Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY 153

ISSN 0853-0823

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 : triyana@ugm.ac.id

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-3-hexylthiophene (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.

154 Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY

ISSN 0853-0823

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].

Persamaan dasar sel surya yang sering dipakai adalah

exp 11

1

ss

sph

p p

V JR AJ enkT

J R VJR R 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

eksponensial karena nilai sV JR Ae

nkTe−⎛ ⎞

⎜ ⎟⎝ ⎠ meledak dengan

membesarnya nilai V. Pada keadaan reverse bias sebelum

terjadi tegangan dadal, nilai sV JR Ae

nkTe−⎛ ⎞

⎜ ⎟⎝ ⎠ meluruh mendekati

nol. Hal ini terjadi karena V bernilai negatif dan JRsA kecil

menyebabkan sV JR Ae

nkTe−⎛ ⎞

⎜ ⎟⎝ ⎠ meluruh mendekati nilai nol.

Akibatnya pers. (1) dapat didekati dengan pers. (2) [5]

( ) 1

s phreverse

s p s

p

J JVJR R A R

R

+= −

⎛ ⎞++⎜ ⎟⎜ ⎟

⎝ ⎠

(2)

Pers (2) merupakan persamaan linear dengan gradien

( )1

s p

mR R A

=+

(3)

Dan titik potong terhadap sumbu J

1

s ph

s

p

J Jc R

R

+= −

+

(4)

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 3. Pengambilan profil linear dari kurva karakteristik J-V

(rapat arus – tegangan ).

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 berturut- turut 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].

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY 155

ISSN 0853-0823

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 %. TABEL 1. NILAI-NILAI PARAMETER KUNCI HASIL

PEMODELAN

Parameter Kunci SSO Hasil Permodelan n 3,55

RpA (Ω m2) (10-2) 5,35 RsA (Ω m2) (10-5) 8,50 Rs/Rp (10-3) 1,59 Js (A/m2) (10-1) 1,17 Jph (A/m2) (101) 7,33 |Jsc| (A/m2) (101) 7,32

Voc (Volt) (10-1) 5,77 FF (10-1) 5,65

Efisiensi (%) 2,38

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.

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] 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.

[2] M. Reinhard, J. Hanisch, Z. Zhang, E. Ahlswede, A. Colsmann, and U. Lemmer, Inverted organik solar cells comprising a solution-processed cesium fluoride interlayer, Appl. Phys. Lett. Vol. 98, 2011, pp. 053303

[3] 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

[4] 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.

[5] 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.

[6] 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.

[7] 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 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.