Peningkatan Efisiensi Konversi Daya Sel Surya Perovskit dengan Bahan Konversi-Up Er3+-Yb3+-Li+ TiO2 yang didoping Tri
Abstrak
Dalam makalah ini, Er
3+
-Yb
3+
-Li
+
TiO yang didoping tri2 (UC-TiO2 ) disiapkan dengan tambahan Li
+
ke Er
3+
-Yb
3+
TiO yang didoping bersama2 . UC-TiO2 menghadirkan emisi konversi yang ditingkatkan dibandingkan dengan Er
3+
-Yb
3+
TiO yang didoping bersama2 . UC-TiO2 diterapkan pada sel surya perovskit. Efisiensi konversi daya (PCE) sel surya tanpa UC-TiO2 adalah 14,0%, sedangkan PCE sel surya dengan UC-TiO2 meningkat menjadi 16,5%, yang menunjukkan peningkatan 19%. Hasilnya menunjukkan bahwa UC-TiO2 adalah bahan konversi yang efektif. Dan penelitian ini memberikan rute untuk memperluas penyerapan spektral sel surya perovskit dari cahaya tampak menjadi inframerah dekat menggunakan bahan konversi tinggi.
Latar Belakang
Sel surya organolead halide perovskite (PSCs) telah menjadi menarik di bidang sel surya, karena keunggulannya, seperti efisiensi tinggi, biaya yang hilang, dan fabrikasi sederhana [1,2,3,4]. Dalam beberapa tahun, efisiensi konversi daya (PCE) PSC telah ditingkatkan menjadi 22,1% [5]. Namun, sel surya perovskit hanya menyerap sebagian kecil cahaya datang dalam rentang UV dan tampak karena celah pita energi yang sempit dari sensitizer perovskit; dengan demikian, sebagian besar cahaya datang hilang karena non-penyerapan inframerah-dekat (NIR) [6, 7].
Salah satu metode yang menjanjikan untuk memecahkan masalah kehilangan energi NIR adalah dengan menerapkan bahan konversi ke PSC, yang dapat mengubah NIR menjadi cahaya tampak. Beberapa penulis telah melaporkan aplikasi bahan konversi naik ke sel surya perovskit [8,9,10], di mana bahan konversi naik yang diadopsi terutama didasarkan pada natrium yttrium fluorida fase beta (β-NaYF4 ). Sedangkan -NaYF4 bahan up-conversion dapat mengurangi kemampuan transpor muatan lapisan transfer elektron [11]. Telah dilaporkan bahwa Er
3+
-Yb
3+
-F
−
TiO yang didoping tri2 dapat meningkatkan PCE sel surya peka-pewarna (DSSC) karena emisi konversinya yang ditingkatkan dibandingkan dengan Er
3+
-Yb
3+
TiO yang didoping bersama2 [12]. Dalam publikasi kami sebelumnya [13], kami melaporkan penerapan Er
3+
-Yb
3+
TiO yang didoping bersama2 nanorod ke PSC. Beberapa peneliti telah membuktikan bahwa penambahan Li
+
ke Er
3+
-Yb
3+
TiO yang didoping bersama2 dapat meningkatkan emisi konversi naik [14, 15]. Dan telah dilaporkan bahwa sel surya perovskit berdasarkan TiO yang didoping Li2 menghasilkan kinerja yang lebih tinggi dibandingkan dengan perangkat berdasarkan TiO yang tidak didoping2 [16]. Jadi, kami bertanya-tanya apakah materi konversi dari Er
3+
-Yb
3+
-Li
+
TiO yang didoping tri2 dapat diterapkan ke PSC untuk lebih meningkatkan kinerja.
Oleh karena itu, dalam penelitian ini, kami menyiapkan Er
3+
-Yb
3+
-Li
+
TiO yang didoping tri2 (UC-TiO2 ) dengan penambahan Li
+
ke Er
3+
-Yb
3+
TiO yang didoping bersama2 , yang menghadirkan emisi konversi yang ditingkatkan dibandingkan dengan Er
3+
-Yb
3+
TiO yang didoping bersama2 . UC-TiO2 diterapkan pada sel surya perovskit. PCE sel surya dengan UC-TiO2 meningkat menjadi 16,5 dari 14,0% untuk sel surya tanpa UC-TiO2 , yang menunjukkan peningkatan sebesar 19%.
Metode
Sintesis Er
3+
-Yb
3+
-Li
+
TiO yang Didoping Tri2
Nanokristal Er
3+
-Yb
3+
-Li
+
TiO yang didoping tri2 (UC-TiO2 ) disintesis dengan metode yang dimodifikasi [15]. Titanium (IV) n-butoksida dibuat dengan mencampur n-butil titanat (Ti(OBu)4 ) dengan asetilaseton (AcAc) pada suhu kamar selama 1 jam dengan pengadukan. Kemudian, iso-propil (i-PrOH) dimasukkan ke dalam titanium (IV) n-butoksida. Selanjutnya, i-PrOH, air deionisasi, dan asam nitrat pekat (HNO3 ) dicampur dan diteteskan ke dalam larutan. TiO kuning muda2 sol diperoleh setelah diaduk selama 6 jam. Rasio molar AcAc, H2 O, dan HNO3 ke Ti(OBu)4 adalah 1:1, 2:1, dan 0,3:1, masing-masing. Kemudian, Er(TIDAK3 )3 ·5H2 O, Yb(TIDAK3 )3 ·5H2 O, dan LiNO3 ditambahkan ke TiO2 sol untuk membuat rasio molar Er:Yb:Li:Ti =0,5:10:x :100 (x = 0, 10, 15, 20, 25). Pelarut dalam Er
3+
-Yb
3+
-Li
+
TiO yang didoping tri2 sol (UC-TiO2 sol) dihilangkan dengan pengeringan selama 8 jam pada 100 °C. Kemudian, UC-TiO2 dikalsinasi pada 500 °C selama 30 menit.
Fabrikasi Sel Surya Perovskit
Substrat kaca FTO berpola dibersihkan dalam aseton, 2-propanol, dan etanol dengan sonikasi masing-masing selama 20 menit. Kemudian, UV-O3 digunakan untuk mengobati FTO selama 15 menit. Lapisan kompak dibentuk dengan spin-coating larutan prekursor pada FTO dan dianil pada 500 °C selama 30 menit. Larutan prekursornya adalah larutan titanium diisopropoksida bis (asetilasetonat) 0,1 M (75 % berat dalam isopropanol, Aldrich) dalam 1-butanol. TiO mesopori2 film diperoleh dengan spin-coating TiO2 larutan pada lapisan padat pada 4000 rpm selama 30 s, diikuti dengan annealing pada 100 °C selama 10 menit dan 500 °C selama 30 menit. TiO2 larutan dibuat dengan mengencerkan TiO2 pasta (30NR-D, Dyesol) dengan etanol (1:6, rasio berat) atau dengan mencampur UC-TiO2 sol dan TiO yang diencerkan2 solusi (UC-TiO2 :TiO2 = x :100, v /v , x = 10, 20, 30, dan 40). Lapisan perovskit terbentuk pada UC-TiO2 lapisan dengan spin-coating larutan prekursor perovskit dalam dua langkah pada 1000 rpm selama 10 detik dan 4000 rpm selama 30 detik, dan 200 L klorobenzena dituangkan pada substrat selama langkah kedua sebelum akhir 20 detik. Kemudian, sampel dipanaskan di atas hotplate pada suhu 100 °C selama 1 jam. Larutan prekursor perovskit diperoleh dengan mencampurkan PbI2 (1.1 M), FAI (1 M), PbBr2 (0,22 M), dan MABr (0,2 M) dalam pelarut campuran DMF/DMSO anhidrat (4:1 v :v ). Kemudian, larutan stok 1,5 M CsI yang telah dilarutkan dalam DMSO diteteskan ke dalam larutan prekursor perovskit campuran [17]. Lapisan transfer lubang dibentuk dengan pelapisan spin larutan spiro-MeOTAD pada 4000 rpm 30 s. Terakhir, lapisan emas setebal 80 nm diuapkan secara termal di bagian atas perangkat.
Karakterisasi
Fluoresensi konversi-atas, fotoluminesensi kondisi-mapan (PL), dan spektrum fotoluminesensi waktu-resolved (TRPL) diukur dengan fluorometer FLS 980 E (Edinburgh Photonics). Spektrum difraksi sinar-X (XRD) diperoleh pada difraktometer (DX-2700). Spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS THS-103) dengan Al Ka sebagai sumber sinar-X diterapkan untuk mengukur keadaan kimia sampel. Spektrum serapan ultraviolet tampak dekat-inframerah (UV-vis-NIR) dikumpulkan pada spektrofotometer Varian Cary 5000. Mikrostruktur dan morfologi diamati dengan mikroskop elektron pemindaian (SEM; JEM-7001F, JEOL). Kurva tegangan-foto (J-V) diukur dengan Sourcemeter Keithley 2440 di bawah iluminasi AM 1,5 G. Spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) diperoleh dengan stasiun kerja elektrokimia (CHI660e, Shanghai CHI Co., Ltd.).
Hasil dan Diskusi
Emisi konversi naik diukur dengan eksitasi laser 980 nm. Gambar 1a menunjukkan spektrum emisi konversi naik Er
3+
-Yb
3+
-Li
+
TiO yang didoping tri2 (Er:Yb:Li:Ti =0,5:10:x :100, x = 0, 10, 15, 20, dan 25, rasio molar). Gambar 1b menunjukkan mekanisme transfer energi skema dari Er
3+
ion. Pita emisi hijau yang terletak di sekitar 525 dan 545 nm dapat dikaitkan dengan
2
H11/2 →
4
Saya15/2 dan
4
S3/2 →
4
Saya15/2 transisi Er
3+
ion, masing-masing. Dan pita emisi merah yang berpusat di sekitar 658 nm dapat sesuai dengan
4
F9/2 →
4
Saya15/2 transisi Er
3+
ion [15, 16]. Dengan peningkatan Li
+
konten doping, intensitas spektrum meningkat terlebih dahulu, dan kemudian menurun, yang merupakan maksimum ketika konten doping Li
+
adalah x = 20. Selanjutnya, materi konversi ke atas dari Er
3+
-Yb
3+
-Li
+
TiO yang didoping tri2 (Er:Yb:Li:Ti =0,5:10:20:100, rasio molar) diterapkan.
a Spektrum emisi konversi naik Er
3+
-Yb
3+
-Li
+
TiO yang didoping tri2 (Er:Yb:Li:Ti =0,5:10:x :100, x = 0, 10, 15, 20, dan 25, rasio molar). b Mekanisme transfer energi skema Er
3+
ion
Gambar 2 menampilkan pola XRD TiO komersial2 (30NR-D) dan UC-TiO2 . Pola XRD UC-TiO2 mirip dengan 30NR-D. Puncak pada 25,3°, 37,8°, 48,0°, dan 53,8° dalam pola XRD ditetapkan ke bidang (101), (004), (200), dan (105) (kartu JCPDS no.21-1272), masing-masing, yang menunjukkan bahwa UC-TiO2 dan 30NR-D termasuk dalam fase anatase TiO2 .
Pola XRD TiO komersial2 (30NR-D) dan UC-TiO2
Konfirmasi doping Er, Yb, dan Li ke TiO2 , spektrum XPS UC-TiO2 direkam dan ditunjukkan pada Gambar. 3. Puncak pada 458,1 dan 463,9 eV pada Gambar. 3a dapat dimiliki oleh Ti 2p3/2 dan Ti 2p1/2 , masing-masing, dan puncak pada 168,8 eV pada Gambar 3b dan pada 192,7 eV pada Gambar. 3c dapat dikaitkan dengan Er 4d dan Yb 4d, masing-masing [18]. Puncak pada 55,5 eV pada Gambar. 3d dapat berhubungan dengan Li 1s [19]. Spektrum survei XPS UC-TiO2 dan puncak O1 juga disajikan dalam file tambahan 1:Gambar S1. Hasilnya menunjukkan bahwa atom Er, Yb, dan Li didoping menjadi TiO2 .
Spektrum XPS dari UC-TiO2 . a Ti 2p, b Er 4d, c Yb 4d, dan d Li 1s
Gambar 4a menampilkan spektrum serapan UV-vis-NIR dari TiO2 (30NR-D) dan UC-TiO2 . Dibandingkan dengan 30NR-D, UC-TiO2 menyajikan penyerapan yang lebih kuat, terutama pada kisaran 900 hingga 1000 nm. Celah pita energi (Eg ) dapat diperkirakan dengan plot Tauc [20]. Plot Tauc ditunjukkan pada Gambar. 4b, dari mana nilai Eg dapat diperoleh menjadi 3,20 dan 3,10 eV untuk 30NR-D dan UC-TiO2 , masing-masing. Eg dari UC-TiO2 lebih kecil dari TiO yang tidak didoping2 .
a Spektrum serapan UV-vis-NIR TiO komersial2 (30NR-D) dan UC-TiO2 . b Plot Tauc
Gambar 5a menunjukkan gambar SEM film 30NR-D yang terbentuk pada lapisan kompak. Ukuran nanopartikel sekitar 30 nm, dan distribusi ukurannya seragam. Gambar 5b menunjukkan gambar SEM dari film yang mengandung 30NR-D dan UC-TiO2 diendapkan pada lapisan kompak dengan metode spin-coating. Tidak ada perbedaan yang jelas antara kedua film tersebut, yang menunjukkan bahwa ukuran partikel dan morfologi UC-TiO2 mirip dengan 30NR-D.
Gambar SEM dari lapisan mesopori. a Film 30NR-D tanpa UC-TiO2 . b Film 30NR-D dengan UC-TiO2
Dalam karya ini, film perovskite dibentuk dengan metode yang dilaporkan sebelumnya [17]. Menurut laporan, komposisi film perovskite adalah Cs5 (MA0,17 FA0,83 )95 Pb(I0,83 Sdr0,17 )3 , dan peran CsI adalah membuat sel surya perovskit lebih stabil secara termal, dengan pengotor fase yang lebih sedikit, dan kurang sensitif terhadap kondisi pemrosesan [17]. Skema perangkat disajikan dalam File tambahan 1:Gambar S2.
Sel surya perovskit berbasis lapisan mesopori yang terbentuk dari campuran UC-TiO2 sol dan TiO encer2 solusi (UC-TiO2 :TiO2 =x :100, v /v , x = 0, 10, 20, 30, dan 40) dibuat dan kurva IV-nya diukur. Parameter fotovoltaik diperoleh dari pengukuran IV. Gambar 6a menunjukkan ketergantungan PCE sel surya pada kandungan UC-TiO2 (UC-TiO2 :TiO2 =x :100, v /v ) dalam campuran. Dengan peningkatan UC-TiO2 konten, efisiensi konversi daya (PCE) sel surya meningkat terlebih dahulu, dan kemudian menurun, yang merupakan maksimum pada konten x = 20 untuk UC-TiO2 . Parameter fotovoltaik rinci sel surya dengan 20% UC-TiO2 dan tanpa UC-TiO2 tercantum dalam Tabel 1. Dibandingkan dengan perangkat tanpa UC-TiO2 , parameter fotovoltaik sel surya dengan UC-TiO2 menyajikan perbaikan. PCE sel surya dengan 20% UC-TiO2 meningkat menjadi 16,5 dari 14,0% untuk sel surya tanpa UC-TiO2 , yang menunjukkan peningkatan sebesar 19%. Gambar 6b menampilkan kurva IV sel surya tipikal dengan UC-TiO2 dan tanpa UC-TiO2 .
a Ketergantungan PCE sel surya terhadap kandungan UC-TiO2 (UC-TiO2 :30NR-D =x :100, v /v ) dalam campuran. b Kurva IV perangkat performa terbaik tanpa UC-TiO2 dan dengan UC-TiO2
Untuk memahami peningkatan, beberapa penyelidikan dilakukan. Photoluminescence (PL) steady-state dan photoluminescence (TRPL) dapat diterapkan untuk menyelidiki proses ekstrasi dan transpor elektron. PL lapisan perovskit pada lapisan mesopori yang dibentuk oleh 30NR-D dan 30NR-D dengan UC-TiO2 diukur dan ditunjukkan pada Gambar. 7a. Dibandingkan dengan 30NR-D/perovskit, intensitas PL 30NR-D dengan UC-TiO2 /perovskite menjadi berkurang, yang menunjukkan bahwa ekstrasi elektron dan efisiensi transpor melintasi antarmuka antara 30NR-D dengan UC-TiO2 dan perovskit lebih baik daripada antara 30NR-D dan perovskit [21]. Gambar 7b menunjukkan spektrum TRPL lapisan perovskit pada lapisan mesopori yang dibentuk oleh 30NR-D dan 30NR-D dengan UC-TiO2 . Spektrum TRPL dipasang ke fungsi bieksponensial, di mana peluruhan cepat (τ1 ) mungkin disebabkan oleh pengangkutan pembawa gratis, dan pembusukan yang lambat (τ2 ) dapat berasal dari rekombinasi radiasi pembawa bebas [22,23,24]. Parameter yang diperoleh tercantum dalam Tabel 2. Dibandingkan dengan 30NR-D/perovskit, waktu peluruhan cepat (2,8 ns) 30NR-D dengan UC-TiO2 /perovskite menjadi lebih kecil, sedangkan fraksi proses peluruhan cepat (98,2%) menjadi lebih besar. Ini menyiratkan bahwa transfer muatan antara perovskit dan 30NR-D dengan UC-TiO2 lebih cepat daripada antara perovskite dan 30NR-D.
a PL dan b TRPL lapisan perovskit pada lapisan mesopori yang dibentuk oleh 30NR-D tanpa UC-TiO2 dan 30NR-D dengan UC-TiO2
Spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) adalah metode yang efektif untuk mendapatkan beberapa informasi tentang perilaku transfer pembawa. Gambar 8a menampilkan plot Nyquist perangkat berdasarkan lapisan mesopori yang dibentuk oleh 30NR-D dan 30NR-D dengan UC-TiO2 , di mana dua busur diamati. Busur pada frekuensi tinggi dapat dihasilkan dari resistansi kontak antara antarmuka, dan busur pada frekuensi rendah dapat berasal dari resistansi rekombinasi (Rrek ) dan kapasitansi kimia (Cμ ) perangkat [25, 26]. EIS dilengkapi dengan rangkaian ekivalen yang ditunjukkan pada Gambar. 8b, dan parameter yang diperoleh tercantum dalam Tabel 3. Resistansi seri perangkat berdasarkan 30NR-D dengan UC-TiO2 menjadi lebih kecil dari perangkat berbasis 30NR-D, sedangkan resistansi rekombinasi dari yang pertama menjadi lebih besar daripada yang belakangan. Hal ini menunjukkan rekombinasi muatan berkurang dan transportasi muatan ditingkatkan untuk perangkat berdasarkan 30NR-D dengan UC-TiO2 .
a Plot Nyquist perangkat berdasarkan lapisan mesopori yang dibentuk oleh 30NR-D tanpa UC-TiO2 dan 30NR-D dengan UC-TiO2 . b Sirkuit ekivalen diterapkan agar sesuai dengan data EIS
Untuk lebih membuktikan pengaruh UC-TiO2 pada arus foto perangkat, kurva IV perangkat berdasarkan lapisan mesopori tanpa UC-TiO2 dan dengan UC-TiO2 diukur di bawah radiasi matahari simulasi dalam kisaran panjang gelombang λ 980 nm dengan filter NIR, yang ditampilkan di File tambahan 1:Gambar S3. Dibandingkan dengan perangkat tanpa UC-TiO2 , arus foto perangkat dengan UC-TiO2 jelas ditingkatkan, yang menunjukkan bahwa penggabungan UC-TiO2 di perangkat dapat mengubah cahaya NIR menjadi cahaya tampak, yang dapat diserap oleh perangkat untuk menghasilkan arus foto.
Untuk menjelaskan peningkatan tegangan rangkaian terbuka (Vok ) sel surya, pengaturan pita energi UC-TiO2 , TiO2 , perovskite, dan Spiro-OMeTAD ditunjukkan pada Gambar. 9 berdasarkan spektrum penyerapan (Gbr. 4) dan literatur [27, 28]. Tepi pita konduksi UC-TiO2 lebih rendah dari TiO2 (30NR-D) karena celah pita energinya lebih kecil; dengan demikian, pita konduksi offset antara UC-TiO2 dan perovskit lebih besar dari antara TiO2 dan perovskit. Ini bisa menjadi salah satu alasan untuk memiliki tegangan rangkaian terbuka yang lebih tinggi untuk UC-TiO2 sel surya berbasis [29, 30].
Pengaturan pita energi skema UC-TiO2 , TiO2 , perovskit, dan Spiro-OMeTAD
Singkatnya, peningkatan PCE sel surya berdasarkan lapisan mesopori dengan UC-TiO2 adalah karena pembesaran Isc dan meningkatkan Vok . I . yang diperbesar sc bisa jadi karena perluasan penyerapan spektral ke kisaran inframerah-dekat (NIR) dengan bahan konversi-atas, pengurangan rekombinasi, dan transfer muatan cepat dari pembawa yang dihasilkan foto. V . yang meningkat ok dapat dikaitkan dengan offset pita konduksi yang diperbesar antara UC-TiO2 dan perovskit.
Kesimpulan
Er
3+
-Yb
3+
-Li
+
TiO yang didoping tri2 (UC-TiO2 ) disiapkan dengan penambahan Li
+
ke Er
3+
-Yb
3+
TiO yang didoping bersama2 , yang menghadirkan emisi konversi naik yang ditingkatkan. UC-TiO2 diterapkan pada sel surya perovskit. Performa sel surya dengan UC-TiO2 ditingkatkan dibandingkan dengan perangkat kontrol. Akusc , Vok , dan FF sel surya dengan UC-TiO2 ditingkatkan menjadi 22,2 mA/cm
2
, 1,05 V, dan 70,8% dari 21,0 mA/cm
2
, 1,01 V, dan 66,0% untuk perangkat kontrol, masing-masing. Jadi, PCE dengan UC-TiO2 ditingkatkan menjadi 16,5 dari 14,0% untuk sel surya tanpa UC-TiO2 , yang menunjukkan peningkatan sebesar 19%. Berdasarkan beberapa hasil eksperimen, peningkatan PCE ini dijelaskan.
