Investigation of the doped TiO2 nanofibers as ETM layer in perovskite solar cells

Abstract

Perovskit güneş pilleri (PSC'ler), soğurucu katmanın etkili fizikokimyasal özellikleri nedeniyle hızla etkileyici güneş pilleri haline gelmektedir. Bu katman ideal olarak kararlı bir delik taşıma malzemesi (HTM) katmanı ile iletken bir elektron taşıma malzemesi (ETM) katmanı arasına yerleştirilmelidir. Bu dış katmanlar, güneş pillerinin akım yoğunlukları ve hücre gerilimlerinde kritik bir rol oynamaktadır. Bu çalışmada, elektrospinning yoluyla ETM katmanları olarak Mg katkılı TiO2 nanofiberleri başarıyla ürettik. Üretilen nanofiberlerin çapları katkılanmamış fiberlerde maksimum 299 nm olarak hesaplanmş 500oC'de kalsinasyon sonrası bu değer 125 nm'ye kadar düşmüştür. Burada fiberlerin kapladığı alan tüm alanın %77'si kadarken katkılanmış fiberlerde elde edilen porozite %50-68 aralığındadır. Yapıda belirli bir aralıkta gözeneklilik elde edilmiştir. Bu çalışma, gözenekli ETM katmanları olarak Mg katkılı nanoliflerin morfolojik ve optik özelliklerini sistematik olarak araştırmaktadır. Kafes içindeki Mg elementinin varlığı XRD ve XPS ile doğrulanmıştır. XRD analizinde 500oC de kalsinasyon sonrasında TiO2'in anataz ve rutil fazlarının başarılı bir şekilde elde edildiği gözlemlenmiştir. Ayrıca SEM görüntüsünde elementel analiz yapılarak Mg varlığı gösterilmiştir. Bu optik karakterizasyonlar, Mg katkısının enerji bandı aralığını genişlettiğini ve iletim bandı minimum kenarını yukarı kaydırdığını göstermektedir. Katkılanmamış TiO2 için bant aralığı 3.20eV olarak hesaplanmış olup Mg katkılı TiO2 için bu değer 3.28eV'a çıkmıştır. Bununla da açık devre voltajını (Voc) ve kısa akım yoğunluğunu (Jsc) artırılabileceği düşünülmektedir. Yapılan fotolüminesans ölçümü ile Mg katkılı örnekler için elektron-delik rekombinasyon oranının düşürülmüş olduğu görülmüş ve Mg katkısı ile ayırma verimliliği artmıştır. Çalışmada ayrıca ETM katmanı alternatif bir yöntem olan ardışık sızma sentezi yöntemi ile üretilmiş ve fotoelektrokimyasal ölçümleri yapılarak akım elde edilmiştir. Sonuçlar, magnezyum katkılı nanofiberlerin ETM katmanı olarak kullanılmasının PSC'lerin verimliliğini artırabileceğini göstermiştir.

Perovskite solar cells (PSCs) are rapidly becoming impressive solar cells due to the effective physicochemical properties of the absorber layer. This layer should ideally be placed between a stable hole transport material (HTM) layer and a conductive electron transport material (ETM) layer. These outer layers play a critical role in the current densities and cell voltages of solar cells. In this work, we successfully fabricated Mg-doped TiO2 nanofibers as ETM layers via electrospinning. The diameter of the produced nanofibers was calculated as a maximum of 299 nm in undoped fibers, and after calcination at 500oC, this value decreased to 125 nm. Here, the area covered by the fibers is 77% of the entire area, while the porosity obtained in doped fibers is in the range of 50-68%. A certain range of porosity was achieved in the structure. This work systematically investigates the morphological and optical properties of Mg-doped nanofibers as porous ETM layers. The presence of the Mg element in the cage was confirmed by XRD and XPS. In XRD analysis, it was observed that anatase and rutile phases of TiO2 were successfully obtained after calcination at 500oC. Additionally, the presence of Mg was demonstrated by elemental analysis in the SEM image. These optical characterizations show that Mg doping widens the energy band gap and shifts the conduction band minimum edge up. The band gap for undoped TiO2 was calculated as 3.20eV, and this value increased to 3.28eV for Mg-doped TiO2. With this, it is thought that the open circuit voltage (Voc) and short current density (Jsc) can be increased. With the photoluminescence measurement, it was seen that the electron-hole recombination rate was reduced for Mg-doped samples and the separation efficiency increased with Mg doping. In the study, the ETM layer was also produced by the sequential percolation synthesis method, which is an alternative method, and the current was obtained by photoelectrochemical measurements. The results showed that using magnesium-doped nanofibers as ETM layer could improve the efficiency of PSCs.