Meningkatkan Efisiensi Sel Surya Planar Sb₂S₃ dengan Lapisan Transport Elektron TiO₂ Modifikasi Cs₂CO₃
Abstrak
Kami menunjukkan modifikasi permukaan solusi yang sederhana dari TiO₂ padat (c‑TiO₂) dengan Cs₂CO₃ yang meningkatkan fungsi kerja, mengurangi kekasaran permukaan, dan meningkatkan efisiensi konversi daya (PCE) sel surya planaris‑tipe Sb₂S₃ dari 2,83 % menjadi 3,97 %—peningkatan 40 %. Penyisihan ini menetapkan Cs₂CO₃ sebagai rute sederhana dan dapat diskalakan untuk meningkatkan lapisan transportasi elektron untuk material penyerab melimpah dan berkeluaran tinggi.
Latar Belakang
Dalam upaya mencari fotovoltaik tipis film berbiaya rendah dan non‑toksis, kalkogenida melimpah seperti CuZnSnSe₂, PbS, Cu₂S, SnS, dan Sb₂S₃ dieksplorasi sebagai alternatif terhadap CIGS dan CdTe. Sementara CuZnSnSe₂ dan PbS menderita prekursor beracun atau kontrol stoichiometri yang kompleks, Sb₂S₃ menonjol dengan bandgap yang sesuai (~1,65 eV), koefisien serap yang tinggi (>10⁵ cm⁻¹), konstanta dielektrik yang tinggi yang memfasilitasi disosiasi eksiton, dan stabilitas serta toksisitas yang rendah.
Sel planaris Sb₂S₃ (FTO/c‑TiO₂/Sb₂S₃/HTL/Au) menarik untuk skalasi industri karena arsitektur yang lebih sederhana dibandingkan sel yang sensitif yang menggunakan TiO₂ mesopori. Namun, sel planaris saat ini tertinggal dalam efisiensi (2,5–5,8 %) karena transportasi muatan dalam lapisan Sb₂S₃ bergantung pada ukuran butir, kristalinitas, dan kontak antarmuka.
Upaya sebelumnya berfokus pada optimisasi morfologi film Sb₂S₃ melalui pengendapan basa kimia, evaposi termal, ALD, atau tinta nanopartikel. Pendekatan kimia cepat (FCA) menggunakan prekursor asam butilditiokarbamat baru-baru ini telah mencapai butir besar dalam satu langkah penapisan, menghasilkan penyerab berkualitas tinggi.
Dalam lapisan transportasi elektron, rekayasa permukaan dapat menurunkan hambatan energi dan meningkatkan ekstraksi muatan. Cs₂CO₃ telah terbukti efektif dalam fotovoltaik organik, OLED, dan sel perovskit dengan menurunkan fungsi kerja TiO₂. Namun, aplikasinya pada sel Sb₂S₃ belum pernah dilaporkan.
Metode/Eksperimen
Bahan dan Sintesis Kompleks Sb
Semua reagen digunakan sebagaimana adanya dari Sigma‑Aldrich. Kompleks Sb disiapkan dengan bereaksi Sb₂O₃ dengan CS₂, n‑butilamina, dan etanol, menghasilkan prekursor antimoni butilditiokarbamat yang diencerkan untuk penapisan.
Pembuatan Perangkat
Sel planaris mengikuti tumpukan FTO/c‑TiO₂/Sb₂S₃/P3HT/Au. c‑TiO₂ diatur dengan penapisan larutan TTIP/etanol dan dianil pada 500 °C. Cs₂CO₃ (1–10 mg mL⁻¹) dilarutkan dalam metanol dan ditapisi pada c‑TiO₂ yang di‑UV‑ozon, kemudian dianil pada 150 °C sebelum penyetoran Sb₂S₃. Film Sb₂S₃ ditapisi dari prekursor FCA dan dianil pada 200 °C/1 menit dan 350 °C/2 menit. P3HT (10 mg mL⁻¹ o‑DCB) ditapisi dan dianil pada 100 °C, diikuti oleh penyetoran Au termal di bawah 5 × 10⁻⁶ Torr. Area aktif: 0,16 cm².
Karakterisasi
Morfologi: FE‑SEM (Hitachi S‑4800) dan AFM (Park NX10). Properti optik: UV‑Vis (Lambda 750). Kinerja fotovoltaik: kurva J–V di bawah AM 1.5G (100 mW cm⁻²) menggunakan Keithley 2400 dan Newport 91192. EQE: Newport QuantX‑300. XRD: PANalytical Empyrean. XPS dan UPS: Thermo Scientific ESCALAB 250Xi dengan He I (21,2 eV) dan Al Kα (1486,6 eV). Profilisasi kedalaman XPS menggunakan klaster Ar⁺ pada 1 Å s⁻¹.
Hasil dan Pembahasan
Gambar 1a menunjukkan skema perangkat: lapisan TiO₂ padat pada FTO bertindak sebagai lapisan transportasi elektron, Sb₂S₃ menyerap cahaya, dan P3HT mengangkut lubang ke elektroda Au.
a Skema perangkat sel surya planaris Sb₂S₃. b Proses pembuatan SBA melalui FCA.
Prekursor FCA menghasilkan film Sb₂S₃ yang kristalin tinggi dengan butir besar, seperti yang dikonfirmasi oleh SEM (Gambar 2). Butirnya dapat dibandingkan dengan yang dilaporkan oleh Wang et al., yang menunjukkan kualitas film yang tinggi.
a Tampilan atas dan b SEM silang dari Sb₂S₃ setelah dianil pada 350 °C.
Mengoptimalkan konsentrasi Cs₂CO₃ sangat penting: 1 mg mL⁻¹ menyebabkan cakupan tidak lengkap, sementara 5–10 mg mL⁻¹ bertindak sebagai dielectric, meningkatkan resistansi seri. Optimum, 3 mg mL⁻¹, memberikan kinerja terbaik (Gambar 3a, Tabel 1).
a Kurva J–V dan b Spektrum EQE untuk perangkat dengan/tanpa perlakuan Cs₂CO₃.
Tanpa perlakuan, sel menunjukkan V_OC = 0,549 V, J_SC = 10,71 mA cm⁻², FF = 48,14 % (PCE = 2,83 %). Setelah 3 mg mL⁻¹ Cs₂CO₃, V_OC naik menjadi 0,596 V, J_SC menjadi 11,71 mA cm⁻², FF menjadi 56,89 %, meningkatkan PCE menjadi 3,97 % (≈ 40 % peningkatan). Peningkatan EQE di seluruh spektrum mengonfirmasi konversi cahaya-ke-arus yang lebih efisien.
XRD tidak menunjukkan fase baru setelah perlakuan Cs₂CO₃, yang menunjukkan bahwa kristalinitas c‑TiO₂ tetap tidak berubah (Gambar 4). Profilisasi kedalaman XPS mengungkapkan lapisan Cs₂CO₃ tebal 2–3 nm (Gambar 5d). AFM menunjukkan penurunan kekasaran rms dari 9,89 nm menjadi 8,03 nm, yang berkaitan dengan penurunan resistansi seri (11,14 Ω cm² → 8,82 Ω cm²) dan FF yang lebih tinggi (48,14 % → 56,89 %) (Gambar 6a).
Pola XRD dari c‑TiO₂ dengan/tanpa perlakuan Cs₂CO₃.
a Survei XPS dan puncak Cs 3d. b Puncak Ti 2p. c Puncak O 1s. d Profil kedalaman Cs 3d yang menunjukkan ketebalan 2–3 nm.
a Citra AFM (2 µm × 2 µm). b Serap dan transmisi UV‑Vis dari c‑TiO₂ dengan/tanpa Cs₂CO₃.
Pengukuran UPS mengungkapkan penurunan 0,3 eV dalam fungsi kerja c‑TiO₂ setelah perlakuan Cs₂CO₃ (Gambar 7a). Pergeseran ini mempersempit konduksi c‑TiO₂ lebih dekat dengan Sb₂S₃, meningkatkan potensi bawaan (V_BI) dan mengurangi hambatan ekstraksi elektron. Akibatnya, baik V_OC maupun J_SC meningkat. Diagram tingkat energi (Gambar 7b) dan prinsip operasi yang diusulkan (Gambar 7c) menggambarkan bagaimana pembengkokan level yang diinduksi Cs₂CO₃ meningkatkan koleksi muatan.
a Spektrum UPS dari c‑TiO₂. b Diagram tingkat energi. c Operasi perangkat dengan/tanpa Cs₂CO₃.
Kesimpulan
Modifikasi permukaan c‑TiO₂ dengan Cs₂CO₃ secara efektif menurunkan fungsi kerja, menghaluskan permukaan, dan meningkatkan kontak fisik dengan Sb₂S₃. Perubahan ini mengurangi resistansi seri, meningkatkan V_OC, J_SC, dan FF, yang mengakibatkan peningkatan PCE sebesar 40 % (2,83 % → 3,97 %). Penyisihan ini menunjukkan bahwa modifikasi permukaan anorganik seperti Cs₂CO₃ dapat memainkan peran penting dalam mengembangkan sel surya planaris‑tipe Sb₂S₃ menuju efisiensi yang lebih tinggi dan produksi yang dapat diskalakan.
