Sel Surya Perovskit: Bahan dan Alat yang Dibutuhkan Laboratorium

Sel surya perovskit menjadi salah satu topik riset energi paling ramai dalam satu dekade terakhir. Daya tariknya jelas: efisiensinya bersaing dengan silikon, sementara lapisannya bisa dibuat dari larutan pada suhu rendah dengan alat yang muat di satu laboratorium. Bagi kelompok riset yang baru memulai, pertanyaan pertamanya biasanya praktis: bahan dan alat apa saja yang dibutuhkan untuk membuat dan menguji sel surya perovskit?

Artikel ini menguraikan susunan lapisan sel perovskit, bahan untuk tiap lapisan, alur pembuatan di laboratorium, dan alat yang diperlukan dari substrat sampai pengukuran efisiensi.

Apa itu perovskit

"Perovskit" merujuk pada struktur kristal dengan rumus umum ABX₃. Pada sel surya, A adalah kation organik atau anorganik (metilamonium/MA, formamidinium/FA, sesium/Cs), B adalah timbal (Pb) atau timah (Sn), dan X adalah halida (iodida, bromida). Mengganti komposisi A dan X mengubah celah pita (bandgap) dan kestabilan. Komposisi campuran seperti (Cs,FA,MA)Pb(I,Br)₃ banyak dipakai karena lebih stabil terhadap panas dan perubahan fase daripada perovskit kation tunggal.

Susunan lapisan: n-i-p dan p-i-n

Sel perovskit adalah tumpukan lapisan tipis di atas kaca konduktif:

• Arsitektur n-i-p (reguler): kaca FTO/ITO → lapisan transport elektron (ETL) → perovskit → lapisan transport hole (HTL) → elektroda logam.
• Arsitektur p-i-n (inverted): kaca ITO → HTL → perovskit → ETL → elektroda logam. Arsitektur ini umumnya diproses pada suhu lebih rendah.

Bahan untuk tiap lapisan

• Substrat konduktif transparan: kaca FTO untuk struktur yang membutuhkan anil suhu tinggi (misalnya TiO₂ mesopori), kaca ITO untuk struktur planar dan inverted. Perbedaannya dibahas di artikel ITO vs FTO.
• Lapisan transport elektron (ETL): SnO₂ dan TiO₂ pada n-i-p; fulerena seperti C₆₀ dan PCBM pada p-i-n, sering dengan lapisan penahan seperti bathocuproine (BCP).
• Lapisan perovskit: garam halida organik seperti metilamonium iodida (MAI), formamidinium iodida (FAI), formamidinium bromida (FABr), dan metilamonium bromida (MABr), dicampur dengan PbI₂, PbBr₂, dan CsI dalam pelarut DMF/DMSO. Kemurnian prekursor sangat berpengaruh pada kinerja dan keterulangan.
• Lapisan transport hole (HTL): Spiro-OMeTAD dengan aditif seperti 4-tert-butylpyridine (tBP) dan garam litium pada n-i-p; PTAA, PEDOT:PSS, atau monolayer swa-rakit (SAM) pada p-i-n.
• Elektroda atas: emas atau perak yang dievaporasi lewat masker deposisi.

Bagi yang ingin langsung fokus pada perangkat, tersedia juga tinta prekursor siap pakai. Sebagai contoh, Ossila Triple Cation Perovskite Precursor Ink I301 (berbasis DMSO, untuk diproses di glove box nitrogen) membentuk film (Cs_0,05FA_0,81MA_0,14)Pb(I_0,85Br_0,15)₃. Pada susunan ITO/SnO₂/perovskit/Spiro-OMeTAD/Au, Ossila melaporkan efisiensi puncak 19,0% dan rata-rata 16,4% ± 3,9%. Satu kemasan 5 ml cukup untuk melapisi hingga 100 substrat.

Alur pembuatan di laboratorium

1. Pembersihan substrat: sonikasi bertahap (detergen, air DI, aseton, isopropanol), lalu perlakuan UV ozone untuk membersihkan sisa organik dan memperbaiki pembasahan.
2. Deposisi ETL atau HTL: spin coating, dilanjutkan anil di hotplate.
3. Deposisi perovskit: spin coating dua langkah dengan tetesan anti-solvent beberapa detik sebelum program selesai, lalu anil. Untuk banyak komposisi, langkah ini dilakukan di glove box berisi nitrogen.
4. Lapisan transport kedua: spin coating.
5. Elektroda atas: evaporasi termal lewat masker yang menentukan luas piksel.
6. Pengukuran: kurva I-V di bawah solar simulator 1 sun, dengan aperture mask untuk membatasi luas area yang disinari.

Alat yang dibutuhkan

• Spin coater dengan program bertahap; syringe pump membantu keterulangan langkah anti-solvent. Prinsipnya dibahas di artikel spin coater.
• UV ozone cleaner untuk pembersihan substrat.
• Hotplate untuk anil, dan glove box untuk proses di atmosfer inert.
• Evaporator termal untuk elektroda logam, beserta masker deposisi.
• Solar simulator dan sistem uji I-V untuk mengukur V_oc, J_sc, fill factor, dan efisiensi. Panduan memilihnya ada di artikel solar simulator.
• Four point probe untuk memeriksa sheet resistance substrat dan lapisan konduktif.

Hal yang sering menentukan hasil

• Kelembapan. Uap air merusak perovskit dan menurunkan keterulangan. Catat kelembapan saat bekerja di udara, atau gunakan glove box.
• Histeresis. Kurva sapuan maju dan mundur bisa berbeda. Laporkan keduanya, beserta kecepatan sapuan dan, bila memungkinkan, keluaran stabil pada titik daya maksimum.
• Luas area aktif. Tanpa aperture mask, cahaya di luar piksel ikut terkumpul sehingga efisiensi tampak lebih tinggi dari sebenarnya.
• Umur larutan. Larutan prekursor berubah seiring waktu. Siapkan dalam jumlah secukupnya dan simpan sesuai petunjuk.

Bahan dan alat perovskit di AMI Scientific

Prekursor, tinta siap pakai, dan bahan transport hole Ossila (MAI, MABr, FAI, FABr, DMAI, Spiro-OMeTAD, PTAA, dan lainnya) tersedia di koleksi Material Perovskit. Untuk lapisan antarmuka, lihat PEDOT:PSS dan monolayer swa-rakit (SAM); reagen material elektronik organik TCI ada di koleksi Material Elektronik Organik.

Ceritakan arsitektur sel dan tahap riset Anda melalui WhatsApp, tim kami akan membantu menyusun daftar bahan dan alat beserta penawaran resmi atas nama institusi Anda.