Mengenal potensi energi matahari bisa berawal dari gagasan sederhana yaitu, bebas polusi baik suara maupun udara.
Pemanfaatan dari energi matahari paling nyata adalah, kemampuannya untuk menggantikan energi fosil yang selama ini kita gunakan.
Energi fosil menghasilkan banyak emisi gas CO2 serta meninggalkan jejak karbon yang berdampak negatif bagi lingkungan.
Untuk memanfaatkan potensi yang berasal dari energi matahari, kita mengenal dengan adanya sebuah alat yang bernama panel surya.
Generasi pertama panel surya terbuat dari bahan silikon kristal yang sangat efisien meski di sisi lain biaya produksinya juga mahal.
Setelah penelitian dan pengembangan akan panel surya semakin maju, saat ini telah tersedia beberapa jenis panel surya yang berkembang.
Mengenal Photovoltaic, Proses Penggunaan Potensi Energi Matahari
Photovoltaic, atau bisa juga kita singkat PV banyak akan kita dapatkan dalam istilah yang membahas tentang solar PV.
Proses konversi dari energi matahari menjadi energi listrik itulah yang kita kenal dengan PV atau photovoltaic.
Dalam prosesnya, panel surya mampu mengubah energi yang berupa foton menjadi elektron menggunakan bahan yang bersifat semikonduktor.
Dan kita ketahui bahwa semikonduktor saat ini yang paling terkenal adalah berbahan dasar silikon.
Namun, perlu kita ketahui juga, kemampuan PV ini terbagi menjadi dua jenis yaitu non-organik dan organik.
Dengan demikian, sel surya dengan kemampuan PV saat ini terbagi menjadi tiga jenis yaitu, berbasis silikon kristal seperti yang ada di pasaran, berbasis silika amorf, dan terakhir gabungan antara semikonduktor organik dan non-organik.
Sejarah Awal Photovoltaic
Proses utama untuk mengkonversi energi matahari menjadi energi listrik atau photovoltaic berawal dari abad ke-19.
Tepatnya pada tahun 1839 oleh Alexandre Edmond Becquerel seorang fisikawan Prancis yang masih muda kala itu.
Temuan pertamanya terjadi saat ia sedang meneliti proses elektrokimia.
Secara kebetulan justru menemukan photovoltaic saat elektroda perak dan platinum terpapar sinar matahari.
Berlanjut di tahun 1873 Willoughby Smith, seorang insinyur teknik elektro berkebangsaan Inggris bersurat dengan rekannya atas temuan photovoltaic pada selenium.
Hanya berselang empat tahun tepatnya pada 1877, William Grylls Adams dan muridnya Richard Evans Day mendesain dan mengembangkan panel surya pertama.
Mereka menggunakan bahan selenium untuk panel surya ini dan memiliki efisiensi sebesar kisaran 0.5% yang tergolong sangat kecil.
Umumnya sel surya saat ini memiliki rentang efisiensi mulai dari 24 hingga 41%, dan untuk generasi terbaru, efisiensi berada angka 31-41%.
Angka 0.5% tentunya sangat kecil jika kita bandingkan dengan kondisi pengembangan sel surya saat ini.
Barulah pada tahun 1939, efisiensi yang lebih tinggi kita dapatkan dengan mengganti selenium menjadi silikon.
Sehingga pada tahun 1940, Russell Ohl yang berhasil mengembangkan sel surya berbahan dasar silikon yang pertama di Bell Labs.
Hingga pada tahun 1954, sel surya berbasis silikon berhasil memiliki 6% efisiensi yang ditemukan oleh Calvin Fuller, seorang ahli kimia di Bell Labs.
1955 menjadi tonggak pertama sel surya sebagai berfungsi sebagai sumber daya untuk jaringan komunikasi di kota Americus, Georgia, Amerika Serikat.
Mengenal Potensi Energi Matahari Hingga ke Luar Angkasa
Dan tak berselang lama, pada tahun 1958, sebuah satelit NASA bernama Vanguard-I menjadi satelit pertama yang memiliki sistem panel surya.
Tak beberapa lama, Rusia mengikuti langkah ini dan menerapkannya pada satelit Sputnik-3.
Hingga pada tahun 1970, seorang pekerja di Comsat, Communications Satellite Corporations berhasil meningkatkan efisiensi sel surya berbasis silikon hingga 50%.
Dan pada tahun 1973 pengembangan silikon kristal menghasilkan beberapa produk baru alternatif karena dorongan krisis finansial sehingga muncul silikon polikristal dan silikon amorf yang jauh lebih murah.
Setelah rangkaian perjalanan panjang inilah, saat ini sel surya berkembang, dan tidak berhenti di generasi ketiga, sekarang para ilmuwan sedang melangkah ke generasi keempat.
Mengenal Photovoltaic Teknologi Wafer untuk Mengkonversi Potensi Energi Matahari
Dari penjabaran sebelumnya mengenai sejarah perkembangan dari teknologi sel surya, kita ketahui bahwa sel surya berbasis silikon memegang peranan penting.
Hal ini dapat kita lihat, bahkan di masa sekarang pun, sel surya berbasis silikon masih banyak kita temukan dan tersebar luas.
Salah satu yang menjadikan silikon menjadi bahan dasar untuk sel surya generasi pertama, adalah band gap yang bernilai 1.17 eV (electron volt).
Sebelum kita lanjut membahas generasi pertama, kita akan bahas secara singkat apa itu band gap?
Band gap adalah energi yang menjadi kebutuhan elektron atau lubang sehingga dapat bergerak dari pita valensi ke pita konduksi.
Akan lebih mudah kita pahami dengan contoh bahan photovoltaic yang pertama yaitu selenium, yang memiliki band gap antara 1.8 hingga 2.0 eV.
Nilai tersebut tentu lebih besar dari band gap silikon, sehingga kita sebut dengan Wide-Band-Gap.
Dengan demikian kondisi pita yang lebih lebar menjadikan, selenium kurang efisien dibanding silikon.
Contoh lainnya adalah berlian yang memiliki band gap hingga 5.5 eV, yang tentunya kurang efisien untuk kebutuhan produksi sel surya.
Selain kurang efisien, tentu saja, harga dari sel surya akan sangat mahal sekali karena berlian termasuk bahan tambang yang bernilai tinggi.
Mengapa silikon bisa lebih efisien? Hal itu sejatinya berkaitan dengan cahaya matahari yang akan lebih mudah terserap jika penyerapnya berada pada band gap di kisaran 1.1 eV hingga 1.7 eV.
Meski sejatinya nilai band gap silikon lebih cenderung kecil dan bukan yang terbaik, setidaknya, pengembangan lanjutan bisa menghasilkan efisiensi hingga mencapai 26.1% yang berawal dari 6% saja.
Kenaikan efisiensi dengan drastis ini ada pada jenis bahan PV yang kita kenal dengan silikon kristal atau c-Si.
Photovoltaic Teknologi Thin-Film untuk Mengkonversi Energi Matahari
Semenjak bergesernya selenium ke silikon sebagai bahan semikonduktor tenaga matahari, perkembangan semikonduktor untuk panel surya sempat mengalami kemerosotan.
Pasalnya, silikon dapat menjawab dua sisi kebutuhan pasar yaitu peningkatan efisiensi juga harga yang lebih murah.
Meski harga produksi dari semikonduktor berbahan silikon jauh lebih murah, namun poin ini masih bisa lebih ditekan dengan pengembangan yang tepat.
CIGS (Copper Indium Gallium Selenide)
Hingga muncullah generasi PV kedua yang menggunakan CIGS atau Copper Indium Gallium (de)Selenide.
Perbedaan dari CIGS dan semikonduktor berbahan silikon terletak pada band gap yang lebih rendah.
Sebelumnya band gap silikon berada pada rentang 1,1 eV hingga 1,7 eV, sekarang dengan CIGS, band gap berada rentang 1,0 eV dan 1,7 eV.
Meski hanya memiliki perbedaan yang sangat kecil, perbedaan ini membuka ruang untuk pengembangan berikutnya karena efisiensi yang dicapai berada pada angka 18%.
Artinya, pengembangan masih jauh lebih baik dari pada pengembangan panel PV berbasis silikon di awal penemuannya yang hanya 9%.
Di sisi lain, dengan menggunakan CIGS kemungkinan untuk mengurangi biaya produksi dapat terwujud.
Karena proses produksi yang memungkinkan hasil CIGS berupa lembaran yang bersifat elastis, hasil akhir produksi memungkinkan pemakaian CIGS di banyak aplikasi.
Hal ini yang menjadikan, biaya produksi bisa lebih rendah karena produksi dapat dilakukan dalam skala besar dengan variasi pengaplikasian yang lebih banyak.
Dengan adanya CIGS ini, maka pembuatan BIPV (Building Integrated Photovoltaic) dapat terwujud begitu pula infrastruktur lainnya seperti integrasi jalur kereta api.
Pada ujung pengembangan CIGS, dengan biaya yang lebih rendah, efisiensi yang pernah tercapai sebesar 23,4%.
Meski perlu kita pahami, bahwa efisiensi material CIGS tersebut terjadi melalui hasil riset oleh HZB, Jerman.
Sehingga tidak menutup kemungkinan bahwa, efisiensi untuk skala besar dapat mengalami penurunan, meski secara umum efisiensi masih berada di atas 20%.
CdTe (Cadmium Tellurium)
Selain CIGS, material lain yang juga masuk ke dalam deretan generasi kedua dari pengembangan photovoltaic adalah CdTe.
Berasal dari limbah pemurnian zinc, material ini memiliki tingkat efisiensi hingga 22,1%.
Secara pertimbangan penggunaan ulang limbah produksi, material ini menjawab isu pencemaran limbah pada lingkungan.
Namun, proses produksinya juga tidak kalah berbahaya karena kita ketahui kadmium dan telurium termasuk ke dalam logam berat yang berbahaya.
Kewaspadaan ini berasal manakala ada kecelakaan sehingga menimbulkan kebakaran dan kebocoran dari panel PV berbahan CdTe.
Kebocoran ini dapat berpotensi meracuni air atau tanah jika sampai mencemari lingkungan sekitar terjadinya kebocoran akibat kebakaran.
Meski akhirnya, anggapan ini berangsur mulai terbantahkan karena, sejatinya konsentrasi senyawa kadmium pada limbah tidak seperti kadmium murni.
Jenis PV dari bahan CdTe terbagi menjadi dua jenis yaitu substrate dan superstrate, yang mana keduanya memiliki perbedaan pada efisiensi.
Konfigurasi jenis superstrate memiliki efisiensi jauh lebih baik daripada konfigurasi substrate meski konfigurasi ini sejatinya yang paling ideal untuk material CdTe.
CdTe juga mampu memiliki ketebalan yang sangat tipis hingga 1 mikrometer, dan ini merupakan kelebihan yang dapat mendukung terwujudnya BIPV.
Selain itu, secara teori, efisiensi CdTe juga dapat mencapai 33% yang mana artinya, pengembangan dan optimalisasi masih bisa kita lakukan.
Mengenal Photovoltaic Teknologi Organik untuk Mengkonversi Potensi Energi Matahari
Seperti PV pada generasi kedua, banyak pihak berusaha untuk mengembangkan dan keluar dari batasan demi mencapai hasil yang lebih baik.
Isu yang teratasi pada generasi kedua tidak lain adalah isu biaya produksi, dan ternyata berhasil berkurang karena material yang memungkinkan aplikasi yang meluas.
Tidak hanya itu, terobosan ini juga tidak kalah dari sisi potensi pengembangan efisiensi dari konversi tenaga matahari ke listrik.
Akan tetapi, tentu dengan adanya penemuan tersebut tidak menjadikan langkah pengembangan material yang lebih efisien dan lebih terjangkau menjadi terhenti.
Sehingga, yang pada awalnya, PV berbasis silikon masih menggunakan sel homojunction, maka kemudian berubah menjadi multijunction.
Multijunction Silikon
Sel dengan menggunakan multijunction memiliki tujuan untuk mengurangi kehilangan suhu dan meningkatkan efisiensi.
Sederhananya, jenis PV ini menggunakan beberapa susunan substrat yang memiliki kemampuan untuk menyerap cahaya matahari.
Kembali mengenai band gap, cahaya matahari yang masuk ke susunan substrat tersebut akan terbagi sesuai dengan konsentrasi energinya.
Sehingga secara sederhana, energi yang terbuang dapat kita kurangi yang berasal dari proses yang ada saat perubahan energi foton menjadi elektron.
Perovskite
Perovskite adalah jenis sel PV yang tidak berbasis silikon, sehingga pada awal kemunculannya, bahan ini mendapat banyak perhatian kalangan peneliti.
Pada awal penemuannya, material ini hanya mencapai tingkat efisiensi senilai 3.8%, berbeda dengan silikon yang mencapai 6%.
Namun, poin utama dari penggunaan material ini adalah biaya produksi yang lebih murah daripada menggunakan bahan silikon.
Selain biaya produksi yang sangat mungkin untuk bisa kita tekan, material ini memiliki kemampuan layaknya multijunction silikon.
Selain itu, material ini juga memiliki band gap yang berada pada 1.5 eV hingga 3.0 eV, yang hampir sama dengan bahan silikon konvensional.
Perpaduan beberapa keunggulan ini, semakin menjadikan perovskite sebagai terobosan baru untuk pengembangan PV non-silikon.
Jenis material ini juga merupakan material sintetis yang dapat kita susun, sehingga menciptakan susunan yang stabil.
Berbeda dengan sebagian besar PV pada generasi awal yang berasal kebanyakan dari alam dan dari limbah, perovskite merupakan hasil fabrikasi.
Secara teori jenis PV menggunakan bahan perovskite mampu mencapai efisiensi hingga 29.5% yang lebih tinggi dari jenis PV berbasis silikon.
Multijunction III-V
Jenis ini merupakan jenis multijunction yang berawal dari kebutuhan sumber energi untuk ekspedisi dan misi luar angkasa.
Seperti yang kita tahu, keberadaan dan pengembangan silikon sebagai material semikonduktor PV berawal dari kebutuhan energi di luar angkasa.
Kondisi di luar angkasa yang cukup ekstrem, mengharuskan adanya terobosan-terobosan baru pada sistem penghasil sumber energi.
Salah satunya adalah, PV jenis multijunction yang terdiri dari tiga lapisan yang bahkan mampu meningkatkan efisiensi hingga di angka lebih dari 40%.
Meskipun angka tersebut berada pada kondisi dan kontrol tertentu, akan tetapi efisiensi ini merupakan nilai yang paling tinggi untuk saat ini, dan masih ada peluang untuk pengembangan.
Meski demikian, biaya produksi dari jenis ini memakan biaya yang cukup besar dibandingkan dengan jenis-jenis sebelumnya.
Mengenal Cara Kerja Sel Surya Mengolah Potensi Energi Matahari
Cara kerja dari sel surya berpegang pada prinsip efek fotolistrik yang berarti elektron keluar dari logam saat logam tersebut terkena radiasi elektromagnetik.
Salah satu dari radiasi elektromagnetik adalah cahaya matahari termasuk sinar ultraviolet yang berada di atas frekuensi ambang tergantung jenis permukaan.
Frekuensi ambang sendiri merupakan frekuensi yang paling kecil dari gelombang elektromagnetik sehingga muatan elektron dapat lepas dari logam.
Sekarang mungkin kita sudah bisa membayangkan mengapa peran material semikonduktor di sini begitu penting.
Material yang berfungsi sebagai penyerap radiasi elektromagnetik, juga harus berada pada band gap tertentu agar dapat menangkap radiasi sesuai dengan prisma cahaya.
Bukan hanya itu, bandgap yang ada pada logam yang menjadi material juga tidak boleh terlalu besar agar elektron lebih mudah keluar.
Hal ini yang menjadikan para peneliti berusaha dan selalu berinovasi untuk mendapatkan, material yang memiliki efisiensi tinggi dengan biaya produksi terjangkau.
Efisiensi berasal dari kondisi logam material sel surya yang memiliki band gap dengan rentang yang paling sesuai dengan cahaya matahari, yaitu 1,4 eV.
Semakin jauh logam dari band gap tersebut, maka semakin kecil pula efisiensinya, artinya semakin banyak pula paparan radiasi elektromagnetik yang tidak terkonversi menjadi listrik.
Kesimpulan
Sel surya bukanlah teknologi baru, setidaknya itu yang dapat kita pahami dari penjelasan di atas, dan teknologi ini merupakan teknologi yang tergolong ramah lingkungan.
Implementasi dari sel surya sangat beragam di berbagai belahan dunia, dan sebagian sudah mengarah pada bagaimana bangunan dapat terintegrasi dengan sel surya atau BIPV.
Konsep ini memungkinkan sebuah negara menghasilkan pasokan sumber energi, tanpa harus bersinggungan dengan lingkungan dan tetap berada pada jalur pembangunan.
Material dari sel surya pun semakin lama semakin mengarah pada efisiensi tingkat tinggi baik dari segi produksi energi dan juga konsumsi biaya produksi.
Kendala paling besar dalam mewujudkan swasembada energi menggunakan sel surya tidak lain dan tidak bukan adalah konflik kepentingan.