Efisiensi sel surya tembaga-gallium-selenide mencapai 12,28%, tim Jepang memecahkan rekor dunia

(Sumber: International Power Exchange epintl)

Peneliti Jepang telah mencapai efisiensi konversi fotovoltaik sebesar 12,28% pada sel surya kobalt-gallium-selenida, ini adalah efisiensi tertinggi yang dilaporkan dalam rentang celah energi 1,65-1,75 elektron volt, tanpa indium, pada lapisan penyerapan senyawa sulfurik dengan pita lebar. Perangkat ini menggunakan film tipis yang dikendalikan dengan doping aluminium, dikombinasikan dengan medan permukaan belakang dan lapisan penyangga kadmium sulfat yang dioptimalkan, untuk meningkatkan tegangan terbuka, mengurangi rekombinasi pembawa muatan, sehingga meningkatkan kinerja keseluruhan.

Peneliti dari National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) Jepang, menggunakan lapisan penyerapan copper-gallium diselenide (CuGaSe₂) untuk memproduksi sel surya dengan efisiensi konversi sebesar 12,28%.

Copper-gallium diselenide adalah senyawa semikonduktor keluarga mineral pirit, terkait erat dengan bahan sel surya copper-indium-gallium-selenide (CIGS). Ini adalah bahan ideal untuk lapisan penyerapan sel surya karena sebagai semikonduktor pita langsung, dengan celah energi sekitar 1,68 elektron volt, mampu menyerap cahaya tampak secara efisien. Selain itu, copper-gallium diselenide memiliki koefisien penyerapan yang tinggi, yang berarti bahkan film yang sangat tipis dapat menyerap sebagian besar radiasi matahari yang masuk. Bahan ini juga menunjukkan toleransi yang baik terhadap cacat, membantu mengurangi rekombinasi pembawa muatan, sehingga sel surya dapat mempertahankan kinerja yang baik meskipun struktur kristalnya tidak sempurna.

Penulis utama penelitian ini, Masato Ishizuka, mengatakan kepada Journal of Photovoltaics: “Efisiensi ini dapat dianggap sebagai nilai tertinggi yang dilaporkan dalam rentang celah energi 1,65–1,75 elektron volt, untuk sel surya senyawa sulfurik pita lebar, terutama di bidang sel surya tanpa indium (atau terkait CIGS). Ini melebihi catatan performa yang tercantum dalam Tabel Efisiensi (Edisi ke-67) yang dipublikasikan oleh Progress in Photovoltaics.”

Dia melanjutkan, “Perangkat ini telah mendapatkan pengakuan independen dari laboratorium pengujian bersertifikat—Pusat Riset Energi Terbarukan dan Teknologi Industri Jepang (AIST), tim kalibrasi, standar, dan pengukuran fotovoltaik.”

Perangkat ini dikembangkan berdasarkan desain sel yang dikembangkan oleh peneliti AIST Jepang pada tahun 2024. Dengan memasukkan aluminium ke area belakang film copper-gallium diselenide, secara efektif meningkatkan tegangan terbuka, faktor pengisian, dan efisiensi konversi fotovoltaik secara keseluruhan. Perbaikan ini terutama disebabkan oleh pembentukan medan permukaan belakang yang meningkatkan kemampuan pengumpulan pembawa muatan minoritas.

Sel surya bersejarah ini menggunakan lapisan penyerapan copper-gallium diselenide yang diproduksi dengan proses tiga langkah, dimulai dengan memasukkan aluminium dan fluorida rubidium pada tahap awal, dan menambahkan perlakuan fluorida rubidium tambahan di akhir tahap ketiga. Dengan mengatur distribusi unsur aluminium dalam lapisan penyerapan secara tepat, desain ini bertujuan untuk meningkatkan tegangan terbuka sekaligus menghindari pengorbanan efisiensi konversi.

Sel ini menggunakan kaca natrium-kalsium sebagai substrat, dilapisi molibdenum sebagai elektroda belakang, di atasnya terdapat lapisan penyerapan mineral pirit tanpa indium, lapisan buffer kadmium sulfat setebal 150 nanometer, lapisan jendela zinc oksida, dan elektroda garis logam di bagian depan.

Proses pembuatan dimulai dengan menyemprotkan molibdenum sebagai elektroda belakang ke substrat kaca natrium-kalsium. Selanjutnya, lapisan penyerapan copper-gallium diselenide diproduksi melalui deposisi suhu tinggi dan proses selenisasi, dan aluminium diintroduksi ke area belakang untuk membentuk medan permukaan belakang. Lapisan penyerapan harus melalui perlakuan deposisi logam alkali untuk menetralkan cacat dan memperbaiki karakteristik elektrokimia. Kemudian, lapisan buffer kadmium sulfat ditambahkan melalui proses pencelupan kimia untuk membentuk junction p-n. Akhirnya, lapisan zinc oksida intrinsik dan zinc oksida doped aluminium, serta elektroda depan, diproduksi melalui sputtering.

Dibandingkan dengan perangkat sebelumnya, optimasi lapisan penyerapan dilakukan dengan menggunakan gradien konsentrasi aluminium yang lebih tajam dan mempertebal lapisan buffer kadmium sulfat, sehingga berhasil meningkatkan tegangan terbuka dan mengurangi rekombinasi antarmuka. Perangkat ini akhirnya mencapai efisiensi konversi sebesar 12,28%, tegangan terbuka 0,996 volt, arus hubung singkat 17,90 mA/cm², dan faktor pengisian 68,8%.

Sebagai perbandingan, perangkat yang diproduksi pada tahun 2024 mencapai efisiensi 12,25%, tegangan terbuka 0,959 volt, arus hubung singkat 17,64 mA/cm², dan faktor pengisian 72,5%.

Hasil penelitian ini dipublikasikan dalam makalah berjudul “Rekor efisiensi sel surya senyawa sulfurik dengan celah pita 1,7 elektron volt melalui pengaturan kolaboratif fase tubuh dan antarmuka” di jurnal Progress in Science.

Masato Ishizuka menyatakan, “Pekerjaan kami berfokus pada pengembangan dasar perangkat dengan pita lebar yang digunakan sebagai perangkat lapisan atas dalam sel surya bertumpuk. Pembuatan perangkat prototipe juga memerlukan pengembangan sel dasar yang sesuai dan teknologi tumpuk yang relevan. Oleh karena itu, penelitian ini belum mencapai tahap produksi massal. Karena masih berada di tahap penelitian dasar, analisis biaya secara rinci belum dilakukan.”