Optimasi Penempatan Nanopartikel Emas dalam TiO₂ Meningkatkan Efisiensi Sel Surya Tersepirensi Pewarna
Abstrak
Kami memproduksi fotoanoda TiO₂ yang mengakomodasi nanoparticle emas (AuNP) dalam arsitektur bertumpuk yang terkontrol dengan menyetorkan secara berurutan pasta TiO₂ dan larutan AuNP pada kaca indium tin oxide (ITO). Dengan mengubah konsentrasi AuNP di setiap lapis, kami mengeksplorasi bagaimana distribusi spasial AuNP dalam matriks TiO₂ mempengaruhi penyerapan optik dan performa perangkat. Peningkatan plasmon yang paling terlihat dan output fotovoltaik diamati ketika lapis AuNP padat (≈1,3 µg cm⁻²) ditempatkan dekat kedalaman penetrasi TiO₂ yang cocok dengan puncak penyerapan pewarna N719 (~520 nm). Dalam konfigurasi ini, densitas arus pendek (Jsc) naik menjadi 10,8 mA cm⁻² dan efisiensi konversi energi (η) mencapai 5,0 %—peningkatan sebesar 15 % dan 11 % relatif pada sel referensi tanpa AuNP. Temuan ini mengonfirmasi bahwa penempatan AuNP yang disengaja dalam TiO₂ adalah strategi kritis untuk memaksimalkan performa DSSC.
Latar Belakang
Sel surya tersepirensi pewarna (DSSC) telah lama diakui karena fabrikasi yang biaya rendah, dapat diskalakan, dan ramah lingkungan. Namun, efisiensi konversi daya mereka masih tertinggal dibandingkan dengan teknologi perovskit, tipis film, dan kristal silikon. Metode tradisional untuk meningkatkan penyerapan, seperti menebalkan lapis TiO₂, tidak sengaja meningkatkan rekombinasi elektron. Nanofotonika menawarkan alternatif: nanoparticle logam menghasilkan resonansi plasmon permukaan lokal yang memperkuat medan elektromagnetik lokal dan menyebarkan cahaya, sehingga memperpanjang jalur optik dalam sel. Nanopartikel emas dan perak dipilih karena resonansi plasmonik mereka berada dalam spektrum visibel di mana sebagian besar pewarna menyerap. Meskipun banyak studi telah menunjukkan peningkatan plasmonik, distribusi kedalaman optimal AuNP dalam rangka TiO₂ masih belum dijelajahi. Karena Au dan Ag mahal, penempatan yang hemat dapat mengurangi penggunaan bahan sambil memaksimalkan performa.
Bahan dan Metode
Sintesis AuNP
AuNP berukuran 20–90 nm disintesis dengan protokol Turkevich. Larutan HAuCl₄ 0,01 wt % direbus, dan sitrat natrium ditambahkan untuk menukarkan partikel. Pertumbuhan berselanjutnya menghasilkan partikel 40 nm, 60 nm, dan 90 nm. Setelah sentrifugasi, AuNP didisperapkan dalam campuran pelarut air:etanol 1:10 untuk penitipan. Untuk partikel 20 nm, cangkang SiO₂ 20 nm ditumbuhkan melalui metode Stöber untuk menekan rekombinasi muatan.
Pabrikasi Fotoanoda
Kaca ITO (resistensi permukaan ≈10 Ω sq⁻¹) dibersihkan dan dilapisi pasta TiO₂ menggunakan cetak layar. Setiap lapis (~1,1 µm tebal) dipanaskan pada 450 °C selama 15 menit. AuNP ditetapkan secara titik-titik pada permukaan TiO₂ yang telah dipanaskan dan dikeringkan udara; berat AuNP dalam larutan diukur untuk mengontrol kepadatan. Dengan mengulang penitipan TiO₂ dan AuNP, kami menciptakan struktur bertumpuk dengan lapis AuNP pada kedalaman yang ditentukan sebelumnya. Panas akhir pada 500 °C selama 30 menit mengkonsolidasikan lapisan. Pemuatan pewarna melibatkan merendam fotoanoda dalam N719 0,3 mM (etanol) selama 20 jam pada 25 °C. Elektroda lawan dipersiapkan dengan menetapkan 2 mg mL⁻¹ pra-pursor Pt pada kaca TCO, diikuti dengan pemanasan 400 °C selama 30 menit. Sel dirancang dengan pemisah Himilan 50 µm dan ditutup dengan kaca penutup. Elektrolit (0,05 M I₂, 0,05 M LiI, 0,6 M DMPII, 0,5 M TBP dalam asetonitril) diperkenalkan di bawah vakum untuk mengisi rongga.
Karakterisasi
Spektrum penyerapan UV–Vis direkam (100 mW cm⁻², AM 1.5). TEM memverifikasi AuNP bolafisik seragam. SEM memeriksa morfologi permukaan. Ketebalan TiO₂ diukur dengan profilometer permukaan. Kurva J–V dan spektrum IPCE diperoleh menggunakan sistem spektroskopi terkalibrasi dengan area aktif 0,05 cm².
Hasil dan Pembahasan
Efek Ukuran AuNP
Spektrum penyerapan mengonfirmasi red shift yang diharapkan dengan peningkatan ukuran AuNP, sementara citra TEM memverifikasi monodispersi hingga 60 nm. DSSC yang menyertakan AuNP 40 nm menunjukkan peningkatan terbesar (≈45 % kenaikan Jsc) tanpa mengorbankan V_oc atau FF. Partikel 20 nm yang lebih kecil memerlukan passivasi SiO₂ untuk menghindari kehilangan V_oc, kemungkinan karena rekombinasi pada permukaan logam.
Kepadatan dan Posisi AuNP Optimal
Dalam film TiO₂ 6 µm, kepadatan AuNP per lapis bervariasi dari 0 hingga 5,4 µg cm⁻². Jsc dan η mencapai puncak pada 1,3 atau 2,7 µg cm⁻²; di luar ini, agregasi mengurangi manfaat plasmonik dan memblokir cahaya insiden. Pengukuran absorbansi mengungkapkan bahwa penempatan lapis AuNP dekat 4,0 µm dari permukaan ITO—yang sama dengan kedalaman penyerapan 520 nm N719—maksimalkan peningkatan medan cahaya dan IPCE. Peningkatan IPCE melingkupi 350–750 nm, mencapai puncak dekat 520 nm, secara langsung mencerminkan peningkatan penyerapan.
Beberapa Lapis AuNP
Dengan memasukkan lapis AuNP pada 1,1, 2,2, dan 3,3 µm (P1–P3), kami mengeksplorasi efek kumulatif. Konfigurasi dengan lapis kepadatan tinggi (1,3 µg cm⁻²) pada P3 dan kepadatan lebih rendah (0,65 µg cm⁻²) pada P1 dan P2 memberikan performa terbaik: Jsc = 10,8 mA cm⁻², η = 5,0 %—peningkatan sebesar 15 % dan 11 % dibandingkan referensi. Ini menunjukkan bahwa lapis AuNP kepadatan tinggi harus berada pada kedalaman penetrasi puncak penyerapan pewarna, sementara kepadatan yang modest di dekat permukaan sel memitigasi kehilangan penyebaran.
Kesimpulan
Studi sistematis kami menunjukkan bahwa penempatan strategis AuNP dalam lapis TiO₂—khususnya mengkonsentrasikannya pada kedalaman di mana cahaya 520 nm sepenuhnya terserap—menghasilkan peningkatan plasmonik terbesar dalam DSSC. Lapis AuNP kepadatan rendah di dekat permukaan yang diterangi meningkatkan performa lebih lanjut dengan meningkatkan penyerapan cahaya tanpa menginduksi rekombinasi yang signifikan. Temuan ini menekankan pentingnya kontrol distribusi nanoparticle untuk sel surya tersepirensi pewarna yang hemat biaya dan efisien tinggi.
