Kajian transportasi elektron pada bahan perovskite berbasis TiO2/CsPbBr3 menggunakan spektroskopi elipsometri

Dini Setiyani, Dr. Iman Santoso, S.Si., M.Sc., ; Prof. Natalita Maulani Nursam, M.Phil., Ph.D.

2025 | Tesis | S2 Ilmu Fisika

Penelitian ini bertujuan untuk mengkaji transfer muatan pada bahan aktif sel surya perovskite (PSC) berbasis cesium lead bromide (CsPbBr3) dengan titanium dioxide (TiO2) sebagai electron transport layer (ETL). Lapisan CsPbBr3 dibuat menggunakan metode two-step berbasis teknik spin coating di atas substrat quartz berlapis TiO2. Variasi konsentrasi larutan TiO2 yang digunakan yaitu 0,15 M, 0,3 M, dan 0,5 M. Studi ini difokuskan pada pengamatan mekanisme transfer elektron dari CsPbBr3 ke TiO2 dengan menggunakan spektroskopi elipsometri dalam rentang energi 1,6 hingga 5,2 eV. Hasil pengukuran spektroskopi ultraviolet-visible (uv-vis) menunjukkan adanya peningkatan intensitas serapan pada lapisan CsPbBr3 setelah pembentukan struktur berlapis dengan TiO2. Karakterisasi struktur kristal menggunakan X-ray diffraction (XRD) menunjukkan terbentuknya fase orthorombik CsPbBr3, ditandai dengan puncak-puncak difraksi pada sudut 2? sebesar 15,26°, 21,66°, 30,76° dan 37,8°.  Selain itu, puncak difraksi pada 25,36° mengindikasikan keberadaan TiO2 dalam fase anatase. Hasil pengamatan morfologi melalu scanning electron microscope (SEM) menunjukkan bahwa film CsPbBr3 yang terbentuk memiliki ukuran butir yang relatif besar, berkisar antara ~600 hingga 2500 nm, serta jumlah pinhole yang cenderung lebih sedikit pada beberapa sampel. Dari data elipsometri diperoleh dua hal, yang pertama yaitu keberadaan lapisan TiO2 belum mampu menekan rekombinasi pasangan electron-hole di antarmuka yang ditandai dengan turunnya nilai konstanta dielektrik bagian imajiner yang terkait dengan serapan cahaya pada puncak eksitonik di energi ~2,3 eV. Kedua yaitu adanya peningkatan rapat keadaan CsPbBr3 di seluruh rentang energi ketika menggunakan TiO2 0,15 M karena mendapatkan elektron dari TiO2 murni. Sedangkan pada TiO2 0,5 M justru mengalami penurunan rapat keadaan karena adanya elektron yang kembali ke TiO2 murni. Dalam hal ini, TiO2 dapat dikatakan sebagai lapisan transfer elektron.

This study aims to investigate the charge transport mechanism in perovskite solar cell (PSC) active materials based on cesium lead bromide (CsPbBr3) using titanium dioxide (TiO2) as an electron transport layer (ETL). The CsPbBr3 films were prepared through a two-step spin-coating technique on quartz substrates coated with TiO2. The TiO2 solution concentrations varied at 0,15M, 0,3M, and 0,5M. This research focuses on the electron transfer mechanism from CsPbBr3 to TiO2, characterized by spectroscopic ellipsometry within the energy range of 1.6 to 5.2 eV. ultraviolet-visible (UV-Vis) spectroscopy measurements showed an increase in the absorption intensity of the CsPbBr3 layer after the formation of layered structures with TiO2. X-ray diffraction (XRD) structural analysis indicated the formation of an orthorhombic CsPbBr3 phase, identified by diffraction peaks at 2? angles of 15,26°, 21,66°, 30,76° and 37,8°. Additionally, a diffraction peak at 25.36° confirmed the presence of TiO2 in the anatase phase. The results of morphological observations through scanning electron microscope (SEM) showed that the CsPbBr3 film formed had a relatively large grain size, ranging from ~600 to 2500 nm, and the number of pinholes tended to be smaller in some samples. Ellipsometry data revealed two key findings: first, the presence of TiO2 layers could not effectively suppress electron-hole pair recombination at the interface, as indicated by a decrease in the imaginary part of the dielectric constant related to light absorption at the excitonic peak around 2,3 eV. Second, the density of states in CsPbBr3 increased throughout the entire energy range when using 0,15 M TiO2 due to electron transfer from pristine TiO2. Conversely, the 0,5 M TiO2 experienced a reduction in the density of states due to electrons transferring back to pristine TiO2. Thus, TiO2 can be considered an effective electron transport layer.

Kata Kunci : CsPbBr3, TiO2, electron transport layer, sel surya perovskite, spektroskopi elipsometri