SEL SURYA SEBAGAI SENSOR FOTOVOLTAIC
1. Pengertian
Photovoltaics
(PV), merupakan teknologi di mana cahaya diubah menjadi tenaga listrik. Dikenal
sebagai metode untuk membangkitkan tenaga matahari dengan menggunakan solar sel
dalam modul. Listrik terhubung dalam jumlah yang banyak sebagai solar
photovoltaic arrays untuk mengubah energi dari matahari menjadi listrik
(wikipedia.org).
Sel surya
menghasilkan arus langsung listrik dari cahaya, yang bisa digunakan untuk
memberi tenaga peralatan atau untuk mengisi baterai kembali. Aplikasi praktis
pertama dari photovoltaic adalah untuk memberi tenaga pengorbitan satelit dan
kendaraan angkasa, serta kalkulator saku. Tapi sekarang ini mayoritas modul
photovoltaic digunakan untuk tenaga pembangkit. Ada juga penggunaanya yang
lain, yaitu emergency telephon di jalan, remote sensing, dan
lain-lain(wikipedia.org).
Sel surya
diproduksi dari bahan semikonduktor yaitu silikon, yang berperan sebagai
insulator pada temperatur rendah dan sebagai konduktor bila ada energi dan
panas. Sebuah silikon sel surya adalah sebuah diode yang terbentuk dari lapisan
atas silikon tipe n (silicon doping of phosphorous), dan lapisan bawah silikon
tipe p (silicon doping of boron). Elektron-elektron bebas terbentuk dari jutaan
photon atau benturan atom pada lapisan penghubung menyebabkan terjadinya aliran
listrik (Mintorogo, 2000).
2. Struktur
Sel Surya
Sesuai dengan
perkembangan sains & teknologi, jenis-jenis teknologi sel surya pun
berkembang dengan berbagai inovasi. 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 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 :
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 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).
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. 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”.
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.
Sel surya konvensional bekerja menggunakan prinsip p-n junction, yaitu junction antara semikonduktor tipe-p dan tipe-n. Semikonduktor ini terdiri dariikatan-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)
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)
Panel sel surya
mengubah intensitas sinar matahari menjadi energi listrik. Panel sel surya
menghasilkan arus yang digunakan untuk mengisi baterai. Panel sel surya terdiri
dari photovoltaic, yang menghasilkan listrik dari intensitas cahaya, saat
intensitas cahaya berkurang (berawan, hujan, mendung) arus listrik yang
dihasilkan juga akan berkurang.
Sumber : Mintorogo, Danny Santoso
(2000), “Strategi Aplikasi Sel Surya (Photovoltaic
Cells) pada Perumahan dan Bangunan Komersial”, dalam Jurnal Dimensi Teknik
Arsitektur, vol 28 no 2 Desember 2000, h. 129-141.
Wikipedia.org