Pertumbuhan In Situ Nanokristal Logam Sulfida dalam Poli(3-hexylthiophene):[6,6]-Phenyl C61-Butyric Acid Methyl Ester Films untuk Sel Surya Hibrida Terbalik dengan Arus Foto yang Ditingkatkan
Abstrak
Telah dilaporkan bahwa kinerja sel surya organik heterojungsi massal dapat ditingkatkan dengan memasukkan struktur nano-hetero logam, semikonduktor, dan bahan dielektrik di lapisan aktif. Dalam naskah ini, CdS atau Sb2 S3 nanocrystals in situ dihasilkan di dalam poli(3-hexylthiophene):[6,6]-phenyl C61-butyric acid (P3HT:PC61 BM) sistem dengan mencampur P3HT dan PC secara acak61 BM dengan adanya prekursor kadmium atau antimon xanthate. Sel surya hibrida (HSC) dengan konfigurasi substrat indium oksida (ITO)/lapisan antarmuka CdS/P3HT:PC61 yang didoping timah BM:x berat% CdS/MoO3 /Ag dan lapisan antarmuka ITO/CdS /P3HT:PC61 BM:x berat% Sb2 S3 /MoO3 /Ag dibuat. Lapisan aktif hibrida (P3HT:PC61 BM:x berat% CdS atau P3HT:PC61 BM:x berat% Sb2 S3 ) dibentuk sepenuhnya oleh anil termal film yang mengakibatkan dekomposisi kadmium atau prekursor antimon xanthate menjadi CdS atau Sb2 S3 nanokristal, masing-masing. Efek dari x wt.% CdS (atau Sb2 S3 ) nanocrystals pada kinerja HSC dipelajari. Dari penyerapan UV–Vis, mobilitas lubang, dan karakterisasi morfologi permukaan, telah terbukti bahwa penggabungan 3 wt.% CdS (atau Sb2 S3 ) nanocrystals di lapisan aktif P3HT:PC61 Sel surya berbasis BM meningkatkan penyerapan optik, mobilitas lubang, dan kekasaran permukaan dibandingkan dengan P3HT:PC61 Sel surya berbasis BM, sehingga menghasilkan efisiensi konversi daya (PCE) perangkat yang lebih baik.
Latar Belakang
Perangkat fotovoltaik berbasis semikonduktor organik dilengkapi dengan berbagai karakteristik yang menguntungkan, seperti ringan, biaya rendah, kemudahan pembuatan skala besar roll-to-roll berbasis solusi dan kompatibilitas dengan bahan fleksibel [1, 2]. Selain itu, semikonduktor anorganik ideal untuk sel surya yang sangat efisien karena mobilitas muatannya yang unggul, stabilitas kimia, serta penyerapan cahaya yang ditingkatkan (potensi untuk menyetel celah pita optiknya ke wilayah inframerah-dekat) [3, 4]. Oleh karena itu, sel surya hibrid (HSC), yang terdiri dari semikonduktor organik dan semikonduktor anorganik, telah menarik perhatian yang cukup besar terutama karena janji untuk mengintegrasikan kualitas menarik dari kedua kelas bahan [5,6,7]. Sebuah HSC khas didasarkan pada konsep heterojunction massal di mana campuran bahan organik dan nanopartikel anorganik lapisan aktif terjepit di antara dua elektroda pengumpul muatan [5,6,7]. Sampai saat ini, berbagai bahan organik, seperti polimer terkonjugasi celah pita rendah [7], bersama dengan banyak bahan anorganik, termasuk bahan nano logam (Ag, Au) [8, 9], silikon [10, 11], oksida logam nanopartikel (ZnO, TiO2 ) [12,13,14], nanopartikel silikon dioksida (SiO2 ) [15], senyawa kadmium (CdS, CdSe, CdTe) [16,17,18], nanopartikel celah pita rendah (PbS, PbSe, Sb2 S3 ,Cu2 S, SnS2 , CuInS2 , FeS2 ) [19,20,21,22,23,24,25], dan seterusnya, telah diterapkan sebagai lapisan aktif di HSC.
Kinerja HSC sangat tergantung pada kemampuan untuk mengontrol bahan dan struktur antarmuka pada skala panjang nanometer [26]. Metode konvensional untuk membuat lapisan aktif komposit organik dan anorganik adalah secara langsung mencampurkan polimer organik yang diberikan dengan nanokristal anorganik tertutup ligan yang disiapkan dengan menggunakan kosolven [16,17,18,19,20,21,22,23, 24,25]. Meskipun penggabungan ligan permukaan ke dalam komposit organik/anorganik dapat meningkatkan distribusi nanocrystals dalam polimer terkonjugasi, ligan rantai panjang akan membentuk antarmuka isolasi antara matriks polimer dan nanocrystals. Akibatnya, antarmuka isolasi akan menghambat transfer muatan antara polimer dan nanocrystals, dan cosolvent akan mempengaruhi orientasi rantai polimer serta kelarutan nanocrystals anorganik, sehingga mempengaruhi efisiensi konversi daya (PCEs) perangkat. 5, 27]. Kelemahan ini sebagian besar dapat dielakkan dengan beberapa strategi alternatif, termasuk pertukaran ligan [27, 28], penggunaan tiol, poli dan oligotiofen, dan surfaktan kopolimer yang difungsikan amina [29,30,31], menggunakan ligan yang dapat dibelah secara termal [ 32] dan sintesis nanokristal dalam konduksi larutan polimer [33]. Strategi alternatif lain adalah generasi in situ dari semikonduktor anorganik di dalam bahan organik tanpa surfaktan atau ligan [26, 34, 35]. Dalam prosesnya, larutan polimer yang mengandung prekursor organologam yang larut dengan baik dari nanopartikel anorganik diendapkan. Karena prekursor organologam mudah larut dalam media organik, prekursor tersebut dapat dicetak menjadi film tipis bersama-sama dengan polimer dari larutan. Setelah dekomposisi termal film, prekursor organologam diubah menjadi bahan anorganik dengan lapisan polimer, memastikan pencampuran yang intim dan transportasi muatan yang diinduksi foto secara efisien. Dengan cara ini, lapisan aktif hibrida dapat terbentuk di bawah kondisi tanpa ligan permukaan dan kosolvent. Kelompok Haque telah melaporkan metode umum berdasarkan dekomposisi termal terkontrol in situ dari prekursor xantat logam sumber tunggal di dalam film polimer [26, 36,37,38,39,40]. Perangkat fotovoltaik berdasarkan lapisan hibrida tersebut dengan konfigurasi substrat indium oksida timah (ITO)/TiO2 /CdS lapisan antarmuka/P3HT:CdS/poli(3,4-etilendioksitiofena) yang didoping dengan asam polistirena sulfonat (PEDOT:PSS)/Ag dan ITO/TiO2 /CdS lapisan antarmuka/P3HT:Sb2 S3 /PEDOT:PSS/Ag ditunjukkan untuk menunjukkan PCE masing-masing 2,17 dan 1,29% [36, 38].
Dalam artikel ini, untuk pertimbangan penggunaan efek sinergis antara P3HT:PC61 Sel surya berbasis BM dan nanokristal logam sulfida (CdS dan Sb2 S3 ) sebagai bahan yang diolah untuk menawarkan mobilitas muatan yang unggul dan meningkatkan penyerapan cahaya, kami melaporkan HSC dengan konfigurasi lapisan antarmuka ITO/CdS/P3HT:PC61 BM:x berat% CdS/MoO3 /Ag dan lapisan antarmuka ITO/CdS/P3HT:PC61 BM:x berat% Sb2 S3 /MoO3 /Ag. Di sini, ITO dan Ag dibuat sebagai katoda dan anoda atas, sedangkan lapisan antarmuka CdS dan MoO3 masing-masing digunakan untuk lapisan pengangkut elektron dan lubang. CdS atau Sb2 S3 nanocrystals in situ dihasilkan di dalam P3HT:PC61 Sistem BM dengan mencampur P3HT dan PC secara acak61 BM dengan ada atau tidak adanya prekursor kadmium atau antimon xanthate. Lapisan aktif hibrida (P3HT:PC61 BM:x berat% CdS atau P3HT:PC61 BM:x berat% Sb2 S3 ) dibentuk sepenuhnya oleh anil termal film yang mengakibatkan dekomposisi kadmium atau prekursor antimon xanthate menjadi CdS atau Sb2 S3 nanokristal, masing-masing. Efek dari x wt.% CdS (atau Sb2 S3 ) nanocrystals pada kinerja P3HT:PC61 HSC berbasis BM dipelajari. Dan PCE tertinggi 2,91 dan 2,92% diperoleh untuk HSC dengan 3 wt.% CdS nanocrystals dan 3 wt.% Sb2 S3 nanokristal, masing-masing. Penyerapan UV–Vis, mobilitas lubang, dan karakterisasi morfologi permukaan lapisan aktif telah dilakukan untuk memahami kemungkinan alasan peningkatan kinerja perangkat.
Metode/Eksperimental
Fabrikasi dan Karakterisasi HSC
HSC organik/anorganik, dengan konfigurasi perangkat lapisan antarmuka ITO/CdS /P3HT:PC61 BM:x wt.% CdS atau Sb2 S3 /MoO3 /Ag dibuat sebagai berikut:pertama, prekursor kadmium xantat (Di(ethylxanthato-κ
2S ,S )bis(piridin-κ N )kadmium(II), Cd(S2 COEt)2 (C5 H4 N)2 , Et = ethy) dan prekursor antimon xanthate (Tri(ethylxanthato-κ
2S ,S )antimon(III), Sb(S2 COEt)3 ) disiapkan masing-masing mengikuti prosedur yang diterbitkan sebelumnya [26, 38, 39]. Kedua, kaca berlapis ITO berpola dengan ketahanan lembaran 10~15 Ω persegi
−1
dibersihkan dalam air deionisasi, aseton, dan isopropanol secara bergantian. Setelah itu, lapisan antarmuka CdS (10 nm) diendapkan sebagai lapisan pengangkut elektron mengikuti karya yang diterbitkan sebelumnya [41], dari larutan klorobenzena 100 mg/mL Cd(S2 COEt)2 (C5 H4 N)2 dengan spin coating pada 6000 rpm selama 40 detik diikuti dengan annealing pada 160 °C selama 15 menit dalam kotak sarung tangan nitrogen. Lapisan aktif disimpan di atas lapisan antarmuka CdS. P3HT:PC61 yang murni BM pada larutan rasio berat 1:1 dalam klorobenzena dengan konsentrasi 17 mg mL
−1
P3HT disiapkan. Untuk membentuk larutan hibrida, prekursor kadmium xantat (Cd(S2 COEt)2 (C5 H4 N)2 ) atau prekursor antimon xanthate (Sb(S2 COEt)3 ) ditambahkan ke larutan murni (x wt.% CdS atau Sb2 S3 terhadap bobot P3HT). Lapisan aktif adalah spin-casting dari larutan campuran ini pada 600 rpm selama 40 detik diikuti dengan anil pada hot plate pada 160 °C selama 30 menit dalam kotak sarung tangan. Dalam eksperimen kontrol, P3HT:PC61 Lapisan khusus BM (pada larutan rasio berat 1:1 dalam klorobenzena dengan konsentrasi 17 mg mL
−1
dari P3HT) tanpa Cd(S2 COEt)2 (C5 H4 N)2 atau Sb(S2 COEt)3 juga spin-coated dan anil pada kondisi eksperimental yang sama. Kemudian, sampel dipindahkan ke ruang vakum tinggi (di bawah vakum 3 × 10
−5
Pa) untuk menyelesaikan HSC, di mana MoO setebal 8 nm3 lapisan pengumpul lubang dan anoda Ag setebal 100 nm diuapkan secara termal melalui topeng bayangan. Ketebalan katoda yang diuapkan dipantau oleh monitor rasio/ketebalan kristal kuarsa (SI-TM206, Shenyang Science Co.). Selain itu, setiap perangkat memiliki area aktif 0,10 cm
2
. Semua proses fabrikasi dilakukan di dalam atmosfer yang terkendali dalam drybox nitrogen (Etelux Co.) yang mengandung oksigen dan kelembapan kurang dari 1 ppm.
Film Tipis dan Karakterisasi Perangkat
Data difraksi sinar-X (XRD) diukur pada difraktometer sinar-X X'Pert Pro alitik PAN yang dilengkapi dengan radiasi Cu Kα monokromatisasi grafit (λ = 1.541874 Å). Tegangan percepatan ditetapkan pada 40 kV dengan fluks 40 mA dalam rentang 2θ 10–70°. Pengukuran analisis termogravimetri (TGA) dari kompleks prekursor logam xantat dilakukan pada sistem analisis termal (pyris diamond 6300, PerkinElmer) di bawah pemanas kecepatan 10 °C min
−1
dan laju aliran nitrogen 20 mL mnt
−1
. Pengukuran penyerapan UV-Vis dari sampel dicatat pada suhu kamar dengan spektrofotometer U-3900H (Shanghai Tianmei). PCE dari HSC yang dihasilkan diukur di bawah 1 matahari, kondisi AM 1.5G (Air mass 1.5 global) menggunakan simulator surya (XES-70S1, San-EI Electric Co.) (100 mW cm
−2
). Karakteristik kerapatan–tegangan (J–V) saat ini dicatat dengan unit pengukuran sumber Keithley 2410 di kotak kering nitrogen (Etelux Co.). Respon spektral perangkat diukur dengan EQE/foton insiden komersial ke pengaturan efisiensi konversi saat ini (IPCE) (7-SCSpecIII, Beijing 7-star Optical Instruments Co., Ltd.). Detektor silikon yang dikalibrasi digunakan untuk menentukan fotosensitivitas absolut. Gambar mikroskop gaya atom (AFM) mode penyadapan diperoleh menggunakan sistem MFP-3D-SA (Penelitian Suaka).
Hasil dan Diskusi
Stabilitas termal Cd(S2 COEt)2 (C5 H4 N)2 dan Sb(S2 COEt)3 diselidiki oleh TGA terlebih dahulu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1. Cd(S2 COEt)2 (C5 H4 N)2 mulai terurai pada sekitar 50 °C dan selesai pada 150 °C, massa residu akhir (sekitar 25,0%) mendekati massa CdS (28,1%), yang juga dibuktikan dalam pekerjaan sebelumnya [41]. Sb(S2 COEt)3 mulai terurai pada sekitar 120 °C dan selesai pada 160 °C, dan berat yang tersisa (35,8%) sesuai dengan Sb2 S3 (35,0%), yang konsisten dengan pekerjaan sebelumnya [42].
Plot TGA dari Cd(S2 COEt)2 (C5 H4 N)2 dan Sb(S2 COEt)3
Film tipis dilapisi spin dari larutan klorobenzena Cd(S2 COEt)2 (C5 H4 N)2 atau Sb(S2 COEt)3 terlebih dahulu, kemudian dianil pada suhu 160 °C selama 30 menit. Akibatnya, film tipis kuning atau oranye diperoleh, masing-masing. Untuk mengkarakterisasi sifat struktur film tipis, studi XRD dari film anil dilakukan. Pola XRD produk ditunjukkan pada Gbr. 2. Menurut pola referensi untuk CdS heksagonal (PDF 41-1049) dan CdS kubik (PDF 01-080-0019), terlihat bahwa puncak difraksi pada Gbr. 2a dapat diindeks ke campuran struktur kristal heksagonal dan kubik, yang ditunjukkan di atas puncak (h dan c menunjukkan fase heksagonal dan kubik, masing-masing), seperti yang dijelaskan dalam artikel sebelumnya [37]. Puncak difraksi pada Gambar. 2b dapat diindeks sepenuhnya ke fase ortorombik Sb2 S3 (konstanta sel a = 11.23 Å, b = 11.31 Å, c = 3.841 Å; File kartu JCPDS 42–1393) [43, 44], yang sesuai dengan hasil TG pada Gambar. 1.
Pola XRD dari film tipis diperoleh dengan dekomposisi termal a (Cd(S2 COEt)2 (C5 H4 N)2 ) dan b Sb(S2 COEt)3 , masing-masing
Morfologi permukaan CdS dan Sb2 S3 film tipis juga telah dieksploitasi. File tambahan 1:Gambar S1 menyajikan evolusi morfologi ITO sebelum (File tambahan 1:Gambar S1a) dan setelah dekomposisi termal (160 °C, 15 mnt) larutan klorobenzena Cd(S2 COEt)2 (C5 H4 N)2 (File tambahan 1:Gambar S1b) dan Sb(S2 COEt)3 (File tambahan 1:Gambar S1c). Seperti yang dijelaskan dalam pekerjaan kami sebelumnya [41], dapat dilihat bahwa permukaan ITO telanjang menunjukkan kumpulan kristal halus yang padat dengan ukuran butir sekitar 10 nm. Setelah dekomposisi termal larutan klorobenzena dari kadmium atau prekursor antimon xantat, terlihat bahwa film kristal nano CdS (sekitar 60~100 nm) atau Sb2 S3 film nanocrystal (kelompok berukuran 100~200 nm) terbentuk pada substrat ITO.
Untuk mempelajari efek CdS (atau Sb2 S3 ) nanocrystals pada kinerja P3HT:PC61 HSC berbasis BM, perangkat telah dibuat menggunakan struktur lapisan antarmuka ITO/CdS/P3HT:PC61 BM:x berat% CdS (atau Sb2 S3 )/MoO3 /Ag seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a. CdS atau Sb2 S3 nanocrystals in situ dihasilkan di dalam P3HT:PC61 Sistem BM dengan mencampur P3HT dan PC secara acak61 BM dengan ada atau tidak adanya prekursor kadmium atau antimon xanthate. Lapisan aktif hibrida (P3HT:PC61 BM:x berat% CdS atau P3HT:PC61 BM:x berat% Sb2 S3 ) dibentuk sepenuhnya oleh anil termal film yang menyebabkan prekursor kadmium atau antimon xantat terdekomposisi menjadi CdS atau Sb2 S3 nanocrystals, masing-masing (gambar SEM dari P3HT:PC61 BM, P3HT:PC61 BM:3 wt.% CdS, dan P3HT:PC61 BM:3 berat% Sb2 S3 film pada substrat ITO ditampilkan di File tambahan 1:Gambar S2). Suhu anil 160 °C dan waktu anil selama 30 menit dipilih dalam percobaan kami untuk membuat prekursor kadmium atau antimon xanthate terurai sepenuhnya (lihat plot TGA dari Cd(S2 COEt)2 (C5 H4 N)2 dan Sb(S2 COEt)3 pada Gambar. 1).
a Diagram skema dari HSC. b Kurva J–V dari HSC berdasarkan P3HT:PC61 BM:CdS dengan berat berbeda dari kristal nano CdS. c Kurva J–V dari HSC berdasarkan P3HT:PC61 BM:Sb2 S3 dengan berat yang berbeda dari Sb2 S3 nanokristal. d Diagram pita energi bahan yang digunakan pada lapisan aktif di HSC
Karakteristik J–V dari HSC dengan CdS% berat yang berbeda (atau Sb2 S3 ) nanocrystals dimasukkan ke dalam lapisan organik ditunjukkan pada Gambar. 3b (atau Gambar. 3c), dan parameter fotovoltaik, termasuk arus hubung singkat (Jsc ), tegangan rangkaian terbuka (Vok ), faktor pengisian (FF), resistansi seri (RS ), dan PCE, tercantum dalam Tabel 1. Semua data yang diberikan adalah nilai rata-rata yang dihitung dari lebih dari 20 perangkat. Perangkat tanpa CdS (atau Sb2 S3 ) nanocrystals (lapisan antarmuka ITO/CdS/P3HT:PC61 BM:/MoO3 /Ag) menunjukkan Jsc sebesar 7,77 mAcm
−2
, sebuah Vok 0,58 V, FF 0,52, dan PCE 2,34%. Dengan tambahan CdS atau Sb2 S3 nanocrystals, diamati bahwa Vok , yang dibatasi oleh perbedaan energi antara tingkat orbital molekul tertinggi (HOMO) donor polimer dan tingkat orbital molekul kosong (LUMO) akseptor terendah dalam sel surya polimer [45, 46], tetap sekitar 0,58–0,59 V dalam semua HSC. Hal ini dapat dipahami dari fakta bahwa PC61 BM bertindak sebagai akseptor dan CdS atau Sb2 S3 mungkin bertindak sebagai kaskade elektron (diagram pita energi bahan yang digunakan dalam lapisan aktif di HSC ditunjukkan pada Gambar. 3d), seperti yang disebutkan dalam pekerjaan sebelumnya [47]. Untuk HSC dengan penambahan CdS, Jsc pertama meningkat dari 7,77 menjadi 8,72 mA cm
−2
dengan peningkatan CdS dari 0 menjadi 3 wt.%, lalu menurun menjadi 8,23 mA cm
−2
ketika massa CdS semakin meningkat dari 3 menjadi 7 berat. Secara bersamaan, RS jelas berkurang dari 22,15 Ω cm
2
(0 berat CdS) hingga 16,70 Ω cm
2
(3 wt.% CdS), berkontribusi pada peningkatan FF yang luar biasa dari 0,52 menjadi 0,56. Hasilnya, HSC dengan 3 wt.% CdS nanocrystals menghasilkan kinerja perangkat terbaik, memberikan PCE sebesar 2,91%. Perlu disebutkan di sini bahwa nilai ini jauh lebih tinggi daripada PCE terbaik 0,95% yang diperoleh kelompok Chand di HSC (ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PC61 BM:CdS/Al) menggunakan nanokristal CdS yang difabrikasi secara kimia larutan sebagai salah satu komponen lapisan aktif [48]. Aturan perubahan Jsc dan FF di HSC dengan penambahan Sb2 S3 serupa dengan HSC dengan penambahan CdS, kecuali peningkatan yang lebih jelas dari Jsc (dari 7,77 hingga 9,15 mA cm
−2
) dengan peningkatan Sb2 S3 dari 0 hingga 3 % berat. Secara kebetulan, perangkat dengan 3 wt.% Sb2 S3 nanocrystals juga memberikan PCE tertinggi 2,92% dengan Jsc sebesar 9,15 mAcm
−2
, Vok 0,58 V, FF 0,54.
Parameter lain yang berguna untuk menentukan PCE dari HSC adalah IPCE, yang mencapai 100% ketika semua foton yang datang menghasilkan pasangan lubang elektron. Namun, dalam situasi praktis, karena kerugian yang disebabkan oleh pantulan foton yang datang, penyerapan foton yang tidak sempurna oleh semikonduktor, dan rekombinasi pembawa muatan dalam semikonduktor, IPCE biasanya kurang dari 100% [8]. Spektrum IPCE untuk perangkat fotovoltaik berdasarkan P3HT:PC61 BM, P3HT:PC61 BM:3 wt.% CdS, dan P3HT:PC61 BM:3 berat.% Sb2 S3 ditampilkan pada Gambar. 4a untuk perbandingan. Meskipun semua spektrum IPCE memiliki bentuk yang serupa, nilai IPCE untuk HSC yang mengandung P3HT:PC61 BM:3 wt.% CdS (atau P3HT:PC61 BM:3 berat.% Sb2 S3 ) lebih tinggi dari P3HT:PC61 BM di semua panjang gelombang (300–650 nm). Misalnya, perangkat fotovoltaik P3HT:PC61 BM ditemukan memiliki IPCE maksimum mendekati 55% pada 540 nm dan IPCE HSC dengan P3HT:PC61 BM:3 wt.% CdS dan P3HT:PC61 BM:3 berat.% Sb2 S3 masing-masing adalah 60 dan 65% pada panjang gelombang yang sama.
a Kurva IPCE dari HSC berdasarkan P3HT:PC61 BM, P3HT:PC61 BM:3 wt.% CdS, dan P3HT:PC61 BM:3 berat% Sb2 S3 . b Spektrum absorbansi UV–Vis dari film P3HT:PC61 BM, P3HT:PC61 BM:3 wt.% CdS, dan P3HT:PC61 BM:3 berat% Sb2 S3
Untuk memahami kemungkinan alasan peningkatan kinerja perangkat dengan penambahan CdS atau Sb2 S3 nanocrystals, studi penyerapan UV-Vis pertama telah dilakukan pada film P3HT:PC61 BM, P3HT:PC61 BM:3 wt.% CdS, dan P3HT:PC61 BM:3 berat% Sb2 S3 dengan ketebalan yang sama. Spektrum serapan UV-Visible pada Gambar 4b menunjukkan bahwa serapan film penambahan CdS atau Sb2 S3 nanocrystals di P3HT:PC61 BM hampir mirip dengan P3HT:PC61 BM, sedangkan penyerapan P3HT:PC61 BM:3 wt.% CdS sedikit lebih tinggi dari P3HT:PC61 BM Selanjutnya penyerapan P3HT:PC61 BM:3 berat.% Sb2 S3 jelas lebih tinggi dari P3HT:PC61 BM Yaitu, penyematan 3 wt.% CdS atau Sb2 S3 di P3HT:PC61 Matriks BM meningkatkan penyerapan optik dengan benar dibandingkan dengan P3HT:PC61 BM, oleh karena itu meningkatkan JSC perangkat.
Setelah itu, lubang mobilitas perangkat berdasarkan P3HT:PC61 BM, P3HT:PC61 BM:3 wt.% CdS, dan P3HT:PC61 BM:3 berat% Sb2 S3 ditentukan dengan menerapkan model arus terbatas ruang-charge (SCLC) [49]. Gambar 5 menunjukkan J
1/2
–V kurva perangkat lubang saja (ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PC61 BM(atau P3HT:PC61 BM:3 wt.% CdS atau P3HT:PC61 BM:3 berat% Sb2 S3 )/MoO3 /Ag). Mobilitas lubang semu yang dihitung dari model SCLC ditemukan 4,09 × 10
−5
cm
2
V
−1
s
−1
, 1,53 × 10
−4
cm
2
V
−1
s
−1
, dan 1,69 × 10
−4
cm
2
V
−1
s
−1
untuk perangkat dengan P3HT:PC61 BM, P3HT:PC61 BM:3 wt.% CdS, dan P3HT:PC61 BM:3 berat% Sb2 S3 sebagai lapisan aktif, masing-masing. Jelas, mobilitas lubang meningkat ketika 3 wt.% CdS atau Sb2 S3 tertanam di P3HT:PC61 matriks BM. Penelitian telah menunjukkan bahwa di P3HT:PC61 BM, mobilitas elektron lebih tinggi dari mobilitas lubang dan ketidakseimbangan pembawa seperti itu merugikan kinerja fotovoltaik [9, 50]. Peningkatan mobilitas lubang perangkat berdasarkan P3HT:PC61 BM:3 wt.% CdS atau P3HT:PC61 BM:3 berat% Sb2 S3 memungkinkan transportasi muatan yang lebih seimbang di lapisan aktif, sehingga meningkatkan JSC dan FF, selanjutnya meningkatkan PCE perangkat, seperti yang disebutkan dalam pekerjaan sebelumnya [9].
J
1/2
–V kurva perangkat lubang-saja untuk perangkat dengan P3HT:PC61 BM, P3HT:PC61 BM:3 wt.% CdS dan P3HT:PC61 BM:3 berat% Sb2 S3 sebagai lapisan aktif, masing-masing
Mikromorfologi lapisan aktif diselidiki lebih lanjut dengan AFM dalam mode penyadapan untuk mengungkapkan efek penambahan CdS atau Sb2 S3 . Gambar tinggi dari P3HT:PC61 . yang asli Film BM dan dua film terner dengan 3 berat CdS dan 3 berat Sb2 S3 ditunjukkan pada Gambar. 6. Morfologi permukaan P3HT:PC61 BM:3 wt.% CdS dan P3HT:PC61 BM:3 berat% Sb2 S3 lapisan menunjukkan peningkatan yang nyata pada kekasaran permukaan dengan kekasaran kuadrat rata-rata akar meningkat masing-masing dari 2,82 menjadi 8,89 nm dan 7,13 nm. Kekasaran yang lebih besar diamati untuk P3HT:PC61 BM:3 wt.% CdS dan P3HT:PC61 BM:3 berat% Sb2 S3 film bisa menjadi konsekuensi dari kehadiran CdS dan Sb2 S3 nanocrystals di P3HT:PC61 lapisan aktif BM. CdS atau Sb2 S3 nanocrystals dianggap sebagai media untuk meningkatkan interpenetrasi molekul P3HT dan PC61 BM dalam film komposit, yang mengarah ke disosiasi eksiton superior. Sebagai hasil dari disosiasi eksiton superior ini, JSC HSC berdasarkan P3HT:PC61 BM:3 wt.% CdS dan P3HT:PC61 BM:3 berat% Sb2 S3 meningkat [51]. Di sisi lain, penggabungan CdS atau Sb2 S3 nanocrystals di P3HT:PC61 BM meningkatkan kekasaran permukaan film, sehingga meningkatkan area kontak antarmuka antara lapisan aktif (P3HT:PC61 BM:3 wt.% CdS atau P3HT:PC61 BM:3 berat% Sb2 S3 ) dan lapisan pengangkut lubang (MoO3 ). Dengan cara ini, kumpulan lubang yang lebih efisien di anoda muncul, yang mungkin menghasilkan peningkatan JSC dan FF perangkat [52].
Gambar ketinggian AFM a P3HT:PC61 BM, b P3HT:PC61 BM:3 wt.% CdS, dan c P3HT:PC61 BM:3 berat% Sb2 S3 film pada substrat ITO
Kesimpulan
Sebagai kesimpulan, sebagai bahan yang diolah untuk menawarkan mobilitas muatan yang unggul dan meningkatkan penyerapan cahaya, CdS atau Sb2 S3 nanocrystals in situ dihasilkan di dalam P3HT:PC61 Sistem BM dengan mencampur P3HT dan PC secara acak61 BM dengan adanya prekursor kadmium atau antimon xanthate. Stabilitas termal prekursor kadmium atau antimon xanthate dan struktur CdS atau Sb2 S3 film dicirikan. HSC dengan konfigurasi lapisan antarmuka ITO/CdS/P3HT:PC61 BM:x berat% CdS/MoO3 /Ag dan lapisan antarmuka ITO/CdS /P3HT:PC61 BM:x berat% Sb2 S3 /MoO3 /Ag dibuat. Efek dari x wt.% CdS (atau Sb2 S3 ) nanocrystals pada kinerja P3HT:PC61 HSC berbasis BM dipelajari. Telah terbukti bahwa penggabungan CdS (atau Sb2 S3 ) nanocrystals di lapisan aktif P3HT:PC61 Sel surya berbasis BM membantu meningkatkan PCE. Dan PCE tertinggi 2,91 dan 2,92% diperoleh untuk HSC dengan 3 wt.% CdS nanocrystals dan 3 wt.% Sb2 S3 nanokristal, masing-masing. Dari penyerapan UV–Vis, mobilitas lubang, dan karakterisasi morfologi permukaan, penelitian kami menunjukkan bahwa 3 berat CdS atau Sb2 S3 tertanam di P3HT:PC61 Matriks BM meningkatkan penyerapan optik, mobilitas lubang, dan kekasaran permukaan dibandingkan dengan P3HT:PC61 BM, sehingga menghasilkan PCE perangkat yang lebih baik. Metode generasi in situ nanocrystals semikonduktor anorganik di dalam bahan organik dapat diterapkan untuk merancang HSC efisiensi tinggi.
