Peneliti meningkatkan efisiensi bahan sel surya generasi berikutnya
Engine

Peneliti meningkatkan efisiensi bahan sel surya generasi berikutnya


Gambar ini menunjukkan fotovoltaik perovskit di latar belakang dengan kristal perovskit individu yang ditampilkan sebagai unit warna-warni. Kredit: Grafik CUBE3D

Perovskit adalah kandidat utama untuk akhirnya menggantikan silikon sebagai bahan pilihan untuk panel surya. Mereka menawarkan potensi untuk biaya rendah, suhu rendah pembuatan ultrathin, sel fleksibel ringan, tetapi sejauh ini efisiensi mereka dalam mengubah sinar matahari menjadi listrik telah tertinggal dari silikon dan beberapa alternatif lainnya.

Sekarang, pendekatan baru pada desain sel perovskit telah mendorong material tersebut agar sesuai atau melebihi efisiensi sel silikon tipikal saat ini, yang umumnya berkisar antara 20 hingga 22 persen, meletakkan dasar untuk perbaikan lebih lanjut.

Dengan menambahkan lapisan konduktif timah dioksida yang diikat secara khusus ke bahan perovskit, yang menyediakan jalur yang lebih baik untuk pembawa muatan di dalam sel, dan dengan memodifikasi rumus perovskit, para peneliti telah meningkatkan efisiensi keseluruhannya sebagai sel surya menjadi 25,2 persen— rekor dekat untuk bahan semacam itu, yang melampaui efisiensi banyak panel surya yang ada. (Perovskit masih tertinggal secara signifikan dalam umur panjang dibandingkan dengan silikon, namun, tantangan sedang dikerjakan oleh tim di seluruh dunia.)

Penemuan ini dijelaskan dalam makalah di jurnal Alam oleh lulusan MIT baru-baru ini Jason Yoo Ph.D. ’20, profesor kimia dan Lester Wolfe Profesor Moungi Bawendi, profesor teknik kelistrikan dan ilmu komputer dan Profesor Fariborz Maseeh dalam Emerging Technology Vladimir Bulović, dan 11 lainnya di MIT, di Korea Selatan, dan di Georgia.

Perovskit adalah kelas material yang luas yang ditentukan oleh fakta bahwa mereka memiliki jenis susunan molekul tertentu, atau kisi, yang menyerupai susunan mineral alami perovskit. Ada banyak sekali kemungkinan kombinasi kimiawi yang dapat membuat perovskit, dan Yoo menjelaskan bahwa bahan-bahan ini telah menarik minat dunia karena “setidaknya di atas kertas, mereka dapat dibuat jauh lebih murah daripada silikon atau galium arsenida,” salah satu pesaing utama lainnya. . Itu sebagian karena proses pemrosesan dan manufaktur yang jauh lebih sederhana, yang untuk silikon atau galium arsenida membutuhkan panas berkelanjutan lebih dari 1.000 derajat Celcius. Sebaliknya, perovskit dapat diproses pada suhu kurang dari 200 C, baik dalam larutan atau deposisi uap.

Keuntungan utama lainnya dari perovskit dibandingkan silikon atau banyak kandidat pengganti lainnya adalah ia membentuk lapisan yang sangat tipis sambil tetap menangkap energi matahari secara efisien. “Sel perovskit memiliki potensi lebih ringan dibandingkan dengan silikon, berdasarkan urutan besarnya,” kata Bawendi.

Perovskit memiliki celah pita yang lebih tinggi daripada silikon, yang berarti mereka menyerap bagian spektrum cahaya yang berbeda dan dengan demikian dapat melengkapi sel silikon untuk memberikan efisiensi gabungan yang lebih besar. Tetapi bahkan hanya dengan menggunakan perovskit, Yoo mengatakan, “apa yang kami tunjukkan adalah bahwa bahkan dengan satu lapisan aktif, kami dapat membuat efisiensi yang mengancam silikon, dan mudah-mudahan dalam jarak pukulan galium arsenida. Dan kedua teknologi tersebut telah ada selama lebih lama dari yang dimiliki perovskit. “

Salah satu kunci untuk meningkatkan efisiensi material tim, jelas Bawendi, adalah dalam rekayasa tepat satu lapisan sandwich yang membentuk sel surya perovskit — lapisan transpor elektron. Perovskit itu sendiri dilapisi dengan lapisan konduktif transparan yang digunakan untuk mengalirkan arus listrik dari sel ke mana ia dapat digunakan. Namun, jika lapisan konduktif terikat langsung ke perovskit itu sendiri, elektron dan rekan-rekannya, yang disebut lubang, bergabung kembali di tempat dan tidak ada arus yang mengalir. Dalam desain peneliti, perovskit dan lapisan konduktif dipisahkan oleh jenis lapisan perantara yang ditingkatkan yang dapat membiarkan elektron melewatinya sambil mencegah rekombinasi.

Lapisan transpor elektron tengah ini, dan terutama antarmuka di mana ia terhubung ke lapisan di setiap sisinya, cenderung menjadi tempat terjadinya inefisiensi. Dengan mempelajari mekanisme ini dan merancang lapisan, yang terdiri dari oksida timah, yang lebih sesuai dengan yang berdekatan dengannya, para peneliti mampu mengurangi kerugian secara signifikan.

Metode yang mereka gunakan disebut deposisi rendaman kimia. “Ini seperti memasak perlahan dalam Crock-Pot,” kata Bawendi. Dengan mandi pada suhu 90 derajat Celcius, bahan kimia prekursor perlahan-lahan terurai membentuk lapisan timah dioksida di tempatnya. “Tim menyadari bahwa jika kita memahami mekanisme dekomposisi prekursor ini, maka kita akan memiliki pemahaman yang lebih baik tentang bagaimana film ini terbentuk. Kami dapat menemukan jendela yang tepat di mana lapisan transpor elektron dengan sifat ideal dapat disintesis. “

Setelah serangkaian percobaan terkontrol, mereka menemukan bahwa campuran senyawa antara yang berbeda akan terbentuk, tergantung pada keasaman larutan prekursor. Mereka juga mengidentifikasi sweet spot dari komposisi prekursor yang memungkinkan reaksi menghasilkan film yang jauh lebih efektif.

Para peneliti menggabungkan langkah-langkah ini dengan pengoptimalan lapisan perovskit itu sendiri. Mereka menggunakan satu set aditif pada resep perovskit untuk meningkatkan stabilitasnya, yang telah dicoba sebelumnya tetapi memiliki efek yang tidak diinginkan pada celah pita material, menjadikannya penyerap cahaya yang kurang efisien. Tim menemukan bahwa dengan menambahkan aditif dalam jumlah yang jauh lebih kecil — kurang dari 1 persen — mereka masih bisa mendapatkan efek menguntungkan tanpa mengubah celah pita.

Peningkatan efisiensi yang dihasilkan telah mendorong material ke lebih dari 80 persen dari efisiensi maksimum teoritis yang bisa dimiliki material semacam itu, kata Yoo.

Sementara efisiensi tinggi ini didemonstrasikan dalam perangkat skala lab kecil, Bawendi mengatakan bahwa “jenis wawasan yang kami berikan dalam makalah ini, dan beberapa trik yang kami berikan, berpotensi dapat diterapkan pada metode yang sekarang dikembangkan orang untuk skala besar- skala, sel perovskit yang dapat diproduksi, dan karenanya meningkatkan efisiensi tersebut. “

Dalam mengejar penelitian lebih lanjut, ada dua jalan penting, katanya: untuk terus mendorong batas efisiensi yang lebih baik, dan untuk fokus pada peningkatan stabilitas jangka panjang material, yang saat ini diukur dalam beberapa bulan, dibandingkan dengan puluhan tahun untuk sel silikon. Tetapi untuk beberapa tujuan, Bawendi menunjukkan, umur panjang mungkin tidak terlalu penting. Banyak perangkat elektronik seperti ponsel, misalnya, cenderung diganti dalam beberapa tahun, jadi mungkin ada beberapa aplikasi yang berguna bahkan untuk sel surya yang berumur pendek.

“Saya rasa kita belum sampai di sana dengan sel-sel ini, bahkan untuk aplikasi jangka pendek semacam ini,” katanya. “Tetapi orang-orang semakin dekat, jadi menggabungkan ide-ide kami dalam makalah ini dengan ide-ide yang dimiliki orang lain dengan stabilitas yang meningkat dapat menghasilkan sesuatu yang sangat menarik.”

Robert Hoye, dosen materi di Imperial College London, yang bukan bagian dari penelitian ini, berkata, “Ini adalah pekerjaan yang sangat bagus oleh tim internasional.” Dia menambahkan, “Hal ini dapat menghasilkan reproduktifitas yang lebih besar dan efisiensi perangkat yang sangat baik yang dicapai di laboratorium yang diterjemahkan ke modul komersial. Dalam hal pencapaian ilmiah, mereka tidak hanya mencapai efisiensi yang merupakan rekor bersertifikat untuk sel surya perovskite selama sebagian besar terakhir tahun, mereka juga mencapai tegangan sirkuit terbuka hingga 97 persen dari batas radiasi. Ini adalah pencapaian yang menakjubkan untuk sel surya yang dikembangkan dari larutan. ”


Studi baru mengungkapkan rahasia sukses matahari


Informasi lebih lanjut:
Jason J. Yoo dkk. Sel surya perovskit yang efisien melalui manajemen pembawa yang lebih baik, Alam (2021). DOI: 10.1038 / s41586-021-03285-w

Disediakan oleh Massachusetts Institute of Technology

Kisah ini diterbitkan ulang atas izin MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), situs populer yang meliput berita tentang penelitian, inovasi, dan pengajaran MIT.

Kutipan: Peneliti meningkatkan efisiensi bahan sel surya generasi berikutnya (2021, 1 Maret) diambil 1 Maret 2021 dari https://techxplore.com/news/2021-03-efficiency-next-generation-solar-cell-material.html

Dokumen ini memiliki hak cipta. Selain dari transaksi yang adil untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak ada bagian yang boleh direproduksi tanpa izin tertulis. Konten tersebut disediakan untuk tujuan informasi saja.


Halaman Ini Di Persembahkan Oleh : Lagu togel