Nanomaterial TiO₂ de Up-Conversion Aprimorado Aumenta Eficiência de Célula Solar Perovskita para 16,3%
Resumo
TiO₂ tri-dopado Ho³⁺-Yb³⁺-Mg²⁺ sintetizado por sol-gel (UC-Mg-TiO₂) demonstra fluorescência de up-conversion marcadamente aprimorada quando Mg²⁺ é incorporado. O material foi aplicado como uma camada interfacial fina na camada de transporte de elétrons (ETL) de células solares de perovskita (PSCs). Dispositivos incorporando UC-Mg-TiO₂ alcançaram eficiência de conversão de potência (PCE) de 16,3 % comparado a 15,2 % para células de referência, confirmando que o nanomaterial converte efetivamente fótons de infravermelho próximo (NIR) em luz visível que a perovskita absorve.
Introdução
Células solares de perovskita (PSCs) avançaram rapidamente, com PCEs excedendo 22 % nos últimos anos. No entanto, seu espectro de absorção é limitado a comprimentos de onda abaixo de 800 nm, deixando mais da metade do espectro solar—incluindo a região NIR—inexplorado. Nanomateriais de up-conversion podem preencher esta lacuna convertendo fótons NIR em fótons visíveis que PSCs podem colher. Enquanto hospedeiros de up-conversion baseados em β-NaYF₄ são comuns, eles são isolantes e inadequados para camadas de transporte de elétrons (ETLs). Dióxido de titânio (TiO₂) em sua fase anatase é um ETL amplamente usado devido ao seu alinhamento de banda apropriado, eficiência de custo e estabilidade, mas sua banda proibida larga (3,2 eV) restringe absorção visível-NIR. Dopagem de TiO₂ com íons de terras raras ou metais de transição pode estender sua resposta espectral e melhorar propriedades de transporte de carga. Estudos prévios mostraram que TiO₂ co-dopado Ho³⁺-Yb³⁺ pode fazer up-conversion de luz NIR para células solares sensibilizadas por corante, e dopagem Mg²⁺ pode deslocar o nível de Fermi para melhorar desempenho de PSC. Neste trabalho, combinamos Ho³⁺, Yb³⁺ e Mg²⁺ em TiO₂ para criar um novo material tri-dopado (UC-Mg-TiO₂) e investigamos seu impacto na eficiência PSC.
Métodos
Materiais
Iodeto de formamidínio (FAI), brometo de metilamônio (MABr), diiodeto de chumbo (PbI₂), 2,2′,7,7′-tetrakis-(N,N-di-p-metoxifenilamina)-9,9′-espirobifluoreno (Spiro-OMeTAD) e dibrometo de chumbo (PbBr₂) foram obtidos da Xi'an Polymer Light Technology Corp. A solução coloidal SnO₂ foi comprada da Alfa Aesar. Dissulfeto de dimetila (DMSO), N,N-dimetilformamida (DMF), 4-terc-butilpiridina (TBP) e bis(trifluorometansulfonil)imida de lítio (Li-TFSI) foram obtidos da Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD.
Síntese de TiO₂ Tri-dopado Ho³⁺-Yb³⁺-Mg²⁺
O UC-Mg-TiO₂ foi preparado via rota sol-gel modificada. Tetrabutanolato de titânio foi primeiro reagido com acetilacetona (AcAc) e então diluído com álcool isopropílico (IPA). Uma solução mista de IPA, ácido nítrico e água foi adicionada lentamente, e após 6 h de agitação um sol TiO₂ amarelo-claro formou. Ho(NO₃)₃·5H₂O, Yb(NO₃)₃·5H₂O e Mg(NO₃)₂·6H₂O foram introduzidos em razões molares Ho:Yb:Mg:Ti = 1:4:x:100 (x = 0, 1, 1,5, 2, 2,5). O solvente foi removido a 100 °C por 10 h, e os pós resultantes foram calcinados a 500 °C por 30 min.
Preparação de PSCs
Substratos de óxido de estanho dopado com flúor (FTO) foram limpos e tratados com UV-O₃. Uma camada de bloqueio de TiO₂ (30NR-D) foi depositada por spin-coating e recozida a 500 °C. A ETL consistiu de TiO₂ diluído em etanol (1:6, razão de massa) e recozido sequencialmente a 100 °C e 450 °C. Para células modificadas com UC-Mg-TiO₂, uma mistura de sol UC-Mg-TiO₂ e sol TiO₂ (x : 100 – x, v/v) foi depositada por spin-coating (x = 0, 20, 40, 60, 80, 100) e recozida a 500 °C. A solução precursora de perovskita (FAI, PbI₂, MABr, PbBr₂ e CsI) foi depositada por spin-coating com gota de anti-solvente clorobenzeno, seguida por camada de transporte de lacunas Spiro-OMeTAD. Finalmente, eletrodo Au foi evaporado termicamente.
Caracterização
Espectros de fotoluminescência (PL) foram registrados com fluorômetro FLS 980 E. Difração de raios X (XRD) usou difratômetro DX-2700. Espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) empregou espectrômetro THS-103. Absorção UV-Vis foi medida com Varian Cary 5000. Microscopia eletrônica de varredura (MEV) usou JSM-7001F. Curvas corrente-tensão (I-V) sob iluminação AM 1.5 foram tomadas com medidor de fonte Keithley 2440. Espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) foi realizada com workstation CHI660e, e espectros de eficiência quântica incidente-fotão-corente (IPCE) foram obtidos usando Crowntech Qtest Station 500ADX.
Resultados e Discussão
Otimização das razões Ho³⁺ e Yb³⁺ revelou que razão 1:4 Ho:Yb produziu a emissão de up-conversion mais forte a 547 nm e 663 nm quando excitado a 980 nm (Fig. 1a). Introdução de Mg²⁺ amplificou ainda mais a fluorescência; a emissão máxima ocorreu em Ho:Yb:Mg = 1:4:2 (Fig. 1b). XRD confirmou que todas as amostras mantiveram a fase anatase TiO₂ (Fig. 2). Análise XPS verificou incorporação de Ho, Yb e Mg na rede TiO₂ (Fig. 3). Espectros UV-Vis mostraram que UC-Mg-TiO₂ absorveu luz visível e NIR adicional, reduzindo sua banda proibida para 3,09 eV de 3,18 eV para TiO₂ não dopado (Fig. 4).
Imagens MEV revelaram tamanhos de nanopartículas similares (~25–28 nm) e morfologia de filme uniforme para ambos TiO₂ e UC-Mg-TiO₂ (Fig. 5).
Testes de dispositivo mostraram que PCE aumentou com conteúdo UC-Mg-TiO₂, pico a 60 % UC-Mg-TiO₂ na ETL (Fig. 6a). A melhor célula alcançou Voc = 1,05 V, Jsc = 22,6 mA cm⁻², e PCE = 16,3 % versus 1,03 V, 21,2 mA cm⁻² e 15,2 % para referência (Tabela 1). Decaimento PL mais rápido e menor resistência de recombinação em dispositivos UC-Mg-TiO₂ (Fig. 8, Fig. 9) indicam extração de carga mais eficiente.
Sob iluminação NIR 980 nm, células com UC-Mg-TiO₂ exibiram Jsc mais alto, confirmando contribuição up-conversion (Fig. 10). Espectros IPCE mostraram resposta aprimorada entre 400 nm e 650 nm para células modificadas (Fig. 10b).
Conclusões
Síntese bem-sucedida de TiO₂ tri-dopado Ho³⁺-Yb³⁺-Mg²⁺ (UC-Mg-TiO₂) que exibe forte fluorescência up-conversion aprimorada por dopagem Mg²⁺. Quando aplicado como camada interfacial na ETL, UC-Mg-TiO₂ melhorou desempenho PSC, elevando V_oc e J_sc para 1,05 V e 22,6 mA cm⁻², respectivamente, e aumentando PCE de 15,2 % para 16,3 %. Estes resultados demonstram que UC-Mg-TiO₂ converte efetivamente luz NIR em fótons visíveis utilizáveis, oferecendo rota viável para aumentar ainda mais eficiência de células solares perovskita.
Abreviações
- EIS
- Espectroscopia de impedância eletroquímica
- NIR
- Infravermelho próximo
- PCE
- Eficiência de conversão de potência
- PL
- Fotoluminescência
- PSCs
- Células solares de perovskita
- TRPL
- Fotoluminescência resolvida no tempo
Nanomateriais
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