Mejora Eficiencia Celdas Solares Perovskita Usando Capa Conversión Ascendente TiO₂ Tri-Dopado Er³⁺-Yb³⁺-Li⁺

Resumen

Fabricamos TiO₂ tri-dopado Er³⁺-Yb³⁺-Li⁺ (UC-TiO₂) introduciendo Li⁺ en TiO₂ co-dopado Er³⁺-Yb³⁺. UC-TiO₂ muestra emisión conversión ascendente marcadamente mayor que contraparte co-dopada. Al integrarse en celdas solares perovskita (PSC), eficiencia conversión potencia (PCE) subió 14,0 % a 16,5 % —mejora 19 %— demostrando UC-TiO₂ como mejorador cosecha luz efectivo que extiende absorción visible a infrarrojo cercano (NIR).

Antecedentes

Celdas solares perovskita haluro organoplomo han atraído atención significativa por sus rápidas ganancias eficiencia, bajo costo, y fabricación sencilla. Mientras PSCs ahora alcanzan eficiencias sobre 22 %, su gap banda estrecho limita absorción principalmente espectro UV-visible, dejando gran porción luz NIR sin utilizar.

Materiales conversión ascendente que convierten fotones NIR en luz visible pueden cerrar esta brecha. Trabajos previos emplearon β-NaYF₄ dopado iones Er³⁺/Yb³⁺; sin embargo, tales sistemas pueden impedir transporte electrón en capa TiO₂. Estudios recientes mostraron tri-dopaje TiO₂ con Er³⁺, Yb³⁺, Li⁺ mejora emisión conversión ascendente y mejora rendimiento celdas solares sensibilizadas colorante. Además, dopaje Li reportado aumenta eficiencia PSC relativo TiO₂ sin dopar. Estos hallazgos motivaron presente investigación Er³⁺-Yb³⁺-Li⁺ tri-dopado TiO₂ en PSCs.

En este estudio, sintetizamos UC-TiO₂ añadiendo Li⁺ a TiO₂ co-dopado Er³⁺-Yb³⁺, confirmamos emisión conversión ascendente mejorada, e incorporamos en capas TiO₂ mesoporosas para celdas solares perovskita. Dispositivos resultaron exhibieron aumento 19 % PCE.

Métodos

Síntesis TiO₂ Tri-Dopado Er³⁺-Yb³⁺-Li⁺

Nanocristales TiO₂ preparados por ruta sol-gel modificada. Titano(IV) n-butóxido (Ti(OBu)₄) primero complejado con acetilacetona (AcAc) temperatura ambiente 1 h bajo agitación. Mezcla luego hidrolizada añadiendo isopropanol, agua desionizada, y ácido nítrico concentrado, produciendo sol TiO₂ amarillo-claro tras 6 h agitación. Er(NO₃)₃·5H₂O, Yb(NO₃)₃·5H₂O, y LiNO₃ subsecuentemente introducidos para lograr ratio molar Er:Yb:Li:Ti = 0,5:10:x:100 (x = 0, 10, 15, 20, 25). Disolvente removido secado 100 °C 8 h, y polvo resultante calcinado 500 °C 30 min.

Fabricación Celdas Solares Perovskita

Vidrio óxido estaño dopado flúor (FTO) limpiado secuencialmente acetona, isopropanol, etanol, seguido 15 min tratamiento UV-O₃. Capa compacta TiO₂ spin-coated desde solución 0,1 M diisopropoxido titanio bis(acetilacetonato) en 1-butanol y recocido 500 °C 30 min. Película TiO₂ mesoporosa luego depositada 4000 rpm 30 s, seguido recocido 100 °C (10 min) y 500 °C (30 min). Capa mesoporosa fue TiO₂ comercial puro (30NR-D) o mezcla sol UC-TiO₂ y pasta TiO₂ diluida (UC-TiO₂:TiO₂ = x:100 v/v, x = 10–40).

Precursor perovskita comprendió PbI₂ (1,1 M), FA_I (1 M), PbBr₂ (0,22 M), MA_Br (0,2 M) en mezcla DMF/DMSO (4:1 v/v) spin-coated dos pasos (1000 rpm, 10 s; 4000 rpm, 30 s) con 200 µL clorobenceno añadido durante segundo paso. Película luego recocida 100 °C 1 h. Solución stock CsI (1,5 M DMSO) añadida precursor perovskita mejorar estabilidad térmica. Capa transporte huecos formada spin-coating spiro-MeOTAD (4000 rpm, 30 s), y electrodo oro 80 nm evaporado encima.

Caracterización

Fotoluminiscencia conversión ascendente medida con fluorómetro FLS 980 E. Análisis estructural emplearon DRX (DX-2700) y XPS (THS-103, Al Ka). Absorción UV-vis-NIR registrada espectrofotómetro Varian Cary 5000. Morfología examinada MEB (JEM-7001F). Rendimiento fotovoltaico evaluado curvas J-V bajo iluminación AM 1.5 G usando Keithley 2440 sourcemeter. Espectroscopía impedancia electroquímica (EIS) realizada con estación trabajo CHI660e.

Resultados y Discusión

Figura 1a muestra UC-TiO₂ con contenido Li x = 20 exhibe emisión conversión ascendente más fuerte bajo excitación 980-nm, con bandas verde (525/545 nm) y rojo (658 nm) atribuibles transiciones Er³⁺. Aumentar Li más allá este nivel reduce intensidad emisión.

Mejora Eficiencia Celdas Solares Perovskita Usando Capa Conversión Ascendente TiO₂ Tri-Dopado Er³⁺-Yb³⁺-Li⁺

Patrones DRX confirman UC-TiO₂ retiene fase anatasa (JCPDS 21-1272). Espectros XPS (Figura 3) detectan picos Ti 2p, Er 4d, Yb 4d, Li 1s, verificando dopaje exitoso.

Absorción UV-vis-NIR (Figura 4a) revela cola pronunciada extendiéndose 1000 nm UC-TiO₂, y análisis Tauc muestra gap banda reducido 3,10 eV versus 3,20 eV TiO₂ comercial. Imágenes MEB (Figura 5) indican tamaño partícula (~30 nm) y morfología inalterados por incorporación Li.

Rendimiento dispositivo (Figura 6a) muestra añadir UC-TiO₂ 20 % v/v maximiza PCE, subiendo 14,0 % (control) a 16,5 % (UC-TiO₂) —aumento 19 %. Tabla 1 lista parámetros fotovoltaicos clave. Corriente cortocircuito (I_sc) y voltaje circuito abierto (V_oc) mejorados impulsan ganancia eficiencia.

PL estado estable (Figura 7a) muestra intensidad reducida perovskita sobre UC-TiO₂, indicando extracción electrón más eficiente. PL resuelto tiempo (Figura 7b) revela componente decaimiento rápido más corto (2,8 ns) y fracción mayor (98,2 %) dispositivos UC-TiO₂, confirmando transferencia carga más rápida.

Gráficos Nyquist EIS (Figura 8a) muestran resistencia serie reducida y resistencia recombinación aumentada dispositivos UC-TiO₂, indicando transporte carga mejorado y recombinación suprimida.

Bajo iluminación filtrada 980-nm, dispositivos UC-TiO₂ producen mayor fotocorriente (Figura S3), confirmando capa conversión ascendente efectivamente convierte fotones NIR en luz visible usable.

Análisis diagrama bandas (Figura 9) muestra UC-TiO₂ tiene borde banda conducción menor que TiO₂ puro, creando mayor offset con absorbedor perovskita. Esta barrera mejora V_oc reduciendo retro-tunelado portadores.

En resumen, incorporar UC-TiO₂ en andamio mesoporoso expande respuesta espectral NIR, reduce recombinación, y acelera extracción carga, juntos produciendo aumento 19 % PCE.

Conclusiones

Tri-dopaje TiO₂ con Er³⁺, Yb³⁺, Li⁺ crea UC-TiO₂ emite luz conversión ascendente fuerte. Aplicado PSCs, UC-TiO₂ mejora I_sc, V_oc, y factor llenado, elevando PCE 14,0 % a 16,5 % (mejora 19 %). Ganancias rendimiento surgen absorción NIR extendida, transporte carga mejorado, y offset banda favorable.