ENERGI LISTRIK SOLAR CELL

Sel surya dapat dianalogikan sebagai device dengan dua terminal atau sambungan, dimana saat kondisi gelap atau tidak cukup cahaya berfungsi seperti dioda, dan saat disinari dengan cahaya matahari dapat menghasilkan tegangan. Ketika disinari, umumnya satu sel surya komersial menghasilkan tegangan DC sebesar 0,5 sampai 1 volt, dan arus short-circuit dalam skala  milliampere per cm². Besar tegangan dan arus ini tidak cukup untuk berbagai aplikasi, sehingga umumnya sejumlah sel surya disusun secara seri membentuk modul surya. Satu modul surya biasanya terdiri dari 28-36 sel surya, dan total menghasilkan tegangan DC sebesar 12 V dalam kondisi penyinaran standar. Modul surya tersebut bisa digabungkan secara paralel atau seri untuk memperbesar total tegangan dan arus outputnya sesuai dengan daya yang dibutuhkan untuk aplikasi tertentu.

Gambar dibawah menunjukan ilustrasi dari modul surya.

Gambar 1: Modul Surya

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).

Gambar 2: Struktur dari sel surya komersial yang menggunakan material silikon sebagai semikonduktor.

Gambar diatas  menunjukan ilustrasi sel surya dan juga bagian-bagiannya yang secara umum terdiri dari :

1. 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 alumunium 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 seperti indium tin oxide (ITO) dan flourine doped tin oxide (FTO).

2. 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)₂ (CIGS), CdTe (kadmium telluride), dan amorphous silikon, disamping material-material semikonduktor potensial lain yang dalam sedang dalam penelitian intensif seperti Cu₂ZnSn(S,Se)₄ (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.

3. Kontak metal / contact grid

Selain substrat sebagai kontak positif, diatas sebagian material semikonduktor biasanya dilapiskan material metal atau material konduktif transparan sebagai kontak negatif.

4.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.

5.Enkapsulasi / cover glass

Bagian ini berfungsi sebagai enkapsulasi untuk melindungi modul surya dari hujan atau kotoran.

Cara Kerja Solar Cell

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 di dalamnya 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.

Gambar 3 : junction antara semikonduktor tipe-p (kelebihan hole) dan tipe-n (kelebihan electron)

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 susunan 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.

Gambar 4 : Ilustrasi cara kerja sel surya dengan prinsip p-n junction.

Perkembangan Sel Surya Terbaru

Perkembangan kebutuhan energi yang semakin meningkat menggerakkan para ilmuwan untuk terus mencari dan mengembangkan teknologi sumber energi yang terbarukan dan ramah lingkungan. Salah satu dari bentuk sumber energi tersebut adalah tenaga matahari. Salah satu negara dengan perkembangan pemanfaatan sumber energi matahari adalah Jepang. Negara dengan julukan negeri matahari terbit ini berhasil menemukan sel pembangkit pada panel surya yang lebih tipis daripada sel pada panel surya yang digunakan saat ini.  Panel tipis yang dihasilkan lewat proses sederhana dengan hasil warna-warni tersebut tetap memiliki kemampuan yang sama dalam menghasilkan energi.

Semula panel surya dibuat untuk memasok tenaga pada satelit. Kini teknologi ini juga sudah digunakan untuk mengisi ulang baterai. Selain itu, jika selama ini sel-sel pada panel terbuat dari silikon dengan warna khas, hitam, saat ini hasil penelitian terbaru menawarkan perubahan tampilan serta warna dari sel surya. Penemuan ini didorong keinginan untuk membuat sel surya yang lebih beragam dan tembus pandang.

Gambar 5 : Solar Cell tembus pandang

Panel surya ini terbuat dari lapisan silikon yang sangat tipis sehingga bisa dibentuk dan dibuat menjadi papan nama bahkan papan iklan. Sejauh ini temuan baru tersebut baru digunakan untuk atap dan jendela sehingga pada siang hari cahaya matahari tetap bisa masuk ke ruangan. Sedangkan energi yang dihasilkan dapat disimpan untuk digunakan pada waktu kemudian.

Para ahli tenaga surya di Jepang kemudian meneruskan pengembangan teknologi panel surya dengan menciptakan sel surya yang berwarna-warni. Untuk itu, mereka menggunakan bahan pewarna alami yang diambil dari tumbuhan. Cara membuatnya pun jauh lebih sederhana. Jika awalnya sel surya dibuat dengan suhu 1.000 derajat Celsius, kini hanya dengan suhu 70 derajat Celsius dan teknologi elektrodeposisi, sel surya tipis penuh warna dapat dihasilkan.

Selain di Jepang, Satu tim peneliti dari Universitas California di kota Los Angeles (UCLA) berhasil melakukan inovasi terhadap sel surya dan menciptakan sel yang transparan. Sel surya yang dinamakan Polymer Solar Cell atau sel surya polimer (PSC), bisa menyerap cahaya matahari dan kemudian menghasilkan tenaga listrik yang bisa digunakan untuk keperluan sehari-hari. Kehebatan inovasi terbaru ini adalah sel surya yang transparan dan masih memungkinkan penghuni melihat pemandangan diluar jendela.

Inovasi sel surya polimer (PSC) menghasilkan tenaga listrik dengan menyerap cahaya matahari terutama bagian inframerah yang tidak terlihat mata, jadi bukan dari cahaya tampak. Tim peneliti dibawah pimpinan seorang profesor UCLA bernama Yang Yang dan beberapa mahasiswa doktor dari departmen teknik material, berhasil membuat perangkat penyerap cahaya inframerah dari bahan plastik photoactive yang kemudian mengkonversi menjadi tenaga listrik. Profesor Yang adalah direktur lembaga penelitian “Nano Renewable Energy Center” yang berlokasi di California NanoSystems Institute (CNSI).

Keunggulan inovasi sel surya dari tim peneliti UCLA ini memiliki 70% transparan kalau dilihat dengan mata manusia. Hasil penelitian ini merupakan terobosan baru karena PSC terlihat lebih transparan daripada penemuan sebelumnya. Keunggulan lainnya termasuk bahan PSC ini dapat diproduksi dalam volume yang besar dengan ongkos produksi yang rendah. Dengan bahan sel surya yang transparan ini peneliti mengharapkan bisa di pakai untuk perangkat elektronik portabel (telepon genggam, tablet, laptop), jendela gedung kantor dan bangunan rumah, dan dalam produk lainnya termasuk kendaraan roda empat.

Referensi

o   M. Matsumura, Utilization of Solar Cell, Lecture Notes Research Center for Solar Energy Chemistry, Osaka University 2009.

o   S.M. Sze, Physics of Semiconductor Devices 2nd edition, Chapter 14, John Wiley and Sons 1981.

o   Wikipedia encyclopedia, Solar cell, 2005 (http://en.wikipedia.org/wiki/solar_cell)

o   C. J. Brabec, N.S. Sariciftci, J.C. Hummelen, Advanced Functional Materials, 11 (2001) 15.