Ilmuwan Ungkapkan Perawatan Molekuler yang Mengubah Permainan untuk Sel Surya

Perawatan baru yang dikembangkan oleh para peneliti HKUST secara signifikan meningkatkan efisiensi dan daya tahan sel surya perovskit, menawarkan kemajuan yang menjanjikan untuk energi bersih yang dapat ditingkatkan skalanya.

Para peneliti HKUST telah menemukan inovasi perawatan molekuler untuk meningkatkan efisiensi dan ketahanan sel surya perovskit, yang berpotensi memfasilitasi perluasan teknologi energi terbarukan dalam skala industri.

Teknologi fotovoltaik (PV), yang mengubah cahaya menjadi listrik, semakin banyak digunakan di seluruh dunia untuk menghasilkan energi terbarukan. Para peneliti di Sekolah Teknik di Universitas Sains dan Teknologi Hong Kong (HKUST) telah mengembangkan perawatan molekuler yang secara substansial meningkatkan efisiensi dan keawetan sel surya perovskit. Terobosan ini berpotensi mempercepat produksi sumber energi bersih ini dalam skala besar.

Kunci dari solusi tersebut adalah keberhasilan mereka mengidentifikasi parameter penting yang menentukan kinerja dan masa pakai perovskit halida, bahan fotovoltaik generasi berikutnya yang telah muncul sebagai salah satu bahan yang paling menjanjikan dalam perangkat PV karena struktur kristalnya yang unik. Temuan tersebut telah dipublikasikan di Sains.

Dipimpin oleh Asisten Profesor Lin Yen-Hung dari Departemen Teknik Elektronik dan Komputer serta Laboratorium Utama Negara untuk Teknologi Tampilan dan Optoelektronika Canggih, tim peneliti menyelidiki berbagai cara pasivasi, yaitu proses kimia yang mengurangi jumlah cacat atau mengurangi dampaknya pada materials, sehingga meningkatkan kinerja dan keawetan perangkat yang terdiri dari materials tersebut. Mereka berfokus pada keluarga molekul “amino-silana” untuk memasivasi sel surya perovskit.

Molekul amino-silana dan pembuatannya serta sifat optoelektroniknya. Kredit: HKUST

Meningkatkan Efisiensi dan Umur Sel Surya

“Pasivasi dalam berbagai bentuk telah menjadi sangat penting dalam meningkatkan efisiensi sel surya perovskit selama dekade terakhir. Namun, rute pasivasi yang menghasilkan efisiensi tertinggi sering kali tidak secara substansial meningkatkan stabilitas operasional jangka panjang,” Prof. Lin menjelaskan masalahnya.

Untuk pertama kalinya, tim peneliti menunjukkan bagaimana berbagai jenis amina (primer, sekunder, dan tersier) dan kombinasinya dapat memperbaiki permukaan movie perovskit yang banyak cacatnya. Mereka mencapai hal ini menggunakan metode “ex-situ” (di luar lingkungan operasi) dan “in-situ” (di dalam lingkungan operasi) untuk mengamati interaksi molekul dengan perovskit. Dari sana, mereka mengidentifikasi molekul yang secara substansial meningkatkan hasil kuantum fotoluminesensi (PLQY), yaitu jumlah foton yang dipancarkan selama eksitasi materials, yang menunjukkan lebih sedikit cacat dan kualitas yang lebih baik.

Asisten Profesor Lin Yen-Hung dari Departemen Teknik Elektronik dan Komputer dan Laboratorium Utama Negara untuk Teknologi Tampilan dan Optoelektronik Canggih (kanan), mahasiswa PhD Teknik Elektronik dan Komputer Cao Xueli (tengah), dan Manajer Senior Laboratorium Utama Negara untuk Teknologi Tampilan dan Optoelektronik Canggih Dr. Fion Yeung (kiri). Kredit: HKUST

“Pendekatan ini sangat penting untuk pengembangan sel surya tandem, yang menggabungkan beberapa lapisan bahan fotoaktif dengan celah pita yang berbeda. Desain ini memaksimalkan penggunaan spektrum surya dengan menyerap berbagai bagian sinar matahari di setiap lapisan, sehingga menghasilkan efisiensi keseluruhan yang lebih tinggi,” Prof. Lin menjelaskan lebih lanjut tentang aplikasi tersebut.

Dalam demonstrasi sel surya mereka, tim tersebut membuat perangkat berukuran sedang (0,25 cm²) dan besar (1 cm²). Eksperimen tersebut menghasilkan kehilangan fotovoltase rendah di berbagai celah pita, sehingga mempertahankan keluaran tegangan tinggi. Perangkat ini mencapai tegangan sirkuit terbuka tinggi di atas 90% batas termodinamika. Pembandingan dengan sekitar 1.700 set knowledge dari literatur yang ada menunjukkan bahwa hasil mereka termasuk yang terbaik yang pernah dilaporkan hingga saat ini dalam hal efisiensi konversi energi.

Menunjukkan Stabilitas Operasional

Yang lebih penting lagi, penelitian ini menunjukkan stabilitas operasional yang luar biasa untuk sel pasif amino-silana di bawah protokol Worldwide Summit on Natural Photo voltaic Cells (ISOS)-L-3, prosedur pengujian standar untuk sel surya. Sekitar 1.500 jam dalam proses penuaan sel, efisiensi titik daya maksimum (MPP) dan efisiensi konversi daya (PCE) tetap pada tingkat tinggi. Agar sel pasif terbaik menurun hingga 95% dari nilai awalnya, efisiensi MPP dan PCE juara tercatat masing-masing pada 19,4% dan 20,1% – di antara metrik tertinggi (jika memperhitungkan celah pita) dan terpanjang yang dilaporkan hingga saat ini.

Prof. Lin menekankan bahwa proses pengolahan mereka tidak hanya meningkatkan efisiensi dan daya tahan sel surya perovskit, tetapi juga kompatibel dengan produksi skala industri.

“Perlakuan ini mirip dengan proses priming HMDS (hexamethyldisilazane) yang banyak digunakan dalam industri semikonduktor,” katanya. “Kemiripan tersebut menunjukkan bahwa metode baru kami dapat dengan mudah diintegrasikan ke dalam proses manufaktur yang ada, sehingga layak secara komersial dan siap untuk aplikasi skala besar.”

Referensi: “Pasivasi common bandgap memungkinkan sel surya perovskit stabil dengan kehilangan fotovoltase rendah” oleh Yen-Hung Lin, Vikram, Fengning Yang, Xue-Li Cao, Akash Dasgupta, Robert DJ Oliver, Aleksander M. Ulatowski, Melissa M. McCarthy, Xinyi Shen, Qimu Yuan, M. Greyson Christoforo, Fion Sze Yan Yeung, Michael B. Johnston, Nakita Okay. Noel, Laura M. Herz, M. Saiful Islam dan Henry J. Snaith, 16 Mei 2024, Sains.
DOI: 10.1126/science.ado2302

Tim tersebut terdiri dari mahasiswa PhD Teknik Elektronika dan Komputer Cao Xue-Li, Manajer Senior Laboratorium Kunci Negara untuk Teknologi Tampilan Canggih dan Optoelektronika Dr. Fion Yeung, beserta kolaborator dari Universitas Oxford dan Universitas Sheffield.