Nanomaterial TiO₂ Konversi Atas yang Ditingkatkan Meningkatkan Efisiensi Sel Surya Perovskite hingga 16,3 %

Abstrak

TiO₂ (UC-Mg-TiO₂) ter-doping tiga Ho³⁺-Yb³⁺-Mg²⁺ yang disintesis dengan metode sol-gel menunjukkan luminescensi konversi atas yang ditingkatkan secara signifikan saat Mg²⁺ dimasukkan. Bahan diterapkan sebagai lapisan tipis antara pada lapisan transportasi elektron (ETL) sel surya perovskite (PSC). Perangkat yang memadukan UC-Mg-TiO₂ mencapai efisiensi konversi daya (PCE) sebesar 16,3 % dibandingkan 15,2 % untuk sel referensi, mengonfirmasi bahwa nanomaterial secara efektif mengubah foton inframerah dekat (NIR) menjadi cahaya visible yang diserap perovskite.

Latar Belakang

Sel surya perovskite (PSC) telah berkembang pesat, dengan PCE yang melebihi 22 % dalam beberapa tahun terakhir. Namun, spektrum penyerapannya terbatas pada panjang gelombang di bawah 800 nm, sehingga lebih dari setengah spektrum matahari—termasuk wilayah NIR—tidak terdanfaatkan. Nanomaterial konversi atas dapat menjembatani kesenjangan ini dengan mengubah foton NIR menjadi foton visible yang dapat dipanen PSC. Sementara hos konversi atas berbasis β-NaYF₄ umum, mereka isolator dan tidak cocok untuk lapisan transportasi elektron (ETL). Dioxid titanium (TiO₂) dalam fase anatase adalah ETL yang banyak digunakan karena perpaduan gap energi yang sesuai, efisiensi biaya, dan stabilitas, tetapi gap energinya yang lebar (3,2 eV) membatasi penyerapan visible-NIR. Doping TiO₂ dengan ion tanah langka atau logam transisi dapat memperluas respons spektral dan meningkatkan properti transportasi pembawa muatan. Studi sebelumnya telah menunjukkan bahwa TiO₂ yang di-doping Ho³⁺-Yb³⁺ dapat mengonversi atas cahaya NIR untuk sel surya terpenalti warna, dan doping Mg²⁺ dapat menggeser level Fermi untuk meningkatkan performa PSC. Dalam karya ini, kami menggabungkan Ho³⁺, Yb³⁺, dan Mg²⁺ ke dalam TiO₂ untuk menciptakan material tri-doping baru (UC-Mg-TiO₂) dan menyelidiki dampaknya pada efisiensi PSC.

Metode

Bahan

Iodida formamidinium (FAI), bromida metilamoni (MABr), diiodida timbal (PbI₂), 2,2′,7,7′-tetrakis-(N,N-di-p-metoksifenilamina)-9,9′-spirobifluorena (Spiro-OMeTAD), dan dibromida timbal (PbBr₂) diperoleh dari Xi’an Polymer Light Technology Corp. Larutan koloid SnO₂ dibeli dari Alfa Aesar. Dimetil sulfoksida (DMSO), N,N-dimetilformamida (DMF), 4-tert-butilpiridin (TBP), dan litium bis(trifluoromethanesulfonyl)imid (Li-TFSI) diperoleh dari Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD.

Sintesis TiO₂ Tri-Doped Ho³⁺-Yb³⁺-Mg²⁺

UC-Mg-TiO₂ disiapkan melalui jalur sol-gel yang dimodifikasi. Tetrabutanol titanium pertama kali bereaksi dengan asetilaceton (AcAc) dan kemudian dicampur dengan alkohol isopropil (IPA). Larutan campuran IPA, asam nitrat, dan air ditambahkan perlahan, dan setelah diaduk selama 6 jam terbentuk larutan TiO₂ kuning pucat. Ho(NO₃)₃·5H₂O, Yb(NO₃)₃·5H₂O, dan Mg(NO₃)₂·6H₂O diperkenalkan dalam rasio mol Ho:Yb:Mg:Ti = 1:4:x:100 (x = 0, 1, 1.5, 2, 2.5). Pelarut dihilangkan pada 100 °c selama 10 jam, dan serbuk yang dihasilkan dikalsinasi pada 500 °c selama 30 menit.

Persiapan PSC

Substrat oksida timbal fluorin (FTO) dibersihkan dan diobati UV-O₃. Lapis penahan TiO₂ (30NR-D) diaplikasi dengan pemutaran dan diangalkan pada 500 °c. ETL terdiri dari TiO₂ yang dicampur dengan etanol (rasio massa 1:6) dan diangalkan secara berurutan pada 100 °c dan 450 °c. Untuk sel PSC yang dimodifikasi UC-Mg-TiO₂, campuran larutan UC-Mg-TiO₂ dan larutan TiO₂ (x : 100 – x, v/v) diaplikasi dengan pemutaran (x = 0, 20, 40, 60, 80, 100) dan diangalkan pada 500 °c. Larutan precursor perovskite (FAI, PbI₂, MABr, PbBr₂, dan CsI) diaplikasi dengan pemutaran dengan titik anti-larutan klorbenzen, diikuti oleh lapisan transportasi lubang Spiro-OMeTAD. Terakhir, elektroda Au ditetapkan termal.

Karakterisasi

Spektra luminescensi foto (PL) dicatat dengan fluorometer FLS 980 E. Difraksi sinar X (XRD) menggunakan difraktometer DX-2700. Spektroskopi fotoelektron sinar X (XPS) menggunakan spektrometer THS-103. Penyerapan UV-Vis diukur dengan Varian Cary 5000. Mikroskopi elektron pemindai (SEM) menggunakan JSM-7001F. Kurva arus-tegangan (I-V) di bawah iluminasi AM 1.5 diambil dengan sourcemeter Keithley 2440. Spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) dilakukan dengan workstation CHI660e, dan spektrum efisiensi foton-ke-aru insiden (IPCE) diperoleh menggunakan Crowntech Qtest Station 500ADX.

Hasil dan Pembahasan

Optimasi rasio Ho³⁺ dan Yb³⁺ mengungkapkan bahwa rasio Ho:Yb 1:4 menghasilkan emisi konversi atas yang kuat pada 547 nm dan 663 nm saat diekskitasi pada 980 nm (Gambar 1a). Memasukkan Mg²⁺ lebih meningkatkan fluoresensi; emisi maksimum terjadi pada Ho:Yb:Mg = 1:4:2 (Gambar 1b). XRD mengonfirmasi bahwa semua sampel mempertahankan fase anatase TiO₂ (Gambar 2). Analisis XPS memverifikasi penggabungan Ho, Yb, dan Mg ke dalam jaring TiO₂ (Gambar 3). Spektra UV-Vis menunjukkan bahwa UC-Mg-TiO₂ menyerap cahaya visible dan NIR tambahan, mengurangi gap energinya menjadi 3,09 eV dari 3,18 eV untuk TiO₂ yang tidak di-doping (Gambar 4).

Nanomaterial TiO₂ Konversi Atas yang Ditingkatkan Meningkatkan Efisiensi Sel Surya Perovskite hingga 16,3 % — a TiO₂ yang di-doping Ho³⁺-Yb³⁺ (Ho:Yb:Ti = 1:x:100). b TiO₂ tri-doping Ho³⁺-Yb³⁺-Mg²⁺ (Ho:Yb:Mg:Ti = 1:4:x:100).

Gambar SEM mengungkapkan ukuran partikel serupa (~25–28 nm) dan morfologi film yang seragam untuk TiO₂ dan UC-Mg-TiO₂ (Gambar 5).

Pengujian perangkat menunjukkan bahwa PCE meningkat dengan konten UC-Mg-TiO₂, mencapai puncak pada 60 % UC-Mg-TiO₂ dalam ETL (Gambar 6a). Sel terbaik mencapai V_oc = 1,05 V, J_sc = 22,6 mA cm⁻², dan PCE = 16,3 % versus 1,03 V, 21,2 mA cm⁻², dan 15,2 % untuk referensi (Tabel 1). Percepatan PL dan resistansi rekombinasi yang lebih rendah dalam perangkat UC-Mg-TiO₂ (Gambar 8, Gambar 9) mengindikasi ekstraksi pembawa muatan yang lebih efisien.

Di bawah iluminasi NIR 980 nm, sel dengan UC-Mg-TiO₂ menampilkan J_sc yang lebih tinggi, mengonfirmasi kontribusi konversi atas (Gambar 10). Spektra IPCE menunjukkan respons yang ditingkatkan antara 400 nm dan 650 nm untuk sel yang dimodifikasi (Gambar 10b).

Kesimpulan

Kami berhasil menyintesis TiO₂ tri-doping Ho³⁺-Yb³⁺-Mg²⁺ (UC-Mg-TiO₂) yang menunjukkan luminescensi konversi atas yang kuat yang ditingkatkan oleh doping Mg²⁺. Saat diterapkan sebagai lapisan antara pada ETL, UC-Mg-TiO₂ meningkatkan performa PSC, meningkatkan V_oc dan J_sc menjadi 1,05 V dan 22,6 mA cm⁻², masing-masing, dan meningkatkan PCE dari 15,2 % menjadi 16,3 %. Hasil ini menunjukkan bahwa UC-Mg-TiO₂ secara efektif mengubah cahaya NIR menjadi foton visible yang dapat digunakan, menawarkan jalur yang viable untuk meningkatkan lebih lanjut efisiensi sel surya perovskite.