Ketika panel surya kehilangan kemampuannya untuk menghasilkan listrik setelah matahari terbenam, tantangan besar bagi energi terbarukan tetap ada: bagaimana menyimpan energi matahari untuk digunakan nanti, baik pada hari mendung atau malam hari.
Peneliti UC Santa Barbara yakin mereka telah menemukan jawaban yang menghindari kebutuhan akan sistem baterai besar-besaran atau ketergantungan pada jaringan listrik. Menulis di jurnal Science, Associate Professor Grace Han dan tim penelitinya menjelaskan material baru yang dapat menyerap sinar matahari, menyimpan energi tersebut dalam ikatan kimia, dan kemudian melepaskannya sebagai panas saat dibutuhkan. Bahan ini didasarkan pada molekul organik yang dimodifikasi yang disebut pirimidon dan mewakili kemajuan baru dalam teknologi penyimpanan energi panas matahari molekuler (MOST).
“Konsep ini dapat digunakan kembali dan didaur ulang,” kata Han Nguyen, seorang mahasiswa doktoral di kelompok Han dan penulis utama studi tersebut.
“Pikirkan tentang kacamata hitam fotokromik. Ketika Anda berada di dalam, itu hanyalah lensa bening. Anda keluar di bawah sinar matahari dan kacamata itu menjadi gelap dengan sendirinya. Kembali ke dalam dan lensanya menjadi jernih lagi,” lanjut Nguyen. “Perubahan yang dapat dibalik seperti inilah yang kami minati. Namun alih-alih mengubah warna, kami ingin menggunakan ide yang sama untuk menyimpan energi, melepaskannya saat kami membutuhkannya, dan kemudian menggunakan kembali material tersebut berulang kali.”
Penyimpanan energi matahari yang terinspirasi DNA
Para ilmuwan mendapat inspirasi dari sumber tak terduga ketika merancang molekul: DNA. Struktur pirimidon menyerupai komponen alami dalam DNA yang dapat berubah bentuk secara reversibel bila terkena sinar ultraviolet.
Dengan menggunakan versi sintetis dari struktur ini, tim merancang sebuah molekul yang mampu menyimpan dan melepaskan energi berulang kali. Untuk lebih memahami mengapa molekul tetap stabil sambil mempertahankan energi untuk jangka waktu yang lama, para peneliti bekerja sama dengan Profesor Riset Terhormat UCLA, Ken Houk. Pemodelan komputer membantu menjelaskan bagaimana material tersebut dapat mempertahankan energi yang tersimpan selama bertahun-tahun tanpa kehilangan energi yang signifikan.
“Kami memprioritaskan desain molekul yang ringan dan kompak,” kata Nguyen. “Untuk proyek ini, kami menghilangkan semua yang tidak kami perlukan. Segala sesuatu yang tidak diperlukan, kami keluarkan untuk membuat molekulnya sekompak mungkin.”
“Baterai surya” yang dapat digunakan kembali
Berbeda dengan panel surya standar yang langsung mengubah sinar matahari menjadi listrik, sistem ini menyimpan energi secara kimia. Molekul tersebut berperilaku seperti pegas yang terkompresi. Setelah menyerap sinar matahari, ia berubah menjadi bentuk tegang dan berenergi tinggi dan tetap dalam keadaan ini hingga diaktifkan.
Ketika terkena pemicu – seperti sejumlah kecil panas atau katalis – molekul akan kembali ke bentuk aslinya, melepaskan energi yang tersimpan sebagai panas.
“Kami biasanya menggambarkannya sebagai baterai tenaga surya yang dapat diisi ulang,” kata Nguyen. “Ini menyimpan sinar matahari dan dapat diisi ulang.”
Molekul ini juga menawarkan kepadatan energi yang mengesankan. Menurut peneliti, ia menyimpan lebih dari 1,6 megajoule energi per kilogram. Sebagai perbandingan, baterai lithium-ion konvensional menyimpan sekitar 0,9 MJ/kg. Material baru ini juga mengungguli sakelar optik penyimpan energi generasi sebelumnya.
Bahan baru dapat merebus air menggunakan sinar matahari yang disimpan
Langkah kunci bagi tim ini adalah mengubah kapasitas penyimpanan energi molekul yang tinggi menjadi demonstrasi praktis. Dalam percobaannya, para peneliti menunjukkan bahwa bahan tersebut dapat melepaskan panas yang cukup untuk merebus air dalam kondisi sekitar, hal yang sulit dicapai dalam bidang penelitian ini.
“Merebus air adalah proses yang menghabiskan banyak energi,” kata Nguyen. “Fakta bahwa kita dapat merebus air dalam kondisi ruangan merupakan pencapaian yang luar biasa.”
Teknologi ini pada akhirnya dapat mendukung berbagai penggunaan di dunia nyata, termasuk sistem pemanas off-grid untuk berkemah atau aplikasi pemanas air rumah tangga. Karena bahan tersebut larut dalam air, para peneliti mengatakan suatu hari nanti bahan tersebut dapat mengalir melalui kolektor surya di atap rumah pada siang hari sebelum disimpan dalam tangki yang melepaskan panas pada malam hari.
“Dengan panel surya, Anda memerlukan sistem baterai tambahan untuk menyimpan energi,” kata rekan penulis Benjamin Baker, seorang mahasiswa doktoral di Han Lab. “Dengan penyimpanan molekuler energi panas matahari, material itu sendiri mampu menyimpan energi dari sinar matahari.”
Proyek ini mendapat dukungan dari Moore Inventor Fellowship, yang diberikan kepada Han pada tahun 2025 untuk memajukan pengembangan “baterai surya yang dapat diisi ulang” ini.
