Teknologi Masa Depan: Sel Surya Perovskite pada Abad ke-21

Hallo Chem-friend. Ada hal menarik yang harus kalian ketahui tentang energi terbarukan yang menarik lhoo. Yuk Simak artikel berikut ini!!!

Seperti yang kita ketahui bahwa kebutuhan penggunaan energi minyak bumi pada abad ke-21 sangatlah tinggi, namun hal ini tidak dapat dibiarkan. Hal ini dikarenakan minyak bumi merupakan sumber daya yang tidak dapat diperbaharui dan bisa habis di masa depan. Salah satu solusi untuk mengatasi hal tersebut adalah dengan adanya teknologi yang menjanjikan yaitu sel surya perovskite. Sel surya perovskite menggunakan sinar matahari sebagai sumber energi. Pada tahun 2009 sel surya perovskite diperkenalkan (Triyanto et al., 2023). Semenjak diperkenalkan, sel surya perovskite menarik masyarakat dengan potensi biaya yang rendah dan ramah lingkungan .

Perovskite terbuat dari campuran logam, anion, halide dan molekul organic kecil seperti metilamonium timbal iodide atau formamidinium timbal iodide (Zheng dkk, 2022). Sel surya perovskite merupakan jenis teknologi fotovoltaik generasi baru yang memanfaatkan bahan perovskite untuk menjadi lapisan penyerap Cahaya. Sel surya perovskite terdiri dari beberapa lapisan. Lapisan-lapisan pada solar cell perovskite terdiri dari ITO (Indium Timah Oksida) glass, ETL (Electron Transport Layer), lapisan perovskite, HTL (Hole Transport Layer), dan back elektroda (katoda). Adapun penjelasan lebih lanjut mengenai lapisan-lapisan pada solar cell perovskite sebagai berikut.

Lapisan-lapisan pada sel surya perovskite

• ITO (Indium Timah Oksida) glass.

ITO glass bersifat transparan dan konduktif yang digunakan sebagai substrat dasar lapisan. ITO berfungsi sebagai elektroda transparan (anoda) yang memungkinkan cahaya masuk ke dalam perangkat dan menghantarkan arus listrik. ITO penting untuk memaksimalkan penyerapan cahaya pada lapisan aktif perovskite.

• ETL (Electron Transport Layer)

ETL berfungsi untuk membawa elektron yang dihasilkan oleh lapisan perovskite menuju elektroda negatif. ETL juga berfungsi untuk mencegah hole menuju elektroda negatif, sehingga meminimalkan rekombinasi elektron-hole yang dapat menurunkan efisiensi perangkat. Bahan ETL yang umum digunakan ZnO, TiO2, dan SnO2 (Noman et al., 2024).

• Lapisan Perovskite

Lapisan ini merupakan lapisan aktif utama dalam solar cell perovskite. Lapisan perovskite berfungsi untuk menyerap cahaya matahari dan mengkonversinya menjadi energi listrik. Bahan perovskite paling umum contohnya CH3NH3PbI3 (methylammonium lead iodide).

• HTL (Hole Transport Layer)

HTL berfungsi untuk membawa hole yang dihasilkan perovskite menuju elektroda positif (anoda). HTL juga mencegah elektron masuk menuju elektroda positif, sehingga mengurangi rekombinasi dengan hole. Bahan HTL yang umum digunakan Spiro-OMeTAD, PEDOT dan CuSCN (Subudhi & Punetha, 2023).

• Back Elektroda (Katoda)

Lapisan ini berfungsi sebagai katoda yang mengumpulkan elektron atau hole yang dihasilkan oleh lapisan perovskite dan menghantarkannya keluar dari sel surya untuk menghasilkan listrik. Bahan yang digunakan sebagai katoda biasanya logam konduktif seperti perak (Ag) dan emas (Au)

Wah sangat banyak yaa lapisan pembentuk sel surya perovskite!

Apakah kalian mengetahui bagaimana sel surya perovskite tersebut dibuat? Nah! dalam pembuatan sel surya perovskite terdapat langkah penting yang disebut sebagai proses annealing. Fungsi dari proses annealing yaitu untuk meningkatkan kualitas kristal, menghilangkan sisa pelarut dan memperbaiki struktur material. Proses ini dilakukan dengan melibatkan pemanasan pada suhu tertentu untuk terjadinya kristalisasi proses annealing dapat dilakukan dengan menggunakan metode LaMer. Berikut ini merupakan tahapannya.

Mekanisme Proses Annealing 

• Tahap supersaturasi 

Pada tahap ini prekursor perovskite diaplikasikan ke substrat dengan teknik spin coating. Ketika pelarut menguap, konsentrasi precursor meningkat hingga mencapai titik supersaturasi untuk memicu pembentukan kristal. Tahapan ini secara sistematis terdiri dari:

1. Proses penguapan precursor

2. Tahap mencapai titik supersaturasi (kondisi ketika konsentrasi prekursor melebihi batas kelarutan).

• Tahap nukleasi cepat

Ketika sudah mencapai supersaturasi, nukleasi terjadi. Hal ini terjadi ketika precursor membentuk inti kristal kecil akibat ketidakstabilan larutan. Secara sistematis tahapan ini terdiri dari:

1. Proses terjadinya nukleasi

2. Pembentukan inti kristal

• Tahap pertumbuhan kristal

Inti kristal kecil nantinya akan berkembang menjadi kristal besar selama proses annealing. Kemudian, menghasilkan lapisan perovskite yang lebih efisien dan meningkatkan performa sel surya

Kualitas lapisan perovskite dipengaruhi oleh beberapa faktor. Faktor-faktor yang mempengaruhi kualitas lapisan perovskite meliputi lingkungan, jumlah tahapan annealing dan waktu serta temperature annealing.

Faktor-faktor yang Mempengaruhi Kualitas Lapisan Perovskite

• Lingkungan saat annealing

Atmosfer yang berbeda mempengaruhi pembentukan film perovskite. Perovskite yang sensitif terhadap air mudah mengalami degradasi pada kelembaban tinggi. Hal ini biasanya dilakukan dalam atmosfer gas inert menggunakan glove box untuk mencegah kerusakan.

• Jumlah tahapan annealing

Proses annealing dilakukan setelah deposisi perovskite untuk menguapkan pelarut dan membentuk lapisan padat. Proses ini dapat menghilangkan defek. Defek dapat mengurangi efisiensi sel surya. Tahapan annealing dapat dilakukan dalam satu atau dua tahap. Annealing dua tahap dilakukan untuk mencapai struktur kristalin yang optimal.

• Waktu dan temperature annealing

Semakin tinggi suhu, semakin besar butiran kristal yang terbentuk. Butiran kristal yang besar mempengaruhi efisiensi perangkat.

Lalu bagaimana ya dengan kemajuan dan tantangan dari adanya sel surya perovskite ini? Nah! dalam pengembangan sel surya perovskite (PSC) terdapat beberapa kemajuan dan tantangan. Berikut ini merupakan kemajuan dari adanya PSC.

Kemajuan dari Sel Surya Perovskite

• Meningkatkan efisiensi

PSC telah mendekati efisiensi sel surya berbasis silikon dengan biaya yang rendah, proses yang sederhana dan stabilitas yang lebih baik.

• Fleksibilitas dan produksi biaya rendah 

PSC diproduksi dengan metode lebih murah seperti teknik larutan dan semprot. Keunggulan ini dapat diaplikasikan pada permukaan fleksibel dan memungkinkan pengembangan perangkat portable serta aplikasi inovatif yang dapat menghasilkan energi

• Teknologi tandem

Pengembangan sel surya tandem merupakan gabungan dari perovskite dengan sel surya silicon. Tandem perovskite-silikon dan perovskite-perovskite menawarkan potensi efisiensi lebih baik.

Tantangan Sel Surya Perovskite

• Stabilitas dan degradasi yang sensitif terhadap kelembaban dan oksigen. Hal ini menyebabkan degradasi material

• Material yang digunakan dalam memproduksi PSC umumnya mengandung timbal yang beracun dan menimbulkan masalah lingkungan

Wahhh sangat menarik yaaa materi sel surya perovskite ini. Sekian dulu artikel hari ini sampai jumpa pada artikel selanjutnya. See you!

Sumber:

Noman, M., Khan, Z., & Jan, S. T. (2024). A comprehensive review on the advancements and challenges in perovskite solar cell technology. RSC Advances, 14(8), 5085--5131. https://doi.org/10.1039/d3ra07518d

Subudhi, P., & Punetha, D. (2023). Pivotal avenue for hybrid electron transport layer-based perovskite solar cells with improved efficiency. Scientific Reports, 13(1), 1--15. https://doi.org/10.1038/s41598-023-33419-1

Triyanto, A., Hamzah, A. I., Sulkhan, A., & ... (2023). Review Peningkatan Nilai Efisiensi Sel Surya Perovskite. OKTAL: Jurnal Ilmu ..., 2(2), 360--371.

Zheng, Z., Wang, S., Hu, Y., Rong, Y., Mei, A., & Han, H. (2022). Development of formamidinium lead iodide-based perovskite solar cells: Efficiency and stability. Chemical Science, 13(8), 2167--2183. https://doi.org/10.1039/d1sc04769h