Gabungan Silikon-Perovskit: Pencetus Dimensi Baru Sel Suria Menuju 2030

Oleh: Dr Suhaila Sepeai

Institut Penyelidikan Tenaga Suria (SERI),
Universiti Kebangsaan Malaysia

Kebergantungan kepada bahan api masa kini iaitu arang batu dan petroleum sebagai sumber elektrik mendatangkan beberapa kesan dari segi kesihatan, keselamatan, sosio-ekonomi dan alam sekitar. Pencemaran udara, pemanasan global, pencairan ais yang meningkatkan paras air laut sekaligus menengelamkan pesisir pantai yang mengecilkan keluasan sesebuah negara, banjir, ketidakstabilan harga minyak dunia, peningkatan suhu bumi kerana penipisan ozon akibat pencemaran udara dan peperangan semuanya boleh dikaitkan dengan pergantungan kepada sumber tenaga yang tidak boleh diperbaharui iaitu petroleum.

Menjelang 2030, kapasiti kumulatif Tenaga Keterbaharuan (RE) yang diperlukan oleh Malaysia adalah sebanyak 4000 MW berbanding 985 MW pada 2015. Dalam 985 MW tersebut, 65 MW adalah datangnya daripada sumber solar atau suria. Tenaga suria berpotensi besar di Malaysia kerana terletak dalam iklim khatulistiwa yang mana penerimaan cahaya matahari yang tepat selama enam jam. Oleh itu, teknologi tenaga suria seperti sel suria atau juga dikenali sebagai fotovolta (PV) mampu digunapakai secara meluas di Malaysia.

Sel suria adalah peranti elektronik yang menukarkan tenaga cahaya kepada tenaga elektrik. Terdapat empat generasi sel suria iaitu sel suria berasaskan silikon, filem nipis sel suria, sel suria organik, dan sel suria peka pewarna (DSSC). Sel suria silikon mendominasi hampir 80% pasaran sel suria dunia. Sel suria silikon mendapat tempat dalam pasaran berikutan ketahanannya selama 30 tahun, kestabilan pada suhu tinggi, penyelenggaraan yang rendah dan proses fabrikasi yang telah stabil.

Namun begitu, terdapat kelemahan sel suria silikon iaitu kecekapan sel surianya adalah statik pada 25% selama 15 tahun. Kecekapan ini adalah merujuk kepada panel suria Silikon yang terdapat di pasaran. Untuk kajian di dalam makmal, kecekapan sel suria tertinggi dicatatkan oleh University of New South Wales, Australia iaitu 38.7% bagi sel suria bersaiz 4 cm² pada tahun 2012. Salah satu faktor adalah penyerapan cahaya yang terhad disebabkan faktor fizikal bahan silikon yang mempunyai jurang tenaga yang tidak mampu menyerap kesemua cahaya yang terdapat dalam spektrum cahaya.

Terdapat juga faktor-faktor lain yang menyumbang kepada kecekapan sel suria yang rendah seperti kehilangan pada pantulan cahaya, halangan cahaya, susunan lapisan peranti dan ketebalan sel suria itu sendiri. Salah satu faktor perkembangan sel suria generasi kedua, ketiga dan keempat adalah kerana kos fabrikasi bagi sel suria yang pertama iaitu berasaskan silikon adalah mahal dan menggunakan bahan kimia yang berisiko tinggi seperti gas silane dan asid hidrofluorik (HF). Generasi kedua hingga keempat sel suria menumpukan pada sel suria yang bersifat fleksibel, dan dihasilkan dari bahan semula jadi. Kecekapan bagi sel suria jenis ini masih lagi rendah dan ada yang masih lagi dalam peringkat kajian makmal.

Oleh itu, banyak kajian dilakukan iaitu dalam menghasilkan sel suria silikon berkecekapan tinggi pada kos fabrikasi yang rendah. Namun ianya menjadi persoalan besar yang membelenggu para penyelidik sama ada menghasilkan sel suria silikon bercekapan tinggi yang mana diketahui bahawa kos fabrikasinya termasuk kos bahan mentah yang juga tinggi; atau menghasilkan sel suria yang murah tetapi menghasilkan kecekapan sel yang rendah?

Itulah yang mendorong berbagai-bagai kajian dilakukan oleh penyelidik dalam bidang sel suria silikon ini bertujuan untuk meningkatkan kecekapan sel suria melebihi 30%.   Berbagai-bagai pendekatan dilakukan untuk mendapat sel suria berkecekapan tinggi dan murah seperti menggunakan silikon wafer yang nipis, mereka bentuk sel suria tanpa lapisan pantulan cahaya, mengurang penggunaan bahan kimia berbahaya, mengubah stuktur permukaan silikon wafer supaya menjadi permukaan yang lebih kasar supaya boleh menyerap lebih banyak cahaya, mengurangkan beberapa proses dalam proses fabrikasi sel suria silikon, dan membuat sel suria dwi-muka di mana sel suria tersebut boleh beroperasi pada bahagian depan dan belakang sel suria, dan membina sel suria berstruktur berlapis-lapis atau tandem. Selain itu, terdapat juga kajian penambahan titik kuantum (quantum dot, QD) dan penambahan lapisan organik mempunyai jurang tenaga yang boleh ubah dan fleksibel untuk menyerap labih banyak tenaga di atas sel suria silikon.

Baru-baru ini, para pengkaji telah menemui bahan yang boleh menyerap tenaga suria dengan baik yang dikenali sebagai perovskit. Perovskit mula dijumpai oleh Gustov Rose pada 1839 yang diberi nama kepada mineral kalsium titanium oksida dan kini perovskit digambarkan sebagai sebarang sebatian yang memiliki struktur kristal yang sama dengan kalsium titanium oksida. Perovskit mampu bertindak sebagai penyerap cahaya yang baik dan ia menjadi lebih efekfif untuk kegunaan sel suria apabila dijadikan sebagai lapisan atas pada sel suria silikon.

Perovskit mempunyai jurang tenaga yang boleh ubah yang mana akan menyerap bahagian gelombang pada spektrum cahaya yang tidak mampu diserap oleh silikon. Oleh yang demikian, kajian yang terbaru bermula pada 2015 adalah menggabungkan sel suria perovskit dan silikon sebagai pembuka dimensi baru bagi sel suria menuju 2030. Perovskit dan silikon boleh digabungkan dengan dua cara sama ada secara monolitik atau mekanikal.

Sambungan monolitik bermaksud pemfabrikasian sel suria yang menggabungkan silikon dan perovskite dalam satu sel suria yang sama. Manakala, sambungan mekanikal adalah penggabungan sel suria silikon dan sel suria perovskite di dalam litar semasa pemasangan panel suria. Perovskite-Si sel solar merupakan kombinasi bahan yang cukup baik untuk meningkatkan kecekapan dan dikomersialkan kerana kos pengeluaran yang agak rendah. Oleh itu, diharap kajian gabungan Si dan perovskite ini mampu mencipta lembaran sejarah dalam bidang fotovolta sebagai gabungan yang mantap untuk meningkatkan kecekapan sel suria silikon sekaligus berpotensi menjadi tenaga alternatif yang berguna menjelang 2030.

RUJUKAN

[1]      Nanostructured semiconductor composites for solar cells. 2014.

[2]      R. B. Dunbar, T. Pfadler, and L. Schmidt-Mende, “Highly absorbing solar cells—a survey of plasmonic nanostructures,” Opt. Express, vol. 20, no. S2, p. A177, 2012.

[3]      L. Etgar, “Semiconductor nanocrystals as light harvesters in solar cells,” Materials (Basel)., vol. 6, no. 2, pp. 445–459, 2013.

[4]      I. Almansouri, A. H.- Baillie, and M. A. Green, “Dual-­Junction Perovskite/Silicon Tandem Solar Cell,” pp. 647–648.

[5]      C. D. Bailie, M. G. Christoforo, J. P. Mailoa, A. R. Bowring, E. L. Unger, W. H. Nguyen, J. Burschka, N. Pellet, R. Nou, T. Buonassisi, and A. Salleo, “Environmental Science Semi-transparent perovskite solar cells for tandems with silicon and CIGS †,” 2015.

[6]       Briefing on Net Metering, SEDA, 13^th May 2015.