Peneliti dari Berkeley Lab mengembangkan metoda murah untuk membuat Sel Surya Nanowire

Fotovoltaik atau sel surya adalah salah satu teknologi terbaik untuk menyediakan sumber energi yang bersih dan tidak habis untuk menyokong peradaban kita. Namun, agar mimpi ini bisa terwujud, sel surya harus dibuat dari bahan yang tidak mahal dengan proses pembuatan yang murah, dan juga hemat energi, dan harus  bisa secara efisien dan dengan biaya yang kompetitif untuk mengkonversi sinar matahari menjadi listrik. Tim peneliti dari U.S. Departement of Energy (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) mendemonstrasikan dua dari tiga kebutuhan tersebut dengan awal yang menjanjikan untuk kebutuhan yang ketiga akan efisiensi sel surya yang tinggi.

Peidong Yang, kimiawan dari Divisi Material Science Berkeley Lab, memimpin pengembangan dari teknik fabrikasi berbasis larutan untuk membuat sel surya nanowire (material satu dimensi yang lebarnya hanya seperseribu dari rambut manusia namun panjangnya bisa mencapai skala milimeter) core/shell (inti/kulit) dengan menggunakan semikonduktor kadmium sulfida (CdS) untuk bagian inti dan tembaga sulfida (Cu2S) sebagai kulit.  Metoda yang relatif tidak mahal dan juga simpel untuk membuat sel surya nanowire ini melejitkan tegangan open-circuit (Voc) dan fill factor (FF) melebihi sel surya dengan struktur planar (membentuk lapis-lapis) untuk material yang sama. Nilai tegangan open-circuit dan fill factor ini menentukan energi maksimum yang bisa diproduksi sebuah sel surya. Dan juga, struktur nanowire ini menghasilkan efisiensi energi sebesar 5.4%, sebanding dengan sel surya planar.

Skema pembuatan sel surya core/shell nanowire dimulai dari kiri dengan nanowire CdS (hijau) yang dicelupkan ke CuCl dimana terjadi reaksi cation exchange yang membentak lapisan Cu2S shell (coklat), kemudian kontak metal dideposisikan di CdS dan Cu2S. (Gambar hak cipta Yang et.al, Nature nanotechnology)

“Ini pertama kalinya teknik kimia cation-exchange berbasis larutan digunakan untuk memproduksi single-kristal berkualitas tinggi dari kadmium sulfida/tembaga sulfida core/shell nanowire“, ungkap Yang. “Pencapaian ini, bersamaan dengan penigkatan absorpsi cahaya yang telah didemonstrasikan sebelumnya dalam susunan/array nanowire melalui penangkapan cahaya, mengindikasikan bahwa nanowire core/shell sangat menjanjikan untuk teknologi sel surya masa depan.”

Berkeley Lab chemist Peidong Yang is a leading authority on semiconductor nanowires. (Photo by Roy Kaltschmidt, Berkely Lab Public Affairs)Peidong Yang adalah salah satu expert dalam semikonduktor nanowire. (photo : Berkeley lab)

Yang, yang juga berafiliasi dan bekerjasama dengan University of California (UC) Berkeley, adalah corresponding author (penulis yang umumnya bisa dihubungi untuk surat menyurat) dari paper ilmiah yang telah terbit di jurnal Nature Nanotechnology. Paper nya berjudul “Solution-processed core-shell nanowires for efficienct photovoltaic cells”.

Tipikal sel surya sekarang terbuat dari single-crystal (kristal tunggal) wafer silikon dengan kemurnian yang sangat tinggi dan membutuhkan ketebalan kira-kira 100 mikrometer dari material yang sangat mahal ini agar menyerap cukup cahaya matahari. Ditambah lagi, proses pemurnian kristal yang diperlukan untuk fabrikasi bahkan untuk tipe sel surya silikon yang paling simpel sekalipun sangat kompleks, membutuhkan energi yang tinggi dan juga mahal.

Alternatif yang menjanjikan adalah semikonduktor nanowires. Sel surya yang dibuat dari bahan nanowire mempunyai beberapa keuntungan dibanding struktur sel surya konvensional, termasuk separasi  dan penangkapan muatan listrik yang lebih baik dikarenakan ukurannya yang berskala nano, ditambah dapat dibuat dari bahan-bahan yang melimpah dialam dibandingkan dengan silikon yang produksinya relatif sulit. Namun sampai sekarang, efisiensi sel surya dengan struktur nanowire yang lebih rendah masih menjadi hambatan walaupun dengan keuntungan-keuntungan diatas.

“Sel surya nanowire sebelumnya mempunyai fill factor dan tegangan open circuit jauh dibawah tipe planar-nya”, ungkap Yang. “Kemungkinan alasan akan performansi yang rendah ini termasuk rekombinasi permukaan (surface recombination) dan kontrol yang rendah terhadap kualitas dari junction p-n ketika proses doping pada temperatur tinggi digunakan.”

Bagian inti dari sel surya adalah dua lapisan material yang terpisah, yang satu memiliki kelebihan elektron yang berfungsi sebagai kutub negatif, dan yang satunya lagi kelebihan hole (muatan positif) yang berfungsi sebagai kutub negatif. Ketika foton dari cahaya matahari diserap, energinya digunakan untuk membentuk pasangan elektron-hole, yang kemudian dipisahkan pada junction p-n (permukaan antara dua lapisan tersebut) dan yang kemudian disalurkan sebagai listrik.

This scanning electron microscopy image shows three solar cells in series on a single nanowire with the core–shell regions marked by brown lines. (Image courtesy of Yang, et. al)
Gambar scanning electron microscopy (SEM) ini menunjukkan tiga sel surya yang dikoneksikan secara seri oleh nanowire dengan struktur core-shell ditunjukkan dengan bagan segi empat (Gambar hak cipta Yang et.al., Nature Nanotechnology)

Sekitar setahun lalu, dengan bekerja pada material silikon, Yang dan anggota dari grup risetnya mengembangkan metoda yang relatif tidak mahal untuk mengganti struktur planar p-n junction pada sel surya konvensional dengan struktur radial p-n junction, yang mana lapisan silikon tipe-n membentuk struktur kulit (shell) disekeliling nanowire silikon tipe-p sebagai inti. Struktur geometri ini efektif membuat setiap nanowire menjadi sel surya dan  mampu meningkatkan kemampuan penangkapan cahaya dari fotovoltaik berbasis silikon ini.

Sekarang mereka mengaplikasikan strategi tersebut untuk memfabrikasi nanowire core/shell menggunakan kadmium sulfida dan tembaga sulfida, namun kali ini menggunakan kimia larutan. Struktur nanowire core/shell ini dibuat menggunakan reaksi cation-exchange yang originalnya dikembangkan oleh kimiawan Paul Alivisatos dan grup risetnya untuk membuat quantum dot dan nanorod. Alivisatos sekarang adalah direktur dari  Berkeley lab, dan juga Professor Nanoteknologi di UC Berkeley Larry dan Diane Bock.

“Awalnya nanowire kadmium sulfida disintesa dengan physical vapor transport menggunakan mekanisme vapor-liquid-solid (VLS) tidak dengan wet-chemistry (berbasis larutan), yang memberikan kualitas material lebih baik dan nanowire yang lebih panjang, namun tentu saja dapat dibuat juga degnan metoda larutan” ujar Yang. “Single-kristal nanowire kadmium sulfida mempunyai diameter antara 100 dan 400 nanometer dan  panjang sampai 50 milimeter.”

Nanowire kadmium sulfida kemudian dicelupkan kedalam larutan tembaga klorida (copper chloride) pada temperatur 50 derajat celcius dan didiamkan selama 5 sampai 10 detik. Reaksi cation-exchange mengkonversi permukaan lapisan kadmium sulfida kedalam struktur kulit tembaga sulfida.

“Reaksi cation exchange yang menggunakan larutan ini relatif mudah, metoda murah untuk menghasilkan heteroepitaxial (dua lapisan monokristal) nanomaterial kualitas tinggi.”, ujar Yang. “Selain itu, metoda ini juga terhindar dari kesulitan doping pada temperatur tinggi dan deposisi untuk metoda vapor phase, yang berarti biaya fabrikasi yang lebih murah dan tingkat reproduktifitas yang lebih baik. Yang kita butuhkan hanya gelas dan labu eksperimen untuk proses berbasis larutan ini. Tidak ada fabrikasi yang berbiaya tinggi seperti pada metoda chemical vapor deposition dan molecular beam epitaxy, teknik-teknik yang umumnya digunakan sekarang untuk memfabrikasi semikonduktor nanowire.”

Yang dan kolaboratornya yakin bahwa mereka dapat meningkatkan efisiensi konversi energi dari sel surya nanowire ini dengan meningkatkan jumlah material tembaga sulfida. Agar teknologi mereka dapat tersedia secara komersil, mereka harus mendapatkan efisiensi energi paling tidak sepuluh persen.

*Sumber : http://newscenter.lbl.gov/news-releases/2011/08/31/down-to-the-wire-berkeley-lab-researchers-develop-inexpensive-technique-for-making-high-quality-nanowire-solar-cells/

*Jurnal original : http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2011.139.html

Istilah-istilah Teknis

cation / kation : ion yang mempunyai muatan listrik positif

cation exchange : proses dimana kation yang ada dalam larutan bertukar dengan kation yang ada dalam material lain

chemical vapor deposition : metoda untuk membentuk lapisan tipis semikonduktor dimana material atau bahan sumber dalam fasa gas (yang mengandung elemen yang ingin dibentuk) bereaksi dengan permukaan untuk membentuk lapisan material yang diinginkan.

elektron :partikel subatom yang bermuatan negatif

fill factor : salah satu karakteristik performansi sel surya yang menunjukkan rasio  daya aktual maksimal yang dihasilkan berbanding daya maksimal secara teoritis.

fotovoltaik: divais yang mampu mengkonversi cahaya matahari menjadi listrik

hole : partikel subatom bermuatan positif

molecular beam epitaxy : teknik untuk penumbuhan epitaxy atau material dengan struktur kristal yang sama diatas yang lain, dan biasanya menggunakan kondisi ultra high vacuum.

nanometer :  1/1000000000 meter

nanorod :salah satu struktur nano dengan dimensi 1-100 nm dan mempunyai rasio antara panjang berbanding lebar sebesar 3-5 (berbentuk batang).

nanowire : salah satu struktur nano dengan diameter dalam skala nanometer, dan biasanya mempunyai rasio antar panjang berbanding lebar sebesar 1000 atau lebih (berbentuk seperti kawat)

physical vapor transport : metoda pelapisan material menggunakan kondensasi fasa uap dari material sumber diatas permukaan yang akan dilapisi.

p-n junction : juntion atau pertemuan permukaan antara semikonduktor tipe-p (berlebih muatan positif) dan semikonduktor tipe-n (berlebih muatan negatif), biasanya digunakan di divais semikonduktor.

quantum dot : kristal semikonduktor berskala nanometer yang mempunyai karakteristik pertengahan antara semikonduktor dan juga molekul. Karakteristik elektroniknya bergantung kepada ukuran dari quantum dot.

rekombinasi/recombination : dalam konteks sel surya, yaitu proses kembalinya elektron ke keadaan energi awal setelah sebelumnya naik ke tingkat energi  yang lebih tinggi.

scanning electron microscopy : salah satu jenis mikroskop untuk mengamati bentuk morfologi atau struktur dari suatu material sampai skala mikrometer.

semikonduktor :bahan yang mempunyai konduktivitas listrik antara insulator dan konduktor

tegangan open-circuit : tegangan maksimum yang mampu dihasilkan dalam sistem sel surya

vapor-liquid-solid : mekanisme penumbuhan struktur satu-dimensi,seperti nanowire, dengan penggunaan material fasa liquid sebagai katalis untuk mempercepat adsorbsi material sumber dengan fasa uap ke permukaan fasa liquid-solid.

wet-chemistry : metoda produksi menggunakan larutan.

Posted on September 10, 2011, in Berita Teknologi and tagged . Bookmark the permalink. 2 Komentar.

  1. bagaimana cara skema / gambar menyeri cell matahari yg bapak buat terima kasih

  2. boleh tau lebih detail sel surya yang mana Pak Mulyo? Secara umum dijelaskan pada artikel ini https://teknologisurya.wordpress.com/dasar-teknologi-sel-surya/prinsip-kerja-sel-surya/
    yaitu dengan menghubungkan beberapa sel surya dengan elektroda metal yang sama (contohnya untuk peneliti berkeley ini menggunakan metal platina/emas atau untuk sel surya silikon komersial menggunakan aluminium)

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s

%d blogger menyukai ini: