Optimisation de l'efficacité des cellules solaires pérovskites avec des nanoparticules Ag à taille contrôlée dans une couche compacte TiO₂

Résumé

Des nanoparticules d'argent (Ag NPs) de taille et concentration contrôlées ont été incorporées dans une couche compacte TiO₂ via une voie de synthèse polyol pour améliorer la performance des cellules solaires pérovskites (PSC). La diffraction des rayons X a confirmé que le réseau anatase TiO₂ restait inchangé après l'addition d'Ag, tandis que la microscopie électronique en transmission a révélé que la taille des Ag NPs influence directement la capacité de récolte de lumière de l'absorbeur pérovskite. Nous avons trouvé que des Ag NPs de 10 nm à un chargement de 1,5 mol % (Ag:Ti) délivrent la plus haute efficacité de conversion de puissance (PCE) de 13,26 %, attribuée à un transfert de charge accéléré, une recombinaison réduite et une absorption visible amplifiée.

Contexte

Les cellules solaires pérovskites ont bondi de 3,8 % à 22,1 % PCE dans la dernière décennie, grâce à leur bande interdite directe, haute mobilité de porteurs et forts coefficients d'absorption. Dans les architectures PSC planaires, une couche compacte TiO₂ agit comme une barrière de blocage de trous, tandis qu'un squelette mésoporeux TiO₂ ou ZrO₂ fournit une interface à haute surface pour le dépôt pérovskite. Les métaux nanostructurés, surtout Ag et Au, exhibent une résonance de plasmon de surface localisée (LSPR) qui peut booster l'absorption optique des semi-conducteurs adjacents. Bien que des PSC plasmoniques aient été rapportées, l'impact spécifique des Ag NPs incorporées dans une couche compacte TiO₂ est resté sous-exploré.

Méthodes

Des Ag NPs de 10, 30, 40 et 55 nm de diamètre ont été synthétisées en réduisant AgNO₃ dans l'éthylène glycol avec polyvinylpyrrolidone (PVP, K30) à 120-150 °C. Les colloïdes résultants ont été lavés et séchés pour produire des particules monodisperses. Des solutions précurseurs TiO₂ (1 ml isopropoxyde de titane bis(75 %) dans 19 ml éthanol) ont été mélangées avec des Ag NPs pour atteindre des ratios 0,5-2,5 mol % Ag:Ti et agitées pendant 1 h. Les substrats verre/FTO ont été séquentiellement revêtus du film compact TiO₂ dopé Ag (4000 tr/min, 20 s ; 150 °C, 10 min ; 500 °C, 30 min), puis recuits à 500 °C pendant 30 min. Une couche mésoporeuse TiO₂/ZrO₂ a été déposée par essorage d'un colloïde 1:5 TiO₂/ZrO₂, suivie par la couche pérovskite FA₀.₄MA₀.₆PbI₃ (essorage à 1000 tr/min/10 s, 4000 tr/min/30 s ; 1 ml éther diéthylique ajouté ; 100 °C, 10 min). Des contre-électrodes carbone (30 µm) ont été sérigraphiées et recuites à 100 °C pendant 30 min.

La caractérisation structurale a employé MEB-FEC, MET, DRX et XPS. La performance du dispositif a été mesurée sous illumination AM 1.5G (100 mW cm⁻²), et les spectres UV-vis ont été enregistrés pour évaluer l'absorption. L'efficacité de conversion photon-électron incidente (IPCE) a été déterminée en utilisant une lampe xénon Newport 300 W.

Résultats et Discussion

Les diagrammes DRX de TiO₂ restaient anatase indépendamment de l'inclusion d'Ag, confirmant l'intégrité structurale. Le XPS a montré des pics Ag 3d à 368,3 et 374,3 eV, indiquant de l'Ag métallique sans réaction chimique. Les images MET ont vérifié des Ag NPs monodisperses et une dispersion uniforme dans la matrice TiO₂.

Les spectres UV-vis ont révélé que le pic d'absorption plasmonique se décale de ~400 nm (NP 10 nm) à ~420 nm (NP 55 nm). Les plus petites Ag NPs exhibaient un LSPR plus fort et une absorption plus élevée dans la région visible, menant à une photogénération améliorée dans la couche pérovskite. Comme le contenu Ag augmentait, l'absorption s'intensifiait jusqu'à 2,5 mol %, mais un chargement excessif introduisait des sites de piégeage de charges qui diminuaient la performance.

Les mesures J-V ont montré que tous les dispositifs dopés Ag maintenaient des tensions de circuit ouvert similaires (≈1,0 V) tout en atteignant des courants de court-circuit plus élevés. Les Ag NPs de 10 nm à 1,5 mol % ont atteint un PCE de 13,26 %, surperformant le dispositif pur (12,08 %) et les autres combinaisons taille/concentration. Les spectres IPCE ont confirmé que le dispositif NP 10 nm exhibait la plus grande amélioration à travers 380-780 nm, corroborant le bénéfice d'absorption induit par LSPR.

Conclusions

L'incorporation de nanoparticules d'argent de 10 nm à un chargement de 1,5 mol % dans une couche compacte TiO₂ équilibre optimalement l'absorption plasmonique et le transport de charge, augmentant l'efficacité PSC à 13,26 %. Ces résultats fournissent une voie claire pour adapter la taille et la concentration des nanoparticules afin de maximiser la performance des dispositifs pérovskites.