Sel Surya Baru: Efisiensi Konversi Sampai 50%

Tim riset terpadu AS berhasil mengembangkan desain sel surya yang lebih murah dan efisien. Rasio konversinya bisa mencapai 50% atau 300% lebih baik dari solar cell konvensional.
Selama ini, biaya listrik dari pembangkit listrik tenaga surya (PLTS) punya disparitas tinggi dengan biaya pembangkitan dari bahan bakar fosil. Tak aneh, jika peran PLTS dalam memasok listrik terbilang kecil, sekitar 1-2%. Padahal, proyeksinya energi matahari pada 2030 dapat menyumbang 20%.
Sel surya atau photovoltaic (PV) dapat mengubah sinar matahari menjadi energi listrik. Sepanjang hari di banyak negara, sinar matahari berlimpah sehingga berpotensi besar dalam penyedian energi. Meski begtu, aplikasinya masih relatif rendah karena terbilang mahal, kurang efisien, dan terkendala scaling up. Perlu terobosan teknologi agar sel surya dapat mengkonversi sinar matahari menjadi listrik yang murah dan efisien.

Sebuah tim terpadu dari Massachusetts Institute of Technology (MIT) dan Masdar Institute of Science and Technology (MIST) menawarkan solusinya. Mereka, seperti dilaporkan MIT News (30/8), telah berhasil menemukan desain yang pas, bisa menekan biaya sekalgus meningkatkan efisiensi konversi.

Tim MIT-MIST berupaya merancang sel surya dengan menggabungkan dua bahan semikonduktor. Mereka menyebutnya sebagai step cell. Dua material disusun berlapis. Yang pertama, bagian atas, berfilter galium arsenida fosfat (GaAsP). Yang kedua, ada filter silikon germanium (SiGe) yang dirancang menjorok keluar di bawah lapisan atasnya. Lewat keduanya, sinar matahari masuk dan dipanen. Biasanya, pembuatan sel berlapis (multijunction) cukup mahal. Namun, tim peneliti telah membut proses manufaktur step cell itu lebih murah dan efisien.
Secara teoritis, efisiensi konversi step cell dapat mencapai lebih dari 40 persen. Sementara estimasi efisiensi praktisnya 35%. Ammar Nayfeh, profesor teknik elektro dan ilmu komputer MIST, Eugene Fitzgerald dari MIT, dan Merton C Flemings (gurubesar ilmu material MIT) berencana membuat perusahaan startup untuk mengkomersilkan sel surya generasi baru itu.

Fitzgerald, sebelumnya sudah merilis beberapa startups seperti AmberWave Systems Corporation, Paradigm Research LLC, dan 4Power LLC, siap memproduksi step cells dalam waktu satu-dua tahun ke depan.
Tim terpadu sudah memamerkan konsep step cell Juni lalu pada konferensi internasional ke-43 IEEE Photovoltaic Specialists di Portland, Oregon. Sebelumnya, para peneliti terkait sudah saling tukar informasi pada ajang tahunan IEEE ke-40 dan ke-42. Riset mereka menghiasai Journal of Applied Physics dan IEEE Journal of Photovoltaics.
Di luar silikon
Secara konvensional, sel surya terbuat dari kristal silikon. Selama lebih dari satu dekade tercatat ada kemajuan dalam efisiensi. Meski begitu, efisiensinya baru sekitar 15-20%..
Rendahnya efisiensi konversi sebagian karena pengaruh keterbatasan material (bandgap) yang belum mampu mengkonversi foton energi tinggi –hasil emisi cahaya biru, hijau dan kuning– menjadi listrik. Sel PV yang ada umumnya hanya mengkonversi foton energi rendah. Karena itulah, efisiensinya selalu rendah.
Untuk memanen foton energi tinggi, para saintis telah mengeksplorasi material semikonduktor lain, di luar silikon. Antara lain galium arsenida, galium fosfat, dan campuran silikon-germanium. Yang optimal ternyata galium arsenide fosfat (GaAsP) dan silicon germanium (SiGe). Efisiensi keduanya lebih baik dari silikon. Dan, kombinasi keduanya dapat memanen cahaya dan panas matahari lebih baik.
Secara teoritis, sel surya berlapis itu dapat menjangkau efisiensi hingga 50%. Hanya saja biayanya masih terbilang tinggi. Pabrikasi sel surya semacam ini baru logis jika dipakai untuk aplikasi teknologi tinggi semisal satelit, perangkat yang memerlukan kompnen ringan dan efisiensi tinggi.
Nah, step cell hasil kreasi tim MIT-MIST menjadi jalan tengah Sel itu dapat dibuat dengan biaya tidak mahal dan dapat didaur ulang. Sel surya multijunction , dengan demikian, dapat meningkatkan efisiensi mendekati 50% pada fase industri massal..
Langkah sukses

Step cell terbuat dari lapisan galium arsenida fosfat (GaAsP) di atas dan lapis silikon germanium (SiGe) di bawahnya. Material ini termasuk semikonduktor yang konsisten dapat mengkoversi energi matahari menjadi listrik jauh lebih efisien, sekitar 250-300% lebih tinggi dari sel surya silicon yang konvensional.

Lapisan SiGe akan memanen panas matahari pada gelombang foton rendah energi (spektrum cahaya merah dan cahaya tampak). Sedang lapis atasnya, yang terbuat dari GaAsP, akan memaksimalkan penyerapan foton energi tinggi, yakni pada spektrum gelombang cahaya biru, hijau, dan kuning.
“Ketika lapis atas GaAsP menutup lapis silikon di bawahnya, foton energi rendah yang diserap kurang maksimal, sehingga efisiensi konversi di bawah potensinya,’’ jelas Sabina Abdul Hadi, mahasiswa PhD di Masdar Institute, yang membuat desertasi pembutan desain step-cell. “Dengan etching lapis atas dan mengekspose beberapa lapis silicon dengan germanium, kami dapat meningkatkan efisiensi sel surya,’’ jelasnya.
Bekerja di bawah supervisi Prof Nayfeh, Sabina Abdul Hadi melakukan simulasi berdasarkan hasil eksperimen untuk menentukan tingkat optimal dan konfigurasi geometris dari lapisan GaAsP untuk menghasilkan efisiensi tertinggi. Inovasi Sabrina kemudian menjadi basis pengembangan sel surya baru oleh tim terpadu MIT-MIST.

Tim MIT lebih fokus pengembangan desan lapis GaAsP, sementara Masdar Institute lebih konsentrasi pada pendalaman desain germanium silikon (SiGe). “GaAsP ternyata tidak dapat tumbuh langsung pada silikon. Mengingat kristal silikon dapat terdegradasi, kami memilih menumbuhkkan GaAsP pada lapis SiGe yang lebih stabil, ” jelas Nayfeh.

Sempat muncul masalah, ketika SiGe tertutup lapis GaAsP, daya serap SiGe terhadap foton energi rendah tidak cukup maksimal untuk dikonversi menjadi arus listrik. “Untuk mengatasinya, kami mengembngkan ide step cell, yang memungkinkan kita dapat memanfaatkan leverage perbedaan karakter daya serap energi matahari oleh material GaAsP dan Si,” tambah Nayfeh.
Konsep step cell memimpin pengembangan lanjutan yang memungkinkan template SiGe dihapus dan didaurulang. Juga dapat mengkreasi solar cell dengan meletakkan GaAsP langsung di atas sel silikon. Step-cell SiGe juga dapat didaurulang sehingga memangkas biaya pembuatan sel-sel GaAsP.
Terkait prospek fabrikasi yang murah di masa depan, Fitzgerald berkata: “Kami menumbuhkan GaAsP di atas SiGe, dengan optimasi konfigurasi geometric, dan terikat dalam satu sel Si. Kami mengetsa lapis SiGe pada kristal silikon. Sebgai hasilnya, sel surya tandem efisiensi tinggi dan satu template silikon yang siap didaurulang.”
“Menambah satu lapis GaAsP terbukti memacu efisiensi sel surya. Sementara kemampuan daurulang SiGe telah lebih banyak mengurangi biaya, sehingga sel surya model baru kini semakin murah dan efisien,” tegas Fitzgerald.
Fitzgerald percaya pasar sel surya model baru terbuka lebar. Apalagi, dengan kolaborasi riset yang intens, potensi efisiensi pembangkitan listrik dari energi matahari dapat juga meningkat. Kini, kita dapat berharap inovasi baru manufaktur sel sura dapat menjadi solusi untuk menutupi kebutuhan pengembangan energi baru dan terbarukan di masa depan.

Dedi Junaedi