Cat fotovoltaik adalah teknologi inovatif yang memanfaatkan tinta nanopartikel untuk menghasilkan listrik ketika terpapar cahaya matahari. Teknologi ini berpotensi mengubah cara kita melihat energi terbarukan, karena penerapannya pada permukaan yang lebih luas dan fleksibel daripada panel surya berbasis silikon tradisional yang kaku dan mahal. Penelitian yang dipimpin oleh Dr. Guillaume Zoppi dan Dr. Neil Beattie dari Northumbria University, bekerja sama dengan berbagai lembaga untuk mengembangkan sel surya lapisan tipis dari nanopartikel dengan biaya rendah dan efektivitas tinggi​.
Mengenal Cat Fotovoltaik
Sumber: id.pinterest.com
Cat fotovoltaik yang menggunakan tinta nanopartikel, terbuat dari partikel-partikel kecil dengan ukuran antara 10 hingga 20 nanometer. Partikel ini stabil dalam larutan, tidak mudah menguap setelah kering, dan kita dapat mengaplikasikannya sebagai tinta atau cat pada berbagai permukaan. Konsep ini memungkinkan sel surya yang fleksibel untuk diaplikasikan pada bangunan, kendaraan, bahkan perangkat yang menggunakan Internet of Things (IoT). Teknologi ini menawarkan solusi energi berkelanjutan yang pemanfaatannya secara luas dan membantu negara-negara mengurangi ketergantungan pada bahan bakar fosil​.
Komponen utama dari tinta nanopartikel dalam cat fotovoltaik adalah senyawa CZTSSe (tembaga, seng, timah, sulfur, dan selenium). Senyawa ini memiliki kelebihan daripada material surya berbasis indium dan gallium, yang lebih mahal dan sulit aksesnya. CZTSSe mampu menyerap sebagian besar spektrum cahaya tampak, menjadikannya material fotovoltaik yang ideal. Dalam proses pembuatannya, nanopartikel ini diaplikasikan dengan cara pelapisan yang berlapis-lapis pada substrat, seperti foil molibdenum (Mo), kemudian dipanaskan dalam atmosfer kaya selenium untuk membentuk struktur kristal yang optimal.
Tantangan Saat Ini
Meskipun demikian, pengembangan cat fotovoltaik untuk saat ini masih menghadapi berbagai tantangan, terutama dalam hal efisiensi dan proses manufaktur. Salah satu tantangan utama adalah meningkatkan efisiensi konversi energi karena ukuran partikel yang kecil, dan kecenderungan mereka untuk membentuk batas butir yang padat. Proses annealing, yaitu proses pemanasan tinta untuk meningkatkan ukuran kristal, membantu mengatasi masalah ini dengan memperbesar partikel hingga 100 kali lipat. Tim peneliti juga mencoba berbagai metode lain, termasuk penggunaan cairan khusus untuk menghilangkan lapisan karbon yang menghambat kontak antara absorber dan substrat, guna memastikan aliran arus listrik yang optimal​.
Selain itu, proses perkembangan juga berfokus pada penyederhanaan proses pembuatan agar lebih efisien. Biasanya, pembuatan sel surya lapisan tipis membutuhkan teknologi vakum yang mahal, tetapi penelitian oleh Dr. Guillaume Zoppi dan Dr. Neil Beattie mengeksplorasi metode berbasis solusi kimia, yang lebih murah dan tidak memerlukan peralatan khusus. Salah satu inovasi terbaru adalah metode “photonic curing“, yang mana memanfaatkan lampu kilat untuk memanaskan lapisan CZTSSe tanpa mempengaruhi substrat di bawahnya. Metode ini memungkinkan penggunaan substrat fleksibel seperti plastik dan kain, sehingga penerapan teknologi ini bisa berlangsung pada permukaan yang lebih bervariasi​.
Potensi Pegembangan Cat Fotovoltaik
Meskipun efisiensi saat ini baru mencapai sekitar tujuh persen, penelitian ini memiliki potensi besar untuk berkontribusi pada kebutuhan energi global dengan biaya yang jauh lebih rendah daripada teknologi surya konvensional. Dengan biaya produksi yang rendah, tinta surya nanopartikel dapat membantu mengatasi masalah perubahan iklim dan mendorong transisi ke energi terbarukan yang lebih berkelanjutan. Teknologi ini juga membuka peluang untuk mendesain ulang kota dan bangunan yang mampu menghasilkan energi secara mandiri dari sinar matahari yang mengenai permukaannya​.
Efisiensi Material Pada Cat Fotovoltaik
Dengan keunggulannya yang fleksibel, ringan, serta biaya produksi yang rendah, cat ini menjadi alternatif potensial untuk memperoleh energi bersih. Seperti penjelasan sebelumnya, bahwa efisiensi konversi daya dari cat fotovoltaik masih membutuhkan peningkatan agar dapat memenuhi kebutuhan aplikasi komersial yang lebih luas​. Kajian literatur dalam jurnal berjudul “Efficiency of thin film photovoltaic paint: A
brief review”, berisi tentang perbandingan efisiensi penggunaan material pada cat fotovoltaik dan kandidat material terbaiknya.
Salah satu aspek yang penting dalam pengembangan cat fotovoltaik adalah pemilihan material yang sesuai untuk meningkatkan efisiensi konversi daya atau Power Conversion Efficiency (PCE). Generasi ketiga material fotovoltaik, seperti sel surya berbasis kuantum dot (Quantum Dot Solar Cell, QDSC) dan perovskit, menjadi kandidat utama dalam efisiensi material. Material ini memiliki beberapa karakteristik unggul, termasuk kemampuan penyesuaian gap energi dengan ukuran partikel dan kemampuan menghasilkan pasangan electron-hole yang lebih dari satu setelah terpapar satu foton. Keunikan ini memungkinkan material tersebut menyerap lebih banyak spektrum cahaya matahari dan meningkatkan efisiensi kinerjanya secara keseluruhan​.
Perovskit dan QDSC
Banyak penelitian terkait material perovskit karena kemampuannya dalam membawa muatan yang tinggi serta kemampuan elektron untuk bergerak lebih jauh tanpa kehilangan energi yang signifikan. Ini membuat perovskit menjadi pilihan yang efisien untuk cat fotovoltaik, karena menghasilkan muatan yang dapat diekstrak secara optimal untuk menghasilkan listrik. Selain itu, perovskit memiliki proses sintesis yang lebih sederhana dan murah daripada material lainnya, sehingga cocok untuk produksi massal​.
Selain perovskit, QDSC yang berbasis kuantum dot juga menjadi kandidat kuat sebagai material efisien untuk cat fotovoltaik. QDSC memiliki koefisien absorpsi yang tinggi dan kemampuan penyesuaian bandgap, sehingga lebih fleksibel dalam menangkap berbagai panjang gelombang cahaya matahari. Sistesis QDSC juga dapat berlangsung tanpa memerlukan suhu tinggi dan proses vakum yang mahal, menjadikannya lebih ramah biaya. Dengan pencampuran perovskit, QDSC dapat meningkatkan ekstraksi pembawa muatan, yang berpotensi untuk meningkatkan efisiensi cat fotovoltaik secara keseluruhan​.
Dalam pengaplikasiannya, metode lapisan tipis (thin-film) adalah teknik yang umum dalam pembuatan cat fotovoltaik. Teknik seperti spin coating dan spray coating adalah yang paling populer. Spin coating menghasilkan efisiensi konversi daya tertinggi meski kurang cocok untuk produksi skala besar. Di sisi lain, spray coating menawarkan kompatibilitas lebih tinggi dengan produksi skala besar, karena memungkinkan pembuatan lapisan berukuran besar dan berkesinambungan. Pemilihan metode lapisan ini sangat tergantung pada kebutuhan aplikasi dan penggunaan karakteristik material.
Efisiensi Material untuk Pengembangan Cat Fotovoltaik
Secara keseluruhan, perpaduan material kuantum dot dan perovskit merupakan opsi yang menjanjikan dalam pengembangan cat fotovoltaik yang lebih efisien. Keduanya memiliki karakteristik yang saling melengkapi, seperti kemampuan QDSC dalam mengoptimalkan penyerapan cahaya dan kemampuan perovskit dalam meningkatkan efisiensi muatan. Meski masih dalam tahap penelitian, kedua material ini menunjukkan potensi besar untuk meningkatkan PCE pada cat fotovoltaik, sehingga lebih siap untuk diaplikasikan dalam skala industri​
Referensi
Khan, S. A. and Rahman, Ataur. 2019. Efficiency of thin film photovoltaic paint: A
brief review. Diakses pada 6 November 2024 dari https://www.ijrte.org/wp-content/uploads/papers/v7i6s/F02330376S19.pdf
Zoppi, Guillaume and Beattie, Neil. nd. Thin film nanoparticle
solar cells. Diakses pada 6 November 2024 dari https://www.scienceopen.com/document_file/a2ef2c83-215a-4578-b22a-2f5e7f04a5b1/API/s15.pdf
Warstek Media. 2024. Perovskite: Pengertian, Struktur, Keunggulan, dan Penerapan. Diakses pada 6 November 2024 dari https://warstek.com/perovskite/