Gambar ini menunjukkan visualisasi transfer eksiton yang dihitung dari lapisan tetrasen atas sel surya ke substrat silikon. Elektron ditunjukkan dengan warna biru, dan lubang elektron ditunjukkan dengan warna merah. Kredit: Marvin Krenz, Universitas Paderborn
Para peneliti di Universitas Paderborn meningkatkan efisiensi sel surya melalui penggabungan strategis dari ketidaksempurnaan dalam desain sistem.
Sejak awal abad ke-21, Jerman telah melihat kemajuan signifikan dalam bidang energi surya. Pada tahun 2000, tenaga surya menyumbang kurang dari satu persen produksi listriknya. Namun, pada tahun 2022, persentase ini meningkat menjadi sekitar 11 persen. Pertumbuhan ini didorong oleh kombinasi insentif keuangan yang besar untuk instalasi tenaga surya di perumahan dan kemajuan teknologi yang mengurangi biaya panel surya.
Dengan adanya konflik global yang membuat pasar minyak dan gas alam menjadi kurang dapat diandalkan, tenaga surya akan memainkan peran yang lebih besar dalam membantu memenuhi kebutuhan energi Jerman di tahun-tahun mendatang. Meskipun teknologi tenaga surya telah berkembang pesat dalam seperempat abad terakhir, sel surya pada panel surya masa kini masih beroperasi dengan efisiensi rata-rata sekitar 22 persen.
Demi meningkatkan efisiensi sel surya, tim peneliti yang dipimpin oleh Prof. Wolf Gero Schmidt di Universitas Paderborn telah menggunakan sumber daya komputasi kinerja tinggi (HPC) di High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS) untuk mempelajari bagaimana hal ini dapat dilakukan. sel mengubah cahaya menjadi listrik. Baru-baru ini, tim telah menggunakan superkomputer Hawk HLRS untuk menentukan bagaimana merancang pengotor strategis tertentu dalam sel surya dapat meningkatkan kinerja.
“Motivasi kami dalam hal ini ada dua: di institut kami di Paderborn, kami telah bekerja cukup lama pada sebuah metodologi untuk menggambarkan secara mikroskopis dinamika material yang tereksitasi secara optik, dan kami telah menerbitkan sejumlah makalah perintis tentang topik tersebut di beberapa tahun terakhir,” kata Schmidt. “Namun baru-baru ini, kami mendapat pertanyaan dari kolaborator di Helmholtz Zentrum Berlin yang meminta kami membantu mereka memahami secara mendasar cara kerja sel-sel ini, jadi kami memutuskan untuk menggunakan metode kami dan melihat apa yang dapat kami lakukan.”
Baru-baru ini, tim menggunakan Hawk untuk mensimulasikan bagaimana eksiton – pasangan elektron yang keluar secara optik dan “lubang” elektron yang ditinggalkannya – dapat dikontrol dan dipindahkan di dalam sel surya sehingga lebih banyak energi yang ditangkap. Dalam penelitiannya, tim membuat penemuan yang mengejutkan: ditemukan bahwa cacat tertentu pada sistem, yang diperkenalkan secara strategis, akan meningkatkan transfer eksiton daripada menghambatnya. Tim mempublikasikan hasilnya di Surat Tinjauan Fisik.
Merancang sel surya untuk konversi energi yang lebih efisien
Kebanyakan sel surya, seperti halnya elektronik modern, sebagian besar terbuat dari silikon. Setelah oksigen, ini adalah unsur kimia paling melimpah kedua di Bumi dalam hal massa. Sekitar 15 persen dari seluruh planet kita terdiri dari silikon, termasuk 25,8 persen kerak bumi. Oleh karena itu, bahan dasar untuk produksi energi ramah iklim melimpah dan tersedia hampir di mana-mana.
Namun, bahan ini memiliki kelemahan tertentu dalam menangkap radiasi matahari dan mengubahnya menjadi listrik. Dalam sel surya tradisional berbasis silikon, partikel cahaya, yang disebut foton, mentransfer energinya ke elektron yang tersedia di sel surya. Sel kemudian menggunakan elektron tereksitasi tersebut untuk menghasilkan arus listrik.
Masalah? Foton berenergi tinggi memberikan energi yang jauh lebih besar dibandingkan energi yang dapat diubah menjadi listrik oleh silikon. Foton cahaya ungu, misalnya, memiliki energi sekitar tiga elektron volt (eV), tetapi silikon hanya mampu mengubah sekitar 1,1 eV energi tersebut menjadi listrik. Sisa energinya hilang sebagai panas, yang berarti hilangnya peluang untuk menangkap energi tambahan dan mengurangi kinerja serta daya tahan sel surya.
Dalam beberapa tahun terakhir, para ilmuwan mulai mencari cara untuk mengubah rute atau menangkap sebagian dari kelebihan energi tersebut. Sementara beberapa metode sedang diselidiki, tim Schmidt berfokus pada penggunaan lapisan tipis tetrasena, bahan semikonduktor organik lainnya, sebagai lapisan atas sel surya.
Berbeda dengan silikon, ketika tetrasena menerima energi yang tinggi foton, ia membagi rangsangan yang dihasilkan menjadi dua rangsangan berenergi rendah dalam proses yang dikenal sebagai fisi singlet. Dengan menempatkan lapisan antarmuka yang dirancang dengan cermat antara tetrasena dan silikon, eksiton berenergi rendah yang dihasilkan dapat ditransfer dari tetrasena ke silikon, di mana sebagian besar energinya dapat diubah menjadi listrik.
Utilitas dalam ketidaksempurnaan
Baik menggunakan tetracene atau bahan lain untuk menambah sel surya tradisional, para peneliti telah fokus pada upaya merancang antarmuka yang sempurna antara bagian-bagian penyusun sel surya untuk memberikan kondisi terbaik untuk transfer eksiton.
Schmidt dan timnya menggunakan dari awal simulasi dinamika molekuler (AIMD) untuk mempelajari bagaimana partikel berinteraksi dan bergerak di dalam sel surya. Dengan akses ke Hawk, tim dapat melakukan perhitungan komputasi yang mahal untuk mengamati bagaimana beberapa ratus atom dan elektronnya berinteraksi satu sama lain. Tim menggunakan simulasi AIMD untuk memajukan waktu pada interval femtodetik guna memahami bagaimana elektron berinteraksi dengan lubang elektron dan atom lain dalam sistem. Sama seperti peneliti lainnya, tim berupaya menggunakan metode komputasi untuk mengidentifikasi ketidaksempurnaan dalam sistem dan mencari cara untuk memperbaikinya.
Saat mencari antarmuka yang sempurna, mereka menemukan kejutan: bahwa antarmuka yang tidak sempurna mungkin lebih baik untuk transfer eksiton. Dalam sistem atom, atom-atom yang belum jenuh sempurna, artinya tidak terikat sempurna dengan atom lain, disebut “ikatan menjuntai”. Para peneliti biasanya berasumsi bahwa ikatan yang menggantung menyebabkan ketidakefisienan dalam antarmuka elektronik, namun dalam simulasi AIMD, tim menemukan bahwa ikatan silikon yang menggantung sebenarnya mendorong transfer eksiton tambahan melintasi antarmuka.
“Kecacatan selalu menyiratkan bahwa ada beberapa hal yang tidak diinginkan dalam suatu sistem, tetapi hal itu tidak benar dalam kasus kami,” kata Prof. Uwe Gerstmann, profesor di Universitas Paderborn dan kolaborator proyek tersebut. “Dalam fisika semikonduktor, kami telah menggunakan cacat secara strategis yang kami sebut donor atau akseptor, yang membantu kami membangun dioda dan transistor. Jadi secara strategis, cacat pasti dapat membantu kita mengembangkan teknologi jenis baru.”
Marvin Krenz, peneliti pascadoktoral di Universitas Paderborn dan penulis utama makalah tim, menunjukkan kontradiksi dalam temuan tim dibandingkan dengan penelitian sel surya saat ini. “Ini adalah hal yang menarik bagi kami bahwa arah penelitian saat ini adalah merancang antarmuka yang lebih sempurna dan menghilangkan cacat dengan cara apa pun. Makalah kami mungkin menarik bagi komunitas riset yang lebih besar karena menunjukkan cara berbeda dalam merancang sistem ini,” katanya.
Berbekal wawasan baru ini, tim kini berencana menggunakan kekuatan komputasi masa depan mereka untuk merancang antarmuka yang tidak sempurna. Mengetahui bahwa ikatan silikon yang menjuntai dapat membantu mendorong transfer eksiton ini, tim ingin menggunakan AIMD untuk merancang antarmuka dengan transfer eksiton yang lebih baik secara andal. Bagi tim, tujuannya bukan untuk merancang sel surya yang sempurna dalam semalam, namun untuk terus membuat teknologi surya generasi berikutnya menjadi lebih baik.
“Saya yakin bahwa kami akan terus meningkatkan efisiensi sel surya secara bertahap seiring berjalannya waktu,” kata Schmidt. “Selama beberapa dekade terakhir, kami telah melihat peningkatan efisiensi tahunan rata-rata sekitar 1% di berbagai arsitektur sel surya. Upaya seperti yang kami lakukan di sini menunjukkan bahwa peningkatan lebih lanjut diperkirakan akan terjadi di masa depan. Pada prinsipnya, peningkatan efisiensi sebesar 1,4 kali lipat dimungkinkan melalui pemanfaatan fisi singlet secara konsisten.”
Referensi: “Transfer Exciton Berbantuan Cacat melintasi Antarmuka Tetracene-Si(111):H” oleh Marvin Krenz, Uwe Gerstmann dan Wolf Gero Schmidt, 16 Februari 2024, Surat Tinjauan Fisik.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.076201
Pendanaan untuk Hawk disediakan oleh Kementerian Sains, Penelitian, dan Seni Baden-Württemberg dan Kementerian Pendidikan dan Penelitian Federal Jerman melalui Gauss Center for Supercomputing (GCS).
RisalahPos.com Network
Related posts
# PARTNERSHIP
