Sumber: cei.washington.edu/
Apa itu perovskit?
Perovskit adalah bahan yang memiliki struktur kristal yang sama dengan mineral kalsium titanium oksida, kristal perovskit yang pertama kali ditemukan. Umumnya, senyawa perovskit memiliki rumus kimia ABX3, di mana 'A' dan 'B' mewakili kation dan X adalah anion yang mengikat keduanya. Sejumlah besar elemen yang berbeda dapat digabungkan bersama untuk membentuk struktur perovskit. Dengan menggunakan fleksibilitas komposisi ini, para ilmuwan dapat merancang kristal perovskit untuk memiliki berbagai macam karakteristik fisik, optik, dan listrik. Kristal perovskite ditemukan hari ini di mesin ultrasound, chip memori, dan sekarang - sel surya.
Skema struktur kristal perovskit. (Wikimedia Commons)
Aplikasi energi bersih perovskit
Semua sel surya fotovoltaik mengandalkan semikonduktor - bahan di tengah antara isolator listrik seperti kaca dan konduktor logam seperti tembaga - untuk mengubah energi dari cahaya menjadi listrik. Cahaya dari matahari menggairahkan elektron dalam bahan semikonduktor, yang mengalir ke elektroda konduktor dan menghasilkan arus listrik.
Silikon telah menjadi bahan semikonduktor utama yang digunakan dalam sel surya sejak 1950-an, karena sifat semikonduktornya selaras dengan spektrum sinar matahari dan relatif berlimpah dan stabil. Namun, kristal silikon besar yang digunakan dalam panel surya konvensional memerlukan proses manufaktur multi-langkah yang mahal yang menggunakan banyak energi. Dalam mencari alternatif, para ilmuwan telah memanfaatkan kemampuan perovskit untuk membuat semikonduktor dengan sifat yang mirip dengan silikon. Sel surya perovskite dapat diproduksi menggunakan teknik deposisi aditif sederhana, seperti pencetakan, dengan biaya dan energi yang lebih kecil. Karena fleksibilitas komposisi perovskit, mereka juga dapat disetel agar sesuai dengan spektrum matahari secara ideal.
Pada tahun 2012, para peneliti pertama kali menemukan cara membuat sel surya perovskit film tipis yang stabil dengan efisiensi konversi foton-ke-elektron ringan lebih dari 10%, menggunakan perovskit halida timbal sebagai lapisan penyerap cahaya. Sejak saat itu, efisiensi konversi sinar matahari menjadi energi listrik dari sel surya perovskit telah meroket, dengan rekor laboratorium mencapai 25,2%. Para peneliti juga menggabungkan sel surya perovskit dengan sel surya silikon konvensional – rekor efisiensi untuk sel tandem “perovskit pada silikon” ini saat ini 29,1% (melampaui rekor 27% untuk sel silikon konvensional) dan meningkat pesat. Dengan lonjakan efisiensi sel yang cepat ini, sel surya perovskit dan sel surya tandem perovskit akan segera menjadi alternatif yang murah dan sangat efisien untuk sel surya silikon konvensional.
Penampang sel surya perovskit. (Lembaga Energi Bersih)
Apa saja tujuan penelitian saat ini?
Sementara sel surya perovskit, termasuk perovskit pada tandem silikon, dikomersialkan oleh lusinan perusahaan di seluruh dunia, masih ada tantangan sains dan teknik dasar yang harus diatasi yang dapat meningkatkan kinerja, keandalan, dan kemampuan manufakturnya.
Beberapa peneliti perovskit terus mendorong efisiensi konversi dengan mengkarakterisasi cacat pada perovskit. Sementara semikonduktor perovskit sangat toleran terhadap cacat, cacat masih berdampak negatif terhadap kinerja, terutama yang terjadi pada permukaan lapisan aktif. Peneliti lain sedang mengeksplorasi formulasi kimia perovskit baru, baik untuk menyesuaikan sifat elektroniknya untuk aplikasi tertentu (seperti tumpukan sel tandem), atau lebih meningkatkan stabilitas dan masa pakainya.
Para peneliti juga sedang mengerjakan desain sel baru, strategi enkapsulasi baru untuk melindungi perovskit dari lingkungan, dan untuk memahami jalur degradasi dasar sehingga mereka dapat menggunakan studi penuaan yang dipercepat untuk memprediksi bagaimana sel surya perovskit akan bertahan di atap. Yang lain dengan cepat mengeksplorasi berbagai proses manufaktur, termasuk cara mengadaptasi “tinta” perovskit ke metode pencetakan solusi skala besar yang sudah mapan. Akhirnya, sementara perovskit berkinerja terbaik saat ini dibuat dengan sedikit timbal, para peneliti juga mengeksplorasi komposisi alternatif dan strategi enkapsulasi baru, untuk mengurangi kekhawatiran yang terkait dengan toksisitas timbal.
Bagaimana CEI memajukan perovskit?
Kristal perovskit sering menunjukkan cacat skala atom yang dapat mengurangi efisiensi konversi matahari. Ketua Ilmuwan dan profesor kimia CEI David Ginger telah mengembangkan teknik "pasifasi", memperlakukan perovskit dengan senyawa kimia yang berbeda untuk menyembuhkan cacat ini. Tetapi ketika kristal perovskit dirakit menjadi sel surya, elektroda pengumpul arus dapat membuat cacat tambahan. Pada tahun 2019, Ginger dan kolaborator di Georgia Tech menerima dana dari Kantor Teknologi Energi Surya (SETO) Departemen Energi AS untuk mengembangkan strategi pasivasi baru dan bahan pengumpul muatan baru, yang memungkinkan sel surya perovskit mencapai potensi efisiensi penuhnya sambil tetap kompatibel dengan manufaktur berbiaya rendah.
Profesor kimia Daniel Gamelin dan kelompoknya bertujuan untuk memodifikasi sel surya silikon dengan pelapis perovskit untuk mengumpulkan foton energi tinggi cahaya biru secara lebih efisien, melewati batas teoritis konversi 33% untuk sel silikon konvensional. Gamelin dan timnya telah mengembangkan titik-titik kuantum perovskit — partikel kecil ribuan kali lebih kecil dari rambut manusia — yang dapat menyerap foton berenergi tinggi dan memancarkan dua kali lebih banyak foton berenergi rendah, sebuah proses yang disebut “pemotongan kuantum.” Setiap foton yang diserap oleh sel surya menghasilkan satu elektron, sehingga lapisan titik kuantum perovskit dapat secara dramatis meningkatkan efisiensi konversi.
Gamelin dan timnya telah membentuk perusahaan spin-off bernama BlueDot Photonics untuk mengkomersialkan teknologi tersebut. Dengan pendanaan dari SETO, Gamelin dan BlueDot sedang mengembangkan teknik deposisi untuk membuat film tipis dari bahan perovskit untuk sel surya area luas dan untuk meningkatkan sel surya silikon konvensional.
Profesor teknik kimia Hugh Hillhouse menggunakan algoritme pembelajaran mesin untuk membantu penelitian perovskit. Menggunakan fotoluminesensi yang ditangkap oleh video berkecepatan tinggi, Hillhouse dan kelompoknya menguji berbagai perovskit hibrida untuk stabilitas jangka panjang. Eksperimen ini menghasilkan kumpulan data yang sangat besar, tetapi dengan menggunakan pembelajaran mesin, mereka bertujuan untuk menghasilkan model prediktif degradasi untuk sel surya perovskit. Model ini dapat membantu mereka mengoptimalkan susunan kimiawi dan struktur sel surya perovskit untuk stabilitas jangka panjang — penghalang utama untuk komersialisasi.
Di theWashington Clean Energy Testbeds, fasilitas lab akses terbuka yang dioperasikan oleh CEI, peneliti dan pengusaha dapat menggunakan peralatan canggih untuk mengembangkan, menguji, dan menskalakan teknologi seperti sel surya perovskit. Menggunakan printer roll to roll di Testbeds, tinta perovskite dapat dicetak pada suhu rendah ke media yang fleksibel. Direktur teknis TestbedsJ. Devin MacKenzie, seorang profesor ilmu material& engineering and mechanical engineering di UW, adalah pakar material dan teknik untuk manufaktur dengan throughput tinggi dan jejak karbon rendah. Salah satu proyek grupnya yang paling aktif, yang juga didanai oleh SETO, sedang mengembangkan instrumen in situ yang dapat mengukur pertumbuhan kristal perovskit saat mereka disimpan dengan cepat selama pencetakan roll-to-roll.Dengan dukungan dari Pusat Bersama untuk Pengembangan dan Research of Earth Abundant Materials (JCDREAM), kelompok MacKenzie juga menggunakan printer resolusi tertinggi di dunia untuk mengembangkan elektroda baru untuk menarik arus listrik keluar dari sel surya perovskit tanpa menghalangi sinar matahari masuk ke dalam sel.
Direktur Teknis Testbeds Energi Bersih Washington J. Devin MacKenzie mendemonstrasikan printer roll-to-roll multi-tahap Testbeds untuk elektronik fleksibel. (Lembaga Energi Bersih)