Apa itu Sel Surya Perovskite? Alternatif Pengganti Silikon
Apa itu sel surya perovskite? Alternatif pengganti silikon, dimana perovskit adalah bahan dengan struktur kristal khas yang mirip dengan mineral dengan nama yang sama yang pertama kali ditemukan di Rusia pada tahun 1839.
Ada banyak jenis perovskit, tetapi yang paling menarik untuk industri tenaga surya adalah kristal yang terbuat dari bahan organik dan anorganik. molekul yang terhubung ke atom timbal atau timah.
Gambar di atas adalah representasi dari struktur satu jenis kristal perovskit timbal halida.
Strusktur tersebut memiliki molekul 8 sisi yang disebut timbal halida (atom timbal yang terhubung ke 6 atom halogen baik yodium, klor, atau bromin), mengelilingi molekul yang lebih kecil yang disebut kation metilamonium.
Alasan Perovskit Sangat Penting
Perovskit menarik karena beberapa alasan, tetapi alasan yang berkaitan dengan efek fotovoltaik yaitu energi dari cahaya.
Timah atau timbal yang ada dalam bahan ini bagus untuk membuat sel surya dengan cara yang sama seperti silikon digunakan untuk membuat sel surya.
Atom dari unsur-unsur ini ideal untuk membentuk molekul dengan atom lain yang merupakan bahan semikonduktor, yang elektronnya dapat dieksitasi oleh energi cahaya dan diarahkan sepanjang kawat untuk menghasilkan listrik.
Tidak seperti kristal silikon, kristal perovskit cukup mudah dibuat dalam kondisi yang cukup normal.
Silikon pertama-tama harus dipanaskan hingga suhu yang sangat tinggi untuk menghasilkan bahan dengan kemurnian dan struktur kristal yang tepat untuk menghasilkan listrik.
Baca: Perbedaan Panel Surya dan Sel Surya
Perovskit dapat dibuat dengan mencampur bahan kimia dalam larutan dan melapisi permukaan dengan larutan tersebut.
Prosesnya sedikit lebih rumit, di masa depan kemungkinan memproduksi sel surya perovskit akan jauh lebih murah dan lebih mudah daripada membuat sel silikon.
Perovskit juga penting karena kemampuannya untuk menghasilkan listrik dapat disetel dengan mengontrol jenis molekul yang dihasilkan dalam proses manufaktur.
Baca: Teknologi Sel Surya Setengah Potong
Penyetelan ini menghasilkan bahan dengan celah pita yang ideal, yaitu jumlah energi yang dibutuhkan untuk mendorong elektron ke tingkat energi yang lebih tinggi sehingga dapat membawa muatan listrik melintasi rangkaian.
Perovskit, Efisiensi, dan Celah Pita
Setiap atom memiliki satu atau lebih elektron yang mengambang di sekitar nukleusnya, dan elektron yang bermuatan negatif tertarik ke nukleus yang bermuatan positif.
Molekul yang terdiri dari banyak atom terbentuk berdasarkan jumlah elektron yang dimiliki setiap atom, dan elektron bersama mengapung di sekitar molekul. Elektron terluar dikatakan berada di “pita valensi” atom yang mereka orbit.
Baca: Apa itu Teknologi Cat Surya?
Listrik tenaga surya dihasilkan ketika foton cahaya menabrak elektron terluar dari bahan semikonduktor ke tingkat energi yang lebih tinggi, sehingga mendorongnya keluar dari pita valensi dan masuk ke pita konduksi molekul.
Jumlah energi minimum yang diperlukan untuk mendorong elektron dari pita valensi ke pita konduksi disebut celah pita.
Ketika sebuah elektron didorong ke dalam pita konduksi, ia tidak lagi terjebak di orbit molekul. Sebaliknya, ia menjadi pembawa muatan yang dapat bergerak melalui materi bagiannya, membawa energi listrik yang dapat kita gunakan.
Foton dengan warna cahaya yang berbeda membawa jumlah energi yang berbeda, diukur dengan satuan yang disebut “elektronvolt” (eV). Foton cahaya tampak memiliki energi antara 1,75 eV (merah tua) dan 3,1 eV (ungu).
Bahan fotovoltaik yang ideal memiliki celah pita 1,34 eV, karena itulah titik di mana jumlah maksimum cahaya tampak akan mengubah elektron menjadi pembawa muatan.
Baca: Apa itu Efisiensi Energi?
Ada sebuah konsep dalam tenaga surya terkait dengan bandgap yang disebut Power Conversion Efficiency, atau PCE, yaitu jumlah energi matahari yang dapat diubah menjadi listrik oleh sel surya.
Sebuah sel surya yang menggunakan koneksi tunggal (lebih sering disebut junction) antara lapisan bahan bermuatan positif dan negatif dengan celah pita yang ideal dapat mengubah 33,7% dari semua cahaya yang masuk menjadi listrik.
Efisiensi ideal ini disebut batas Shockley–Queisser, dinamai menurut nama fisikawan yang menemukannya.
Masalah dengan batas Shockley–Queisser adalah tidak ada bahan yang diketahui memiliki celah pita yang sempurna untuk mencapainya.
Sel surya silikon memiliki celah pita teoritis sekitar 1,2 eV, yang berarti mereka memiliki PCE maksimum sekitar 32%. Bahan perovskit terbaik dapat mencapai sekitar 31%.
Tetapi ada alasan mengapa mungkin lebih baik menggunakan bahan perovskit dengan celah pita yang lebih tinggi atau lebih rendah, meskipun tidak ideal untuk digunakan sendiri.
Dengan mengontrol susunan kimiawi kristal perovskit, ilmuwan dapat membuat material perovskit agar memiliki celah pita yang sangat dekat dengan ideal untuk mengubah cahaya menjadi listrik.
Tetapi mereka juga dapat membuat sel surya perovskit berlapis-lapis dimana setiap lapisan memiliki celah pita yang berbeda.
Memiliki banyak lapisan berarti foton berenergi tinggi mengeksitasi elektron pada lapisan dengan celah pita yang lebih lebar, dan foton berenergi rendah mengeksitasi elektron pada lapisan dengan celah pita yang lebih sempit. Dengan cara ini, lebih banyak energi matahari total akan diubah menjadi listrik.
Baca: Komponen Penyusun Panel Surya
Teknologi ini telah menunjukkan kemajuan besar dalam beberapa tahun terakhir, dan sel multi-persimpangan yang terdiri dari lapisan perovskit dari berbagai celah pita telah mencapai efisiensi konversi sebesar 25,5%, meskipun telah diteliti sejak tahun 2013.
Selain itu, lapisan perovskit yang disetel dapat ditambahkan dalam pengaturan “sel tandem” dengan sel silikon tradisional untuk menangkap foton yang tidak dapat dikonversi oleh silikon, sehingga meningkatkan efisiensi konversi daya.
Suatu hari nanti, menggabungkan teknologi surya perovskite dengan teknologi berbasis silikon terbaik mungkin menjadi kunci untuk membuka sel surya yang dapat mengubah 50% sinar matahari menjadi listrik.
Hal itu punya potensi sangat besar, mengingat Sunpower saat ini memiliki peringkat efisiensi tertinggi di pasar dengan efisiensi panel surya sekitar 22,7% listrik menjadi daya yang dapat digunakan.
Efisiensi sel perovskite mungkin tidak akan pernah sebaik sel surya silikon terbaik, tetapi itu akan cukup baik dengan biaya yang cukup rendah sehingga jumlah listrik yang dihasilkan dan uang yang dihabiskan untuk memproduksinya jauh lebih rendah daripada produk fotovoltaik berbasis silikon.
Sel surya perovskite tidak dapat diremehkan. Pengurangan biaya yang mungkin diberikan sangat menarik sehingga pemerintah federal Amerika Serikat telah menginvestasikan jutaan dolar dalam penelitian perovskite melalui Office of Energy Efficiency and Renewable Energy.
Pada tahun 2020, dana $20 juta tersedia untuk penelitian perovskite, tersebar di antara inisiatif untuk mengembangkan teknologi sel, praktik terbaik manufaktur, dan prosedur pengujian sel.
Pembuatan Sel Surya Perovskite
Pada dasarnya, perovskit dapat dibuat menggunakan “kimia basah” dimana bahan seperti methylammonium lead iodide, methylammonium halide, dan aditif lainnya dicampur bersama dalam larutan.
Campuran tersebut kemudian diendapkan pada substrat seperti kaca, oksida logam, polimer fleksibel, sel surya silikon, atau bahkan kayu transparan.
Baca: Proses Pembuatan Panel Surya
Pengendapan larutan perovskit biasanya dilakukan melalui spin-coating, yang memiliki konsep yang sama dengan mesin Spin-Art yang digunakan anak-anak untuk membuat lukisan noda di atas kertas tebal.
Solusinya diteteskan atau disemprotkan ke substrat, yang kemudian diputar dengan kecepatan yang cukup tinggi untuk menyebarkan lapisan tipis larutan ke permukaannya.
Ketika pelarut dalam campuran menguap, mereka meninggalkan film perovskit; lapisan tipis kristal perovskit yang siap disambungkan ke sel surya.
Jenis-jenis Sel Surya Perovskit
Semua sel surya, tidak peduli terbuat dari apa, memiliki kesamaan tertentu. Semua harus memiliki setidaknya satu lapisan negatif dan satu lapisan positif bahan fotovoltaik.
Mereka juga harus memiliki elektroda depan dan belakang yang konduktif untuk membawa elektron bermuatan matahari dari lapisan negatif sepanjang kawat untuk menghasilkan listrik sebelum mengembalikannya ke lapisan positif.
Baca: Jenis-Jenis Panel Surya
Setelah dipasang di modul surya, sel disegel dalam lapisan enkapsulasi untuk melindunginya dari kerusakan akibat cuaca.
Pada dasarnya ada dua jenis sel surya perovskit yang berbeda: sel film tipis dengan perovskit sebagai satu-satunya bahan fotovoltaik dan sel tandem yang memiliki banyak lapisan perovskit atau lapisan perovskit tipis di atas silikon kristal tradisional.
Untuk sedikit memperumit masalah, ada juga sel tandem film tipis dengan lapisan perovskit di atas tembaga indium gallium selenide (CIGS), yang merupakan teknologi surya film tipis yang sudah disempurnakan.
Perovskit menarik karena dapat mengubah energi matahari menjadi listrik hampir sama baiknya dengan silikon, tetapi berpotensi dapat diproduksi jauh lebih murah. Sayangnya, ada kelemahan perovskit.
Kelebihan Perovskit
Adapun kelebihan sel surya perovskit yakni sebagai berikut:
- Relatif mudah untuk diproduksi dan disimpan ke permukaan menggunakan proses berbiaya rendah
- Potensi efisiensi konversi daya tinggi
- Celah pita dapat diproduksi menjadi hampir ideal untuk pembangkit energi surya
- Produksi membutuhkan bahan 20 kali lebih sedikit daripada sel silikon
- Tidak menggunakan logam tanah jarang
- Proses manufaktur jauh lebih hemat energi daripada sel surya tradisional
Kekurangan Perovskit
Adapun kekurangan sel surya perovskit yakni sebagai berikut:
- Perovskites rusak dari waktu ke waktu ketika terkena kelembaban, cahaya, panas dan oksigen, yang berarti perlu ada teknologi tambahan yang dikembangkan untuk menstabilkan sel untuk digunakan secara luas
- Perovskit terbaik dalam menghasilkan energi mengandung timbal yang merupakan neurotoksin, namun industri sedang mencari cara untuk mengurangi potensi toksisitas perovskit
- Sel perovskite belum siap untuk dijual komersial
Keuntungan bahan perovskit untuk aplikasi fotovoltaik sulit dilebih-lebihkan, dan para peneliti telah membuat beberapa kemajuan dalam memecahkan kekurangan kandungan timbal dan stabilitas bahan.
Beberapa solusi yang mungkin termasuk mengganti perovskit timbal dengan berbahan dasar timah (walaupun perovskit timah eksperimental memiliki efisiensi konversi daya yang jauh lebih rendah).
Lalu dengan enkapsulan polimer khusus yang mengikat timah dan menghentikannya dari pencucian jika sel menjadi rusak.
Produsen Sel Surya Perovskite
Hampir semua sel surya perovskite saat ini dibuat oleh para peneliti di tempat-tempat seperti National Renewable Energy Laboratory (NREL) untuk ditusuk, didorong, dan diuji kemampuannya untuk menghasilkan tenaga surya serta stabilitas dan daya tahan jangka panjang di bawah kondisi lingkungan umum.
Sebagian besar adalah sel uji sebesar prangko, sehingga tidak siap untuk dijual ke publik. Namun, ada beberapa perusahaan yang mengatakan bahwa komersialisasi perovskit skala besar akan segera terwujud.
Baca: Kelebihan dan Kekurangan Panel Surya AC
Salah satu perusahaan tersebut yaitu Oxford PV yang menyebut sel tandem perovskit/silikon efisiensi tinggi hampir siap untuk diproduksi.
Terobosan besar Oxford dalam fotovoltaik perovskit adalah efisiensi sel tandem hingga 29,52% pada bulan Desember 2020, dimana menjadi efisiensi tertinggi yang pernah diverifikasi dalam sel surya.
Perusahaan lain, Saule Technologies, saat ini sedang mencari mitra lisensi untuk “kinetik solar blinds,” yang menampilkan perovskites inkjet-cetak ditambahkan ke gaya venetian blinds berbilah lebar, seperti yang terlihat pada gambar di bawah.
Saule Technologies menarik karena didirikan oleh Olga Malinkiewicz, yang membuat penemuan terobosan dalam teknologi perovskite saat bekerja sebagai mahasiswa PhD di Universitas Valencia. Karyanya adalah salah satu katalis untuk pertumbuhan eksplosif dalam penelitian perovskit.
Kesimpulan
Perovskit adalah bahan dengan struktur kristal tertentu yang menunjukkan efek fotovoltaik (listrik dari cahaya). Bahan-bahan ini memiliki potensi untuk merevolusi industri surya dengan sangat meningkatkan efisiensi dan mengurangi biaya untuk memproduksi panel surya.
Baca: Teknologi Baru Panel Surya, Mana yang Akan Jadi Masa Depan?
Para ilmuwan telah bekerja keras untuk menyempurnakan bahan-bahan ini sejak 2009 dan sel surya yang tersedia secara komersial mungkin akan segera terwujud.
Keuntungan perovskit untuk membuat sel surya sulit untuk dilebih-lebihkan, tetapi ada kelemahannya seperti adanya timbal dalam bahan ini yang harus diatasi sebelum diproduksi masal.
