Nanomaterial TiO₂ de conversión ascendente mejorado aumenta eficiencia celda solar perovskita al 16,3 %

Resumen

Un TiO₂ tri-dopado Ho³⁺-Yb³⁺-Mg²⁺ (UC-Mg-TiO₂) sintetizado por sol-gel demuestra fluorescencia de conversión ascendente marcadamente mejorada cuando se incorpora Mg²⁺. El material se aplicó como intercapa delgada en la capa de transporte de electrones (ETL) de celdas solares perovskita (PSCs). Dispositivos incorporando UC-Mg-TiO₂ lograron eficiencia conversión potencia (PCE) 16,3 % comparado con 15,2 % celdas referencia, confirmando que el nanomaterial convierte efectivamente fotones infrarrojo cercano (NIR) en luz visible que la perovskita absorbe.

Antecedentes

Las celdas solares perovskita (PSCs) han avanzado rápidamente, con PCEs superando 22 % en años recientes. Sin embargo, su espectro absorción está limitado a longitudes de onda por debajo 800 nm, dejando más de la mitad del espectro solar —incluyendo región NIR— sin aprovechar. Nanomateriales conversión ascendente pueden cerrar esta brecha convirtiendo fotones NIR a fotones visibles que PSCs pueden cosechar. Mientras huéspedes conversión ascendente basados β-NaYF₄ son comunes, son aislantes e inadecuados para capas transporte electrones (ETLs). Dióxido titanio (TiO₂) en su fase anatasa es ETL ampliamente usado debido a su alineación banda apropiada, eficiencia costo y estabilidad, pero su ancha banda prohibida (3,2 eV) restringe absorción visible-NIR. Dopar TiO₂ con iones tierras raras o metales transición puede extender su respuesta espectral y mejorar propiedades transporte carga. Estudios previos mostraron TiO₂ co-dopado Ho³⁺-Yb³⁺ puede convertir luz NIR para celdas solares sensibilizadas colorante, y dopaje Mg²⁺ puede desplazar nivel Fermi para mejorar rendimiento PSCs. En este trabajo, combinamos Ho³⁺, Yb³⁺ y Mg²⁺ en TiO₂ para crear nuevo material tri-dopado (UC-Mg-TiO₂) e investigar su impacto en eficiencia PSCs.

Métodos

Materiales

Yoduro formamidinio (FAI), bromuro metilamonio (MABr), diyoduro plomo (PbI₂), 2,2′,7,7′-tetrakis-(N,N-di-p-metoxifenilamina)-9,9′-espibifluoreno (Spiro-OMeTAD), y dibromuro plomo (PbBr₂) obtenidos de Xi'an Polymer Light Technology Corp. Solución coloidal SnO₂ comprada Alfa Aesar. Sulfoxido dimetilo (DMSO), N,N-dimetilformamida (DMF), 4-terc-butilpiridina (TBP), y bis(trifluorometilsulfonil)imida litio (Li-TFSI) obtenidos Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., Ltd.

Síntesis Ho³⁺-Yb³⁺-Mg²⁺ Tri-dopado TiO₂

UC-Mg-TiO₂ preparado vía ruta sol-gel modificada. Tetrabutanolato titanio reaccionó primero con acetilacetona (AcAc) y luego diluyó con alcohol isopropílico (IPA). Solución mezclada IPA, ácido nítrico y agua se añadió lentamente, y tras 6 h agitación se formó sol TiO₂ amarillo claro. Ho(NO₃)₃·5H₂O, Yb(NO₃)₃·5H₂O, Mg(NO₃)₂·6H₂O introducidos en ratios molares Ho:Yb:Mg:Ti = 1:4:x:100 (x = 0, 1, 1,5, 2, 2,5). Disolvente removido 100 °C 10 h, y polvos resultantes calcinados 500 °C 30 min.

Preparación PSCs

Sustratos óxido estaño dopado flúor (FTO) limpiados y tratados UV-O₃. Capa bloqueo TiO₂ (30NR-D) depositada por centrifugado y recocida 500 °C. ETL consistió TiO₂ diluido etanol (1:6, ratio masa) y recocido secuencialmente 100 °C y 450 °C. Para celdas modificadas UC-Mg-TiO₂, mezcla sol UC-Mg-TiO₂ y sol TiO₂ (x : 100 - x, v/v) depositada por centrifugado (x = 0, 20, 40, 60, 80, 100) y recocida 500 °C. Solución precursora perovskita (FAI, PbI₂, MABr, PbBr₂, CsI) depositada por centrifugado con gota anti-disolvente clorobenceno, seguida capa transporte huecos Spiro-OMeTAD. Finalmente, electrodo Au evaporado térmicamente.

Caracterización

Espectros fotoluminiscencia (PL) registrados con fluorómetro FLS 980 E. Difracción rayos X (XRD) usado difractómetro DX-2700. Espectroscopía fotoelectrones rayos X (XPS) empleada espectrómetro THS-103. Absorción UV-Vis medida con Varian Cary 5000. Microscopía electrónica barrido (SEM) usada JSM-7001F. Curvas corriente-voltaje (I-V) bajo iluminación AM 1.5 tomadas con medidor fuente Keithley 2440. Espectroscopía impedancia electroquímica (EIS) realizada con estación trabajo CHI660e, y espectros eficiencia fotón-corriente incidente (IPCE) obtenidos usando Crowntech Qtest Station 500ADX.

Resultados y Discusión

Optimizando ratios Ho³⁺ y Yb³⁺ reveló ratio 1:4 Ho:Yb produjo emisión conversión ascendente más fuerte a 547 nm y 663 nm cuando excitado 980 nm (Fig. 1a). Introducir Mg²⁺ amplificó ulteriormente fluorescencia; emisión máxima ocurrió en Ho:Yb:Mg = 1:4:2 (Fig. 1b). XRD confirmó todas las muestras mantuvieron fase anatasa TiO₂ (Fig. 2). Análisis XPS verificó incorporación Ho, Yb, Mg en red TiO₂ (Fig. 3). Espectros UV-Vis mostraron UC-Mg-TiO₂ absorbió luz visible y NIR adicional, reduciendo banda prohibida a 3,09 eV desde 3,18 eV TiO₂ sin dopar (Fig. 4).

Imágenes SEM revelaron tamaños nanopartículas similares (~25-28 nm) y morfología película uniforme tanto TiO₂ como UC-Mg-TiO₂ (Fig. 5).

Pruebas dispositivo mostraron PCE aumentó con contenido UC-Mg-TiO₂, pico en 60 % UC-Mg-TiO₂ en ETL (Fig. 6a). Mejor celda logró Voc = 1,05 V, Jsc = 22,6 mA cm⁻², PCE = 16,3 % versus 1,03 V, 21,2 mA cm⁻², 15,2 % referencia (Tabla 1). Decaimiento PL más rápido y menor resistencia recombinación en dispositivos UC-Mg-TiO₂ (Fig. 8, Fig. 9) indican extracción carga más eficiente.

Bajo iluminación NIR 980 nm, celdas con UC-Mg-TiO₂ mostraron Jsc mayor, confirmando contribución conversión ascendente (Fig. 10). Espectros IPCE mostraron respuesta mejorada entre 400 nm y 650 nm para celdas modificadas (Fig. 10b).

Conclusiones

Síntesis exitosa Ho³⁺-Yb³⁺-Mg²⁺ tri-dopado TiO₂ (UC-Mg-TiO₂) que exhibe fuerte fluorescencia conversión ascendente mejorada por dopaje Mg²⁺. Cuando aplicado como intercapa en ETL, UC-Mg-TiO₂ mejoró rendimiento PSCs, elevando V_oc y J_sc a 1,05 V y 22,6 mA cm⁻² respectivamente, y aumentando PCE de 15,2 % a 16,3 %. Estos resultados demuestran UC-Mg-TiO₂ convierte efectivamente luz NIR en fotones visibles utilizables, ofreciendo ruta viable para mejorar aún más eficiencia celdas solares perovskita.

Abreviaturas

EIS

Espectroscopía impedancia electroquímica

NIR

Infrarrojo cercano

PCE

Eficiencia conversión potencia

PL

Fotoluminiscencia

PSCs

Celdas solares perovskita

TRPL

Fotoluminiscencia resuelta tiempo