Influencia de nanopartículas de agricultura con diferentes tamaños y concentraciones incrustadas en una capa compacta de TiO2 en la eficiencia de conversión de las células solares de perovskita
Resumen
En este estudio, nanopartículas de Ag con diversos tamaños de partículas y concentraciones, fabricadas mediante el método de poliol, se incrustaron en un TiO 2 película compacta para mejorar la eficiencia de conversión de energía de las células solares de perovskita. Los resultados obtenidos mostraron que las nanopartículas de Ag incrustadas en el TiO 2 La película compacta no afecta la estructura cristalina de TiO 2 , mientras que el tamaño de las nanopartículas de Ag puede influir fuertemente en la capacidad de absorción de luz de los materiales de perovskita. Sin embargo, la intensidad de absorción y la eficiencia de conversión de energía de las células de perovskita disminuyeron con el aumento de tamaño de las nanopartículas de Ag. La cantidad de nanopartículas de Ag también fue un factor importante para el rendimiento de las células solares de perovskita, y las nanopartículas de Ag en la capa compacta se optimizaron para medir 10 nm de diámetro, estando incrustadas en una relación molar de 1,5% (Ag:Ti =1,5 mol %). En comparación con las células solares de perovskita sin conductores de agujeros que utilizan carbono como contraelectrodos, sin nanopartículas de Ag incorporadas en la película compacta, la eficiencia mejorada de las células desarrolladas en este estudio se puede atribuir principalmente a la transferencia de carga acelerada, la recombinación de carga disminuida y absorción de luz mejorada del material de perovskita en la región visible.
Antecedentes
En los últimos años, con el agotamiento gradual de la energía fósil, la búsqueda de nuevas fuentes de energía sostenibles se ha convertido en una tarea importante. Como alternativa prometedora, las células solares de perovskita (PSC) han atraído un gran interés debido a sus propiedades fotovoltaicas distintivas [1, 2, 3, 4, 5]. La eficiencia de conversión de energía (PCE) de los PSC se ha mejorado significativamente con el tiempo, del 3,8 al 22,1% [6,7,8]. Las perovskitas de haluro de órgano-metal son materiales con banda prohibida directa con alta movilidad del portador, larga difusión de carga y grandes coeficientes de absorción [9,10,11,12]. Estas propiedades superiores los convierten en materiales fotoactivos ideales en células solares [4, 13,14,15,16].
La presencia de una capa mesoporosa determina la diferencia entre estructuras mesoporosas y planas. En general, la estructura mesoporosa se aplica en dispositivos PSC de alta eficiencia, ya que aumenta el área de contacto de la interfaz para soportar la deposición de la película y también mejora la extracción de carga y la transferencia de carga [17,18,19]. Un PSC típico con estructura mesoporosa se compone de una capa conductora de óxido de estaño dopado con flúor (FTO), una capa compacta, una capa mesoporosa, una capa de perovskita, una capa de transporte de huecos y una capa de contraelectrodo. En general, TiO 2 se ha empleado a menudo como capa de transporte de electrones. Sin embargo, otros materiales como Al 2 O 3 , SnO 2 , y ZnO también se han utilizado como fotoanodos en dispositivos PSC [20, 21, 22, 23, 24, 25]. De hecho, TiO 2 Las nanopartículas juegan un papel dominante en la transmisión de electrones, por eso TiO 2 es actualmente el material preferido para su uso en dispositivos PSC. Bajo irradiación de luz visible, los pares de electrones y huecos se generan en la capa de perovskita del dispositivo PSC, después de lo cual los electrones se transfieren por separado a la capa de transporte de electrones (ETL), mientras que los huecos se transfieren a la capa de transporte de huecos [26]. El ETL incluye dos capas diferentes, a saber, la capa mesoporosa y la capa compacta. La capa compacta también se conoce como capa de bloqueo de huecos, ya que puede prohibir la recombinación de electrones y huecos cuando se encuentran en la superficie del vidrio conductor FTO [1, 20, 27,28,29]. Por lo tanto, películas compactas de alta calidad con características de movilidad de portadora sorprendentemente altas y excelente conductividad eléctrica pueden tener un impacto significativo en la eficiencia de los dispositivos PSC. En la interfaz capa compacta / capa mesoporosa / capa de perovskita, se reduce la recombinación de portadores y se puede acelerar la inyección de electrones. Según la investigación de los últimos años, para mejorar el PCE de un dispositivo PSC, se ha demostrado que la aplicación de nanopartículas plasmónicas es factible [29, 30]. Las nanopartículas metálicas con efecto de resonancia de plasmón superficial pueden aumentar la absorción de luz visible efectiva de la capa de absorción de luz [29,30,31], lo que se ha demostrado mediante la aplicación de nanopartículas plasmónicas metálicas en diferentes tipos de células solares, como células solares orgánicas y células solares de silicio [32, 33]. Por tanto, se podría utilizar el mismo método para mejorar el PCE de los dispositivos PSC. Los plasmones de superficie se pueden localizar mediante nanopartículas metálicas nobles como Ag y Au. La excitación de la resonancia de plasmón de superficie localizada (LSPR) se puede realizar cuando la frecuencia de la luz visible incidente coincide con el pico de resonancia, lo que conduce a propiedades ópticas únicas, como la extinción selectiva de la luz y la mejora del campo electromagnético cerca de la superficie del nanopartículas metálicas [34]. Por lo tanto, la eficiencia y la fotocorriente de un dispositivo PSC se mejoran después de utilizar las propiedades ópticas de LSPR.
Según nuestro conocimiento, el efecto de las nanopartículas de Ag (NP de Ag) incrustadas en TiO 2 películas compactas sobre la eficiencia de los dispositivos PSC no se ha investigado a fondo. Además, en los últimos años, muchos trabajos se han centrado en PSC plasmónicas y fotovoltaica orgánica [35,36,37,38,39,40], mientras que Ag / TiO 2 Los compuestos de nanopartículas se han investigado ampliamente durante las últimas décadas para su uso en células solares fotocatalíticas y sensibilizadas por colorante (DSSC). Los NP de metales nobles tienen un efecto de dispersión impresionante y una fuerte resonancia de plasmón de superficie local (LSPR). Estas características pueden mejorar la fotocorriente de las DSSC y mejorar su capacidad fotocatalítica [41,42,43,44,45,46,47,48]. En nuestro trabajo anterior, TiO 2 depositado con Ag compuestos, TiO 2 Se aplicaron matrices de nanotubos y nanomateriales dopados con iones de tierras raras en DSSC y PSC [49,50,51,52,53]. En este trabajo, se preparó un coloide con varios tamaños y concentraciones de NP de Ag y se incrustó en un TiO 2 capa compacta para mejorar el rendimiento de los PSC. Los resultados mostraron que la presencia de Ag NP en la película compacta puede aumentar la absorción del dispositivo PSC bajo irradiación de luz visible. Esto conduce a la formación de más portadores fotogenerados debido a la característica LSPR de Ag NP en comparación con un dispositivo similar construido sin Ag NP. Además, el tamaño y la concentración optimizados de Ag NP en el TiO 2 precursor son aproximadamente 10 nm y 1,5% en moles, respectivamente, lo que puede inducir la mayor eficiencia de conversión de energía del dispositivo PSC.
Métodos
Se han desarrollado varios enfoques para la preparación de NP de Ag de tamaño controlado [38, 54,55,56]. En este estudio, elegimos el método químico de fabricación de NP de Ag de diferentes tamaños debido a los materiales químicos fácilmente disponibles y al protocolo controlable. Para las NP de Ag de 10 nm de diámetro, se disolvieron 0,75 g de polivinilpirrolidona (PVP, K30) en 50 ml de etilenglicol. Después de calentar la solución de PVP a 120 ° C, 0,25 g de nitrato de plata (AgNO 3 ) disuelto en 25 ml de etilenglicol se añadió gota a gota y se dejó reaccionar durante 1 ha esta temperatura. Se formó una solución coloidal de color marrón claro, lo que implicó la formación de NP de Ag. Para las NP de Ag de 30 nm de tamaño, se agregaron 1,5 g de PVP a 20 ml de etilenglicol para que se disolvieran por completo y se calentaran a 120 ° C, luego se añadieron 0,25 g de AgNO 3 disuelto en 10 ml de etilenglicol se añadió gota a gota a la solución calentada y se dejó reaccionar durante 1 ha esta temperatura. El color de la solución era marrón después de 1 h de reacción. Para los NP de Ag de 40 nm de tamaño, se agregaron 1,5 g de PVP a 20 ml de etilenglicol para que se disolvieran por completo y se calentaran hasta 120 ° C, luego 0,15 g de AgNO 3 disuelto en 10 ml de etilenglicol se añadió gota a gota a la solución calentada y se dejó reaccionar durante 1 ha esta temperatura. El color de la solución era marrón después de 1 h de reacción. Para las NP de Ag de 55 nm, el procedimiento básico y la cantidad de materia prima fueron los mismos que los utilizados para las NP de Ag de 30 nm, pero la temperatura de calentamiento fue de 150 ° C para formar NP de Ag más grandes. La solución se volvió gradualmente marrón oscuro después de una reacción de 30 minutos. Después de enfriar a temperatura ambiente, todas las soluciones se lavaron en orden con agua desionizada, etanol y acetona, seguido de secado a 50 ° C durante la noche en un horno de secado al vacío. Por lo tanto, se obtuvieron NP de Ag de cuatro tamaños diferentes.
El TiO 2 Se preparó una solución precursora compacta añadiendo 1 ml de diisopropóxido bis de titanio (75%, Sigma-Aldrich, EE.UU.) a 19 ml de etanol. Para preparar precursores que contienen Ag NP de diferentes tamaños y concentraciones, se agregaron diferentes cantidades de Ag NP en el TiO 2 precursor para obtener diversas relaciones molares de Ag a Ti, es decir, 0,5, 1, 1,5, 2 y 2,5% en moles, y se agita durante 1 ha temperatura ambiente para formar soluciones precursoras uniformes. Para el precursor de la capa mesoporosa, ZrO 2 o TiO 2 Se añadió solución coloidal al etanol, en una proporción de masa de 1:5, y se agitó durante 12 ha temperatura ambiente.
Los sustratos de vidrio / FTO se limpiaron previamente con agua desionizada (con detergente), acetona, isopropanol y etanol, en secuencia, en una caja ultrasónica. Para la fabricación de los dispositivos PSC, TiO 2 Los precursores de sol-gel con diferentes tamaños de NP de Ag se revistieron primero por centrifugación en el electrodo transparente a 4000 rpm durante 20 s, luego se calentaron a 150 ° C durante aproximadamente 10 min. Los procedimientos anteriores se repitieron para la fabricación de la película compacta, que finalmente se formó después de recocer a 500 ° C durante 30 min. Se utilizó el mismo método para fabricar el TiO 2 prístino Película compacta sin NP de metal. Luego, los sustratos con película compacta se sumergieron en una solución acuosa de TiCl 4 durante 30 min, a 70 ° C, y posteriormente calentado a 150 ° C durante aproximadamente 10 min para optimizar el TiO 2 capa compacta.
El mesoporoso TiO 2 La capa se depositó en la parte superior de la película compacta mediante recubrimiento por rotación del TiO 2 solución coloidal a 3500 rpm durante 20 s, seguido de calentamiento a 150 ° C durante 10 min y recocido a 500 ° C durante 30 min para crear la anatasa TiO 2 capa mesoporosa. Se ha demostrado que la adopción de ZrO 2 en las CEP puede mejorar su estabilidad [57]. En este documento, usamos adicionalmente un ZrO 2 solución coloidal para recubrimiento por rotación en la anatasa TiO 2 película mesoporosa, y el ZrO 2 obtenido la película se sinterizó a 500 ° C durante 30 min. Después de que el sustrato se enfrió a temperatura ambiente, el FA 0.4 MA 0.6 PbI 3 La capa de perovskita se formó revistiendo por rotación la solución precursora a 1000 rpm durante 10 sy 4000 rpm durante 30 s. La solución precursora de perovskita (FA 0.4 MA 0.6 PbI 3 ) contenía 462 mg de PbI 2 , 95,4 mg de yoduro de metilamonio (CH 3 NH 3 I, 99,99%) y 68,8 mg de yoduro de formamidinio (HN =CHNH 3 I, 99,99%), que se disolvieron en 600 mg de N , N -dimetilformamida y 78 mg de dimetilsulfóxido. Durante el recubrimiento por rotación del precursor de perovskita, se añadió uniformemente 1 ml de éter dietílico para formar una película de perovskita estable, según un informe anterior [58], que luego se calentó a 100 ° C durante 10 min. El dispositivo de PSC se obtuvo después de que los contraelectrodos de carbono (30 μm) se construyeran mediante serigrafía y luego se recocieran a 100 ° C durante 30 min.
Se utilizó un microscopio electrónico de barrido de emisión de campo (Zeiss Ultra Plus, Alemania) y un microscopio electrónico de transmisión (TEM; JEM-2100F, Japón) para investigar las secciones transversales de los dispositivos PSC, así como la morfología de la superficie de las NP Ag y compactas película. La estructura cristalina de Ag y TiO 2 Las nanopartículas se obtuvieron mediante un difractómetro de rayos X (XRD; MAX-RB RU-200B, Japón). La superficie de las muestras de la capa compacta se midió mediante espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS; ESCALAB 250Xi, Thermo Fisher Scientific). Densidad de corriente-voltaje ( J - V ) Las curvas de las PSC se probaron con un simulador de luz solar (Oriel Sol3A, Newport Corporation, EE. UU.), bajo iluminación AM 1,5G, a 100 mW / cm 2 intensidad. Los espectros de absorción se determinaron mediante espectroscopía ultravioleta-visible (UV-vis; Shimadzu, Japón). Se utilizó la eficiencia de conversión incidente de fotón a electrón (IPCE; Newport Corporation, EE. UU.) Para investigar la eficiencia cuántica de los dispositivos PSC.
Resultados y discusión
Para NP esféricas, si su tamaño es mucho menor que la longitud de onda de la luz incidente, la aproximación cuasi-estática puede usarse para describir sus propiedades LSPR. Según la teoría de Mie, y aplicando una aproximación cuasi-estática, la dispersión juega un papel principal con el radio creciente de los NP esféricos, y la intensidad de extinción está determinada principalmente por la dispersión. Además, la absorción afecta gradualmente a la intensidad de la extinción cuando el radio de las NP esféricas disminuye [59]. Sin embargo, la intensidad de extinción también está relacionada con el estado de trampa de carga de los NP esféricos y la constante dieléctrica del medio circundante. Por lo tanto, la intensidad de la extinción necesita más estudios.
La Figura 1 muestra los patrones XRD del TiO 2 y el TiO 2 que contiene Ag . Es obvio que todas las curvas XRD tienen picos fuertes atribuidos a la anatasa TiO 2 con la tarjeta PDF anatasa estándar, que indica que la estructura cristalina de TiO 2 apenas cambia con la adición de Ag. De hecho, los picos de Ag no se pueden observar directamente debido a la baja concentración de Ag y el pico coincidente en aproximadamente 2 θ =38 °.
Espectros XRD de TiO 2 y TiO 2 integrado en Ag
Para investigar los elementos químicos del TiO 2 película compacta compuesta, XPS se utilizó para explorar la energía de unión química de los NP de Ag incrustados en el TiO 2 compuesto en la película compacta. La Figura 2a muestra la energía de enlace de electrones de Ag 3d con la película compacta compuesta. Los picos de Ag 3d 5/2 y Ag 3d 3/2 se ubicaron en 368.3 y 374.3 eV, lo cual es consistente con la energía de enlace estándar de Ag 0 [42, 43]. Esto implica que los elementos Ag en la película compacta estaban presentes en forma de sustancias simples, sin ninguna reacción química. La Figura 2b, c muestra la estructura del dispositivo y la imagen en sección transversal del dispositivo PSC con Ag NP integradas en la capa compacta. De hecho, el tamaño de ZrO 2 y TiO 2 es casi lo mismo de unos 20 nm. Por lo tanto, la interfaz entre ZrO 2 y TiO 2 no es fácil de identificar.
un Espectros Ag 3d XPS de Ag / TiO 2 composicion. b Estructura del dispositivo de un Ag / TiO 2 célula solar de perovskita. c Una imagen FE-SEM de sección transversal de Ag / TiO 2 célula solar de perovskita. d Diagrama esquemático de la separación y transferencia de los portadores generados por la foto (los círculos gris, azul y amarillo representan anatasa TiO 2 , Nanopartículas de perovskita y Ag)
Dado que la distribución de Ag no se puede distinguir con precisión a través de imágenes SEM, se utilizaron imágenes TEM para evaluar el tamaño de los NP de Ag y de Ag / TiO 2 película compacta compuesta. Imágenes TEM que muestran diferentes tamaños de Ag NP y Ag / TiO 2 los compuestos se presentan en la Fig. 3. La Figura 3a – d muestra las diferentes estructuras y resultados de distribución de tamaño de NP de Ag con tamaños de 10 nm (Fig. 3a), 30 nm (Fig. 3b), 40 nm (Fig. 3c) , y 55 nm (Fig. 3d), que fueron preparados por el método de poliol. Como se observa en las figuras antes mencionadas, los tamaños de los Ag NP individuales mostraron poca variación y el tamaño uniforme de los Ag NP se pudo distinguir fácilmente. La Figura 3f muestra una imagen ampliada de Ag / TiO 2 compuestos en la película compacta del área punteada en la Fig. 3e. Los NP de Ag estaban rodeados por TiO 2 para la formación de Ag / TiO 2 compuestos y las franjas de celosía de Ag y TiO 2 Los NP estaban aproximadamente a 2,40 y 3,50 Å del área punteada en la Fig. 3f.
Imágenes HRTEM y resultados de distribución de tamaño de a NP de Ag de 10 nm, b NP de Ag de 30 nm, c NP de 40 nm de Ag y d NP de Ag de 55 nm; Imágenes HRTEM de e Ag / TiO 2 película compacta compuesta y f imagen ampliada del área punteada de e
La Figura 2e representa el diagrama esquemático de la separación y transferencia de portadores fotogenerados en el Ag / TiO 2 Dispositivo PSC bajo irradiación de luz visible, sin ZrO 2 capa (las flechas rojas indican la vía de transporte de electrones y la flecha azul representa la vía de transporte de huecos). Para el TiO 2 capa compacta que contiene los Ag NP, los Ag NP pueden actuar como sitios de trampa de carga, lo cual se debe a que la banda de conducción de los Ag NP está entre el TiO 2 y el material de perovskita [35]. En general, el LSPR de Ag puede mejorar significativamente la absorbancia de las células solares orgánicas y de perovskita [35, 36, 44, 45]. Por lo tanto, la gestión de la absorbancia y la captura de carga mediante el uso de NP de Ag de diferentes tamaños y concentraciones debería influir en la fuerza de la fotocorriente y el rendimiento del dispositivo PSC.
La Figura 4a presenta los espectros de absorbancia de NP de Ag de diferentes tamaños en agua, lo que está indicado por los diferentes picos de absorción. Los picos de absorción correspondientes de NP de Ag de 10, 30, 40 y 55 nm fueron de aproximadamente 400, 410, 415 y 420 nm, respectivamente. Además, los espectros de absorción UV-vis de Ag / TiO 2 Las películas compactas compuestas y los dispositivos PSC completos que contienen Ag NP de varios tamaños y diferentes concentraciones se muestran respectivamente en las Figs. 4 y 5. Como se ve en la Fig. 4b, la absorbancia de NP de Ag de 10 nm en el Ag / TiO 2 La película compacta compuesta era más alta que la de los otros tamaños, y la absorbancia variaba inversamente con el tamaño de los Ag NP. De hecho, los espectros de absorción en la Fig. 4c siguen la misma tendencia que se muestra arriba en la Fig. 4b, disminuyendo con el aumento en el tamaño de NP de Ag. Esto puede deberse al aumento de la pérdida óptica causada por la reflexión de NP de Ag más grandes y el efecto LSPR intrínsecamente fuerte de NP de Ag de pequeño tamaño. Según investigaciones anteriores, a medida que aumenta el tamaño de los NP mentales nobles, el efecto LSPR disminuye gradualmente y la dispersión de la luz se vuelve más dominante [37, 46, 47]. Por lo tanto, el efecto LSPR tiene un gran impacto en la absorbancia de los dispositivos PSC cuando los NP de Ag son relativamente pequeños.
Espectros de absorción UV-vis de a diferentes tamaños de muestra Ag NP, b Ag / TiO 2 muestras con varios tamaños de NP de Ag, y c Ag / TiO 2 Muestras de dispositivos PSC con varios tamaños de Ag NP
Espectros de absorción UV-vis de las películas compactas y todos los dispositivos PSC con a , b NP de Ag de 10 nm; c , d NP de Ag de 30 nm; e , f NP de Ag de 40 nm; y g , h NP de Ag de 55 nm
La Figura 5a-h muestra los espectros de absorción UV-vis de las películas compactas y los dispositivos PSC completos con NP de Ag de 10, 30, 40 y 55 nm. Como se observó, con el aumento en el contenido de Ag, la absorción de la película compacta se mejoró gradualmente en la región completamente visible. La absorción de todo el dispositivo PSC siguió la misma tendencia a medida que aumentaba el contenido de Ag. Estos espectros indican colectivamente que el contenido del 2,5% en moles de Ag / TiO 2 tuvo la mayor absorción en cada tamaño único de Ag NP, lo cual se debe al efecto LSPR. Con el aumento en el contenido de Ag NP, el efecto LSPR también se hizo más fuerte. El tamaño de las nanopartículas juega un papel importante en el comportamiento de extinción, como la absorción y dispersión de la luz. Comparando la Fig. 4 con la Fig. 5a, c, e, g, los picos de absorción plasmónica de las NP de Ag de 10, 30, 40 y 55 nm se desplazaron cuando las NP de Ag se incrustaron en el TiO 2 capa compacta, que se atribuye al índice de refracción más grande de TiO 2 en comparación con el agua [48]. De hecho, TiO 2 Los NP tienen una absorción relativamente alta en esta región de longitud de onda. Aunque el efecto LSPR de los Ag NPs ocurre siempre que se encuentran bajo irradiación de luz, la absorción en una región de longitud de onda menor de 350 nm no muestra un aumento significativo debido al alto coeficiente de extinción del material de perovskita que conduce a la saturación de la absorción de luz. La absorbancia del material de perovskita es fuerte en la región de longitud de onda corta de aproximadamente 400 nm y relativamente débil en la región de longitud de onda larga de 600 ~ 800 nm. Debido al efecto LSPR de los Ag NP, la absorbancia de todo el dispositivo PSC se mejora significativamente. Además, las NP de Ag mejoran la absorción de luz en la región visible (380 ~ 780 nm), lo que se puede atribuir principalmente a la LSPR de NP de Ag, además de la absorción del material de perovskita, cuando el tamaño de las NP de Ag es menor. de ~ 100 nm [46].
El J medido - V Las curvas que revelan el rendimiento de los dispositivos PSC con diferentes tamaños y contenido de Ag NP se muestran en la Fig. 6. La Figura 7 representa un diagrama bidimensional y la tabla correspondiente de PCE, densidad de corriente de cortocircuito ( J sc ), voltaje de circuito abierto ( V oc ) y factor de llenado (FF) de Ag / TiO 2 Dispositivos PSC con diferentes contenidos y tamaños de Ag NP. De hecho, en comparación con los dispositivos sin Ag NP, los dispositivos con diferentes tamaños de Ag NP y diferente contenido de Ag mostraron poca diferencia en V oc . Para el tamaño Ag NP de 10, 30, 40 y 55 nm, el J sc del Ag / TiO 2 Los dispositivos PSC eran todos más altos que los de los dispositivos sin Ag NP (20,38 mA cm −2 ), los valores correspondientes son aproximadamente 23,02, 23,7, 22,46 y 22,1 mA cm −2 , respectivamente. El J mejorado sc del Ag / TiO 2 Los dispositivos PSC pueden atribuirse a la mejora de la absorción del material de perovskita por LSPR. Por lo tanto, la incorporación de Ag NP puede mejorar el PCE de los dispositivos PSC al mejorar la intensidad de absorción del material de perovskita. Para el mismo contenido de Ag NP, con el aumento de tamaño de Ag NP, el PCE disminuye gradualmente. La pérdida óptica aumentada causada por la reflexión y absorción de NP de Ag más grandes disminuye la absorción de luz del material de perovskita. Según la tabla de la Fig.7, el PCE del Ag / TiO 2 Los dispositivos PSC varían inversamente con el tamaño de los NP de Ag y 1,5% en moles de Ag / TiO 2 Los dispositivos PSC con NP Ag de 10 nm tuvieron un PCE promedio de 12.01% (de 10 dispositivos PSC) y el PCE más alto de 13.26%. Para el tamaño de Ag NP de 10 nm, el J sc del 1,5% en moles de Ag / TiO 2 Los dispositivos de PSC fueron ligeramente más bajos que los del 2% en moles de Ag / TiO 2 Dispositivos PSC, pero el 1,5% en moles de Ag / TiO 2 Los dispositivos PSC tuvieron el FF más alto en comparación con el resto del contenido de Ag / TiO 2 de 10 nm Dispositivos PSC. Sin embargo, con el aumento en el contenido de Ag NP, el PCE de Ag / TiO 2 Los dispositivos PSC con diferentes tamaños de Ag NP disminuyeron gradualmente, lo que se debe a los sitios de captura de carga de los Ag NP, que disminuyen el rendimiento de la PSC. De hecho, se considera que las NP de Ag atrapan los electrones generados por los materiales de perovskita y pueden impedir el transporte de cargas debido a los diferentes niveles de energía entre TiO 2 y los NP de Ag [60]. Por lo tanto, el efecto combinado de dispersión de luz y LSPR puede influir significativamente en el rendimiento de Ag / TiO 2 Dispositivos PSC.
J - V curvas de dispositivos PSC con contenido diferente de varios tamaños de Ag NP de a 10 millas náuticas, b 30 millas náuticas, c 40 nm y d 55 millas náuticas
Histogramas bidimensionales y las tablas correspondientes de a PCE, b J sc , c voltaje y d FF de dispositivos PSC con diferentes tamaños y contenido de Ag NP
La Figura 8 representa las curvas IPCE de los dispositivos PSC con o sin Ag NP. El dispositivo PSC con las NP de Ag de 10 nm mostró la mayor mejora del IPCE en la región visible, como se muestra en la Fig. 8a. Además, se pueden observar valores de mejora bajos cuando el tamaño de las NP de Ag era superior a 10 nm. En general, los dispositivos PSC con Ag NP tuvieron valores de mejora de IPCE más altos en comparación con las muestras sin Ag NP, lo que se debe principalmente a la mejora de la absorción por parte de LSPR de Ag NP. Se puede observar en la Fig. 8b-e que los valores de mejora de IPCE de 1,5% en moles de Ag / TiO 2 Los dispositivos PSC fueron los más altos para cada tamaño de Ag NP. Además, los valores de mejora de IPCE de los dispositivos PSC disminuyeron gradualmente con el aumento en el contenido de Ag, lo que puede atribuirse a la captura de carga en los Ag NP y al deterioro del transporte de electrones que reduce el PCE. Finalmente, el IPCE disminuye por la transferencia de electrones a los NP de Ag, donde las cargas quedan atrapadas por las barreras entre TiO 2 y los NP de Ag.
Espectros IPCE (380 a 800 nm) de dispositivos PSC con a diferentes tamaños de NP de Ag, b contenido diferente de NP de Ag de 10 nm, c contenido diferente de NP de Ag de 30 nm, d contenido diferente de NP de Ag de 40 nm y e contenido diferente de NP de Ag de 55 nm
Conclusiones
En este artículo, utilizamos el método de poliol para preparar NP de Ag de diferentes tamaños e investigamos la influencia del tamaño y el contenido de NP de Ag en los dispositivos PSC. La mejora de la absorción de los dispositivos PSC en la región visible se atribuyó principalmente a la LSPR de Ag NP. Con el aumento de tamaño y contenido de Ag NP, la intensidad de absorción de ambos TiO 2 la película compacta y el dispositivo PSC disminuyeron y aumentaron gradualmente, respectivamente. Con la adición de Ag NP, la capacidad de transporte de carga aumenta y, en consecuencia, se mejora el rendimiento del dispositivo PSC. Además, el dispositivo PSC con un tamaño y una cantidad pequeños de NP de Ag mostró valores más altos de PCE e IPCE. Específicamente, el dispositivo PSC con NP de Ag de 10 nm y 1,5% en moles de Ag / TiO 2 la película compacta exhibió el PCE más alto de 13.26%. Estos resultados pueden proporcionar una referencia para introducir diferentes tamaños y contenido de Ag NP en dispositivos PSC con el fin de mejorar su rendimiento.
Nanomateriales
- Células solares de grafeno de alta eficiencia
- Efecto de la distribución de nanopartículas de oro en TiO2 sobre las características ópticas y eléctricas de las células solares sensibilizadas por colorante
- Electrodeposición de SnO2 en FTO y su aplicación en células solares de perovskita de heterounión plana como capa de transporte de electrones
- Células solares de perovskita invertida altamente eficientes con capa de transporte de electrones CdSe QD / LiF
- Fabricación, caracterización y actividad biológica de sistemas de nanoportación de avermectina con diferentes tamaños de partículas
- Promoción del crecimiento celular SH-SY5Y mediante nanopartículas de oro modificadas con 6-mercaptopurina y un péptido penetrante de neuronas
- El precursor de titanio óptimo para la fabricación de una capa compacta de TiO2 para células solares de perovskita
- Una investigación sobre una célula solar de silicio cristalino con una capa de silicio negro en la parte posterior
- Eficiencia de conversión de energía mejorada de células solares de perovskita con un material de conversión ascendente de Er3 + -Yb3 + -Li + TiO2 tri-dopado
- Efecto de diferentes morfologías de CH3NH3PbI3 en las propiedades fotovoltaicas de las células solares de perovskita
- Mejora de la eficiencia de conversión fotoeléctrica de las células solares sensibilizadas con colorante fibroso flexible