Kajian Pengaruh Susunan Lapisan Aktif terhadap Jumlah

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY
203
Kajian Pengaruh Susunan Lapisan Aktif terhadap Jumlah
Rekombinasi Eksiton dalam Peranti Sel Surya Organik melalui
Analisis Arus-foto dan Parameter Kunci
Sholihun, Kuwat Triyana dan Pekik Nurwantoro
Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Gadjah Mada
Sekip Utara BLS 21, Yogyakarta 55281, Indonesia
Email: [email protected]
Abstrak – Kajian pengaruh susunan lapisan aktif terhadap jumlah rekombinasi eksiton melalui pemodelan arus-foto dan komputasi
parameter kunci telah dilakukan. Analisis dilakukan pada dua peranti sel surya organik (SSO) yang mempunyai lapisan aktif copper
phthalocyanine (CuPc), 3,4,9,10 - perylenetetracarboxylic bis-benzimidazole (PTCBI) and 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic diimide
(PTCDI). Susunan lapisan aktif dari dua peranti yang dimaksud adalah CuPc / PTCBI / PTCDI / PTCBI (untuk peranti pertama) dan CuPc /
PTCDI / PTCBI / PTCDI (untuk peranti kedua). Perbedaan kedua peranti yang dikaji adalah pada susunan lapisan PTCBI dan PTCDI.
Dari hasil komputasi, ditemukan perbedaan yang cukup signifikan antara kedua peranti tersebut. Untuk peranti pertama diperoleh efisiensi
1,21 % dan untuk peranti kedua diperoleh efisiensi 0,57 %. Untuk mencari penyebab dari perbedaan efisiensi ini, dilakukan dua pemodelan
yaitu pemodelan arus-foto dan pemodelan rangkaian ekuivalen untuk mendapatkan parameter kunci secara numerik, sedangkan parameter
kunci yang dikaji di sini adalah hambatan seri (Rs) dan hambatan paralel (Rp). Dari hasil pemodelan arus-foto, diperoleh hasil bahwa
jumlah generasi eksiton kedua peranti yang dikaji adalah hampir sama. Jika semua eksiton terdisosiasi, maka efisiensi kedua peranti
seharusnya tidak menunjukkan perbedaan yang cukup signifikan. Ini berarti bahwa telah terjadi rekombinasi yang cukup banyak pada
peranti kedua, sedangkan dari komputasi parameter kunci, diperoleh hasil bahwa rasio Rs terhadap Rp (Rs/Rp) adalah 4,72 × 10-3 (peranti
pertama) dan 9,59 × 10-3 (peranti kedua). Semakin besar nilai Rs/Rp, semakin kecil jumlah disosiasi eksiton yang terjadi. Analisis
memberikan informasi bahwa telah terjadi rekombinasi eksiton yang besar pada peranti kedua yang merupakan penyebab terjadinya
perbedaan efisisiensi yang cukup signifikan antara kedua peranti.
Kata kunci : generasi dan rekombinasi eksiton, parameter kunci, susunan lapisan aktif
I. PENDAHULUAN
Upaya mengatasi krisis energi global dunia menuntut
peneliti untuk mencari inovasi sumber energi yang murah,
baru dan terbarukan serta ramah lingkungan. Sumber energi
alternatif yang diyakini para peneliti yang akan bisa
mewujudkan impian tersebut adalah peranti sel surya
organik (SSO). Tetapi karena efisiensi konversi dayanya
masih belum bisa diterima secara komersial [1], maka
diperlukan adanya kajian yang komprehensif (eksperimen
yang didukung dengan pemodelan komputasi) untuk
meningkatkannya [2]. Pada penelitian ini dilakukan dua
pemodelan yaitu pemodelan rangkaian ekuivalen SSO dan
pemodelan arus-foto.
Dengan telaah teoritis dan pemodelan secara komputasi,
akan dihitung parameter kunci melalui kajian rangkaian
ekuivalen dan disimulasikan kuadrat medan listrik masingmasing lapisan melalui kajian arus-foto. Kurva kuadrat
medan listrik menafsirkan besar-kecilnya terjadinya generasi
eksiton.
II. EKSPERIMEN
Dalam penelitian ini ditinjau peranti sel surya berbahan
organik heterojunction dengan lapisan aktif CuPC, PTCBI
dan PTCDI. Struktur peranti sel surya yang digunakan
ditunjukkan oleh Gambar 1 [3].
Lapisan ITO dan Ag berperan sebagai elektrode yang
mengumpulkan muatan-muatan yang terbentuk dari
penguraian eksiton yang lazim diasumsikan terjadi pada
daerah sambungan lapisan bahan-bahan aktif. Lapisan
PEDOT:PSS digunakan sebagai penyangga yang
menghindari adanya efek hubungan singkat yang mungkin
terjadi akibat ketidakrataan pembuatan lapisan ITO. Struktur
peranti yang dikaji mempunyai tiga lapisan aktif yaitu CuPc,
PTCBI dan PTCDI. Sedangkan pemilihan lapisan aktif
CuPC antara lain menangkap sinar yang sulit untuk
ditangkap oleh PTCBI dan PTCDI yaitu pada panjang
gelombang lebih dari 500 nm (Gambar 2) [3].
Gambar 1. Struktur peranti sel SSO yang dikaji:
Glass/ITO/PEDOT:PPS/CuPc/PTCDI/PTCBI/PTCDI/Ag (kiri) dan
Glass/ITO/PEDOT:PPS/CuPc/PTCBI/PTCDI/PTCBI/Ag [3]
Gambar 2. Grafik koefisien absorpsi terhadap panjang gelombang
material PTCBI dan CuPC.
ISSN 0853-0823
204
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY
III. PEMODELAN PARAMETER KUNCI
Pencarian parameter internal sel surya dilakukan
menggunakan metode yang telah berhasil dirancang yang
diberi nama LANBV (Linear Approximation Near Breakdown Voltage) yaitu pendekatan profil linear di dekat
tegangan dadal pada kurva J-V [5]. Pemodelan dilakukan
menggunakan rangkaian ekuivalen standar satu diode
(Gambar 3) untuk mencari parameter kunci SSO. Adapun
parameter kunci yang dimaksud adalah faktor ideal diode
(n), rapat arus foto (Jph), rapat arus hubung singkat (Jsc),
tegangan rangkai terbuka (Voc), hambatan seri (Rs) dan
hambatan paralel (Rp).
c=−
J s + J ph
Rp
Rs + R p
(4)
IV. PEMODELAN ARUS-FOTO
Terdapat berbagai pendekatan yang dapat digunakan
untuk mendapatkan koefisien pantulan dan koefisien
transmisi dari GEM (gelombang elektromagnetik), salah
satunya adalah pendekatan matriks. Struktur lapisan yang
datar dengan medium yang isotropik dan homogen dan
saling sejajar dapat digambarkan dengan matriks 2×2.
Digunakannya matriks 2×2 ini karena persamaan
perambatan medan listrik merupakan persamaan linear dan
komponen tangensial medan listrik kontinyu di perbatasan
kedua medium [7].
Gelombang datar datang dari sebelah kiri tepat mengenai
peranti yang mempunyai m lapisan di antara semi-infinite
ambient transparan dan semi-infinite substrat. Skema peranti
dideskripsikan oleh Gambar 4 [5].
Gambar 3. Rangkaian ekuivalen satu dioda
Persamaan dasar sel surya yang sering dipakai adalah
⎡ ⎧
⎛ V − JRs A ⎞ ⎫⎤
− 1⎬⎥
⎢ J s ⎨exp ⎜ e
nkT ⎟⎠ ⎭⎥
1 ⎢ ⎩
⎝
J=
⎥
R ⎢
1 + s ⎢ − J ph + V
⎥
Rp ⎢
Rp A
⎣
⎦⎥
(1)
dengan Js, n, k, T,e dan A berturut-turut adalah rapat arus
saturasi diode, faktor ideal diode, konstanta Boltzman,
temperatur, muatan keunsuran dan luas lapisan aktif.
Pendekatan yang digunakan dalam pemodelan adalah
asumsi adanya profil linear di dekat tegangan dadal.
Pendekatan tersebut sesuai dengan karakteristik kurva J-V
yang secara jelas diterangkan sebagai berikut, kurva J-V
terdiri dari dua bagian, yaitu bagian forward bias (tegangan
maju) dan reverse bias (tegangan mundur). Pada bagian
forward bias, kurva J-V didominasi oleh kurva eksponensial
karena nilai ekponensial
⎛ V − JRs A ⎞
exp⎜ e
⎟
nkT ⎠ meledak dengan membesarnya nilai V. Pada
⎝
keadaan reverse bias sebelum terjadi tegangan dadal, nilai
eksponensial tersebut meluruh mendekati nilai nol. Hal ini
terjadi karena V bernilai negatif dan JRsA kecil
menyebabkan eksponensial negatif dan dengan mengecilnya
nilai V menyebabkan ekponensial tersebut meluruh
mendekati nilai nol. Akibatnya, pers. (1) dapat didekati
persamaan linear yang ditunjukkan oleh persamaan [6]
J reverse =
J s + J ph
V
−
(Rs + R p )A Rs + R p R p
(2)
1
( Rs + R p ) A
dan titik potong terhadap sumbu J
Setiap lapisan j (j=0,1,2,...m) mempunyai ketebalan dj dan
properti optik digambarkan melalui indeks bias kompleks
n~ j = η j + iκ j
,
atau dapat juga melalui konstanta dielektrik kompleks
(3)
(5)
ε~ j = ε 'j + iε 'j' = n~ j2
,
(6)
yang keduanya merupakan fungsi dari panjang gelombang
cahaya yang datang. Medan listrik optik di setiap titik pada
setiap lapisan dapat diuraikan menjadi dua komponen.
Komponen yang pertama adalah komponen perambatan
+
pada arah sumbu-X positif, E j ( x ) , sedangkan komponen
yang kedua adalah komponen perambatan pada arah sumbu−
X negatif, E j ( x ) .
Sebuah matriks interface, Ijk, merupakan matriks yang
menghubungkan besar medan listrik antara lapisan satu
dengan yang lainnya yang berurutan. Matriks interface
didefinisikan sebagai [5]
I jk =
Pers. (2) merupakan persamaan linear dengan gradien
m=
Gambar 4. Peranti yang mempunyai m lapisan di antara semiinfinite ambient dan semi-infinite substrat.
1 ⎡1
⎢
t jk ⎣ r jk
r jk ⎤
1 ⎥⎦
(7)
dengan rjk dan tjk merupakan koefisien Fresnel pantul
kompleks dan koefisien Fresnel transmisi kompleks. Untuk
cahaya dengan medan listrik tegak lurus dengan bidang
datang (s-polarized atau gelombang transversal electric,
TE), koefisien Fresnel kompleks pantul dan transmisi adalah
ISSN 0853-0823
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY
r jk =
t jk =
205
q j − qk
q j + qk
,
(8a)
.
(8b)
2q j
q j + qk
φ0 merupakan sudut datang, dan φ j merupakan sudut bias
pada lapisan j.
Matriks fase, Lj, mewakili perubahan fase gelombang
ketika merambat dari lapisan yang satu ke lapisan yang lain.
Matriks fase dideskripsikan sebagai
⎡e − iξ j d j
Lj = ⎢
⎣ 0
0 ⎤
⎥
e
⎦
iξ j d j
(9)
2π
ξj =
qj
λ
dengan
merupakan ketebalan fase lapisan.
Total matriks transfer sistem, S, dapat didefinisikan sebagai
⎡S
S = ⎢ 11
⎣ S 21
S12 ⎤ ⎛ m
⎞
= ⎜⎜ ∏ I (υ −1)υ Lυ ⎟⎟ I m (m +1)
⎥
S 22 ⎦ ⎝ υ =1
⎠
(10)
Medan listrik sebagai fungsi posisi mengacu pada
perbatasan j(j–1), didefinisikan sebagai
E
j
(x ) =
E
[
+
j
= t +j e
[
−
(x ) + E j ( x )
iξ j x
+ t −j e
iξ j x
+ r j"e
= t +j e
−iξ j x
]E
+
0
(
)
iξ j 2 d j − x
]E
+
0
(11)
Persamaan (11) dapat ditulis dalam bentuk total transfer
sistem matriks, S, dinyatakan sebagai
E j (x) =
S "j11e
(
−iξ j d j −x
S 'j11S "j11e
)
−iξ j d j
(
iξ j d j −x
+ S "j 21e
)
iξ j d j
+ S 'j12S "j 21e
+
E0
(12)
Kemudian didefinisikan Qj(x) sebagai energi disipasi yang
sebanding dengan kuadrat medan listrik melalui kaitan
Q j (x ) = C E j (x )
(13)
dengan C adalah konstanta kesebandingan.
Jumlah
eksiton
yang
tereksitasi
mempunyai
ketergantungan secara langsung dengan energi yang diserap
material. Energi yang diserap material ini sering disebut
sebagai energi disipasi.
V. HASIL DAN PEMBAHASAN
Fokus penelitian ini adalah penyelidikan pengaruh
sususan lapisan aktif terhadap terjadinya rekombinasi
eksiton dalam peranti SSO yang merupakan faktor dominan
terhadap besar kecilnya efisiensi. Penyelidikan dilakukan
dengan pencarian nilai-nilai parameter kunci SSO melalui
kajian rangkaian ekuivalen dan simulasi kuadrat medan
listrik masing-masing lapisan melalui kajian arus-foto.
Tabel 1 adalah nilai-nilai parameter kunci SSO dari D1
(peranti 1) dan D2 (peranti 2). Parameter kunci yang
menjadi fokus perhatian adalah parameter Rs dan Rp yang
secara berurutan merupakan bulk resitance dan lack current
dalam peranti SSO. Peranti semakin ideal jika nilai Rs sangat
kecil dan nilai Rp sangat besar, atau dengan kata lain, peranti
semakin ideal jika nilai perbandingan Rs/Rp sangat kecil
(mendekati nol). Pada Tabel 1, nilai Rs/Rp dari D2 adalah
sekitar dua kali lebih besar dari nilai Rs/Rp D1 sehingga
dapat dikatakan D1 lebih bagus dari D2. Hasil komputasi
ini sesuai dengan kenyataan bahwa efisiensi D1 yaitu 1.21
% yang lebih besar dari efisiensi D2 yaitu 0,57 %.
Tabel 2 adalah posisi-posisi puncak lapisan aktif interface
dari kurva kuadrat medan listrik versus ketebalan dalam
peranti SSO yang merupakan hasil pemodelan arus foto
kedua peranti. Tinggi rendahnya puncak menafsirkan
banyak-sedikitnya generasi eksiton yang terjadi di daerah di
sekitar interface lapisan aktif [5]. Semakin banyak generasi
eksiton yang terjadi di daerah sekitar interface, maka
semakin besar pula peluang terjadinya disosiasi eksiton,
karena daerah domin terjadinya disosiasi eksiton adalah di
daerah sekitar interface lapisan aktif. Posisi-posisi puncak
dari kedua peranti pada Tabel 2 menunjukkan ketinggian
puncak yang hampir sama. Ini artinya, generasi eksiton yang
terjadi untuk kedua peranti hampir sama banyaknya. Namun
tidak berarti bahwa terjadi disosiasi eksiton yang sama besar
dari kedua peranti, karena jika demikian, seharusnya
efisiensi kedua peranti tidak jauh berbeda. Akan tetapi fakta
menunjukkan bahwa terjadi perbedaan efisiensi yang cukup
signifikan antara kedua peranti tersebut. Dari analisis
tersebut dapat ditafsirkan bahwa terjadi rekombinasi eksiton
yang cukup besar yang terjadi pada D2 yang merupakan
efek dari penyusunan lapisan aktif SSO yang tepat.
TABEL 1. PARAMETER KUNCI SSO UNTUK D1 (DEVICE 1) AND D2 (DEVICE 2)
ISSN 0853-0823
206
TABLE
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY
2.
NILAI PUNCAK-PUNCAK DARI KURVA
KUADRAT MEDAN LISTRIK VERSUS
KETEBALAN
VI. KESIMPULAN
Kajian pengaruh susunan lapisan aktif terhadap besarkecilnya efisiensi SSO telah dilakukan melalui pemodelan
rangkaian ekuivalen dan pemodelan arus-foto. Dari kedua
pemodelan didapatkan kesimpulan yang saling mendukung
yaitu terjadinya jumlah rekombinasi yang cukup besar pada
D2 yang merupakan efek dari penyusunan lapisan aktif yang
kurang tepat sehingga menurunkan efisiensi SSO peranti
secara signifikan.
PUSTAKA
[1] Ghosh, A.
K., and Feng, T., 1978, Merocyanine organic solar cells,
Journal of Applied Physics, vol. 49, no. 12, 5982-9.
[2]
Al Mohamad, A. 2003, Solar Cells Based on Two Organic Layers,
published on Elsevier Ltd.
[3]
Triyana, K., Yasuda, T., Fujita, K., and Tsutsui, T., 2004, Tandemtype organic solar cells by stacking different heterojunction materials,
Thin Solid Films, vol. 477, 198-202.
[4]
Stübinger, Thomas., Brütting, Wolfgang. 2001, Eksiton Diffusion and
Optical Interference in Organic Donor-Acceptor Photovoltaic Cells,
Journal of Applied Physics, Volume 90, number 7.
[5]
Sholihun, Triyana, K., Siahaan, T., Soewondo, B. P., A Proof of
Dependency of Organic Photovoltaic Device Diode Ideality Factor on
Light Intensity Using Linear Approximation near Break-down
Voltage Method, Proc. of ISSTEC (2009).
Sholihun, Komputasi Parameter Internal Sel Surya Organik dan
Penentuan Pola Keterkaitannya terhadap Intensitas Menggunakan
Metode LANBV, Tesis, Jurusan Fisika, FMIPA UGM, Yogyakarta
(2009).
Pettersson, L. A. A., Roman, L. S., and Inganas, O., 1999, Modeling
photocurrent action spectra of photovoltaic devices based on organic
thin films, Journal of Applied Physics, vol. 86, no. 1, 487-96.
[6]
[7]
ISSN 0853-0823