Tenaga Surya sebagai Sumber Energi
Oleh: DR. Hartono Siswono
Energi memiliki peranan penting dalam kehidupan manusia. Bangsa yang tidak menguasai energi akan menjadi bangsa yang tidak merdeka seutuhnya. Adalah suatu kelemahan masa lalu dan masa sekarang , pada sa’at kita memiliki sumber energi, tetapi bangsa asing yang mengambil keuntungan terbesar dari sumber energi kita. Disa’at sumber enegi kita mulai menipis, kita tersadari dan mulai berbicara mengenai sumber energi yang lain. Jika kita ingin menjadi bangsa yang merdeka seutuhnya, kita harus menguasai dan memanfa’atkan sumber sumber energi.
Energi adalah salah satu tantangan yang kita hadapi pada abad 21 ini. Berdasarkan survey yang dilakukan oleh Professor Ricards Smalley dari Rice University mengenai masalah terbesar yang akan dihadapi manusia untuk 50 tahun mendatang, ternyata energi menduduki peringkat pertama. Cadangan sumber energi fosil di seluruh dunia terhitung sejak 2002 yaitu 40 tahun untuk minyak, 60 tahun untuk gas alam, dan 200 tahun untuk batu bara. Dengan keadaan semakin menipisnya sumber energi fosil tersebut, di dunia sekarang ini terjadi pergeseran dari penggunaan sumber energi tak terbaharui menuju sumber energi terbaharui
Terdapat berbagai sumber energi terbaharui, sepert angin, biomass, dan hydro power. Dari sekian banyak sumber energi terbahurui seperti angin, biomass dan hydro power, penggunaan energi melalui solar cell / sel surya merupakan alternatif yang paling potensial.
Mengapa penggunaan energi melalui solar cell / sel surya merupakan alternatif yang paling potensial? Mungkin itu merupakan salah satu pertanyaan yang ada di pikiran kita. Salah satu alasannya adalah sumber energi alami jangka panjang adalah matahari. sel surya merupakan kandidat utama untuk memperoleh energi dari matahari karena sel surya dapat merubah cahaya matahari menjadi energi listrik dengan nilai efisiensi konversi yang tinggi, sehingga dapat menghasilkan daya permanen dengan biaya operasi rendah dan bebas polusi.
Keluaran energi radiatif dari matahari setiap detik sekitar 4 X 1020 J. Energi ini dipancarkan khususnya sebagai radiasi elektromagnetik pada ultraviolet ke infrared. Jumlah massa matahari sekarang adalah sekitar 2 X 1030 kg dan diperkirakan memiliki kehidupan stabil lebih dari 1010 tahun dengan keluaran energi radiatif yang mendekati konstan. Dengan melihat umur matahari yang demikian panjang jika dibandingkan dengan umur manusia, maka dapat dikatakan umur matahari mencapai tak berhingga. Intensitas radiasi surya pada ruang bebas pada jarak rata-rata antara bumi dan matahari dinyatakan sebagai konstanta surya dengan nilai 1352 W/m2. Atmosfir meredam cahaya matahari ketika mencapai permukaan bumi, disebabkan penyerapan uap air pada
pengaruh atmosfir terhadap cahaya matahari yang diterima pada permukaan bumi disebut ”air mass”.
AM0 atau Air Mass Zero condition yaitu spektrum solar di luar atmosfir bumi, sesuai untuk aplikasi satelit dan pesawat ruang angkasa. Spektrum AM1 menyatakan cahaya matahari pada permukaan bumi ketika matahari berada pada zenith, daya yang masuk adalah sekitar 925 W/m2. Spektrum AM2 adalah untuk θ = 60o dan daya sekitar 691 W/m2.
Kondisi Air Mass 1.5 (AM1.5, matahari pada sudut 45o di atas horison) merupakan suatu kondisi yang memuaskan untuk aplikasi di bumi. Daya total untuk AM1.5 adalah 844 W/m2.
Bagaimana prinsip kerja sel surya? Sel surya adalah perangkat yang mengkonversi radiasi sinar matahari menjadi energi listrik. Efek fotovoltaik ini ditemukan oleh Becquerel pada tahun 1839, dimana Becquerel mendeteksi adanya tegangan foto ketika sinar matahari mengenai elektroda pada larutan elektrolit. Pada tahun 1954 peneliti di Bell Telephone menemukan untuk pertama kali sel surya silikon berbasis p-n junction dengan efisiensi 6%. Sekarang ini, sel surya silikon mendominasi pasar sel surya dengan pangsa pasar sekitar 82% dan efisiensi komersil sekitar 15%.
Prinsip kerja sel surya silikon adalah berdasarkan konsep semikonduktor p-n junction. Sel terdiri dari lapisan semikonduktor doping-n dan doping-p yang membentuk p-n junction, lapisan antirefleksi, dan substrat logam sebagai tempat mengalirnya arus dari lapisan tipe-n (elektrotipe-n) datipe-n tipe-p (hole).
Semikonduktor tipe-n didapat dengan mendoping silikon dengan unsur dari golongan V sehingga terdapat kelebihan elektron valensi dibanding atom sekitar. Pada sisi lain semikonduktor tipe-p didapat dengan doping oleh golongan III sehingga elektron valensinya defisit satu dibanding atom sekitar. Ketika dua tipe material tersebut mengalami kontak maka kelebihan elektron dari tipe-n berdifusi pada tipe-p. Sehingga area doping-n akan bermuatan positif sedangkan area doping-p akan bermuatan negatif. Medan elektrik yan terjadi antara keduanya mendorong elektron kembali ke daerah-n dan hole ke daerah-p. Pada proses ini terlah terbentuk p-n junction. Dengan menambahkan kontak logam pada area p dan n maka telah terbentuk dioda.
Ketka junction disinari, photon yang mempunyai energi sama atau lebih besar dari lebar pita energi material tersebut akan menyebabkan eksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi dan akan meninggalkan hole pada pita valensi. Elektron dan hole ini dapat bergerak dalam material sehingga menghasilkan pasangan elektron-hole. Apabila ditempatkan hambatan pada terminal sel surya, maka elektron dari area-n akan kembali ke area-p sehingga menyebabkan perbedaan potensial dan arus akan mengalir.
Daya listrik yang dihasilkan sel surya ketika mendapat cahaya diperoleh dari kemampuan perangkat sel surya tersebut untuk memproduksi tegangan ketika diberi beban dan arus
melalui beban pada waktu yang sama. Kemampuan ini direpresentasikan dalam kurva arus-tegangan (I-V) yang ditunjukkan Gambar 1.
Gambar 1. Karakteristik Kurva I-V pada sel surya
Ketika sel dalam kondisi short circuit, arus short circuit ISC dihasilkan, sedangkan pada
kondisi open circuit tidak ada arus yang dapat mengalir sehingga tegangannya maksimum, disebut tegangan open-circuit. VOC. Titik pada kurva I-V yang menghasilkan
arus dan tegangan maksimum disebut titik daya maksimum (MPP). Karaktersitik penting lainnya dari sel surya yaitu fill factor (FF), dengan persamaan,
SC OC MPP MPP I V I V FF . . = (1)
daya maksimum dari sel surya dinyatakan dengan,
FF I V I V PMAX = MPP . MPP = OC . SC . (2)
Sehingga efisiensi sel surya dinyatakan sebagai daya yang dihasilkan dari sel (PMAX)
dibagi dengan daya dari cahaya yang datang (PCAHAYA).
CAHAYA MAX P P =
η
(3)Berbagai usaha dilakukan untuk peningkatan efisiensi. Salah satu cara adalah dengan membuat permukaan modul yang memiliki piramida piramida yang mengarah ke atas dengan dimensi alas rata-rata 5 µm seperti ditujukkan pada Gambar 2. Cahaya yang datang memiliki kemungkinan ganda untuk memasuki permukaan modul. Sebagai akibatnya refleksi permukaan menjadi sangat rendah untuk cahaya yang datang.
Gambar 2. permukaan modul yang memiliki piramida piramida yang mengarah ke atas
dengan dimensi alas rata-rata 5 µm
Produksi sel surya dunia telah mencapai angka 2.204 MW tahun 2006, meningkat dari 1,656 MW tahun sebelumnya. Perusahaan Jepang masih mendominasi produksi sel surya global dengan menguasai 40% sel surya yang beredar didunia saat ini, turun dari tahun sebelumnya yaitu 46%. Hal ini menunjukkan bahwa pasar sel surya dunia semakin kompetitif dan terus mengalami kenaikan pasar yang signifikan. Membuktikan bahwa kebutuhan sel surya dunia akan terus meningkat dan implikasinya akan menurunkan harga dari modul surya itu sendiri.
Dari hal hal di atas, terdapat beberapa hal yang dapat kita garis bawahi:
1. Terjadi pergeseran dari penggunaan sumber energi tak terbaharui menuju sumber energi terbaharui.
2. Penggunaan energi melalui solar cell / sel surya merupakan alternatif yang paling Potensial.
3. Matahari diperkirakan memiliki kehidupan stabil lebih dari 1010 tahun dengan keluaran energi radiatif yang mendekati konstan.
4. Sel surya dapat merubah cahaya matahari menjadi energi listrik dengan nilai efisiensi konversi yang tinggi, sehingga dapat menghasilkan daya permanen
dengan biaya operasi rendah dan bebas polusi.
5. Berbagai usaha dilakukan untuk peningkatan efisiensi.
6. Produksi sel surya meningkat yang membuktikan kebutuhan sel surya dunia terus meningkat dan implikasinya akan menurunkan harga dari modul sel surya.
Pada akhirnya, kita dapat mengutip apa yang menjadi slogan di Badan Penelitian Jerman, yaitu: ”Alokasikan uang yang banyak untuk riset, maka riset akan memberikan uang yang lebih banyak.”
DAFTAR ACUAN
Septina, W., Fajarisandi, D., dan Aditia, M. , 2007, Pembuatan Prototipe Solar Cell
Murah dengan Bahan Organik-Inorganik (Dye-sensitized Solar Cell), Bandung.
Sze, S.M., 1981, Physics of Semiconductor Devices, Ed. 2.: John Willey & Sons, New York.
Zhao, J., Campbell, P., dan Gree, M.A., 1997, Very High Efficience PERL Silicon Solar
Cell Module, Proc. Of Solar, hal. 120.
Zhao, J., Wang, A., Abbaspour-Sani, E., Yun, F., Green, M.A., dan King, D.L., 1996,
22,3 % Efficient Silicon Solar Cell Module, Proc. Of the 25th IEEE Photovoltaic Specialist Conference, Washingto DC, hal. 1203-1206.
