Elektroda Kontra MoIn₂S₄@CNT Berkinerja Tinggi untuk Sel Surya Sensitisasi Warna

Abstrak

Elektroda kontra (CE) komposit terner MoIn₂S₄@CNTs dengan struktur bola landak disintesis menggunakan metode hidrotermal satu tahap yang mudah. Film komposit MoIn₂S₄@CNTs memiliki luas permukaan spesifik besar melalui uji isotherma penyerapan-desorpsi N₂, yang menguntungkan untuk menyerap lebih banyak elektrolit dan memberikan luas kontak aktif yang lebih besar untuk elektroda. Selain itu, CE komposit MoIn₂S₄@CNTs menunjukkan hambatan transfer muatan rendah dan kemampuan elektrokatali yang baik berdasarkan serangkaian uji elektrokimia termasuk voltametri siklik, impedansi elektrokimia, dan kurva Tafel. Dalam kondisi optimal, DSSC berdasarkan CE komposit MoIn₂S₄@CNTs-2 mencapai efisiensi konversi daya yang menakjubkan sebesar 8,38%, yang sangat melebihi DSSC dengan CE MoIn₂S₄ (7,44%) dan elektroda Pt (8,01%). Karya ini menyediakan proses penyediaan yang sederhana untuk DSSC.

Latar Belakang

Pada beberapa dekade terakhir, sangat mendesak untuk mengembangkan dan memanfaatkan energi terbarukan sebagai pengganti bahan bakar fosil konvensional dengan semakin meningkatnya kesenjangan energi dan degradasi lingkungan [1, 2]. Sel surya sensitisasi warna (DSSC) telah menarik penelitian yang luas karena ramah lingkungan, proses penyediaan yang mudah, performa fotovoltaik yang brilian, dan sebagainya [3, 4]. Elektroda kontra (CE), sebagai salah satu komponen signifikan dari DSSC, berperan untuk mengumpulkan elektron dari sirkuit eksternal dan memerkatal reaksi reduksi I₃⁻ menjadi I⁻ dalam elektrolit cair [5, 6]. Umumnya, bahan CE ideal memiliki kelebihan konduktivitas listrik yang tinggi dan aktivitas katalitik yang luar biasa. Namun, platinum (Pt) sebagai bahan CE yang prevalen dan efisien dibatasi untuk aplikasi komersial skala besar karena kelemahan utama berupa kekurangan, mahal, dan stabilitas jangka panjang yang buruk [7, 8]. Oleh karena itu, banyak upaya telah dilakukan untuk mengembangkan bahan yang mudah diakses, hemat biaya, dan aktivitas katalitik mirip Pt yang diterapkan dalam DSSC selama bertahun-tahun [9].

Hasta saat ini, berbagai bahan alternatif luar biasa telah diusulkan, seperti bahan karbonaceous [10, 11], kalkogenida logam transisi [12], polimer konduktif [13], logam loh [14], dan kompositnya [15, 16]. Di antaranya, kalkogenida logam transisi biner menarik perhatian besar karena struktur dan properti kimia uniknya. Misalnya, MoS₂ yang disintesis pada substrat FTO menunjukkan struktur berlapis sandwich, luas permukaan yang lebih besar, dan situs tepi yang lebih aktif yang menghasilkan performa fotoelektrik yang luar biasa sebagai CE untuk DSSC [17]. Sementara itu, banyak penelitian difokuskan pada aktivitas katalitik untuk reduksi I₃⁻ juga telah dilakukan untuk WS₂ [18], FeS₂ [19], CoS [20], dan NiS₂ [21], yang dapat dibandingkan atau bahkan lebih baik dari elektroda Pt. Namun, karakteristik inheren dari bahan-bahan ini, seperti konduktivitas listrik rendah dan hanya dua komposisi kimia yang tetap, menghambat perbaikan lebih lanjut pada aktivitas katalitik mereka [22]. Oleh karena itu, banyak metode diadopsi untuk menyintesis kalkogenida logam transisi multiner dengan menyesuaikan elemen komponen, merancang struktur, dan menyesuaikan morfologi guna mengatasi kekurangan di atas. Untungnya, banyak kalkogenida logam transisi multiner telah mencapai peningkatan signifikan dalam kemampuan katalitik untuk DSSC, seperti NiCo₂S₄ [23], MIn₂S₄ (M = Fe, Co, Ni) [22], CuInS₂ [24], CoCuWS_x [25], dan Ag₈GeS₆ [26], yang kemampuan katalitiknya jelas jauh lebih baik dari biner kirabnya.

Selain itu, secara luas diakui bahwa nanotubus karbon (CNTs) menunjukkan karakteristik baru yang luar biasa berupa luas permukaan spesifik besar, konduktivitas listrik yang luar biasa, kekuatan mekanis tinggi, dan stabilitas fotokimia, yang banyak digunakan dalam sintesis dan modifikasi bahan lain [27]. Sayangnya, CNTs menunjukkan aktivitas elektrokatali yang buruk untuk reduksi I₃⁻, yang sangat membatasi aplikasi mereka secara independen dalam perangkat DSSC. Untungnya, banyak studi telah menunjukkan bahwa CE komposit yang dimodifikasi dengan CNTs semuanya mendapatkan performa fotoelektrik yang sangat ditingkatkan untuk DSSC [18, 28, 29]. Liu et al. telah melaporkan CE Cu₂MnSnS₄/CNT (CMTS/CNT) dengan struktur hierarkis berbentuk bunga melalui metode solvothermal dalam DSSC yang memperoleh efisiensi konversi fotoelektrik sebesar 8,97%, jauh lebih tinggi dari DSSC dengan CE CMTS (6,21%) dan Pt (8,37%) [29].

Berdasariat pertimbangan di atas, dalam studi ini, CE komposit DSSC MoIn₂S₄@CNT dengan struktur bola landak disintesis menggunakan metode hidrotermal satu tahap yang mudah dan diharapkan dapat meningkatkan performa perangkat yang lebih tinggi. Hasil mikroskop elektron pemindai menunjukkan bahwa berbagai konten CNT menghasilkan perubahan yang terlihat pada morfologi. Menurut serangkaian karakterisasi elektrokimia termasuk voltametri siklik (CV), spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS), dan uji kurva Tafel, CE MoIn₂S₄@CNTs menunjukkan aktivitas katalitik yang luar biasa dan hambatan transfer muatan yang baik. DSSC yang dirangka dengan CE MoIn₂S₄@CNTs dengan konten yang sesuai mencapai efisiensi konversi daya yang unggul sebesar 8,38%, yang lebih baik dari DSSC berdasarkan CE Pt (8,01%).

Metode

Bahan

Molybdate sodium dihidrat (Na₂MoO₄·2H₂O), klorida indium tetrahidrat (InCl₃·4H₂O), dan tioasetamida (TAA) dibeli dari Shanghai Chemical Agent Ltd., China, yang digunakan langsung tanpa pemurnian lebih lanjut. Nanotubus karbon (CNTs) diperoleh dari Aladdin Chemical Agent Ltd., China. Dye komersial Z907 diperoleh dari Solaronix Ltd. (Swiss). Kaca fluorine-doped SnO₂ (FTO), dibeli dari NSG, Jepang (15 Ω sq⁻¹), dibersihkan dengan detergen dan aseton serta alkohol etil secara berurutan setelah dipotong menjadi persegi panjang 1,5 cm × 2,0 cm.

Pembuatan Fotoanoda TiO₂ Porous

Koloid TiO₂ disiapkan seperti karya kami sebelumnya [30]. Fotoanoda TiO₂ sensitasi dye dibuat sebagai berikut: Pertama, lem 3-M tape (tebal 50 μm) dengan area terpapar 0,283 cm² ditempel pada FTO. Kemudian, koloid TiO₂ yang disiapkan dilapisi dengan metode blade-coating. Kedua, elektroda TiO₂ yang kering disinter pada 450 °C selama 30 menit dalam pemanas muffle. Setelah itu, elektroda TiO₂ direndam dalam larutan aquadest titanium tetrachloride (TiCl₄) 40-mM pada 70 °C selama 30 menit, dan kemudian dianil pada udara pada 450 °C selama 30 menit. Setelah dingin sampai suhu ruang, elektroda TiO₂ direndam dalam larutan etanol absolut dye Z907 (0,3 mM) selama 24 jam untuk menyerap dye yang cukup dan mendapatkan fotoanoda TiO₂ sensitasi dye yang dihasilkan.

Pembuatan CE Tern MoIn₂S₄@CNTs

Tipis film MoIn₂S₄ ditumbuhkan langsung pada substrat FTO dengan pendekatan sederhana merujuk pada laporan kami sebelumnya [31]. Dalam penyediaan tipikal, 0,0696 g Na₂MoO₄·2H₂O, 0,169 g InCl₃·4H₂O, dan 0,1394 g TAA dilarutkan dalam 30 ml air deionesis dengan ultrasonik selama 2 jam sampai semua reaktan terlarut. Substrat FTO yang sudah dibersihkan dimasukkan ke dalam autoclave stainless steel berlapisi Teflon 100 ml dengan sisi konduktif menghadap ke atas sebelum mencampurkan larutan prekursor di atas ke dalamnya. Setelah ditutup, autoclave ditempatkan dalam oven dan dipanaskan pada 200 °C untuk waktu reaksi 15 jam. Substrat kaca FTO yang dilapisi bahan MoIn₂S₄ diambil dari autoclave, dicuci dengan etanol, air deionesis, dan kemudian dikeringkan di udara pada 60 °C selama 12 jam.

Untuk mempelajari dampak konten CNT terhadap CE komposit yang dibuat dan performa DSSC, dilakukan penambahan berbagai konten CNT ke dalam prekursor, termasuk tiga sampel di mana jumlah CNT adalah 10, 20, dan 30 mg, masing-masing, dengan mempertahankan reagen dan proses pembuatan yang sama. Sampel di atas ditandai MoIn₂S₄ (0 mg), MoIn₂S₄@CNTs-1 (10 mg), MoIn₂S₄@CNTs-2 (20 mg), dan MoIn₂S₄@CNTs-3 (30 mg).

Untuk perbandingan, CE Pt yang dipirolys digunakan sebagai CE referensi. H₂PtCl₆ dalam larutan propanol (0,50 wt%) dititikkan pada permukaan kaca FTO, dan kemudian disinter pada 450 °C dalam pemanas muffle selama 30 menit untuk membuat CE Pt.

Pembuatan DSSC

DSSC dengan struktur sandwich dibuat dengan mem clamping CE sampel (termasuk MoIn₂S₄, berbagai MoIn₂S₄@CNTs, dan CE Pt) bersama dengan fotoanoda TiO₂ sensitasi dye yang disiapkan. Surlyn digunakan sebagai spasi di antara elektroda dan diikuti dengan pengisian ruang di antaranya dengan elektrolit redoks cair yang terdiri dari 0,60 M tetrabutylammonium iodida, 0,10 M lithium iodida, 0,05 M iodin, dan 0,50 M 4-tert-butyl-pirida larutan asetonitril.

Karakterisasi

Komposisi elemen kimia sampel dianalisis menggunakan spektroskopi fotoelektron X-ray (XPS) analisis (Kratos Axis Ultra). Fitur morfologi sampel diamati dengan mikroskop elektron pemindah emisi medan (FESEM, JSM-7001F). Metode luas spesifik BET digunakan menggunakan analyzer JW-K dengan penyerapan nitrogen untuk menguji luas permukaan dan distribusi ukuran pori. Properti elektrokimia lainnya diteliti menggunakan workstation elektrokimia CHI660E. Spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) dilakukan dalam rentang frekuensi 0,1–10⁵ Hz dengan amplitase gangguan 5 mV. Performa fotovoltaik DSSC dilakukan dengan mengukur kurva karakteristik densitas arus-tegangan (J-V) di bawah radiasi 100 mW cm⁻² dari simulator matahari (CEL-S500, Beijing China Education Au-light Co., Ltd).

Hasil dan Pembahasan

Komposisi dan Morfologi

XPS digunakan untuk memeriksa komposisi permukaan dan status kimia setiap elemen dalam film MoIn₂S₄ dan MoIn₂S₄@CNTs. Spektrum data survei dalam sampel MoIn₂S₄ dan MoIn₂S₄@CNTs-2 ditunjukkan dalam Gambar 1a untuk memverifikasi keberadaan elemen Mo, In, S, dan C (sebagai referensi). Selain itu, semua spektrum dari keempat sampel, yang dikalibrasi dengan puncak C 1s pada energi ikatan 284,6 eV [17], dianalisis melalui metode fitting Gaussian yang ditunjukkan dalam Gambar 1b dan c. Puncak C 1s yang muncul dalam sampel MoIn₂S₄ dikenal berasal dari karbon sampingan yang disebabkan oleh paparan udara. Dalam daerah Mo 3d, dua puncak utama pada 228,8 dan 232,1 eV ditetapkan ke Mo 3d5/2 dan Mo 3d3/2 dari MoS₂ [32], masing-masing. Hasil ini mengonfirmasi bahwa elemen Mo berada dalam status oksidasi IV, yang direduksi menjadi Mo⁴⁺ (MoIn₂S₄) dari Mo⁶⁺ (Na₂MoO₄) [33]. Puncak ganda pada energi ikatan 445,2 dan 452,2 eV sesuai dengan In 3d5/2 dan In 3d3/2 [24, 34]. Untuk spektrum XPS S 2p, puncak yang terletak pada 161,8 dan 163,1 eV adalah S 2p3/2 dan 2p1/2, masing-masing, yang diaitkan pada S₂⁻ [17, 32]. Hasil di atas sepakat dengan studi kami sebelumnya [31]. Selain itu, tidak ada elemen lain atau puncak tambahan yang ditemukan dalam survei, yang mengonfirmasi kembali bahwa sampel yang disintesis memiliki komposisi kimia dan struktur yang serupa.

Elektroda Kontra MoIn₂S₄@CNT Berkinerja Tinggi untuk Sel Surya Sensitisasi Warna — Spektrum XPS dari sampel

Morfologi permukaan nanofilm MoIn₂S₄ dan MoIn₂S₄@CNTs yang disiapkan diamati dengan citra SEM dalam Gambar 2. Dalam Gambar 2a, sampel MoIn₂S₄ menampilkan struktur nanosheet berbentuk kelopak dengan permukaan seragam, halus, dan padat. Tidak seperti nanofilm MoIn₂S₄, struktur bola landak ditemukan dalam sampel MoIn₂S₄@CNTs dalam Gambar 2b–d, dan diameter rata-rata nanobola MoIn₂S₄@CNTs sekitar 890 nm. Mudah diamati bahwa begitu banyak nanosheet jaringan sepenuhnya tumbuh pada substrat FTO. Dibandingkan sampel MoIn₂S₄@CNTs dengan konten CNT rendah (MoIn₂S₄@CNTs-1) dan tinggi (MoIn₂S₄@CNTs-3), sampel dengan konten sedang (MoIn₂S₄@CNTs-2) menunjukkan lebih banyak bola landak dan array nanosheet pada jaringan MoIn₂S₄. Kinerja kontak yang baik antara struktur array nanosheet jaringan dengan banyak bola landak pada substrat FTO memfasilitasi reduksi I₃⁻ karena konduktivitas yang baik dan situs katalitik aktif yang luas, yang dapat diprediksi bahwa CE MoIn₂S₄@CNTs-2 akan mencapai performa yang lebih baik dari CE MoIn₂S₄, MoIn₂S₄@CNTs-1, dan MoIn₂S₄@CNTs-3. Selain itu, morfologi yang berbeda antara MoIn₂S₄ dan MoIn₂S₄@CNTs menunjukkan bahwa CNT memainkan peran penting dalam mengontrol morfologi sampel.

Gambar 3 menunjukkan pola XRD dari berbagai sampel. Di antaranya, puncak difraksi pada 25,74 dan 42,85° adalah sinyal dari CNTs [31]. Puncak difraksi pada 2θ = 27,5, 33,4, 43,7, 47,9, 56,2, dan 59,6° adalah bidang kristalografi (311), (400), (511), (440), (533), dan (444) (kartu JCPDS no. 32-0456) dari In₂S₃. Puncak pada 14,4 dan 66,5° dianggap bidang kristal (002) dan (114) struktur kubik (kartu JCPDS no. 37-1492) untuk MoS₂ [33]. Dari MoIn₂S₄@CNTs-2 dan MoIn₂S₄ sampel, puncak yang dibahas di atas tampil baik dalam kedua sampel. Dibandingkan sampel MoIn₂S₄, puncak untuk CNTs pada 25,74° terlihat jelas dalam pola XRD MoIn₂S₄@CNTs-2. Jadi, dapat disimpulkan bahwa bahan MoIn₂S₄@CNTs-2 disintesis dengan sukses dan tidak ada pengenalan impurity.

Isotermi penyerapan-desorpsi N₂ diukur dan ditunjukkan dalam Gambar 4 untuk menjelajahi luas permukaan spesifik dan fitur pori. Umumnya, luas permukaan spesifik yang lebih besar memfasilitasi transmisi muatan yang lebih nyaman di antarmuka CE/elektrolit [35]. Ditunjukkan dari Gambar 4 bahwa sampel memiliki loop histeresis tipe IV perilaku penyerapan-desorpsi yang jelas, dan data yang sesuai yang dihitung dari metode Brunauer-Emmett-Teller (BET) dan Barrett-Joyner-Halenda (BJH) dicatat dalam Tabel 1. Dengan perbandingan, mudah untuk menemukan bahwa luas permukaan spesifik dan diameter pori rata-rata dari sampel MoIn₂S₄@CNT jauh lebih baik dari MoIn₂S₄. Di antara tiga sampel MoIn₂S₄@CNT, MoIn₂S₄@CNTs-2 menunjukkan luas permukaan spesifik terbesar sebesar 66,80 m² g⁻¹ dan diameter pori rata-rata terkecil sebesar 17,8 nm, yang dapat diaitkan pada struktur bola landak yang unggul setelah doping CNT sedang. Wajar untuk diyakini bahwa CE MoIn₂S₄@CNTs-2 akan mendapatkan aktivitas katalitik yang baik dan dengan demikian mencapai performa perangkat yang sangat efisien.

Properti Elektrokimia

Pengukuran CV dilakukan untuk mempelajari perilaku elektrokatali dari sampel yang didapatkan dalam rentang potensial −0,6 hingga 1,0 V pada laju sken 60 mV s⁻¹ untuk CE MoIn₂S₄ dan MoIn₂S₄@CNTs, dan nilai yang dihitung dijumlahkan dalam Tabel 1. Puncak kiri dari dua pasang puncak oksidasi dan reduksi dalam setiap kurva CV dalam Gambar 5a diaitkan pada persamaan (I₃⁻ + 2e⁻ ↔ 3I⁻), yang menentukan performa aktivitas elektrokatali bahan CE, terutama dalam DSSC [23, 36]. Nilai densitas arus puncak reduksi negatif (J_pc), parameter kunci dalam uji CV, mengikuti urutan Pt (3,80 mA cm⁻²) < MoIn₂S₄ (4,31 mA cm⁻²) < MoIn₂S₄@CNTs-1 (4,68 mA cm⁻²) < MoIn₂S₄@CNTs-3 (5,09 mA cm⁻²) < MoIn₂S₄@CNTs-2 (7,47 mA cm⁻²). Jelas, CE MoIn₂S₄ itu sendiri memiliki aktivitas katalitik yang baik, dan CE MoIn₂S₄@CNTs-2 menunjukkan J_pc yang jauh lebih tinggi dari Pt, CE MoIn₂S₄, dan dua jenis CE MoIn₂S₄@CNTs lainnya karena morfologi permukaan yang uniknya, efek sinergi dari doping CNT, dan luas permukaan yang lebih besar. Hasil menunjukkan bahwa CE MoIn₂S₄@CNTs-2 memiliki aktivitas elektrokatali yang baik untuk pasangan redoks I⁻/I₃⁻ dalam CE DSSC. Gambar 5b menunjukkan kurva CV dari CE MoIn₂S₄@CNTs-2 pada laju sken 60 mV s⁻¹ dan mereka hampir tidak berubah dengan 50 siklus, yang menunjukkan bahwa CE MoIn₂S₄@CNTs-2 memiliki stabilitas elektrokimia yang luar biasa.

Gambar 6a–c menunjukkan CV dari CE MoIn₂S₄@CNTs pada berbagai laju sken. Seiring bertambahnya laju sken dari 20 hingga 120 mV s⁻¹, puncak oksidasi dan reduksi bergeser ke arah positif dan negatif karena difusi cepat pasangan redoks I⁻/I₃⁻ di permukaan CE dan polarisasi elektrokimia yang besar. Selain itu, Gambar 6d menunjukkan hubungan antara densitas arus puncak anoda dan katoda dari pasang puncak kiri terhadap akar kuadrat dari laju sken. Hubungan linier yang cocok menunjukkan bahwa reaksi redoks I⁻/I₃⁻ didominasi oleh transportasi ion yang dikontrol difusi [22, 25].

Gambar 7a menunjukkan plot Nyquist dari berbagai sampel untuk lebih memahami kinestika proses transfer muatan antarmuka. Data EIS yang dibuat dari kurva fitting dengan model sirkuit setara yang diinsert dicatat dalam Tabel 2. Tipikal, plot Nyquist berisi dua semicircle, semicircle pertama di kiri mewakili hambatan transfer muatan R_ct di antarmuka CE dan elektrolit, dan semicircle kedua sesuai dengan impedansi difusi Nernst dalam elektrolit, sementara intercept kurva di daerah frekuensi tinggi pada sumbu real dikenal sebagai hambatan seri R_s. Umumnya, R_s dan R_ct adalah dua parameter vital untuk mengevaluasi aktivitas katalitik CE dalam DSSC. R_s yang kecil menunjukkan kontak yang baik antara katalis dan substrat, dan dengan demikian resistensi seluruh perangkat juga kecil [29, 37, 38]. Sementara itu, R_ct yang kecil berarti laju transfer muatan yang tinggi. Seperti yang ditampilkan dalam Tabel 2, nilai R_s dari CE MoIn₂S₄, MoIn₂S₄@CNTs-1, MoIn₂S₄@CNTs-2, dan MoIn₂S₄@CNTs-3 adalah 24,77, 23,16, 18,96, dan 19,58 Ω cm², masing-masing. Jelas, semua CE komposit MoIn₂S₄@CNTs memiliki R_s yang lebih kecil dari CE MoIn₂S₄, yang menunjukkan bahwa konduktivitas CE MoIn₂S₄@CNTs ditingkatkan setelah doping CNT. Selain itu, di antara empat CE, tren R_ct adalah MoIn₂S₄ > MoIn₂S₄@CNTs-1 > MoIn₂S₄@CNTs-3 > MoIn₂S₄@CNTs-2, yang menunjukkan urutan kebalikan dari impedansi elektrokimia dan kemampuan katalitik CE. CE MoIn₂S₄@CNTs-2 memiliki nilai R_ct terendah yang dapat diaitkan pada sinergi CNT dengan konduktivitas yang baik dan MoIn₂S₄ dengan kemampuan katalitik yang luar biasa, yang mengakibatkan reduksi triiodida yang lebih efektif di antarmuka CE/elektrolit. Jelas, konduktivitas dan kemampuan katalitik CE komposit MoIn₂S₄@CNTs telah meningkat sangat besar dibandingkan CE MoIn₂S₄, dan hasilnya sepenuhnya sesuai dengan uji BET dan CV.

Kurva polarisasi Tafel dari berbagai CE diukur seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 7b, dan parameter yang sesuai dijumlahkan dalam Tabel 2. Umumnya, kurva Tafel standar termasuk dua parameter penting yang disebut densitas arus tukar (J₀) dan densitas arus difusi batas (J_lim). J₀ berkaitan dengan reaksi reduksi katalitik. Semakin besar J₀, semakin baik efek katalitik. J_lim juga positif berhubungan dengan efisiensi difusi elektrolit. J_lim yang lebih besar menunjukkan difusi ion I₃⁻ yang lebih cepat [29, 37]. Seperti yang ditampilkan dalam Gambar 7b dan Tabel 2, J_lim dan J₀ semuanya dalam urutan Pt < MoIn₂S₄ < MoIn₂S₄@CNTs-1 < MoIn₂S₄@CNTs-3 < MoIn₂S₄@CNTs-2, yang menunjukkan bahwa aktivitas katalitik CE MoIn₂S₄@CNTs-2 telah meningkat sangat besar setelah doping CNT. Di antara CE di atas, CE MoIn₂S₄@CNTs-2 mendapatkan aktivitas katalitik terbaik dibandingkan yang lain. J_lim dan J₀ terbesar dari CE MoIn₂S₄@CNTs-2 dapat diaitkan pada luas permukaan spesifik yang besar yang dihasilkan dari struktur bola landak dan konduktivitas yang ditingkatkan oleh doping CNT.

Performa Fotovoltaik DSSC

Untuk perbandingan, DSSC dengan CE MoIn₂S₄, MoIn₂S₄@CNTs, dan Pt disiapkan dengan fotoanoda dan elektrolit yang seragam. Kurva karakteristik J-V diukur di bawah 1 sun (AM 1.5 G, 100 mW cm⁻²) dan parameter fotovoltaik yang sesuai dicatat dalam Tabel 3. Empat parameter kunci termasuk densitas arus short-circuit (J_sc), tegangan open-circuit (V_oc), faktor isi (FF), dan efisiensi konversi daya (η) biasanya digunakan untuk menilai performa fotovoltaik DSSC. FF dan η dari DSSC dihitung sesuai dengan Eqs. (1) dan (2):

$$ \upeta\ \left(\%\right)=\frac{\mathrm{Vmax}\times \mathrm{Jmax}}{\mathrm{Pin}}\times 100\%=\frac{\mathrm{Voc}\times \mathrm{Jsc}\times \mathrm{FF}}{\mathrm{Pin}}\times 100\% $$ (1) $$ FF=\frac{V\max \times J\max }{V\mathrm{oc}\times J\mathrm{sc}} $$ (2)

di mana P_in adalah daya cahaya insiden dan J_max (mA cm^–2) dan V_max (V) adalah densitas arus dan tegangan di titik output daya maksimum dalam kurva J–V, masing-masing.

Seperti yang dapat dilihat dari Gambar 8, DSSC dengan CE MoIn₂S₄ dan CNTs memiliki efisiensi konversi daya sebesar 7,44% dan 3,62%. Dibandingkan DSSC dengan CE MoIn₂S₄ dan CNTs, DSSC yang dirangka dengan ketiga CE MoIn₂S₄@CNTs menunjukkan peningkatan nilai J_sc dan η. Selain itu, nilai J_sc dan η dari DSSC berdasarkan CE MoIn₂S₄@CNTs meningkat seiring bertambahnya konten CNT dari 10 hingga 20 mg. Sementara peningkatan konten CNT lebih lanjut hingga 30 mg, menghasilkan penurunan ringan pada nilai J_sc dan η. Dibandingkan DSSC berbasis Pt, ketiga DSSC berbasis MoIn₂S₄@CNTs menunjukkan peningkatan η sebesar 8,16%, 8,31%, dan 8,38%, yang lebih tinggi dari DSSC berbasis Pt (η sebesar 8,01%) dalam kondisi yang sama. Khususnya, DSSC yang dirangka dengan CE komposit MoIn₂S₄@CNTs-2 menunjukkan performa fotovoltaik terbaik dan mencapai η sebesar 8,38%, dan J_sc yang sesuai sebesar 17,17 mA cm⁻², V_oc sebesar 0,745 V, dan FF sebesar 0,655. Perbaikan properti fotoelektrik DSSC dengan CE MoIn₂S₄@CNTs-2 disebabkan oleh efek sinergi CNT dan MoIn₂S₄.

Kesimpulan

Elektroda kontra tern MoIn₂S₄ dan komposit MoIn₂S₄@CNTs dibuat pada substrat FTO menggunakan metode hidrotermal satu tahap yang mudah dan digunakan dalam DSSC. Dalam kondisi optimal, semua DSSC berdasarkan CE komposit MoIn₂S₄@CNTs mencapai efisiensi konversi daya yang baik. Khususnya, DSSC dengan CE komposit MoIn₂S₄@CNTs-2 menunjukkan efisiensi konversi daya yang baik sebesar 8,38%, yang jauh lebih tinggi dari DSSC dengan CE MoIn₂S₄ (7,44%) dan elektroda Pt (8,01%). Perbaikan properti fotoelektrik DSSC dengan CE MoIn₂S₄@CNTs-2 disebabkan oleh efek sinergi CNT dan MoIn₂S₄. Sementara itu, efek sinergi CE MoIn₂S₄@CNTs dalam kinerja elektrokimia telah dikonfirmasi dari serangkaian uji elektrokimia termasuk voltametri siklik, impedansi elektrokimia, dan kurva Tafel. Film komposit MoIn₂S₄@CNTs memiliki luas permukaan spesifik besar melalui uji isotermi penyerapan-desorpsi N₂, yang menguntungkan untuk menyerap lebih banyak elektrolit dan memberikan luas kontak aktif yang lebih besar untuk elektroda. Fakta bahwa CE MoIn₂S₄@CNTs digunakan dalam DSSC memperluas potensi aplikasi semiikon kompleks logam transisi dalam bidang kimia optoelektronik.