Revolusi Material Energi China

Para peneliti dari Wuhan University of Technology berhasil mengembangkan sel surya polimer yang mencapai efisiensi konversi daya sebesar 19,1%. Ini merupakan kemajuan penting karena sel surya polimer biasanya mengalami masalah stabilitas ketika digunakan dalam jangka waktu lama. Masalah utama yang dihadapi adalah ikatan lemah dalam struktur polimer yang membuat akseptor polimer rentan terhadap degradasi fotokimia. Namun, dengan memasukkan molekul kecil ke dalam matriks polimer, peneliti berhasil meningkatkan kemasan molekuler dan mengurangi volume bebas yang menyebabkan degradasi. Hasilnya adalah sel surya yang tidak hanya memiliki efisiensi tinggi, tetapi juga mampu mempertahankan 97% dari kinerja awalnya setelah 2.000 jam penggunaan di udara terbuka. Hal ini menunjukkan potensi besar untuk aplikasi komersial dan penggunaan sehari-hari dengan daya tahan tinggi. Strategi ini membuka peluang bagi sel surya polimer yang fleksibel dan ringan, yang cocok untuk digunakan pada berbagai perangkat portabel dan sistem energi terdistribusi yang ramah lingkungan. Ini juga merupakan langkah maju dalam teknologi energi terbarukan yang lebih efektif dan ekonomis. Penelitian ini menunjukkan bahwa dengan memahami secara mendalam struktur molekuler dan morfologi bahan organik, kita bisa menciptakan solusi praktis untuk masalah stabilitas serta efisiensi, menjadikan teknologi ini semakin dekat untuk dapat diadopsi secara luas di berbagai aplikasi energi masa depan.

Tim peneliti dari Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology (QIBEBT) di Cina mengembangkan cara baru untuk mengatasi masalah di lapisan interface tersembunyi pada solar cell perovskite terbalik. Lapisan ini menjadi tantangan karena sering menyebabkan cacat elektronik dan kerusakan yang menurunkan kinerja dan umur perangkat. Pengembangan metode crystal-solvate (CSV) pre-seeding memungkinkan kristal perovskite tumbuh dengan sangat teratur dari bawah ke atas. Nanokristal khusus yang digunakan bekerja sebagai template yang membantu perbaikan struktur dan mengurangi kekosongan di lapisan dasar tersebut. Selain itu, teknik ini juga meningkatkan daya basah permukaan yang biasanya sukar dilapisi dan mengeluarkan molekul pelarut secara bertahap selama proses pemanasan untuk memperbaiki cacat dan menyusun ulang kristal pada interface. Proses ini menjadikan film perovskite lebih sempurna dan kuat. Dengan metode ini, peneliti berhasil membuat mini-modul berukuran hampir 50 cm dengan efisiensi konversi daya mencapai 23,15%. Hebatnya, efisiensi modul besar ini hampir tidak berkurang dibandingkan dengan sel kecil, menunjukkan potensi produksi massal yang stabil. Penemuan ini tidak hanya menjanjikan untuk panel surya tapi juga dapat diterapkan pada teknologi semikonduktor dan perangkat pemancar cahaya lainnya. Metode ini membuka peluang besar untuk kemajuan teknologi energi terbarukan dan elektronik.

Para peneliti dari Universitas Jena dan Ulm di Jerman berhasil mengembangkan baterai berbasis kopolimer yang mampu menyimpan energi matahari selama beberapa hari dengan efisiensi tinggi. Teknologi ini memungkinkan penyimpanan energi yang dihasilkan dari sinar matahari dan kemudian melepaskannya dalam bentuk hidrogen hijau yang ramah lingkungan. Hidrogen hijau adalah alternatif bahan bakar yang sangat penting karena dapat digunakan untuk aplikasi berenergi tinggi tanpa menghasilkan emisi karbon, berbeda dengan hidrogen yang dihasilkan dari reformasi metana. Namun, tantangan besar dalam produksi hidrogen hijau adalah penyimpanannya yang efisien dan terjangkau. Baterai ini menggunakan kopolimer larut air dengan aktivitas redoks yang kuat sebagai unit fungsional utama. Dengan mengubah nilai pH sebagai sebuah saklar, baterai ini bisa diisi ulang secara reversibel, dengan perubahan warna sebagai indikator status muatannya, dari kuning (kosong) ke ungu (penuh). Pengisian energi melalui sinar matahari mencapai efisiensi 80%, dan saat melepaskan energi sebagai hidrogen hijau dengan bantuan katalis, sistem tetap efisien dengan 72%. Hal ini menunjukkan potensi teknologi ini dalam siklus pengisian dan pengosongan yang berulang tanpa penurunan performa signifikan. Inovasi ini membuka jalan bagi teknologi penyimpanan energi surya yang lebih hemat biaya, dapat diskalakan, dan ramah lingkungan. Ini akan berkontribusi besar terhadap transisi menuju ekonomi energi kimia yang berkelanjutan dan memperluas penggunaan hidrogen hijau dalam berbagai sektor industri.

Para peneliti dari Chinese Academy of Sciences (CAS) berhasil menciptakan sel surya berbasis kesterite dengan efisiensi konversi daya sebesar 15,45 persen. Hasil ini menjadi rekor dunia untuk teknologi sel surya kesterite yang sebelumnya hanya mencapai 14,2 persen. Keberhasilan ini membuka peluang besar untuk mengembangkan teknologi sel surya yang lebih murah dan ramah lingkungan. Kesterite adalah mineral alami yang terbuat dari logam tembaga, seng, timah, dan sulfur. Keunggulan utamanya adalah kelimpahan bahan dan biaya produksinya yang rendah, sehingga sangat potensial untuk digunakan sebagai bahan dasar sel surya thin-film generasi berikutnya. Meski demikian, pengembangan kesterite menghadapi tantangan teknis berupa migrasi ion logam yang sulit dikontrol, yang mengakibatkan cacat dan menurunkan efisiensi perangkat. Untuk mengatasi masalah ini, peneliti CAS memperkenalkan mekanisme baru dengan memanfaatkan fase antarmuka berbahan lithium tin sulfida atau Li₂SnS₃ (LTS). Fase ini mengubah jalur migrasi ion dan menyeimbangkan pergerakan ion tembaga dan timah, sehingga mengurangi cacat dan memperbaiki kualitas kristal sel. Hal ini juga menstabilkan sambungan antar lapisan dalam sel surya, meningkatkan efisiensi dan keandalannya. Dalam pengujian dengan kondisi pencahayaan standar, sel surya ini mencatat tegangan sirkuit terbuka lebih dari 600 mV pada celah pita 1,10 eV, angka yang tinggi dan menunjukkan pengurangan kerugian energi yang signifikan. Hasil ini menandai bahwa kendala besar yang selama ini menghambat efisiensi sel kesterite berhasil diatasi dengan solusi baru yang dikembangkan. Selain rekor efisiensi, tim CAS juga sudah membangun portofolio hak kekayaan intelektual untuk proses pembuatan menggunakan Li₂SnS₃, menyiapkan landasan bagi produksi massal dan industrialisasi teknologi ini. Ini menjadi tonggak penting untuk masa depan teknologi tenaga surya yang lebih murah, melimpah, dan ramah lingkungan.

Para peneliti dari Hong Kong University of Science and Technology telah menemukan metode baru menggunakan multi-source co-evaporation untuk memproduksi film perovskite dengan kualitas kristal yang jauh lebih baik. Dengan menambahkan sumber PbCl2 selama proses thermal evaporation, kristal perovskite tumbuh dengan orientasi yang lebih teratur. Metode ini menghasilkan film dengan energi gap lebar sebesar 1,67 eV yang memiliki banyak kristal terarah di posisi (100) face-up. Struktur kristal ini meningkatkan stabilitas terhadap degradasi yang disebabkan oleh cahaya dan panas, serta memaksimalkan sifat optoelektroniknya. Tim peneliti mencapai efisiensi terverifikasi sebesar 18,35% untuk sel surya perovskite wide-bandgap yang sepenuhnya dibuat menggunakan teknik vacuum. Di laboratorium, efisiensi sel yang lebih besar (1 cm2) juga menunjukkan hasil sangat baik dengan nilai 18,5%. Selain efisiensi tinggi, stabilitas sel surya ini juga terjamin melalui uji perpajanan dengan protokol ISOS-L-2. Setelah 1.080 jam di bawah cahaya penuh dengan suhu sekitar 75 derajat Celsius dan dalam kondisi udara terbuka, sel masih mempertahankan 80% dari kinerjanya. Penemuan ini penting karena mengatasi salah satu masalah utama dalam teknologi perovskite berbasis vacuum yang selama ini menghambat produksi massal. Dengan metode baru ini, diharapkan produksi industri sel surya yang efisien dan tahan lama bisa segera terealisasi.

Para peneliti di Tianjin University dan South China University of Technology telah berhasil mengembangkan baterai lithium-organik yang menggunakan polimer konduktif PBFDO sebagai katoda. Baterai ini menawarkan alternatif yang lebih ramah lingkungan dibandingkan dengan baterai lithium-ion konvensional yang menggunakan logam berat seperti cobalt dan nikel. Baterai yang dibuat berbentuk pouch cell dengan kapasitas 2,5 ampere jam dan energi mencapai lebih dari 250 watt-jam per kilogram. Ini memberikan kinerja yang dapat bersaing dengan baterai lithium-ion tradisional. Selain itu, baterai ini dapat beroperasi di suhu mulai dari sangat dingin sampai sangat panas, dari -94°F hingga 176°F. Salah satu keunggulan utama baterai ini adalah elastisitasnya, yang membuat baterai tetap utuh dan berfungsi meskipun mengalami tekukan, peregangan, atau tekanan. Pengujian keselamatan termasuk tusukan jarum juga menunjukkan bahwa baterai ini aman tanpa risiko kebakaran atau ledakan. Inovasi ini penting untuk masa depan teknologi penyimpanan energi, terutama dalam pengembangan perangkat elektronik fleksibel dan wearable yang membutuhkan baterai yang tahan banting dan ringan. Berbagai negara dan tim riset sedang berlomba menciptakan baterai berbahan organik untuk mengurangi ketergantungan pada logam berat. Meskipun masih dalam tahap prototipe, baterai lithium-organik ini menunjukkan potensi besar untuk produksi skala industri dalam beberapa tahun ke depan. Industri otomotif dan penyimpanan energi diperkirakan akan mengadopsi teknologi ini sebagai solusi yang lebih aman, hemat biaya, dan berkelanjutan.

Para peneliti dari Universitas Oklahoma telah menciptakan material perovskit hibrida yang memanfaatkan bagian organik dalam struktur kristalnya untuk menghasilkan cahaya dengan sangat cepat dan efisien ketika terkena radiasi. Ini merupakan perubahan besar dari fokus tradisional yang hanya mengutamakan bagian anorganik. Dengan menyisipkan molekul stilbene ke dalam perovskit dua dimensi yang dirancang khusus, emisi cahaya dari bagian organik meningkat hingga lima kali lipat dibandingkan dengan molekul organik yang berdiri sendiri, menunjukkan pengaruh lingkungan kristal yang positif. Levantannya adalah kemampuan emisi cahaya yang sangat cepat dari bagian organik, yang sangat penting untuk aplikasi deteksi radiasi neutron, sinar-X, dan gamma di mana kecepatan respons adalah hal utama. Selain cepat dan terang, material tersebut juga menunjukkan stabilitas yang sangat baik terhadap kondisi lingkungan terbuka, bertahan lebih dari satu tahun tanpa perlu pelapis pelindung yang biasanya diperlukan untuk material serupa. Kesuksesan penelitian ini membuka kemungkinan bahwa dengan penyempurnaan lebih lanjut, material perovskit hybrid berbasis organik bisa melampaui detektor radiasi generasi sekarang dan meningkatkan teknologi deteksi radiasi secara signifikan.

Peneliti di Penn State berhasil mengembangkan kapasitor polimer yang dapat beroperasi pada suhu sangat tinggi hingga 482 derajat Fahrenheit, jauh lebih tinggi dibandingkan kapasitor polimer komersial yang biasanya mulai rusak di suhu sekitar 212 F. Kemampuan ini bisa membuat perangkat elektronik bekerja lebih baik di lingkungan ekstrem seperti kendaraan listrik dan sistem penerbangan. Kapasitor ini dibuat dengan menggabungkan dua plastik tahan panas, PEI dan PBPDA, yang secara alami membentuk struktur nanoskala stabil. Struktur ini meningkatkan konstanta dielektrik menjadi 13,5, padahal masing-masing polimer secara individual memiliki konstanta di bawah empat, sehingga kapasitor bisa menyimpan lebih banyak energi. Material baru ini tidak hanya meningkatkan kapasitas penyimpanan energi sampai empat kali lipat, tetapi juga mempertahankan performa dari suhu minus 148 F hingga 482 F. Hal ini sangat penting untuk membuat perangkat yang lebih kecil dan padat, tanpa mengorbankan kekuatan atau kecepatan dalam mengisi dan mengeluarkan energi. Para peneliti menemukan bahwa nanointerfaces yang terbentuk antara PEI dan PBPDA mencegah kebocoran muatan yang biasanya terjadi pada suhu tinggi. Ini memungkinkan kapasitor bekerja lebih kuat dan tahan lama tanpa harus didinginkan secara intensif seperti pada kapasitor biasa. Teknologi ini mudah diproduksi karena menggunakan bahan yang sudah komersial dan murah, serta proses pembuatannya sederhana. Penelitian ini sudah dipatenkan dan dapat menjadi solusi teknologi penting untuk kendaraan listrik, pusat data, dan sistem kelistrikan di masa depan yang menuntut perangkat tahan panas dan efisien.