Memahami Prinsip Pengoperasian Sel Surya! Ketahui Apa Itu Efek Fotovoltaik?
Berkarya Saja – Semua yang perlu Anda ketahui tentang pengertian sel surya, struktur fotovoltaik beserta prinsip dasar pengoperasian sel surya: Energipedia!
Introduksyon
Sejak tahun 1839, perkembangan teknologi tenaga surya terus meningkat dengan cepat. Akhir-akhir ini, penggunaan energi matahari semakin populer sebagai sumber daya listrik yang dapat diperbaharui dan berkelanjutan, serta ramah lingkungan.
Salah satu komponen yang sangat penting dalam pemanfaatan energi matahari ini adalah sel surya, yang memiliki kemampuan untuk mengkonversi sinar matahari menjadi energi listrik melalui efek fotovoltaik. Namun, apa sebenarnya efek fotovoltaik ini?
Nah, untuk memahami bagaimana prinsip kerja sel surya dan proses efek fotovoltaik ini, Alpharizonet telah mengumpulkan informasi yang berkaitan dengan pengertian dan prinsip dasar pengoperasian sel surya. Jika Anda tertarik untuk mengetahui lebih lanjut, silakan simak artikel ini sampai selesai!
Pengertian Sel Surya
Secara singkat, sel surya (solar cell) adalah sebuah alat pembangkit yang dapat mengubah energi foton menjadi energi listrik dengan menggunakan prinsip efek fotovoltaik. Lantas, apa yang dimaksud dengan efek fotovoltaik?
Sederhananya, efek fotovoltaik merupakan suatu fenomena yang terjadi akibat adanya perbedaan potensial listrik ketika dua elektroda terhubung dengan suatu bahan padat atau cair saat menerima energi dari cahaya. Itulah sebabnya, sel surya juga sering disebut sebagai sel fotovoltaik.
Sebelum memahami lebih dalam tentang sel surya atau sel fotovoltaik, penting untuk mengetahui bagaimana efek fotovoltaik pertama kali ditemukan, metode yang digunakan untuk penemuan tersebut, dan perkembangan sel fotovoltaik dengan penggunaan material silikon. Berikut adalah analisisnya.
Bacaan lebih lanjut: Sejarah Singkat Bagaimana Kita Memanfaatkan Cahaya Matahari Untuk Energi Terbarukan!
a) Diawali Dengan Fenomena Fotovoltaik
Penemuan efek fotovoltaik terjadi pada tahun 1839 oleh ilmuwan fisika Perancis bernama Alexandre-Edmond Becquerel, lahir di Paris pada tanggal 24 Maret 1820. Pada usia 19 tahun, Edmond Becquerel menemukan “photovoltaic (PV) effect” ketika melakukan eksperimen dengan elektroda yang padat di dalam larutan elektrolit di laboratorium Ayahnya.
Metode eksperimen itu melibatkan penempatan perak klorida ke dalam larutan asam dan menyinarinya sambil terhubung ke elektroda dari platina. Saat sedang melakukan eksperimen, Edmond Becquerel menemukan bahwa ada tegangan listrik yang dihasilkan ketika cahaya menyinari elektroda. Pada mulanya, efek fotovoltaik juga dikenal dengan sebutan “efek Becquerel”.
Oleh sebab itu, efek fotovoltaik dapat didefinisikan sebagai fenomena yang terjadi ketika elektroda yang telah didesain khusus dengan bahan cair atau padat mengalami perubahan tegangan sebagai respons terhadap radiasi cahaya, yang merupakan hasil dari reaksi fisik dan kimia. Pembangkitan fotovoltaik dalam sistem energi surya merupakan konsep mendasar, sarana utama menghasilkan listrik dari sinar matahari.
b) Sel Surya Dimulai Dengan Silikon
Satu abad setelah efek fotovoltaik ditemukan, tiga peneliti di Bell Laboratories – Daryl Chapin, Calvin Fuller, dan Gerald Pearson – membuat sel surya menggunakan semikonduktor silikon, yang merupakan bagian utama komponen elektronik. Mengutip dari e-book Let It Shine: The 6,000-Year Story of Solar Energy, oleh John Perlin (2013), paperback (2022), ilmuwan Calvin Fuller dan Gerald Pearson menguji-coba bahan semikonduktor yaitu silikon dengan lithium menjadi sel surya.
Bacaan lebih lanjut: Mengapa Lithium Silinder, Baterai 18650 Begitu Populer Digunakan?
Fuller, seorang ahli kimia, melakukan eksperimen dengan metode menggunakan sebuah potongan silikon yang memiliki sedikit galium di dalamnya, yang membuat silikon tersebut menjadi bermuatan positif. Setelah itu, Pearson, seorang ilmuwan fisika, menempatkan wafer silikon ke dalam penangas panas berisi lithium. Silikon yang terendam dalam lithium menjadi bermuatan negatif.
Ketika dua jenis silikon tipe positif dan negatif bertemu, maka terbentuklah medan listrik yang menetap di sana yang memungkinkan komponen atau perangkat semikonduktor berfungsi. Ini adalah sebuah fenomena yang sering disebut sebagai persimpangan p-n atau biasa dikenal dengan p-n junction.
– Fisika Semikonduktor p-n Junction
Ilmuwan Pearson selanjutnya melakukan pengujian terhadaap campuran bahan yang sudah dibuat. Proses pengujian melibatkan penyinaran cahaya dari lampu ke silikon lithium-gallium. Saat sedang melakukan uji coba, sebuah alat pengukur arus (ampere meter) yang terhubung ke silikon lithium-gallium mencatat aliran listrik yang cukup besar. Ilmuwan Pearson terkejut karena mereka telah membuat sel surya yang sangat bagus dan lebih baik daripada sel surya sebelumnya.
Pada bulan Pebruari 1953, Chapin, seorang ahli material magnetik dan penggemar energi surya, melakukan eksperimen dengan menggunakan sel surya silikon yang terkena sinar matahari secara langsung. Dari eksperimen ini, hasilnya menunjukkan bahwa sel surya yang menggunakan silikon memiliki tingkat efisiensi sebesar 2,3%, yang merupakan lima kali lipat lebih baik daripada sel surya yang terbuat dari selenium. Pada saat itu, Chapin menghentikan penelitiannya pada selenium dan fokus untuk meningkatkan kualitas sel surya silikon.
Setelah itu, Chapin mencoba beberapa bahan baru namun tidak berhasil. Sebuah penemuan revolusioner berhasil dicapai berkat pemanfaatan pengetahuan dari hasil penyelidikan Albert Einstein mengenai kuanta cahaya yang disebut sebagai foton. Chapin dan Fuller bekerja sama untuk membuat persimpangan p-n lebih dekat ke permukaan.
Proses pembuatan persimpangan p-n dilakukan dengan cara melapisi permukaan silikon yang mengkilap dengan plastik transparan yang kusam. Kemudian, penambahan boron ke bagian atas sel akan meningkatkan pengumpulan foton dengan memperbaiki kontak listrik pada strip atau pita silikon, sambil menjaga persimpangan p-n tetap dekat dengan permukaan.
Pada akhirnya, Chapin berhasil dalam eksperimennya dan mencapai target 6 persen untuk keluaran sel surya silikon. Pada saat itu, dengan keyakinan, Chapin menamainya sebagai “Power Photocell” yang dimaksudkan untuk menjadi sumber utama dari energi matahari, yang lebih dikenal sebagai “Solar Cell”.
Struktur Sel Surya
Pada dasarnya, sel surya merupakan perangkat semikonduktor yang terdiri dari sambungan positif-negatif (p-n junction) yang telah dioptimalkan untuk menyerap cahaya dan mengkonversinya menjadi energi listrik.
Bahan dasar sel surya biasanya terbuat dari semikonduktor silikon bermuatan positif atau tipe-p yang dapat berupa kristal tunggal maupun kristal ganda. Dengan memasukan molekul fosfor ke permukaan sehingga terciptanya wilayah bermuatan negatif atau tipe-n, yang kemudian membentuk sambungan p-n dengan irisan tipis atau sering disebut wafer.
Untuk melindungi sisi depan sel surya, lapisan antirefleksi diterapkan di atas wilayah bermuatan negatif (tipe-n). Lapisan khusus untuk mencegah pantulan ini kemudian ditutup dengan kerangka logam yang berfungsi sebagai kontak depan untuk mengumpulkan pembawa muatan.
Dengan demikian, sel surya dapat didefinisikan sebagai sebuah perangkat elektronik berbasis semikonduktor dengan struktur tipe p-n yang memiliki kontak pada kedua sisi dan dilengkapi dengan lapisan khusus di bagian depan untuk membantu menyerap lebih banyak energi matahari untuk mengubahnya menjadi energi listrik.
Prinsip Kerja Sel Surya
Pengoperasian sel surya didasarkan pada prinsip efek fotovoltaik, yaitu timbulnya beda potensial (tegangan) pada pertemuan dua material berbeda (p-n junction) sebagai respons terhadap energi foton dari sinar matahari.
Energi foton yang diterima oleh semikonduktor tergantung pada panjang gelombang cahaya yang datang. Saat cahaya dengan energi yang cukup mengenai semikonduktor, elektron-elektron di dalamnya akan terlepas dari ikatan energinya dan mulai bergerak, sehingga menghasilkan arus listrik. Efek fotovoltaik merupakan hasil dari energi yang dilepaskan oleh cahaya, yang mengakibatkan perpindahan elektron.
Bacaan lebih lanjut: Memahami Cara Kerja Sistem Lampu Tenaga Surya Dengan Teknologi Fotovoltaik!
Efek fotovoltaik sebenarnya erat kaitannya dengan efek fotolistrik, dimana elektron dipancarkan dari suatu material yang telah menyerap cahaya dengan frekuensi di atas frekuensi ambang batas bergantung pada material.
Berdasarkan teori Albert Einstein (1905), memahami bahwa efek ini dapat dijelaskan dengan asumsi bahwa cahaya terdiri dari kuanta energi yang terdefinisi dengan baik, yang disebut foton.
Sebuah eksperimen membuktikan bahwa ketika cahaya mengenai permukaan logam (metal surface), elektron dapat dilepaskan. Ini merupakan sebuah fenomena yang dikenal dengan efek fotolistrik. Energi (E) yang dipancarkan oleh elektron bervariasi tergantung pada frekuensi cahaya yang datang sesuai dengan persamaannya, sebagai berikut:
E = hν – φDimana h adalah konstanta Plank, ν [nu] adalah frekuensi cahaya, dan φ [Phi] adalah energi yang dibutuhkan untuk melepaskan elektron dari permukaan logam. Jika elektron dari permukaan logam dikumpulkan untuk menghasilkan arus listrik, kekuatan arus bergantung pada intensitas cahaya yang datang.
Hasil ini menunjukkan bahwa interaksi antara radiasi elektromagnetik dan materi berbentuk pertukaran energi antara sejumlah radiasi dan elektron. Jumlah radiasi yang terpisah disebut foton. Setiap foton mempunyai energi hν, dan intensitas radiasi ditentukan oleh jumlah foton yang diterima per satuan waktu.
Dalam buku Solar PV Power: Design, Manufacturing and Applications from Sand to Systems, yang ditulis oleh Rabindra (2021) chapter-4, penulis menjelaskan bahwa untuk memahami prinsip kerja sel surya secara detail, dan cara mengkarakterisasi beserta meningkatkan kinerjanya, penting untuk mengetahui setiap langkah proses pembangkitan fotovoltaik. Pembangkitan listrik dari sel fotovoltaik melibatkan tiga tahapan dasar yaitu:
a) Penyerapan Cahaya dan Pembangkitan Pembawa Muatan;
Sel surya biasanya terbuat dari bahan semikonduktor yang mempunyai celah pita antara pita valensi dan pita konduksi. Silikon (Si) adalah bahan semikonduktor umum yang menjadi tipe-n jika diolah dengan fosfor dan menjadi tipe-p jika diolah dengan boron. Ketika semikonduktor tipe-n dan tipe-p digabungkan, kelebihan elektron dan lubang mengalir untuk menciptakan sambungan p-n dengan medan bawaan.
Spektrum radiasi matahari, yang dikenal sebagai konstanta matahari, adalah sekitar 1,353 kW/m2 pada jarak rata-rata matahari-bumi. Foton dari matahari diserap pada kedalaman berbeda di sel surya Si berdasarkan energinya dan koefisien serapan cahaya material. Energi ambang batas penyerapan foton dalam Si adalah 1,1 eV, yang merupakan celah pita material.
Penyerapan energi foton menghasilkan pasangan lubang elektron pada sel surya. Pembawa muatan minoritas terdapat di daerah tipe n dan p, dengan elektron di daerah basis tipe p dan lubang di daerah emitor tipe n. Operator ini perlu dikumpulkan di kontak masing-masing agar perangkat dapat berfungsi secara efektif.
Jika energi foton lebih tinggi dari energi celah pita, maka foton akan diserap, menyebabkan elektron berpindah dari pita valensi ke pita konduksi dan menciptakan pasangan lubang elektron. Proses ini berkontribusi pada pembentukan pembawa muatan di sel surya.
Singkatnya, sel surya memanfaatkan bahan semikonduktor untuk menyerap sinar matahari dan menghasilkan pembawa muatan melalui penyerapan energi foton. Dengan membuat sambungan p-n dan mengumpulkan pembawa muatan yang dihasilkan dengan benar, sel surya dapat mengubah sinar matahari menjadi listrik secara efisien.
b) Rekombinasi dan Masa Hidup Pembawa Muatan;
Rekombinasi pembawa muatan adalah proses di mana pasangan elektron-lubang bergabung kembali, yang mengarah pada penghapusan lubang. Berbagai mekanisme seperti rekombinasi Shockley-Read-Hall, rekombinasi radiasi, dan rekombinasi Auger berperan dalam proses ini dalam sel surya.
Dari ketiga mekanisme tersebut dapat diuraikan, sebagai berikut:
- Rekombinasi Shockley-Read-Hall – Ini terjadi karena adanya kotoran dan cacat pada material, yang menyebabkan penurunan masa pakai pembawa.
- Rekombinasi Radiasi – Ini melibatkan rekombinasi langsung elektron dan lubang, melepaskan energi dalam bentuk foton.
- Rekombinasi Auger – Ini juga melibatkan rekombinasi pembawa, namun energinya ditransfer ke pembawa lain alih-alih dilepaskan sebagai foton.
Jadi, laju rekombinasi, masa pakai pembawa, dan panjang difusi merupakan parameter penting untuk menentukan seberapa cepat rekombinasi terjadi dan untuk memilih bahan yang tepat untuk sel surya.
c) Pemisahan Pembawa Muatan Yang Dihasilkan Cahaya;
Dalam sel surya semikonduktor, pengoperasian yang efisien bergantung pada pemisahan pembawa muatan yang dihasilkan oleh cahaya. Biasanya, pasangan elektron-lubang dihasilkan setelah penyerapan foton, tetapi mereka biasanya bergabung kembali.
1) Ketika foton diserap, pasangan lubang elektron tercipta; 2) Biasanya, elektron dan lubang ini akan bergabung kembali; 3) Namun dengan memanfaatkan membran semipermeabel maka elektron dan hole dapat dipisahkan; 4) Elektron yang terpisah kemudian dapat dimanfaatkan untuk memberi daya pada rangkaian listrik; 5) Setelah elektron menyelesaikan perjalanannya melalui sirkuit, elektron pada akhirnya akan bergabung kembali dengan lubang.
Namun, dalam sel surya, sambungan p-n menciptakan medan listrik yang memisahkan elektron dan lubang, sehingga elektron dapat mengalir melalui sirkuit eksternal. Lubang-lubang tersebut akhirnya bergabung kembali dengan elektron setelah melewati rangkaian.
Desain sel surya harus memastikan bahwa pembawa muatan mencapai wilayah yang diinginkan (n atau p) sebelum rekombinasi dapat terjadi. Hal ini mengharuskan pembawa muatan untuk mencapai wilayah ini dalam waktu yang lebih singkat dari masa pakainya, yang menentukan ketebalan lapisan penyerap di dalam sel. Dengan memanfaatkan medan listrik bawaan di sambungan p-n, sel surya dapat mengubah cahaya menjadi listrik secara efisien.
Simbol Sel Surya dan Modul Panel PV
Dalam rangkaian sel surya, simbol yang digunakan merupakan kombinasi dari elemen simbol sirkuit untuk baterai, dan simbol sirkuit untuk komponen peka cahaya. Namun, dalam konfigurasi modul panel surya simbol yang digunakan menyerupai amplop.
Bacaan lebih lanjut: Overview Perbedaan Antara Sel Fotovoltaik, Modul PV dan Panel Surya!
Akhir Kata
Demikianlah penjelasan tentang apa yang dimaksud dengan sel surya, penemuan efek fotovoltaik, serta struktur dan prinsip kerja sel fotovoltaik. Semoga tulisan ini memberikan manfaat dan membuat pengetahuan kita semakin luas bersama-sama.
