Stasiun pengukuran fotoluminesensi HDR: Dr. Genghua Yan bertanggung jawab atas sebagian besar pengukuran. Kredit: Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach
Para peneliti di Forschungszentrum Jülich telah mengidentifikasi bentuk perlindungan khusus terhadap rekombinasi pembawa muatan bebas dalam sel surya perovskit, yang ditemukan melalui pengukuran fotoluminesensi inovatif.
Sel surya perovskit, yang dikenal dengan efisiensi tinggi dan biaya produksi yang relatif rendah, selalu mengejutkan para peneliti. Baru-baru ini, para ilmuwan di Forschungszentrum Jülich mengungkapkan aspek baru dari sel-sel ini menggunakan metode pengukuran fotoluminesensi yang inovatif. Mereka menemukan bahwa hilangnya pembawa muatan dalam sel jenis ini mengikuti hukum fisika yang berbeda dari yang diketahui kebanyakan orang semikonduktor. Perilaku unik ini dapat menjelaskan efisiensi sel yang mengesankan. Temuan ini dipublikasikan di jurnal Nature Materials.
Sel surya perovskit dianggap sangat menjanjikan untuk fotovoltaik, meskipun stabilitasnya masih jauh dari yang diinginkan. Sel jenis ini tidak mahal untuk dicetak dan sangat efisien. Dalam dekade terakhir, efisiensinya meningkat dua kali lipat menjadi lebih dari 25% dan oleh karena itu saat ini setara dengan sel surya konvensional yang terbuat dari silikon. Perbaikan lebih lanjut juga tampaknya dapat dilakukan di masa depan.
“Faktor penting di sini adalah pertanyaan tentang berapa lama pembawa muatan tereksitasi bertahan dalam material, dengan kata lain, masa hidup mereka,” jelas Thomas Kirchartz. “Memahami prosesnya sangat penting untuk lebih meningkatkan efisiensi sel surya berbasis perovskit.” Insinyur listrik ini adalah ketua kelompok kerja sel surya organik dan hibrida di Institut Penelitian Energi dan Iklim Forschungszentrum Jülich (IEK-5).
Yang terpenting adalah seumur hidup
Dalam sel surya, elektron dikeluarkan oleh foton dan dinaikkan ke tingkat energi yang lebih tinggi dari pita valensi ke pita konduksi. Hanya dengan cara ini mereka dapat bergerak lebih bebas dan mengalir melalui sirkuit eksternal. Bahan-bahan tersebut hanya dapat berkontribusi pada pembangkitan energi listrik jika masa pakainya cukup lama sehingga dapat melewati bahan penyerap ke kontak listrik. Elektron yang tereksitasi juga meninggalkan lubang pada pita valensi yang mendasarinya – sebuah kekosongan bergerak yang dapat dipindahkan melalui material seperti pembawa muatan positif.
Hal ini terutama disebabkan oleh cacat pada kisi kristal yang memastikan bahwa elektron yang tereksitasi dengan cepat turun kembali ke tingkat energi yang lebih rendah lagi. Elektron yang terpengaruh kemudian tidak lagi mampu berkontribusi pada aliran arus. “Mekanisme ini juga dikenal sebagai rekombinasi dan merupakan proses hilangnya utama setiap sel surya,” kata Kirchartz.
Prof Thomas Kirchartz menggunakan metode analisis inovatif untuk meneliti sel surya baru yang dapat dicetak, misalnya dari perovskit halida atau semikonduktor molekuler. Kredit: Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach
Rekombinasi penting untuk efisiensi
Tidak ada sel surya yang sempurna pada tingkat atom; masing-masing memiliki jenis cacat yang berbeda-beda akibat proses pembuatannya. Cacat atau atom asing pada struktur kisi ini adalah titik pengumpulan di mana elektron dan lubang cenderung berkumpul. Elektron kemudian jatuh kembali ke pita valensi dan menjadi tidak berguna dalam pembangkitan listrik.
“Sebelumnya diasumsikan bahwa rekombinasi sebagian besar dipicu oleh cacat yang terletak secara energetik di tengah-tengah antara pita valensi dan konduksi. Hal ini karena cacat yang dalam ini juga dapat diakses oleh elektron yang tereksitasi dan pasangannya, yaitu lubang,” kata Kirchartz. Memang, hal ini mungkin berlaku untuk sebagian besar jenis sel surya.
Cacat dangkal mendominasi
Namun, Kirchartz dan timnya kini telah membantah asumsi sel surya perovskit tersebut dan menunjukkan bahwa cacat dangkal pada akhirnya menentukan efisiensi akhirnya. Berbeda dengan cacat dalam, cacat ini tidak terletak di tengah celah pita, namun sangat dekat dengan pita valensi atau pita konduksi.
“Penyebab perilaku tidak biasa ini belum sepenuhnya diklarifikasi,” tambah Kirchartz. “Masuk akal untuk berasumsi bahwa cacat yang dalam tidak mungkin ada pada material ini. Pembatasan ini mungkin juga menjadi salah satu alasan tingginya efisiensi sel.”
Teknik pengukuran HDR baru dengan rentang dinamis yang diperluas
Pengamatan ini hanya dimungkinkan melalui pengukuran fotoluminesensi transien yang inovatif. Dalam pengukuran sebelumnya, tidak mungkin membedakan proses kerugian yang disebabkan oleh cacat dangkal dengan proses kerugian yang disebabkan oleh faktor lain.
Metode pengukuran baru yang dikembangkan oleh Thomas Kirchartz dan timnya di Forschungszentrum Jülich menghasilkan data dengan rentang dinamis yang meningkat secara signifikan dibandingkan teknologi konvensional, yaitu data pada rentang pengukuran yang lebih besar dan dengan gradasi halus yang lebih baik. Prosesnya didasarkan pada prinsip yang mirip dengan gambar HDR dalam kualitas rentang dinamis tinggi. Rentang dinamis kamera ditingkatkan dengan melapiskan gambar atau pengukuran berbeda – dalam hal ini, sinyal dengan tingkat amplifikasi berbeda – untuk membuat kumpulan data.
Referensi: “Cacat dangkal dan waktu peluruhan fotoluminesensi variabel hingga 280 µs dalam perovskit tiga kation” oleh Ye Yuan, Genghua Yan, Chris Dreessen, Toby Rudolph, Markus Hülsbeck, Benjamin Klingebiel, Jiajiu Ye, Uwe Rau dan Thomas Kirchartz, 9 Januari 2024, Bahan alami.
DOI: 10.1038/s41563-023-01771-2
