Sel surya tersensitisasi pewarna: Perbedaan antara revisi

Sel surya tersensitisasi pewarna'''Sel surya tersensitisasi pewarna''' ('''DSSC''', '''DSC''', '''DYSC''' <ref>Wan, Haiying [https://web.archive.org/web/20060911115045/http://bama.ua.edu/~chem/seminars/student_seminars/fall04/papers-f04/wan-sem.pdf "Dye Sensitized Solar Cells"], University of Alabama Department of Chemistry, p. 3</ref> atau '''sel Grätzel''') adalah [[sel surya]] berbiaya rendah dari kelompok [[ Sel surya film tipis|sel surya film tipis]].<ref>[https://web.archive.org/web/20060210233608/http://www.eifer.uni-karlsruhe.de/162.php "Dye-Sensitized vs. Thin Film Solar Cells"], European Institute for Energy Research, 30 June 2006</ref> Ini didasarkan pada [[Semikonduktor|semikonduktor yang]] terbentuk antara anoda peka-cahaya dan [[elektrolit]], sistem ''[[ Sel fotoelektrokimia|fotoelektrokimia]]''. Versi modern dari sel surya pewarna, juga dikenal sebagai sel Grätzel, awalnya diciptakan bersama pada tahun 1988 oleh [[ Brian O'Regan (ahli kimia)|Brian O'Regan]] dan [[Michael Grätzel]] di [[Universitas California, Berkeley|UC Berkeley]]<ref>[https://workspace.imperial.ac.uk/people/Public/chemistry/Brian%20ORegan/EarlyHistory.html EarlyHistory]. Workspace.imperial.ac.uk. Retrieved on 30 May 2013.</ref> dan karya ini kemudian dikembangkan oleh para ilmuwan tersebut di [[École Polytechnique Fédérale de Lausanne]] hingga penerbitan DSSC efisiensi tinggi pertama pada tahun 1991.<ref>{{Cite journal|last=O'Regan|first=Brian|last2=Grätzel|first2=Michael|year=1991|title=A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films|journal=Nature|volume=353|issue=6346|pages=737–40|bibcode=1991Natur.353..737O|doi=10.1038/353737a0}}</ref> Michael Grätzel telah dianugerahi [[ Hadiah Teknologi Milenium|Penghargaan Teknologi Milenium]] 2010 untuk penemuan ini.<ref>[https://web.archive.org/web/20100613065310/http://www.millenniumprize.fi/news/165/111/PROFESSOR-GRaeTZEL-WINS-THE-2010-MILLENNIUM-TECHNOLOGY-GRAND-PRIZE-FOR-DYE-SENSITIZED-SOLAR-CELLS/d,news_en/ Professor Grätzel wins the 2010 millennium technology grand prize for dye-sensitized solar cells], Technology Academy Finland, 14 June 2010.</ref>

Jenis sel surya yang sudah banyak tersedia di pasar adalah turunan dari teknologi sel surya semikonduktor. Dalam [[semikonduktor]] [[ Solid state (elektronik)|padat]] tradisional, [[sel surya]] terbuat dari dua kristal yang didoping, satu didoping dengan pengotor [[ Semikonduktor tipe-N|tipe-n]] ([[ Semikonduktor tipe-N|semikonduktor tipe-n]]), yang menambahkan [[elektron]] pita konduksi gratis tambahan, dan yang lainnya didoping dengan pengotor tipe-p ([[ Semikonduktor tipe-P|semikonduktor tipe-p]]), yang menambahkan [[ Lubang elektron|lubang elektron]] tambahan. Ketika bersentuhan, beberapa elektron di bagian tipe-n mengalir ke tipe-p untuk "mengisi" elektron yang hilang, juga dikenal sebagai lubang elektron. Akhirnya elektron yang cukup akan mengalir melintasi batas untuk menyamakan [[ Tingkat fermi|tingkat Fermi]] dari dua bahan. Hasilnya adalah wilayah di antarmuka, [[pertemuan p-n]], tempat pembawa muatan habis dan/atau diakumulasikan di setiap sisi antarmuka. Dalam silikon, transfer elektron ini menghasilkan [[ Penghalang potensial|penghalang potensial]] sekitar 0,6 hingga 0,7 [[Volt|V.]]<ref name="how">{{Cite web|url=http://www.specmat.com/Overview%20of%20Solar%20Cells.htm|title=Photovoltaic Cells (Solar Cells), How They Work|publisher=specmat.com|access-date=22 May 2007}}</ref>

Ketika ditempatkan di bawah sinar matahari, [[foton]] cahaya matahari dapat membangkitkan elektron pada sisi tipe-p semikonduktor, suatu proses yang dikenal sebagai [[ Eksitasi foto|fotoeksitasi]]. Dalam silikon, sinar matahari dapat menyediakan energi yang cukup untuk mendorong elektron keluar dari [[ Pita valensi|pita valensi]] berenergi lebih rendah ke [[ Pita konduksi|pita konduksi]] berenergi lebih tinggi. Seperti namanya, elektron dalam pita konduksi bebas untuk bergerak di dalam silikon. Ketika suatu beban ditempatkan melintasi sel secara keseluruhan, elektron-elektron ini akan mengalir keluar dari sisi tipe-p ke sisi tipe-n, kehilangan energi saat bergerak melalui sirkuit eksternal, dan kemudian mengalir kembali ke bahan tipe-p, ketika elektron sekali lagi dapat bergabung dengan lubang pita valensi yang ditinggalkan. Dengan cara ini, sinar matahari menciptakan arus listrik.<ref name="how2">{{Cite web|url=http://www.specmat.com/Overview%20of%20Solar%20Cells.htm|title=Photovoltaic Cells (Solar Cells), How They Work|publisher=specmat.com|access-date=22 May 2007}}</ref>

Dalam semikonduktor apa pun, [[ Kesenjangan pita|celah pita]] berarti bahwa hanya foton dengan jumlah energi itu, atau lebih, akan berkontribusi untuk menghasilkan arus. Dalam kasus silikon, sebagian besar cahaya tampak dari merah ke ungu memiliki energi yang cukup untuk mewujudkannya. Sayangnya foton energi yang lebih tinggi yang ada di ujung spektrum biru dan ungu, memiliki energi lebih dari cukup untuk melintasi celah pita; meskipun sebagian energi ekstra ini ditransfer ke dalam elektron, sebagian besar terbuang sebagai panas. Masalah lain adalah bahwa untuk memiliki kesempatan yang wajar untuk menangkap foton, lapisan tipe-n harus cukup tebal. Ini juga meningkatkan kemungkinan bahwa elektron yang baru dikeluarkan akan bertemu dengan lubang yang dibuat sebelumnya di material sebelum mencapai persimpangan p-n. Efek ini menghasilkan batas atas pada efisiensi sel surya silikon, saat ini sekitar 12 hingga 15% untuk modul umum dan hingga 25% untuk sel laboratorium terbaik (33,16% adalah efisiensi maksimum teoritis untuk sel surya celah pita tunggal, lihat [[ Batas Shockley – Queisser|batas Shockley – Queisser]]).<ref name="Shockley-Queisser-Tables">{{Cite journal|last=Rühle|first=Sven|year=2016|title=Tabulated values of the Shockley–Queisser limit for single junction solar cells|journal=Solar Energy|volume=130|pages=139–47|bibcode=2016SoEn..130..139R|doi=10.1016/j.solener.2016.02.015}}</ref>

Pada akhir 1960-an ditemukan bahwa pewarna organik yang disinari dapat menghasilkan listrik pada elektroda oksida dalam sel elektrokimia.<ref>{{Cite journal|last=Gerischer|first=H|last2=Michel-Beyerle|first2=M.E|last3=Rebentrost|first3=F|last4=Tributsch|first4=H|year=1968|title=Sensitization of charge injection into semiconductors with large band gap|journal=Electrochimica Acta|volume=13|issue=6|pages=1509–15|doi=10.1016/0013-4686(68)80076-3}}</ref> Dalam upaya untuk memahami dan mensimulasikan proses utama dalam fotosintesis, fenomena tersebut dipelajari di University of California di Berkeley dengan mengekstraksi klorofil dari bayam (pendekatan bio-mimetik atau bionik).<ref>{{Cite journal|last=Tributsch|first=H|last2=Calvin|first2=M|year=1971|title=Electrochemistry of Excited Molecules: Photo-Electrochemical Reactions of Chlorophylls|journal=Photochemistry and Photobiology|volume=14|issue=2|pages=95–112|doi=10.1111/j.1751-1097.1971.tb06156.x}}</ref> Atas dasar percobaan seperti itu, pembangkit tenaga listrik melalui prinsip sel surya kepekaan zat warna (DSSC) ditunjukkan dan didiskusikan pada tahun 1972.<ref>{{Cite journal|last=Tributsch|first=Helmut|year=2008|title=Reaction of Excited Chlorophyll Molecules at Electrodes and in Photosynthesis|journal=Photochemistry and Photobiology|volume=16|issue=4|pages=261–9|doi=10.1111/j.1751-1097.1972.tb06297.x}}</ref> Ketidakstabilan sel surya zat pewarna diidentifikasi sebagai tantangan utama. Selama dua dekade berikutnya, efisiensi dapat ditingkatkan dengan mengoptimalkan porositas elektroda yang dibuat dari bubuk oksida halus, tetapi ketidakstabilan tetap menjadi masalah.<ref>{{Cite journal|last=Matsumura|first=Michio|last2=Matsudaira|first2=Shigeyuki|last3=Tsubomura|first3=Hiroshi|last4=Takata|first4=Masasuke|last5=Yanagida|first5=Hiroaki|year=1980|title=Dye Sensitization and Surface Structures of Semiconductor Electrodes|journal=Industrial & Engineering Chemistry Product Research and Development|volume=19|issue=3|pages=415–21|doi=10.1021/i360075a025}}</ref>

DSSC modern terdiri dari lapisan berpori [[nanopartikel]] [[titanium dioksida]], ditutupi dengan pewarna molekul yang menyerap sinar matahari, seperti [[klorofil]] dalam daun hijau. Titanium dioksida direndam dalam larutan [[elektrolit]], yang di atasnya adalah [[katalis]] berbasis [[Platina|platinum]]. Seperti pada [[ Baterai alkaline|baterai alkalin]] konvensional, [[Anode|anoda]] (titanium dioksida) dan [[Katode|katoda]] (platinum) ditempatkan di kedua sisi konduktor cair (elektrolit).<ref name=":0">{{Cite book|title=Dye-sensitized solar cells|url=https://www.worldcat.org/oclc/646392128|publisher=CRC Press|date=2010|location=Boca Raton, Fla.|isbn=9782940222360|oclc=646392128|last=Kalyanasundaram, K., 1949-}}</ref>

Sel surya tersensitisasi pewarna memisahkan dua fungsi yang dilakukan oleh silikon dalam desain sel tradisional. Biasanya silikon bertindak sebagai sumber fotoelektron, serta menyediakan medan listrik untuk memisahkan muatan dan menciptakan arus. Dalam sel surya tersensitisasi pewarna, sebagian besar semikonduktor digunakan semata-mata untuk transportasi muatan, fotoelektron disediakan dari [[Bahan pewarna|pewarna]] [[ Fotosensitif|fotosensitif]] terpisah. Pemisahan muatan terjadi pada permukaan antara pewarna, semikonduktor, dan elektrolit.<ref name=":0" />