Karakteristik Sel Surya Organik Berbasis Polimer P3HT:PCBM (PDF

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY
153
Karakteristik Sel Surya Organik Berbasis Polimer P3HT:PCBM
Kuwat Triyana, Sholihun, Chotimah dan Renita Anggraeni
Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Gadjah Mada
Sekip Utara BLS. 21, Yogyakarta 55281, Indonesia
Email : [email protected]
Abstrak – Karakteristik sel surya organik yang diwakili dengan nilai parameter internalnya telah ditentukan berdasarkan
rangkaian ekivalennya. Sel surya organik (SSO) yang menjadi bahan kajian adalah berbasis polimer campuran poly-3hexylthiophene (P3HT) dan [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM). Berdasarkan rangkaian ekivalennya, dapat
ditentukan parameter internalnya, meliputi faktor idealisasi dioda (n), rapat arus foto (Jph), rapat arus jenuh dioda (Js),
hambatan paralel (Rp), hambatan seri (Rs), rapat arus hubung singkat (Jsc) serta tegangan rangkaian terbuka (Voc). Dengan
menggunakan metode pendekatan aproksimasi linier pada daerah tegangan dadal dari kurva rapat arus versus tegangan dari
SSO yang ditinjau. Dengan metode ini selanjutnya dilakukan fitting antara data hasil eksperimen dengan hasil pemodelannya.
Hasil yang diperoleh memperlihatkan hasil fitting yang sangat baik yang terlihat dari hampir tidak ada data eksperimen yang
lepas dari kurva hasil pemodelan. Selain diperoleh parameter internal SSO, juga telah dilakukan interpretasi fisis dari
paremeter tersebut.
Kata kunci: parameter internal, sel surya organik, polimer, P3HT, PCBM
I. PENDAHULUAN
Kemajuan pengembangan sel surya organik sangat cepat
dalam dekade terakhir. Disamping kajian teoritis, sintesis
dan pencarian material baru juga dilakukan untuk
meningkatkan efisiensi konversi dayanya. Penyebab
penurunan fill factor (FF) umumnya dikaitkan dengan
masalah karakteristik materialnya ataupun dengan
antarmuka dengan elektroda. Dalam hal ini, antar muka
dengan elektroda dimaknai karena adanya potensial
penghalang pada sambungan. Ada kaitan antara penurunan
FF dalam SSO sangat dipengaruhi oleh adanya S-kinks.
Fenomena ini disebabkan oleh adanya ketidakseimbangan
mobilitas pembawa muatan (mobilitas lubang dalam donor
dan mobilitas elektron dalam akseptor) pada SSO [1].
Meskipun upaya-upaya peningkatan efisiensi telah
dilakukan [2,3], hingga saat ini secara faktual efisiensi SSO
masih relatif rendah dibandingkan dengan pendahulunya, sel
surya anorganik. Selain itu, karena mekanisme dasar yang
mengatur operasi sel surya organik masih kurang dipahami,
maka akan tetap sulit untuk meningkatkan efisiensi. Oleh
karena itu, pemahaman yang lebih baik akan memandu
perbaikan dalam desain perangkat dan kinerja SSO. Dalam
rangka memahami mekanisme tersebut banyak penelitian
telah dilakukan termasuk studi pada model analitis untuk
tegangan arus terbuka dan hambatan yang berkaitan dalam
SSO [4], serta studi tentang ketergantungan intensitas
cahaya dari tegangan rangkaian terbuka dan rapat arus
hubung singkat [5,6].
Dalam eksperimen, lebih sering dilakukan trial-error
sehingga sampai sekarang belum didapatkan informasi yang
pasti tentang kriteria SSO yang dapat menghasilkan efisiensi
tinggi. Upaya pencarian informasi tersebut dilakukan
dengan permodelan komputasi untuk untuk mencari
parameter wakilan yang menentukan performa SSO yang
biasa disebut parameter internal [6]. Setelah didapatkan
parameter internal tersebut diharapkan akan diperoleh
pemahaman lebih tentang kinerja peranti dan dengan
parameter tersebut akan diperoleh pula informasi penting
untuk proses fabrikasi peranti serupa dengan performa yang
lebih baik pada masa yang akan datang.
II. EKSPERIMEN
Peranti yang dikaji adalah SSO berbasis polimer dengan
struktur Glass/ITO/PEDOT:PPS/ P3HT:PCBM/LiF/Al
(Gambar 1). Indium Thin Oxide (ITO) digunakan sebagai
elektrode positif (anode) dan LiF/Al digunakan sebagai
elektrode negatif (katode). Bahan PEDOT:PPS digunakan
untuk menghindari terjadinya hubung singkat antara anode
dan katode. Polimer P3HT dan PCBM dicampur dengan
rasio 1:1 dengan berat total 12,6 mg P3HT:PCBM
dilarutkan dalam 0,5 ml pelarut dichlorobenzene.
Untuk membuat lapisan tipis campuran P3HT:PCBM
digunakan spin-coating 2000 rpm selama 30 detik dan
kemudian dipanaskan pada suhu 100oC selama 10 menit.
GLASS
ITO/PEDOT:PPS
P3HT/PCBM
LiF
Al
Gambar 1. Struktur molekul PCBM dan P3HT serta skema SSO
yang dikaji.
III. MODEL RANGKAIAN SETARA
Untuk mendapatkan nilai parameter internal sel surya
digunakan metode yang telah dirancang yang diberi nama
metode linear approximation near break-down voltage
(LANBV) yaitu pendekatan profil linear di dekat tegangan
dadal pada kurva J-V [7]. Dalam makalah ini kami
menerapkan metode tersebut untuk SSO berbasis polimer
dan menganalisa intrepetasi fisis dari masing–masing
parameter internal.
ISSN 0853-0823
154
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY
Permodelan dilakukan dengan menggunakan rangkaian
setara satu diode (Gambar 2) untuk mencari parameter
internal SSO. Adapun parameter internal yang dimaksud
adalah faktor ideal dioda (n), rapat arus foto (Jph), rapat arus
hubung singkat (Jsc), tegangan rangkai terbuka (Voc),
hambatan seri (Rs) dan hambatan paralel (Rp) [7].
Gambar 2. Rangkaian ekuivalen satu dioda yang digunakan untuk
permodelan [4].
Gambar 3. Pengambilan profil linear dari kurva karakteristik J-V
(rapat arus – tegangan ).
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 peranti. Pendekatan
yang digunakan dalam pemodelan adalah asumsi adanya
profil linier di dekat tegangan dadal. Pendekatan tersebut
sesuai dengan karakteristik kurva J-V yang terlihat pada
Gambar 3. Secara jelas diterangkan sebagai berikut, kurva
pada Gambar 3. terdiri dari dua bagian, yaitu bagian forward
bias (panjar maju) dan reverse bias (panjar mundur). Pada
bagian forward bias, kurva J-V didominasi oleh kurva
⎛ V − JRs A ⎞
⎜e
⎟
eksponensial karena nilai e⎝ nkT ⎠ meledak dengan
membesarnya nilai V. Pada keadaan reverse bias sebelum
⎛ V − JRs A ⎞
⎜e
⎟
nkT ⎠
⎝
terjadi tegangan dadal, nilai e
meluruh mendekati
nol. Hal ini terjadi karena V bernilai negatif dan JRsA kecil
⎛ V − JRs A ⎞
⎜e
⎟
menyebabkan e⎝ nkT ⎠ meluruh mendekati nilai nol.
Akibatnya pers. (1) dapat didekati dengan pers. (2) [5]
J s + J ph
V
−
( Rs + Rp ) A ⎜⎛1 + Rs ⎟⎞
⎜ Rp ⎟
⎝
⎠
Pers (2) merupakan persamaan linear dengan gradien
1
m=
( Rs + Rp ) A
J reverse =
(2)
(3)
Dan titik potong terhadap sumbu J
J s + J ph
(4)
c=−
R
1+ s
Rp
Nilai m dan c diperoleh dari gradien kurva dari Gambar 4.
Pengambilan profil linear berdasarkan beberapa data J-V
yang mengindikasikan adanya kurva linear.
Gambar 4. Profil linear di dekat tegangan dadal kurva
karakteristik J-V.
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Penelitian ini fokus pada pencarian parameter kunci SSO
dan analisis fisisnya. Parameter kunci telah berhasil
diperoleh secara komputasi melalui metode LANBV. Nilai –
nilai parameter tersebut disajikan pada Tabel 1. Parameter n
adalah faktor ideal diode yang idealnya mempunyai nilai n =
1 (walaupun ini tidak mungkin untuk sel surya, karena sel
surya riil mempunyai nilai n > 1). Parameter Jph (photo
current density) adalah rapat arus foto dan Js (saturation
current density) adalah rapat arus jenuh/saturasi diode.
Kedua parameter ini bukan merupakan arus yang terukur
pada SSO, namun arus yang muncul dari pemodelan.
Dengan kata lain, Jph dan Js secara berurutan adalah rapat
arus yang muncul tepat pada saat peranti disinari dan rapat
arus jenuh yang yang muncul pada diode seandainya dapat
diukur dengan alat ukur arus, sedangkan J dan Jsc berturutturut merupakan rapat arus terukur pada setiap nilai
tegangan (V) dan rapat arus hubung pendek (short circuit
current density) yakni rapat arus yang terukur pada saat
tegangannya nol. Kedua rapat arus tersebut merupakan arus
keluaran yang terukur pada SSO. Secara fisis, untuk SSO
yang baik, nilai Jph mendekati nilai |Jsc| namun sedikit lebih
besar dan tidak mungkin lebih kecil dari nilai |Jsc|. Hasil
pemodelan (Tabel I dan Gambar 5) menunjukkan kesesuaian
secara fisis dengan diperolehnya nilai Jph yang sedikit lebih
besar dari nilai |Jsc|. Adapun Voc merupakan tegangan yang
terukur saat tidak ada arus yang mengalir [7].
ISSN 0853-0823
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY
155
Parameter lain yang penting dalam analisa mekanisme
fisis SSO adalah Rs dan Rp yang berturut-turut adalah
hambatan seri dan hambatan parallel. Hambatan Rs mewakili
hambatan internal peranti yang sering disebut bulk resistant
dan Rp mewakili hambatan kebocoran arus, sehingga
idealnya Rs sangat kecil (relatif terhadap Rp) dan nilai Rp
sangat besar (relatif terhadap Rs). Dengan kata lain SSO
yang baik, mempunyai nilai Rs/Rp sangat kecil (mendekati
nol). Namun karena dalam peranti terjadi rekombinasi
electron-hole dan beberapa hal yang menghambat
terbentuknya arus di antaranya pendeknya panjang difusi
dan besarnya energi gap, maka nilai Rs tidak dapat seideal
yang diinginkan. Jika kondisi ideal, maka nilai perbandingan
antara Rs dan Rp mendekati nol (Rs/Rp 0). Pada Tabel 1,
nilai Rs/Rp = 1,59 × 10-3 cukup dekat dengan nilai nol
sehingga peranti yang dikaji dikatakan cukup bagus. Jika
ditinjau dari nilai RsA dan RpA, hambatan seri mempunyai
nilai cukup kecil relatif terhadap hambatan paralel sehingga
mengijinkan cukup banyak eksiton menjadi arus listrik.
Selain parameter kunci, juga telah dihitung fill factor (faktor
isian) sebesar 0,565 dan efisiensi konversi daya sebesar 2,38
%.
V. KESIMPULAN
Parameter kunci SSO berbasis campuran polimer secara
komputasi telah berhasil dilakukan dengan teliti. Dari nilai
parameter kunci, diperoleh nilai hambatan seri yang cukup
kecil (relatif terhadap hambatan paralel) yang menafsirkan
terjadi cukup banyak konversi eksiton menjadi arus listrik,
serta diperoleh hambatan parallel yang cukup besar (relatif
terhadap hambatan seri) yang menafsirkan tidak terjadi
kebocoran arus yang cukup besar. Hasil komputasi berupa
parameter kunci tersebut dapat memberi informasi yang
dapat digunakan sebagai pertimbangan dalam fabrikasi SSO
di masa mendatang.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Prof. Dr.
Katsuhiko FUJITA (Graduate School of Engineering
Sciences, Kyushu University Japan) yang telah memberi
kesempatan penulis untuk menggunakan fasilitas
penelitiannya. Penelitian ini didanai oleh Hibah Sabbatical
Leave UGM 2009.
PUSTAKA
[1]
TABEL
1.
NILAI-NILAI PARAMETER
PEMODELAN
Parameter Kunci SSO
n
RpA (Ω m2) (10-2)
RsA (Ω m2) (10-5)
Rs/Rp
(10-3)
Js (A/m2) (10-1)
Jph (A/m2) (101)
|Jsc| (A/m2) (101)
Voc (Volt) (10-1)
FF
(10-1)
Efisiensi (%)
KUNCI
HASIL
[2]
Hasil Permodelan
3,55
5,35
8,50
1,59
1,17
7,33
7,32
5,77
5,65
2,38
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
W. Tress, A. Petrich, M. Hummert, M. Hein, K. Leo, and M. Riede,
Imbalanced mobilities causing S-shaped IV curves in planar
heterojunction organik solar cells, Appl. Phys. Lett. Vol. 98, 2011, pp.
063301.
M. Reinhard, J. Hanisch, Z. Zhang, E. Ahlswede, A. Colsmann, and
U. Lemmer, Inverted organik solar cells comprising a solutionprocessed cesium fluoride interlayer, Appl. Phys. Lett. Vol. 98, 2011,
pp. 053303
S. Chuangchote, P. Ruankham, T. Sagawa, dan S. Yoshikawa,
Improvement of Power Conversion Efficiency in Organik
Photovoltaics by Slow Cooling in Annealing Treatment, Appl. Phys.
Express Vol. 3, 2010, pp. 122302
D. Cheyns, J. Poortmans, P. Heremans, C. Deibel, S. Verlaak, B. P.
Rand, and J. Genoe, Analytical model for the open-circuit voltage and
its associated resistance in organik planar heterojunction solar cells,
Phys. Rev. B Vol. 77, 2008, pp 165332-1.
L. J. A. Koster, V. D. Mihailetchi, R. Ramaker and P. W. M. Blom,
Light intensity dependence of opencircuit voltage of
polymer:fullerene solar cells, J. Appl. Phys. Vol. 86, 2005, pp. 1-3.
L. J. A. Koster, V. D. Mihailetchi, H. Xie. and P. W. M. Blom, Origin
of the light intensity dependence of the short-circuit current of
polymer/fullerene solar cells, Appl. Phys. Lett. Vol. 87, 2005, pp
203502.
K. Triyana, T. Siahaan, Sholihun, K. Abraha, and M. Mat Salleh, On
the Dependency of Equivalent Circuit Parameters of Heterojunction
Bilayer Copper Phthalocyanine/Perylene Photovoltaic Device on
Light Intensity based on Reverse Bias Characteristic, Proc. IEEE
International Conference on Semiconductor Electronics (ICSE),
2008, Johor Bahru, Malaysia, 25-27 November 2008. pp. 331-335,
ISBN: 978-1-4244-2561-7.
TANYA JAWAB
Gambar 5. Kurva kesesuaian antara data eksperimen dan data
pemodelan. Sisipan adalah perbesaran daerah kuadran 4 dari kurva.
Hasil komputasi parameter kunci SSO yang telah
dilakukan diuji kevalidannya dengan membandingkan antara
kurva J-V data eksperimen dan data hasil pemodelan. Pada
Gambar 5 terlihat adanya kesesuaian yang sangat baik yang
diperlihatkan oleh kurva fiting yang berimpit dengan kurva
data eksperimen. Kesesuaian ini menunjukkan ketelitian
dalam komputasi.
Harsojo (FMIPA)
? Model diekspresikan dalam persamaan V-J yang tidak
linear. Ini tidak cukup untuk melihat keakuratan model
terhadap hasil. Ada komentar ?
Kuwat Triyana
@ Persamaan V-J pada dasarnya memang tidak linear.
Pendekatan daerah linear hanya sebagai salah satu syarat
batas agar persamaan tersebut memenuhi dan fit dengan
hasil eksperimen. Kami belum mencoba berapa keakuratan
model untuk data di luar range data eksperimen yang ada.
ISSN 0853-0823