Para peneliti telah meningkatkan pemanfaatan energi surya dengan mengembangkan semikonduktor organik yang menawarkan alternatif silikon yang lebih murah dan lebih mudah beradaptasi. Terobosan baru-baru ini mengungkapkan bahwa bahan-bahan ini dapat mencapai efisiensi yang lebih tinggi melalui mekanisme unik di mana elektron memperoleh energi, yang membuka jalan bagi sel surya dan teknologi produksi bahan bakar yang lebih efektif.
Penelitian baru menjelaskan sebagian kinerja luar biasa dari kelas baru semikonduktor organik yang disebut akseptor non-fullerene (NFA).
Energi surya memainkan peran penting dalam transisi menuju masa depan energi bersih. Biasanya, silikon, semikonduktor umum yang ditemukan dalam peralatan elektronik sehari-hari, digunakan untuk memanen energi surya. Namun, panel surya silikon memiliki keterbatasan—biayanya mahal dan sulit dipasang pada permukaan melengkung.
Para peneliti telah mengembangkan bahan-bahan alternatif untuk pemanenan energi surya guna mengatasi kekurangan tersebut. Di antara bahan-bahan yang paling menjanjikan adalah yang disebut “organik” semikonduktorsemikonduktor berbasis karbon yang melimpah di Bumi, lebih murah, dan ramah lingkungan.
“Mereka berpotensi menurunkan biaya produksi panel surya karena bahan-bahan ini dapat dilapisi pada permukaan apa pun menggunakan metode berbasis larutan – seperti cara kita mengecat dinding,” kata Wai-Lun Chan, profesor madya fisika dan astronomi di Universitas Kansas. “Bahan-bahan organik ini dapat disesuaikan untuk menyerap cahaya pada panjang gelombang tertentu, yang dapat digunakan untuk membuat panel surya transparan atau panel dengan warna berbeda. Karakteristik ini membuat panel surya organik sangat cocok untuk digunakan di bangunan hijau dan berkelanjutan generasi mendatang.”
Meskipun semikonduktor organik telah digunakan dalam panel tampilan elektronik konsumen seperti ponsel, TV, dan headset realitas digital, semikonduktor organik belum banyak digunakan dalam panel surya komersial. Salah satu kekurangan sel surya organik adalah efisiensi konversi cahaya ke listriknya yang rendah, sekitar 12% dibandingkan sel surya silikon kristal tunggal yang memiliki efisiensi 25%.
Menurut Chan, elektron dalam semikonduktor organik biasanya terikat pada pasangan positifnya yang dikenal sebagai “lubang.” Dengan cara ini, cahaya yang diserap oleh semikonduktor organik sering kali menghasilkan kuasipartikel netral yang dikenal sebagai “eksiton.”
Terobosan dengan Akseptor Non-Fullerene
Namun, perkembangan terkini dari kelas baru semikonduktor organik yang dikenal sebagai akseptor non-fullerene (NFA) mengubah paradigma ini. Sel surya organik yang dibuat dengan NFA dapat mencapai efisiensi mendekati angka 20%.
Meskipun kinerjanya luar biasa, masih belum jelas bagi komunitas ilmiah mengapa kelas NFA baru ini secara signifikan mengungguli semikonduktor organik lainnya.
Dalam sebuah studi terobosan yang muncul di Bahan CanggihChan dan timnya, termasuk mahasiswa pascasarjana Kushal Rijal (penulis utama), Neno Fuller dan Fatimah Rudayni dari departemen Fisika dan Astronomi, dan bekerja sama dengan Cindy Berrie, profesor kimia di KU, telah menemukan mekanisme mikroskopis yang memecahkan sebagian kinerja luar biasa yang dicapai oleh NFA.
Penulis utama Kushal Rijal (kanan) dan Neno Fuller (kiri) melakukan pengukuran TR-TPPE menggunakan sistem spektroskopi fotoemisi vakum ultra-tinggi yang ditunjukkan pada gambar. Kredit: Kushal dan Fuller
Kunci dari penemuan ini adalah pengukuran yang dilakukan oleh penulis utama Rijal menggunakan teknik eksperimental yang dijuluki “time-resolved two foton spektroskopi fotoemisi” atau TR-TPPE. Metode ini memungkinkan tim melacak energi elektron yang tereksitasi dengan resolusi waktu sub-pikodetik (kurang dari sepertriliun detik).
“Dalam pengukuran ini, Kushal [Rijal] mengamati bahwa beberapa elektron yang tereksitasi secara optik di NFA dapat memperoleh energi dari lingkungan alih-alih kehilangan energi ke lingkungan,” kata Chan. “Pengamatan ini berlawanan dengan intuisi karena elektron yang tereksitasi biasanya kehilangan energinya ke lingkungan seperti secangkir kopi panas yang kehilangan panasnya ke lingkungan sekitar.”
Tim, yang karyanya didukung oleh Kantor Ilmu Energi Dasar Departemen Energi, meyakini proses yang tidak biasa ini terjadi pada skala mikroskopis berkat perilaku kuantum elektron, yang memungkinkan elektron yang tereksitasi muncul secara bersamaan pada beberapa molekul. Keanehan kuantum ini berpasangan dengan Hukum Termodinamika Kedua, yang menyatakan bahwa setiap proses fisik akan menyebabkan peningkatan entropi whole (sering dikenal sebagai “ketidakteraturan”) untuk menghasilkan proses perolehan energi yang tidak biasa.
“Dalam kebanyakan kasus, benda panas mentransfer panas ke lingkungannya yang dingin karena perpindahan panas menyebabkan peningkatan entropi whole,” kata Rijal. “Tapi kami menemukan bahwa molekul organik yang tersusun dalam bentuk tertentu skala nano struktur, arah aliran panas yang khas dibalik agar entropi whole meningkat. Aliran panas terbalik ini memungkinkan eksiton netral memperoleh panas dari lingkungan dan terdisosiasi menjadi sepasang muatan positif dan negatif. Muatan bebas ini pada gilirannya dapat menghasilkan arus listrik.”
Implikasi bagi Solusi Energi Masa Depan
Berdasarkan temuan eksperimen mereka, tim mengusulkan bahwa mekanisme pemisahan muatan berbasis entropi ini memungkinkan sel surya organik yang dibuat dengan NFA mencapai efisiensi yang jauh lebih baik.
“Memahami mekanisme pemisahan muatan yang mendasarinya akan memungkinkan para peneliti merancang nanostruktur baru untuk memanfaatkan entropi guna mengarahkan aliran panas, atau energi, pada skala nano,” kata Rijal. “Meskipun entropi merupakan konsep yang terkenal dalam fisika dan kimia, konsep ini jarang digunakan secara aktif untuk meningkatkan kinerja perangkat konversi energi.”
Tidak hanya itu: Sementara tim KU meyakini mekanisme yang ditemukan dalam penelitian ini dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan sel surya yang lebih efisien, mereka juga berpikir hal itu dapat membantu para peneliti merancang fotokatalis yang lebih efisien untuk produksi bahan bakar surya, suatu proses fotokimia yang menggunakan sinar matahari untuk mengubah karbon dioksida menjadi bahan bakar organik.
Referensi: “Pemisahan Muatan Endotermik Terjadi Secara Spontan dalam Heterojunction Akseptor Non-Fullerene/Polimer Massal” oleh Kushal Rijal, Neno Fuller, Fatimah Rudayni, Nan Zhang, Xiaobing Zuo, Cindy L. Berrie, Hin-Lap Yip dan Wai-Lun Chan, 19 Mei 2024, Bahan Canggih.
Nomor Induk Kependudukan: 10.1002/adma.202400578
