Heterojunti Nano: Meningkatkan Efisiensi Sel Surya dengan Titik Kuantum Koloidal

Dasar-Dasar Sel Surya

Sel surya menangkap sinar matahari dan mengonversinya menjadi listrik. Porsi global listrik yang dihasilkan surya telah tumbuh secara stabil seiring dengan pemasangan lebih banyak modul. Namun, celah antara potensi dan pemanfaatan aktual masih besar. Semikonduktor bertindak sebagai penyerap cahaya, mengubah foton menjadi pasangan elektron-lubang yang dipisahkan oleh medan listrik internal. Dua proses kunci—penyerapan cahaya dan pemisahan muatan—menentukan performa. Umur panjang minor carriers dan mobilitas carrier adalah kunci untuk efisiensi tinggi. Modul komersial saat ini mencapai 12–20% efisiensi, sementara sel tunggal anorganik terbaik mencapai 20–25%—sebuah platоу yang telah bertahan selama satu dekade terakhir.

Sel anorganik yang diproses larutan berbasis titik kuantum koloidal dan nanokristal menawarkan jalan yang menarik ke depan. Jarak energi yang dapat disesuaikan memungkinkan penyerapan di seluruh spektrum yang luas, dan pembuatan dengan biaya rendah menarik untuk penerapan skala besar. Menggabungkan beberapa quantum wells, superlattice, atau titik kuantum ke dalam arsitektur fotovoltaik secara teoretis dapat meningkatkan efisiensi jauh di luar perangkat semikonduktor massa konvensional. Struktur heterojunti berbentuk nanorod juga menunjukkan performa stabil di udara sekitar, meskipun tantangan tetap ada dalam menyusutkan celah antara efisiensi konversi ideal dan dunia nyata.

Sel surya donor–penerima yang dibuat sepenuhnya dari nanokristal anorganik yang dicast dari larutan menggunakan heterojunti nanorod CdTe/CdSe. Setiap nanokristal ultra-tipis (~100 nm) ditetapkan dari larutan piridin yang difilter, menghasilkan film tipis, fleksibel, area luas yang padat dengan nanokristal pada virtualnya substrat apa pun.

Peneliti Spanyol telah mempioneer metode yang memperpanjang umur hidup carrier dalam sel surya nanokristal koloidal dengan merancang heterojunti nano yang terdiri dari nanomaterial penerima dan donor. Strategi ini memberikan efisiensi kuantum tinggi bahkan saat menggunakan materi fotovoltaik dengan properti optoelektronik yang suboptimal. Kristal berbasis kadmium dipilih karena carrier mereka bertahan lebih lama.

Dengan menciptakan heterojunti nano massa, tim mencampur materi penerima dan donor sehingga, saat terpapar cahaya, pasangan elektron-lubang yang dihasilkan cahaya terpisah pada skala nano dan melintasi perangkat di sepanjang dua jalur yang berbeda. Arsitektur ini mengurangi probabilitas rekombinasi. Meskipun efisiensi konversi daya yang dihasilkan sedikit lebih rendah daripada sel titik kuantum PbS rekor yang dipasangkan dengan elektroda n-tipe titania, pekerjaan ini menunjukkan bukti konsep. Berbeda dengan studi sebelumnya yang mengandalkan penerima oksida yang disputter atau sintering suhu tinggi (>500 °C), proses berbasis larutan ini, di bawah 100 °C, menawarkan keuntungan nyata untuk manufaktur roll-to-roll hemat biaya.