Peningkatan kinerja Dye-sensitized solar cell (DSSC) photovoltaic dengan mengoptimalkan lapisan penghalang ZnOBY FISIKACERIA ON 24-SEP-2010 IN FISIKA UNIVERSITAS

Sebelumnya kalian sudah membaca efekfotolistrik di postingan yang

lalu terlebih dahulu sehingga kita bisa mengerti kemudian dalam

membaca paper ini. Ini merupakan aplikasi dalam

teori efekfotolistrik yang di temukan oleh albert einstein.

Pada kali ini ini kita akan membahas sebuah judul

mengenai Peningkatan kinerja Dye-sensitized solar cell (DSSC)

photovoltaic dengan mengoptimalkan lapisan penghalang ZnO .

Oleh Hyunwoong Seo, Min-Kyu Son, Jin-Kyoung Kim, Inyoung Shin, K

Prabakar and Hee-Je Kim.

Dye-sensitized solar cell (DSSC) telah dianggap sebagai alternatif yang

kuat untuk menggantikan perangkat fotovoltaik konvensional

berdasarkan semikonduktor seperti silikon atau senyawa semikonduktor.

Lapisan penghalang berfungsi dengan menggunakan elektroda terdiri

dari dua konduksi

yang berbeda pita potensi yang sangat efektif dalam meningkatkan

kinerja fotovoltaik dari DSSC.

Terutama, seng oksida (ZnO) sangat efektif sebagai lapisan penghalang

karena memiliki energi yang lebih tinggi tingkat pada pita konduksi dari

pada TiO2 dengan bentuk molekul TiO2. Kita

mencoba untuk membuat lapisan penghalang ZnO dengan menggunakan

larutan seng asetat oleh metode dip-coating, meskipun film ZnO biasanya

dibuat oleh deposisi uap kimia. Parameter percobaan dioptimalkan untuk

mencapai sebuah lapisan penghalang efektif ZnO. Pola difraksi

Impedansi spektroskopi dan elektrokimia sinar X diukur untuk

menganalisis lapisan ZnO. Kinerja fotovoltaik DSSC dengan lapisan

penghalang ZnO dioptimalkan dan diukur kemudian dibandingkan

dengan suatu DSC konvensional. Akibatnya, DSSC dengan lapisan

penghalang ZnO memiliki VOC meningkat hingga 0.85V dan

meningkatkan efisiensi 4,05%.

1. Pendahuluan

Sejak Grätzel mengembangkan Dye-sensitized solar cell (DSSC) pada

tahun 1991, telah dianggap sebagai alternatif kuat untuk menggantikan

sel surya konvensional berbasis perangkat pada semikonduktor seperti

silikon atau senyawa karena keuntungan dari semikonduktor yaitu

efisiensi yang tinggi, proses fabrikasi yang sederhana, biaya produksi

rendah dan energi waktu pengembalian pendek [1-5]. Banyak penelitian

telah menyelidiki lebih tinggi kinerja DSSC seperti elektrolit padat,

pensintesis baru, katalis baru, dan film transparan dengan tahanan lebih

rendah. Pengendapan lapisan penghalang adalah strategi yang baik

untuk meningkatkan efisiensi. Lapisan penghalang difungsikan dengan

menggunakan elektroda yang terdiri dari dua bahan, yang berbeda

dalam hal potensi pita konduksi. Penyelidikan terkait telah dilakukan

untuk menggali bahan lapisan penghalang seperti SnO2, TiO2, Nb2O5 dan

film oksida CeO2 dan komposit. Seng oksida (ZnO) merupakan salahsatu

penghalang yang penting karena memiliki tingkat energi yang lebih

tinggi pada pita konduksi dari TiO2 kontak dan bekerja baik dengan

molekul TiO2. TiO2dan ZnO dapat meningkatkan konsentrasi elektron

bebas pada pita konduksi TiO2. Maka rekombinasi muatan berkurang

dalam proses transportasi elektron dari pewarna menuju elektroda.

Karenanya arus pada lintasan pendek (ISC) dan tegangan rangkaian-

terbuka (VOC) ditingkatkan.

Ada beberapa cara fabrikasi film tipis ZnO, seperti metode kimia,

sputtering, pirolisis semprot,

metode elektrokimia, deposisi uap kimia (CVD). Dalam penelitian

sebelumnya pada lapisan penghalang ZnO, fabrikasi sebagian besar

biasanya menggunakan metode CVD atau deposisi sputter dan bukan

metode kimia. Sebagian besar metode kimia mengadopsi seng nitrat

sebagai sumbernya. Walaupun, lapisan penghalang ZnO dibuat dari seng

nitrat yang mempunyai ISC lebih tinggi, namun peningkatan

VOC yang terjadi tidak banyak.

Oleh karena itu, dalam hal ini, film tipis ZnO menggunakan seng asetat

dihidrat (Zn(CH3COO)2.H2O) dengan metode kimia diselidiki untuk

mencari VOC yang lebih tinggi. Lapisan penghalang ZnO dari seng asetat

menghasilkan VOC lebih tinggi dengan mudah, tetapi sangat sulit untuk

membuat film yang efektif karena mudah penurunan ISC oleh ikatan

buruk antara oksida logam

dan molekul dye, khususnya sistem Ru. Oleh karena itu, parameter

eksperimen dalam proses pembuatan film tipis ZnO seperti konsentrasi

seng asetat, waktu perawatan dan suhu sintering

yang dioptimalkan. Dalam DSSC dengan lapisan penghalang ZnO efektif,

tingkat pita konduksi TiO2 dialihkan dengan ditambahkan lapisan ZnO

sementara struktur nano TiO2yang baik untuk

luas permukaannya masih dipertahankan. Akibatnya, DSSC dengan

lapisan penghalang ZnO efektif menunjukkan peningkatan dalam

keseluruhan kinerja berdasarkan VOC dan ISC.

2. Percobaan

Larutan seng asetat yang digunakan untuk lapisan penghalang ZnO

dibuat dengan melarutkan 21,95 mg, 109,75 mg dan 1,0975 g seng

asetat dihidrat dalam 10 ml air suling. Konsentrasi dari solusi tersebut

kemudian masing-masing 10, 50 dan 100 mM.

Kristal Fluorin timah oksida (FTO) digunakan sebagai transparan

konduktif oksida (TCO) untuk membuat foto dan pengumpul elektroda.

Lapisan nano TiO2 (Ti-Nanoxide) seragam dengan ketebalan sekitar 50μm

telah disisipkan pada substrat FTO dengan metode pisau dokter.

Ketebalan film diturunkan menjadi 13μm oleh sintering pada suhu 450oC

selama 30 menit. Larutan seng asetat dilapisi pada foto elektroda dengan

metode dip-coating dan film ini disinter lagi. Total waktu yang

dibutuhkan untuk dip coating adalah 10 menit. Suhu sintering adalah

100, 200, 300 dan 400oC sedangkan konsentrasi akhirnya adalah tetap.

Setelah sintering, foto elektroda direndam dalam 0.2mM N719 dye.

Kelebihan dye telah dihapus dengan membilasnya dalam etanol 99,9%

(C2H5OH).

Pengumpul elektroda, yang terdiri dari katalis platina dengan ketebalan

sekitar 0.1μm di FTO, yang tergagap oleh frekuensi radio (RF) pada

kekuatan 150W dan tekanan kerja 3.73N/m2. Setelah itu, foto dan

pengumpul elektroda ditutupi menggunakan lembaran Solaronix panas

mencair (SX 1170-1125, Solaronix) dengan ketebalan dari 25μm. DSSC

diselesaikan dengan menyuntikkan sebuah elektrolit redoks yang terdiri

dari LiI 0.5M, 0.05M I2 dan 0.5M 4-tertbutylpyridine dalam asetonitril.

DSSC lain adalah sebagai referensi sel dalam kondisi yang sama, tapi

tanpa film tipis ZnO.

Film ZnO ditandai dengan sifat morfologi dan komposisinya. Bidang

emisi discan mikroskop elektron yang beroperasi pada 15 kV yang

digunakan untuk karakterisasi lapisan penghalang mikro ZnO. Formasi

dari film dipastikan dalam pengukuran difraksi sinar-x dengan kondisi

operasi 30mA dan 40 kV.  Kinerja fotovoltaik dari akhir DSSC diukur

bawah sinar matahari. Daerah sel tanpa radiasi adalah 0,25 cm2. Kurva I-

V dan persamaan (1) dan (2) digunakan untuk menghitung ISC, VOC, factor

isi (FF) dan foton untuk efisiensi konversi saat ini. Impedansi internal

sebuah DSSC diukur dengan spektroskopi impedansi elektrokimia.

3. Analisis

Gambar 1 menunjukkan perubahan VOC dan rapat arus pendek sesuai

dengan konsentrasi larutan dan lama perendaman. Di sini, suhu sintering

tetap pada 400 0C. Dalam kasus 10 mm konsentrasi larutan, tegangan

tidak meningkat dan efisiensi sangat rendah karena arus rendah

dibandingkan dengan

DSSC konvensional. Alasan mengapa VOC tidak meningkat adalah karena

partikel ZnO tidak mencukupi pada TiO2. Bahwa VOC bukan karena

kurangnya ZnO yang bergeser, dan lapisan kasar yang terganggu dye

adsorpsi dan transpor elektron. Dalam kasus 100mm konsentrasi larutan,

tegangan itu meningkat sekitar 50mV, tetapi pada efisiensi sangat

rendah2,2%. Tingkat energi dialihkan tanpa suatu halangan,

tapi lapisan tebal sela transpor elektron. Di pihak lain, dalam kasus

konsentrasi larutan 50 mm, 3,3%

efisiensi jauh lebih tinggi dari kasus-kasus lainnya sementara kenaikan

VOC mirip dengan kasus 100mm solusi. Kinerja tidak dipengaruhi oleh

lama perendaman.

Sesuai dengan hasil eksperimen di atas, konsentrasi larutan dan lama

perendaman adalah tetap

yaitu 50 mm dan 10 menit, masing-masing. DSSC dengan ZnO lapisan

penghalang yang dibuat di bawah temperatur sintering yang berbeda.

Hasilnya ditunjukkan pada Gambar 2. VOC dan JSC sangat rendah

pada suhu sintering 100-3000 C. Artinya, ZnO lapisan tidak dibentuk

dengan baik karena partikel seng

sangat teroksidasi pada suhu sintering rendah. Oleh karena itu, tingkat

quasi-Fermi yang sesuai tidak bergeser dan ini film mengganggu

adsorpsi molekul zat warna. Namun, VOCmeningkat secara efektif dan JSC

jauh lebih tinggi dari yang lain dengan suhu sintering 4000C. Oleh karena

itu,

suhu sintering optimal pada 4000 C.

Sebelum sintering lapisan penghalang ZnO dibuat di bawah kondisi

optimal, satu elektroda foto itu dibilas dengan air suling dan yang lainnya

tidak dibilas. I-V kurva karakteristik sel-sel ini ditunjukkan pada Gambar

3. Meskipun sel dibilas relatif lebih rendah VOC, menghasilkan kinerja

yang lebih baik karena ketebalan penghalang ZnO lapisan diturunkan

dan menjadi lebih seragam. Itu karena kontak antara TiO2 dan molekul

dye ditingkatkan dan VOC mengalami sedikit penurunan karena tebalnya

dikurangi dari Lapisan ZnO. Keseragaman diendapkan film hal ini

terlihat pada foto SEM pada Gambar 4. Hasil ini menegaskan kembali

oleh sel EIS kedua dalam gambar 5. Bagian imajiner dari DSC Gambar 4.

FE-SEM citra TiO2 dengan lapisan ZnO dioptimalkan. Gambar 5. EIS dari

DSCs dengan dan tanpa bilasan setelah pencelupan. Gambar 6. Pola XRD

TiO2 dengan lapisan ZnO dioptimalkan. tanpa bilasan lebih besar dari

pada sel dibilas. Artinya, kapasitansi internal interface itu besar dan ZnO

lapisan antara lapisan TiO2 dan lapisan dye terlalu tebal. Kehilangan

elektron juga sangat besar karena hambatan menjadi bagian nyata dua

kali lipat.

http://www.fisika-ceria.com/wp-content/uploads/2010/09/figure-4-and-5.png

Gambar 6 menunjukkan pola XRD dari dioptimalkan TiO2/ZnO lapisan.

Puncak kristal dari FTO/TiO2/ZnO elektroda sudah dikonfirmasi oleh pola

XRD. Tahap TiO2 dilambangkan sebagai A adalah 26,90, 38,20, 48,60,

52,00 dan 55,50 dan S dilambangkan sebagai puncak di 26,90, 52,00 dan

65,90 disebabkan SnO2 merupakan substrat dari FTO. Puncak difraksi

pada 34,80 dan 63,20 disebut sebagai Z sesuai dengan pola difraksi ZnO.

Oleh karena itu, pembentukan ZnO dari larutan seng asetat dapat terjadi.

Lapisan penghalang  ZnO dioptimalkan menekan penurunan I3 pada foto

elektroda. Artinya, transfer electron kembali berkurang, dan VOC dan

JSC secara konsekuen meningkat. Sebuah elektroda TiO2/ZnO berkaitan

dengan peningkatan energy penghalang di antarmuka TiO2/electrolyte

diaktifkan oleh deposisi ZnO [21]. ZnO bentuk penghalang di

TiO2/elektrolit antarmuka, karena ujung pita konduksi adalah sekitar 50

mV lebih negatif dari itu TiO2. Kim et [al 22] diverifikasi ini dengan

menggunakan pengukuran voltamogram TiO2, ZnO dan ZnO/TiO2 film.

Hal ini mengurangi hambatan energi elektron yang kembali ditransfer

dari konduksi TiO23 dalam elektrolit, yang pada gilirannya meningkatkan

VOC.untuk I

Akhirnya, sebuah DSSC difabrikasi dalam kondisi optimal (Konsentrasi

50mm, waktu pencelupan 10 menit dan suhu sintering 400oC). Gambar 7

menunjukkan kurva karakteristik I-V dari DSSC dengan penghalang ZnO

dioptimalkan lapisan dan DSSC konvensional. DSSC dengan lapisan ZnO

memiliki kinerja yang lebih baik daripada DSSC konvensional karena

terjadi  peningkatan arus dan tegangan. Impedansi internal DSSC

konvensional juga jauh lebih besar daripada DSSC dengan lapisan ZnO,

seperti pada gambar 8. Besar resistansi memutuskan transpor elektron

dan penurunan efisiensi. Akibatnya, DSSC dibuat dalam kondisi

dioptimalkan yang memiliki VOC 0.85V, sebuah JSC 6.10 mA/cm2 dan

efisiensi

4,05%, sedangkan DSSC konvensional memiliki VOC 0.78V, sebuah

JSC 5.80 mA/cm2 dan efisiensi 3,41%.

4. Kesimpulan

Film ZnO antara TiO2 dan lapisan dye meningkatkan VOC dan mencegah

rekombinasi elektron. Film ini dibuat dengan menggunakan larutan seng

asetat. Semakin tebal lapisan oksida seng, semakin tinggi VOC. Namun,

ketebalan blok film memindahkan elektron dari molekul dye menuju

elektroda dan menyebabkan pengurangan efisiensi. Dalam hal ini,

parameter eksperimental seperti konsentrasi larutan, waktu perendaman

dan suhu sintering dioptimalkan. Akibatnya, sebuah DSSC dengan

lapisan penghalang ZnO diciptakan dalam kondisi dioptimalkan

VOC 0.85V, sebuah JSC bernilai 6.10 mA/cm2 dan efisiensi 4,05%.