Pengertian Sel Surya (Solar Cell) Dan Prinsip Kerjanya - Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) di Indonesia, paling populer digunakan untuk listrik pedesaan (terpencil), system seperti ini populer dengan sebutan SHS (Solar Home System). Anda mungkin juga telah melihat panel solar cell yang lebih besar, mungkin di jalan-jalan tol jakarta, di atap-atap rumah dan bahkan sekarang ada mobil prototype yang menggunakan solar cell. Semua energi listrik tersebut dibangkitkan oleh sinar atau cahaya matahari.
Pengertian Sel Surya (Solar Cell)
 |
SHS (Solar Home System) umumnya berupa system berskala kecil, dengan menggunakan modul surya 50-100 Wp (Watt Peak) dan menghasilkan listrik harian sebesar 150-300 Wh. Karena skalanya yang kecil, system DC (direct current) lebih disukai, untuk menghindari losses dan self consumption akibat digunakannya inverter.
Karena systemnya yang kecil dan dipasang secara desentralisasi (satu rumah satu pembangkit, sehingga tidak memerlukan jaringan distribusi) SHS ideal digunakan untuk listrik di pedesaan dimana jarak rumah satu dengan lainnya berjauhan, dan keperluan listriknya relatif kecil, yakni hanya untuk memenuhi kebutuhan dasar (lampu).
Meskipun secara pengertian SHS dapat saja berupa system yang besar (sejauh masih digunakan untuk listrik rumah), namun kebanyakan orang cenderung tidak menggunakan istilah SHS untuk system yang menggunakan modul lebih besar dari 100Wp (atau produksi energi harian >400Wh).
Kecilnya listrik yang dapat disediakan oleh SHS (kecil menurut definisi orang kota yang sering menggunakan listrik jauh diatas produksi SHS, padahal bagi orang desa listrik sejumlah itu sangat bermanfaat, karena dibandingkan lampu minyak tanah, yakni lampu teplok/petromak), ditambah lagi dengan relatif sulitnya mencari peralatan elektronik rumah tangga (TV, Radio/Tape dll) yang menggunakan system DC, membuat SHS tidak menarik untuk penggunaan di desa - desa dekat kota atau di perkotaan, dimana kebutuhan listrik sudah tidak melulu hanya untuk lampu penerangan.
Meskipun belum ada batasan yang jelas, PLTS yang menggunakan modul surya lebih dari 100Wp (Output energi >400Wh), dan oleh karenanya lebih memungkinkan digunakan system AC (Alternating Current) karena listrik yang dapat digunakan setelah dikurangi losses dan self consumption inverter masih cukup memadai), dalam tulisan ini, termasuk dalam kategori PLTS skala menengah-besar.
PLTS pada skala ini umumnya tidak lagi menggunakan system desentralisasi, tetapi menggunakan system sentralisasi dan dikombinasikan dengan system pembangkit lainnya (sistem hibrid). System Hybrid dapat melibatkan 2 atau lebih system pembangkit listrik, umumnya system pembangkit yang banyak digunakan untuk hybrid adalah genset, PLTS, mikrohydro, Tenaga Angin. Sehingga system hybrid bisa berarti PLTS-Genset, PLTS-Mikrohydro, PLTSTenaga Angin dst. Di indonesia system hybrid telah banyak digunakan, baik PLTS-Genset, PLTSMikrohydro, maupun PLTS-Tenaga Angin-Mikro Hydro.
Tetapi demikian hybrid PLTS-Genset yang paling banyak dipakai. Umumnya digunakan pada captive genset/isolated grid (stand alone genset, yakni genset yang tidak di interkoneksi). Tujuan dari Hybrid PV - Genset adalah mengkombinasikan keunggulan dari setiap pembangkit (dalam hal ini genset & PLTS) sekaligus menutupi kelemahan masing-masing pembangkit untuk kondisi-kondisi tertentu, sehingga secara keseluruhan system dapat beroperasi lebih ekonomis dan efisien.
Prinsip Kerja Sel Surya (Solar Cell / Photovoltaic Cell)
Harapan untuk "revolusi matahari" telah beredar selama beberapa dekade lalu dengan gagasan bahwa suatu hari nanti kita semua akan menggunakan listrik secara gratis dari sinar matahari.
Ini adalah harapan yang sangat menggiurkan karena pada saat hari yang cerah, sinar matahari akan melepaskan sekitar 1.000 watt energi per meter persegi. Jika kita bisa mengumpulkan semua energi itu maka kita bisa menonton TV, menghidupkan mesin cuci ataupun melakukan aktivitas di rumah yang membutuhkan listrik dengan gratis tanpa harus membayar listrik ke PLN.
Solar cell yang anda lihat di atap-atap rumah atau di tengah - tengah jalan tol biasanya disebut dengan photovoltaic (PV) sel, seperti namanya foto yang berarti “cahaya” dan volta yang berarti ” listrik “. Solar cell ini terbuat dari bahan khusus yaitu semikonduktor. Semikonduktor yang sering digunakan pada saat ini adalah silikon.
 |
Solar sel terdiri dari minimal 2 lapisan semikonduktor yaitu satu lapisan yang mengandung muatan positif dan yang lainnya muatan negatif. Solar sel ini akan menangkap sinar matahari yang terdiri dari partikel kecil dari energi foton matahari. Ketika cukup foton yang diserap oleh lapisan negatif dari solar sel maka elektron akan dibebaskan dari lapisan negatif menuju ke lapisan positif sehingga menciptakan perbedaan tegangan.
Dari perbedaan tegangan ini lah akan meghasilkan energi listrik kemudian energi listrik ini bisa disimpan di baterai. Itulah proses dasar, tetapi ada benar-benar yang jauh lebih dari itu. mari kita lihat lebih dalam salah satu contoh sel PV, yaitu: sel silikon kristal tunggal.
Silikon memiliki beberapa sifat kimia khusus, terutama dalam bentuk kristal nya . Sebuah atom silikon memiliki 14 elektron yang diatur dalam tiga shell yang berbeda . Dua shell pertama akan mempunyai masing-masing 2 elektron dan 8 elektron yang benar-benar terisi penuh.
Sedangkan pada kulit luar hanya terisi setengahnya yaitu 4 elektron. Sebuah atom silikon akan selalu mencari cara untuk mengisi shell yang terakhir. Itulah yang membentuk struktur kristal.
Satu-satunya masalah hanyalah kristal silikon murni adalah konduktor listrik yang buruk karena tidak ada elektron bebas untuk bergerak. Untuk mengatasi masalah ini, silikon dalam sel surya memiliki kotoran atom lainnya yang sengaja dicampur dengan atom silikon.
Ketika energi ditambahkan ke silikon murni dalam bentuk panas maka akan menyebabkan beberapa elektron untuk membebaskan diri dari ikatan mereka dan meninggalkan atom mereka. Kemudian bergerak secara acak di sekitar kisi kristal dan mencari hole lainnya untuk masuk ke dalam dan membawa arus listrik.
Proses penambahan kotoran ini biasanya disebut doping dan ketika diolah dengan fosfor maka silikon yang dihasilkan disebut dengan N-type (“n” untuk negatif ) karena prevalensi elektron bebas. N-type silikon adalah konduktor yang jauh lebih baik daripada silikon murni .
Bagian lain dari solar cell yang khas didoping dengan menggunakan unsur boron yang hanya memiliki tiga elektron di kulit terluarnya dan akan menghasilkan P -type silikon. Elektron bebas di sisi N melihat semua bukaan di sisi P dan dengan cepat untuk mengisi mereka. Apakah semua elektron bebas mengisi semua hole yang kosong ? Tidak, jika mereka melakukan itu maka seluruh pengaturan tidak akan berguna.
Ketika tepat di persimpangan, mereka akan bercampur dan membentuk sesuatu dari penghalang sehingga sulit bagi elektron pada sisi N untuk menyeberang ke sisi P. Akhirnya, kesetimbangan tercapai dan medan listrik yang memisahkan N type dengan P type. Medan listrik ini bertindak sebagai dioda untuk mendorong elektron mengalir dari sisi P ke sisi N, tetapi tidak sebaliknya .
Ketika cahaya dalam bentuk foton tertangkap oleh solar cell maka energi foton itu memisahkan elektron dengan hole . Setiap foton dengan energi yang cukup biasanya akan bebas tepat satu elektron, sehingga hole ada satu yang kosong. Jika hal ini terjadi cukup dekat dengan medan listrik atau jika elektron bebas maka medan listrik akan mengirim elektron ke sisi N dan hole ke sisi P. Aliran elektron menyediakan arus dan medan listrik sel menyebabkan tegangan. Dengan adanya arus dan tegangan maka akan terbentuk energi listrik.
Energi listrik dapat dibangkitkan dengan mengubah sinar matahari melalui sebuah proses yang dinamakan photovoltaic (PV). Photo merujuk kepada cahaya dan voltaic merujuk kepada tegangan. Terminologi ini digunakan untuk menjelaskan sel elektronik yang memproduksi energi listrik arus searah dari energi radian matahari seperti ditunjukkan pada gambar 1 berikut ini.
Photovoltaic cell dibuat dari material semikonduktor terutama silikon yang dilapisi oleh bahan tambahan khusus. Jika cahaya matahari mencapai cell maka elektron akan terlepas dari atom silikon dan mengalir membentuk sirkuit listrik sehinnga energi listrik dapat dibangkitkan. Sel surya selalu didesain untuk mengubah cahaya menjadi energi listrik sebanyak-banyaknya dan dapat digabung secara seri atau paralel untuk menghasilkan tegangan dan arus yang diinginkan.
Unjuk kerja dari photovoltaic cell sangat tergantung kepada sinar matahari yang diterimanya. Kondisi iklim (misal awan dan kabut) mempunyai efek yang signifikan terhadap jumlah energi matahari yang diterima sel sehingga akan mempengaruhi pula unjuk kerjanya.