Rekor baru sel surya

Diterbitkan pada: 10 Agustus 2020 / Diperbarui pada: 17 Agustus 2020 – Penulis: Konrad Wolfenstein

Beralih ke versi bahasa Inggris

Efisiensi lebih tinggi secara tandem – rekor sel surya baru

Penelitian fotovoltaik terus berupaya meningkatkan efisiensi sel surya secara berkelanjutan. Fotovoltaik tandem semakin menjadi fokus, di mana material sel surya berkinerja tinggi dikombinasikan dengan berbagai cara untuk memanfaatkan spektrum matahari secara lebih efisien dalam konversi cahaya menjadi energi listrik. Fraunhofer ISE kini telah mencatat rekor efisiensi baru sebesar 25,9 persen untuk sel surya tandem III-V/Si yang ditumbuhkan langsung di atas silikon. Ini adalah sel pertama yang diproduksi pada substrat silikon yang hemat biaya – sebuah tonggak penting dalam perjalanan menuju solusi fotovoltaik tandem yang layak secara ekonomi.

Beberapa sel surya tandem III-V pada substrat silikon dengan diameter 10 cm – © Fraunhofer ISE – Foto: Markus Feifel

Institut Fraunhofer untuk Sistem Energi Surya (ISE) telah bekerja selama bertahun-tahun pada sel surya multi-junction, di mana dua atau tiga sub-sel ditumpuk di atas satu sama lain untuk mengubah panjang gelombang sinar matahari yang berbeda menjadi listrik. Silikon cocok sebagai penyerap untuk bagian spektrum inframerah, dan lapisan tipis semikonduktor III-V, hanya beberapa mikrometer tebalnya, diaplikasikan di atasnya. Material ini berasal dari golongan III dan V tabel periodik dan mengubah cahaya ultraviolet, tampak, dan inframerah dekat menjadi listrik dengan lebih efisien. Sel surya semikonduktor III-V murni sudah digunakan di luar angkasa dan dalam fotovoltaik konsentrator. Proses yang lebih hemat biaya, dikombinasikan dengan silikon sebagai sub-sel bawah, dimaksudkan untuk membuat teknologi tandem ini dapat diakses untuk fotovoltaik yang tersebar luas di masa depan. Namun, masih ada jalan panjang yang harus ditempuh.

25,9 persen untuk sel surya tandem III-V/Si yang ditumbuhkan langsung dari silikon.

Terdapat berbagai pendekatan untuk memproduksi kombinasi sel surya III-V dan silikon. Sejak 2019, Fraunhofer ISE memegang rekor dunia efisiensi sebesar 34,1 persen (sekarang 34,5 persen) untuk sel surya tandem di mana lapisan semikonduktor III-V ditransfer dari substrat galium arsenida ke silikon, dengan lapisan-lapisan tersebut diikat bersama menggunakan ikatan wafer. Teknologi ini efisien tetapi mahal. Oleh karena itu, Fraunhofer ISE telah bekerja selama bertahun-tahun pada proses manufaktur yang lebih langsung di mana lapisan III-V diendapkan atau diikat secara epitaksial ke sel surya silikon. Mempertahankan kualitas kristal yang tinggi di semua lapisan sangat penting di sini – sebuah tantangan besar. Rekor dunia baru efisiensi sebesar 25,9 persen kini telah dicapai untuk sel surya tandem III-V/Si yang ditumbuhkan langsung di atas silikon. Ilmuwan Fraunhofer ISE, Markus Feifel, baru-baru ini mempresentasikan keberhasilannya di Konferensi Spesialis Fotovoltaik IEEE ke-47, yang, seperti banyak konferensi saat ini, diadakan secara daring, dan dianugerahi Penghargaan Mahasiswa dalam kategori Sel Surya Tandem Hibrida. "Struktur internal sel yang kompleks tidak terlihat dari luar, karena semua penyerap saling terhubung dan dihubungkan secara elektrik oleh lapisan kristal lebih lanjut," jelas peneliti sel surya muda tersebut, yang dengan demikian mampu meningkatkan efisiensi karyanya dari 24,3 menjadi 25,9 persen dalam waktu kurang dari satu tahun. "Keberhasilan ini dicapai dengan mengganti satu lapisan tipis di dalam multi-sel," lanjutnya. "Analisis cermat terhadap sel kami mengungkapkan bahwa lapisan ini bertindak sebagai penghalang konduksi listrik."

Sejak tahun 2007, para peneliti Fraunhofer, bersama dengan Universitas Teknik Ilmenau, Universitas Philipps Marburg, dan perusahaan Aixtron, secara bertahap mengembangkan teknologi ini, membangun sistem epitaksi khusus dan memeriksa setiap lapisan struktur secara individual. Pengembangan ini didanai oleh Kementerian Pendidikan dan Penelitian Federal Jerman (BMBF) dalam kerangka proyek "III-V-Si" dan "MehrSi". Salah satu keunggulan sel surya tandem baru ini adalah lapisan III-V tidak ditumbuhkan pada substrat yang dipoles secara kimia dan mekanis, seperti yang biasa dilakukan sebelumnya, melainkan pada wafer silikon. Setelah kristal dipotong, wafer tersebut diolah menggunakan proses penggilingan dan etsa yang sederhana dan hemat biaya. Perusahaan Denmark Topsil mengembangkan wafer silikon ini dalam kerangka proyek Eropa "SiTaSol", sehingga mengambil langkah penting menuju produksi sel surya multi-junction baru yang ekonomis. Di masa depan, fokus akan diarahkan pada peningkatan efisiensi lebih lanjut dan mempercepat pengendapan lapisan, dengan hasil produksi yang lebih tinggi dan karenanya lebih hemat biaya, dengan tujuan agar fotovoltaik tandem dapat memberikan kontribusi penting pada perluasan fotovoltaik yang diperlukan untuk transisi energi.

Teknologi kunci untuk transisi energi

Listrik dari sel surya saat ini merupakan bentuk pembangkit energi yang paling hemat biaya di banyak bagian dunia. "Penelitian fotovoltaik Eropa sedang mengerjakan berbagai konsep untuk lebih meningkatkan efisiensi teknologi kunci ini untuk transisi energi," kata Prof. Dr. Stefan Glunz, Kepala Penelitian Fotovoltaik. "Kami tidak hanya berupaya membuat produksi sel surya silikon menjadi lebih berkelanjutan dan hemat biaya, tetapi juga mengeksplorasi jalan baru untuk mencapai efisiensi yang lebih tinggi dengan silikon yang telah terbukti dikombinasikan dengan bahan semikonduktor lainnya. Kami mencapai hal ini dengan fotovoltaik tandem." Fotovoltaik tandem tidak hanya membuka jalan bagi masa depan pembangkit listrik, tetapi sel surya ini juga sangat cocok – karena tegangan yang lebih tinggi – untuk elektrolisis, yaitu pemecahan langsung air menjadi hidrogen dan oksigen. Dengan demikian, teknologi ini juga berkontribusi pada produksi hidrogen sebagai media penyimpanan energi dan blok bangunan penting untuk transisi energi.

Struktur lapisan sel surya multijunction III-V/Si – © Fraunhofer ISE

Struktur lapisan sel surya multijunction III-V/Si, efisiensi kuantum, dan karakteristik IV di bawah kondisi spektral AM 1.5g.

Efisiensi lebih tinggi secara tandem – rekor sel surya baru

Penelitian fotovoltaik terus berupaya meningkatkan efisiensi sel surya. Fokusnya semakin tertuju pada fotovoltaik tandem, di mana material sel surya berkinerja tinggi digabungkan dalam berbagai kombinasi untuk memanfaatkan spektrum matahari secara lebih efisien dalam mengubah cahaya menjadi energi listrik. Fraunhofer ISE kini melaporkan rekor efisiensi baru sebesar 25,9 persen untuk sel surya tandem III-V/Si yang ditumbuhkan langsung di atas silikon. Untuk pertama kalinya, sel surya ini diproduksi pada substrat silikon berbiaya rendah – sebuah tonggak penting menuju solusi ekonomis untuk fotovoltaik tandem.

Beberapa sel surya tandem III-V pada substrat silikon dengan diameter 10 cm – © Fraunhofer ISE – Foto: Markus Feifel

Institut Fraunhofer untuk Sistem Energi Surya ISE telah bekerja selama bertahun-tahun pada sel surya multi-junction di mana dua atau tiga sel parsial disusun satu di atas yang lain untuk mengubah panjang gelombang sinar matahari yang berbeda menjadi listrik. Silikon cocok sebagai penyerap untuk bagian spektrum inframerah, dan lapisan semikonduktor III-V, material dari golongan III dan V tabel periodik, yang mengubah sinar ultraviolet, tampak, dan inframerah dekat secara lebih efisien menjadi listrik, diendapkan di atasnya. Sel surya semikonduktor III-V murni sudah digunakan di luar angkasa dan dalam fotovoltaik konsentrator. Melalui proses yang lebih hemat biaya dalam kombinasi dengan silikon sebagai sub-sel terendah, teknologi tandem akan dapat diakses untuk fotovoltaik berbasis luas di masa depan. Namun, masih ada jalan panjang yang harus ditempuh hingga saat itu.

25,9 persen untuk sel surya tandem III-V/Si yang ditanam langsung di atas silikon

Terdapat berbagai pendekatan untuk menghasilkan kombinasi sel surya III-V dan silikon. Misalnya, sejak 2019, Fraunhofer ISE memegang rekor dunia dengan efisiensi 34,1 persen (sekarang 34,5 persen) untuk sel surya tandem di mana lapisan semikonduktor III-V ditransfer dari substrat galium arsenida ke silikon, dengan lapisan-lapisan tersebut dihubungkan oleh apa yang disebut ikatan wafer. Teknologi ini efisien tetapi mahal. Karena alasan ini, Fraunhofer ISE telah bekerja selama bertahun-tahun pada proses manufaktur yang lebih langsung di mana lapisan III-V diendapkan atau di-epitaksi ke sel surya silikon. Di sini, sangat penting untuk mempertahankan kualitas kristal yang tinggi dari semua lapisan – sebuah tantangan besar. Rekor dunia baru dengan efisiensi 25,9 persen kini telah dicapai untuk sel surya tandem III-V/Si yang ditumbuhkan langsung di atas silikon. Ilmuwan Fraunhofer ISE, Markus Feifel, baru-baru ini berhasil mempresentasikan keberhasilannya di Konferensi Spesialis Fotovoltaik IEEE ke-47, yang, seperti banyak konferensi saat ini, diadakan secara daring, dan dianugerahi Penghargaan Mahasiswa dalam kategori Sel Surya Tandem Hibrida. “Dari luar, struktur internal sel yang kompleks tidak terlihat, karena semua penyerap terhubung satu sama lain oleh lapisan kristal tambahan dan dihubungkan secara elektrik,” jelas peneliti sel surya muda tersebut, yang dengan demikian mampu meningkatkan hasil karyanya dari 24,3 menjadi 25,9 persen dalam waktu kurang dari setahun. “Keberhasilan ini dicapai dengan mengganti satu lapisan tipis di dalam sel ganda,” lanjutnya. “Analisis cermat terhadap sel kami mengungkapkan bahwa lapisan ini menciptakan penghalang bagi saluran daya.”

Secara bertahap, para peneliti Fraunhofer telah mengembangkan teknologi ini lebih lanjut sejak tahun 2007 bekerja sama dengan Universitas Teknik Ilmenau, Universitas Philipps Marburg, dan perusahaan Aixtron, dengan mendirikan peralatan epitaksi khusus dan memeriksa setiap lapisan struktur. Pengembangan ini didanai oleh Kementerian Pendidikan dan Penelitian Federal Jerman (BMBF) sebagai bagian dari proyek “III-V-Si” dan “MehrSi”. Salah satu keunggulan sel surya tandem baru ini adalah lapisan III-V tidak ditumbuhkan pada substrat yang dipoles secara kimia-mekanis seperti sebelumnya, tetapi pada wafer silikon yang, setelah dipotong kristalnya, diolah dalam proses sederhana hanya menggunakan proses penggilingan dan etsa yang murah. Dalam proyek Eropa “SiTaSol”, perusahaan Denmark Topsil telah mengembangkan wafer silikon ini dan dengan demikian mewujudkan langkah penting menuju produksi sel surya multi-junction baru yang ekonomis. Di masa depan, tujuannya adalah untuk meningkatkan efisiensi lebih jauh lagi dan juga mewujudkan pengendapan lapisan yang lebih cepat, dengan hasil yang lebih tinggi dan dengan demikian lebih hemat biaya, dengan tujuan agar fotovoltaik tandem dapat memberikan kontribusi penting pada perluasan fotovoltaik yang diperlukan untuk transisi energi.

Teknologi kunci untuk transformasi sistem energi

Di banyak bagian dunia saat ini, listrik dari sel surya merupakan bentuk pembangkit energi termurah. “Penelitian fotovoltaik Eropa sedang mengerjakan berbagai konsep untuk lebih mengembangkan efisiensi teknologi kunci ini untuk transisi energi,” kata Prof. Dr. Stefan Glunz, kepala Divisi Penelitian Fotovoltaik. "Kami tidak hanya berupaya membuat produksi sel surya silikon menjadi lebih berkelanjutan dan hemat biaya, tetapi pada saat yang sama kami juga membuka jalan baru untuk membawa silikon yang telah terbukti dalam kombinasi dengan bahan semikonduktor lainnya ke efisiensi yang lebih tinggi. Kami mencapai ini dengan fotovoltaik tandem. Fotovoltaik tandem tidak hanya membuka jalan menuju masa depan pembangkit listrik, sel surya ini - karena tegangan yang lebih tinggi - juga sangat cocok untuk elektrolisis, dekomposisi langsung air menjadi hidrogen dan oksigen. Teknologi ini juga berkontribusi pada produksi hidrogen sebagai media penyimpanan energi dan blok bangunan penting untuk transisi energi."

Struktur lapisan sel surya multijunction III-V/Si – © Fraunhofer ISE

Struktur lapisan sel surya multijunction III-V/Si, efisiensi kuantum, dan karakteristik IV di bawah kondisi spektral AM 1.5g.