Proseding Seminar Nasional Fisika dan Aplikasinya Sabtu, 19 November 2016 Bale Sawala Kampus Universitas Padjadjaran, Jatinangor
KINERJA SEL SURYA PEROVSKITE YANG DIBUAT DENGAN METODE ONE-STEP SPIN COATING FARIDATUN NIDA, EFA LATIFFAH DAN AYI BAHTIAR* Prodi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Padjadjaran Jl. Raya Bandung-Sumedang Km 21, Jatinangor 45363 Abstrak. Sel surya perovskite berbasis metil-amonium timbal halida (CH3NH3PbI3) telah menghasilkan efisiensi konversi daya di atas 20% dan diharapkan akan mampu menggantikan sel-surya silikon. Efisiensi yang tinggi dihasilkan melalui kontrol kualitas film perovskite yaitu derajat kristalinitas yang tinggi dan memiliki ukuran bulir yang besar (di atas 500 nm). Efisiensi konversi meningkat seiring dengan meningkatnya ukuran bulir perovskite. Berbagai metode telah dilakukan untuk menghasilkan ukuran bulir yang besar seperti metode deposisi, lingkungan sekitar, komposisi prekursor dan penggunaan pelarut/zat aditif pada saat preparasi larutan dan pembuatan film tipis sel surya perovskite. Salah satu metode yang umum digunakan untuk membuat sel surya perovskite adalah spin-coating. Pelarut dimetil-formamid (DMF) umumnya digunakan dalam membuat larutan perovskite. Namun titik didih tinggi DMF (153°C) menyebabkan proses kristalisasi yang lambat, sehingga menghasilkan “pin-hole” dan tidak terkonversinya PbI2 seluruhnya menjadi perovskite, yang diyakini menjadi salah satu faktor dalam rendahnya efisiensi sel-surya. Dalam makalah ini, akan disajikan kinerja sel-surya yang dibuat dengan metode one-step spincoating dimana pelarut klorobenzen diteteskan pada saat pembuatan film perovskite. Struktur sel-surya yang dibuat adalah gelas/ITO/TiO2/perovskite CH3NH3PbI3/SpiroOMeTAD/Au. Divais sel surya yang dibuat memiliki efisiensi konversi 1,05 %. Kata kunci : Perovskite, ukuran bulir, one-step spin-coating, klorobenzen, efisiensi konversi
1. Pendahuluan Saat ini, sel-surya berbahan aktif material campuran bahan halidaorganik/anorganik dengan struktur perovskite telah banyak menarik perhatian banyak peneliti, karena mampu menghasilkan efisiensi di atas 15% [1-4]. Khususnya bahan perovskite CH3NH3PbI3 (metil-amonium timbal halida) telah menghasilkan efisiensi lebih dari 20% yang merupakan batas psikologis untuk produksi masal dan komersialisasi [5-11]. Saat ini, efisiensi tertinggi sel-surya perovskite adalah 22,1% [12]. Salah satu keuntungan menggunakan bahan perovskite sebagai penyerap cahaya adalah kemudahan dalam mengatur sifat elektronik dengan memodifikasi komposisi senyawa. Sel surya berbasis perovskite halida organologam terdiri dari lapisan absorpsi cahaya dan lapisan hole transport material (HTM) yang secara bersama-sama bekerja sebagai pemisah muatan melalui divais heterojunction *
email :
[email protected]
Kode Artikel: FM-05 ISSN: 2470477
Faridatun Nida dkk
organik/anorganik [13]. Perovskite sendiri berfungsi sebagai lapisan aktif yang mengabsorpsi cahaya matahari. Selain itu terdapat juga lapisan ETM (electron transport material) sebagai akseptor elektron, biasanya menggunakan oksida seperti zink oksida (ZnO) atau titanium oksida (TiO2). Lapisan HTM yang berfungsi sebagai akseptor hole biasanya digunakan spiro-OMeTAD. Sedangkan substrat konduktif transparan yang umum digunakan adalah indium tin oxide (ITO) atau fluorine-doped tin oxide (FTO). Metode spin-coating, umumnya digunakan dalam pembuatan semua lapisan dalam sel-surya perovskite, mulai pelapisan ETM, perovskite, HTM. Sedangkan lapisan elektroda emas atau perak digunakan metode evaporasi. Kontrol morfologi lapisan perovskite sangat krusial untuk menghasilkan film yang homogen, ukuran bulir (grain size) yang besar dan bebas “pinhole” sehingga menghasilkan selsurya dengan efisiensi yang tinggi. Umumnya lapisan perovskite CH3NH3PbI3 dibuat dalam dua tahap, yaitu melalui pelapisan PbI2 terlebih dahulu, kemudian diikuti dengan pelapisan metil-amonium iodida (MAI) atau disebut dengan twostep spin-coating method [1,2]. Namun dalam metode tersebut, terlalu banyak parameter yang harus dikontrol, seperti temperatur proses spin-coating, kecepatan putaran dan waktu spin-coating lapisan MAI. Dalam makalah ini, pembuatan lapisan perovskite CH3NH3PbI3 dilakukan dalam one-step spin-coating method dimana larutan PbI2 dan larutan MAI dicampurkan dalam satu larutan dan kemudian dilakukan spin-coating. Tetesan klorobenzen diberikan ketika proses spin-coating lapisan perovskite dilakukan untuk membantu proses kristalisasi perovskite, sehingga dihasilkan lapisan perovskite yang homogen, bebas pinhole dan ukuran bulir yang besar. Metode one-step spin-coating dalam pembuatan lapisan perovskite lebih sederhana, karena parameter yang harus dikontrol lebih sedikit dibandingkan dengan two-step spin-coating method. 2. Metode Penelitian Bahan yang digunakan untuk pembuatan lapisan perovskite (CH3NH3PbI3) adalah PbI2 (LT-S9147), metyl-ammonium iodine (CH3NH3I) (LT-S9126), dimetyl formamide (DMF) (Sigma-Aldrich, anhydrous 99,8%), DMSO, chlorobenzene (S6841791421, Merck KGaA), Spiro-OMeTAD (Lumtech Inc.) dan kawat Au. Persiapan Substrat. Substrat yang digunakan adalah substrat kaca yang telah dilapisi ITO (Indium Tin Oxide). Substrat dibersihkan menggunakan ultrasonic bath dengan perulangan empat kali dengan masing-masih tahapan dimasukkan dalam cairan deterjen, akuades, aseton dan terakhir 2-propanol. Kemudian substrat dimasukkan kedalam spinner untuk dikeringkan, dan tahapan terakhir adalah substrat dimasukkan kedalam sistem ozon selama 30 menit.
196
Kinerja Sel Surya Perovskite yang Dibuat dengan Metode One-Step Spin Coating
(a )
(b )
Gambar 1. (a) proses stirring larutan TiO2 (b) film TiO2
Pembuatan Film TiO2. TiO2 sebanyak 172 𝜇L dalam 1 mL ethanol di-stirring pada temperatur ruang selama 45 menit, seperti terlihat pada Gambar 1(a). Kemudian larutan difiltrasi dengan menggunakan mebran. Film TiO2 dideposisi menggunakan metode spin coating dengan kecepatan 700 rpm selama 2 s, dilanjutkan dengan kecepatan 2000 rpm selama 60 s. Setelah proses spin coating, film di-annealing pada temperatur 125oC selama 5 menit (Gambar 1(b)). Pembuatan Lapisan MAPbI3. CH3NH3I sebanyak 159 mg dan PbI2 sebanyak 462 mg dilarutkan menggunakan 71 𝜇L DMSO ditambah 632 𝜇L DMF (dimetilformamid) kemudian distirring selama 1 jam pada temperatur ruang. Setelah terbentuk larutan yang homogen, kemudian larutan difiltrasi menggunakan membran. Proses pembuatan lapisan MAPbI3 (perovskite) dilakukan menggunakan metode spin coating dengan kecepatan 700 rpm (2s) dan 2000 rpm (40s) setelah 15s kemudian didrip dengan klorobenzen. Film perovskite kemudian di-annealing pada temperatur 100oC selama 20 menit Pembuatan Film Spiro-OMeTAD. Larutan Spiro-OMeTAD dalam klorobenzen sebanyak 250 𝜇 L di-spin coating diatas lapisan perovskite dengan kecepatan 1500 rpm (2s) dan 4000 rpm (30s). Kemudian film di-annealing pada temperatur 100oC selama 20 menit. Pembuatan Lapisan Au. Pembuatan lapisan Au menggunakan metode vapor deposition. Lapisan aktif perovskite yang sudah dibuat diletakkan pada sample holder yang kemudian dilakukan pelapisan Au sebagai elektroda sel surya dengan pola evaporasi tegak lurus terhadap pola ITO menggunakan vacuum evaporator, seperti diperlihatkan pada Gambar 2. Struktur sel surya yang dibuat adalah Glass/ITO/TiO2/MAPbI3/Spiro-OMeTAD/Au.
Gambar 2. Proses deposisi lapisan emas (Au) dalam pembuatan divais sel surya perovskite
197
Faridatun Nida dkk
Pengukuran Kurva I-V. Karakteristik sel-surya perovskite dilakukan dengan mengukur kurva I-V menggunakan solar simulator AM 1,5. Sebelum dilakukan pengukuran, sampel sel surya diletakkan pada PCB (Printed circuit board) sebagai holder yang dapat mempermudah pengukuran serta dipasangkan kawat tembaga sebagai probe anoda dan katoda. Sebagai referensi digunakan sel-surya silikon yang telah diketahui parameter arus yang dihasilkannya untuk mengatur intensitas cahaya solar simulator. Pengukuran dilakukan dengan dua parameter keadaan, yaitu keadaan tanpa disinari (keadaan gelap) dan keadaan disinari (keadaan terang). 3. Hasil dan Pembahasan Kurva I-V sel-surya perovskite untuk dua-buah sel baik dalam keadaan disinari maupun keadaan gelap diperlihatkan pada Gambar 3. Kurva I-V yang diperoleh pada keadaan gelap menunjukkan kurva yang sama dengan kurva karakteristik dioda. Hal ini berarti bahwa sambungan p-i-n (p-i-n junction) pada sel surya perovskite yang dibuat telah terbentuk dengan lapisan TiO2 sebagai lapisan tipe-n, lapisan perovskite sebagai lapisan intrinsik dan lapisan Spiro-OMeTAD sebagai lapisan tipe-p. 2,0
J (mA cm-2)
1,0
gelap
0,0
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
V (Volt)
-1,0 -2,0 -3,0
disinari
-4,0 -5,0
Gambar 3. Kurva I-V sel-surya dalam keadaan disinari dan keadaan gelap.
Kurva pada keadaan terang berbeda bentuknya dengan kurva keadaan gelap dan membentuk kurva histeresis sifat optoelektrik perovskite. Hal ini berarti bahwa terjadi aliran muatan dari lapisan perovskite ke elektroda ketika sel surya disinari. Hasil pengukuran menghasilkan tegangan terbuka (VOC) 0,76 Volt, rapat arus hubung singkat (JSC) 3,78 mA/cm2, faktor pengisi (fill factor, FF) 0,36 dan efisiensi konversi (PCE) 1,05%.
198
Kinerja Sel Surya Perovskite yang Dibuat dengan Metode One-Step Spin Coating
Nilai ini jauh lebih rendah dibandingkan dengan nilai efisiensi yang telah dicapai oleh kelompok lain. Hal ini karena banyak faktor yang sangat menentukan dan yang paling krusial adalah pembuatan lapisan TiO2 yang masih belum rata dan homogen, sehingga mengakibatkan hubung-singkat antara katoda dan anoda yang diindikasikan dengan rendahnya nilai FF atau akibat tahanan seri Rs yang besar. Rapat arus juga masih sangat kecil, yang kemungkinan diakibatkan belum optimalnya lapisan perovskite yang dibuat atau masih terlalu tipis. Oleh karena itu masih diperlukan optimasi dalam pembuatan lapisan perovskite dengan metode one-step spin-coating ini.
4. Kesimpulan Telah dilakukan pembuatan sel surya perovskite dengan struktur gelas/ITO/TiO2/perovskite CH3NH3PbI3/Spiro-OMeTAD/Au, dimana lapisan perovskite dibuat dengan metode one-step spin coating dan menggunakan pelarut klorobenzen selama proses spin-coating. Hasil pengukuran I-V menghasilkan tegangan terbuka (VOC) 0,76 Volt, rapat arus hubung singkat (JSC) 3,78 mA/cm2, faktor pengisi (fill factor, FF) 0,36 dan efisiensi konversi (PCE) 1,05%. Ucapan terima kasih Penulis mengucapkan terima kasih kepada Prof. Furukawa, Waseda University Japan yang telah memberikan fasilitas dalam pembuatan dan pengukuran I-V selsurya perovskite. Daftar Pustaka 1. J. Burschka, N. Pellet, S. J. Moon, R. H. Baker, P. Gao, M. K. Nazeeruddin and M. Grätzel, Sequential deposition as a route to high-performance perovskite-sensitized solar cells, Nature. 499 (2013), 316-319. 2. N. J. Jeon, J. H. Noh, Y. C. Kim, W. S. Yang, S. Ryu and S. I. Seok, Solvent engineering for high-performance inorganic-organic hybrid perovskite solar cells, Nature Materials 13 (2014), 1-7. 3. H. Zhou, Q. Chen, G. Li, S. Luo, T.-b. Song, H. S. Duan, Z. Hong, J. You, Y. Liu and Y. Yang, Interface engineering of highly efficient perovskite solar cells, Science345 (2014), 542-546. 4. W. Nie, H. Tsai, R. Asadpour, J.-C. Blancon, A. J. Neukirch, G. Gupta, J. J. Crochet, M. Chhowalla, S. Tretiak, M. A. Alam, H.-L. Wang and A. D. Mohite, High-efficiency solutionprocessed perovskite solar cells with millimeter-scale grains, Science 347 (2015), 522-525. 5. W. S. Yang, J. H. Noh, N. J. Jeon, Y. C. Kim, S. Ryu, J. Seo and S. I. Seok, High-performance photovoltaic perovskite layers fabricated through intramolecular exchange, Science 348 (2015), 1234-1237. 6. D. Bi, W. Tress, M. I. Dar, P. Gao, J. Luo, C. Renevier, K. Schenk, A. Abate, F. Giordano, J.-P. Correa-Baena, J.-D. Decoppet, S. M. Zakeeruddin, M. K. Nazeeruddin, M. Grätzel and A. Hagfeldt, Efficient luminescent solar cells based on tailored mixed-cation perovskites, Science Advances 2 (2016), e1501170. 7. M. Saliba, S. Orlandi, T. Matsui, S. Aghazada, M. Cavazzini, J.-P. Correa-Baena, P. Gao, R. Scopelliti, E. Mosconi, K.-H. Dahmen, F. De Angelis, A. Abate, A. Hagfeldt, G. Pozzi, M. Graetzel and M. K. Nazeeruddin, A molecularly engineered hole-transporting material for efficient perovskite solar cells, Nature Energy 1 (2016), 15017-15024.
199
Faridatun Nida dkk 8. D.-Y. Son, J.-W. Lee, Y. J. Choi, I.-H. Jang, S. Lee, P. J. Yoo, H. Shin, N. Ahn, M. Choi, D. Kim and N.-G. Park, Self-formed grain boundary healing layer for highly efficient CH3NH3PbI3 perovskite solar cells, Nature Energy 1 (2016), 16081-16089. 9. X. Li, D. Bi, C. Yi, J.-D. Decoppet, J. Luo, S. M. Zakeeruddin, A. Hagfeldt and M. Graetzel, A vacuum flash-assisted solution process for high-efficiency large area perovskite solar cells, Science 353 (2016), 58-62. 10. D. Bi, C. Yi, J. Luo, J.-D. Decoppet, F. Zhang, S. M. Zakeeruddin, X. Li, A. Hagfeld and M. Graetzel, Polymer-templated nucleation and crystal growth of perovskite films for solar cells with efficiency greater than 21%, Nature Energy 1 (2016), 16142-16147. 11. E.H. Anaraki, A. Kermanpur, L. Steier, K. Domanski, T. Matsui, W. Tress, M. Saliba, A. Abate, M. Graetzel, A. Hagfeldt and J.-P. Correa-Baena, Highly efficient and stable planar perovskite solar cells by solution-processed tin oxide, Energy & Environmental Science 9 (2016), 3128-3134. 12. http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg (diakses September 2016). 13. P. P. Boix, K. Nonomura, N. Mathews and S. G. Mhaisalkar. Current progress and future perspective perovskite organic-inorganic solar cells, Materials Today 17 (2014), 16-23.
200
