PRINSIP KERJA SEL SURYA
Sel surya merupakan suatu devais semikonduktor yang dapat menghasilkan listrik jika diberikan sejumlah energi cahaya. Proses penghasilan energi listrik itu diawali dengan proses pemutusan ikatan elektron pada atom-atom yang tersusun dalam kristal semikonduktor ketika diberikan sejumlah energi (hf). Salah satu bahan semikonduktor yang biasa digunakan sebagai sel surya adalah kristal silikon.
[Sketsa penampang dua dimensi dari kristal silikon.]
» SEMIKONDUKTOR TIPE-P DAN TIPE-N
Ketika suatu kristal silikon di-doping dengan unsur golongan kelima, misalnya arsen, maka atom-atom arsen itu akan menempati ruang diantara atom-atom silikon yang mengakibatkan munculnya elektron bebas pada material campuran tersebut. Elektron bebas tersebut berasal dari kelebihan elektron yang dimiliki oleh arsen terhadap lingkungan sekitarnya, dalam hal ini adalah silikon. Semikonduktor jenis ini kemudian diberi nama semikonduktor tipe-n. Hal yang sebaliknya terjadi jika kristal silikon di-doping oleh unsur golongan ketiga, misalnya boron, maka kurangnya elektron valensi boron dibandingkan dengan silikon mengakibatkan munculnya hole yang bermuatan positif pada semikonduktor tersebut. Semikonduktor ini dinamakan semikonduktor tipe-p. Adanya tambahan pembawa muatan tersebut mengakibatkan semikonduktor ini akan lebih banyak menghasilkan pembawa muatan ketika diberikan sejumlah energi tertentu, baik pada semikonduktor tipe-n maupun tipe-p.
[Semikonduktor tipe-p (kiri) dan tipe-n (kanan).]
[Diagram pita energi semikonduktor tipe-p (kiri) dan tipe-n (kanan).]
» SAMBUNGAN P-N
Ketika semikonduktor tipe-p dan tipe-n disambungkan maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari tipe-n menuju tipe-p. Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p. Batas tempat terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut dengan daerah deplesi. Adanya perbedaan muatan pada daerah deplesi akan mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi selanjutnya. Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift. Namun arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut.
[Diagram energi sambungan p-n dan munculnya daerah deplesi.]
Lantas, bagaimana elektron-elektron yang terlepas dari atom-atom kristal semikonduktor dapat mengalir sehingga menimbulkan energi listrik?
Sebagaimana yang kita ketahui bersama, elektron adalah partikel bermuatan yang mampu dipengaruhi oleh medan listrik. Kehadiran medan listrik pada elektron dapat mengakibatkan elektron bergerak. Hal inilah yang dilakukan pada sel surya sambungan p-n, yaitu dengan menghasilkan medan listrik pada sambungan p-n agar elektron dapat mengalir akibat kehadiran medan listrik tersebut.
[Kurva I-V sel surya pada keadaan gelap dan diberikan cahaya.]
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan elektron dan hole pada semikonduktor tersebut. Lepasnya pambawa muatan tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi. Adanya kelebihan muatan ini akan mengakibatkan muatan ini bergerak karena adanya medan listrik pada daerah deplesi. Pada keadaan ini, arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift, yaitu arus yang dihasilkan karena kemunculan medan listrik. Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya sambungan p-n sebagai arus listrik.
PEMBANGKIT LISTRIK ALTERNATIVE ?
BEBERAPA MACAM PEMBANGKIT LISTRIK TANPA MENGGUNAKAN BBM :Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS), adalah pembangkit yang memanfaatkan sinar matahari sebagai sumber penghasil listrik. Alat utama untuk menangkap, perubah dan penghasil listrik adalah Photovoltaic atau yang disebut secara umum Modul / Panel Solar Cell. Dengan alat tersebut sinar matahari dirubah menjadi listrik melalui proses aliran-aliran elektron negatif dan positif didalam cell modul tersebut karena perbedaan electron. Hasil dari aliran elektron-elektron akan menjadi listrik DC yang dapat langsung dimanfatkan untuk mengisi battery / aki sesuai tegangan dan ampere yang diperlukan. Rata-rata produk modul solar cell yang ada dipasaran menghasilkan tegangan 12 s/d 18 VDC dan ampere antara 0.5 s/d 7 Ampere. Modul juga memiliki kapasitas beraneka ragam mulai kapsitas 10 Watt Peak s/d 200 Watt Peak juga memiliki type cell monocrystal dan polycrystal. Komponen inti dari sistem PLTS ini meliputi peralatan : Modul Solar Cell, Regulator / controller, Battery / Aki, Inverter DC to AC, Beban / Load. Perusahaan kami telah mengembangkan beberapa produk PLTS yang digunakan untuk rumah tangga dengan skala kecil, contoh paket produk kami adalah Penerangan Listrik Rumah (PLR). Dengan paket produk PLR tersebut dapat dimanfaatkan untuk para penduduk di Indonesia untuk solusi akan kebutuhan listrik yang di daerahnya sulit dijangkau listrik PLN atau di daerah pelosok dan produk paket PLR ini dari waktu ke waktu juga dibutuhkan beberapa konsumen perkotaan dan perusahaan dengan maksud mengkombinasikan dengan listrik PLN. Rata-rata produk paket PLR ini digunakan untuk lampu-lampu penerangan di rumah, kantor, tempat ibadah, tempat umum dengan skala kecil dan menengah dan hasilnya dari penggunaan tersebut kalau dihitung secara besar diseluruh Indonesia, maka defisit akan listrik PLN akan teratasi karena PLR turut membantu dalam program penghematan listrik. Bayangkan bila tiap rumah, kantor, tempat ibadah, tempat umum di seluruh pulau jawa beberapa peralatan lampu penerangannya diganti / dikombinasi dengan sistem PLTS, maka penghematan dalam listrik PLN akan terwujud secara nyata. Kalo ragu coba dihitung saja, misal 3 lampu 8 Watt (PLS/Cool day light, lumen cahanya sama dengan lampu pijar 40 Watt)untuk tiap rumah menggunakan PLTS maka, (8 Watt x 3 buah) x 20juta/malam(Perkiraan Pemakai PLN) = 480.000.000 Watt/malam. Bayangkan berapa besar penghematan dalam 1 malam saja!. Kami bukan mempromosikan produk kami agar bisa terjual, cuma kami membantu kelangkaan / kesulitan akan energi khususnya listrik yang semakin lama sulit didapat. Hanya dengan karya yang nyata dan bukan program sana-sini tapi gak ada hasil serta semua tergantung kesadaran kita bersama. Salam MATAHARI....!!! sumber energi yang selalu terbit dan akan lenyap selamanya pada waktu kiamat!!!
Pembangkit Listrik Tenaga Angin (Wind Power), adalah pembangkit yang memenfaatkan hembusan angin sebagai sumber penghasil listrik. Alat utamanya adalah generator, dengan generator tersebut maka dapat dihasilkan arus listrik dari gerekan blade / baling-baling yang bergerak karena hembusan angin. Pembangkit ini lebih effisien dari pada pembangkit listrik tenaga surya didalam menghasilkan listriknya. Pembangkit listrik yang ada dipasaran memiliki kapasitas watt per jam 200, 400, 500, 1000, 2000 dan 3000 Watt. Pembangkit ini tidak sembarang dapat digunakan karena medan yang akan dipasang harus memiliki hembusan / kecepatan angin yang tinggi dan stabil. Untuk menggerakan blade / baling-baling agar bisa berputar saja harus memiliki kecepatan angin 2 meter/detik dan untuk menghasilkan listrik yang stabil sesuai kapasitas generatornya rata-rata 6 s/d 10 meter/detik. Pembangkit ini bisa digunakan untuk skala kecil, menengah dan besar karena arus yang dihasilkan dalam 1 jam lebih besar serta membutuhkan investasi yang lebih murah ketimbang PLTS. Daerah yang cocok digunakan pembangkit ini adalah daerah pantai, pesisir, pegunungan.Bayangkan bila tiap rumah, kantor, tempat ibadah, tempat umum di seluruh pulau jawa beberapa peralatan lampu penerangan dan beberapa peralatan elektroniknya diganti / dikombinasi dengan sistem Wind Power, maka penghematan dalam listrik PLN akan terwujud secara nyata. Kalo ragu coba dihitung saja, misal 10 lampu 8 Watt (PLS/Cool day light, lumen cahanya sama dengan lampu pijar 40 Watt) arus listriknya tiap rumah menggunakan digunakan Wind Power 200 Watt maka, (8 Watt x 10 buah) x 5juta/malam(Perkiraan Pemakai PLN daerah pesisir) = 400.000.000 Watt/malam. Bayangkan berapa besar penghematan dalam 1 malam saja!. Kami bukan mempromosikan produk kami agar bisa terjual, cuma kami membantu kelangkaan / kesulitan akan energi khususnya listrik yang semakin lama sulit didapat. Hanya dengan karya yang nyata dan bukan program sana-sini tapi gak ada hasil serta semua tergantung kesadaran kita bersama.
Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA), adalah pembangkit yang memenfaatkan aliran air sebagai sumber penghasil listrik. Alat utamanya adalah turbin, dengan turbin ini bisa menggerakan generator tersebut maka dapat dihasilkan arus listrik . Pembangkit ini lebih effisien dari pada pembangkit listrik tenaga surya didalam menghasilkan listriknya. Pembangkit listrik yang ada dipasaran memiliki kapasitas watt per jam 200, 300, 500, 700, dan 1000Watt. PLTA ini tidak sembarang dapat digunakan karena medan yang akan dipasang harus memiliki aliran air (water flow) yang tinggi dan stabil biasanya digunakan dialiran bendungan / sungai. Untuk menggerakan turbin agar bisa berputar saja harus memiliki debit air 0.004 s/d 0.01 meter kubik per detik dan ketinggian air 10 s/d 22 meter dari permukaan turbin. Pembangkit ini bisa digunakan untuk skala kecil, menengah dan besar karena arus yang dihasilkan dalam 1 jam lebih besar serta membutuhkan investasi yang lebih murah ketimbang PLTS. Daerah yang cocok digunakan pembangkit ini adalah daerah aliran sungai dan bendungan.Bayangkan bila tiap rumah, kantor, tempat ibadah, tempat umum di seluruh pulau jawa beberapa peralatan lampu penerangan dan beberapa peralatan elektroniknya diganti / dikombinasi dengan sistem PLTA, maka penghematan dalam listrik PLN akan terwujud secara nyata. Kalo ragu coba dihitung saja, misal 10 lampu 8 Watt (PLS/Cool day light, lumen cahanya sama dengan lampu pijar 40 Watt) arus listriknya tiap rumah menggunakan digunakan Wind Power 200 Watt maka, (8 Watt x 10 buah) x 2juta/malam(Perkiraan Pemakai PLN daerah aliran sungai dan bendungan) = 160.000.000 Watt/malam. Bayangkan berapa besar penghematan dalam 1 malam saja!. Kami bukan mempromosikan produk kami agar bisa terjual, cuma kami membantu kelangkaan / kesulitan akan energi khususnya listrik yang semakin lama sulit didapat. Hanya dengan karya yang nyata dan bukan program sana-sini tapi gak ada hasil serta semua tergantung kesadaran kita bersama. Apabila semua teknologi Pembangkit diatas diaplikasikan di seluruh negeri Indonesia yang tercinta ini berapa besar penghematan yang akan dihasilkan, dari hitungan perkiraan apabila semua pembangkit digunakan adalah : PLTS menghemat = 480.000.000 Watt/malam + Wind Power menghemat = 400.000.000 Watt/malam + PLTA menghemat = 160.000.000 Watt/malam. Jadi TOTAL Penghematan dalam 1 malam = 1.040.000.000 Watt / malam. Bayangkan......!!!!
Suplai energi surya dari sinar matahari yang diterima oleh permukaan bumi sebenarnya sangat luar biasa besarnya yaitu mencapai 3 x 1024 joule pertahun. Jumlah energi sebesar itu setara dengan 10.000 kali konsumsi energi di seluruh dunia saat ini. Dengan kata lain, dengan menutup 0,1% saja permukaan bumi dengan divais solar sel yang memiliki efisiensi 10% sudah mampu untuk menutupi kebutuhan energi di seluruh dunia saat ini. Perkembangan yang pesat dari industri sel surya (solar sel) di mana pada tahun 2004 telah menyentuh level 1000 MW membuat banyak kalangan semakin melirik sumber energi masa depan yang sangat menjanjikan ini. Energi yang dikeluarkan oleh sinar matahari sebenarnya hanya diterima oleh permukaan bumi sebesar 69% dari total energi pancaran matahari [1].
Suplai energi surya dari sinar matahari yang diterima oleh permukaan bumi sangat luar biasa besarnya yaitu mencapai 3 x 10 joule pertahun, energi ini setara dengan 2 x 1017 Watt [1]. Jumlah energi sebesar itu setara dengan 10.000 kali konsumsi energi di seluruh dunia saat ini. Dengan kata lain, dengan menutup 0.1% saja permukaan bumi dengan divais solar sel yang memiliki efisiensi 10% sudah mampu untuk menutupi kebutuhan energi di seluruh dunia saat ini [2].
Cara kerja sel surya adalah dengan memanfaatkan teori cahaya sebagai partikel. Sebagaimana diketahui bahwa cahaya baik yang tampak maupun yang tidak tampak memiliki dua buah sifat yaitu dapat sebagai gelombang dan dapat sebagai partikel yang disebut dengan photon. Penemuan ini pertama kali diungkapkan oleh Einstein pada tahun 1905. Energi yang dipancarkan oleh sebuah cahaya dengan panjang gelombang dan frekuensi photon V dirumuskan dengan persamaan: E = h.c/ Dengan h adalah konstanta Plancks (6.62 x 10-34 J.s) dan c adalah kecepatan cahaya dalam vakum (3.00 x 108 m/s). Persamaan di atas juga menunjukkan bahwa photon dapat dilihat sebagai sebuah partikel energi atau sebagai gelombang dengan panjang gelombang dan frekuensi tertentu [3]. Dengan menggunakan sebuah divais semikonduktor yang memiliki permukaan yang luas dan terdiri dari rangkaian dioda tipe p dan n, cahaya yang datang akan mampu dirubah menjadi energi listrik. Hingga saat ini terdapat beberapa jenis solar sel yang berhasil dikembangkan oleh para peneliti untuk mendapatkan divais solar sel yang memiliki efisiensi yang tinggi atau untuk mendapatkan divais solar sel yang murah dan mudah dalam pembuatannya. Tipe pertama yang berhasil dikembangkan oleh para peneliti adalah jenis wafer (berlapis) silikon kristal tunggal. Tipe ini dalam perkembangannya mampu menghasilkan efisiensi yang sangat tinggi.
Masalah terbesar yang dihadapi dalam pengembangan silikon kristal tunggal untuk dapat diproduksi secara komersial adalah harga yang sangat tinggi sehingga membuat solar sel panel yang dihasilkan menjadi tidak efisien sebagai sumber energi alternatif. Sebagian besar silikon kristal tunggal komersial memiliki efisiensi pada kisaran 16-17%, bahkan silikon solar sel hasil produksi SunPower memiliki efisiensi hingga 20%[www.sunpowercorp.com]. Bersama perusahaan Shell Solar, SunPower menjadi perusahaan yang menguasai pasar silikon kristal tunggal untuk solar sel. Jenis solar sel yang kedua adalah tipe wafer silikon poli kristal. Saat ini, hampir sebagian besar panel solar sel yang beredar di pasar komersial berasal dari screen printing jenis silikon poli cristal ini. Wafer silikon poli kristal dibuat dengan cara membuat lapisan lapisan tipis dari batang silikon dengan metode wire-sawing. Masing-masing lapisan memiliki ketebalan sekitar 250・50 micrometer. Jenis solar sel tipe ini memiliki harga pembuatan yang lebih murah meskipun tingkat efisiensinya lebih rendah jika dibandingkan dengan silikon kristal tunggal. Perusahaan yang aktif memproduksi tipe solar sel ini adalah GT Solar, BP, Sharp, dan Kyocera Solar. Kedua jenis silikon wafer di atas dikenal sabagai generasi pertama dari solar sel yang memiliki ketebalan pada kisaran 180 hingga 240 mikro meter. Penelitian yang lebih dulu dan telah lama dilakukan oleh para peneliti menjadikan solar sel berbasis silikon ini telah menjadi teknologi yang berkembang dan banyak dikuasai oleh peneliti maupun dunia industri. Divais solar sel ini dalam perkembangannya telah mampu mencapai usia aktif mencapai 25 tahun [1]. Modifikasi untuk membuat lebih rendah biaya pembuatan juga dilakukan dengan membuat pita silikon (ribbon si) yaitu dengan membuat lapisan dari cairan silikon dan membentuknya dalam struktur multi kristal. Meskipun tipe sel surya pita silikon ini memiliki efisiensi yang lebih rendah (13-15%), tetapi biaya produksinya bisa lebih dihemat mengingat silikon yang terbuang dengan menggunakan cairan silikon akan lebih sedikit. Generasi kedua solar sel adalah solar sel tipe lapisan tipis (thin film). Ide pembuatan jenis solar sel lapisan tipis adalah untuk mengurangi biaya pembuatan solar sel mengingat tipe ini hanya menggunakan kurang dari 1% dari bahan baku silikon jika dibandingkan dengan bahan baku untuk tipe silikon wafer. Dengan penghematan yang tinggi pada bahun baku seperti itu membuat harga per KwH energi yang dibangkitkan menjadi bisa lebih murah. Metode yang paling sering dipakai dalam pembuatan silikon jenis lapisan tipis ini adalah dengan PECVD dari gas silane dan hidrogen. Lapisan yang dibuat dengan metode ini menghasilkan silikon yang tidak memiliki arah orientasi kristal atau yang dikenal sebagai amorphous silikon (non kristal). Selain menggunakan material dari silikon, solar sel lapisan tipis juga dibuat dari bahan semikonduktor lainnya yang memiliki efisiensi solar sel tinggi seperti Cadmium Telluride (Cd Te) dan Copper Indium Gallium Selenide (CIGS). Efisiensi tertinggi saat ini yang bisa dihasilkan oleh jenis solar sel lapisan tipis ini adalah sebesar 19,5% yang berasal dari solar sel CIGS [5]. Keunggulan lainnya dengan menggunakan tipe lapisan tipis adalah semikonduktor sebagai lapisan solar sel bisa dideposisi pada substrat yang lentur sehingga menghasilkan divais solar sel yang fleksibel. Kedua generasi dari solar sel ini masih mendominasi pasaran solar sel di seluruh dunia dengan silikon kristal tunggal dan multi kristal memiliki lebih dari 84% solar sel yang ada dipasaran (lihat Gambar 1) [4].
Gambar 1. Sebaran jenis solar sel yang berada di pasar komersial yang masih didominasi oleh solar sel generasi pertama (World market 2001 by Technology). Penelitian agar harga solar sel menjadi lebih murah selanjutnya memunculkan generasi ketiga dari jenis solar sel ini yaitu tipe solar sel polimer atau disebut juga dengan solar sel organik dan tipe solar sel foto elektrokimia. Solar sel organik dibuat dari bahan semikonduktor organik seperti polyphenylene vinylene dan fullerene. Berbeda dengan tipe solar sel generasi pertama dan kedua yang menjadikan pembangkitan pasangan electron dan hole dengan datangnya photon dari sinar matahari sebagai proses utamanya, pada solar sel generasi ketiga ini photon yang datang tidak harus menghasilkan pasangan muatan tersebut melainkan membangkitkan exciton. Exciton inilah yang kemudian berdifusi pada dua permukaan bahan konduktor (yang biasanya di rekatkan dengan organik semikonduktor berada di antara dua keping konduktor) untuk menghasilkan pasangan muatan dan akhirnya menghasilkan efek arus foto (photocurrent) [5-6]. Tipe solar sel photokimia merupakan jenis solar sel exciton yang terdiri dari sebuah lapisan partikel nano (biasanya titanium dioksida) yang di endapkan dalam sebuah perendam (dye). Jenis ini pertama kali diperkenalkan oleh Profesor Graetzel pada tahun 1991 sehingga jenis solar sel ini sering juga disebut dengan Graetzel sel atau dye-sensitized solar cells (DSSC) [2]. Graetzel sel ini dilengkapi dengan pasangan redok yang diletakkan dalam sebuah elektrolit (bisa berupa padat atau cairan). Komposisi penyusun solar sel seperti ini memungkinkan bahan baku pembuat Graetzel sel lebih fleksibel dan bisa dibuat dengan metode yang sangat sederhana seperti screen printing. Meskipun solar sel generasi ketiga ini masih memiliki masalah besar dalam hal efisiensi dan usia aktif sel yang masih terlalu singkat, solar sel jenis ini akan mampu memberi pengaruh besar dalam sepuluh tahun ke depan mengingat hargan dan proses pembuatannya yang sangat murah. Pertumbuhan teknologi sel surya di dunia memang menunjukkan harapan akan solar sel yang murah dengan memiliki efisiensi yang tinggi. Sayangnya sangat sedikit peneliti di Indonesia yang terlibat dengan hiruk pikuk perkembangan tentang teknologi sel surya ini. Sudah seharusnya pemerintah secara jeli melihat potensi masa depan Indonesia yang kaya akan sinar matahari ini dengan mendorong secara nyata penelitian di bidang energi surya ini.
SOLAR SEL SUMBER ENERGI MASA DEPAN YANG RAMAH LINGKUNGAN
Energi adalah satu kata yang mempunyai makna sangat luas karena tidak ada aktivitas di alam raya ini yang bergerak tanpa $(BEF (Bnergi $(B!& (B dan itulah sebabnya kata salah seorang professor di Jepang bahwa hampir semua perselisihan di dunia ini, berpangkal pada perebutan sumber energi.
Secara umum sumber energi dikategorikan menjadi dua bagian yaitu non-renewable energy dan renewable energy. Sumber energi fosil adalah termasuk kelompok yang pertama yang sebagaian besar aktivitas di dunia ini menggunakan energi konvensional ini.
Sekitar tahun delapan puluhan ketika para ahli di Indonesia menawarkan sumber energi alternatif yang banyak digunakan di negara maju yaitu nuklir, banyak terjadi pertentangan dan perdebatan yang cukup panjang sehingga mengkandaskan rencana penggunaan sumber energi yang dinilai sangat membahayakan itu. Diantara usulan yang banyak dilontarkan kala itu adalah mengapa kita tidak menggunakan sumber energi surya. Memang tidak diragukan lagi bahwa solar cell adalah salah satu sumber energi yang ramah lingkungan dan sangat menjanjikan pada masa yang akan datang, karena tidak ada polusi yang dihasilkan selama proses konversi energi, dan lagi sumber energinya banyak tersedia di alam, yaitu sinar matahari, terlebih di negeri tropis semacam Indonesia yang menerima sinar matahari sepanjang tahun.
Permasalahan mendasar dalam teknologi solar cell adalah efisiensi yang sangat rendah dalam merubah energi surya menjadi energi listrik, yang sampai saat ini efisiensi tertinggi yang bisa dicapai tidak lebih dari 20 persen, itupun dalam skala laboratorium
Untuk itu di negara-negara maju, penelitian tentang solar cell ini mendapatkan perhatian yang sangat besar, terlebih dengan isu bersih lingkungan $(B!& (Byang marak digembar gemborkan.
Dari cahaya menjadi Listrik
Secara sederhana solar cell terdiri dari persambungan bahan semikonduktor bertipe p dan n (p-n junction semiconductor) yang jika tertimpa sinar matahari maka akan terjadi aliran electron, nah aliran electron inilah yang disebut sebagai aliran arus listrik. Sedangkan struktur dari solar cell adalah seperti ditunjukkan dalam gambar 1.
Bagian utama perubah energi sinar matahari menjadi listrik adalah absorber (penyerap), meskipun demikian, masing-masing lapisan juga sangat berpengaruh terhadap efisiensi dari solar cell. Sinar matahari terdiri dari bermacam-macam jenis gelombang elektromagnetik yang secara spektrum dapat dilihat pada gambar 2. Oleh karena itu absorber disini diharapkan dapat menyerap sebanyak mungkin solar radiation yang berasal dari cahaya matahari.
Lebih detail lagi bisa dijelaskan sinar matahari yang terdiri dari photon-photon, jika menimpa permukaaan bahan solar sel (absorber), akan diserap, dipantulkan atau dilewatkan begitu saja (lihat gambar 3), dan hanya foton dengan level energi tertentu yang akan membebaskan electron dari ikatan atomnya, sehingga mengalirlah arus listrik. Level energi tersebut disebut energi band-gap yang didefinisikan sebagai sejumlah energi yang dibutuhkan untuk mengeluarkan electron dari ikatan kovalennya sehingga terjadilah aliran arus listrik. Untuk membebaskan electron dari ikatan kovalennya, energi foton (hc) harus sedikit lebih besar/diatas daripada energi band-gap. Jika energi foton terlalu besar dari pada energi band-gap, maka extra energi tersebut akan dirubah dalam bentuk panas pada solar sel. Karenanya sangatlah penting pada solar sel untuk mengatur bahan yang dipergunakan, yaitu dengan memodifikasi struktur molekul dari semikonduktor yang dipergunakan.
Tentu saja agar efisiensi dari solar cell bisa tinggi maka foton yang berasal dari sinar matahari harus bisa diserap yang sebanyak banyaknya, kemudian memperkecil refleksi dan remombinasi serta memperbesar konduktivitas dari bahannya. Untuk bisa membuat agar foton yang diserap dapat sebanyak banyaknya, maka absorber harus memiliki energi band-gap dengan range yang lebar, sehingga memungkinkan untuk bisa menyerap sinar matahari yang mempunyai energi sangat bermacam-macam tersebut. Salah satu bahan yang sedang banyak diteliti adalah CuInSe2 yang dikenal merupakan salah satu dari direct semiconductor. Dari begitu banyak keuntungan solar cell seperti telah diuraikan diatas ternyata tidak polemik tidak kemudian berhenti begitu saja, masih ada yang mengatakan memang benar solar cell ketika melakukan proses perubahan energi tidak ada polusi yang dihasilkan, tetapi sudahkah kita menghitung berapa besar polusi yang telah dihasilkan dalam proses pembuatannya, dibandingkan kecilnya efisiensi yang dihasilkan. Nah tantangannya disini adalah memang bagaimana untuk menaikkan efisiensi, yang tentunya akan berdampak kepada nilai ekonomisnya. (RTW)
Bagaimana Sel Surya Itu Bekerja?
A. Energi Matahari
Semua makhluk hidup seperti tumbuh-tumbuhan, binatang dan manusia perlu energi untuk pertumbuhan, melakukan kegiatan-kegiatan dan sejenisnya. Sumber energi utama untuk semua makhluk hidup di bumi adalah matahari. Tanpa matahari tidak ada kehidupan. Matahari memancarkan sinar terus menerus ke bumi, yang pada dasarnya sinar tersebut mengalami proses diterima dan dipantulkan. Karena itu dapat diketahui bahwa sinar matahari merupakan arus energi yang dipancarkan bagi kehidupan. Penggunaan energi ini tidak menyebabkan hujan asam, efek rumah kaca, atau permasalahan seperti yang ditimbulkan oleh energi nuklir.
Sering kita lihat sekarang banyak sekali alat penghitung atau kalkulator yang mempunyai sel surya didalamnya dan tidak pernah memerlukan batterai, dan bahkan diantara beberapa kalkulator tersebut tidak memiliki tombol off, sepanjang terdapat cahaya yang cukup, kalkulator ini akan bekerja normal. Para ilmuwan memperkirakan pada 20 tahun terakhir akan terjadi revolusi besar – besaran tentang penggunaan energi matahari. Pada suatu hari nanti semua peralatan listrik yang digunakan manusia akan dilayanani oleh energi matahari. Sinar matahari yang terang mampu menghasilkan sampai 5000 watts energi per meter persegi diatas permukaan bumi, dan jika energi tersebut bisa dikumpulkan semua maka akan sangat mudah untuk dimanfaatkan oleh kantor – kantor, rumah atau perusahaan – perusahaan secara cuma – cuma.
B. Bagaimana Sel Surya Bekerja
Pada bagian ini akan dipelajari bagaimana cara sel surya mengubah energi matahari menjadi energi listrik. Sel surya yang sering kita lihat adalah sekumpulan modul sel photovoltaic (photo = cahaya, voltaic = listrik) yang disusun sedemikian rupa dan dikemas dalam sebuah frame. Sel photvoltaic ini yang nantinya akan merubah secara langsung energi matahari menjadi listrik.
Sel photovoltaic ini terbuat dari bahan khusus semikonduktor yang sekarang banyak digunakan dan disebut dengan silikon. Ketika cahaya mengenai sel silikon, cahaya tersebut akan diserap oleh sel ini, hal ini berarti bahwa energi cahaya yang diserap telah ditransfer ke bahan semikonduktor yang berupa silikon. Energi yang tersimpan dalam semikonduktor ini akan mengakibatkan elektron lepas dan mengalir dalam semikonduktor. Semua sel photovoltaic ini juga memiliki medan elektrik yang memaksa elektron yang lepas karena penyerapan cahaya tersebut untuk mengalir dalam suatu arah tertentu. Elektron yang mengalir ini adalah arus listrik, dengan meletakkan terminal kontak pada bagian atas dan bawah dari sel photovoltaic ini akan dapat dilihat dan diukur arus yang mengalir sehingga dapat digunakan untuk menyuplai perangkat eksternal. Hal diatas adalah dasar perubahan energi surya menjadi listrik oleh semikonduktor silikon.
C. Sel Silikon
Sel silikon mempunyai sifat kimia khusus dalam format kristalnya. Atom silikon mempunyai 14 elektron yang diatur dalam tiga kulit atom yang berbeda. Dua kulit atom yang pertama terisi elektron penuh dan sisanya pada kulit terluar yang hanya terisi empat elektron. Atom silikon ini akan selalu mencari jalan untuk memenuhi kulit luarnya (ingin memenuhi sampai punya 8 elektron) dengan cara melakukan ikatan dengan atom silikon lain yang kulit luarnya sama mempunyai 4 elektron. Gabungan dari dua atom ini adalah struktur kristal murni yang merupakan dasar pembentuk sel photovoltaic.
Silikon murni bersifat sebagai konduktor karena tidak ada satupun elektron yang bergerak bebas, artinya elektron berada pada bahan yang mempunyai sifat konduktor yang bagus seperti tembaga, atau dengan kata lain elektron terkunci dalam struktur kristal silikon murni. Silikon dalam sel surya sudah dimodifikasi sedemikian rupa sehingga akan bekerja sebagai sel surya. Sel surya ini mempunyai silikon dengan impurity atom lain yang dicampur dengan atom silikon. Dalam hal ini atom silikon tidak akan bekerja tanpa impurity tersebut. Silikon akan dicampur dengan sebuah atom phospor. Atom phospor mempunyai 5 elektron di kulit terluarnya.
Ketika energi diberikan ke kristal silikon murni, sebagai contoh misalnya dalam wujud panas, hal ini akan menyebabkan beberapa elektron akan lepas dan meninggalkan atomnya. Setiap elektron akan meninggalkan sebuah hole (lobang) disekitar atom dimana elektron bisa diikat. Elektron ini kemudian lepas secara acak disekitar kisi – kisi dari kristal atom tersebut untuk mencari hole lain yang kosong untuk ditempati. Elektron ini disebut sebagai elektron bebas dan dapat membawa arus listrik.
Silikon tak murnian yang dicampur dengan phospor ini membutuhkan sedikit energi untuk melepaskan salah satu elektron phospor yang tidak diikat dalam suatu ikatan dengan atom lain tetangganya. Sebagai hasil campuran antara silikon dan phospor ini, banyak elektron yang lepas dan banyak membawa muatan arus listrik apabila dibandingkan dengan silikon murni.
Proses penambahan atom phospor ini disebut sebagai proses doping. Ketika silikon di doping dengan phospor maka silikon disebut sebagai atom n-type (n untuk negatif) karena adanya elektron bebas. Silikon n-type yang telah didoping ini mempunyai sifat konduktor yang lebih bagus daripada silikon murni. Pada bagian lain silikon yang didoping dengan boron yang mempunyai elektron pada kulit terluar 3 elektron maka silikon akan menjadi atom p-type (p untuk positif) yang banyak memilki hole bebas karena ketiadaan elektron. Sehingga atom p-type ini akan bertugas berkebalikan dari atom n-type.
Ketika diletakkan silikon n-type dengan silikon p-type, maka setiap sel photovoltaic ini memiliki minimal satu medan listrik. Tanpa medan listrik maka sel tidak akan bekerja, dan pada fase ini antara silikon n-type dan silikon p-type sedang melakukan ikatan. Dan kemudian elektron pada slilikon n-type akan mencari hole pada silikon p-type untuk ditempati elektron tersebut.
Sebelumnya silikon ini memiliki muatan yang netral. Elektron lebih pada phospor akan diseimbangkan oleh proton. Ketika hole dan elektron digabung jadi satu dalam sambungan antara n-type dan p-type maka kenetralan dari silikon ini akan terganggu. Pada sambungan akan membentuk suatu campuran elektron dan akhirnya keseimbangan tercapai lagi dan akan terbentuk suatu medan elektrik yang memisahkan kedua sisi tersebut.
Medan elektrik ini bekerja seperti dioda, membiarkan (bahkan mendorong) elektron untuk mengalir dari sisi P ke sisi N, dan elektron hanya memiliki satu arah.
D. Listrik yang yang dihasilkan sel photovoltaic
Ketika cahaya dalam hal ini adalah photon (satuan energi dalam cahaya) mengenai sel surya, maka energinya akan membebaskan pasangan elektron dan hole. Setiap photon dengan energi yang cukup secara normal akan membebaskan elektron, dan akan menghasilkan hole bebas juga. Apabila hal ini terjadi cukup dekat dengan medan listrik, atau jika elektron bebas dan hole bebas masih berada pada range pengaruhnya, maka medan listrik ini akan mengirimkan elektron pada sisi N dan hole pada sisi P. Hal ini akan mengakibatkan kenetralan terganggu, dan jika disediakan alur arus luar, maka elektron akan mengalir sepanjang alur, kembali ke asalnya yaitu sisi P untuk bersatu dengan hole yang dikirim oleh medan listrik. Elektron yang mengalir ini akan menghasilkan arus sedangkan medan listrik akan menghasilkan tegangan. Dengan kedua unsur arus dan tegangan tersebut, akan didapatkan power.
Dari cahaya menjadi Listrik
Secara sederhana solar cell terdiri dari persambungan bahan semikonduktor bertipe p dan n (p-n junction semiconductor) yang jika tertimpa sinar matahari maka akan terjadi aliran electron, nah aliran electron inilah yang disebut sebagai aliran arus listrik. Sedangkan struktur dari solar cell adalah seperti ditunjukkan dalam gambar 1.
Gambar 1. Struktur lapisan tipis solar sel secara umum
Bagian utama perubah energi sinar matahari menjadi listrik adalah absorber (penyerap), meskipun demikian, masing-masing lapisan juga sangat berpengaruh terhadap efisiensi dari solar cell. Sinar matahari terdiri dari bermacam-macam jenis gelombang elektromagnetik yang secara spectrum dapat dilihat pada gambar 2. Oleh karena itu absorber disini diharapkan dapat menyerap sebanyak mungkin solar radiation yang berasal dari cahaya matahari.
Gambar 2. Spektrum radiasi sinar matahari
Lebih detail lagi bisa dijelaskan sinar matahari yang terdiri dari photon-photon, jika menimpa permukaaan bahan solar sel (absorber), akan diserap, dipantulkan atau dilewatkan begitu saja (lihat gambar 3), dan hanya foton dengan level energi tertentu yang akan membebaskan electron dari ikatan atomnya, sehingga mengalirlah arus listrik. Level energi tersebut disebut energi band-gap yang didefinisikan sebagai sejumlah energi yang dibutuhkan utk mengeluarkan electron dari ikatan kovalennya sehingga terjadilah aliran arus listrik. Untuk membebaskan electron dari ikatan kovalennya, energi foton (hc/v harus sedikit lebih besar atau diatas daripada energi band-gap. Jika energi foton terlalu besar dari pada energi band-gap, maka extra energi tersebut akan dirubah dalam bentuk panas pada solar sel. Karenanya sangatlah penting pada solar sel untuk mengatur bahan yang dipergunakan, yaitu dengan memodifikasi struktur molekul dari semikonduktor yang dipergunakan.
Gambar 3. Radiative transition of solar cell
Tentu saja agar efisiensi dari solar cell bisa tinggi maka foton yang berasal dari sinar matahari harus bisa diserap yang sebanyak banyaknya, kemudian memperkecil refleksi dan remombinasi serta memperbesar konduktivitas dari bahannya.
Untuk bisa membuat agar foton yang diserap dapat sebanyak banyaknya, maka absorber harus memiliki energi band-gap dengan range yang lebar, sehingga memungkinkan untuk bisa menyerap sinar matahari yang mempunyai energi sangat bermacam-macam tersebut. Salah satu bahan yang sedang banyak diteliti adalah CuInSe2 yang dikenal merupakan salah satu dari direct semiconductor.
Dari begitu banyak keuntungan solar cell seperti telah diuraikan diatas ternyata tidak polemik tidak kemudian berhenti begitu saja, masih ada yang mengatakan memang benar solar cell ketika melakukan proses perubahan energi tidak ada polusi yang dihasilkan, tetapi sudahkah kita menghitung berapa besar polusi yang telah dihasilkan dalam proses pembuatannya, dibandingkan kecilnya efisiensi yang dihasilkan. Nah tantangannya disini adalah memang bagaimana untuk menaikkan efisiensi, yang tentunya akan berdampak kepada nilai ekonomisnya. (RTW)
(Oleh Rusminto Tjatur WIDODO, Dosen EEPIS-ITS Surabaya dan mahasiswa Program Doktor jurusan Nano Structure and Advanced Materials, Universitas Kagoshima Jepang)
Tidak ada komentar:
Posting Komentar