Kamis, 14 Februari 2019

Teknologi Panel Surya: Cara kerja, Sejarah dan Perkembangannya

Februari 14, 2019  , ,  1 comment


Teknologi Panel Surya:  Cara kerja, Sejarah dan Perkembangannya



Alam semesta mengandung jutaan energi di dalamnya, namun sayangnya manusia baru bisa  memanfaatkan sebagian kecil dari energi alam. Contoh energi alam adalah cahaya matahari yang dimanfaatkan untuk perkembangan teknologi di zaman modern, salah satu pemanfaatan energi matahari adalah teknologi solar sell atau panel surya. Dengan panel surya ini Anda bisa menghasilkan energi listrik dari cahaya matahari.

Energi surya adalah energi yang berupa sinar dan panas dari matahari. Energi ini dapat dimanfaatkan dengan menggunakan serangkaian teknologi seperti pemanas surya, fotovoltaik surya, listrik panas surya, arsitektur surya, dan fotosintesis buatan.

Teknologi energi surya secara umum dikategorikan menjadi dua kelompok, yakni teknologi pemanfaatan pasif dan teknologi pemanfaatan aktif. Pengelompokan ini tergantung pada proses penyerapan, pengubahan, dan penyaluran energi surya. Contoh pemanfaatan energi surya secara aktif adalah penggunaan panel fotovoltaik dan panel penyerap panas. Contoh pemanfaatan energi surya secara pasif meliputi mengarahkan bangunan ke arah matahari, memilih bangunan dengan massa termal atau kemampuan dispersi cahaya yang baik, dan merancang ruangan dengan sirkulasi udara alami.

Cara Kerja Teknologi Sel Surya
Sel surya dapat dianalogikan sebagai divais dengan dua terminal atau sambungan, dimana saat kondisi gelap atau tidak cukup cahaya berfungsi seperti dioda, dan  saat disinari dengan cahaya matahari dapat menghasilkan tegangan. Ketika disinari, umumnya satu sel surya komersial menghasilkan tegangan dc sebesar 0,5 sampai 1 volt, dan arus short-circuit dalam skala  milliampere per cm2. Besar tegangan dan arus ini tidak cukup untuk berbagai aplikasi, sehingga umumnya sejumlah sel surya disusun secara seri membentuk modul surya. Satu modul surya biasanya terdiri dari 28-36 sel surya, dan total menghasilkan tegangan dc sebesar 12 V dalam kondisi penyinaran standar (Air Mass 1.5). Modul surya tersebut bisa digabungkan secara paralel atau seri untuk memperbesar total tegangan dan arus outputnya sesuai dengan daya yang dibutuhkan untuk aplikasi tertentu. Gambar dibawah menunjukan ilustrasi dari modul surya.


Sel surya konvensional bekerja menggunakan prinsip p-n junction, yaitu junction antara semikonduktor tipe-p dan tipe-n. Semikonduktor ini terdiri dari ikatan-ikatan atom yang dimana terdapat elektron sebagai penyusun dasar.  Semikonduktor tipe-n mempunyai kelebihan elektron (muatan negatif)  sedangkan semikonduktor tipe-p mempunyai kelebihan hole (muatan positif) dalam struktur atomnya.  Kondisi kelebihan elektron dan hole tersebut bisa terjadi dengan mendoping material dengan atom dopant. Sebagai contoh untuk mendapatkan material silikon tipe-p, silikon didoping oleh atom boron, sedangkan untuk mendapatkan material silikon tipe-n, silikon didoping oleh atom fosfor. Ilustrasi dibawah menggambarkan junction semikonduktor tipe-p dan tipe-n.


Peran dari p-n junction ini adalah untuk membentuk medan listrik sehingga elektron (dan hole) bisa diekstrak oleh material kontak untuk menghasilkan listrik. Ketika semikonduktor tipe-p dan tipe-n terkontak, maka kelebihan elektron akan bergerak dari semikonduktor tipe-n ke tipe-p sehingga membentuk kutub positif pada semikonduktor tipe-n, dan sebaliknya kutub negatif pada  semikonduktor tipe-p. Akibat dari aliran elektron dan hole ini maka terbentuk medan listrik yang mana  ketika cahaya matahari mengenai susuna p-n junction ini maka akan mendorong elektron bergerak dari semikonduktor menuju kontak negatif, yang selanjutnya dimanfaatkan sebagai listrik, dan sebaliknya hole bergerak menuju kontak positif menunggu elektron datang, seperti diilustrasikan pada gambar dibawah.

Sesuai dengan perkembangan sains dan teknologi, jenis-jenis teknologi sel surya pun berkembang dengan berbagai inovasi. Ada yang disebut sel surya generasi satu, dua, tiga dan empat, dengan struktur atau bagian-bagian penyusun sel yang berbeda pula Dalam tulisan ini akan dibahas struktur dan cara kerja dari sel surya yang umum berada dipasaran saat ini yaitu sel surya berbasis material silikon yang juga secara umum mencakup struktur dan cara kerja sel surya generasi pertama (sel surya silikon) dan kedua (thin film/lapisan tipis).
 

Gambar diatas  menunjukan ilustrasi sel surya dan juga bagian-bagiannya. Secara umum terdiri dari :
a. Substrat/Metal backing
Substrat dalah material yang menopang seluruh komponen sel surya. Material substrat juga harus mempunyai konduktifitas listrik yang baik karena juga berfungsi sebagai kontak terminal positif sel surya, sehinga umumnya digunakan material metal atau logam seperti aluminium atau molybdenum. Untuk  sel surya dye-sensitized  (DSSC) dan sel surya organik, substrat juga berfungsi sebagai tempat masuknya cahaya sehingga material yang digunakan yaitu material yang konduktif tapi juga transparan sepertii ndium tin oxide (ITO) dan flourine doped tin oxide (FTO).

b. Material semikonduktor
Material semikonduktor merupakan bagian inti dari sel surya yang biasanya mempunyai tebal sampai beberapa ratus mikrometer untuk sel surya generasi pertama (silikon), dan 1-3 mikrometer untuk sel surya lapisan tipis. Material semikonduktor inilah yang berfungsi menyerap cahaya dari sinar matahari. Untuk kasus gambar diatas, semikonduktor yang digunakan adalah material silikon, yang umum diaplikasikan di industri elektronik. Sedangkan untuk sel surya lapisan tipis, material semikonduktor yang umum digunakan dan telah masuk pasaran yaitu contohnya material Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGS), CdTe (kadmium telluride), dan amorphous silikon, disamping material-material semikonduktor potensial lain yang dalam sedang dalam penelitian intensif seperti Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTS) dan Cu2O (copper oxide).Bagian semikonduktor tersebut terdiri dari junction atau gabungan dari dua material semikonduktor yaitu semikonduktor tipe-p (material-material yang disebutkan diatas) dan  tipe-n (silikon tipe-n, CdS,dll)  yang membentuk p-n junction. P-n junction ini menjadi kunci dari prinsip kerja sel surya. Pengertian semikonduktor tipe-p, tipe-n, dan juga prinsip p-n junction dan sel  surya akan dibahas dibagian “cara kerja sel surya”.

c. Kontak metal / contact grid
Selain substrat sebagai kontak positif, diatas sebagian material semikonduktor biasanya dilapiskan material metal atau material konduktif transparan sebagai kontak negatif.

d. Lapisan antireflektif
Refleksi cahaya harus diminimalisir agar mengoptimalkan cahaya yang terserap oleh semikonduktor. Oleh karena itu biasanya sel surya dilapisi oleh lapisan anti-refleksi. Material anti-refleksi ini adalah lapisan tipis material dengan besar indeks refraktif optik antara semikonduktor dan udara yang menyebabkan cahaya dibelokkan ke arah semikonduktor sehingga meminimumkan cahaya yang dipantulkan kembali.

e. Enkapsulasi / cover glass
Bagian ini berfungsi sebagai enkapsulasi untuk melindungi modul surya dari hujan atau kotoran.

Sejarah Teknologi Panel Surya
Berdasarkan catatan sejarah, teknologi panel surya bahkan sudah ada di abad ke-18, tepatnya pada tahun 1839 seorang ahli fisika asal Perancis bernama Alexandre Edmund Becquerel pertama kali mencetuskan teknologi panel surya. Awalnya teknologi panel surya pertama kali dicetuskan oleh beliau melalui percobaan penyinaran dua elektroda menggunakan berbagai spektrum cahaya yang menghasilkan efek Photovoltaic. Photovoltaic (Photo = cahaya dan voltaic = tegangan listrik) merupakan proses pembentukan energi listrik dari energi cahaya. Namun pada saat itu, jumlah energi listrik yang dihasilkan terlalu sedikit dan mudah habis.


Pada tahun 1873, seorang ilmuan bernama Willoughby Smith mnemukan selenium yang berfungsi sebagai suatu elemen photo conductivity. Membawa sedikit angin segar dan harapan agar cahaya menghasilkan energi dapat terwujud.



Hingga pada tahun 1883 charles Fritz mencoba melakukan penelitian dengan melapisi semikonduktor selenium dengan lapisan emas yang sangat amat tipis. Photovoltaic yang dibuatnya menghasilkan efisiensi kurang dari 1%.

Kemudian di tahun 1876, seorang guru bernama William Grylls Adam dan muridnya Richards Evans Day memperkuat penelitian Alexandre Edmund Becquerel yang mengemukakan bahwa di dunia ini terdapat benda material padat, yakni selenium yang dapat menghasilkan energi listrik apabila selenium terkena sinar tertentu. Meski hanya menghasilkan energi listrik dalam jumlah sedikit namun percobaan ini sekaligus membuktikan bahwa energi listrik dapat dihasilkan dari energi cahaya.

Pada tahun 1904, Albert Einstein pernah meneliti mengenai solar sell dan beliau menamakan percobaan tersebut dengan nama Efek Fotolistrik. Barulah di tahun 1941, peneliti bernama Russel Ohl berhasil mengembangkan teknologi panel surya sekaligus mematenkan produknya tersebut. Beliau dikenal sebagai orang pertama yang menemukan teknologi solar cell (panel surya) dan penggunaan panel surya buatannya masih digunakan sampai sekarang.


Dalam pembuatan panel surya, beliau membutuhkan silicon. Sebuah panel surya dapat menghasilkan listrik karena bahan semikonduktor di dalamnya seperti silikon. Ketika silikon berkontak langsung dengan cahaya, maka dapat menimbulkan reaksi yang nantinya menghasilkan energi listrik.

Pihak Bell Laboratories berhasil menemukan lempeng yang sangat tepat untuk digunakan sebagai bahan dasar cikal bakal panel surya. Penemuan yang dilakukan oleh Gerald Pearson, Daryl Chapin, dan Souther Fuller secara tidak sengaja menemukan bahwa silicon yang digabungkan dengan unsur-unsur di dalam logam utama yang dihasilkan dari pross ekstraksi ternyata sensitif terhadap cahaya.

Bisa dibayangkan, bagaimana perjuangan para ilmuan diatas, dengan rentan waktu yang cukup lama yaitu 115 tahun demi menemukan tonggak awal dari panel surya yang sekarang banyak digunakan dinegara-negara maju. Ilmu dari Ilmuan awal diteruskan pada generasi berikutnya terus diteruskan ke generasi berikutnya dan terus demikian hingga akhirnya mencapai efesiensi yang baik.

Perkembangan Teknologi Panel Surya
Berdasarkan data terakhir mengungkapkan bahwa bumi diperkirakan akan mengalami krisis energi pada tahun 2060 dikarenakan menipisnya jumlah minyak bumi. Untuk itulah para peneliti di zaman sekarang berlomba-lomba mencari bahan alternatif, salah satunya dengan memanfaatkan energi matahari untuk menghasilkan energi.

Negeri Jepang bahkan sudah memanfaatkan teknologi panel surya sejak tahun 1980-an atau sekitar 3 dekade yang lalu, kemudian disusul negara maju di Eropa dan Amerika. Penggunaan solar sell juga merambah di bidang otomotif dan gadget, misalnya pembuatan mobil tenaga surya, mobilephone dan power bank tenaga surya. Berikut adalah perkembangan penerapan teknologi surya.

1.            Rumah berteknologi Tenaga Panel Surya


Rancangan rumah berteknologi pasif khusus untuk iklim lembab dan subtropis panas, Fitur umum dari arsitektur surya pasif adalah arah bangunannya terhadap matahari, ukuran bangunan yang tepat (rasio luas permukaan dengan volume yang kecil), pemilihan penghalang (serambi), dan penggunaan massa termal.[20] Ketika fitur-fitur ini digunakan bersama, dapat dihasilkan ruangan yang terang dan berada pada temperatur nyaman.


Rumah kaca seperti ini di munisipalitas Westland, Belanda, digunakan untuk menumbuhkan sayuran, buah, dan bunga.


Pemanas air surya menghadap matahari untuk memaksimalkan penyerapan. Sistem air panas surya menggunakan sinar matahari untuk memanaskan air. Di daerah dengan lintang bujur geografis rendah (di bawah 40 derajat), 60% - 70% air panas untuk keperluan rumah tangga dengan temperatur sampai dengan 60 °C dapat diperoleh dengan menggunakan sistem pemanasan surya

2.            Kendaraan Tenaga Panel Surya



Kehadiran motor dan mobil bertenaga surya menambah daftar teknologi yang memanfaatkan panel surya di abad ini. Bagamana tidak, kini banyak perusahaan mobil yang peduli terhadap kondisi alam dengan menciptakan mobil ramah lingkungan. Keuntungan utama dari kendaraan panel surya adalah mengurangi penggunaan minyak bumi yang jumlahnya semakin menipis. Selain itu, mobil ini mampu berjalan terus-menerus asalkan berada di bawah sinar matahari langsung.


Pada tahun 1974, pesawat tanpa awak AstroFlight Sunrise melakukan penerbangan perdana menggunakan tenaga surya. Pada tanggal 29 April 1979, Solar Riser melakukan penerbangan perdana menggunakan tenaga surya, dengan kendali penuh dan mampu mengangkat seseorang mencapai ketinggian 40 kaki (12 m). Pada tahun 1980, Gossamer Penguin melakukan penerbangan perdana bertenaga surya dengan pilot yang ditenagai hanya dengan sel fotovoltaik. Penerbangan ini dengan cepat diikuti oleh Solar Challenger yang melintasi terusan Inggris pada bulan Juli 1981. Pada tahun 1990, Eric Scott Raymond terbang dari California menuju Carolina Utara mennggunakan tenaga surya. Perkembangan pesawat tenaga surya kembali ke model pesawat tanpa awak dengan model Pathfinder (tahun 1997) dan rancangan selanjutnya, yang menghasilkan model Helios yang berhasil mengukir rekor ketinggian untuk pesawat tanpa roket pada ketinggian 29.524 meter (96.864 kaki) pada tahun 2001. Pesawat Zephyr yang dikembangkan oleh BAE Systems adalah pesawat terbaru yang menembus rekor penerbangan bertenaga surya, dengan terbang selama 54 jam pada tahun 2007, dan penerbangan selama sebulan direncanakan pada tahun 2010.

3.            Jaket Tenaga Surya



Sebuah inovasi teknologi baru kembali muncul, yakni sebuah jaket tenaga surya yang mampu menyimpan energi listrik dari cahaya matahari dan dapat digunakan untuk mengisi daya baterai smartphone. Bagi Anda yang sedang liburan dan tidak sempat membawa power bank atau power banknya sudah mati, Anda bisa menggunakan alternatif kedua dengan membeli jaket tenaga surya.

Dengan memiliki kapasitas hingga 1.500 mAh, Anda pun dapat mengisi daya smartphone sampai penuh. Harga sebuah jaket tenaga surya dibanderol sekitar 7,2 jutaan. Meski harus merogoh kocek sedikit dalam, tapi alat ini bisa awet hingga 15 tahun lamanya.

4.            Drone Tenaga Panel Surya
 

Hampir semua produk drone tertanam sebuah baterai yang memungkinkan dapat terbang sekitar 20 menit saja. Untuk mengatasi hal itu, perusahaan asal Amerika mengembangkan drone yang menggunakan angin maupun solar sell sebagai sumber energinya. Keuntungannya adalah, sumber energi tersebut tidak ada habisnya dan membuat waktu terbang drone relatif lama. Target utama pembuatan drone ini adalah industri yang memerlukan drone dapat terbang dalam jangka waktu lama.

5.    Sistem Pembangkit Listrik Surya
Pembangkit listrik tenaga surya juga menjadi perkembangan di Indonesia. Dengan penggunaan Sistem Pembangkit Listrik Surya, biaya token listrik perbulannya dapat berkurang dan menghemat anggaran bulanan. Di zaman serba modern ini, Sistem Pembangkit Listrik Surya dapat menyimpan energi listrik dalam jumlah banyak di siang hari dan digunakan di malam hari ataupun keesokan harinya.

Tenaga surya adalah proses pengubahan cahaya matahari menjadi listrik, baik secara langsung menggunakan fotovoltaik, atau secara tak langsung menggunakan tenaga surya terpusat (concentrated solar power, CSP). Sistem CSP menggunakan lensa atau cermin dan sistem lacak untuk memfokuskan paparan cahaya matahari yang luas menjadi seberkas sinar yang kecil. PV mengubah cahaya menjadi aliran listrik menggunakan efek fotolistrik.

Pembangkit CSP komersial pertama kali dikembangkan pada tahun 1980an. Sejak tahun 1985, pemasangan SEGS CSP berkapasitas 354 MW di gurun Mojave, California adalah pembangkit listrik surya terbesar di dunia. Pembangkit listrik CSP lain meliputi pembangkit listrik tenaga surya Solnova berkapasitas 150 MW dan pembangkit listrik tenaga surya Andasol berkapasitas 100 MW; keduanya berada di Spanyol. Proyek Surya Agua Caliente berkapasitas 250 MW di Amerika Serikat dan Lahan Surya Charanka berkapasitas 221 MW di India adalah pembangkit fotovoltaik terbesar di dunia. Proyek surya melebihi 1 GW sedang dikerjakan, tapi kebanyakan fotovoltaik dipasang di atap-atap dengan ukuran kapasitas kecil, yakni kurang dari 5 kW, yang terhubung dengan saluran listrik menggunakan meteran net dan/atau tarif feed-in

Itulah pembahasan singkat mengenai Carakerja, sejarah dan perkembangan teknologi panel surya. Ternyata panel surya memiliki banyak manfaat, terutama sebagai alat alternatif untuk mengatasi krisis energi di masa mendatang.

Referensi:



1 komentar: