Energi Terbarukan Perovskit: Solusi Sel Surya Murah, Efisien dan Fleksibel

          Halo smart people.... generasi muda masa depan! Saat ini dunia sedang berlomba-lomba dalam menangani krisis energi dengan menggunakan energi terbarukan. Caranya adalah dengan menggunakan energi alternatif, salah satunya sel surya perovskite. Sel surya perovskite atau yang dikenal sebagai perovskite solar cells (PSC), merupakan salah satu teknologi fotovoltaik generasi terbaru yang memiliki potensi besar dalam dunia energi terbarukan. Teknologi ini memanfaatkan material perovskite sebagai lapisan utama yang bertanggung jawab untuk menyerap cahaya matahari dan mengubahnya menjadi energi listrik. Perovskite sendiri adalah bahan kristal dengan struktur yang sangat khas, di mana ion logam seperti timbal atau timah terletak di pusat struktur kubus. Struktur ini dikelilingi oleh enam ion halida, seperti fluor, klor, bromin, atau iodium, yang membentuk konfigurasi oktahedron (Rahmanita., 2015).

           Keistimewaan struktur ini membuat material perovskite sangat efisien dalam menyerap spektrum cahaya yang lebih luas dibandingkan dengan sel surya berbasis silikon konvensional. Hal ini memungkinkan PSC untuk mencapai efisiensi konversi energi yang tinggi, menjadikannya sebagai alternatif yang menjanjikan untuk menghasilkan energi bersih dan terjangkau. Selain efisiensinya yang tinggi, perovskite juga menawarkan kelebihan dalam hal biaya produksi yang lebih rendah karena proses pembuatannya dapat dilakukan dengan metode yang lebih sederhana dan hemat energi.

Struktur sel surya perovskite memiliki bagian berupa lapisan-lapisan. Adapun lapisan-lapisan perovskite yang terdiri dari ITO (Indium Timah Oksida) glass, ETL (Electron Transport Layer), Lapisan Perovskite, HTL (Hole Transport Layer), Back Elektroda (Katoda). Lapisan-lapisan tersebut akan dibahas secara rinci sebagai berikut:

1. ITO Glass

Kaca ITO memiliki sifat transparan dan konduktif, yang berperan sebagai substrat utama dalam lapisan sel surya. ITO berfungsi sebagai elektroda transparan (anoda) yang memungkinkan cahaya masuk ke perangkat sekaligus menghantarkan arus listrik. Kehadiran ITO sangat penting untuk mengoptimalkan penyerapan cahaya pada lapisan aktif perovskite.

2. ETL

ETL berperan dalam mengalirkan elektron yang dihasilkan oleh lapisan perovskite menuju elektroda negatif. Selain itu, ETL juga berfungsi mencegah hole mencapai elektroda negatif, sehingga mengurangi rekombinasi elektron-hole yang bisa menurunkan efisiensi perangkat. Bahan ETL yang sering digunakan adalah ZnO, TiO2, dan SnO2 (Noman et al., 2024).

3. Lapisan Perovskit

Lapisan ini adalah komponen aktif utama dalam sel surya perovskite. Lapisan perovskite berperan dalam menyerap cahaya matahari dan mengubahnya menjadi energi listrik. Salah satu bahan perovskite yang paling umum digunakan adalah CH3NH3PbI3 (metilamonium timbal iodida).

4. HTL

HTL berperan dalam mentransfer hole yang dihasilkan oleh perovskite ke elektroda positif (anoda). Selain itu, HTL juga mencegah elektron mencapai elektroda positif, sehingga dapat mengurangi rekombinasi dengan hole. Beberapa bahan HTL yang sering digunakan meliputi Spiro-OMeTAD, PEDOT, dan CuSCN (Subudhi & Punetha, 2023).

5. Back Elektroda (Katoda

Lapisan ini berperan sebagai katoda, bertugas mengumpulkan elektron atau hole yang dihasilkan oleh lapisan perovskite dan menghantarkannya ke luar sel surya untuk menghasilkan listrik. Material yang umumnya digunakan sebagai katoda adalah logam konduktif seperti perak (Ag) dan emas (Au).

        Pada proses pembuatan perovskite tahapan annealing memiliki peranan penting untuk meningkatkan efisiensi produk. Mekanisme proses annealing terdiri dari tahap supersaturasi, nukleasi cepat, dan tahap pertumbuhan kristal.

1. Tahap Supersaturasi

Tahap supersaturasi dalam pembentukan perovskite merujuk pada keadaan di mana konsentrasi bahan terlarut dalam larutan melebihi kapasitas yang dapat ditampung oleh fase padat. Dalam konteks perovskite, tahap ini umumnya terjadi saat bahan prekursor, seperti metilamonium iodida (MAI) dan timbal iodida (PbI2), dicampurkan dalam pelarut untuk membentuk larutan. Selama tahap ini, peningkatan konsentrasi prekursor menciptakan kondisi yang tidak stabil, yang mempercepat proses pembentukan inti kristal. Supersaturasi menghasilkan lingkungan di mana molekul-molekul mulai berikatan satu sama lain, membentuk inti-inti kecil yang berfungsi sebagai titik awal untuk perkembangan struktur kristal yang lebih besar. Memastikan kondisi supersaturasi yang optimal sangat penting untuk meningkatkan efisiensi proses nukleasi, yang pada gilirannya berpengaruh pada kualitas dan stabilitas lapisan perovskite yang dihasilkan.

2. Tahap Nukleasi Cepat

Tahap nukleasi cepat dalam pembentukan perovskite adalah fase kritis di mana inti kristal kecil terbentuk secara tiba-tiba setelah tahap supersaturasi, ketika larutan mencapai kondisi tidak stabil akibat peningkatan konsentrasi prekursor. Pada tahap ini, molekul prekursor, seperti metilamonium iodida (MAI) dan timbal iodida (PbI2), mulai berikatan untuk membentuk inti kristal kecil, baik secara homogen di seluruh larutan maupun secara heterogen di permukaan. Tahap nukleasi cepat sangat penting karena mempengaruhi jumlah inti yang akan tumbuh menjadi kristal yang lebih besar. Jika dilakukan dengan efisien, proses ini menghasilkan pertumbuhan kristal yang lebih merata dan teratur. Faktor lingkungan seperti suhu, konsentrasi, dan waktu juga berperan dalam keberhasilan tahap ini, yang pada akhirnya meningkatkan kualitas dan stabilitas lapisan perovskite, serta efisiensi sel surya berbasis perovskite.

3. Tahap Pertumbuhan kristal

Pada tahap ini, molekul dari bahan prekursor seperti metilamonium iodida (MAI) dan timbal iodida (PbI2) mulai bergabung dengan inti kristal yang ada, memungkinkan pertumbuhan kristal secara bertahap. Proses ini berlangsung dalam kondisi terkontrol, dengan suhu dan waktu yang diatur untuk memfasilitasi pembentukan struktur kristal yang baik. Menjaga keseimbangan antara kecepatan pertumbuhan dan stabilitas kristal sangat penting; pertumbuhan yang terlalu cepat dapat menyebabkan ketidakaturan, sedangkan pertumbuhan yang terlalu lambat dapat menghasilkan kristal yang tidak optimal.

           Adapun faktor-faktor yang mempengaruhi kualitas lapisan perovskite yaitu lingkungan, jumlah tahapan annealing, serta waktu dan temperatur annealing. Berikut merupakan penjelasan lebih lanjut terkait faktor-faktor yang mempengaruhi kualitas perovskite.

1. Lingkungan

2. Jumlah Tahapan Annealing

3. Waktu dan temperatur

           Pada perkembangannya sel surya perovskite banyak mengalami kemajuan sejak dikenalkan pada tahun 2009. Pada tahun 2009, sel surya perovskite pertama kali difabrikasi dan mencapai efisiensi sebesar 3,8% dan pada tahun 2014 sudah mencapai 19,3%. Hingga sekarang efisiensi sel surya perovskite sudah mencapai 30% dan pada taraf laboratorium sudah mencapai 33%.

           Selain efisiensi yang sudah menyaingi sel surya dengan silikon, perovskit memiliki kemajuan pada fleksibilitas dan biaya produksi. Hal ini dikarenakan perovskit tidak membutuhkan biaya mahal dalam pemurniannya dan bahan mudah untuk dicari. Penggunaan metode pembentukan yang bervariasi seperti semprot dan bilah memungkinkan sel surya yang terbentuk lebih tipis, homogen dan fleksibel. Penelitian stabilitas dalam hal pembuatan sel surya perovskit dikembangkan dengan berbagai macam cara. Jenis-jenis pelapisan dalam perovskit yang digunakan untuk meningkatkan kestabilannya yaitu:

1. Pelapisan Bilah

Pelapisan bilah atau disebut juga dengan blade coating merupakan jenis pelapisan yang menggunakan alat blade/ bilah yang berfungsi untuk meratakan larutan perovskit.

2. Lapisan semprot

Teknologi pelapisan semprot dilakukan dengan menggunakan alat semprot berukuran nano yang dapat meningkatkan kehomogenan struktur kristal yang terbentuk.

3. Teknologi Slot-die

Pelapisan slot die dapat diaplikasikan untuk pengendapan film dari berbagai lapisan, terutama lapisan PVK. Selama proses berlangsung, kepala pelapis diposisikan dekat dengan substrat dan terdapat celah sempit pada kepala pelapis. Larutan prekursor dipompa ke kepala pelapis dan dipaksa mengalir keluar dari celah sempit ke substrat yang bergerak.

4. Pencetakan inkjet

Pada pencetakan inkjet, larutan prekursor disebarkan oleh nosel. Pengaruh beberapa faktor dasar (seperti keterbasahan substrat, suhu, perilaku pembasahan tetesan tinta, viskositas, dan laju penguapan pelarut) pada kualitas film PVK.

            Kemajuan terakhir dari sel surya perovskit adalah menggunakan teknologi tandem, teknologi ini berpotensi mencapai efisiensi lebih tinggi daripada sel silikon konvensional dengan memanfaatkan spektrum cahaya yang lebih luas. Pada perangkat ini lapisan atas disetel untuk menyerap panjang gelombang yang lebih pendek dan lapisan bawah untuk menyerap sisa cahaya dengan panjang gelombang yang lebih panjang(Eperon dkk., 2016).  Menggunakan beberapa material PV memungkinkan perangkat tandem memiliki potensi efisiensi konversi daya lebih dari 33%, batas teoritis dari sel PV sambungan tunggal. Material perovskit dapat disetel untuk memanfaatkan bagian spektrum surya yang tidak dapat digunakan secara efisien oleh material PV silikon

        Walaupun sel surya memiliki banyak kemajuan akan tetapi sel surya perovskite masih banyak memiliki tantangan besar dalam pengembangan dan penyempurnaan produk di bidang komersial. Adapun tantangan yang hadapi dari peneliti dan pengembang sel surya perovskite adalah:

1. Degradasi dan Stabilitas

Tantangan terbesar adalah stabilitas material perovskit, terutama terhadap kelembapan, oksigen, dan sinar ultraviolet. Tanpa perlindungan yang memadai, sel surya perovskit cenderung mengalami degradasi dalam waktu singkat, sehingga umur operasionalnya jauh lebih rendah dibandingkan dengan sel silikon.

2. Skalabilitas dan Proses Produksi

Meskipun metode produksinya menjanjikan biaya yang lebih rendah, memproduksi sel surya perovskit dalam skala besar yang andal dan konsisten masih menjadi tantangan. Teknologi ini masih belum sepenuhnya siap untuk diproduksi secara massal.

3. Kandungan Timbal

Banyak sel surya perovskit saat ini menggunakan timbal (Pb) dalam strukturnya, yang menimbulkan masalah lingkungan dan kesehatan jika terjadi kebocoran atau saat pembuangan. Alternatif non-timbal masih terus dalam pengembangan, tetapi belum mencapai efisiensi yang sama tinggi.

4. Pengembangan Pasar dan Regulasi:

Teknologi perovskit masih relatif baru di pasar komersial. Peraturan mengenai keamanan dan keberlanjutan teknologi ini juga belum sepenuhnya matang, terutama terkait potensi dampak lingkungan dari material yang digunakan.

5. Tantangan untuk peningkatan perangkat

Teknik pengendapan yang disebutkan di atas semuanya untuk pembentukan film PVK area besar. Sedangkan untuk metode lain ( misalnya CVD, pengendapan lapisan lunak), parameter teknis dan model terperinci dapat ditemukan di tempat lain PCE perangkat, pendekatan pengendapan, yang dengan jelas menunjukkan bahwa PCE menurun secara signifikan untuk area perangkat besar.

Jadi itulah sedikit ulasan untuk sobat chemist dan good people yaaa.. semoga membantu~