Pendahuluan
Energi merupakan salah satu masalah
utama yang dihadapi oleh hampir seluruh negara di dunia. Hal ini
mengingat energi merupakan salah satu faktor utama bagi terjadinya
pertumbuhan ekonomi suatu negara. Permasalahan energi menjadi semakin
kompleks ketika kebutuhan yang meningkat akan energi dari seluruh negara
di dunia untuk menopang pertumbuhan ekonominya justru membuat
persediaan cadangan energi konvensional menjadi semakin sedikit.
Saat ini total kebutuhan energy di seluruh dunia mencapai 10 Terra Watt (setara dengan 3 x 10
20
Joule/ tahun) dan diprediksi jumlah ini akan terus meningkat hingga
mencapai 30 Terra Watt pada tahun 2030 [1-3]. Kebutuhan yang meningkat
terhadap energi juga pada kenyataanya bertabrakan dengan kebutuhan umat
manusia untuk menciptakan lingkungan yang bersih dan bebas dari polusi.
Berbagai konsideran ini menuntut perlunya dikembangkan sumber energi
alternatif yang dapat menjawab tantangan di atas tersebut.
Solar
cell merupakan pembangkit listrik yang mampu mengkonversi sinar
matahari menjadi arus listrik. Energi matahari sesungguhnya merupakan
sumber energi yang paling menjanjikan mengingat sifatnya yang
berkelanjutan (
sustainable) serta jumlahnya yang sangat besar.
Matahari merupakan sumber energi yang diharapkan dapat mengatasi
permasalahan kebutuhan energi masa depan setelah berbagai sumber energi
konvensional berkurang jumlahnya serta tidak ramah terhadap lingkungan.
Total kebutuhan energi yang berjumlah 10 TW tersebut setara dengan 3 x
10
20 J setiap tahunnya.
Sementara total energi matahari yang sampai di permukaan bumi adalah 2,6 x 10
24
Joule setiap tahunnya. Sebagai perbandingan, energi yang bisa
dikonversi melalui proses fotosintesis di seluruh permukaan bumi
mencapai 2,8 x 10
21 J setiap tahunnya. Jika kita lihat jumlah
energi yang dibutuhkan dan dibandingkan dengan energi matahari yang
tiba di permukaan bumi, maka sebenarnya dengan menutup 0,05% luas
permukaan bumi (total luas permukaan bumi adalah 5,1 x 108 km2) dengan
solar cell yang memiliki efisiensi 20%, seluruh kebutuhan energi yang
ada di bumi sudah dapat terpenuhi.
Kondisi Solar Cell Saat Ini
Jumlah
energi yang begitu besar yang dihasilkan dari sinar matahari, membuat
solar cell menjadi alternatif sumber energi masa depan yang sangat
menjanjikan. Solar cell juga memiliki kelebihan menjadi sumber energi
yang praktis mengingat tidak membutuhkan transmisi karena dapat dipasang
secara modular di setiap lokasi yang membutuhkan.
Solar cell
tidak memiliki ekses suara seperti pada pembangkit tenaga angin serta
dapat dipasang pada hampir seluruh daerah karena hampir setiap lokasi di
belahan dunia ini menerima sinar matahari. Bandingkan dengan pembangkit
air (hydro) yang dapat dipasang hanya pada daerah-daerah dengana aliran
air tertentu. Dengan berbagai keunggulan ini maka tidak heran jika
negara-negara maju berlomba mengembangkan solar cell agar dapat
dihasilkan teknologi pembuatan solar cell yang berharga eknomis.
Hingga
saat ini total energi listrik yang dibangkitkan dengan solar cell di
seluruh dunia baru mencapai sekitar 12 GW (bandingkan dengan total
penggunaan listrik dunia sebesar 10 TW). Dari 12 GW tersebut Jerman
merupakan negara terbesar yang telah menginstall solar cell nya yaitu
sebesar hampir 5 GW. Meskipun begitu setiap tahunnya terjadi peningkatan
produksi solar cell dimana pada tahun 2008 total produksi solar cell di
seluruh dunia telah mencapai angka 6,22 GW.
Nilai produksi yang
terus meningkat ini juga terus diikuti dengan upaya untuk menurunkan
harga solar modul per Watt peaknya. Saat ini harga listrik yang
dihasilkan oleh solar cell sebesar 50 sen $ setiap kWh yang relatif
masih sangat tinggi jika dibandingkan dengan pembangkitan dari sumber
lainya seperti dari pembangkit termal yang hanya sebesar 8 sen $ untuk
setiap kWh nya.
Berbagai teknologi telah dikembangkan dalam proses
pembuatan solar cell untuk menurunkan harga produksi agar lebih
ekonomis. Jenis-jenis solar cell pun saat ini telah berkembang tidak
hanya berbasis pada kristal semikonduktor silikon tetapi berbagai jenis
tipe dari mulai lapisan tipis, organic, lapisan single dan multi
junction hingga yang terbaru jenis
dye sensitized solar cell.
Jenis Solar Cell
Cara
kerja sel surya adalah dengan memanfaatkan teori cahaya sebagai
partikel. Sebagaimana diketahui bahwa cahaya baik yang tampak maupun
yang tidak tampak memiliki dua buah sifat yaitu dapat sebagai gelombang
dan dapat sebagai partikel yang disebut dengan photon. Penemuan ini
pertama kali diungkapkan oleh Einstein pada tahun 1905. Energi yang
dipancarkan oleh sebuah cahaya dengan kecepatan c dan panjang gelombang ?
dirumuskan dengan persamaan:
E = h.c/ ?
Dengan h adalah konstanta Plancks (6.62 x 10
-34 J.s) dan c adalah kecepatan cahaya dalam vakum (3.00 x 10
8
m/s). Persamaan di atas juga menunjukkan bahwa photon dapat dilihat
sebagai sebuah partikel energi atau sebagai gelombang dengan panjang
gelombang dan frekuensi tertentu [5]. Dengan menggunakan sebuah divais
semikonduktor yang memiliki permukaan yang luas dan terdiri dari
rangkaian dioda tipe p dan n, cahaya yang datang akan mampu dirubah
menjadi energi listrik.
Hingga saat ini terdapat beberapa jenis
solar sel yang berhasil dikembangkan oleh para peneliti untuk
mendapatkan divais solar sel yang memiliki efisiensi yang tinggi atau
untuk mendapatkan divais solar sel yang murah dan mudah dalam
pembuatannya.
Tipe pertama yang berhasil dikembangkan adalah
jenis wafer (berlapis) silikon kristal tunggal. Tipe ini dalam
perkembangannya mampu menghasilkan efisiensi yang sangat tinggi. Masalah
terbesar yang dihadapi dalam pengembangan silikon kristal tunggal untuk
dapat diproduksi secara komersial adalah harga yang sangat tinggi
sehingga membuat solar sel panel yang dihasilkan menjadi tidak efisien
sebagai sumber energi alternatif. Sebagian besar silikon kristal tunggal
komersial memiliki efisiensi pada kisaran 16-17%, bahkan silikon solar
sel hasil produksi SunPower memiliki efisiensi hingga
20%[www.sunpowercorp.com]. Bersama perusahaan Shell Solar, SunPower
menjadi perusahaan yang menguasai pasar silikon kristal tunggal untuk
solar sel.
Jenis solar sel yang kedua adalah tipe wafer silikon
poli kristal. Saat ini, hampir sebagian besar panel solar sel yang
beredar di pasar komersial berasal dari screen printing jenis silikon
poli cristal ini. Wafer silikon poli kristal dibuat dengan cara membuat
lapisan lapisan tipis dari batang silikon dengan metode wire-sawing.
Masing-masing lapisan memiliki ketebalan sekitar 250?50 micrometer.
Jenis
solar sel tipe ini memiliki harga pembuatan yang lebih murah meskipun
tingkat efisiensinya lebih rendah jika dibandingkan dengan silikon
kristal tunggal. Perusahaan yang aktif memproduksi tipe solar sel ini
adalah GT Solar, BP, Sharp, dan Kyocera Solar.
Kedua jenis
silikon wafer di atas dikenal sabagai generasi pertama dari solar sel
yang memiliki ketebalan pada kisaran 180 hingga 240 mikro meter.
Penelitian yang lebih dulu dan telah lama dilakukan oleh para peneliti
menjadikan solar sel berbasis silikon ini telah menjadi teknologi yang
berkembang dan banyak dikuasai oleh peneliti maupun dunia industri.
Divais solar sel ini dalam perkembangannya telah mampu mencapai usia
aktif mencapai 25 tahun [3].
Modifikasi untuk membuat lebih
rendah biaya pembuatan juga dilakukan dengan membuat pita silikon
(ribbon si) yaitu dengan membuat lapisan dari cairan silikon dan
membentuknya dalam struktur multi kristal. Meskipun tipe sel surya pita
silikon ini memiliki efisiensi yang lebih rendah (13-15%), tetapi biaya
produksinya bisa lebih dihemat mengingat silikon yang terbuang dengan
menggunakan cairan silikon akan lebih sedikit.
Generasi kedua
solar sel adalah solar sel tipe lapisan tipis (thin film). Ide pembuatan
jenis solar sel lapisan tipis adalah untuk mengurangi biaya pembuatan
solar sel mengingat tipe ini hanya menggunakan kurang dari 1% dari bahan
baku silikon jika dibandingkan dengan bahan baku untuk tipe silikon
wafer. Dengan penghematan yang tinggi pada bahun baku seperti itu
membuat harga per KwH energi yang dibangkitkan menjadi bisa lebih murah.
Metode yang paling sering dipakai dalam pembuatan silikon jenis
lapisan tipis ini adalah dengan PECVD dari gas silane dan hidrogen.
Lapisan yang dibuat dengan metode ini menghasilkan silikon yang tidak
memiliki arah orientasi kristal atau yang dikenal sebagai amorphous
silikon (non kristal). Selain menggunakan material dari silikon, solar
sel lapisan tipis juga dibuat dari bahan semikonduktor lainnya yang
memiliki efisiensi solar sel tinggi seperti Cadmium Telluride (Cd Te)
dan Copper Indium Gallium Selenide (CIGS).
Efisiensi tertinggi
saat ini yang bisa dihasilkan oleh jenis solar sel lapisan tipis ini
adalah sebesar 19,5% yang berasal dari solar sel CIGS [7]. Keunggulan
lainnya dengan menggunakan tipe lapisan tipis adalah semikonduktor
sebagai lapisan solar sel bisa dideposisi pada substrat yang lentur
sehingga menghasilkan divais solar sel yang fleksibel. Kedua generasi
dari solar sel ini masih mendominasi pasaran solar sel di seluruh dunia
dengan silikon kristal tunggal dan multi kristal memiliki lebih dari 84%
solar sel yang ada dipasaran [6].
Penelitian agar harga solar
sel menjadi lebih murah selanjutnya memunculkan generasi ketiga dari
jenis solar sel ini yaitu tipe solar sel polimer atau disebut juga
dengan solar sel organik dan tipe solar sel foto elektrokimia. Solar sel
organik dibuat dari bahan semikonduktor organik seperti polyphenylene
vinylene dan fullerene.
Berbeda dengan tipe solar sel generasi
pertama dan kedua yang menjadikan pembangkitan pasangan electron dan
hole dengan datangnya photon dari sinar matahari sebagai proses
utamanya, pada solar sel generasi ketiga ini photon yang datang tidak
harus menghasilkan pasangan muatan tersebut melainkan membangkitkan
exciton. Exciton inilah yang kemudian berdifusi pada dua permukaan bahan
konduktor (yang biasanya di rekatkan dengan organik semikonduktor
berada di antara dua keping konduktor) untuk menghasilkan pasangan
muatan dan akhirnya menghasilkan efek arus foto (photocurrent) [7-8].
Tipe
solar sel photokimia merupakan jenis solar sel exciton yang terdiri
dari sebuah lapisan partikel nano (biasanya titanium dioksida) yang di
endapkan dalam sebuah perendam (dye). Jenis ini pertama kali
diperkenalkan oleh Profesor Graetzel pada tahun 1991 sehingga jenis
solar sel ini sering juga disebut dengan Graetzel sel atau
dye-sensitized solar cells (DSSC) [4].
Graetzel sel ini
dilengkapi dengan pasangan redok yang diletakkan dalam sebuah elektrolit
(bisa berupa padat atau cairan). Komposisi penyusun solar sel seperti
ini memungkinkan bahan baku pembuat Graetzel sel lebih fleksibel dan
bisa dibuat dengan metode yang sangat sederhana seperti screen printing.
Meskipun solar sel generasi ketiga ini masih memiliki masalah besar
dalam hal efisiensi dan usia aktif sel yang masih terlalu singkat, solar
sel jenis ini akan mampu memberi pengaruh besar dalam sepuluh tahun ke
depan mengingat hargan dan proses pembuatannya yang sangat murah.
Konversi Energi pada Solar Cell
Secara
sederhana solar cell terdiri dari persambungan bahan semikonduktor
bertipe p dan n ( p-n junction semiconductor ) yang jika tertimpa sinar
matahari maka akan terjadi aliran electron, aliran electron inilah yang
disebut sebagai aliran arus listrik.
Bagian
utama perubah energi sinar matahari menjadi listrik adalah absorber
(penyerap), meskipu demikian, masimg-masing lapisan juga sangat
berpengaruh terhadap efisiensi dari solar cell. Sinar matahari terdiri
dari bermacam-macam jenis gelombang elektromagnetik yang secara spectrum
dapat dilihat pada gambar 2. Oleh karena itu absorber disini diharapkan
dapat menyerap sebanyak mungkin solar radiation yang berasal dari
cahaya matahari.
Lebih
detail lagi sinar matahari yang terdiri dari photon-photon, jika
menimpa permukaaan bahan solar sel ( absorber ), akan diserap,
dipantulkan atau dilewatkan begitu saja ( lihat gambar 3 ), dan hanya
foton dengan level energi tertentu yang akan membebaskan electron dari
ikatan atomnya, sehingga mengalirlah arus listrik. Level energi tersebut
disebut energi band-gap yang didefinisikan sebagai sejumlah energi yang
dibutuhkan untuk mengeluarkan elektron dari ikatan kovalennya sehingga
terjadilah aliran arus listrik.
Untuk membebaskan elektron dari
ikatan kovalennya, energi foton ( hc/v ) harus sedikit lebih besar atau
diatas daripada energi band-gap. Jika energi foton terlalu besar dari
pada energi band-gap, maka extra energi tersebut akan dirubah dalam
bentuk panas pada solar sel.
Tentu
saja agar efisiensi dari solar cell bisa tinggi maka foton yang berasal
dari sinar matahari harus bisa diserap yang sebanyak banyaknya,
kemudian memperkecil refleksi dan rekombinasi serta memperbesar
konduktivitas dari bahannya.
Untuk
bisa membuat agar foton yang diserap dapat sebanyak banyaknya, maka
absorber harus memiliki energi band-gap dengan range yang lebar,
sehingga memungkinkan untuk bisa menyerap sinar matahari yang mempunyai
energi sangat bermacam-macam tersebut. Salah satu bahan yang sedang
banyak diteliti adalah CuInSe2 yang dikenal merupakan salah satu dari
direct semiconductor.
Untuk mendapatkan daya yang cukup besar
diperlukan banyak sel surya. Biasanya sel-sel surya itu sudah disusun
sehingga berbentuk panel, dan dinamakan panel photovoltaic (PV). PV
sebagai sumber daya listrik pertama kali digunakan di satelit. Kemudian
dipikirkan pula PV sebagai sumber energi untuk mobil, sehingga ada mobil
listrik surya. Sekarang, di luar negeri, PV sudah mulai digunakan
sebagai atap atau dinding rumah. Bahkan Sanyo sudah membuat PV yang semi
transparan sehingga dapat digunakan sebagai pengganti kaca jendela.
Lama Usia dari Solar Cell
Sebuah
PV system dengan perawatan yang baik dapat bertahan hingga lebih dari
20 tahun. Sebenarnya dengan kondisi dimana sistem solar cell tidak
dipindah-pindah dan terinterkoneksi langsung pada alat listrik, modul
solar cell yang melalui fabrikasi yang baik mampu bertahan hingga 30
tahun. Cara terbaik agar sistem solar cell dapat bertahan lama serta
tetap stabil performansinya (efisiensinya) adalah dengan melakukan
pemasangan dan perawatan yang sesuai serta dalam waktu yang teratur.
Berbagai
kasus dalam permasalahan solar cell yang paling banyak dijumpai adalah
dikarenakan buruknya cara pemasangan serta tidak rapinya proses
instalasi. Kasus yang sering dijumpai tersebut antara lain seperti
koneksi yang tidak baik, ukuran kabel yang tidak tepat, ataupun komponen
yang tidak sesuai untuk aliran DC. Selain itu juga kesalahan sering
terjadi pada tidak seimbangnya sistem (balance of system , BOS)
bagian-bagian yang dipasang yaitu kontroler, inverter, serta proteksi
komponen.
Batere dapat lebih cepat rusak jika diberi beban kerja
diluar batas spesifikasinya. Pada sistem sel surya, batere digunakan
dan diberi muatan secara perlahan-lahan bahkan hingga periode beberapa
hari bahkan sati minggu. Kondisi ini berbeda dengan cara kerja batere
yang umumnya langsung diisi segera setelah digunakan, yang menyebabkan
batere pada sistem solar cell dapat lebih cepat rusak jika tidak
menggunakan tipe batere yang sesuai dengan karakteristik ini.
Sistem Pembangkit Listrik Solar Cell
Solar
cell merupakan pembangkit yang tidak hanya terdiri dari sistem
konversi dari photon sinar matahari menjadi arus listrik atau yang
diebut sebagai modul photo voltaik. Perlu ada sistem pendukung yang
berfungsi menyimpan energi listrik yang dibangkitkan agar keluarannya
dapat lebih stabil dapat digunakan saat tidak ada sinar matahari atau
pada saat malam hari. serta Satu unit sistem pembangkit listrik solar
cell terdiri dari beberapa komponen antara lain adalah:
- Modul
sel surya atau disebut juga panel Photo Voltaik (Panel PV). Modul sel
surya terdiri dari beberapa jenis ada yang berkapasitas 20 Wp, 30 Wp, 50
Wp, 100 Wp. Modul PV dilihat dari jenisnya dapat berjenis mono kristal,
poli kristal, atau amorphous.
- Penyimpan energi listrik atau
dikenal dengan Aki ( battery ) yang bebas perawatan. Batere biasanya
dapat bertahan 2-3 tahun. Kapasitas batere disesuaikan dengan kapasitas
modul dan besar daya penggunaan listrik yang diinginkan.
- Pengatur
pengisian muatan batere atau disebut dengan kontroler pengisian (solar
charge controller). Komponen ini berfungsi untuk mengatur besarnya arus
listrik yang dihasilkan oleh modul PV agar penyimpanan ke batere sesuai
dengan kapasitas batere.
- Inverter, merupakan modul untuk
mengkonversi listrik searah (dc) menjadi listrik bolak-balik (ac).
Komponen ini digunakan ketika penggunaan listrik yang diinginkan adalah
bolak-balik (ac). Meskipun begitu saat ini sudah banyak terdapat
alat-alat elektronik maupun lampu penerang yang menggunakan tipe arus
searah sehingga beberapa sistem solar cell tidak membutuhkan inverter
ini.
- Kabel (wiring), yang merupakan komponen standar sebagai penghubung tempat mengalirkan arus listrik.
- Mounting
hardware atau framework, yang merupakan pendukung untuk menempatkan
atau mengatur posisi solar panel agar dapat menerima sinar matahari
dengan baik. Biasanya framework digunakan untuk menempatkan solar panel
pada posisi yang lebih tinggi dari bagian lain yang ada disekitarnya.
Pertumbuhan
teknologi sel surya di dunia memang menunjukkan harapan akan solar sel
yang murah dengan memiliki efisiensi yang tinggi. Sayangnya sangat
sedikit peneliti di Indonesia yang terlibat dengan hiruk pikuk
perkembangan tentang teknologi sel surya ini. Sudah seharusnya
pemerintah secara jeli melihat potensi masa depan Indonesia yang kaya
akan sinar matahari ini dengan mendorong secara nyata penelitian dan
pengembangan industri di bidang energi surya ini.