Pengaruh Nanopartikel Ag dengan Berbagai Ukuran dan Konsentrasi Tertanam dalam Lapisan Kompak TiO2 Terhadap Efisiensi Konversi Sel Surya Perovskit

Metode

Berbagai pendekatan telah dikembangkan untuk persiapan NP Ag yang dikontrol ukuran [38, 54,55,56]. Dalam penelitian ini, kami memilih metode kimia pembuatan NP Ag dengan ukuran berbeda karena bahan kimia yang mudah tersedia dan protokol yang dapat dikontrol. Untuk NP Ag dengan diameter 10 nm, 0,75 g polivinilpirolidon (PVP, K30) dilarutkan dalam 50 ml etilen glikol. Setelah larutan PVP dipanaskan hingga 120 °C, 0,25 g perak nitrat (AgNO₃ ) yang dilarutkan dalam 25 ml etilen glikol ditambahkan tetes demi tetes dan dibiarkan bereaksi selama 1 jam pada suhu ini. Sebuah solusi koloid coklat muda terbentuk, yang menyiratkan pembentukan NP Ag. Untuk NP Ag berukuran 30 nm, 1,5 g PVP ditambahkan ke 20 ml etilen glikol agar larut sepenuhnya dan dipanaskan hingga 120 °C, kemudian 0,25 g AgNO₃ dilarutkan dalam 10 ml etilen glikol ditambahkan tetes demi tetes ke dalam larutan yang dipanaskan dan dibiarkan bereaksi selama 1 jam pada suhu ini. Warna larutan menjadi coklat setelah reaksi 1 jam. Untuk NP Ag berukuran 40 nm, 1,5 g PVP ditambahkan ke 20 ml etilen glikol agar larut sepenuhnya dan dipanaskan hingga 120 °C, kemudian 0,15 g AgNO₃ dilarutkan dalam 10 ml etilen glikol ditambahkan tetes demi tetes ke dalam larutan yang dipanaskan dan dibiarkan bereaksi selama 1 jam pada suhu ini. Warna larutan menjadi coklat setelah reaksi 1 jam. Untuk NP Ag 55 nm, prosedur dasar dan jumlah bahan baku sama dengan yang digunakan untuk NP Ag 30 nm, tetapi suhu pemanasannya adalah 150 °C untuk membentuk NP Ag yang lebih besar. Solusinya secara bertahap berubah menjadi coklat tua setelah reaksi 30 menit. Setelah didinginkan hingga suhu kamar, semua larutan dicuci secara berurutan dengan air deionisasi, etanol, dan aseton, diikuti dengan pengeringan pada suhu 50 °C semalaman dalam oven pengering vakum. Oleh karena itu, NP Ag dari empat ukuran berbeda diperoleh.

TiO₂ larutan prekursor kompak dibuat dengan menambahkan 1 ml titanium diisopropoksida bis (75%, Sigma-Aldrich, USA) ke dalam 19 ml etanol. Untuk menyiapkan prekursor yang mengandung NP Ag dengan ukuran dan konsentrasi yang berbeda, jumlah NP Ag yang berbeda ditambahkan dalam TiO₂ prekursor untuk memperoleh berbagai rasio molar Ag terhadap Ti, yaitu 0,5, 1, 1,5, 2, dan 2,5 mol%, dan diaduk selama 1 jam pada suhu kamar untuk membentuk larutan prekursor yang seragam. Untuk prekursor lapisan mesopori, ZrO₂ atau TiO₂ larutan koloid ditambahkan ke etanol, dengan perbandingan massa 1:5, dan diaduk selama 12 jam pada suhu kamar.

Substrat kaca/FTO dibersihkan terlebih dahulu dengan air deionisasi (dengan deterjen), aseton, isopropanol, dan etanol, secara berurutan, dalam kotak ultrasonik. Untuk pembuatan perangkat PSC, TiO₂ Prekursor sol-gel dengan ukuran Ag NP yang berbeda pertama-tama dispin-coating pada elektroda transparan pada 4000 rpm selama 20 detik, kemudian dipanaskan pada 150 °C selama sekitar 10 menit. Prosedur di atas diulang untuk pembuatan film kompak, yang akhirnya terbentuk setelah anil pada 500 °C selama 30 menit. Metode yang sama digunakan untuk membuat TiO murni₂ film kompak tanpa NP logam. Kemudian, substrat dengan film kompak dicelupkan ke dalam larutan berair TiCl₄ selama 30 menit, pada 70 °C, dan selanjutnya dipanaskan pada 150 °C selama kurang lebih 10 menit untuk mengoptimalkan TiO₂ lapisan kompak.

TiO mesopori₂ lapisan diendapkan di atas film kompak melalui spin-coating TiO₂ larutan koloid pada 3500 rpm selama 20 s, dilanjutkan dengan pemanasan pada suhu 150 °C selama 10 menit dan annealing pada suhu 500 °C selama 30 menit untuk menghasilkan anatase TiO₂ lapisan mesopori. Telah terbukti bahwa adopsi ZrO₂ di PSC dapat meningkatkan stabilitasnya [57]. Di sini, kami juga menggunakan ZrO₂ larutan koloid untuk spin-coating pada anatase TiO₂ film mesopori, dan diperoleh ZrO₂ film disinter pada 500 °C selama 30 menit. Setelah substrat didinginkan hingga suhu kamar, FA_0,4 MA_0,6 PbI₃ lapisan perovskit dibentuk dengan spin-coating larutan prekursor pada 1000 rpm selama 10 detik dan 4000 rpm selama 30 detik. Solusi prekursor perovskit (FA_0,4 MA_0,6 PbI₃ ) mengandung 462 mg PbI₂ , 95,4 mg metilamonium iodida (CH₃ NH₃ I, 99,99%), dan 68,8 mg formamidinium iodida (HN=CHNH₃ I, 99,99%), yang dilarutkan dalam 600 mg N ,T -dimetilformamida dan 78 mg dimetil sulfoksida. Selama spin-coating dari prekursor perovskit, 1 ml dietil eter ditambahkan secara merata untuk membentuk film perovskit yang stabil, menurut laporan sebelumnya [58], yang kemudian dipanaskan pada 100 °C selama 10 menit. Perangkat PSC diperoleh setelah elektroda penghitung karbon (30 μm) dibuat dengan sablon dan kemudian dianil pada 100 °C selama 30 mnt.

Mikroskop elektron pemindaian emisi lapangan (Zeiss Ultra Plus, Jerman) dan mikroskop elektron transmisi (TEM; JEM-2100F, Jepang) digunakan untuk menyelidiki penampang perangkat PSC, serta morfologi permukaan NP Ag dan compact film. Struktur kristal Ag dan TiO₂ nanopartikel diperoleh dengan difraktometer sinar-X (XRD; MAX-RB RU-200B, Jepang). Permukaan sampel lapisan kompak diukur dengan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS; ESCALAB 250Xi, Thermo Fisher Scientific). Tegangan rapat arus (J -V ) kurva PSC diuji oleh simulator lampu surya (Oriel Sol3A, Newport Corporation, USA), di bawah iluminasi AM 1.5G, pada 100 mW/cm ² intensitas. Spektrum serapan ditentukan dengan spektroskopi ultraviolet-tampak (UV-vis; Shimadzu, Jepang). Efisiensi konversi foton-ke-elektron insiden (IPCE; Newport Corporation, USA) digunakan untuk menyelidiki efisiensi kuantum perangkat PSC.

Hasil dan Diskusi

Untuk NP sferis, jika ukurannya jauh lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya datang, pendekatan kuasi-statis dapat digunakan untuk menggambarkan sifat LSPR-nya. Menurut teori Mie, dan dengan menerapkan pendekatan kuasi-statis, hamburan memainkan peran utama dengan meningkatnya radius NP bola, dan intensitas kepunahan terutama ditentukan oleh hamburan. Selain itu, penyerapan secara bertahap mempengaruhi intensitas kepunahan ketika radius NP bola menurun [59]. Namun, intensitas pemadaman juga terkait dengan status perangkap muatan NP bola dan konstanta dielektrik media sekitarnya. Dengan demikian, intensitas kepunahan perlu dipelajari lebih lanjut.

Gambar 1 menunjukkan pola XRD dari TiO₂ dan TiO yang mengandung Ag₂ . Jelas bahwa semua kurva XRD memiliki puncak kuat yang dikaitkan dengan anatase TiO₂ dengan kartu PDF anatase standar, yang menunjukkan bahwa struktur kristal TiO₂ hampir tidak berubah dengan penambahan Ag. Faktanya, puncak Ag tidak dapat diamati secara langsung karena konsentrasi Ag yang rendah dan puncak yang bertepatan pada sekitar 2θ = 38°.

Spektrum XRD TiO₂ dan TiO tertanam-Ag₂

Untuk menyelidiki unsur-unsur kimia dari TiO₂ komposit film kompak, XPS digunakan untuk mengeksplorasi energi ikatan kimia dari NP Ag yang tertanam dalam TiO₂ senyawa dalam film kompak. Gambar 2a menunjukkan energi ikat elektron Ag 3d dengan film kompak komposit. Puncak Ag 3d_5/2 dan Ag 3d_3/2 terletak di 368,3 dan 374,3 eV, yang konsisten dengan energi ikat standar Ag ⁰ [42, 43]. Ini menyiratkan bahwa unsur-unsur Ag dalam film kompak hadir dalam bentuk zat sederhana, tanpa reaksi kimia apa pun. Gambar 2b, c menunjukkan struktur perangkat dan gambar penampang perangkat PSC dengan NP Ag terintegrasi dalam lapisan kompak. Faktanya, ukuran ZrO₂ dan TiO₂ hampir sama sekitar 20 nm. Jadi, antarmuka antara ZrO₂ dan TiO₂ tidak mudah untuk diidentifikasi.

a Ag 3d XPS spektrum Ag/TiO₂ komposit. b Struktur perangkat Ag/TiO₂ sel surya perovskit. c Gambar FE-SEM penampang Ag/TiO₂ sel surya perovskit. d Diagram skema dari foto yang dihasilkan pemisahan dan transfer pembawa (lingkaran abu-abu, biru, dan kuning mewakili anatase TiO₂ , Ag, dan nanopartikel perovskit)

Karena distribusi Ag tidak dapat secara tepat dibedakan melalui pencitraan SEM, gambar TEM digunakan untuk menilai ukuran NP Ag dan Ag/TiO₂ film kompak komposit. Gambar TEM menunjukkan ukuran yang berbeda dari Ag NP dan Ag/TiO₂ komposit disajikan pada Gambar. 3. Gambar 3a–d menunjukkan perbedaan struktur dan distribusi ukuran hasil NP Ag dengan ukuran 10 nm (Gbr. 3a), 30 nm (Gbr. 3b), 40 nm (Gbr. 3c) , dan 55 nm (Gbr. 3d), yang dibuat dengan metode poliol. Seperti yang diamati pada gambar di atas, ukuran NP Ag individu menunjukkan sedikit variasi dan ukuran seragam NP Ag dapat dengan mudah dibedakan. Gambar 3f menunjukkan gambar Ag/TiO yang diperbesar₂ komposit dalam film kompak dari area bertitik pada Gambar. 3e. NP Ag dikelilingi oleh TiO₂ untuk pembentukan Ag/TiO₂ komposit, dan pinggiran kisi Ag dan TiO₂ NP berada sekitar 2,40 dan 3,50 Å dari area titik-titik pada Gambar. 3f.

Gambar HRTEM dan hasil distribusi ukuran a NP Ag 10-nm, b NP Ag 30-nm, c NP Ag 40-nm, dan d NP Ag 55-nm; Gambar HRTEM dari e Ag/TiO₂ film kompak komposit dan f gambar yang diperbesar dari area titik-titik e

Gambar 2e menunjukkan diagram skematis pemisahan dan transfer pembawa fotogenerasi dalam Ag/TiO₂ Perangkat PSC di bawah iradiasi cahaya tampak, tanpa ZrO₂ lapisan (panah merah menunjukkan jalur transpor elektron, dan panah biru mewakili jalur transpor lubang). Untuk TiO₂ lapisan kompak yang mengandung NP Ag, NP Ag dapat bertindak sebagai situs perangkap muatan, karena pita konduksi NP Ag berada di antara TiO₂ dan bahan perovskit [35]. Secara umum, LSPR Ag dapat meningkatkan absorbansi baik sel surya organik maupun perovskit secara signifikan [35, 36, 44, 45]. Dengan demikian, pengelolaan absorbansi dan perangkap muatan melalui penggunaan Ag NP dengan ukuran dan konsentrasi yang berbeda akan mempengaruhi kekuatan arus foto dan kinerja perangkat PSC.

Gambar 4a menyajikan spektrum serapan NP Ag dengan ukuran berbeda dalam air, yang ditunjukkan oleh puncak serapan yang berbeda. Puncak penyerapan yang sesuai dari 10-, 30-, 40-, dan 55-nm Ag NP masing-masing sekitar 400, 410, 415, dan 420 nm. Selain itu, spektrum serapan UV-vis Ag/TiO₂ film kompak komposit dan seluruh perangkat PSC yang mengandung Ag NP dengan berbagai ukuran dan konsentrasi yang berbeda masing-masing ditunjukkan pada Gambar. 4 dan 5. Seperti terlihat pada Gambar. 4b, absorbansi 10 nm Ag NP di Ag/TiO₂ komposit film kompak lebih tinggi dari ukuran lainnya, dan absorbansi bervariasi berbanding terbalik dengan ukuran NP Ag. Faktanya, spektrum serapan pada Gambar 4c mengikuti tren yang sama seperti yang digambarkan di atas pada Gambar 4b, menurun dengan peningkatan ukuran NP Ag. Ini mungkin karena peningkatan kehilangan optik yang disebabkan oleh pantulan NP Ag yang lebih besar dan efek LSPR yang kuat secara intrinsik dari NP Ag berukuran kecil. Menurut penelitian sebelumnya, ketika ukuran NP mental mulia meningkat, efek LSPR secara bertahap berkurang dan hamburan cahaya menjadi lebih dominan [37, 46, 47]. Dengan demikian, efek LSPR memiliki dampak yang besar pada absorbansi perangkat PSC ketika NP Ag relatif kecil.

Spektrum serapan UV-vis dari a ukuran sampel NP Ag yang berbeda, b Ag/TiO₂ sampel dengan berbagai ukuran NP Ag, dan c Ag/TiO₂ Sampel perangkat PSC dengan berbagai ukuran Ag NP

Spektrum penyerapan UV-vis dari film kompak dan seluruh perangkat PSC dengan a , b NP Ag 10-nm; c , d NP Ag 30-nm; e , f NP Ag 40-nm; dan g , h NP Ag 55-nm

Gambar 5a–h menunjukkan spektrum serapan UV-vis film kompak dan seluruh perangkat PSC dengan NP Ag 10-, 30-, 40-, dan 55-nm. Seperti yang diamati, dengan peningkatan kandungan Ag, penyerapan film kompak secara bertahap ditingkatkan di wilayah yang benar-benar terlihat. Penyerapan seluruh perangkat PSC mengikuti tren yang sama dengan peningkatan kandungan Ag. Spektrum ini secara kolektif menunjukkan bahwa 2,5 mol% kandungan Ag/TiO₂ memiliki penyerapan tertinggi pada setiap ukuran Ag NP yang unik, yang karena efek LSPR. Dengan peningkatan kandungan Ag NP, efek LSPR juga menjadi lebih kuat. Ukuran partikel nano memainkan peran penting dalam perilaku kepunahan, seperti penyerapan cahaya dan hamburan. Membandingkan Gbr. 4 dengan Gbr. 5a, c, e, g, puncak penyerapan plasmonik NP Ag 10-, 30-, 40-, dan 55-nm bergeser ketika NP Ag tertanam dalam TiO₂ lapisan kompak, yang dianggap berasal dari indeks bias TiO yang lebih besar₂ dibandingkan dengan air [48]. Faktanya, TiO₂ NP memiliki penyerapan yang relatif tinggi di wilayah panjang gelombang ini. Meskipun efek LSPR dari NP Ag terjadi setiap kali di bawah iradiasi cahaya, penyerapan pada daerah panjang gelombang yang lebih pendek dari 350 nm tidak menunjukkan peningkatan yang signifikan karena koefisien kepunahan yang tinggi dari bahan perovskit yang mengarah pada saturasi penyerapan cahaya. Absorbansi bahan perovskit kuat di daerah panjang gelombang pendek sekitar 400 nm dan relatif lemah di daerah panjang gelombang panjang 600 ~ 800 nm. Karena efek LSPR dari Ag NP, absorbansi seluruh perangkat PSC meningkat secara signifikan. Selain itu, NP Ag meningkatkan penyerapan cahaya di wilayah yang terlihat (380~780 nm), yang terutama dapat dikaitkan dengan LSPR NP Ag, selain penyerapan bahan perovskit, ketika ukuran NP Ag lebih kecil dari ~ 100 nm [46].

J . yang terukur -V kurva yang mengungkapkan kinerja perangkat PSC dengan ukuran dan konten Ag NP yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 6. Gambar 7 menunjukkan diagram dua dimensi dan tabel yang sesuai untuk PCE, rapat arus hubung singkat (J _sc ), tegangan rangkaian terbuka (V _ok ), dan fill factor (FF) dari Ag/TiO₂ Perangkat PSC dengan konten dan ukuran Ag NP yang berbeda. Faktanya, dibandingkan dengan perangkat tanpa NP Ag, perangkat dengan ukuran NP Ag yang berbeda dan konten Ag yang berbeda menunjukkan sedikit perbedaan dalam V _ok . Untuk ukuran NP Ag 10, 30, 40, dan 55 nm, J _sc dari Ag/TiO₂ Semua perangkat PSC lebih tinggi daripada perangkat tanpa Ag NP (20,38 mA cm ⁻² ), nilai yang sesuai adalah sekitar 23,02, 23,7, 22,46, dan 22,1 mA cm ⁻² , masing-masing. J . yang ditingkatkan _sc dari Ag/TiO₂ Perangkat PSC dapat dianggap berasal dari peningkatan penyerapan bahan perovskit oleh LSPR. Dengan demikian, penggabungan NP Ag dapat meningkatkan PCE perangkat PSC dengan meningkatkan intensitas penyerapan bahan perovskit. Untuk kandungan Ag NP yang sama, dengan bertambahnya ukuran Ag NP, PCE secara bertahap menurun. Peningkatan kehilangan optik yang disebabkan oleh refleksi dan penyerapan NP Ag yang lebih besar mengurangi penyerapan cahaya dari bahan perovskit. Berdasarkan tabel pada Gbr. 7, PCE Ag/TiO₂ Perangkat PSC berbanding terbalik dengan ukuran NP Ag, dan 1,5 mol% Ag/TiO₂ Perangkat PSC dengan 10-nm Ag NP memiliki PCE rata-rata 12,01% (dari 10 perangkat PSC) dan PCE tertinggi 13,26%. Untuk ukuran NP Ag 10 nm, J _sc dari 1,5 mol% Ag/TiO₂ Perangkat PSC sedikit lebih rendah daripada perangkat 2 mol% Ag/TiO₂ Perangkat PSC, tetapi 1,5 mol% Ag/TiO₂ Perangkat PSC memiliki FF tertinggi jika dibandingkan dengan semua konten 10-nm Ag/TiO₂ lainnya perangkat PSC. Namun, dengan peningkatan kandungan Ag NP, PCE Ag/TiO₂ Perangkat PSC dengan ukuran NP Ag yang berbeda menurun secara bertahap, yang disebabkan oleh situs perangkap muatan dari NP Ag, yang menurunkan kinerja PSC. Faktanya, NP Ag dianggap menjebak elektron yang dihasilkan oleh bahan perovskit dan dapat menghambat pengangkutan muatan karena tingkat energi yang berbeda antara TiO₂ dan NP Ag [60]. Dengan demikian, kombinasi efek hamburan cahaya dan LSPR secara signifikan dapat mempengaruhi kinerja Ag/TiO₂ Perangkat PSC.

J -V kurva perangkat PSC dengan konten berbeda dari berbagai ukuran NP Ag a 10 nm, b 30 nm, c 40 nm, dan d 55 nm

Histogram dua dimensi dan tabel yang sesuai dari a PCE, b J _sc , c tegangan, dan d FF perangkat PSC dengan ukuran dan konten Ag NP yang berbeda

Gambar 8 menunjukkan kurva IPCE perangkat PSC dengan atau tanpa NP Ag. Perangkat PSC dengan 10-nm Ag NPs menunjukkan peningkatan tertinggi dari IPCE di wilayah yang terlihat, seperti yang digambarkan pada Gambar. 8a. Selain itu, nilai peningkatan yang rendah dapat diamati ketika ukuran NP Ag lebih besar dari 10 nm. Secara umum, perangkat PSC dengan NP Ag memiliki nilai peningkatan IPCE yang lebih tinggi dibandingkan dengan sampel tanpa NP Ag, yang terutama disebabkan oleh peningkatan penyerapan oleh LSPR dari NP Ag. Dapat diamati pada Gambar. 8b–e bahwa nilai peningkatan IPCE sebesar 1,5 mol% Ag/TiO₂ Perangkat PSC tertinggi untuk setiap ukuran Ag NP. Selain itu, nilai peningkatan IPCE dari perangkat PSC menurun secara bertahap dengan peningkatan konten Ag, yang mungkin disebabkan oleh perangkap muatan pada NP Ag dan penurunan transpor elektron yang menurunkan PCE. Akhirnya, IPCE berkurang dengan transfer elektron ke NP Ag, di mana muatan terperangkap oleh penghalang antara TiO₂ dan NP Ag.

Spektrum IPCE (380 hingga 800 nm) perangkat PSC dengan a ukuran yang berbeda dari NP Ag, b konten yang berbeda dari 10-nm Ag NP, c konten berbeda dari NP Ag 30-nm, d konten berbeda dari NP Ag 40-nm, dan e konten berbeda dari NP Ag 55-nm

Kesimpulan

Pada artikel ini, kami menggunakan metode poliol untuk menyiapkan NP Ag dengan ukuran berbeda dan menyelidiki pengaruh ukuran dan kandungan NP Ag pada perangkat PSC. Peningkatan penyerapan perangkat PSC di wilayah yang terlihat terutama berasal dari LSPR dari NP Ag. Dengan bertambahnya ukuran dan kandungan Ag NP, intensitas penyerapan kedua TiO₂ film kompak dan perangkat PSC secara bertahap menurun dan meningkat, masing-masing. Dengan penambahan NP Ag, kemampuan pengangkutan muatan meningkat dan kinerja perangkat PSC secara konsekuen meningkat. Selain itu, perangkat PSC dengan ukuran dan jumlah Ag NP yang kecil menunjukkan nilai PCE dan IPCE yang lebih tinggi. Secara khusus, perangkat PSC dengan 10 nm Ag NP dan 1,5 mol% Ag/TiO₂ film kompak menunjukkan PCE tertinggi sebesar 13,26%. Hasil ini dapat memberikan referensi untuk memperkenalkan berbagai ukuran dan konten Ag NP ke dalam perangkat PSC untuk meningkatkan kinerjanya.

Prinsip Desain untuk Sel Surya Organik yang Ditingkatkan Plasmon Nanopartikel Preparasi Nanogel Polimer Termoresponsif dari Oligo(Ethylene Glycol) Diacrylate-Methacrylic Acid dan Karakterisasi Sifatnya