Sintesis dan pencirian terbitan spiro-ometad sebagai pengangkut lohong dalam sel suria perovskit

Abstract

Sel suria telah menguasai industri fotovolta selama beberapa dekad dan membuka pelbagai laluan penyelidikan bahan baharu seperti perovskit. Sehingga kini, sel suria berasaskan perovskit (PSC) hibrid organik-bukan organik telah mendapat perhatian yang luar biasa disebabkan kosnya yang efektif dan kecekapan penukaran kuasa (PCE) yang tinggi berbanding sel suria generasi ketiga yang lain. Spiro-OMeTAD merupakan bahan pengangkut lohong yang digunakan dalam PSC. Sebatian Spiro-OMeTAD menarik perhatian penyelidik kerana sebatian tersebut dapat menyumbang kepada kecekapan peranti sehingga 24.05%. Namun begitu, sebatian ini dilaporkan mempunyai kekonduksian dan mobiliti yang rendah. Penyelidikan ini menfokuskan kepada modifikasi struktur Spiro-OMeTAD untuk meningkatkan kehabluran dan mobiliti cas pembawa Spiro-OMeTAD beserta ciri-ciri lain yang dapat menyumbang kepada peningkatan prestasi Spiro-OMeTAD. Peringkat pertama kajian ini melibatkan sintesis terbitan Spiro-OMeTAD dengan kumpulan penukar ganti penderma elektron iaitu OH dengan nisbah mol reaktan yang berbeza. Tiga teknik pemisahan dijalankan untuk mendapatkan hasil yang tulen. Semua sampel dicirikan menggunakan spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR), analisis spektroskopi resonans magnetik nukleus (NMR) dan kromatografi cecair-spektroskopi jisim (LC-MS). Peringkat kedua kajian ini pula melibatkan pempolimeran terbitan Spiro-OMeTAD menggunakan prapolimer MDI-PEG. Semua sampel dicirikan menggunakan FTIR dan kromatografi penelapan gel (GPC). Peringkat ketiga kajian ini melibatkan pencirian terbitan Spiro- OMeTAD dan polimer Spiro-OMeTAD dari segi terma, optik dan elektrokimia. Berdasarkan analisis kalometri imbasan pembeza (DSC) yang dijalankan, kehadiran kumpulan berfungsi hidroksil dan amida pada sampel spiro-OH dan polispiro masingmasing menunjukkan nilai Tg yang lebih rendah sekitar (113-119 ℃) berbanding Spiro- OMeTAD (123.7 ℃). Nilai Tg yang rendah menunjukkan sifat sifat kehabluran bahan dapat dikurangkan di samping meningkatkan kestabilan terma bahan tersebut. Seterusnya, dari sudut optik, tiada perubahan yang ketara dapat dilihat pada sampel spiro-OH di mana nilai λmaks diperhatikan sekitar 366-376 nm berbanding Spiro- OMeTAD 376 nm. Namun begitu, sampel polispiro menunjukkan perubahan serapan seperti hipokrom (penurunan serapan) dan hipsokromik (anjakan biru) di mana nilai λmaks diperhatikan pada julat 290-365 nm. Selain itu juga, perbezaan julat nilai Eg bagi sampel spiro-OH dan polispiro dapat diperhatikan di mana sampel spiro-OH menunjukkan julat sekitar 2.99-3.05 eV, manakala sampel polispiro pada julat 2.87- 2.88 eV. Akhir sekali, dapatan menunjukkan peningkatan nilai kekonduksian sebanyak ~22%-50% dengan kehadiran kumpulan hidroksil dan amida pada sampel spiro-OH dan polispiro. Walau bagaimanapun, kekonduksian yang paling tinggi dapat dilihat pada sampel spiro-2OH (0.48 mS/cm) dan polispiro-6OH (0.42 mS/cm) berbanding Spiro- OMeTAD (0.32 mS/cm). Akhir sekali, simulasi menggunakan SCAPS-1D menunjukkan kecekapan sel tertinggi bagi sampel spiro-OH dan polispiro adalah 17.56% dan 16.91% yang direkodkan oleh sampel spiro-2OH dan polispiro-6OH masing-masing. Kefungsian dan kecekapan yang dipertingkatkan bagi bahan Spiro- OMeTAD yang dimodifikasikan menunjukkan potensi untuk meningkatkan prestasi PSC, sekaligus membuka jalan kepada penyelesaian tenaga solar yang lebih kos efektif dan cekap.