Mendatang yang Murah dan Ramah Lingkungan
Oleh: Murtono∗Abstrak
Energi merupakan masalah penting di dunia. Cadangan minyak dunia semakin berkurang sehingga harga minyak mengalami kenaikan. Untuk itu perlu adanya usaha untuk menggali energi alternatif agar kebutuhan energi dapat terpenuhi. Sel surya salah satu cara untuk mendapatkan energi yang murah dan ramah lingkungan maka mempunyai potensi yang besar untuk terus dikembangkan. Untuk sel surya anorganik mempunyai efisiensi yang tinggi namun harganya mahal dan fabrikasi yang cukup sulit. Untuk itu dikembangkan sel surya jenis bahan lain yaitu
sel surya organic (SSO). Namun efisiensinya masih rendah dan sampai sekarang masih dikembangkan.
Kata kunci: Sel surya, energi, ramah lingkungan A. Pendahuluan
Kondisi bumi kita kian lama kian mengenaskan karena tercemarnya lingkungan dari efek rumah kaca (greenhouse effect) yang menyebabkan pemanasan global (global warming), hujan asam, rusaknya lapisan ozon hingga hilangnya hutan tropis. Semua ini sebagian besar akibat dari penggunaan bahan bakar fosil seperti minyak bumi, uranium, plutonium, batu bara dan lainnya yang tiada hentinya yang semakin lama semakin meningkat sesuai dengan pertambahan jumlah penduduk dan perkembangan jaman. Padahal kita tahu bahwa bahan bakar dari fosil tidak dapat diperbaharui (not renewable), tidak seperti bahan bakar non-fosil. Selain itu bahan bakar ini menghasilkan gas karbon dioksida dan logam berat seperti timbal yang dapat merusak kesehatan manusia dan lingkungan, sehingga kehidupan menjadi kurang nyaman. Manusia sendiri diciptakan di muka bumi sebagai pengatur (khalifah ) di bumi, sehingga bagaimana bumi agar tetap nyaman merupakan tanggungjawab manusia.
ø ŒÎ)uρ tΑ$s% š •/u‘ Ï πs3Í×‾≈n=yϑù=Ï9 ’ÎoΤÎ) × ≅Ïã%y` ’Îû Ç Úö‘F{$# Z πx‹Î=yz ( (#þθä9$s% ã ≅yèøgrBr& $pκÏù tΒ ß ‰Å¡øム$pκÏù à 7Ïó¡o„uρ u!$tΒÏe$!$# ß øtwΥuρ ß xÎm7|¡çΡ x8ωôϑpt¿2 â ¨Ïd‰s)çΡuρ y7s9 ( tΑ$s% þ ’ÎoΤÎ) ã Νn=ôãr& $tΒ Ÿω tβθßϑn=÷ès?
Artinya: ingatlah ketika Tuhanmu berfirman kepada para Malaikat: "Sesungguhnya aku hendak menjadikan seorang khalifah di muka bumi." mereka
berkata: "Mengapa Engkau hendak menjadikan (khalifah) di bumi itu orang yang akan membuat kerusakan padanya dan menumpahkan darah, padahal kami senantiasa bertasbih dengan memuji Engkau dan mensucikan Engkau?" Tuhan berfirman: "Sesungguhnya aku mengetahui apa yang tidak kamu ketahui."1
Kita juga dilarang membuat kerusakan di muka bumi ini dalam bentuk apapun seperti yang tertuang dalam Surat Al-Baqarah ayat 11 sebagai berikut: #sŒÎ)uρ Ÿ≅ŠÏ% ö Νßγs9 Ÿω (#ρ߉šøè? ’Îû Ç Úö‘F{$# (#þθä9$s% $yϑ‾ΡÎ) ß øtwΥ šχθßsÎ=óÁãΒ
Artinya: Dan bila dikatakan kepada mereka: "Janganlah kamu membuat kerusakan di muka bumi" mereka menjawab: "Sesungguhnya kami orang-orang yang mengadakan perbaikan."
Dengan kondisi yang sudah sedemikian memprihatinkan, gerakan hemat energi dan penggunaan energi yang ramah lingkungan sudah merupakan keharusan di seluruh dunia. Salah satunya dengan hemat bahan bakar dan menggunakan bahan bakar dari non-fosil yang dapat diperbaharui seperti tenaga angin, tenaga air, energi panas bumi, tenaga matahari, dan lainnya. Duniapun sudah mulai merubah trend produksi dan penggunaan bahan bakarnya, dari bahan bakar fosil beralih ke bahan bakar non-fosil, terutama tenaga surya yang tidak terbatas dan ramah lingkungan.
Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) akan lebih diminati karena dapat digunakan untuk keperluan apa saja dan di mana saja: bangunan besar, pabrik, perumahan, dan lainnya. Selain persediaannya tanpa batas, tenaga surya nyaris tanpa dampak buruk terhadap lingkungan dibandingkan bahan bakar lainnya. Di negara-negara industri maju seperti Jepang, Amerika Serikat, dan beberapa negara di Eropa dengan bantuan subsidi dari pemerintah telah diluncurkan program-program untuk memasyarakatkan listrik tenaga surya ini. Tidak itu saja di negara-negara sedang berkembang seperti India dan Mongol promosi pemakaian sumber energi yang dapat diperbaharui ini terus dilakukan.
Energi yang berasal dari fosil khususnya minyak bumi, merupakan sumber energi utama dan sumber devisa negara saat ini. Krisis BBM baru-baru ini menunjukkan cadangan energi fosil yang dimiliki Indonesia khususnya dan dunia pada umumnya terbatas jumlahnya (di Indonesia cadangan bahan bakar minyak mulai menurun dari 9,82 milyar barrel pada tahun 1999 menjadi 8,68 milyar barrel tahun 2006, sumber dari dirjen migas)2.
1 Al-Baqarah: 30 2 Ditjen migas, 2007
Fakta menunjukkan konsumsi energi terus meningkat sejalan dengan laju pertumbuhan ekonomi dan pertambahan penduduk apalagi pertumbuhan penduduk Indonesia cukup besar, sehingga sering terjadinya kelangkaan minyak/premium di sejumlah tempat maupun adanya pemadaman listrik secara bergilir. Begitu pentingnya energi sehingga diatur dengan undang-undang No.30 Tahun 2007 pasal 3 dan pasal 4.
(1) Sumber daya energi fosil, panas bumi, hidro skala besar, dan sumber energi nuklir dikuasai oleh negara dan dimanfaatkan untuk sebesar-besar kemakmuran rakyat.
(2) Sumber daya energi baru dan sumber daya energi terbarukan diatur oleh negara dan dimanfaatkan untuk sebesar-besar kemakmuran rakyat.
(3) Penguasaan dan pengaturan sumber daya energi oleh negara sebagaimana dimaksud pada ayat (1) dan ayat (2) diselenggarakan oleh Pemerintah sesuai dengan ketentuan peraturan perundang-undangan. (pasal 4 ayat 1-3).
Pemerintah melalui media cetak atau elektronik menganjurkan kepada masyarakat untuk selalu hemat energi. Dapat dilihat konsumsi bahan bakar dari tahun ke tahun pada gambar 1.
Kebutuhan energi ini sebagian besar dipenuhi oleh energi fosil yang tidak dapat diperbaharui (non renewable), sehingga pada suatu saat dapat habis. Dapat dilihat bahwa persentase kebutuhan energi sebagai berikut3:
3 Ibid. 0 50 100 150 200 250 1970 1980 1990 2000 2001 2003 2004 Year M il li o n B O E
Household
Industry
Transportation
Terbatasnya sumber energi fosil menyebabkan perlunya pengembangan energi terbarukan dan konservasi energi yang disebut pengembangan energi hijau. Energi merupakan satu-satunya kebutuhan yang harus dipenuhi bagi kelangsungan hidup manusia. Kita dapat bergerak, bekerja, dan semua aktifitas kehidupan di dunia memerlukan energi. Suatu negara akan kuat dan kaya karena energinya. Dapat dibayangkan jika bahan bakar fosil habis maka jalanan menjadi lengang, pabrik berhenti, kantor-kantor tutup, masyarakat banyak di rumah, dan semua aktifitas kehidupan menjadi lumpuh total.
Untuk memenuhi kebutuhan energi maka diperlukan upaya mendapatkan sumber energi baru yang terbarukan, ramah lingkungan, dan murah dalam pendanaannya. Pengembangan energi listrik tenaga surya yang piranti Sel Surya sebagai salah satu sumber tenaga listrik yang murah, bebas polusi, dan alami menjadi suatu pilihan yang tepat. Namun realita yang ada sekarang ini penggunaan Sel Surya sebagai sumber listrik masih sangat minim dan belum bisa diandalkan sebagai suatu sumber tenaga alternatif yang dapat mengganti tenaga listrik. Hal ini disebabkan oleh beberapa faktor seperti: kemampuan Sel Surya yang belum optimal dalam menghasilkan tenaga listrik, proses pembuatan sel yang memerlukan operasi pembiayaan yang mahal, apalagi jika Sel tersebut masih harus diimpor dan lain sebagainya. Teknologi Sel Surya merupakan salah satu jenis teknologi masa depan yang hingga kini para peneliti dari berbagai negara berlomba-lomba untuk memperoleh piranti Sel Surya yang murah dengan kualitas yang rasional serta dapat dijadikan produk industri yang dapat dipasarkan. Dengan beberapa faktor tersebut di atas diharapkan juga akan semakin mendorong para peneliti Indonesia di bidang ini untuk lebih memfokuskan kemampuan membuat Sel secara riil yang kompetitif dengan berbagai cara termasuk mencari terobosan baru yang sesuai
Batubara 33
Gas 30 EBT 17
Minyak Bumi 20 %
Biomassa 5 %
Panas Bumi 5 %
Nuklir, Air, Surya, Angin 5 %
Coal Liquefaction 2 %
dengan kondisi di Indonesia. Jika dilihat dari trend kebutuhan energi dunia di masa mendatang, maka penggunaan tenaga surya mempunyai peluang yang paling besar. Hal ini akibat semakin menipisnya cadangan minyak bumi yang dikandung bumi, akibat semakin meningkatnya permintaan, sedangkan cadangan tidak dapat diperbaharui. Untuk itu alternatif yang paling mungkin dan murah sel surya merupakan solusi dengan meningkatkan kualitasnya. Trend penggunaan energi dan proyeksi penggunaan energi di masa mendatang dapat dilihat pada gambar 3 dan 4.
Gambar 3. Penggunaan energi di dunia tahun 1900-19804
Gambar 4. Proyeksi pemakain tenaga surya di dunia hingga tahun 20205
4 Abdul Kadir, Energi, Sumber Daya, Inovasi, Tenaga Listrik, dan Potensi Ekonomi, (Jakarta: Universitas Indonesia, 1995), p. 52.
B. Energi Surya
Indonesia negara yang terletak di wilayah katulistiwa yang banyak mendapatkan energi surya, sehingga menjadi tempat yang strategis untuk pengembangan energi surya ini. Besarnya energi surya yang diterima bumi dari matahari sangat luar biasa besarnya yaitu mencapai 3x1024 joule pertahun, walaupun hanya 69% dari total energi pancaran matahari. Energi ini setara dengan 2x1017 Watt. Jumlah energi sebesar itu kira-kira setara dengan 10.000 kali konsumsi energi di seluruh dunia saat ini. Untuk memenuhi kebutuhan energi di muka bumi hanya sekitar 0,1% saja divais sel surya dengan efisiensi 10% mampu untuk menutupi kebutuhan energi di seluruh dunia saat ini.
Indonesia sendiri, sebuah negara yang dilewati oleh garis khatulistiwa dan menerima panas matahari yang lebih banyak daripada negara lain, mempunyai potensial yang sangat besar untuk mengembangkan pembangkit listrik tenaga surya sebagai alternatif batubara dan diesel sebagai pengganti bahan bakar fosil yang bersih, tidak berpolusi, aman dan persediaannya tidak terbatas. Berbagai instalasi sel surya telah banyak dipakai walaupun hanya pada beberapa golongan masyarakat mampu. Saat ini pemanfaatan energi surya masih pada pemanasan langsung,
Sel surya dengan memanfaatkan teori cahaya sebagai partikel. Sebagaimana diketahui bahwa cahaya baik yang tampak maupun yang tidak tampak memiliki dua buah sifat yaitu dapat sebagai gelombang dan dapat sebagai partikel yang disebut dengan photon. Penemuan ini pertama kali diungkapkan oleh Einstein pada tahun 1905 (sifat dualisme). Energi yang dipancarkan oleh sebuah cahaya dengan panjang gelombang λ dan frekuensi υ photon dirumuskan dengan persamaan:
λ
c h
E= .
Dengan h adalah konstanta Planck (6.62 x 10-34 J.s) dan c adalah kecepatan cahaya dalam vakum (3.00 x 108 m/s).
Persamaan di atas juga menunjukkan bahwa photon dapat dilihat sebagai sebuah partikel energi atau sebagai gelombang dengan panjang gelombang dan frekuensi tertentu. Dengan rangkain diode tipe P dan N, sebuah divais semikonduktor dapat mengubah cahaya matahari menjadi tenaga surya.
Gambar 5. Grafik arus tegangan pada intensitas tetap dan suhu berbeda.6
Gambar 6. Grafik arus tegangan pada suhu tetap dan intensitas cahaya berlaian.7 Besarnya energi yang dibangkitkan oleh sel surya tergantung dari jumlah energi cahaya yang mencapai sel surya, luas permukaan, dan jenis sel surya. Grafik hubungan antara arus tegangan pada intensitas yang berlainan ditunjukkan pada gambar 5. Dari gambar ini menunjukan bahwa untuk intensitas yang tetap, semakin tinggi suhu maka energi yang dibangkitkan semakin menurun, atau efisiensi akan menurun dengan kenaikan suhu. Jadi suhu mempunyai pengaruh yang besar terhadap efisiensi sel surya.
6 Ibid., p. 207. 7 Ibid.
Pada gambar 6 ini menunjukkan adanya kenaikan arus untuk kenaikan intensitas cahaya. Pada kurva-kurva tersebut ada tiga titik khusus yaitu saat tegangan sama dengan nol berarti keadaan hubungan singkat, keadaan arus sama dengan nol berarti keadaan tanpa beban, dan titik di mana perkalian arus dengan tegangan menjadi maksimum. Efisiensi konversi menjadi :
A
P
I
E
.
.
=
η
Dengan η=efisiensi konversi
E = tegangan yang dibangkitkan oleh sel surya I= arus sel surya
P= rapat daya matahari yang jatuh pada sel surya A= luas sel surya.
Berdasarkan bahan yang digunakan untuk sel surya dapat dibedakan menjadi:
1. Sel surya (photovoltaic) anorganik
Cara kerja sel surya adalah dengan memanfaatkan teori cahaya sebagai partikel. Sebagaimana diketahui bahwa cahaya baik yang tampak maupun yang tidak tampak memiliki dua buah sifat yaitu dapat sebagai gelombang dan dapat sebagai partikel yang disebut dengan photon. Penemuan ini pertama kali diungkapkan oleh Albert Einstein pada tahun 1905. Energi yang dipancarkan oleh sebuah cahaya dengan panjang gelombang λ dan frekuensi photon υ dirumuskan dengan persamaan:
Atau
Dengan h adalah konstanta Planck (6.62 x 10-34 J.s) dan c adalah kecepatan cahaya dalam vakum (3.00 x 108 m/s). Persamaan di atas juga menunjukkan bahwa photon dapat dilihat sebagai sebuah partikel energi atau sebagai gelombang dengan panjang gelombang dan frekuensi tertentu Bahan sel surya ini di antaranya adalah kristal silicon, multikristal silikon, amorphous silicon, Gas, InP, CiGS, CdTe, dan lain sebagainya. Sel surya terbuat dari potongan silikon yang sangat kecil dengan dilapisi bahan kimia khusus untuk membentuk dasar dari sel surya semikonduktor dengan kutub positif dan negatif. Tiap sel surya biasanya menghasilkan tegangan 0,5 volt. Elemen aktif ( Semikonduktor ) yang memanfaatkan efek fotovoltaik untuk merubah energi surya menjadi energi listrik. Pada sel surya terdapat sambungan ( junction ) antara dua lapisan tipis yang terbuat dari bahan semikonduktor yang masing-masing diketahui sebagai
λ
c
h
semikonduktor jenis “P” (positif) dan semikonduktor jenis “N” (negatif). Semikonduktor jenis-N dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil atom pengotor pentavalen (antimony, phosphorus atau arsenic) pada silikon murni.
Atom-atom pengotor (dopan) ini mempunyai lima elektron valensi sehingga secara efektif memiliki muatan sebesar +5q. Saat sebuah atom pentavalen menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, hanya empat elektron valensi yang dapat membentuk ikatan kovalen lengkap, dan tersisa sebuah elektron yang tidak berpasangan. Dengan adanya energi thermal yang kecil saja, sisa elektron ini akan menjadi elektron bebas dan siap menjadi pembawa muatan dalam proses hantaran listrik. Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-N
karena menghasilkan pembawa muatan negatif dari kristal yang netral. Karena atom pengotor memberikan elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom donor. Semikonduktor jenis-P juga terbuat dari kristal silikon yang didalamnya terdapat sejumlah kecil materi lain pengotor dengan elektron valensi 3 (umumnya boron, aluminium, galium) yang mana menyebabkan material tersebut kekurangan satu elektron bebas. Kekurangan atau hilangnya elektron ini disebut lubang (hole). Karena tidak ada atau kurangnya elektron yang bermuatan listrik negatif maka silikon paduan dalam hal ini sebagai semikonduktor jenis-P (Positif).
Karena atom pengotor menerima elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom aseptor (acceptor). Suatu pertemuan P-N adalah kristal tunggal semikonduktor yang pada satu sisinya mendapat penyuntikan atom akseptor dan pada sisi yang lain mendapat penyuntikan atom donor. Pertemuan P-N merupakan blok bangunan dasar (basic building block) bagi piranti semikonduktor. Diode pertemuan P-N yang pada kedua sisinya dilekatkan logam (metalurgical bond) sehingga terdapat dua ujung logam yang merupakan terminal atau elektrode, yakni anode pada sisi P dan katode pada sisi N.
Gambar 8. Struktur kristal semikonduktor tipe-P
Jika antara P dengan N dipertemukan maka akan terjadi diffusi elektron dari semikonduktor jeni-N ke arah P sehingga terjadi arus dari P ke arah N (ke kanan). Akhirnya terjadi penggabungan (recombinasi) antara elektron dan hole dan lenyaplah elektron dan hole tersebut. Di daerah sekitar titik pertemuan tidak terdapat pemabawa muatan dan disebut sebagai daerah pengosongan (depletion region). Lenyapnya elektron meninggalkan ion donor (ion positif) dan lenyapnya hole meninggalkan ion akseptor (ion negatif), sehingga dengan adanya kedua ion ini menimbulkan medan listrik dan terjadi tegangan yang disebut tegangan kontak (potential barrier). Dengan adanya potensial ini mengakibatkan arus drif ke kiri, dan karena pertemuan ini terbuka maka akan terjadi keseimbangan antara arus drift ini dengan arus diffusi.
a. Pertemuan P-N dengan panjar maju(forward bias)
Gambar 11 Sambungan P-N dengan panjar maju Gambar 10 Pertemuan P-N terbuka
Jika pada anoda (bagian P) dihubungkan dengan kutub positif batery, sedangkan kutub negatipnya dihubungkan dengan bagian katoda (bagian N), maka terjadi hubungan yang dinamakan "forward bias". Adanya VD menyebabkan arus diffusi lebih besar daripada arus driff. Potensial penghalang menjadi Vo-VD jika sebelumnya potensial pengalang adalah Vo. Oleh karena itu, pembawa muatan punya potensial untuk melewati potensial penghalang. Hole di sisi P (pembawa mayoritas) dapat melewati daerah pengosongan dan menjadi pembawa minoritas di sisi N. Elektron di sisi N (pembawa mayoritas) dapat melewati daerah pengosongan dan menjadi pembawa minoritas di sisi P. Jumlah arus elektron dan hole merupakan arus total dalam bahan semikonduktor.Jadi arus listrik yang mengalir di dalam P-N junction disebabkan oleh gerakan hole dan gerakan elektron. Arus listrik itu mengalir searah dengan gerakan hole, tapi berlawanan arah dengan gerakan elektron. Adanya arus listrik ini berarti ada energi listrik dalam bahan semikonduktor tersebut. Energi listrik inilah yang disebut sebagai arus listrik yang mengalir berlawanan arah dengan gerakan elektron.
b. Pertemuan P-N dengan panjar mundur (reverse bias)
Bila bagian P dihubungkan dengan kutup negatip dari batery dan bagian N dihubungkan dengan kutub positipnya, maka sekarang terbentuk hubungan yang dinamakan "reverse bias". Hole pada P kiri bergerak ke kiri, sedangkan elektron pada sisi N bergerak kekanan, daerah pengosongan mejadi melebar. Potensial penghalang menjadi Vo+VD, dan tidak ada arus yang melewati bidang pertemuan. Karena daerah pengosongan merupakan semikonduktor intrinsik, maka dengan penambahan enrgi termal dapat meyebabkan terjadinya generasi elektron sehingga memunculkan pasangan elektron-hole pada daerah ini. Dapat
dikatakan juga bahwa hole ( pembawa muatan positip ) dapat tersambung langsung ke kutub positip, sedangkan elektron juga langsung ke kutub positip. Jadi, jelas di dalam P-N junction tidak ada gerakan pembawa muatan mayoritas baik yang hole maupun yang elektron, sedangkan pembawa muatan minoritas (elektron) di dalam bagian P bergerak berusaha untuk mencapai kutub positip batere. Demikian pula pembawa muatan minoritas ( hole ) di dalam bagian N juga bergerak berusaha mencapai kutub negatip. Pengaruh medan listrik yang terpsang terhadap adanya elektron dan hole di daerah pengosongan menyebabkan terjadinya arus yang arahnya dari katode ke anode dan disebut arus bocor atau arus balik saturasi (reverse saturation current). Dengan menaikkan intensitas cahaya maka akan memperbesar arus bocor ini, sehingga pembawa muatan minoritas pada sambungan P-N bertambah banyak, gejala seperti ini sering disebut dengan fotokonduktif, yang merupakan dasar dari pembuatan komponen instrumen fotodioda. Jika dalam keadaan panjar mundur ini tegangan dilepas dan diganti dengan beban atau hambatan maka intensitas sinar matahari akan memperbanyak pembawa muatan, baik pada bagian P maupun bagian N. Peristiwa inilah yang disebut photovoltaic cell atau sering disebut dengan sel surya. Istilah photovoltaic berasal dari bahasa Yunani photos yang berarti cahaya dan volta yang merupakan nama ahli fisika yang menemukan tegangan listrik. Efek photovoltaic pertamakali diidentifikasi oleh ahli fisika Perancis E.A. Bequerel pada tahun 1839. Atas prestasinya tersebut beliau mendapat hadiah nobel Fisika. Divais photovoltaic pertamakali dibuat oleh Charles Fritts pada tahun 1883 dengan membuat semikonduktor dari Selenium yang dilapisi dengan logam emas yang sangat tipis sehingga berhasil membentuk rangkaian semikonduktor jenis P dan jenis N.
Efisiensi yang dihasilkan saat itu masih sangat kecil sekitar 1%. Solar sel terus berkembang sesuai dengan perkembangan ilmu pengetauan sampai sekarang sudah memasuki pasaran komersial untuk jenis ini. Hingga tahun 2007 berhasil dilaporkan efisiensi solar sel pada jurnal materialtoday pada tabel 1.8
8 Robert W. Miles, Guillaume Zoppi, and Ian Forbes, The inorganic semiconductor materials used to make photovoltaic cells include crystalline, multicrystalline, amorphous, and microcrystalline Si,the III-V compounds and alloys, CdTe, and the chalcopyrite compound,copper indium gallium diselenide (CIGS). We show the structure of the different devices that have been developed, discuss the main methods of manufacture, and review the achievements of the different technologies, journal Materialtoday, November 2007.
Type of solar cell Highest reported small area cell efficiency Highest reported module efficiency
Efficiency (%) Area (cm2) Reference Efficiency (%) Area (cm2) Reference
Kemudian bahan yang digunakan untuk sel surya jenis ini sampai sekarang adalah sebagai berikut:
c. Permaslahan sel surya anorganik
Secara umum listrik tenaga surya ini sudah dapat diterima sebagai sumber energi alternatif. Apalagi di Indonesia yang terletak di katulistiwa dan terdiri dari banyak kepuluan dan pegunungan yang menyulitkan penyebaran jaringan transmisi listrik. Permasalahannya adalah adalah harganya yang masih mahal (butuh investasi yang besar dan fabrikasi yang cukup sulit) dibandingkan dengan listrik yang dibangkitkan dengan sumber energi lain, sehingga penggunaannya sekarang terbatas hanya dalam skala kecil seperti pada barang-barang elektronik dan juga
digunakan sebagai pembangkit listrik pada daerah-daerah yang masih sulit dijangkau oleh jaringan listrik. Usaha untuk menurunkan harga panel sel surya dapat dilakukan dengan menaikkan efisiensi (konversi) dari sel tersebut. Efisiensi merupakan persentase dari besarnya energi listrik yang bisa dihasilkan oleh sel surya dibandingkan dengan besarnya energi cahaya yang diterima. Dengan menaikkan efisiensi dari sel surya, di samping menurunkan harga pembuatannya, juga akan memperkecil luas permukaan modulnya untuk daya keluaran yang sama, sehingga lebih menghemat tempat. Di samping itu perlu sosialisai kepada masyarakat agar mau beralih ke energi surya ini. Dengan banyak orang yang menggunakan energi surya ini maka produksi sel surya lancer dan biaya bisa ditekan. 2. Sel Surya Organik
Seperti telah kita sebutkan di atas bahwa sel surya berbasis bahan aktif semikonduktor anorganik, seperti silikon kristal tunggal mempunyai efiiensi konversi daya listrik yang secara teoretis cukup tinggi. Tetapi pengembangan sel surya jenis tersebut cukup mahal dan membutuhkan investasi yang besar dengan fabrikasi yang sangat sulit. Kesulitan pengembangan sel surya jenis ini juga menyangkut pengembangan bahan-bahan baru yang lebih efisien. Sehingga hanya beberapa negara maju saja yang mampu mengembangkan dan memproduksi sel surya berefisiensi tinggi.
Akhir-akhir ini telah dikembangkan secara intensif sel surya dengan bahan semikonduktor organik atau yang dikenal dengan sel surya organik (yang selanjutnya disingkat menjadi SSO). Dalam hal ini SSO mempunyai potensi sebagai piranti pengkonversi energi yang lebih murah dan mudah dalam fabrikasinya jika dibandingkan dengan sel surya anorganik. Selain itu, rekayasan hingga level molekuler dan sintesis bahan semokonduktor organik juga tidak terbatas, bahkan dapat diekstraksi dari tumbuh-tumbuhan yang dapat dibudidayakan.
Pengembangan SSO makin pesat akhir-akhir ini karena juga dipicu oleh keberhasilan pengembangan divais LED organik (Organic Light Emitor Diode=OLED) yang sudah memasuki tahap komersial. Dua jenis SSO saat ini meliputi SSO lapisan tipis serta dyes sensitizer solar cell atau DSSC. SSO lapisan tipis (yang selanjutnya disebut SSO) sendiri juga terdiri dari beberapa jenis struktur, antara lain adalah SSO bulk dan SSO heterojunction.
a. Bahan Sel Surya Organik (SSO)
Bahan sel surya organik adalah polimer semikonduktif. Penemuan polimer yang dapat menghantarkan listrik atau polimer konduktif pada
pertengahan tahun 1970-an telah melahirkan penelitian yang intensif yang menunjukkan bahwa sifat-sifat elektrik pada polimer berkisar dari insulating (tidak dapat menghantar), semiconducting sampai conducting (konduktivitas >100.000 S/cm). Polimer banyak dipelajari karena struktur dan sifat-sifat mekanisnya yang unik dan atraktif. Material jenis baru yang bersifat semikonduktif dan konduktif ini dapat disebut gabungan sifat-sifat elektrik dan optik semikonduktor anorganik dengan polimer yang memiliki kelenturan mekanis. Akan tetapi, mekanisme pembawa muatan dan transpor muatan pada polimer semikonduktif memiliki perbedaan mendasar dengan semikonduktor anorganik. Bahan ini menunjukkan perubahan ikatan tunggal dan ganda antara rantai karbon pada rantai utama. Contoh bahan-bahan tersebut adalah seperti pada gambar 14.
b. Level energi pada polimer bahan semikonduktor
Rantai polimer pada bahan ini dapat sangat panjang. Tingkat-tingkat molekular dikelompokkan dalam pita-pita (bands), dan pada limit panjang konjugasi yang sangat panjang, gambar struktur pita pada semikonduktor
Gambar 14. Beberapa contoh polimer bahan semikonduktor
MDMO-PPV (poly[2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)]-1,4-phenylenevinylene), P3HT (poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) and PFB (poly(9,9’-dioctylfluorene-co-bis-N,N’-(4-butylphenyl)-bis-N,N’-phenyl-1,4-phenylenediamine). Lower row: the electronconducting acceptor polymers CN-MEH-PPV (poly-[2-methoxy-5-(2’-ethylhexyloxy)-1,4-(1-cyanovinylene)-phenylene) and F8TB (poly(9,9’-dioctylfluoreneco-) and a soluble derivative of C60, PCBM (1-(3-methoxycarbonyl) benzothiadiazole propyl-1-phenyl[6,6]C61).
anorganik dapat digunakan pada semikonduktor organik. Batas pita pada pita valensi menunjukkan Highest Occupied Molecular Orbital (HOMO) dan batas pada pita konduksi disebut Lowest Unoccupied Molecular Orbital (LUMO). Fotoeksitasi pada polimer. Celah energi antara tingkat HOMO dan LUMO pada polimer terkonjugasi sama dengan besar range energi foton yang dapat terlihat. Pada penyerapan foton yang datang, sebuah elektron berpindah ke tingkat LUMO, meninggalkan sebuah lubang (hole) pada tingkat HOMO. Contoh tingkat energi pada semikonduktor bahan polimer dapat dilihat pada gambar 14.9
Pasangan electron-hole membentuk singlet exciton, setelah penyerapan foton atau electron-hole tetap pada rantai polimer yang sama dan terikat satu sama lain karena ikatan elektrostatik. Tingkat energi singlet exciton terletak pada celah HOMO-LUMO. Pasangan elektron-hole ini dapat bermigrasi dalam film menuju tingkat energi yang lebih rendah. Umur singlet exciton berkisar antara ratusan pikodetik (sekitar 10 -12 detik).
c. Mekanisme Fisis konversi Foton (sinar surya) menjadi daya Listrik pada Sel Surya Organik.
Sel surya organic yang baik untuk iluminasi pada daerah cahaya tampak adalah sel surya berstruktus heterojunction. Proses konversi energi cahaya menjadi energi listrik pada SSO adalah sebagai berikut:10
9 Peter Peumans et.al. Small Molecular Weight Organic Thin-Film Photodetectors and Solar Cells. Journal of Applied Phsics. Volume 93.
10 Ibid.
Gambar 15 Contoh level energi pada semikonduktor bahan
1) Penyerapan energi matahari (foton) dan pembentukan pasangan elektron dan hole ( eksiton)
2) Difusi eksiton menuju interface (antar muka) donor/akseptor, 3) Pemisahan eksiton menjadi pembawa muatan (electron dan hole), 4) Transfer pembawa muatan ke masing-masing elektroda ITO maupun
Ag,
5) Pengumpulan pembawa muatan pada masing-masing elektroda. Setelah mendapatkan output dari solar cell (baik anorganik maupun organik) yang berupa arus listrik dapat langsung digunakan untuk beban yang dimanfaatkan. Tetapi juga arus listrik tersebut dapat digunakan sebagai pengisian dengan cara disimpan ke dalam baterai agar dapat dipergunakan pada saat yang diperlukan khususnya pada malam hari karena tidak adanya sinar matahari. Apabila solar cell tersebut digunakan untuk penyimpanan ke baterai, maka besarnya tegangan yang dihasilkan harus di atas spesifikasi baterai tersebut. Misalnya baterai yang digunakan adalah 6 Volt, maka tegangan yang dihasilkan solar cell harus diatas 6 Volt untuk dapat melakukan pengisian. Sebaiknya sebelum melaksanakan pengisian sebaiknya baterai dalam keadaan kosong karena arus yang masuk akan dapat terisi dengan maksimal. Satuan kapasitas suatu baterai adalah Ampere jam (Ah) dan biasanya karakteristik ini terdapat pada label suatu baterai. Misalnya suatu baterai dengan kapasitas 10 Ah akan terisi penuh selama 10 jam dengan arus output solar cell sebesar 1 Ampere. C. Penutup
Krisis energi menjadi masalah yang penting di dalam kehidupan manusia di dunia ini. Kebutuhan akan energi harus dipenuhi, baik pada
industri, transportasi, perkantoran, dan rumah tangga, bahkan pada pertahanan suatu negara agar roda kehidupan dapat berjalan. Beberapa negara telah berusaha untuk menggali energi alternatif yang dapat digunakan untuk memenuhi kebutuhan energi, dengan melakukan penggalian sumber daya alam dan penelitian yang menghabiskan dana yang cukup besar. Energi surya merupakan energi alternatif dimasa mendatang yang murah, melimpah, dan ramah lingkungan. Apalagi daerah yang banyak mendapatkan cahaya matahari (daerah katulistiwa) seperti Indonesia ini. Namun pemanfaatn energi surya pada saat ini baru sebatas pemanasan langsung, dan alat-alat elektronik seperti jam, kalkulator, handpone, dan pada peralatan ruang angkasa lainnya. Untuk kebutuhan listrik sehari-hari masih menggunakan bahan baku energi fosil, batubara, dan energi alternatif lainnya. Hal ini disebabkan oleh investasi yang cukup mahal dan fabrikasi yang sulit untuk pembuatan sel surya anorganik. Untuk itu ada terobosan baru pada pemanfatan energi surya ini yaitu dengan sel surya organik (SSO) yang menggunakan bahan polimer. Bahan ini murah dan fabrikasi yang tidak sulit sehingga investasinya tidak tinggi. Namun penggunaan sel surya ini belum masuk pada pasaran dan masih sebatas laboraorium. Hal ini disebabkan effisiensinya yang dihasilkan dari sel surya bahan masih rendah. Untuk itu masih dilakukan pengkajian yang cukup serius agar mendapatkan efisiensi yang tinggi sehingga krisis energi dapat teratasi. Mari kita tunggu kesungguhan para ilmuan dan penyandang sumber dana.
Daftar Pustaka
Gebeyehu D, Pfeiffer M., Maennig B., Drechsel J., Werner A., dan Leo K., Highly Efficient p–i–n Type Organic Photovoltaic Devices, Thin Solid Films, 2004.
Gruber, D.P, Meinhardt G., dan Papousek W., Spatial Distribution of Light Absorption in Organic Photovoltaic Devices,Solar Energy, 2005.
Hamakawa, Y, Photovoltaics Clean Energy Revolution, Proc. of Japan–Indonesia Joint Seminar on Photovoltaic, 1997.
Kadir, Abdul, Energi, sumber daya, inovasi, tenaga listrik, dan Potensi Ekonomi, Jakarta:UI-Press, 1995.
Koehler, M., Roman, L.S., Inganas, O., da Luz, M. G. E., Modeling Bilayer Polymer/Fullerene Photovoltaic Devices, J. Appl. Phys., 2004.
Mazhari B., An improved solar cell circuit model for organic solar cells, Solar Energy Materials & Solar Cells, 2006.
Monestier, F., Simona, J.J., Torchio, P., Escoubasa, L., Flory, F., Bailly, S., de Bettignies, R., Guillerez, S., dan Defranoux, C., Modeling the Short-Circuit Current Density of Polymer Solar Cells Based on P3HT:PCBM Blend,Solar Energy Materials & Solar Cells, 2007.
Pettersson, L. A. A., Roman, L.S. dan Inganas, O., Modeling Photocurrent Action Spectra of Photovoltaic Devices Based on Organic Thin Films,J. Appl. Phys., 1999.
Peumans, P., Yakimov, A. dan Forres, S.R., Small Molecular Weight Organic Thin-Film Photodetectors and Solar Cells,J. Appl. Phys., 2003.
Robert W. Miles, Guillaume Zoppi, and Ian Forbes, The inorganic semiconductor materials used to make photovoltaic cells include crystalline, multicrystalline, amorphous, and microcrystalline Si,the III-V compounds and alloys, CdTe, and the chalcopyrite compound,copper indium gallium diselenide (CIGS). We show the structure of the different devices that have been developed, discuss the main methods of manufacture, and review the achievements of the different technologies, Journal Materialtoday, November 2007.
Singh V.P., Parsarathy B., R.S. Singh, A. Aguilera, J. Anthony, M. Payne,
Characterization of High-Photovoltage CuPc-Based Solar Cell Structures,
Solar Energy Materials & Solar Cells, 2006.
Stubinger, T. dan Brutting, W., Exciton Diffusion and Optical Interference in Organik Donor–Acceptor Photovoltaic Cells, J. App. Phys., 2001.
Triyana, K., Yasuda, T., Fujita, K. dan Tsutsui, T., Improvement of Heterojunction Donor/Acceptor Organik Photovoltaic Devices by Employing Additional Active Layer, Jpn. J. Appl. Phys., 2005.
Triyana, K., Yasuda, T., Fujita, K. dan Tsutsui, T., Tandem Type Organik Solar Cells by Stacking Different Heterojunction Materials, Thin Solid Films, 2005.
Xue J., Uchida S. , Rand B. P., dan Forrest S. R., 4.2% Efficient Organic Photovoltaic Cells with Low Series Resistances, Appl. Phys. Lett., 2004.
