Definisi, Prinsip Kerja dan Pengembangan Solar Cell - DUNIA PEMBANGKIT LISTRIK

DUNIAPEMBANGKITLISTRIK.COM - Sel surya, juga disebut sel fotovoltaik, perangkat apa pun yang secara langsung mengubah energi cahaya menjadi energi listrik melalui efek fotovoltaik. Mayoritas sel surya dibuat dari silikon dengan peningkatan efisiensi dan biaya yang lebih rendah karena bahan-bahannya bervariasi dari bentuk silikon amorf (nonkristalin) hingga polikristalin hingga silikon kristalin (kristal tunggal).

Tidak seperti baterai atau sel bahan bakar, sel surya tidak menggunakan reaksi kimia atau membutuhkan bahan bakar untuk menghasilkan daya listrik, dan, tidak seperti generator listrik, sel surya tidak memiliki bagian yang bergerak.

Selsurya dapat diatur menjadi kelompok besar yang disebut array. Array ini, terdiri dari ribuan sel individu, dapat berfungsi sebagai pusat pembangkit tenaga listrik, mengubah sinar matahari menjadi energi listrik untuk distribusi ke pengguna industri, komersial, dan perumahan.

Sel surya dalam konfigurasi yang jauh lebih kecil, biasanya disebut sebagai panel sel surya atau hanya panel surya, telah dipasang oleh pemilik rumah di atap rumah mereka untuk menggantikan atau menambah pasokan listrik konvensional mereka. Panel sel surya juga digunakan untuk menyediakan daya listrik di banyak lokasi terestrial terpencil di mana sumber daya listrik konvensional tidak tersedia atau mahal untuk dipasang. 

Karena mereka tidak memiliki bagian yang bergerak yang membutuhkan perawatan atau bahan bakar yang membutuhkan pengisian ulang, sel surya menyediakan daya untuk sebagian besar instalasi ruang angkasa, dari satelit komunikasi dan cuaca hingga stasiun ruang angkasa. (Tenaga surya tidak cukup untuk probe ruang yang dikirim ke planet-planet luar tata surya atau ke ruang antarbintang, namun, karena difusi energi radiasi dengan jarak dari Matahari.) Sel surya juga telah digunakan dalam produk konsumen, seperti mainan elektronik, kalkulator genggam, dan radio portabel. Sel surya yang digunakan dalam perangkat jenis ini dapat memanfaatkan cahaya buatan (mis., Dari lampu pijar dan lampu neon) serta sinar matahari.

Sementara total produksi energi fotovoltaik sangat kecil, ia cenderung meningkat karena sumber daya bahan bakar fosil menyusut. Faktanya, perhitungan berdasarkan proyeksi konsumsi energi dunia pada tahun 2030 menunjukkan bahwa permintaan energi global akan dipenuhi oleh panel surya yang beroperasi pada efisiensi 20 persen dan hanya mencakup sekitar 496.805 km persegi (191.817 mil persegi) dari permukaan bumi. Persyaratan material akan sangat besar tetapi layak, karena silikon adalah elemen paling melimpah kedua di kerak bumi. Faktor-faktor ini telah mendorong para pendukung surya untuk membayangkan "ekonomi surya" di masa depan di mana hampir semua kebutuhan energi manusia dipenuhi oleh sinar matahari yang murah, bersih, dan terbarukan.

Struktur Dan Operasi Sel Surya

Sel surya, baik yang digunakan di pusat pembangkit listrik, satelit, atau kalkulator, memiliki struktur dasar yang sama. Cahaya memasuki perangkat melalui lapisan optik, atau lapisan antirefleksi, yang meminimalkan hilangnya cahaya oleh refleksi; itu secara efektif menjebak cahaya yang jatuh pada sel surya dengan mempromosikan transmisi ke lapisan konversi energi di bawah ini. Lapisan antirefleksi biasanya merupakan oksida silikon, tantalum, atau titanium yang terbentuk pada permukaan sel dengan pelapisan spin atau teknik pengendapan vakum.

Tiga lapisan konversi energi di bawah lapisan antirefleksi adalah lapisan persimpangan atas, lapisan penyerap, yang merupakan inti perangkat, dan lapisan persimpangan belakang. Dua lapisan kontak listrik tambahan diperlukan untuk membawa arus listrik ke beban eksternal dan kembali ke dalam sel, sehingga melengkapi rangkaian listrik. Lapisan kontak listrik pada permukaan sel di mana cahaya masuk umumnya hadir dalam beberapa pola grid dan terdiri dari konduktor yang baik seperti logam. Karena logam menghalangi cahaya, garis-garis grid setipis dan berjarak selebar mungkin tanpa mengganggu pengumpulan arus yang dihasilkan oleh sel. Lapisan kontak listrik belakang tidak memiliki batasan yang bertentangan secara diametris. Ini hanya perlu berfungsi sebagai kontak listrik dan dengan demikian menutupi seluruh permukaan belakang struktur sel. Karena lapisan belakang juga harus menjadi konduktor listrik yang sangat baik, selalu terbuat dari logam.

Karena sebagian besar energi dalam sinar matahari dan cahaya buatan berada dalam kisaran yang terlihat dari radiasi elektromagnetik, penyerap sel surya harus efisien dalam menyerap radiasi pada panjang gelombang tersebut. Bahan yang sangat menyerap radiasi terlihat milik kelas zat yang dikenal sebagai semikonduktor. Semikonduktor dengan ketebalan sekitar seperseratus sentimeter atau kurang dapat menyerap semua cahaya tampak yang terjadi; karena lapisan-persimpangan dan lapisan kontak jauh lebih tipis, ketebalan sel surya pada dasarnya adalah dari penyerap. Contoh bahan semikonduktor yang digunakan dalam sel surya termasuk silikon, gallium arsenide, indium phosphide, dan tembaga indium selenide.

Ketika cahaya jatuh pada sel surya, elektron dalam lapisan penyerap tereksitasi dari "keadaan dasar" energi rendah, di mana mereka terikat pada atom spesifik dalam padatan, ke "keadaan tereksitasi" yang lebih tinggi, di mana mereka dapat bergerak melalui solid. Dengan tidak adanya lapisan pembentuk persimpangan, elektron "bebas" ini berada dalam gerakan acak, sehingga tidak ada arus searah yang berorientasi. Penambahan lapisan pembentuk persimpangan, bagaimanapun, menginduksi medan listrik built-in yang menghasilkan efek fotovoltaik. Akibatnya, medan listrik memberikan gerakan kolektif ke elektron yang mengalir melewati lapisan kontak listrik ke sirkuit eksternal di mana mereka dapat melakukan pekerjaan yang bermanfaat.

Bahan yang digunakan untuk dua lapisan pembentuk sambungan harus berbeda dengan penyerap untuk menghasilkan medan listrik built-in dan untuk membawa arus listrik. Oleh karena itu, ini mungkin semikonduktor yang berbeda (atau semikonduktor yang sama dengan berbagai jenis konduksi), atau mereka mungkin merupakan logam dan semikonduktor. Bahan-bahan yang digunakan untuk membangun berbagai lapisan sel surya pada dasarnya sama dengan yang digunakan untuk menghasilkan dioda dan transistor elektronik solid-state dan mikroelektronika (lihat juga elektronik: Optoelektronika). Sel surya dan perangkat mikroelektronika memiliki teknologi dasar yang sama. Dalam pembuatan sel surya, bagaimanapun, seseorang berusaha untuk membangun perangkat area besar karena daya yang dihasilkan sebanding dengan area yang diterangi. Dalam mikroelektronika tujuannya adalah, tentu saja, untuk membangun komponen elektronik dari dimensi yang semakin kecil untuk meningkatkan kerapatan dan kecepatan operasi dalam chip semikonduktor, atau sirkuit terpadu.

Proses fotovoltaik memiliki kemiripan tertentu dengan fotosintesis, proses dimana energi dalam cahaya diubah menjadi energi kimia pada tanaman. Karena sel surya jelas tidak dapat menghasilkan tenaga listrik dalam gelap, sebagian energi yang mereka kembangkan di bawah cahaya disimpan, dalam banyak aplikasi, untuk digunakan ketika cahaya tidak tersedia. Salah satu cara umum menyimpan energi listrik ini adalah dengan mengisi baterai penyimpanan elektrokimia. Urutan mengubah energi dalam cahaya menjadi energi elektron tereksitasi dan kemudian menjadi energi kimia yang tersimpan sangat mirip dengan proses fotosintesis.

Desain Panel Surya

Sebagian besar sel surya berukuran beberapa sentimeter persegi dan dilindungi dari lingkungan dengan lapisan kaca tipis atau plastik transparan. Karena sel surya tipikal 10 cm × 10 cm (4 inci × 4 inci) hanya menghasilkan sekitar dua watt daya listrik (15 hingga 20 persen dari energi cahaya pada permukaannya), sel biasanya digabungkan secara seri untuk meningkatkan tegangan atau secara paralel untuk meningkatkan arus. Modul surya, atau fotovoltaik (PV), umumnya terdiri dari 36 sel yang saling berhubungan dilaminasi ke kaca dalam bingkai aluminium. Pada gilirannya, satu atau lebih dari modul-modul ini dapat ditransfer dan dibingkai bersama untuk membentuk panel surya.  

Panel surya sedikit kurang efisien pada konversi energi per area permukaan dibandingkan sel individual, karena area tidak aktif yang tak terhindarkan dalam perakitan dan variasi sel-ke-sel dalam kinerja. Bagian belakang setiap panel surya dilengkapi dengan soket standar sehingga hasilnya dapat dikombinasikan dengan panel surya lain untuk membentuk susunan surya. Sistem fotovoltaik yang lengkap dapat terdiri dari banyak panel surya, sistem tenaga untuk menampung berbagai muatan listrik, sirkuit eksternal, dan baterai penyimpanan. Sistem fotovoltaik secara luas dapat diklasifikasikan sebagai sistem yang berdiri sendiri atau terhubung ke jaringan.

Sistem yang berdiri sendiri berisi susunan surya dan bank baterai yang terhubung langsung ke aplikasi atau sirkuit beban. Sistem baterai sangat penting untuk mengimbangi tidak adanya output listrik dari sel di malam hari atau dalam kondisi mendung; ini menambah biaya keseluruhan. Setiap baterai menyimpan listrik arus searah (DC) pada tegangan tetap yang ditentukan oleh spesifikasi panel, meskipun persyaratan beban mungkin berbeda. Konverter DC-ke-DC digunakan untuk menyediakan tingkat tegangan yang diminta oleh beban DC, dan inverter DC-ke-AC memasok daya ke beban arus bolak-balik (AC). Sistem yang berdiri sendiri sangat cocok untuk instalasi jarak jauh di mana menghubungkan ke pusat pembangkit listrik sangat mahal. Contohnya termasuk memompa air untuk bahan baku dan menyediakan daya listrik untuk mercusuar, stasiun repeater telekomunikasi, dan pondok-pondok gunung.

Sistem yang terhubung jaringan mengintegrasikan susunan surya dengan jaringan listrik utilitas publik dalam dua cara. Sistem satu arah digunakan oleh utilitas untuk menambah jaringan listrik selama penggunaan puncak tengah hari. Sistem dua arah digunakan oleh perusahaan dan perorangan untuk memasok sebagian atau semua kebutuhan daya mereka, dengan kelebihan daya yang dimasukkan kembali ke jaringan listrik utilitas. Keuntungan utama dari sistem yang terhubung ke jaringan adalah bahwa tidak ada baterai penyimpanan yang diperlukan. Pengurangan yang sesuai dalam modal dan biaya pemeliharaan diimbangi oleh peningkatan kompleksitas sistem. Inverter dan peralatan pelindung tambahan diperlukan untuk menghubungkan output DC tegangan rendah dari array surya dengan jaringan listrik AC tegangan tinggi. Selain itu, struktur laju untuk pengukuran balik diperlukan ketika sistem tata surya perumahan dan industri memberi makan energi kembali ke jaringan utilitas.

Pemasangan panel surya yang paling sederhana adalah pada rangka atau rak pendukung miring yang dikenal sebagai mount tetap. Untuk efisiensi maksimum, mount tetap harus menghadap ke selatan di belahan bumi utara atau utara di belahan bumi selatan, dan itu harus memiliki sudut kemiringan dari horizontal sekitar 15 derajat lebih rendah dari garis lintang lokal di musim panas dan 25 derajat lebih dari garis lintang lokal di musim dingin. Penempatan yang lebih rumit melibatkan sistem pelacakan yang digerakkan oleh motor yang secara terus-menerus mengubah arah panel untuk mengikuti pergerakan harian dan musiman Matahari. Sistem seperti itu hanya dibenarkan untuk pembangkit skala besar yang menggunakan sel surya konsentrator efisiensi tinggi dengan lensa atau cermin parabola yang dapat mengintensifkan radiasi matahari seratus kali lipat atau lebih.

Meskipun sinar matahari gratis, biaya bahan dan ruang yang tersedia harus dipertimbangkan dalam merancang tata surya; panel surya yang kurang efisien menyiratkan lebih banyak panel, menempati lebih banyak ruang, untuk menghasilkan jumlah listrik yang sama. Kompromi antara biaya bahan dan efisiensi sangat jelas untuk sistem tata surya berbasis ruang. Panel yang digunakan pada satelit harus ekstra kuat, andal, dan tahan terhadap kerusakan radiasi yang ditemukan di atmosfer bagian atas Bumi. Selain itu, meminimalkan bobot lepas panel ini lebih penting daripada biaya fabrikasi. Faktor lain dalam desain panel surya adalah kemampuan untuk membuat sel dalam bentuk "film tipis" pada berbagai substrat, seperti kaca, keramik, dan plastik, untuk penyebaran yang lebih fleksibel. Silikon amorf sangat menarik dari sudut pandang ini. Secara khusus, ubin atap berlapis silikon amorf dan bahan photovoltaic lainnya telah diperkenalkan dalam desain arsitektur dan untuk kendaraan rekreasi, kapal, dan mobil.

Pengembangan Sel Surya

Perkembangan teknologi sel surya berasal dari karya fisikawan Perancis Antoine-César Becquerel pada tahun 1839. Becquerel menemukan efek fotovoltaik saat bereksperimen dengan elektroda padat dalam larutan elektrolit; dia mengamati bahwa tegangan berkembang ketika cahaya jatuh pada elektroda. Sekitar 50 tahun kemudian, Charles Fritts membangun sel surya sejati pertama menggunakan persimpangan yang dibentuk dengan melapisi selenium semikonduktor dengan ultrathin, lapisan emas yang hampir transparan. Perangkat Fritts adalah konverter energi yang sangat tidak efisien; mereka mengubah kurang dari 1 persen energi cahaya yang diserap menjadi energi listrik.

Pada tahun 1927, sel surya sambungan semikonduktor-logam, dalam hal ini terbuat dari tembaga dan oksida tembaga semikonduktor, telah didemonstrasikan. Pada 1930-an baik sel selenium dan sel tembaga oksida digunakan dalam perangkat yang peka terhadap cahaya, seperti fotometer, untuk digunakan dalam fotografi. Namun, sel surya awal ini masih memiliki efisiensi konversi energi kurang dari 1 persen. Kebuntuan ini akhirnya diatasi dengan pengembangan sel surya silikon oleh Russell Ohl pada tahun 1941. Tiga belas tahun kemudian, dibantu oleh komersialisasi cepat teknologi silikon yang diperlukan untuk membuat transistor, tiga peneliti Amerika lainnya - Gerald Pearson, Daryl Chapin, dan Calvin Fuller — menunjukkan sel surya silikon yang mampu menghasilkan efisiensi konversi energi 6 persen bila digunakan di bawah sinar matahari langsung.

Pada akhir 1980-an sel-sel silikon, serta sel-sel yang terbuat dari gallium arsenide, dengan efisiensi lebih dari 20 persen telah dibuat. Pada tahun 1989 sel surya konsentrator di mana sinar matahari terkonsentrasi ke permukaan sel melalui lensa mencapai efisiensi 37 persen karena meningkatnya intensitas energi yang dikumpulkan. Dengan menghubungkan sel-sel semikonduktor yang berbeda secara optis dan elektrik secara seri, efisiensi yang lebih tinggi dimungkinkan, tetapi dengan biaya yang meningkat dan kompleksitas yang ditambahkan. Secara umum, sel surya dengan berbagai efisiensi dan biaya kini tersedia.

Bagikan Artikel ini