Upkonversi Fotonnya Dapat Memperluas Potensi Hidrogen Surya

Ketika berbicara tentang mengubah sinar matahari menjadi energi yang berguna, banyak upaya telah difokuskan pada fotovoltaik, karena ini adalah metode yang dapat mengubah sebagian besar output energi Matahari menjadi listrik.

Namun, ini tidak berarti bahwa ini adalah opsi paling efisien untuk semua aplikasi. Misalnya, jika tujuan adalah menghasilkan hidrogen hijau, ini menciptakan proses multi-langkah di mana efisiensi hilang pada setiap tahap: sinar matahari -> listrik -> transmisi -> elektrolisis -> hidrogen.

Masalahnya adalah bahwa bahkan dengan katalis yang tepat, sebagian besar sinar matahari berada di rentang tampak dan inframerah, yang tidak cukup energetik untuk memecah molekul air menjadi hidrogen. Jadi bahkan dengan peningkatan efisiensi fotokatalisis silikon karbida, masih belum ideal. Sebagian besar, hanya bagian ultraviolet (UV) dari spektrum cahaya yang cukup kuat.

Ini adalah mengapa penemuan oleh peneliti Jepang di Universitas Kyushu dan Institut Ilmu Molekuler, SOKENDAI, bahwa metode keadaan padat baru dapat digunakan untuk meningkatkan tingkat energi foton dapat menjadi pengubah permainan untuk produksi hidrogen hijau di masa depan. Mereka mempublikasikan hasil mereka di jurnal bergengsi Nature Communications¹, dengan judul “Sterically protected π-electron systems for efficient solid-state photon upconversion”.

Dari Cahaya Tampak ke UV

Fotokatalisis air menjadi hidrogen dapat secara radikal meningkatkan produksi energi hijau. Ini karena hidrogen hijau merupakan elemen kunci yang belum ada untuk menyimpan energi selama minggu dan bulan dengan sinar matahari rendah atau tanpa angin, serta bahan bakar sempurna untuk mendekarbonisasi sektor seperti pelayaran dan penerbangan, baik secara langsung maupun melalui produksi amonia dan bahan bakar buatan. Namun sayangnya, hanya UV yang cukup kuat untuk melakukan fotokatalisis.

“Meskipun fotokatalis anorganik yang menggunakan cahaya ultraviolet (UV) telah mencapai pemisahan air fotokatalitik dengan efisiensi tinggi, mereka mengalami kekurangan karena fraksi UV yang rendah dalam sinar matahari (sekitar 3% untuk rentang 300–400 nm).”

Namun alternatifnya mungkin bukan katalis yang lebih baik, melainkan mengubah cahaya tampak yang jauh lebih melimpah menjadi UV, atau “upkonversi foton”.

Para peneliti memfokuskan pada proses yang disebut annihilasi triplet–triplet-berbasis upkonversi foton (TTA-UC). Dalam penjelasan paling sederhana, ini menggabungkan dua foton berenergi rendah menjadi satu foton berenergi lebih tinggi dengan cara menyerapnya oleh molekul akseptor sebelum dipancarkan kembali.

Sumber: Nature

Mengoptimalkan Stabilitas Upkonversi Fotonnya

Dari Cair ke Kristal

Sejauh ini, metode upkonversi yang menggunakan molekul seperti  1,4-bis((triisopropylsilyl)ethynyl)naphthalene (TIPS-Nph) dan 2,5-diphenyloxazole (PPO) memiliki hasil kuantum (ΦUC) yang baik, tetapi volatilitas pelarut menjadi batasan kritis untuk aplikasi perangkat dan penggunaan jangka panjang.

Solusi praktisnya adalah membutuhkan material yang stabil yang dapat diterapkan secara skala besar, dengan perawatan minimal atau tanpa perawatan, sehingga seluruh lahan konverter fotokatalitik dapat dipasang untuk memproduksi hidrogen hijau secara massal.

Dalam kristal dan akseptor padat, fenomena yang disebut singlet quenching dapat mengurangi hasil kuantum.

Para peneliti telah menggunakan substitusi rantai alkil (menambahkan rantai karbon yang lebih panjang) pada molekul organik yang digunakan sebagai akseptor untuk meningkatkan stabilitas serta mengurangi kejadian pemadaman singlet.

Sumber: Nature

Mengukur Kinerja Kristal

Para peneliti menggunakan molekul yang disebut DHI (5,10-dihydroindeno[2,1-a]indene) dengan hasil kuantum hampir sempurna 96% ketika dalam bentuk cair (larutan). Namun biasanya hasilnya menurun sangat buruk ketika dalam bentuk kristal.

Saat menambahkan rantai karbon tambahan ke molekul tersebut, bentuk kristal DHI dapat mencapai hasil kuantum hingga 64%-69%. Hasil tinggi ini menunjukkan bahwa molekul donor tersebar merata di dalam kristal akseptor, memungkinkan sensitisasi triplet yang efisien.

Sumber: Nature

Material ini juga dapat diproduksi dengan teknik pembentukan film sederhana, seperti pencetakan pada suhu ruang dan spin coating, tanpa memerlukan perlakuan pemanasan khusus, sehingga lebih mungkin relevan untuk aplikasi industri berskala besar di masa depan.

Proses ini juga toleran terhadap oksigen dan bahkan memerlukannya, yang berarti tidak perlu terjadi dalam lingkungan tertutup bebas oksigen, elemen penting lain yang harus dicapai untuk aplikasi komersial.

“TTA-UC diaktifkan ketika oksigen dalam sistem dikonsumsi melalui konversi menjadi oksigen singlet. Film iBu-DHI/Ir(ppy)3 menunjukkan upkonversi di udara bahkan di bawah iradiasi intens (λdt = 370 nm, Iex = 2.0 W cm–2) selama lebih dari 1 jam.”

Sumber: Nature

Kinerja kristal umumnya bergantung pada struktur mikroskopis pada tingkat atom. Jadi para peneliti pertama-tama melakukan perhitungan teoretis untuk menentukan struktur yang mungkin dari kristal ini.

Kemudian mereka menguji kristal dengan kristalografi sinar-X dan menemukan bahwa pola difraksi sinar-X dari kristal tunggal dan film yang di-spin-coat serupa, menunjukkan mengapa metode ini berhasil.

Sumber: Nature

Ini bukan berarti kristal tidak dapat dioptimalkan lebih lanjut, dengan hasil yang bahkan lebih tinggi secara teoretis memungkinkan dengan metode yang lebih tepat untuk mengontrol pembentukan kristal individu dan organisasinya dalam lapisan tipis.

“Kinerja sistem TTA-UC Vis-ke-UV keadaan padat saat ini dapat lebih ditingkatkan dengan mengoptimalkan struktur molekul donor dan menggunakan proses kristalisasi yang terkontrol.”

Aplikasi Masa Depan

Saat ini, produksi hidrogen didominasi oleh “hidrogen abu-abu” yang dihasilkan dari bahan bakar fosil, dan sebagian kecil namun terus bertambah diproduksi dari energi terbarukan, atau “hidrogen hijau”, yang masih berjuang untuk bersaing secara ekonomi dengan bahan bakar lain.

Akhirnya, secara langsung mengambil sinar matahari dan menggunakannya untuk menghasilkan hidrogen, tanpa transmisi daya besar, baterai, kabel, dan elektrokatalis, dapat secara signifikan mengurangi total biaya instalasi tersebut. Tidak adanya langkah perantara juga akan meningkatkan efisiensi energi keseluruhan produksi hidrogen hijau, masalah serius pada metode yang menggunakan elektrokatalisis.

“Prinsip desain kromofor DHI yang dilindungi π yang dikembangkan dalam studi ini akan secara luas diterapkan pada berbagai kromofor. Ini memungkinkan sifat TTA-UC yang luar biasa dalam film tipis yang diproduksi dengan metode spin-coating dan drop-casting sederhana, membuka jalan bagi aplikasi luas dan menjanjikan revolusi kimia fotofungsional yang melibatkan triplet terangsang.”

Material keadaan padat baru dengan stabilitas baik tersebut dapat menjadikan material fotonik generasi berikutnya yang layak secara komersial dengan mengubah foton berintensitas rendah dan melimpah menjadi foton UV berintensitas tinggi yang menghasilkan hidrogen.

Berinvestasi dalam Energi Surya Tingkat Lanjut

First Solar

Saat ini, sebagian besar panel fotovoltaik dunia diproduksi di China, berkat ekosistem negara tersebut yang luas dalam produksi polisilikon dan pembuatan sel surya.

Namun, ada teknologi lain selain sel surya berbasis silikon, dan salah satu yang bertahan dalam industri surya di Barat, First Solar, memimpin di bidang ini dengan menggunakan sel surya kadmium tellurida. Kedua sel ini lebih mudah diproduksi (teknologi film tipis) dan memiliki efisiensi lebih tinggi dibanding sel berbasis silikon, meskipun dengan biaya bahan baku yang lebih tinggi.

Jenis sel ini juga lebih tahan lama, yang dapat mengubah perhitungan bagi pemilik rumah dan perusahaan utilitas saat menghitung biaya seumur hidup sel surya dan depresiasinya. Hal ini terutama benar karena kemajuan cepat dalam hasil sel surya dan penurunan biaya telah melambat dalam beberapa tahun terakhir.

Sumber: First Solar

Karena produksi sel kadmium tellurida merupakan proses manufaktur yang sebagian besar otomatis, proses ini relatif kurang sensitif terhadap perbedaan biaya tenaga kerja. Hal ini dapat membuat produksinya di negara Barat jauh lebih kompetitif, terutama ketika dijual secara lokal, dan menghilangkan biaya pengiriman dari perhitungan.

Alih-alih memiliki banyak pabrik, dengan setiap pihak berspesialisasi pada satu segmen seperti pemurnian polisilikon, dan memerlukan banyak hari untuk memproduksi sel surya, First Solar dapat beralih dari bahan mentah ke produk jadi dalam waktu kurang dari 4 jam.

Sumber: Department Of Energy

Dalam jangka panjang, First Solar berharap dapat sepenuhnya mendaur ulang kadmium tellurida dari sel lama, dan 90% dari total sel surya. Sisa 5-10% limbah modul daur ulang terutama terdiri dari partikel kaca halus, yang ditangkap oleh sistem kontrol debu dan sistem filtrasi Partikulat Udara Berefisiensi Tinggi (HEPA).

Hal ini dapat mengurangi biaya material, menghilangkan biaya ekologi dari penambangan sumber daya, dan menghilangkan risiko pencemaran.

“Dengan setiap modul yang terjual, kami juga menjual layanan pengambilan modul pada akhir masa pakainya dan mendaur ulangnya. Itu terjadi sekitar 8 tahun sebelum regulasi diterapkan di Eropa. Sekarang kami memiliki arahan limbah elektronik di mana PV menjadi bagiannya.”

Andreas Wade – Global Sustainability Director at First Solar Future Techs

Selain kadmium tellurida, First Solar juga mengeksplorasi teknologi sel surya yang lebih maju, seperti perovskit dan sel hibrida kadmium tellurida-perovskit, yang dapat memiliki efisiensi lebih tinggi dan daya tahan lebih besar.

Dalam jangka panjang, pengalaman First Solar dalam memproduksi panel fotovoltaik film tipis juga dapat diterapkan pada sel fotokatalis untuk produksi hidrogen.

Secara keseluruhan, First Solar adalah saham yang bagus bagi investor yang ingin berinvestasi dalam lonjakan energi surya dengan fokus pada produsen Barat, alih-alih produsen China yang lebih sensitif secara geopolitik.

(Anda dapat membaca lebih lanjut tentang First Solar di laporan investasi kami yang didedikasikan untuk perusahaan tersebut dan tentang energi surya dalam laporan kami “The Solar Age – A Bright Future To Mankind”)

Berita dan Perkembangan Saham First Solar (FSLR) Terbaru

Studi yang Dirujuk

^{1. Harada, N., Shoyama, H., Boonmong, N. et al. Sterically protected π-electron systems for efficient solid-state photon upconversion. Nature Communications. 17, 5134 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-73898-0}