Peneliti Jerman Pecahkan Rekor Dunia Baru dengan Perovskit Efisiensi 25,5%-CIGS Tandem Solar Cell

Dalam terobosan signifikan dalam teknologi fotovoltaik, para peneliti dari Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) dan Humboldt-Universität Jerman telah mencapai rekor dunia baru dalam efisiensi konversi daya sebesar 25,5% untuk sel surya tandem perovskit-CIGS. Pencapaian ini, yang disertifikasi oleh Instalasi Uji Tenaga Surya Eropa (ESTI), mewakili efisiensi tertinggi yang pernah tercatat untuk kombinasi material spesifik ini dan menandai langkah maju yang besar dalam pengembangan-teknologi tenaga surya film tipis.

Perangkat ini mampu mencapai rekor dunia dalam hal efisiensi karena desainnya memanfaatkan sel atas (perovskit) dan sel bawah (CIGS) yang bersama-sama membentuk apa yang dikenal sebagai "struktur tandem monolitik". Oleh karena itu, setiap bagian sel menyerap dan mengubah energi matahari pada panjang gelombang berbeda dalam spektrum matahari-yaitu, sel bagian atas menyerap cahaya berenergi tinggi (ultraviolet); sedangkan sel bagian bawah menyerap cahaya berenergi rendah (inframerah). Sebagai hasil dari struktur ini, sisi atas sel atas dan sisi bawah sel bawah akan menyerap bagian spektrum matahari yang berbeda dengan efisiensi yang lebih tinggi daripada yang dapat dicapai oleh satu perangkat saja; sehingga menciptakan peningkatan efisiensi total ketika kedua perangkat bekerja sama secara tandem.

Untuk mencapai rekor ini, peneliti HZB dan Humboldt-Universität secara sistematis mengoptimalkan berbagai aspek arsitektur perangkat. Mereka menjelajahi sel bawah berbasis CIGS-dengan celah pita 1,05 eV dan 1,1 eV yang disetel secara cermat, serta dua lapisan oksida seng yang didoping aluminium-dengan ketebalan berbeda. Rekayasa celah pita yang cermat ini memungkinkan mereka untuk lebih mencocokkan generasi saat ini antara subsel atas dan bawah-sebuah faktor penting dalam kinerja perangkat tandem.

Tim juga melakukan penyaringan ekstensif terhadap material lapisan pengangkut lubang, menguji berbagai kombinasi nikel oksida (NiOx) dan-lapisan tunggal yang dirakit sendiri (SAM). Lapisan antarmuka ini memainkan peran penting dalam mengekstraksi pembawa muatan fotogenerasi sekaligus menekan kerugian rekombinasi-mekanisme pembatas efisiensi utama-dalam sel surya. Dengan mengidentifikasi konfigurasi antarmuka yang optimal, para peneliti dapat secara bersamaan meningkatkan selektivitas muatan dan meminimalkan kehilangan energi pada kontak.

Mungkin yang paling penting, tim ini menyempurnakan pembentukan kontak selektif elektron-dengan mengontrol secara tepat laju penguapan termal awal buckminsterfullerene (C60) yang diendapkan ke lapisan pasivasi litium fluorida (LiF) ultra-tipis 1 nm. Pendekatan canggih ini memungkinkan apa yang mereka gambarkan sebagai "pembentukan antarmuka yang lebih terkontrol dan penyelarasan elektronik yang lebih baik," menunjukkan bahwa rekayasa lapisan kontak skala nano dapat menghasilkan peningkatan kinerja yang substansial.

Meskipun rekor efisiensi dicapai pada-perangkat berukuran kecil sebesar 1,081 cm², para peneliti menunjukkan bahwa pengoptimalannya dapat diterjemahkan ke format yang lebih besar. Dengan menggunakan tumpukan bahan serupa, mereka membuat modul-mini dengan luas 2,25 cm² yang mencapai efisiensi sekitar 19,7%. Meskipun hal ini menunjukkan penurunan yang signifikan dari efisiensi-sel kecil, hal ini memberikan bukti yang menggembirakan bahwa strategi antarmuka dan kontak yang mendasarinya dapat diperluas melampaui pengaturan laboratorium.

Mungkin aspek yang paling menarik dari pengumuman ini adalah apa yang disampaikannya mengenai potensi masa depan. Peneliti HZB Guillermo Farias Basulto mencatat bahwa "fisika yang mendasari arsitektur sel kita saat ini menunjukkan bahwa 25,5% hanyalah sebuah tonggak awal". Pengujian-internal terhadap desain serupa telah mencapai efisiensi hingga 27,5%, yang menyiratkan bahwa konsep dasar perangkat masih memiliki banyak potensi yang belum dimanfaatkan.

Penelitian ini dilakukan sebagai bagian dari proyek "SOLMATES", sebuah inisiatif-yang didanai UE yang dipimpin oleh HZB untuk mengeksplorasi integrasi CIGS dan teknologi perovskit. Rekor HZB sebelumnya dalam program ini mencapai 24,6%, menjadikan lompatan ke 25,5% sebagai langkah maju yang berarti, meskipun bersifat bertahap.

Pencapaian ini memiliki arti penting bagi industri sel surya. Sel film tipis-CIGS akan memiliki beberapa keunggulan dibandingkan sel surya-film tipis konvensional, seperti fleksibel, mampu bekerja dengan baik dalam kondisi penerangan sebagian, dan memiliki biaya produksi yang rendah. Dengan menggabungkan keunggulan sel CIGS dengan keunggulan sel perovskit, sel CIGS berpotensi digunakan untuk aplikasi baru pada elektronik fleksibel dan BIPV, di mana sel silikon tidak dapat digunakan.

Hasil studi juga menunjukkan bahwa tandem CIGS perovskit-kompetitif dengan sistem tandem berbasis silikon-. Selain dapat diproduksi hanya dengan menggunakan film tipis, bahan tersebut juga dapat diproduksi dengan menggunakan bahan kurang dari satu mikrometer. Desainnya yang sangat-ringan dan fleksibel akan memberikan peluang baru untuk digunakan sebagai-solusi terintegrasi atau aplikasi elektronik portabel.

Meskipun 25,5% merupakan pencapaian yang patut dicatat, batas efisiensi teoretis untuk tandem perovskit-CIGS melebihi 30%. Kesenjangan antara rekor saat ini dan batas teoritis ini menunjukkan bahwa perbaikan substansial masih mungkin dilakukan melalui optimalisasi kualitas material, rekayasa antarmuka, dan manajemen optik yang berkelanjutan. Pendekatan sistematis tim Jerman-menjelajahi berbagai celah pita, kombinasi lapisan transport, dan strategi rekayasa kontak-memberikan cetak biru metodologis untuk upaya di masa depan.

Ketika industri tenaga surya global terus berkembang pesat, inovasi dalam teknologi sel tandem akan memainkan peran yang semakin penting dalam menurunkan biaya listrik tenaga surya. Pencapaian efisiensi 25,5% oleh peneliti Jerman untuk tandem perovskit-CIGS tidak hanya mewakili rekor dunia baru, namun juga menunjukkan potensi luar biasa yang terletak di persimpangan dua sistem material yang luar biasa ini. Dengan-hasil internal yang menunjukkan bahwa 27,5% masih dalam jangkauan, dan dengan batas teoritis yang masih jauh lebih tinggi, perjalanan menuju efisiensi tenaga surya yang benar-benar transformatif masih jauh dari selesai.