Category Archives: Tutorial

Sel surya : Struktur & Cara kerja

Sel surya atau juga sering disebut fotovoltaik adalah divais yang mampu mengkonversi langsung cahaya matahari menjadi listrik. Sel surya bisa disebut sebagai pemeran utama untuk memaksimalkan potensi sangat besar energi cahaya matahari yang sampai kebumi, walaupun selain dipergunakan untuk menghasilkan listrik, energi dari matahari juga bisa dimaksimalkan energi panasnya melalui sistem solar thermal.

Sel surya dapat dianalogikan sebagai divais 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 (Air Mass 1.5). 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.

Modul surya biasanya terdiri dari 28-36 sel surya yang dirangkai seri untuk memperbesar total daya output. (Gambar :”The Physics of Solar Cell”, Jenny Nelson)

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 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)(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”.

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 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)

 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)


Pengenalan Energi Surya

Matahari adalah salah satu komponen utama penggerak kehidupan. Rasanya sulit membayangkan kelangsungan hidup makhluk hidup  tanpa adanya matahari. Siklus alam seperti angin, air, dan juga siklus dalam tumbuhan yaitu fotosintesis, kesemuanya melibatkan peran matahari, baik akibat dari posisi matahari terhadap bumi, maupun akibat radiasi cahaya yang sampai ke bumi. Studi juga menunjukkan bahwa energi matahari yang sampai kebumi dalam satu jam sudah cukup untuk memenuhi kebutuhan energi seluruh manusia dipermukaan bumi dalam satu tahun! Alasan yang cukup untuk memacu pemaksimalkan energi matahari sebagai energi terbarukan terutama dengan pengkonversian menjadi listrik oleh divais sel/panel surya.

Konversi energi cahaya matahari menjadi listrik oleh sel/panel surya adalah alternatif untuk memaksimalkan potensi energi surya untuk sumber energi yang berkelanjutan. (Gambar : ecofriend)

Matahari memancarkan radiasi cahaya dengan berbagai panjang gelombang, mulai dari ultraviolet, cahaya tampak, sampai infrared dari spektrum elektromagnetik. Radiasi ini timbul sebagai akibat dari permukaan matahari yang mempunyai temperatur sekitar 5800 K (~5500 C) sehingga spektrum yang dipancarkan matahari sama dengan spektrum dari blackbody pada temperatur yang sama. Blackbody ini didefinisikan sebagai objek yang menyerap secara sempurna semua radiasi elektromagnetik, dan juga mampu memancarkan radiasi dengan distribusi energi bergantung kepada temperaturnya.

Perbandingan Spektra Energi radiasi sebagai fungsi panjang gelombang dari matahari untuk kondisi  tepat diatas atmosfer bumi, blackbody, dan pada permukaan bumi.  (Gambar : wikipedia)

Gambar diatas menunjukan besar energi radiasi yang diterima dari matahari per satuan area per satuan waktu sebagai fungsi dari panjang gelombang.  Pada permukaan matahari energi radiasi yang dipancarkan yaitu sebesar 62 MW/m2, dan diatas atmosfer bumi radiasinya berkurang menjadi total  sebesar 1353 W/m2. Untuk radiasi blackbody, semakin tinggi temperatur objek blackbody tersebut maka semakin besar juga energi radiasinya. Blackbody pada temperatur rata-rata bumi yaitu 300 K, paling kuat memancarkan pada gelombang infrared dan radiasinya tidak dapat terlihat oleh mata. Untuk matahari, dengan temperatur skitar 5800 K, radiasinya paling kuat berada pada gelombang cahaya tampak (visible) dengan panjang gelombang sekitar 300 – 800 nanometer (nm), seperti terlihat pada gambar diatas.

Efek Awan dan Atmosfer bumi terhadap energi radiasi yang sampai ke permukaan bumi. Sekitar 50% dari energi radiasi matahari yang tiba di atmosfer bumi, sampai ke permukaan bumi. (Gambar : Wikipedia dan NASA)

Radiasi cahaya matahari yang sampai dipermukaan atmosfer bumi tidak semuanya diterima oleh permukaan bumi karena mengalami proses pengamburan oleh awan atau juga partikel-partikel lain yang ada didalam atmosfer bumi.  Cahaya  dengan panjang gelombang  kurang dari 300 nm dan cahaya tampak  difilter oleh atom dan molekul oksigen (O2), ozon (O3), dan nitrogen (N2). Sedangkan air (H2O) dan karbon dioksida (CO2) umumnya menyerap cahaya pada area gelombang infrared yang merupakan alasan penurunan secara drastis pada spektra radiasi di panjang gelombang 900, 1100, 1400, 1800, 1900 dan 2600 nm.

Berbagai kondisi Air Mass yang )bergantung pada sudut elevasi matahari. Umumnya Air Mass (AM 1.5) digunakan sebagai untuk standar pengukuran performansi sel dan panel surya. (Gambar : LaserFocusWorld)

Pengaruh dari atmosfer terhadap spektrum radiasi matahari direpresentasikan dengan faktor “Air Mass” (AM), yang didefinisikan sebagai jarak tempuh cahaya matahari dalam atmosfer bumi sebagai fungsi dari sudut elevasi matahari terhadap permukaan bumi. Gambar diatas menggambarkan berbagai kondisi air mass sesuai sudut elevasi matahari.  Air Mass 0 (AM0) menggambarkan kondisi cahaya matahari tepat diluar atmosfer bumi, sehingga relevan untuk panel surya yang digunakan pada satelit-satelit bumi.  Untuk AM1, jarak tempuh cahaya matahari sama dengan tebal dari atmosfer ketika kondisi matahari tepat berada diatas. Namun apabila tidak tepat berada diatas, jarak tempuhnya semakin bertambah  sesuai fungsi inverse dari cosinus sudut elevasi matahari. Sebagai contoh, ketika sudut elevasinya 60 maka jarak tempuhnya menjadi dua kali lipat (AM2). Umumnya AM1.5 dengan sudut elevasi 48 digunakan sebagai standar untuk pengukuran sistem panel surya. Besar energi untuk AM1.5 yaitu 1000 W/m2, sedangkan untuk AM0 yaitu 1360 W/m2 yang biasa disebut solar constant.

Besar aktual radiasi cahaya matahari yang diterima dipermukaan bumi bervariasi tiap area, dan sangat bergantung kepada musim dan variasi dari posisi matahari dan orientasi bumi. Gambar dibawah menunjukkan besar rata-rata energi radiasi cahaya dalam kWh persatuan area perhari diberbagai belahan bumi, untuk kondisi langit cerah dan radiasi tepat horizontal diatas permukaan bumi. Dari gambar  tersebut jelas terlihat potensi penggunaan energi surya dari negara-negara yang terletak dekat dengan ekuator termasuk Indonesia. Selain itu, radiasi cahaya matahari di Indonesia pun relatif konstan pertahunnya dikarenakan hanya terdapat dua musim, dibandingkan negara-negara dengan empat musim dimana pada musim-musim tertentu energi radiasi yang diterima akan berkurang.

Energi radiasi matahari yang diterima diberbagai belahan bumi dalam satuan kWh/m2/hari untuk kondisi langit cerah dan cahaya matahari tepat horizontal diatas permukaan bumi. (Gambar : NASA)

*Sumber :

1. Jenny Nelson, “Physics of Solar Cell”, Imperial College Press, 2003.

2. Paul A. Lynn, “Electricity from Sunlight”, Wiley, 2010.

3. Wikipedia

4. NASA website

5. Laser Focus World website

*Definisi dari istilah-istilah teknis diartikel ini bisa ditemukan di menu “Daftar istilah-istilah”.

Ikuti

Get every new post delivered to your Inbox.

Bergabunglah dengan 737 pengikut lainnya.

%d bloggers like this: