Teknologi Grafena: bahan baku sel surya masa depan

Teknologi sel surya atau solar cells terus berkembang salah satunya adalah dengan proses penelitian untuk pengembangan bahan baku yang efektif dan efisien. Tuntunan pengguna energi terbarukan yakni apakah teknologi ini memberikan daya tahan yang panjang. Para penggiat lingkungan juga menuntut agar teknologi terbarukan harus ramah lingkungan.

Di samping itu, masyarakat juga mengharapkan agar akses yang lebih baik ke sumber energi terbarukan. Hal ini telah menjadi perhatian utama bagi negara-negara berkembang baru-baru ini.

Energi surya telah menjadi energi alternatif yang terdepan  dalam upaya negara untuk mengembangkan teknologi baru, dan para ilmuwan terus mencari metode baru untuk mengembangkan sistem pembangkit energi yang efisien.

Baca juga:

https://seisnews.org/2022/sel-surya-solusi-alternatif-energi-di-pedesaan-terpencil/

Graphene atau grafena adalah lembaran karbon setebal satu atom atau alotrop karbon yang terdiri dari satu lapisan atom yang tersusun dalam struktur nano honeycomb lattice dua dimensi.

Bahan baku utamanya adalah grafit yang mengandung banyak ikatan rangkap. Grafena merupakan bahan yang relatif baru dari nanomaterial yang mendapatkan perhatian karena kemampuannya yang efisien.

Para ilmuwan telah dikejutkan oleh karakteristik listrik yang luar biasa dari nanomaterial ini, dan penemunya, Prof Andre Geim and Prof Kostya Novoselov dari Universitas Manchester, telah dianugerahi Hadiah Nobel pada tahun 2010.

Grafena telah melampaui harapan dan tolok ukur sebelumnya sebagai material terkuat dan teringan di dunia sejak perkembangannya. Para ilmuwan telah mencapai peningkatan yang signifikan dalam produksi graphene setelah meneliti nanomaterial selama bertahun-tahun, menghasilkan sejumlah besar teknik produksinya.

Karena karakteristiknya yang unik, grafena memiliki potensi yang sangat tinggi dalam pengembangan sel surya. Grafena adalah bahan yang lebih tahan lama, kondusif, dan transparan, sehingga digunakan untuk menggantikan bahan konvensional yang digunakan dalam sel surya. Sebelumnya bahan baku utama sel surya adalah indium timah oksida dan silikon, tetapi keduanya tidak efisien dan mahal jika dibandingkan dengan grafena.

Sifat Grafena

Grafena adalah bahan berbasis karbon yang atomnya tersusun dalam pola heksagonal. Bahan ini memiliki struktur seperti grafit, namun kepadatannya sama dengan serat karbon, dan lima kali lebih ringan dari aluminium. Nanomaterial ini diklasifikasikan sebagai 2D karena ketebalannya setipis atom karbon.

Grafena telah menjadi bahan nano yang berharga dan berguna karena kekuatan tariknya yang sangat tinggi, konduktivitas listrik, transparansi, dan menjadi bahan dua dimensi tertipis di dunia. Pasar global untuk graphene adalah $9 juta atau 134,8 milyar rupiah pada tahun 2012, dengan sebagian besar permintaan dari penelitian dan pengembangan di semikonduktor, elektronik, baterai listrik, dan komposit. Harga bahan baku pada tahun 2020 berada di angka 3 milyar rupiah per ton.

Di sisi lain, meskipun tipis, grafena memiliki kekuatan hingga 200 kali lipat dari baja. Sifat unggulan bahan ini juga yaitu konduktor panas dan listrik yang baik, transparan, tahan air, dan fleksibel.

Sel Surya Peka Pewarna Berbasis Grafena

Para peneliti telah memeriksa efisiensi grafena dalam sel surya dengan menggunakannya pada sel fotovoltaik (PV) seperti film tipis yang dikenal sebagai “sel surya peka-pewarna.”

Para ilmuwan mengubah sel surya dengan menambahkan selembar grafena dan menutupinya dengan oksida timah indium dan lapisan plastik transparan.

Penggunaan grafena dalam panel surya sebenarnya bukanlah hal baru, karena sebelumnya dibuat sebagai penutup non-reflektif untuk sel surya.

Kemudian para peneliti meningkatkan kemampuan grafena untuk mengumpulkan energi dari sumber terbarukan. Bahan ini telah mampu menghasilkan ribuan mikrovolt seiring dengan memberikan efisiensi panel surya yang mencapai 6,53 persen.

Sintesis Grafena untuk Sel Surya

Salah satu cara paling penting untuk memproduksi grafena adalah menggunakan Metode Scotch Tape. Metode Pita Scotch digunakan oleh dua ilmuwan yang pertama kali bertanggung jawab atas penemuan grafena yang telah disebutkan di atas.

Metode lain termasuk CVD dan pendekatan eksperimental yang baru-baru ini ditemukan adalah dengan mengekspos bahan grafena ke berbagai variasi suhu.

Metode Pita Scotch dimulai dengan menggunakan lakban untuk mengupas lapisan grafena dari grafit murni sampai hanya satu lapisan grafena yang tersisa. Karena opasitas bahan, grafena dapat dideteksi di bawah mikroskop setelah komponen lakban dilarutkan dalam aseton dan dikeringkan.

Meskipun ini adalah cara yang paling sering untuk menghasilkan grafena, namun itu tidak cocok untuk pembuatan sel surya. Akan tetapi, meski dalam jumlah kecil, bahkan hanya beberapa lapisan, grafena sudah cukup ideal untuk produksi sel surya. Metode ini memungkinkan para ilmuwan untuk secara cepat bereksperimen dengan materi ini untuk menemukan metode baru dalam meningkatkan kinerjanya.

Pengendapan reaktan gas ke substrat logam dikenal sebagai CVD. Chemical Vapor Disposition (CVD) tampaknya menjadi pendekatan yang paling cocok untuk memproduksi sel surya dari grafena.

Molekul gas karbon dipanaskan dalam ruang reaksi, dan ketika mereka bersentuhan dengan substrat ruang, “terjadi reaksi yang menghasilkan lapisan material pada permukaan substrat.” Suhu substrat menentukan jenis reaksi yang akan berlangsung, dan substrat biasanya ditutupi dengan grafena pada kecepatan rendah.

Proses ini hanya dapat menambahkan mikron grafena setiap jamnya. CVD menghasilkan grafena berkualitas tinggi yang sangat murni namun tetap berbiaya rendah. Namun tetap memiliki kekurangan dalam proses yang lambat.

Toksisitas Grafena

Satu ulasan tentang toksisitas grafena diterbitkan pada tahun 2016 oleh Lalwani et al. yang merangkum efek in vitro, in vivo, antimikroba dan lingkungan dan menyoroti berbagai mekanisme toksisitas grafena.

Ulasan lain yang diterbitkan pada tahun 2016 oleh Ou et al. difokuskan pada graphene-family nanomaterials (GFNs) dan mengungkapkan beberapa mekanisme khas seperti kerusakan fisik, stres oksidatif, kerusakan DNA, respon inflamasi, apoptosis, autophagy, dan nekrosis.

Sebuah studi tahun 2020 menunjukkan bahwa toksisitas graphene tergantung pada beberapa faktor seperti bentuk, ukuran, kemurnian, langkah pemrosesan pasca produksi, keadaan oksidatif, gugus fungsi, keadaan dispersi, metode sintesis, rute dan dosis pemberian, dan waktu paparan.

Pada tahun 2014 penelitian di Stony Brook University menunjukkan bahwa grafena nanoribbons, graphene nanoplatelets, dan graphene nano-onions tidak beracun pada konsentrasi hingga 50 g/ml.

Nanopartikel ini tidak mengubah diferensiasi sel induk sumsum tulang manusia menuju osteoblas (tulang) atau adiposit (lemak) menunjukkan bahwa pada dosis rendah nanopartikel graphene aman untuk aplikasi biomedis.

Pada tahun 2013 penelitian di Brown University menemukan bahwa 10 m beberapa lapis serpihan grafena mampu menembus membran sel dalam larutan. Hal ini memungkinkan grafena untuk diinternalisasi dalam sel. Efek fisiologisnya tetap tidak diketahui, dan merupakan bidang yang relatif belum dijelajahi.

Aplikasi Grafena di Berbagai Bidang

Selain sel surya, grafena juga dapat digunakan sebagai dioda pemancar cahaya (LED), panel sentuh, dan jendela pintar atau telepon. Produk smartphone dengan layar sentuh grafena sudah banyak beredar di pasaran.

Pada tahun 2013, Brand Head mengumumkan jajaran raket tenis grafena barunya. Pada 2015, diproduksi bubuk printer yang mengandung grafena.

Banyak kegunaan lain untuk grafena telah diusulkan atau sedang dikembangkan, di berbagai bidang termasuk elektronik, teknik biologi, filtrasi, bahan komposit ringan/kuat, fotovoltaik, dan penyimpan energi.

Grafena diproduksi dalam bentuk bubuk dan sebagai dispersi dalam matriks polimer. Dispersi ini dianggap cocok untuk komposit canggih, cat dan pelapis, pelumas, oli dan cairan fungsional, kapasitor dan baterai, aplikasi manajemen termal, bahan tampilan dan kemasan, sel surya, tinta, dan bahan printer 3D, dan penghalang dan film.

Pada tanggal 2 Agustus 2016, model Mono baru BAC diinformasikan dibuat dari grafena sebagai mobil pengintai jalanan resmi pertama.

Pada Januari 2018, induktor spiral berbasis grafena yang mengeksploitasi induktansi kinetik pada suhu kamar. Hal ini pertama kali didemonstrasikan di University of California, Santa Barbara, yang dipimpin oleh Kaustav Banerjee. Induktor ini diprediksi memungkinkan miniaturisasi yang signifikan dalam aplikasi sirkuit terpadu frekuensi radio.

Pada tahun 2021, ditunjukkan bahwa surfaktan yang mengandung bubuk grafena, ketika ditambahkan ke beton, akan meningkatkan kekuatan daya tekan, tarik dan lenturnya.

Keuntungan Sel Surya Berbasis Grafena

Karena lembaran grafena sangat tipis, memproduksi sel surya grafena hanya membutuhkan sedikit bahan baku, sehingga menurunkan harga secara signifikan.

Karakter fleksibilitasnya, maka para ilmuwan juga telah mampu mengembangkan berbagai sel surya yang tidak dapat dihasilkan oleh silicon dan menghasilkan terobosan teknologi yang belum pernah terlihat sebelumnya.

Transparansi dan fleksibilitas grafena membuatnya ideal untuk penggunaan sel surya dalam penerbangan luar angkasa dan pesawat terbang. Karena sifat-sifat ini membuat pemasangan sel surya fleksibel menjadi lebih mudah.

Ada banyak kemungkinan dalam hal mengadaptasi grafena ke sel surya karena kualitas fisik dan listriknya, dan penggunaannya akan sangat berguna bagi individua tau industri yang mengkonsumsi energi tinggi.

Para ilmuwan telah menciptakan berbagai jenis panel surya, salah satunya panel surya yang sangat kecil dari grafena dengan menggunakan dua lapisan zat setebal atom. Perangkat ini hanya akan mengubah foton menjadi listrik dengan efisiensi 1% hingga 2%. Akan tetapi perangkat ini dapat dirakit berlapis-lapis untuk meningkatkan efisiensi material.

Penumpukan perangkat grafena ini  dapat memberikan efisiensi yang mendekati sel surya silikon, yaitu 15 hingga 20%.

Karena banyaknya keuntungan yang dapat digali dari bahan grafena, industry bisa menjadikan grafena sebagai bahan masuk produksi sel surya karena akan memungkinkan penyerapan energi yang sangat efisien yang akan mengungguli bahan baku yang ada saat ini.

Saksikan Seisnews di channel youtube:

https://www.youtube.com/channel/UCpnF7R6RJL0s1yrWU5dO2ZQ

Ditulis oleh LR.