Mekanisme Transpor Muatan Pada Sel Surya Polimer

Polimer banyak dipelajari karena struktur dan sifat-sifat mekanisnya yang unik dan atraktif. Penemuan polimer yang dapat menghantarkan listrik atau polimer konduktif pada pertengahan tahun 1970-an telah melahirkan penelitian yang intensif yang menunjukkan bahwa sifat-sifat elektrik pada polimer berkisar dari insulating (tidak dapat menghantar), semiconducting sampai conducting (konduktivitas >100.000 S/cm). Material jenis baru yang bersifat semikonduktif dan konduktif ini dapat disebut gabungan sifat-sifat elektrik dan optik semikonduktor anorganik dengan polimer yang memiliki kelenturan mekanis. Akan tetapi, mekanisme pembawa muatan dan transpor muatan pada polimer semikonduktif memiliki perbedaan mendasar dengan semikonduktor anorganik.

Polimer semikonduktif dan konduktif adalah polimer terkonjugasi yang menunjukkan perubahan ikatan tunggal dan ganda antara atom karbon pada rantai utama polimer. Ikatan ganda diperoleh dari fakta bahwa karbon memiliki 4 elektron valensi, namun pada molekul terkonjugasi hanya mengikat tiga (kadang-kadang dua) atom lain. Elektron yang tersisa membentuk ikatan π-elektron yang terdelokalisasi pada seluruh molekul. Rantai polimer dapat sangat panjang, namun panjang konjugasi sepanjang rantai dapat dipotong sampai kurang dari 100 nm. Tingkat-tingkat molekular dikelompokkan dalam pita-pita (bands), dan pada limit panjang konjugasi yang sangat panjang, gambar struktur pita pada semikonduktor anorganik dapat digunakan pada semikonduktor organik. Batas pita pada pita valensi menunjukkan Highest Occupied Molecular Orbital (HOMO) dan batas pada pita konduksi disebut Lowest Unoccupied Molecular Orbital (LUMO).

Fotoeksitasi pada polimer
Celah energi antara tingkat HOMO dan LUMO pada polimer terkonjugasi sama dengan besar range energi foton yang dapat terlihat. Pada penyerapan foton yang datang, sebuah elektron berpindah ke tingkat LUMO, meninggalkan sebuah lubang (hole) pada tingkat HOMO. Dua spesi utama yang tereksitasi yang disebabkan penyerapan foton dijelaskan di bawah ini.

Singlet Excitons
Setelah penyerapan foton, pasangan electron-hole membentuk singlet exciton. Artinya, electron dan hole tetap pada rantai polimer yang sama dan terikat satu sama lain karena ikatan elektrostatik. Tingkat energi singlet exciton terletak pada celah HOMO-LUMO. Exciton dapat bermigrasi dalam film menuju tingkat energi yang lebih rendah. Umur singlet exciton berkisar antara ratusan pikodetik (10-12 detik).

Energi ikat singlet exciton Eb telah menjadi subyek perdebatan besar pada dekade terakhir ini. Nilai Eb berkisar antara Eb (kurang dari kbT) sama dengan 25 meV, yang berarti pada suhu ruangan elektron dan hole tidak terikat, Eb setara dengan 1 eV. Bukti mengindikasikan bahwa pendapat yang lain (Eb setara dengan 0,3 sampai 0,4 eV) memberikan gambaran yang benar pada sebagian besar polimer terkonjugasi.

Polarons
Pada penambahan muatan pada rantai polimer, rantai akan terurai untuk mengurangi energi carrier. Muatan dan penguraian ini bersama-sama memunculkan sebuah polaron, yang dilambangkan P+ dan P- bergantung tanda muatan. Tingkat energi polaron terletak pada celah HOMO-LUMO. Polaron dapat melintas sepanjang rantai terkonjugasi. Ketika polaron mencapai akhir segmen terkonjugasi, terjadi proses “melompat” (hopping) kepada rantai terkonjugasi yang lain. Maka pada medan listrik, kombinasi polaron yang melintas dan melompat ini menyebabkan transpor muatan pada film.

Di sini harus diperhatikan bahwa pada pembuatan pasangan polaron P+/P- pada proses penyerapan foton, elektron dan hole harus dalam keadaan terpisah pada jarak yang cukup agar tidak terdapat gaya Coulomb yang megikat mereka. Ini dapat dilakukan dengan memindahkan elektron dan hole dalam waktu femtodetik setelah proses penyerapan foton dari rantai atau dengan menjebak salah satu muatan yang cacat.