Hybrid UV-Ozone-Treated rGO-PEDOT:PSS sebagai Material Transportasi Lubang yang Efisien dalam Sel Surya Perovskit Planar Terbalik
Abstrak
Sel surya perovskit planar terbalik (PSC), yang dianggap sebagai perangkat yang menjanjikan untuk generasi baru sistem fotovoltaik, menunjukkan banyak keuntungan, seperti pembentukan film suhu rendah, fabrikasi biaya rendah, dan histeresis yang lebih kecil dibandingkan dengan PSC n-i-p tradisional. Sebagai lapisan transport pembawa penting di PSC, lapisan transport lubang (HTL) sangat mempengaruhi kinerja perangkat. Oleh karena itu, modifikasi HTL menjadi salah satu isu yang paling kritis dalam meningkatkan kinerja PSC. Dalam makalah ini, kami melaporkan metode perawatan UV-ozon yang efektif dan ramah lingkungan untuk meningkatkan hidrofilia dari graphene oxide (rGO) tereduksi dengan kinerja listriknya yang sangat baik. rGO yang telah diolah diaplikasikan pada poli(3,4-etilendioksitiofena) poli(stirena-sulfonat) (PEDOT:PSS) yang didoping sebagai bahan HTL PSC. Akibatnya, kinerja PSC yang didoping rGO/PEDOT:PSS meningkat secara signifikan, dengan efisiensi konversi daya (PCE) sebesar 10,7%, J sc 16,75 mA/cm
2
, V oc sebesar 0,87 V, dan FF sebesar 75%. PCE dari PSC yang didoping ini adalah 27% lebih tinggi dari pada PSC dengan PEDOT:PSS murni sebagai HTL. Performa ini dikaitkan dengan morfologi permukaan yang sangat baik dan mobilitas lubang yang dioptimalkan dari PEDOT:PSS yang dimodifikasi rGO yang dapat diproses dengan solusi.
Latar Belakang
Sebagai salah satu dari 10 terobosan ilmiah dan teknologi teratas dunia pada tahun 2013, bahan perovskit organik-anorganik hibrida dianggap sebagai salah satu bahan yang paling menjanjikan untuk mengembangkan perangkat fotovoltaik dengan efisiensi tinggi karena sifat fotolistriknya yang sangat baik [1,2,3]. Dalam 7 tahun terakhir, efisiensi konversi daya (PCE) sel surya perovskite (PSC) telah meningkat pesat dari 3,8 menjadi 22,1%, yang mengungguli sel surya silikon polikristalin konvensional [4]. Sayangnya, pembuatan tradisional PSC tipe n-i-p yang melibatkan prosedur anil suhu tinggi tidak tersedia untuk substrat fleksibel, sehingga membatasi prospek komersialnya. Perangkat sel surya baru, yang pertama kali dibuat oleh Guo et al. pada tahun 2013 dan menghasilkan PCE 3,9% [5], terdiri dari poli(3,4-etilendioksitiofena) poli(stirena-sulfonat) (PEDOT:PSS) sebagai lapisan pengangkut lubang (HTL) dan [6,6]-fenil C61 -butirat asam metil ester sebagai lapisan transpor elektron (ETL). Secara khusus, bahan pengangkut lubang tipe-p (HTM) diendapkan sebelum film penyerapan cahaya perovskit. Selanjutnya, ETL tipe-n diendapkan ke film perovskit. Arsitektur p-i-n ini adalah struktur terbalik, yang menunjukkan banyak properti yang sangat baik, seperti fabrikasi yang mudah, efektivitas biaya, histeresis kecil, dan faktor pengisian tinggi, dibandingkan dengan perangkat n-i-p tradisional [6,7,8]. Sampai saat ini, PCS planar terbalik telah menarik minat yang cukup besar [9, 10]. Peneliti menggunakan berbagai metode, termasuk optimasi struktur [11,12,13], pengembangan peningkatan HTL [13] dan ETL [14, 15], kontrol kristal dan morfologi perovskit [16, 17], dan rekayasa antarmuka [18] ,19,20], untuk meningkatkan efisiensi PSC terbalik. Sayangnya, efisiensi sel surya planar terbalik masih lebih rendah daripada struktur tradisional [21].
Grafena adalah sejenis nanomaterial karbon 2D yang tersusun dari sp
2
-hibridisasi atom karbon dalam struktur heksagonal [22]. Bahan ini memiliki keunggulan yang sangat baik dalam konduktivitas listrik, transparansi optik, dan stabilitas lingkungan [23, 24]. Modifikasi HTL adalah salah satu masalah terpenting untuk meningkatkan kinerja PSC planar terbalik. Misalnya, Yeo et al. menerapkan lembaran nano graphene oxide (rGO) tereduksi sebagai HTL, dan sel surya berbasis rGO menggambarkan efisiensi perangkat yang unggul (10,8%) dibandingkan sel surya berbasis PEDOT:PSS dan GO [25]. Joko dkk. membahas perilaku ekstraksi muatan GO dan rGO sebagai lapisan p-kontak untuk PSC, menunjukkan bahwa rGO yang disintesis melalui reduksi GO dengan agen pereduksi memperoleh PSC heterojungsi planar terbalik kinerja tinggi [26]. Selain itu, bahan graphene dapat berfungsi sebagai dopan yang luar biasa untuk memodifikasi lapisan transport muatan karena masa pakai elektron panas yang panjang dan sifat ekstraksi elektron panas yang sangat cepat [27]. Namun, bahan graphene komersial, seperti rGO, agregat ketika terdispersi dalam air karena tidak adanya gugus fungsi hidrofilik. GO menunjukkan konduktivitas rendah karena struktur terkonjugasi yang rusak. Dengan demikian, graphene yang dapat diproses dengan solusi yang memiliki sifat listrik yang sangat baik, seperti rGO, dan karakteristik dispersi yang baik, seperti GO, harus diproduksi dengan baik untuk modifikasi HTL.
Dalam makalah ini, kami menyajikan metode perawatan UV-ozon yang sederhana dan ramah lingkungan untuk mendapatkan graphene yang terdispersi dalam air dengan mobilitas muatan tinggi. Selanjutnya, kami mendoping PEDOT:PSS menggunakan graphene yang diperoleh untuk membentuk HTM yang ditingkatkan dalam PSC terbalik. Penggabungan graphene yang diolah ke dalam PEDOT:PSS meningkatkan kerapatan arus hubung singkat dan PCE dari PSC. V . yang sangat ditingkatkan oc 0,87 V dengan J . yang relatif tinggi SC dari 16,75 mA/cm
2
diperoleh. PCE yang sesuai dengan nilai rata-rata 10,75% dicapai dengan reproduktifitas tinggi. PCE khas PSC dengan rGO/PEDOT:PSS ditingkatkan sebesar 27% dibandingkan dengan PSC dengan PEDOT:PSS murni sebagai HTL.
Metode/Eksperimental
Bahan kimia
PEDOT:PSS (CleviosTM PVP. Al 4083) dan CH3 NH3 I (MAI) masing-masing dibeli dari Heraeus Materials Technology Shanghai Ltd. dan Deysol Ltd.. PbI2 (99%), anhidrat N ,T -dimetilformamida (DMF, 99,8%), dan klorobenzena anhidrat (CB, 99,8%) dipasok oleh perusahaan Sigma-Aldrich. [6,6]-Phenyl-C61 -butyric acid methyl ester (PC61BM,> 99%) dan 2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline (BCP,> 99%) diperoleh dari Xi'an Polymer Light Technology Corp. rGO diperoleh disintesis oleh YF Tim Chen [28].
Persiapan Solusi
Sekitar 5 mg rGO ditempatkan dalam cawan Petri kuarsa dan selanjutnya diperlakukan dengan prosedur pembersihan UV-ozon (daya operasi, 270 W) terus menerus selama 2 jam. Setelah itu, rGO yang diperoleh dikumpulkan dan ditambahkan ke dalam air deionisasi untuk membentuk larutan dengan konsentrasi 1 mg/mL di bawah perlakuan rendaman ultrasonik.
Untuk mendapatkan peningkatan HTM untuk PSC terbalik, solusi rGO dengan rasio volume yang berbeda (0,1, 0,2, dan 0,3) ditambahkan ke dalam larutan PEDOT:PSS pada suhu kamar. Solusi rGO/PEDOT:PSS yang dihasilkan diaduk secara magnetis semalaman dan disaring dengan filter polytetrafluoroethylene (PTFE) (0,45 μm).
Solusi prekursor perovskit disiapkan dengan proses berikut. MAI dan PbI2 bubuk dicampur dalam DMF anhidrat dengan rasio molar 1:1. Selanjutnya, larutan (40 wt%) diaduk semalaman pada suhu 60°C dan disaring dengan filter PTFE 0,45 m sebelum fabrikasi perangkat.
Fabrikasi Perangkat
Struktur PSC heterojungsi planar terbalik adalah indium timah oksida (ITO)/PEDOT:PSS/CH3 NH3 PbI3 /PC61 BM/BCP/Ag. Substrat ITO (1,5 × 1,5 cm
2
) dibersihkan secara berurutan dengan aseton, isopropanol, dan air deionisasi. Larutan rGO/PEDOT:PSS yang diinjak-UV-ozon yang telah disiapkan, dilapisi spin ke film pada 4000 rpm selama 40 s dan diperlakukan secara termal pada 150 °C selama 10 menit di udara. Pada perlakuan ini lapisan aktif perovskit diendapkan dengan metode one-step solution melalui spin coating CH3 NH3 PbI3 larutan prekursor (40 wt% dalam DMF) pada 4000 rpm selama 40 d. Untuk meningkatkan kristalisasi lapisan aktif, 70 μL CB dijatuhkan dengan cepat ke CH3 NH3 PbI3 film basah sekitar 6 s setelah awal pemintalan, seperti yang dilaporkan dalam literatur [29]. Film dianil pada 110 °C selama 30 menit di dalam kotak sarung tangan yang diisi dengan nitrogen. Setelah itu, larutan PC61BM dalam CB (20 mg/mL) spin-coated pada film perovskit pada 3000 rpm selama 40 s. Selanjutnya, larutan BCP jenuh dispin-coating dalam isopropil alkohol pada 2000 rpm selama 30 detik. Terakhir, lapisan Ag (100 nm) diendapkan melalui penguapan termal.
Karakterisasi
Analisis komponen rGO dilakukan dengan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) dengan spektrometer elektron ESCALAB 250. Struktur kristalisasi CH3 NH3 PbI3 lapisan ditentukan oleh difraksi sinar-X (XRD Bede multifungsi difraktometer sinar-X resolusi tinggi, Inggris). Morfologi film diamati dengan mikroskop kekuatan atom (AFM, SPI3800, Jepang). Pengukuran rapat arus–tegangan (J–V) dilakukan dengan menggunakan Model Keithley 2400 Source Meter di bawah simulasi penyinaran matahari AM 1,5 G (100 mW/cm
2
) yang dihasilkan oleh simulator surya (ABET Technologies, SUN 3000).
Hasil dan Diskusi
RGO yang tidak diberi perlakuan dan UV-ozon yang dilarutkan dalam air deionisasi dengan konsentrasi 1 mg/mL ditunjukkan pada Gambar 1. RGO yang tidak diberi perlakuan hampir tidak dapat terdispersi dalam air deionisasi, dan rGO yang diolah dapat didispersikan secara homogen dalam air, yang dikaitkan dengan beberapa gugus –OH dan –COOH dalam rGO. Larutan rGO yang diolah dengan UV-ozon masih menunjukkan warna hitam pekat dibandingkan dengan larutan GO komersial 1 mg/mL berwarna coklat [22], sehingga menunjukkan proses oksidasi yang tidak sempurna dari perlakuan UV-ozon.
Foto-foto a tidak diobati dan b Larutan rGO yang diberi perlakuan UV-ozon (1 mg/mL dalam H2 O)
Pengukuran XPS dilakukan untuk memverifikasi apakah bagian dari kelompok rGO yang mengandung oksigen menjalani perawatan hidrofilik. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, spektrum C1s dari rGO yang tidak diberi perlakuan jelas menunjukkan tingkat oksidasi yang tinggi dengan empat gugus fungsi yang sesuai dengan C–C (cincin non-oksigen C, 284,7 eV), C–O (C dalam ikatan C–O , 286,1 eV), C=O (karbonil C, 287,2 eV), dan C–(O)–OH (gugus karboksil, 288,8 eV) [30]. Untuk rGO yang diperlakukan dengan ozon UV, intensitas puncak yang ditetapkan untuk C–O dan C–(O)–OH sedikit meningkat. Intensitas puncak yang ditetapkan untuk C–O dan C–(O)–OH meningkat lebih jelas daripada C=O. Oleh karena itu, rGO yang diolah dengan ozon UV dapat secara sah menginduksi gugus hidrofilik.
Spektrum XPS dari a tidak diobati dan b rGO dengan perlakuan UV-ozon
Spektrum XRD diperoleh untuk menyelidiki struktur kristalisasi CH3 NH3 PbI3 lapisan. CH3 NH3 PbI3 film tipis dilapisi spin pada PEDOT:PSS dan rGO/PEDOT:PSS HTL murni dan selanjutnya dianil pada 100 °C selama 30 menit. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 3, kedua film perovskit menunjukkan fitur serupa dan menunjukkan tiga puncak pada 14,14°, 28,08°, dan 31,86°, yang terkait dengan bidang (110), (220), dan (310) kristal perovskit, masing-masing. Namun demikian, perovskit yang dilapisi pada lapisan hybrid rGO/PEDOT:PSS menampilkan puncak difraksi yang lebih tajam daripada yang dilapisi pada PEDOT:PSS asli, yang menunjukkan peningkatan kristalinitas perovskit pada lapisan PEDOT:PSS yang dimodifikasi.
Pola XRD dari film perovskit pada rGO/PEDOT:PSS dan PEDOT:PSS
AFM dilakukan untuk menyelidiki pengaruh penggabungan rGO pada PEDOT:PSS. Gambar 4 menunjukkan gambar AFM tampilan atas film tipis PEDOT:PSS dan rGO/PEDOT:PSS. Gambar tampilan atas AFM dari film tipis rGO/PEDOT:PSS ini tidak menunjukkan tanda rGO yang jelas di area yang dipindai. Hasil ini dikaitkan dengan bahwa rGO berada di tengah lapisan PEDOT:PSS dengan struktur seperti sandwich. Selain itu, kekasaran root-mean-square (RMS) dari lapisan PEDOT:PSS murni adalah sekitar 1,15 nm. Film tipis rGO/PEDOT:PSS memiliki kekasaran RMS 1,27 nm. Literatur sebelumnya melaporkan [19] bahwa kekasaran permukaan substrat yang sedikit tinggi bermanfaat untuk proses kristalisasi perovskit, dan hal itu menyebabkan ukuran butir yang besar dan peningkatan kristalinitas, yang sesuai dengan kesimpulan yang ditunjukkan pada Gambar. 3.
Gambar tampilan atas AFM dari a murni PEDOT:PSS dan b rGO/PEDOT:Film tipis PSS:semua gambar diambil pada area seluas 2,5 × 2,5 μm
2
Konsentrasi rGO dalam PEDOT:PSS diatur untuk mengoptimalkan kinerja PSC. Gambar 5a menunjukkan kurva J–V PSC dengan PEDOT:PSS murni dan PSC dengan rGO/PEDOT:PSS pada rasio volume yang berbeda. PSC dengan PEDOT:PSS murni menunjukkan V ok dari 0,85 V, a JSC dari 13,29 mA/cm
2
, FF sebesar 66%, dan PCE yang sesuai sebesar 8,48%. Untuk PSC dengan rasio volume 0,1, 0,2, dan 0,3 dari rGO/PEDOT:PSS sebagai HTL, VOC nilainya masing-masing adalah 0,90, 0,87, dan 0,89 V. Sejalan dengan itu, J sc adalah 15,04, 16,75, dan 13,44 mA/cm
2
; FF adalah 66, 75, dan 73%, dan 68%; dan PCE masing-masing adalah 10,16, 10,75, dan 8,16%. Secara keseluruhan, perangkat paling luar biasa dengan VOC dari 0,87 V, a JSC dari 16,75 mA/cm
2
, FF 75%, dan PCE 10,75% diamati pada PSC yang digabungkan dengan 0,2 v /v rGO/PEDOT:PSS sebagai HTL. Keduanya VOC dan JSC dari PSC yang tergabung dengan 0.2 v /v rGO/PEDOT:PSS sebagai HTL meningkat secara signifikan dibandingkan dengan PSC yang digabungkan dengan PEDOT:PSS murni sebagai HTL. Akibatnya, peningkatan sekitar 27% diamati di PSC yang digabungkan dengan 0,2 v /v rGO/PEDOT:PSS sebagai HTL.
a Kurva J–V dari PSC dengan PEDOT:PSS murni dan PSC dengan rGO/PEDOT:PSS pada rasio volume yang berbeda. b Kurva J–V PSC dengan PEDOT:PSS murni sebagai HTL (garis merah) dan PSC (garis biru) dengan rGO/PEDOT:PSS (0.2 v /v ) sebagai HTL yang diukur di bawah simulasi sinar matahari AM1.5 sebesar 101 mW/cm
2
penyinaran (garis padat) dan dalam gelap (garis putus-putus)
Untuk memahami V . yang ditingkatkan OC dan JSC untuk PSC dengan rGO/PEDOT:PSS sebagai HTL, Gambar 5b menunjukkan kurva J–V PSC dengan PEDOT:PSS murni sebagai HTL dan PSC dengan rGO/PEDOT:PSS (0.2 v /v ) sebagai HTL, masing-masing. Nilai J . yang meningkat secara signifikan sc terutama disebabkan oleh penurunan resistor seri perangkat. Selain itu, penurunan arus gelap juga berkontribusi pada peningkatan J sc perangkat menurut penelitian sebelumnya [31,32,33]. Untuk lebih menjelaskan mekanisme yang mendasari peningkatan kinerja perangkat, kurva J–V perangkat dalam kondisi gelap juga dicirikan. Pengukuran J-V dalam gelap memainkan peran penting dalam memeriksa sifat dioda sel surya [34]. Pengukuran J-V gelap menggunakan metode listrik untuk menyuntikkan pembawa ke dalam sirkuit daripada dengan pembawa fotogenerasi untuk memberikan informasi tambahan tentang sel untuk tujuan diagnostik. Kurva J–V PSC dengan PEDOT:PSS murni sebagai HTL dan rGO/PEDOT:PSS sebagai HTL yang diukur dalam gelap ditunjukkan pada Gambar 5b. Nilai arus gelap untuk PSC dengan rGO/PEDOT:PSS sebagai HTL lebih rendah daripada PSC dengan PEDOT:PSS murni sebagai HTL. Hasil ini menunjukkan bahwa arus bocor PSC dengan rGO/PEDOT:PSS sebagai HTL ditekan. Untuk sel surya, arus gelap meliputi arus jenuh balik, arus bocor film tipis, dan arus bocor curah. Oleh karena itu, banyak pembawa muatan fotogenerasi dapat mengalir melalui perangkat daripada secara langsung diimbangi oleh arus gelap atau shunting. Secara keseluruhan, arus gelap ditekan oleh rGO-doped PEDOT:PSS HEL yang sangat konduktif dengan konduktif listrik. Akibatnya, VOC dan JSC ditingkatkan, yang sesuai dengan data yang diperoleh dari kurva J–V gelap.
Histogram parameter fotovoltaik statistik (VOC , JSC , FF, dan PCE) untuk PSC dengan PEDOT:PSS murni sebagai HTL dan rGO/PEDOT:PSS sebagai HTL ditunjukkan pada Gambar. 6. Data statistik diperoleh dari total 60 perangkat. Sebagian besar parameter fotovoltaik sesuai dengan distribusi Gauss meskipun ada beberapa data eksperimen, seperti yang ditunjukkan pada kurva pemasangan pada Gambar. 6. Menurut data statistik, VOC , JSC , FF, dan PCE PSC dengan PEDOT:PSS murni sebagai HTL adalah 0,85 ± 0,01 V, 13,88 ± 0,65 mA/cm
2
, 64,69 ± 1,41%, dan 7,65 ± 0,48%, masing-masing. Namun, VOC , JSC , FF, dan PCE PSC dengan rGO/PEDOT:PSS sebagai HTL adalah 0,88 ± 0,02 V, 15,25 ± 1,8 mA/cm
2
, 72,37 ± 2,03%, dan 9,7 ± 1,04%, masing-masing. Singkatnya, VOC tidak menunjukkan perubahan yang nyata. FF dan JSC meningkat secara signifikan, yang menyebabkan peningkatan efisiensi sebesar 27%. Pada dasarnya, rGO meningkatkan J sc dan FF dari PSC yang digabungkan dengan rGO/PEDOT:PSS sebagai HTL. Keduanya VOC dan JSC dari PSC yang tergabung dengan 0.2 v /v rGO/PEDOT:PSS sebagai HTL meningkat secara signifikan dibandingkan dengan PSC yang digabungkan dengan PEDOT:PSS murni sebagai HTL. Akibatnya, peningkatan sekitar 27% diamati di PSC yang digabungkan dengan 0.2 v /v rGO/PEDOT:PSS sebagai HTL.
Histogram parameter fotovoltaik statistik aVOC , bJSC , c FF, dan d PCE untuk PSC dengan PEDOT:PSS murni sebagai HTL dan rGO/PEDOT:PSS sebagai HTL
Kesimpulan
Kami melaporkan metode perawatan UV-ozon yang sederhana dan efektif untuk mendapatkan rGO kinerja tinggi dan solusi yang dapat diproses. Kami juga mendemonstrasikan rGO yang diolah dengan UV-ozon sebagai aditif untuk memodifikasi PEDOT:PSS sebagai HTL untuk pembuatan PSC yang efisien. Sel surya berdasarkan PEDOT:PSS yang diolah dengan rGO-doped menunjukkan kinerja yang menjanjikan dengan VOC dari 0,87 V, a JSC dari 16,75 mA/cm
2
, FF 75%, dan PCE 10,75%. Selain itu, mengingat morfologi permukaan yang sangat baik dan mobilitas lubang yang ditingkatkan, peningkatan efisiensi konversi fotolistrik sebesar 27% diamati di PSC yang digabungkan dengan 0,2 v /v rGO/PEDOT:PSS sebagai HTL. Keuntungan berbeda dari rGO yang dapat diproses dengan solusi memberikan kemungkinan baru untuk mencapai sel surya efisiensi tinggi dan perangkat fotolistrik lainnya.
