Peningkatan Sel Surya Titik Kuantum CuInS₂ Padat: Optimisasi Rekombinasi Muatan melalui Penyapuan SILAR Terkontrol dan Analing

Abstrak

Titik kuantum (QD) CuInS₂ diintegrasikan ke dalam film TiO₂ mesoporos melalui protokol penyapuan berkelanjutan ionik lapis-demi-lapis (SILAR) yang dibantu spin-coating untuk membuat fotoanoda QD-sensitized padat. Output fotovoltaik sel surya titik kuantum yang dihasilkan (QDSSC) bergantung secara kuat pada jumlah siklus SILAR, yang mengatur cakupan QD dan densitas cacat permukaan pada TiO₂. Analing suhu tinggi lebih lanjut mengurangi rekombinasi muatan dan mempercepat transportasi elektron. Analing pada 400 °C memberikan efisiensi konversi daya (PCE) rekor 3,13%, dengan tegangan open-circuit 0,68 V, densitas arus cahaya pendek 11,33 mA cm⁻², dan fill factor 0,41, yang disebabkan oleh rekombinasi yang ditekan dan injeksi elektron yang ditingkatkan.

Latar Belakang

Sel surya titik kuantum yang diedarkan (QDSSC) menggabungkan generasi eksiton multi dengan band gap yang dapat disesuaikan, menjadikannya kandidat yang kuat untuk fotovoltaik generasi mendatang. Pemilihan sensitizer dengan band gap yang optimal esensial untuk efisiensi tinggi. CuInS₂ (CIS) adalah semikonduktor I‑III‑VI₂ dengan band gap massa ~1,5 eV, koefisien serapan yang mendekati 10⁵ cm⁻¹, nontoksis, dan stabilitas yang baik, yang bersama-sama menjadikannya fotosensitizer yang menarik. Laporan sebelumnya dari QDSSC berbasis CIS telah mencapai efisiensi hingga 8,5% menggunakan assembly pasca-sintesis; namun, pendekatan ini membatasi pemuatan QD dan coupling elektron dengan TiO₂. Penyetoran langsung melalui SILAR dapat memuat QD secara padat dan meningkatkan coupling elektronik antarmuka. Arsitektur QDSSC padat menghindari masalah stabilitas jangka panjang elektrolit cair, namun efisiensi yang dilaporkan tetap modest. Di sini kami mendorong efisiensi QDSSC CIS padat melebihi 3% dengan mengoptimalkan penyapuan SILAR dan analing.

Metode

Bahan

Asetat indium, klorida(II) tembaga dihidrat, sulfida natrium nonahidrat, isopropoksida titanium, asam klorida, spiro‑OMeTAD, klorobenzena, piridin tert-butil, lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imid, dan asetonitril diperoleh dari Alfa Aesar dan Sigma-Aldrich. Pasta TiO₂ (DSL 18NR‑T) diperoleh dari Dyesol. Semua bahan kimia digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut. Air deionisasi ultrapur digunakan untuk larutan air.

Persiapan

Lapisan TiO₂ kompak 70 nm di-cast pada kaca FTO yang dibersihkan (4000 rpm, 30 detik) dari campuran 350 µL isopropoksida titanium dan 35 µL HCl dalam 5 mL etanol, diikuti oleh analing multi-tahap (secara bertahap hingga 500 °C, 1 jam pada 500 °C). Lapisan TiO₂ mesoporos 2 µm ditetapkan dengan spin-coating pasta 18NR‑T yang dicairkan (800 rpm, 10 detik) dan dirawat panas. QD CIS ditetapkan pada lapisan mesoporos oleh SILAR yang dibantu spin-coating: 80 µL larutan 25 mM CuCl₂ + 50 mM In(OAc)₃ diterapkan dan di-spin (800 rpm, 20 detik), diikuti oleh 80 µL Na₂S 100 mM, juga di-spin pada 800 rpm. Satu siklus SILAR terdiri dari dua langkah ini. Film dicuci dengan air deionisasi dan dikeringkan dengan N₂ antara siklus. Setelah jumlah siklus yang diinginkan, fotoanoda dianaling di bawah N₂ pada suhu antara 200–500 °C selama 30 min untuk meningkatkan kristalin CIS. Solusi bahan transportasi lubang (HTM) yang mengandung 300 mg spiro‑OMeTAD, 2,91 µL klorobenzena, 28,77 µL tBP dan 126 µL Li‑TFSI di-cast di bawah N₂. Elektroda kontra emas (area aktif 0,09 cm²) di-evaporasi termal.

Karakterisasi

Spektra serapan UV-vis dicatat pada Perkin Elmer Lambda 950. Penampang silang SEM dilakukan pada FEI nova nano SEM450, dengan pemetaan spektroskopi dispersi energi (EDS). Karakteristik arus-tegangan (J-V) diukur di bawah AM1.5 (100 mW cm⁻²) iluminasi menggunakan lampu xenon 300 W (XES-100S1). Spektra efisiensi foton-ke-arus insiden (IPCE) diperoleh dengan sistem Enlitech QER3011 (150 W xenon). Spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) dilakukan pada workstation Zahner Zennium (−0,1 hingga −0,5 V bias, 20 mV AC, 0,1–1 Hz). Fotoluminesensi tercatat waktu (TRPL) diukur dengan Edinburgh Instruments FLS 900, dieksciteri pada 543 nm.

Hasil dan Pembahasan

Arsitektur perangkat terdiri dari fotoanoda TiO₂ yang disensitizer dengan QD CIS, HTM spiro‑OMeTAD, dan elektroda kontra emas (Gambar 1). Penampang silang SEM mengungkapkan distribusi QD yang seragam dan kontak intim di antara lapisan. Pemetaan EDS mengonfirmasi dispersi homogen Cu, In, dan S di seluruh matriks TiO₂ mesoporos.

Gambar 2 menggambarkan prosedur SILAR yang dibantu spin-coating. Spektra UV-vis (Gambar 3a) menunjukkan bahwa serapan meningkat seiring dengan jumlah siklus, dengan red shift kecil yang menunjukkan pertumbuhan lapisan CIS. Warna film berkembang dari kuning pucat (4 siklus) menjadi hitam pekat (20 siklus). Kurva J-V (Gambar 3b) menunjukkan bahwa baik J_SC maupun PCE naik dari 2,49 mA cm⁻² / 0,14% (4 siklus) menjadi 4,21 mA cm⁻² / 0,75% (20 siklus), kemudian sedikit menurun pada 24 siklus, yang mencerminkan pemuatan QD optimal yang memaksimalkan penampungan cahaya sambil meminimalkan rekombinasi dalam lapisan CIS yang lebih tebal.

Studi analing (Gambar 5) mengungkapkan bahwa serapan mencapai puncak pada 400 °C, di luarnya agregasi dan oksidasi mengurangi respons optik. Pengukuran J-V (Gambar 6a) menunjukkan PCE tertinggi 3,13% pada 400 °C, dengan V_OC = 0,68 V, J_SC = 11,33 mA cm⁻² dan FF = 0,41. Spektra IPCE (Gambar 6b) mengonfirmasi respons kuat (≈66%) dalam rentang 400–550 nm, peningkatan 20% dibandingkan perangkat 200 °C, yang menunjukkan penampungan cahaya dan injeksi elektron yang ditingkatkan.

EIS (Gambar 7a) menunjukkan resistensi rekombinasi (R_r) yang lebih besar dan umur elektron yang lebih lama (τ_n ≈ 117 ms) untuk perangkat yang dianaling 400 °C, yang konsisten dengan rekombinasi antarmuka yang berkurang. TRPL (Gambar 8) menunjukkan umur PL yang lebih pendek seiring dengan peningkatan suhu analing, yang menunjukkan transfer elektron yang lebih cepat dari CIS ke TiO₂. Laju transfer elektron (k_et) mencapai 1,17 × 10⁷ s⁻¹ pada 400 °C, yang mendukung dinamika transportasi muatan yang unggul.

Kesimpulan

SILAR yang dibantu spin-coating memungkinkan kontrol yang tepat atas pemuatan QD CIS pada TiO₂, sementara analing suhu tinggi (400 °C) mengoptimalkan antarmuka CIS/TiO₂, menekan rekombinasi dan mempercepat injeksi elektron. QDSSC CIS padat yang dihasilkan mencapai PCE 3,13%, V_OC 0,68 V, J_SC 11,33 mA cm⁻², FF 0,41, IPCE 66% (400–550 nm) dan laju transfer elektron 1,17 × 10⁷ s⁻¹. Penelitian ini menunjukkan rute yang viable untuk QDSSC padat berkinerja tinggi dan memberikan panduan untuk perbaikan stabilitas lebih lanjut.