Pengaruh Elektroda ITO Oblique-Angle Sputtered pada Struktur Sel Surya Perovskit MAPbI3
Abstrak
Investigasi ini melaporkan karakteristik MAPbI3 film perovskite pada substrat ITO/kaca dengan sputtering miring yang dibuat dengan berbagai waktu sputtering dan sudut sputtering. Ukuran butir MAPbI3 film perovskit meningkat dengan sudut sputtering miring dari film tipis ITO dari 0 ° hingga 80 °, menunjukkan bahwa sifat permukaan ITO mempengaruhi keterbasahan film tipis PEDOT:PSS dan dengan demikian mendominasi jumlah situs nukleasi perovskit. Efisiensi konversi daya (Eff) yang optimal dicapai 11,3% dalam sel dengan lapisan ITO miring yang disiapkan menggunakan sudut sputtering 30° untuk waktu sputtering 15 mnt.
Latar Belakang
Indium timah oksida (ITO) adalah bahan konduktif transparan yang terdiri dari indium oksida (Dalam2 O3 ) dan timah oksida (SnO2 ). Ini banyak digunakan dalam tampilan kristal cair, dioda pemancar cahaya, dan sel surya karena transparansi yang terlihat sekitar 96% dan konduktivitas sekitar 10 Ω/sq [1,2,3,4,5]. Beberapa metode untuk meningkatkan ketahanan dan transmisi film ITO telah dipelajari, termasuk anil dan sputtering dengan berbagai rasio gas dan tekanan operasi [5,6,7,8]. Sifat optoelektronik dari film ITO yang tergagap miring telah dilaporkan [9, 10]. Saat film ITO diendapkan, ia tumbuh sebagai film dengan struktur kolom miring pada sudut pada substrat, karena efek bayangan. Film ITO kolumnar menunjukkan morfologi yang berbeda, sifat optik anisotropik, dan resistivitas anisotropik [10].
Baru-baru ini, sel surya dengan bahan perovskit, seperti CH3 NH3 PbI3 , sebagai lapisan aktif telah menerima banyak minat karena efisiensi konversi daya yang menguntungkan [11,12,13,14,15,16,17,18]. Sebagian besar sel surya perovskit memiliki kaca oksida konduktif transparan (TCO), seperti ITO atau FTO (oksida timah yang didoping fluor), sebagai substratnya. Namun, sifat optoelektronik dari film TCO isotropik berbeda dari film TCO anisotropik. Oleh karena itu, penelitian ini mengembangkan sel surya perovskit planar menggunakan CH3 NH3 PbI3 (MAPbI3 ) perovskit pada substrat ITO miring yang disiapkan glancing angle deposition (GLAD). Penyelidikan ini mengkaji sifat optik, struktural, dan permukaan MAPbI3 film perovskite pada substrat ITO miring yang telah dianil pada berbagai suhu dan tergagap untuk berbagai waktu. Hubungan antara kinerja sel surya perovskit dan sifat-sifat film perovskit dibahas.
Metode
Dalam penelitian ini, kaca ITO dipotong kecil-kecil berukuran 1,5 × 1,5 cm
2
digunakan sebagai substrat. Substrat kaca ITO dibersihkan secara menyeluruh menggunakan aseton, etanol, dan air deionisasi (DI) dalam osilator ultrasonik selama 5 menit dan dikeringkan dengan nitrogen. Film ITO diendapkan ke substrat kaca ITO dengan sputtering pada berbagai sudut miring menggunakan target ITO, seperti yang disajikan pada Gambar 1a. Gas dan tekanan yang bekerja masing-masing adalah argon murni dan 5 mTorr. Setelah pengendapan, film dianil pada 300 °C selama 30 menit.
a Penampang skematik dari struktur lengkap dan sistem sputtering miring. b Gambar sampel FESEM penampang melintang dengan ITO miring miring 30°
Substrat kaca yang dilapisi dengan film ITO yang miring digunakan untuk sel surya perovskit. Film PEDOT:PSS dibuat dengan spin-coating pada substrat kaca ITO miring pada 5000 rpm selama 30 detik. Setelah spin-coating, film dianil pada 110 °C selama 10 menit. Lapisan perovskit diendapkan menggunakan spin-coating dua langkah ke substrat kaca PEDOT:PSS/miring ITO pada 1000 rpm selama 10 detik dan 5000 rpm selama 20 detik. Selama langkah pada 5000 rpm selama 20 detik, film pemintalan basah dipadamkan dengan menjatuhkan 100 μl toluena anhidrat ke atasnya. Larutan prekursor perovskit dibuat menggunakan 1,25 mmol metilamonium bromida dan 1,25 mmol PbI2 (dengan kemurnian 99,999%) yang dilarutkan dalam 1 mL cosolvent. Rasio volume dimetil sulfoksida (DMSO) terhadap -butirolakton (GBL) adalah 1:1. Setelah spin-coating, film dianil pada 100 °C selama 10 menit. Kemudian [6,6]-fenil-C61 -butyric acid methyl ester (PCBM) dilarutkan dalam klorobenzena (20 mg/mL) dan spin-coated pada lapisan perovskit pada 3000 rpm selama 30 detik, membentuk film setebal 50 nm sebagai lapisan transpor elektron. Terakhir, elektroda Ag dengan ketebalan 20 nm diendapkan dengan penguapan termal untuk melengkapi struktur perangkat. Sampel ditutupi dengan topeng bayangan yang mendefinisikan area aktif 0,5 cm × 0,2 cm selama pengendapan. Gambar 1a secara skematis menggambarkan struktur lengkap. Gambar 1b menunjukkan gambar FESEM penampang melintang sampel dengan ITO miring miring 30°.
Hasil dan Diskusi
Struktur mikro kristal film diamati menggunakan difraktometer sinar-X. Sebuah mikroskop elektron pemindaian emisi lapangan (FESEM) digunakan untuk mengamati morfologi permukaan sampel. Kepadatan arus–tegangan (J –V ) karakteristik sel surya diukur menggunakan pengukur sumber terprogram Keithley 2420 di bawah iradiasi oleh lampu xenon 1000 W. Kepadatan daya iradiasi pada permukaan sel dikalibrasi hingga 1000 W/m
2
.
Gambar 2 menunjukkan pola XRD dari MAPbI3 film perovskite pada PEDOT:PSS/lapisan ITO miring/kaca pada berbagai sudut miring. Empat puncak rata-rata pada 14,28°, 28,5°, 30,61°, dan 31,93° sesuai dengan (110) perovskit, (220) perovskit, (110) SnO2 , dan (222) Dalam2 O3 pesawat, masing-masing. Saat sudut sputtering meningkat dari 0° menjadi 60°, (110) SnO2 dibentuk oleh penggabungan atom Sn. Ukuran domain kristal dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Scherrer [19]. Ukuran domain kristal MAPbI3 film perovskit dalam sampel berukuran sekitar 71,8 nm. Oleh karena itu, ukuran domain kristal MAPbI3 perovskite tidak terpengaruh oleh lapisan ITO miring.
Pola XRD dari MAPbI3 film perovskit pada PEDOT:PSS/lapisan ITO miring/kaca untuk berbagai sudut miring
Gambar 3 menunjukkan gambar SEM MAPbI3 film perovskit pada lapisan/kaca miring ITO untuk berbagai sudut miring. Ukuran butir (atau partikel) MAPbI3 film perovskit meningkat dengan sudut sputtering miring dari 0 ° hingga 80 °, mengungkapkan bahwa sifat permukaan ITO mempengaruhi jumlah situs nukleasi perovskit. Karena ITO tidak bersentuhan langsung dengan film tipis perovskit dan film tipis PEDOT:PSS disisipkan di antara ITO dan perovskit, sifat permukaan ITO tidak boleh secara langsung mempengaruhi sifat film tipis perovskit. Oleh karena itu, keterbasahan film tipis PEDOT:PSS [20] terkait dengan sifat permukaan ITO. Oleh karena itu, ukuran butir yang berbeda pada MAPbI3 film perovskit mungkin terkait dengan keterbasahan substrat [21, 22]. Percobaan pada sudut kontak tetesan air dilakukan untuk menilai keterbasahan film tipis PEDOT:PSS pada sampel ITO/kaca yang berbeda, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Sudut kontak sebanding dengan ukuran butir dalam MAPbI3 film tipis, menunjukkan bahwa nukleasi dan pertumbuhan kristal MAPbI3 film tipis dapat dikontrol dengan memvariasikan keterbasahan permukaan PEDOT:PSS/miring ITO/kaca. Gambar sudut kontak sampel ITO/kaca miring diperoleh untuk memahami variasi keterbasahan permukaan sampel PEDOT:PSS/miring ITO/kaca, seperti yang digambarkan pada Gambar. 5. Keterbasahan PEDOT:PSS/miring ITO/ sampel kaca berbanding terbalik dengan keterbasahan sampel ITO/kaca miring, sehingga distribusi vertikal polimer PSS hidrofilik dan polimer PEDOT hidrofobik dapat dimanipulasi dengan memvariasikan keterbasahan permukaan sampel ITO/kaca miring. Polimer PSS disarankan untuk didistribusikan sebagian besar di permukaan atas film tipis PEDOT:PSS ketika substrat memiliki permukaan hidrofobik (Gbr. 5a), menghasilkan sudut kontak tetesan air kecil pada film tipis PEDOT:PSS (Gbr. 4a). Hasil eksperimen (XRD dan SEM) menunjukkan bahwa MAPbI3 butir adalah MAPbI multi-kristal3 partikel [23].
a –d Gambar SEM MAPbI3 film perovskit pada PEDOT:PSS/lapisan ITO miring/kaca untuk berbagai sudut miring
a –d Gambar yang menunjukkan sudut kontak air pada PEDOT:PSS/miring lapisan ITO/kaca untuk berbagai sudut miring. Sudut kontak CA
a –d Gambar yang menunjukkan sudut kontak air pada lapisan/kaca miring ITO untuk berbagai sudut miring
Gambar 6 menyajikan spektrum fotoluminesensi (PL) dari MAPbI3 film perovskite pada PEDOT:PSS/miring ITO/kaca untuk berbagai sudut miring. Satu puncak utama diamati pada 768 nm, sesuai dengan emisi oleh MAPbI3 . Temuan ini didukung oleh hasil XRD. Energi emisi PL MAPbI3 perovskite tidak terpengaruh dari bawah lapisan ITO miring. Selain itu, intensitas PL yang berbeda dari film MAPbI3 pada ITO yang tergagap dengan berbagai sudut miring diperoleh sebagai hasil dari pemisahan rangsangan yang diinduksi cahaya. Antarmuka yang lebih baik antara PEDOT:PSS dan perovskite memberikan pemisahan eksiton yang lebih baik, mendorong efek pendinginan PL yang lebih kuat. Oleh karena itu, ITO pada sudut miring 80° menunjukkan pemisahan eksiton terbaik dari lapisan perovskit ke PEDOT:PSS, berkat kemampuan pembasahan permukaan yang menguntungkan dari PEDOT:PSS/miring ITO, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4.
Spektrum PL MAPbI3 film perovskit pada PEDOT:PSS/lapisan ITO miring/kaca untuk berbagai sudut miring
Gambar 7 memplot rapat arus–tegangan (J –V ) kurva sel surya berdasarkan MAPbI3 perovskit dengan lapisan ITO miring yang tergagap pada berbagai sudut miring dan mengalami perlakuan panas pada suhu anil 300 °C. Waktu sputtering adalah 15 mnt. Tabel 1 menyajikan efisiensi konversi daya (Eff) yang dihasilkan, rapat arus hubung singkat (Jsc ), tegangan rangkaian terbuka (Vok ), dan fill factor (FF) dari MAPbI3 sel surya. Performa perangkat menurun seiring dengan meningkatnya sudut sputtering dari lapisan ITO miring, karena kandungan oksigen di lapisan ITO miring dan resistensinya meningkat seiring dengan sudut sputtering [10]. Efisiensi maksimum dapat dicapai setelah pengendapan pada sudut miring 30° karena konduktivitas yang menguntungkan.
Kerapatan arus–tegangan (J –V ) sel surya berdasarkan MAPbI3 perovskit dengan lapisan ITO miring yang tergagap pada berbagai sudut miring
Gambar 8 memplot rapat arus–tegangan (J –V ) kurva sel surya berdasarkan MAPbI3 perovskite dengan sputtering lapisan ITO miring untuk berbagai waktu sputtering, sebelum menjalani perlakuan panas pada suhu anil 300 °C. Tabel 2 menyajikan efisiensi konversi daya (Eff) yang sesuai, rapat arus hubung singkat (Jsc ), tegangan rangkaian terbuka (Vok ), dan fill factor (FF) dari MAPbI3 sel surya. Efisiensi optimal tercapai ketika waktu sputtering dari lapisan ITO miring adalah 15 menit karena ketebalan lapisan dan konduktivitas yang baik. Perangkat terbaik diperoleh dengan menggunakan sudut deposisi ini, dengan JSC = 20,46 mA/cm
2
, VOC = 0,92 V, FF = 60,00%, dan Eff = 11,30%.
Kerapatan arus–tegangan (J –V ) sel surya berdasarkan MAPbI3 perovskite dengan lapisan ITO miring yang tergagap untuk berbagai kali sputtering
Kesimpulan
Singkatnya, karya ini menunjukkan karakteristik MAPbI3 film perovskit pada substrat PEDOT:PSS/oblique-sputtering ITO/kaca yang dibuat menggunakan berbagai waktu sputtering dan sudut sputtering. Performa perangkat dioptimalkan menggunakan lapisan ITO miring yang disiapkan dengan sputtering pada 30° selama 15 menit, dengan rapat arus hubung singkat (JSC ) = 20,46 mA/cm
2
, tegangan rangkaian terbuka (VOC ) = 0,92 V, faktor pengisian (FF) = 66,0%, dan efisiensi konversi daya (Eff) = 11,3%. Performa perangkat menurun saat sudut sputtering dari lapisan ITO miring meningkat dari 30° menjadi 80° karena resistansi perangkat meningkat seiring dengan sudut sputtering. Meskipun lapisan ITO miring meningkatkan hamburan cahaya yang datang, resistivitas yang tinggi menurunkan kinerja perangkat. Oleh karena itu, efisiensi optimal dapat dicapai dengan pengendapan pada sudut miring 30° karena konduktivitas.
