Sintesis Nanokristal ZnO dan Aplikasinya pada Sel Surya Polimer Terbalik

Hasil dan Diskusi

Dengan menyetel parameter pertumbuhan hidrotermal, seperti konsentrasi larutan, suhu reaksi, dan surfaktan, diperoleh kristal nano ZnO dengan morfologi yang berbeda, misalnya, nanorod ZnO, nanotetrapoda, bunga nano, dan kubus nano. Diantaranya, susunan nanorod ZnO yang berpola dan selaras disintesis melalui rute hidrotermal dengan menggunakan TiO₂ template cincin yang berasal dari monolayer rakitan mikrosfer polistirena (templat monolayer rakitan terbalik), yang telah didemonstrasikan dalam pekerjaan kami sebelumnya [11]. Gambar 2a, b menyajikan tampilan atas dan kemiringan 45° dari susunan nanorod ZnO yang tumbuh, yang ditanam dalam larutan berair yang mengandung 0,05 M Zn(NO₃ )₂ ·6H₂ O dan HMTA pada 80 °C selama 3 jam. Dapat dilihat bahwa susunan nanorod ZnO menyimpan periodisitas heksagonal jarak jauh dari TiO₂ template cincin dengan sangat baik. Semua nanorod ZnO sejajar sempurna dengan substrat dengan diameter seragam 380 nm, yang dapat menyediakan jalur pendek dan kontinu untuk transpor elektron, dan hanya satu nanorod ZnO yang tumbuh di setiap lokasi pertumbuhan. Dari tampilan atas susunan nanorod ZnO yang tumbuh pada Gambar. 2a, kita dapat melihat bahwa ruang antara nanorod ZnO yang berdekatan lebarnya sekitar 200 nm, yang penting untuk infiltrasi penyerap cahaya organik berikutnya. Selain itu, diameter dan panjang nanorod ZnO dapat divariasikan dengan mudah dengan memvariasikan konsentrasi larutan dan suhu reaksi selama pertumbuhan hidrotermal, seperti yang dilaporkan dalam penelitian kami sebelumnya [11]. Array nanotetrapod ZnO, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c, d, ditumbuhkan pada 0,025 M, 50 °C selama 6 jam dengan template monolayer rakitan terbalik yang serupa dengan array nanorod ZnO. Perbedaan dari susunan nanorod ZnO adalah bahwa sejumlah PEI (0,1 ml PEI per 40 ml larutan reaksi) telah digunakan selama pertumbuhan hidrotermal, yang dilaporkan mendorong pertumbuhan ke arah aksial, tetapi menekan pertumbuhan di arah radial [12]. Dari tampilan atas (Gbr. 2c) dan tampilan kemiringan 45° (Gbr. 2d) dari susunan nanotetrapod ZnO, kita dapat melihat bahwa susunan nanotetrapod juga menyimpan periodisitas heksagonal jarak jauh dari TiO₂ template cincin sangat baik, dan setiap nanotetrapod terdiri dari tiga hingga tujuh nanorod yang tumbuh di setiap lokasi pertumbuhan, sehingga luas permukaan susunan nanotetrapod ZnO jauh lebih besar daripada susunan nanorod ZnO.

a Tampilan atas dan b Tampilan kemiringan 45° dari susunan nanorod ZnO. c Tampilan atas dan d Tampilan kemiringan 45° dari susunan nanotetrapod ZnO

Gambar 3a, b masing-masing menunjukkan gambar SEM dari bunga nano ZnO dan kubus nano, yang disiapkan dengan metode dua langkah, sebagai berikut. Pertama, nanorod ZnO ditumbuhkan melalui proses hidrotermal dalam larutan berair yang mengandung 0,025 M Zn(NO₃ )₂ ·6H₂ O dan HMTA pada 85 °C selama 3 jam. Kemudian, nanorod ZnO yang telah tumbuh direndam ke dalam larutan yang berbeda untuk pertumbuhan sekunder. Bunga nano ZnO diperoleh dalam larutan 0,0075 M Zn(NO₃ )₂ ·6H₂ O dan 0,0075 M natrium sitrat pada 95 °C selama 12 jam, sedangkan nanokubus ZnO diperoleh dalam larutan 0,0075 M Zn(NO₃ )₂ ·6H₂ O dan 0,015 M natrium sitrat pada 95 °C selama 6 jam. Akhirnya, bunga nano ZnO dan kubus nano yang tumbuh dibilas dengan air deionisasi dan dikeringkan di udara untuk menghilangkan sisa polimer. Dari tampilan atas bunga nano ZnO pada Gambar 3a, kita dapat melihat bahwa bunga nano ZnO tidak teratur dan padat, dan setiap bunga nano terdiri dari banyak “kelopak”, sehingga luas permukaannya sangat meningkat. Namun, jarak antara “kelopak” bunga nano ZnO yang berdekatan sangat kecil (lebar ~  30 nm), seperti yang ditunjukkan pada tampilan zoom-in Gambar 3a, sehingga infiltrasi penyerap cahaya organik berikut menjadi sangat sulit. Gambar 3b menyajikan tampilan atas dari nanokubus ZnO. Jelas, nanokubus ZnO memiliki ukuran yang seragam dan panjang sisinya sekitar 150 nm. Selain itu, setiap nanocube ZnO dipisahkan satu sama lain, yang akan mempengaruhi transpor elektron dalam sel surya, seperti yang dijelaskan nanti dalam artikel ini.

Tampilan atas a bunga nano ZnO dan b nanocube ZnO. Sisipan dari Gambar 3a adalah tampilan zoom-in dari bunga nano ZnO tunggal

Selanjutnya, empat jenis nanokristal ZnO dimasukkan ke dalam sel surya heterojungsi massal organik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1. Selama proses fabrikasi, empat sel surya dibuat di setiap substrat ITO. Di antaranya, jika deviasi efisiensi konversi foton (PCE) maksimum kurang dari 3% di setidaknya tiga sel surya dengan nilai PCE lebih tinggi, maka parameter kinerjanya akan dicatat. Nilai PCE tertinggi dalam catatan diadopsi di sini untuk perbandingan. Di sana, lima sampel dibuat untuk setiap contoh, di antaranya, deviasi PCE dan parameter kunci lainnya untuk setiap contoh kurang dari 3%, sehingga hasilnya dapat dipercaya. J -V karakteristik perangkat sel surya dengan nanokristal ZnO yang berbeda di bawah simulasi sinar matahari ditunjukkan pada Gambar. 4, dan kinerja perangkat yang sesuai diringkas dalam Tabel 1.

J -V karakteristik sel surya heterojungsi massal organik dengan struktur nano ZnO yang berbeda

Dapat dilihat bahwa perangkat ZnO nanotetrapod menunjukkan PCE tertinggi 3,96, diikuti oleh perangkat ZnO nanorod dan nanoflower (masing-masing 3,71 dan 3,69), dan perangkat ZnO nanocube menunjukkan PCE terendah 3,25. Peningkatan PCE muncul dari kepadatan arus hubung singkat yang lebih tinggi (J _SC ), sedangkan tegangan rangkaian terbuka (V _OC ) dari empat perangkat tetap hampir tidak berubah. Kinerja terbaik perangkat nanotetrapod ZnO dapat dianggap berasal dari luas permukaan yang besar dan ruang yang tepat (~ 300 nm) antara nanokristal ZnO yang berdekatan untuk infiltrasi penyerap cahaya organik. Perangkat nanorod ZnO memiliki luas permukaan yang relatif lebih rendah, menyebabkan pemuatan pewarna dan pemanenan cahaya yang lebih rendah, yang akan mempengaruhi ekstraksi muatan, dan dengan demikian menunjukkan J yang lebih rendah. _SC dibandingkan dengan perangkat nanotetrapod ZnO [13]. Bunga nano ZnO, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c, d, memiliki luas permukaan terbesar, tetapi perangkat yang sesuai menyajikan PCE yang lebih rendah dibandingkan dengan nanotetrapod ZnO. Karena ruang (kurang dari 50 nm) antara “kelopak” bunga nano ZnO yang berdekatan sangat dekat sehingga infiltrasi dan kombinasi penyerap cahaya organik dan saluran transpor elektron ZnO menjadi sangat buruk. Seperti diketahui, untuk mencapai kemampuan transmisi pembawa dan disosiasi eksitasi yang lebih tinggi, infiltrasi yang lebih baik dan kontak yang lebih efektif sangat penting. Oleh karena itu, perangkat nanoflower ZnO mengalami penurunan J _SC , dibandingkan dengan nanotetrapod ZnO. Selain luas permukaan yang besar dan ruang yang tepat antara nanokristal ZnO yang berdekatan untuk infiltrasi penyerap cahaya organik, jalur pendek dan kontinu untuk transpor elektron juga sangat penting. Untuk perangkat nanocube ZnO, karena setiap nanocube ZnO dipisahkan satu sama lain, jalur untuk transpor elektron, yang terganggu oleh batas butir antara nanocube yang berdekatan, tidak kontinu. Akibatnya, perangkat nanocube ZnO menghadirkan J . terendah _SC .