Jebakan foton dan pengurangan kerugian adalah salah satu aspek optik penting untuk meningkatkan kinerja sel surya. Salah satu teknik yang paling efisien untuk meningkatkan efisiensi sel surya adalah mengurangi pantulan cahaya dengan meningkatkan luas permukaan yang terbuka. Baru-baru ini, pemanen energi heterojunction berbasis struktur nano telah menarik perhatian karena efektivitas biaya, kesederhanaan manufaktur, dan kinerja yang relatif tinggi. Struktur nano mendapat manfaat dari area yang terpapar lebih tinggi, mengurangi pantulan optiknya dan meningkatkan laju pembangkitan rangsangannya, menjadikannya kandidat yang baik untuk aplikasi pemanenan energi. Semikonduktor berpori dengan rasio permukaan-ke-volume yang sangat baik (hingga 200“500 m2 cm-3) termasuk di antara struktur nano yang efisien dengan sifat fotovoltaik yang unggul. Struktur nano ZnO berpori adalah salah satu bahan anti-reflektif yang paling efisien untuk sel surya berbasis Si. Selain itu, ZnO berpori dapat memberikan sifat optik dan listrik yang unggul dibandingkan dengan material curah karena indeks bias spesifiknya, kemudahan pengendapan, area paparan yang luas, dan celah pita langsung yang lebar sebesar 3,36 eV. Banyak struktur nano ZnO berpori yang menarik telah dikembangkan dalam beberapa tahun terakhir menggunakan metode canggih seperti etsa fotoelektrokimia dan fotolitografi. Namun, teknik top-down ini membutuhkan peralatan fabrikasi yang mahal dan mengalami peningkatan limbah kimia, yang menghambat aplikasi industrinya. Alternatif yang hemat biaya adalah perakitan sendiri bahan berpori melalui pengisian rongga dari bawah ke atas pada templat menggunakan metode pengendapan kimia dan elektrokimia yang berbeda. Di antara teknik pengendapan kimia basah konvensional, metode elektrodeposisi lebih banyak digunakan dalam pengendapan struktur nano berpori dengan berbagai bentuk dan aplikasi, terutama untuk perangkat seperti fotodetektor, sensor gas, dan sel surya. Dibandingkan dengan metode berbasis solusi lainnya, teknik elektrodeposisi memberikan daya rekat yang lebih tinggi dan kualitas yang lebih baik untuk struktur nano yang disintesis. Selain itu, teknik ini diuntungkan dari penurunan sumber daya dan material karena mekanisme pertumbuhan hanya terjadi ketika potensial listrik diterapkan dan hanya pada permukaan elektroda konduktif. Kemampuan untuk memanipulasi celah pita bahan nano dan kemungkinan doping semikonduktor adalah beberapa manfaat lain dari teknik ini.
Laporan ini memperkenalkan teknik bottom-up berbantuan template untuk perakitan sendiri struktur nano ZnO makropori. Nukleasi struktur nano terjadi di rongga templat polimer menggunakan metode elektrodeposisi. Struktur nano ZnO berpori yang disimpan dengan rasio permukaan-ke-volume yang meningkat dapat memberikan tingkat penyerapan cahaya yang lebih tinggi, meningkatkan efisiensi sel surya heterojunction buatan. Selain itu, pengendapan langsung lapisan kristal adalah keunggulan lain dari teknik ini, sementara dalam metode lain, proses anil dalam tungku vakum atau di bawah aliran gas inert diperlukan untuk menginduksi kristalinitas dalam struktur nano yang terbentuk. Namun, sampel yang diendapkan secara elektrode umumnya dalam bentuk film tipis, dan rasio permukaan terhadap volumenya lebih rendah daripada yang dibuat dengan metode deposisi uap kimia atau metode deposisi rendaman kimia. Dalam penelitian ini, teknik elektrodeposisi berbantuan template digunakan untuk menyiapkan struktur berpori yang kuat dan kristal dengan peningkatan luas permukaan sambil menjaga stabilitas dinding pori. Tidak seperti metode top-down seperti etsa elektrokimia, teknik inovatif ini dapat diulang, dan morfologi pori-pori persis sama di bawah kondisi template yang sama. Selain itu, bahan kimia beracun seperti asam fluorida tidak digunakan untuk menghasilkan lapisan berpori. Oleh karena itu, biaya dan kecanggihan jalur produksi berkurang dalam teknik ini. Keuntungan lain dari menyiapkan film tipis berpori menggunakan teknik ini adalah bahwa perilaku optik struktur nano yang disintesis dapat dengan mudah disesuaikan dengan memanipulasi konsentrasi dan ukuran bola yang digunakan untuk memperoleh berbagai sifat. Dengan demikian, substrat berpori yang disintesis dengan area terbuka yang terlihat dan pembangkitan rangsangan tinggi dapat digunakan dalam perangkat optik yang berbeda. Selain itu, teknik ini membuka rute untuk mengembangkan semikonduktor berpori makro lainnya untuk aplikasi fotovoltaik.
Hasil menunjukkan spektra serapan optik sampel ZnO non-template dan templated. Absorbansi optik rata-rata adalah 28% dan 58% untuk sampel ZnO datar dan makropori. Karena rasio permukaan-ke-volume yang meningkat, struktur nano berpori dapat menangkap laju cahaya iradiasi yang lebih tinggi, yang mengarah ke koefisien penyerapan yang lebih tinggi dibandingkan dengan sampel ZnO datar. Selain itu, bentuk pori yang unik meningkatkan penyerapan cahaya dari sudut miring dan meningkatkan hamburan berganda, yang mengarah ke perilaku fotontrapmen yang lebih tinggi. Spektrum photoluminescence dari struktur nano ZnO, didepositkan dengan dan tanpa templat polimer, di bawah eksitasi laser pada 350 nm. Kedua sampel menunjukkan dua pita emisi PL yang menonjol. Puncak luas yang membentang dari 1.80 eV hingga 2.90 eV dengan emisi yang terlihat pada 2.39 eV dikaitkan dengan emisi tingkat dalam/ deep level emission (DLE) karena interstisial dan kekosongan oksigen. Sebagai perbandingan, puncak ultraviolet (UV) yang intens dan tajam pada 3.32 eV terkait dengan emisi near-band-edge (NBE), yang disebabkan oleh rekombinasi rangsangan fotogenerasi dalam celah pita lebar ZnO. Celah pita optik struktur nano ZnO dapat diperkirakan melalui posisi puncak ini. Emisi NBE dari sampel berpori sedikit bergeser kebiruan dibandingkan dengan film tipis non-templat, yang disebabkan oleh mekanisme kurungan kuantum / quantum confinement (QC) dalam struktur nano ZnO berpori. Teori QC menyiratkan bahwa celah pita terbatas dari struktur nano tergantung pada ukuran kristalitnya, yang dapat diberikan oleh persamaan berikut.
Struktur nano seng oksida makropori dikembangkan menggunakan rute elektrodeposisi berbantuan templat. Morfologi sampel yang ditemplat menggambarkan pembentukan pori-pori yang seragam dengan diameter rata-rata ~1 μm. Ini menyetujui pembentukan lapisan ZnO berpori makro yang dikembangkan oleh aglomerasi butiran padat dalam jarak interstisial antara mikrosfer. Di sini, pengaruh templat polimer dalam memanipulasi bentuk sampel yang disimpan sangat menonjol. Intensitas photoluminescence yang lebih tinggi dan pengurangan FWHM dari emisi NBE yang terkait dengan sampel ZnO berpori (template) menunjukkan area spesifik yang lebih tinggi dan tingkat pembangkitan exciton yang lebih baik dibandingkan dengan film tipis ZnO datar (tanpa template). Berdasarkan hasil struktur dan kelistrikan, ukuran kristalit sampel ZnO mikropori lebih kecil dibandingkan dengan sampel datar. Tidak ada variasi fase karena pembentukan struktur berpori, dan kedua sampel menunjukkan pola heksagonal wurtzit dengan puncak dominan terkait dengan orientasi kristalografi (101).
Pengusul: Prof. Dr. Moh. Yasin
Link paper ini:
