Bagaimana Energi Matahari Diubah Menjadi Listrik?

Menjelajahi ilmu di balik fotovoltaik

Panel surya mengubah cahaya menjadi listrik. Ini adalah proses kompleks yang melibatkan fisika, kimia, dan teknik elektro. Dengan panel surya menjadi bagian yang semakin penting dari dorongan melawan bahan bakar fosil, sangat penting untuk mempelajari bagaimana panel surya mengubah sinar matahari menjadi energi yang dapat digunakan. Cukup menarik, konsep yang sama yang memungkinkan panel surya memberi daya pada rumah kita juga mendorong revolusi teknologi. Rahasianya terletak pada wafer silikon, blok bangunan elektronik modern.

Sederhananya, sinar matahari mengenai panel dan menggairahkan elektron dalam kristal silikon. Foton memberi elektron energi yang cukup untuk bergerak bebas melalui silikon. Wafer silikon diresapi dengan kekotoran untuk menciptakan medan listrik semula jadi, yang mengarahkan pergerakan elektron. Gridline logam pada sel surya menangkap energi listrik dan mengangkutnya ke inverter Anda, lalu ke rumah Anda.

Apa itu Energi?

Kita membutuhkan energi untuk melakukan pekerjaan. Baik itu untuk menggerakkan tubuh kita, menanam tanaman kita, atau memberi daya pada rumah kita, energi menggerakkan dunia kita. Energi dapat mengambil beberapa bentuk, termasuk cahaya, gerak, listrik, reaksi kimia, dan panas. Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dihancurkan, hanya berubah bentuk. Hal ini melekat pada masalah kebutuhan umat manusia, karena energi itu sendiri berlimpah tetapi seringkali tidak ada dalam bentuk yang dapat diterapkan secara langsung.

Ketika kita memasang panel surya, kita memanfaatkan energi cahaya dari matahari. Ketika cahaya mengenai permukaan bahan semikonduktor, reaksi terjadi, yang mengubah energi cahaya menjadi energi listrik. Tetapi karena panel surya tidak 100% efisien, sebagian energi cahaya ini menjadi panas.

Setelah energi diubah menjadi listrik, garis kisi logam pada panel membawa listrik keluar dari panel dan menuju penyimpanan baterai Anda. Energi tersebut kemudian diubah menjadi energi kimia, di mana ia disimpan sampai siap untuk diubah kembali menjadi listrik untuk keperluan rumah tangga.

Efek Fotovoltaik

Efek fotovoltaik inilah yang memungkinkan sinar matahari ditangkap dan diubah menjadi energi listrik. Fenomena ini ditemukan oleh fisikawan Prancis Edmond Becquerel pada tahun 1839 ketika ia bereksperimen di laboratorium ayahnya dengan elektroda platinum dalam larutan elektrolit. Dia memperhatikan bahwa ketika cahaya disinari pada larutan, arus listrik ditingkatkan. Susunan surya atap pertama menyusul segera setelah itu.

Cahaya terbuat dari foton, yang membawa energi. Energi dalam foton sebanding dengan frekuensi cahaya. Efek fotovoltaik dipicu ketika foton mengenai permukaan fotolistrik, yang menyerap energi foton dan menggairahkan elektron di dalam material. Arus listrik tercipta ketika cukup banyak elektron yang distimulasi. Tergantung pada bahannya, frekuensi yang diperlukan untuk memicu efek dapat bervariasi. Dalam panel surya fotovoltaik, semikonduktor adalah media fotolistrik yang digunakan untuk mengubah sinar matahari menjadi listrik.

Semikonduktor

Semikonduktor adalah bahan yang menghantarkan listrik lebih dari isolator, seperti kaca atau kayu, tetapi kurang dari konduktor, seperti tembaga atau emas. Konduktivitas semikonduktor dapat diubah melalui doping, atau penambahan kotoran, untuk mencapai nilai konduksi yang sesuai dengan kebutuhan aplikasi tertentu. Mereka dapat ditemukan di komputer, mobil, smartphone, dan peralatan rumah tangga. Silikon adalah semikonduktor yang paling biasa, biasanya berbentuk wafer silikon. Munculnya silikon yang mengkristal adalah pendorong utama revolusi digital selama 50 tahun terakhir, oleh karena itu penggunaan istilah Silicon Valley untuk merujuk pada Bay Area, rumah bagi perusahaan teknologi terbesar di dunia.

Wafer boleh didoping positif (tipe-p) atau doping negatif (tipe-n). Tipe-p dan tipe-n bahkan dapat ada dalam kristal yang sama, seperti halnya panel PV. Tipe-p memiliki atom yang tidak memiliki elektron, yang disebut lubang elektron, di mana tipe-n memiliki atom yang memiliki kelebihan elektron. Elektron dan lubang secara kolektif dikenal sebagai pembawa muatan. Keduanya bertemu dalam lapisan batas di dalam kristal, yang disebut persimpangan pn.

Struktur kristal wafer silikon adalah sebahagian daripada fungsinya. Dalam kisi kristal, elektron terikat di tempatnya, tidak dapat bergerak bebas. Ketika input energi menggairahkan elektron ke tingkat energi yang cukup, mereka dapat membebaskan diri dan bergerak di seluruh struktur kisi. Elektron kemudian berdifusi melalui persimpangan pn, mengisi lubang elektron dan menetralkan kedua pembawa muatan. Ini menciptakan area material netral yang disebut zona penipisan. Akhirnya, pergerakan menuju persimpangan pn mencapai keadaan kesetimbangan, dan medan listrik terbentuk di sekitar zona penipisan. Batas sisi-n menjadi bermuatan positif, dan batas sisi-p menjadi bermuatan negatif, menciptakan gaya yang bekerja berlawanan dengan gerakan menuju persimpangan pn. Ini menghentikan aliran elektron melintasi persimpangan pn, dan wafer kekal dalam keadaan kesetimbangan ini sehingga tahap energi dalam sistem berubah.

Semikonduktor dibatasi oleh celah pita mereka, rentang energi di mana pergerakan elektron tidak akan terjadi. Energi cahaya yang mengenai permukaan panel surya harus berada di atas celah pita semikonduktor, atau tidak ada listrik yang akan dihasilkan.

Sama seperti dalam elektronik, silikon adalah semikonduktor yang paling umum untuk panel surya. Panel silikon tersedia dalam tiga jenis:

• Monokristalin (MonoSi)
• Polikristalin (PolySi)
• Silikon amorf (a-si)

Beberapa jenis semikonduktor lain digunakan dalam industri PV, meskipun cenderung kurang umum. Beberapa jenis tercantum di bawah ini.

• Kadmium Telluride (CdTe)
• Tembaga Indium Gallium Selenide (CIGS)
• Galium Arsenida (GaAs)

Meskipun artikel ini berfokus pada mekanisme kerja di balik panel surya silikon, sebagian besar semikonduktor bekerja dengan prinsip yang sama.

Sinar Matahari ke Listrik

Sekarang setelah kita mengeksplorasi berbagai konsep dan proses yang memungkinkan panel surya Anda menghasilkan listrik, mari kita lihat lebih dekat apa yang sebenarnya terjadi di dalam susunan PV Anda.

Anda bangun di pagi hari, dan matahari terbit di atas cakrawala. Saat Anda memulai rutinitas pagi Anda, sinar matahari menyapu atap Anda, membawa energi ke rumah Anda. Matahari memiliki spektrum energi yang luas dan memancarkan foton pada berbagai nilai energi. Ingatlah bahwa semikonduktor PV memiliki celah pita, dan foton yang mengenai permukaan panel Anda harus berada di atas celah pita untuk merangsang konduktivitas material.

Salah satu dari tiga hal dapat terjadi ketika foton berinteraksi dengan panel surya Anda:

• Foton mungkin dipantulkan dari permukaan panel.
• Jika tingkat energi foton berada di bawah celah pita, itu akan melewati panel.
• Jika tingkat energi foton berada pada atau di atas celah pita, ia akan berinteraksi dengan semikonduktor.

Arsitektur sel surya memainkan peran penting dalam pergerakan elektron. Lapisan n-doped sangat tipis dan ditempatkan tepat di bawah kaca, di atas lapisan p-doped yang jauh lebih tebal. Ini berarti sinar matahari menembus sisi-n dan mencapai persimpangan pn. Peningkatan ketebalan sisi-p juga menciptakan zona penipisan yang jauh lebih besar daripada jika keduanya berukuran sama. Energi dari foton ditransfer ke elektron, memberi mereka energi untuk bergerak melintasi zona penipisan dan ke sisi p. Elektron bergabung kembali dengan lubang elektron di sisi-p, sementara sinar matahari terus-menerus merangsang pasangan lubang elektron baru di zona penipisan. Pergerakan konstan ini adalah sumber arus listrik. Silikon tetap dalam keadaan bermuatan listrik ini selama matahari mengenai panel. Ketika matahari terbenam, silikon kembali ke keadaan kesetimbangannya, dan zona penipisan kembali ke lebar aslinya.

Sementara zona penipisan mencegah arus listrik dihasilkan, input energi dari sinar matahari memberi pembawa muatan energi yang cukup untuk mengatasi lapisan netral. Karena banyak foton yang berinteraksi dengan silikon memiliki nilai energi yang lebih tinggi dari celah pita, kelebihan energi dihamburkan sebagai panas.

Dengan elektron bebas bergerak melalui silikon, yang dibutuhkan hanyalah jalur bagi energi listrik untuk keluar dari panel. Setiap sel surya memiliki dua set gridline logam yang terhubung ke permukaannya, yang disebut jari dan busbar. Listrik dikumpulkan di jari-jari, yang merupakan set garis kisi logam yang sangat tipis yang mengalir ke atas dan ke bawah sel surya. Jari-jari mengarahkan listrik ke busbar, yang berjalan tegak lurus dengan jari-jari. Busbar jauh lebih tebal daripada jari-jari, dan sebagian besar sel surya memiliki dua busbar yang membentang sepanjang sel.

Busbar dihubungkan melalui kabel tembaga ke bagian belakang sel surya berikutnya, dan mereka disambungkan secara seri satu sama lain, menghasilkan listrik dan menjalankannya ke urutan sel. Beberapa rangkaian sel kemudian disambungkan sejajar satu sama lain, membentuk panel surya. Panel surya kemudian disambungkan ke beberapa panel lain, menciptakan susunan surya.

Proses fotovoltaik menghasilkan arus searah, sehingga diperlukan inverter untuk mengubah daya DC menjadi daya AC. Listrik kemudian disimpan dalam baterai, di mana energi disimpan sebagai ikatan kimia hingga siap untuk dikosongkan.

Kesimpulan

Sementara umat manusia telah memanfaatkan energi matahari sebagai panas selama berabad-abad, PV surya telah memungkinkan kita untuk secara langsung memanfaatkan sinar matahari. Meskipun teknologinya lambat lepas landas, gagasan memanfaatkan sinar matahari untuk energi telah merevolusi industri energi. Prospek membuang bahan bakar fosil untuk energi tak terbatas dari matahari telah mengubah cara kita memandang listrik. Panel fotovoltaik menggunakan sifat unik semikonduktor silikon untuk mengubah energi cahaya menjadi energi listrik. Sifat fisik dan kimia silikon yang mengkristal memungkinkan bahan bereaksi terhadap cahaya sedemikian rupa sehingga menghasilkan muatan listrik. Garis kisi logam membawa energi listrik keluar dari panel dan menuju rumah Anda. Ini adalah proses yang kompleks, yang berpotensi membawa energi ke kota-kota yang tersapu sinar matahari di seluruh dunia.

FaQ

---

---

---