Pengertian Sel Surya (Solar Cell) Dan Prinsip Kerjanya

Harapan untuk “revolusi matahari” telah beredar selama beberapa dekade lalu dengan gagasan bahwa suatu hari nanti kita semua akan menggunakan listrik secara gratis dari sinar matahari. 

Ini adalah harapan yang sangat menggiurkan karena pada saat hari yang cerah, sinar matahari akan melepaskan sekitar 1.000 watt energi per meter persegi. Jika kita bisa mengumpulkan semua energi itu maka kita bisa menonton TV, menghidupkan mesin cuci ataupun melakukan aktivitas di rumah yang membutuhkan listrik  dengan  gratis tanpa harus membayar listrik ke PLN.

Solar cell yang anda lihat di atap-atap rumah atau di tengah – tengah jalan tol biasanya disebut dengan photovoltaic (PV) sel, seperti namanya foto yang berarti “cahaya” dan volta yang berarti ” listrik “. Solar cell ini terbuat dari bahan khusus yaitu semikonduktor. Semikonduktor yang sering digunakan pada saat ini adalah silikon. 

Solar sel terdiri dari minimal 2 lapisan semikonduktor yaitu satu lapisan yang mengandung muatan positif dan yang lainnya muatan negatif. Solar sel ini akan menangkap sinar matahari yang terdiri dari partikel kecil dari energi foton matahari. Ketika cukup foton yang diserap oleh lapisan negatif dari solar sel maka elektron akan dibebaskan dari lapisan negatif menuju ke lapisan positif sehingga menciptakan perbedaan tegangan. 

Dari perbedaan tegangan ini lah akan meghasilkan energi listrik kemudian energi listrik ini bisa disimpan di baterai. Itulah proses dasar, tetapi ada benar-benar yang jauh lebih dari itu. mari kita lihat lebih dalam salah satu contoh sel PV, yaitu: sel silikon kristal tunggal.

Silikon memiliki beberapa sifat kimia khusus, terutama dalam bentuk kristal nya . Sebuah atom silikon memiliki 14 elektron yang diatur dalam tiga shell yang berbeda . Dua shell pertama akan mempunyai masing-masing 2 elektron dan 8 elektron yang benar-benar terisi penuh. 

Sedangkan pada kulit luar hanya terisi setengahnya yaitu 4 elektron. Sebuah atom silikon akan selalu mencari cara untuk mengisi shell yang terakhir. Itulah yang membentuk struktur kristal.

Satu-satunya masalah hanyalah kristal silikon murni adalah konduktor listrik yang buruk karena tidak ada elektron bebas untuk bergerak. Untuk mengatasi masalah ini, silikon dalam sel surya memiliki kotoran atom lainnya yang sengaja dicampur dengan atom silikon. 

Ketika energi ditambahkan ke silikon murni dalam bentuk panas maka akan menyebabkan beberapa elektron untuk membebaskan diri dari ikatan mereka dan meninggalkan atom mereka. Kemudian bergerak secara acak di sekitar kisi kristal dan mencari hole lainnya untuk masuk ke dalam dan membawa arus listrik.

Proses penambahan kotoran ini biasanya disebut doping dan ketika diolah dengan fosfor maka silikon yang dihasilkan disebut dengan N-type (“n” untuk negatif ) karena prevalensi elektron bebas. N-type silikon adalah konduktor yang jauh lebih baik daripada silikon murni .

Bagian lain dari solar cell yang khas didoping dengan menggunakan unsur boron yang hanya memiliki tiga elektron di kulit terluarnya dan akan menghasilkan P -type silikon. Elektron bebas di sisi N melihat semua bukaan di sisi P dan dengan cepat untuk mengisi mereka. Apakah semua elektron bebas mengisi semua hole yang kosong ? Tidak, jika mereka melakukan itu maka seluruh pengaturan tidak akan berguna. 

Ketika tepat di persimpangan, mereka akan bercampur dan membentuk sesuatu dari penghalang sehingga sulit bagi elektron pada sisi N untuk menyeberang ke sisi P. Akhirnya, kesetimbangan tercapai dan medan listrik yang memisahkan N type dengan P type. Medan listrik ini bertindak sebagai dioda untuk mendorong elektron mengalir dari sisi P ke sisi N, tetapi tidak sebaliknya .

Ketika cahaya dalam bentuk foton tertangkap oleh solar cell maka energi foton itu memisahkan elektron dengan hole . Setiap foton dengan energi yang cukup biasanya akan bebas tepat satu elektron, sehingga hole ada satu yang kosong. Jika hal ini terjadi cukup dekat dengan medan listrik atau jika elektron bebas maka medan listrik akan mengirim elektron ke sisi N dan hole ke sisi P. Aliran elektron menyediakan arus dan medan listrik sel menyebabkan tegangan. Dengan adanya arus dan tegangan maka akan terbentuk energi listrik.

Energi listrik dapat dibangkitkan dengan mengubah sinar matahari melalui sebuah proses yang dinamakan photovoltaic (PV). Photo merujuk kepada cahaya dan voltaic merujuk kepada tegangan. Terminologi ini digunakan untuk menjelaskan sel elektronik yang memproduksi energi listrik arus searah dari energi radian matahari seperti ditunjukkan pada gambar 1 berikut ini.