Kebutuhan energi dunia terus meningkat dari tahun ke tahun. Banyak negara masih bertumpu pada energi fosil seperti minyak dan gas yang semakin menipis. Situasi ini mendorong para ilmuwan berlomba menciptakan teknologi baru yang bisa memaksimalkan energi terbarukan terutama energi surya. Salah satu upaya terpenting dalam bidang ini terletak pada kemampuan sebuah material untuk menangkap panas matahari secara efisien. Teknologi panel surya sebenarnya sudah berkembang pesat tetapi ada ruang yang sangat besar untuk peningkatan efisiensi terutama dalam proses penyerapan cahaya.
Sebuah penelitian terbaru dari sekelompok ilmuwan dalam jurnal Photonics mengusulkan desain penyerap cahaya matahari baru yang berbahan dasar titanium nitrida atau TiN. Material ini dikenal kuat, stabil terhadap panas, dan jauh lebih murah dibandingkan logam mulia seperti emas atau perak yang sering digunakan pada penelitian sebelumnya. Tim ilmuwan melihat peluang besar pada TiN karena material ini mampu menyerap cahaya secara intens bahkan ketika datang dari berbagai arah dan dengan sudut jatuh yang berbeda.
Penelitian tersebut tidak hanya mengembangkan material baru tetapi juga memperkenalkan konsep metasurface. Metasurface merupakan permukaan yang terdiri dari struktur nano sangat kecil dan tersusun secara teratur sehingga dapat memanipulasi cahaya dengan cara yang mustahil dilakukan oleh material biasa. Struktur pada metasurface dapat mengubah pola pantulan, pembiasan, hingga penyerapan cahaya dengan presisi sangat tinggi. Teknologi ini berpotensi membuka babak baru dalam pemanenan energi matahari.
Baca juga artikel tentang: Pahlawan Hijau yang Tersamar: Mengapa Sayuran Brassica Bisa Jadi Kunci Kesehatan Dunia
Para peneliti menciptakan sebuah metasurface berbentuk silinder kecil dengan lubang kotak di bagian dalamnya. Struktur unik ini bukan sekadar bentuk artistik tetapi berfungsi mengendalikan medan listrik dan medan magnet dari cahaya yang datang. Interaksi yang terjadi pada medan tersebut menghasilkan resonansi kooperatif. Kondisi ini membuat metasurface mampu menyerap lebih banyak cahaya sehingga energi yang bisa dikonversi menjadi panas meningkat secara signifikan.
Perhitungan dan simulasi menunjukkan bahwa metasurface TiN mampu menyerap cahaya pada rentang panjang gelombang yang sangat luas yaitu antara 300 hingga 2500 nanometer. Rentang ini mencakup hampir seluruh spektrum radiasi matahari yang penting untuk teknologi fototermal. Peneliti menemukan bahwa rata rata penyerapan cahaya mencapai 92 persen dan mampu mencapai hingga 94.8 persen pada kondisi tertentu. Nilai ini sangat tinggi bahkan jika dibandingkan dengan absorber fototermal konvensional.
Salah satu keunggulan yang membuat metasurface ini menonjol terletak pada kemampuannya mempertahankan performa penyerapan tinggi meskipun cahaya datang dari sudut yang sangat besar. Banyak panel surya atau absorber panas bekerja optimal hanya ketika sinar matahari datang hampir tegak lurus. Ketika matahari bergerak atau cuaca berubah sudut jatuh cahaya juga berubah dan efisiensi penyerapan dapat menurun drastis. Metasurface TiN mampu bekerja baik pada kondisi tersebut sehingga teknologi ini cocok digunakan sepanjang hari tanpa perlu sistem pelacak matahari yang rumit.
Para peneliti juga menemukan bahwa metasurface ini tidak terpengaruh oleh perubahan polarisasi cahaya. Polarisasi adalah arah getaran gelombang cahaya. Cahaya dari matahari biasanya tidak terpolarisasi tetapi cahaya yang dipantulkan dari tanah, bangunan, atau awan dapat berubah polarisasinya. Banyak material absorber sensitif terhadap polarisasi sehingga kinerjanya menurun jika cahaya berada pada kondisi tertentu. Metasurface TiN tidak memiliki kelemahan ini sehingga memberikan kestabilan performa lebih baik di dunia nyata.
Selain itu peneliti memperhatikan bahwa ukuran dan bentuk struktur pada metasurface berpengaruh sangat besar terhadap efektivitas penyerapan cahaya. Mereka melakukan optimasi untuk mendapatkan desain paling efisien dan menemukan bahwa perubahan geometrik sekecil beberapa nanometer dapat meningkatkan atau menurunkan performa secara signifikan. Temuan ini sangat berharga karena menunjukkan bahwa desain metasurface dapat dibuat lebih baik lagi di masa depan dengan perkembangan teknik fabrikasi nano.
Teknologi ini bukan hanya menjanjikan dalam konteks penyerapan cahaya tetapi juga dalam aplikasinya untuk konversi fototermal yaitu konversi cahaya menjadi panas. Sistem konversi fototermal memiliki peran penting dalam berbagai teknologi seperti pembangkit listrik tenaga surya sistem desalinisasi air hingga proses pemanasan industri. Semakin besar panas yang dihasilkan maka semakin besar pula energi yang bisa dimanfaatkan.
Metasurface TiN menjadi kandidat kuat untuk digunakan dalam sistem sistem tersebut. Struktur ini bekerja efektif tanpa memerlukan lapisan pelindung tambahan atau material mahal. Titanium nitrida sendiri memiliki kestabilan yang sangat baik terhadap panas dan lingkungan sehingga dapat bekerja lama tanpa cepat rusak. Kombinasi antara biaya rendah dan performa tinggi menjadikan material ini sangat kompetitif untuk aplikasi skala besar.
Penelitian ini juga memberi gambaran tentang masa depan teknologi berbasis metasurface. Para ilmuwan memprediksi bahwa material komposit dan struktur nano akan mendominasi pengembangan teknologi energi surya di masa depan. Kemampuannya mengendalikan cahaya membuat metasurface sangat fleksibel dan dapat diadaptasi untuk berbagai kebutuhan mulai dari panel surya ultraefisien hingga perangkat optik canggih.
Kemungkinan aplikasi teknologi ini sangat luas. Metasurface bisa digunakan pada pembangkit listrik tenaga surya berbasis panas yang membutuhkan absorber berperforma tinggi. Teknologi pemanas air surya desalinisasi air laut hingga pemanas industri dapat memperoleh manfaat besar dari struktur yang mampu menyerap panas dengan efisiensi sangat tinggi. Bahkan perangkat portabel seperti pemanas kecil dan alat masak tenaga matahari dapat bekerja lebih cepat dan efisien.
Penelitian ini masih berada pada tahap simulasi dan eksperimen awal tetapi hasilnya menunjukkan potensi yang sangat besar. Tantangan yang tersisa terletak pada proses produksi massal struktur nano yang presisi tinggi. Industri nanoteknologi terus berkembang sehingga hambatan ini kemungkinan dapat diatasi dalam beberapa tahun ke depan. Jika metasurface TiN berhasil diproduksi secara ekonomis teknologi ini dapat menjadi salah satu pilar penting dalam transisi dunia menuju energi terbarukan yang lebih efisien.
Masyarakat dunia membutuhkan solusi energi yang tidak hanya ramah lingkungan tetapi juga mampu memenuhi kebutuhan energi yang terus melesat. Inovasi berbasis material seperti metasurface TiN memberikan harapan nyata dalam menjawab tantangan tersebut. Kemampuan menangkap cahaya matahari secara hampir sempurna membuat teknologi ini layak disebut sebagai salah satu terobosan paling menjanjikan dalam dunia fototermal modern.
Baca juga artikel tentang: Kenali 8 Tanda Tubuh Mengalami Overdosis Garam yang Bisa Mengancam Kesehatan
REFERENSI:
Liu, Hongfu dkk. 2025. TiN-Only metasurface absorber for solar energy harvesting. Photonics 12 (5), 443.
