Terobosan baru dalam teknologi surya dengan pengembangan sel surya perovskit menawarkan efisiensi yang lebih besar dan pengurangan biaya dibandingkan sel silikon tradisional. Inovasi ini mengatasi tantangan komersialisasi yang besar, terutama meningkatkan stabilitas sel dan proses manufaktur. Sel perovskit diposisikan untuk mentransformasi pasar tenaga surya, dengan potensi penerapan yang meluas hingga memberi daya pada kendaraan dan memajukan penggunaan energi terbarukan.
Dunia energi surya siap menghadapi revolusi. Para ilmuwan berlomba untuk mengembangkan sel surya jenis baru menggunakan bahan yang dapat mengubah listrik lebih efisien dibandingkan panel saat ini.
Dalam makalah baru yang diterbitkan di jurnal Energi Alamseorang peneliti Universitas Colorado Boulder dan kolaborator internasionalnya meluncurkan metode inovatif untuk memproduksi sel surya baru, yang dikenal sebagai sel perovskit, sebuah pencapaian penting untuk komersialisasi apa yang oleh banyak orang dianggap sebagai teknologi surya generasi berikutnya.
Saat ini, hampir semua panel surya terbuat dari silikon, yang menawarkan efisiensi sebesar 22%. Ini berarti panel silikon hanya dapat mengubah sekitar seperlima energi matahari menjadi listrik karena bahan tersebut hanya menyerap sebagian kecil panjang gelombang sinar matahari. Memproduksi silikon juga mahal dan boros energi.
Masukkan perovskit. Bahan semikonduktor sintetik memiliki potensi untuk mengubah tenaga surya jauh lebih banyak dibandingkan silikon dengan biaya produksi lebih rendah.
Meningkatkan Efisiensi Melalui Inovasi
Para ilmuwan telah menguji sel surya perovskit dengan menumpuknya di atas sel silikon tradisional untuk membuat sel tandem. Melapisi kedua bahan tersebut, yang masing-masing menyerap bagian spektrum matahari yang berbeda, berpotensi meningkatkan efisiensi panel hingga lebih dari 50%.
“Kita masih melihat elektrifikasi yang pesat, dengan semakin banyak mobil yang menggunakan listrik. Kami berharap untuk menghentikan lebih banyak pembangkit listrik tenaga batubara dan pada akhirnya menyingkirkan pembangkit listrik tenaga gas alam,” kata McGehee. “Jika Anda yakin bahwa kita akan memiliki masa depan yang sepenuhnya terbarukan, maka Anda berencana memperluas pasar pembangkit listrik tenaga angin dan surya setidaknya lima hingga sepuluh kali lipat dibandingkan saat ini.”
Untuk mencapainya, kata dia, industri harus meningkatkan efisiensi sel surya.
Namun tantangan utama dalam pembuatannya dari perovskit pada skala komersial adalah proses pelapisan semikonduktor ke pelat kaca yang merupakan bahan penyusun panel. Saat ini, proses pelapisan harus dilakukan dalam kotak kecil berisi gas non-reaktif, seperti nitrogen, untuk mencegah perovskit bereaksi dengan oksigen sehingga menurunkan kinerjanya.
“Ini baik-baik saja pada tahap penelitian. Namun saat Anda mulai melapisi pecahan kaca berukuran besar, akan semakin sulit melakukannya dalam kotak berisi nitrogen,” kata McGehee.
McGehee dan kolaboratornya mencari cara untuk mencegah reaksi merusak dengan udara. Mereka menemukan bahwa menambahkan dimetilamonium format, atau DMAFo, ke dalam larutan perovskit sebelum pelapisan dapat mencegah bahan teroksidasi. Penemuan ini memungkinkan pelapisan dilakukan di luar kotak kecil, di udara sekitar. Eksperimen menunjukkan bahwa sel perovskit yang dibuat dengan aditif DMAFo dapat mencapai efisiensi hampir 25%, sebanding dengan rekor efisiensi sel perovskit saat ini sebesar 26%.
Aditif ini juga meningkatkan stabilitas sel.
Prospek dan Penerapan Masa Depan
Panel silikon komersial biasanya dapat mempertahankan setidaknya 80% kinerjanya setelah 25 tahun, dan kehilangan efisiensi sekitar 1% per tahun. Namun sel perovskit lebih reaktif dan terdegradasi lebih cepat di udara. Studi baru menunjukkan bahwa sel perovskit yang dibuat dengan DMAFo mempertahankan 90% efisiensinya setelah para peneliti memaparkannya pada cahaya LED yang meniru sinar matahari selama 700 jam. Sebaliknya, sel yang dibuat di udara tanpa DMAFo terdegradasi dengan cepat hanya dalam waktu 300 jam.
Meskipun ini merupakan hasil yang sangat menggembirakan, ada 8.000 jam kerja dalam satu tahun, katanya. Jadi diperlukan pengujian yang lebih lama untuk menentukan bagaimana sel-sel ini bertahan dari waktu ke waktu.
“Masih terlalu dini untuk mengatakan bahwa panel ini sama stabilnya dengan panel silikon, namun kami berada pada jalur yang baik menuju hal tersebut,” kata McGehee.
Studi ini membawa sel surya perovskit selangkah lebih dekat ke komersialisasi. Pada saat yang sama, tim McGehee secara aktif mengembangkan sel tandem dengan efisiensi nyata lebih dari 30% yang memiliki masa operasional yang sama dengan panel silikon.
McGehee memimpin kemitraan akademis-industri AS yang disebut Tandems for Efficient and Advanced Modules using Ultrastable Perovskites (TEAMUP). Bersama dengan peneliti dari tiga universitas lain, dua perusahaan, dan laboratorium nasional, konsorsium tersebut menerima dana $9 juta dari Departemen Energi AS tahun lalu untuk mengembangkan perovskit tandem stabil yang layak digunakan di dunia nyata dan layak secara komersial. Tujuannya adalah untuk menciptakan tandem yang lebih efisien dibandingkan panel silikon konvensional dan sama stabilnya selama periode 25 tahun.
Dengan efisiensi yang lebih tinggi dan potensi harga yang lebih rendah, sel tandem ini dapat memiliki aplikasi yang lebih luas dibandingkan panel silikon yang ada, termasuk potensi pemasangan pada atap kendaraan listrik. Mereka dapat menambah jarak tempuh 15 hingga 25 mil per hari pada mobil yang ditinggalkan di bawah sinar matahari, cukup untuk menempuh perjalanan sehari-hari banyak orang. Drone dan perahu layar juga dapat ditenagai oleh panel semacam itu.
Setelah satu dekade meneliti perovskit, para insinyur telah membangun sel perovskit yang sama efisiennya dengan sel silikon, yang ditemukan 70 tahun lalu, kata McGehee. “Kami membawa perovskit ke garis finis. Jika tandem ini berjalan dengan baik, tentu berpotensi mendominasi pasar dan menjadi sel surya generasi berikutnya,” ujarnya.
Referensi: “Penghambatan oksidasi halida dan deprotonasi kation dengan format dimetilamonium organik untuk sel surya perovskit p–i–n yang diproses di udara” oleh Hongguang Meng, Kaitian Mao, Fengchun Cai, Kai Zhang, Shaojie Yuan, Tieqiang Li, Fangfang Cao, Zhenhuang Su, Zhengjie Zhu, Xingyu Feng, Wei Peng, Jiahang Xu, Yan Gao, Vivi Chen, Chuanxiao Xiao, Xiaojun Wu, Michael D. McGehee dan Jixian Xu, 26 Februari 2024, Energi Alam.
DOI: 10.1038/s41560-024-01471-4
