Desain dan Simulasi Sel Surya Perovskite Berbasis CH 3 NH 3 SnI 3 Menggunakan Graphene Oxide sebagai Material Pengangkut Hole
Eri Widianto 1,* , Rizal Hanifi 1 , Kardiman 1 , Vita Efelina 2
1 Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Singaperbangsa Karawang,
2 Program Studi Teknik Lingkungan, Fakultas Teknik, Universitas Singaperbangsa Karawang, Jln. H.S. Ronggowaluyo Telukjamber Timur, Karawang, 41361 – Indonesia
*E-mail: eri.widianto@ft.unsika.ac.id
Diterima: 08-03-2022; Direvisi: 24-04-2022; Dipublikasi: 30-04-2022

## Abstrak
Material perovskite menarik perhatian peneliti dibidang fotovoltaik karena fabrikasi mudah, sifat optoelektronik yang baik, mobilitas elektron tinggi, dan peningkatan efisiensi yang sangat signifikan dari 3.8 % pada tahun 2009 menjadi 25.5% pada tahun 2021. Namun,  penggunaan  logam Pb yang bersifat racun serta penggunaan material  pengangkut hole (hole transport materials, HTM) yang mahal menjadi tantangan dalam pengembangan sel surya perovskite dalam skala besar. Penelitian ini bertujuan untuk mensimulasikan sifat-sifat fundamental pada sel surya perovskite tanpa Pb (lead-free) dengan CH 3 NH 3 SnI 3 sebagai lapisan aktif dan graphene oxide (GO) sebagai HTM menggunakan Solar Cell Capacitance Simulator (SCAPS). Pada simulasi ini, analisis tentang pengaruh ketebalan perovskite dan interface defect perovskite/HTM  terhadap  karakteristik  sel  surya  perovskite  telah  dilakukan.  Hasil  penelitian  sel  surya  perovskite dengan konfigurasi FTO/TiO 2 /CH 3 NH 3 SnI 3 /GO/Au menunjukkan kinerja optimal dengan J SC = 31.64 mA/cm 2 , V OC = 0.813 V, FF = 74.76 % dan PCE = 19.25 %. Hasil penelitian ini dapat digunakan untuk memperkirakan parameter penting dalam optimasi sel surya perovskite tanpa Pb menggunakan GO sebagai HTM. Selanjutnya, studi pemodelan ini memberikan informasi penting dalam memilih parameter material untuk pengembangan sel surya perovskite yang efisien dan dengan biaya rendah.
Kata kunci: Sel surya perovskite; MASnI 3 ; graphene oxide; SCAPS-1D

## Abstract
Perovskite material has attracted the attention of researchers in the photovoltaic field because of its easy fabrication, good optoelectronic properties, high electron mobility, and a very significant increase in efficiency from 3.8% in 2009 to 25.5% in 2021. However, the use of toxic Pb metal and costly hole transport materials (HTM) represents a challenge in the large-scale development of perovskite solar cells (PSCs). This study aims to simulate the fundamental properties of  lead-free  PSCs  with  CH 3 NH 3 SnI 3 as  the  active  layer  and  graphene  oxide  (GO)  as  HTM  using  the  Solar  Cell Capacitance  Simulator  (SCAPS).  In  this  simulation,  the  effect  of  perovskite  thickness  and  interface  defects  at  the perovskite/HTM  on  the  performance  of  PSCs  has  been  investigated.  The  results  of  the  study  of  PSCs  with FTO/TiO 2 /CH 3 NH 3 SnI 3 /GO/Au configuration showed optimal performance with J SC = 31.64 mA/cm 2 , V OC = 0.813 V, FF = 74.76% and PCE = 19.25%. Our results could be used to estimate critical parameters in optimizing lead-free PSCs  using  GO  as  the  HTM.  Furthermore,  the  modeling  study  gives  important  information  in  choosing  material parameters to develop highly efficient low-cost PSCs in the near future.
Keywords: Perovskite solar cell; MASnI 3 ; graphene oxide; SCAPS-1D

## 1. Pendahuluan
Perovskite  dianggap  sebagai  kandidat  material  yang  menjanjikan  dibidang  sel  surya  karena  memiliki  sifat optoelektronik yang baik, koefisien absorbsi optik tinggi, serta suhu pemrosesan yang rendah dan murah [1–3]. Di antara berbagai jenis material perovskite, perovskite halida-logam organik-anorganik telah mendapat perhatian khusus selama bertahun-tahun karena memiliki efisiensi konversi daya (PCE) yang tinggi, meningkat dari 3.8% pada tahun 2009 hingga 25.5% pada tahun 2021 [4,5]. Methylamonium lead triiodida (CH 3 NH 3 PbI 3 ) telah banyak digunakan sebagai lapisan aktif sel  surya  perovskite.  Namun,  pengembangan  dalam  skala  besar  dan  komersialisasi  sel  surya  perovskite  berbasis CH 3 NH 3 PbI 3 sangat terhambat karena timbal (Pb) bersifat racun [6]. Oleh karena itu, perkembangan saat ini mengarah pada sel surya perovskite tanpa Pb (lead-free) . Timah (Sn) merupakan salah satu kandidat yang paling banyak dieksplorasi
untuk menggantikan Pb, karena Sn dan Pb keduanya berada dalam golongan IVA tabel periodik dan memiliki jari-jari ion yang sama [7].
Untuk memahami kinerja sel surya perovskite berbasis CH 3 NH 3 SnI 3 tanpa Pb, dalam penelitian ini dilakukan simulasi numerik  sel  surya  menggunakan  program  1  dimensi Solar  Cell  Capacitance  Simulator (SCAPS-1D).  Selain  itu, penggunaan  graphene  oxide  (GO)  sebagai  material  pengangkut  hole  (HTM)  dianggap  potensial  mengantikan  Spiro- OMeTAD yang relatif mahal dan stabilitas kurang baik, serta membutuhkan doping khusus [8]. GO memiliki sifat yang unggul, yaitu stabilitas kimia yang baik, transparansi dan mobilitas muatan tinggi, biaya pembuatan relatif rendah, tidak membutuhkan  doping,  serta  berpotensi  diproduksi  dalam  skala  besar.  Secara  khusus,  efek  ketebalan  lapisan  aktif perovskite  dan interface  defect pada  perovskite/HTM  didiskusikan  lebih  mendalam.  Studi  ini  bermanfaat  untuk pengembangan sel surya perovskite tanpa Pb serta penggunaan GO yang efisien dan murah sebagai HTM.

## 2. Metodologi dan detail simulasi
SCAPS-1D  (versi  3.3.09)  merupakan  program  pemodelan  sel  surya  yang  dikembangkan  oleh  kelompok  riset fotovoltaik dari Electronics and Information Systems (ELIS), University of Gent, Belgium yang dapat memfasilitasi hingga tujuh  lapisan  semikonduktor  [9–11].  Program  simulasi  ini  menyelesaikan  tiga  persamaan  dasar  semikonduktor,  yaitu persamaan  Poisson  (1),  persamaan  kontinuitas  elektron  (2),  dan  persamaan  kontinuitas  hole  (3).  SCAPS-1D memungkinkan analisis multilayer dan heterojunction , yang dapat digunakan untuk mensimulasikan sel surya berbasis semikonduktor [12].
  ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 2 2 x n x p x N x N x n x p q dx d dx dE t t A D       
    (1)
0 ) ( ) ( 1     x G x R dx dJ q n n
(2)
0 ) ( ) ( 1     x G x R dx dJ q p p (3)
dimana E adalah  medan  listrik, ψ adalah  potensial  elektrostatik, q adalah  muatan  elektron, ε adalah  permitivitas dielektrik relatif, p dan n adalah konsentrasi hole dan elektron, N D + dan N A - adalah konsentrasi donor dan akseptor, p t dan n t adalah jumlah hole dan elektron yang terperangkap, J n dan J p adalah rapat arus elektron dan hole, R n dan R p adalah laju rekombinasi elektron dan hole, dan G adalah laju rekombinasi, yang semuanya dinyatakan sebagai fungsi posisi, x .
Gambar 1. Struktur sel surya perovskite CH 3 NH 3 SnI 3 (dibuat menggunakan Ms. PowerPoint)
Konfigurasi  sel  surya  perovskite  yang  akan  disimulasikan  pada  penelitian  ini  ditunjukkan  pada  Gambar  1,  yang tersusun  atas  FTO  (anoda)/TiO 2 (ETM)/CH 3 NH 3 SnI 3 (lapisan  aktif)/GO  (HTM)/Au  (katoda).  Tabel  I  menunjukkan parameter  fisis  untuk  masing-masing  lapisan  material  yang  digunakan  pada  simulasi  sel  surya  perovskite.  Parameter- paramter tersebut berdasarkan pada beberapa literatur [13–16]. Ketebalan perovskite (lapisan aktif) divariasikan dari 300 – 800 nm, dan interface defect pada perovskite/HTM divariasikan dari 1 × 10 8 – 1 × 10 15 cm -2 . Simulasi ini dilakukan pada temperatur 300 K, frekuensi 1.0 × 10 6 Hz, dan sumber cahaya standar yaitu AM1.5G sebesar 1000 W.m -2 .
Tabel 1. Parameter simulasi sel surya perovskite menggunakan scaps-1d [13–16]
Parameter Material TiO 2 MASnI 3 GO Thickness (nm) 50 variasi 100 Bandgap (eV) 3.2 1.3 2.48 Electron affinity (eV) 4.0 4.17 2.3 Dielectric permittivity 100 10 10 CB effective density of states (cm -3 ) 2.2 × 10 18 1.0 × 10 18 2.2 × 10 18 VB effective density of states (cm -3 ) 1.8 × 10 19 1.0 × 10 19 1.8 × 10 19 Electron thermal velocity (cm.s -1 ) 1.0 × 10 7 1.0 × 10 7 5.2 × 10 7 Hole thermal velocity (cm.s -1 ) 1.0 × 10 7 1.0 × 10 7 5.0 × 10 7
Electron mobility (cm 2 .V -1 s -1 ) 6.0 × 10 -3 1.6 26 Hole mobility (cm 2 .V -1 s -1 ) 6.0 × 10 -3 1.6 123 Donor density N D (cm -3 ) - - - Acceptor density N A (cm -3 ) 5.0 × 10 19 1.0 × 10 17 2.0 × 10 18

## 3. Hasil dan pembahasan
3.1 Efek Ketebalan Perovskite
Lapisan aktif memainkan peranan penting dalam meningkatkan kinerja sel surya. Parameter lapisan perovskite seperti celah pita, ketebalan, konsentrasi doping, dan cacat memiliki kontribusi yang signifikan untuk mengoptimalkan kinerja sel surya [17]. Tahap awal simulasi dilakukan dengan variasi ketebalan perovskite mulai dari 300 nm sampai 800 nm. Seperti ditunjukkan pada Gambar 2, karakteristik J-V hasil simulasi menunjukkan hanya sedikit kenaikan pada V OC (sekitar ~0.001 V) ketika ketebalan perovskite dinaikan dari 300 nm sampai 800 nm. Sebaliknya, J SC meningkat secara signifikan dari 28.49 mA.cm -2 sampai 32.77 mA.cm -2 .
Gambar 2. Karakterisitik J-V dengan variasi ketebalan perovskite CH 3 NH 3 SnI 3
Secara  umum,  ketika  lapisan  aktif  perovskite  sangat  tipis,  penyerapan  cahaya  dan  fotogenerasi  eksiton  menjadi berkurang, sehingga mempengaruhi J SC . Namun, ketika lapisan aktif terlalu tebal, beberapa pembawa muatan bergabung kembali (rekombinasi) sebelum keluar dari permukaan [18]. Ketika ketebalan lapisan aktif perovskite meningkat, J SC juga akan meningkat karena penyerapan foton lebih banyak. Gambar 3 menunjukkan efek ketebalan perovskite terhadap kinerja sel surya. Seperti ditunjukkan pada Gambar 3, FF mengalami penurunan dari 75.58 % menjadi 73.84% ketika ketebalan perovskite naik dari 300 nm sampai 800 nm. Hal ini disebabkan karena peningkatan hambatan series (R S ) dan penurunan hambatan shunt (R SH ). Efisiensi (PCE) sel surya mengalami peningkatan dari 17.42% menjadi 19.72%.
Ketika  ketebalan  lapisan  aktif  meningkat,  lebih  banyak  cahaya  yang  diserap,  sehingga  menghasilkan  lebih  banyak pembawa fotogenerasi tambahan, sehingga meningkatkan J SC dan PCE . Ketebalan lapisan aktif perovskite sekitar 500 nm memberikan penyerapan cahaya yang mendekati maksimal dengan kerugian rekombinasi minimal [19]. Mengingat panjang difusi yang pendek dan peningkatan densitas cacat pada perovskite yang lebih tebal, maka ketebalan 500 nm sesuai untuk mendapatkan  parameter  sel  surya  yang  optimal  [17].  Oleh  karena  itu,  ketebalan  perovskite  500  nm  digunakan  untuk simulasi selanjutnya.
Gambar 3. Efek ketebalan perovskite CH 3 NH 3 SnI 3 terhadap kinerja sel surya

## 3.2 Efek Interface Defect pada Perovskite/HTM
Interface memiliki pengaruh yang cukup besar pada kinerja sel surya. Kualitas sambungan (junction) pada interface sangat  penting  dalam  menentukan  kinerja  sel  surya  karena  jumlah  cacat (defect) pada  lapisan  ini  akan  mempengaruhi rekombinasi  elektron  dan  hole.  Proses  deposisi  sel  surya  perovskite  dapat  mengakibatkan  pembentukan  cacat,  yang sebagian besar ditemukan pada interface dan batas butir (grain boundaries) [20]. Selama proses fabrikasi, cacat tersebut
dapat dihasilkan dari  interaksi  pelarut  dengan lapisan HTM  dan penguapan  molekul organik selama  proses  pemanasan (annealing) [21].
Gambar 4. Karakterisitik J-V dengan variasi interface defect pada perovkite/HTM
Untuk mengetahui efek interface defect pada lapisan perovkite/HTM terhadap kinerja sel surya, maka interface defect divariasikan dari 1 × 10 8 sampai 1 × 10 15 cm -2 . Seperti ditunjukkan pada Gambar 4, J SC dan V OC mengalami penurunan, yang mengakibatkan PCE turun secara signifikan dari 20.63% hingga 13.31% (lihat Gambar 5).
Gambar 5. Efek interface defect pada perovskite/HTM terhadap kinerja sel surya
Permukaan lapisan perovskite yang dimodifikasi dengan GO meningkatkan cakupan permukaan (surface coverage) dan menghasilkan lapisan yang lebih halus dengan sedikit pinhole [22,23]. Hal ini disebabkan adanya lembaran GO yang menutupi sebagian permukaan lapisan perovskite. Kami berasumsi bahwa kehadiran GO dapat menekan nukleasi kristal, sehingga  menghasilkan  penurunan  tingkat  pertumbuhan  jika  dibandingkan  dengan  perovskite  tanpa  GO,  yang  sesuai dengan  penelitian  sebelumnya  [14,24].  Kinerja  optimal  sel  surya  perovskite  berbasis  CH 3 NH 3 SnI 3 menggunakan  GO sebagai HTM diperoleh: J SC = 31.64 mA/cm 2 , V OC = 0.813 V, FF = 74.76 % dan PCE = 19.25 %. Kinerja optimal sel surya perovskite pada penelitian ini dicapai hanya melalui optimasi ketebalan dan interface defect perovskite/HTM. Oleh karena itu,  dimungkinkan  mencapai  kinerja  sel  surya  yang  lebih  tinggi dengan mengoptimalkan  parameter  lain  pada  sel  surya perovskite, seperti jenis dan ketebalan ETM dan HTM.

## 4. Kesimpulan
Dalam penelitian ini, kami melakukan desain dan simulasi sel surya perovskite tanpa Pb berbasis CH 3 NH 3 SnI 3 dengan graphene oxide (GO) sebagai material pengangkut hole (HTM) menggunakan SCAPS-1D. Hasil penelitian menunjukkan bahwa  ketebalan  lapisan  aktif  perovskite  dan interface  defect sangat  berpengaruh  terhadap  kinerja  sel  surya.  Kinerja optimal sel surya perovskite berbasis CH 3 NH 3 SnI 3 diperoleh J SC = 31.64 mA/cm 2 , V OC = 0.813 V, FF = 74.76 % dan PCE = 19.25 %. Hasil penelitian ini sangat relevan untuk fabrikasi sel surya perovskite secara eksperimen untuk mendapatkan kinerja yang optimal.

## Ucapan terima kasih
Kami  mengucapkan  terima  kasih kepada kelompok peneliti fotovoltaik Prof. Marc Burgelman dari Electronics and Information Systems (ELIS), University of Gent, Belgium , yang telah menyediakan dan mengizinkan penggunaan program simulasi SCAPS-1D.

## Daftar Pustaka
[1] A. Miyata dkk . , “ Direct measurement of the exciton binding energy and effective masses for charge carriers in organic-inorganic  tri-halide  perovskites ,” Nat.  Phys. ,  vol.  11,  no.  7,  pp.  582–587,  Jul.  2015,  doi: 10.1038/nphys3357.
[2] D. A. Valverde-Chávez dkk . , “Intrinsic femtosecond charge generation dynamics in single crystal CH 3 NH 3 PbI 3 ,” Energy Environ. Sci. , vol. 8, no. 12, pp. 3700–3707, 2015, doi: 10.1039/c5ee02503f.
[3] M. I. H. Ansari, A. Qurashi, and M. K. Nazeeruddin, “ Frontiers, opportunities, and challenges in perovskite solar cells: A critical review,” J. Photochem. Photobiol. C Photochem. Rev. , vol. 35, no. June, pp. 1–24, Jun. 2018, doi: 10.1016/j.jphotochemrev.2017.11.002.
[4] A. Kojima, K. Teshima, Y. Shirai, and T. Miyasaka, “Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells,” J. Am. Chem. Soc. , vol. 131, no. 17, pp. 6050–6051, May 2009, doi: 10.1021/ja809598r.
[5] Best-Research-Cell-Efficiencies:  Emerging  Photovoltaics,  2020. https://www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/best- research-cell-efficiencies-rev210726.pdf
[6] Y. Gan dkk . “Numerical investigation energy conversion performance of tin-based perovskite solar cells using cell capacitance simulator, ” Energies , vol. 13, no. 22, p. 5907, Nov. 2020, doi: 10.3390/en13225907.
[7] K. Xu, “Development of tin-based perovskite materials for solar cell applications: A minireview,” Instrum. Sci.
Technol. , vol. 49, no. 1, pp. 91–105, Jan. 2021, doi: 10.1080/10739149.2020.1785891.
[8] M.  Acik  and  S.  B.  Darling, “Graphene  in  perovskite  solar  cells:  Device  design,  characterization  and implementation,” J. Mater. Chem. A , vol. 4, no. 17, pp. 6185–6235, 2016, doi: 10.1039/c5ta09911k.
[9] K. Decock, P. Zabierowski, and M. Burgelman, “Modeling metastabilities in chalcopyrite-based thin film solar cells,” J. Appl. Phys. , vol. 111, no. 4, p. 043703, Feb. 2012, doi: 10.1063/1.3686651.
[10] M.  Burgelman,  P.  Nollet,  and  S.  Degrave,  “ Modelling  polycrystalline  semiconductor  solar  cells,”  Thin  Solid Films , vol. 361–362, pp. 527–532, Feb. 2000, doi: 10.1016/S0040-6090(99)00825-1.
[11] M. Burgelman, K. Decock, S. Khelifi, and A. Abass, “Advanced electrical simulation of thin film solar cells,” Thin Solid Films , vol. 535, pp. 296–301, May 2013, doi: 10.1016/j.tsf.2012.10.032.
[12] F. Jannat, S. Ahmed, and M. A. Alim, “Performance analysis of cesium formamidinium lead mixed halide based perovskite solar cell with MoO x as hole transport material via SCAPS-1D,” Optik (Stuttg). , vol. 228, no. November 2020, p. 166202, 2021, doi: 10.1016/j.ijleo.2020.166202.
[13] A.  Sunny,  S.  Rahman,  M.  M.  Khatun,  and  S.  R.  Al  Ahmed, “Numerical study of high performance HTL-free CH 3 NH 3 SnI 3 -based  perovskite  solar  cell  by  SCAPS-1D,”  AIP  Adv. ,  vol.  11,  no.  6,  p.  065102,  Jun.  2021,  doi: 10.1063/5.0049646.
[14] E. Widianto, Shobih, E. S. Rosa, K. Triyana, N. M. Nursam, and I. Santoso, “Performance analysis of carbon- based perovskite solar cells by graphene oxide as hole transport layer: Experimental and numerical simulation,” Opt. Mater. (Amst). , vol. 121, no. September, p. 111584, Nov. 2021, doi: 10.1016/j.optmat.2021.111584.
[15] K. Deepthi Jayan and V. Sebastian, “Comprehensive device modelling and performance analysis of MASnI 3 based perovskite solar cells with diverse ETM, HTM and back metal contacts,” Sol. Energy , vol. 217, no. January, pp. 40–48, Mar. 2021, doi: 10.1016/j.solener.2021.01.058.
[16] F. Anwar, R. Mahbub, S. S. Satter, and S. M. Ullah, “Effect of different HTM layers and electrical parameters on ZnO  nanorod-based  lead-free  perovskite  solar  cell  for  high-efficiency  performance,” Int.  J.  Photoenergy ,  vol. 2017, pp. 1–9, 2017, doi: 10.1155/2017/9846310.
[17] S. Rai, B. K. Pandey, and D. K. Dwivedi, “Modeling of highly efficient and low cost CH 3 NH 3 Pb(I 1-x Cl x ) 3 based perovskite solar cell by numerical simulation,” Opt. Mater. (Amst). , vol. 100, no. October 2019, p. 109631, Feb. 2020, doi: 10.1016/j.optmat.2019.109631.
[18] L. Lin, L. Jiang, P. Li, B. Fan, Y. Qiu, and F. Yan, “Simulation of optimum band structure of HTM-free perovskite solar cells based on ZnO electron transporting layer,” Mater. Sci. Semicond. Process. , vol. 90, no. October 2018, pp. 1–6, Feb. 2019, doi: 10.1016/j.mssp.2018.10.003.
[19] G. A. Casas, M. A. Cappelletti, A. P. Cédola, B. M. Soucase, and E. L. Peltzer y Blancá, “Analysis of the power conversion  efficiency  of  perovskite  solar  cells  with  different  materials  as  hole-transport  layer  by  numerical simulations,” Superlattices Microstruct. , vol. 107, pp. 136–143, Jul. 2017, doi: 10.1016/j.spmi.2017.04.007.
[20] F. Azri, A. Meftah, N. Sengouga, and A. Meftah, “Electron and hole transport layers optimization by numerical simulation of a perovskite solar cell,” Sol. Energy , vol. 181, no. December 2018, pp. 372–378, Mar. 2019, doi: 10.1016/j.solener.2019.02.017.
[21] F. Wang, S. Bai, W. Tress, A. Hagfeldt, and F. Gao, “Defects engineering for high-performance perovskite solar cells,” npj Flex. Electron. , vol. 2, no. 1, p. 22, Dec. 2018, doi: 10.1038/s41528-018-0035-z.
[22] L.  Najafi  dkk . , “MoS 2 quantum  dot/graphene  hybrids  for  advanced  interface  engineering  of  a  CH 3 NH 3 PbI 3 perovskite solar cell with an efficiency of over 20%,” ACS Nano , vol. 12, no. 11, pp. 10736–10754, Nov. 2018, doi: 10.1021/acsnano.8b05514.
[23] M. Hadadian dkk . , “Enhancing efficiency of perovskite solar cells via N-doped graphene: Crystal modification and surface passivation,” Adv. Mater. , vol. 28, no. 39, pp. 8681–8686, Oct. 2016, doi: 10.1002/adma.201602785.
[24] E. Widianto, Shobih, E. S. Rosa, K. Triyana, N. M. Nursam, and I. Santoso, “ Graphene oxide as an effective hole transport  material  for  low-cost  carbon-based  mesoscopic  perovskite  solar  cells,” Adv.  Nat.  Sci.  Nanosci.
Nanotechnol. , vol. 12, no. 3, p. 035001, Sep. 2021, doi: 10.1088/2043-6262/ac204a.