Pengertian dan Jenis Sel Surya

Pengertian dan Jenis Sel Surya

Pengertian Sel Surya – Sel surya merupakan sebuah alat yang tersusun dari material semikonduktor yang dapat mengubah sinar matahari menjadi tenaga listrik secara langsung adapun bahan semikonduktor yang dapat dipakai untuk membuat sel surya diantaranya Silikon, Titanium Oksida, Germanium dan lainnya. Sel surya pada dasarnya terdiri atas sambungan p–n yang sama fungsinya dengan sebuah dioda (diode). Sederhananya, ketika sinar matahari mengenai permukaan sel surya, energi yang dibawa oleh sinar matahari ini akan diserap oleh elektron pada sambungan p–n untuk berpindah dari bagian dioda p ke n dan untuk selanjutnya mengalir ke luar melalui kabel yang terpasang ke sel. Sel Surya sering juga dipakai istilah photovoltaic atau fotovoltaik. Tegangan yang dihasilkan oleh satu buah sel surya sangat kecil, yaitu sekitar 0,6 Volt tanpa beban atau 0,45 Volt tanpa beban.

Jenis-Jenis Sel Surya Berdasarkan Teknologi Pembuatan

Monocrystalline: Jenis ini terbuat dari batangan kristal yang diiris tipis – tipis, ibarat kripik singkong yang berasal dari satu gelondong singkong yang diiris tipis. Karena sel surya berasal dari satu induk batangan kristal, maka setiap potongan memiliki karakteristik yang identik dengan yang lainnya. Sehingga efisiensi monocrystalline mampu mencapai 15 – 20 %. Nilai tersebut merupakan angka yang cukup tinggi untuk teknologi sekarang. Jadi jangan dibayangkan efisensi nya di angka 70%, untuk teknologi sekarang belum ada, tapi percaya pasti masa depan nilai tersebut bisa dicapai.

Polycrystalline: Jenis ini terbuat dari beberapa batang kristal silikon yang dilebur kemudian dituang dalam cetakan yang umumnya berbentuk persegi. Kemurnian kristal silikon polycrystalline tidak setinggi monocrystalline. Efisiensinya sekitar 13 – 16 %, tetapi dengan potongan yang berbentuk persegi, polycrystalline dapat disusun lebih rapat daripada monocrystalline, sehingga mengurangi ruang – ruang kosong antar sel surya. Proses pembuatan polycrystalline lebih mudah dibandingkan dengan monocrystalline sehingga harganya pun menjadi lebih murah. Jenis ini paling banyak dipakai saat ini.

Thin-film Solar Cell (TFSC) / Thin-Film Photovoltaic Cell (TFPV): Jenis sel surya ini mempunyai kerapatan atom yang rendah, sehingga mudah dibentuk dan dikembangkan ke berbagai macam ukuran dan potongan dan secara umum dapat diproduksi dengan biaya yang lebih murah. Sel surya ini dibuat dengan menambahkan satu atau beberapa lapisan tipis ke dalam lapisan dasar. Sel surya jenis ini sangat tipis sehingga ringan dan fleksibel. Oleh sebab itu sering disebut juga sebagai TFPV ( Thin Film Photovoltaic).

Disamping istilah sel surya adapula WP yang sering muncul setiap kita membahas sel surya atau panel surya, singkatan dari Watt-Peak, adalah istilah yang memang biasa digunakan dalam dunia solar energy. WP menggambarkan besarnya nominal Watt tertinggi yang dapat dihasilkan dari sebuah solar system. Ini dikarenakan karena energi dari sinar matahari yang bisa berubah-ubah dalam satu hari. Yang bila digambarkan dalam sebuah grafik dari hasil pengukuran laboratorium tentang ukuran kekuatan daya listriknya per satuan waktu, akan tampak seperti gelombang. Ada puncak (Peak) dan ada lembahnya, berdasar data-data yang diperoleh dari pengukuran dalam jangka waktu tertentu. Misal: Sebuah lampu penerang jalan bertenaga solar panel memiliki daya 100wp. Ini artinya seberapa kuatnya sinar matahari pada saat itu sekalipun, maksimal daya yang dapat diserap atau output energi yang dihasilkan oleh perangkat tersebut hanya 100watt.

Struktur Sel Surya

Sesuai dengan perkembangan sains & teknologi, jenis-jenis teknologi sel surya pun berkembang dengan berbagai inovasi. Ada yang disebut sel surya generasi satu, dua, tiga dan empat, dengan struktur atau bagian-bagian penyusun sel yang berbeda pula (Jenis-jenis teknologi surya akan dibahas di tulisan “Sel Surya : Jenis-jenis teknologi”). Dalam tulisan ini akan dibahas struktur dan cara kerja dari sel surya yang umum berada dipasaran saat ini yaitu sel surya berbasis material silikon yang juga secara umum mencakup struktur dan cara kerja sel surya generasi pertama (sel surya silikon) dan kedua (thin film/lapisan tipis).

struktur sel surya

Struktur dari sel surya komersial yang menggunakan material silikon sebagai semikonduktor. (Gambar:HowStuffWorks)

Gambar diatas  menunjukan ilustrasi sel surya dan juga bagian-bagiannya. Secara umum terdiri dari :

  • Substrat/Metal backing: Substrat adalah material yang menopang seluruh komponen sel surya. Material substrat juga harus mempunyai konduktifitas listrik yang baik karena juga berfungsi sebagai kontak terminal positif sel surya, sehinga umumnya digunakan material metal atau logam seperti aluminium atau molybdenum. Untuk  sel surya dye-sensitized  (DSSC) dan sel surya organik, substrat juga berfungsi sebagai tempat masuknya cahaya sehingga material yang digunakan yaitu material yang konduktif tapi juga transparan sepertii ndium tin oxide (ITO) dan flourine doped tin oxide (FTO)
  • Material semikonduktor: Material semikonduktor merupakan bagian inti dari sel surya yang biasanya mempunyai tebal sampai beberapa ratus mikrometer untuk sel surya generasi pertama (silikon), dan 1-3 mikrometer untuk sel surya lapisan tipis. Material semikonduktor inilah yang berfungsi menyerap cahaya dari sinar matahari. Untuk kasus gambar diatas, semikonduktor yang digunakan adalah material silikon, yang umum diaplikasikan di industri elektronik. Sedangkan untuk sel surya lapisan tipis, material semikonduktor yang umum digunakan dan telah masuk pasaran yaitu contohnya material Cu(In,Ga)(S,Se)(CIGS), CdTe (kadmium telluride), dan amorphous silikon, disamping material-material semikonduktor potensial lain yang dalam sedang dalam penelitian intensif seperti Cu2ZnSn(S,Se)(CZTS) dan Cu2O (copper oxide). Bagian semikonduktor tersebut terdiri dari junction atau gabungan dari dua material semikonduktor yaitu semikonduktor tipe-p (material-material yang disebutkan diatas) dan  tipe-n (silikon tipe-n, CdS,dll)  yang membentuk p-n junction. P-n junction ini menjadi kunci dari prinsip kerja sel surya. Pengertian semikonduktor tipe-p, tipe-n, dan juga prinsip p-n junction dan sel  surya akan dibahas dibagian “cara kerja sel surya”.
  • Kontak metal / contact grid: Selain substrat sebagai kontak positif, diatas sebagian material semikonduktor biasanya dilapiskan material metal atau material konduktif transparan sebagai kontak negatif.
  • Lapisan antireflektif: Refleksi cahaya harus diminimalisir agar mengoptimalkan cahaya yang terserap oleh semikonduktor. Oleh karena itu biasanya sel surya dilapisi oleh lapisan anti-refleksi. Material anti-refleksi ini adalah lapisan tipis material dengan besar indeks refraktif optik antara semikonduktor dan udara yang menyebabkan cahaya dibelokkan ke arah semikonduktor sehingga meminimumkan cahaya yang dipantulkan kembali.
  • Enkapsulasi / cover glass: Bagian ini berfungsi sebagai enkapsulasi untuk melindungi modul surya dari hujan atau kotoran.

Cara Kerja Sel Surya

Sel surya konvensional bekerja menggunakan prinsip p-n junction, yaitu junction antara semikonduktor tipe-p dan tipe-n. Semikonduktor ini terdiri dari ikatan-ikatan atom yang dimana terdapat elektron sebagai penyusun dasar.  Semikonduktor tipe-n mempunyai kelebihan elektron (muatan negatif)  sedangkan semikonduktor tipe-p mempunyai kelebihan hole (muatan positif) dalam struktur atomnya.  Kondisi kelebihan elektron dan hole tersebut bisa terjadi dengan mendoping material dengan atom dopant. Sebagai contoh untuk mendapatkan material silikon tipe-p, silikon didoping oleh atom boron, sedangkan untuk mendapatkan material silikon tipe-n, silikon didoping oleh atom fosfor. Ilustrasi dibawah menggambarkan junction semikonduktor tipe-p dan tipe-n.

Junction antara semikonduktor tipe-p (kelebihan hole) dan tipe-n (kelebihan elektron). (Gambar : eere.energy.gov)

Junction antara semikonduktor tipe-p (kelebihan hole) dan tipe-n (kelebihan elektron). (Gambar : eere.energy.gov)

Peran dari p-n junction ini adalah untuk membentuk medan listrik sehingga elektron (dan hole) bisa diekstrak oleh material kontak untuk menghasilkan listrik. Ketika semikonduktor tipe-p dan tipe-n terkontak, maka kelebihan elektron akan bergerak dari semikonduktor tipe-n ke tipe-p sehingga membentuk kutub positif pada semikonduktor tipe-n, dan sebaliknya kutub negatif pada  semikonduktor tipe-p. Akibat dari aliran elektron dan hole ini maka terbentuk medan listrik yang mana  ketika cahaya matahari mengenai susuna p-n junction ini maka akan mendorong elektron bergerak dari semikonduktor menuju kontak negatif, yang selanjutnya dimanfaatkan sebagai listrik, dan sebaliknya hole bergerak menuju kontak positif menunggu elektron datang, seperti diilustrasikan pada gambar dibawah.

Ilustrasi cara kerja sel surya dengan prinsip p-n junction. (Gambar : sun-nrg.org)

Ilustrasi cara kerja sel surya dengan prinsip p-n junction. (Gambar : sun-nrg.org)

Penemuan Sel Surya

Setelah di atas dijelaskan tentang apa itu sel surya alangkah baiknya juga kami menginformasikan siapa sih penemu sel surya? Penemuan Sel Surya bermula dari penemuan sebuah efek yang sekarang dikenal efek fotovoltaik oleh seorang ahli Fisika berkebangsaan Prancis Alexandre Edmond Becquerel pada tahun 1839 dimana secara tidak sengaja menemukan beberapa jenis material tertentu bisa memproduksi arus listrik dalam jumlah kecil ketika terkena cahaya.

Charles Fritz pada Tahun 1883 mencoba melakukan penelitian dengan melapisi semikonduktor selenium dengan lapisan emas yang sangat tipis. Photovoltaic yang dibuatnya menghasilkan efisiensi kurang dari 1 %. Perkembangan berikutnya yang berhubungan dengan ini adalah penemuan Albert Einstein tentang efek fotolistrik pada tahun 1904. Tahun 1927, photovoltaic dengan tipe yang baru dirancang menggunakan tembaga dan semikonduktor copper oxide. Namun kombinasi ini juga hanya bisa menghasilkan efisiensi kurang dari 1 %. Pada tahun 1941 seorang peneliti bernama Russel Ohl berhasil mengembangkan teknologi sel surya dan dikenal sebagai orang pertama yang membuat paten peranti solar cell modern. Bahan yang digunakan adalah silicon dan mampu menghasilkan efisiensi berkisar 4%.

Barulah kemudian di tahun 1954, Bell Laboratories berhasil mengembangkannya hingga mencapai efisiensi 6% dan akhirnya 11%. 5 Pada tengah hari yang cerah radiasi sinar matahari mampu mencapai 1000 watt permeter persegi. Jika sebuah piranti semikonduktor seluas satu meter persegi memiliki efisiensi 10 persen, maka modul sel surya ini mampu memberikan tenaga listrik sebesar 100 watt. Sejak awal tahun 1980 DoE memulai penelitian yang dikenal dengan “multi-junction gallium arsenide-based solar cell devices,” solar sel multilayer yang dapat mengonversi 16 persen energi menjadi listrik.

Yuk baca juga artikel: Pemanfaatan Energi Matahari Sebagai Sumber Energi Alternatif

Pada tahun 1994, laboratorium energi terbarukan (National Renewable Energy laboratory) milik DoE berhasil memecahkan rekor efisiensi 30 persen yang sangat menarik minat bagi dunia industri angkasa luar untuk memanfaatkannya. Hampir semua satelit saat ini memanfaatkan teknologi multi-junction cells. Pencapaian efisiensi hingga 40% tersebut dilakukan dengan mengkonsentrasikan cahaya matahari. Teknologi ini menggunakan konsentrator optik yang mampu meningkatkan intensitas cahaya matahari sehingga konversi listriknya pun juga meningkat.

Ok, demikian artikel sekilas tentang sel surya yang kami sajikan adapun informasi ini kami himpun dari banyak sumber yang membahas dan konsen terhadap pengembangan energi terbarukan khususnya panel surya.

Lihat yang terkait:

error: Content is protected !!