Penemuan konsep baru dalam fotovoltaik yang mengeksploitasi kemampuan material untuk eksis dalam fase kristal yang berbeda

Sebuah tim peneliti dari Pusat Fisika Terintegrasi dan Material Fotonik di Dresden University of Technology dan Center for Advanced Electronics di Dresden telah mendemonstrasikan konsep sel surya baru yang mengeksploitasi kemampuan material untuk eksis dalam fase kristal yang berbeda. Penelitian terkait kini telah dipublikasikan di jurnal Nature Energy.

Tujuan dari sel fotovoltaik adalah mengubah sinar matahari menjadi listrik. Dengan menyerap sinar matahari, pasangan pembawa muatan dihasilkan, yang kemudian perlu diarahkan ke sisi berlawanan dari dioda fotovoltaik untuk menghasilkan arus listrik. Untuk memfasilitasi proses ini, sebagian besar sel surya menyertakan heterojunction yang menyediakan lanskap energi yang menguntungkan untuk mendorong pemisahan muatan.

Misalnya, sel surya silikon membentuk sambungan hetero dengan doping elektrik di setiap sisi perangkat, menghasilkan sambungan pn. Sel surya organik, di sisi lain, bergantung pada pencampuran berbagai jenis bahan (donor dan akseptor) untuk membentuk sambungan massal. Namun, konsep-konsep ini biasanya tidak berlaku untuk kelas bahan fotovoltaik baru yang muncul.

Tim peneliti proyek kini telah mendemonstrasikan konsep baru untuk pembentukan sambungan fotovoltaik hetero. Untuk melakukan ini, para peneliti telah mengambil keuntungan dari fakta bahwa bahan seringkali dapat eksis dalam bentuk struktural yang berbeda, yang disebut fase kristal.

Fenomena ini, yang dikenal sebagai polimorfisme, berarti bahwa bahan yang sama dapat menunjukkan sifat yang berbeda tergantung pada susunan spesifik atom dan molekul dalam strukturnya. Dengan menghubungkan dua fase kristal dari bahan yang sama, para peneliti telah menunjukkan untuk pertama kalinya pembentukan sel surya heterojunction. Secara khusus, para peneliti memilih cesium iodide lead chalcogenide – bahan penyerap sel surya yang efisien dalam fase beta dan gamma – untuk konsep baru mereka.

Para peneliti menjelaskan, "Sifat optik dan elektronik dari cesium timbal iodida dalam dan fase berbeda satu sama lain, dan dengan menempatkan chalcogenide di atas chalcogenide, kami mampu menciptakan sel surya fasa-heterojunction yang secara signifikan lebih efisien daripada surya sel berdasarkan chalcogenide fase tunggal." Dalam studi mereka, para peneliti menunjukkan bahwa lapisan atas fase mempengaruhi kinerja sel surya dalam beberapa cara.

Analisis spektroskopi lanjutan menunjukkan bahwa peningkatan kinerja dikaitkan dengan peningkatan penyerapan cahaya dan pembentukan penyelarasan energi yang menguntungkan antara dua fase, kata para peneliti.

Yang penting, para peneliti mengkonfirmasi bahwa fase heterojunction tetap stabil selama operasi sel surya dan bahkan menekan migrasi ion dalam penyerap sel surya, memecahkan masalah umum dengan bahan kalkogenida.

Untuk merealisasikan konsep phase heterojunction, peneliti menggunakan dua proses fabrikasi yang berbeda untuk lapisan atas dan lapisan bawah. Para peneliti mengatakan mereka berharap bahwa konsep baru ini, dikombinasikan dengan rute fabrikasi sederhana untuk sambungan fase hetero, juga akan berlaku untuk berbagai sistem material dalam berbagai perangkat elektronik dan optoelektronik.

Karena banyak kelas semikonduktor menunjukkan polimorfisme, konsep ini dapat membuka jalan bagi aplikasi yang sama sekali baru berdasarkan fase hetero, yang dapat dibuat dari bahan tunggal menggunakan proses fabrikasi yang sederhana dan murah.