Fotokiript dan Dinamika Optoelektronik Bergantung pada Ketebalan di Sel Surya Hibrid Planar TiO₂/Sb₂S₃/P3HT
Abstrak
Studi ini secara sistematis menyelidiki bagaimana penyerapan foton, medan listrik internal, jalur transportasi muatan, dan proses kinetik mempengaruhi kinerja perangkat fotovoltaik berbasis Sb₂S₃. Menggunakan arsitektur planar n-i-p (TiO₂/Sb₂S₃/P3HT), kami mengkaji konversi foton-ke-elektron—termasuk kedalaman iluminasi, kekuatan medan internal, kecepatan drift, energi kinetik, konsentrasi carrier yang dihasilkan cahaya, variasi potensi permukaan, waktu transportasi, dan waktu hayat rekombinasi antarmuka—untuk mengidentifikasi faktor kunci yang menentukan fotokiript perangkat. Kurva J–V dalam gelap, mikroskopi gaya sond Kelvin, dan dinamika fotokiript/foton tegangan dimodulasi intensitas mengungkapkan bahwa medan listrik internal mendominasi fotokiript ketika lapisan Sb₂S₃ lebih tipis dari panjang difusi lubang. Melewati ambang batas tersebut, wilayah Sb₂S₃ yang tidak dapat menyampaikan lubang ke P3HT menjadi pembatas utama, juga menurunkan V_oc. Penyerapan berlebih pada lapisan Sb₂S₃ yang lebih tebal justru mengurangi fotokiript karena pengumpulan lubang yang tidak sempurna.
Pendahuluan
Sb₂S₃ telah muncul sebagai penyerap yang menjanjikan untuk sel suntik tipis padat, berkat bandgap sedang 1,7 eV dan koefisien penyerapan tinggi 1,8 × 10⁵ cm⁻¹. Lapisan tipis dapat dibuat melalui pirolisis spray, elektrodeposisi, deponisi kimiawi, atau avaporsi vakum termal. Optimisasi perangkat terbaru telah mencapai efisiensi konversi foto (PCE) sebesar 5,7–7,5 % pada sistem Sb₂S₃, namun ini masih di bawah kinerja sel pekat warna dan perovskit. Sebagian besar upaya berfokus pada rekayasa perangkat, namun pemahaman dasar tentang interaksi antara penyerapan, medan internal, jalur transportasi, dan kinetik sangat penting untuk perbaikan lebih lanjut. Dalam karya ini, kami menggunakan arsitektur konvensional TiO₂/Sb₂S₃/P3HT n-i-p untuk mengurai dinamika pembentukan dan pemisahan muatan di berbagai ketebalan Sb₂S₃.
Mengubah ketebalan Sb₂S₃ pada sel TiO₂/Sb₂S₃/P3HT memodifikasi (i) panen foton dan konsentrasi carrier; (ii) magnitudo medan listrik internal; (iii) jarak transportasi elektron/lubang; dan (iv) laju rekombinasi. Meskipun efek ini telah secara kualitatif dikaitkan dengan resistensi bulk, penyerapan foton, dan kekuatan medan, analisis kuantitatif parameter fotovoltaik yang bergantung pada ketebalan masih kurang. Kami membuat sel TiO₂/Sb₂S₃/P3HT n-i-p (Gambar 1) dengan lapisan Sb₂S₃ sebesar 96–373 nm, memeriksa proses transportasi carrier yang terkait, dan mengidentifikasi faktor kunci yang membatasi fotokiript dan tegangan open-circuit.
Ilustrasi arsitektur sel surya TiO₂/Sb₂S₃/P3HT n-i-p. h⁺ menunjukkan lubang dan e⁻ menunjukkan elektron.
Metode
Reagen
Substrat kaca lapis FTO yang di-etch diperoleh dari Huanan Xiangcheng Co., Ltd., China. SbCl₃ (99 %), Na₂S₂O₃ (99 %), dan titanium diisopropoksida (75 % dalam alkohol isopropil) dibeli dari Adamas-beta. P3HT diperoleh dari Xi’an Polymer Company, China, dan Ag (99,999 %) dari Alfa.
Pembuatan Perangkat
Substrat dibersihkan dengan ultrasonikasi dalam air sabun, aseton, dan alkohol isopropil selama 60 menit masing-masing, diikuti dengan perlakuan UV-ozon selama 30 menit. Larutan prekursor TiO₂ 0,15 M dicelupkan dengan spin coating pada 4500 rpm selama 60 detik, kemudian dianil pada 125 °C selama 5 menit dan 450 °C selama 30 menit. Sb₂S₃ di deposit melalui deponisi kolam kimia (CBD): larutan aseton SbCl₃ (0,3 M) ditambahkan secara bertitik-titik ke dalam Na₂S₂O₃ (0,28 M) dalam kolam es (~5 °C). FTO yang dilapisi TiO₂ dibalikkan ke dalam larutan air; setelah larutan berubah oranye, deponisi berlangsung selama 1, 1,5, 2, atau 3 jam. Lapisan Sb₂S₃ yang dihasilkan dicuci dengan air deionisasi, dikeringkan di bawah N₂, dan dianil selama 30 menit di dalam kotak sarung (O₂: 0,1 ppm, H₂O: 0,1 ppm) di bawah N₂. Terakhir, P3HT (15 mg mL⁻¹) dicelupkan dengan spin coating pada 1500 rpm selama 60 detik di dalam kotak sarung, dan elektroda MoO₃ (10 nm) diikuti Ag (100 nm) diavaporsi melalui masker bayang.
Instrumen dan Karakterisasi
Pola XRD direkam pada difraktometer MXP18AHF (Cu Kα, λ = 1,54056 Å). Pengcitraan SEM menggunakan ZEISS GeminiSEM 300. Spektra penyerapan diperoleh dengan Shimadzu UV-2600. Karakteristik J–V diukur di bawah iluminasi AM 1.5 (100 mW cm⁻²) dengan simulatori 94023A Oriel Sol3A (Newport Stratford, Inc.). Spektra EQE diukur dari 300–900 nm menggunakan kit Zolix QE/IPCE. IMPS/IMVS direkam dengan stasiun kerja IviumStat.H di bawah kondisi ambien, menggunakan LED putih 28,8 mW cm⁻² dan gangguan sinus 10 %. Pemetaan KPFM dilakukan dengan Agilent SPM 5500 (kontroler MAC III) untuk mengukur potensi permukaan (SP).
Hasil dan Pembahasan
Deposi dan Karakterisasi Film Sb₂S₃/TiO₂
Gambar FE-SEM (Gambar 2a) mengonfirmasi lapisan Sb₂S₃ seragam pada TiO₂, dengan ketebalan yang disesuaikan melalui waktu CBD. Ketebalan rata-rata d meningkat linier dengan waktu deponisi t (Gambar 2b), berkisar dari 96 hingga 373 nm. Pola XRD (Gambar 3) cocok dengan Sb₂S₃ ortorombik (JCPDS #42‑1393) dan tidak menunjukkan fase sekunder. Spektra UV-vis (Gambar 4) mengungkap batas penyerapan TiO₂ pada 386 nm (3,21 eV) dan tepi penyerapan TiO₂/Sb₂S₃ di sekitar 750 nm. Intensitas penyerapan meningkat seiring waktu CBD yang lebih lama, sesuai dengan ketebalan Sb₂S₃ yang meningkat.
a Gambar FE-SEM penampang lintang film Sb₂S₃ pada TiO₂. b Plot ketebalan Sb₂S₃ d versus waktu CBD t.
Pola XRD film Sb₂S₃ yang di deposit selama 1–3 jam.
Penyerapan UV-vis TiO₂ dan film TiO₂/Sb₂S₃ (1–3 jam).
Sel Surya
Kurva J–V (Gambar 5a) dan metrik kinerja (Tabel 1) menunjukkan bahwa efisiensi perangkat mencapai puncak ketika ketebalan Sb₂S₃ adalah 175 nm (t = 1,5 jam). Sel optimal mencapai PCE sebesar 1,65 %, J_sc = 6,64 mA cm⁻², V_oc = 0,61 V, dan FF = 40,81 %. Hasil ini sesuai dengan studi sebelumnya yang melaporkan ketebalan Sb₂S₃ optimal antara 100–120 nm untuk sel TiO₂/Sb₂S₃/P3HT. Sb₂S₃ yang terlalu tebal (> 280 nm) mengakibatkan degradasi kinerja yang signifikan karena keterbatasan transportasi muatan.
a Kurva J–V dan b spektrum EQE untuk berbagai ketebalan Sb₂S₃.
Transportasi Muatan
J_sc meningkat tajam seiring peningkatan ketebalan Sb₂S₃ dari 96 hingga 175 nm, kemudian menurun pada lapisan yang lebih tebal. Tren ini mencerminkan keseimbangan antara penyerapan foton yang ditingkatkan (Gambar 6) dan kekuatan medan listrik internal yang berkurang. Menggunakan hukum Beer–Lambert, pecahan foton yang terserap N_a/N_i naik dari 61 % (96 nm) menjadi 93 % (373 nm), namun J_sc turun dari 6,64 menjadi 2,64 mA cm⁻² ketika d = 373 nm, menunjukkan bahwa penyerapan sendirian tidak dapat menjelaskan perilaku ini.
Ilustrasi kedalaman iluminasi x dan E_in yang bergantung pada ketebalan Sb₂S₃ d.
a Plot J–V gelap semilogaritmik. b Ketergantungan V_in, J_sc, N_a/N_i, E_ke, dan E_kh pada ketebalan Sb₂S₃ d.
Tegangan built-in V_in menurun seiring ketebalan, yang mengakibatkan medan listrik internal E_in = V_in/d yang berkurang. Energi kinetik yang dihitung (E_ke, E_kh) jatuh di bawah energi termal (E_kt = 26 meV) untuk d ≥ 175 nm, menunjukkan bahwa drift yang diarahkan medan menjadi tidak signifikan bagi lubang. Akibatnya, J_sc menurun meskipun penyerapan lebih tinggi. Ketika d melebihi panjang difusi lubang (~180 nm), wilayah "buruk" muncul di mana lubang tidak dapat mencapai P3HT, yang lebih mengurangi fotokiript dan V_oc.
Pengukuran KPFM (Gambar 8) menunjukkan bahwa potensi permukaan SP pada Sb₂S₃ menurun seiring ketebalan, yang mencerminkan difusi elektron ke permukaan yang berkurang. SP P3HT berperilaku sebaliknya: untuk Sb₂S₃ tipis, P3HT terfoto-excited dan SP menurun dengan d; untuk d > 280 nm, SP naik kembali karena pengumpulan lubang yang berkurang. Observasi ini mengonfirmasi bahwa Sb₂S₃ yang lebih tebal menghambat transportasi lubang ke P3HT, menurunkan baik J_sc maupun V_oc.
Ilustrasi pengukuran SP pada antarmuka Sb₂S₃/P3HT oleh KPFM.
Analisis IMPS/IMVS (Gambar 10) mengungkapkan bahwa waktu transit elektron τ_IMPS meningkat seiring ketebalan Sb₂S₃, sementara waktu hayat rekombinasi τ_IMVS tetap konstan, yang menunjukkan bahwa efisiensi pengumpulan muatan η_c = 1 – τ_IMPS/τ_IMVS menurun pada lapisan yang lebih tebal. Ini mendukung kesimpulan bahwa jalur transportasi, bukan rekombinasi, yang membatasi kinerja ketika d > 175 nm. Drift elektron terbatas di dekat antarmuka TiO₂, sedangkan lubang harus melintasi seluruh ketebalan Sb₂S₃; melebihi panjang difusi lubang, efisiensi pengumpulan menurun tajam.
a Spektra IMPS dan b IMVS. c Ilustrasi difusi elektron dan lubang untuk gelombang pendek/panjang. d τ_IMPS dan τ_IMVS versus waktu CBD.
Meskipun PCE sel TiO₂/Sb₂S₃/P3HT saat ini masih modest, wawasan yang diperoleh menunjukkan jalur yang jelas untuk perbaikan: meningkatkan medan built-in melalui lapisan transportasi alternatif, meningkatkan panjang difusi lubang (misalnya dengan menambahkan dopan konduktif), dan mengoptimalkan rekayasa antarmuka untuk mendorong transfer muatan yang efisien.
Kesimpulan
Karya ini mengurai mekanisme yang mengatur fotokiript dalam sel surya n-i-p TiO₂/Sb₂S₃/P3HT di berbagai rentang ketebalan Sb₂S₃. Ketika penyerap lebih tipis dari panjang difusi lubang, penyerapan dan medan listrik internal terutama mengontrol fotokiript; ketika lebih tebal, wilayah "mati" terbentuk yang membatasi pengumpulan lubang dan mengurangi baik J_sc maupun V_oc. Pengukuran KPFM dan IMPS/IMVS mengonfirmasi bahwa lapisan Sb₂S₃ yang lebih tebal menderita potensi permukaan elektron yang berkurang dan transportasi muatan yang panjang, yang mengakibatkan efisiensi pengumpulan yang lebih rendah. Temuan ini menyoroti keseimbangan kritis antara panen foton dan transportasi muatan dan memberikan peta jalan untuk mengoptimalkan sel hibrid berbasis Sb₂S₃.
