1. Pendahuluan
Ada momen di mana dunia energi terasa seperti sedang “dikejar waktu.” Konsumsi energi global terus naik, sementara emisi karbon juga ikut menekan batas aman yang bisa ditoleransi bumi. Dampaknya sudah terasa di kehidupan sehari-hari: gelombang panas ekstrem, cuaca makin tidak stabil, dan risiko bencana iklim yang makin sulit diprediksi. Dalam situasi seperti ini, energi baru terbarukan bukan lagi opsi tambahan. Ia menjadi kebutuhan yang harus dikejar, bahkan ketika teknologinya belum sempurna.
Dari sekian banyak sumber energi terbarukan, energi surya punya daya tarik yang unik: ia tersedia hampir setiap hari, merata di banyak tempat, dan tidak butuh “bahan bakar” yang harus ditambang atau diangkut. Bagi negara tropis seperti Indonesia, matahari bahkan terasa seperti sumber energi yang terlalu melimpah untuk diabaikan.
Namun ada ironi yang sering muncul di sini. Matahari memang gratis, tapi teknologi untuk mengubah foton menjadi listrik tidak gratis. Panel surya yang kita lihat di atap rumah atau di ladang surya sebenarnya adalah hasil dari rantai inovasi panjang—material, proses fabrikasi, engineering, hingga investasi industri.
Selama ini, sel surya silikon generasi pertama memang mendominasi. Ia mapan, reliabel, dan efisiensinya tinggi. Tetapi ketika teknologi sudah mapan, muncul pertanyaan yang jauh lebih menarik: kalau silikon sudah bagus, kenapa kita masih perlu mengembangkan sel surya generasi baru?
Jawabannya bukan hanya soal mengejar “efisiensi yang lebih tinggi.” Banyak negara mungkin bisa membeli panel surya silikon. Tapi tidak semua negara bisa membangun industrinya. Teknologi silikon membutuhkan energi produksi besar, investasi besar, dan rantai pasok yang kuat. Di titik ini, pengembangan sel surya generasi baru bukan hanya proyek sains, tetapi proyek kemandirian teknologi.
Orasi Prof. Rachmat Hidayat menempatkan diskusi ini pada pusat yang jarang dibahas publik: material maju dan kinetika transport pembawa muatan. Dengan kata lain, bukan sekadar soal material bisa menyerap cahaya atau tidak, tetapi soal bagaimana muatan listrik bergerak, bertahan, dan akhirnya bisa diekstrak menjadi arus.
Dan di sinilah perbedaan antara “sel surya terlihat bekerja” dan “sel surya benar-benar efisien” mulai terasa.
Artikel ini akan membahas sel surya generasi baru dalam gaya naratif-analitis: mengapa silikon punya batas, mengapa skala nano membuka peluang baru, apa itu eksiton, dan kenapa transport pembawa muatan justru sering menjadi bottleneck terbesar dalam pengembangan teknologi photovoltaic modern.
2. Mengapa Silikon Punya Batas: Energi Hilang, Spektrum Tidak Terpakai, dan Masalah yang Tidak Bisa Diakali
Sel surya silikon sering dianggap sudah “menang” karena efisiensinya tinggi dan teknologinya matang. Dan itu benar. Tapi kematangan teknologi tidak berarti tidak ada batas. Justru semakin matang sebuah teknologi, semakin jelas kita melihat plafonnya.
Pada sel surya silikon, plafon ini dikenal sebagai batas teoritis yang muncul karena dua sumber rugi utama.
Pertama, rugi termalisasi.
Ini terjadi ketika foton yang energinya lebih tinggi dari bandgap diserap, tetapi kelebihan energinya tidak diubah menjadi listrik. Ia justru dilepas sebagai panas. Dengan kata lain, foton “mahal” masuk, tetapi sebagian energinya terbuang begitu saja karena sistem hanya bisa memanfaatkan bagian tertentu.
Kedua, rugi ekstraksi.
Ini terjadi ketika muatan listrik yang sudah terbentuk tidak semuanya berhasil keluar menjadi arus. Sebagian rekombinasi duluan. Sebagian terperangkap. Sebagian hilang di jalur transport.
Dua rugi ini membuat sel surya silikon tidak mungkin mengonversi energi matahari 100% menjadi listrik. Bahkan secara teori, ada batas efisiensi maksimum yang membuat silikon “tidak bisa naik” melewati level tertentu walaupun proses fabrikasinya dibuat sangat sempurna.
Dan ada satu fakta lain yang lebih mendasar: spektrum matahari itu luas, tetapi silikon hanya menyerap bagian tertentu saja. Artinya, masih ada bagian energi matahari yang melewati perangkat tanpa pernah berubah menjadi listrik.
Di titik ini, kita mulai melihat kenapa generasi baru sel surya masih dicari. Bukan karena silikon buruk, tetapi karena silikon punya batas alami.
Lalu masuklah konsep material maju dan nanoteknologi.
Skala nano membuka peluang karena ketika ukuran material diperkecil, sifat elektronik dan optiknya bisa berubah. Sistem energi yang biasanya “fixed” pada material bulk mulai bisa direkayasa. Kita bisa mengatur bandgap, mengatur jalur transport, mengatur interaksi cahaya-materi, bahkan mengatur bagaimana muatan terbentuk dan bergerak.
Tapi di sini muncul tantangan yang tidak selalu disadari orang: semakin “baru” materialnya, semakin rumit perilaku muatannya.
Dalam silikon kristalin, pembawa muatan (elektron dan hole) bisa dianggap cukup bebas setelah terbentuk. Tetapi pada banyak sel surya generasi baru—misalnya sel surya polimer—ceritanya tidak sesederhana itu. Yang pertama terbentuk sering bukan elektron bebas, tetapi pasangan elektron-hole yang masih terikat, yang dikenal sebagai eksiton.
Eksiton ini punya energi ikat cukup kuat sehingga ia tidak otomatis terpisah menjadi muatan bebas. Ini membuat banyak sel surya generasi baru harus memakai pasangan material donor-akseptor, agar eksiton bisa dipisahkan dan menghasilkan pembawa muatan yang bisa mengalir sebagai arus.
Di titik ini, kualitas sebuah sel surya tidak lagi ditentukan hanya oleh “seberapa banyak cahaya yang diserap,” tetapi oleh pertanyaan yang lebih menentukan:
-
seberapa efektif eksiton bisa dipisahkan,
-
seberapa cepat muatan bisa bergerak,
-
seberapa kecil peluang muatan hilang sebelum diekstrak.
Inilah mengapa topik transport pembawa muatan menjadi kunci. Banyak material bisa dibuat menyerap cahaya dengan baik. Tapi tidak semua material bisa membawa muatan keluar dengan efisien. Dan di industri photovoltaic, kemampuan membawa muatan ini sering menjadi pembeda antara teknologi yang sukses secara komersial dan teknologi yang hanya bagus di makalah riset.
Dengan kata lain, sel surya generasi baru tidak cukup “lebih modern.” Ia harus menyelesaikan masalah paling dasar: bagaimana memastikan muatan bergerak sampai keluar sebelum mati di tengah jalan.
3. Eksiton, Donor–Akseptor, dan Kenapa Sel Surya Polimer Punya Karakter Berbeda
Kalau sel surya silikon terasa “lurus” ceritanya—foton masuk, elektron terlepas, lalu arus keluar—maka sel surya generasi baru sering punya plot yang lebih rumit. Bukan karena desainnya sengaja dibuat sulit, tetapi karena sifat materialnya memang berbeda sejak level paling dasar: bagaimana muatan lahir.
Pada silikon kristalin, setelah cahaya diserap, elektron dan hole relatif mudah dianggap sebagai pembawa muatan bebas. Mereka bisa bergerak dan dipisahkan oleh medan listrik internal sambungan p–n. Sistem ini sudah dipahami puluhan tahun, dan karena itulah silikon menjadi “stabil” secara industri.
Tetapi pada sel surya polimer, pembentukan muatan sering tidak langsung menghasilkan elektron bebas.
Yang muncul pertama kali adalah pasangan elektron–hole yang masih terikat—itulah eksiton. Eksiton ini bukan sekadar istilah tambahan, tapi sumber utama kenapa sel surya polimer tidak bisa diperlakukan seperti silikon. Energi ikat eksiton pada material organik cenderung lebih kuat, sehingga ia tidak otomatis pecah menjadi muatan bebas. Kalau eksiton tidak pecah, tidak ada arus yang bisa diekstrak.
Di sinilah konsep donor–akseptor menjadi krusial.
Sel surya polimer biasanya memakai struktur heterojunction: material donor yang menyerap cahaya dipasangkan dengan material akseptor yang punya kecenderungan menerima elektron. Tujuannya bukan sekadar “campur dua bahan,” tetapi menciptakan titik temu energi yang memaksa eksiton terpisah: elektron pindah ke akseptor, hole tetap di donor.
Proses ini membuat sel surya polimer punya karakter yang sangat khas:
-
ia butuh antarmuka donor–akseptor yang cukup luas agar peluang eksiton bertemu “jalan keluar” makin besar,
-
ia butuh morfologi yang tepat, karena antarmuka yang bagus tapi jalur transportnya putus-putus tetap tidak menghasilkan arus optimal,
-
ia sangat sensitif terhadap skala nano, karena panjang difusi eksiton itu terbatas dan harus “menemukan antarmuka” sebelum rekombinasi.
Di sinilah istilah skala nano menjadi nyata, bukan kosmetik.
Sering kali orang membayangkan nano hanya sebagai ukuran kecil yang terdengar futuristik. Padahal pada sel surya generasi baru, nano itu adalah syarat kerja. Karena proses penting di sel surya organik terjadi pada rentang ruang yang sangat pendek dan waktu yang sangat cepat. Skala nano bukan aksesori, tapi arena tempat efisiensi ditentukan.
Dan ini menjelaskan kenapa sel surya polimer tidak bisa hanya dinilai dari seberapa banyak ia menyerap cahaya. Ia harus dinilai dari seberapa bagus ia mengubah eksiton menjadi pembawa muatan bebas, dan seberapa cepat pembawa muatan itu keluar sebelum hilang.
Di titik ini, sel surya generasi baru bukan lagi persoalan “material baru,” tapi persoalan “mekanisme baru.”
4. Transport Pembawa Muatan: Bottleneck yang Menentukan Efisiensi, Stabilitas, dan Masa Depan PV Generasi Baru
Ada satu kesan yang sering menipu dalam teknologi sel surya: seolah-olah masalah utama adalah penyerapan cahaya. Padahal di banyak sistem generasi baru, menyerap cahaya bukan bagian tersulit. Yang lebih sulit adalah menjaga hasil penyerapan itu tetap hidup sampai menjadi arus listrik.
Di sinilah transport pembawa muatan mengambil panggung utama.
Transport pembawa muatan berarti perjalanan elektron dan hole setelah mereka terbentuk. Di atas kertas, ceritanya sederhana: muatan bergerak ke elektroda, lalu keluar sebagai arus. Tetapi di dalam material nyata, perjalanan itu penuh risiko.
Muatan bisa mengalami rekombinasi (hilang sebelum keluar), bisa terjebak dalam cacat struktur, bisa kehilangan jalur karena morfologi yang tidak mendukung, atau bisa tertahan di antarmuka yang seharusnya menjadi “jalan tol” tetapi malah menjadi “kemacetan.”
Dan perbedaan terbesar antara sel surya silikon dan sel surya generasi baru sering ada di sini: jalur transport.
Pada silikon kristalin yang kualitasnya tinggi, jalur transport relatif bersih. Sementara pada material organik atau nano-komposit, jalur transport sering seperti kota tanpa tata ruang yang rapi: ada rute cepat, ada jalan buntu, ada hambatan, dan ada area yang membuat muatan berhenti terlalu lama.
Itulah kenapa kinetika transport pembawa muatan menjadi kata kunci.
Kinetika bukan hanya berbicara “muatan bergerak atau tidak,” tetapi seberapa cepat ia bergerak dibanding seberapa cepat ia mati. Kalau muatan bergerak lambat, ia punya peluang besar untuk hilang. Kalau muatan bergerak cepat, peluang berhasil diekstrak meningkat.
Di sini kita bisa membaca efisiensi sel surya generasi baru sebagai pertandingan dua waktu:
-
waktu yang dibutuhkan muatan untuk sampai ke elektroda,
-
waktu hidup muatan sebelum rekombinasi.
Kalau waktu hidup lebih pendek daripada waktu perjalanan, sistem kalah.
Dan ini menjelaskan kenapa banyak riset generasi baru fokus pada hal-hal seperti mobilitas muatan, trap density, peran domain donor–akseptor, serta struktur nano yang dapat mengarahkan pergerakan muatan agar lebih “langsung.”
Yang menarik, transport muatan juga terkait erat dengan stabilitas.
Banyak sel surya generasi baru tampak menjanjikan saat awal, tetapi performanya menurun ketika dipakai lebih lama. Ini sering bukan hanya masalah degradasi material akibat cahaya, tetapi juga perubahan mikrostruktur yang mengganggu jalur transport. Jalur yang awalnya kontinu bisa berubah menjadi terputus. Antarmuka donor–akseptor bisa mengalami reorganisasi. Dan ketika jalur transport berubah, efisiensi turun bahkan kalau materialnya masih bisa menyerap cahaya.
Di titik ini, transport muatan bukan hanya menentukan efisiensi, tetapi menentukan umur teknologi.
Kalau Indonesia ingin mengembangkan sel surya generasi baru secara serius, maka fokusnya tidak bisa hanya pada pencarian material yang murah atau mudah dibuat. Fokusnya harus pada kemampuan membuat sistem yang stabil: muatan lahir dengan efektif, bergerak dengan cepat, dan bertahan cukup lama untuk diekstrak.
Karena pada akhirnya, teknologi photovoltaic bukan lomba “siapa paling inovatif di lab,” tetapi lomba siapa yang bisa menghasilkan perangkat yang bekerja konsisten di dunia nyata.
Dan itulah mengapa eksplorasi material maju selalu harus berjalan bersama kinetika transport pembawa muatan. Dua hal ini seperti pasangan yang tidak bisa dipisahkan: material memberi potensi, transport memberi realisasi.
5. Strategi Rekayasa Material Maju: Domain Nano, Plasmonik, dan “Menjinakkan” Kerugian Energi
Setelah kita paham bahwa sel surya generasi baru sering kalah bukan karena kurang menyerap cahaya, tetapi karena muatannya sulit bergerak dan mudah hilang, maka pertanyaannya berubah: apa strategi yang bisa dipakai untuk memperbaikinya?
Di sinilah rekayasa material maju masuk sebagai pendekatan yang lebih serius daripada sekadar “mencoba bahan baru.”
Karena dalam teknologi photovoltaic, ada pola yang hampir selalu berulang: material baru membawa potensi, tetapi potensi itu hanya menjadi nyata kalau struktur perangkatnya dibuat mendukung. Dan dukungan itu sering terjadi di level nano—di level yang tidak terlihat mata, tetapi menentukan jalur energi.
Salah satu strategi utama adalah rekayasa morfologi donor–akseptor.
Tujuan morfologi di sini sebenarnya sangat pragmatis:
-
antarmuka donor–akseptor harus cukup luas supaya eksiton cepat terpisah,
-
tetapi domainnya juga harus cukup kontinu supaya elektron dan hole punya jalur jelas ke elektroda.
Ini seperti desain kota: kita butuh banyak pintu keluar, tetapi kita juga butuh jalan raya yang nyambung. Terlalu banyak antarmuka tapi jalurnya putus-putus membuat muatan terjebak. Terlalu sedikit antarmuka membuat eksiton mati sebelum terpisah.
Di sinilah tantangan sel surya generasi baru terlihat sangat “detail.” Ia bukan permainan ide besar, tetapi permainan keseimbangan.
Strategi berikutnya adalah memperbaiki kualitas transport lewat pengurangan trap.
Trap bisa dianggap sebagai “lubang kecil” tempat muatan terjatuh dan tidak bisa keluar. Trap ini bisa muncul karena cacat struktur, ketidakteraturan rantai polimer, ketidakseragaman ukuran domain, atau gangguan lain pada material. Ketika trap tinggi, mobilitas muatan turun dan rekombinasi meningkat.
Maka banyak penelitian mengarah pada:
-
pemurnian material,
-
pengaturan kondisi fabrikasi,
-
penggunaan aditif tertentu untuk mengatur self-assembly,
-
hingga rekayasa lapisan antarmuka agar injeksi dan ekstraksi muatan lebih halus.
Namun ada strategi lain yang terasa lebih “ambisius,” yaitu memanipulasi cahaya itu sendiri.
Salah satu gagasan yang sering muncul dalam material nano adalah plasmonik.
Plasmonik secara singkat adalah fenomena ketika nanopartikel logam (misalnya emas atau perak pada skala tertentu) dapat memperkuat medan elektromagnetik lokal saat terkena cahaya. Dalam konteks sel surya, hal ini bisa meningkatkan penyerapan cahaya pada lapisan aktif tanpa harus menambah ketebalan material.
Kenapa ketebalan penting? Karena semakin tebal lapisan aktif, semakin banyak cahaya yang diserap, tetapi semakin sulit muatan keluar. Ini dilema klasik: penyerapan butuh ketebalan, transport butuh tipis.
Plasmonik menawarkan jalan kompromi: penyerapan bisa diperkuat tanpa harus menambah jarak transport terlalu jauh.
Tentu pendekatan ini tidak selalu mudah. Menempatkan nanopartikel logam secara sembarangan bisa menimbulkan efek sebaliknya: meningkatkan rekombinasi, menciptakan jalur rugi baru, atau merusak stabilitas. Tetapi secara konsep, ini menunjukkan bagaimana material maju berusaha menyelesaikan dua masalah sekaligus: menangkap cahaya lebih banyak, tetapi menjaga transport tetap singkat.
Ada juga strategi yang lebih sistemik, yaitu memikirkan generasi sel surya tidak sebagai “satu perangkat tunggal,” tetapi sebagai platform.
Contohnya tandem solar cell, di mana beberapa lapisan dengan bandgap berbeda digabungkan agar spektrum matahari bisa dimanfaatkan lebih luas. Dengan tandem, energi matahari yang biasanya terbuang di satu lapisan bisa ditangkap di lapisan lain. Ini salah satu strategi untuk menembus batas efisiensi sel surya tunggal.
Namun sekali lagi, begitu strategi ini diterapkan, tantangan transport muncul lagi, bahkan lebih kompleks. Karena muatan bukan hanya harus bergerak di satu lapisan, tetapi harus sinkron antar lapisan. Dan sinkronisasi antar lapisan ini menuntut kualitas antarmuka yang lebih presisi.
Pada titik ini, kita bisa melihat bahwa strategi rekayasa material maju bukan hanya menambah fitur baru, tetapi mengurangi rugi-rugi fundamental.
Dan rugi fundamental di sel surya generasi baru sering berkaitan dengan:
-
eksiton yang gagal terpisah,
-
muatan yang bergerak terlalu lambat,
-
muatan yang hilang karena rekombinasi,
-
serta jalur ekstraksi yang tidak efisien.
Maka perkembangan sel surya generasi baru bukan hanya cerita “panel masa depan,” tetapi cerita bagaimana kita menata ulang perjalanan energi dari foton menjadi arus listrik, agar tidak bocor di tengah jalan.
6. Kesimpulan: Sel Surya Generasi Baru Menang Jika Transport Muatannya Menang
Sel surya generasi baru sering datang dengan janji besar: lebih fleksibel, lebih ringan, lebih murah diproduksi, dan lebih adaptif untuk aplikasi modern. Tetapi janji itu tidak otomatis menjadi kenyataan. Karena pada akhirnya, ukuran keberhasilan sel surya tetap sama: berapa banyak energi matahari yang benar-benar keluar sebagai listrik.
Dan dalam pembahasan ini, kita bisa melihat satu kesimpulan yang terasa kuat: kualitas transport pembawa muatan sering menjadi penentu utama.
Silikon generasi pertama mendominasi bukan hanya karena ia bisa menyerap cahaya, tetapi karena jalur muatannya relatif “bersih.” Ketika muatan terbentuk, ia bisa bergerak dan diekstrak dengan cukup efisien. Sementara dalam sel surya organik atau sistem nano-material lain, penyerapan cahaya mungkin bisa dibuat tinggi, tetapi perjalanan muatan sering menjadi bottleneck.
Eksiton muncul sebagai tantangan khas material organik. Ia harus dipisahkan dengan desain donor–akseptor yang tepat. Tetapi setelah pemisahan terjadi, tantangan berikutnya langsung muncul: muatan harus bergerak cepat, tidak terjebak, dan tidak mati sebelum mencapai elektroda.
Karena itu, meningkatkan performa sel surya generasi baru bukan hanya soal memilih material baru, tetapi menyusun sistem yang membuat muatan bisa hidup lebih lama daripada waktu yang ia butuhkan untuk keluar.
Dan di sinilah rekayasa material maju bekerja: mengatur morfologi, mengurangi trap, memperbaiki antarmuka, memperkuat penyerapan lewat strategi optik seperti plasmonik, bahkan menggabungkan beberapa lapisan lewat pendekatan tandem.
Namun semua itu mengarah ke tujuan yang sama: mengurangi rugi-rugi yang membuat energi hilang.
Jika Indonesia ingin bergerak menuju kemandirian energi surya, maka proyeknya bukan hanya menambah instalasi panel. Proyeknya adalah membangun kemampuan memahami material, memahami mekanisme muatan, dan membangun perangkat yang stabil di iklim nyata.
Sel surya generasi baru akan menjadi teknologi yang memenangkan masa depan bukan karena terlihat modern, tetapi karena ia mampu mengubah foton menjadi arus dengan cara yang lebih efektif dan lebih tahan lama.
Dan untuk itu, kunci paling senyap tetapi paling menentukan tetap sama: transport pembawa muatan.
Daftar Pustaka
Hidayat, R. (2024). Eksplorasi material maju untuk sel surya generasi baru: Kinetika transport pembawa muatan. Orasi Ilmiah Guru Besar, Institut Teknologi Bandung.
Green, M. A. (2020). Solar cells: Operating principles, technology, and system applications. University of New South Wales.
Brabec, C. J., Gowrisanker, S., Halls, J. J. M., Laird, D., Jia, S., & Williams, S. P. (2010). Polymer–fullerene bulk-heterojunction solar cells. Advanced Materials, 22(34), 3839–3856.
Scharber, M. C., & Sariciftci, N. S. (2013). Efficiency of bulk-heterojunction organic solar cells. Progress in Polymer Science, 38(12), 1929–1940.
Atwater, H. A., & Polman, A. (2010). Plasmonics for improved photovoltaic devices. Nature Materials, 9(3), 205–213.