Trend Sel Surya Perovskite

  Sel Surya Perovskit      

         Sel surya perovskite atau perovskite solar cells (PSC) adalah jenis teknologi fotovoltaik generasi baru yang menggunakan bahan perovskite sebagai lapisan penyerap cahaya. Perovskite merupakan material kristal yang memiliki struktur khusus, terdiri dari kation logam (timbal/timah) berada di pusat kubus, halida (flour/klor/bromin/ iodium) enam ion halide mengelilingi kation logam membentuk struktur oktahedron, dan kation organik atau anorganik (metilamonium/kalsium/kalium) yang terletak disudut kubus (Rahmanita., 2015). PSC memiliki kelebihan dalam hal bahan dan proses pembuatannya yang sederhana dan biaya rendah, menjadikannya menarik untuk dikembangkan secara komersial (Petrovi & Ramakrishna, 2015). Selain itu, efisiensi konversi energi (PCE) dari PSC terus meningkat secara signifikan, dengan sel surya perovskit saat ini mencapai PCE sebesar 22,1%.

Lapisan-Lapisan pada Solar Cell Perovskite

Lapisan-lapisan pada sel surya perovskite terdiri dari ITO (Indium Timah Oksida), Electron Transport Layer (ETL), lapisan perovskite, Hole Transport Layer (HTL), dan elektroda belakang (katoda). Penjelasan lebih rinci mengenai lapisan-lapisan tersebut dalam sel surya perovskite disajikan di bawah ini.

ITO (Indium Timah Oksida)

ITO memiliki sifat transparan dan konduktif, berperan sebagai substrat dasar untuk lapisan-lapisan sel surya. ITO bertindak sebagai elektroda transparan (anoda) yang memungkinkan cahaya masuk ke perangkat sekaligus menghantarkan arus listrik. Peran ITO sangat penting dalam memaksimalkan penyerapan cahaya pada lapisan aktif perovskite.

Electron Transport Layer (ETL)

ETL berperan dalam mengalirkan elektron yang dihasilkan oleh lapisan perovskite ke arah elektroda negatif. Selain itu, ETL berfungsi untuk mencegah hole mencapai elektroda negatif, sehingga mengurangi rekombinasi elektron-hole yang dapat mengurangi efisiensi perangkat. Material ETL yang sering digunakan meliputi ZnO, TiO2, dan SnO2.

Lapisan perovskite

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

Hole Transport Layer (HTL)

HTL berperan dalam mengalirkan hole yang dihasilkan oleh perovskite menuju elektroda positif (anoda). Selain itu, HTL juga berfungsi mencegah elektron mencapai elektroda positif, sehingga mengurangi kemungkinan rekombinasi dengan hole. Material HTL yang sering digunakan antara lain Spiro-OMeTAD, PEDOT, dan CuSCN.

Elektroda belakang (katoda)

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

Mekanisme Proses Annealing pada Lapisan Perovskite

        Proses annealing pada lapisan perovskite adalah langkah penting dalam pembuatan sel surya berbasis perovskite. Proses ini memiliki fungsi untuk meningkatkan kualitas kristal, menghilangkan sisa pelarut, dan memperbaiki struktur material. Annealing biasanya dilakukan dengan memanaskan lapisan perovskite pada suhu tertentu setelah diaplikasikan pada substrat. Untuk memahami kristalisasi film perovskite selama proses ini, kita bisa menggunakan mekanisme LaMer, yang menjelaskan pembentukan partikel atau kristal dalam tiga tahap utama (Anhar Wardana, F., 2022).  

Tahap Supersaturasi

1. Supersaturasi adalah kondisi penting yang memicu proses nukleasi. Tahap ini berfungsi sebagai kunci dalam pertumbuhan kristak perovskite. Berikut adalah tahap proses supersaturasi:

-  Proses Penguapan Prekursor: Pada tahap awal, prekursor perovskite (misalnya PbI dan CHNHI) dilarutkan dan diendapkan ke substrat dengan Teknik spin coating. Teknik spin coating adalah metode yang sering digunakan untuk menerapkan lapisan tipis bahan cair secara merata di atas permukaan substrat.

- Mencapai Titik Supersaturasi : Dengan adanya pemanasan, pelarut mulai menguap, menyebabkan konsentrasi prekursor (bahan pembentuk kristal) dalam lapisan semakin meningkat. Hingga pada suatu titik, konsentrasi prekursor mencapai titik supersaturasi (keadaan di mana konsentrasi prekursor melebihi batas kelarutan). Pada kondisi ini, prekursor dalam lapisan tidak stabil, dan siap membentuk inti kristal.

2. Tahap Nukleasi Cepat

    Tahap kunci di mana inti kristal mulai terbentuk setelah kondisi supersaturasi tercapai. Berikut ini adalah tahap nukleasi cepat:

- Terjadi Nukleasi: Pada saat kondisi supersaturasi tercapai, konsentrasi zat terlarut (prekursor) melampaui batas keseimbangan yang dapat ditahan oleh pelarut pada suhu dan kondisi tertentu. Kondisi ini menyebabkan ketidakstabilan karena sistem berusaha untuk kembali ke keadaan yang lebih stabil, yaitu keadaan jenuh (saturasi) atau lebih rendah. Pada kondisi supersaturasi, zat terlarut (prekursor) sangat mudah mengendap atau membentuk padatan. Ini karena larutan tidak dapat lagi mempertahankan semua zat terlarutnya dalam bentuk terlarut, sehingga terjadi nukleasi cepat atau spontan, dimana zat tersebut cenderung memisah dari pelarut dan membentuk endapan atau kristal.

- Pembentukan Inti Kristal: Inti kristal kecil yang terbentuk merupakan cikal bakal terbentuknya kristal perovskite.  Inti-inti kristal kecil nantinya akan berkembang menjadi kristal yang lebih besar dan menyusun struktur film perovskit.

3. Tahap Pertumbuhan Kristal

    Tahap di mana kristal-kristal kecil tersebut tumbuh menjadi kristal besar, membentuk lapisan perovskite yang lebih efisien. Berikut ini adalah tahap nukleasi cepat:

- Setelah nukleasi terjadi, energi termal dari proses annealing (pemanasan) akan mendorong pertumbuhan kristal dari inti-inti tersebut.

- Prekursor (bahan pembentuk kristal) yang tersisa di lapisan akan terserap oleh inti-inti kristal yang sudah terbentuk, sehingga inti tersebut berkembang menjadi kristal yang lebih besar.

- Sehingga pada tahap ini menghasilkan lapisan kristal perovskite yang lebih besar, padat, dan teratur.

Dengan kristal yang lebih besar, aliran muatan (seperti elektron) menjadi lebih lancar, dan ini akan meningkatkan performa elektronik lapisan perovskite, yang berarti sel surya akan bekerja lebih efisien dalam mengubah cahaya matahari menjadi energi listrik.

Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Kualitas Lapisan Perovskite

      Faktor-faktor yang mempengaruhi kualitas lapisan perovskite meliputi lingkungan, jumlah tahapan annealing, serta waktu dan temperatur annealing. Berikut adalah penjelasan lebih lanjut mengenai setiap faktor:

1. Lingkungan: Kondisi lingkungan selama proses fabrikasi sangat mempengaruhi kualitas lapisan perovskite. Kelembapan, oksigen, dan kontaminan di udara dapat menyebabkan degradasi perovskite, mengurangi efisiensi dan stabilitasnya. Oleh karena itu, proses fabrikasi sering kali dilakukan dalam kondisi lingkungan terkendali, seperti ruang hampa udara atau lingkungan bebas oksigen dan kelembapan, untuk memastikan kualitas lapisan yang optimal.
2. Jumlah Tahapan Annealing: Annealing adalah proses pemanasan bertahap yang digunakan untuk meningkatkan kualitas kristal perovskite. Jumlah tahapan annealing, atau berapa kali proses pemanasan dilakukan, sangat penting untuk memastikan pembentukan kristal yang teratur dan berkualitas tinggi. Annealing bertahap dapat membantu mengontrol pertumbuhan kristal dan memperbaiki cacat dalam struktur perovskite, yang berkontribusi pada peningkatan efisiensi transportasi muatan dan kinerja sel surya.
3. Waktu Annealing: Durasi annealing juga mempengaruhi kualitas lapisan perovskite. Waktu yang terlalu singkat mungkin tidak memungkinkan kristal terbentuk dengan baik, sedangkan waktu yang terlalu lama dapat menyebabkan degradasi bahan. Waktu annealing yang tepat diperlukan untuk memastikan pertumbuhan kristal yang ideal tanpa menyebabkan kerusakan pada lapisan perovskite.
4. Temperatur Annealing: Temperatur annealing memainkan peran penting dalam mengatur pertumbuhan kristal dan kualitas lapisan perovskite. Suhu yang terlalu rendah mungkin tidak cukup untuk mengkristalkan bahan perovskite secara sempurna, sementara suhu yang terlalu tinggi dapat merusak struktur kristal atau menyebabkan perovskite terdegradasi. Oleh karena itu, kontrol suhu yang tepat sangat penting untuk menghasilkan lapisan perovskite yang efisien dan stabil.

Dengan memperhatikan lingkungan, jumlah tahapan annealing, serta waktu dan temperatur annealing, kualitas lapisan perovskite dapat dioptimalkan untuk menghasilkan kinerja sel surya yang lebih baik.

Tantangan untuk Peningkatan Perangkat

Peningkatan perangkat sel surya perovskite menghadapi berbagai tantangan, antara lain:

1. Stabilitas Jangka Panjang: Salah satu tantangan utama adalah memperbaiki stabilitas sel surya perovskite. Bahan perovskite sering kali rentan terhadap kelembapan, cahaya, dan suhu tinggi, yang dapat menyebabkan kerusakan. Oleh karena itu, penting untuk menemukan bahan pelindung yang efektif serta metode fabrikasi yang dapat meningkatkan daya tahan sel.
2. Ketahanan Terhadap Lingkungan: Sel surya perovskite perlu memiliki ketahanan terhadap berbagai kondisi lingkungan, seperti paparan sinar UV, suhu ekstrem, dan kelembapan. Penelitian untuk mengembangkan bahan yang lebih tahan lama dan teknik perlindungan untuk lapisan perovskite dari faktor lingkungan sangat dibutuhkan.
3. Ketersediaan dan Biaya Bahan: Beberapa komponen dalam sel surya perovskite, seperti timbal, dapat menimbulkan masalah terkait keberlanjutan dan dampak lingkungan. Penelitian untuk menemukan alternatif yang lebih ramah lingkungan dan ekonomis tanpa mengorbankan kinerja sel sangat penting.
4. Skalabilitas dan Proses Produksi: Mengembangkan metode produksi yang efisien dan ekonomis untuk memproduksi sel surya perovskite dalam skala besar adalah tantangan tersendiri. Fokus utama adalah pada teknik yang dapat diterapkan dalam produksi massal sambil menjaga kualitas dan efisiensi sel.
5. Rekombinasi Muatan: Rekombinasi antara elektron dan hole dalam sel surya perovskite dapat mengurangi efisiensi konversi energi. Oleh karena itu, penting untuk mengembangkan arsitektur sel dan lapisan transportasi yang dapat meminimalkan rekombinasi guna meningkatkan performa.
6. Masalah Pengolahan: Proses pengolahan, seperti deposisi dan annealing, perlu dioptimalkan untuk menghasilkan lapisan perovskite berkualitas tinggi. Variabilitas dalam proses ini dapat menyebabkan sel dengan kinerja yang tidak konsisten.
7. Karakterisasi dan Pengujian: Metode untuk karakterisasi dan pengujian sel surya perovskite masih dalam tahap pengembangan. Meningkatkan teknik untuk secara akurat menilai kinerja dan stabilitas sel akan mendukung pengembangan lebih lanjut.
8. Pengembangan Teknologi Integrasi: Integrasi sel surya perovskite ke dalam sistem energi yang ada, seperti panel surya konvensional atau aplikasi bangunan, memerlukan pengembangan teknologi yang memadai untuk memastikan kinerja yang optimal.

Mengatasi tantangan-tantangan ini sangat penting untuk kemajuan teknologi sel surya perovskite dan untuk memperluas penggunaannya dalam aplikasi energi terbarukan.