Dalam penelitian ini, film NiO nanopori yang seragam, dengan ketebalan hingga 2,6 m, dibuat menggunakan polietilen glikol (PEG). Penambahan PEG secara signifikan mengurangi retakan pada film NiO dan mencegah terkelupasnya film NiO dari substrat timah oksida yang didoping fluor. Katoda NiO dibuat menggunakan titik kuantum CdSeS (QDs) sebagai sensitizer, dengan konversi fotolistrik yang dioptimalkan sebesar 0,80%. Film NiO peka QD yang dioptimalkan pertama kali dirakit dengan TiO2 anoda untuk menyiapkan sel surya tandem tipe p-n-sensitisasi QD. Tegangan rangkaian terbuka lebih besar dari yang diperoleh dengan menggunakan katoda NiO yang dipisahkan atau TiO2 anoda.
Latar Belakang
Energi surya menunjukkan potensi sebagai sumber energi utama di masa depan karena kebersihannya, daya yang tinggi, pemrosesan yang cepat, dan ketersediaan yang luas [1, 2]. Sejak pengembangan sel surya dalam 30 tahun terakhir, sel surya peka telah menjadi perangkat yang efisien untuk pemanfaatan energi matahari. Namun, studi ini berfokus pada sel surya tipe-n, yang didasarkan pada fotoanoda tipe-n yang tersensitisasi, misalnya TiO2 , ZnO, dan SnO2 [2,3,4,5,6]. Kepadatan arus hubung singkat lebih besar dari 15 mA cm
−2
, dan efisiensi konversi fotolistrik sekitar 13% [5]. Dia dkk. telah melaporkan penggunaan p-n-type tandem dye-sensitized solar cell (DSSCs) [7], yang mungkin menghasilkan tegangan rangkaian terbuka (OCV) dan efisiensi konversi fotolistrik yang lebih tinggi. Nakasa dkk. telah melaporkan OCV 0,918 V dengan kombinasi NiO dan TiO yang tersensitisasi NK-2684 merocyanine2 fotoanoda [8]. Nattestad dkk. telah melaporkan penurunan rekombinasi muatan fotokatoda NiO dengan optimalisasi pewarna donor-akseptor dan mencapai efisiensi konversi foton-ke-elektron yang diserap lebih besar dari 90% pada rentang spektral 400-500 nm [9], dengan tegangan rangkaian terbuka 1079 mV. Nilai ini adalah nilai tertinggi yang dilaporkan sejauh ini untuk DSSC tandem tipe-p.
Untuk mendapatkan arus foto yang lebih tinggi yang sebanding dengan fotoanoda tipe-n, salah satu caranya adalah menyiapkan katoda tipe-p yang baru [10, 11]. Cara lain adalah dengan menyiapkan fotokatoda mesopori tebal yang lebih disukai untuk mengadsorbsi sejumlah besar molekul pewarna. Beberapa upaya telah dilakukan untuk meningkatkan ketebalan film NiO; namun, kerapatan arus foto yang dihasilkan masih dalam urutan besarnya kurang dari yang diamati untuk DSSC tipe-n, dan film tebal sering mengalami stabilitas mekanik yang buruk. Wu dkk. telah menyiapkan film NiO dengan metode hidrotermal dan meningkatkan sifat mereka dengan optimasi ketebalan film dan luas permukaan spesifik [12]. Qu dkk. telah membuat film NiO berlapis dari nanosheet NiO berpori yang berkerut dan melaporkan peningkatan arus foto dan voltase yang signifikan [13]. Zhang dkk. telah meningkatkan fotovoltase dengan penerapan NiO yang sangat kristalin [14]. Powar dkk. telah memperoleh arus foto tinggi sebesar 7,0 mA cm
−2
menggunakan bola mikro NiO berstruktur nano sebagai bahan aktif untuk fotokatoda [15]. Sumikura dkk. telah menyiapkan film NiO nanopori dengan hidrolisis NiCl2 dalam larutan campuran air/etanol menggunakan serangkaian kopolimer triblok polietilenoksida-polipropilenoksida-polietilenoksida (PEO-PPO-PEO) sebagai templat [16]. Mereka menyelidiki efek dari template PEO–PPO–PEO secara rinci. Li dkk. telah mengadopsi metode preparasi yang digunakan oleh Sumikura et al. dan menyiapkan film NiO tebal dengan metode doctor blading dua langkah [17]. Mereka memperoleh catatan insiden efisiensi foton-ke-arus (IPCE) sebesar 64% dan arus hubung singkat (JSC ) sebesar 5,48 mA cm
−2
. Namun, efisiensi konversi fotolistrik dari elektroda NiO tipe-p dipertahankan antara 0,02 dan 0,3% menggunakan pewarna yang berbeda. Dalam percobaan ini, larutan prekursor NiO dibuat menggunakan kopolimer triblok F108 (polyethyleneoxide–polypropyleneoxide–polyethyleneoxide (PEO–PPO–PEO), MW:ca. 14.600) sebagai templat mengikuti metode Sumikura et al. Polietilen glikol (PEG; MW:kira-kira 20.000) ditambahkan ke dalam larutan prekursor, dan efeknya pada film NiO diselidiki secara rinci. Akhirnya, sel surya tandem peka kuantum tipe p–n (QD) juga dirakit.
Eksperimental
Larutan prekursor NiO disiapkan sesuai dengan metode yang dilaporkan sebelumnya [17]. Pertama, NiCl anhidrat2 (1 g) dan F108 (1 g) dilarutkan dalam campuran air deionisasi (3 g) dan etanol (6 g). Kedua, larutan didiamkan selama 3 hari. Ketiga, kandungan spesifik polietilen glikol (MW 20.000) ditambahkan ke dalam larutan prekursor NiO. Selanjutnya, campuran diaduk selama 4 jam dan disentrifugasi pada 8000 rad/menit. Konten PEG dikontrol pada 0,03, 0,075, 0,15, dan 0,3 g. Larutan di atas diendapkan pada substrat kaca fluorine-doped tin oxide (FTO) dengan metode doctor blading dan dikeringkan pada suhu kamar. Film disinter pada suhu 400 °C selama 30 menit di bawah udara. QD CdSeS disiapkan dengan sintesis injeksi panas sesuai dengan eksperimen sebelumnya yang dilaporkan oleh kelompok kami [18]. Film NiO yang disiapkan disensitisasi oleh CdSeS QDs dengan metode elektroforesis menggunakan campuran asetonitril/toluena (1:2,5 v /v ) solusi dengan menerapkan DC 50 V untuk waktu tertentu. TiO2 film disensitisasi bersama dengan CdS/CdSe menggunakan metode adsorpsi dan reaksi lapisan ionik berurutan (SILAR) konvensional [19]. TiO peka QD2 film digunakan sebagai anoda sebagai pengganti CuS untuk merakit sel surya tersensitisasi QD tipe p-n.
Morfologi film NiO diperiksa menggunakan mikroskop elektron pemindaian emisi lapangan JSM-7001F (FE-SEM). Kerapatan arus foto–tegangan (J –V ) karakteristik diukur menggunakan pengukur sumber Keithley 2440 di bawah iluminasi AM 1.5G dari simulator surya Newport Oriel dengan intensitas 1 Matahari.
Hasil dan Diskusi
Film NiO dibuat dengan metode doctor blading. Film akan terkelupas dalam kasus larutan prekursor NiO tanpa PEG ketika waktu blading lebih besar dari empat kali. Gambar 1a, c, e menunjukkan permukaan dan morfologi silang dari film NiO berbilah empat kali. Film NiO, yang menunjukkan beberapa jurang mikro, meringkuk dari substrat FTO. Gambar 1b, d, f menunjukkan permukaan dan penampang film NiO yang dibuat menggunakan PEG. Film-film itu dibilah tujuh kali. Hampir tidak ada retakan pada film NiO yang diamati. Ukuran partikel lebih kecil dari film NiO yang dibuat tanpa PEG. Selain itu, perubahan yang jelas diamati pada penampang dua film NiO yang dibuat dengan atau tanpa PEG. Film NiO yang dibuat menggunakan larutan prekursor NiO tanpa PEG tampaknya terdiri dari lembaran nano. Faktanya, lembaran nano ini akan muncul sebagai film NiO yang melengkung, yang dapat terkelupas dari substrat FTO. Namun, film NiO yang dibuat menggunakan larutan prekursor NiO dengan PEG terdiri dari beberapa lapisan, dengan setiap lapisan film NiO terikat ke lapisan lainnya. Tidak ada retakan yang jelas di antara lapisan yang berbeda, dengan ketebalan sekitar 2,6 μm. PEG mungkin memiliki dua efek dalam proses pembentukan film NiO. Salah satunya adalah bahwa PEG dapat meningkatkan sambungan antara partikel NiO ini dan mengurangi munculnya retakan pada proses pengeringan setelah gel NiO dibilah pada substrat FTO. Sementara itu, PEG dapat digunakan sebagai agen pengarah struktur. Penambahan PEG dapat meningkatkan luas permukaan spesifik dan volume pori film NiO.
Mikrograf SEM dari film NiO:a , c , dan e dibuat dari larutan prekursor tanpa polietilen glikol. b , d , dan f dibuat dari larutan prekursor dengan polietilen glikol
Film NiO yang disiapkan dengan dua lapisan disensitisasi dengan CdSeS QDs dengan deposisi elektroforesis. Arus foto–tegangan (J –V ) kurva direkam di bawah intensitas 1 Matahari menggunakan simulator surya Newport Oriel sebagai sumber cahaya. Gambar 2 menunjukkan J–V kurva yang diperoleh. Seperti yang dapat diamati dari Gambar 2, dengan penambahan 0 hingga 0,15 g PEG, efisiensi konversi meningkat secara signifikan dari 0,08 menjadi 0,32%. OCV, JSC , dan fill factor (FF) untuk fotokatoda NiO terbaik adalah 0,158 V, 4,40 mA cm
−2
, dan 0,46, masing-masing. Properti akan meluruh secara tajam dengan perubahan konten PEG dari 0,15 menjadi 0,3 g. Oleh karena itu, konsentrasi PEG dalam larutan prekursor NiO secara signifikan mempengaruhi sifat katoda NiO.
Kurva karakteristik densitas-tegangan arus dari fotokatoda NiO dengan kandungan PEG yang berbeda dalam larutan prekursor
Efek dari ketebalan film NiO juga diselidiki. Dalam eksperimen ini, konten PEG ditetapkan pada 0,15 g. Gambar 3 menunjukkan kurva sifat fotolistrik. Dengan peningkatan ketebalan film dari 0,6 menjadi 2,1 μm, OCV dan JSC ditingkatkan. Kedua faktor ini cenderung meluruh dengan bertambahnya ketebalan film. FF menunjukkan hampir tidak ada perubahan dengan peningkatan ketebalan film. Perubahan lemah ini mungkin terkait dengan peningkatan kerapatan arus foto. Akibatnya, efisiensi konversi fotolistrik meningkat dengan penebalan awal film NiO. Perubahan yang lemah diamati untuk ketebalan film yang lebih besar dari 1,5 μm, terkait dengan laju pengangkutan lubang yang rendah dan masa pakai lubang yang pendek [20].
Pengaruh ketebalan film pada karakteristik fotovoltaik dari fotokatoda NiO
Katoda NiO yang telah disiapkan dirakit bersama dengan TiO2 anoda untuk mempersiapkan sel surya tandem tipe p-n-sensitisasi QD. Gambar 4 menunjukkan J–V kurva katoda NiO dan TiO2 anoda, serta tandem TiO2 (turun)/NiO(naik) dan TiO2 (atas)/NiO(bawah) sel surya. Sel surya tandem tipe p–n dengan TiO2 Konfigurasi (turun)/NiO(naik) menunjukkan peningkatan OCV yang signifikan dibandingkan dengan katoda NiO yang dipisahkan atau TiO2 anoda. Efisiensi konversi fotolistrik adalah 0,43%, dengan OCV 0,594 V, JSC dari 2,0 mA cm
−2
, dan sebuah FF dari 0,36. Ini adalah studi pertama tentang sel surya tandem tipe p-n yang tersensitisasi QD. Namun, JSC sel surya tandem secara signifikan lebih kecil daripada katoda NiO dan TiO2 anoda. Selain itu, efisiensi konversi fotolistrik lebih kecil daripada katoda NiO dan TiO2 anoda. Di masa depan, lebih banyak penelitian harus dilakukan untuk meningkatkan kinerja tinggi sel surya tandem tipe p-n tersensitisasi QD.
Kurva karakteristik densitas–tegangan arus sel surya tandem tipe p–n kuantum dot tersensitisasi tipe p–n
Kesimpulan
Polietilen glikol (PEG) digunakan untuk membuat film NiO. Penambahan PEG secara signifikan mengurangi retakan pada film NiO. Film NiO nanopori setebal 2,6 m yang seragam disiapkan. Efisiensi konversi fotolistrik yang dioptimalkan adalah 0,80%. Film NiO peka titik kuantum yang dioptimalkan pertama kali dirakit dengan TiO2 anoda untuk menyiapkan sel surya tandem tipe p-n-sensitisasi QD. Tegangan rangkaian terbuka (OCV) lebih besar dari yang ditunjukkan oleh katoda NiO yang dipisahkan atau TiO2 anoda. TiO2 Sel surya tandem (turun)/NiO(naik) menghasilkan konversi fotolistrik total sebesar 0,43%, dengan OCV, rapat arus hubung singkat, dan faktor pengisian 0,594 V, 2,0 mA cm
−2
, dan 0,36, masing-masing.
