Sel Surya dan bagian-bagian Panel Surya serta Fungsinya

Bagian bagian panel surya merupakan sebuah kesatuan dari perangkat panel surya agar dapat berfungsi dengan baik. Kita tahu saat ini, penggunaan panel surya atau solar cell mulai diminati di Indonesia. Panel surya berfungsi sebagai alat yang terdiri dari sel surya yang berfungsi untuk mengubah sinar atau cahaya matahari menjadi energi listrik. Panel surya ini juga biasa disebut dengan sel photovoltaic, yang dapat diartikan sebagai “cahaya-listrik”. Semikonduktor, adalah bagian utamanya, tetapi untuk dapat menjadi sebuah alat yang aplikatif, maka dibutuhkan bagian bagian panel surya yang lainnya.

Potensi energi listrik kita rata-rata 4,8 KWH/hari/m2 adalah sebuah energi yang sangat besar, yang saat ini penggunaannya masih 1% dari kebutuhan listrik dunia. Sebab, salah satu kendala untuk menggunakannya dibutuhkan panel surya yang harganya cukup mahal bagi banyak orang. Tingginya harga panel surya ini karena memang dalam proses cara membuat sel suryanya yang sangat rumit. Dibutuhkan peralatan yang serba khusus, penuh ketelitian dan akurasi tinggi dalam setiap proses pembuatan bagian bagian panel surya, agar panel surya benar-benar aman. Oleh sebab itulah, harga panel surya cenderung tinggi. Meskipun sati dasawarsa terakhir harga panel surya sudah banyak mengalami penurunan.

Sesuai dengan perkembangan sains dan teknologi, teknologi sel surya pun berkembang dengan berbagai inovasi sehingga lahirlah generasi-generasi panel surya. Ada yang disebut sel surya generasi satu, dua dan tiga dengan struktur atau bagian-bagian panel surya yang berbeda pula. Namun, secara umum, sel surya yang biasa digunakan saat ini adalah sel surya yang berbasis material silikon yang juga mencakup struktur dan cara kerja sel surya generasi pertama (sel surya silikon) dan kedua (thin film/lapisan tipis).

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.

Modul surya biasanya terdiri dari 28-36 sel surya yang dirangkai seri untuk memperbesar total daya output. (Gambar :”The Physics of Solar Cell”, Jenny Nelson)
Cara kerja sel 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.

Adapun bagian bagian panel surya secara umum terdiri dari:

  • Substrat atau metal backing. Bagian dari panel surya ini berupa material yang menopang seluruh komponen panel surya. Material substrat juga harus mempunyai konduktivitas listrik yang baik karena juga berfungsi sebagai kontak terminal positif sel surya, sehingga 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 umumnya material konduktif namun transparan, seperti indium tin oxide (ITO) dan flourine doped tin oxide (FTO).
  • Material semikonduktor, ini merupakan bagian panel surya yang inti dan biasanya memiliki tebal hingga beberapa ratus mikrometer untuk panel surya generasi pertama, dan 1-3 mikrometer untuk panel surya lapisan tipis. Material semikonduktor berfungsi menyerap cahaya dari sinar matahari. Selain substrat sebagai kontak positif, pada permukaan material semikonduktor biasanya dilapisi material metal transparan sebagai kontak negatif.
  • Lapisan anti-reflektif, bagian panel surya ini berfungsi meminimalkan refleksi cahaya untuk mengoptimalkan cahaya tersebut yang terserap oleh semikonduktor. 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 meminimalkan cahaya yang dipantulkan kembali.
  • Enkapsulasi atau cover glass, yaitu bagian luar yang berfungsi sebagai enkapsulasi untuk melindungi bagian bagian panel surya dari hujan atau kotoran.

Masing-masing komponen tersebut memiliki keterkaitan antara satu dengan yang lainnya. Cara kerja panel surya akan optimal hanya jika masing-masing komponen ini dalam kondisi baik sehingga mendukung antara satu komponen dengan yang lainnya.

Sumber: dari berbagai sumber