Pendahuluan

Building-Integrated Photovoltaics (BIPV) telah muncul sebagai jalur kritis untuk transisi energi berkelanjutan perkotaan. Di antara berbagai teknologi, sel surya organik semi-transparan (ST-OSC) menonjol sebagai kandidat ideal untuk jendela bertenaga sendiri karena celah pita yang dapat disetel dan semi-transparansi intrinsik. Namun, ST-OSC konvensional menghadapi hambatan utama: untuk menyeimbangkan transparansi dan efisiensi, lapisan aktif harus tetap sangat tipis (di bawah 80 nm), yang menciptakan tantangan berat untuk manufaktur industri skala besar. Fluktuasi ketebalan kecil dapat menyebabkan penurunan kinerja yang dramatis, dan retensi efisiensi sel-ke-modul (CTM) untuk modul area luas biasanya tetap di bawah 56%.

Sebuah terobosan baru-baru ini yang diterbitkan di Nature Communications oleh tim dari National Center for Nanoscience and Technology (NCNST) dan kolaborator mengatasi masalah yang sudah lama ini. Dengan menggabungkan strategi pengenceran donor dengan slot-die coating dalam kondisi pelarut bebas halogen, para peneliti berhasil membuat ST-OSC dengan toleransi ketebalan yang luar biasa. Bahkan dengan lapisan aktif setebal 301 nm, perangkat mempertahankan efisiensi pemanfaatan cahaya (LUE) yang tinggi, dan modul 100 cm² mencapai rasio CTM sekitar 85%.

Lompatan Kinerja dalam Efisiensi Pemanfaatan Cahaya

Dalam aplikasi BIPV, sel semi-transparan telah lama menghadapi trade-off mendasar: meningkatkan ketebalan lapisan aktif meningkatkan penyerapan foton dan efisiensi konversi daya (PCE), tetapi secara signifikan mengurangi transmisi tampak rata-rata (AVT). Industri mengevaluasi ST-OSC menggunakan Light Utilization Efficiency (LUE = PCE × AVT) sebagai metrik kunci.

Studi ini memperkenalkan strategi pengenceran donor dengan rasio D:A 1:3, memanfaatkan struktur jaringan fibril dari bahan akseptor dalam kondisi pemrosesan tertentu. Pendekatan ini memungkinkan peningkatan substansial dalam ketebalan lapisan aktif sambil mempertahankan transparansi tinggi.

Data yang diamati sangat mencolok. Ketika ketebalan lapisan aktif meningkat dari 119 nm menjadi 301 nm, sel berbasis PM6:Qx-p-4Cl mempertahankan LUE sebesar 3,02%, menunjukkan ketahanan ketebalan yang luar biasa. Ini memecahkan titik sakit kritis dalam pemrosesan area luas di mana kontrol film tipis terkenal sulit.

Gambar 1 menunjukkan struktur kimia dan spektrum serapan sistem PM6:Qx-p-4Cl, tren kinerja di berbagai rasio D:A untuk perangkat buram dan semi-transparan, dan menunjukkan bagaimana sistem donor-diencerkan mengungguli sistem konvensional dalam retensi transmisi dan keunggulan LUE di berbagai ketebalan.

Mekanisme di Balik Toleransi Ketebalan

Mengapa pendekatan pengenceran donor memecahkan masalah sensitivitas ketebalan? Tim peneliti melakukan investigasi menyeluruh melalui studi morfologi dan spektroskopi ultrafast.

Mengenai fitur morfologi, slot-die coating dalam kondisi tertentu mempromosikan agregasi ideal molekul akseptor, membentuk jaringan seperti fibril yang saling menembus secara kontinu. Struktur ini memastikan transportasi muatan yang lancar bahkan ketika kandungan donor sangat rendah.

Untuk dinamika eksiton, pengukuran eksperimental mengungkapkan bahwa akseptor Qx-p-4Cl memiliki panjang difusi eksiton yang luar biasa panjang yaitu sekitar 22,34 nm. Ini memastikan bahwa eksiton dapat mencapai antarmuka secara efektif dan berdisosiasi bahkan dalam sistem yang tebal dan encer.

Analisis generasi muatan melalui spektroskopi absorpsi transien (TA) mengkonfirmasi bahwa sistem mempertahankan generasi muatan yang efisien dan stabil di berbagai ketebalan dan rasio.

Gambar 2 menyajikan karakterisasi GIWAXS dan AFM yang mengungkap struktur jaringan fibril, bersama dengan spektrum absorpsi transien dan kurva kinetik yang menunjukkan generasi dan transportasi muatan yang kuat dalam sistem donor-diencerkan.

Dinamika Pembentukan Film: Slot-Die vs Spin Coating

Penelitian lebih lanjut mengungkap esensi fisik mengapa slot-die coating mengungguli proses spin coating tradisional.

Tidak seperti spin coating di mana film mengalami agregasi seperti ledakan dalam keadaan jenuh, slot-die coating pada substrat yang dipanaskan menginduksi agregasi akseptor yang teratur sudah dalam fase cair. Ini secara fundamental mengubah jalur evolusi morfologi.

Kontrol viskositas juga memainkan peran penting. Pengenceran donor mengurangi viskositas larutan, mempercepat penguapan pelarut dan memperpanjang waktu kristalisasi setelah penipisan film. Ini menekan agregasi akseptor yang berlebihan pada ketebalan besar.

Dinamika pembentukan film yang unik ini memastikan bahwa selama pelapisan area luas, kualitas film tetap kurang sensitif terhadap fluktuasi parameter proses, faktor kritis untuk konsistensi produksi industri.

Gambar 3 menunjukkan spektroskopi absorpsi UV-Vis in-situ yang memonitor proses agregasi akseptor, bersama dengan skema komparatif mekanisme pembentukan film di bawah spin coating versus slot-die coating, menyoroti peran regulasi kritis substrat yang dipanaskan pada evolusi morfologi.

Prospek Industri dan Aplikasi BIPV

Memanfaatkan keunggulan pemrosesan dari toleransi ketebalan tinggi, tim peneliti berhasil menerjemahkan teknologi ke dalam aplikasi praktis.

Pada modul 100 cm², mereka mencapai PCE 10,40% dan LUE 3,32% dengan rasio CTM mencapai 85%, menetapkan tolok ukur baru untuk modul semi-transparan besar.

Untuk demonstrasi fungsi BIPV, tim membangun model rumah mandiri dengan jendela pembangkit listrik seluas 600 cm². Eksperimen membuktikan bahwa sistem dapat menggerakkan layar LCD dan mengisi baterai lithium.

Manfaat penghematan energi juga sama mengesankannya. Karena lapisan aktif memblokir 88,28% radiasi inframerah dekat, jendela sel mengurangi suhu dalam ruangan sekitar 9,2°C dibandingkan dengan jendela kaca biasa, secara signifikan mengurangi konsumsi energi bangunan.

Pengujian stabilitas menunjukkan bahwa setelah 1000 jam paparan luar ruangan, perangkat mempertahankan lebih dari 82% efisiensi awalnya, menunjukkan potensi komersialisasi yang sangat baik.

Gambar 4 menampilkan struktur modul 100 cm² dan statistik efisiensi CTM, bersama dengan demonstrasi aplikasi BIPV termasuk pengoperasian perangkat elektronik mandiri, penyimpanan energi, dan kurva efek pendinginan isolasi termal yang signifikan.

Kesimpulan dan Prospek

Penelitian ini memberikan dukungan penting untuk fotovoltaik organik dalam bangunan hijau dan aplikasi internet energi melalui beberapa kontribusi kunci.

Pertama, ini menurunkan hambatan manufaktur dengan memutuskan ketergantungan ST-OSC pada film ultra-tipis. Toleransi ketebalan yang tinggi secara langsung menghasilkan hasil produksi yang lebih tinggi dan biaya yang lebih rendah.

Kedua, ini memungkinkan pengurangan karbon multi-dimensi. Jendela ST-OSC berkontribusi pada listrik hijau melalui pembangkitan fotovoltaik sambil secara bersamaan mengurangi konsumsi energi pasif AC bangunan melalui isolasi termal yang sangat baik.

Ketiga, teknologi ini menunjukkan penerapan yang luas. Strategi pengenceran donor yang dikombinasikan dengan pemrosesan pelarut bebas halogen sejalan dengan tren manufaktur hijau, membersihkan hambatan bagi fotovoltaik organik untuk bergerak menuju jalur produksi skala industri.

Seiring dunia bergerak menuju netralitas karbon, solusi energi pintar yang mengintegrasikan pembangkitan listrik, penghematan energi, dan daya tarik estetika ini mengubah setiap bangunan menjadi pembangkit listrik hijau mikro.

Artikel asli: https://www.nature.com/articles/s41467-026-69537-3

Perspektif Ooitech

Ooitech percaya: pengenceran donor yang dikombinasikan dengan pelapisan slot-die memecahkan hambatan toleransi ketebalan sel surya organik semi-transparan, membuka jalan realistis untuk industrialisasi BIPV dan penerapan komersial area luas.