Perpustakaan Digital ITB

Kebutuhan energi global terus meningkat seiring pertumbuhan populasi dan perkembangan teknologi, mendorong eksplorasi sumber energi terbarukan sebagai alternatif bahan bakar fosil. Energi surya memiliki potensi besar di Indonesia karena intensitas radiasi matahari yang tinggi sepanjang tahun. Dalam konteks ini, pengembangan sel surya organik (OSC) menjadi menarik karena biaya produksinya rendah dan proses fabrikasinya sederhana. Namun, efisiensi OSC masih relatif rendah akibat keterbatasan dalam penyerapan cahaya dan efisiensi transport muatan. Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari karakteristik sel surya tipe bulk heterojunction (BHJ) berbasis P3HT:PCBM melalui inkorporasi nanopartikel emas (AuNP). Strategi utama melibatkan penggunaan efek resonansi plasmon permukaan terlokalisasi (Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR) untuk meningkatkan penyerapan cahaya. Penelitian ini menggunakan pendekatan eksperimental. Langkah-langkahnya meliputi sintesis AuNP, pembuatan lapisan aktif menggunakan teknik spin coating, serta aplikasi AuNP dalam dua konfigurasi. Konfigurasi pertama adalah AuNP dalam bentuk koloid yang didispersikan ke dalam lapisan hole transport layer (HTL). Sedangkan konfigurasi kedua adalah AuNP dalam bentuk array dua dimensi (2D) yang ditempatkan pada antarmuka lapisan aktif dan HTL. Pengorganisasian AuNP array dilakukan dengan dua metode, yaitu teknik Langmuir-Schaefer (LS) sederhana dan teknik berbasis Janus nanopartikel dalam sistem tiga fase. Penelitian ini mengkaji efek plasmonik AuNP melalui serangkaian karakterisasi optik dan listrik, termasuk spektroskopi UV-Vis, fotoluminisensi (PL), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Scanning Electron Microscopy (SEM), Transmission Electron Microscopy (TEM), pengukuran J-V di bawah pencahayaan standar, serta pengukuran fotorespon. Sintesis AuNP dilakukan dengan tiga jenis material selubung, yaitu Au-sitrat (AuCA), Au-3MPA (AuMPA), dan Au-oleylamine (AuOA). Hal ini dilakukan untuk mengoptimalkan efek plasmonik dalam sel surya organik tipe BHJ. Spektroskopi UV-Vis menunjukkan bahwa puncak plasmonik masing-masing AuNP berada pada panjang gelombang 522 nm (AuCA), 530 nm (AuMPA), dan 527 nm (AuOA). Pergeseran puncak plasmonik dari masing-masing AuNP mencerminkan perbedaan ukuran dan lingkungan permukaannya. Hasil TEM mengonfirmasi bahwa AuCA memiliki diameter rata-rata 12,57 nm, AuMPA 17,54 nm, dan AuOA 14,52 nm, dengan koefisien variasi (CV) berturut-turut sebesar 0,64%, 0,11%, dan 2,55%. Ini menunjukkan bahwa AuMPA memiliki distribusi ukuran paling seragam. Akan tetapi ketiganya masih dalam kategori cukup seragam karena memiliki CV <10%. Keseragaman ukuran ini berpengaruh pada efektivitas interaksi plasmonik dalam lapisan aktif BHJ. Analisis FTIR menunjukkan koordinasi ligan atau material selubung yang khas, dengan interaksi gugus -COO? pada 1633 cm-1 dan 1382 cm-1 (AuCA), -SH pada 2569 cm?¹ (AuMPA), dan -NH? pada 3321 cm?¹ (AuOA). Hasil ini yang mengonfirmasi keberhasilan modifikasi permukaan AuNP. Karakterisasi menunjukkan bahwa AuCA dan AuMPA lebih cocok untuk dispersi dalam lapisan HTL (PEDOT:PSS). AuOA memungkinkan pembentukan array 2D pada antarmuka lapisan aktif dan HTL dengan metode LS. Sedangkan AuCA memungkinkan pembentukan array 2D pada antarmuka lapisan aktif dan HTL dengan metode sistem tiga fasa. Kehadiran AuNP dalam lapisan HTL dimaksudkan untuk menyelidiki pengaruhnya terhadap performa sel surya hibrida BHJ dengan struktur ITO/ZnO/P3HT:PCBM/PEDOT:PSS/Ag. Spektroskopi UV-Vis dan FTIR menunjukkan bahwa interaksi AuNP dengan PEDOT:PSS menyebabkan redistribusi muatan, meningkatkan transport hole, dan mengoptimalkan injeksi muatan ke elektroda Ag. Pengukuran PL menunjukkan penurunan intensitas emisi, yang mengindikasikan transfer muatan non-radiatif dari PEDOT:PSS ke elektroda. Karakterisasi J-V menunjukkan peningkatan short-circuit current density (JSC) dari 12,39 mA/cm² menjadi 21,63 mA/cm² dan VOC dari 0,32 V menjadi 0,42 V, dengan PCE terbaik sebesar 2,44% pada AuMPA 20% v/v. Peningkatan JSC dikaitkan dengan peningkatan konduktivitas PEDOT:PSS, sedangkan VOC meningkat akibat berkurangnya rekombinasi muatan di antarmuka P3HT:PCBM/PEDOT:PSS, yang memungkinkan transport hole lebih efisien. Hasil ini menunjukkan bahwa modifikasi HTL menggunakan AuNP merupakan salah satu strategi efektif untuk meningkatkan efisiensi transport hole dan performa sel surya BHJ. Penelitian ini juga menunjukkan bahwa penumbuhan AuNP array 2D melalui metode Langmuir-Schaefer (LS) dan Janus nanoparticles dalam sistem tiga fase menghasilkan AuNP yang terorganisasi. Karakterisasi spektra UV-Vis menunjukkan bahwa keberadaan AuNP array menyebabkan pergeseran puncak absorbansi dari 522 nm menjadi 676 nm, yang mengindikasikan peningkatan interaksi plasmonik akibat plasmonic near-field coupling dalam struktur array. Selain itu, citra TEM menunjukkan bahwa metode Janus nanoparticles menghasilkan array dengan distribusi seragam secara spontan tanpa memerlukan peralatan khusus.. Aplikasi AuNP array dalam sel surya BHJ dengan struktur ITO/ZnO/P3HT:PCBM/AuNP array/PEDOT:PSS/Ag menunjukkan peningkatan efisiensi konversi daya (PCE) hingga 2,18%, dibandingkan dengan 1,08% pada divais referensi. Peningkatan ini terutama disebabkan oleh peningkatan JSC dari 8,93 mA/cm² menjadi 11,65 mA/cm² dan tegangan rangkaian terbuka (VOC) meningkat dari 0,40 V menjadi 0,55 V, yang dikaitkan dengan peningkatan serapan cahaya akibat efek LSPR. Hasil ini menunjukkan bahwa metode Janus nanoparticles dapat menjadi alternatif sederhana untuk menghasilkan AuNP array tanpa memerlukan teknik LS, dengan performa optoelektronik yang sebanding dalam meningkatkan efisiensi sel surya berbasis BHJ. Penelitian ini berkontribusi pada pengembangan teknologi sel surya organik dengan memberikan wawasan baru mengenai pemanfaatan nanoteknologi untuk mengatasi keterbatasan efisiensi konversi energi. Pendekatan yang digunakan juga menawarkan solusi potensial untuk meminimalkan ketergantungan pada bahan bakar fosil, mendukung transisi menuju energi terbarukan yang lebih berkelanjutan.