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