Sel Surya Dye-Sensitized Tinggi Performa dengan Elektroda Gegen Nanotub Karbon Multi-Dinding yang Dicetak Layar

Latar Belakang

Sel surya dye-sensitized (DSSC) adalah teknologi fotovoltaik generasi ketiga terkemuka, dihargai karena biaya manufaktur rendah, fabrikasi yang mudah, dan efisiensi yang kompetitif. DSSC tipikal terdiri dari fotoanoda TiO₂ pada kaca FTO, pewarna fotosensitizer, elektrolit cair iodida/triiodida, dan elektroda gegen (CE) yang memfasilitasi reduksi I₃⁻ menjadi I⁻. Platinum telah lama menjadi material CE pilihan karena aktivitas katalitik dan konduktivitas yang unggul. Namun, biaya tinggi Pt dan kerentanannya terhadap korosi dalam elektrolit berbasis iodida membatasi skalabilitas komersial DSSC. Akibatnya, penelitian telah berfokus pada katalis alternatif hemat biaya seperti hitam karbon, logam alloia, sulfida logam, dan polimer konduktif. Di antaranya, karbon nanostruktur—CNP, MWCNT, dan GF—menawarkan konduktivitas tinggi, luas permukaan spesifik besar, dan stabilitas fotokimia, menjadikannya pengganti Pt yang menjanjikan.

Metode fabrikasi tradisional untuk CE berbasis karbon, seperti depoisi uap kimia, pencetakan titik, spin-coating, dan spray-coating, sering melibatkan prosedur yang kompleks dan menghasilkan film yang tidak seragam. Pencetakan layar menyediakan alternatif yang sederhana, dapat diskalakan, dan dapat dikontrol, yang memungkinkan penyesuaian ketebalan dan keseragaman film melalui beberapa cetakan layar. Dalam karya ini kami menggunakan pencetakan layar untuk memfabriksi tipis film CNP, MWCNT, GF, dan kompositnya pada kaca FTO dan secara sistematis mengevaluasi dampaknya pada performa DSSC.

Metode/Eksperimen

Fabrikasi Fotoelektroda TiO₂-basis DSSC

Pasta NP TiO₂ disiapkan dengan mencampur 6 g NP TiO₂ (Degussa P25) dengan 20 g terpineol, 1 ml asam asetat, dan 15 g etanol (solusi-I). Terpisah, 3 g selulosa etil dan 27 g etanol dicampur (solusi-II). Kedua larutan dicampur dalam mixer planet selama 3 menit dan kemudian dipanaskan untuk menguapkan etanol. Menggunakan printer layar, pasta disetor pada kaca FTO yang dibersihkan (0,6 cm × 0,6 cm) hingga ketebalan ~23 µm. Film disinter pada ~500 °C selama 30 menit untuk menghapus organik, kemudian direndam dalam larutan pewarna N719 0,3 mM selama 24 jam.

Fabrikasi CE berbasis Material Karbon Nanostruktur

Komposit karbon disiapkan dengan mendisperse 0,2 g masing-masing CNP, MWCNT, dan GF dalam 1 g terpineol ditambah 0,1 g selulosa etil, diikuti oleh sonikasi dalam etanol selama 2 jam. Setelah penguapan pada pemanas panas, pasta visk yang dihasilkan dicetak layar pada kaca FTO (0,6 cm × 0,6 cm). Tujuh formulasi pasta—CNP, MWCNT, GF, CNP/MWCNT, CNP/GF, MWCNT/GF, dan CNP/MWCNT/GF—dicetak. Pemanasan 400 °C selama 15 menit menghapus organik sisa. Ketebalan CE disesuaikan dengan mengubah banyaknya cetakan layar. Untuk perbandingan, CE Pt didepo oleh sputtersi ion (1,2 kV, 7 mA).

a Skematis pembuatan komposit nanopartikel karbon (CNP)/nanotub karbon multi-dinding (MWCNT)/flakes grafen (GF) untuk elektroda gegen (CE) sel surya dye-sensitized (DSSC) dan b foto dan komponen DSSC yang dirangkak dalam studi ini

Manufaktur dan Karakterisasi DSSC

Fotoanoda dan CE dicoret dalam konfigurasi sandwich dengan film polimer leleh 60 µm, kemudian dipanaskan pada 120 °C selama 4 menit. Elektrolit cair berbasis iodida (AN-50, Solaronix) diinjeksi ke dalam ruang antar, dan lubang dicoret dengan kaca tutup. DSSC diiluminasi di bawah AM 1.5 (100 mW cm⁻²) menggunakan simulator surya PEC-L11 yang dikalibrasi dengan fotodioda Si. Kurva densitas arus-tegangan (J-V) dan spektrum impedansi elektrokimia (EIS) direkam dengan Keithley SMU 2400 di bawah iluminasi. Karakterisasi struktural menggunakan SEM (Hitachi S-4200, 15 kV) untuk morfologi dan ketebalan, BET (ASAP 2020) untuk luas permukaan, spektroskopi Raman (Ramboss 500i, 532 nm) untuk analisis defek, dan voltammetri siklik (CV) dalam sel tiga elektroda (Pt counter, referensi kalomel) dalam 10 mM LiI, 1 mM I₂, 0,1 M LiClO₄ asetonitril.

Hasil dan Pembahasan

Spektrum Raman CNP, MWCNT, dan GF menunjukkan puncak D (≈1355 cm⁻¹) dan G (≈1579 cm⁻¹) karakteristik. Rasio intensitas D/G adalah 0,95 (CNP), 1,01 (MWCNT), dan 0,97 (GF), yang menunjukkan bahwa MWCNT memiliki densitas defek tertinggi, yang meningkatkan aktivitas katalitik pada antarmuka CE-elektrolit.

Spektrum Raman CNP, MWCNT, dan GF

Analisis BET mengungkapkan luas permukaan 24,7 m² g⁻¹ (CNP), 311,8 m² g⁻¹ (MWCNT), dan 269,5 m² g⁻¹ (GF). Formulasi komposit menunjukkan peningkatan luas permukaan spesifik dengan inklusi MWCNT, mengonfirmasi bahwa MWCNT adalah kunci untuk meningkatkan transfer muatan antarmuka.

a Kurva adsorpsi-desorpsi nitrogen. b Distribusi volume pori bubuk CNP, MWCNT, GF, MWCNT/GF, CNP/GF, CNP/MWCNT, dan CNP/MWCNT/GF

Citra SEM (Fig. 4) menunjukkan bahwa CNP membentuk agregat besar yang tidak menempel dengan baik pada FTO, sedangkan MWCNT menciptakan jaringan porous yang terhubung yang mempromosikan transportasi ion yang efisien. GF cenderung menumpuk ke dalam lapisan datar dengan kontak interlapis yang terbatas. Lapisan komposit (CNP/MWCNT, MWCNT/GF, CNP/MWCNT/GF) menggabungkan luas permukaan tinggi MWCNT dengan stabilitas mekanis GF dan CNP, menghasilkan permukaan CE yang seragam dan terikat dengan baik.

Tampilan atas dan potongan lintang berbagai material karbon, termasuk CNP, MWCNT, GF, MWCNT/GF, CNP/GF, CNP/MWCNT, dan CNP/MWCNT/GF yang ditumpuk pada permukaan kaca FTO menggunakan proses pencetakan layar (skala bar: 0,5 µm atas, 5 µm potongan lintang)

Pengukuran CV (Fig. 5) menunjukkan bahwa Pt dan CE berbasis MWCNT menunjukkan puncak oksidasi/reduksi yang jelas untuk pasangan redoks I₃⁻/I⁻, sedangkan CE GF dan CNP murni tidak memiliki fitur tersebut, menekankan aktivitas katalitik yang buruk. Pemisahan puncak-ke-puncak (ΔEₚ) adalah 0,62 V untuk Pt, 0,77 V untuk MWCNT, dan hingga 1,03 V untuk CE komposit, yang mencerminkan kinetika transfer muatan yang ditingkatkan pada yang terakhir.

a Voltammetri siklik dari CE yang dilapisi Pt-, CNP-, MWCNT-, dan GF. b Voltammetri siklik dari CE yang dilapisi Pt- dan komposit karbon diukur pada 50 mV s⁻¹ dalam 10 mM LiI, 1 mM I₂, 0,1 M LiClO₄ asetonitril

Pengujian fotovoltaik (Fig. 6) menunjukkan bahwa CE berbasis CNP menghasilkan densitas arus pendek (J_sc ≈ 17 mA cm⁻²) tetapi tegangan open-circuit rendah (V_oc ≈ 0,5 V) dan faktor isi (FF ≈ 0,25), menghasilkan PCE hanya 0,22 %. GF dan CE CNP/GF menunjukkan kekurangan yang serupa karena luas permukaan yang terbatas. Sebaliknya, CE berbasis MWCNT dan kompositnya memberikan J_sc > 12 mA cm⁻², V_oc ≈ 0,62 V, FF ≈ 0,75, dan PCE yang melebihi 5 %. Komposit CNP/MWCNT mencapai 5,67 % PCE, hampir identik dengan standar Pt (5,70 %). Data ini mengonfirmasi bahwa jaringan MWCNT luas permukaan tinggi adalah kritis untuk transfer elektron yang efisien pada antarmuka CE-elektrolit.

Perbandingan performa fotovoltaik DSSC yang terdiri dari berbagai material karbon- dan CE berbasis Pt dalam hal a J_sc, b V_oc, c FF, dan d PCE

Data J-V dan EIS (Fig. 7a-c, Tabel 1) lebih menggambarkan bahwa CE MWCNT dan komposit menunjukkan resistensi transfer muatan (R_ce) yang lebih rendah daripada Pt, sementara resistensi rekombinasi (R_rec) mereka lebih tinggi, yang menunjukkan rekombinasi elektron yang berkurang dan umur elektron (τ_e) yang lebih lama. Plot Bode mengungkapkan nilai τ_e di atas 50 ms untuk CE komposit, melebihi 30 ms yang diamati untuk perangkat berbasis Pt, yang diterjemahkan menjadi FF dan efisiensi keseluruhan yang lebih tinggi.

Perbandingan a kurva densitas arus-tegangan, b plot Nyquist, dan c plot Bode untuk DSSC yang terdiri dari berbagai material karbon- dan CE berbasis Pt

Kesimpulan

Studi sistematis kami mengonfirmasi bahwa CNP sendirian tidak cocok sebagai pengganti Pt dalam CE DSSC karena agregasi dan kontak antarmuka yang buruk. Berbeda dengan itu, komposit karbon kaya MWCNT—terutama CNP/MWCNT, MWCNT/GF, dan CNP/MWCNT/GF—membentuk lapisan CE yang sangat terhubung dan luas permukaan tinggi yang mempromosikan reduksi triiodida yang cepat dan menekan rekombinasi. Akibatnya, DSSC yang dilengkapi dengan komposit karbon yang dicetak layar ini mencapai PCE yang sebanding dengan perangkat berbasis Pt, menawarkan alternatif hemat biaya dan dapat diskalakan untuk produksi DSSC komersial.

Singkatan

BET:

Brunauer-Emmett-Teller

CEs:

Elektroda gegen

CNP:

Nanopartikel karbon

DSSCs:

Sel surya dye-sensitized

EIS:

Spektroskopi impedansi elektrokimia

FF:

Faktor isi

FTO:

Oksida timah dopin fluorin

GFs:

Flakes grafen

MWCNTs:

Nanotub karbon multi-dinding

PCE:

Efisiensi konversi daya

SEM:

Mikroskop elektron pemindai