Bagaimana Panel Surya Mengubah Cahaya Matahari menjadi Listrik?

Matahari memancarkan sinarnya setiap hari dan menerangi bumi tempat kita berpijak. Yang bisa langsung kita rasakan adalah adanya panas dan cahaya ketika siang hari saat ada matahari. 

Cahaya dikeluarkan matahari melalui radiasi elektromagnetik dalam bentuk spektrum elektromagnetik. Spektrum ini merupakan gelombang, yang memiliki frekuensi dan panjang gelombang yang berbeda-beda. Jenis-jenis spektrum elektromagnetik yang dikeluarkan matahari diantaranya radio, gelombang mikro, inframerah, cahaya yang biasa kita lihat dengan mata yaitu cahaya tampak, ultraviolet, sinar-X, dan sinar gamma.

Sinar Matahari
(Sumber gambar: freepik.com)

Gelombang elektromagnetik terdiri dari partikel kecil bernama foton. Foton membawa energi. Setiap foton memiliki energi tertentu, yang bergantung pada frekuensi cahaya. Semakin tinggi frekuensi  maka semakin besar energi fotonnya. Jadi, cahaya yang sampai dari matahari ke bumi sebenarnya adalah salah satu jenis energi.

Pada tahun 1839, Alexandre Edmond Becquerel seorang fisikawan muda dari Perancis menemukan efek fotovoltaik (photovoltaic), yaitu sebuah proses menghasilkan tegangan dan arus listrik dari cahaya. Eksperimennya menunjukkan bahwa konduktansi (ukuran seberapa mudah arus listrik mengalir melalui suatu material) meningkat seiring iluminasi (jumlah cahaya yang jatuh pada suatu area). Becquerel menempatkan klorida perak dalam larutan asam dan diberi iluminasi saat masih terhubung pada elektroda platinum. Hasilnya, tegangan dan arus listrik tercipta, yang kemudian disebut sebagai efek fotovoltaik, yang juga dikenal sebagai "Efek Becquerel". Penelitian ini menjadi dasar untuk penelitian lanjutan mengenai transformasi energi cahaya menjadi listrik.

Eksperimen yang Dilakukan Becquerel
(Sumber gambar: www.solaranswered.com.au)

Hasil ini kelak menjadi jawaban atas alternatif energi yang dibutuhkan manusia. Kita tidak bisa selamanya bergantung pada sumber daya yang berasal dari dalam bumi untuk menghasilkan energi - dalam hal ini untuk listrik. Batu bara bisa habis, minyak bumi bisa habis, gas alam bisa habis jika terus menerus digunakan. Maka, butuh sumber energi lain yang terbarukan (renewable) dan berkelanjutan (sustainable). 

Sel Surya dan Panel Surya

Panel Surya
(Sumber gambar: freepik.com)

Sinar matahari yang setiap hari menyinari bumi menjadi salah satu solusi untuk energi terbarukan dan berkelanjutan melalui penggunaan sel surya (solar cell). Sel surya adalah perangkat yang mengubah energi dari matahari menjadi listrik, baik dengan pengaruh efek fotovoltaik atau dengan mengkonversi energi matahari menjadi panas atau energi kimia terlebih dahulu. Sel surya dalam jumlah banyak disusun dan digabungkan dalam suatu panel yang kemudian disebut sebagai panel surya (solar panel). Teknologi sel surya dibagi menjadi 3 generasi berdasarkan bahan, cara kerja, dan efisiensinya.

1. Generasi Pertama: Sel Surya Kristalin

Material yang digunakan adalah Silikon kristalin (monokristalin atau polikristalin). Sel surya monokristalin dapat mencapai efisiensi 17%. Sementara sel surya polikristalin mempunyai efisiensi sekitar 10% dan memiliki harga produksi yang lebih murah tetapi kurang efektif. Sel surya tipe ini yang paling umum digunakan (konvesional).

2. Generasi Kedua: Sel Surya Sel Surya Lapisan Tipis (Thin-Film)

Material yang digunakan diantaranya CdTe (Cadmium Telluride), CIGS (Copper Indium Gallium Selenide) dan a-Si (Amorfous Silicon). Sel surya lapisan tipis ini lebih ringan dan fleksibel. Biaya produksinya lebih murah dan cocok untuk permukaan yang melengkung. Tetapi efisiensinya lebih rendah daripada silikon kristalin.

3. Generasi Ketiga:  Sel Surya Generasi Selanjutnya

Teknologi pada generasi ketiga bertujuan untuk mencari sel surya yang meningkatkan kinerja lapisan tipis dan menekan biaya produksi. Beberapa diantaranya adalah sel surya perovskite, sel surya polimer, sel surya nanokristalin, dan sel surya peka warna (dye-sensitized solar cells/DSSC).

Semua material yang digunakan pada sel surya merupakan bahan semikonduktor. Hanya material semikonduktor yang memiliki kemampuan untuk mengubah cahaya menjadi listrik melalui efek fotovoltaik. Sebab, semikonduktor memiliki sifat khusus yakni dapat melepaskan elektron saat terkena foton cahaya, kemudian elektron yang terlepas bisa diarahkan untuk mengalir sehingga menghasilkan arus listrik, serta semikonduktor bisa dibentuk menjadi sambungan tipe-p dan tipe-n, yang menciptakan medan listrik internal untuk mengatur arah pergerakan elektron.

Mekanisme pada Panel Surya

Foton-foton cahaya matahari mengenai panel surya dan masuk ke lapisan semikonduktor. Setiap foton yang cukup kuat akan menabrak atom material semikonduktor yang digunakan pada panel surya (silikon atau CdTe atau DSSC, atau material lainnya). Elektron pada semikonduktor menjadi bergerak bebas, inilah efek fotovoltaik. Agar elektron bergerak dalam arah tertentu, panel surya memiliki dua lapisan semikonduktor berbeda yaitu lapisan tipe-p (kekurangan elektron) dan lapisan tipe-n (kaya elektron).

Di antara lapisan tipe-p dan tipe-n tercipta medan listrik internal, seperti jalan satu arah. Sehingga elektron yang lepas karena cahaya dipaksa mengalir menuju satu arah.  

Mekanisme pada Panel Surya

Pergerakan elektron ini menciptakan arus listrik DC (searah). Selanjutnya listrik yang dihasilkan bisa langsung digunakan atau disimpan ke dalam baterai. Listrik bisa dikonversi jadi arus listrik AC (bolak-balik) oleh inverter.

Di Indonesia sendiri, penggunaan panel surya untuk menciptakan energi listrik sudah mulai banyak digunakan. Sudah mulai mudah menjumpai rumah-rumah yang dipasang panel surya pada atapnya. Pembangkit Listrik Tenaga Surya juga mulai dibuat, diantaranya yang terbesar yaitu PLTS Likupang (Sulawesi Utara), PLTS Oelpuah (Nusa Tenggara Timur), PLTS Coca-Cola Amatil (Cikarang, Jawa Barat) dan PLTS Terapung Waduk Cirata (Jawa Barat).

Share this post