Sejauh unsur pergi, silikon adalah yang kedua setelah oksigen ketika datang ke kelimpahan di Bumi. Untuk ini dan sifat-sifatnya sebagai semikonduktor, telah lama menjadi tulang punggung elektronik. Materi dalam segala hal, mulai dari chip komputer hingga radio. Lagipula, itulah hub industri industri modern di California, Silicon Valley.
Berbicara tentang modal teknologi yang cerah, silikon adalah elemen utama yang digunakan dalam panel surya. Tiga ilmuwan di Bell Telephone Company di New Jersey mematenkan sel surya silikon pertama — sel surya pertama yang dianggap praktis, dengan kemampuannya mengubah 6 persen cahaya yang masuk menjadi listrik yang dapat digunakan — pada 1950-an. Bahan tersebut telah mendominasi pasar tenaga surya sejak saat itu. Saat ini, lebih dari 90 persen panel yang diproduksi di seluruh dunia adalah panel PV silikon kristalin.
Silikon telah mendapatkan begitu banyak status dan pengaruh pasar, dengan sedikit kompetisi di ruang surya, yang sedikit yang tahu ada pilihan lain untuk matahari.
Perovskit, atau struktur kristal, adalah tipe baru dari sel surya, terbuat dari unsur-unsur umum seperti metilammonium timbal iodida. Perovskit lebih mudah dibuat, dan memiliki potensi untuk mengubah sinar matahari menjadi listrik pada tingkat yang lebih besar daripada sel silikon. Tantangannya adalah perovskit sangat rapuh.
Namun, para ilmuwan di Universitas Stanford mengambil petunjuk dari alam. Untuk membuat perovskit lebih tahan lama, mereka memperhatikan struktur mata lalat yang tangguh.
Mata majemuk lalat terdiri dari ratusan mata tersegmentasi heksagonal yang masing-masing dilindungi dengan "perancah" protein organik untuk perlindungan. Mata diatur dalam bentuk sarang lebah, dan ketika salah satu gagal, yang lain masih berfungsi. Seluruh organ menampilkan redundansi dan daya tahan yang peneliti harapkan untuk diciptakan kembali dalam panel surya.
Para peneliti menempatkan perancah yang diisi dengan perovskite melalui pengujian fraktur. (Dauskardt Lab / Stanford University) Reinhold Dauskardt dan kelompok teknik sains materialnya telah menciptakan perancah berbentuk sarang lebah, hanya selebar 500 mikron, dari fotoresis standar, atau material yang peka terhadap cahaya. Untuk meminjam contoh lain dari alam, seperti halnya seekor lebah menciptakan sarang lebah, dan kemudian mengisinya dengan madu, para ilmuwan membangun struktur pelindung ini dan kemudian membuat perovskite di dalamnya. Mereka memutar solusi elemen dalam perancah, menambah panas dan melihatnya mengkristal untuk mencapai struktur perovskit, dan sifat fotovoltaiknya. Para ilmuwan kemudian melapisi sel surya dengan elektroda perak untuk menutupnya dan kemampuannya untuk menangkap energi.
Dalam tes laboratorium pendahuluan , sel surya Dauskardt, yang selebar enam helai rambut, mempertahankan struktur dan fungsi mereka. Ketika terkena suhu dan kelembaban tinggi (185 derajat Fahrenheit dan kelembaban relatif 85 persen) selama enam minggu, sel-sel terus menghasilkan listrik pada tingkat yang konsisten. Perancah di sekitar perovskit juga tidak menghalangi output listrik mereka.
Ini adalah pencapaian yang mengubah permainan. Sebelum inovasi ini, sangat sulit bagi para peneliti untuk memanipulasi dan membuat sel perovskit fotovoltaik, apalagi bagi mereka untuk bertahan hidup di lingkungan.
"Ketika saya memberikan ceramah di awal fotovoltaik organik, saya akan berkata, 'jika Anda menghirup bahan-bahan ini mereka akan gagal.' Dalam kasus perovskit, saya katakan 'jika Anda melihat mereka akan gagal, ' ”canda Dauskardt, peneliti utama pada studi baru, yang diterbitkan dalam Energy and Environment Science .
Perovskit bisa rapuh hingga 100 kali lebih rapuh daripada kaca. Tetapi dengan perancah yang digunakan untuk menguatkannya, daya tahan mekanik sel meningkat dengan faktor 30. Ia menambahkan stabilitas kimia dan mekanik pada sel sehingga para peneliti dapat menyentuhnya tanpa merusak, dan mengeksposnya pada suhu tinggi dengan kemungkinan lebih rendah kemerosotan.
Ketika diterangi dari bawah, perancah heksagonal terlihat di daerah sel surya yang dilapisi oleh elektroda perak. (Dauskardt Lab / Stanford University) Para peneliti di Universitas Tokyo pertama kali mengeksplorasi sel fotovoltaik perovskite sebagai alternatif dari sel fotovoltaik silikon pada tahun 2009, dan para peneliti di seluruh dunia melompat ke lapangan. Sel surya perovskit tentu memiliki kelebihan. Tidak seperti sel silikon, yang membutuhkan pemrosesan suhu tinggi untuk memurnikan dan mengkristal, sel surya perovskit relatif mudah dibuat.
"Ini adalah terobosan dalam satu sekte penelitian perovskit karena ini memecahkan masalah yang dihadapi konsep tahap awal dalam perjalanan menuju komersialisasi, " kata Dick Co, direktur operasi dan penjangkauan di Argonne-Northwestern Solar Research Research Center (ANSER). Yang mengatakan, dia mengakui bahwa pengembangan tidak berlaku secara universal untuk semua penelitian sel surya perovskite. Ada begitu banyak cara sel surya perovskites dapat dibuat, dan masing-masing lab memiliki fokus sendiri.
Karena struktur kristal dapat dibuat dari berbagai elemen, ada juga banyak kemungkinan estetika. Sel surya dapat dipasang ke jendela, atasan mobil atau permukaan lain yang terkena cahaya. Beberapa perusahaan bahkan mencetak sel.
Co mencurigai sel surya perovskit pada awalnya akan berdampak pada ceruk pasar.
“Saya bisa melihat mereka dijual di charger keyboard iPad, diintegrasikan ke dalam gedung dan mungkin di mobil, seperti kap mobil yang melengkung, ” katanya. "Tapi sulit membayangkan membuat sel surya perovskit [prototipe] ukuran thumbnail yang besar dan banyak digunakan, terutama ketika pabrik-pabrik surya silikon memompa cukup modul untuk menutupi negara-negara kecil."
Meskipun demikian, dengan peningkatan efisiensi dan daya tahan, para peneliti sedang dalam perjalanan untuk membuat sel yang siap menghasilkan listrik di banyak lingkungan. Para peneliti telah mengajukan permohonan paten sementara.
Dalam sel surya baru, perancah heksagonal (abu-abu) digunakan untuk mempartisi perovskit (hitam) menjadi sel mikro untuk memberikan stabilitas mekanik dan kimia. (Dauskardt Lab / Stanford University) Dalam uji Dauskardt, sel-sel mencapai tingkat efisiensi 15 persen, yang jauh lebih tinggi dari tes pertama pada 2009 yang mengubah 4 persen cahaya menjadi listrik. Tingkat efisiensi panel silikon beristirahat sekitar 25 persen, dan di laboratorium, perovskit telah mencapai lebih dari 20 persen. Para peneliti telah memperkirakan kapasitas efisiensi teoritis perovskit fotovoltaik sekitar 30 persen.
Dauskardt berpikir timnya mungkin dapat memperbaiki perancah, awalnya dibangun dengan bahan yang murah dan mudah didapat, untuk meningkatkan efisiensi sel.
“Kami sangat terkejut kami bisa membuatnya semudah mungkin. Sekarang pertanyaannya adalah, adakah perancah yang lebih baik yang bisa kita gunakan? Bagaimana kita dapat menangkap kembali cahaya yang akan jatuh di dinding perancah? ”Kata Dauskardt. Dia dan rekan-rekannya berencana untuk bereksperimen dengan bahan hamburan partikel-cahaya.
Dengan potensi untuk pembuatan murah, komersialisasi yang relatif cepat (perkiraan Dauskardt dalam tiga hingga lima tahun ke depan), dan aplikasi yang sangat beragam, sel surya perovskite mungkin hanya akan menjadi panel surya besar berikutnya pada tahun 2020-an dan seterusnya.
Jadi ketika lalat itu berdengung di telinga Anda, yakinlah bahwa alam, dalam segala bentuknya, menginspirasi.
