Sintesis Hidrotermal Terkontrol Nanokristal ZnO untuk Sel Surya Polimer Terbalik Tingkat Tinggi
Abstrak
Kami melaporkan rute hidrotermal yang dapat diskalakan dan hemat biaya yang menghasilkan nanokristal ZnO dalam berbagai morfologi—nanorods, nanotetrapods, nanoflowers, dan nanocubes—dengan hanya menyesuaikan konsentrasi larutan, suhu, dan jenis surfaktan. Penggabungan nanostruktur ini ke dalam sel surya bulk-heterojunction organik sebagai lapisan transportasi elektron menunjukkan bahwa performa perangkat sangat bergantung pada morfologi, dengan konfigurasi nanotetrapod mencapai efisiensi konversi daya (PCE) tertinggi.
Latar Belakang
Sel surya bulk-heterojunction (BHJ) organik yang menggunakan nanostruktur logam oksida tipe-n untuk transportasi elektron telah menarik perhatian karena stabilitas yang ditingkatkan, pembuatan berbiaya rendah, dan kompatibilitas dengan pemrosesan larutan [1–4]. Nanokristal ZnO unggul karena mobilitas elektron yang tinggi, transparansi optik di seluruh spektrum terlihat, dan kontrol morfologi yang mudah, menjadikannya bahan transportasi elektron yang ideal [5–7]. Meskipun studi sebelumnya telah menunjukkan peningkatan metrik perangkat melalui nanorods, nanowalls, dan nanotetrapods, pengaruh morfologi yang tepat terhadap performa fotovoltaik masih diperdebatkan.
Dalam karya ini, kami menyintesis nanokristal ZnO dengan bentuk yang berbeda menggunakan proses hidrotermal sederhana. Dengan memvariasi konsentrasi prekursor, suhu, dan surfaktan, kami mencapai nanorods, nanotetrapods, nanoflowers, dan nanocubes. Nanostruktur ini kemudian diintegrasikan ke dalam lapisan aktif sel surya BHJ terbalik, dan karakteristik J–V yang dihasilkan mengungkapkan hubungan morfologi-performa yang jelas. Temuan kami menyoroti bahwa luas permukaan yang besar, jarak inter-nanokristal yang optimal untuk infiltrasi lapisan aktif, dan jalur transportasi elektron yang berkelanjutan sangat penting untuk memaksimalkan efisiensi perangkat.
Metode
Penyetoran Lapisan Benih ZnO
Untuk memnukulasi pertumbuhan ZnO pada substrat yang tidak cocok, kami menyetorkan lapisan benih melalui penapisan celup, mengikuti protokol yang dijelaskan dalam publikasi kami sebelumnya [8].
Pertumbuhan Hidrotermal Nanokristal ZnO
Substrat ITO, dilapisi dengan lapisan benih ZnO, ditempatkan terbalik dalam wadah reaksi yang berisi 40 ml campuran air zink nitrate heksahidrat (Zn(NO3)2·6H2O) dan heksametilentetramin (HMTA) dengan molaritas sama. Surfaktan yang dipilih—baik polietilenimina (PEI) atau sitrat sodium—ditambahkan untuk menyesuaikan pertumbuhan. Wadah yang ditempel kemudian dipelihara pada suhu konstan untuk durasi tertentu. Setelah pertumbuhan, nanokristal ZnO dipanen, dicuci dengan air deionis, dan dikeringkan di kondisi ruang. Untuk prosedur rinci, lihat referensi [8].
Kami pertama kali menapiskan lapisan PCBM tipis (20 mg ml−1 dalam metilena klorida, 1000 rpm, 30 s) pada nanokristal ZnO. Lapisan perantara ini meningkatkan infiltrasi polimer aktif ke dalam matriks nanokristal. Selanjutnya, campuran P3HT:PCBM (10 mg ml−1 P3HT, 16 mg ml−1 PCBM dalam klorobenzena) ditapiskan (1000 rpm, 30 s) dan dipanggang pada 225 °C selama 1 menit untuk menghilangkan pelarut dan mempromosikan penetrasi polimer. Lapisan transportasi lubang PEDOT:PSS (4000 rpm, 40 s) kemudian diterapkan dan dipanaskan pada 130 °C selama 15 menit, menghasilkan ketebalan ~35 nm. Terakhir, katoda Al 100 nm diavaporkan secara termal, dan perangkat dipanaskan pada 130 °C selama 20 menit di bawah nitrogen. Arsitektur lengkap diilustrasikan dalam Fig. 1.
Arsitektur perangkat sel surya bulk heterojunction organik
Karakterisasi
Mikroskopi elektron pemancaran medan (FE-SEM; Hitachi FE-S4800) memeriksa morfologi nanokristal ZnO. Performa fotovoltaik dievaluasi menggunakan source-meter Keithley 2400 di bawah iluminasi AM 1.5G (100 mW cm−2). Semua pengukuran dilakukan tiga kali untuk memastikan reproduktivitas.
Hasil dan Pembahasan
Dengan menyesuaikan parameter hidrotermal, kami berhasil menghasilkan nanorods, nanotetrapods, nanoflowers, dan nanocubes ZnO. Bukti paling menarik tentang kontrol morfologi datang dari larik nanorod ZnO berbentuk pola yang dibuat pada cinc template TiO2 yang berasal dari monolaer poliestiren yang tersusun sendiri [11]. Gambar 2a dan 2b menampilkan tampilan atas dan kemiringan 45° dari larik ini, yang tumbuh dari larutan 0,05 M Zn(NO3)2·6H2O/HMTA pada 80 °C selama 3 jam. Batang-batang menunjukkan diameter seragam 380 nm dan jarak 200 nm, memberikan jalur transportasi elektron yang pendek dan berkelanjutan serta ruang yang cukup untuk infiltrasi lapisan aktif.
Larik nanotetrapod (Fig. 2c,d) disintesis dalam kondisi yang serupa (0,025 M, 50 °C, 6 jam) namun dengan penambahan 0,1 ml PEI, yang mempromosikan pertumbuhan aksial sambil menekan perluasan radial [12]. Setiap tetrapod, terdiri dari 3–7 nanorod, menawarkan luas permukaan yang jauh lebih besar dibandingkan larik tunggal-rod tunggal.
a Tampilan atas dan b kemiringan 45° dari larik nanorod ZnO. c Tampilan atas dan d kemiringan 45° dari larik nanotetrapod ZnO
Gambar 3 menyajikan gambar SEM morfologi nanoflower dan nanocube, yang dibuat melalui rute hidrotermal dua tahap. Nanorod awal (0,025 M, 85 °C, 3 jam) berfungsi sebagai template untuk pertumbuhan sekunder. Nanoflower terbentuk dalam larutan 0,0075 M Zn(NO3)2·6H2O / 0,0075 M sitrat sodium pada 95 °C selama 12 jam, menghasilkan struktur "kelopak" yang padat dan tidak teratur dengan jarak inter-kelopak ~30 nm. Nanocube muncul dalam larutan 0,0075 M Zn(NO3)2·6H2O / 0,015 M sitrat sodium pada 95 °C selama 6 jam, menghasilkan partikel kubik ~150 nm yang terisolasi satu sama lain.
Tampilan atas a nanoflower ZnO dan b nanocube ZnO. Inset dari Gambar 3a adalah perbesaran tunggal nanoflower.
Empat morfologi nanokristal ZnO yang berbeda diintegrasikan ke dalam perangkat BHJ terbalik yang sama (Fig. 1). Untuk setiap morfologi, lima perangkat dibuat pada substrat ITO yang sama; hanya tiga perangkat terbaik (pencilan PCE dalam 3 %) yang dipertimbangkan untuk pelaporan. Kurva J–V yang dihasilkan ditunjukkan dalam Gambar 4, dan metrik performa utama diringkas dalam Tabel 1.
Karakteristik J–V sel surya bulk heterojunction organik dengan berbagai nanostruktur ZnO
Perangkat nanotetrapod mencapai PCE tertinggi sebesar 3,96%, diikuti dekat oleh perangkat nanorod (3,71%) dan nanoflower (3,69%), sementara konfigurasi nanocube menghasilkan 3,25%. Performa superior nanotetrapod dapat dikaitkan dengan luas permukaan yang luasnya (~300 nm jarak inter-kristal) yang memfasilitasi penyerapan cahaya dan ekstraksi elektron yang efisien. Sebaliknya, larik nanorod, dengan luas permukaan yang lebih rendah, menunjukkan muatan pewarna yang lebih rendah dan akibatnya kepadatan arus pendek-sirkuit (JSC) yang lebih rendah. Struktur nanoflower, meskipun memiliki luas permukaan yang tinggi, menderita jarak inter-kelopak yang sempit (<50 nm), menghambat infiltrasi lapisan aktif dan menghasilkan JSC yang sedikit lebih rendah. Akhirnya, morfologi nanocube yang terisolasi mengganggu jalur transportasi elektron, mengurangi JSC dan efisiensi keseluruhan lebih lanjut.
Kesimpulan
Kami telah menunjukkan bahwa proses hidrotermal sederhana yang dapat diskalakan dapat menghasilkan nanokristal ZnO dengan morfologi yang terkontrol—nanorods, nanotetrapods, nanoflowers, dan nanocubes—dengan menyesuaikan konsentrasi prekursor, suhu, dan surfaktan. Saat diintegrasikan sebagai lapisan transportasi elektron dalam sel surya BHJ terbalik, morfologi sangat mempengaruhi performa perangkat. Hasil optimal timbul dari luas permukaan yang luas dan dapat diakses, jarak inter-nanokristal yang cukup untuk infiltrasi lapisan aktif, dan jaringan transportasi elektron yang tidak terganggu.
