Peningkatan Efisiensi Signifikan pada Sel Surya Titrasi Titik Kuantum CdS/CdSe Menggunakan Fotoanoda Nanosheet TiO2 Terorientasi (001)

Abstrak

Sel surya titrasi titik kuantum CdS/CdSe (QDSSC) diproduksi pada dua fotoanoda TiO2 yang berbeda: nanosheet terorientasi (001) yang tinggi dan nanopartikel Degussa P-25 komersial. Ns diproduksi melalui rute hidrotermal, menghasilkan lembar dengan paparan 70% dari fasa aktif (001), ketebalan 5 nm, dan ukuran lateral 50 nm. Dibandingkan dengan P-25, Ns menunjukkan pori yang lebih besar, luas permukaan spesifik yang lebih tinggi (≈ 53 cm² g⁻¹), dan transport elektron yang ditingkatkan. Akibatnya, QDSSC berbasis Ns CdS/CdSe mencapai efisiensi konversi daya (PCE) sebesar 4,42%, peningkatan 54% dibandingkan referensi P-25 sebesar 2,86%. Pekerjaan ini menunjukkan bahwa merancang nanostruktur TiO2 untuk mengekspos fasa (001) adalah strategi efektif untuk meningkatkan performa QDSSC.

Latar Belakang

Sel surya titrasi titik kuantum (QDSSC) muncul sebagai alternatif yang menjanjikan untuk sel surya titrasi warna konvensional (DSSC). Titik kuantum (QD) menawarkan koefisien ekstinsi yang lebih besar, gap band yang dapat diatur melalui kontrol ukuran dan komposisi, fotostabilitas yang superior, dan potensi untuk generasi eksiton ganda atau ekstraksi cahara panas—fitur yang dapat mendorong efisiensi teoretis melebihi batas Shockley-Queisser sebesar 32%.

QDSSC bekerja pada prinsip yang sama dengan DSSC tetapi menggunakan nanokristal anorganik sebagai pengganti warna organik. Konfigurasi umum terdiri dari fotoanoda loga oksida yang dilapisi QD, elektrolit polisulfida, dan elektroda seimbang platinum. Semikonber gap sempit seperti CdS, CdSe, CdTe, dan PbS telah digunakan sebagai penyerap cahaya, sementara kombinasi inti/kulit (misalnya, CdS/CdSe) memperpanjang rentang serapan dan meningkatkan dinamika injeksi muatan.

Meskipun kemajuan, QDSSC yang paling baik masih hanya mencapai 6–8% PCE, sebagian besar karena recombinasi muatan dan pemuatan QD yang terbatas pada fotoanoda. Mesoporos TiO2 tetap menjadi pilihan bahan untuk fotoanoda karena biaya rendah, stabilitas kimia, dan transport elektron yang luar biasa. Namun, performa TiO2 sangat sensitif terhadap morfologi dan paparan fasa kristal. Fasa (101) yang termodinamis stabil mendominasi nanopartikel komersial, sedangkan fasa (001) berenergi tinggi lebih reaktif, menurunkan tepi gap, dan menekan recombinasi.

Nanostruktur yang mengekspos fasa (001)—seperti nanosheet, bola hollow, dan nanotub—telah menunjukkan performa yang ditingkatkan dalam fotokatalisis, pembagian air, dan baterai ion lithium. Namun, sedikit studi yang telah mengeksplorasi nanosheet TiO2 terorientasi (001) dalam perangkat QDSSC. Di sini, kami membandingkan nanosheet kaya (001) dengan nanopartikel P-25 untuk sel CdS/CdSe yang disensitifkan QD, mengungkapkan peningkatan PCE yang substansial.

Metode

Persiapan Fotoanoda TiO2

Nanosheet TiO2 disintesis secara hidrotermal: 2,4 mL HF (48% berat) ditambahkan secara titis ke 30 mL butoksida titanium, ditempelkan dalam autoklaf berlining Teflon, dan dipanaskan pada 180 °C selama 16 jam. Hasil endapan dikumpulkan, dicuci, dan dicerna dengan terpineol dan 10% selulosa etil untuk membentuk pasta 13% berat. Pasta serupa disiapkan dengan P-25 komersial. Pastas dicetak layar pada kaca FTO (10 Ω cm⁻²) dan dianeling pada 500 °C selama 1 jam untuk mencapai film konduktif.

Depositasi QD

QD CdS tumbuh in situ melalui serapan lapisan ion dan reaksi berurutan (SILAR) menggunakan larutan 20 mM CdCl2 dan 20 mM Na2S dalam campuran metanol/air 1:1. Fotoanoda secara bergantian dicelup selama 1 menit dalam setiap prekursor, diulang selama 8 siklus untuk mencapai cakupan CdS optimal. QD CdSe kemudian di-deposit melalui depositasi kolam kimia: larutan 70 °C yang mengandung 2,5 mM Cd(CH3COO)2, 2,5 mM Na2SeSO3, dan 75 mM NH4OH diterapkan selama 1 jam. Dua siklus depositasi CdSe memberikan performa terbaik.

Pemasangan & Karakterisasi Perangkat

QDSSC dirancang dalam konfigurasi sandwich: elektroda seimbang FTO yang dilapisi Pt, spasi Surlyn 25 µm, dan fotoanoda TiO2 yang disensitifkan QD. Sel diisi dengan elektrolit polisulfida (0,2 M Na2S/0,2 M S/0,02 M KCl dalam air). Luas aktif ≈ 0,16 cm². Perangkat dikarakterisir oleh FE-SEM, TEM, GIXRD, ICP-MS, kurva J-V di bawah iluminasi AM 1.5 G, pengukuran IPCE, serapan UV-VIS, dan spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS).

Hasil dan Pembahasan

Analisis struktural mengonfirmasi bahwa nanosheet adalah anatase TiO2 murni dengan orientasi dominan (001), sebagaimana ditunjukkan oleh puncak XRD (200) yang kuat dan spasi lattice 0,235 nm dalam HRTEM. Nanosheet memiliki panjang sisi rata-rata 50 nm dan ketebalan 5 nm, menyediakan ≈ 70% paparan fasa (001), dibandingkan < 10% untuk P-25.

Isoterm adsorpsi-desorpsi nitrogen mengungkapkan bahwa film nanosheet adalah tipe IV with histerisis H3, yang menunjukkan pori meso- dan makro seperti celah. Luas permukaan spesifik BET mencapai 52,8 cm² g⁻¹, lebih besar dari P-25, memfasilitasi pemuatan QD yang lebih besar.

QD CdS/CdSe yang tumbuh oleh SILAR/CBD menunjukkan puncak serapan eksitonik pada 2,67 eV (CdS) dan 1,78 eV (CdSe), mengonfirmasi penahanan kuantum. Spektra UV-VIS menunjukkan serapan cahaya yang lebih tinggi pada elektroda nanosheet, berkorelasi dengan hasil ICP-MS: pemuatan CdS sebesar 5,44 × 10⁻⁹ mol cm⁻² pada nanosheet versus 4,59 × 10⁻⁹ mol cm⁻² pada P-25; pemuatan CdSe sebesar 4,57 × 10⁻⁹ mol cm⁻² versus 3,77 × 10⁻⁹ mol cm⁻².

Performa fotovoltaik di bawah iluminasi satu matahari menunjukkan perangkat nanosheet menghasilkan Voc sebesar 0,58 V, Jsc sebesar 15,07 mA cm⁻², dan η sebesar 4,42%, dibandingkan dengan 0,52 V, 11,75 mA cm⁻², dan 2,86% untuk sel P-25—peningkatan efisiensi 54%. Voc yang lebih tinggi berasal dari potensi flat-band yang lebih rendah dari fasa (001), sementara Jsc yang meningkat mencerminkan pemuatan QD yang superior dan penanganan cahaya. Spektra IPCE menunjukkan perangkat nanosheet mencapai ≈ 75% pada 600 nm dan cut-off 675 nm, mengonfirmasi koleksi muatan yang ditingkatkan.

Analisis EIS di bawah bias rangkaian terbuka mengungkapkan resistensi transfer muatan (Rk) yang lebih rendah sebesar 28,26 Ω dan resistensi transport elektron (Rw) yang lebih pendek untuk perangkat nanosheet, yang menunjukkan difusi elektron yang lebih cepat dan recombinasi yang dikurangi. Panjang difusi elektron yang dihitung (Ln) ≈ 21 µm—dua kali lipat dari perangkat P-25—memastikan sebagian besar elektron yang dihasilkan cahaya mencapai elektroda sebelum recombinasi.

Kesimpulan

Kami telah memproduksi nanosheet anatase TiO2 2D dengan > 70% paparan fasa (001) melalui metode hidrotermal yang sederhana dan menggunakannya sebagai fotoanoda untuk QDSSC inti/kulit CdS/CdSe. Sel berbasis nanosheet mencapai PCE sebesar 4,42%, peningkatan 54% dibandingkan sel P-25 konvensional, dan IPCE melebihi 70% antara 450–600 nm. Permukaan (001) berenergi tinggi tidak hanya menyediakan lebih banyak situs aktif untuk penempelan QD tetapi juga mengurangi jebakan permukaan, meningkatkan transport elektron. Temuan ini menekankan potensi nanosheet TiO2 terorientasi (001) sebagai platform berbiaya rendah dan dapat diskalakan untuk QDSSC berperforma tinggi, menghilangkan kebutuhan akan linker transfer muatan tambahan.