Dalam beberapa dekade terkahir, kontribusi solar energi pada persediaan energi dunia meningkat secara signifikan. Seperti yang kita ketahui, energi matahari sangatlah melimpah. Untuk dapat memanfaatkan energi panas matahari tersebut, kita memerlukan bantuan pasir yang harus dikonversikan menjadi 99.999% kristal silikon murni untuk digunakan pada konstruksi solar sel nantinya.
Artikel kali ini akan membahas semua hal yang perlu kalian fahami tentang solar sel atau sel surya, mulai dari pengertian solar sel, konstruksi, jenis jenis, hingga cara kerja solar sel dalam menghasilkan energi listrik dari beberapa referensi, baik dari website maupun video youtube.
Apa Itu Solar Sel?
Sel surya atau olar sel adalah sebuah instrumen yang mampu mengubah energi photon pada sinar matahari menjadi energi listrik melalui serangkaian proses konversi energi. Gabungan dari beberapa solar sel ini akan membentuk panel surya yang mampu untuk menghasilkan listrik dalam kisaran yang lebih besar.
Meski biaya instalasi yang mahal, solar sel sangatlah prospektif mengingat akan kebutuhan energi yang lebih besar ke depannya. Apalagi adanya gerakan energi hijau dan perang yang memicu krisis energi, solar panel bisa menjadi alternatif yang sangat baik. Meski demikian, solar sel tetap memiliki tantangan dan kekurangan saat ini, seperti tingkat efisiensi yang masih minim.
Solar sel hanya dapat menghasilkan energi listrik berdasarkan cahaya yang diterima dan diproses. Sebagian besar solar sel hanya mampu mengubah 10-20% energi panas matahari yang diterima menjadi listrik. Faktor seperti konstruksi panel, pemosisian, penyelarasan, bayangan, panas, dan kurangnya kebersihan mempengaruhi efisiensi aslinya.
Konstruksi & Struktur Solar Sel
Sel surya atau solar sel terdiri dari dua bahan jenis semikonduktor yang disebut lapisan silikon tipe-p dan tipe-n. Bagian silikon tipe-p diproduksi dengan menambahkan atom (doping) seperti boron atau galium yang mempunyai satu elektron lebih sedikit daripada atom silikon pada tingkat elektron valensinya. Karenanya, lubang (holes) terbentuk akibat kekosongan elektron saat membentuk ikatan (bonding) dengan atom silikon di sekitarnya.
Di sisi lain, lapisan silikon tipe-n dibuat dengan memasukkan atom yang memiliki satu elektron lebih daripada silikon di tingkatan elektron valensinya, seperti fosfor. Fosfor memiliki lima elektron pada tingkat energi terluarnya. Karena itu, fosfor mempunyai satu elektron bebas setelah membentuk ikatan dengan atom silikon yang berdekatan.
Berdasarkan referensi yang didapatkan, satu buah solar sel hanya menghasilkan sekitar 0,5 volt tegangan listrik. Karena itu, solar sel perlu disusun dalam rangkaian seri-paralel untuk bisa memproduksi arus dan tegangan yang lebih besar.
Solar sel juga memiliki lapisan pelindung yang disebut EVA sheet. Fungsinya adalah untuk melindungi komponen solar sel dari getaran, humiditas, kotoran dan hal yang tidak diinginkan.
Selain itu, sebagian besar solar sel memiliki lapisan antirefleksi yang mampu mengurangi jumlah cahaya yang hilang akibat terpantul. Lapisan ini juga yang membawa energi photon ke lapisan konversi energi. Untuk meningkatkan efisiensi, bagian penyerap solar sell harus bisa menyerap radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang cahaya tampak.
Cara Kerja Solar Sel
Seperti yang dijelaskan, sel surya terdiri dari lapisan silikon tipe-p yang ditempatkan di bagian bawah lapisan silikon tipe-n, seperti yang terlihat pada gambar. Lapisan tipe-n mempunyai satu elektron bebas dan bermuatan negatif, sementara pada lapisan tipe-p terdapat satu kekosongan elektron dan membentuk lubang (hole) yang bermuatan positif. Lapisan P-N junction bertujuan agar elektron bergerak pada satu arah. Berikut ini cara kerja solar sel dalam menghasilkan energi listrik:
- Dekat persimpangan dua lapisan p-n juntion, elektron bebas pada lapisan tipe-n berpindah dan mengisi lubang yang ada di sisi lapisan tipe-p. Fenomena ini menciptakan area di sekitar persimpangan yang disebut zona penipisan (depletion zone), di mana tidak ada kelebihan dan kekurangan elektron, seperti yang terlihat di gambar.
- Ketika semua lubang diisi dengan elektron di zona penipisan, sisi lapisan tipe-p yang dekat dengan medan listrik (di mana terdapat lubang pada awalnya) sekarang berisi ion bermuatan negatif
- Sedangkan sisi tipe-n dekat medan listrik (di mana ada elektron bebas tadi) sekarang mempunyai ion bermuatan positif. Adanya ion yang bermuatan berlawanan ini menciptakan medan listrik internal yang mencegah elektron pada lapisan tipe-n untuk melintas dan mengisi lebih banyak lubang pada lapisan tipe-p.
- Saat sinar matahari mengenai permukaan solar sel, atom akan memperoleh energi photon untuk bergerak.
- Elektron pada atom silikon memisahkan diri dan meninggalkan lubang setelah ditinggalkan oleh elektron yang lepas tadi.
- Apabila hal ini terus menerus terjadi di medan listrik, maka medan akan memindahkan elektron terlepas ke lapisan tipe-n (yang sedikit bermuatan positif di dekat depletion region), dan memindahkan lubang ke lapisan tipe-p (yang sedikit bermuatan negatif di dekat depletion region).
- Saat lapisan tipe-n dan tipe-p ini dihubungkan dengan kawat logam, elektron akan bergerak dari lapisan tipe-n ke lapisan tipe-p melalui kabel eksternal sehingga menciptakan aliran listrik.
Solar sel menghidupkan lampu
Pada praktiknya, ketebalan lapisan tipe N pada bagian atas lebih tipis daripada lapisan tipe P yang berada di bagian bawah. Hal ini bertujuan untuk mepertebal depletion region sehingga lebih banyak arus yang dihasilkan dan meningkatkan efisiensi solar sel.
Jenis Solar Sel
Sel surya dapat dibagi menjadi tiga jenis, yaitu solar sel berbasis silikon kristal, solar sel film tipis, dan solar sel kombinasi dari dua jenis di atas.
1. Solar Sel Silikon Kristal
Sekitar 90% solar sel terbuat dari wafer silikon kristal (c-Si) yang berasal dari potongan ingot besar. Ingot ini membutuhkan waktu hingga satu bulan untuk tumbuh dan membentuk kristal.
Lapisan solar sel tipe-n diproduksi dengan cara memanaskan potongan silikon dengan sejumlah kecil fosfor, antimon atau arsenik sebagai dopan. Sementara itu, lapisan silikon tipe-p menggunakan boron sebagai dopan.
Sel silikon kristalin terbagi menjadi sel monokristalin yang memiliki penampilan yang khas dan memberikan tingkat efisiensi lebih baik; dan sel polikristalin yang dianggap sebagai pilihan cocok untuk kelas menengah dipandang dari segi harga dan efisiensi.
2. Solar Sel Film Tipis
Sebelumnya, lapisan solar sel jenis silikon kristal memiliki ketebalan sekitar 200 mikrometer atau 200μm. Dibandingkan solar sel jenis silikon kristal, solar sel film tipis atau fotovoltaik film tipis memiliki ketebalan sekitar 100 kali lebih tipis. Panel dan sel surya film tipis ini terbuat dari silikon amorf (a-Si), dimana atom-atomnya tersusun secara acak. Jenis film tipis ini juga dapat dibuat dari cadmium-telluride (Cd-Te), copper indium gallium diselenide (CIGS) atau bahan PV organik.
Solar Sel Film Tipis dapat dilaminasi ke jendela, skylight, genteng dan substrat lainnya, termasuk kaca, logam dan polimer. Terlepas dari fleksibilitasnya, jenis solar sel film tipis tidak seefisien sel silikon kristal biasa. Dimana sel silikon kristal dapat menghasilkan efisiensi sampai 20%, sel film tipis ini hanya mampu mencapai efisiensi sekitar 7%.
3. Sel Surya Generasi Ketiga
Teknologi sel surya terbaru menggabungkan karakteristik dari silikon kristal dan sel surya film tipis untuk memberikan efisiensi tinggi dan peningkatan kepraktisan. Solar sel generasi terbaru cenderung terbuat dari silikon amorf, polimer organik atau kristal perovskit, dan memiliki banyak sambungan yang terbuat dari lapisan bahan semikonduktor yang berbeda.
Jenis ini dijual dengan harga lebih murah, lebih efisien dan lebih praktis daripada jenis sel lainnya, dan telah terbukti mampu mencapai efisiensi sekitar 30%.
Tantangan Solar Sel ke Depannya
Beberapa hal yang menjadi tantangan solar sel saat ini:
- Alasan politik, dimana masih banyak yang berbisnis untuk mempertahankan status quo. Khususnya bisnis batu bara untuk menghasilkan energi listrik
- Solar energi yang tidak terdistribusi secara merata di seluruh belahan dunia. Selain itu, cahaya matahari juga tidak konsisten
- Efisisensi, dimana tdak semua sinar matahari dapaat teresap, bahkan kebanyakan terpantu saat mengenai permukaan panel surya. Sebab lainnya ialah saat elektron dan hole pada medan listrik akan kembali menyatu
- Butuh biaya dan tempat besar untuk membangun infrastruktur
Semoga penjelasan di atas bisa kalian fahami dengan mudah dan menjadi amal jariyah buat saya.