Arsip Blog

Grafik perkembangan rekor efisiensi sel surya (per 19 Februari 2014)

efficiency_chart (1)

 

 

*Sumber : http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg

Timeline sejarah energi surya (infographic)

Dibawah ini adalah infographic mengenai timeline sejarah perkembangan energi surya yang sangat menarik dan ilustratif,  dari mulai ditemukan efek fotovoltaik pertama kali oleh Becquerel pada tahun 1839 sampai dengan kondisi tahun 2013.  Gambar ini diambil dari situs theecoexperts.co.uk.

The_Solar_Timeline (1)

Timeline Sejarah Energi Surya. (silakan di zoom untuk lebih jelas)

*Sumber: http://www.theecoexperts.co.uk/the-history-of-solar-energy-infographic

Terobosan baru dari sel surya perovskite – struktur planar juga bisa mencapai efisiensi 15%!

Terobosan baru kembali dihasilkan dari sel surya perovskite. Ternyata dengan melapiskan perovskite diatas lapisan TiO2 membentuk struktur planar konvensional yang umumnya digunakan di sel surya silikon dan juga thin film, efisiensi sel surya mampu mencapai lebih dari 15%.  Sebelumnya, peneliti-peneliti yang berkecimpung di riset sel surya perovskite menggunakan struktur sel surya yang mirip dengan dye-sensitized solar cell (DSSC), dimana material perovskite (CH3NH3PbI3-xClx) menempel di nanoporous TiO2 (http://teknologisurya.wordpress.com/2013/08/05/sel-surya-perovskite-primadona-baru-untuk-sel-surya-murah/ ).  Pada publikasi yang diterbitkan di jurnal Nature baru-baru ini, grup dari Universitas Oxford membuktikan bahwa struktur planar atau berlapis-lapis pun efisiensi sel surya perovskite bisa mencapai lebih daari 15%. (lihat gambar dibawah untuk struktur sel surya tersebut). Struktur konvensional tersebut bisa mempersimpel proses pembuatan sel surya perovskite secara umum dan dipercaya lebih menarik untuk aplikasi massal.

perovskite thin fiolm

Gambar 1. Struktur sel surya perovskite planar (hak cipta: doi:10.1038/nature12509)

Sumber : http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature12509.html

Sel surya Perovskite – primadona baru untuk sel surya murah

Baru-baru ini grup peneliti dari EPFL Swiss yang dipimpin Prof. Graetzel, inventor dari dye-sensitized solar cell (DSSC), mengumumkan bahwa mereka telah berhasil memfabrikasi sel surya modifikasi dari dye-sensitized solar cell yang berbahan utama material perovskite sebagai dye dengan efisiensi mencapai 15%. Lebih menariknya lagi, sel surya ini berjenis solid-state yang artinya tidak menggunakan elektrolit yang sebagaimana dipakai di DSSC kovensional, dan umumnya pemakaian cairan elektrolit ini menyebabkan stabilitas DSSC kurang baik dalam waktu yang lama. Sebagai pengganti elektrolit digunakan hole transporting material (HTM) dari bahan organik. Temuan mereka ini dipublikasikan di jurnal Nature http://www.nature.com/nature/journal/v499/n7458/full/nature12340.html .

perovskite solar cell

Struktur Sel surya Perovskite (hak cipta: doi:10.1038/nature12340)

Seperti terlihat pada gambar diatas, dibandingkan dengan struktur DSSC konvensional, bagian-bagian yang berbeda yaitu di penggantian ruthenium-based dye dengan perovskite Ch3NH3PbI3 sebagai penyerap cahaya, elektrolit diganti dengan HTM untuk transport hole, dan TCO terlapis platina diganti dengan Au (emas) sebagai metal kontak dan juga kolektor dari hole. Dalam publikasinya, mereka juga menyebutkan bahwa sels surya ini mempunyai stabilitas yang cukup baik. Setelah iluminasi dengan solar simulator pada temperatur 45C selama 500 jam, drop efisiensi yang terjadi sebesar 20%. Mari kita ikuti bagaimana perkembangan sel surya perovskite ini, apakah dalam waktu dekat ini akan bisa masuk ke pasar komersil. Namun sebelumnya haru dibuktikan dulu dengan performansi yang tidak jauh berbeda apabila dibuat dalam skala modul.

Sumber: http://www.nature.com/nature/journal/v499/n7458/full/nature12340.html

Grafik rekor efisiensi sel surya skala riset per Juni 2013

efficiency_chart

Grafik perkembangan rekor efisiensi berbagai jenis teknologi sel surya per 15 Juni 2013 (Sumber:NREL)

2013 Material Research Society (MRS) Spring Meeting – Hari 4

Improvement of Cu2ZnSnSe4 Based Solar Cells Back Contact with an Interfacial ZnO Nanolayer: Impact on Devices Efficiency (Fairbrother, Catalonia Institute for Energy Research (IREC), Barcelona, Spain)

  • Pada pembentukan kesterite, tekanan uap dari S(Se) dan temperature tinggi dibutuhkan untuk membentuk material dengan ukuran grain yang besar. Namun biasanya menyebabkan pembentukan lapisan MoS(e) yang tebal.
  • Dengan melapiskan diffusion barrier seperti TiN bias menghambat pembentukan lapisan MoS(e) yang tebal
  • Pada penelitian ini, ZnO dengan tebal 5-20 nm dicoba dilapiskan diatas Mo
  • Sputtering dari Sn/Cu/Zn metal untuk mebentuk CZTSe
  • Adanya nanolayer dari ZnO tidak membantu pengurangan ketebalan dari MoS(e) tetapi efisiensi dari sel surya meningkat. Kemungkinan dikarenakan akumulasi Na di interface ketika ada ZnO dan pembentukan Na2SeO3
  • Efisiensi meningkat dari 2.5% tanpa ZnO menjadi 6% dengan 10 nm ZnO

 

Cu2ZnSnS4 Devices from a Reactive Sputtering and Anneal Route (Charlotte Platzer-Bjorkman, Uppsala University, Sweden)

  • Fabrikasi CZTS dilakukan dengan reactive sputtering dari Cu, Zn, dan Sn dan aliran dari H2S gas ketika deposisi
  • Hilangnya Sn dan S ketika proses pendinginan menjadi masalah
  • Kemudian mereka mencoba proses dengan dua tahap yaitu  deposisi terlebih dahulu Cu, Zn. Dan Sn precursor, kemudian annealing di tube furnace dengan Ar pressure 350 mbar dan temperature 560C dalam 3 menit
  • Dengan metoda ini efisiensi meningkat dari 4.1% menjadi 7.2%

 

Investigation of Quantum Dot Solar Cell Device Performance (NS Beattie, Northumbria University, UK)

  • Intermediate band solar cell diprediksi akan melampaui limit teoritis efisiensi sels surya single band ga yaitu 33%
  • Umumnya pad asels urya konvensional, satu photon berkontribusi terhadap satu gabungan elekron-hole, namun absorpsi dua photon bisa terjadi dengan adanya intermediate band
  • Sub band gap ini berkontribusi terhadap photocurrentxternal quantum efficiency (EQE) dengan menangkap photon sub band gap
  • Pengaplikasian quantum dot bisa meningkatkan E
  • Efisiensi 3% berhasil dicapai dengan sel surya quantum dot InAs dan GaAs p-i-n

 

Correlations between Photoluminescence and Device Performance of PbS Quantum Dot Solar Cells (Gao, NREL, USA)

  • Efisiensi tertinggi dari sel surya quantum dot sampai saat ini yaitu 7% dengan struktur sel surya ITO/ZnO nanokristal/PbS nanokristal/Au
  • Keuntungan dari sel surya quantum dot yaitu fabrikasinya menggunakan larutan dan dilakukan pada suhu dan kondisi ruang
  • Photoluminiscence yang baik pada quantum dot berbanding lurus dnegan pada sel surya
  • Struktur sel surya mereka yaitu ITO/ZnO/PbS/MoO3/metal dan efisiensiensinya 6%
  • Mereka menggunakan dip coating untuk fabrikasi lapisan quantum dot

 

PVD of thin Copper Sulfide (Cu2S) Films for Photovoltaic Applications (Siol, Technische Universität Darmstadt)

  • Sel surya dengan struktur Cu2S/CdS telah mencapai efisiensi 11%
  • Namun penelitian mengenai material ini menurun drastis akibat dari ketidak stabilan sel surya krena degradasi Cu2S dan difusi ion Cu ke CdS
  • Pada penelitian ini mereka memfabrikasi sel surya dgn struktur Au/Cu2O/Cu2S/ZnO/AZO
  • Morfologi material masih sangat buruk

 

SnS as an Earth Abundant Solar Absorber: A Coupled Theoretical and Experimental Investigation (Vidal, NREL)

  • Band gap msih belum pasti apakah direct atau indirect
  • Sn vacancy adalah penyebab doping p-type dan mempunyao energy pembentukan yang rendah pada kondisi Sulfur-rich
  • Kondisi Sn-rich sangat merugikan potensi sel surya krena memudahkan pembentukan deep defect seperti Sn antisite dan S vacancy

 

2013 Material Research Society (MRS) Spring Meeting – Hari 1

Kebetulan saya mendapatkan kesempatan berpartisipasi di 2013 Material Research Society (MRS) Meeting di San Francisco, USA dari 1 April sampai 5 April.Event ini merupakan pertemuan peneliti atau akademisi dari seluruh dunia yang bergerak dibidang material dan diselenggarakan dua kali dalam setahun, spring meeting dan fall meeting. Event ini dibagi menjadi banyak symposium yang berjalan parallel dengan berbagai topik mulai dari material untuk energy (sel surya, fuel cell, bioenergi, dll), nanoteknologi dan nanosains, biomaterial, material superkonduktor, dan lain lain, total 56 simposium. Pada hari ke-2 saya akan mempresentasikan penelitian doctoral saya dalam bentuk poster dengan judul “Thin Film Solar Cells Based on Cu2ZnSnS4 and Cu2ZnSnSe4 Prepared by Electrodeposition Routes”.

MRS Spring 2013 poster

Poster penelitian saya di 2013 MRS Spring Meeting

 

Banyak penelitian-penelitian yang menarik di event ini baik presentasi oral atau powerpoint maupun poster, dan saya ingin membaginya di blog ini untuk bahan pembelajaran sya dan juga apabila ada yang tertarik. Karena presentasi-presentasi yang sudah dan akan saya dengarkan lebih ke bidang yang saya minati yaitu sel surya dan nanoteknologi untuk energi maka yang akan sharing jga presentasi-presentasi di topik-topik tersebut. Agar lebih mudah dibaca maka saya membuat rangkuman presentasinya dengan poin-poin. Sebagian perbendaharaan kata yang digunakan mungkin hanya dimengerti bagi yang berkecimpung di dunia material, maka silakan tanyakan langsung saja apabila ingin penjelasan lebih jauh.

 

Theoretical Aspects of Photovoltaics and Photosynthesis (M.K. Nikiforov- Argonne National Laboratory, USA) (Tutorial on Artificial Photosynthesis and Photovoltaic)

  • Sinar matahari dapat dirubah menjadi energy kimia atau energy listrik. Energi kimia yaitu dengan proses fotosintesis alami pada tumbuhan dan fotosintesis buatan dengan menggunakan rekayasa material. Energi listrik yaitu dengan penggunaan sel surya.
  • Spektrum sinar matahari sangat tidak uniform dan paling kuat pada cahaya tampak
  • Efisiensi dari system water splitting untuk mememcah air (H2O) menjadi H2 dan O2 menggunakan sel surya mencapai 11%.
  • Pada system sel surya, variasi intensitas cahaya yang datang bisa digunakan untuk memahami mekanisme rekombinasi pada sel tersebut.
  • Prof. Nocera dari MIT, USA telah mengembangkan “daun buatan” yang dianalogikan mampu melakukan fotosintesa untuk mengkonversi energy surya menjadi energy kimia dengan membuat tandem dari beberapa sel surya dengan material yang mempunyai lebar energy yang berbeda-beda

 

Colloidal metal nanocrystal shape control, symmetry breaking, and niche applications (Prof. Younan Xia-Georgia Institute of Technology) (Fred Kavli Distinguished Lectruship in Nanoscience)

  • Ukuran dari nanokristal suatu material mempengaruhi karakteristik optik material tersebut. Sebagai contoh, untuk nanopartikel emas, semakin besar ukuran dari nanokristal maka keaktifan optiknya akan semakin bergeser semakin mendekati daerah cahaya infrared.
  • Bentuk dari nanokristal juga mempengaruh karakteristik optik suatu material. Bentuk nanokristal yng kotak, sperikal, tetrahedral, segitiga semua mempunyai karakteristik optik yang berbeda walaupun materialnya sama.
  • Nanokristal metal dapat diaplikasikan sebagai katalis heterogenous untuk katalis converter pada automobile. Material yang umum digunakan yaitu nanopartikel platinum.
  • Tantangan dalam mensintesis nanopartikel suatu material adalah bagaimana mebuatnya berukuran homogeny.
  • Capping agent yang berbeda dalam sintesis nanokristal akan mempengaruhi bentuk dari partikelnya.

 

bersambung ke hari 2………

Grafik perkembangan rekor efisiensi berbagai teknologi sel surya

Berapa besar sebenarnya efisiensi tertinggi sel surya saat ini? NREL melalui situs http://www.nrel.gov/ncpv/ mengupdate secara periodik rekor-rekor efisiensi dari berbagai teknologi sel surya.

Apabila ingin tau perkembangan efisiensi tertinggi terbaru berbagai teknologi sel surya di dunia, kita bisa rutin mengecek situs http://www.nrel.gov/ncpv/ dan mengunduh file “Research Cell Efficiency Records”. NREL mengupdate secara periodik efisiensi tertinggi dari masing-masing teknologi sel surya. Sebagai contoh grafik dibawah saya unduh 11 Maret 2013, dan efisiensi tertinggi dari seluruh teknologi yang ada dipegang oleh perusahaan Solar Junction (44.0%) dengan teknologi multijunction sel surya nya.

efficiency_chart

Grafik efisiensi berbagai teknologi sel surya. (Gambar:NREL) Data tanggal 11 Maret 2013.

Sel surya : Struktur & Cara kerja

Sel surya atau juga sering disebut fotovoltaik adalah divais yang mampu mengkonversi langsung cahaya matahari menjadi listrik. Sel surya bisa disebut sebagai pemeran utama untuk memaksimalkan potensi sangat besar energi cahaya matahari yang sampai kebumi, walaupun selain dipergunakan untuk menghasilkan listrik, energi dari matahari juga bisa dimaksimalkan energi panasnya melalui sistem solar thermal.

Sel surya dapat dianalogikan sebagai divais dengan dua terminal atau sambungan, dimana saat kondisi gelap atau tidak cukup cahaya berfungsi seperti dioda, dan  saat disinari dengan cahaya matahari dapat menghasilkan tegangan. Ketika disinari, umumnya satu sel surya komersial menghasilkan tegangan dc sebesar 0,5 sampai 1 volt, dan arus short-circuit dalam skala  milliampere per cm2. Besar tegangan dan arus ini tidak cukup untuk berbagai aplikasi, sehingga umumnya sejumlah sel surya disusun secara seri membentuk modul surya. Satu modul surya biasanya terdiri dari 28-36 sel surya, dan total menghasilkan tegangan dc sebesar 12 V dalam kondisi penyinaran standar (Air Mass 1.5). Modul surya tersebut bisa digabungkan secara paralel atau seri untuk memperbesar total tegangan dan arus outputnya sesuai dengan daya yang dibutuhkan untuk aplikasi tertentu. Gambar dibawah menunjukan ilustrasi dari modul surya.

Modul surya biasanya terdiri dari 28-36 sel surya yang dirangkai seri untuk memperbesar total daya output. (Gambar :”The Physics of Solar Cell”, Jenny Nelson)

Struktur Sel Surya

Sesuai dengan perkembangan sains&teknologi, jenis-jenis teknologi sel surya pun berkembang dengan berbagai inovasi. Ada yang disebut sel surya generasi satu, dua, tiga dan empat, dengan struktur atau bagian-bagian penyusun sel yang berbeda pula (Jenis-jenis teknologi surya akan dibahas di tulisan “Sel Surya : Jenis-jenis teknologi”). Dalam tulisan ini akan dibahas struktur dan cara kerja dari sel surya yang umum berada dipasaran saat ini yaitu sel surya berbasis material silikon yang juga secara umum mencakup struktur dan cara kerja sel surya generasi pertama (sel surya silikon) dan kedua (thin film/lapisan tipis).

Struktur dari sel surya komersial yang menggunakan material silikon sebagai semikonduktor. (Gambar:HowStuffWorks)

Gambar diatas  menunjukan ilustrasi sel surya dan juga bagian-bagiannya. Secara umum terdiri dari :

1. Substrat/Metal backing

Substrat adalah material yang menopang seluruh komponen sel surya. Material substrat juga harus mempunyai konduktifitas listrik yang baik karena juga berfungsi sebagai kontak terminal positif sel surya, sehinga umumnya digunakan material metal atau logam seperti aluminium atau molybdenum. Untuk  sel surya dye-sensitized  (DSSC) dan sel surya organik, substrat juga berfungsi sebagai tempat masuknya cahaya sehingga material yang digunakan yaitu material yang konduktif tapi juga transparan sepertii ndium tin oxide (ITO) dan flourine doped tin oxide (FTO).

2. Material semikonduktor

Material semikonduktor merupakan bagian inti dari sel surya yang biasanya mempunyai tebal sampai beberapa ratus mikrometer untuk sel surya generasi pertama (silikon), dan 1-3 mikrometer untuk sel surya lapisan tipis. Material semikonduktor inilah yang berfungsi menyerap cahaya dari sinar matahari. Untuk kasus gambar diatas, semikonduktor yang digunakan adalah material silikon, yang umum diaplikasikan di industri elektronik. Sedangkan untuk sel surya lapisan tipis, material semikonduktor yang umum digunakan dan telah masuk pasaran yaitu contohnya material Cu(In,Ga)(S,Se)(CIGS), CdTe (kadmium telluride), dan amorphous silikon, disamping material-material semikonduktor potensial lain yang dalam sedang dalam penelitian intensif seperti Cu2ZnSn(S,Se)(CZTS) dan Cu2O (copper oxide).

Bagian semikonduktor tersebut terdiri dari junction atau gabungan dari dua material semikonduktor yaitu semikonduktor tipe-p (material-material yang disebutkan diatas) dan  tipe-n (silikon tipe-n, CdS,dll)  yang membentuk p-n junction. P-n junction ini menjadi kunci dari prinsip kerja sel surya. Pengertian semikonduktor tipe-p, tipe-n, dan juga prinsip p-n junction dan sel  surya akan dibahas dibagian “cara kerja sel surya”.

3. Kontak metal / contact grid

Selain substrat sebagai kontak positif, diatas sebagian material semikonduktor biasanya dilapiskan material metal atau material konduktif transparan sebagai kontak negatif.

4.Lapisan antireflektif

Refleksi cahaya harus diminimalisir agar mengoptimalkan cahaya yang terserap oleh semikonduktor. Oleh karena itu biasanya sel surya dilapisi oleh lapisan anti-refleksi. Material anti-refleksi ini adalah lapisan tipis material dengan besar indeks refraktif optik antara semikonduktor dan udara yang menyebabkan cahaya dibelokkan ke arah semikonduktor sehingga meminimumkan cahaya yang dipantulkan kembali.

5.Enkapsulasi / cover glass

Bagian ini berfungsi sebagai enkapsulasi untuk melindungi modul surya dari hujan atau kotoran.

Cara kerja sel surya

Sel surya konvensional bekerja menggunakan prinsip p-n junction, yaitu junction antara semikonduktor tipe-p dan tipe-n. Semikonduktor ini terdiri dari ikatan-ikatan atom yang dimana terdapat elektron sebagai penyusun dasar.  Semikonduktor tipe-n mempunyai kelebihan elektron (muatan negatif)  sedangkan semikonduktor tipe-p mempunyai kelebihan hole (muatan positif) dalam struktur atomnya.  Kondisi kelebihan elektron dan hole tersebut bisa terjadi dengan mendoping material dengan atom dopant. Sebagai contoh untuk mendapatkan material silikon tipe-p, silikon didoping oleh atom boron, sedangkan untuk mendapatkan material silikon tipe-n, silikon didoping oleh atom fosfor. Ilustrasi dibawah menggambarkan junction semikonduktor tipe-p dan tipe-n.

Junction antara semikonduktor tipe-p (kelebihan hole) dan tipe-n (kelebihan elektron). (Gambar : eere.energy.gov)

 Peran dari p-n junction ini adalah untuk membentuk medan listrik sehingga elektron (dan hole) bisa diekstrak oleh material kontak untuk menghasilkan listrik. Ketika semikonduktor tipe-p dan tipe-n terkontak, maka kelebihan elektron akan bergerak dari semikonduktor tipe-n ke tipe-p sehingga membentuk kutub positif pada semikonduktor tipe-n, dan sebaliknya kutub negatif pada  semikonduktor tipe-p. Akibat dari aliran elektron dan hole ini maka terbentuk medan listrik yang mana  ketika cahaya matahari mengenai susuna p-n junction ini maka akan mendorong elektron bergerak dari semikonduktor menuju kontak negatif, yang selanjutnya dimanfaatkan sebagai listrik, dan sebaliknya hole bergerak menuju kontak positif menunggu elektron datang, seperti diilustrasikan pada gambar dibawah.

Ilustrasi cara kerja sel surya dengan prinsip p-n junction. (Gambar : sun-nrg.org)


Ikuti

Get every new post delivered to your Inbox.

Bergabunglah dengan 737 pengikut lainnya.

%d blogger menyukai ini: