Sumber:news.northwestern.edu
Temuan yang diterbitkan hari ini (17 November) di jurnal Science, menggambarkan solusi molekul ganda untuk mengatasi hilangnya efisiensi saat sinar matahari diubah menjadi energi. Dengan menggabungkan pertama, sebuah molekul untuk mengatasi sesuatu yang disebut rekombinasi permukaan, di mana elektron hilang ketika mereka terjebak oleh cacat – atom yang hilang di permukaan, dan molekul kedua untuk mengganggu rekombinasi pada antarmuka antar lapisan, tim mencapai National Renewable Energy Lab (NREL) mensertifikasi efisiensi sebesar 25,1% sedangkan pendekatan sebelumnya hanya mencapai efisiensi 24,09%.
“Teknologi tenaga surya perovskit bergerak cepat, dan penekanan penelitian dan pengembangan beralih dari penyerap massal ke antarmuka,” kata profesor Northwestern, Ted Sargent. “Ini adalah titik kritis untuk lebih meningkatkan efisiensi dan stabilitas dan membawa kita lebih dekat ke jalur yang menjanjikan menuju pemanenan tenaga surya yang lebih efisien.”
Sargent adalah salah satu direktur eksekutif Institut Keberlanjutan dan Energi Paula M. Trienens (sebelumnya ISEN) dan peneliti multidisiplin dalam kimia material dan sistem energi, dengan penunjukan di departemen kimia di Sekolah Tinggi Seni dan Sains Weinberg dan Sekolah Tinggi Ilmu Pengetahuan Weinberg. departemen teknik elektro dan komputer di McCormick School of Engineering.
Sel surya konvensional terbuat dari wafer silikon dengan kemurnian tinggi yang memerlukan banyak energi untuk diproduksi dan hanya dapat menyerap rentang spektrum matahari yang tetap.
Bahan perovskit yang ukuran dan komposisinya dapat disesuaikan untuk "menyesuaikan" panjang gelombang cahaya yang diserapnya, menjadikannya teknologi tandem baru yang menguntungkan dan berpotensi berbiaya lebih rendah serta efisiensi tinggi.
Secara historis sel surya perovskit telah diganggu oleh tantangan untuk meningkatkan efisiensi karena ketidakstabilan relatifnya. Selama beberapa tahun terakhir, kemajuan dari laboratorium Sargent dan laboratorium lainnya telah membawa efisiensi sel surya perovskit ke kisaran yang sama dengan yang dapat dicapai dengan silikon.
Dalam penelitian ini, alih-alih mencoba membantu sel menyerap lebih banyak sinar matahari, tim berfokus pada masalah pemeliharaan dan retensi elektron yang dihasilkan untuk meningkatkan efisiensi. Ketika lapisan perovskit bersentuhan dengan lapisan transpor elektron sel, elektron berpindah dari satu lapisan ke lapisan lainnya. Namun elektron dapat bergerak kembali ke luar dan mengisi, atau “bergabung kembali” dengan lubang yang ada pada lapisan perovskit.
“Rekombinasi pada antarmuka itu rumit,” kata penulis pertama Cheng Liu, seorang mahasiswa pascadoktoral di laboratorium Sargent, yang diawasi bersama oleh Profesor Kimia Mercouri Kanatzidis dari Charles E. dan Emma H. Morrison. “Sangat sulit menggunakan satu jenis molekul untuk mengatasi rekombinasi kompleks dan mempertahankan elektron, jadi kami mempertimbangkan kombinasi molekul apa yang dapat kami gunakan untuk memecahkan masalah ini secara lebih komprehensif.”
Penelitian sebelumnya dari tim Sargent telah menemukan bukti bahwa satu molekul, PDAI2, mampu menyelesaikan rekombinasi antarmuka dengan baik. Selanjutnya mereka perlu menemukan molekul yang dapat memperbaiki cacat permukaan dan mencegah elektron bergabung kembali dengannya.
Dengan menemukan mekanisme yang memungkinkan PDAI2 bekerja dengan molekul sekunder, tim mempersempit sulfur, yang dapat menggantikan gugus karbon – yang biasanya buruk dalam mencegah pergerakan elektron – untuk menutupi atom yang hilang dan menekan rekombinasi.
“Dalam mengatasi inefisiensi inti yang ditemukan pada sel surya perovskit terbalik, yang sebagian besar disebabkan oleh kerugian rekombinasi nonradiatif, standar baru dalam efisiensi sel surya sedang ditetapkan,” kata profesor Northwestern, Mercouri Kanatzidis. “Ini adalah ilustrasi utama tentang bagaimana bidang kimia material canggih dapat secara signifikan meningkatkan efisiensi konversi energi dan umur panjang teknologi fotovoltaik perovskit yang sedang berkembang.”
Kanatzidis adalah otoritas terkemuka di bidang kimia material dan solusi energi berkelanjutan, dengan penunjukan ganda di departemen kimia Weinberg dan departemen ilmu dan teknik material di McCormick.
“Kami gembira bahwa strategi bimolekuler kami menunjukkan penerapan pada berbagai komposisi perovskit, termasuk komposisi yang menjanjikan untuk sel surya tandem,” kata Bin Chen, asisten profesor peneliti kimia dan salah satu penulis makalah tersebut.
Sebuah makalah baru-baru ini oleh kelompok yang sama yang diterbitkan di Nature mengembangkan lapisan substrat di bawah lapisan perovskit untuk membantu sel bekerja pada suhu yang lebih tinggi untuk jangka waktu yang lebih lama. Solusi ini, menurut Liu, dapat sejalan dengan temuan dalam makalah Science.
Meskipun tim berharap temuan mereka akan mendorong komunitas ilmiah yang lebih luas untuk terus melanjutkan penelitian ini, mereka juga akan melakukan tindak lanjut.
“Kita harus menggunakan strategi yang lebih fleksibel untuk memecahkan masalah antarmuka yang kompleks,” kata Cheng. “Kami tidak bisa hanya menggunakan satu jenis molekul, seperti yang dilakukan orang-orang sebelumnya. Kami menggunakan dua molekul untuk menyelesaikan dua jenis rekombinasi, tapi kami yakin ada lebih banyak jenis rekombinasi terkait cacat pada antarmuka. Kami perlu mencoba menggunakan lebih banyak molekul untuk berkumpul dan memastikan semua molekul bekerja sama tanpa merusak fungsi satu sama lain."
