Pengaruh Ketebalan Lapisan ZnO Terhadap Fasa Kristal, Morfologi
dan Rapat Arus Sel Surya Perovskite CH
3NH
3PbI
3/ZnO
YULI IKA INDRIANI, NANDANG MUFTI, HARTATIEK, NURUL HIDAYAT Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Malang. Jl. Semarang 5 Malang
E-mail: yulikaindriani@gmail.com
ABSTRAK: Cadangan minyak bumi dan batu bara sudah mulai berkurang, sementara kebutuhan energi listrik di Indonesia terus meningkat. Sehingga, perlu dikembangkan energi baru dan terbarukan untuk mengganti energi yang berbahan baku fosil. Indonesia memiliki potensi besar untuk mengembangkan sumber energi surya terutama untuk peningkatan rapat arus sel surya. Sel surya adalah alat konversi energi matahari menjadi energi listrik. Sel surya yang akhir-akhir ini menjadi perhatian banyak peneliti karena efisiensinya tinggi dan fabrikasinya mudah adalah sel surya berbasis perovskite. Perovskite dipilih karena sebagai penyerap cahaya yang terbaik. Untuk meningkatkan rapat arus sel surya perovskite digunakan ZnO sebagai penghalang rekombinasi elektron dan hole. Semakin tebal lapisan ZnO akan menghasilkan rapat arus yang semakin tinggi. Pada penelitian ini, ZnO disintesis dengan metode
sol-gel spin coating dan sel surya Perovskite disintesis dengan metode spin coating dua tahap
dengan variasi ketebalan ZnO 3,15 µm, 2,97 µm dan 2,56 µm. Karakterisasi fasa kristal, ketebalan dan morfologi, rapat arus secara berturut-turut menggunakan XRD, SEM, dan
multimeter dengan metode 2 Probe. Hasil penelitian menunjukkan bahwa serbuk CH3NH3I
berhasil disintesis denga fasa tunggal. Nilai rapat arus dan tegangan optimum diperoleh pada
ketebalan ZnO 2,97 µm sebesar 0,704 µA/cm2 dan 0,43 Volt (pada 2550 lux) dan 1,0 µA/cm2 dan
0,2 Volt (pada 50000 lux). Hal ini karena fasa kristal pada sel surya tersebut tidak ada impuritas dan mempunyai morfologi permukaan yang lebih merata.
Kata Kunci: Sel surya, perovskite,spin-coatingdua tahap.
PENDAHULUAN
Eksploitasi besar-besaran sumber daya minyak bumi dan gas bumi serta batu bara mengakibatkan cadangan energi dunia berkurang sangat drastis. Padahal kebutuhan energi listrik khususnya di Indonesia terus mengalami peningkatan seiring dengan peningkatan di bidang ekonomi. Berbagai sumber energi terbarukan yang dapat dikembangkan di Indonesia antara lain energi air, energi angin, energi laut, energi biomassa serta energi matahari (Charisma, 2014). Sel surya yang pernah dikembangkan antara lain sel surya berbasis silicon (Mandalet al, 2015), sel surya berbasis GaAs, CIGS,
Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) (Rahmanet al, 2015) dan sel surya organik (Greenet al, 2013).
Baru-baru ini, golongan senyawa hibrida organik-inorganik (CH3NH3PbX3, X = I, Cl,
rekombinasi atau penggabungan ulang elektron dari ITO dengan hole dari Perovskite (Lee
et al, 2015).Pada skala lab, efisiensi konversi 15% telah dicapai menggunakan metodespin
coatingdua tahap untuk lapisan perovskite (Kumar, 2013).
METODE PENELITIAN
Sintesis ZnO dilakukan dengan metode sol-gel. Bahan dasar yang digunakan adalah zinc acetat dihydrat 0,88 gr yang dilarutkan dalam etanol 20 mL dan menggunakan penyetabil larutan dietanolamin (DEA). Setelah larutan terbentuk dilakukan pelapisan pada kaca ITO (Indium Tin Oxide). Selanjutnya, sintesis serbuk CH3NH3I yang
berbahan dasar methylammonium dan HCl distirer pada suhu 0ºC selama 2 jam. Setelah itu, dicuci dengan dietil eter, disaring, dikeringkan dan diperoleh serbuk berwarna putih.
Setelah lapisan ZnO, pelapisan tahap pertama larutan 1 mol/L PbI2 dan
dimethylformamide (DMF) dengan kecepatan putar 4500 rpm selama 30 detik dan dikeringkan pada 100 ºC selama 30 menit. Lapisan tahap kedua larutan 10 mg/ml CH3NH3I dan IPA dengan kecepatan putar 4000 rpm selama 30 detik dan dikeringkan
pada 100 ºC selama 30 menit. Lapisan yang diperoleh di uji XRD, SEM, EDAX dan Pengukuran 2 probe.
HASIL DAN PEMBAHASAN Ketebalan dan Morfologi
Gambar 1. Ketebalan ZnO dan Morfologi Perovskite pada Sampel A (3,15 µm), B (2,97 µm) dan C (2,56 µm)
Berdasarkan pengujian SEM diperoleh ketebalan dari ZnO dan morfologi perovskite ditunjukkan pada Gambar 1. Morfologi yang dihasilkan kecenderungan lapisan tidak merata pada lapisan perovskite. Dalam penelitian ini, yang paling merata adalah sampel B dengan ketebalan 2,97 µm.
Gambar 2. Pola XRD CH3NH3PbI3/ZnO pada Sampel A (3,15 µm), B (2,97 µm) dan C (2,56 µm)
Berdasarkan Gambar 2 menunjukkan puncak difraksi serbuk CH3NH3I dengan
struktur kristal yaitu tetragonal dengan space grup P4/nmm sesuai dengan penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Ishida (1995). Dari hasil XRD menunjukkan bahwa serbuk CH3NH3I adalah fasa tunggal telah berhasil disintesis. Serbuk CH3NH3I yang
dihasilkan kemudian digunakan sebagai bahan untuk membuat Perovskite CH3NH3PbI3.
Berdasarkan Gambar 2 menunjukkan pola difraksi masing-masing sampel memiliki pola yang berbeda pada semua variasi sintesis, hal tersebut menunjukkan bahwa variasi ketebalan lapisan ZnO mempengaruhi fasa pada sel surya perovskite Puncak difraksi sinar-X CH3NH3PbI3terletak pada bidang (110), (220), (310), (224), dan
(314) dengan sudut 2 pada 14.22º, 28.44°, 31.72°, 40.46°, dan 42.72°, berturut-turut. Hasil ini sesuai dengan penelitian yang dilakukan oleh Catano et al (2015) yang menyatakan bahwa struktur perovskite tetragonal. Puncak difraksi sinar-X CH3NH3PbI3terletak pada
bidang (110), (202), (220), (114), dan (330) dengan sudut 2 pada 14.18º; 24.43°; 28,38°; 31,78° dan 43,21°, berturut-turut. Hasil ini sesuai dengan penelitian yang dilakukan oleh Zhou et al (2015) yang menyatakan bahwa struktur perovskite ortorhombik. Puncak difraski pada 12,63 menunjukkan adanya fasa PbI2 yang tidak bereaksi seluruhnya pada
Rapat Arus dan Tegangan CH3NH3PbI3/ZnO
Gambar 3. Rapat Arus dan Tegangan pada Sampel A (3,15 µm), B (2,97 µm) dan C (2,56 µm)
Karakterisasi rapat arus dengan pengukuran 2 probe dilakukan untuk mengetahui sifat listrik dari sel surya perovskite.Data hasil karakterisasi pengukuran 2
probe ditunjukkan pada Gambar 3. Nilai arus yang optimum yang diperoleh dari ketebalan 2,97 µm yaitu sebesar 0,7 µA/cm2 dan 0,4 V pada intensitas cahaya 2550 lux
dan 1,0 µA/cm2dan 0,2 V pada intensitas cahaya 50000 lux. Hasil ini dikuatkan dengan
bukti morfologi pada Gambar 1 yang menunjukkan morfologi yang dihasilkan lebih rata. Sehingga, dengan ratanya lapisan yang terbentuk maka arus dan tegangan yang dihasilkan lebih tinggi karena serapan cahayanya lebih banyak.
KESIMPULAN
Semakin tipis lapisan ZnO maka fasa perovskite yang terbentuk semakin menuju ke fasa tunggal. Morfologi sel surya perovskite mempunyai bentuk yang lebih homogen pada ketebalan lapisan ZnO sebesar 2,973 m. Nilai rapat arus dan tegangan optimum diperoleh pada ketebalan lapisan ZnO sebesar 2,973 µm yaitu 0,704 µA/cm2 dan 0,43 V
dengan intensitas penyinaran cahaya lampu sebesar 2550 lux, sedangkan nilai rapat arus dan tegangan optimum dengan intensitas cahaya matahari sebesar 50000 lux adalah1,0 µA/cm2dan 0,2 V.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Direktorat Pendidikan Tinggi (DIKTI) yang telah memberikan dana penelitian dari skim PKM-Penelitian.
DAFTAR RUJUKAN
Catano, F.A., Allende, L.W. & Gomez, H. 2015. Electrodeposition of ZnO Nanorods Array for Application in Perovskite Based Solar Cells. J. Chil. Chem. Soc 60(2): 2940-2943.
Charisma, Janne Agnes. 2014. Kerjasama Indonesia-Norwegia dalam Pengembangan Energi Terbarukan (Renewable Energy) Tahun 2007-2012. eJounal Ilmu Hubungan Internasional 2(3): 761-774.
Green, M.A., Emery, K., Hishikawa, Y., Warta, W., Dunlop, E.D. 2013. Solar cell efficiency tables (version 42). Progress in Photovoltaics: Research and Applications 21: 827-837.
Han, Gill Sang., Chung, Hyun Suk., Kim, Byeong Jo., Kim, Dong Hoe., Lee, Jin Wook., Swain, Bhabani Sankar., Mahmood, Khalid., Yoo, Jin Sun., Park, Nam-Gyu., Lee, Jung Heon. & Jung, Hyun Suk. 2014. Retarding charge recombination in perovskite solar cells using ultrathin MgO-coated TiO2 nanoparticulate films.
Ishida, Hiroyuki., Maeda, Hironobu., Hirano, Akiko., Fujimoto, Tamotsu., Kubozono, Yoshihiro., Kashino, Setsuo., Emura, Shuichi. 1995. EXAFS Study on the Phase Transition (Phase - ) in CH3NH3I. Naturforsch 50: 876-880.
Kumar, Mulmudi Hemant., Yantara, Natalia., Dharani, Sabba., Graetzel, Michael., Mhaisalkar, Subodh Gautam., Boix, Pablo P., Mathews, Nripan. 2013. Flexible, low-temperature, solution processed ZnO-based perovskite solid state solar cells.
Chemical communication 49(94): 11089-11091.
Lee, Kun-Mu., Chang, Sheng Hsiung., Wang, Kai-Hung., Chang, Chun-Ming., Cheng, Hsin-Min., Kei, Chi-Chung., Tseng, Zong-Liang., Wu, Chun-Guey. 2015.
Thickness effects of ZO thin film on the performance of tri-iodide perovskite absorber based photovoltaics. Solar Energy 120: 117-122.
Lima, F. Anderson S., Vasconcelos, Igor F. & Lira-Cantu, M. 2015. Electrochemically synthesized mesoporous thin films of ZnO for highly efficient dye sensitized solar cells.Ceramic International 41: 9314-9320.
Mandal, Sourav., Mitra, Suchismita., Dhar, Sukanta., Ghosh, Hemanta., Banerjee, Chandan., Datta, Swapan K., Saha, Hiranmoy. 2015. Potential of ITO nanoparticles formed by hydrogen treatment in PECVD for improved performance of back grid contact crystalline silicon solar cell. Applied Surface Science 349: 116 122.
Miyasa, Tsutomu. 2015. Perovskite Photovoltaics: Rare Function of Organo Lead Halide in Solar Cells and Optoelectronic Devices. The Chemical Society of Japan 44:720-729.
Niu, Guangda dan Wang, Liduo. 2015.Review of Recent Progress in Chemical Stability of Perovskite Solar Cells.The Royal Society of Chemistry.
Rahman, M.Y.A., Roza, L., Umar, A.A., Salleh, M.M. 2015. Effect of Natrium Hydroxide Concentration on the Properties of ZnO Thin Film Nanotubes and the Performance of Dye-sensitized Solar Cell. International Journal of Electroactive Materials 3: 15-19.
Saleh, Wasan R., Saeed, Nada M., Twej, Wesam A., Alwan, Mohammed. 2012. Synthesis Sol-Gel Derived Highly Transparent ZnO Thin Films for Optoelectronic Applications. Advances in Materials Physics and Chemistry 2: 11-16.
Vieira, Nirton Cristi Silva., Fernandes, Edson Giuliani Ramos., De Queiroz, Alvaro Antonio Alencar., Guimaraes, Francisco Eduardo Gontijo., Zucolotto, Valtencir. 2013. Indium Tin Oxide Synthesized by a Low Cost Route as SEGFET pH Sensor. Materials Research 16(5): 1156-1160.
Zhou, Huawei., Shi, Yantao., Wang, Kai., Dong, Qingshun., Bai, Xiaogong., Xing, Yujin., Du, Yi., Ma, Tingli. 2015. Low-Temperature Prossed and Carbon-Based ZnO/CH3NH3PbI3/C Planar Heterojunction Perovskite Solar Cells. The Journal
