Optimización de eficiencia de celdas solares de perovskita con nanopartículas de Ag de tamaño controlado en capa compacta de TiO₂

Resumen

Nanopartículas de plata (Ag NPs) de tamaño y concentración controlados se incorporaron en una capa compacta de TiO₂ vía ruta de síntesis poliol para mejorar el rendimiento de celdas solares de perovskita (PSCs). La difracción de rayos X confirmó que la red anatasa de TiO₂ permaneció inalterada tras adición de Ag, mientras la microscopía electrónica de transmisión reveló que el tamaño de Ag NPs influye directamente en la capacidad de captación de luz del absorbedor de perovskita. Se encontró que Ag NPs de 10 nm a carga de 1,5 % mol (Ag:Ti) entregan la mayor eficiencia de conversión de potencia (PCE) del 13,26 %, atribuida a transferencia de carga acelerada, recombinación reducida y absorción de luz visible amplificada.

Antecedentes

Las celdas solares de perovskita han aumentado del 3,8 % al 22,1 % PCE en la última década, debido a su banda prohibida directa, alta movilidad de portadores y fuertes coeficientes de absorción. En arquitecturas PSC planares, una capa compacta de TiO₂ actúa como barrera de bloqueo de huecos, mientras un andamiaje mesoporoso de TiO₂ o ZrO₂ proporciona interfaz de alta área para deposición de perovskita. Metales nanoestructurados, especialmente Ag y Au, exhiben resonancia de plasmones de superficie localizados (LSPR) que puede impulsar la absorción óptica de semiconductores adyacentes. Aunque se han reportado PSCs plasmónicas, el impacto específico de Ag NPs incrustadas en capa compacta de TiO₂ ha permanecido poco explorado.

Métodos

Ag NPs de 10, 30, 40 y 55 nm de diámetro se sintetizaron reduciendo AgNO₃ en glicol etileno con polivinilpirrolidona (PVP, K30) a 120–150 °C. Los coloides resultantes se lavaron y secaron para obtener partículas monodispersas. Soluciones precursoras de TiO₂ (1 ml isopropóxido de titanio bis(75 %) en 19 ml etanol) se mezclaron con Ag NPs para lograr ratios 0,5–2,5 % mol Ag:Ti y agitaron 1 h. Sustratos de vidrio FTO se recubrieron secuencialmente con película compacta de TiO₂ dopada con Ag (4000 rpm, 20 s; 150 °C, 10 min; 500 °C, 30 min), luego recocieron a 500 °C por 30 min. Capa mesoporosa TiO₂/ZrO₂ se depositó por spin-coating de coloide 1:5 TiO₂/ZrO₂, seguido por capa de perovskita FA₀.₄MA₀.₆PbI₃ (spin-coating a 1000 rpm/10 s, 4000 rpm/30 s; 1 ml dietil éter añadido; 100 °C, 10 min). Electrodo de contracción de carbono (30 µm) se serigrafió y recoció a 100 °C por 30 min.

Caracterización estructural empleó FE-SEM, TEM, XRD y XPS. Rendimiento de dispositivo se midió bajo iluminación AM 1.5G (100 mW cm⁻²), y espectros UV-vis se registraron para evaluar absorción. Eficiencia de conversión de fotón a electrón incidente (IPCE) se determinó usando lámpara de xenón Newport 300 W.

Resultados y Discusión

Patrones XRD de TiO₂ permanecieron anatasa independientemente de inclusión de Ag, confirmando integridad estructural. XPS mostró picos Ag 3d a 368,3 y 374,3 eV, indicando Ag metálico sin reacción química. Imágenes TEM verificaron Ag NPs monodispersas y dispersión uniforme dentro de matriz TiO₂.

Espectros UV-vis revelaron que el pico de absorción plasmónico se desplaza de ~400 nm (NP 10 nm) a ~420 nm (NP 55 nm). Ag NPs más pequeñas exhibieron LSPR más fuerte y mayor absorción en región visible, conduciendo a fotogeneración mejorada en capa de perovskita. A medida que contenido de Ag aumentó, la absorción se intensificó hasta 2,5 % mol, pero carga excesiva introdujo sitios de trampa de carga que disminuyeron el rendimiento.

Medidas J-V mostraron que todos los dispositivos dopados con Ag mantuvieron voltajes de circuito abierto similares (≈1,0 V) mientras lograban mayores corrientes de cortocircuito. Ag NPs de 10 nm a 1,5 % mol alcanzaron PCE de 13,26 %, superando dispositivo prístino (12,08 %) y otras combinaciones de tamaño/concentración. Espectros IPCE confirmaron que dispositivo de NP 10 nm exhibió la mayor mejora en 380–780 nm, corroborando beneficio de absorción inducido por LSPR.

Conclusiones

Incorporar nanopartículas de plata de 10 nm a carga 1,5 % mol en capa compacta de TiO₂ equilibra óptimamente absorción plasmónica y transporte de carga, elevando eficiencia PSC a 13,26 %. Estos hallazgos proporcionan una ruta clara para adaptar tamaño y concentración de nanopartículas para maximizar rendimiento de dispositivos de perovskita.