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.