getropft. Nach 6 h Rühren wird ein TiO2 Sol mit einer Farbe von hellgelb wurde erhalten. In einer typischen Synthese ist das Molverhältnis von AcAc, HNO3 , und H2 O bis Ti(OBu)4 war 1:0,3:2:1. Zur Synthese von Ho 3+ -Yb 3+ co-dotiertes TiO2 , Ho(NO3 )3 ·5H2 O und Yb(NO3 )3 ·5H2 O wurden als elementare Quellen verwendet und in die Lösung gegeben. Typischerweise ist das Molverhältnis von Ho 3+ :Yb 3+ :Ti = 1:x :100 (x = 2, 3, 4, 5). Zur Synthese von Ho 3+ -Yb 3+ -Mg 2+ dreifach dotiertes TiO2 , Ho(NO3 )3 ·5H2 O, Yb(NO3 )3 ·5H2 O und Mg(NO3 )2 6H2 O als elementare Quellen wurden in die Lösung gegeben und das Molverhältnis von Ho 3+ :Yb 3+ :Mg 2+ :Ti = 1:4:x :100 (x = 0, 1, 1,5, 2, 2,5). Die erhaltene Lösung wurde als Ho 3+ . bezeichnet -Yb 3+ -Mg 2+ dreifach dotiertes TiO2 (UC-Mg-TiO2 ) sol. Das Lösungsmittel in der Lösung wurde durch Erhitzen auf 100 °C für 10 Stunden entfernt. Dann wurden die Materialpulver 30 Minuten lang auf 500 °C erhitzt.
Vorbereitung von PSCs
Das FTO wurde in Detergens, Aceton und Isopropanol gewaschen und dann 15 Minuten lang mit UV-O3 . behandelt . Eine Sperrschicht wurde durch ein Schleuderbeschichtungsverfahren unter Verwendung einer Lösung von Titandiisopropoxid-bis(acetylacetonat) in 1-Butanol mit einer Konzentration von 1 M hergestellt und dann 30 min auf 500 °C erhitzt. Eine Elektronentransferschicht (ETL), hergestellt durch ein Schleuderbeschichtungsverfahren unter Verwendung von TiO2 Lösung, die durch Verdünnen von TiO2 . erhalten wird (30NR-D) unter Verwendung von Ethanol (1:6, Massenverhältnis) und dann 10 min bei 100 °C und 30 min bei 450 °C erhitzt. Das UC-Mg-TiO2 wurde verwendet, um die Solarzellen durch Spin-Coating einer gemischten Lösung von UC-Mg-TiO2 . herzustellen sol und TiO2 sol (UC-Mg-TiO2 :TiO2 = x :(100 − x ), v /v , x = 0, 20, 40, 60, 80 und 100) auf dem ETL und Erhitzen für 30 Minuten bei 500 °C. Ein Perowskitfilm wurde nach der beschriebenen Methode hergestellt [20]. Kurz gesagt, die Vorläuferlösung von Perowskit wurde durch Auflösen von FAI (1 M), PbI2 . hergestellt (1,1 M), MABr (0,2 M) und PbBr2 (0,22 M) in der Mischung aus DMF/DMSO (4:1 v:v ) und eine Stammlösung von CsI (1,5 M) in DMSO wurde zugegeben. Der Perowskitfilm wurde durch ein Schleuderbeschichtungsverfahren mit 1000 U/min für 10 s und 4000 U/min für 30 s erhalten, und vor Ablauf von 20 s wurden 200 μL Chlorbenzol auf die Probe getropft. Eine Lochtransferschicht (HTL) wurde durch das Schleuderbeschichtungsverfahren unter Verwendung einer Spiro-MeOTAD-Lösung bei 4000 U/min für 30 s erhalten. Die Spiro-OMeTAD-Lösung wurde hergestellt, indem 72,3 mg Spiro-MeOTAD in 1 ml Chlorbenzol gelöst und 28,8 μL TBP, 17,5 μL Li-TFSI-Lösung (520 mg/ml in Acetonitril) zugegeben wurden. Schließlich wurde auf der Lochtransferschicht durch thermisches Aufdampfen eine Au-Anode hergestellt.
Charakterisierung
Photolumineszenz (PL)-Spektren wurden unter Verwendung eines Fluorometers von FLS 980 E aufgenommen. Ein Diffraktometer von DX-2700 wurde verwendet, um die Röntgenbeugungsmuster (XRD) zu erhalten. Röntgenphotoelektronenspektren wurden mit einem Spektrometer von XPS THS-103 gemessen. Absorptionsspektren wurden mit einem Spektrophotometer von Varian Cary 5000 erhalten. Rasterelektronenmikroskopische (REM) Bilder wurden unter Verwendung eines Mikroskops von JSM-7001F durchgeführt. Ein Keithley 2440 Sourcemeter wurde verwendet, um die Photostrom-Spannungs-(I-V)-Kurven der Solarzellen bei einer Beleuchtung von AM 1,5 zu messen. Eine elektrochemische Workstation von CHI660e wurde verwendet, um die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) zu erhalten. Die einfallende Photonen-Strom-Umwandlungseffizienz (IPCE) wurde mit einem Solarzellen-IPCE-Aufzeichnungssystem (Crowntech Qtest Station 500ADX) gemessen.
Ergebnisse und Diskussion
Die Up-Conversion-Fluoreszenz der Materialien wurde durch Variation des Molverhältnisses von Ho 3+ . optimiert und Yb 3+ . Die Aufwärtskonversionsemission von Ho 3+ -Yb 3+ co-dotiertes TiO2 mit variierendem Molverhältnis von Ho 3+ und Yb 3+ (Ho:Yb:Ti = 1:x :100) wurden in Abb. 1a gezeigt, die mit einem 980 nm NIR-Licht angeregt wurden. Bei 547 nm und 663 nm wurden zwei starke Aufwärtskonversions-Emissionspeaks beobachtet. Zusätzliche Datei 1:Abbildung S1 zeigt die Aufwärtskonvertierungsmechanismen des Ho 3+ -Yb 3+ co-dotiertes TiO2 . Die Fluoreszenzpeaks bei 663 nm und 547 nm könnten den 5 . entsprechen F5 → 5 I8 und ( 5 S2 , 5 F4 ) → 5 I8 Übergänge von Ho 3+ , bzw. [21]. Es ist ersichtlich, dass die Intensität der Up-Conversion-Fluoreszenz am größten ist, wenn das Molverhältnis von Ho 3+ und Yb 3+ ist 1:4. Abbildung 1b zeigt die Up-Conversion-Photofluoreszenz von Ho 3+ -Yb 3+ -Mg 2+ dreifach dotiertes TiO2 mit unterschiedlichen Dopinggehalten von Mg 2+ (Ho:Yb:Mg:Ti = 1:4:x :100, Molverhältnis). Die Up-Conversion-Fluoreszenz wurde durch die Zugabe von Mg 2+ . verstärkt . Wenn der Dopinggehalt von Ho 3+ :Yb 3+ :Mg 2+ = 1:4:2, die Aufwärtskonversionsemission ist am stärksten für Ho 3+ -Yb 3+ -Mg 2+ dreifach dotiertes TiO2 . Im Folgenden wird das UC-Mg-TiO2 mit dem Molverhältnis von Ho 3+ :Yb 3+ :Mg 2+ :Ti = 1:4:2:100 wurde angewendet.
Schlussfolgerungen
Das Up-Conversion-Nanomaterial von Ho 3+ -Yb 3+ -Mg 2+ dreifach dotiertes TiO2 (UC-Mg-TiO2 ) wurde erfolgreich synthetisiert. Die Aufwärtskonversionsemissionen von UC-Mg-TiO2 wurden durch eine Zugabe von Mg 2+ . verstärkt . Wir haben das UC-Mg-TiO2 . aufgetragen zu den PSCs, in denen das UC-Mg-TiO2 wurde verwendet, um die Elektronentransferschicht zu modifizieren. Das V oc und ich sc der Geräte mit UC-Mg-TiO2 wurden auf 1,05 V und 22,6 mA/cm 2 . verbessert ab 1,03 V und 21,2 mA/cm 2 für diejenigen ohne UC-Mg-TiO2 , bzw. Und der PCE der Geräte mit UC-Mg-TiO2 wurde von 15,2 % auf 16,3 % für diejenigen ohne UC-Mg-TiO2 . erhöht .
Abkürzungen
- EIS:
-
Elektrochemische Impedanzspektroskopie
- NIR:
-
Nahinfrarot
- PCE:
-
Leistungsumwandlungseffizienz
- PL:
-
Photolumineszenz
- PSCs:
-
Perowskit-Solarzellen
- TRPL:
-
Zeitaufgelöste Photolumineszenz
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