Perovskites Alternatif 'Murah' untuk Silikon, menjadi Jauh Lebih Efisien

Ilustrasi dari Lab Guo ini menunjukkan interaksi antara bahan perovskite (cyan) dan substrat bahan logam-dielektrik. Pasangan merah dan biru adalah pasangan elektron-lubang. Gambar cermin yang dipantulkan dari substrat mengurangi kemampuan elektron tereksitasi di perovskit untuk bergabung kembali dengan inti atomnya, meningkatkan efisiensi perovskit untuk memanen cahaya matahari. Kredit: Chloe Zhang

Silikon, bahan semikonduktor standar yang digunakan dalam sejumlah aplikasi—unit pemrosesan pusat komputer (CPU), chip semikonduktor, detektor, dan sel surya—merupakan bahan alami yang melimpah. Namun, mahal untuk menambang dan memurnikan.

Perovskit—keluarga bahan yang dijuluki karena struktur kristalnya —telah menunjukkan harapan luar biasa dalam beberapa tahun terakhir sebagai pengganti silikon yang jauh lebih murah dan efisien untuk sel surya dan detektor. Sekarang, sebuah studi yang dipimpin oleh Chunlei Guo, seorang profesor optik di University of Rochester, menunjukkan bahwa perovskites mungkin menjadi jauh lebih efisien.

Para peneliti biasanya mensintesis perovskit di lab basah, lalu menerapkan materi tersebut sebagai film pada substrat kaca dan menjelajahi berbagai aplikasi

Guo malah mengusulkan novel, pendekatan berbasis fisika. Dengan menggunakan substrat dari lapisan logam atau lapisan logam dan bahan dielektrik bergantian—bukan kaca—ia dan rekan penulisnya menemukan bahwa mereka dapat meningkatkan efisiensi konversi cahaya perovskit hingga 250%.

Temuan mereka dilaporkan di Nature Photonics.

"Tidak ada orang lain yang datang ke pengamatan ini di perovskit," kata Guo. “Tiba-tiba, kami dapat menempatkan platform logam di bawah perovskit, yang benar-benar mengubah interaksi elektron di dalam perovskit. Jadi, kami menggunakan metode fisik untuk merekayasa interaksi tersebut.”

Kombinasi baru perovskite-metal menciptakan 'banyak fisika yang mengejutkan'

Logam mungkin merupakan bahan paling sederhana di alam, tetapi dapat dibuat untuk memperoleh fungsi yang kompleks. Guo Lab memiliki pengalaman luas dalam bidang ini. Laboratorium telah memelopori berbagai teknologi yang mengubah logam sederhana menjadi hitam pekat, superhidrofilik (menarik air), atau superhidrofobik (menolak air). Logam yang ditingkatkan telah digunakan untuk penyerapan energi matahari dan pemurnian air dalam studi terbaru mereka.

Dalam makalah baru ini, alih-alih menyajikan cara untuk menyempurnakan logam itu sendiri, Lab Guo mendemonstrasikan cara menggunakan logam untuk meningkatkan efisiensi perovskit.

"Sepotong logam dapat melakukan pekerjaan sebanyak teknik kimia kompleks di laboratorium basah," kata Guo, menambahkan bahwa penelitian baru ini mungkin sangat berguna untuk pemanenan energi matahari di masa depan.

Dalam sel surya, foton dari sinar matahari perlu berinteraksi dengan dan membangkitkan elektron, menyebabkan elektron meninggalkan inti atomnya dan menghasilkan arus listrik , jelas Guo. Idealnya, sel surya akan menggunakan material yang lemah untuk menarik elektron tereksitasi kembali ke inti atom dan menghentikan arus listrik.

Laboratorium Guo menunjukkan bahwa rekombinasi semacam itu dapat dicegah secara substansial dengan menggabungkan bahan perovskit dengan lapisan logam atau substrat metamaterial yang terdiri dari lapisan bolak-balik perak, logam mulia, dan aluminium oksida, dielektrik.

Hasilnya adalah pengurangan rekombinasi elektron yang signifikan melalui "banyak fisika yang mengejutkan," kata Guo. Akibatnya, lapisan logam berfungsi sebagai cermin, yang menciptakan gambar kebalikan dari pasangan lubang elektron, melemahkan kemampuan elektron untuk bergabung kembali dengan lubang.

Laboratorium dapat menggunakan detektor sederhana untuk mengamati peningkatan efisiensi konversi cahaya sebesar 250%.

Beberapa tantangan harus diselesaikan sebelum perovskites menjadi praktis untuk aplikasi, terutama kecenderungan mereka untuk menurunkan relatif cepat. Saat ini, para peneliti berlomba untuk menemukan material perovskit baru yang lebih stabil .

"Ketika perovskit baru muncul, kami kemudian dapat menggunakan metode berbasis fisika kami untuk lebih meningkatkan kinerjanya," kata Guo.

Rekan penulis termasuk Kwang Jin Lee, Ran Wei, Jihua Zhang, dan Mohamed Elkabbash, semua anggota Lab Guo saat ini dan sebelumnya; dan Ye Wang, Wenchi Kong, Sandeep Kumar Chamoli, Tao Huang, dan Weili Yu, semuanya dari Institut Optik, Mekanika Halus, dan Fisika Changchun di Tiongkok.

Sumber jurnal: Kwang Jin Lee et al, Gigantic suppression of recombination rate in 3D lead-halide perovskites for enhanced photodetector performance, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-022-01151-3