Er³⁺-Yb³⁺-Li⁺ 삼중 도핑 TiO₂ 업컨버전 층으로 페로브스카이트 태양전지 효율 향상

초록

Er³⁺-Yb³⁺ 공도핑 TiO₂에 Li⁺ 도입으로 Er³⁺-Yb³⁺-Li⁺ 삼중 도핑 TiO₂(UC-TiO₂) 제조. UC-TiO₂는 공도핑 대비 현저히 강한 업컨버전 발광 나타냄. 페로브스카이트 태양전지(PSC) 통합 시 전력 변환 효율(PCE) 14.0%에서 16.5%로 19% 향상—UC-TiO₂가 가시광에서 근적외선(NIR) 파장으로 흡수 확장하는 효과적 광수확 강화제 입증.

배경

유기-무기 할라이드 페로브스카이트 태양전지 급속 효율 향상, 저비용, 간편 제조로 큰 주목. PSC 효율 22% 이상 도달하나 좁은 밴드갭으로 흡수 주로 UV-가시광 제한, NIR 광 대다수 미활용.

NIR 광자를 가시광으로 변환 업컨버전 소재가 간극 메울 수 있음. 선행 연구 β-NaYF₄ Er³⁺/Yb³⁺ 도핑 사용했으나 TiO₂ 층 전자 수송 방해 가능. 최근 연구 TiO₂ Er³⁺, Yb³⁺, Li⁺ 삼중 도핑이 업컨버전 발광 향상, 염료감응 태양전지 성능 개선 보고. 또한 Li 도핑이 무도핑 TiO₂ 대비 PSC 효율 향상 보고. 이 발견들 본 Er³⁺-Yb³⁺-Li⁺ 삼중 도핑 TiO₂ PSC 적용 연구 동기 부여.

본 연구 Li⁺를 Er³⁺-Yb³⁺ 공도핑 TiO₂에 첨가해 UC-TiO₂ 합성, 향상된 업컨버전 발광 확인, 메조다공 TiO₂ 층에 통합해 페로브스카이트 태양전지 적용. 결과 소자 19% PCE 증가 보임.

방법

Er³⁺-Yb³⁺-Li⁺ 삼중 도핑 TiO₂ 합성

TiO₂ 나노결정 변형 졸-겔법 제조. 티타늄(IV) n-뷰톡사이드(Ti(OBu)₄) 아세틸아세톤(AcAc)과 실온 1시간 교반 착물화. 아이소프로판올, 탈수, 진한 질산 첨가 가수분해, 6시간 교반 후 연노랑 TiO₂ 졸 획득. Er(NO₃)₃·5H₂O, Yb(NO₃)₃·5H₂O, LiNO₃ 후속 도입, Er:Yb:Li:Ti = 0.5:10:x:100 몰비(x = 0, 10, 15, 20, 25) 달성. 용매 100 °C 8시간 건조 제거, 분말 500 °C 30분 소성.

페로브스카이트 태양전지 제조

불소 도핑 산화주석(FTO) 유리 아세톤, 아이소프로판올, 에탄올 순차 세척, 15분 UV-O₃ 처리. 치밀 TiO₂ 층 0.1 M 티타늄 디이소프록사이드 비스(아세틸아세토네이트) 1-부탄올 용액 스핀코팅, 500 °C 30분 어닐링. 메조다공 TiO₂ 필름 4000 rpm 30 s 증착, 100 °C(10분), 500 °C(30분) 어닐링. 메조다공 층 순수 상용 TiO₂(30NR-D) 또는 UC-TiO₂ 졸과 희석 TiO₂ 페이스트 혼합(UC-TiO₂:TiO₂ = x:100 v/v, x = 10-40).

페로브스카이트 전구체 PbI₂(1.1 M), FA_I(1 M), PbBr₂(0.22 M), MA_Br(0.2 M) DMF/DMSO(4:1 v/v) 혼합 두 단계 스핀코팅(1000 rpm, 10 s; 4000 rpm, 30 s) 2단계 중 200 µL 클로로벤젠 첨가. 필름 100 °C 1시간 어닐링. CsI 스톡 용액(1.5 M DMSO) 페로브스카이트 전구체 첨가 열안정성 개선. 정공 수송층 스피로-MeOTAD(4000 rpm, 30 s) 스핀코팅, 80 nm 금 전극 증착.

특성 분석

업컨버전 광발광 FLS 980 E 형광계 측정. 구조 분석 XRD(DX-2700), XPS(THS-103, Al Ka). UV-vis-NIR 흡수 Varian Cary 5000 분광광도계 기록. 형태 SEM(JEM-7001F) 관찰. 광전 성능 J-V 곡선 AM 1.5 G 조명 Keithley 2440 소스미터 평가. 전기화학 임피던스 분광법(EIS) CHI660e 워크스테이션 수행.

결과 및 고찰

그림 1a UC-TiO₂ Li 함량 x = 20에서 980-nm 여기 하 최강 업컨버전 발광, 녹색(525/545 nm), 적색(658 nm) 밴드 Er³⁺ 전이 기인. 이 이상 Li 증가 발광 강도 감소.

Er sup 3+ /sup -Yb sup 3+ /sup -Li sup + /sup 삼중 도핑 TiO₂ 업컨버전 층으로 페로브스카이트 태양전지 효율 향상

XRD 패턴 UC-TiO₂ 아나타제 상 유지(JCPDS 21-1272). XPS 스펙트럼(그림 3) Ti 2p, Er 4d, Yb 4d, Li 1s 피크 검출로 성공적 도핑 검증.

UV-vis-NIR 흡수(그림 4a) UC-TiO₂ 1000 nm까지 현저한 테일, 타우크 분석 밴드갭 3.10 eV로 상용 TiO₂ 3.20 eV 대비 감소. SEM 이미지(그림 5) 입자 크기(~30 nm), 형태 Li 도입 불변.

소자 성능(그림 6a) UC-TiO₂ 20% v/v 첨가 시 PCE 최대, 대조군 14.0%에서 UC-TiO₂ 16.5%로 19% 향상. 표 1 주요 광전 파라미터 나열. 향상된 단락 전류(I_sc)와 개방회로 전압(V_oc) 효율 증가 견인.

정상상태 PL(그림 7a) UC-TiO₂ 위 페로브스카이트 강도 감소로 효율적 전자 추출 지시. 시간분해 PL(그림 7b) UC-TiO₂ 소자 빠른 감쇠 성분(2.8 ns) 단축, 높은 비율(98.2%)로 빠른 전하 전달 확인.

EIS 나이퀴스트 플롯(그림 8a) UC-TiO₂ 소자 직렬 저항 감소, 재결합 저항 증가로 전하 수송 개선, 재결합 억제 나타냄.

980-nm 필터 조명 하 UC-TiO₂ 소자 더 높은 광전류 생성(그림 S3), 업컨버전 층 NIR 광자 가시광 변환 효과 확인.

밴드 다이어그램 분석(그림 9) UC-TiO₂ 순수 TiO₂보다 낮은 전도대 가장자리, 페로브스카이트 흡수체와 더 큰 오프셋 생성. 이 장벽 캐리어 백터널링 감소로 V_oc 향상.

요약: UC-TiO₂ 메조다공 스캐폴드 통합으로 NIR 스펙트럼 응답 확장, 재결합 감소, 전하 추출 가속, 함께 19% PCE 증가 달성.

결론

TiO₂ Er³⁺, Yb³⁺, Li⁺ 삼중 도핑으로 강한 업컨버전 광 방출 UC-TiO₂ 생성. PSC 적용 시 I_sc, V_oc, 충진율 개선, PCE 14.0%→16.5%(19% 향상). 성능 향상 근원: NIR 흡수 확장, 전하 수송 향상, 유리한 밴드 오프셋.