Ditulis oleh Haikal Ahmad Siregar

Pendahuluan

Selama beberapa dekade, permintaan akan energi bersih terus meningkat seiring dengan penurunan cadangan bahan bakar fosil. Untuk mengurangi jejak karbon dan mengatasi perubahan iklim, fokus utamanya adalah teknologi energi terbarukan dan pembangunan berkelanjutan. Salah satu sumber energi terbarukan paling melimpah di Bumi adalah energi surya, yang kini semakin berkembang di sektor energi (International Renewable Energy Agency [IRENA], 2021). Solusi ideal untuk menghasilkan energi bersih sambil menjaga estetika dan fungsi bangunan adalah building-integrated photovoltaics (BIPV). Panel surya terintegrasi secara langsung dapat mengurangi konsumsi energi dari jaringan listrik konvensional (Green et al., 2019).

Perovskite Solar Cells (PSC) adalah inovasi terbaru dalam teknologi fotovoltaik dengan potensi besar untuk meningkatkan efisiensi konversi energi surya. Dibandingkan dengan sel surya silikon konvensional, PSC menawarkan efisiensi tinggi, biaya produksi lebih rendah, serta fleksibilitas desain yang memungkinkan penggunaannya pada berbagai bentuk dan struktur bangunan (Kojima et al., 2009). Meskipun PSC masih dalam tahap pengembangan, teknologi ini cocok untuk aplikasi BIPV, terutama jika dikombinasikan dengan teknologi tandem photovoltaic yang menggabungkan beberapa material untuk meningkatkan efisiensi dan menangkap spektrum cahaya lebih luas.

Photovoltaic tandem meningkatkan efisiensi dengan mengombinasikan lapisan material berbeda, seperti perovskite dan silikon, yang masing-masing menangkap spektrum cahaya tertentu. Konfigurasi tandem ini memungkinkan BIPV menjadi sumber energi bersih yang andal untuk bangunan serta membantu menciptakan lingkungan perkotaan yang berkelanjutan melalui konversi energi yang lebih optimal (McMeekin et al., 2016).

Penelitian ini akan mengkaji potensi penggabungan PSC dalam konfigurasi tandem photovoltaic untuk aplikasi BIPV. Studi ini tidak hanya membahas bagaimana teknologi tandem dapat meningkatkan efisiensi energi, tetapi juga teknologi berkelanjutan yang dibutuhkan untuk memenuhi permintaan energi di masa depan.

Perovskite Solar Cells (PSC): Karakteristik dan Potensi

Perovskite solar cell (PSC) adalah jenis sel surya yang memanfaatkan material perovskite sebagai komponen utamanya. Struktur kristal perovskite memungkinkan tingkat konversi energi yang tinggi, karena senyawa berbasis timbal atau timah yang diapit oleh anion halida (seperti iodida atau bromida) mampu mengumpulkan dan mengalirkan elektron saat terkena cahaya matahari. Selain efisien, PSC juga fleksibel dalam desainnya sehingga bisa diaplikasikan pada berbagai permukaan, mulai dari film tipis hingga panel kaca, serta dapat diproduksi pada suhu rendah, menjadikannya lebih hemat biaya dibandingkan silikon. Namun, tantangan stabilitas tetap ada, karena material ini mudah rusak oleh uap air dan sinar ultraviolet. Masalah lingkungan terkait kandungan timbal juga menimbulkan kekhawatiran, sehingga penelitian untuk pengembangan bahan perovskite yang lebih stabil dan ramah lingkungan terus dilakukan (Park et al., 2022).

Tandem Photovoltaic dalam Teknologi Sel Surya

Tandem photovoltaic adalah teknologi yang menggabungkan dua atau lebih lapisan material yang berbeda untuk mengonversi cahaya dalam rentang spektrum yang lebih luas sehingga meningkatkan efisiensi konversi energi. Ide dasar dari tandem photovoltaic adalah bahwa setiap lapisan dapat menyerap spektrum cahaya yang paling sesuai dengan karakteristik materialnya, sehingga energi yang hilang dapat diminimalkan. Dalam situasi ini, tandem PSC dengan silikon dapat mencapai efisiensi yang lebih tinggi daripada yang dapat dicapai oleh teknologi single-junction. Misalnya, efisiensi konversi energi kombinasi PSC dan silikon dapat mencapai hingga 30%, dibandingkan dengan efisiensi sel surya silikon tunggal yang biasanya sekitar 22% (Chen et al., 2022).

Gambar 1. Perbandingan photovoltaic efficiency untuk teknologi solar cell yang berbeda. (Sumber: Dokumentasi penulis)

Keunggulan teknologi tandem PSC tidak hanya dalam hal efisiensi, tetapi juga dalam fleksibilitas aplikasinya pada bangunan. Kombinasi PSC dalam tandem photovoltaic sangat cocok untuk integrasi dalam bangunan yang membutuhkan estetika dan efisiensi energi, seperti pada konsep Building-Integrated Photovoltaic (BIPV). Dengan efisiensi yang lebih tinggi, tandem PSC dapat menjadi solusi ideal untuk memenuhi kebutuhan energi bangunan modern sambil tetap mempertahankan desain arsitektur yang menarik.

Implementasi BIPV dengan Perovskite Solar Cells dan Tandem Photovoltaic

Dalam BIPV, PSC atau tandem PSC dapat dirancang dan diintegrasikan pada fasad, jendela, atau atap bangunan untuk memungkinkan bangunan menghasilkan energi sendiri. Dalam desain ini, PSC atau tandem PSC dapat digunakan pada kaca semi-transparan atau transparan untuk digunakan pada jendela bangunan, yang memungkinkan cahaya masuk dan menghasilkan energi. Selain meningkatkan tampilan bangunan, hal ini meningkatkan efisiensi energi dengan mengurangi konsumsi daya dari jaringan utama. Beberapa keuntungan dari penerapan BIPV dengan teknologi tandem termasuk peningkatan efisiensi energi bangunan dan fleksibilitas desain. Selain itu, PSC dalam BIPV dapat membantu secara signifikan mengurangi biaya listrik untuk bangunan komersial dan residensial yang sangat mengkonsumsi energi (Yang et al., 2022).

Namun, implementasi BIPV menghadirkan tantangan, seperti persyaratan perawatan khusus untuk memastikan stabilitas dan kinerja optimal dalam jangka panjang, serta biaya awal yang relatif tinggi untuk pemasangan teknologi PSC. Selain itu, ada masalah dengan regulasi karena tidak semua wilayah memiliki peraturan yang mendukung integrasi sel surya secara luas ke dalam struktur bangunan. Tetapi dengan kemajuan teknologi yang terus berlanjut, masalah ini diharapkan dapat diatasi di masa depan.

Gambar 2. Komposisi perovskite solar cell dalam implementasi ke bangunan. (Sumber: Song et al., 2022)

Studi Kasus atau Contoh Implementasi BIPV dengan Perovskite Tandem Photovoltaic

Beberapa struktur modern di Asia dan Eropa telah mengintegrasikan BIPV berbasis PSC dan teknologi tandem photovoltaic. Sebuah studi kasus menunjukkan bahwa penerapan teknologi ini dapat mengurangi biaya listrik hingga 20% sekaligus mengurangi emisi karbon. Selain manfaat ekonomi, teknologi BIPV juga berperan penting dalam mendukung upaya mitigasi perubahan iklim, karena bangunan yang dilengkapi dengan BIPV dapat mengurangi ketergantungan pada jaringan listrik berbasis bahan bakar fosil​.

Di Jakarta, teknologi BIPV berbasis tandem perovskite memiliki potensi besar. Dengan kondisi iklim yang mendukung, gedung-gedung perkantoran di Jakarta dapat menghasilkan listrik dari matahari sepanjang tahun menggunakan panel semi-transparan pada fasad, jendela, atau atap. Selain menurunkan biaya operasional, teknologi ini membantu Indonesia mencapai target energi terbarukan serta mendukung pencapaian standar lingkungan yang lebih tinggi.

Estimasi Ekonomi Sederhana

Untuk memperkirakan biaya dan manfaat ekonomi secara sederhana, berikut adalah beberapa komponen utama yang perlu dipertimbangkan:

• Biaya Awal (Capex): meliputi biaya pembelian dan pemasangan panel perovskite tandem photovoltaic pada fasad, jendela, atau atap bangunan.
• Biaya Operasional dan Pemeliharaan (Opex): meliputi perawatan rutin untuk menjaga kinerja panel dan biaya tambahan untuk perbaikan.
• Penghematan Energi: estimasi pengurangan biaya listrik yang diperoleh dari energi yang dihasilkan panel surya.
• Payback Period: estimasi waktu yang dibutuhkan untuk mencapai pengembalian investasi dari penghematan energi.
• Tabel Estimasi Ekonomi Sederhana

Tabel 1. Estimasi ekonomi sederhana.

Analisis SWOT Implementasi Teknologi Perovskite Tandem Photovoltaic pada Gedung Perkantoran

1. Strengths (Kekuatan):

• Efisiensi Energi Tinggi: Teknologi tandem perovskite menghasilkan lebih banyak listrik dari sinar matahari karena lebih efisien daripada teknologi sel surya konvensional.
• Fleksibilitas Desain: Panel perovskite dapat dipasang pada berbagai bagian gedung, seperti jendela atau fasad, tanpa mengurangi estetika.
• Dukungan terhadap Lingkungan: Teknologi ini mendukung tujuan energi terbarukan Indonesia dan membantu mengurangi emisi karbon.

2. Weaknesses (Kelemahan):

• Biaya Awal yang Tinggi: Investasi awal untuk material dan instalasi masih sangat besar.
• Tantangan Stabilitas Material: Cuaca ekstrim dapat merusak perovskite, yang memerlukan perawatan tambahan.
• Teknologi yang Masih Baru: Penggunaan perovskite tandem photovoltaic masih dalam tahap pengembangan, dan adopsinya terbatas.

3. Opportunities (Peluang):

• Kondisi Iklim yang Mendukung: Paparan sinar matahari di Jakarta sepanjang tahun meningkatkan potensi produksi energi.
• Dukungan Pemerintah: Pemerintah Indonesia mendukung penggunaan energi terbarukan dengan menawarkan berbagai insentif untuk proyek yang bertanggung jawab terhadap lingkungan.
• Peningkatan Daya Tarik Properti: Bangunan yang ramah lingkungan yang dibangun dengan teknologi modern menjadi daya tarik bagi perusahaan multinasional yang peduli lingkungan.

4. Threats (Ancaman):

• Perubahan Kebijakan: Perubahan kebijakan energi atau lingkungan dapat mempengaruhi insentif dan dukungan proyek ini.
• Persaingan Teknologi Lain: Investor mungkin lebih suka teknologi energi terbarukan lainnya, seperti solar panel silikon yang lebih stabil.
• Ketidakpastian Pasar: Kelayakan ekonomi jangka panjang dapat dipengaruhi oleh fluktuasi biaya bahan baku dan teknologi energi terbarukan.

Kesimpulan

Teknologi perovskite solar cells (PSC) menunjukkan potensi besar untuk mendukung pembangunan berkelanjutan, khususnya untuk gedung perkantoran di kawasan perkotaan. Teknologi ini memungkinkan tingkat efisiensi konversi energi hingga 30% dalam konfigurasi tandem, yang merupakan peningkatan signifikan dibandingkan dengan efisiensi sel surya berbasis silikon biasa yang berkisar antara 20 hingga 25%. Selain keunggulan efisiensi, PSC juga menawarkan prospek pengurangan biaya produksi berkat proses pemrosesan suhu rendah yang lebih sederhana. Namun, ada masalah dengan stabilitas material terhadap kotoran.

Dari perspektif ekonomi, teknologi ini akan menghasilkan pengembalian investasi dalam 5–8 tahun, tergantung pada skala penghematan energi tahunan, yang dapat mencapai hingga Rp 500 juta hingga Rp 1 miliar untuk gedung besar. Potensi ini juga didukung oleh fleksibilitas desain sistem BIPV, di mana PSC dapat diintegrasikan pada berbagai permukaan bangunan, seperti fasad, jendela, dan atap. Ini meningkatkan daya tarik estetis sekaligus meningkatkan fungsionalitas energi gedung modern.

Ke depan, peningkatan riset dan investasi dalam stabilitas serta ketahanan PSC dalam lingkungan BIPV diperlukan untuk menjawab tantangan teknis yang ada, sekaligus memperkuat prospek teknologi ini sebagai solusi energi terbarukan yang efektif dan andal. Dengan demikian, PSC berpotensi menjadi komponen vital dalam infrastruktur perkotaan masa depan yang efisien energi dan berkelanjutan, sejalan dengan komitmen global terhadap pengurangan emisi karbon dan transisi energi.

Daftar Pustaka

Brittman, S., & Adhyaksa, G. W. P. (2022). Perovskite Photovoltaics for Building Integrated Applications: Overcoming Stability and Efficiency Challenges. Cell Reports Physical Science, 3(11), 100731. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.100731

Green, M. A., Dunlop, E. D., Hohl-Ebinger, J., Yoshita, M., Kopidakis, N., & Ho-Baillie, A. W. Y. (2020). Solar cell efficiency tables (version 56). Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 28(7), 629-638. https://doi.org/10.1002/pip.3303

International Renewable Energy Agency. (2021). Renewable capacity highlights. Retrieved from https://www.irena.org/Publications

Jena, A. K., Kulkarni, A., & Miyasaka, T. (2019). Halide Perovskite Photovoltaics: Background, Status, and Future Prospects. Chemical Reviews, 119(5), 3036-3103. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.8b00539

Jia, Y., Lin, H., He, Z., Zhang, X., Liu, X., Guo, Q., … & Chen, W. (2022). Efficient and stable perovskite tandem solar cells for building-integrated photovoltaics. Cell Reports Physical Science, 3(10), 100750. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.100750

Jiang, Q., Zhao, Y., & Zhang, X. (2020). The rise of formamidinium lead halide perovskites. Nature Reviews Materials, 5(8), 614-630. https://doi.org/10.1038/s41578-020-0197-2\

Kojima, A., Teshima, K., Shirai, Y., & Miyasaka, T. (2009). Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells. Journal of the American Chemical Society, 131(17), 6050–6051. https://doi.org/10.1021/ja809598r

McMeekin, D. P., Sadoughi, G., Rehman, W., Eperon, G. E., Saliba, M., Hörantner, M. T., Haghighirad, A. A., Sakai, N., Korte, L., Rech, B., Johnston, M. B., Herz, L. M., & Snaith, H. J. (2016). A mixed-cation lead mixed-halide perovskite absorber for tandem solar cells. Science, 351(6269), 151-155. https://doi.org/10.1126/science.aad5845

National Renewable Energy Laboratory. (2021). Photovoltaic research: Perovskite and tandem solar cells. Retrieved from https://www.nrel.gov/pv

Park, N.-G. (2015). Perovskite solar cells: An emerging photovoltaic technology. Materials Today, 18(2), 65-72. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2014.07.007

Smith, S., & Korgel, B. A. (2021). Tandem Solar Cells: Efficiency Limits and Pathways to Higher Photovoltaic Performance. Energy & Environmental Science, 14(7), 3669–3691. https://doi.org/10.1039/D1EE00606A

Song, T., Chae, H., Li, N., & Snaith, H. J. (2022). Recent progress and challenges in perovskite tandem photovoltaics. Cell Reports Physical Science, 3(7), 100839. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.100839

Tsai, H., Nie, W., Blancon, J.-C., Stoumpos, C. C., Asadpour, R., Harutyunyan, B., … & Kanatzidis, M. G. (2016). High-efficiency two-dimensional Ruddlesden-Popper perovskite solar cells. Nature, 536(7616), 312–316. https://doi.org/10.1038/nature18306