01 February 2019

Prinsip dan Cara Kerja Panel Surya Lengkap Dengan Gambarnya


Pengertian dari Panel Surya
Panel surya bahasa kerenya sering disebut fotovoltaik adalah divais yang mampu mengkonversi langsung cahaya dari matahari menjadi sebuah energi listrik. Panel surya bisa disebut sebagai teknologi utama untuk memaksimalkan potensi sangat besar energi cahaya matahari yang sampai kebumi, walaupun banyak dipergunakan untuk menghasilkan listrik, energi dari matahari ternyata juga bisa dimaksimalkan energi panasnya melalui sistem solar thermal.

Panel surya sendiri dapat dianalogikan sebagai divais dengan dua terminal atau sambungan, dimana saat kondisi gelap atau dalam kata lain tidak cukup cahaya berguna seperti dioda, dan  disaat disinari dengan cahaya matahari maka dapat menghasilkan tegangan. Nah, ketika disinari, umumnya satu panel surya biasanya komersial menghasilkan tegangan dc sebesar 0,5 sampai 1 volt, dan dengan arus short-circuit dalam skala  milliampere per cm2. Kemudian besar tegangan dan arus ini tidak cukup untuk berbagai kebutuhan, maka pada umumnya sejumlah panel surya disusun secara seri membentuk sebuah modul surya. Satu modul surya terdiri dari 28-36 panel surya, dengan total total akan mampu menghasilkan tegangan dc sebesar 12 V dalam kondisi penyinaran standar (Air Mass 1.5). Modul surya tersebut mampu dan bisa digabungkan secara paralel bahkan seri untuk memperbesar total kekuatan tegangan dan arus outputnya sesuai dengan daya yang dibutuhkan untuk aplikasi tertentu. 

Prinsip dan cara kerja panel surya
gambar dibawah menunjukan ilustrasi dari modul surya.

Modul surya terkadang terdiri dari 28-36 panel surya yang dirangkai seri untuk memperbesar total daya output.

Mengenal Struktur Panel Surya
Sesuai dengan perkembangan sains & teknologi terkini, jenis teknologi panel surya kini makin berkembang dengan berbagai inovasi dan teknologi yang terbaru. Ada yang disebut panel surya dengan generasi satu, dua, tiga bahkan empat, dengan struktur dan bagian-bagian penyusun panel yang berbeda pula.
Dalam artikel ini akan dibahas mengenai struktur dan cara kerja dari panel surya yang umum berada dipasaran antara lain panel surya berbasis material silikon yang juga secara umum mencakup dari struktur dan cara kerja panel surya generasi pertama (panel surya silikon) dan kedua (thin film/lapisan tipis).

Prinsip dan cara kerja panel surya
struktur dari panel surya komersial yang menggunakan material silikon sebagai semikonduktor. 

Pada gambar diatas  menunjukan bahwa ilustrasi panel surya dan juga bagian-bagiannya. Secara umum terdiri dari :

1. Substrat/Metal backing
Substrat sendiri adalah material yang menopang paneluruh komponen panel surya. Material substrat juga harus memiliki  dan memiliki konduktifitas listrik yang baik karena juga berguna sebagai kontak terminal positif panel surya, sehinga biasanya digunakan material metal atau logam seperti aluminium atau molybdenum. Untuk  panel surya jenis dye-sensitized  (DSSC) dan panel surya organik, substrat juga berguna sebagai tempat masuknya cahaya maka material yang digunakan antara lain material yang konduktif tapi juga transparan seperti contohnya ndium tin oxide (ITO) dan flourine doped tin oxide (FTO).

2. Material semikonduktor
Material semikonduktor merupakan bagian dari inti panel surya yang biasanya memiliki tebal sampai beberapa ratus mikrometer untuk panel surya generasi pertama (silikon), dan 1-3 mikrometer untuk panel surya lapisan tipis. Material semikonduktor inilah yang berguna menyerap cahaya dari sinar matahari. Untuk contoh kasus gambar diatas, semikonduktor yang digunakan adalah material silikon, yang umum diaplikasikan di industri elektronik. Sedangkan untuk panel surya lapisan tipis, material semikonduktor yang umum digunakan dan telah masuk pasaran antara lain contohnya material Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGS), CdTe (kadmium telluride), dan amorphous silikon, disamping material-material pada semikonduktor potensial lain yang dalam sedang dalam penelitian intensif seperti Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTS) dan Cu2O (copper oxide).
Pada bagian semikonduktor tersebut terdiri dari junction atau gabungan dari dua material semikonduktor antara lain semikonduktor tipe-p (material-material yang disebutkan diatas) dan  tipe-n (silikon tipe-n, CdS,dll)  yang membentuk p-n junction. P-n junction ini menjadi kunci dari prinsip kerja panel surya. Pengertian semikonduktor tipe-p, tipe-n, dan juga prinsip p-n junction dan panel  surya akan dibahas dibagian “cara kerja panel surya”.

3. Kontak metal / contact grid
Panelain substrat sebagai kontak positif, diatas sebagian material semikonduktor biasanya dilapiskan material metal atau material konduktif transparan sebagai kontak negatif.

4.Lapisan antireflektif
Refleksi dari cahaya harus diminimalisir agar mengoptimalkan cahaya yang terserap oleh semikonduktor. Oleh karena itu biasanya panel surya dilapisi oleh lapisan anti-refleksi. Material anti-refleksi ini adalah lapisan tipis material dengan besar indeks refraktif optik antara semikonduktor dan udara yang menyebabkan cahaya dibelokkan ke arah semikonduktor maka meminimumkan cahaya yang dipantulkan kembali.

5.Enkapsulasi / cover glass
Bagian ini berguna sebagai enkapsulasi untuk melindungi modul surya dari hujan atau kotoran.

Cara Kerja Panel Surya yang Harus di Ketahui
Panel surya konvensional bekerja menggunakan prinsip p-n junction, antara lain junction antara semikonduktor tipe-p dan tipe-n. Semikonduktor tersebut terdiri dari ikatan-ikatan atom yang dimana terdapat elektron sebagai penyusun dasar.  Semikonduktor tipe-n memiliki kelebihan elektron (muatan negatif)  sedangkan semikonduktor tipe-p memiliki kelebihan hole (muatan positif) dalam struktur atomnya.  Kondisi dari kelebihan elektron dan hole tersebut bisa terjadi dengan mendoping material dengan atom dopant. Seperti contoh untuk mendapatkan material silikon tipe-p, silikon didoping oleh atom boron, sedangkan untuk mendapatkan material silikon tipe-n, silikon didoping oleh atom fosfor. Ilustrasi dibawah menggambarkan junction semikonduktor tipe-p dan tipe-n.
Demian junction antara semikonduktor tipe-p (kelebihan hole) dan tipe-n (kelebihan elektron). 

junction antara semikonduktor tipe-p (kelebihan hole) dan tipe-n (kelebihan elektron).

Peran dari p-n junction ini adalah untuk membentuk medan listrik maka elektron (dan hole) bisa diekstrak oleh material kontak untuk menghasilkan listrik. Ketika semikonduktor tipe-p dan tipe-n terkontak, maka kelebihan elektron akan bergerak dari semikonduktor tipe-n ke tipe-p maka membentuk kutub positif pada semikonduktor tipe-n, dan sebaliknya kutub negatif pada  semikonduktor tipe-p. Akibatnya dari aliran elektron dan hole ini maka terbentuk medan listrik yang mana  ketika cahaya matahari mengenai susuna p-n junction ini maka akan mendorong elektron bergerak dari semikonduktor menuju kontak negatif, yang panelanjutnya dimanfaatkan sebagai listrik, dan sebaliknya hole bergerak menuju kontak positif menunggu elektron datang, seperti diilustrasikan pada gambar dibawah.

Ilustrasi cara kerja panel surya dengan prinsip p-n junction
Ilustrasi cara kerja panel surya dengan prinsip p-n junction


Referensi :
1. https://teknologisurya.wordpress.com/dasar-teknologi-sel-surya/prinsip-kerja-sel-surya/