Peneliti mengusulkan metode baru mengurangi kerugian energi sel surya, meningkatkan efisiensi hingga mendekati 43%

Peneliti di Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) di Barcelona secara eksperimental mendemonstrasikan sebuah metode dengan mengontrol arah emisi cahaya sel surya untuk mengurangi kerugian energi, yang berpotensi meningkatkan kemampuan pembangkitan listrik sel. Metode tersebut telah dipublikasikan di jurnal Energy & Environmental Science, yang mungkin menyediakan jalur untuk melampaui batas efisiensi teoretis konvensional sel surya single-junction. Penelitian ini berfokus pada mekanisme kerugian yang disebut kerugian Boltzmann, yang terjadi ketika material yang mampu menyerap cahaya juga mampu memancarkan cahaya.

Mengapa arah emisi cahaya sangat krusial? Sel surya menerima sinar matahari dari arah yang relatif sempit. Matahari hanya menempati area kecil di langit, artinya sinar matahari yang masuk ke sel surya hanya bisa tiba dalam rentang kerucut sempit. Namun, foton yang dihasilkan di dalam sel surya biasanya bisa dipancarkan ke rentang arah yang lebih luas. Menurut peneliti ICFO, ketidaksejajaran antara kerucut masuk yang sempit dan kerucut emisi yang lebar ini mengurangi daya berguna yang bisa diekstrak dari perangkat.

Kewajiban Mengontrol Arah Emisi Cahaya

Peneliti berupaya mengurangi kerugian ini dengan membuat sel surya lebih selektif dalam arah emisi cahaya. Tim yang dipimpin oleh profesor ICFO dan UPC Jordi Martorell, yang mencakup Dr. Francisco Bernal Texca, Chiara Cortese, Dr. Mariia Kramarenko, dan Dr. Quan Liu, menggunakan sel surya organik terbalik berbasis campuran material PM6:Y6, dan mengubahnya menjadi rongga optik.

Struktur ini menekan emisi foton pada sudut besar, sehingga secara efektif menyempitkan kerucut emisi sel.

Peneliti memanfaatkan elektroda depan berbasis perak dan struktur berlapis, serta menempatkan elektroda perak kedua di bagian belakang sel untuk mencapai efek ini. Elektroda logam depan memberikan reflectivitas tinggi pada rentang sudut emisi cahaya yang luas. Digabungkan dengan elektroda belakang dan lapisan di sekitarnya, terbentuklah sebuah rongga optik. Rongga ini menjalankan dua fungsi sekaligus: menekan emisi cahaya pada sudut besar, sementara secara efisien mengizinkan masuknya sinar matahari dari sumber cahaya. Hal ini membuat distribusi sudut cahaya yang dipancarkan lebih mirip dengan distribusi sudut sinar matahari yang masuk.

Menantang Batas Efisiensi Konvensional

Peneliti menegaskan, metode ini tidak memerlukan proses manufaktur yang lebih kompleks dibanding banyak strategi lain yang dieksplorasi untuk mendorong efisiensi fotovoltaik melampaui batas konvensional. Penelitian ini menargetkan batas Shockley–Queisser yang terkenal, yaitu model yang mendeskripsikan batas atas efisiensi teoretis sel surya single-junction konvensional di bawah asumsi model. ICFO menetapkan batas tersebut pada 33,16%. Peneliti menyatakan, jika kerucut emisi dapat disempitkan cukup untuk lebih cocok dengan kerucut absorpsi sinar matahari, efisiensi mendekati 43% secara teoretis dapat dicapai.

Ini tidak berarti peneliti sudah memproduksi sel surya ber efisiensi 43%. Penelitian ini mendemonstrasikan strategi optik untuk mengurangi mekanisme kerugian terkait dalam perangkat fotovoltaik organik. "Penelitian kami adalah kemajuan penting di bidang konversi energi surya, karena membuka jalur yang sepenuhnya belum tereksplorasi untuk melampaui batas Shockley–Queisser," kata penulis utama Dr. Francisco Bernal Texca.

Peneliti juga menekankan bahwa prinsip ini tidak terbatas pada teknologi fotovoltaik organik. Meskipun eksperimen dilakukan menggunakan sel surya organik, Martorell menyatakan konsep ini pada prinsipnya dapat diterapkan pada berbagai teknologi fotovoltaik. Jika metode ini dapat diterjemahkan ke perangkat praktis yang lebih efisien, mengontrol arah emisi foton bisa menjadi alat lain untuk mengekstrak lebih banyak daya dari jumlah sinar matahari yang sama. Menurut peneliti, efisiensi fotovoltaik yang lebih tinggi juga dapat mengurangi lahan dan material yang dibutuhkan untuk jumlah pembangkitan surya tertentu, sekaligus menurunkan biaya per watt listrik.

Dampak Potensial Metode Baru bagi Teknologi Surya

Metode baru yang diusulkan penelitian ini menargetkan masalah kerugian energi sel surya, dengan menyesuaikan arah emisi cahaya untuk meningkatkan efisiensi, menunjukkan potensi melampaui teori konvensional. Batas Shockley–Queisser selama ini menjadi tantangan bagi teknologi fotovoltaik, dan kemajuan penelitian ini mungkin memberikan pemikiran baru untuk desain sel surya masa depan. Efisiensi fotovoltaik yang lebih tinggi tidak hanya mampu meningkatkan hasil energi, tetapi juga berpotensi mengurangi kebutuhan lahan dan material, serta menurunkan biaya, yang memiliki arti penting bagi promosi energi terbarukan.