Pembangunan sel suria perovskit berkelembapan tinggi menggabungkan molibdenum disulfida sebagai pengangkut lohong hibrid

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. Namun begitu, isu terbesar bahan perovskit ini adalah ketidakstabilan jangka hayat akibat faktor ekstrinsik persekitaran seperti kadar kelembapan relatif (RH) dan oksigen yang tinggi serta pendedahan kepada cahaya. Di dalam kajian ini, peranti PSC berstruktur n-i-p telah dibangunkan untuk mengkaji kaedah terbaik dalam peningkatan kadar PCE dan kestabilannya. Kajian dimulakan dengan memodelkan peranti PSC menggunakan Simulator Kapsitans Sel Suria Satu Dimensi (SCAPS-1D). Hasil dapatan awal memberi gambaran ketebalan perovskit aktif 400 nm dan lapisan MoS2 30 nm adalah optimum bagi mendapatkan PCE yang tinggi iaitu peningkatan dari 11.24 % kepada 14.16% dengan penggabungan lapisan MoS2. Peringkat kedua menumpukan lapisan pengangkut elektron (ETL) dengan pengoptimuman nilai ketumpatan arus filem nipis menerusi analisa fotoeletrokimia (PEC). Hasil kajian mendapati proses penyepuhlindapan yang optimum dicapai pada suhu 450 ˚C, 45 m bagi filem nipis TiO2 dengan nilai ketumpatan arus mencapai nilai 228.5 μA/cm2 pada 1.0 V (berbanding Ag/AgCl). Seterusnya, kaedah baru dua-langkah pemendapan tertangguh telah digunapakai untuk mendapatkan permukaan perovskit yang tinggi kehabluran dan nukleasi metal-ammonium iodida (MAI) terkawal di bawah kelembapan relatif tinggi (RH=40% –50%). Pendekatan ini menunjukkan pentingnya kawalan masa untuk memastikan filem berkualiti tinggi dengan ukuran saiz butiran seragam dan tanpa lubang jarum. Berbanding kaedah dua-langkah konvensional, peningkatan ketara nilai PCE dari 3.2% hingga 8.3% dicapai untuk filem perovskit dengan masa tertangguh 15 s. Antara faktor utama adalah peningkatan ketara bagi nilai voltan litar terbuka, kenaikan faktor pengisian, pengurangan penggabungan semula dan peningkatan ketumpatan arus peranti. Kajian turut menumpukan kepada proses pengubahsuaian lapisan spiro-OMeTAD dengan penggabungan larutan serakan MoS2 sebagai lapisan penghalang pembentukan pirau di antara lapisan perovskit dan elektrod. Pengaruh kepekatan larutan serakan MoS2; 1.0, 2.0, 3.0 dan 4.0 mg mL-1 terhadap prestasi PCE dan kestabilan peranti turut dikaji. Peranti PSC yang telah diubahsuai dengan bahan MoS2 menunjukkan kadar PCE setinggi 9.5% pada kepekatan 2.0 mg mL-1. Ini disebabkan oleh luas permukaan zarah nano MoS2 telah berjaya menghalang perpindahan ion litium ke lapisan lain sekaligus melambatkan proses kemerosotan peranti. Peranti PSC berstruktur hibrid bahan MoS2 tanpa enkapsulasi menunjukkan kestabilan yang sangat baik iaitu dengan peratus kemerosotan serendah 45% untuk kepekatan 2.0 mg mL-1 walaupun setelah 120 jam terdedah di udara. Sementara peranti rujukan mengalami kemerosotan ketara setinggi 85% dari nilai PCE awalnya. Akhir sekali, penemuan di dalam kajian ini merekodkan dua strategi utama yang efektif untuk meningkatkan kecekapan dan kestabilan peranti PSC secara keseluruhan.