Polietilena Glikol Meningkatkan Fotokatoda NiO untuk Sel Surya Tandem Titik Kuantum
Abstrak
Dalam studi ini, film NiO nanoporos yang seragam hingga tebal 2,6 µm berhasil dibuat dengan menggabungkan polietilena glikol (PEG) ke dalam larutan precursor. PEG secara signifikan menekan pembentukan retak dan mencegah delaminasi dari substrat oksida timah doping fluorin (FTO). Katoda NiO yang disensitasi dengan titik kuantum (QD) CdSeS mencapai efisiensi konversi foto rekor sebesar 0,80 %. Saat dirangkai dengan anoda TiO₂, sel surya tandem p-n yang disensitasi QD yang dihasilkan menunjukkan tegangan open-circuit (OCV) yang lebih tinggi dari elektroda individu, menyampaikan efisiensi 0,43 % (OCV = 0,594 V, J_SC = 2,0 mA cm⁻², FF = 0,36).
Latar Belakang
Energi surya siap menjadi sumber daya utama karena sifatnya yang bersih, melimpah, dan dapat diterapkan dengan cepat. Selama tiga dekade terakhir, sel surya sensibilisasi warna (DSSC) telah berkembang menjadi perangkat yang efisien, namun sebagian besar progres telah difokuskan pada arsitektur tipe n menggunakan fotoanoda TiO₂, ZnO, atau SnO₂, mencapai densitas arus pendek (J_SC) di atas 15 mA cm⁻² dan efisiensi mendekati 13 %. Sel surya tandem p-n DSSC, yang menggabungkan fotokatoda tipe p dengan anoda tipe n, menjanjikan OCV dan efisiensi keseluruhan yang lebih tinggi. Kemajuan terbaru termasuk OCV 0,918 V dari pasangan NiO/TiO₂ yang disensitasi NK-2684 dan OCV 1079 mV dengan optimisasi warna donor-penerima, yang tertinggi yang dilaporkan untuk tandem p-n hingga saat ini.
Meskipun kemajuan ini, fotokatoda tipe p biasanya menghasilkan arus foto yang satu orde magnitudo lebih rendah dari sepadan tipe n, sebagian karena ketidakstabilan mekanis dalam film tebal. Karya terbaru telah mengeksplorasi struktur nanostructur NiO dengan luas permukaan tinggi, kristalin yang ditingkatkan, dan arsitektur berlapis untuk meningkatkan kinerja. Namun, efisiensi konversi foto elektroda NiO tetap dalam rentang 0,02–0,30 % saat dipasangkan dengan berbagai warna.
Karya ini membangun strategi templating triblok copolymer PEO-PPO-PEO untuk sintesis film NiO tebal, dengan menambahkan PEG sebagai pengubah struktural untuk meningkatkan integritas dan porositas film, yang pada gilirannya memungkinkan perangkat tandem QD-sensitasi berkinerja tinggi.
Eksperimental
Larutan precursor NiO disiapkan dengan melarutkan NiCl₂ anhidrat (1 g) dan F108 (1 g) dalam 3 g air deionisasi dan 6 g etanol. Setelah istirahat selama 3 hari, PEG (MW ≈ 20 000) ditambahkan pada 0,03, 0,075, 0,15, atau 0,30 g. Campuran diaduk selama 4 jam dan dikonsentrifuga pada 8000 rpm. Gel yang dihasilkan dirakit dengan dokter blade pada kaca FTO dan dikeringkan pada suhu ruangan, kemudian disinter pada 400 °c selama 30 menit di udara. QD CdSeS disintesis melalui injeksi panas, dan film NiO disensitasi oleh depoersi elektroforetik dalam larutan asetonitrien/toluen 1:2,5 (v/v) di bawah 50 V DC. Anoda TiO₂ diko-sensitasi dengan CdS/CdSe menggunakan SILAR, mengganti CuS sebagai elektroda penahan untuk rangkaian sel tandem.
Morfologi film diperiksa dengan JSM-7001F FE-SEM. Karakteristik arus-voltaje foto (J–V) dicatat di bawah iluminasi AM 1.5G (1 Sun) dengan source meter Keithley 2440.
Hasil dan Pembahasan
Citra SEM mengungkapkan bahwa film NiO yang dibuat tanpa PEG menunjukkan ravan mikro yang mencolok dan nanosheet yang melintir yang delaminasi setelah beberapa kali lalang dokter blade. Di sisi lain, film yang mengandung PEG, setelah tujuh kali siklus lalang, menunjukkan permukaan kontinu tanpa retak dengan tebal sekitar 2,6 µm. PEG kemungkinan bertindak sebagai perekat yang meningkatkan kohesi antar partikel dan sebagai agen arahan struktur yang meningkatkan luas permukaan spesifik dan volume pori.
Mikrograf SEM: a, c, e – film tanpa PEG; b, d, f – film dengan PEG.
Pengukuran J–V menunjukkan bahwa penambahan PEG hingga 0,15 g meningkatkan efisiensi konversi foto dari 0,08 % (PEG = 0) menjadi 0,32 %. Katoda NiO optimal mencapai OCV = 0,158 V, J_SC = 4,40 mA cm⁻², dan FF = 0,46. PEG berlebih (0,30 g) menyebabkan penurunan kinerja, yang mengindikasikan rentang konsentrasi optimal.
Densitas arus versus voltaje untuk fotokatoda NiO dengan berbagai kandungan PEG.
Variasi tebal film (PEG tetap = 0,15 g) mengungkapkan bahwa peningkatan tebal dari 0,6 ke 2,1 µm meningkatkan OCV dan J_SC, tetapi di luar sekitar 1,5 µm manfaatnya stagnan karena transportasi lubang yang terbatas dan waktu hayat yang disingkat.
Pengaruh tebal NiO terhadap kinerja fotovoltaik.
Saat dipasangkan dengan anoda TiO₂, konfigurasi tandem TiO₂(bawah)/NiO(atas) mencapai OCV 0,594 V dan efisiensi keseluruhan 0,43 %, melebihi elektroda individu. Meskipun J_SC dan efisiensi lebih rendah dari katoda NiO mandiri atau anoda TiO₂, ini merupakan demonstrasi pertama dari perangkat tandem p-n disensitasi QD, menekankan potensi untuk optimasi lebih lanjut.
Karakteristik J–V dari sel surya tandem p-n disensitasi QD.
Kesimpulan
Integrasi PEG menghasilkan film NiO nanoporos tebal 2,6 µm tanpa retak dengan stabilitas mekanis dan luas permukaan yang unggul. Katoda NiO disensitasi QD yang optimal memberikan efisiensi konversi foto 0,80 %. Sebagai bagian dari arsitektur tandem TiO₂/NiO, perangkat mencapai OCV 0,594 V dan efisiensi 0,43 %, melebihi elektroda terisolasi. Karya mendatang akan difokuskan pada peningkatan ekstraksi muatan dan pengurangan rekombinasi untuk membuka potensi penuh sel surya tandem p-n disensitasi QD.
