Sistem untuk Meningkatkan Efisiensi Sel Surya Organik

Sel surya organik lebih murah untuk diproduksi dan lebih fleksibel daripada rekan silikon kristal mereka, tetapi mereka tidak menawarkan tingkat efisiensi atau stabilitas yang sama. Sekelompok peneliti yang dipimpin oleh Profesor Christoph Brabec, Direktur Institut Material untuk Elektronika dan Teknologi Energi (i-MEET) di Departemen Ilmu dan Teknik Material FAU, sedang bekerja untuk memperbaiki properti ini selama beberapa tahun. Dalam disertasi doktoralnya, Andrej Classen yang merupakan peneliti muda di FAU menunjukkan bahwa efisiensi dapat ditingkatkan dengan menggunakan molekul akseptor luminescent. Karyanya kini telah diterbitkan di jurnal Energi Alam.

Matahari dapat memberikan energi radiasi sekitar 1000 watt per meter persegi pada hari yang cerah di garis lintang Eropa. Sel surya silikon monokristalin konvensional mengubah seperlima energi ini menjadi listrik, yang berarti memiliki efisiensi sekitar 20 persen. Kelompok kerja Professor Brabec telah memegang rekor dunia untuk efisiensi dalam modul fotovoltaik organik sebesar 12,6% sejak September 2019. Modul multiseluler yang dikembangkan di Energie Campus Nürnberg (EnCN) memiliki luas 26 cm². “Jika kita bisa mendapatkan lebih dari 20% di lab, kita mungkin bisa mencapai 15% dalam praktek dan menjadi persaingan nyata untuk sel surya silikon,” kata Profesor Brabec.

Aplikasi yang fleksibel adalah efisiensi energi yang tinggi selama pembuatan

Keuntungan dari sel surya organik sangat jelas – tipis dan fleksibel seperti foil dan dapat disesuaikan untuk beradaptasi dengan berbagai substrat. Panjang gelombang di mana sinar matahari diserap dapat “diatur” melalui makromodul yang digunakan. Jendela kantor yang dilapisi dengan sel surya organik yang menyerap spektrum merah dan inframerah tidak hanya akan melindungi radiasi termal, tetapi juga menghasilkan listrik pada saat yang bersamaan.

Salah satu kriteria yang menjadi semakin penting dalam pandangan perubahan iklim adalah periode operasi setelah sel surya menghasilkan lebih banyak energi daripada yang diperlukan untuk memproduksinya. Yang disebut waktu pengisian ulang energi ini sangat bergantung pada teknologi yang digunakan dan situasi sistem fotovoltaik (PV). Menurut perhitungan terbaru Institut Fraunhofer untuk Sistem Energi Surya (ISE), waktu pengembalian energi modul PV silikon di Swiss adalah sekitar 2,5 hingga 2,8 tahun. Namun, waktu ini dikurangi menjadi beberapa bulan untuk sel surya organik menurut Dr. Thomas Heumüller, rekan penelitian di kursi Profesor Brabec.

Kehilangan kinerja karena pemisahan muatan

Menanggapi sel surya silikon “tradisional”, padanan organiknya memiliki kerugian yang pasti: sinar matahari tidak segera menghasilkan muatan untuk aliran arus, melainkan yang disebut eksiton di mana muatan positif dan negatif selalu dihubungkan. “Akseptor yang hanya menarik muatan negatif diperlukan untuk mengaktifkan pemisahan muatan, yang pada gilirannya menghasilkan muatan gratis yang dapat menghasilkan listrik,” jelas Dr. Heumüller.

Beberapa tenaga penggerak diperlukan untuk memisahkan beban. Gaya penggerak ini tergantung pada struktur molekul polimer yang digunakan. Karena molekul tertentu dari bahan kelas fullerene memiliki daya motif yang tinggi, mereka telah menjadi pilihan akseptor elektron yang disukai dalam sel surya organik hingga sekarang. Sementara itu, bagaimanapun, para ilmuwan telah menemukan bahwa gaya pendorong yang tinggi memiliki efek merugikan pada stres. Artinya output solar cell berkurang, sesuai dengan rumus yang berlaku untuk arus searah – dayanya sama dengan arus.

Andrej Classen ingin mengetahui seberapa rendah gaya penggerak untuk mendapatkan hanya separasi muatan lengkap dari eksiton. Untuk melakukannya, ia membandingkan kombinasi empat donor dan lima polimer akseptor yang telah menunjukkan potensi mereka untuk digunakan dalam sel surya organik. Classen menggunakannya untuk menghasilkan 20 sel surya di bawah kondisi yang persis sama dengan daya penggerak mendekati nol sebesar 0,6 volt.

Ini meningkatkan kinerja dengan molekul tertentu

Hasil pengukuran telah memberikan bukti teori yang sudah diasumsikan dalam penelitian – “keseimbangan Boltzmann” antara eksitasi dan muatan terpisah, klaim yang disebut transfer muatan (CT). “Semakin mendekati gaya motif mendekati nol, semakin banyak keseimbangan bergeser ke arah eksitasi,” kata Dr. Larry Lüer yang merupakan spesialis fotofisika di kelompok kerja Brabec. Ini berarti bahwa penelitian masa depan harus fokus pada pencegahan penurunan eksitasi, yang berarti meningkatkan ‘kehidupan’ gairahnya.

Hingga saat ini, penelitian hanya berfokus pada kehidupan operasional status CT. Eksitasi dapat rusak dengan memancarkan cahaya (luminescence) atau panas. Dengan memodifikasi polimer dengan bijak, para ilmuwan telah mampu mengurangi produksi panas seminimal mungkin, menjaga pendaran serendah mungkin. “Oleh karena itu, efisiensi sel surya dapat ditingkatkan dengan menggunakan molekul akseptor bercahaya tinggi,” prediksi Andrej Classen.

Referensi: “Peran kehidupan eksiton untuk pembangkitan muatan dalam sel surya organik pada kompensasi tingkat energi yang dapat diabaikan” oleh Andrej Classen, Christos L. Chochos, Larry Lüer, Vasilis G. Gregoriou, Jonas Wortmann, Andres Osvet, Karen Forberich, Iain McCulloch, Thomas Heumüller dan Christoph J. Brabec, 31 Agustus 2020, Energi Alam.
DOI: 10.1038 / s41560-020-00684-7

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Diet junk food dapat meningkatkan risiko mengemudi berbahaya di antara pengemudi truk

Diet tidak sehat yang terkait dengan kelelahan yang lebih besar: Faktor kunci dalam peningkatan risiko kecelakaan, kata para peneliti. Pola makan yang tidak sehat dapat...

Fotosintesis buatan menjanjikan sumber energi yang bersih dan berkelanjutan

Manusia dapat melakukan banyak hal yang tidak dapat dilakukan oleh tumbuhan. Kita bisa berjalan, berbicara, mendengarkan, melihat dan menyentuh. Tetapi tanaman memiliki...

Es laut di pantai Arktik menipis secepat yang saya kira

Es Arktik yang menurun bisa dibilang salah satu korban terbesar perubahan iklim, dan dampaknya sangat luas, dari keadaan beruang kutub yang ikonik dan satwa...

Dinosaurus terbesar di Australia – “Titan Selatan” – baru saja memasuki buku rekor!

Kolaborasi Australia, "Titan Cooper Selatan." Penulis: Vlad Konstantinov, Scott Hoknul © Museum Sejarah Alam Eromanga Apa lapangan basket yang lebih tinggi dari b-double, dan...

Maju dengan roket SLS Moon raksasa, pertemuan dekat dengan Ganymede dan gerhana cincin api

Inti roket Space Launch System (SLS) seberat 188.000 pon telah naik ke peluncur bergerak, di antara dua pendorong roket padat. Kredit: NASA Bergerak maju...

Newsletter

Subscribe to stay updated.