Dalam sebuah kemajuan yang bisa mendorong tenaga surya yang murah dan di mana-mana mendekati kenyataan, para peneliti University of Michigan telah menemukan cara untuk membujuk elektron untuk melakukan perjalanan jauh bahkan lebih jauh lagi daripada yang diperkirakan sebelumnya dalam sebuah materi yang sering digunakan untuk sel surya organik dan semikonduktor organik lainnya.

“Selama bertahun-tahun, orang telah memperlakukan konduktivitas organik yang buruk sebagai fakta yang tidak dapat dihindari, dan ini menunjukkan bahwa itu tidak harus selalu demikian,” kata Stephen Forrest, Profesor Teknik Peter A. Franken dan Professor Teknik Paul G. Goebel di UM, yang memimpin penelitian.

Berbeda dengan sel surya anorganik yang banyak digunakan saat ini, bahan organik dapat dibuat dari bahan berbasis karbon fleksibel yang murah seperti plastik. Pabrikan bisa memproduksi secara masal dalam berbagai warna dan konfigurasi, dilaminasi secara tidak kentara ke hampir permukaan apapun.

Konduktivitas organik yang buruk, bagaimanapun, telah memperlambat penelitian. Forrest yakin penemuan ini bisa membawa perubahan besar. Temuan ini dirinci dalam sebuah penelitian yang diterbitkan di Nature .

Tim tersebut menunjukkan bahwa lapisan tipis molekul fullerene – molekul karbon bulat yang aneh juga disebut Buckyballs – dapat memungkinkan elektron bergerak hingga beberapa sentimeter dari titik di mana mereka dikalahkan oleh foton. Itu adalah peningkatan dramatis; Dalam sel organik hari ini, elektron hanya bisa melakukan perjalanan beberapa ratus nanometer atau kurang.

Elektron, bergerak dari satu atom ke atom lainnya, membentuk arus listrik di sel surya atau komponen elektronik. Bahan seperti silikon, yang digunakan pada sel surya anorganik hari ini dan semikonduktor lainnya, telah mengikat jaringan atom dengan ketat sehingga memudahkan elektron untuk melakukan perjalanan melalui material.

Tapi bahan organik memiliki ikatan yang jauh lebih longgar di antara molekul individu, yang bisa menjebak elektron. Ini telah lama menjadi kelemahan dari bahan-bahan organik, namun penemuan baru ini menunjukkan bahwa memungkinkan untuk memanipulasi sifat konduktif mereka untuk aplikasi tertentu.

Kemampuan untuk membuat elektron bergerak lebih bebas dalam semikonduktor organik bisa memiliki implikasi luas. Misalnya, permukaan sel surya organik hari ini harus ditutupi dengan elektroda konduktif yang mengumpulkan elektron pada titik di mana awalnya dihasilkan.

Tapi elektron bebas bergerak dapat dikumpulkan jauh dari titik asal mereka. Hal ini dapat memungkinkan produsen untuk mengecilkan elektroda konduktif ke dalam jaringan tak terlihat, membuka jalan bagi sel transparan yang bisa digunakan pada jendela dan permukaan lainnya.

“Penemuan ini pada dasarnya memberi kita tombol baru untuk merubah saat kita merancang sel surya organik dan perangkat semikonduktor organik lainnya,” kata Quinn Burlingame, seorang peneliti teknik elektro dan ahli pascasarjana ilmu komputer dan penulis studi tersebut. “Kemungkinan perjalanan elektron jarak jauh membuka banyak kemungkinan baru dalam arsitektur perangkat.”

Burlingame mengatakan bahwa penemuan awal fenomena tersebut terjadi sebagai sesuatu yang tidak disengaja saat tim tersebut bereksperimen dengan arsitektur sel surya organik dengan harapan dapat meningkatkan efisiensi.

Dengan menggunakan teknik umum yang disebut penguapan termal vakum, mereka melapisi lapisan tipis fullgenene C60 – masing-masing terbuat dari 60 atom karbon – di atas lapisan penghasil kekuatan sel organik, di mana foton dari sinar matahari mengetuk elektron lepas dari molekul terkaitnya. Di atas fullerene, mereka meletakkan lapisan lain untuk mencegah elektron tidak keluar.

Mereka menemukan sesuatu yang belum pernah mereka lihat sebelumnya pada sebuah elektron organik yang dilipat tanpa bahan keras melalui materi, bahkan di luar area pembangkit tenaga sel.

Melalui eksperimen selama berbulan-bulan, mereka menentukan bahwa lapisan fullerene membentuk apa yang dikenal sebagai energy well – daerah dengan energi rendah yang mencegah elektron bermuatan negatif melakukan penggabungan ulang dengan muatan positif yang tertinggal di lapisan penghasil tenaga.

“Anda bisa membayangkan energy well semacam tebing – elektron jatuh ke dalamnya dan tidak bisa keluar lagi,” kata Caleb Cobourn, seorang peneliti pascasarjana di Jurusan Fisika UM dan seorang penulis dalam penelitian ini.

“Jadi mereka terus bergerak bebas di lapisan fullerene daripada menggabungkannya di lapisan penghasil tenaga, seperti biasanya. Ini seperti antena besar yang bisa mengumpulkan muatan elektron dari mana saja di perangkat.”

Forrest memperingatkan bahwa penggunaan penemuan yang meluas dalam aplikasi seperti sel surya bersifat teoritis pada saat ini. Tapi, dia sangat tertarik dengan implikasi penemuan yang lebih besar untuk memahami dan mengeksploitasi sifat semikonduktor organik.

“Saya percaya bahwa tenaga surya di mana-mana adalah kunci untuk menyalakan planet kita yang terus-menerus menghangat dan semakin padat, dan itu berarti menempatkan sel surya pada benda-benda sehari-hari seperti membangun fasad dan jendela,” kata Forrest.

“Teknologi seperti ini bisa membantu kita menghasilkan tenaga dengan cara yang murah dan hampir tak terlihat.”

Penelitian ini berjudul “Difusi Elektron Skala Sentimeter pada Heterostruktur Organik Fotoaktif.” Penelitian ini didukung oleh US Department of Energy SunShot Program dan oleh Air Force Office of Scientific Research.(ikons.id)