Influência de nanopartículas de Ag com diferentes tamanhos e concentrações incorporadas em uma camada compacta de TiO2 na eficiência de conversão de células solares de perovskita

Resumo

Neste estudo, nanopartículas de Ag com diversos tamanhos e concentrações de partículas, fabricadas através do método de poliol, foram incorporadas em um TiO ₂ filme compacto para melhorar a eficiência de conversão de energia de células solares de perovskita. Os resultados obtidos mostraram que nanopartículas de Ag incorporadas no TiO ₂ filme compacto não afeta a estrutura cristalina do TiO ₂ , enquanto o tamanho das nanopartículas de Ag pode influenciar fortemente a capacidade de absorção de luz dos materiais perovskita. No entanto, a intensidade de absorção e a eficiência de conversão de energia das células de perovskita diminuíram com o aumento do tamanho das nanopartículas de Ag. A quantidade de nanopartículas de Ag também foi um fator importante para o desempenho das células solares de perovskita, e as nanopartículas de Ag na camada compacta foram otimizadas para medir 10 nm de diâmetro, sendo incorporadas a uma razão molar de 1,5% (Ag:Ti =1,5 mol %). Em comparação com células solares de perovskita sem condutor de orifício que usam carbono como contraeletrodos, sem nanopartículas de Ag incorporadas no filme compacto, a eficiência aprimorada das células desenvolvidas neste estudo pode ser atribuída principalmente à transferência de carga acelerada, recombinação de carga diminuída e absorção de luz aumentada do material perovskita na região visível.

Histórico

Nos últimos anos, com o esgotamento gradual da energia fóssil, a busca por novas fontes sustentáveis ​​de energia tornou-se uma tarefa importante. Como uma alternativa promissora, as células solares de perovskita (PSCs) têm atraído grande interesse por causa de suas propriedades fotovoltaicas distintas [1,2,3,4,5]. A eficiência de conversão de energia (PCE) das PSCs foi significativamente aprimorada ao longo do tempo, de 3,8 para 22,1% [6,7,8]. As perovskitas de halogeneto de organo-metal são materiais de bandgap direto com alta mobilidade de portadores, longa difusão de carga e grandes coeficientes de absorção [9,10,11,12]. Essas propriedades superiores os tornam materiais fotoativos ideais em células solares [4, 13,14,15,16].

A presença de uma camada mesoporosa determina a diferença entre as estruturas mesoporosas e planas. Em geral, a estrutura mesoporosa é aplicada em dispositivos de PSC de alta eficiência, pois aumenta a área de contato da interface para apoiar a deposição do filme e também melhora a extração e transferência de carga [17,18,19]. Um PSC típico com estrutura mesoporosa é feito de uma camada condutora de óxido de estanho dopado com flúor (FTO), uma camada compacta, uma camada mesoporosa, uma camada de perovskita, uma camada de transporte de orifício e uma camada de contra-eletrodo. Em geral, TiO ₂ tem sido freqüentemente empregada como camada de transporte de elétrons. No entanto, outros materiais como Al ₂ O ₃ , SnO ₂ e ZnO também têm sido usados ​​como fotoanodos em dispositivos PSC [20,21,22,23,24,25]. Na verdade, TiO ₂ nanopartículas desempenham um papel dominante na transmissão de elétrons, razão pela qual TiO ₂ é atualmente o material preferido para uso em dispositivos PSC. Sob irradiação de luz visível, pares elétron-buraco são gerados na camada de perovskita do dispositivo PSC, após o qual os elétrons transferem separadamente para a camada de transporte de elétrons (ETL), enquanto os buracos são transferidos para a camada de transporte de buraco [26]. O ETL inclui duas camadas diferentes, a saber, a camada mesoporosa e a camada compacta. A camada compacta também é conhecida como camada de bloqueio de orifícios, pois pode proibir a recombinação de elétrons e orifícios quando eles se encontram na superfície do vidro condutor FTO [1, 20, 27,28,29]. Portanto, filmes compactos de alta qualidade com características de mobilidade de portadores surpreendentemente altas e excelente condutividade elétrica podem ter um impacto significativo na eficiência dos dispositivos PSC. Na interface da camada compacta / camada mesoporosa / camada perovskita, a recombinação da portadora é reduzida e a injeção de elétrons pode ser acelerada. De acordo com pesquisas realizadas nos últimos anos, para melhorar o PCE de um dispositivo PSC, a aplicação de nanopartículas plasmônicas tem se mostrado viável [29, 30]. Nanopartículas metálicas com efeito de ressonância plasmônica de superfície podem aumentar a absorção efetiva de luz visível da camada de absorção de luz [29,30,31], o que foi demonstrado através da aplicação de nanopartículas plasmônicas de metal em diferentes tipos de células solares, como células solares orgânicas e células solares de silício [32, 33]. Assim, o mesmo método poderia ser usado para melhorar o PCE dos dispositivos PSC. Os plasmons de superfície podem ser localizados por nanopartículas metálicas nobres como Ag e Au. A excitação de ressonância plasmônica de superfície localizada (LSPR) pode ser realizada quando a frequência da luz visível incidente corresponde ao pico de ressonância, o que leva a propriedades ópticas únicas, como extinção seletiva de luz e aumento do campo eletromagnético próximo à superfície do nanopartículas metálicas [34]. Portanto, a eficiência e a fotocorrente de um dispositivo PSC são melhoradas após a utilização das propriedades ópticas do LSPR.

Até onde sabemos, o efeito das nanopartículas de Ag (NPs de Ag) incorporadas em TiO ₂ filmes compactos sobre a eficiência dos dispositivos PSC não foi completamente investigado. Além disso, nos últimos anos, muitos trabalhos enfocaram PSCs plasmônicos e fotovoltaicos orgânicos [35,36,37,38,39,40], enquanto Ag / TiO ₂ compósitos de nanopartículas foram amplamente investigados durante as últimas décadas para uso em células solares fotocatalíticas e sensibilizadas por corante (DSSCs). NPs de metal nobre têm um efeito de espalhamento impressionante e forte ressonância de plasmon de superfície local (LSPR). Essas características podem melhorar a fotocorrente de DSSCs e aumentar sua capacidade fotocatalítica [41,42,43,44,45,46,47,48]. Em nosso trabalho anterior, TiO depositado com Ag ₂ compostos, TiO ₂ matrizes de nanotubos e nanomateriais dopados com íons de terras raras foram aplicados em DSSCs e PSCs [49,50,51,52,53]. Neste trabalho, um colóide foi preparado com vários tamanhos e concentrações de Ag NPs e incorporado em um TiO ₂ camada compacta para aprimorar o desempenho dos PSCs. Os resultados mostraram que a presença de Ag NPs no filme compacto pode aumentar a absorção do dispositivo PSC sob irradiação de luz visível. Isso leva à formação de mais portadores fotogerados devido à característica LSPR dos Ag NPs em comparação com um dispositivo semelhante construído sem Ag NPs. Além disso, o tamanho otimizado e a concentração de NPs de Ag no TiO ₂ precursores são cerca de 10 nm e 1,5 mol%, respectivamente, o que pode induzir a maior eficiência de conversão de energia do dispositivo PSC.

Métodos

Várias abordagens foram desenvolvidas para a preparação de Ag NPs de tamanho controlado [38, 54,55,56]. Neste estudo, escolhemos o método químico de fabricação de NPs de Ag de diferentes tamanhos devido aos materiais químicos facilmente disponíveis e ao protocolo controlável. Para Ag NPs de 10 nm de diâmetro, 0,75 g de polivinilpirrolidona (PVP, K30) foram dissolvidos em 50 ml de etilenoglicol. Depois que a solução de PVP foi aquecida até 120 ° C, 0,25 g de nitrato de prata (AgNO ₃ ) dissolvido em 25 ml de etilenoglicol foi adicionado gota a gota e deixou-se reagir durante 1 h a esta temperatura. Uma solução coloidal marrom clara foi formada, o que implicou na formação de Ag NPs. Para Ag NPs de 30 nm de tamanho, 1,5 g de PVP foram adicionados a 20 ml de etilenoglicol para serem totalmente dissolvidos e aquecidos até 120 ° C, então 0,25 g de AgNO ₃ dissolvido em 10 ml de etilenoglicol foi adicionado gota a gota à solução aquecida e deixou-se reagir durante 1 h a esta temperatura. A cor da solução era marrom após a reação de 1 h. Para Ag NPs de 40 nm de tamanho, 1,5 g de PVP foram adicionados a 20 ml de etilenoglicol para serem totalmente dissolvidos e aquecidos até 120 ° C, então 0,15 g de AgNO ₃ dissolvido em 10 ml de etilenoglicol foi adicionado gota a gota à solução aquecida e deixou-se reagir durante 1 h a esta temperatura. A cor da solução era marrom após a reação de 1 h. Para Ag NPs de 55 nm, o procedimento básico e a quantidade de matéria-prima foram os mesmos que os usados ​​para Ag NPs de 30 nm, mas a temperatura de aquecimento foi de 150 ° C para formar Ag NPs maiores. A solução gradualmente tornou-se marrom escuro após uma reação de 30 min. Após o resfriamento até a temperatura ambiente, todas as soluções foram lavadas em ordem com água desionizada, etanol e acetona, seguido de secagem a 50 ° C durante a noite em estufa de secagem a vácuo. Conseqüentemente, Ag NPs de quatro tamanhos diferentes foram obtidos.

O TiO ₂ a solução de precursor compacto foi preparada adicionando 1 ml de diisopropóxido bis de titânio (75%, Sigma-Aldrich, EUA) a 19 ml de etanol. A fim de preparar precursores contendo Ag NPs de diferentes tamanhos e concentrações, diferentes quantidades de Ag NPs foram adicionadas no TiO ₂ precursor para obter várias razões molares de Ag para Ti, isto é, 0,5, 1, 1,5, 2 e 2,5 mol%, e agitado por 1 h em temperatura ambiente para formar soluções de precursor uniformes. Para o precursor da camada mesoporosa, ZrO ₂ ou TiO ₂ solução coloidal foi adicionada a etanol, em uma proporção de massa de 1:5, e agitada por 12 h em temperatura ambiente.

Os substratos de vidro / FTO foram pré-limpos com água deionizada (com detergente), acetona, isopropanol e etanol, na seqüência, em caixa de ultrassom. Para a fabricação dos dispositivos PSC, TiO ₂ precursores sol-gel com diferentes tamanhos de Ag NPs foram primeiramente revestidos por spin no eletrodo transparente a 4000 rpm por 20 s, depois aquecidos a 150 ° C por cerca de 10 min. Os procedimentos acima foram repetidos para a fabricação do filme compacto, que foi finalmente formado após recozimento a 500 ° C por 30 min. O mesmo método foi usado para fabricar o TiO original ₂ filme compacto sem quaisquer NPs de metal. Em seguida, os substratos com filme compacto foram imersos em uma solução aquosa de TiCl ₄ por 30 min, a 70 ° C, e subsequentemente aquecido a 150 ° C por aproximadamente 10 min para otimizar o TiO ₂ camada compacta.

O mesoporoso TiO ₂ camada foi depositada no topo do filme compacto via revestimento de rotação do TiO ₂ solução coloidal a 3500 rpm por 20 s, seguido de aquecimento a 150 ° C por 10 min e recozimento a 500 ° C por 30 min para criar a anatase TiO ₂ camada mesoporosa. Foi demonstrado que a adoção de ZrO ₂ em PSCs pode aumentar sua estabilidade [57]. Aqui, usamos adicionalmente um ZrO ₂ solução coloidal para revestimento por rotação no TiO anatase ₂ filme mesoporoso, e o ZrO obtido ₂ o filme foi sinterizado a 500 ° C durante 30 min. Depois que o substrato foi resfriado à temperatura ambiente, o FA _{0,4 ​​} MA _0,6 PbI ₃ camada de perovskita foi formada por spin-coating da solução precursora a 1000 rpm por 10 se 4000 rpm por 30 s. A solução precursora de perovskita (FA _0.4 MA _0,6 PbI ₃ ) continha 462 mg de PbI ₂ , 95,4 mg de iodeto de metilamônio (CH ₃ NH ₃ I, 99,99%), e 68,8 mg de iodeto de formamidínio (HN =CHNH ₃ I, 99,99%), que foram dissolvidos em 600 mg N , N -dimetilformamida e 78 mg de dimetilsulfóxido. Durante o revestimento por rotação do precursor de perovskita, 1 ml de éter dietílico foi adicionado uniformemente para formar um filme de perovskita estável, de acordo com um relatório anterior [58], que foi então aquecido a 100 ° C por 10 min. O dispositivo PSC foi obtido após a construção dos contraeletrodos de carbono (30 μm) por serigrafia e recozimento a 100 ° C por 30 min.

Um microscópio eletrônico de varredura por emissão de campo (Zeiss Ultra Plus, Alemanha) e um microscópio eletrônico de transmissão (TEM; JEM-2100F, Japão) foram usados ​​para investigar as seções transversais dos dispositivos PSC, bem como a morfologia da superfície dos Ag NPs e compactos filme. A estrutura cristalina de Ag e TiO ₂ nanopartículas foram obtidas por um difratômetro de raios-X (XRD; MAX-RB RU-200B, Japão). A superfície das amostras da camada compacta foi medida por espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS; ESCALAB 250Xi, Thermo Fisher Scientific). Densidade-tensão de corrente ( J - V ) curvas dos PSCs foram testadas por um simulador de luz solar (Oriel Sol3A, Newport Corporation, EUA), sob iluminação AM 1.5G, a 100 mW / cm ² intensidade. Os espectros de absorção foram determinados por espectroscopia ultravioleta-visível (UV-vis; Shimadzu, Japão). A eficiência de conversão de fóton em elétron incidente (IPCE; Newport Corporation, EUA) foi usada para investigar a eficiência quântica dos dispositivos PSC.

Resultados e discussão

Para NPs esféricos, se seu tamanho for muito menor do que o comprimento de onda da luz incidente, a aproximação quase estática pode ser usada para descrever suas propriedades LSPR. De acordo com a teoria de Mie, e aplicando a aproximação quase estática, o espalhamento desempenha um papel principal com o aumento do raio dos NPs esféricos, e a intensidade de extinção é então determinada principalmente pelo espalhamento. Além disso, a absorção afeta gradualmente a intensidade de extinção quando o raio das NPs esféricas está diminuindo [59]. No entanto, a intensidade de extinção também está relacionada ao estado de armadilha de carga dos NPs esféricos e à constante dielétrica do meio circundante. Assim, a intensidade da extinção precisa de mais estudos.

A Figura 1 mostra os padrões de XRD do TiO ₂ e o TiO contendo Ag ₂ . É óbvio que todas as curvas de XRD têm picos fortes atribuídos a anatase TiO ₂ com o cartão PDF anatase padrão, que indica que a estrutura cristalina do TiO ₂ dificilmente muda com a adição de Ag. Na verdade, os picos de Ag não podem ser observados diretamente por causa da baixa concentração de Ag e o pico coincidente em cerca de 2 θ =38 °.

Espectros de XRD de TiO ₂ e TiO incorporado em Ag ₂

Para investigar os elementos químicos do TiO ₂ filme compacto composto, XPS foi usado para explorar a energia de ligação química dos Ag NPs incorporados no TiO ₂ composto no filme compacto. A Figura 2a mostra a energia de ligação de elétrons de Ag 3d com o filme compacto composto. Os picos de Ag 3d _5/2 e Ag 3d _3/2 foram localizados em 368,3 e 374,3 eV, o que é consistente com a energia de ligação padrão de Ag ⁰ [42, 43]. Isso implica que os elementos Ag no filme compacto estavam presentes na forma de substâncias simples, sem qualquer reação química. A Figura 2b, c mostra a estrutura do dispositivo e a imagem transversal do dispositivo PSC com Ag NPs integrados na camada compacta. Na verdade, o tamanho do ZrO ₂ e TiO ₂ é quase o mesmo de cerca de 20 nm. Assim, a interface entre ZrO ₂ e TiO ₂ não é fácil de identificar.

a Espectros Ag 3d XPS de Ag / TiO ₂ compósitos. b Estrutura do dispositivo de um Ag / TiO ₂ célula solar perovskite. c Uma imagem FE-SEM transversal de Ag / TiO ₂ célula solar perovskite. d Diagrama esquemático da separação e transferência das portadoras geradas pela foto (os círculos cinza, azul e amarelo representam anatase TiO ₂ , Ag e nanopartículas de perovskita)

Uma vez que a distribuição de Ag não pode ser distinguida com precisão por meio de imagens SEM, imagens TEM foram usadas para avaliar o tamanho de ambos Ag NPs e Ag / TiO ₂ filme compacto composto. Imagens TEM mostrando diferentes tamanhos de Ag NPs e Ag / TiO ₂ os compósitos são apresentados na Fig. 3. A Figura 3a – d mostra as diferentes estruturas e resultados de distribuição de tamanho de Ag NPs com os tamanhos de 10 nm (Fig. 3a), 30 nm (Fig. 3b), 40 nm (Fig. 3c) e 55 nm (Fig. 3d), que foram preparados pelo método do poliol. Como observado nas figuras acima mencionadas, os tamanhos dos Ag NPs individuais mostraram pouca variação e o tamanho uniforme dos Ag NPs pode ser facilmente distinguido. A Figura 3f mostra uma imagem ampliada de Ag / TiO ₂ compósitos no filme compacto da área pontilhada na Fig. 3e. Os Ag NPs foram circundados por TiO ₂ para a formação de Ag / TiO ₂ compostos e as franjas da rede de Ag e TiO ₂ NPs foram cerca de 2,40 e 3,50 Å da área pontilhada na Fig. 3f.

Imagens HRTEM e resultados de distribuição de tamanho de a NPs Ag de 10 nm, b NPs Ag 30 nm, c NPs Ag de 40 nm e d NPs de Ag de 55 nm; Imagens HRTEM de e Ag / TiO ₂ filme compacto composto e f imagem ampliada da área pontilhada de e

A Figura 2e representa o diagrama esquemático da separação e transferência do portador fotogerado no Ag / TiO ₂ Dispositivo PSC sob irradiação de luz visível, sem o ZrO ₂ camada (as setas vermelhas indicam a via de transporte de elétrons e a seta azul representa a via de transporte de lacunas). Para o TiO ₂ camada compacta contendo os Ag NPs, os Ag NPs podem atuar como locais de armadilha de carga, o que ocorre porque a banda de condução de Ag NPs está entre o TiO ₂ e o material perovskita [35]. Em geral, o LSPR de Ag pode melhorar a absorvância de células solares orgânicas e de perovskita significativamente [35, 36, 44, 45]. Assim, o gerenciamento da absorbância e do aprisionamento de carga através do uso de Ag NPs de diferentes tamanhos e concentrações deve influenciar a força da fotocorrente e o desempenho do dispositivo PSC.

A Figura 4a apresenta os espectros de absorbância de Ag NPs de diferentes tamanhos em água, que é indicada pelos diferentes picos de absorção. Os picos de absorção correspondentes de NPs de Ag de 10, 30, 40 e 55 nm foram aproximadamente 400, 410, 415 e 420 nm, respectivamente. Além disso, os espectros de absorção de UV-vis do Ag / TiO ₂ filmes compactos compostos e todos os dispositivos PSC contendo Ag NPs de vários tamanhos e diferentes concentrações são mostrados respectivamente nas Figs. 4 e 5. Como visto na Fig. 4b, a absorbância de Ag NPs de 10 nm no Ag / TiO ₂ o filme compacto composto foi maior do que os outros tamanhos, e a absorbância variou inversamente com o tamanho dos Ag NPs. Na verdade, os espectros de absorção na Fig. 4c seguem a mesma tendência descrita acima na Fig. 4b, diminuindo com o aumento no tamanho de Ag NP. Isso pode ser devido ao aumento da perda óptica causada pela reflexão de Ag NPs maiores e ao efeito LSPR intrinsecamente forte de Ag NPs de pequeno porte. De acordo com pesquisas anteriores, conforme o tamanho dos NPs mentais nobres aumenta, o efeito LSPR diminui gradualmente e a dispersão de luz se torna mais dominante [37, 46, 47]. Assim, o efeito LSPR tem um grande impacto na absorbância dos dispositivos PSC quando os Ag NPs são relativamente pequenos.

Espectros de absorção de UV-vis do a tamanhos diferentes de amostra Ag NP, b Ag / TiO ₂ amostras com vários tamanhos de Ag NPs e c Ag / TiO ₂ Amostras de dispositivos PSC com vários tamanhos de Ag NPs

Espectros de absorção de UV-vis dos filmes compactos e de todos os dispositivos PSC com a , b NPs de Ag 10 nm; c , d NPs de Ag 30 nm; e , f NPs de Ag de 40 nm; e g , h NPs Ag de 55 nm

A Figura 5a-h mostra os espectros de absorção de UV-vis dos filmes compactos e de todos os dispositivos PSC com NPs Ag de 10, 30, 40 e 55 nm. Conforme observado, com o aumento do teor de Ag, a absorção do filme compacto foi gradativamente aumentada na região totalmente visível. A absorção de todo o dispositivo PSC seguiu a mesma tendência à medida que o conteúdo de Ag aumentou. Esses espectros indicam coletivamente que 2,5 mol% de conteúdo de Ag / TiO ₂ teve a maior absorção em cada tamanho único de Ag NP, o que se deve ao efeito LSPR. Com o aumento do conteúdo de Ag NPs, o efeito LSPR também se tornou mais forte. O tamanho das nanopartículas desempenha um papel importante no comportamento de extinção, como a absorção e espalhamento de luz. Comparando a Fig. 4 com a Fig. 5a, c, e, g, os picos de absorção plasmônica de 10-, 30-, 40- e 55-nm Ag NPs deslocados quando os Ag NPs foram incorporados no TiO ₂ camada compacta, que é atribuída ao maior índice de refração de TiO ₂ em comparação com a água [48]. Na verdade, TiO ₂ NPs têm uma absorção relativamente alta nesta região de comprimento de onda. Embora o efeito LSPR dos Ag NPs ocorra sempre que sob irradiação de luz, a absorção em uma região de comprimento de onda menor que 350 nm não mostra um aumento significativo por causa do alto coeficiente de extinção do material perovskita que leva à saturação da absorção de luz. A absorvância do material perovskita é forte na região de comprimento de onda curto de cerca de 400 nm e relativamente fraca na região de comprimento de onda longo de 600 ~ 800 nm. Devido ao efeito LSPR dos Ag NPs, a absorbância de todo o dispositivo PSC é significativamente aumentada. Além disso, os Ag NPs aumentam a absorção de luz na região do visível (380 ~ 780 nm), o que pode ser atribuído principalmente ao LSPR dos Ag NPs, além da absorção do material perovskita, quando o tamanho dos Ag NPs é menor de ~ 100 nm [46].

O medido J - V curvas revelando o desempenho dos dispositivos PSC com diferentes tamanhos e conteúdo de Ag NPs são mostrados na Fig. 6. A Figura 7 representa um diagrama bidimensional e a tabela correspondente de PCE, densidade de corrente de curto-circuito ( J _sc ), tensão de circuito aberto ( V _oc ) e fator de preenchimento (FF) do Ag / TiO ₂ Dispositivos PSC com diferentes conteúdos e tamanhos de Ag NPs. Na verdade, em comparação com os dispositivos sem Ag NPs, os dispositivos com diferentes tamanhos de Ag NPs e diferentes conteúdos de Ag mostraram pouca diferença em V _oc . Para o tamanho Ag NP de 10, 30, 40 e 55 nm, o J _sc do Ag / TiO ₂ Os dispositivos PSC foram todos maiores do que os dispositivos sem Ag NPs (20,38 mA cm ⁻² ), os valores correspondentes sendo aproximadamente 23,02, 23,7, 22,46 e 22,1 mA cm ⁻² , respectivamente. O J melhorado _sc do Ag / TiO ₂ Os dispositivos PSC podem ser atribuídos ao aumento da absorção do material perovskita pelo LSPR. Assim, a incorporação de Ag NPs pode melhorar o PCE de dispositivos PSC, aumentando a intensidade de absorção do material de perovskita. Para o mesmo conteúdo de Ag NPs, com o aumento no tamanho dos Ag NPs, o PCE diminui gradualmente. O aumento da perda óptica causada pela reflexão e absorção de Ag NPs maiores diminui a absorção de luz do material perovskita. Com base na tabela da Fig. 7, o PCE do Ag / TiO ₂ Os dispositivos PSC variam inversamente com o tamanho dos Ag NPs e 1,5 mol% Ag / TiO ₂ Os dispositivos de PSC com NPs de Ag de 10 nm tiveram um PCE médio de 12,01% (de 10 dispositivos de PSC) e o PCE mais alto de 13,26%. Para o tamanho Ag NP de 10 nm, o J _sc do 1,5 mol% Ag / TiO ₂ Os dispositivos PSC foram ligeiramente inferiores aos de 2 mol% Ag / TiO ₂ Dispositivos PSC, mas 1,5 mol% Ag / TiO ₂ Os dispositivos PSC tiveram o FF mais alto em comparação com todos os outros conteúdos de Ag / TiO de 10 nm ₂ Dispositivos PSC. No entanto, com o aumento no conteúdo de Ag NP, o PCE de Ag / TiO ₂ Os dispositivos de PSC com tamanhos diferentes de NPs de Ag diminuíram gradualmente, o que se deve aos locais de captura de carga dos NPs de Ag, que diminuem o desempenho do PSC. Na verdade, os NPs de Ag são considerados como aprisionadores dos elétrons gerados por materiais perovskita e podem impedir o transporte de cargas devido aos diferentes níveis de energia entre TiO ₂ e os Ag NPs [60]. Assim, o efeito combinado de dispersão de luz e LSPR pode influenciar significativamente o desempenho de Ag / TiO ₂ Dispositivos PSC.

J - V curvas de dispositivos PSC com diferentes conteúdos de vários tamanhos de Ag NPs de a 10 nm, b 30 nm, c 40 nm e d 55 nm

Histogramas bidimensionais e as tabelas correspondentes de a PCE, b J _sc , c voltagem e d FF de dispositivos PSC com diferentes tamanhos e conteúdo de Ag NPs

A Figura 8 representa as curvas IPCE dos dispositivos PSC com ou sem Ag NPs. O dispositivo PSC com os NPs de Ag de 10 nm mostrou o maior realce do IPCE na região visível, conforme ilustrado na Fig. 8a. Além disso, baixos valores de realce podem ser observados quando o tamanho dos Ag NPs era maior que 10 nm. Em geral, os dispositivos PSC com Ag NPs tiveram maiores valores de realce IPCE em comparação com amostras sem Ag NPs, o que é principalmente devido ao aumento de absorção pelo LSPR de Ag NPs. Pode ser observado na Fig. 8b-e que os valores de aumento de IPCE de 1,5 mol% Ag / TiO ₂ Os dispositivos PSC foram os mais altos para todos os tamanhos de Ag NP. Além disso, os valores de aumento de IPCE dos dispositivos PSC diminuíram gradualmente com o aumento no conteúdo de Ag, o que pode ser atribuído ao aprisionamento de carga nos NPs de Ag e à deterioração do transporte de elétrons diminuindo o PCE. Finalmente, o IPCE é diminuído pela transferência de elétrons para os Ag NPs, onde as cargas são capturadas pelas barreiras entre TiO ₂ e os Ag NPs.

Espectros IPCE (380 a 800 nm) de dispositivos PSC com a diferentes tamanhos de Ag NPs, b conteúdo diferente de NPs Ag de 10 nm, c conteúdo diferente de NPs Ag 30 nm, d conteúdo diferente de NPs Ag de 40 nm e e conteúdo diferente de NPs Ag de 55 nm

Conclusões

Neste artigo, usamos o método do poliol para preparar Ag NPs de diferentes tamanhos e investigamos a influência do tamanho e do conteúdo de Ag NPs em dispositivos de PSC. O aumento de absorção dos dispositivos PSC na região visível foi atribuído principalmente ao LSPR de Ag NPs. Com o aumento no tamanho e no conteúdo de Ag NPs, a intensidade de absorção de ambos TiO ₂ o filme compacto e o dispositivo PSC diminuíram e aumentaram gradualmente, respectivamente. Com a adição de Ag NPs, a capacidade de transporte de carga aumenta e o desempenho do dispositivo PSC é conseqüentemente melhorado. Além disso, o dispositivo PSC com um pequeno tamanho e quantidade de Ag NPs apresentou maiores valores de PCE e IPCE. Especificamente, o dispositivo PSC com NPs de Ag de 10 nm e 1,5 mol% de Ag / TiO ₂ o filme compacto exibiu o maior PCE de 13,26%. Esses resultados podem fornecer uma referência para a introdução de diferentes tamanhos e conteúdos de Ag NPs em dispositivos PSC a fim de melhorar seu desempenho.

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