Panel Photovoltaic


Panel Photovoltaic

Kadek Fendy Sutrisna dan I Komang Adi Aswantara

1 Juni 2010

Dukung Fendy Sutrisna untuk tetap berbagi dalam artikel ketenagalistrikan Indonesia dengan klik link LIKE, COMMENT & SHARE di halaman facebook ini -> Catatan Fendy Sutrisna

Panel Photovoltaic (PV panel) adalah sumber listrik pada sistem pembangkit listrik tenaga surya, yang menggunakan material semikonduktor yang mengubah secara langsung energi sinar matahari menjadi energi listrik. Daya listrik yang dihasilkan PV berupa daya DC. Istilah “photovoltaic” ini telah digunakan dalam bahasa Inggris sejak tahun 1849. Tulisan ini akan membahas konversi energi, tipe, dan perkembangan dari panel photovoltaic.

Konversi Sinar Matahari ke Listrik

Sekarang ini, kebanyakan PV panel menggunakan Poly Cristallyne Silicon sebagai material semikonduktor – photocell mereka. Prinsipnya adalah sama dengan prinsip diode p-n junction. Gambar di bawah ini mengilustrasikan prinsip kerja PV panel.

Seperti yang kita ketahui atom Silikon memiliki 14 elektron yang terdistribusi pada orbit-orbit elektron kulit terluarnya. Dua kulit terdalamnya masing-masing terisi penuh dengan dua elektron dan berikutnya delapan elektron. Sementara, kulit yang lebih di luar hanya memiliki empat elektron, yang terisi hanya sebagian dari kondisi penuhnya. Akibat dari sifat atom yang cenderung untuk melengkapi elektron pada kulit terluar mereka, yang akan terjadi selanjutnya adalah pertukaran elektron atom silikon dengan atom silikon tetangga mereka yang mengakibatkan terbentuknya ikatan dengan elektron dari satu atom tetangga. Bentuk ini merupakan murni struktur cristallyn.

Jika setiap orbital kulitnya sudah terisi penuh, maka atom yang bersangkutan akan menjadi sebuah material konduktor yang baik. Agar dapat selalu berfungsi seperti ini, sebagai bahan semikonduktor, silikon biasanya dicampurkan dengan bahan tertentu (biasa disebut materi doping); Bahan campuran ini akan mengakibatkan atom silikon akan lebih mudah mencapai kondisi penuh, seperti atom dengan lebih dari empat elektron valensi, seperti fosfor yang memiliki 5 elektron valensi. Elektron bebas ini yang akan menjadi elektron yang membawa energi listrik. Ketidakmurnian ini disebut dopant.

Photocell yang memiliki p-n junction, memiliki 2 buah bahan semikonduktor, tipe-p dan tipe-n. Tipe-tipe ini dianggap sebagai bahan campuran (impurities); bergantung dari jenisdopant yang diberikan kepada cristallyn. Untuk kasus photocell, biasanya menggunakan hidrogen dan fosfor sebagai tipe-n yang ditambahkan pada cristallyn. Sementara, Boron digunakan sebagai tipe-p. Kedua tipe ini kemudian ditempatkan bersama sebagai p-n juction.

Ketika photocell dikenai sinar matahari, artinya photon dari sinar matahari akan menumbuk semikonduktor (Silikon). Ada 3 kemungkinan yang bisa terjadi ketika photon menumbuk silikon;

  1. Photon menembus silikon; biasanya terjadi pada photon dengan energi yang rendah.
  2. Photon dipantulkan oleh permukaan silikon.
  3. Photon diserap oleh permukaan silikon.

Untuk kemungkinan yang ketiga, apabila energi photon lebih tinggi dari celah pita silikon, maka energi yang diserap dari photon akan diberikan ke elektron untuk berpindah dari pita valensi ke pita konduksi, dan berikutnya akan menghasilkan satu lubang (hole), meninggalkan hole yang sebelumnya diisi oleh elektron yang lain dari beban. Sirkulasi elektron inilah yang akan mengakibatkan aliran arus dari PV panel; sehingga silikon ini bisa berfungsi sebagai material yang mampu mengkonversikan energi photon ke energi listrik.

Kebanyakan energi photon ini lebih besar dari celah pita silikon. PV panel yang ada saat ini lebih banyak mengubah perbedaan energi yang dibawa foton dan celah pita silikon menjadi panas (akibat getaran – kisi disebut fonon) daripada mengkonversikannya menjadi energi listrik. Sewaktu energi photon yang diserap melebihi band energy-nya, maka electron yang menyerap energy photon akan ber-eksitasi ke konduksi band untuk kemudian relaksasi ke level energi konduksi terendah. Energi yang dilepas inilah yang jadi losses heat.

Perbedaan Tipe Bahan photocell (monocrystalline, polycrystalline dan amorphous)

Photocell dapat dibagi menjadi 3 jenis tipe kristal, yaitu monocrystallinepolycrystallinedan amorphous. Perbedaannya ada pada proses pembuatannya. Untuk menghasilkan silikon  monocrystalline, didapat dari silikon murni yang dilelehkan kemudian dalam proses pemadatannya dibentuk dengan cara dipancing dengan silikonmonocrystalline yang struktur atomnya diketahui, diputar dan diangkat perlahan-lahan menjadi sebuah gelondongan silikon. Gelondongan ini kemudian dipotong tipis-tipis (thin plates) sehingga menjadi wafer monocrystalline photocell.

Sedangkan silikon polycrystalline didapat dengan cara melelehkan silikon dan menuangkannya kedalam bejana sehingga dapat dengan mudah terbentuk wafer silikon. Dengan cara ini silikon murni dapat diubah hampir seluruhnya kebentuk wafer silikon sehingga biayanya menjadi lebih efektif. Sayangnya dengan cara ini selama proses pemadatan materi, struktur kristal yang dibentuk akan menimbulkam cacat kristal pada penggiran photocell. Sebagai akibat dari cacat kristal ini, solar cell menjadi kurang efisien.

Cara yang ketiga sedikit berbeda dengan yang lainnya, lapisan tipis silikon diperoleh dari material silikon yang di-deposisikan ke sebuah permukaan kaca atau material substrat lainnya, dengan cara ini diperoleh silikon  amorphous atau thin layer cell (dengan ketebalan 1µm). Tipe photocell ini memiliki harga yang paling murah namun juga efisiensi yang paling rendah dibandingkan dengan dua tipe lainnya. Biasanya tipe silikon amorphous digunakan untuk peralatan berdaya rendah seperti jam, kalkulator saku dan barang elektronik lainnya.

Bagaimana cara membuat sebuah modul PV?

Untuk membuat tegangan output modul PV yang sesuai dengan aplikasi yang diinginkan, sel surya tunggal dihubungan untuk membentuk unit yang lebih besar. Sel yang dihubungkan secara seri akan menghasilkan tegangan yang lebih tinggi, sementara sel surya tunggal yang dihubungkan secara paralel akan memproduksi arus listrik yang lebih besar. Sel-sel surya yang saling berhubungan biasanya tertanam dalam transparan Etil-Vinyl-Asetat, dilengkapi dengan frame aluminium atau stainless steel dan ditutup dengan kaca transparan di bagian depan.

Peringkat daya dari modul surya yang tersedia dipasaran berkisaran antara 10 dan 100 Wpeak-peak. Perlu diperhatikan bahwa data karakteristik ini diperoleh pada kondisi pengujian standar radiasi matahari 1000 W/m² pada suhu 25 ° Celcius.

Perkembangan Saat ini

Surface structuring to reduce reflection loss:

Konstruksi permukaan sel dirancang dalam struktur piramida, sehingga cahaya yang masuk menumbuk permukaan bahan semikonduktor menjadi beberapa kali lipatnya. Sebagai contoh bahan baru tersebut misalnya, gallium arsenide (GaAs), cadmium telluride (CdTe) atau tembaga selenide indium (CuInSe ²).

Tandem or stacked cells

Spektrum radiasi photon yang lebih lebar dari sebelumnya yang bisa dikonversikan menjadi energi listrik menjadi ide dasar berkembangnya teknik ini. Teknik ini diperoleh dengan cara menggunakan bahan semikonduktor yang berbeda-beda, yang memiliki karakteristik yang cocok untuk rentang spektral yang berbeda. Posisi sel pada modul diatur dengan memposisikan satu di atas yang lain.

Concentrator cells

Dengan menggunakan sistem cermin dan lensa, intensitas cahaya yang lebih tinggi akan difokuskan pada sel surya.

Grätzel cells

Sel elektrokimia cair berupa titanium dioksida digunakan sebagai elektrolit dan dye untuk meningkatkan penyerapan cahaya.

Ilustrasi mengenai struktur kristal, valensi, mengenai teori band gap dan efek doping di band gap itu, ilustrasi mengenai pergerakan elektron atau hole hasil photolistrik di dalam konfigurasi atom silikon, dan hal lainnya yang berhubungan dengan listrik dan material, penulis sangat menyarankan untuk membaca referensi 2.

Bagaimana cara mendesain sistem sel surya?

Apabila kita ingin menggunakan sistem pembangkit listrik tenaga surya untuk perumahan 1000 watt dengan tegangan keluaran baterei 48 V, uraian berikut dapat memberikan gambaran bagaimana cara mendesain sistemnya :

1. Seperti yang sudah diulas sebelumnya tegangan keluaran sel surya biasanya dalam bentuk tegangan DC, dan hanya menghasilkan listrik pada siang hari, sehingga kita membutuhkan  baterei dan inverter. Baterei digunakan untuk menyimpan energi sedangkan inverter digunakan untuk mengubah tegangan DC menjadi AC.

2. Harga sel surya berkisar US$ 5-7/watt-peak. Salah satu perusahan yang menjual sel surya di Indonesia adalah PT LEN

3. Apabila kita ingin menggunakan sistem sel surya secara mandiri, dalam artian kebutuhannya tetap 1o00 watt selama 24 jam berarti hal-hal yang perlu diperhatikan adalah sebagai berikut :

a. Kebutuhan energinya adalah 24 x 1000 = 24 kWh.

b. Sel surya menghasilkan listrik rata-rata sehari maksimum selama 4 jam. Jadi untuk mendesain sistem sel surya 1000 W dibutuhkan sel surya minimal sebesar (24/4) x 1000 = 6000 W

c. Baterei dibutuhkan dengan kemampuan menyimpan energi minimum sebesar 24×1000=24. 000 Wh. Apabila tegangan baterei 48 Volt, maka diperlukan bateterei dengan kapasitas sebesar 500 Ah

Kesimpulan : 

Dibandingkan dengan negara lain, matahari merupakan salah satu sumber daya alam yang sangat berlimpah di Indonesia. Akan sangat bijaksana apabila kita menggunakan energi ini untuk membantu pemerintah memenuhi kebutuhan listrik di Indonesia.  Listrik dari sumber energi surya akan sangat berguna untuk pemerataan listrik ke daerah-daerah terpencil yang belum terjangkau saluran transmisi PLN.

Dukung Fendy Sutrisna untuk tetap berbagi dalam artikel ketenagalistrikan Indonesia dengan klik link LIKE, COMMENT & SHARE di halaman facebook ini -> Catatan Fendy Sutrisna

Referensi

  1. Proposal EEA 2007 Team Vercy LPKEE ITB
  2. http://ibiblio.org/kuphaldt/electricCircuits/Semi/SEMI_2.html
  3. http://www.solarserver.de/wissen/photovoltaik-e.html
  4. http://www.silicon-saxony.de/set/1679/RussianMarketUpdate.pdf
  5. http://eimg.acpmagazines.com.au/apc/03_01_sand-ingot_3.jpg
  6. http://www.inverter-china.com/blog/upload/amorphous-silicon.jpg
  7. http://www.motherearthnews.com/uploadedImages/Blogs/Energy_Matters/Solar-Cell-and-Sky.jpg
Biodata tentang penulis dapat dilihat disini.
Dan beberapa artikel tentang pembangkit listrik energi terbarukan dapat dilihat disini.
Disini juga terdapat beberapa artikel tentang pembangkit listrik lainnya.
About these ads

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s