Pembentukan In Situ Nanokristal CdS dan Sb₂S₃ dalam P3HT:PC₆₁BM Meningkatkan Arus Foto pada Sel Surya Hibrid Terbalik

Abstrak

Penggabungan nano-heterostruktur ke dalam lapisan aktif sel surya heterojunction bulk dapat secara signifikan meningkatkan performa perangkat. Di sini kami melaporkan pembentukan in situ nanokristal CdS atau Sb₂S₃ dalam campuran P3HT:PC₆₁BM dengan menambahkan precursori xantat kadmium atau antimoni ke dalam larutan polimer. Setelah pemanasan termal, precursori dekomposisi membentuk nanokristal yang tersebar merata, menciptakan antarmuka polimer-nanokristal yang intim yang meningkatkan serapan optik, mobilitas lubang, dan kekasaran permukaan. Perangkat yang dibuat dengan 3 wt % CdS atau Sb₂S₃ menunjukkan efisiensi konversi daya (PCE) sebesar 2,91 % dan 2,92 % masing-masing—secara signifikan lebih tinggi dari sel P3HT:PC₆₁BM konvensional. Studi UV–Vis, SCLC, dan AFM mengonfirmasi manfaat transport muatan dan morfologi yang ditingkatkan yang diberikan oleh nanokristal, menggarisbawahi efektivitas sintesis in situ untuk sel surya hibrid berkecukupan tinggi.

Latar Belakang

Teknologi fotovoltaik organik (OPV) menawarkan solusi ringan, berbiaya rendah, dan fleksibel, sementara semiconductor anorganik menyediakan mobilitas muatan tinggi dan ketahanan kimia. Sel surya hibrid (HSC) yang menggabungkan kedua kelas materi ini bertujuan untuk memanfaatkan yang terbaik dari kedua dunia. Pendekatan tradisional mencampur nanokristal anorganik yang telah disintesis sebelumnya, yang dilapisi ligand, dengan matriks polimer, tetapi rantai ligand panjang membuat penghalang insulator dan penggunaan cosolvent dapat mengganggu urutan rantai polimer, membatasi transport muatan dan efisiensi. Dalam kontras, sintesis in situ nanopartikel anorganik secara langsung dalam film polimer menghilangkan surfactant dan cosolvent, mempromosikan pencampuran yang intim dan transport muatan yang diinduksi cahaya yang efisien.

Studi sebelumnya telah menunjukkan bahwa nanokristal sulfida logam seperti CdS dan Sb₂S₃ dapat berfungsi sebagai kaskade elektron atau dopan, meningkatkan ekstraksi muatan dan serapan cahaya dalam campuran P3HT:PC₆₁BM. Namun, mencapai pemuatan nanokristal yang optimal tanpa mengorbankan morfologi polimer tetap menjadi tantangan.

Metode / Eksperimen

Pembuatan Perangkat

HSC terbalik dirangkak pada ITO/kaca yang dipola (10–15 Ω □⁻¹). Lapisan antarmuka CdS tebal 10 nm dicelup dari larutan xantat kadmium 100 mg mL⁻¹ dalam klorobenaena dan dianil pada 160 °C selama 15 menit di bawah N₂. Lapisan aktif disiapkan dengan mencampur 1:1 P3HT:PC₆₁BM (17 mg mL⁻¹) dengan 3 wt % (atau 0, 5, 7 wt %) dari precursori xantat yang sesuai. Film dicelup pada 600 rpm, kemudian dianil pada 160 °C selama 30 menit untuk mendekomposisi precursori menjadi nanokristal CdS atau Sb₂S₃. Lapisan transport lubang MoO₃ tebal 8-nm dan anoda Ag tebal 100-nm dievaporasi termal melalui maska bayang untuk mendefinisikan area aktif 0,10 cm².

Karakterisasi

XRD (Cu Kα, 40 kV) menilai kristalinitas, sementara TGA (10 °C min⁻¹, N₂) mengonfirmasi dekomposisi precursori. Serapan UV–Vis direkam dengan spectrophotometer U-3900H. Performa fotovoltaik (J–V di bawah 1 matahari, AM 1.5G) diukur dengan source meter Keithley 2410 dalam N₂. Spektra EQE/IPCE diperoleh menggunakan detektor silicon terkalibrasi. Mobilitas lubang diekstrak dari pengukuran SCLC pada perangkat hanya lubang (ITO/PEDOT:PSS/lapisan aktif/MoO₃/Ag). AFM (mode tapping) menyediakan data morfologi dan kekasaran permukaan.

Hasil dan Pembahasan

Stabilitas Termal Precursori

TGA mengungkapkan bahwa xantat kadmium dekomposisi antara 50–150 °C, menyisakan sisa ~25 % yang cocok dengan CdS (28 %), sementara xantat antimoni dekomposisi antara 120–160 °C, menghasilkan sisa ~35 % yang konsisten dengan Sb₂S₃ (35 %). Profil ini memandu kondisi anil untuk memastikan konversi lengkap precursori.

Plot TGA xantat kadmium dan antimoni

Pembentukan dan Morfologi Nanokristal

Pasca-anil, lapisan aktif menunjukkan warna kuning atau oranye yang mengindikasikan pembentukan CdS atau Sb₂S₃. Pola XRD mengonfirmasi fasa CdS heksagonal/kubik dan Sb₂S₃ ortorombik, selaras dengan data TGA. AFM menunjukkan peningkatan kekasaran permukaan dari 2,82 nm (pristin) menjadi 8,89 nm (3 wt % CdS) dan 7,13 nm (3 wt % Sb₂S₃), yang mengindikasikan perubahan morfologi yang diinduksi nanokristal yang meningkatkan interpenetrasi dan dissoiasi eksiton.

Pola XRD film CdS dan Sb₂S₃

Performa Fotovoltaik

Kurva J–V (Gambar 3b-c) menunjukkan bahwa penambahan 3 wt % CdS atau Sb₂S₃ meningkatkan arus kortslsir (Jsc) dari 7,77 mA cm⁻² menjadi 8,72 mA cm⁻² (CdS) atau 9,15 mA cm⁻² (Sb₂S₃). Resistensi seri menurun dari 22,15 Ω cm² menjadi 16,70 Ω cm² (CdS) atau 17,50 Ω cm² (Sb₂S₃), meningkatkan fill factor dari 0,52 menjadi 0,56 atau 0,54. PCE yang dihasilkan mencapai puncak 2,91 % (CdS) dan 2,92 % (Sb₂S₃), mengungguli kontrol (2,34 %) dan melebihi sel P3HT:PC₆₁BM yang didoping CdS yang sebelumnya dilaporkan.

Fig. 3. a Skematik perangkat. b Kurva J–V untuk pemuatan CdS. c Kurva J–V untuk pemuatan Sb₂S₃. d Diagram band energi.

Respons Spektral dan Serapan

Spektra IPCE (Gambar 4a) menunjukkan efisiensi kuantum yang lebih tinggi di seluruh 300–650 nm untuk perangkat yang didoping nanokristal. Pada 540 nm, puncak IPCE mencapai 60 % (CdS) dan 65 % (Sb₂S₃) versus 55 % untuk campuran pristin. Serapan UV–Vis (Gambar 4b) menunjukkan peningkatan modest untuk CdS dan peningkatan yang signifikan untuk Sb₂S₃, yang berkorelasi dengan peningkatan Jsc.

Fig. 4. a Kurva IPCE. b Spektra serapan UV–Vis.

Transport Muatan

Pengukuran SCLC (Gambar 5) mengungkapkan bahwa mobilitas lubang meningkat dari 4,09 × 10⁻⁵ cm² V⁻¹ s⁻¹ (pristin) menjadi 1,53 × 10⁻⁴ cm² V⁻¹ s⁻¹ (CdS) dan 1,69 × 10⁻⁴ cm² V⁻¹ s⁻¹ (Sb₂S₃). Transport lubang yang ditingkatkan menyeimbangkan mobilitas elektron inherent yang lebih tinggi dari P3HT:PC₆₁BM, mengurangi rekombinasi dan meningkatkan Jsc dan FF.

Fig. 5. Kurva J½–V untuk perangkat hanya lubang.

Morfologi Permukaan

Citra AFM (Gambar 6) mengonfirmasi bahwa lapisan nanokristal 3 wt % menunjukkan kekasaran yang lebih tinggi, memfasilitasi kontak yang lebih baik dengan lapisan transport lubang MoO₃ dan meningkatkan ekstraksi muatan. Area antarmuka yang lebih besar berkontribusi pada peningkatan yang diamati dalam Jsc dan FF.

Fig. 6. Citra ketinggian AFM: a pristin, b 3 wt % CdS, c 3 wt % Sb₂S₃.

Kesimpulan

Dengan sintesis in situ nanokristal CdS atau Sb₂S₃ dalam matriks P3HT:PC₆₁BM, kami mencapai doping 3 wt % yang secara signifikan meningkatkan serapan optik, mobilitas lubang, dan kekasaran permukaan—faktor kunci yang mendorong PCE tertinggi yang dilaporkan sebesar 2,91 % (CdS) dan 2,92 % (Sb₂S₃) untuk HSC terbalik. Pendekatan ini bebas ligand dan bebas pelarut menawarkan rute yang dapat diskalakan menuju fotovoltaik hibrid berkecukupan tinggi.