## Perkembangan dan Prospek Sel Fotovoltaik Organik: Sebuah Telaah Ilmiah

## Lukas B. Setyawan
Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer, Universitas Kristen Satya Wacana, Salatiga lukas.setyawan@staff.uksw.edu

## Ringkasan
Perkembangan teknologi OPV sangat menjanjikan sebagai sumber energi terbarukan dalam upaya mengurangi ketergantungan terhadap energi bahan bakar berasal dari fosil. Hal ini diperkuat  karena  ongkos  fabrikasi  perangkat  fotovoltaik  menggunakan  material  organik lebih murah dibandingkan dengan perangkat menggunakan material non-organik. Telaah ini membahas perkembangan organic photovoltaic cell (OPV) dari generasi pertama, kedua, dan ketiga. Berikutnya dibahas cara kerja OPV dan macam-macam OPV, seperti dye-sensitized solar cell (DSSC), double  layer  cell , bulk  heterojunction cell ,  dan perovskite  solar  cell (PSC). Terakhir dibahas  mengenai  prospek  yang  dimiliki  OPV.  Dari  perkembangan  OPV  terlihat  bahwa efisiensi pada generasi pertama sebesar 6%. Efisiensi generasi kedua 17%. Sedangkan efisiensi generasi ketiga paling tinggi yaitu sekitar 26%. Kelemahan OPV adalah efisiensinya rendah dan umur pakainya singkat. Sifat OPV ringan dan lentur sehingga penerapannya lebih luas.
Kata kunci: organic photovoltaic cell dye-sensitized solar cell, bulk heterojunction cell, perovskite solar cell

## 1. Pendahuluan
Sel Fotovoltaik Organik atau OPV ( Organic Photovoltaic Cell ) sering disebut sebagai sel surya  ( Solar  Cell )  adalah  sel  fotovoltaik  yang  menggunakan  material  organik  sebagai penyusunnya. Proses penyerapan cahaya dan pengiriman muatan dilakukan oleh material organik.  Kelemahan  sel  OPV  dibanding  sel  surya  inorganik  adalah  efisiensinya  rendah dan  umur  pakainya  singkat.  Keuntungan  sel  OPV  adalah  biaya  pembuatannya  murah sehingga  memungkinkan  untuk  pemakaian  dalam  jumlah  besar.  Karena  sifat  sel  OPV ringan dan lentur maka aplikasi sel OPV lebih luas dibanding sel surya inorganik. Sel OPV bahkan  mampu  digunakan  untuk  kebutuhan  yang  tidak  dapat  dipenuhi  oleh  sel  surya inorganik.
2. Solar Cell atau Organic Photovoltaic Cell (OPV)
Contoh solar  cell (sel  surya)  adalah  devais  semikonduktor  sambungan  p-n  yang mengubah energi matahari (sinar matahari) menjadi arus listrik melalui efek fotovoltaik. Sel surya akan mengalami proses fotovoltaik tidak perduli sumber cahaya apakah berasal dari sinar matahari atau cahaya lain. Cara kerja sel surya umumnya melalui tiga langkah berikut:
1.  Absorpsi cahaya, membangkitkan terjadinya pasangan elektron-hole ( exciton ).

## Techné Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 17 No. 2 Oktober 2018 Hal 93 - 100
2.  Pemisahan exciton menjadi elektron dan hole sebagai pembawa muatan bebas.
3.  Pembawa muatan yang sudah terpisah ini diangkut menuju anode dan katode dari sel surya, kemudian pembawa muatan tersebut diteruskan ke sirkit eksternal.

## 3. Perkembangan Sel Surya
Kemajuan teknologi sel surya ditujukan  untuk menghasilkan sel surya yang murah, memiliki efisiensi tinggi dan berumur panjang yang paling berguna untuk menggantikan pembangkitan energi dari bahan bakar fosil. Penelitian terus dilakukan dalam teknologi fotovoltaik yang mengarah ke penemuan material baru dan cara baru dalam fabrikasi sel surya. Sel surya dikelompokkan menjadi tiga kelompok besar atau generasi berdasarkan urutan kemunculannya.

## 3.1  Generasi Pertama
Pada  kategori  ini  sel  surya  umumnya  terbuat  dari  wafer  silikon.  Bell  Laboratories membangun sel surya silikon pertama kali pada tahun 1954, dengan efisiensi 6%. Sejak itu penelitian  untuk  meningkatkan  efisiensi  dan  memperkecil  biaya  pembuatan  sel  surya berkembang dengan cepat. Sel surya silikon paling banyak digunakan sebagai sel surya karena paling efisien sebagai devais fotovoltaik dalam bentuk sel kristalin tunggal. Selain itu silikon adalah unsur yang paling banyak tersedia di bumi, nomor dua setelah oksigen. Sel  surya  tipe  ini  paling  sering  digunakan  dilaporkan  memiliki  efisiensi  sel  (sel  kristal tunggal)  sebesar    ~  28%.  Ada  tiga  tipe  silikon  yang  digunakan  pada  generasi  ini,  yaitu: single crystalline silicon (c-Si), multicrystalline silicon , dan amorphous silicon (a-Si). Kemajuan teknologi  sel  surya  ditujukan  untuk  menghasilkan  sel  surya  yang  murah,  Karena  c-Si mahal dan biaya fabrikasinya besar maka hal ini mendorong penelitian menuju generasi berikutnya yaitu thin film solar cell . [1, 2]

## 3.2 Generasi Kedua
Sel surya pada generasi ini dikenal sebagai thin film solar cell . Bahan thin film menjadi fokus penelitian yang intensif dalam upaya memperkecil ongkos fabrikasi menggunakan teknologi dengan bahan dasar Si dan untuk meningkatkan utilisasi material. Pada generasi kedua  ini  material  dibuat  agar  ongkos  produksi  sel  surya  makin  murah  tanpa mempengaruhi keluaran energi yang dihasilkan. Tiga tipe material yang sering digunakan adalah hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H), cadmium telluride (CdTe) juga copper indium diselenide (CuInSe2)  dan  campuran  sejenis  seperti Copper  Indium  Gallium  diselenide CuInxGa1-xSe2 (CIGS). Efisiensi tertinggi sel tunggal thin film  untuk CIGS sebesar 20% dan untuk CdTe sebesar 17%. Meski thin film solar cell ini memiliki keunggulan dibanding sel surya generasi pertama karena lebih murah dan efisiensinya lebih baik tetapi terdapat beberapa  kekurangan.  Sebagian  besar  material  penyusun  sel  terbuat  dari  material  yang mulai  jarang  dan  makin  mahal  (indium)  atau  sangat  beracun  (cadmium).  Untuk memproduksi secara masal diperlukan fasilitas baru sehingga akan memperbesar ongkos produksi. Hal ini memicu tumbuhnya generasi berikutnya. [1, 2]

## 3.3 Generasi Ketiga
Sel surya pada generasi ini menerapkan konsep baru pada proses pembentukannya. Konsep  baru  ini  merupakan  solusi  mengatasi  kendala  utama  pada  sel  surya  generasi pertama  dan  kedua,  yaitu  ongkos  terlalu  mahal  pada  generasi  pertama  dan  sifat  racun material yang digunakan dan ketersediaan material yang terbatas pada generasi kedua.

## Perkembangan dan Prospek Sel Fotovoltaik Organik: Sebuah Telaah Ilmiah
Pada generasi baru ini mencakup Organic/polymer dan dye-sensitized solar cell . Teknologi Organic  photovoltaic  solar  cell (OPV)  memanfaatkan  polimer  yang  lebih  murah  sebagai material pengganti semikonduktor inorganik (silikon, CdTe, dan CIGS). Sel surya generasi ketiga ini paling murah dibanding semua sel surya generasi sebelumnya.  Efisiensi yang diperoleh dari sel tunggal dye-sensitized sebesar ~ 11%  dan sel tunggal polimer sebesar 8%. Hal ini menunjukkan bahwa efisiensi yang diperoleh dari sel surya organik secara umum sangat rendah. Fotovoltaik organik secara teknologi belum matang dan aplikasinya yang cukup  luas  dibatasi  adanya  masalah  ketidakstabilan  yang  berkaitan  dengan  terjadinya penurunan kualitas pada lingkungan yang berbeda. Dengan demikian teknologi OPV  dan dye-sensitized belum mampu untuk menjadikan sel surya tersebut memiliki daya saing di pasar komersial.
Upaya tak kenal lelah dari para peneliti dalam bidang fotovoltaik melahirkan sel surya tipe baru yaitu sel surya hibrida organik-inorganik dikenal dengan nama perovskite yang ditemukan  oleh  Miyasaka  dan  kawan-kawan  pada  tahun  2006.  Material  baru  ini dilaporkan memiliki efisiensi tertinggi sebesar ~19,3%.  Teknologi sel surya hibrida seperti sel  surya  perovskite  disebut  demikian  karena  lapisan  fotoaktif  terbuat  dari  material organometalik. [1, 2]
Gambar 1. OPV

## 4. Prinsip Kerja Organic Solar Cell (OSC)
Perbedaan utama sel surya organik dari sel surya inorganik adalah foton yang diterima diserap  oleh  material  organik  sehingga  terbentuk  pasangan  elektron-hole  yaitu exciton . Diperlukan energi untuk memisahkan exciton menjadi pasangan elektron dan hole bebas. Pemisahan ini dapat terjadi berkat gabungan dua material yang memiliki energi potensial berbeda  yang  menimbulkan  medan  elektrik  yang  dibutuhkan  untuk  memecah  ikatan elektron-hole. Material yang memberikan elektron pada proses pemisahan exciton disebut donor,  ditandai  dengan  seberapa  tinggi  level  LUMO  ( lowest  unoccupied  molecular  orbital ekivalen  dengan  pita  konduksi).  Sedangkan  material  yang  menerima  elektron  ketika terjadi pemisahan exciton disebut akseptor, ditandai dengan seberapa rendah level HOMO ( highest occupied molecular orbital ekivalen dengan pita valensi).
Prinsip  kerja  dasar  sel  surya  organik,  digambarkan  oleh  Gambar  2,  adalah  sebagai berikut:
1.  Foton dengan energi E PH > E GAP diserap oleh lapisan aktif membentuk terjadinya exciton.
2.  Exciton  akan  menyebar  (dengan  jangkauan  beberapa  puluh  nanometer  sebelum terjadi rekombinasi) hingga mencapai perbatasan donor-akseptor.
3.  Exciton terpisah pada perbatasan donor-akseptor dan membentuk dua pembawa muatan bebas, satu positif dan satu negatif (disebut juga dengan polaron).
4.  Pembawa muatan mampu menyebrangi material karena adanya dorongan energi potensial kimia menuju masing-masing elektrode.
Gambar 2. Foton dengan energi hv membentuk exciton yang terpisah menjadi kutub positif dan negatif.
Kemudian muatan  dikumpulkan pada masing-masing elektrode. [2]
Gambar 3. Gambar skema prinsip kerja organic photovoltaic cell (OPV). [3]
Penyinaran  donor  (warna  merah)  menembus  electrode  tembus  pandang  (ITO) membawa donor ke keadaan fotoeksitasi, dalam keadaan ini elektron didorong dari level highest occupied molecular orbital (HOMO)  menuju level lowest unoccupied molecular orbital (LUMO). Selanjutnya elektron yang telah tereksitasi ini masuk ke level LUMO akseptor (warna  biru) sehingga  akseptor kelebihan elektron dan  meninggalkan  hole pada donor. Muatan  yang  dibangkitkan  ini  kemudian  dikirimkan  dan  dikumpulkan  pada  elektrode berlawanan. Proses pembangkitan muatan yang sama juga terjadi saat akseptor terkena sinar.
Agar  sel  fotovoltaik  bekerja  maka  material  pekacahaya  (donor  dan  akseptor) dijepitkan  di  antara  dua  elektrode  metalik  yang  berbeda  (salah  satu  adalah  tembus pandang)  untuk  mengumpulkan  muatan  yang  sudah  terbangkit.  Setelah  reaksi  transfer muatan berikutnya muatan tersebut bergerak menuju elektrode tanpa mengalami proses rekombinasi.  Yang  paling  penting  muatan  yang  terbangkitkan  ini  dapat  menuju  untai eksternal pada elektrode tanpa ada masalah sambungan.

## Perkembangan dan Prospek Sel Fotovoltaik Organik: Sebuah Telaah Ilmiah
Jumlah foton yang mengenai sel surya yang diubah menjadi exciton kemudian dipisah dan  dikumpulkan  pada  elektrode  menentukan  efisiensi  kuantum  dari  sel  surya. Perbandingan jumlah elektron yang terkumpul dibagi dengan jumlah foton yang masuk sesuai  energi  yang  diberikan  menentukan  besarnya External  Quantum  Efficiency (EQE). Sedangkan  perbandingan  jumlah  elektron  yang  terkumpul  dibagi  dengan  jumlah  foton yang diserap oleh lapisan aktif sesuai energi yang diberikan menentukan besarnya Internal Quantum Efficiency (IQE). [2]
EQE = ne t nf t
(1)
IQE = ne t nfs t
(2)
n e = jumlah elektron
n f = jumlah foton n fs = jumlah foton yang diserap t    = waktu (s)
Perbandingan  daya  keluaran  dibagi  daya  masukan  adalah  efisiensi  konfersifoto  η disebut dengan Power Conversion Efficiency (PCE). Efisiensi tergantung pada arkitektur dari lapisan aktif yang menentukan probabilitas proses pemisahan exciton . [2]

## 5. Macam-macam Sel Surya Organik

## 5.1 Dye-sensitized solar cell (DSSC)
Pada DSSC pewarna organik diserapkan di atas permukaan semikonduktor inorganik dengan energi gap cukup besar sebagai penyerap cahaya dan untuk mendorong elektron yang  tereksitasi  menuju  pita  konduksi  semikonduktor  tersebut.  Penelitian  pada  DSSC memperoleh  kemajuan  besar  ketika  Grätzel  dan  rekan  kerjanya  meningkatkan  daerah persambungan  antara  donor  organik  dan  akseptor  inorganik  menggunakan nanoporous titanium dioxide (TiO 2 ). Menggunakan ruthenium dye-sensitized nanocrystalline TiO 2 (nc-TiO 2 ) efisiensi konversi energi sel surya mencapai 10% di bawah paparan sinar matahari. [3]
Gambar 4. Sel surya DSSC. [3] Setelah cahaya diserap oleh pewarna ruthenium kemudian elektron diteruskan menuju TiO 2 . Pewarna ini kemudian diturunkan oleh elektrolit redox I - /I 3- sehingga elektrode lawan dari metal juga menurun. Dengan demikian muatan positif akan dikirimkan dari pewarna lewat elektrolit menuju elektrode metal. Elektron pada TiO 2 diteruskan menuju elektrode fluorine doped tin oxide (SnO 2 :F).

## Techné Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 17 No. 2 Oktober 2018 Hal 93 - 100

## 5.2. Double Layer Cell
Awal  usaha  untuk  membuat  sel  surya  dari  unsur  organik  semua  adalah  dengan menyisipkan  lapisan  tunggal  material  organik  di  antara  dua  elektroda  berbeda.  Sifat fotovoltaik sel ini sangat tergantung pada sifat alam elektrode.  Material yang ikatannya didope  dalam  jumlah  besar  menghasilkan  efisiensi  konversi  daya  sampai  dengan  0,3%. Pada  tahun  1986  Tang  melakukan  terobosan  dengan  merealisasikan  struktur  lapisan ganda menggunakan semikonduktor organik tipe-p dan tipe-n. Dua lapis setebal 70 nm dibuat menggunakan copper phthalocyanine sebagai donor elektron, dan turunan perylene tetracarboxylic sebagai  akseptor  elektron.  Material  peka  cahaya  diletakkan  di  antara  dua elektrode  berbeda,  yaitu indium  tin  oxide (ITO)  sebagai  pengumpul  muatan  positif  dan perak  (Ag)  untuk  mengumpulkan  muatan  negatif.  Efisiensi  konversi  power  sekitar  1%. Hal terpenting pada konsep ini adalah efisiensi pembangkitan muatan tidak dipengaruhi besarnya tegangan bias. [3]

## 5.3 Bulk Heterojunction Cell
Pada  proses  penggabungan  material  penyumbang  elektron  (tipe-p)  dan  material penerima  elektron  (tipe-n)  pada  lapisan  aktif  sel  surya  harus  diperhatikan  agar exciton yang  terbentuk  pada  salah  satu  material  dapat  menyebar  menuju  persambungan memungkinkan  terjadi  pemisahan  muatan.  Oleh  karena exciton umurnya  singkat  dan mobilitasnya  rendah  maka  jangkauan  sebaran exciton pada  semikonduktor  organik terbatas  hanya  sekitar  ~10  nm.  Ini  akan  sangat  berpengaruh  pada  penurunan  tingkat pembangkitan muatan. Dimanapun pada lapisan aktif jarak ke persambungan harus dapat dijangkau oleh sebaran exciton . [3]
Gambar 5. Kosep bulk-heterojunction . [3] Setelah material peka cahaya menyerap sinar transfer muatan dapat berlangsung berkat pencampuran antara donor dan akseptor. Akibatnya muatan yang terbangkit diteruskan dan dikumpulkan pada elektrode.

## 5.4 Perovskite Solar Cell (PSC)
PSC  termasuk  sel  surya  fotovoltaik  generasi  ketiga.  Sistem  penyerapan  cahaya  oleh organometallic  halide membuat  efisiensi  konversi  daya  lebih  tinggi  ditambah  dengan material lebih murah.
Gambar 6. Struktur kristal perovskite methylammonium lead halide (CH3NH3- PbX3) [4]
Hasil penelitian akhir-akhir ini mencatat bahwa sel surya silikon tradisional memiliki efisiensi sebesar 25% tetapi untuk  memperoleh efisiensi setinggi itu sangat  mahal biaya pembuatannya sehingga biasanya yang terpasang adalah sel surya dengan efisiensi sekitar 15%. PSC dilaporkan memiliki efisiensi 26% dengan keunggulan biaya produksi rendah dan  karakteristiknya  sangat  stabil.  Sedangkan  teknologi  thin  film  yang  merupakan generasi kedua menghasilkan efisiensi 12-20%.

## 6. Prospek OPV
Prospek  OPV  dibatasi  oleh  kendala  yang  dimiliki  oleh  OPV.  Pada  sel  OPV  ketika temperatur  naik  maka  mobilitas  muatan  akan  meningkat.  Pada  saat  temperatur  rendah pembawa muatan yang dibangkitkan karena pengaruh termal lebih sedikit sehingga tidak mudah dikirimkan dan akibatnya tanpa ada penyinaran arus yang mengalir menjadi kecil.
[5]
Meski  solar  sel  silikon  saat  ini  masih  mendominasi  pasar  tetapi  dalam  waktu  dekat akan  terjadi  perubahan  karena  perkembangan  OPV  sangat  cepat.  Sel  OPV  terbuat  dari polimer  sebagai  penyerap  cahaya  dan  tidak  menggunakan  silikon.  Karena  itu  biaya produksinya  lebih  murah.  Energi  yang  dibutuhkan  pada  proses  pembuatan  OPV  lebih sedikit dibanding proses pembuatan sel surya silikon sehingga proses pembuatan sel OPV lebih ramah lingkungan. [6]
Efisiensi  OPV  masih  rendah  sekitar  8,3%.  Dengan  menggunakan  nanoteknologi diharapkan  terjadi  kenaikan  efisiensi  setara  dengan  sel  surya  silikon.  [5]  [6]  Selain efisiensinya  rendah  kelemahan  Sel  OPV  adalah  umurnya  singkat.  Sel  OPV  komersial memiliki umur operasional 5 tahun. [5]
Sifat sel OPV biaya pembuatannya murah, ringan, dan lentur tetapi efisiensinya lebih rendah dibanding sel surya inorganik. Karena sifatnya ringan dan lentur maka OPV cocok dipakai  untuk  beragam  kegunaan,  mulai  perangkat  catu  ulang  baterai  laptop,  ponsel, sampai ke penyedia daya untuk perangkat jinjing seperti ponsel dan pemutar MP3. [6]
Saat ini penerapan teknologi sel surya antara lain di bidang pembangkit listrik, sinar dan  energi  matahari  diubah  menjadi  energi  listrik.  Di  bidang  kebutuhan  energi  listrik rumah  tangga,  dengan  memasang  panel  surya  di  atas  atap.  Di  bidang  pemakaian komersial,  energi  dari  matahari  digunakan  untuk  memenuhi  kebutuhan  energi  listrik perumahan  atau  gedung  perkantoran.  Di  bidang  sistem  ventilasi,  panel  surya dimanfaatkan  untuk  mengoperasikan  kipas  angin  di  kamar  mandi,  plafon,  dan  lantai gedung untuk menghemat biaya pemakaian listrik. Di bidang lain pemakaian panel surya banyak digunakan untuk pemanas kolam renang, penerangan jalan, dan mobil listrik. [7]

## 4. Kesimpulan
Saat ini perkembangan sel OPV berada pada generasi ketiga. Efisiensi pada generasi ketiga ini lebih tinggi dibanding generasi pertama dan generasi kedua. Kendala utama sel OPV  adalah  efisiensi  dan  umur  pakainya.  Sel  OPV  bekerja  lebih  baik  pada  temperatur tinggi karena mobilitas muatan meningkat ketika temperatur sel surya lebih tinggi.Karena sifatnya yang ringan dan lentur maka penerapan sel OPV lebih luas dan bisa diterapkan untuk kebutuhan yang tidak bisa dipenuhi oleh sel surya silikon. OPV generasi pertama masih memiliki efisiensi sebesar 6%. Generasi kedua efisiensinya sekitar 17%. Sedangkan generasi ketiga memiliki efisiensi sebesar 26%. Penelitian secara intensif terus dilakukan untuk mendapatkan sel OPV dengan efisiensi yang lebih tinggi.

## Daftar Pustaka
[1]  Amu,  Tochukwu  Loreta,  “Performance  Optimization  of  Tin  Halide  Perovskite  Solar Cells Via Numerical Simulation,”  Master of Science Thesis, Department of Theoretical Physics, African University of Science and Technology, Abuja, December 2012.
[2]  Corazza, M., Gevorgyan, S., & Krebs, F. C. (2016).  Characterization of Organic Solar Cell  Devices  and  their  Interfaces  under  Degradation:  Imaging,  Electrical  and Mechanical Methods. Risø, Roskilde: Department of Energy Conversion and Storage, Technical University of Denmark.
[3]  René  Janssen,  “Introduction  to  Polymer  Solar  Cells,”  Departments  of  Chemical Engineering & Chemistry and Applied Physics, Eindhoven University of Technology, The Netherlands.
[4]  Supreeth  A,  Shreya  Y  S,  “Perovskite  Solar  Cell:  A  Review,” International  Journal  of Engineering Development and Research ,” Vol. 4, Issue 2, 2016. ISSN 2321-9939
[5]  Azmira Jannat, Muhammad Foyazur Rahman, M. Saddam Hossain khan, “A Review Study  of  Organic  Photovoltaic  Cell,” International  Journal  of  Scientific  &  Engineering Research ,” Vol. 4, Issue 1, January 2013. ISSN 2229-5518
[6]  Askari. Mohammad Bagher, “Introduction to Organic Solar Cells.” Sustainable Energy , vol. 2, no. 3 (2014): 85-90. doi: 10.12691/rse-2-3-2.
[7]  Navneet Kour, Rajesh Mehra, “Recent Advances in Photovoltaic Technology based on Perovskite  Solar  Cell-A  Review,” International  Research  Journal  of  Engineering  and Technology (IRJET) ,” Vol. 04 Issue 07, July 2017.  e-ISSN 2395-0056  p-ISSN: 2395-0072