Teknologi Baru Sel Surya Tandem Pecahkan Rekor Dunia dalam Efisiensi Energi

Panel surya yang dipasang di atap rumah dan lahan pembangkit energi skala besar telah menjadi pemandangan biasa di berbagai belahan dunia. Tenaga surya kini menjadi pemain utama sumber listrik di berbagai negara.

Lonjakan penggunaan energi surya ini dipicu oleh dua hal utama. Pertama, para ilmuwan dan insinyur semakin terampil memproduksi panel surya secara massal dengan efisiensi produksi yang tinggi, sehingga biaya bisa ditekan. Kedua, dan yang paling penting, efisiensi konversi daya panel surya terus meningkat. Artinya, semakin banyak sinar matahari yang dapat diubah menjadi listrik.

Semakin tinggi efisiensi panel surya, semakin rendah pula biaya listriknya. Hal ini tentu membuat kita bertanya: Seberapa jauh efisiensi energi surya bisa berkembang? Dan, apakah ini akan mengurangi tagihan listrik kita?

Panel surya yang tersedia secara komersial saat ini mengubah sekitar 20-22% sinar matahari menjadi tenaga listrik. Namun, penelitian baru yang dipublikasikan di Nature menunjukkan bahwa panel surya masa depan dapat mencapai efisiensi hingga 34% dengan memanfaatkan teknologi baru yang disebut sel surya tandem. Penelitian ini menunjukkan rekor efisiensi konversi daya untuk sel surya tandem.

Apa itu sel surya tandem?

Panel surya konvensional hanya menggunakan satu jenis bahan untuk menyerap sinar matahari, yaitu silikon-bahan yang juga dipakai untuk membuat chip mikro. Meski andal, efisiensinya terbatas hanya sekitar 29%.

Untuk melampaui batas ini, para ilmuwan mengembangkan "sel surya tandem," yang menggabungkan dua jenis bahan yang disusun berlapis untuk menangkap lebih banyak energi dari sinar matahari.

Dalam penelitian terbaru, tim peneliti dari perusahaan energi LONGi melaporkan bahwa mereka telah menciptakan sel surya tandem berbahan silikon dan perovskit. Berkat pelapisan dua bahan ini, energi dari sinar matahari bisa diserap jauh lebih baik, sehingga tandem perovskit-silikon yang baru ini memecahkan rekor dunia dalam efisiensi konversi sebesar 33,89%.

Material perovskite, yang ditemukan kurang dari dua dekade lalu, kini muncul sebagai pasangan ideal untuk teknologi silikon. Rahasianya terletak pada kemampuannya menyesuaikan penyerapan cahaya.
Bahan perovskit mampu menyerap cahaya biru berenergi tinggi lebih efisien dibandingkan silikon.

Dengan cara ini, kerugian energi dapat dihindari, dan efisiensi total tandem meningkat. Bahan lain, yang disebut semikonduktor III-V, juga telah digunakan dalam sel tandem dan mencapai efisiensi yang lebih tinggi. Tapi masalahnya, bahan ini sulit diproduksi dan mahal, sehingga hanya dapat dibuat dalam bentuk perangkat kecil yang menggunakan cahaya terfokus.

Para ilmuwan telah mengerahkan upaya besar dalam mengembangkan sel surya perovskit ini. Mereka telah mempertahankan laju pengembangan yang fenomenal dengan efisiensi (untuk satu sel di laboratorium) meningkat dari 14% menjadi 26% hanya dalam 10 tahun.

Kemajuan ini memungkinkan integrasi mereka ke dalam sel surya tandem dengan efisiensi sangat tinggi, membuka jalan untuk meningkatkan teknologi fotovoltaik hingga mencapai triliunan Watt yang dibutuhkan dunia untuk mengurangi produksi energi kita.

Biaya listrik tenaga surya

Sel tandem baru yang memecahkan rekor efisiensi ini dapat menangkap hingga 60% lebih banyak energi surya. Artinya, jumlah panel yang diperlukan untuk menghasilkan energi yang sama bisa dikurangi, sehingga menekan biaya instalasi dan menghemat lahan (atau area atap) yang dibutuhkan untuk pembangkit listrik tenaga surya.

Hal ini juga berarti bahwa operator pembangkit listrik akan menghasilkan energi surya dengan keuntungan yang lebih tinggi. Perbedaan nyata terjadi pada instalasi surya di atap, dengan area terbatas dan ruang harus dimanfaatkan secara efektif.

Harga listrik tenaga surya atap dihitung berdasarkan dua ukuran utama. Pertama, total biaya untuk memasang panel surya di atap, dan kedua, berapa banyak listrik yang akan dihasilkan selama 25 tahun masa operasinya.

Meskipun biaya instalasi mudah diketahui, menghitung pendapatan dari listrik yang dihasilkan dari tenaga surya di rumah mungkin agak lebih rumit. Kita bisa menghemat uang dengan mengurangi penggunaan energi dari jaringan, terutama saat harga tinggi, dan juga bisa menjual surplus listrik kita kembali ke jaringan.

Namun, hal ini akan bergantung pada penyedia jasa listrik. Di Inggris, tempat saya mengajar, dengan bagaimana pemerintah menetapkan harga listrik, operator jaringan akan membayar harga yang sangat rendah untuk listrik ini. Sehingga menggunakan baterai untuk menyimpan energi tersebut agar bisa digunakan di malam hari terkadang lebih baik daripada menjualnya.

Berdasarkan pertimbangan rata-rata pengeluran rumah tangga di Inggris, saya telah menghitung penghematan uang yang bisa diperoleh konsumen dari listrik tenaga surya di atap, tergantung pada efisiensi panelnya.

Jika kita bisa meningkatkan efisiensi panel dari 22% menjadi 34% tanpa menaikkan biaya pemasangan, penghematan tagihan listrik akan naik dari £558/tahun (Rp11,37 juta) menjadi £709/tahun (Rp14,45 juta). Ini adalah peningkatan penghematan sebesar 27%, yang dapat membuat atap tenaga surya sangat menarik-bahkan di negara yang sering mendung seperti Inggris.

Kapan kita bisa membeli panel surya baru ini?

Seiring dengan perkembangan penelitian, berbagai upaya sedang dilakukan untuk meningkatkan skala produksi teknologi ini dan memastikan ketahanannya dalam jangka panjang. Panel surya tandem sejauh ini masih dibuat dalam ukuran kecil di laboratorium. Mentransfer kinerja tinggi ini ke skala besar, seperti ukuran panel surya biasa, merupakan suatu tantangan besar.

Namun, kita sudah melihat kemajuan. Awal bulan ini, Oxford PV, perusahaan terdepan dalam teknologi perovskit, telah meluncurkan penjualan panel surya tandem pertama mereka yang baru dikembangkan. Mereka telah berhasil mengatasi tantangan dalam mengintegrasikan dua bahan surya dan membuat panel yang tahan lama dan andal. Meski efisiensinya masih belum mencapai 34%, langkah ini menunjukkan jalur yang menjanjikan untuk generasi panel surya berikutnya.

Tantangan lain yang bakal dihadapi dalam pengembangan panel surya tandem ke depan adalah ihwal keberlanjutan material. Mengekstrak dan memproses beberapa mineral dalam panel surya bisa sangat boros energi. Selain silikon, sel surya perovskit membutuhkan unsur-unsur seperti timbal, karbon, yodium, dan bromin sebagai komponen agar dapat bekerja optimal.

Di samping itu, untuk menghubungkan perovskit dan silikon juga membutuhkan bahan langka yang mengandung elemen yang disebut indium, sehingga perlu lebih banyak penelitian untuk mengatasi kesulitan-kesulitan ini.

Terlepas dari tantangan-tantangan tersebut, para ilmuwan dan industri
terus berupaya mengembangkan panel surya tandem yang lebih maju dan dapat diintegrasikan ke dalam semua hal-dari mobil listrik, gedung, hingga pesawat terbang.

Perkembangan terbaru menuju sel tandem perovskit-silikon dengan efisiensi tinggi menunjukkan masa depan yang cerah untuk tenaga surya, memastikan tenaga surya terus memainkan peran penting dalam transisi global menuju energi terbarukan.

Sebastián Bonilla, Associate Professor of Materials, University of Oxford

Artikel ini terbit pertama kali di The Conversation. Baca artikel sumber.