MENGENAL SOLAR CELL SEBAGAI ENERGI ALTERNATIF
Kebutuhan
akan energi yang terus meningkat dan semakin menipisnya cadangan
minyak bumi memaksa manusia untuk mencari sumber-sumber energi
alternatif. Negara-negara maju juga telah bersaing dan berlomba membuat
terobosan-terobosan baru untuk mencari dan menggali serta menciptakan
teknologi baru yang dapat menggantikan minyak bumi sebagai sumber
energi. Semakin menipisnya persediaan energi dan juga ketergantungan
pada salah satu jenis energi dimana hingga saat ini pemakaian bahan
bakar minyak sangat besar sekali dan hampir semua sektor kehidupan
menggunakan bahan bakar ini, sementara itu bahan bakar minyak merupakan
komoditi ekspor yang dominan untuk pendapatan negara.
Dalam
upaya pencarian sumber energi baru sebaiknya memenuhi syarat yaitu
menghasilkan jumlah energi yang cukup besar, biaya ekonomis dan tidak
berdampak negatif terhadap lingkungan. Oleh karena itu pencarian
tersebut diarahkan pada pemanfaatan energi matahari baik secara
langsung maupun tidak langsung dengan menggunakan panel sel surya yang
dapat merubah energi matahari menjadi energi listrik yang dinamakan
solar cell.
Solar
cell merupakan suatu panel yang terdiri dari beberapa sel dan beragam
jenis. Penggunaan solar cell ini telah banyak di gunakan di
negara-negara berkembang dan negara maju dimana pemanfaatannya tidak
hanya pada lingkup kecil tetapi sudah banyak digunakan untuk keperluan
industri sehingga energi matahari dapat dijadikan sebagai sumber energi
alternatif.
Energi
matahari mempunyai banyak keuntungan dibandingkan dengan energi lain.
Keuntungan yang dapat diperoleh adalah jumlahnya cukup besar, kontinyu,
tidak menimbulkan polusi, terdapat dimana-mana dan tidak mengeluarkan
biaya. Penggunaan solar cell ini juga sangat cocok digunakan di jajaran
TNI dimana seringnya pelaksanaan tugas di daerah terpencil yang belum
terjangkau arus listrik maupun dimanfaatkan untuk alat dengan konsumsi
listrik skala kecil sehingga dapat membantu tugas prajurit di lapangan
dalam mendukung pertahan keamanan bangsa.
Klasifikasi Energi Matahari.
Solar
Energy Panel dari NASA National Aeronautic and Space Administration)
tahun 1997 mengklasifikasikan penggunaan energi matahari ke dalam dua
sistem koleksi yaitu sistem koleksi alamiah dan sistem koleksi
teknologi. Dari pengklasifikasian diatas untuk koleksi alamiah yaitu
air, angin, bahan bakar organik dan perbedaan temperatur lautan
sedangkan untuk koleksi teknologi terdapat dua aplikasi utama dari
energi matahari yaitu produksi listrik (fotovoltaik) dan produksi panas
thermal.
Fotovoltaik
digunakan untuk mengkonversikan intensitas radiasi matahari menjadi
energi listrik. Energi panas dihasilkan juga dari radiasi matahari dan
dapat dikumpulkan atau dipusatkan dengan pengumpul (kolektor). Energi
panas ini biasanya digunakan untuk kolektor matahari, pompa-pompa
pemanas dan lain-lain.
Radiasi Surya.
Intensitas
radiasi matahari akan berkurang oleh penyerapan dan pemantulan oleh
atmosfer saat sebelum mencapai permukaan bumi. Ozon di atmosfer
menyerap radiasi dengan panjang gelombang pendek ( ultraviolet )
sedangkan karbondioksida dan uap air menyerap sebagian radiasi
dengan panjang gelombang yang lebih panjang ( infra merah ). Selain
pengurangan radiasi bumi langsung ( sorotan ) oleh penyerapan
tersebut, masih ada radiasi yang dipancarkan oleh
molekul-molekul gas, debu dan uap air dalam atmosfer.
Ada tiga macam cara radiasi matahari/surya sampai ke permukaan bumi yaitu :
a. Radiasi langsung ( Beam / Direct Radiation ).
Adalah radiasi yang mencapai bumi tanpa perubahan arah atau radiasi yang diterima oleh bumi dalam arah sejajar sinar datang.
b. Radiasi hambur ( Diffuse Radiation ).
Adalah radiasi yang mengalami perubahan akibat pemantulan dan penghamburan.
c. Radiasi total ( Global Radiation ). Adalah penjumlahan radiasi langsung dan radiasi hambur.
Misalnya
data untuk suatu permukaan miring yang menghadap tanah tertutup salju
serta menerima komponen radiasi karena pemantulan harus dirinci dulu
kondisi
saljunya
yaitu sifat pantulannya ( Reflektansi ). Karena itu radiasi total pada
suatu permukaan bidang miring biasanya dihitung.
Sel Surya.
Sel
surya terbuat dari potongan silikon yang sangat kecil dengan dilapisi
bahan kimia khusus untuk membentuk dasar dari sel surya. Sel surya pada
umumnya memiliki ketebalan minimum 0,3 mm yang terbuat dari irisan
bahan semikonduktor dengan kutub positif dan negatif. Tiap sel surya
biasanya menghasilkan tegangan 0,5 volt. Sel surya merupakan 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 semikonduktor jenis “P” ( positif ) dan
semikonduktor jenis “N” ( negatif ).
Semikonduktor
jenis-N dibuat dari kristal silikon dan terdapat juga sejumlah
material lain ( umumnya posfor ) dalam batasan bahwa material tersebut
dapat memberikan suatu kelebihan elektron bebas.
Elektron
adalah partikel sub atom yang bermuatan negatif, sehingga silikon
paduan dalam hal ini disebut sebagai semikonduktor jenis-N ( Negatif ).
Semikonduktor jenis-P juga terbuat dari kristal silikon yang
didalamnya terdapat sejumlah kecil materi lain ( umumnya boron ) 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 ).
Prinsip Kerja Sel Surya.
Susunan
sebuah solar cell, sama dengan sebuah dioda, terdiri dari dua lapisan
yang dinamakan PN juction. PN junction itu diperoleh dengan jalan
menodai sebatang bahan semikonduktor silikon murni ( valensinya 4 )
dengan impuriti yang bervalensi 3 pada bagian sebelah kiri, dan yang di
sebelah kanan dinodai dengan impuriti bervalensi 5.
Sehingga
pada bagian kiri terbentuk silikon yang tidak murni lagi dan dinamakan
silikon jenis P, sedangkan yang sebelah kanan dinamakan silikon jenis
N. Di dalam silikon murni terdapat dua macam pembawa muatan listrik
yang seimbang. Pembawa muatan listrik yang positip dinamakan hole,
sedangkan yang negatip dinamakan elektron. Setelah dilakukan proses
penodaan itu, di dalam silikon jenis P terbentuk hole ( pembawa muatan
listrik positip ) dalam jumlah yang sangat besar dibandingkan dengan
elektronnya. Oleh karena itu di dalam silikon jenis P hole merupakan
pembawa muatan mayoritas, sedangkan elektron merupakan pembawa muatan
minoritas. Sebaliknya, di dalam silikon jenis N terbentuk elektron
dalam jumlah yang sangat besar sehingga disebut pembawa muatan
mayoritas, dan hole disebut pembawa muatan minoritas.
Di
dalam batang silikon itu terjadi pertemuan antara bagian P dan bagian
N. Oleh karena itu dinamakan PN junction. Bila sekarang, bagian P
dihubungkan dengan kutub positip dari sebuah batere, sedangkan kutub
negatipnya dihubungkan dengan bagian N, maka terjadi hubungan yang
dinamakan "forward bias".
Dalam
keadaan forward bias, di dalam rangkaian itu timbul arus listrik yang
disebabkan oleh kedua macam pembawa muatan. Jadi arus listrik yang
mengalir di dalam PN junction disebabkan oleh gerakan hole dan gerakan
elektron. Arus listrik itu mengalir searah dengan gerakan hole, tapi
berlawanan arah dengan gerakan elektron. Sekedar untuk lebih
menjelaskan, elektron yang bergerak di dalam bahan konduktor dapat
menimbulkan energi listrik. Dan energi listrik inilah yang disebut
sebagai arus listrik yang mengalir berlawanan arah dengan gerakan
elektron.
Tapi, bila bagian P dihubungkan dengan kutup negatip dari batere dan bagian N dihubungkan dengan kutub positipnya, maka sekarang terbentuk hubungan yang dinamakan "reverse bias". Dengan keadaan seperti ini, maka hole ( pembawa muatan positip ) dapat tersambung langsung ke kutub positip, sedangkan elektron juga langsung ke kutub positip. Jadi, jelas di dalam PN 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. Karena itu, dalam keadaan reverse bias, di dalam PN junction ada juga arus yang timbul meskipun dalam jumlah yang sangat kecil ( mikro ampere ). Arus ini sering disebut dengan reverse saturation current atau leakage current ( arus bocor ).
Ada yang menarik dalam keadaan reverse bias itu. Bila suhu PN juction tsb dinaikkan ternyata dapat memperbesar arus bocor yang timbul itu. Berarti bila diberi energi (panas), pembawa muatan minoritas di dalam PN junction bertambah banyak. Karena cahaya itu merupakan salah satu bentuk energi, maka bila ada cahaya yang menimpa suatu PN junction dapat juga menghasilkan energi yang cukup untuk menghasilkan pembawa muatan. Gejala seperti ini dinamakan fotokonduktif. Berdasarkan gejala fotokonduktif itu maka dibuat komponen elektronik fotodioda dari PN junction itu.
Dalam keadaan reverse bias, dengan memperbesar intensitas cahaya yang menimpa fotodioda dapat meningkatkan aras arus bocornya. Arus bocor dapat juga diperbesar dengan memperbesar tegangan batere (tegangan reverse), tapi penambahan arus bocornya itu tidak signifikan. Bila batere dalam rangkaian reverse bias itu dilepas dan diganti dengan beban tahanan, maka pemberian cahaya itu dapat menimbulkan pembawa muatan baik hole maupun elektron. Jika iluminasi cahaya itu ditingkatkan, ternyata arus yang timbul semakin besar. Gejala seperti ini dinamakan photovoltaic. Cahaya dapat memberikan energi yang cukup besar untuk memperbesar jumlah hole pada bagian P dan jumlah elektron pada bagian N. Berdasarkan gejala photovoltaic ini maka dapat diciptakan komponen elektronik photovoltaic cell. Karena biasanya matahari sebagai sumber cahaya, maka photovoltaic cell sering juga disebut solar cell (sel surya) atau solar energy converter.
Jadi sel surya itu pada dasarnya sebuah foto dioda yang besar dan dirancang dengan mengacu pada gejala photovoltaic sedemikian rupa sehingga dapat menghasilkan daya yang sebesar mungkin. Silikon jenis P merupakan lapisan permukaan yang dibuat sangat tipis supaya cahaya matahari dapat menembus langsung mencapai junction. Bagian P ini diberi lapisan nikel yang berbentuk cincin, sebagai terminal keluaran positip. Di bawah bagian P terdapat bagian jenis N yang dilapisi dengan nikel juga sebagai terminal keluaran negatip.
Tapi, bila bagian P dihubungkan dengan kutup negatip dari batere dan bagian N dihubungkan dengan kutub positipnya, maka sekarang terbentuk hubungan yang dinamakan "reverse bias". Dengan keadaan seperti ini, maka hole ( pembawa muatan positip ) dapat tersambung langsung ke kutub positip, sedangkan elektron juga langsung ke kutub positip. Jadi, jelas di dalam PN 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. Karena itu, dalam keadaan reverse bias, di dalam PN junction ada juga arus yang timbul meskipun dalam jumlah yang sangat kecil ( mikro ampere ). Arus ini sering disebut dengan reverse saturation current atau leakage current ( arus bocor ).
Ada yang menarik dalam keadaan reverse bias itu. Bila suhu PN juction tsb dinaikkan ternyata dapat memperbesar arus bocor yang timbul itu. Berarti bila diberi energi (panas), pembawa muatan minoritas di dalam PN junction bertambah banyak. Karena cahaya itu merupakan salah satu bentuk energi, maka bila ada cahaya yang menimpa suatu PN junction dapat juga menghasilkan energi yang cukup untuk menghasilkan pembawa muatan. Gejala seperti ini dinamakan fotokonduktif. Berdasarkan gejala fotokonduktif itu maka dibuat komponen elektronik fotodioda dari PN junction itu.
Dalam keadaan reverse bias, dengan memperbesar intensitas cahaya yang menimpa fotodioda dapat meningkatkan aras arus bocornya. Arus bocor dapat juga diperbesar dengan memperbesar tegangan batere (tegangan reverse), tapi penambahan arus bocornya itu tidak signifikan. Bila batere dalam rangkaian reverse bias itu dilepas dan diganti dengan beban tahanan, maka pemberian cahaya itu dapat menimbulkan pembawa muatan baik hole maupun elektron. Jika iluminasi cahaya itu ditingkatkan, ternyata arus yang timbul semakin besar. Gejala seperti ini dinamakan photovoltaic. Cahaya dapat memberikan energi yang cukup besar untuk memperbesar jumlah hole pada bagian P dan jumlah elektron pada bagian N. Berdasarkan gejala photovoltaic ini maka dapat diciptakan komponen elektronik photovoltaic cell. Karena biasanya matahari sebagai sumber cahaya, maka photovoltaic cell sering juga disebut solar cell (sel surya) atau solar energy converter.
Jadi sel surya itu pada dasarnya sebuah foto dioda yang besar dan dirancang dengan mengacu pada gejala photovoltaic sedemikian rupa sehingga dapat menghasilkan daya yang sebesar mungkin. Silikon jenis P merupakan lapisan permukaan yang dibuat sangat tipis supaya cahaya matahari dapat menembus langsung mencapai junction. Bagian P ini diberi lapisan nikel yang berbentuk cincin, sebagai terminal keluaran positip. Di bawah bagian P terdapat bagian jenis N yang dilapisi dengan nikel juga sebagai terminal keluaran negatip.
Untuk
mendapatkan daya yang cukup besar diperlukan banyak sel surya.
Biasanya sel-sel surya itu sudah disusun sehingga berbentuk panel, dan
dinamakan panel photovoltaic (PV). PV sebagai sumber daya listrik
pertama kali digunakan di satelit. Kemudian dipikirkan pula PV sebagai
sumber energi untuk mobil, sehingga ada mobil listrik surya. Sekarang,
di luar negeri, PV sudah mulai digunakan sebagai atap atau dinding
rumah. Bahkan Sanyo sudah membuat PV yang semi transparan sehingga dapat
digunakan sebagai pengganti kaca jendela. Sel surya di Indonesia sudah
mulai banyak dimanfaatkan, terutama sebagai energi penerangan di malam
hari. Juga sudah dilakukan uji coba untuk membuat mobil tenaga surya.
Sekarang, pemerintah sedang memikirkan untuk mengembangkan pemanfaatan
sel surya ke daerah-daerah transmigrasi.
Daya Dan Efisiensi.
Sebelum
mengetahui daya sesaat yang dihasilkan kita harus mengetahui energi
yang diterima, dimana energi tersebut adalah perkalian intensitas
radiasi yang diterima dengan luasan dengan persamaan :
E = Ir x A
dimana :
Ir = Intensitas radiasi matahari ( W/m2)
A = Luas permukaan (m2)
Sedangkan
untuk besarnya daya sesaat yaitu perkalian tegangan dan arus yang
dihasilkan oleh sel fotovoltaik dapat dihitung dengan rumus sebagai
berikut :
P = V x I
dimana :
P = Daya (Watt),
V = Beda potensial (Volt)
I = Arus (Ampere)
Radiasi
surya yang mengenai sel fotovoltaik dengan menggunakan alat
pyranometer adalah dalam satuan mV sehingga harus dikonversikan
menjadi W/m2 , persamaan yang digunakan adalah :
Ir (mV)
Ir = _______ x 1000 (W/m2)
21,13
Efisiensi
yang terjadi pada sel surya adalah merupakan perbandingan daya yang
dapat dibangkitkan oleh sel surya dengan energi input yang diperoleh
dari sinar matahari. Efisiensi yang digunakan adalah efisiensi sesaat
pada pengambilan data.
0 komentar:
Posting Komentar