Sel Surya Perovskit Unand Terbaik pada Sesium Iodida 3 mg/mL

Cekricek.id — Tiga miligram per mililiter menaikkan efisiensi, lima miligram per mililiter menjatuhkannya. Selisih dua miligram itulah yang dicatat sebuah riset sel surya perovskit di Padang.

Risetnya dikerjakan Shalahuddin Zaki dan Dahyunir Dahlan dari Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Andalas, Padang. Dua penulis lain berasal dari Malaysia.

Keduanya adalah Siti Naqiyah Sadiqin dan Akrajas Ali Umar dari Institute of Microengineering and Nanoelectronics, Universiti Kebangsaan Malaysia, Bangi, Selangor. Keempatnya menulis satu naskah bersama.

Naskah itu terbit di Jurnal Ilmu Fisika Volume 17 Nomor 2, September 2025, halaman 146 sampai 156. Versi daringnya muncul pada 1 Juni 2025.

Judul naskahnya Effect of Cesium Iodide (CsI) Concentration Variation on the Performance of MethylAmmonium Lead Iodide (MAPbI3)-based Perovskite Solar Cells. Revisinya masuk 26 Mei 2025.

Naskah itu diterima redaksi jurnal pada 25 Februari 2025. Persetujuan terbitnya keluar pada 29 Mei 2025.

Penulisnya menempatkan riset ini pada persoalan energi. Sumber fosil masih mendominasi konsumsi energi dunia dengan dampak berupa emisi gas rumah kaca dan pemanasan global.

Lapisan perovskit tidak hanya terpakai pada panel surya. Naskah ini menyebut pemakaiannya pada diode pemancar cahaya, detektor cahaya, dan sel bahan bakar surya.

Tantangan terbesar sel surya perovskit disebut kestabilan jangka panjang. Kelembapan dan suhu tinggi dapat merusak struktur kristalnya lalu menurunkan kinerja perangkat.

Pendopingan dipakai untuk menekan perpindahan ion yang tidak dikehendaki. Ion berlebih yang bergerak bebas disebut sebagai salah satu pemicu utama kerusakan perangkat.

Sesium iodida dipilih karena memperbaiki kestabilan panas dan fase. Ion Cs+ menggantikan sebagian ion MA+ pada posisi A dalam rumus perovskit ABX3.

Empat Takaran Sesium Iodida

Penulisnya membuat empat perangkat dengan takaran sesium iodida berbeda. Takarannya nol sebagai kontrol, lalu 2, 3, dan 5 miligram per mililiter.

Lapisan perovskit MAPbI3 dibentuk dengan metode spin coating dua tahap di atas kaca ITO. Kaca itu lebih dulu dilapisi SnO2.

Larutan PbI2 dibuat dari 600 miligram PbI2, 2 miligram MA, dan 2 miligram HMT. Pelarutnya 1 mililiter campuran DMF dan DMSO berbanding 9 banding 1.

Campuran itu dipanaskan pada 110 derajat Celsius sambil diaduk 700 putaran per menit selama empat jam. Semua larutan disaring sebelum dipakai.

Larutan MAI dibuat dari 60 miligram MAI dalam 1 mililiter isopropil alkohol. Pengadukannya 700 putaran per menit selama empat jam pada suhu ruang.

Sebanyak 40 mikroliter larutan PbI2 dan CsI diteteskan ke substrat. Spin coating lalu berjalan 1.500 putaran per menit selama 30 detik.

Sampel dipanaskan pada 100 derajat Celsius selama satu menit. Setelah dingin, larutan MAI diteteskan sambil sampel berputar 2.200 putaran per menit selama 30 detik.

Pemanasan terakhir berlangsung pada 150 derajat Celsius selama 15 menit. Karakterisasinya memakai FE-SEM Zeiss Supra 55VP, XRD Bruker D8 Advance, dan spektrofotometer UV-Vis Hitachi U-3900H.

Kinerja perangkat diukur dengan potensiostat dan Newport Oriel Solar Simulator. Alat itu disediakan Institute of Microengineering and Nanoelectronics di Malaysia.

Baca juga Mahasiswa UNAIR Ubah Jamur Ikan Asin Jadi Nanopartikel Perak

Butiran, Kisi Kristal, dan Serapan Cahaya

Pada MAPbI3 murni, permukaan lapisan kasar dan tidak rata. Butiran menonjolnya berukuran 400 sampai 900 nanometer dengan rata-rata 650 plus minus 150 nanometer.

Butiran kecil di sekitarnya berukuran rata-rata 100 plus minus 25 nanometer. Butiran kecil itu dikenali sebagai fase PbI2.

Penambahan sesium iodida menekan pembentukan butiran PbI2 tersebut. Permukaannya menjadi lebih halus dan seragam dibandingkan MAPbI3 murni.

Pada takaran 2 sampai 3 miligram per mililiter, morfologi permukaannya mendekati bentuk khas perovskit MAPbI3. Simpangan baku butiran kecilnya terukur 60 nanometer.

Pada takaran 5 miligram per mililiter, kerapatan butirannya justru turun. Permukaan menjadi lebih kasar dan muncul struktur berpori besar.

Uji difraksi sinar-X menemukan puncak pada sudut 2 theta 14,08; 24,4; 28,24; dan 31,76 derajat. Puncak itu mewakili bidang 110, 112, 220, dan 310.

Pola tersebut menandai struktur kristal perovskit kubik CH3NH3PbI3. Puncak tambahan pada 12,6 derajat berasal dari sisa PbI2 pada proses anil bersuhu tinggi.

Fase Cs4PbI6 muncul pada sudut 24 derajat. Fase itu dikaitkan dengan butiran putih yang tampak di permukaan lapisan perovskit.

Puncak difraksi bergeser 0,04 derajat ke sudut lebih besar. Pergeseran itu menandai penggantian sebagian ion MA+ oleh ion Cs+ yang berjari-jari lebih kecil.

Jarak antarbidang kristal menyusut dan kerapatan kisinya naik. Menurut naskah ini, pengaruh penggantian tersebut paling kuat pada takaran 3 miligram per mililiter.

Serapan cahaya diukur pada rentang panjang gelombang 300 sampai 900 nanometer. Puncak serapannya berada pada 400 sampai 550 nanometer.

MAPbI3 murni menyerap pada kisaran 1,4 sampai 2,29 satuan sembarang. Dengan sesium iodida 2 miligram per mililiter, kisarannya menjadi 1,5 sampai 2,29.

Pada takaran 3 miligram per mililiter, kisarannya naik menjadi 1,7 sampai 3,17 satuan sembarang. Tepi serapan lapisannya tidak bergeser.

Han dkk. (2017) sebelumnya mencatat sesium iodida sebagai lapisan antarmuka menaikkan efisiensi dari 14,38 ke 17,4 persen. Naskah ini memakainya sebagai bahan pendoping.

Baca juga Mahasiswa UGM Ubah Limbah Sawit Jadi Elektroda Superkapasitor

Efisiensi Berhenti di 2,80 Persen

Tabel kinerjanya disusun dari pengujian 10 sampel. Perangkat MAPbI3 murni mencatat Voc 0,99 volt, Jsc 10,79 miliampere per sentimeter persegi, dan FF 0,67.

Efisiensi konversi daya perangkat murni itu 0,99 persen. Perangkat bertakaran 2 miligram per mililiter mencatat Voc 1,22 volt dan Jsc 10,45 miliampere per sentimeter persegi.

Efisiensi perangkat bertakaran 2 miligram per mililiter naik ke 2,60 persen. Nilai FF-nya justru turun ke 0,57.

Perangkat terbaik memakai sesium iodida 3 miligram per mililiter. Voc-nya 1,2 volt, Jsc 11,34 miliampere per sentimeter persegi, FF 0,65, dan efisiensinya 2,80 persen.

Pada takaran 5 miligram per mililiter, Jsc jatuh ke 2,75 miliampere per sentimeter persegi dan Voc ke 0,97 volt. Efisiensinya turun ke 1,19 persen.

Penulisnya menghubungkan penurunan itu dengan fase Cs4PbI6 yang bersifat isolator. Kelebihan ion Cs+ menggantikan ion CH3NH3+ lalu membentuk cacat yang memerangkap muatan.

Muatan yang terperangkap tidak sampai ke elektroda. Jumlah pembawa muatan yang tiba di elektroda menentukan besar arus yang dihasilkan perangkat.

Efisiensi sel surya perovskit dunia naik dari 3,8 persen pada 2009 ke atas 25 persen pada 2023, merujuk catatan Wang dkk. (2019). Perangkat mereka berhenti di 2,80 persen.

Angka yang Berselisih dan Batas Risetnya

Angka di dalam naskah ini tidak selalu sejalan. Pada pembahasan kurva arus dan tegangan, Jsc perangkat terbaik ditulis 4,8 miliampere per sentimeter persegi.

Tabel kinerjanya justru mencatat 11,34 miliampere per sentimeter persegi untuk perangkat yang sama. Jsc perangkat tanpa sesium ditulis 2,2 pada pembahasan dan 10,79 pada tabel.

Nilai FF perangkat bertakaran 5 miligram per mililiter tercatat 1,18 pada tabel. Naskah yang sama menyatakan FF masih berada di bawah nilai ideal 1.

Ukuran butiran juga disebut membesar setelah sesium iodida ditambahkan. Pengukuran pada paragraf yang sama menunjukkan butirannya menyusut dari 800 ke 350 nanometer.

Rata-rata butiran MAPbI3 murni ditulis 650 plus minus 150 nanometer pada bagian morfologi. Bagian kinerjanya menulis angka 800 plus minus 150 nanometer.

Sebaran hasil antarsampel juga lebar. Pada takaran 3 miligram per mililiter, Jsc rata-ratanya 6,06 dengan simpangan baku 3,18, sedangkan nilai tertingginya 11,34.

Pola serupa terlihat pada efisiensi. Rata-rata efisiensi takaran 3 miligram per mililiter 1,64 persen dengan simpangan baku 0,72, sementara nilai tertingginya 2,80 persen.

Penulisnya menyatakan kinerja perangkat masih dibatasi kerugian internal. Rekombinasi muatan dan cacat di batas butir disebut sebagai penyebabnya.

Optimasi bahan dan proses fabrikasi disebut masih diperlukan agar FF membaik. Nilai FF perangkat terbaiknya pun masih jauh di bawah angka ideal.

Saran lanjutannya mencakup penyetelan ketebalan lapisan dan kondisi anil. Takaran sesium iodida juga disebut perlu dioptimalkan lagi agar pengangkutan muatan membaik.

Baca juga Mahasiswa UGM Rancang Jembatan Darurat Bertenaga Surya

Riset ini dibiayai Universitas Andalas melalui hibah bernomor 120/UN16.19/PT.01.03/PSS/2024. Pengukuran kinerja perangkatnya dikerjakan di Malaysia.