Efficacité de conversion de puissance améliorée des cellules solaires à pérovskite avec un matériau de conversion ascendante de Er3+-Yb3+-Li+ TiO2 tri-dopé

Résumé

Dans cet article, Er³⁺ -Yb³⁺ -Li⁺ TiO₂ tri-dopé (UC-TiO₂ ) a été préparé par un ajout de Li⁺ à Er³⁺ -Yb³⁺ TiO₂ co-dopé . L'UC-TiO₂ a présenté une émission de conversion ascendante améliorée par rapport à Er³⁺ -Yb³⁺ TiO₂ co-dopé . L'UC-TiO₂ a été appliqué aux cellules solaires à pérovskite. L'efficacité de conversion de puissance (PCE) des cellules solaires sans UC-TiO₂ était de 14,0%, tandis que le PCE des cellules solaires avec UC-TiO₂ a été porté à 16,5 %, ce qui représente une augmentation de 19 %. Les résultats suggèrent que UC-TiO₂ est un matériau de conversion ascendante efficace. Et cette étude a fourni une voie pour étendre l'absorption spectrale des cellules solaires à pérovskite de la lumière visible au proche infrarouge en utilisant des matériaux de conversion ascendante.

Contexte

Les cellules solaires à pérovskite à halogénure de plomb (PSC) sont devenues attrayantes dans le domaine des cellules solaires, en raison de leurs avantages, tels qu'un rendement élevé, un coût perdu et une fabrication simple [1,2,3,4]. En quelques années, le rendement de conversion de puissance (PCE) des PSC a été amélioré à 22,1 % [5]. Cependant, les cellules solaires à pérovskite n'absorbent qu'une petite fraction de la lumière incidente dans les plages UV et visible en raison de la bande interdite énergétique étroite du sensibilisateur à la pérovskite ; ainsi, une grande partie de la lumière incidente est perdue en raison de sa non-absorption du proche infrarouge (NIR) [6, 7].

Une méthode prometteuse pour résoudre le problème de perte d'énergie NIR consiste à appliquer des matériaux de conversion ascendante aux PSC, qui peuvent convertir le NIR en lumière visible. Certains auteurs ont rapporté les applications de matériaux de conversion ascendante aux cellules solaires à pérovskite [8,9,10], dans lesquelles les matériaux de conversion ascendante adoptés étaient principalement basés sur le fluorure de sodium et d'yttrium en phase bêta (β-NaYF_{4 ). Alors que le β-NaYF₄ les matériaux de conversion ascendante peuvent réduire la capacité de transport de charge de la couche de transfert d'électrons [11]. Il a été rapporté que Er³⁺
-Yb³⁺
-F⁻
TiO₂ tri-dopé peut améliorer le PCE des cellules solaires à colorant (DSSC) en raison de son émission de conversion ascendante améliorée par rapport à Er³⁺
-Yb³⁺
TiO₂ co-dopé [12]. Dans notre précédente publication [13], nous avons rapporté l'application de Er³⁺
-Yb³⁺
TiO₂ co-dopé nanotiges aux PSC. Certains chercheurs ont prouvé que l'ajout de Li⁺
dans Er³⁺
-Yb³⁺
TiO₂ co-dopé pourrait augmenter l'émission de conversion ascendante [14, 15]. Et il a été rapporté que les cellules solaires à pérovskite à base de TiO dopé au Li₂ produire des performances supérieures par rapport au dispositif à base de TiO₂ non dopé [16]. Ainsi, nous nous demandons si les matériaux de conversion ascendante de Er³⁺
-Yb³⁺
-Li⁺
TiO₂ tri-dopé peut être appliqué aux PSC pour améliorer encore les performances.}

Par conséquent, dans la présente étude, nous avons préparé Er³⁺ -Yb³⁺ -Li⁺ TiO₂ tri-dopé (UC-TiO₂ ) par ajout de Li⁺ dans Er³⁺ -Yb³⁺ TiO₂ co-dopé , qui présentait une émission de conversion ascendante améliorée par rapport à Er³⁺ -Yb³⁺ TiO₂ co-dopé . L'UC-TiO₂ a été appliqué aux cellules solaires à pérovskite. Le PCE des cellules solaires avec UC-TiO₂ est augmenté à 16,5 contre 14,0% pour les cellules solaires sans UC-TiO₂ , qui présente une augmentation de 19 %.

Méthodes

Synthèse de Er³⁺ -Yb³⁺ -Li⁺ TiO tri-dopé₂

Les nanocristaux d'Er³⁺ -Yb³⁺ -Li⁺ TiO₂ tri-dopé (UC-TiO₂ ) ont été synthétisés par une méthode modifiée [15]. Un n-butoxyde de titane (IV) a été préparé en mélangeant du titanate de n-butyle (Ti(OBu)₄ ) avec de l'acétylacétone (AcAc) à température ambiante pendant 1 h sous agitation. Ensuite, l'isopropyle (i-PrOH) a été mis dans le n-butoxyde de titane (IV). Ensuite, i-PrOH, eau déminéralisée et acide nitrique concentré (HNO₃ ) a été mélangé et versé dans la solution. Un TiO₂ jaune clair sol a été obtenu après agitation pendant 6 h. Les rapports molaires AcAc, H₂ O, et HNO₃ à Ti(OBu)₄ étaient de 1:1, 2:1 et 0,3:1, respectivement. Ensuite, Er(NON₃ )₃ ·5H₂ O, Yb(NON₃ )₃ ·5H₂ O, et LiNO₃ ont été ajoutés au TiO₂ sol pour faire les rapports molaires de Er:Yb:Li:Ti =0.5:10:x :100 (x = 0, 10, 15, 20, 25). Le solvant dans l'Er³⁺ -Yb³⁺ -Li⁺ TiO₂ tri-dopé sol (UC-TiO₂ sol) a été éliminé par séchage pendant 8 h à 100 °C. Ensuite, l'UC-TiO₂ a été calciné à 500 °C pendant 30 min.

Fabrication de cellules solaires à pérovskite

Le substrat de verre FTO à motifs a été nettoyé dans de l'acétone, du 2-propanol et de l'éthanol par sonication pendant 20 min, respectivement. Ensuite, UV-O₃ a été utilisé pour traiter le FTO pendant 15 min. Une couche compacte a été formée par dépôt par centrifugation d'une solution de précurseur sur FTO et recuite à 500 °C pendant 30 min. La solution de précurseur est une solution de diisopropoxyde de titane 0,1 M (acétylacétonate) (75 % en poids dans l'isopropanol, Aldrich) dans le 1-butanol. Un TiO₂ mésoporeux le film a été obtenu par spin-coating TiO₂ solution sur la couche compacte à 4000 rpm pendant 30 s, suivie d'un recuit à 100 °C pendant 10 min et 500 °C pendant 30 min, respectivement. Le TiO₂ solution a été préparée en diluant TiO₂ pâte (30NR-D, Dyesol) avec de l'éthanol (1:6, rapport pondéral) ou en mélangeant l'UC-TiO₂ sol et le TiO₂ dilué solution (UC-TiO₂ :TiO₂ = x :100, v /v , x = 10, 20, 30 et 40). Une couche de pérovskite s'est formée sur UC-TiO₂ couche par revêtement par centrifugation d'une solution de précurseur de pérovskite en deux étapes à 1000 rpm pendant 10 s et 4000 rpm pendant 30 s, et 200 μL de chlorobenzène ont été versés sur le substrat au cours de la deuxième étape avant la fin des 20 s. Ensuite, l'échantillon a été chauffé sur la plaque chauffante à 100 °C pendant 1 h. La solution de précurseur de pérovskite a été obtenue en mélangeant PbI₂ (1,1 M), FAI (1 M), PbBr₂ (0,22 M) et MABr (0,2 M) dans le solvant mixte de DMF/DMSO anhydre (4:1 v :v ). Ensuite, une solution mère de 1,5 M de CsI pré-dissoute dans du DMSO a été versée dans la solution de précurseur de pérovskite mélangée [17]. Une couche de transfert de trous a été formée par revêtement par centrifugation d'une solution de spiro-MeOTAD à 4000 tr/min 30 s. Enfin, une couche d'or de 80 nm d'épaisseur a été évaporée thermiquement sur le dessus de l'appareil.

Caractérisation

Les spectres de fluorescence à conversion ascendante, de photoluminescence à l'état d'équilibre (PL) et de photoluminescence à résolution temporelle (TRPL) ont été mesurés avec un fluoromètre FLS 980 E (Edinburgh Photonics). Les spectres de diffraction des rayons X (XRD) ont été acquis sur un diffractomètre (DX-2700). La spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS THS-103) avec Al Ka comme source de rayons X a été appliquée pour mesurer l'état chimique des échantillons. Les spectres d'absorption ultraviolet visible proche infrarouge (UV-vis-NIR) ont été collectés sur un spectrophotomètre Varian Cary 5000. La microstructure et les morphologies ont été observées au microscope électronique à balayage (SEM; JEM-7001F, JEOL). Les courbes photocourant-tension (J-V) ont été mesurées avec un sourcemètre Keithley 2440 sous un éclairage AM 1,5 G. La spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) a été obtenue avec une station de travail électrochimique (CHI660e, Shanghai CHI Co., Ltd.).

Résultats et discussion

Les émissions de conversion ascendante ont été mesurées avec une excitation d'un laser à 980 nm. La figure 1a montre les spectres d'émissions de conversion ascendante de Er³⁺ -Yb³⁺ -Li⁺ TiO₂ tri-dopé (Er:Yb:Li:Ti =0.5:10:x :100, x = 0, 10, 15, 20 et 25, rapport molaire). La figure 1b montre les mécanismes de transfert d'énergie schématiques de l'Er³⁺ ions. Les bandes d'émission vertes situées à environ 525 et 545 nm peuvent être attribuées à ² H_11/2 →⁴ Je_15/2 et ⁴ S_3/2 →⁴ Je_15/2 transitions de Er³⁺ ions, respectivement. Et les bandes d'émission rouges centrées à environ 658 nm pourraient correspondre à ⁴ F_9/2 →⁴ Je_15/2 transitions de Er³⁺ ions [15, 16]. Avec l'augmentation de Li⁺ teneur en dopage, l'intensité du spectre augmente d'abord, puis diminue, ce qui est le maximum lorsque la teneur en dopage de Li⁺ est x = 20. Ci-après, le matériel de conversion ascendante de Er³⁺ -Yb³⁺ -Li⁺ TiO₂ tri-dopé (Er:Yb:Li:Ti =0.5:10:20:100, rapport molaire) a été appliqué.

La figure 2 affiche les modèles XRD du TiO₂ commercial (30NR-D) et UC-TiO₂ . Le modèle XRD de UC-TiO₂ est similaire à celui de 30NR-D. Les pics à 25,3°, 37,8°, 48,0° et 53,8° dans les modèles XRD sont attribués aux plans (101), (004), (200) et (105) (carte JCPDS n°21-1272), respectivement, ce qui indique que UC-TiO₂ et 30NR-D appartiennent à la phase anatase de TiO₂ .

Pour confirmer le dopage de Er, Yb et Li dans TiO₂ , spectres XPS de UC-TiO₂ ont été enregistrés et représentés sur la figure 3. Les pics à 458,1 et 463,9 eV sur la figure 3a pourraient appartenir à Ti 2p_3/2 et Ti 2p_1/2 , respectivement, et les pics à 168,8 eV sur la figure 3b et à 192,7 eV sur la figure 3c pourraient être attribués à Er 4d et Yb 4d, respectivement [18]. Le pic à 55,5 eV sur la figure 3d peut correspondre à Li 1s [19]. Le spectre XPS de l'enquête UC-TiO₂ et le pic O1s ont également été présentés dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S1. Les résultats ont démontré que les atomes Er, Yb et Li étaient dopés en TiO₂ .

La figure 4a affiche les spectres d'absorption UV-vis-NIR de TiO₂ (30NR-D) et UC-TiO₂ . Par rapport au 30NR-D, UC-TiO₂ présente une absorption plus forte, en particulier dans la plage de 900 à 1000 nm. La bande interdite énergétique (E _g ) a pu être estimée avec le diagramme de Tauc [20]. Les tracés de Tauc sont illustrés à la Fig. 4b, à partir de laquelle les valeurs de E _g pourrait être obtenu à 3,20 et 3,10 eV pour 30NR-D et UC-TiO₂ , respectivement. Le E _g de UC-TiO₂ est plus petit que celui du TiO₂ non dopé .

La figure 5a montre l'image SEM du film 30NR-D formé sur la couche compacte. La taille des nanoparticules est d'environ 30 nm et la distribution des tailles est uniforme. La figure 5b montre l'image SEM du film contenant 30NR-D et UC-TiO₂ déposé sur la couche compacte par le procédé de revêtement par centrifugation. Il n'y a pas de différence évidente entre les deux films, ce qui montre que la taille des particules et la morphologie de l'UC-TiO₂ sont similaires à ceux de 30NR-D.

Dans le présent travail, le film de pérovskite a été formé avec la méthode précédemment rapportée [17]. Selon le rapport, la composition du film de pérovskite est Cs₅ (MA_0.17 FA_0.83 )₉₅ Pb(I_0.83 Fr_0.17 )₃ , et le rôle du CsI est de rendre les cellules solaires à pérovskite plus stables thermiquement, avec moins d'impuretés de phase et moins sensibles aux conditions de traitement [17]. Le schéma de l'appareil est présenté dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S2.

Les cellules solaires pérovskites à base de couche mésoporeuse formée avec le mélange UC-TiO₂ sol et TiO₂ dilué solution (UC-TiO₂ :TiO₂ =x :100, v /v , x =0, 10, 20, 30 et 40) ont été fabriqués et leurs courbes I-V ont été mesurées. Les paramètres photovoltaïques ont été obtenus à partir des mesures I-V. La figure 6a montre la dépendance du PCE des cellules solaires vis-à-vis du contenu en UC-TiO₂ (UC-TiO₂ :TiO₂ =x :100, v /v ) dans le mélange. Avec l'augmentation de UC-TiO₂ contenu, l'efficacité de conversion de puissance (PCE) des cellules solaires augmente d'abord, puis diminue, ce qui est le maximum au contenu de x = 20 pour UC-TiO₂ . Les paramètres photovoltaïques détaillés des cellules solaires avec 20% UC-TiO₂ et sans UC-TiO₂ ont été répertoriés dans le tableau 1. Par rapport à ceux des appareils sans UC-TiO₂ , les paramètres photovoltaïques des cellules solaires avec UC-TiO₂ présenter une amélioration. Le PCE des cellules solaires avec 20% UC-TiO₂ est augmenté à 16,5 contre 14,0% pour les cellules solaires sans UC-TiO₂ , qui présente une augmentation de 19 %. La figure 6b affiche les courbes I-V des cellules solaires typiques avec UC-TiO₂ et sans UC-TiO₂ .

Pour comprendre le rehaussement, quelques investigations ont été menées. La photoluminescence en régime permanent (PL) et la photoluminescence résolue en temps (TRPL) peuvent être appliquées pour étudier le processus d'extraction et de transport d'électrons. Le PL de la couche de pérovskite sur les couches mésoporeuses formées par 30NR-D et 30NR-D avec UC-TiO₂ ont été mesurés et montrés sur la Fig. 7a. Comparée à celle de 30NR-D/perovskite, l'intensité PL de 30NR-D avec UC-TiO₂ /perovskite devient réduit, ce qui indique que l'extraction d'électrons et l'efficacité de transport à travers l'interface entre 30NR-D avec UC-TiO₂ et la pérovskite est meilleure que celle entre 30NR-D et la pérovskite [21]. La figure 7b montre les spectres TRPL de la couche de pérovskite sur les couches mésoporeuses formées par 30NR-D et 30NR-D avec UC-TiO₂ . Le spectre TRPL a été ajusté à une fonction biexponentielle, dans laquelle la décroissance rapide (τ₁ ) peut être le résultat du transport de transporteurs gratuits et de la lente décroissance (τ₂ ) peut provenir de la recombinaison radiative de porteurs libres [22,23,24]. Les paramètres obtenus sont répertoriés dans le tableau 2. Comparé à celui de 30NR-D/perovskite, le temps de décroissance rapide (2,8 ns) de 30NR-D avec UC-TiO₂ /perovskite devient plus petit, tandis que la fraction du processus de décroissance rapide (98,2%) devient plus grande. Cela implique que le transfert de charge entre pérovskite et 30NR-D avec UC-TiO₂ est plus rapide que celle entre la pérovskite et 30NR-D.

La spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) est une méthode efficace pour obtenir des informations sur le comportement de transfert des porteurs. La figure 8a affiche les tracés de Nyquist des dispositifs basés sur les couches mésoporeuses formées par 30NR-D et 30NR-D avec UC-TiO₂ , dans lequel deux arcs ont été observés. L'arc à haute fréquence pourrait provenir de la résistance de contact entre les interfaces, et l'arc à basse fréquence pourrait provenir de la résistance de recombinaison (R _rec ) et la capacité chimique (C _μ ) de l'appareil [25, 26]. L'EIS a été équipé d'un circuit équivalent illustré à la Fig. 8b, et les paramètres obtenus sont répertoriés dans le Tableau 3. La résistance en série des appareils basés sur 30NR-D avec UC-TiO₂ devient plus petite que celle des appareils basés sur 30NR-D, tandis que la résistance de recombinaison du premier devient plus grande que celle du dernier. Cela indique que la recombinaison de charge a été réduite et que le transport de charge a été amélioré pour l'appareil basé sur 30NR-D avec UC-TiO₂ .

Pour prouver davantage l'effet de l'UC-TiO₂ sur les photocourants des appareils, les courbes I-V des appareils basées sur les couches mésoporeuses sans UC-TiO₂ et avec UC-TiO₂ ont été mesurés sous le rayonnement solaire simulé dans la gamme de longueurs d'onde de λ ≥ 980 nm avec un filtre NIR, qui sont illustrés dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S3. Par rapport à celui de l'appareil sans UC-TiO₂ , le photocourant de l'appareil avec UC-TiO₂ a été évidemment renforcée, ce qui démontre que l'incorporation d'UC-TiO₂ dans l'appareil peut transformer la lumière NIR en lumière visible, qui peut être absorbée par les appareils pour générer un photocourant.

Pour expliquer l'augmentation de la tension en circuit ouvert (V _oc ) des cellules solaires, les arrangements de bandes d'énergie de UC-TiO₂ , TiO₂ , pérovskite et Spiro-OMeTAD ont été montrés dans la Fig. 9 sur la base des spectres d'absorption (Fig. 4) et de la littérature [27, 28]. Le bord de la bande de conduction de l'UC-TiO₂ est inférieur à celui de TiO₂ (30NR-D) en raison de sa bande interdite énergétique plus petite ; ainsi, le décalage de bande de conduction entre UC-TiO₂ et la pérovskite est plus grande que celle entre TiO₂ et pérovskite. Cela pourrait être l'une des raisons d'avoir une tension de circuit ouvert plus élevée pour UC-TiO₂ à base de cellules solaires [29, 30].

En résumé, l'augmentation du PCE des cellules solaires basée sur la couche mésoporeuse avec UC-TiO₂ est dû à l'élargissement du I _sc et augmenté V _oc . Le I agrandi _sc pourrait être dû à l'expansion de l'absorption spectrale dans la plage du proche infrarouge (NIR) avec un matériau de conversion ascendante, une recombinaison réduite et un transfert de charge rapide des porteurs photo-générés. L'augmentation du V _oc peut être attribué au décalage de bande de conduction élargie entre UC-TiO₂ et pérovskite.

Conclusions

Euh³⁺ -Yb³⁺ -Li⁺ TiO₂ tri-dopé (UC-TiO₂ ) a été préparé par addition de Li⁺ dans Er³⁺ -Yb³⁺ TiO₂ co-dopé , qui présentait une émission de conversion ascendante améliorée. L'UC-TiO₂ a été appliqué aux cellules solaires à pérovskite. Les performances des cellules solaires avec UC-TiO₂ a été amélioré par rapport à celui du dispositif de contrôle. Le Je _sc , V _oc , et FF des cellules solaires avec UC-TiO₂ ont été augmentés à 22,2 mA/cm² , 1,05 V et 70,8 % à partir de 21,0 mA/cm² , 1,01 V et 66,0 % pour les dispositifs de contrôle, respectivement. Ainsi, le PCE avec UC-TiO₂ a été augmenté à 16,5 contre 14,0 % pour les cellules solaires sans UC-TiO₂ , qui présente une augmentation de 19 %. Sur la base de certains résultats expérimentaux, cette augmentation du PCE a été expliquée.