Peristiwa cuaca ekstrem baru-baru ini telah menekankan pentingnya mengurangi emisi karbon dioksida yang meningkatkan suhu global. Transisi cepat dari ekonomi energi ke sumber energi terbarukan diperlukan untuk merealisasikan target pengurangan emisi. Sumber energi terbarukan yang termurah adalah panel surya^[1]. Penelitian kami yang baru terbit^[2] menunjukkan cara untuk menurunkan biaya penggunaan panel surya dengan menggunakan bahan silikon yang lebih murah dengan tingkat efisiensi tinggi.

Australia telah selangkah lebih maju dalam instalasi panel surya^[3], tetapi perjalanan tenaga surya kita baru saja dimulai. Tahun ini, umat manusia mencapai tonggak sejarah dengan 1 terawatt (TW ) – 1 juta x 1 juta watt – kapasitas surya terpasang^[4]. Namun, para ahli memperkirakan bahwa 70TW fotovoltaik^[5] mungkin diperlukan pada tahun 2050 untuk mendukung semua sektor ekonomi.

Untuk membantu mendorong penyerapan fotovoltaik surya yang cepat ini, kita membutuhkan panel surya dengan efisiensi tinggi dan biaya rendah. Selama sepuluh tahun terakhir, beberapa desain sel surya baru telah menghasilkan efisiensi dengan rekor tertinggi. Namun, desain ini juga membutuhkan bahan berkualitis tinggi yang membuatnya lebih mahal.

Penelitian terbaru^[6] kami menemukan jenis silikon yang dibutuhkan untuk membuat sel surya dengan efisiensi tinggi.

Read more: Australia is the runaway global leader in building new renewable energy^[7]

Tidak semua silikon sama

Lebih dari 95% panel surya terbuat dari silikon. Silikon yang digunakan untuk membuat sel surya mirip dengan yang digunakan dalam chip komputer. Pada dasarnya adalah pasir yang sangat murni.

Untuk membuat sel surya bekerja, kita perlu membentuk medan listrik agar semua arus yang dihasilkan dapat mengalir dalam satu arah. Hal ini dilakukan dengan menambahkan atom pengotor ke dalam silikon. Proses ini dikenal sebagai “doping.”

Dalam manufaktur panel komersial, jenis silikon yang paling umum digunakan adalah silikon “tipe p.” Material ini di-doping dengan atom yang memiliki satu elektron lebih sedikit daripada silikon, seperti boron atau yang lebih baru, galium.

Lapisan sangat tipis pada permukaan yang penuh dengan atom kemudian dapat disambungkan dengan silikon “tipe n.” Menempatkan kedua jenis silikon ini secara bersamaan akan membentuk “pertemuan p-n.” Wilayah tipe-p dan wilayah tipe-n memiliki perbedaan besar dalam jumlah elektron. Ini memaksa elektron untuk bergerak cepat dan menciptakan medan listrik yang menggerakkan arus di sel surya kita.

Panel surya konvensional pada atap yang dapat ditemukan di Australia saat ini dibuat menggunakan silikon tipe p karena harganya sekitar 10% lebih murah daripada silikon tipe n yang diolah dengan fosfor.

Read more: The sunlight that powers solar panels also damages them. 'Gallium doping' is providing a solution^[8]

Efisiensi lebih tinggi membutuhkan biaya

Para peneliti terus berusaha untuk meningkatkan efisiensi panel surya agar dapat menghasilkan lebih banyak daya bagi konsumen. Pada tahun 2017, rekor efisiensi 26,7%^[9] dicapai untuk sel surya silikon. Beberapa bulan lalu, LONGi Solar^[10] mengumumkan efisiensi 26,5% - sangat mendekati rekor dunia - untuk jenis sel surya sejenis yang dibuat di pabrik, bukan di laboratorium.

Jenis sel surya ini disebut “heterojungsi berbasis silikon.” Elemen khusus sel surya heterojungsi berbasis silikon adalah permukaannya ditutupi lapisan yang sangat tipis – sekitar 1.000 kali lebih tipis dari rambut manusia – dari silikon amorf. Lapisan tipis ini menghaluskan permukaan dan mengurangi hilangnya energi dalam jumlah banyak.

Sanyo mengembangkan desain sel ini pada tahun 1990-an. Pada saat itu, penghantar silikon tipe n berkualitas tinggi digunakan untuk membuat sel heterojungsi berbasis silikon, meskipun penghantar ini lebih mahal.

Alasan utamanya adalah bahwa sinar matahari menurunkan kualitas penghantar tipe p yang lebih murah. Namun, pemahaman mengenai fenomena ini dan cara mengatasinya telah jauh berkembang sejak tahun 1990-an.

Penemuan kami

Selama 30 tahun terakhir, semua sel surya heterojungsi berbasis silikon, termasuk sel-sel pemecah rekor, telah dibuat menggunakan penghantar silikon tipe n. Dalam proyek penelitian kami^[11], kami ingin menguji jika wafer tipe p yang lebih murah juga dapat digunakan.

Melalu pengujian komprehensif, kami menemukan bahwa sel surya heterojungsi yang dibuat dengan silikon tipe p tidak bekerja dengan baik. Hal ini membingungkan kami. Namun, suatu hari kami menyadari sebuah hal secara tiba-tiba.

Kami menyadari bahwa paparan pencahayaan ruangan yang tidak disengaja hanya selama sepuluh detik sebelum pengujian mengurangi tegangan sel tipe p sebanyak 30mV. Ini dapat mengurangi efisiensinya sebesar 1 persen, yaitu dari 22% menjadi 21%. Akibatnya, sel-sel kami bekerja jauh lebih buruk dari yang diharapkan. Sama seperti seseorang dengan alergi parah yang lebih sensitif terhadap serbuk sari di musim semi, kami menyadari bahwa sel surya heterojungsi berbasis silikon efisiensi tinggi yang dibuat dengan penghantar tipe p jauh lebih sensitif terhadap degradasi yang disebabkan oleh cahaya.

Masalah telah teridentifikasi, sekarang kami memiliki solusinya

Kami yakin bahwa pengamatan ini adalah alasan sel berefisiensi tinggi hanya dieksplorasi menggunakan silikon dengan harga tinggi. Peneliti sebelumnya tidak menyadari sensitivitas wafer tipe p terhadap degradasi dan belum memiliki pengetahuan untuk mengatasinya.

Untungnya, sekarang kami tahu bahwa degradasi tersebut disebabkan oleh ikatan boron dan oksigen dalam penghantar silikon. Perawatan dengan laser intensitas tinggi telah terbukti efektif untuk menstabilkan sel dalam hitungan detik^[12].

Tembakan laser dapat membuat hidrogen yang sudah mengambang dalam silikon lebih mudah untuk bergerak dan “mempasifkan” kerusakan boron-oksigen yang tidak diinginkan. Cara pasti hidrogen melakukan ini masih diteliti secara aktif, tetapi kami tahu ini dapat memecahkan masalah. Penelitian kami^[13] menegaskan bahwa perawat laser yang singkat dapat menstabilkan kinerja sel surya heterojungsi berbasis silikon tipe p.

Berbekal pengetahuan baru ini, kami dapat lebih mengembangkan teknologi efisiensi tinggi dengan bahan baku yang lebih murah. Hal ini akan mengurangi biaya setiap watt listrik tenaga surya yang dihasilkan. Pada bulan Maret tahun ini, produsen panel surya LONGi Solar mengumumkan efisiensi 25,47%^[14] untuk sel surya berbasis silikon yang dibuat menggunakan penghantar tipe p.

Dengan adanya produsen yang menghasilkan sel surya efisiensi dengan potensi harga lebih murah menunjukkan bahwa temuan kami memiliki dampak nyata pada industri. Mengurangi biaya sel surya akan menyediakan listrik yang lebih murah bagi jutaan konsumen di tengah upaya mengatasi perubahan iklim.

References

1. ^{^} Sumber energi terbarukan yang termurah adalah panel surya (www.csiro.au)
2. ^{^} Penelitian kami yang baru terbit (onlinelibrary.wiley.com)
3. ^{^} instalasi panel surya (theconversation.com)
4. ^{^} 1 terawatt (TW ) – 1 juta x 1 juta watt – kapasitas surya terpasang (www.pv-magazine.com)
5. ^{^} 70TW fotovoltaik (aip.scitation.org)
6. ^{^} Penelitian terbaru (onlinelibrary.wiley.com)
7. ^{^} Australia is the runaway global leader in building new renewable energy (theconversation.com)
8. ^{^} The sunlight that powers solar panels also damages them. 'Gallium doping' is providing a solution (theconversation.com)
9. ^{^} rekor efisiensi 26,7% (doi.org)
10. ^{^} LONGi Solar (www.pv-magazine.com)
11. ^{^} proyek penelitian kami (arena.gov.au)
12. ^{^} menstabilkan sel dalam hitungan detik (doi.org)
13. ^{^} Penelitian kami (onlinelibrary.wiley.com)
14. ^{^} efisiensi 25,47% (www.pv-magazine.com)