Bahan surya baru yang dikembangkan oleh para ilmuwan Stanford dapat mengantarkan panel surya ultra tipis dan ringan – Majalah Time.com

Perlombaan sedang berlangsung dalam rekayasa surya untuk membuat panel surya fleksibel yang hampir tidak mungkin tipis. Insinyur membayangkan mereka digunakan dalam aplikasi seluler, mulai dari perangkat dan sensor yang dapat dipakai sendiri hingga pesawat ringan dan kendaraan listrik. Dengan latar belakang itu, para peneliti di Universitas Stanford telah mencapai rekor efisiensi dalam kelompok bahan fotovoltaik yang menjanjikan.

Manfaat utama dari dichalcogenides logam transisi ini – atau TMD – adalah bahwa mereka menyerap sinar matahari tingkat sangat tinggi yang mengenai permukaannya dibandingkan dengan bahan surya lainnya.

“Bayangkan drone otonom yang menggerakkan dirinya sendiri dengan susunan surya di atas sayapnya yang 15 kali lebih tipis dari selembar kertas,” kata Koosha Nassiri Nazif, seorang sarjana doktoral di bidang teknik listrik di Stanford dan penulis utama studi diterbitkan dalam edisi Komunikasi Alam. “Itulah janji TMD.”

Pencarian bahan baru diperlukan karena raja bahan surya yang berkuasa, silikon, terlalu berat, besar dan kaku untuk aplikasi di mana fleksibilitas, ringan, dan daya tinggi lebih diutamakan, seperti perangkat dan sensor yang dapat dipakai atau kendaraan dirgantara dan listrik.

“Silikon menguasai 95 persen pasar tenaga surya saat ini, tetapi masih jauh dari sempurna. Kami membutuhkan material baru yang ringan, dapat ditekuk, dan, sejujurnya, lebih ramah lingkungan,” kata Krishna Saraswat, seorang profesor teknik elektro dan penulis senior makalah ini.

Alternatif yang kompetitif

Sementara TMD sangat menjanjikan, eksperimen penelitian hingga saat ini telah berjuang untuk mengubah lebih dari 2 persen sinar matahari yang mereka serap menjadi listrik. Untuk panel surya silikon, angka itu mendekati 30 persen. Untuk digunakan secara luas, TMD harus menutup celah itu.

Skema penampang perangkat. Kredit gambar: Koosha Nassiri Nazif

Prototipe Stanford yang baru mencapai efisiensi konversi daya 5,1 persen, tetapi penulis memproyeksikan bahwa mereka secara praktis dapat mencapai efisiensi 27 persen pada optimalisasi optik dan listrik. Angka itu akan setara dengan panel surya terbaik di pasaran saat ini, termasuk silikon.

Selain itu, prototipe mewujudkan rasio power-to-weight 100 kali lebih besar dari setiap TMD yang pernah dikembangkan. Rasio itu penting untuk aplikasi seluler, seperti drone, kendaraan listrik, dan kemampuan untuk mengisi daya peralatan ekspedisi saat bepergian. Saat melihat daya spesifik – ukuran keluaran daya listrik per satuan berat sel surya – prototipe menghasilkan 4,4 watt per gram, angka yang bersaing dengan sel surya film tipis saat ini, termasuk prototipe eksperimental lainnya.

“Kami pikir kami dapat meningkatkan rasio penting ini sepuluh kali lipat lagi melalui optimasi,” kata Saraswat, menambahkan bahwa mereka memperkirakan batas praktis sel TMD mereka menjadi 46 watt per gram yang luar biasa.

Keuntungan tambahan

Namun, manfaat terbesarnya adalah ketipisannya yang luar biasa, yang tidak hanya meminimalkan penggunaan material dan biaya, tetapi juga membuat sel surya TMD ringan dan fleksibel serta mampu dibentuk menjadi bentuk tidak beraturan – atap mobil, sayap pesawat, atau badan manusia. Tim Stanford mampu menghasilkan susunan aktif yang tebalnya hanya beberapa ratus nanometer. Array tersebut mencakup fotovoltaik TMD tungsten diselenide dan kontak emas yang dibentangkan oleh lapisan graphene konduktor yang hanya setebal satu atom. Semua itu terjepit di antara polimer fleksibel seperti kulit dan lapisan anti-reflektif yang meningkatkan penyerapan cahaya.

Saat dirakit sepenuhnya, sel TMD memiliki ketebalan kurang dari enam mikron – kira-kira seperti kantong sampah kantor yang ringan. Dibutuhkan 15 lapisan untuk mencapai ketebalan selembar kertas.

Meskipun ketipisan, ringan, dan fleksibilitas merupakan tujuan yang sangat diinginkan, TMD juga menghadirkan keunggulan teknik lainnya. Mereka stabil dan dapat diandalkan dalam jangka panjang. Dan tidak seperti penantang mahkota film tipis lainnya, TMD tidak mengandung bahan kimia beracun. Mereka juga biokompatibel, sehingga dapat digunakan dalam aplikasi yang dapat dikenakan yang membutuhkan kontak langsung dengan kulit atau jaringan manusia.

Masa depan yang menjanjikan

Banyak keuntungan dari TMD diimbangi oleh kerugian tertentu, sebagian besar dalam seluk-beluk teknik produksi massal. Proses pemindahan lapisan TMD yang sangat tipis ke bahan pendukung yang fleksibel sering kali merusak lapisan TMD.

Alwin Daus, yang merupakan salah satu penulis utama dalam studi dengan Nassiri Nazif, merancang proses transfer yang menempelkan susunan surya TMD tipis ke substrat fleksibel. Dia mengatakan tantangan teknis ini cukup besar. Satu langkah melibatkan pemindahan lapisan graphene yang tipis secara atomik ke substrat fleksibel yang tebalnya hanya beberapa mikron, jelas Daus, yang merupakan sarjana postdoctoral di Eric Popkelompok penelitian di Stanford saat penelitian dilakukan. Dia sekarang menjadi peneliti senior di RWTH Aachen University di Jerman.

Proses yang rumit ini menghasilkan TMD yang sepenuhnya tertanam dalam substrat fleksibel yang menghasilkan daya tahan yang lebih besar. Para peneliti menguji fleksibilitas dan kekokohan perangkat mereka dengan menekuknya di sekitar silinder logam setebal kurang dari sepertiga inci.

“Kuat, fleksibel dan tahan lama, TMD adalah arah baru yang menjanjikan dalam teknologi surya,” Nassiri Nazif menyimpulkan.

Sumber: Universitas Stanford