Bagaimana Sel Surya Itu Bekerja?

Semua makhluk hidup seperti tumbuh-tumbuhan, binatang dan manusia perlu energi untuk pertumbuhan, melakukan kegiatan-kegiatan dan sejenisnya. Sumber energi utama untuk semua makhluk hidup di bumi adalah matahari. Tanpa matahari tidak ada kehidupan. Matahari memancarkan sinar terus menerus ke bumi, yang pada dasarnya sinar tersebut mengalami proses diterima dan dipantulkan. Karena itu dapat diketahui bahwa sinar matahari merupakan arus energi yang dipancarkan bagi kehidupan. Penggunaan energi ini tidak menyebabkan hujan asam, efek rumah kaca, atau permasalahan seperti yang ditimbulkan oleh energi nuklir.

Sering kita lihat sekarang banyak sekali alat penghitung atau kalkulator yang mempunyai sel surya didalamnya dan tidak pernah memerlukan batterai, dan bahkan diantara beberapa kalkulator tersebut tidak memiliki tombol off, sepanjang terdapat cahaya yang cukup, kalkulator ini akan bekerja normal. Para ilmuwan memperkirakan pada 20 tahun terakhir akan terjadi revolusi besar – besaran tentang penggunaan energi matahari. Pada suatu hari nanti semua peralatan listrik yang digunakan manusia akan dilayanani oleh energi matahari. Sinar matahari yang terang mampu menghasilkan sampai 5000 watts energi per meter persegi diatas permukaan bumi, dan jika energi tersebut bisa dikumpulkan semua maka akan sangat mudah untuk dimanfaatkan oleh kantor – kantor, rumah atau perusahaan – perusahaan secara cuma – cuma.

B. Bagaimana cara sel surya mengubah energi matahari menjadi energi listrik.

Pada bagian ini akan dipelajari bagaimana cara sel surya mengubah energi matahari menjadi energi listrik. Sel surya yang sering kita lihat adalah sekumpulan modul sel photovoltaic (photo = cahaya, voltaic = listrik) yang disusun sedemikian rupa dan dikemas dalam sebuah frame. Sel photvoltaic ini yang nantinya akan merubah secara langsung energi matahari menjadi listrik.Sel photovoltaic ini terbuat dari bahan khusus semikonduktor yang sekarang banyak digunakan dan disebut dengan silikon. Ketika cahaya mengenai sel silikon, cahaya tersebut akan diserap oleh sel ini, hal ini berarti bahwa energi cahaya yang diserap telah ditransfer ke bahan semikonduktor yang berupa silikon. Energi yang tersimpan dalam semikonduktor ini akan mengakibatkan elektron lepas dan mengalir dalam semikonduktor. Semua sel photovoltaic ini juga memiliki medan elektrik yang memaksa elektron yang lepas karena penyerapan cahaya tersebut untuk mengalir dalam suatu arah tertentu. Elektron yang mengalir ini adalah arus listrik, dengan meletakkan terminal kontak pada bagian atas dan bawah dari sel photovoltaic ini akan dapat dilihat dan diukur arus yang mengalir sehingga dapat digunakan untuk menyuplai perangkat eksternal. Hal diatas adalah dasar perubahan energi surya menjadi listrik oleh semikonduktor silikon.

C. Sel Silikon

Sel silikon mempunyai sifat kimia khusus dalam format kristalnya. Atom silikon mempunyai 14 elektron yang diatur dalam tiga kulit atom yang berbeda. Dua kulit atom yang pertama terisi elektron penuh dan sisanya pada kulit terluar yang hanya terisi empat elektron. Atom silikon ini akan selalu mencari jalan untuk memenuhi kulit luarnya (ingin memenuhi sampai punya 8 elektron) dengan cara melakukan ikatan dengan atom silikon lain yang kulit luarnya sama mempunyai 4 elektron. Gabungan dari dua atom ini adalah struktur kristal murni yang merupakan dasar pembentuk sel photovoltaic.Silikon murni bersifat sebagai konduktor karena tidak ada satupun elektron yang bergerak bebas, artinya elektron berada pada bahan yang mempunyai sifat konduktor yang bagus seperti tembaga, atau dengan kata lain elektron terkunci dalam struktur kristal silikon murni. Silikon dalam sel surya sudah dimodifikasi sedemikian rupa sehingga akan bekerja sebagai sel surya. Sel surya ini mempunyai silikon dengan impurity atom lain yang dicampur dengan atom silikon. Dalam hal ini atom silikon tidak akan bekerja tanpa impurity tersebut. Silikon akan dicampur dengan sebuah atom phospor. Atom phospor mempunyai 5 elektron di kulit terluarnya.

Ketika energi diberikan ke kristal silikon murni, sebagai contoh misalnya dalam wujud panas, hal ini akan menyebabkan beberapa elektron akan lepas dan meninggalkan atomnya. Setiap elektron akan meninggalkan sebuah hole (lobang) disekitar atom dimana elektron bisa diikat. Elektron ini kemudian lepas secara acak disekitar kisi – kisi dari kristal atom tersebut untuk mencari hole lain yang kosong untuk ditempati. Elektron ini disebut sebagai elektron bebas dan dapat membawa arus listrik.

Silikon tak murnian yang dicampur dengan phospor ini membutuhkan sedikit energi untuk melepaskan salah satu elektron phospor yang tidak diikat dalam suatu ikatan dengan atom lain tetangganya. Sebagai hasil campuran antara silikon dan phospor ini, banyak elektron yang lepas dan banyak membawa muatan arus listrik apabila dibandingkan dengan silikon murni.

Proses penambahan atom phospor ini disebut sebagai proses doping. Ketika silikon di doping dengan phospor maka silikon disebut sebagai atom n-type (n untuk negatif) karena adanya elektron bebas. Silikon n-type yang telah didoping ini mempunyai sifat konduktor yang lebih bagus daripada silikon murni. Pada bagian lain silikon yang didoping dengan boron yang mempunyai elektron pada kulit terluar 3 elektron maka silikon akan menjadi atom p-type (p untuk positif) yang banyak memilki hole bebas karena ketiadaan elektron. Sehingga atom p-type ini akan bertugas berkebalikan dari atom n-type.

Ketika diletakkan silikon n-type dengan silikon p-type, maka setiap sel photovoltaic ini memiliki minimal satu medan listrik. Tanpa medan listrik maka sel tidak akan bekerja, dan pada fase ini antara silikon n-type dan silikon p-type sedang melakukan ikatan. Dan kemudian elektron pada slilikon n-type akan mencari hole pada silikon p-type untuk ditempati elektron tersebut.

Sebelumnya silikon ini memiliki muatan yang netral. Elektron lebih pada phospor akan diseimbangkan oleh proton. Ketika hole dan elektron digabung jadi satu dalam sambungan antara n-type dan p-type maka kenetralan dari silikon ini akan terganggu. Pada sambungan akan membentuk suatu campuran elektron dan akhirnya keseimbangan tercapai lagi dan akan terbentuk suatu medan elektrik yang memisahkan kedua sisi tersebut.Medan elektrik ini bekerja seperti dioda, membiarkan (bahkan mendorong) elektron untuk mengalir dari sisi P ke sisi N, dan elektron hanya memiliki satu arah

D. Listrik yang yang dihasilkan sel photovoltaic

Ketika cahaya dalam hal ini adalah photon (satuan energi dalam cahaya) mengenai sel surya, maka energinya akan membebaskan pasangan elektron dan hole. Setiap photon dengan energi yang cukup secara normal akan membebaskan elektron, dan akan menghasilkan hole bebas juga. Apabila hal ini terjadi cukup dekat dengan medan listrik, atau jika elektron bebas dan hole bebas masih berada pada range pengaruhnya, maka medan listrik ini akan mengirimkan elektron pada sisi N dan hole pada sisi P. Hal ini akan mengakibatkan kenetralan terganggu, dan jika disediakan alur arus luar, maka elektron akan mengalir sepanjang alur, kembali ke asalnya yaitu sisi P untuk bersatu dengan hole yang dikirim oleh medan listrik. Elektron yang mengalir ini akan menghasilkan arus sedangkan medan listrik akan menghasilkan tegangan. Dengan kedua unsur arus dan tegangan tersebut, akan didapatkan power.