Er³⁺-Yb³⁺-Li⁺三元ドープTiO₂アップコンバージョン層によるペロブスカイト太陽電池効率向上

概要

Er³⁺-Yb³⁺共ドープTiO₂にLi⁺導入し、Er³⁺-Yb³⁺-Li⁺三元ドープTiO₂（UC-TiO₂）を作製。UC-TiO₂は共ドープ対応物より著しく強いアップコンバージョン発光示す。ペロブスカイト太陽電池（PSC）統合で電力変換効率（PCE）14.0%から16.5%へ——19%改善——達成、UC-TiO₂が可視から近赤外（NIR）波長へ吸収拡張する効果的光収穫増強材料実証。

背景

有機無機ハライドペロブスカイト太陽電池は急速効率向上、低コスト、簡便製造で注目集める。PSC効率22%以上達成も、狭バンドギャップで吸収主にUV-可視域限定、NIR光大部分未利用。

NIR光子を可視光変換するアップコンバージョン材料でギャップ埋め可能。先行研究でβ-NaYF₄ Er³⁺/Yb³⁺ドープ採用も、TiO₂層電子輸送阻害懸念。最近研究でEr³⁺、Yb³⁺、Li⁺三元ドープTiO₂がアップコンバージョン発光強化と色素増感太陽電池性能向上報告。さらにLiドーピングが非ドープTiO₂比PSC効率向上報告。これら知見動機に、本研究でEr³⁺-Yb³⁺-Li⁺三元ドープTiO₂をPSC応用検討。

本研究では、Er³⁺-Yb³⁺共ドープTiO₂にLi⁺添加しUC-TiO₂合成、強化アップコンバージョン発光確認、中孔TiO₂層組込みPSC作製。デバイスでPCE 19%増加達成。

方法

Er³⁺-Yb³⁺-Li⁺三元ドープTiO₂合成

TiO₂ナノ結晶を改良ゾルゲル法調製。チタン(IV) n-ブトキシド（Ti(OBu)₄)をアセチルアセトン（AcAc）と室温1時間攪拌下錯化。イソプロパノール、脱イオン水、濃硝酸添加加水分解、6時間攪拌後淡黄色TiO₂ゾル得る。Er(NO₃)₃・5H₂O、Yb(NO₃)₃・5H₂O、LiNO₃を後続導入、Er:Yb:Li:Ti = 0.5:10:x:100モル比（x = 0, 10, 15, 20, 25）達成。溶媒100 ℃8時間乾燥除去、500 ℃30分焼成。

ペロブスカイト太陽電池作製

フッ素ドープ酸化スズ（FTO）ガラスをアセトン、イソプロパノール、エタノール順次洗浄、15分UV-O₃処理。コンパクトTiO₂層をチタンジイソプロポキシドビス(アセチルアセトナート) 0.1 M 1-ブタノール溶液スピンコート、500 ℃30分焼成。中孔TiO₂膜4000 rpm 30秒堆積、100 ℃（10分）と500 ℃（30分）焼成。中孔層は純粋市販TiO₂（30NR-D）またはUC-TiO₂ゾルと希釈TiO₂ペースト混合（UC-TiO₂:TiO₂ = x:100 v/v、x = 10-40）。

ペロブスカイト前駆体：PbI₂（1.1 M）、FA_I（1 M）、PbBr₂（0.22 M）、MA_Br（0.2 M）をDMF/DMSO（4:1 v/v）混合。二段階スピンコート（1000 rpm 10秒；4000 rpm 30秒）第2段階でクロロベンゼン200 µL添加。100 ℃1時間焼成。CsIストック溶液（1.5 M DMSO）ペロブスカイト前駆体添加し熱安定性向上。正孔輸送層スピロ-MeOTAD（4000 rpm 30秒）スピンコート、80 nm金電極蒸着。

キャラクタリゼーション

アップコンバージョン光ルミネセンス：FLS 980 Eフルオロメータ測定。構造解析：XRD（DX-2700）、XPS（THS-103、Al Ka）。UV-vis-NIR吸収：Varian Cary 5000分光光度計。形態：SEM（JEM-7001F）。光起電力性能：AM 1.5 G照射下J-V曲線、Keithley 2440ソースメータ。電気化学インピーダンス分光法（EIS）：CHI660eワークステーション。