Sensor Cahaya 'Harry Potter' ini Capai Efisiensi 200% yang Sangat Tinggi
Panel surya dengan banyak sel bertumpuk saat ini sedang memecahkan rekor. Hebatnya, tim peneliti dari Eindhoven University of Technology dan TNO di Holst Center kini berhasil membuat fotodioda—berdasarkan teknologi serupa—dengan hasil fotoelektron lebih dari 200%. Anda akan berpikir bahwa efisiensi lebih dari 100% hanya mungkin dilakukan dengan menggunakan alkimia dan sihir mirip Harry Potter lainnya. Tapi itu bisa dilakukan. Jawabannya terletak pada dunia magis efisiensi kuantum dan sel surya bertumpuk.
René Janssen, profesor di Eindhoven University of Technology dan salah satu penulis makalah Science Advances yang baru, menjelaskan. "Saya tahu, ini kedengarannya luar biasa. Tapi, kita tidak berbicara tentang efisiensi energi normal di sini. Yang penting di dunia fotodioda adalah efisiensi kuantum. Alih-alih jumlah total energi matahari, ini menghitung jumlah foton yang dioda berubah menjadi elektron.
“Saya selalu membandingkannya dengan hari-hari ketika kita masih memiliki gulden dan lira. Jika seorang turis dari Belanda hanya menerima 100 lira untuk 100 gulden mereka selama liburan mereka di Italia, mereka mungkin merasa sedikit kekurangan. Tetapi karena secara kuantum, setiap gulden dihitung sebagai satu lira, mereka masih mencapai efisiensi 100%. Ini juga berlaku untuk fotodioda: semakin baik dioda mampu mendeteksi sinyal cahaya lemah, semakin tinggi efisiensinya."
Arus gelap
Fotodioda adalah perangkat semikonduktor peka cahaya yang menghasilkan arus ketika menyerap foton dari sumber cahaya. Mereka digunakan sebagai sensor dalam berbagai aplikasi, termasuk tujuan medis, pemantauan yang dapat dikenakan, komunikasi ringan, sistem pengawasan, dan visi mesin. Di semua domain ini, sensitivitas tinggi adalah kuncinya.
Agar fotodioda berfungsi dengan benar, ia harus memenuhi dua syarat. Pertama, harus meminimalkan arus yang dihasilkan tanpa adanya cahaya, yang disebut arus gelap. Semakin sedikit arus gelap, semakin sensitif dioda. Kedua, ia harus dapat membedakan tingkat cahaya latar ("kebisingan") dari cahaya inframerah yang relevan. Sayangnya, kedua hal ini biasanya tidak sejalan.
Tandem
Empat tahun lalu, Riccardo Ollearo, salah satu Ph.D. siswa dan penulis utama makalah, mulai memecahkan teka-teki ini. Dalam penelitiannya ia bergabung dengan tim fotodetektor yang bekerja di Holst Center, sebuah lembaga penelitian yang berspesialisasi dalam teknologi sensor nirkabel dan tercetak, Ollearo membangun apa yang disebut dioda tandem, perangkat yang menggabungkan sel PV perovskit dan organik.
Menggabungkan dua lapisan ini—teknik yang juga semakin banyak digunakan dalam sel surya canggih—ia mampu mengoptimalkan kedua kondisi tersebut, mencapai efisiensi 70%.
"Mengesankan, tapi tidak cukup," kata peneliti muda yang ambisius dari Italia itu. "Saya memutuskan untuk melihat apakah saya dapat meningkatkan efisiensi lebih jauh dengan bantuan lampu hijau. Saya tahu dari penelitian sebelumnya bahwa menerangi sel surya dengan cahaya tambahan dapat mengubah efisiensi kuantumnya, dan dalam beberapa kasus meningkatkannya. Yang mengejutkan saya, ini bekerja lebih baik dari yang diharapkan dalam meningkatkan sensitivitas fotodioda. Kami mampu meningkatkan efisiensi untuk cahaya inframerah-dekat hingga lebih dari 200%."
Sampai saat ini, para peneliti masih belum tahu persis bagaimana ini bekerja, meskipun mereka telah menemukan teori yang mungkin bisa menjelaskan efeknya.
“Kami berpikir bahwa lampu hijau tambahan mengarah pada penumpukan elektron di lapisan perovskit. Ini bertindak sebagai reservoir muatan yang dilepaskan saat foton inframerah diserap di lapisan organik,” kata Ollearo. "Dengan kata lain, setiap foton inframerah yang melewati dan diubah menjadi elektron, mendapat perusahaan dari elektron bonus, menghasilkan efisiensi 200% atau lebih. Anggap saja mendapatkan dua lira untuk gulden Anda, bukan satu. "
Menguji dioda
Peneliti menguji fotodioda, yang seratus kali lebih tipis dari selembar kertas koran, dan cocok untuk digunakan pada perangkat fleksibel, di laboratorium. “Kami ingin melihat apakah perangkat dapat mengambil sinyal halus, seperti detak jantung atau pernapasan manusia di lingkungan dengan cahaya latar yang realistis. Kami memilih skenario dalam ruangan, pada hari yang cerah dengan sebagian tirai tertutup. Dan itu berhasil!"
Memegang perangkat pada jarak 130 cm dari jari, para peneliti dapat mendeteksi perubahan kecil dalam jumlah cahaya inframerah yang dipantulkan kembali ke dioda. Perubahan ini ternyata merupakan indikasi yang tepat dari perubahan tekanan darah di pembuluh darah seseorang, yang pada gilirannya menunjukkan detak jantung. Saat mengarahkan perangkat ke dada orang tersebut, mereka dapat mengukur laju pernapasan dari gerakan ringan di dada.
Dengan publikasi makalah di Science Advances, pekerjaan Ollearo hampir selesai. Ia akan mempertahankan penelitian tesisnya pada 21 April. Lantas, apakah penelitiannya berhenti sampai di situ?
"Tidak, tentu saja tidak. Kami ingin melihat apakah kami dapat meningkatkan perangkat ini lebih lanjut, misalnya dengan membuatnya lebih cepat," kata Janssen. "Kami juga ingin menjajaki apakah kami dapat menguji perangkat secara klinis, misalnya bekerja sama dengan proyek FORSEE."
Proyek FORSEE, yang dipimpin oleh peneliti TU/e Sveta Zinger dan bekerja sama dengan Rumah Sakit Catharina di Eindhoven, sedang mengembangkan kamera cerdas yang dapat mengamati detak jantung dan pernapasan pasien.
Referensi jurnal: Riccardo Ollearo et al, Vitality surveillance at distance using thin-film tandem-like narrowband near-infrared photodiodes with light-enhanced responsivity, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf9861
