Panel surya di atap Walmart, Mountain View, California.
Walmart / Flickr, CC BY

Permintaan energi global meningkat setiap saat seiring negara berkembang bergerak menuju industrialisasi. Para ahli memperkirakan bahwa pada tahun 2050, permintaan listrik di seluruh dunia akan tercapai 30 terawatts (TW). Untuk perspektif, satu terawatt kira-kira sama dengan kekuatan 1.3 miliar kuda.

Energi dari matahari tidak terbatas - matahari memberi kita kekuatan 120,000 TW setiap saat - dan ini gratis. Tapi hari ini menyediakan energi matahari hanya sekitar satu persen dari listrik dunia Tantangan yang penting adalah membuatnya lebih murah untuk mengubah energi foto menjadi energi listrik yang dapat digunakan.

Untuk melakukan itu, kita perlu mencari bahan yang menyerap sinar matahari dan mengubahnya menjadi listrik secara efisien. Selain itu, kami ingin bahan ini melimpah, ramah lingkungan dan hemat biaya untuk dipalsukan ke perangkat surya.

Periset dari seluruh dunia sedang berupaya mengembangkan teknologi sel surya yang efisien dan terjangkau. Tujuannya adalah untuk membawa biaya pemasangan tenaga surya di bawah US $ 1 per watt, dibanding sekitar $ 3 per watt hari ini.

Di Universitas Binghamton Pusat Tenaga Surya Otonom (CASP), kami sedang menyelidiki cara membuat sel surya film tipis menggunakan bahan yang melimpah di alam dan tidak beracun. Kami ingin mengembangkan sel surya yang handal, sangat efisien dalam mengubah sinar matahari menjadi listrik dan murah untuk diproduksi. Kami telah mengidentifikasi dua bahan yang memiliki potensi besar sebagai peredam surya: pirit, lebih dikenal dengan emas bodoh karena kilau logamnya; dan tembaga-seng-timah-sulfida (CZTS).

Mencari bahan yang ideal

Sel surya komersial hari ini terbuat dari satu dari tiga bahan: silikon, telluride kadmium (CdTe) dan tembaga-indium-gallium-selenide (CIGS). Masing-masing memiliki kekuatan dan kelemahan.

Sel surya silikon sangat efisien, mengubah hingga 25 persen sinar matahari yang jatuh pada mereka menjadi listrik, dan sangat tahan lama. Namun, sangat mahal untuk mengolah silikon menjadi wafer. Dan wafer ini harus sangat tebal (sekitar 0.3 milimeter, yang tebal untuk sel surya) untuk menyerap semua sinar matahari yang jatuh pada mereka, yang selanjutnya meningkatkan biaya.

Sel surya silikon - sering disebut sebagai sel surya generasi pertama - digunakan di panel yang telah menjadi pemandangan yang familier di atap rumah. Pusat kami sedang mempelajari tipe lain yang disebut sel surya film tipis, yang merupakan generasi penerus teknologi surya. Seperti namanya, sel surya film tipis dibuat dengan meletakkan lapisan tipis bahan penyerap matahari di atas substrat, seperti kaca atau plastik, yang biasanya bisa fleksibel.

Sel surya ini menggunakan bahan yang kurang, sehingga harganya lebih murah dari sel surya kristal yang terbuat dari silikon. Tidak mungkin melapisi silikon kristal pada substrat yang fleksibel, jadi kita memerlukan bahan yang berbeda untuk digunakan sebagai penyerap tenaga surya.

Meski teknologi solar film tipis ini berkembang pesat, beberapa bahan di film tipis saat ini sel surya langka atau berbahaya. Misalnya, kadmium di CdTe sangat beracun untuk semua makhluk hidup dan diketahui menyebabkan kanker pada manusia. CdTe dapat memisahkan kadmium dan tellurium pada suhu tinggi (misalnya di laboratorium atau di rumah), menimbulkan risiko inhalasi yang serius.

Kami bekerja dengan pirit dan CZTS karena tidak beracun dan sangat murah. Biaya CZTS sekitar sen 0.005 per watt, dan biaya pirit sen 0.000002 hanya per watt. Mereka juga termasuk bahan yang paling melimpah di kerak bumi, dan menyerap spektrum sinar matahari yang jelas secara efisien. Film-film ini bisa setipis 1 / 1000th dari milimeter.

Pengujian sel surya CZTS dibawah simulasi sinar matahari.
Tara Dhakal / Binghamton University, Penulis diberikanKita perlu mengkristal bahan ini sebelum kita bisa membuatnya menjadi sel surya. Hal ini dilakukan dengan memanaskannya. CZTS mengkristal pada suhu di bawah derajat 600 Celcius, dibandingkan dengan 1,200 derajat Celsius atau lebih tinggi untuk silikon, yang membuatnya lebih murah untuk diproses. Ini berperforma sama seperti sel surya sel surya indium gallium selenide efisiensi tinggi (CIGS), yang tersedia secara komersial sekarang, namun menggantikan indium dan gallium di sel ini dengan seng dan timah lebih murah dan berlimpah.

Sejauh ini, bagaimanapun, sel surya CZTS relatif tidak efisien: mereka mengkonversi kurang dari 13 persen dari sinar matahari yang jatuh ke atas listrik, dibandingkan dengan 20 persen untuk sel surya CIGS yang lebih mahal.

Kita tahu bahwa sel surya CZTS berpotensi 30 persen efisien. Tantangan utamanya adalah 1) mensintesis film tipis CZTS berkualitas tinggi tanpa bekas kotoran, dan 2) menemukan bahan yang sesuai untuk lapisan "penyangga" di bawahnya, yang membantu mengumpulkan muatan listrik yang diciptakan sinar matahari di lapisan penyerap. Laboratorium kami telah menghasilkan film tipis CZTS dengan tujuh persen efisiensi; kami berharap dapat mendekati efisiensi persen 15 segera dengan mensintesis lapisan CZTS berkualitas tinggi dan menemukan lapisan penyangga yang sesuai.

Struktur sel surya CZTS.
Tara Dhakal / Binghamton Univ., Penulis diberikanPirit adalah penyerap potensial lain yang dapat disintesis pada suhu yang sangat rendah. Lab kami telah mensintesis film tipis pirit, dan sekarang kami bekerja untuk melapisi film-film itu menjadi sel surya. Proses ini menantang karena pirit mudah rusak saat terkena panas dan kelembaban. Kami meneliti cara untuk membuatnya lebih stabil tanpa mempengaruhi daya serap surya dan sifat mekaniknya. Jika kita bisa memecahkan masalah ini, "emas bodoh" bisa berubah menjadi perangkat fotovoltaik yang cerdas.

Dalam sebuah studi baru-baru ini, para periset di Stanford University dan University of California di Berkeley memperkirakan bahwa tenaga surya dapat menyediakannya sampai 45 persen dari listrik AS oleh 2050 Untuk memenuhi target tersebut, kita perlu terus menurunkan biaya tenaga surya dan menemukan cara untuk membuat sel surya lebih lestari. Kami percaya bahwa bahan berlimpah dan tidak beracun adalah kunci untuk mewujudkan potensi tenaga surya.

Tentang Penulis

Tara P. Dhakal, Asisten Profesor Teknik Elektro dan Komputer, Universitas Binghamton, Universitas Negeri New York. Minat penelitiannya adalah energi terbarukan, khususnya energi matahari. Tujuan penelitiannya adalah untuk mencapai teknologi sel surya yang ramah lingkungan dan terjangkau secara ekonomi.

Artikel ini awalnya diterbitkan pada Percakapan. Membaca Artikel asli.

Buku terkait

at Pasar InnerSelf dan Amazon