使用 Er3+-Yb3+-Li+ 三掺杂 TiO2 上转换材料提高钙钛矿太阳能电池的功率转换效率

背景

有机铅卤化物钙钛矿太阳能电池（PSC）因其效率高、成本低和制造简单等优点而在太阳能电池领域变得有吸引力[1,2,3,4]。几年间，PSC 的功率转换效率（PCE）已经提高到 22.1% [5]。然而，由于钙钛矿敏化剂的窄能带隙，钙钛矿太阳能电池仅吸收紫外和可见光范围内的一小部分入射光；因此，由于其不吸收近红外（NIR）[6, 7]，因此损失了很大一部分入射光。

解决 NIR 能量损失问题的一种有前景的方法是将上转换材料应用于 PSC，这可以将 NIR 转换为可见光。一些作者报道了上转换材料在钙钛矿太阳能电池中的应用[8,9,10]，其中采用的上转换材料主要基于β相氟化钇钠（β-NaYF4）。而β-NaYF4 上转换材料会降低电子传输层的电荷传输能力[11]。据报道，Er ³⁺ -Yb ³⁺ -F ^- 与 Er ³⁺ 相比，三掺杂 TiO2 具有增强的上转换发射，可提高染料敏化太阳能电池 (DSSCs) 的 PCE -Yb ³⁺ 共掺杂 TiO2 [12]。在我们之前的出版物 [13] 中，我们报道了 Er ³⁺ 的应用 -Yb ³⁺ 共掺杂 TiO2 纳米棒到 PSC。一些研究人员已经证明，Li ⁺ 的加入 进入 Er ³⁺ -Yb ³⁺ 共掺杂的 TiO2 可以增加上转换发射 [14, 15]。据报道，与基于未掺杂 TiO2 的器件相比，基于锂掺杂 TiO2 的钙钛矿太阳能电池具有更高的性能 [16]。因此，我们想知道 Er ³⁺ 的上转换材料是否 -Yb ³⁺ -Li ⁺ 三掺杂TiO2可用于PSCs，进一步提高性能。

因此，在本研究中，我们准备了 Er ³⁺ -Yb ³⁺ -Li ⁺ 通过添加 Li ⁺ 制备三掺杂 TiO2 (UC-TiO2) 进入 Er ³⁺ -Yb ³⁺ 与 Er ³⁺ 相比，共掺杂的 TiO2 具有增强的上转换发射 -Yb ³⁺ 共掺杂 TiO2。 UC-TiO2 应用于钙钛矿太阳能电池。含有UC-TiO2的太阳能电池的PCE从不含UC-TiO2的太阳能电池的14.0%提高到16.5，提高了19%。

方法

合成 Er ³⁺ -Yb ³⁺ -Li ⁺ 三掺杂二氧化钛

Er ³⁺ 的纳米晶 -Yb ³⁺ -Li ⁺ 三掺杂二氧化钛（UC-TiO2）是通过改进的方法合成的[15]。通过将钛酸正丁酯 (Ti(OBu)4) 与乙酰丙酮 (AcAc) 在室温下搅拌 1 小时来制备正丁醇钛 (IV)。然后，将异丙基 (i-PrOH) 放入正丁醇钛 (IV) 中。接下来，将 i-PrOH、去离子水和浓硝酸 (HNO3) 混合并滴入溶液中。搅拌 6 小时后获得浅黄色 TiO2 溶胶。 AcAc、H2O 和 HNO3 与 Ti(OBu)4 的摩尔比分别为 1:1、2:1 和 0.3:1。然后，将 Er(NO3)3·5H2O、Yb(NO3)3·5H2O 和 LiNO3 加入到 TiO2 溶胶中，使 Er:Yb:Li:Ti 的摩尔比 =0.5:10:x :100 (x =0, 10, 15, 20, 25)。 Er ³⁺ 中的溶剂 -Yb ³⁺ -Li ⁺ 通过在 100°C 下干燥 8 小时去除三掺杂的 TiO2 溶胶（UC-TiO2 溶胶）。然后，UC-TiO2 在 500°C 下煅烧 30 分钟。