Film Molekul Mengungkap Cara Kerja Sel Surya Baru


Kristal perovskit. Getty Images Sebuah 'film molekuler' telah mengungkapkan bagaimana sel surya perovskit merespons cahaya. Pekerjaan ini dapat membantu menjelaskan mengapa struktur ini sangat mahir dalam mengubah cahaya menjadi listrik. Perangkat surya silikon tetap menjadi kekuatan pasar dominan dalam fotovoltaik, menyumbang sekitar 94% dari produksi perangkat pada 2016

Kristal perovskit. Getty Images

Sebuah 'film molekuler' telah mengungkapkan bagaimana sel surya perovskit merespons cahaya. Pekerjaan ini dapat membantu menjelaskan mengapa struktur ini sangat mahir dalam mengubah cahaya menjadi listrik.

Perangkat surya silikon tetap menjadi kekuatan pasar dominan dalam fotovoltaik, menyumbang sekitar 94% dari produksi perangkat pada 2016. Meskipun sel-sel lain telah gagal melampaui kinerja silikon, perovskit menawarkan alternatif yang menjanjikan.

Sejak penemuan mereka pada tahun 2009, efisiensi untuk perangkat pemula terus meningkat, bergerak dari 14% menjadi 20% dalam waktu kurang dari dua tahun. Namun, tidak seperti rekan silikonnya, secara mengejutkan sedikit yang diketahui tentang bagaimana struktur logam-organo-halida mengubah cahaya menjadi listrik.

'Fisika dan kimia yang mendasari cara kerja sel surya silikon dipahami dengan baik, ' jelas Aaron Lindenberg dari Stanford University, AS, yang timnya melakukan penelitian. 'Sebaliknya, aspek-aspek dasar dari fungsi unik perovskit hybrid tidak.'

Meski begitu, fisikawan memahami proses menyeluruh. Sama seperti perangkat silikon, film tipis perovskit, biasanya metilammonium lead iodide (MAPbI3), diapit di antara dua lapisan ekstraksi muatan. Setelah terpapar cahaya, lubang dan elektron yang dihasilkan dalam kisi perovskite bergerak menuju lapisan luar, menciptakan arus listrik. Tapi tidak ada yang mengerti bagaimana kisi merespons cahaya dan, pada akhirnya, mengapa itu adalah pemanen cahaya yang efisien.

Untuk membuat masalah lebih sulit, semua ini terjadi dalam hitungan femtoseconds (10-15s). "Ini seperti mencoba memahami bagaimana mesin yang rumit bekerja tanpa dapat melihat bagian yang mendasarinya karena mereka terlalu kecil atau terlalu cepat, " keluh Lindenberg.

Film Perovskite

Tim Lindenberg memutuskan untuk menempatkan proses ini di bawah sorotan di Stanford Linear Accelerator Center, rumah bagi salah satu 'kamera elektron' tercepat di dunia. Kelompok pertama menembakkan pulsa laser 40fs pada film MAPbI3 setebal 40nm untuk menggairahkan perovskite tersebut. Setelah ini, mereka menembakkan berkas elektron pada struktur untuk mendapatkan pola difraksi.

Dengan menunda waktu antara balok, kelompok dapat mengumpulkan serangkaian foto difraksi elektron dan memastikan bagaimana kisi perovskit berubah bentuk di bawah cahaya. "Pengukuran kami menunjukkan bahwa struktur perovskit berubah bentuk dengan cara yang tidak biasa dan tidak terduga, " komentar Lindenberg.

Perovskit memiliki struktur yang mirip dengan kalsium titanium oksida, dengan atom timbal berada di tengah oktahedra yodium. Atom-atom metilammonium menempati ruang di antara oktahedra ini. Dalam 10 picoseconds (10-12s) dari paparan cahaya, atom yodium bergerak di sekitar atom timah pusat, sambil mempertahankan jarak yang konstan dari mereka. "Seseorang dapat membayangkan atom yodium bergerak pada permukaan bola di sekitar setiap timah, " kata Lindenberg.

Masih harus dilihat bagaimana rotasi atom ini menyebabkan muatan mengalir bebas melalui film dan menjelaskan efisiensi tinggi perovskites. Namun demikian, Lindenberg berharap kamera elektron akan terus memberikan 'pemahaman mendasar yang baru tentang cara kerja bahan-bahan ini'.

Teknik ini juga dapat menyoroti stabilitas sel-sel perovskit, yang pada akhirnya akan menentukan apakah industri mengadopsi perangkat, menurut Lindenberg. Ini masalah yang dikenal dengan teknologi, yang agak menghalangi jalurnya menuju komersialisasi dalam beberapa tahun terakhir.

Eva Unger, seorang peneliti fotovoltaik dari Lund University, Swedia, dan Helmholtz Zentrum Berlin, Jerman, mengatakan bahwa kamera menyediakan cara unik untuk menyelidiki bahan-bahan ini. 'Memahami interaksi materi cahaya tertentu dari bahan fotovoltaik sangat penting, ' kata Unger. 'Hasil percobaan ini memungkinkan pandangan sekilas ke respons dinamis kompleks perovskit halida logam setelah penyerapan foton.'

Artikel ini direproduksi dengan izin dari Chemistry World. Artikel ini pertama kali diterbitkan pada 3 Agustus 2017.