Pengoptimalan Sel Surya Perovskit MAPbI₃ dengan Elektroda ITO Sputter Sudut Miring
Abstrak
Kami menyelidiki bagaimana sudut dan waktu sputtering indium tin oxide (ITO) mempengaruhi morfologi dan kinerja film perovskit metilamoniun plumbum triiodida (MAPbI₃). Meningkatkan sudut sputtering miring dari 0° hingga 80° memperbesar ukuran biji perovskit, akibat dari perubahan kelembaban permukaan lapisan antar PEDOT:PSS. Perangkat paling efisien (efisiensi konversi daya 11,3 %) dicapai dengan film ITO sudut miring 30° yang diendapkan selama 15 menit, yang menekankan keseimbangan antara konduktivitas dan sifat pencaharan cahaya.
Latar Belakang
Indium tin oxide (ITO) tetap menjadi oksida konduktif transparan (TCO) yang paling banyak digunakan dalam perangkat optoelektronik, menawarkan transmisi visibel ~96 % dan resistansi lembar ~10 Ω/sq. Penyesuaian karakteristik optik dan listrik ITO—melalui aniling, kontrol rasio gas, atau depoisi sudut melintang (GLAD)—telah menghasilkan film anizotropik dengan mikrostruktur kolumnar dan sifat yang bergantung pada arah. Sel surya perovskit (PSC) berbasis CH₃NH₃PbI₃ (MAPbI₃) telah mencapai efisiensi yang luar biasa, namun sebagian besar perangkat menggunakan substrat TCO isotropik. Studi ini menjelajahi penggunaan ITO sputter miring sebagai substrat untuk PSC MAPbI₃ datar, menguji bagaimana anizotropi permukaan mempengaruhi pertumbuhan film dan kinerja perangkat.
Metode
Kaca ITO (1,5 × 1,5 cm²) dibersihkan secara berurutan dengan aseton, etanol, dan air deion (ultrasonikasi 5 menit) dan dikeringkan dengan nitrogen. Lapisan ITO 100 nm di-sputter pada 5 mTorr Ar, dengan variasi sudut depoisi (0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 80°) dan waktu (5–30 menit). Setelah depoisi, film dianiling pada 300 °C selama 30 menit. PEDOT:PSS (Clevios™ PH 1000) di-spin-coat pada ITO miring (5000 rpm, 30 detik) dan dianiling pada 110 °C selama 10 menit. MAPbI₃ diendapkan melalui proses spin-coating dua tahap (1000 rpm, 10 detik; 5000 rpm, 20 detik) dengan larutan prekursor DMSO/GBL (1:1) 1 mL (1,25 mmol PbI₂, 1,25 mmol MABr). Selama langkah 5000 rpm, 100 µL toluene anhidris ditetes untuk menginduksi kristalisasi cepat. Film dianiling pada 100 °C selama 10 menit. Lapisan PCBM 50 nm (20 mg mL⁻¹ klorobena) di-spin-coat (3000 rpm, 30 detik), diikuti oleh 20 nm Ag evaporasi dalam vakum. Perangkat memiliki area aktif 0,5 × 0,2 cm² yang didefinisikan oleh masker bayang. Analisis struktural menggunakan XRD (Cu Kα) dan FESEM; kelembaban dievaluasi melalui sudut kontak air. Karakteristik J‑V diukur dengan Keithley 2420 di bawah iluminasi AM 1.5G 1000 W m⁻².
a Potongan skematis perangkat dan sistem sputter miring. b Potongan FESEM film ITO miring 30°.
Hasil dan Pembahasan
Kristalinitas film MAPbI₃ tetap tidak berubah di seluruh sudut sputtering; puncak XRD pada 14,28°, 28,5°, 30,61°, dan 31,93° masing-masing cocok dengan (110) MAPbI₃, (220) MAPbI₃, (110) SnO₂, dan (222) In₂O₃, dengan ukuran domain ≈71,8 nm (Scherrer). FESEM mengungkapkan pertumbuhan biji seiring meningkatnya sudut sputtering, mengonfirmasi bahwa kekasaran dan kelembaban permukaan ITO mengatur basahnya PEDOT:PSS dan nukleasi perovskit. Pengukuran sudut kontak air menunjukkan korelasi linier antara sudut dan ukuran biji, yang menunjukkan bahwa permukaan PEDOT:PSS yang lebih hidrofobik (dicapai melalui sudut miring yang lebih tinggi) mempromosikan biji perovskit yang lebih besar.
a–d Gambar SEM film MAPbI₃ pada PEDOT:PSS/ITO miring untuk 0°, 30°, 60°, dan 80°.a–d Sudut kontak air pada PEDOT:PSS/ITO miring pada 0°, 30°, 60°, dan 80°.a–d Sudut kontak air secara langsung pada ITO miring/kaca.
Spektrum fotoluminescensi menunjukkan emisi dominan pada 768 nm, tidak terpengaruh oleh ITO di bawahnya. Penurunan PL meningkat seiring dengan sudut sputtering yang lebih tinggi, menunjukkan pemisahan eksiton yang ditingkatkan pada antarmuka PEDOT:PSS/perovskit—terjepit pada 80° karena kelembaban optimal.
Spektrum PL MAPbI₃ pada PEDOT:PSS/ITO miring pada berbagai sudut.
Kinerja perangkat mencapai puncak pada sudut sputtering 30°. Depoisi 15 menit menghasilkan konduktivitas terambil sambil mempertahankan pencaharan cahaya yang cukup. Tabel 1 mencantumkan metrik kinerja kunci: JSC = 20,46 mA cm⁻², VOC = 0,92 V, FF = 60 %, dan Eff = 11,30 %. Meningkatkan sudut di luar 30° meningkatkan resistansi lembar dan mengurangi efisiensi, menggambarkan trade-off antara sifat optik dan listrik.
Kurva J‑V PSC MAPbI₃ dengan ITO miring pada 0°, 30°, 60°, dan 80°.
Variasi waktu sputtering mengoptimalkan kinerja lebih lanjut (Tabel 2). Depoisi 15 menit memberikan ketebalan dan konduktivitas film yang optimal, mencapai efisiensi 11,3 % yang sama dengan sudut 30°.
Kurva J‑V PSC MAPbI₃ dengan ITO miring yang diendapkan selama 5, 10, 15, dan 20 menit.
Kesimpulan
Kami telah menunjukkan bahwa substrat ITO sputter miring memodulasi morfologi film MAPbI₃ dan kinerja PSC. Konfigurasi optimal—sudut sputtering 30° dan waktu depoisi 15 menit—menghasilkan 11,3 % efisiensi, menyeimbangkan konduktivitas dan pencaharan cahaya. Di luar 30°, resistansi lembar yang meningkat melebihi manfaat optik, mengurangi hasil perangkat. Temuan ini menyoroti pentingnya menyesuaikan mikrostruktur TCO untuk meningkatkan kinerja fotovoltaik perovskit.
