'Sandwich energi yang indah' dapat memberi daya pada tenaga surya dan penerangan generasi berikutnya
Para peneliti telah mencapai tingkat kendali baru atas struktur atom dari bahan-bahan yang dikenal sebagai perovskit halida, dengan menciptakan 'sandwich energi' yang dapat mengubah cara pembuatan sel surya, LED, dan laser.
Karena kemampuannya yang luar biasa dalam menyerap dan memancarkan cahaya, dan karena lebih murah serta dapat dikonfigurasi untuk mengubah lebih banyak spektrum matahari menjadi energi dibandingkan silikon, perovskit telah lama disebut-sebut sebagai pengganti silikon yang potensial dalam sel surya, LED, dan teknologi kuantum.
Namun, ketidakstabilan dan daya tahannya, sejauh ini, membatasi penggunaan perangkat perovskit di laboratorium. Selain itu, para ilmuwan telah berjuang untuk secara tepat mengontrol ketebalan film perovskit, dan mengontrol bagaimana lapisan perovskit yang berbeda berinteraksi ketika ditumpuk bersama – sebuah langkah penting dalam membangun struktur fungsional dan berlapis-lapis.
Kini, tim peneliti yang dipimpin oleh Universitas Cambridge telah menemukan cara baru untuk menumbuhkan lapisan film perovskit yang sangat tipis sehingga atom-atomnya berbaris sempurna, sehingga memungkinkan perangkat menjadi lebih kuat, tahan lama, dan efisien.
Para peneliti menggunakan teknik berbasis uap untuk menumbuhkan perovskit tiga dimensi dan dua dimensi satu lapisan pada satu waktu, yang memungkinkan mereka mengontrol ketebalan film hingga pecahan atom. Hasilnya, dilaporkan dalam jurnal Sains dapat membuka pintu bagi perangkat perovskit yang dapat digunakan dan diproduksi dalam skala besar, menggunakan proses seperti yang digunakan untuk membuat semikonduktor komersial.
Setiap lapisan dalam 'sandwich' semikonduktor melakukan pekerjaan berbeda dalam memindahkan elektron dan elektron bermuatan positif – yang disebut lubang – mengelilingi dan menentukan bagaimana semikonduktor menyerap atau memancarkan cahaya. Bersama-sama, lapisan-lapisan tersebut bertindak seperti jalan satu arah yang mengarahkan muatan listrik ke arah yang berlawanan, mencegahnya saling bertabrakan dan membuang energi sebagai panas.
Dalam semikonduktor lain yang banyak digunakan, seperti silikon atau bahan baru seperti galium nitrida, sifat masing-masing lapisan dapat disesuaikan menggunakan berbagai metode. Namun perovskit, meskipun kinerjanya luar biasa, sejauh ini terbukti sulit dikendalikan pada perangkat berlapis, sebagian karena struktur atomnya yang 'kacau'.
“Banyak penelitian perovskit menggunakan pemrosesan larutan, yang berantakan dan sulit dikendalikan,” Profesor Sam Stranks dari Departemen Teknik Kimia dan Bioteknologi, yang ikut memimpin penelitian tersebut. “Dengan beralih ke pemrosesan uap – metode yang sama yang digunakan untuk semikonduktor standar – kita bisa mendapatkan tingkat kontrol atom yang sama, tetapi dengan bahan yang jauh lebih mudah memaafkan.”
Para peneliti menggunakan kombinasi perovskit tiga dimensi dan dua dimensi untuk membuat dan mengontrol tumpukan atomnya, sebuah fenomena yang dikenal sebagai pertumbuhan epitaksi. Kontrol yang baik ini memungkinkan tim mengamati secara langsung bagaimana cahaya yang dilepaskan oleh material berubah tergantung pada apakah material tersebut berlapis tunggal, berlapis ganda, atau lebih tebal.
“Harapannya adalah kami dapat menumbuhkan kristal perovskit yang sempurna di mana kami mengubah komposisi kimianya lapis demi lapis, dan itulah yang kami lakukan,” kata rekan penulis pertama Dr Yang Lu dari Departemen Teknik Kimia dan Bioteknologi Cambridge dan Laboratorium Cavendish. “Ini seperti membangun semikonduktor dari bawah ke atas, lapisan atom demi lapisan atom, namun dengan bahan yang jauh lebih mudah dan murah untuk diproses.”
Para peneliti juga menemukan bahwa mereka dapat merekayasa sambungan antar lapisan untuk mengontrol apakah elektron dan lubang tetap bersatu atau terpisah – sebuah faktor kunci dalam seberapa efisien suatu material memancarkan cahaya.
“Kami telah mencapai tingkat kemampuan merdu yang bahkan tidak ada dalam radar kami ketika kami memulainya,” kata Profesor Sir Richard Friend dari Laboratorium Cavendish, yang ikut memimpin penelitian ini. “Kini kita dapat memutuskan persimpangan seperti apa yang kita inginkan – yang menyatukan atau memisahkan keduanya – hanya dengan sedikit mengubah kondisi pertumbuhan.”
Para peneliti menemukan bahwa mereka dapat menyesuaikan perbedaan energi antar lapisan lebih dari setengah elektron volt, dan dalam beberapa kasus, memperpanjang umur elektron dan lubang hingga lebih dari 10 mikrodetik: jauh lebih lama dari biasanya.
Tim mengatakan tingkat presisi ini dapat membuka jalan bagi perangkat berperforma tinggi dan terukur yang menggunakan cahaya dengan cara baru, mulai dari laser dan detektor hingga teknologi kuantum generasi berikutnya.
“Mengubah komposisi dan kinerja perovskit sesuka hati – dan menyelidiki perubahan ini – adalah pencapaian nyata dan mencerminkan jumlah waktu dan investasi yang telah kami lakukan di Cambridge,” kata Stranks. “Tetapi yang lebih penting, ini menunjukkan bagaimana kita dapat membuat semikonduktor yang berfungsi dari perovskit, yang suatu hari nanti dapat merevolusi cara kita membuat elektronik dan sel surya yang murah.”
Referensi:
Yang Lu, Young-Kwang Jung dkk. 'Pertumbuhan epitaksi lapis demi lapis dari heterostruktur perovskit dengan offset pita yang dapat disetel.' Sains (2025). adx5685
Untuk informasi lebih lanjut mengenai penelitian terkait energi di Cambridge, silakan kunjungi Energy IRC, yang menyatukan pengetahuan dan keahlian penelitian Cambridge, bekerja sama dengan mitra global, untuk menciptakan solusi bagi lanskap energi yang berkelanjutan dan berketahanan untuk generasi mendatang.
