Sumber: news.mit.edu
Perovskite menjanjikan untuk membuat panel surya yang dapat dengan mudah disimpan ke sebagian besar permukaan, termasuk yang fleksibel dan bertekstur. Bahan-bahan ini juga ringan, murah untuk diproduksi, dan seefisien bahan fotovoltaik terkemuka saat ini, yang sebagian besar adalah silikon. Mereka adalah subjek penelitian dan investasi yang meningkat, tetapi perusahaan yang ingin memanfaatkan potensi mereka harus mengatasi beberapa rintangan yang tersisa sebelum sel surya berbasis perovskite dapat bersaing secara komersial.
Istilah perovskit tidak mengacu pada bahan tertentu, seperti silikon atau kadmium telluride, pesaing utama lainnya di bidang fotovoltaik, tetapi seluruh keluarga senyawa. Famili perovskite dari bahan surya dinamai berdasarkan kesamaan strukturalnya dengan mineral yang disebut perovskite, yang ditemukan pada tahun 1839 dan dinamai ahli mineral Rusia LA Perovski.
Mineral perovskit asli, yaitu kalsium titanium oksida (CaTiO3), memiliki konfigurasi kristal yang khas. Ini memiliki struktur tiga bagian, yang komponennya diberi label A, B dan X, di mana kisi-kisi dari komponen yang berbeda saling terkait. Keluarga perovskit terdiri dari banyak kemungkinan kombinasi elemen atau molekul yang dapat menempati masing-masing dari tiga komponen dan membentuk struktur yang mirip dengan perovskit asli itu sendiri. (Beberapa peneliti bahkan sedikit membengkokkan aturan dengan menamai struktur kristal lain dengan elemen serupa "perovskit", meskipun hal ini tidak disukai oleh ahli kristalografi.)
"Anda dapat mencampur dan mencocokkan atom dan molekul ke dalam struktur, dengan beberapa batasan. Misalnya, jika Anda mencoba memasukkan molekul yang terlalu besar ke dalam struktur, Anda akan mendistorsinya. Akhirnya Anda dapat menyebabkan kristal 3D terpisah menjadi struktur berlapis 2D, atau kehilangan struktur yang tertata seluruhnya," kata Tonio Buonassisi, profesor teknik mesin di MIT dan direktur Laboratorium Penelitian Fotovoltaik. "Perovskites sangat merdu, seperti jenis struktur kristal build-your-own-adventure," katanya.
Struktur kisi interlaced itu terdiri dari ion atau molekul bermuatan, dua di antaranya (A dan B) bermuatan positif dan yang lainnya (X) bermuatan negatif. Ion A dan B biasanya memiliki ukuran yang sangat berbeda, dengan A lebih besar.
Dalam kategori keseluruhan perovskit, ada sejumlah jenis, termasuk perovskit oksida logam, yang telah menemukan aplikasi dalam katalisis dan dalam penyimpanan dan konversi energi, seperti dalam sel bahan bakar dan baterai logam-udara. Tetapi fokus utama dari kegiatan penelitian selama lebih dari satu dekade adalah perovskit timbal halida, menurut Buonassisi.
Dalam kategori tersebut, masih ada banyak sekali kemungkinan, dan laboratorium di seluruh dunia berlomba melalui pekerjaan yang melelahkan untuk mencoba menemukan variasi yang menunjukkan kinerja terbaik dalam hal efisiensi, biaya, dan daya tahan — yang sejauh ini merupakan yang paling menantang. dari ketiganya.
Banyak tim juga berfokus pada variasi yang menghilangkan penggunaan timbal, untuk menghindari dampak lingkungannya. Buonassisi mencatat, bagaimanapun, bahwa "secara konsisten dari waktu ke waktu, perangkat berbasis timah terus meningkatkan kinerjanya, dan tidak ada komposisi lain yang mendekati kinerja elektronik." Pekerjaan terus mengeksplorasi alternatif, tetapi untuk saat ini tidak ada yang dapat bersaing dengan versi timbal halida.
Salah satu keuntungan besar yang ditawarkan perovskit adalah toleransi mereka yang besar terhadap cacat dalam struktur, katanya. Tidak seperti silikon, yang membutuhkan kemurnian sangat tinggi untuk berfungsi dengan baik di perangkat elektronik, perovskit dapat berfungsi dengan baik bahkan dengan banyak ketidaksempurnaan dan ketidakmurnian.
Mencari kandidat komposisi baru yang menjanjikan untuk perovskite mirip seperti mencari jarum di tumpukan jerami, tetapi baru-baru ini para peneliti telah menemukan sistem pembelajaran mesin yang dapat sangat merampingkan proses ini. Pendekatan baru ini dapat mengarah pada pengembangan alternatif baru yang jauh lebih cepat, kata Buonassisi, yang merupakan salah satu penulis penelitian tersebut.
Sementara perovskites terus menunjukkan harapan besar, dan beberapa perusahaan sudah bersiap untuk memulai beberapa produksi komersial, daya tahan tetap menjadi kendala terbesar yang mereka hadapi. Sementara panel surya silikon mempertahankan hingga 90 persen dari output dayanya setelah 25 tahun, perovskite menurun jauh lebih cepat. Kemajuan besar telah dibuat — sampel awal hanya bertahan beberapa jam, kemudian berminggu-minggu atau berbulan-bulan, tetapi formulasi yang lebih baru memiliki masa pakai yang dapat digunakan hingga beberapa tahun, cocok untuk beberapa aplikasi di mana umur panjang tidak penting.
Dari perspektif penelitian, kata Buonassisi, salah satu keuntungan dari perovskit adalah relatif mudah dibuat di laboratorium - konstituen kimia mudah dirakit. Tapi itu juga sisi negatifnya: "Bahannya sangat mudah menyatu pada suhu kamar," katanya, "tetapi juga mudah lepas pada suhu kamar. Mudah datang, mudah pergi!"
Untuk mengatasi masalah tersebut, sebagian besar peneliti berfokus pada penggunaan berbagai jenis bahan pelindung untuk membungkus perovskit, melindunginya dari paparan udara dan kelembapan. Tetapi yang lain sedang mempelajari mekanisme pasti yang mengarah pada degradasi itu, dengan harapan menemukan formulasi atau perawatan yang lebih kuat secara inheren. Temuan utama adalah bahwa proses yang disebut autocatalysis sebagian besar harus disalahkan atas kerusakan tersebut.
Dalam autocatalysis, segera setelah satu bagian dari bahan mulai terdegradasi, produk reaksinya bertindak sebagai katalis untuk mulai mendegradasi bagian struktur yang berdekatan, dan reaksi pelarian akan berlangsung. Masalah serupa muncul dalam penelitian awal pada beberapa bahan elektronik lainnya, seperti dioda pemancar cahaya organik (OLED), dan akhirnya diselesaikan dengan menambahkan langkah pemurnian tambahan pada bahan mentah, sehingga solusi serupa dapat ditemukan dalam kasus perovskites, saran Buonassisi.
Buonassisi dan rekan penelitinya baru-baru ini menyelesaikan studi yang menunjukkan bahwa setelah perovskit mencapai masa hidup yang dapat digunakan setidaknya satu dekade, berkat biaya awal yang jauh lebih rendah yang akan cukup untuk membuatnya layak secara ekonomi sebagai pengganti silikon dalam jumlah besar, utilitas- peternakan surya skala.
Secara keseluruhan, kemajuan dalam pengembangan perovskit sangat mengesankan dan membesarkan hati, katanya. Dengan hanya beberapa tahun kerja, itu telah mencapai efisiensi yang sebanding dengan tingkat yang cadmium telluride (CdTe), "yang telah ada lebih lama, masih berjuang untuk mencapainya," katanya. "Kemudahan mencapai kinerja yang lebih tinggi ini dalam materi baru ini hampir mencengangkan." Membandingkan jumlah waktu penelitian yang dihabiskan untuk mencapai peningkatan efisiensi sebesar 1 persen, katanya, kemajuan pada perovskit berada di antara 100 dan 1,000 kali lebih cepat daripada pada CdTe. "Itulah salah satu alasan mengapa ini sangat menarik," katanya.