Mengenal Sel Surya Perovskit Berbasis Kalsium Titanat (CaTiO3): Terobosan Baru untuk Masa Depan Energi di Indonesia

Oleh: Dr. Eng. Lusi Ernawati, S.T., M.Sc
Co-Author: Alfonsina Abat Amelenan Torimtubun, S.T., M.Sc, Anniza Cornelia Augusty

Semakin bertambahnya populasi penduduk dan tingkat pertumbuhan ekonomi masyarakat menyebabkan kebutuhan energi pun meningkat. Khususnya energi listrik, Indonesia masih harus memecahkan permasalahan pada sektor tersebut. Terbatasnya akses masyarakat terhadap energi terutama di daerah 3T (tertinggal, terpencil, dan perbatasan) menyebabkan rasio elektrifikasi nasional belum meningkat secara signifikan dan dengan semakin berkurangnya sumber energi berbahan fosil maka dibutuhkan sumber energi alternatif untuk terus menyuplai energi listrik. Salah satu energi alternatif itu adalah sel surya. Sebagai negara tropis dengan rata-rata intensitas radiasi sinar matahari yang tinggi sekitar 4,8 kWh/m2 per hari di seluruh wilayahnya, Indonesia sangat cocok untuk memanfaatkan energi surya.

Berdasarkan peta konsep solar energi, strategi jangka panjang dan realisasi pengembangan sel-surya secara massal berbasis photovoltaic (PV) terus dilakukan berkisar hingga 2030. Kerangka kerja ini didasarkan pada antisipasi pembangkit listrik PV pada tahun 2030, di mana pembangkit listrik berbasis (PV) dapat memasok sekitar 50% dari konsumsi listrik perumahan (kapasitas terpasang kumulatif dalam kisaran 100 GW).

Gambar 1. Skenario realisasi penyebararan sel surya berbasis photovoltaic (PV) sistem secara massal tahun 2030

Isu terkait pengembangan sel-surya juga dilaporkan oleh Laboratorium Pusat Energi Nasional Terbarukan (NREL), yakni nilai efisiensi konversi energy (PCE) hasil dari penelitian sel surya 40 tahun terakhir, untuk berbagai teknologi Photovoltaic (PV). Hasil nilai PCE solar cell dikelompokkan dalam berbagai macam semikonduktor yakni: (i) Multijunction cells, (ii) Single-junction gallium arsenide cells, (iii) Crystalline silicon cells, (iv) thin-film technologies, (v) emerging photovoltaics, dan 26 sub-kategori PV seperti ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2. Perkembangan teknologi sel surya dalam waktu 40 tahun terakhir

Hingga saat ini, pengembangan sel surya telah sampai pada generasi ketiga, yaitu perovskite solar cell (PSC). PSC mampu mengonversi energi surya menjadi energi listrik dengan memanfaatkan material perovskit sebagai penyerap cahaya. Pada tahun 2017, PSC berhasil menghasilkan efisiensi yang tinggi hingga 22,1% menggunakan perovskit berbasis organologam halida (CH3NH3PbI3). Namun, karena adanya kandungan timbal yang sangat beracun pada jenis perovskit tersebut membuat para ilmuwan di seluruh dunia terus berinovasi untuk menghasilkan sel surya dengan material yang aman dan ramah lingkungan untuk menghasilkan efisiensi yang tinggi.

Berakar dari bentuk permasalahan ini, Institut Teknologi Kalimantan (ITK) berinovasi menyumbangkan ide penelitian berbasis sel-surya dengan memanfaatkan bahan alam yang murah, terjangkau dan berpotensi sebagai energi listrik terbarukan yakni material CaCO3 dan TiO2 untuk pembuatan PSC.

Material kalsium titanat (CaTiO3) dengan struktur perovskit telah berhasil menarik perhatian peneliti dalam beberapa tahun terakhir. Pada pengembangannya, material perovskit banyak diaplikasikan pada sel surya, sel bahan bakar, sensor maupun bidang optoelektronik. Kalsium titanat (CaTiO3) dapat diperoleh dari reaksi antara kalsium karbonat (CaCO3) dan titanium dioksida (TiO2) melalui metode sol-gel. Salah satu sumber kalsium karbonat terbesar (95%) terkandung dalam mineral batu kapur. Di Indonesia, batu kapur sangat mudah diperoleh dengan biaya yang cukup terjangkau, sehingga sangat potensial digunakan sebagai bahan baku pembuatan kalsium titanat.

Struktur sel surya berbasis perovskit ini terdiri dari material perovskit yang berperan sebagai penyerap cahaya, kaca konduktif (biasanya digunakan Indium Tin Oxide (ITO) atau Fluorine Tin Oxide (FTO) sebagai substrat (anoda), material semikonduktor TiO2 sebagai donor elektron (electron transport material), elektrolit sebagai akseptor elektron (hole transport material) dan karbon sebagai elektroda pembanding. Ketika cahaya matahari menuju elektroda transparan (substrat kaca konduktif), cahaya tersebut diserap oleh material semikondukor pendonor (ETM) dan eksiton terbentuk. Kemudian elektron yang terbentuk diinjeksikan menuju conduction band (CB) dari ETM sementara hole diteruskan menuju HTM. Selama pemisahan elektron-hole dan transportasinya, jalur pembawa muatan lain yang tidak diinginkan seperti pembongkaran eksiton, fotoluminesen dan rekombinasi juga melakukan pemusnahan pembawa muatan yang dihasilkan oleh efek photo. Kinerja sel surya bergantung pada densitas pembawa muatan yang dihasilkan oleh efek photo, pemisahan dan pengumpulannya sebelum rekombinasi. Oleh karena itu, tingkat energi masing-masing lapisan pada perangkat PSC harus tepat.

Pembuatan PSC tergolong sederhana, tidak memerlukan waktu lama dan biaya pembuatan yang cukup terjangkau. Pembuatan PSC dilakukan melalui tiga tahap. Tahap pertama adalah pembuatan pasta dengan mencampurkan 0,5 gram bubuk titanium dioksida (TiO2) dengan 2 ml etanol 96%. selanjutnya, pasta tersebut dioleskan ke permukaan kaca konduktif berukuran 3,7×3 cm, lalu dikeringkan dengan furnace selama 15 menit. Lalu kaca konduktif terlapisi pasta TiO2 dilapiskan kembali dengan perovskit CaTiO3. Tahap kedua adalah pelapisan karbon di atas kaca konduktif dengan menggunakan api lilin. Tahap terakhir yaitu menambahkan larutan iodin ke atas permukaan kaca terlapisi pasta TiO2 dan perovskit CaTiO3, lalu kedua kaca konduktif disatukan dengan penjepit kertas, sama seperti susunan sandwich. Sel surya yang telah dirakit, kemudian dijemur di bawah sumber penyinaran, dapat berupa lampu maupun sinar matahari langsung. Selama proses tersebut, PSC akan menghasilkan energi listrik.

                                                   (a)                                                                                        (b)

Gambar 2. (a) protitpe PSC, (b) Proses Pengujian PSC

Sel surya berbasis perovskit CaTiO3 berhasil menghasilkan efisiensi paling tinggi hingga 2,04%. Efisiensi tertinggi ini diperoleh dari perovskit CaTiO3 dengan komposisi mol material TiO2 lebih banyak daripada CaCO3, dengan perbandingan rasio mol bahan baku 1:7. Artinya, penambahan perovskit CaTiO3 dapat memaksimalkan cahaya yang diserap sehingga kinerja transfer elektron dapat meningkat pada sistem PSC yang akan mempengaruhi parameter keluaran PSC termasuk efisiensi. Perovskit CaTiO3 dapat dengan mudah menembus masuk ke dalam pori dan terjerap ke seluruh permukaan partikel TiO2 (ETM) sehingga efisiensi PSC meningkat.

Penelitian dan pengembangan sel surya berbasis perovskit masih menemui kendala yang tidak sedikit. PSC masih terkendala pada rendahnya stabilitas di lingkungan yang lembab sehingga PSC hanya mampu bertahan dalam jangka waktu yang cenderung pendek jika sel dipergunakan pada daerah dengan suhu udara yang panas. Kedepannya diharapkan inovasi-inovasi terus dilakukan untuk meningkatkan performa sel surya. Perlu langkah serius untuk terus mengembangkan PSC hingga ke skala yang lebih besar dan siap bersaing di industri di Indonesia.

Referensi

  • Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi. (2016), Outlook Energi Indonesia 2016, Pusat Teknologi Sumber Daya Energi dan Industri Kimia (PTSEIK), Jakarta.
  • NREL. (2017), “Research Cell Efficiency Records”.
  • Zhang, F., Wang, S., Li, X., dan Xiao, Y. (2016), “Recent Progress of Perovskite Solar Cells”, Current Nanoscience, Vol. 12.
  • Kementrian Energi dan Sumber Daya Mineral. (2015), Indonesia Energy Outlook, Pusat Data Kementrian Energi dan Sumber Daya Mineral, Jakarta.
  • Mesquita, I., Andrade, L, dan Mendes, A. (2018), “Perovskite Solar Cells: Materials, Configurations and Stability”, Renewable and Sustainable Energy Reviews.

Artikel Berhubungan:

Sponsor Warstek.com:
Warung Sains Teknologi

Warstek Media

Warung Sains Teknologi (Warstek) adalah media SAINS POPULER yang dibuat untuk seluruh masyarakat Indonesia baik kalangan akademisi, masyarakat sipil, atau industri. Sampai saat ini, sains dan teknologi berkesan ekslusif yang hanya ada di laboratorium dan tidak mampu secara langsung berdampak kepada masyarakat. Akibatnya masyarakat, pemerintah dan industri tidak menjadikan sains sebagai sarana mengatasi permasalahan atau membuat kebijakan. Untuk itu, warstek hadir untuk menjawab tantangan tersebut.

Yuk Ajukan Pertanyaaan atau Komentar