Amélioration efficacité cellules solaires pérovskite باستخدام couche up-conversion TiO₂ tri-dopé Er3+-Yb3+-Li+

Résumé

Nous avons fabriqué du TiO₂ tri-dopé Er³⁺-Yb³⁺-Li⁺ (UC‑TiO₂) en introduisant Li⁺ dans du TiO₂ co-dopé Er³⁺-Yb³⁺. L'UC‑TiO₂ affiche une émission up-conversion markedly plus forte que le co-dopé. Intégré dans cellules solaires pérovskite (PSC), le rendement de conversion (PCE) passe de 14,0 % à 16,5 % — amélioration 19 % — démontrant UC‑TiO₂ comme améliorateur récolte lumière efficace étendant absorption visible vers proche infrarouge (NIR).

Contexte

Les cellules solaires pérovskite halogénures organoplomb ont attiré attention significative grâce à gains rapides efficacité, faible coût, fabrication simple. Bien que PSC atteignent maintenant >22 % efficacité, leur gap de bande étroit limite absorption principalement UV–visible, laissant grande partie lumière NIR inutilisée.

Matériaux up-conversion convertissant photons NIR en lumière visible peuvent combler ce gap. Travaux antérieurs ont employé β‑NaYF₄ dopé Er³⁺/Yb³⁺ ; cependant, tels systèmes peuvent entraver transport électrons dans couche TiO₂. Études récentes montrent tri-dopage TiO₂ avec Er³⁺, Yb³⁺, Li⁺ améliore émission up-conversion et performance cellules solaires colorées. De plus, dopage Li rapporté boost efficacité PSC vs TiO₂ non dopé. Ces findings motivent présente investigation Er³⁺-Yb³⁺-Li⁺ tri-dopé TiO₂ dans PSC.

Dans cette étude, nous avons synthétisé UC‑TiO₂ en ajoutant Li⁺ à TiO₂ co-dopé Er³⁺-Yb³⁺, confirmé émission up-conversion améliorée, et l'avons incorporé dans couches mésoporeuses TiO₂ pour cellules solaires pérovskite. Dispositifs résultants exhibent augmentation 19 % PCE.

Méthodes

Synthèse TiO₂ tri-dopé Er³⁺-Yb³⁺-Li⁺

Nanocristaux TiO₂ préparés par voie sol-gel modifiée. Titane(IV) n-butoxide (Ti(OBu)₄) d'abord complexé acétylacétone (AcAc) température ambiante 1 h sous agitation. Mélange ensuite hydrolysé ajout isopropanol, eau déionisée, acide nitrique concentré, donnant sol TiO₂ jaune clair après 6 h agitation. Er(NO₃)₃·5H₂O, Yb(NO₃)₃·5H₂O, LiNO₃ introduits pour ratio molaire Er:Yb:Li:Ti = 0,5:10:x:100 (x = 0, 10, 15, 20, 25). Solvant évaporé séchage 100 °C 8 h, poudre calcinée 500 °C 30 min.

Fabrication cellules solaires pérovskite

Verre FTO nettoyé séquentiellement acétone, isopropanol, éthanol, suivi 15 min traitement UV-O₃. Couche compacte TiO₂ spin-coatée depuis solution 0,1 M titane diisopropoxide bis(acétylacétonate) dans 1-butanol, recuite 500 °C 30 min. Film mésoporeux TiO₂ déposé 4000 tr/min 30 s, recuit 100 °C (10 min) et 500 °C (30 min). Couche mésoporeuse soit TiO₂ commercial pur (30NR‑D) soit mélange sol UC‑TiO₂ et pâte TiO₂ diluée (UC‑TiO₂:TiO₂ = x:100 v/v, x = 10–40).

Précurseur pérovskite : PbI₂ (1,1 M), FA_I (1 M), PbBr₂ (0,22 M), MA_Br (0,2 M) dans DMF/DMSO (4:1 v/v) spin-coaté deux étapes (1000 tr/min 10 s ; 4000 tr/min 30 s) avec 200 µL chlorobenzène ajouté 2ème étape. Film recuit 100 °C 1 h. Solution stock CsI (1,5 M DMSO) ajoutée précurseur pérovskite pour stabilité thermique. Couche transport trous formée spin-coating spiro‑MeOTAD (4000 tr/min 30 s), électrode or 80 nm évaporée dessus.

Caractérisation

Photoluminescence up-conversion mesurée fluoromètre FLS 980 E. Analyse structurelle DRX (DX‑2700) et XPS (THS‑103, Al Ka). Absorption UV‑vis‑NIR enregistrée Varian Cary 5000. Morphologie examinée MEB (JEM‑7001F). Performance photovoltaïque évaluée courbes J‑V sous AM 1.5 G illumination Keithley 2440. Spectroscopie impédance électrochimique (EIS) réalisée CHI660e.

Résultats et discussion

Figure 1a montre UC‑TiO₂ avec Li x = 20 exhibe émission up-conversion la plus forte sous excitation 980 nm, bandes vertes (525/545 nm) et rouge (658 nm) attribuables transitions Er³⁺. Augmenter Li au-delà réduit intensité émission.

Amélioration efficacité cellules solaires pérovskite باستخدام couche up-conversion TiO₂ tri-dopé Er3+-Yb3+-Li+

Diagrammes DRX confirment UC‑TiO₂ retient phase anatase (JCPDS 21‑1272). Spectres XPS (Figure 3) détectent pics Ti 2p, Er 4d, Yb 4d, Li 1s, vérifiant dopage réussi.

Absorption UV‑vis‑NIR (Figure 4a) révèle queue prononcée s'étendant 1000 nm pour UC‑TiO₂, analyse Tauc montre gap réduit 3,10 eV vs 3,20 eV TiO₂ commercial. Images MEB (Figure 5) indiquent taille particule (~30 nm) et morphologie inchangées par incorporation Li.

Performance dispositif (Figure 6a) montre ajout UC‑TiO₂ 20 % v/v maximise PCE, passant 14,0 % (témoin) à 16,5 % (UC‑TiO₂) — boost 19 %. Tableau 1 liste paramètres photovoltaïques clés. Courant court-circuit (I_sc) et tension circuit-ouvert (V_oc) augmentés pilotent gain efficacité.

PL état stationnaire (Figure 7a) montre intensité réduite pérovskite sur UC‑TiO₂, indiquant extraction électron plus efficace. PL résolu temps (Figure 7b) révèle composante décroissance rapide plus courte (2,8 ns) et fraction plus haute (98,2 %) dispositifs UC‑TiO₂, confirmant transfert charge plus rapide.

Diagrammes Nyquist EIS (Figure 8a) montrent résistance série réduite et résistance recombinaison augmentée dispositifs UC‑TiO₂, indiquant transport charge amélioré et recombinaison supprimée.

Sous illumination 980 nm filtrée, dispositifs UC‑TiO₂ produisent photocourant plus élevé (Figure S3), confirmant couche up-conversion convertit efficacement photons NIR en lumière visible utilisable.

Analyse diagramme bandes (Figure 9) montre UC‑TiO₂ a bord bande conduction plus bas que TiO₂ pur, créant décalage plus grand avec absorbant pérovskite. Cette barrière améliore V_oc en réduisant rétro-tunneling porteurs.

En résumé, incorporation UC‑TiO₂ dans échafaudage mésoporeux étend réponse spectrale NIR, réduit recombinaison, accélère extraction charge, ensemble donnant augmentation 19 % PCE.

Conclusions

Tri-dopage TiO₂ avec Er³⁺, Yb³⁺, Li⁺ crée UC‑TiO₂ émettant forte lumière up-conversion. Appliqué PSC, UC‑TiO₂ améliore I_sc, V_oc, facteur remplissage, PCE 14,0 % → 16,5 % (amélioration 19 %). Gains performance découlent absorption NIR étendue, transport charge amélioré, décalage bande favorable.