Organic Photovoltaics: Jalan Menuju Sel Surya yang Ringan, Fleksibel, dan Transparan

Read Also

Kisah Itaru Osaka dengan fotovoltaik organik dimulai sebagai mahasiswa PhD yang bekerja di kelompok penelitian Hideki Shirakawa di Universitas Tsukuba di Jepang. Pada 1970-an, Shirakawa, bersama dengan ilmuwan Amerika Alan Heeger dan Alan MacDiarmid, menemukan cara untuk membuat plastik yang dapat menghantarkan listrik — sebuah penemuan yang membuat mereka memenangkan Hadiah Nobel Kimia pada tahun 2000.

Saat ini Osaka memiliki kelompok penelitiannya sendiri di Universitas Hiroshima yang bekerja dengan ‘conjugated polymers’ ini untuk membuat sel fotovoltaik 'organik' berbasis karbon. Berbeda dengan sel berbasis silikon biasa, yang relatif besar, berat, kaku dan buram, alternatif organik cukup fleksibel dan transparan untuk ditempatkan di mana sel yang ada tidak bisa, seperti di dinding bangunan, kaca rumah kaca dan bahkan di sisi tenda.

Secara signifikan, fabrikasi mereka diharapkan lebih murah dan mengkonsumsi lebih sedikit energi daripada fotovoltaik berbasis silikon.

Kembalinya organik

Penelitian tentang organic photovoltaics (OPV) berkembang pesat antara tahun 2005 dan 2015, kata Osaka, tetapi beberapa tahun terakhir terlihat berkurangnya minat, terutama di industri. Alasannya beragam, tetapi beberapa faktor adalah kurangnya dana, dan peningkatan efisiensi sel surya perovskite, yang juga dapat fleksibel.

“Saya ingin mengatakan kembali ke area ini dan melakukan penelitian tentang sistem OPV,” kata Osaka. “Ini adalah teknologi yang sangat penting dan berhubungan langsung dengan netralitas karbon.”

Laboratorium Osaka di Universitas Hiroshima bekerja dengan apa yang disebut polimer terkonjugasi (konjugasi pi), yang dapat digunakan untuk membuat sel surya yang mengubah cahaya menjadi energi, mirip dengan sel surya tradisional, tetapi terbuat dari plastik, bukan silikon.

Polimer terkonjugasi asli adalah poliasetilen, ditemukan oleh tim Shirakawa. Plastik adalah polimer, yang berarti mereka terbentuk dari rantai panjang molekul berulang. Polimer terkonjugasi terbuat dari atom karbon yang dihubungkan secara bergantian dengan ikatan tunggal dan rangkap. 'Orbital ' yang mengandung elektron terbentuk di atas ikatan rangkap dan saling tumpang tindih, menghubungkan atom karbon ikatan tunggal.

Pada tingkat yang sangat mendasar, ketika sebuah elektron dalam orbital dihilangkan dengan ‘doping’, dan sebuah elektron di orbital yang berdekatan dapat bergerak dan membebaskan ruang di orbital aslinya. Pergerakan elektron ini menciptakan arus listrik dan pada dasarnya mengubah plastik menjadi bahan semikonduktor.

Melengkapi sel silikon

Para peneliti, termasuk kelompok Osaka, membuat sel surya organik berdasarkan polimer terkonjugasi ini. Osaka menjelaskan bahwa tujuannya bukan untuk menggantikan sel surya berbasis silikon konvensional — yang semakin efisien dalam mengubah sinar matahari menjadi energi — tetapi untuk melengkapinya dalam skenario di mana mereka kurang efektif, atau terlalu rumit untuk digunakan.

Selain itu, sejumlah besar energi dan pemrosesan kompleks diperlukan untuk membuat silikon murni untuk sel surya ini. Untuk mengatasi hal ini, banyak penelitian difokuskan pada sel surya berbasis perovskit. Perovskite adalah bahan kristal yang dapat dicetak atau dilapisi dalam film tipis. Sel surya perovskite menjanjikan efisiensi tinggi yang sebanding dengan sel berbasis silikon, tetapi mengandung timbal, yang beracun.

Oleh karena itu, diperlukan alternatif lebih lanjut, kata Osaka, dan OPV yang dibuat dengan polimer terkonjugasi adalah salah satu bidang yang sedang diselidiki oleh para peneliti.

Untuk membuat OPV berbasis polimer terkonjugasi , tim Osaka menggunakan pemrosesan solusi, yang mirip dengan sel surya perovskit. Pemrosesan larutan membutuhkan energi yang jauh lebih sedikit daripada proses intensif panas yang digunakan untuk membuat sel surya silikon. Ini mengarah pada pembentukan film tipis polimer yang dapat dicetak ke substrat yang fleksibel. “Itulah mengapa sel surya organik bisa sangat fleksibel dan ringan,” jelasnya.

Tim menggunakan polimer terkonjugasi sebagai bahan pendonor elektron 'tipe-p' dalam OPV. Agar arus listrik terbentuk di antara elektroda, mereka mencampurnya dengan bahan organik, berbasis fullerene atau baru-baru ini nonfullerene, bahan penerima elektron tipe-n.

Tetapi untuk bekerja secara efisien, polimer terkonjugasi seperti mie harus lebih kristalin, jelas Osaka. Timnya bekerja untuk menemukan cara untuk meluruskannya dan menumpuknya untuk menyediakan saluran yang mulus untuk mobilitas elektron. Mereka juga fokus untuk membuat bahan tipe-p dan n lebih mudah bercampur, atau mudah dicampur.

“Sangat sulit untuk mencapai kristalinitas tinggi dan kelarutan tinggi pada saat yang bersamaan,” kata Osaka. “Tetapi ketercampuran sangat penting untuk mencapai efisiensi konversi daya yang tinggi.”

Aplikasi yang mengejutkan

Osaka mengatakan timnya unik. Ke-15 mahasiswa pascasarjana dan dua asisten profesor yang bekerja dengannya berasal dari latar belakang kimia terapan. Mereka tidak hanya mempelajari dan memanipulasi struktur molekul polimer terkonjugasi , tetapi mereka juga membuat perangkat OPV yang terbuat dari polimer tersebut. Ini sulit untuk dipelajari, kata Osaka, tetapi dia percaya bahwa penting bagi timnya untuk melakukan keduanya agar memiliki pemahaman yang kuat tentang bidang penelitian ini, dan juga memiliki dampak positif pada industri Jepang ketika beberapa pindah untuk bekerja di luar. akademisi.

Sejauh ini, tim Osaka telah mencapai efisiensi 16-17% dengan OPV berbasis polimer terkonjugasi mereka. Efisiensi tertinggi yang dicapai oleh lab mana pun adalah sekitar 18%, kata Osaka. Salah satu tujuannya adalah untuk meningkatkan efisiensi OPV-nya dalam jangka pendek, dan akhirnya melampaui sel surya konvensional, yang saat ini berada di kisaran 25%. Dia juga ingin mengurangi kehilangan tegangan pada OPV berbasis polimer terkonjugasi .

Visinya adalah membuat OPV yang hemat biaya, ringan, fleksibel, transparan, dan efisien yang dapat ditempatkan di luar struktur. Energi hilang ketika perlu melakukan perjalanan jarak jauh dari medan surya ke kota, kata Osaka. Tapi bayangkan bisa menempatkan sel surya transparan di atas rumah kaca pertanian atau di sisi bangunan dan di jendela, lebih dekat ke tempat yang membutuhkannya.

Osaka lebih jauh membayangkan OPV yang dapat ditempatkan di tenda darurat untuk membuat listrik lebih mudah diakses bagi korban bencana alam, seperti gempa bumi dan banjir di mana Jepang sangat rentan.

OPV berbasis polimer terkonjugasi menunjukkan banyak harapan. Akan tetapi, membawa mereka ke komersialisasi akan menjadi tantangan, dan membutuhkan setidaknya lima tahun lagi, perkiraan Osaka. Namun demikian, tambahnya, perlu ditunggu dan potensinya perlu mendapat perhatian penelitian lebih lanjut, terutama dari industri, untuk akhirnya mewujudkan teknologi penting ini.