Otimizando Eficiência de Células Solares Perovskita com Nanopartículas Ag de Tamanho Controlado em Camada Compacta TiO₂

Resumo

Nanopartículas de prata (Ag NPs) de tamanho e concentração controlados foram incorporadas em uma camada compacta de TiO₂ via rota de síntese poliol para melhorar desempenho de células solares perovskita (PSCs). Difração de raios-X confirmou que a rede anatase TiO₂ permaneceu inalterada após adição de Ag, enquanto microscopia eletrônica de transmissão revelou que tamanho de Ag NPs influencia diretamente a capacidade de colheita de luz do absorvedor perovskita. Verificou-se que Ag NPs de 10 nm a carregamento 1,5 mol% (Ag:Ti) entregam a maior eficiência de conversão de potência (PCE) de 13,26%, atribuída a transferência de carga acelerada, recombinação reduzida e absorção de luz visível amplificada.

Introdução

Células solares perovskita aumentaram de 3,8% para 22,1% PCE na última década, devido a seu bandgap direto, alta mobilidade de portadores e fortes coeficientes de absorção. Em arquiteturas PSC planares, uma camada compacta TiO₂ atua como barreira bloqueadora de lacunas, enquanto um andaime mesoporoso TiO₂ ou ZrO₂ fornece interface de alta área para deposição perovskita. Metais nanoestruturados, especialmente Ag e Au, exibem ressonância de plasmon de superfície localizada (LSPR) que pode aumentar absorção óptica de semicondutores adjacentes. Embora PSCs plasmonicas tenham sido reportadas, o impacto específico de Ag NPs incorporadas em camada compacta TiO₂ permaneceu subexplorado.

Métodos

Ag NPs de 10, 30, 40 e 55 nm diâmetros foram sintetizadas reduzindo AgNO₃ em glicol etileno com polivinilpirrolidona (PVP, K30) a 120-150 °C. Os coloides resultantes foram lavados e secos para produzir partículas monodispersas. Soluções precursoras TiO₂ (1 ml isopropoxido de titânio bis(75%) em 19 ml etanol) foram misturadas com Ag NPs para atingir razões 0,5-2,5 mol% Ag:Ti e agitadas por 1 h. Substratos vidro-FTO foram sequencialmente revestidos com filme compacto TiO₂ dopado Ag (4000 rpm, 20 s; 150 °C, 10 min; 500 °C, 30 min), então recozidos a 500 °C por 30 min. Camada mesoporosa TiO₂/ZrO₂ foi depositada por spin-coating de coloide 1:5 TiO₂/ZrO₂, seguido por camada perovskita FA₀,₄MA₀,₆PbI₃ (spin-coating a 1000 rpm/10 s, 4000 rpm/30 s; 1 ml éter dietílico adicionado; 100 °C, 10 min). Eletrodos contrários de carbono (30 µm) foram impressos por tela e recozidos a 100 °C por 30 min.

Caracterização estrutural empregou FE-SEM, TEM, XRD e XPS. Desempenho de dispositivo foi medido sob iluminação AM 1.5G (100 mW cm⁻²), e espectros UV-vis foram registrados para avaliar absorção. Eficiência quântica de fóton-incidente a elétron (IPCE) foi determinada usando lâmpada xenon 300 W Newport.

Resultados e Discussão

Padrões XRD TiO₂ permaneceram anatase independentemente de inclusão de Ag, confirmando integridade estrutural. XPS mostrou picos Ag 3d a 368,3 e 374,3 eV, indicando Ag metálico sem reação química. Imagens TEM verificaram Ag NPs monodispersas e dispersão uniforme dentro da matriz TiO₂.

Espectros UV-vis revelaram que pico de absorção plasmonica desloca-se de ~400 nm (10 nm NP) para ~420 nm (55 nm NP). Ag NPs menores exibiram LSPR mais forte e maior absorção na região visível, levando a fotogeração aprimorada na camada perovskita. Conforme teor de Ag aumentou, absorção intensificou até 2,5 mol%, mas carregamento excessivo introduziu sítios de armadilha de carga que diminuíram desempenho.

Medidas J-V mostraram que todos dispositivos dopados Ag mantiveram tensões de circuito aberto similares (≈1,0 V) enquanto atingiram correntes de curto-circuito maiores. Ag NPs de 10 nm a 1,5 mol% alcançaram PCE de 13,26%, superando dispositivo pristino (12,08%) e outras combinações tamanho/concentração. Espectros IPCE confirmaram que dispositivo NP 10 nm exibiu maior melhoria através de 380-780 nm, corroborando benefício de absorção induzido por LSPR.

Conclusões

Incorporar nanopartículas de prata de 10 nm a carregamento 1,5 mol% em camada compacta TiO₂ equilibra otimamente absorção plasmonica e transporte de carga, elevando eficiência PSC a 13,26%. Estes achados fornecem caminho claro para adaptar tamanho e concentração de nanopartículas para maximizar desempenho de dispositivos perovskita.