Titanium dioksida – zink sulfida sebagai fotoanod sel suria terpeka pewarna

Abstract

Filem nipis TiO2 telah digunakan secara meluas sebagai fotoanod dalam peranti sel suria terpeka pewarna (DSSC) kerana sifat optikal dan elektrikalnya yang baik. Tesis ini melaporkan penambahan ZnS ke atas permukaan filem TiO2 yang digunakan sebagai fotoanod dalam peranti DSSC. Kesan penambahan ZnS ke atas morfologi, struktur dan sifat optik filem TiO2 telah dikaji. Selain itu, prestasi peranti DSSC yang menggunakan filem TiO2-ZnS sebagai fotoanod juga dikaji. Antara parameter yang dimodifikasi dalam kajian ini adalah kepekatan campuran pelopor zink nitrat heksahidrat dan thiourea, tempoh rendaman TiO2 dalam larutan ZnS, suhu penumbuhan ZnS di atas TiO2 dan suhu sepuh lindap filem TiO2-ZnS. Filem TiO2 telah ditumbuhkan di atas substrat ITO melalui kaedah pemendapan fasa cecair dan ZnS ditumbuhkan di atas permukaan filem TiO2 melalui teknik rendaman. Parameter pengubahsuaian yang pertama ialah kepekatan campuran pelopor zink nitrat heksahidrat dan thiourea dengan variasi 0.01, 0.03, 0.05, 0.07 dan 0.10 M. Kecekapan peranti didapati meningkat dengan peningkatan kepekatan campuran pelopor dan menunjukkan prestasi peranti DSSC tertinggi iaitu 1.32% pada kepekatan campuran pelopor 0.03 M. Sampel ini memiliki nilai JSC, VOC dan FF yang tinggi yang menyumbang kepada prestasi peranti yang baik iaitu 4.25 mA cm-2, 0.72 V dan 0.43, masing-masingnya. Kajian variasi tempoh rendaman TiO2 dalam larutan ZnS yang ditetapkan pada 30, 45, 60, 75 dan 90 minit dan prestasi peranti mencapai optimum pada tempoh rendaman 30 minit. Peningkatan tempoh rendaman didapati menurunkan prestasi peranti DSSC kerana peningkatan penumbuhan ZnS di atas filem TiO2 sekaligus menyebabkan peningkatan rintangan dalam peranti DSSC yang menggunakan sampel filem ini sebagai fotoanod. Kajian EIS mendapati bahawa jangka hayat pembawa cas yang terjana daripada penyerapan cahaya menurun dalam peranti dengan tempoh rendaman lebih lama berbanding peranti yang menggunakan bahan fotoanod sampel filem TiO2-ZnS dengan tempoh rendaman selama 30 minit. Seterusnya, kajian kesan suhu penumbuhan ZnS di atas TiO2 dilakukan dengan mengvariasikan suhu penumbuhan pada 30, 50, 60, 70 dan 80 ⸰C. Daripada kajian ini, didapati bahawa prestasi peranti DSSC yang optimum adalah peranti yang menggunakan sampel filem TiO2-ZnS yang disediakan pada suhu penumbuhan 30 ⸰C. Peningkatan suhu penumbuhan sampel filem TiO2-ZnS didapati memendekkan jangka hayat pembawa cas dalam peranti DSSC kerana ketebalan filem yang meningkat sekaligus meningkatkan rintangan keseluruhan peranti. Kajian yang terakhir ialah kajian kesan suhu sepuh lindap terhadap filem TiO2-ZnS yang digunakan sebagai bahan fotoanod dalam peranti DSSC. Suhu sepuh lindap divariasikan dari 300, 350, 400, 450 dan 500 ⸰C dan didapati bahawa peningkatan suhu sepuh lindap meningkatkan prestasi peranti DSSC dan mencapai optimum pada suhu sepuh lindap 400 ℃. Prestasi peranti DSSC kemudiannya menurun apabila suhu sepuh lindap ditingkatkan lagi sehingga 500 ℃. Hal ini kerana ketulenan fasa meningkat pada suhu sepuh lindap 300 sehingga 400 ℃. Pada suhu sepuh lindap 450 dan 500 ℃, transformasi fasa berlaku dan mengakibatkan peningkatan gangguan tenaga dan menurunkan dinamika pergerakan cas dalam bahan fotoanod sekaligus menurunkan prestasi peranti DSSC. Peranti DSSC yang menggunakan bahan fotoanod sampel filem TiO2-ZnS dengan kepekatan campuran pelopor zink nitrat heksahidrat 0.03 M, tempoh rendaman selama 30 minit dalam larutan ZnS, suhu penumbuhan ZnS di atas filem TiO2 pada 30 ℃ dan suhu sepuh lindap sampel filem TiO2-ZnS pada 400 ℃ mempunyai prestasi terbaik dengan nilai η = 1.32%, JSC = 4.25 mA cm-2, VOC = 0.72 V dan FF = 0.43.