Tenaga Surya sebagai Sumber Energi Oleh: DR. Hartono Siswono

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
infrared, penyerapan ozon pada ultrviolet, dan scattering debu udara dan aerosol. Derajat
pengaruh atmosfir terhadap cahaya matahari yang diterima pada permukaan bumi disebut
”air mass”.
AM0 atau Air
untuk aplikasi
matahari pada
adalah sekitar
W/m2.
Mass Zero condition yaitu spektrum solar di luar atmosfir bumi, sesuai
satelit dan pesawat ruang angkasa. Spektrum AM1 menyatakan cahaya
permukaan bumi ketika matahari berada pada zenith, daya yang masuk
925 W/m2. Spektrum AM2 adalah untuk θ = 60o dan daya sekitar 691
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 tipen (elektron) dan 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,
FF =
VMPP . I MPP
VOC . I SC
(1)
daya maksimum dari sel surya dinyatakan dengan,
PMAX = VMPP . I MPP = VOC . I SC . FF
(2)
Sehingga efisiensi sel surya dinyatakan sebagai daya yang dihasilkan dari sel (PMAX)
dibagi dengan daya dari cahaya yang datang (PCAHAYA).
η=
PMAX
PCAHAYA
(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
5.
6.
dengan biaya operasi rendah dan bebas polusi.
Berbagai usaha dilakukan untuk peningkatan efisiensi.
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.