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.
Belum ada Komentar untuk "Definisi, Prinsip Kerja dan Pengembangan Solar Cell - DUNIA PEMBANGKIT LISTRIK"
Posting Komentar