Hybrid Energy Harvesting Solar Cell With Triboelectric Nanogenerator Via Mutual Electrode Upaya Peningkatan Efisiensi Dan Kemampuan Sel Surya Untuk Beroperasi Dalam Kondisi Hujan .

Agus Abdul Rahmat Fadila, Institut Teknologi Kalimantan (ITK)

Karya ini menjadi Pemenang 7, dalam Kompetisi Penulisan Artikel Energi Baru Terbarukan, Piala Menteri ESDM RI 2021.

PENDAHULUAN

Solar cell atau sel surya, merupakan sebuah perangkat yang sangat penting dalam pemanfaatan Energi Baru Terbarukan (EBT) bila kita berbicara mengenai energi surya. Perangkat ini memungkinkan cahaya matahari untuk dikonversi menjadi sebuah energi listrik yang kemudian dapat digunakan untuk memenuhi kebutuhan elektrifikasi. Indonesia sebagai negara yang dilalui oleh garis khatulistiwa menyimpan potensi yang sangat besar akan sumber energi suryanya. Menurut data resmi yang pernah dirilis oleh Kementerian ESDM pada tahun 2017, Indonesia setidaknya memiliki potensi energi surya sebesar 207,8 GW. Nilai tersebut tentunya akan maksimal apabila kondisi penyinaran matahari yang diinginkan tercapai, tidak terganggu oleh kondisi mendung atau hujan. Karena seperti yang diketahui bersama, sel surya merupakan sebuah perangkat EBT yang kinerjanya sangat bergantung pada kondisi cuaca dan intensitas penyinaran matahari. Walaupun telah berada di daerah khatulistiwa sekalipun sudah pasti ini menjadi tantangan bagi pemanfaatan sel surya kedepannya. Bila tidak segera ditemukan solusinya, kondisi ini akan menghambat kemajuan pemanfaatan energi surya sebagai EBT di Indonesia.

Setelah melihat kondisi serta permasalahan mengenai pemanfaatan sel surya yang kinerjanya terganggu pada kondisi hujan, dari situ timbul pertanyaan, “Kira-kira ide atau inovasi apakah yang dapat memungkinkan sel surya untuk beroperasi di tengah kondisi hujan? Bila ada, apakah mungkin hal itu bisa dilakukan?”. Jawabannya adalah, “tentu bisa”. Bahkan dengan inovasi ini kita bisa mengubah faktor penghambat yang ada menjadi sebuah potensi yang sangat strategis. Penulis menamai inovasi ini dengan “Hybrid Energy Harvesting Solar Cell with Triboelectric Nanogenerator via Mutual Electrode”.

Sebuah inovasi pemanenan energi sel surya (energy harvesting) yang dibuat dengan mengintegrasikan polimer poli-dimetil-siloksan (PDMS) transparan sebagai triboelektrik nanogenerator (triboelectric nanogenerator) dan dua polimer konduktif poli-3,4-etilen-dioksi-tioefen (PEDOT) dan poli-stiren-sulfonat (PSS) sebagai elektroda timbal balik PEDOT:PSS (mutual electrode) yang memungkinkan sel surya dapat beroperasi pada kondisi cerah dan hujan. Konsep ini didemonstrasikan pertama kali oleh Liu dkk. (2018), dan pemanfaatannya sampai saat ini belum pernah ada di Indonesia.

Sederhananya sistem integrasi ini merubah energi potensial yang dihasilkan dari tetes air hujan menjadi sebuah energi listrik pada sel surya, sehingga berpeluang dapat meningkatkan efisiensi dan kemampuan sel surya itu sendiri sembari menutupi kekurangannya pada kondisi hujan. Berkaca dari potensi Indonesia yang dilalui oleh garis khatulistiwa dan guna memanfaatkan kekurangan menjadi sebuah peluang, diharapkan dengan adanya inovasi ini dapat menjadi sebuah titik terang atas kemajuan EBT di Indonesia khususnya mengenai pemanfaatan energi surya.

ISI

Untuk mengimplementasikan inovasi yang telah direncanakan, Hybrid Energy Harvesting Solar Cell with Triboelectric Nanogenerator via Mutual Electrode diintegrasikan menggunakan sel surya berbasis silikon sebagai alat utamanya. Sel surya jenis ini dapat dikategorikan sebagai sel surya generasi pertama (Siddiq, 2015). Sel surya berbasis silikon merupakan perangkat EBT komersial yang telah luas penggunaannya. Di Indonesia, jenis sel surya ini banyak diminati karena memiliki efisiensi yang tinggi dan stabil. Selain itu juga dari segi penggunaannya sel surya berbasis silikon memiliki kelebihan yaitu umur pemakaiannya (lifetime) yang panjang.

Pertama-tama sebelum menjadi sebuah satu kesatuan sistem hybrid, sel surya berbasis silikon difabrikasi dengan dua polimer konduktif PEDOT:PSS yang terdiri atas beberapa lapis semikonduktor. PEDOT:PSS yang difabrikasi ke dalam sel berbasis silikon menjadi sebuah elektroda timbal balik berfungsi mengubah energi dari sinar matahari yang masuk ke dalam sel surya menjadi sebuah energi listrik. Dalam skala pilot-project, beberapa lapisan semikonduktor pembentuk sel surya yang difabrikasi dengan elektroda timbal balik PEDOT:PSS ditunjukkan pada Gambar 1.

Untuk meyakinkan bahwa rancangan struktur sel pada Gambar 1 ini layak untuk diterapkan (feasible) atau tidak, percobaan modifikasi silikon dengan elektroda PEDOT:PSS (Si/PEDOT:PSS) pernah dilakukan sebelumya oleh Yoon & Dahl (2017). Dari hasil percobaan yang telah dilakukan, mereka berhasil menghasilkan power conversion efficiency (PCE) lebih dari 17 persen. Sederhananya PCE adalah rasio antara cahaya yang masuk/datang dengan daya luaran listrik yang dihasilkan oleh sel surya.

Untuk memanen energi (energy harvesting) dari tetes air hujan, selanjutnya sistem triboelektrik nanogenerator diintegrasikan pada sel surya. Dari sini kemudian Hybrid Energy Harvesting Solar Cell with Triboelectric Nanogenerator via Mutual Electrode terbentuk menjadi satu kesatuan sistem lengkap yang terintegrasi pada sel surya. Adapun skema ilustrasi ketika sistem diberi diberi gaya potensial oleh tetes air hujan ditunjukkan oleh Gambar 2.

Lapisan transparan yang ditempatkan di atas sel surya adalah PDMS yang berperan sebagai triboelektrik nanogenerator (PEDOT:PSS/PDMS). PDMS memiliki sifat hidrofobik sehingga dapat mencegah penetrasi air hujan ke dalam sel surya. Kelebihan dari pemasangan sistem ini yaitu dapat mengubah energi potensial dari tetes air hujan menjadi sebuah energi listrik sambil memungkinkan sinar matahari tetap masuk ke sel surya.

Gambar 3 merepresentasikan proses pembentukan muatan listrik yang terjadi selama sistem memanen energi dari tetes air hujan. Ketika tetes air hujan berkontak dengan permukaan PDMS, PDMS akan bermuatan negatif karena efek triboelektrik.

Sementara itu, tetesan air hujan akan bermuatan positif untuk menjaga area kontak tetap netral. Saat tetes air hujan perlahan meninggalkan area kontak, elektron akan bergerak dari PEDOT:PSS ke ground karena perbedaan potensial listrik antara PEDOT:PSS dan ground sampai mencapai kondisi kesetimbangan muatan pada area PEDOT:PSS dan PDMS. Proses ini akan terus berlangsung selama tetes air hujan berkontak dengan sel surya.

PENUTUP

Sebagai penutup, beberapa kesimpulan yang dapat diperoleh diantaranya adalah:

1. Inovasi “Hybrid Energy Harvesting Solar Cell with Triboelectric Nanogenerator via Mutual Electrode” dapat menjadi solusi atas kekurangan sel surya pada umumnya atas kondisi hujan. Sehingga memungkinkan sel surya untuk beroperasi pada dua kondisi cuaca, yaitu cerah dan hujan. Selain itu juga inovasi “Hybrid Energy Harvesting Solar Cell with Triboelectric Nanogenerator via Mutual Electrode” berpeluang dapat meningkatkan efisiensi dan kemampuan sel surya khususnya pada kondisi hujan.

2. Prinsip kerja yang digunakan oleh “Hybrid Energy Harvesting Solar Cell with Triboelectric Nanogenerator via Mutual Electrode” secara garis besar adalah merubah energi potensial dari tetes hujan menjadi energi listrik dengan memanfaatkan transfer muatan yang terjadi karena efek triboelektrik pada lapisan polimer pada sel surya.

DAFTAR PUSTAKA

Liu, Y. et al., 2018. Integrating Silicon Solar Cell with Triboelectric Nanogenerator via a Mutual Electrode for Harvesting Energy from Sunlight and Raindrop. ACS Nano, pp. 1-26.

Siddiq, N. A., 2015. Perbandingan Setiap Generasi Sel Surya. [Online] Available at: https://warstek.com/generasiselsurya/ [Accessed Maret 2021].

Yoon, S.-S. & Khang, D.-Y., 2017. High Efficiency (>17 persen) Si-Organic Hybrid Solar Cell by Simultaneous Structural, Electrical, and Interfacial Engineering via Low-Temperature Processes. Advanced Energy Materials, pp. 1702655-1702655.

]]> .
Agus Abdul Rahmat Fadila, Institut Teknologi Kalimantan (ITK)

Karya ini menjadi Pemenang 7, dalam Kompetisi Penulisan Artikel Energi Baru Terbarukan, Piala Menteri ESDM RI 2021.

PENDAHULUAN

Solar cell atau sel surya, merupakan sebuah perangkat yang sangat penting dalam pemanfaatan Energi Baru Terbarukan (EBT) bila kita berbicara mengenai energi surya. Perangkat ini memungkinkan cahaya matahari untuk dikonversi menjadi sebuah energi listrik yang kemudian dapat digunakan untuk memenuhi kebutuhan elektrifikasi. Indonesia sebagai negara yang dilalui oleh garis khatulistiwa menyimpan potensi yang sangat besar akan sumber energi suryanya. Menurut data resmi yang pernah dirilis oleh Kementerian ESDM pada tahun 2017, Indonesia setidaknya memiliki potensi energi surya sebesar 207,8 GW. Nilai tersebut tentunya akan maksimal apabila kondisi penyinaran matahari yang diinginkan tercapai, tidak terganggu oleh kondisi mendung atau hujan. Karena seperti yang diketahui bersama, sel surya merupakan sebuah perangkat EBT yang kinerjanya sangat bergantung pada kondisi cuaca dan intensitas penyinaran matahari. Walaupun telah berada di daerah khatulistiwa sekalipun sudah pasti ini menjadi tantangan bagi pemanfaatan sel surya kedepannya. Bila tidak segera ditemukan solusinya, kondisi ini akan menghambat kemajuan pemanfaatan energi surya sebagai EBT di Indonesia.

Setelah melihat kondisi serta permasalahan mengenai pemanfaatan sel surya yang kinerjanya terganggu pada kondisi hujan, dari situ timbul pertanyaan, “Kira-kira ide atau inovasi apakah yang dapat memungkinkan sel surya untuk beroperasi di tengah kondisi hujan? Bila ada, apakah mungkin hal itu bisa dilakukan?”. Jawabannya adalah, “tentu bisa”. Bahkan dengan inovasi ini kita bisa mengubah faktor penghambat yang ada menjadi sebuah potensi yang sangat strategis. Penulis menamai inovasi ini dengan “Hybrid Energy Harvesting Solar Cell with Triboelectric Nanogenerator via Mutual Electrode”.

Sebuah inovasi pemanenan energi sel surya (energy harvesting) yang dibuat dengan mengintegrasikan polimer poli-dimetil-siloksan (PDMS) transparan sebagai triboelektrik nanogenerator (triboelectric nanogenerator) dan dua polimer konduktif poli-3,4-etilen-dioksi-tioefen (PEDOT) dan poli-stiren-sulfonat (PSS) sebagai elektroda timbal balik PEDOT:PSS (mutual electrode) yang memungkinkan sel surya dapat beroperasi pada kondisi cerah dan hujan. Konsep ini didemonstrasikan pertama kali oleh Liu dkk. (2018), dan pemanfaatannya sampai saat ini belum pernah ada di Indonesia.

Sederhananya sistem integrasi ini merubah energi potensial yang dihasilkan dari tetes air hujan menjadi sebuah energi listrik pada sel surya, sehingga berpeluang dapat meningkatkan efisiensi dan kemampuan sel surya itu sendiri sembari menutupi kekurangannya pada kondisi hujan. Berkaca dari potensi Indonesia yang dilalui oleh garis khatulistiwa dan guna memanfaatkan kekurangan menjadi sebuah peluang, diharapkan dengan adanya inovasi ini dapat menjadi sebuah titik terang atas kemajuan EBT di Indonesia khususnya mengenai pemanfaatan energi surya.

ISI

Untuk mengimplementasikan inovasi yang telah direncanakan, Hybrid Energy Harvesting Solar Cell with Triboelectric Nanogenerator via Mutual Electrode diintegrasikan menggunakan sel surya berbasis silikon sebagai alat utamanya. Sel surya jenis ini dapat dikategorikan sebagai sel surya generasi pertama (Siddiq, 2015). Sel surya berbasis silikon merupakan perangkat EBT komersial yang telah luas penggunaannya. Di Indonesia, jenis sel surya ini banyak diminati karena memiliki efisiensi yang tinggi dan stabil. Selain itu juga dari segi penggunaannya sel surya berbasis silikon memiliki kelebihan yaitu umur pemakaiannya (lifetime) yang panjang.

Pertama-tama sebelum menjadi sebuah satu kesatuan sistem hybrid, sel surya berbasis silikon difabrikasi dengan dua polimer konduktif PEDOT:PSS yang terdiri atas beberapa lapis semikonduktor. PEDOT:PSS yang difabrikasi ke dalam sel berbasis silikon menjadi sebuah elektroda timbal balik berfungsi mengubah energi dari sinar matahari yang masuk ke dalam sel surya menjadi sebuah energi listrik. Dalam skala pilot-project, beberapa lapisan semikonduktor pembentuk sel surya yang difabrikasi dengan elektroda timbal balik PEDOT:PSS ditunjukkan pada Gambar 1.

Untuk meyakinkan bahwa rancangan struktur sel pada Gambar 1 ini layak untuk diterapkan (feasible) atau tidak, percobaan modifikasi silikon dengan elektroda PEDOT:PSS (Si/PEDOT:PSS) pernah dilakukan sebelumya oleh Yoon & Dahl (2017). Dari hasil percobaan yang telah dilakukan, mereka berhasil menghasilkan power conversion efficiency (PCE) lebih dari 17 persen. Sederhananya PCE adalah rasio antara cahaya yang masuk/datang dengan daya luaran listrik yang dihasilkan oleh sel surya.

Untuk memanen energi (energy harvesting) dari tetes air hujan, selanjutnya sistem triboelektrik nanogenerator diintegrasikan pada sel surya. Dari sini kemudian Hybrid Energy Harvesting Solar Cell with Triboelectric Nanogenerator via Mutual Electrode terbentuk menjadi satu kesatuan sistem lengkap yang terintegrasi pada sel surya. Adapun skema ilustrasi ketika sistem diberi diberi gaya potensial oleh tetes air hujan ditunjukkan oleh Gambar 2.

Lapisan transparan yang ditempatkan di atas sel surya adalah PDMS yang berperan sebagai triboelektrik nanogenerator (PEDOT:PSS/PDMS). PDMS memiliki sifat hidrofobik sehingga dapat mencegah penetrasi air hujan ke dalam sel surya. Kelebihan dari pemasangan sistem ini yaitu dapat mengubah energi potensial dari tetes air hujan menjadi sebuah energi listrik sambil memungkinkan sinar matahari tetap masuk ke sel surya.

Gambar 3: Prinsip kerja Hybrid Energy Harvesting Solar Cell with Triboelectric nanogenerator via Mutual Electrode ketika diberi tetesan air hujan.

Gambar 3 merepresentasikan proses pembentukan muatan listrik yang terjadi selama sistem memanen energi dari tetes air hujan. Ketika tetes air hujan berkontak dengan permukaan PDMS, PDMS akan bermuatan negatif karena efek triboelektrik.

Sementara itu, tetesan air hujan akan bermuatan positif untuk menjaga area kontak tetap netral. Saat tetes air hujan perlahan meninggalkan area kontak, elektron akan bergerak dari PEDOT:PSS ke ground karena perbedaan potensial listrik antara PEDOT:PSS dan ground sampai mencapai kondisi kesetimbangan muatan pada area PEDOT:PSS dan PDMS. Proses ini akan terus berlangsung selama tetes air hujan berkontak dengan sel surya.

PENUTUP

Sebagai penutup, beberapa kesimpulan yang dapat diperoleh diantaranya adalah:

1. Inovasi “Hybrid Energy Harvesting Solar Cell with Triboelectric Nanogenerator via Mutual Electrode” dapat menjadi solusi atas kekurangan sel surya pada umumnya atas kondisi hujan. Sehingga memungkinkan sel surya untuk beroperasi pada dua kondisi cuaca, yaitu cerah dan hujan. Selain itu juga inovasi “Hybrid Energy Harvesting Solar Cell with Triboelectric Nanogenerator via Mutual Electrode” berpeluang dapat meningkatkan efisiensi dan kemampuan sel surya khususnya pada kondisi hujan.

2. Prinsip kerja yang digunakan oleh “Hybrid Energy Harvesting Solar Cell with Triboelectric Nanogenerator via Mutual Electrode” secara garis besar adalah merubah energi potensial dari tetes hujan menjadi energi listrik dengan memanfaatkan transfer muatan yang terjadi karena efek triboelektrik pada lapisan polimer pada sel surya.

DAFTAR PUSTAKA

Liu, Y. et al., 2018. Integrating Silicon Solar Cell with Triboelectric Nanogenerator via a Mutual Electrode for Harvesting Energy from Sunlight and Raindrop. ACS Nano, pp. 1-26.

Siddiq, N. A., 2015. Perbandingan Setiap Generasi Sel Surya. [Online] Available at: https://warstek.com/generasiselsurya/ [Accessed Maret 2021].

Yoon, S.-S. & Khang, D.-Y., 2017. High Efficiency (>17 persen) Si-Organic Hybrid Solar Cell by Simultaneous Structural, Electrical, and Interfacial Engineering via Low-Temperature Processes. Advanced Energy Materials, pp. 1702655-1702655.
]]> .
Sumber : Rakyat Merdeka – RM.ID .