Pengaruh Distribusi Nanopartikel Emas dalam TiO2 Terhadap Karakteristik Optik dan Elektrikal Sel Surya Peka Warna

Hasil dan Diskusi

Morfologi dan Sifat Optik Au Nanopartikel

Gambar 1 menunjukkan spektrum serapan GNP dari berbagai ukuran yang terdispersi dalam air. Gambar TEM dari GNP yang digunakan dalam penelitian ini ditunjukkan pada Gambar. 2, yang menunjukkan bahwa GNP tersebar secara tunggal dengan morfologi sferis. Pergeseran merah dalam panjang gelombang resonansi diamati dengan meningkatnya ukuran GMP karena keterbelakangan elektromagnetik pada partikel yang lebih besar, yang sesuai dengan literatur yang dilaporkan [17, 29,30,31]. Ukuran GNP ditentukan dengan membandingkan spektrum penyerapan sampel yang disiapkan dengan data yang tersedia dalam literatur. Ketika ukuran GNP meningkat, spektrum penyerapan menunjukkan fitur yang luas di wilayah merah karena adanya partikel yang lebih besar yang mungkin terbentuk oleh agregasi selama sintesisnya [17]. Kecenderungan ini luar biasa untuk GNP dengan ukuran lebih dari ~ 60 nm. Ini juga dikonfirmasi oleh pengamatan TEM bahwa distribusi ukuran menjadi sangat besar ketika GNP menjadi lebih besar dari 60 nm.

Spektrum serapan GNP dari berbagai ukuran

Gambar TEM dari a ~ 20, b ~ 40, c ~ 60, dan d ~ 90 nm GNP

Gambar 3a menunjukkan gambar SEM khas GNP ~ 40 nm yang dibentuk dengan menerapkan dan mengeringkan larutan GNP pada permukaan TiO₂ lapisan. Gambar SEM dari permukaan TiO₂ lapisan tanpa GNP ditunjukkan pada Gambar. 3b untuk perbandingan. Jelas bahwa sebagian besar GNP tersebar di permukaan TiO₂ lapisan hampir seragam dengan sangat sedikit agregasi. Agregasi cenderung meningkat dengan peningkatan kepadatan GNP. Agaknya, agregat GNP selama pengeringan larutan nanopartikel diterapkan pada substrat. Juga, dalam hal ukuran GNP selain ~ 40 nm, dispersi seragam GNP pada TiO₂ lapisan diamati dengan SEM, menunjukkan bahwa metode aplikasi dan pengeringan larutan GNP efektif dalam membentuk lapisan GNP di TiO₂ lapisan.

Gambar SEM dari permukaan TiO₂ lapisan a dengan dan b tanpa GNP. GNP dibentuk dengan menjatuhkan larutan yang mengandung ~ 40 nm GNP pada permukaan TiO₂ lapisan dan pengeringan

Efek Ukuran Nanopartikel Au pada Kinerja DSSC

Performa fotovoltaik DSSC dengan GNP dengan ukuran berbeda tercantum dalam Tabel 1.

Dalam hal ini, GNP terbentuk antara kaca konduktif dan TiO yang sangat tipis₂ lapisan setebal 1,3 m dengan menjatuhkan larutan GNP pada permukaan kaca konduktif dan mengering secara alami. Kepadatan bobot GNP yang diterapkan untuk semua sampel adalah sama (1,3 μg/cm ² ). Kepadatan arus hubung singkat (J sc) dan efisiensi konversi energi (η ) ditemukan meningkat dengan menerapkan GNP dari berbagai ukuran, dibandingkan dengan DSSC tanpa GNP. Peningkatan J sc disebabkan oleh efek plasmonik GNP, yang juga telah ditunjukkan dalam penelitian sebelumnya [15,16,17]. J sc dan η ditemukan meningkat dengan bertambahnya ukuran GNP dari ~ 20 menjadi ~ 60 nm dan menurun dengan bertambahnya ukuran GNP dari ~ 60 menjadi ~ 90 nm. Peningkatan terbesar di Jsc dan η dari ~ 45% dengan penerapan ~ 60 nm GNP diperoleh tanpa perubahan tegangan sirkuit terbuka (V oc) dan faktor pengisian (FF). Di sisi lain, penurunan V oc dan FF diamati untuk DSSC dengan GNP yang lebih kecil dengan ukuran ~ 20 nm. Penurunan V oc dapat dikaitkan dengan peningkatan transfer muatan mundur dari TiO₂ ke elektrolit karena GNP yang terpapar sejak ~ 20 nm GNP yang ditutupi dengan SiO2 setebal ~ 20 nm₂ film tidak menyebabkan penurunan seperti itu dalam V ok SiO₂ film bertindak sebagai isolator untuk menghambat rekombinasi muatan pada permukaan logam [21]. Pada tahap ini, alasan mengapa V oc menurun hanya dalam kasus GNP yang lebih kecil tidak dapat dijelaskan dengan jelas. Namun, diperkirakan bahwa total luas permukaan GNP yang bertindak sebagai pusat rekombinasi mungkin lebih besar untuk partikel yang lebih kecil, karena densitas berat GNP yang diterapkan untuk semua sampel memiliki nilai yang sama (1,3 μg/cm ² ).

Untuk GNP ~ 20 nm, proses pelapisan GNP dengan SiO₂ film diperlukan untuk mengamati peningkatan plasmonik dalam penelitian ini. Sebaliknya, untuk GNP besar di atas ~ 60 nm, pengulangan proses sintesis GNP diperlukan dan variasi ukuran GNP dapat meningkat karena agregasi GNP, sehingga menurunkan akurasi eksperimental. Oleh karena itu, untuk sebagian besar penyelidikan dalam penelitian ini, kami menggunakan ~ 40 nm GNP, yang memiliki variasi ukuran yang relatif kecil dan menunjukkan peningkatan yang cukup besar dalam J sc dan η (~ 36 dan ~ 33%, masing-masing) dibandingkan dengan DSSC tanpa GNP.

Korelasi Karakteristik Serapan Optik TiO₂ Lapisan dan Performa DSSC dengan Posisi Lapisan Au Nanopartikel pada TiO₂ Lapisan

Sebelum mempelajari korelasi antara posisi lapisan GNP di TiO₂ film dan kinerja DSSC, jumlah optimal GNP per lapisan GNP diselidiki untuk mendapatkan efek peningkatan plasmonik yang tinggi. Kurva densitas–tegangan arus DSSC dengan mengubah densitas ~ 40 nm GNP per lapisan GNP ditunjukkan pada Gambar. 4. Densitas GNP diubah dengan memvariasikan jumlah larutan GNP. Lapisan GNP terbentuk pada posisi 3,6 μm dari permukaan kaca konduktif di TiO₂ lapisan dengan ketebalan 6,0 m. Jelas, karena kepadatan GNP meningkat dari 0 menjadi 1,3 atau 2,7 μg/cm ² , J sc dan η meningkat karena peningkatan plasmon oleh GNP. Namun, ketika kepadatan GNP meningkat hingga 5,4 μg/cm ² _, J sc dan η menurun karena kelebihan GNP berkumpul, mengurangi efek plasmonik lokal, dan menghalangi cahaya datang. Sebenarnya, ketika jumlah larutan GNP yang digunakan untuk pelapisan meningkat, secara visual diamati bahwa fotoanoda mengambil warna logam dan menjadi keruh. Perlu dicatat bahwa pada Gambar. 4, penyimpangan dalam J sc dan η DSSC, yang diperoleh dari empat sel yang sesuai dengan setiap kepadatan GNP seperti yang ditunjukkan pada file tambahan 1:Gambar S1 (a) dan (b), masing-masing, sangat besar. Ditemukan bahwa di setiap lot, J sc dan η tampilkan nilai maksimum pada kepadatan GNP 1,3 atau 2,7 μg/cm ² . Selanjutnya, hubungan antara J sc atau η dan densitas GNP di lot eksperimental lainnya, di mana lapisan GNP terbentuk pada antarmuka antara kaca konduktif dan TiO₂ lapisan dengan berbagai ketebalan, ditunjukkan pada file tambahan 2:Gambar S2 (a) dan (b), masing-masing. Hasil ini juga menunjukkan kecenderungan yang sama bahwa J sc dan η tampilkan nilai maksimum pada kepadatan GNP 1,3 atau 2,7 μg/cm ² . Namun, nilai absolut J sc dan η lebih kecil karena penipisan TiO₂ lapisan. Oleh karena itu, GNP dengan kepadatan 1,3 atau 2,7 μg/cm ² ditemukan optimal dan diterapkan untuk penyelidikan korelasi antara posisi lapisan GNP di TiO₂ lapisan pada substrat dan karakteristik penyerapan optik TiO₂ dan kinerja DSSC.

Kurva kerapatan-tegangan arus DSSC dengan mengubah kerapatan GNP per lapisan GNP. Empat sel untuk setiap kepadatan GNP dibuat. Lapisan GNP dibentuk dalam TiO₂ lapisan setebal 6,0 m pada posisi 3,6 m dari permukaan TCO

Spektrum serapan TiO₂ lapisan tanpa dan dengan lapisan GNP disimpan di berbagai posisi di TiO₂ lapisan tanpa pewarna N719 ditunjukkan pada Gambar. 5. Posisi lapisan GNP ditentukan oleh jarak antara lapisan GNP dan permukaan TCO. Absorbansi TiO₂ lapisan dengan lapisan GNP pada posisi apa pun ditemukan lebih besar daripada lapisan TiO₂ lapisan tanpa lapisan GNP. Gambar 6 menunjukkan peningkatan absorbansi akibat penerapan GNP, yang diperoleh dengan mengurangkan absorbansi TiO₂ lapisan tanpa GNP dari TiO₂ lapisan dengan GNP yang ditunjukkan pada Gambar. 5. Perlu dicatat bahwa peningkatan absorbansi karena GNP meningkat dengan meningkatnya jarak lapisan GNP dari 1,1 menjadi 3,3 μm atau 4,4 μm dari permukaan TCO dan kemudian menurun dengan meningkatnya jarak dari 4,4 hingga 5,5 μm, menunjukkan jarak yang menghasilkan peningkatan maksimum absorbansi adalah sekitar 4,0 m. Peningkatan tersebut dapat diamati pada rentang panjang gelombang lebar 350–800 nm, tetapi sangat berbeda dalam rentang 500–650 nm. Spektrum serapan TiO₂ lapisan tanpa dan dengan lapisan GNP yang terbentuk pada berbagai posisi di TiO₂ lapisan peka dengan pewarna N719 ditunjukkan pada Gambar. 7. Spektrum penyerapan juga menunjukkan maksimum pada jarak lapisan GNP 3,3 atau 4,4 m (yaitu, ~ 4.0 μm) dari permukaan TCO, menunjukkan bahwa penyerapan pewarna N719 adalah ditingkatkan secara efektif pada posisi lapisan GNP ini.

Spektrum serapan TiO₂ lapisan dengan memvariasikan posisi lapisan GNP. Kepadatan GNP adalah 2,7 μg/cm ²

Peningkatan absorbansi karena GNP dengan memvariasikan posisi lapisan GNP di TiO₂ lapisan. Kepadatan GNP adalah 2,7 μg/cm ²

Spektrum serapan TiO₂ lapisan dengan memvariasikan posisi lapisan GNP. Kepadatan GNP adalah 2,7 μg/cm ²

Kurva densitas–tegangan arus dan spektrum IPCE DSSC dengan lapisan GNP yang terbentuk pada berbagai posisi di TiO₂ lapisan ditunjukkan pada Gambar. 8 dan 9, masing-masing. Ditemukan bahwa rapat arus dan IPCE DSSC dengan lapisan GNP yang terbentuk pada posisi apa pun lebih besar daripada DSSC tanpa lapisan GNP. Kerapatan arus dan IPCE dengan lapisan GNP meningkat dengan meningkatnya jarak lapisan GNP dari 1,1 menjadi 3,3 μm atau 4,4 μm (yaitu, ~ 4.0 μm) dan menurun dengan meningkatnya jarak menjadi 5,5 μm. Gambar 10 menunjukkan ketergantungan J sc pada posisi lapisan GNP yang diperoleh dari Gambar 8. Jelas, maksimum J sc diperoleh saat lapisan GNP ~ 4.0 m dari permukaan TCO. Ditemukan bahwa peningkatan J sc menyebabkan peningkatan η , sebagai V oc dan FF hampir tidak berubah untuk semua posisi lapisan GNP, seperti yang ditunjukkan pada tabel sisipan pada Gambar 8. Karena kepadatan GNP sama untuk semua lapisan GNP pada posisi apa pun, penerapan GNP pada ~ 4.0 μm dari TCO permukaan dapat dianggap yang paling efektif. Dengan mengurangkan IPCE DSSC tanpa lapisan GNP dari DSSC dengan lapisan GNP yang ditunjukkan pada Gambar. 9, peningkatan IPCE karena penerapan GNP diperoleh, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 11. Kami menemukan bahwa kenaikan dari IPCE adalah yang terbesar saat lapisan GNP berada pada ~ 4.0 μm dari permukaan TCO. Peningkatan tersebut dapat dilihat pada rentang panjang gelombang lebar 350-750 nm dan menjadi sangat besar di dekat 520 nm, menunjukkan kecenderungan yang sama dengan spektrum serapan pada Gambar 6, menunjukkan bahwa peningkatan IPCE disebabkan oleh peningkatan cahaya. penyerapan yang disebabkan oleh efek plasmon GNP.

Kurva densitas-tegangan arus DSSC dengan memvariasikan posisi lapisan GNP. Kepadatan GNP adalah 2,7 μg/cm ²

Spektrum IPCE dari DSSC dengan memvariasikan posisi lapisan GNP. Kepadatan GNP adalah 2,7 μg/cm ²

Ketergantungan J sc pada posisi lapisan GNP. Kepadatan GNP adalah 2,7 μg/cm ²

Peningkatan IPCE karena GNP dengan memvariasikan posisi lapisan GNP. Kepadatan GNP adalah 2,7 μg/cm ²

Gambar 12 menunjukkan spektrum absorbansi TiO₂ lapisan dengan berbagai ketebalan. Di sini, pewarna N719 diadsorpsi dan GNP tidak diterapkan untuk semua TiO₂ lapisan. Absorbansi ditemukan meningkat karena peningkatan jumlah zat warna N719 yang teradsorpsi dengan meningkatnya TiO₂ ketebalan lapisan. Juga ditemukan bahwa puncak serapan mendekati panjang gelombang 520 nm karena penyerapan cahaya pewarna. Oleh karena itu, peningkatan IPCE oleh GNP pada Gambar. 11 dapat dijelaskan dengan meningkatkan penyerapan cahaya N719 karena efek plasmonik dari GNP. Dari Gambar 12, korelasi antara absorbansi cahaya dengan panjang gelombang 350, 520, atau 650 nm dan ketebalan TiO₂ lapisan diperoleh, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 13. Jelas bahwa absorbansi TiO₂ lapisan dengan cahaya dengan panjang gelombang lebih panjang 650 nm meningkat secara konstan dengan meningkatnya TiO₂ ketebalan lapisan. Ini berarti cahaya 650 nm menembus TiO₂ lapisan lebih dalam dari 15,3 μm dan diserap secara efektif. Di sisi lain, absorbansi TiO₂ lapisan dengan cahaya dengan panjang gelombang lebih pendek dari 350 nm jenuh pada TiO₂ ketebalan lapisan ~ 3.0 μm, menunjukkan bahwa cahaya 350 nm diserap sepenuhnya dalam ~ 3.0 m kedalaman di TiO₂ lapisan. Perlu dicatat bahwa absorbansi jenuh pada TiO₂ ketebalan lapisan ~ 4.0 μm untuk cahaya 520 nm, yang paling efektif dalam meningkatkan kinerja DSSC karena efek plasmonik GNP. Cahaya dengan panjang gelombang 520 nm dapat dianggap hampir sepenuhnya diserap oleh pewarna N719 dalam TiO₂ lapisan hingga ~ 4.0 μm dari permukaan TCO dan hampir tidak dapat mencapai posisi lebih jauh dari ~ 4.0 m. Oleh karena itu, peningkatan dalam J sc menurun ketika posisi lapisan GNP di TiO₂ lapisan menjadi lebih dari ~ 4.0 μm dari permukaan TCO seperti yang terlihat pada Gambar. 10 dapat dijelaskan dengan penurunan penyerapan cahaya sebesar 520 nm. Di sisi lain, alasan mengapa peningkatan di J sc dan penyerapan cahaya TiO₂ lapisan meningkat karena jarak lapisan GNP dari permukaan TCO menjadi lebih besar di wilayah kurang dari ~ 4.0 μm tidak jelas pada tahap ini. Namun, ketika GNP ada pada ~ 4.0 μm dari permukaan TCO, yang sesuai dengan jarak terjauh yang dapat dicapai cahaya 520 nm di TiO₂ lapisan, hamburan cahaya oleh GNP mungkin memiliki kontribusi yang cukup besar untuk peningkatan kinerja DSSC dengan meningkatkan panjang jalur optik. Hasil ketergantungan kinerja DSSC pada posisi lapisan GNP menunjukkan bahwa GNP yang ada pada posisi lebih jauh dari ~ 4.0 μm dari permukaan TCO hampir tidak berguna untuk meningkatkan penyerapan cahaya pewarna N719, dan dengan demikian terbuang sia-sia dalam DSSC konvensional dengan nanopartikel logam terdistribusi secara merata di TiO₂ lapisan. Kedalaman penetrasi cahaya ~ 520 nm adalah ~ 4.0 μm dalam penelitian ini, tetapi dapat berubah tergantung pada jumlah pewarna N719 yang teradsorpsi dan intensitas penyinaran cahaya.

Spektrum serapan TiO yang diwarnai₂ lapisan dengan berbagai ketebalan. TiO₂ lapisan tidak mengandung GNP

Korelasi antara absorbansi cahaya pada berbagai panjang gelombang dan ketebalan TiO₂ lapisan

Peningkatan Performa DSSC dengan Peningkatan Jumlah Lapisan Au Nanopartikel

Cahaya yang diiradiasi tersebar dan diserap pada permukaan nanopartikel logam, dan gelombang cahaya cepat hilang dengan medan elektromagnetik yang kuat dihasilkan dan terlokalisasi pada permukaan nanopartikel. Gelombang cahaya cepat berlalu dr ingatan tetap berada di sekitar permukaan nanopartikel logam dalam jarak kurang dari diameter nanopartikel logam dan sensitivitas plasmon menurun secara eksponensial dengan jarak jauh dari permukaan nanopartikel [32, 33]. Oleh karena itu, penyerapan cahaya hanya molekul pewarna N719 yang terletak dalam ~ 40 nm dari permukaan GNP dapat ditingkatkan dalam penelitian ini, sementara yang lain hampir tidak terpengaruh, mendukung hasil bahwa peningkatan J sc sebesar 36% dengan menerapkan lapisan GNP ke TiO tipis₂ lapisan 1,3 μm seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1, tetapi peningkatan ini hanya menjadi 8,1% saat menerapkan lapisan GNP pada TiO₂ yang tebal layer of 6.0 μm, as shown in Fig. 4. In an attempt to enhance the performance of DSSCs with a thick TiO₂ layer, the number of GNP layers in the TiO₂ layer was increased. Current density–voltage curves and IPCE spectra of DSSCs with varying the number of GNP layers and the density of GNPs are shown in Figs. 14 and 15, respectively. Three levels of GNP layers named P1, P2, and P3 are shown in the inset of Fig. 14, which were formed at positions of 1.1, 2.2, and 3.3 μm, respectively, from the TCO surface. The current densities and IPCEs of the DSSCs (A–E) with a GNP layer formed at the position of P3 in the TiO₂ layer are found to be larger than those of the DSSC (O) without a GNP layer. Moreover, the performance of the DSSC (B) with a GNP density of 1.3 μg/cm ² is found to be better than that of the DSSC (A) with a GNP density of 0.65 μg/cm ² . It should be noted that the addition of GNP layers with a GNP density of 0.65 μg/cm ² to the positions of P1 and P2, which are located near the front of the incident irradiation, improves J sc more significantly. However, increases in J sc were not observed by adding GNP layers with a GNP density of 1.3 μg/cm ² to the positions of P1 and P2 (E). The reason why the large quantity of GNPs existing near the front of the incident irradiation decreases J sc is unknown; however, it is speculated that some of these GNPs may aggregate and affect the absorption of GNPs at P3 by scattering the incident irradiation, judging from the SEM observation that GNPs aggregate in some parts of the TiO₂ layers. The DSSC (D), in which three levels of the GNP layer with a GNP density of 0.65, 0.65, and 1.3 μg/cm ² , were formed at positions of P1, P2, and P3, respectively, shows the best performance with J sc and η of 10.8 mA/cm ² and 5.0%, increases of 15 and 11%, respectively, compared with those of the DSSCs without a GNP layer. In other words, the best performance was obtained when relatively high concentrations of GNPs were formed at the position which is the penetration depth of the incident light of the wavelength corresponding to the maximum absorption of N719 dye (~ 520 nm) and relatively low concentrations of GNPs were formed in the path of the incident light before this position. Nevertheless, the increase in the performance of these DSSCs is not high enough compared with that of DSSCs with a thin TiO₂ layer. In this study, TiO₂ paste was applied by a screen-printing method, with which the limit of the thinnest a TiO₂ layer was ~ 1 μm after annealing, owing to the requirement of uniformity and reproducibility of its thickness. The thickness is considered too large to obtain a higher plasmonic enhancement. A spraying method using TiO₂ paste diluted with a solvent may be useful for reproducibly obtaining thinner TiO₂ layers. Increasing the ratio of GNP layers to TiO₂ layers with the technology of fabricating very thin TiO₂ layers may further enhance the performance of DSSCs. In addition, ~ 40 nm GNPs were used in the present study to reduce variations in GNP size, but with ~ 60 nm GNPs, there is a possibility that the performance may be further improved, judging from Table 1. Changing the size of GNPs at each GNP layer formed in the TiO₂ may improve the DSSC performance even more. It has been reported that the ratio of plasmon scattering to absorption increases with increasing volume of GNPs [34]. Formation of large GNPs near the back of the optical path through the TiO₂ layer may improve DSSC performance due to prolonging the optical path length by light scattering. Although the distribution of GNPs and the thickness of a TiO₂ layer have not yet been optimized, the purpose of this study, which was to confirm whether the performance of DSSCs can be improved by optimizing the distribution of GNPs for plasmonic enhancement, has been achieved.

Current density–voltage curves of the DSSCs with varying the number of GNP layers and the density of GNP layers. The GNP layers of P1, P2, and P3 were formed at positions of 1.1, 2.2, and 3.3 μm from the TCO surface, respectively. The numbering in the legend with the format (P1-P2-P3) shows the density of GNPs (μg/cm ² ) at each position

IPCE spectra of the DSSCs with varying the layer number and the density of GNPs. The GNP layers of P1, P2, and P3 were formed at positions of 1.1, 2.2, and 3.3 μm from the TCO surface, respectively. The numbering in the legend with the format (P1-P2-P3) shows the density of GNPs (μg/cm ² ) at each position