Key words: Light intensity, power conversion efficiency, organic solar cell,p3ht, PCBM

68

Chotimah, dkk / Efek Intensitas Cahaya terhadap Efisiensi Konversi Daya Sel Surya Organik Bulk Heterojunction Berbasis Poly(3-hexylthiophene) dan Phenyl C61 butyric Acid Methylester

Efek Intensitas Cahaya terhadap Efisiensi Konversi Daya Sel Surya Organik Bulk Heterojunction Berbasis Poly(3-hexylthiophene) dan Phenyl C61 butyric Acid Methylester Chotimah1, Kuwat Triyana1 dan Indriyana Kartini2 1)

Jurusan Fisika FMIPA UGM, Sekip Utara BLS 21 Yogyakarta, 55281 Jurusan Kimia FMIPA UGM, Sekip Utara BLS 21 Yogyakarta, 55281 [email protected] 2)

Abstrak – Sel surya organik dengan struktur bulk-heterojunction (BHJ) berbasis bahan polimer P3HT (poli (3hexylthio phene Massal-) dan PCBM (fenil C61butyric asam methylester) telah dibuat dengan menggunakan pelarut chlorobenzena. Dibandingkan dengan, divais multi-lapis, struktur BHJ lebih menguntungkan. Pertama, terdapat banyak antarmuka donor / akseptor dalam lapisan organik, sehingga juga ada banyak tempat disosiasi atau pemisahan exciton. Kondisi ini memungkinkan bahan yang bersifat donor untuk mentransfer muatan negatif segera ke bahan akseptor. Kedua, divais BHJ biasanya dibuat dengan menggunakan teknik spin-coating yang rendah biaya serta mudah dalam preparsinya. Tujuan dari penelitan ini adalah untuk menemukan informasi tentang efisiensi konversi daya sel surya tersebut sebagai fungsi dari intensitas cahaya. Untuk maksud tersebut, digunakan substrat kaca berlapis ITO sekaligus berperan sebagai anoda. Lapisan tipis dari campuran P3HT dan PCBM dideposisikan pada substrat yang diikuti oleh pengeringan dengan dan tanpa anil. Sebagai hasilnya, kami menemukan bahwa divais yang diannealing menunjukkan kinerja yang lebih baik dibandingkan dengan yang tanpa dianil. Semua divais menunjukkan peningkatan PCE dengan naiknya intensitas cahaya yang dipaparkan. Hal ini mungkin karena berhubungan dengan banyaknya foton yang diserap oleh lapisan organik. Untuk divais yang dianil, rapat arus maksimum dibawah pencahayaan 100 mW/cm2 adalah sekitar 4,3 A/cm2, dan tegangan rangkaian terbuka 0,84 V sehingga menghasilkan efisiensi konversi daya (PCE) sekitar 0,81%. Kata kunci: Intensitas cahaya, efisiensi konversi daya , sel surya organik, P3HT, PCBM, Abstract – Bulk-heterojunction (BHJ) organic solar sells based on P3HT (poly(3-hexylthio phene) and PCBM (phenyl C61butyric acid methylester) polymer have been fabricated by using chlorobenzena solvent. Compared to the multilayers one, the bulk-heterojunction type has many advantages. First, there are many interfaces donor/acceptor in entire orgnaic layer of the BHJ devices, so that there are many exciton dissociation sites. This condition allows the material having donor character to transfer negative charge immediately to the acceptor. Second, the BHJ devices are usually fabricated by using low cost spin-coating technique. The aim of this researh is to find the information about power conversion efficiency of such devices as a function of light intensity. for this purposes, substrat from ITO-coated glasses were used as anode. The blend of P3HT and PCBM films were deposited on the substrates followed by being dried with and without annealing. As a result, we found that the devieces with annealing show better performance compared to the without one. All devices show increase in PCE under increasing the light intensity. It may be related to the number of photons that absorbed by the organic layers. For the annealed ones, the maximum current density under illumination of 100 mW/cm2 is around 4.3 A/cm2, open circuit voltage is 0.84 V resulting the power conversion efficiency (PCE) 0.81 %. Key words: Light intensity, power conversion efficiency, organic solar cell,P3HT, PCBM

I. PENDAHULUAN Beberapa tahun terakhir telah dikembangkan secara intensif sel surya dengan bahan semikonduktor organik atau yang dikenal dengan sel surya organik (SSO) [1]. Kelebihan SSO diantaranya memungkinkan adanya rekayasan hingga level molekuler dan sintesis bahan semikonduktor organik juga tidak terbatas, bahkan dapat diekstraksi dari tumbuh-tumbuhan yang dapat dibudidayakan. Ekstraks forpirin alam dari miko-alga telah terbukti punya potensi sebagai bahan terbarukan bukan

hanya sebagai bahan aktif sel surya organic, tetapi juga untuk fotodetektor organik [2]. Penelitian SSO jenis lain yang sedang dikembangkan adalah divais bulk heterojunction (BHJ) berbasis poly(3hexylthiophene (P3HT) dan phenyl C61 butyric acid methylester (PCBM). Tipe BHJ menjadi pilihan karena bahan aktif polimer yang berperan sebagai donor dan akseptor langsung dalam satu blend. Beberapa penelitian yang berkaitan dengan preparasi material aktifnya telah banyak dilakukan, diantaranya pengaruh variasi

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012 ISSN : 0853-0823


pemberian pelarut dan annealing [3], ketebalan bahan aktif yang sesuai [4] dan juga kinerja sel terhadap kondisi ruangan [5]. Bervariasinya hasil penelitian, juga diagnosis adanya pengaruh morfologi lapisan tipisnya[6]. Sebagai negara tropis dengan matahari yang bersinar hampir sepanjang tahun (kecuali pada saat musimpenghujan), cahaya yang dipancarkannya mempunyai peluang kemanfaatan yang tinggi. Dengan solar sel, cahaya matahari dapat dikonversi menjadi tenaga listrik. Cahaya matahari yang sampai ke bumi besarnya bervariasi, selain karena perubahan posisi juga adanya awan atau mendung yang menghalani sampainya sinar matahari ke permukaan bumi. Dalam makalah ini dibahas karakterisasi arus tegangan dengan variasi daya sumber cahaya pada sel surya yang dibuat dengan dua macam metode pengeringan yaitu dengan desikator dan melalui ennealing termal. II. LANDASAN TEORI A. Konsep konversi foton-arus listrik pada Divais BHJ Pengetahuan tentang bagaimana mekanisme fisis perjalanan cahaya (foton) dikonversi menjadi arus listrik sangat penting dalam merancang suatu divais dan pemilihan material. Mekanisme fisis konversi foton menjadi arus listrik melalui tahap-tahap berikut [7]: (1) Serapan foton.: foton yang mengenai divais haruslah diserap secara maksimal, sehingga material yang digunakan harus transparan dan mempunyai koefisien refleksi sangat kecil. (2) Pembentukan exiton : Eksiton terbentuk pada bahan aktif SSO setelah menyerap foton. (3) Difusi dan migrasi exiton : exiton yang terbentuk akan bergerak sepanjang material melalui difusi dan melakukan migrasi. (4) Disosiasi exiton : exiton akan berdisosiasi menjadi pasangan hole dan elektron. (5) Transport muatan : elektron dan hole yang telah terdisosiasi akan bergerak menuju elektroda (logam) yang sesuai. Elekktron akan menuju elektroda yang mempunyai fungsi kerja yang lebih rendah dan hole menuju elektroda dengan fungsi kerja yang lebih tinggi. (6) Pengumpulan muatan : elektron dan hole yang dapat mencapai elektroda akan menimbulkan arus foto. Keenam proses tersebut selain merupakan proses pembentukan arus foto yang menimbulkan adanya arus listrik dalam peranti sel surya, juga merupakan faktorfaktor yang mempengaruhi besar kecilnya efisiensi sel surya organik. Mekanisme (1) Serapan foton, menuntut pemilihan salah satu elektroda yang mengapit bahan aktif sel surya memiliki kemampuan menyerap foton agar mencapai bahan aktif sebanyak-banyaknya. Solusi yang diterapkan adalah pemilihan elektroda logam yang bersifat transparan. Elektroda berupa Indium Tin Oxide (ITO) yang didisposisi pada substrat kaca merupakan pilihan yang sangat sesuai. Mekanisma (2-4) pembentukan exiton, difusi, migrasi exiton dan disosiasi exiton terjadi pada bahan aktif SSO.

69

Bahan aktif SSO adalah merupakan bahan yang mempunyai watak sebagai donor (D) dan akseptor (A). Material D ketika mendapatkan energi foton akan mengalami eksitasi, keadaan ini dikenal dengan terbentuknya eksiton. Eksiton merupakan pasangan tarik-menarik antara elektron dan hole. Eksiton setelah terbentuk, akan berdifusi sepanjang material aktif. Panjang difusi eksiton yang pendek pada semikonduktor organik membatasi foto aktivitas hanya pada dimensi 10 – 20 nm yang merupakan panjang difusi khas eksiton dalam polimer terkonjugasi [8]. Agar eksiton dapat berdifusi dengan cepat, maka antar muka antara material D dan A harus sangat banyak. Hal ini hanya bisa diupayakan bila antara D dan A langsung dicampur atau dibelnd yang lebih dikena dengan struktur BHJ. Dalam gerak difusinya, eksiton diupayakan untuk berdisosiasi menjadi pasangan elektron dan hole yang merupakan modal untuk konversi energi dari serapan foton. Pada daerah disosiasi elektron dan hole yang telah terpisah bebas bergerak atau bergerak lalu terperangkap. Proses yang berlawanan dengan disosiasi, yaitu rekombinasi, dimana elektron dan hole yang telah terpisah bergabung kembali sebagai eksiton terjadi karena medan listrik sangat lemah sehingga tidak mampu memisahkan gaya tarik elektrostatis. Untuk meminimalisir masalah ini, umumnya dipilih kombinasi bahan D yang mempunyai potensial ionisasi rendah dan bahan A dengan afinitas elektron tinggi. Mekanisme berikutnya (5-6) adalah transpot dan pengumpulan muatan. Elektron dan hole yang dihasilkan dari proses disosiasi harus diupayakan menuju elektroda agar dapat menimbulkan arus foto. Lokasi terjadinya disosiasi sangat penting untuk pembangkitan arus foto. Elektron dan hole mempunyai mobilitas yang berbeda dalam material. Sangat mugkin terjadi elektron maupun hole terperangkap sehingga tidak bebas bergerak. Kejadian terperangkapnya pembawa muatan baik permanen maupun temporal sangat mengurangi efisiensi transport pembawa muatan. Resiko semakin besar jika jarak tempuhnya semakin jauh, sehingga divais berupa lapis tipis lebih menguntungkan, namun dari segi serapan optik yang berbanding terbalik dengan ketebalan, lapisan tipis kurang baik, sehingga kedua efek ini dapat saling menghilangkan. Pembawa muatan yang mengalami rekombinasi selama dalam perjalanan tidak akan memberikan kontribusi terjadinya arus foto. Kebolehjadian elektron dan hole mencapai elektroda berkaitan dengan potensial penghalang pada antar muka antara material organik dan logam dan besarnya tergantung pada geometri, topologi dan bentuk antarmuka. Masalah ini biasanya diatasi dengan memilih elektroda yang sesuai dengan level Fermi material organik yang digunakan. B. Divais BHJ berbasis P3HT : PCBM Untuk meningkatkan meningkatkan konversi foton membentuk eksiton dan terdisosiasi menjadi electron


70


dan hole, dipilih material D dan A yang mempunyai tingkat energi High Occupied Molecular Orbital (HOMO) dan Lowest Unoccupied molecular Orbital (LUMO) yang sesuai. Pemilihan P3HT dan PCBM yang masing-masing mempunyai HOMO 3 eV dan 4 eV memudahkan transfer elektron dari P3HT ke PCBM, sebagaimana ilustrasi pada Gambar 1. Divais SSO jenis BHJ berbasis P3HT dan PCBM, secara umum ditunjukkan pada Gambar 2. Sebagai buffer atau exiton blocking layer digunakan bahan PEDOT : PSS yang disisipkan diantara substrat ITO dan bahan aktif PCBM:P3HT.

adalah nilai maksimum tegangan SSO yang dapat diperoleh. Jm dan Vm adalah rapat arus dan tegangan pada saat daya output SSO maksimum yang nilainya ditentukan menggunakan relasi daya output (P=I*V) pada saat maksimum.

Gambar 3. Kurva I-V sel surya dan perhitungan efisiensinya. Gambar 1. Tingkat tenaga molekular P3HT dan PCBM [8].

Untuk menghitung efisiensi konversi daya (power conversion efficiency, PCE) SSO digunakan persamaan 1 sebagai berikut:

PCE =

Gambar 2. Rancangan divais SSO berbasis P3HT : PCBM (A) tanpa exiton blocking layer dan (B) dengan exiton blocking layer berupa PEDOT:PSSC.

C. Karakteristik arus-tegangan SSO Untuk mengetahui kinerja SSO, dilakukan karakterisasi dengan melakukan pengukuran I-V pada keadaan gelap maupun terang. Tegangan yang diberikan merupakan tegangan “reverse bias” . Dari kurva I-V yang dibuat, dapat dilihat besarnya arus saat hubungan pendek ( short current) Isc, tegangan terbuka (open circuit) Voc, “fill factor” (FF) dan efisiensi sel surya SSO individual. Untuk mengetahui kestabilan fisikanya, dilakukan pemaparan terus menerus pada sel surya dan dilakukan karakterisasi I-V setelah jangka waktu tertentu. Karakteristik arus-tegangan (J-V) dari SSO dilukiskan dalam Gambar 3. Beberapa bagian penting yang ada hubungannya dengan efisiensi SSO sebagai berikut: • perpotongan kurva dengan sumbu y (rapat arus) menyatakan nilai rapat arus hubung singkat (Jsc). Ini adalah merupakan rapat arus maksimum dari SSO yang dihasilkan akibat iluminasi dengan cahaya tanpa pemberian tegangan dari luar. • Perpotongan kurva dengan sumbu x (tegangan) merupakan tegangan rangkaian terbuka (Voc). Ini

Voc J sc FF x100% Piinput

(1)

dimana Pinput adalah rapat daya yang datang. Nilai factor pengisi (fill factor, FF) dihitung menggunakan persamaan 2. V J (2) FF = m m Voc J sc Nilai Jsc menyatakan densitas arus tertinggi yang dihasilkan oleh sel surya sedangkan Voc terkait dengan tingkat energi fermi material aktif. Densitas radiasi dikalibrasi dengan menggunakan Pyranometer. III. METODE PENELITIAN Sel-surya dibuat dengan struktur gelas/ITO/PEDOT: PSS/ P3HT:PCBM/Al, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.

P3HT:PCBM

ITO

cahaya

Lapisan ITO berfungsi sebagai anoda, lapisan PEDOT: PSS berfungsi sebagai blocking layer dan lapisan Al


71


sebagai katoda. Dalam eksperimen, campuran P3HT dan PCBM dibuat dengan rasio 1:1 dalam pelarut chlorobenzena. Film tipis dibuat dengan metode spin coating dengan kecepatan putar 310 rpm selama 3 detik, dilanjutkan 1000 rpm dalam 10 detik. Pengeringan lapisan melalui annealing dengan hotplate pada suhu 100oC selama 10 menit dan dikeringkan dalam desikator. Elektroda alumunium dibuat dengan teknik evaporasi termal. Karakterisasi arus tegangan dilakukan menggunakan Keithlay tipe 2600 A. Sumber cahaya berasal dari lampu halogen dengan daya input divariasi dengan variasi sumber tegangan yang diberikan.Daya input diukur dengan powermeter. IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Kurva karakteristik arus-tegangan sel surya dengan dengan lapisan aktif P3HT : PCBM (1:1) yang dilarutkan dalam chlorobenzena dan diannealing 100o C dalam keadaan gelap dan disinari lampu xenon dengan intensitas bervariasi mulai 100 mW/cm2 ditunjukkan pada Gambar 4. Luas area sel surya adalah 4 mm2.

(a)

konversi daya (η) digunakan persamaan 1 dan faktor pengisi (FF) dihitung melalui persamaan 2, hasilnya sebagaimana dalam Tabel 1. Tabel 1. Nilai faktor pengisi dan efisiensi konversi daya sel surya.

P (mW/cm2) 100

Annealing FF η (%) 0.39 0,81

Desikaktor FF η (%) 0,30 0,45

80

0,39

0,57

0,32

0,32

60

0,40

0,44

0,36

0,27

40

0,35

0,32

0,42

0,19

Dari Tabel 1, terlihat bahwa efisiensi konversi daya dari sel surya yang dibuat untuk maisng-masing perlakuan saat pengeringan mengalami penurunan ketika daya iput yang datang juga berkurang. Efisiensi tertinggi dicapai oleh sampel yang mengalami annealing 100 oC pada daya input 100 mW/cm2 yaitu sebesar 0,81 %. Pada sampel dengan pengeringan melalui desikator, efisiensinya lebih rendah dibanding pengeringan melalui ennealing. Adanya PCBM mengganggu kristalinitas P3HT, sehingga untuk mengembalikan kristalinitasnya diperlukan aniling termal pada campuran P3HT:PCBM [6]. Pada pengeringan melalui desikator, molekul pelarut menguap secara alamiah tanpa mengakibatkan perubahan susunan P3HT dan PCBM, sehingga secara morfologi lapisan tipis P3HT:PCBM yang dikeringkan melalui desikator tidak memberikan kinerja yang optimum. Nilai efisiensi konversi daya sangat dipengaruhi oleh besarnya JSC. Semakin besar JSC efisiensinya semakin besar. Jika ditelusuri, JSC merupakan rapat arus yang muncul dalam divais, ketika divais mendapat pemaparan cahaya tanpa diberi tegangan panjar maju maupun tegangan balik. Daya merupakan besarnya energi persatuan waktu. Daya input cahaya yang kenakan pada divais menggambarkan jumlah foton yang datang. Dengan meningkatnya jumlah foton persatuan waktu, peluang pembentukan eksiton pada donor ( P3HT) semakin meningkat. Semakin banyak eksiton terbentuk, maka semakin banyak eksiton yang berdifusi dan melakukan migrasi yang akhirnya berdisosiasi menjadi pasangan elektron-hole. Semakin banyak pasangan elektron hole yang dibangkitkan dan mampu mencapai masing-masing elektroda semakin besar sehingga arus yang mengalir dalam divais.

(b) Gambar 4 . Kurva karakteristik rapat arus – tegangan sampel dalam keadaan gelap dan disinari dengan variasi intensitas (a) annealing 100oC, (b) pengeringan desikator.

Dari kurva karakterisasi I-V pada Gambar 4, dapat dicari parameter yang berkaitan dengan Vm, Jm, VOC dan Jsc masing intensitas. Untuk menghitung Efisiensi

V. KESIMPULAN Telah berhasil dibuat sel surya organik berbasis bahan aktif P3HT : PCBM dengan dua jenis perlakuan pengeringan yaitu dengan desikator dan annealing termal. Respon sel surya terhadap intensitas cahaya yang datang menunjukkan bahwa semakin besar intensitas cahaya yang datang, maka efisiensi konversi dayanya


72


semaki meningkat. Perlu penelitian lebih lanjut untuk meningkatkan efisiensi konversi daya dengan lebih fokus pada kinerja bahan aktif saat merespon cahaya pada berbagai panjang gelombang, dengan mengukur besarnya efisiensi kuantum. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Prodi Fisika Jurusan Fisika FMIPA UGM, yang telah memberikan dana hibah penelitian kecil, sehingga penelitian ini dapat terlaksana. Terima kasih juga diucapkan kepada Saudara Fahru, Yulisah, Desti dan Prima. PUSTAKA [1] K. Triyana, P. Nurwantoro dan T. Tsutsui, Influence of Optical Filter Effect on Incident Photon to Current Efficiency of Heterojunction Organic Photovoltaic Devices, Prosiding American Institute of Physics (AIP Conf. Proc.), 14 September 2009, Volume 1169, pp. 144148. [2] A. Supriyanto, Kusminarto, K. Triyana, Roto, M.M. Salleh dan A.A.Umar, Photosensitizing Effect of Porphyrin Films as Organic Photodetector, Journal of Materials Science and Engineering, Volume 4, No.8 (Serial No.33), 2010, p40-44,ISSN 1934-8959. [3] M. Al-Ibrahim, and O. Ambacher, Effects of solvent and annealing on the improved performance of solar cells based on poly.3-hexylthiophene.: Fullerene, Applied Physics Letters 86, 2005, p201120. [4] A. Riedel., V. Dyakonov, Influence of electronic transport properties of polymer-fullerene blends on the performance of bulk heterojunction photovoltaic devices, phys. stat. sol. (a) 201, No. 6, 2004, p1332–1341. [5] J. Schafferhans, A.Baumann, A. Wagenpfahl, C. Deibel , V. Dyakonov, Oxygen doping of P3HT:PCBM blends: Influence on trap states, charge carrier mobility and solar cell performance, Cond-mat.mtrl-sci , 1, 2010, p725. [6] A. Bahtiar, A. Aprilia, Fitrillawati, 2011, Sel surya Polimer: state of Art dan Progres Penelitiannya di Universitas Pajajaran, Jurnal Material dan Energi Indonesia, Vol.01. No.01, 2011, p7 – 14. [7] N-K. Persson, O. Ingana¨s, Simulations of Optical Processes in OrganicPhotovoltaic Devices, In :SS.,Sun, N.S. Saricifati, , 2005, Organic Photovoltaics , Mechanisms, Materials, and Devices, CRC Press Taylor & Francis Group 6000 Broken Sound Parkway NW, Suite 300, 2009, p.110 – 113. [8] H. Hoppe, N. S. Sariciftci, Bulk Heterojunction Solar Cells , In :S-S.,Sun, N.S. Saricifati, , 2005, Organic Photovoltaics , Mechanisms, Materials, and

Devices, CRC Press Taylor & Francis Group 6000 Broken Sound Parkway NW, Suite 300, 2009, p.220-223.

TANYA JAWAB Satwiko , UNJ ? Variasi analing apakah dilakukan? ? Contoh ketebalan filem apakah dilakukan? ? Apakah terjadi degradasi? Chotimah, UGM @Untuk suhu annealing tidak divariasi, hanya dibandingkan dengan pengeringan alamiah. @Ketebalan film tidak diukur, hanya diperediksi berdasarkan jumlah satuan dan waktu dan kecepatan putar spiuncoater. @Degradasi selalu terjadi namun dalam penelitian ini, pengukuran I-V setelah waktu tertentu tidak di lakukan. Sadang Husain ,UGM ? Apakah pada thin film tidak mengandung atau memiliki kelebihan yang ada pada bulk? Mengapa tidak menggunakan thin film? ? Saya pernah melihat pada permukaan lapisan sel surya ditutupi dengan kain hitam, bagaimana penjelasan tentang pertanyaan tersebut? Chotimah, UGM @Sel surya organic (SSO) divaisnya dalam bentuk thin film yang dimaksut “bulk” adalah pada susunan lapisan donor dan akseptor yang di “blenk” atau dicampur sehingga jadi satu lapis saja. @Umumnya sel surya yang dilapis kain hitam itu untuk sel surya dari silicon untuk membuat serapan max, namun jika diberikan pada SSO kain hitam berfungsi untuk menciptakan kondisi gelap pada SSO sehingga bahan aktif tidak terpapar terus menerus dengan cahaya matahari. Bambang Murdoko,UGM ? Apakah tidak perlu dicek “serapan, refleksi, dan tenaganya”(cahaya yang jatuh pada sempel)? Chotimah, UGM @Kurva serapan ITO, serapan m,asing-masing penyusun bahan aktif (P3HT dan PCBB) dan dalam bentuk blend felas diukur. Kurva serapan dominan pada x = 350 nm dan 500-600 nm. Kurva refleksi juga telah diukur, ada dalam naskah presentasi yang lain.


Key words: Light intensity, power conversion efficiency, organic solar cell,p3ht, PCBM

Recommend Documents