Material Up-conversion Baru dari Ho3+-Yb3+-Mg2+ Tri-doped TiO2 dan Aplikasinya pada Sel Surya Perovskit
Abstrak
Nanomaterial konversi baru dari Ho
3+
-Yb
3+
-Mg
2+
TiO yang didoping tri2 (UC-Mg-TiO2 ) dirancang dan disintesis dengan metode sol-gel. UC-Mg-TiO2 menyajikan peningkatan fluoresensi konversi dengan penambahan Mg
2+
. UC-Mg-TiO2 digunakan untuk membuat sel surya perovskit dengan membentuk lapisan tipis pada lapisan transfer elektron. Hasil penelitian menunjukkan bahwa efisiensi konversi daya sel surya berdasarkan lapisan transfer elektron dengan UC-Mg-TiO2 ditingkatkan menjadi 16,3 dari 15,2% untuk mereka yang tidak memiliki UC-Mg-TiO2 . Hal ini menunjukkan bahwa UC-Mg-TiO2 yang disintesis dapat mengubah cahaya inframerah-dekat menjadi cahaya tampak yang dapat diserap oleh film perovskite untuk meningkatkan efisiensi konversi daya perangkat.
Latar Belakang
Lebih banyak perhatian telah diberikan pada sel surya perovskite (PSC) di bidang sel surya [1,2,3,4,5]. Efisiensi konversi daya (PCE) dari PSC telah melebihi 22% dalam beberapa tahun [6]. Namun, bahan perovskit biasanya menyerap cahaya tampak yang panjang gelombangnya kurang dari 800 nm, dan lebih dari setengah energi matahari tidak dimanfaatkan, terutama di wilayah inframerah dekat (NIR). Untuk mengatasi masalah tersebut, salah satu metode yang efektif adalah dengan menerapkan nanomaterial konversi ke sel surya perovskit dengan mengubah cahaya NIR menjadi cahaya tampak yang dapat dimanfaatkan oleh perovskit [7,8,9]. Natrium itrium fluorida fase beta (β-NaYF4 ) umumnya digunakan sebagai kisi inang untuk ion tanah jarang untuk menyiapkan bahan konversi naik. Sedangkan -NaYF4 -bahan up-conversion berbasis isolator, yang tidak bermanfaat untuk transfer elektron [ETL] [10].
Titanium dioksida (TiO2 ) nanokristal dengan fase anatase umumnya digunakan sebagai bahan transfer elektron dalam sel surya perovskit karena struktur pita energinya yang sesuai, biaya rendah, dan stabilitas yang lama [11,12,13]. Namun, celah pita energi TiO2 besar (3,2 eV), yang menghambat penerapannya. Untuk meningkatkan aplikasi TiO2 di wilayah cahaya tampak dan inframerah dekat, beberapa metode dieksplorasi. Salah satu cara yang efektif adalah dengan doping TiO2 dengan logam atau non-logam [14,15,16]. Yu dkk. [17] menunjukkan bahwa Ho
3+
-Yb
3+
-F
−
doping TiO2 dapat mengubah cahaya NIR menjadi cahaya tampak yang dapat diserap oleh sel surya peka-pewarna (DSSC). Zhang dan rekan penulis [18] membuktikan bahwa TiO yang didoping-Mg2 dapat mengubah tingkat energi Fermi TiO2 untuk meningkatkan kinerja sel surya perovskit.
Dalam pekerjaan ini, kami lebih suka menggabungkan ion bumi belakang (Ho
3+
dan Yb
3+
) dan ion logam (Mg
2+
) doping TiO2 bersama-sama untuk mensintesis bahan baru dengan peningkatan fluoresensi konversi. Tujuan kami adalah untuk mengeksplorasi bagaimana penambahan Mg
2+
mempengaruhi fluoresensi konversi-atas TiO2 dan untuk menerapkan nanomaterial konversi ke atas dari Ho
3+
-Yb
3+
-Mg
2+
TiO yang didoping tri2 menjadi sel surya perovskit. Hasil menunjukkan bahwa penambahan Mg
2+
meningkatkan emisi konversi ke atas dari TiO2 , dan penerapan Ho
3+
-Yb
3+
-Mg
2+
TiO yang didoping tri2 meningkatkan PCE PSC menjadi 16,3% dari 15,2%.
Metode/Eksperimental
Materi
Formamidinium iodida (FAI), Metilamium bromida (MABr), Timbal diiodida (PbI2 ), 2,2′,7,7′-Tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenylamine)-9,9′-spirobifluorene (Spiro-OMeTAD), dan timbal dibromida (PbBr2 ) dibeli dari Xi'an Polymer Light Technology Corp. (Cina). SnO2 larutan koloid dibeli dari Alfa Aesar (timah (IV) oksida). Dimetil sulfoksida (DMSO), N,N-dimetilformamida (DMF), 4-tert-butilpiridin (TBP), dan litium bis (trifluorometanasulfonil) imida (Li-TFSI) dibeli dari Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD ( Cina).
Sintesis Ho
3+
-Yb
3+
-Mg
2+
TiO yang didoping tiga2
Materi konversi dari Ho
3+
-Yb
3+
-Mg
2+
TiO yang didoping tri2 disintesis dengan metode yang dilaporkan [19] dengan beberapa modifikasi. Pertama, Titanium tetrabutanolat diperoleh dengan mencampur asetilaseton (AcAc) dan Titanium tetrabutanolat (Ti(OBu)4 ) selama 1 jam sambil diaduk pada suhu 25 °C, dan kemudian isopropil alkohol (IPA) ditambahkan untuk membuat (Ti(OBu)4 ) solusi. Solusi campuran IPA, HNO3 , dan H2 O diteteskan ke dalam larutan secara perlahan. Setelah diaduk selama 6 jam, TiO2 diperoleh sol dengan warna kuning muda. Dalam sintesis tipikal, rasio molar AcAc, HNO3 , dan H2 O ke Ti(OBu)4 adalah 1:0.3:2:1. Untuk sintesis Ho
3+
-Yb
3+
TiO yang didoping bersama2 , Ho(TIDAK3 )3 ·5H2 O dan Yb(TIDAK3 )3 ·5H2 O digunakan sebagai sumber unsur dan ditambahkan ke dalam larutan. Biasanya, rasio molar Ho
3+
:Yb
3+
:Ti = 1:x :100 (x = 2, 3, 4, 5). Untuk sintesis Ho
3+
-Yb
3+
-Mg
2+
TiO yang didoping tri2 , Ho(TIDAK3 )3 ·5H2 O, Yb(TIDAK3 )3 ·5H2 O, dan Mg(TIDAK3 )2 6H2 O sebagai sumber unsur ditambahkan ke dalam larutan, dan rasio molar Ho
3+
:Yb
3+
:Mg
2+
:Ti = 1:4:x :100 (x = 0, 1, 1,5, 2, 2.5). Solusi yang diperoleh disebut sebagai Ho
3+
-Yb
3+
-Mg
2+
TiO yang didoping tri2 (UC-Mg-TiO2 ) sol. Pelarut dalam larutan dihilangkan dengan pemanasan pada 100 °C selama 10 jam. Kemudian, serbuk bahan tersebut dipanaskan selama 30 menit pada suhu 500 °C.
Persiapan PSC
FTO dicuci dengan deterjen, aseton, dan isopropanol, lalu dirawat selama 15 menit dengan UV-O3 . Pembuatan lapisan blocking dengan metode spin-coating menggunakan larutan titanium diisopropoksida bis (asetilasetonat) dalam 1-butanol dengan konsentrasi 1 M kemudian dipanaskan selama 30 menit pada suhu 500 °C. Lapisan transfer elektron (ETL) disiapkan dengan metode spin-coating menggunakan TiO2 larutan yang diperoleh dengan mengencerkan TiO2 (30NR-D) menggunakan etanol (1:6, rasio massa), kemudian dipanaskan selama 10 menit pada 100 °C dan 30 menit pada 450 °C. UC-Mg-TiO2 digunakan untuk membuat sel surya dengan spin-coating larutan campuran UC-Mg-TiO2 sol dan TiO2 sol (UC-Mg-TiO2 :TiO2 = x :(100 − x ), v /v , x = 0, 20, 40, 60, 80, dan 100) pada ETL dan dipanaskan selama 30 menit pada 500 °C. Sebuah film perovskite dibuat sesuai dengan metode yang dilaporkan [20]. Singkatnya, larutan prekursor perovskit dibuat dengan melarutkan FAI (1 M), PbI2 (1.1 M), MABr (0.2 M), dan PbBr2 (0,22 M) dalam campuran DMF/DMSO (4:1 v:v ), dan larutan stok CsI (1,5 M) di DMSO ditambahkan. Film perovskit diperoleh dengan metode spin-coating dengan 1000 rpm selama 10 detik dan 4000 rpm selama 30 detik, dan 200 L klorobenzena dijatuhkan pada sampel sebelum akhir 20 detik. Lapisan transfer lubang (HTL) diperoleh dengan metode spin-coating menggunakan larutan spiro-MeOTAD pada 4000 rpm selama 30 detik. Larutan spiro-OMeTAD dibuat dengan melarutkan 72,3 mg spiro-MeOTAD dalam 1 mL klorobenzena dan dengan menambahkan 28,8 μL TBP, 17,5 μL larutan Li-TFSI (520 mg/ml dalam asetonitril). Akhirnya, anoda Au dibuat pada lapisan transfer lubang dengan penguapan termal.
Karakterisasi
Spektrum fotoluminesensi (PL) diperoleh dengan menggunakan fluorometer FLS 980 E. Difraktometer DX-2700 digunakan untuk mendapatkan pola difraksi sinar-X (XRD). Spektrum fotoelektron sinar-X diukur dengan spektrometer XPS THS-103. Spektrum serapan diperoleh dengan spektrofotometer Varian Cary 5000. Pemindaian gambar mikroskop elektron (SEM) dilakukan menggunakan mikroskop JSM-7001F. Sebuah Sourcemeter Keithley 2440 diterapkan untuk mengukur kurva tegangan-foto (I-V) dari sel surya di bawah iluminasi AM 1,5. Stasiun kerja elektrokimia CHI660e digunakan untuk mendapatkan spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS). Insiden efisiensi konversi foton-ke-arus (IPCE) diukur dengan sistem perekaman IPCE sel surya (Crowntech Qtest Station 500ADX).
Hasil dan Diskusi
Fluoresensi konversi naik bahan dioptimalkan dengan memvariasikan rasio molar Ho
3+
dan Yb
3+
. Emisi konversi naik dari Ho
3+
-Yb
3+
TiO yang didoping bersama2 dengan rasio molar yang bervariasi dari Ho
3+
dan Yb
3+
(Ho:Yb:Ti = 1:x :100) ditunjukkan pada Gambar. 1a, yang dieksitasi dengan cahaya NIR 980 nm. Dua puncak emisi konversi naik yang kuat diamati pada 547 nm dan 663 nm. File tambahan 1:Gambar S1 menunjukkan mekanisme peningkatan konversi dari Ho
3+
-Yb
3+
TiO yang didoping bersama2 . Puncak fluoresensi pada 663 nm dan 547 nm dapat berhubungan dengan
5
F5 →
5
Saya8 dan (
5
S2 ,
5
F4 ) →
5
Saya8 transisi Ho
3+
, masing-masing [21]. Terlihat bahwa intensitas fluoresensi konversi naik paling besar bila rasio molar Ho
3+
dan Yb
3+
adalah 1:4. Gambar 1b menyajikan fotofluoresensi konversi naik dari Ho
3+
-Yb
3+
-Mg
2+
TiO yang didoping tri2 dengan kandungan doping yang berbeda dari Mg
2+
(Ho:Yb:Mg:Ti = 1:4:x :100, rasio molar). Fluoresensi konversi naik ditingkatkan dengan penambahan Mg
2+
. Saat konten doping Ho
3+
:Yb
3+
:Mg
2+
= 1:4:2, emisi konversi naik adalah yang terkuat untuk Ho
3+
-Yb
3+
-Mg
2+
TiO yang didoping tri2 . Selanjutnya, UC-Mg-TiO2 dengan rasio molar Ho
3+
:Yb
3+
:Mg
2+
:Ti = 1:4:2:100 telah diterapkan.
Emisi peningkatan konversi TiO2 . a Ho
3+
-Yb
3+
TiO yang didoping bersama2 (Ho:Yb:Ti = 1:x :100, rasio molar). b Ho
3+
-Yb
3+
-Mg
2+
TiO yang didoping tri2 (Ho:Yb:Mg:Ti = 1:4:x :100, rasio molar)
Gambar 2 menunjukkan difraksi sinar-X TiO2 (30NR-D) dan UC-Mg-TiO2 . Menurut kartu PDF (kartu JCPDS no.21–1272), puncak yang terletak di 2θ = 25.6 °, 37.7 °, 48.1 °, dan 53,7 ° dalam pola bisa termasuk dalam (101), (004), (200 ), (105), (211), dan (204) bidang kristal, masing-masing. Ini menampilkan fase UC-Mg-TiO2 adalah anatase.
Difraksi sinar-X TiO2 (30NR-D) dan UC-Mg-TiO2
Mendemonstrasikan doping Ho, Yb, dan Mg ke dalam TiO2 , spektrum fotoelektron sinar-X UC-Mg-TiO2 didapatkan. Spektrum survei XPS UC-Mg-TiO2 disajikan dalam File tambahan 1:Gambar S2. Gambar 3a menunjukkan puncak fotoelektron resolusi tinggi dari Ti 2p, yang memiliki dua puncak Ti 2p1/2 dan Ti 2p3/2 terletak di 463,7 eV dan 458,2 eV, masing-masing. Gambar 3b, c menunjukkan puncak fotoelektron resolusi tinggi dari Ho 4d dan Yb 4d, yang masing-masing muncul pada 163,6 eV dan 192,3 eV. Ini sesuai dengan posisi puncak yang dilaporkan [22]. Gambar 3d menunjukkan puncak fotoelektron Mg 2p yang terletak pada 49,8 eV [23]. Data ini menunjukkan bahwa atom Ho, Yb, dan Mg tergabung dalam TiO2 .
Spektrum fotoelektron sinar-X UC-Mg-TiO2 . a Ti 2p, b Ho 4d, c Yb 4d, dan d Mg 2p
Gambar 4a menunjukkan spektrum serapan TiO2 (30NR-D) dan UC-Mg-TiO2 . Terdapat lima puncak serapan yang muncul pada spektrum serapan UC-Mg-TiO2 , yang sesuai dengan penyerapan karakteristik Ho
3+
dan Yb
3+
. Terlihat bahwa doping Ho, Yb, dan Mg meningkatkan penyerapan TiO2 di wilayah cahaya tampak dan memperluas penyerapannya ke kisaran NIR. Plot Tauc dapat digunakan untuk memperkirakan celah pita energi material [24]. Plot Tauc dari spektrum penyerapan disajikan pada Gambar. 4b. Nilai celah pita energi dapat dihitung menjadi 3,09 eV dan 3,18 eV untuk UC-Mg-TiO2 dan TiO2 (30NR-D), masing-masing. UC-Mg-TiO2 menyajikan celah pita yang lebih kecil dari TiO2 .
a Spektrum serapan TiO2 (30NR-D) dan UC-Mg-TiO2 . b Plot Tauc
Gambar 5 menunjukkan foto SEM TiO2 (30NR-D) dan UC-Mg-TiO2 film. Ukuran nanopartikel sekitar 25 nm untuk 30 NR-D, dan ukuran partikel sekitar 28 nm untuk UC-Mg-TiO2 . Kedua film itu seragam. Jadi, UC-Mg-TiO2 menampilkan morfologi dan ukuran partikel yang mirip dengan TiO2 (30NR-D).
foto SEM. a TiO2 (30NR-D) film. b UC-Mg-TiO2 film
PSC dibuat berdasarkan lapisan transfer elektron dengan dan tanpa UC-Mg-TiO2 . Lapisan transfer elektron dengan UC-Mg-TiO2 dibuat dengan spin-coating larutan campuran UC-Mg-TiO2 sol dan TiO2 sol (UC-Mg-TiO2 :TiO2 = x :(100 − x ), x = 0, 20, 40, 60, 80, dan 100, v /v ). Pengukuran IV sel surya dilakukan, dan dari mana parameter fotovoltaik diabstraksikan. Akusc , Vok , FF, dan PCE sel surya pada penelitian ini diperoleh rata-rata nilai 20 sampel. Hubungan PCE dengan kandungan UC-Mg-TiO2 ditampilkan pada Gambar. 6a. Pertama, PCE sel surya menjadi besar, dan setelah itu menjadi kecil dengan peningkatan UC-Mg-TiO2 konten, yang mencapai nilai maksimum pada konten 60% (UC-Mg-TiO2 :TiO2 = 60:40, v/v ). Tabel 1 menyajikan parameter fotovoltaik sel surya berdasarkan lapisan transfer elektron dengan dan tanpa UC-Mg-TiO2 . Tegangan rangkaian terbuka (Vok ) dan arus hubung singkat (Isc ) sel surya dengan UC-Mg-TiO2 ditingkatkan menjadi 1,05 V dan 22,6 mA/cm
2
dari 1,03 V dan 21,2 mA/cm
2
untuk sel surya tanpa UC-Mg-TiO2 , masing-masing. Dengan demikian, PCE perangkat berdasarkan lapisan transfer elektron dengan UC-Mg-TiO2 ditingkatkan menjadi 16,3% dari 15,2% untuk mereka yang tidak memiliki UC-Mg-TiO2 . Kurva IV khas perangkat ditunjukkan pada Gambar. 6b. Histogram PCE kinerja sel surya dari 20 sampel dengan dan tanpa UC-Mg-TiO2 disajikan dalam File tambahan 1:Gambar S3.
a Hubungan antara PCE perangkat dan konten UC-Mg-TiO2 (UC-Mg-TiO2 sol:TiO2 sol = x :100 − x , v /v ) dalam larutan campuran. b Kurva IV yang khas
Beberapa percobaan dilakukan untuk menjelaskan peningkatan tersebut. Gambar 7 menampilkan struktur pita energi bahan yang terkandung dalam sel surya berdasarkan beberapa laporan [25, 26], dan celah pita energi dari plot Tauc ditunjukkan pada Gambar 4b. Perbedaan pita konduksi antara perovskit dan TiO2 menjadi lebih besar untuk UC-Mg-TiO2 dibandingkan dengan TiO2 (30NR-D), sejak UC-Mg-TiO2 memiliki celah pita yang lebih kecil dari TiO2 (30NR-D). Ini mungkin salah satu alasan untuk memberikan V . yang lebih besar ok untuk perangkat berdasarkan lapisan transfer elektron dengan UC-Mg-TiO2 [27, 28].
Struktur pita energi bahan yang terkandung dalam sel surya
Gambar 8a menunjukkan fotoluminesensi (PL) kondisi tunak dari film perovskit pada lapisan transfer elektron dengan dan tanpa UC-Mg-TiO2 . Puncak PL yang terletak pada 760 nm berasal dari film perovskit [29]. Intensitas PL film perovskit pada lapisan transfer elektron dengan UC-Mg-TiO2 menurun dibandingkan dengan film perovskit pada lapisan transfer elektron tanpa UC-Mg-TiO2 . Ini menyiratkan bahwa transpor elektron dan ekstraksi UC-Mg-TiO2 dari film perovskite lebih efisien daripada TiO2 (30NR-D). Hal ini dapat ditunjukkan lebih lanjut oleh photoluminescence (TRPL) dari sampel yang ditunjukkan pada Gambar. 8b. Dapat dilihat bahwa waktu peluruhan TRPL untuk film perovskit pada lapisan transfer elektron dengan UC-Mg-TiO2 lebih cepat dari film perovskit pada lapisan transfer elektron tanpa UC-Mg-TiO2 . Ini menunjukkan bahwa transfer biaya untuk yang pertama lebih cepat daripada yang terakhir [30, 31].
a Fotoluminesensi. b Fotoluminesensi film perovskit dengan resolusi waktu pada TiO2 (30NR-D) dan UC-Mg-TiO2
Gambar 9a menunjukkan plot Nyquist yang diperoleh dari spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) sel surya berdasarkan lapisan transfer elektron dengan dan tanpa UC-Mg-TiO2 . Plot Nyquist dapat dipasang dengan rangkaian ekivalen yang secara skematis ditunjukkan pada Gambar 9b. Rs , Rrek , dan Cμ adalah resistansi seri, resistansi rekombinasi, dan kapasitansi perangkat [32, 33]. Detail nilai pas disajikan pada Tabel 2. Rs nilai perangkat berdasarkan lapisan transfer elektron dengan UC-Mg-TiO2 hampir sama dengan yang tanpa UC-Mg-TiO2 . Sementara Rrek nilai perangkat berdasarkan lapisan transfer elektron dengan UC-Mg-TiO2 lebih besar daripada yang tanpa UC-Mg-TiO2 . Ini menyiratkan bahwa UC-Mg-TiO2 dapat secara efektif mengurangi rekombinasi perubahan.
a Plot Nyquist diperoleh dari spektrum EIS. b Sirkuit ekivalen yang digunakan untuk menganalisis EIS
Untuk mengonfirmasi kontribusi materi konversi naik UC-Mg-TiO2 terhadap arus foto sel surya, pengukuran IV dilakukan di bawah simulasi radiasi matahari yang disaring dengan filter NIR band-pass (980 ± 10 nm). Gambar 10a menampilkan kurva IV sel surya berdasarkan lapisan transfer elektron dengan dan tanpa UC-Mg-TiO2 . Arus hubung singkat (Isc ) sel surya dengan UC-Mg-TiO2 jelas lebih besar daripada yang tanpa UC-Mg-TiO2 . Ini menunjukkan efek UC-Mg-TiO2 pada arus foto sel surya, karena UC-Mg-TiO2 mengubah foton inframerah-dekat menjadi foton tampak, yang dapat diserap oleh sel surya untuk menghasilkan arus foto tambahan [7, 17]. Gambar 10b menunjukkan spektrum IPCE sel surya dengan dan tanpa UC-Mg-TiO2 . IPCE sel surya dengan UC-Mg-TiO2 meningkat, terutama pada kisaran 400~650 nm, dibandingkan dengan yang tanpa UC-Mg-TiO2 . Hal ini dapat disebabkan oleh efek konversi naik dari UC-Mg-TiO2 [7, 17].
a Kurva IV sel surya di bawah simulasi radiasi matahari yang disaring dengan filter NIR band-pass (980 ± 10 nm). b Spektrum IPCE sel surya dengan dan tanpa UC-Mg-TiO2
Kesimpulan
Nanomaterial konversi ke atas dari Ho
3+
-Yb
3+
-Mg
2+
TiO yang didoping tri2 (UC-Mg-TiO2 ) berhasil disintesis. Emisi konversi naik dari UC-Mg-TiO2 ditingkatkan dengan penambahan Mg
2+
. Kami menerapkan UC-Mg-TiO2 ke PSC, di mana UC-Mg-TiO2 digunakan untuk memodifikasi lapisan transfer elektron. Vok dan Akusc perangkat dengan UC-Mg-TiO2 ditingkatkan menjadi 1,05 V dan 22,6 mA/cm
2
dari 1,03 V dan 21,2 mA/cm
2
bagi mereka yang tidak memiliki UC-Mg-TiO2 , masing-masing. Dan PCE perangkat dengan UC-Mg-TiO2 meningkat menjadi 16,3% dari 15,2% untuk mereka yang tidak memiliki UC-Mg-TiO2 .
