Material Sel Surya: Pengertian, Prinsip Kerja, Jenis-Jenis, dan Komponen

Pengertian Energi Surya

Energi adalah salah satu kebutuhan utama dalam kehidupan. Peningkatan kebutuhan energi dapat merupakan indikator peningkatan kemakmuran, namun bersamaan dengan itu juga menimbulkan masalah dalam usaha penyediaannya. Sel surya adalah kumpulan sel photovoltaic yang dapat mengkonversi sinar matahari menjadi listrik. Ketika memproduksi sel surya, produsen harus memastikan bahwa sel-sel surya saling terhubung secara elektrik antar satu dengan yang lain pada sistem tersebut. Sel surya juga perlu dilindungi dari kelembaban dan kerusakan mekanis karena hal ini dapat merusak efisiensi sel surya secara signifikan, dan menurunkan masa pakai dari yang diharapkan. 

Sel surya sangat mudah dalam hal pemeliharaan karena tidak ada bagian yang bergerak. Satu-satunya hal yang harus di khawatirkan adalah memastikan untuk menyingkirkan segala hal yang dapat menghalangi sinar matahari ke panel surya tersebut.

Panas dan cahaya yang dipancarkan oleh matahari dapat dijadikan sumber energi untuk mempermudah kehidupan manusia. Pemanfaatan energi matahari yang paling sederhana adalah dengan cara langsung, yaitu panasnya yang akan digunakan untuk mengeringkan sesuatu, seperti menjemus pakaian, bahan makanan, dan mengeringkan air laut dalam proses pembuatan garam. Pemanfaatan energi surya yang amat melimpah akan semakin efektif bila pancaran energi ittu tidak hanya digunakan secara langsung, namun juga disimpan untuk digunakan pada saat matahari tidak bersinar. Termasuk bila memungkinkan, digunakan sebagai sumber energi pada peralatan-peralatan yang bertujuan mempermudah hidup manusia. Untuk dapat melakukan hal ini, diperlukan suatu material atau bahan yang dapat menyerap panas dan cahaya matahari yang selanjutnya terhubung dengan peralatan penyimpanan.

Panel Surya

Panel surya adalah sebuah alat yang terdiri dari sel surya yang terbuat dari bahan semikonduktor untuk mengubah energi surya menjadi energi listrik. Prinsip kerjanya didasari oleh pertemuan semikonduktor jenis P dan semikonduktor jenis N. Panel surya tersusun dari modul surya yang dirangkai secara seri maupun paralel sesuai dengan kebutuhan daya listrik tertentu. Pemasangan panel sel surya pada suatu bangunan komersial atau pada bangunan perusahaan ditentukan oleh kebijakan mengenai penggunaan instalasi listrik yang memanfaatkan enegi surya. Panel surya hanya menghasilkan arus listrik berjenis arus searah. Pemenuhan pencatu daya bagi pemakai energi listrik memerlukan konverter dari arus searah menjadi arus bolak-balik. Penyediaan ruang bagi panel surya adalah salah satu pertimbangan penting bagi optimalisasi sistem tenaga listrik dengan energi dasar berupa energi surya. Pembangkit listrik tenaga surya merupakan penerapan langsung dari kegiatan trannsformasi energi surya yang dilakukan oleh panel surya. Sel surya, atau sering disebut sel fotovoltaik (PV), adalah perangkat yang mengubah energi matahari secara langsung menjadi listrik melalui efek fotovoltaik. Sel surya adalah komponen dasar dari panel surya yang digunakan dalam sistem tenaga surya untuk menghasilkan energi listrik dari sinar matahari.

Prinsip Kerja Panel Surya

Prinsip kerja dari panel surya adalah dimulai ketika pancaran sinar matahari yang tersusun dari foton menabrak atom semikonduktor silikon dari solar panel. Sehingga bisa menimbulkan energi besar yang mampu untuk memisahkan elektron dari struktur atomnya. Elektron yang sudah berpisah serta memiliki muatan negatif akan bergerak ke daerah konduktor dari material semikonduktor. Dan pada atom yang telah hilang elektronnya, maka strukturnya akan kosong yang disebut dengan hole yang bermuatan positif. Jika ada elektron bebas yang sifatnya negatif, maka bisa menjadi pendonor elektron atau disebut dengan semikonduktor tipe "n". Dan untuk semikonduktor dengan hole bermuatan positif akan menjadi penerima elektron atau semikonduktor tipe "p". Antara daerah positif dan negatif itulah bisa memunculkan energi yang kemudian mendorong elektron dan hole menjadi berlawanan. Di mana elektron akan jauh dari daerah negatif dan hole akan jauh dari daerah positif. 

Struktur Sel Surya

• Lapisan semikonduktor : Sel surya biasanya terdiri dari dua lapisan semikonduktor yang berbeda, yaitu tipe P (positif) dan tipe N (negatif). Perbatasan antara kedua lapisan ini membentuk junction P-N yang menciptakan medan listrik internal.
• Lapisan anti-reflektif : Mengurangi pantulan cahaya dari permukaan sel untuk meningkatkan penyerapan cahaya.
• Lapisan konduktif transparent : Memungkinkan cahaya masuk ke dalam sel sambil mengalirkan arus listrik.

Jenis Material Semikonduktor

• Silicon (Si) : material semikonduktor yang paling umum digunakan dalam sel surya, termasuk jenis monocrystalline dan polycrystalline.
• Cadmium Telluride (CdTe) : semikonduktor tipis yang digunakan untuk membuat sel surya dengan biaya rendah dan performa baik.
• Copper Indium Gallium Selenide (CIGS) : semikonduktor tipis yang memiliki efisiensi tinggi dan fleksibilitas.

Manfaat Penggunaan Panel Surya

Adapun manfaat dari menggunakan panel surya sebagai berikut.

• Menghemat biaya
• Ramah lingkungan
• Dapat dipasang dimana saja
• Bersifat individual
• Dapat digunakan untuk investasi.

Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Surya

Sebuah teknologi pembangkit listrik yang mengkonversi energi foton dari surya menjadi energi listrik disebut dengan Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS). Sel -- sel fotovoltaik pada panel surya melakukan konversi dari energi foton menjadi energi listrik. Sel fotovoltaik merupakan lapisan tipis dari silikon (Si) murni atau bahan semikonduktor, sehingga apabila bahan tersebut mendapat energi foton akan mengeksitasi elektron dari ikatan atomnya menjadi elektron yang bergerak bebas, dan pada akhirnya akan mengeluarkan tegangan listrik arus searah.

Sel surya adalah seperangkat modul untuk mengkonversi tenaga matahari menjadi energi listrik. Photovoltaic adalah teknologi yang berfungsi untuk mengubah atau mengkonversi radiasi matahari menjadi energi listrik secara langsung.PV biasanya dikemas dalam sebuah unit yang disebut modul. Dalam sebuah modul surya terdiri dari banyak sel surya yang bisa disusun secara seri maupun paralel. Sedangkan yang dimaksud dengan surya adalah sebuah elemen semi konduktor yang dapat mengkonversi energi surya menjadi energi listrik atas dasar efek photovoltaic.

Berdasarkan teknologi yang digunakan PLTS dibagi menjadi dua sistem yaitu sistem PLTS grid-connected dan PLTS Off -- Grid (Stand Alone). PLTS grid-connected atau PLTS terinterkoneksi adalah sistem PLTS yang terhubung dengan jaringan PLN. Manfaat dari PLTS gridconnected dapat menghasilkan listrik yang bebas emisi dan ramah lingkungan. Sistem ini memberikan nilai tambah pada konsumen karena dapat mengurangi tagihan listrik rumah tangga atau perkantoran. PLTS Off -- Grid (Stand Alone) adalah jenis sistem PLTS yang dirancang untuk menghasilkan energi listrik secara mandiri dalam memenuhi kebutuhan beban listrik. PLTS Off -- Grid biasanya terdapat pada daerah pedalaman atau pulau-pulau besar yang tidak mendapatkan pasokan listrik.

Komponen Pembangkit Listrik Tenaga Surya

1. Generator sel surya (Photovoltaic Generator)

Salah satu komponen utama pada PLTS adalah generator sel surya, yang dimana sel surya sebagai komponen dasarnya. Sel surya mengubah radiasi matahari menjadi energi listrik. Ketika sel surya terkena sinar matahari, berdasarkan efek fotovoltaik, maka pada sel surya akan terjadi perpindahan elektron dari daerah elektron yang lebih tinggi (N) ke daerah P yang memiliki lubang. Perpindahan ini merupakan aliran arus internal. Apabila pada sambungan terhubung dengan penghantar dan terhubung dengan rangkaian tertutup atau terhubung dengan beban, maka akan terjadi aliran arus listrik.

2. Jenis Panel Surya

Terdapat beberapa jenis panel surya yang dapat ditemukan dipasaran, yaitu:

• Jenis pertama, yaitu jenis yang terbaik dan yang terbanyak digunakan masyarakat saat ini adalah jenis monokristalin. Panel ini memiliki tingkat efisiensi antara 12 sampai 14%.
• Jenis kedua, adalah jenis polikristalin atau multi kristalin yang terbuat dari kristal silikon dengan tingkat efisiensi antara 10 sampai 12%.
• Jenis ketiga, adalah silikon jenis amorphous yang berbentuk filmtipis. Efisiensinya sekitar 4 -- 6%. Panel surya jenis ini banyak dipakai di mainan anak-anak, jam, dan kalkulator.
• Jenis keempat, adalah panel surya yang terbuat dari GaAs (Gallium Arsenide) yang lebih efisien pada temperatur tinggi. 

3. Charge Controller

Charge Controller merupakan peralatan yang digunakan pada sistem PLTS yang dilengkapi dengan penyimpanan cadangan energi listrik. Charge Controller adalah perangkat elektronik yang berfungsi untuk mengatur pengisian arus searah (DC) dari panel surya ke baterai yang disebut dengan proses charge dan pengaturan penyaluran arus listrik dari baterai menuju beban listrik disebut dengan proses discharge. Fungsi utama charge controller (biasanya pada sistem PLTS stand-anole) adalah untuk menjaga atau mempertahankan baterai dari kemungkinan tertinggi state of charge, melindungi baterai saat menerima pengisian berlebih (overcharge) dari array, dengan cara membatasi pengisian energi saat baterai dalam keaadan penuh dan melindungi baterai dari pengosongan berlebih yang dikarenakan beban yang dipikul, dengan cara memutuskan hubungan baterai dengan beban saat baterai menjangkau keadaan low state of charge.

Solar charge controller (SCC) atau juga dikenal sebagai battery charge regulator (BCR) adalah komponen elektronik daya di PLTS untuk mengatur pengisian baterai dengan menggunakan modul fotovoltaik menjadi lebih optimal. Perangkat ini beroperasi dengan cara mengatur tegangan dan arus pengisian berdasarkan daya yang tersedia dari larik modul fotovoltaik dan status pengisian baterai (SoC, state of charge). Untuk mencapai arus pengisian yang lebih tinggi, beberapa SCC dapat dipasang secara paralel di bank baterai yang sama dan menggabungkan daya dari larik modul fotovoltaik.   

4. Baterai

Baterai merupakan salah satu komponen yang digunakan pada sistem PLTS yang dilengkapi dengan penyimpanan cadangan energi listrik. Baterai memiliki fungsi untuk menyimpan energi listrik yang dihasilkan oleh panel surya dalam bentukk energi arus searah. Energi yang disimpan pada baterai berfungsi sebagai cadangan, yang biasanya dipergunakan pada saat panel surya tidak menghasilkan energi listrik, contohnya pada saat malam hari atau pada saat cuaca mendung, selain itu tegangan keluaran ke sistem cenderung lebih stabil. Satuan kapasitas energi yang disimpan pada baterai adalah ampere hour (Ah), yang diartikan arus maksimum yang dapat dikeluarkan oleh baterai selama satu jam. Namun dalam proses pengosongan (discharge), baterai tidak boleh dikosongkan hingga titik maksimumnya, hal ini dikarenakan agar baterai dapat bertahan lebih lama usia pakainya (life time), atau minimal tidak mengurangi usia pakai yang ditentukan dari pabrikan. Batas pengosongan dari baterai sering disebut dengan istilah depth of discharge (DOD), yang dinyatakan dalam satuan persen, biasanya ditentukan sebesar 80%.

5. Inverter

Pengkondisian tenaga listrik (power condition) dan sistem kontrol pada sistem PLTS diperankan oleh inverter, yang memiliki fungsi merubah arus listrik searah yang dihasilkan oleh solar modul menjadi listrik arus bolak balik dan dikontrol kualitas dari daya listrik yang dikeluarkan untuk dikirim ke beban atau ke jaringan listrik. Pada PLTS penggunaan inverter satu fasa biasanya untuk sistem yang bebannya kecil, sedangkan untuk sistem yang besar dan terhubung dengan jaringan utilitas (PLN) biasanya digunakan inverter 3 fasa.

Berdasarkan karakteristik dari performa yang dibuthkan, inverter untuk sistem PLTS berdiri sendiri (stand-alone) dan PLTS grid connected memiliki karakteristik yang berbeda, yaitu:

• Pada PLTS stand-alone, inverter harus mampu mensuplai tegangan AC yang konstan pada variasi produksi dari modul surya dan tuntutan beban yang dipikul.
• Pada PLTS grid connected, inverter dapat menghasilkan kembali tegangan yang sama persis dengan tegangan jaringan pada waktu yang sama, untuk mengoptimalkan dan memaksimalkan keluaran energi yang dihasilkan oleh modul surya.