Para ilmuwan menciptakan sel surya all-organik yang lebih aman dan efisiensi tinggi menggunakan teknik elektroda dan laminasi baru, mencapai konversi daya 8,7%, lebih dari model masa lalu ganda. Ketika inisiatif global untuk mengurangi perubahan perubahan iklim, permintaan akan energi matahari terus meningkat. Namun, panel surya berbasis silikon konvensional, yang saat ini mendominasi pasar, berisi berbagai berbahaya (…)

RisalahPos.com Network

Penemuan yang menakjubkan di Mars telah mengungkapkan molekul organik terpanjang yang pernah ditemukan di planet ini – rantai karbon yang bisa menyerupai blok bangunan kehidupan seperti yang kita ketahui. Diawetkan selama miliaran tahun di tanah liat Mars kuno, molekul -molekul ini ditemukan oleh penasaran NASA dan dapat menunjuk ke masa lalu yang lebih kompleks secara kimia (…)

RisalahPos.com Network

Senyawa organik yang mudah menguap ditemukan di Finlandia dalam lubang bor yang memanjang lebih dari dua kilometer. Volatile Organic Compounds (VOC), yang umumnya dikaitkan dengan kualitas udara dalam ruangan yang buruk dan polusi industri, telah ditemukan di lubang bor lebih dari dua kilometer dalam Finlandia. Situs ini sebelumnya telah menghasilkan air tanah yang diperkirakan puluhan juta (…)

RisalahPos.com Network

Related

Para peneliti meningkatkan efisiensi dan stabilitas sel surya organik dengan menghilangkan mekanisme kerugian menggunakan lapisan pasivasi SiOxNy, sehingga mencapai kinerja dan umur panjang yang memecahkan rekor. Para peneliti di Universitas Åbo Akademi di Finlandia telah menemukan dan menghilangkan mekanisme kerugian yang sebelumnya tidak diketahui pada sel surya organik, sehingga secara signifikan meningkatkan efisiensi dan memperpanjang umur sel surya. Terobosan ini menawarkan (…)

RisalahPos.com Network

Related

Memodifikasi permukaan untuk sel surya tandem perovskit/silikon bertekstur lebih efektif.

Generasi baru panel surya dapat muncul dengan penggunaan lapisan molekul organik khusus pada sel surya. Menurut tim peneliti dalam jurnal Kimia terapanlapisan ini meningkatkan efisiensi sel tandem monolitik yang terbuat dari silikon dan perovskit, sekaligus mengurangi biayanya, karena dibuat dari wafer silikon standar industri berstruktur mikro.

Pada sel surya, cahaya “mengetuk” elektron keluar dari semikonduktor, meninggalkan “lubang” bermuatan positif. Kedua pembawa muatan ini terpisah satu sama lain dan dapat dikumpulkan sebagai arus. Sel tandem dikembangkan untuk memanfaatkan seluruh spektrum sinar matahari dengan lebih baik dan meningkatkan efisiensi sel surya.

Sel tandem terbuat dari dua jenis sel yang berbeda semikonduktor yang menyerap panjang gelombang cahaya yang berbeda. Pesaing utama untuk penggunaan dalam teknologi ini adalah kombinasi silikon, yang menyerap sebagian besar cahaya merah dan inframerah dekat, dan perovskit, yang menggunakan cahaya tampak dengan sangat efisien. Sel tandem monolitik dibuat dengan melapisi penyangga dengan dua jenis semikonduktor, satu di atas yang lain. Untuk sistem perovskit/silikon, ini biasanya dicapai dengan menggunakan wafer silikon yang diproduksi melalui proses peleburan zona dan memiliki permukaan yang dipoles atau berstruktur nano. Namun, ini sangat mahal.

Wafer silikon yang diproduksi melalui proses Czochralski dengan elemen struktur piramida berskala mikrometer pada permukaannya jauh lebih murah. Mikrotekstur ini menghasilkan penangkapan cahaya yang lebih baik karena tidak terlalu memantulkan cahaya dibandingkan permukaan yang halus. Namun, proses pelapisan wafer ini dengan perovskit menghasilkan banyak cacat pada kisi kristal, yang memengaruhi sifat elektronik. Transfer elektron yang dilepaskan terhambat, dan rekombinasi elektron-lubang semakin terjadi melalui proses yang tidak memancarkan cahaya. Baik efisiensi maupun stabilitas lapisan perovskit menurun.

Terobosan dalam Pasivasi Permukaan

Dipimpin oleh Prof. Kai Yao, tim Tiongkok di Universitas Nanchang, Suzhou Maxwell Technologies, Institut Penelitian Barang Tabung CNPC (Shaanxi), Universitas Politeknik Hong Kong, Universitas Teknologi Wuhan, dan Universitas Fudan (Shanghai) kini telah mengembangkan strategi untuk pasivasi permukaan yang memungkinkan cacat permukaan lapisan perovskit dihaluskan. Senyawa tiofenetilammonium dengan gugus trifluorometil (CF3-TEA) diaplikasikan melalui proses pelapisan semprot dinamis. Ini membentuk lapisan yang sangat seragam—bahkan pada permukaan bertekstur mikro.

Karena polaritas dan energi pengikatannya yang tinggi, lapisan CF3-TEA sangat efektif melemahkan efek cacat permukaan. Rekombinasi nonradiatif ditekan, dan level elektronik disesuaikan sehingga elektron pada antarmuka dapat lebih mudah ditransfer ke lapisan penangkap elektron sel surya. Modifikasi permukaan dengan CF3-TEA memungkinkan sel surya tandem perovskit/silikon berdasarkan wafer bertekstur umum yang terbuat dari silikon Czochralski untuk mencapai efisiensi yang sangat tinggi hampir 31% dan mempertahankan stabilitas jangka panjang.

Referensi: “Rekayasa Molekuler Permukaan untuk Sel Surya Perovskit/Silikon Tandem Bertekstur Penuh” oleh Jun Chen, Shaofei Yang, Long Jiang, Ke Fan, Zhiliang Liu, Wentao Liu, Wei Li, Haitao Huang, Hong Zhang dan Kai Yao, 11 Juni 2024 , Kimia Terapan Edisi Internasional.
DOI: 10.1002/anie.202407151

Penelitian ini didanai oleh Yayasan Ilmu Pengetahuan Alam Nasional Tiongkok dan Yayasan Ilmu Pengetahuan Alam Provinsi Jiangxi.

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 virtual, 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 Materi LanjutanChan 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.

Kunci dari penemuan ini adalah pengukuran yang dilakukan oleh penulis utama Rijal menggunakan teknik eksperimental yang dijuluki “time-resolved two foto 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 total (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 total,” kata Rijal. “Tapi kami menemukan bahwa molekul organik yang tersusun dalam bentuk tertentu skala nano struktur, arah aliran panas yang khas dibalik agar entropi total 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 yang Terjadi Secara Spontan pada Akseptor Polimer Massal Non-Fullerene/Heterojunction” oleh Kushal Rijal, Neno Fuller, Fatimah Rudayni, Nan Zhang, Xiaobing Zuo, Cindy L. Berrie, Hin-Lap Yip dan Wai-Lun Chan, Mei 19 Agustus 2024, Materi Lanjutan.
Nomor Induk Kependudukan: 10.1002/adma.202400578