CARA MEMBUAT SEL SURYA

1. Pengertian Solar Cell

Sel surya atau juga sering disebut fotovoltaik adalah divais yang mampu mengkonversi langsung cahaya matahari menjadi listrik. Sel surya bisa disebut sebagai pemeran utama untuk memaksimalkan potensi sangat besar energi cahaya matahari yang sampai kebumi, walaupun selain dipergunakan untuk menghasilkan listrik, energi dari matahari juga bisa dimaksimalkan energi panasnya melalui sistem solar thermal.

Sel surya dapat dianalogikan sebagai divais dengan dua terminal atau sambungan, dimana saat kondisi gelap atau tidak cukup cahaya berfungsi seperti dioda, dan  saat disinari dengan cahaya matahari dapat menghasilkan tegangan. Ketika disinari, umumnya satu sel surya komersial menghasilkan tegangan dc sebesar 0,5 sampai 1 volt, dan arus short-circuit dalam skala  milliampere per cm2. Besar tegangan dan arus ini tidak cukup untuk berbagai aplikasi, sehingga umumnya sejumlah sel surya disusun secara seri membentuk modul surya. Satu modul surya biasanya terdiri dari 28-36 sel surya, dan total menghasilkan tegangan dc sebesar 12 V dalam kondisi penyinaran standar (Air Mass 1.5). Modul surya tersebut bisa digabungkan secara paralel atau seri untuk memperbesar total tegangan dan arus outputnya sesuai dengan daya yang dibutuhkan untuk aplikasi tertentu. Gambar dibawah menunjukan ilustrasi dari modul surya.

Modul surya biasanya terdiri dari 28-36 sel surya yang dirangkai seri untuk memperbesar total daya output. (Gambar :”The Physics of Solar Cell”, Jenny Nelson)

2. Struktur Sel Surya

Sesuai dengan perkembangan sains&teknologi, jenis-jenis teknologi sel surya pun berkembang dengan berbagai inovasi. Ada yang disebut sel surya generasi satu, dua, tiga dan empat, dengan struktur atau bagian-bagian penyusun sel yang berbeda pula (Jenis-jenis teknologi surya akan dibahas di tulisan “Sel Surya : Jenis-jenis teknologi”). Dalam tulisan ini akan dibahas struktur dan cara kerja dari sel surya yang umum berada dipasaran saat ini yaitu

sel surya berbasis material silikon yang juga secara umum mencakup struktur dan cara kerja sel surya generasi pertama (sel surya silikon) dan kedua (thin film/lapisan tipis).

Struktur dari sel surya komersial yang menggunakan material silikon sebagai semikonduktor. (Gambar:HowStuffWorks)

Gambar diatas  menunjukan ilustrasi sel surya dan juga bagian-bagiannya. Secara umum terdiri dari :

2.1 Substrat/Metal backing

Substrat adalah material yang menopang seluruh komponen sel surya. Material substrat juga harus mempunyai konduktifitas listrik yang baik karena juga berfungsi sebagai kontak terminal positif sel surya, sehinga umumnya digunakan material metal atau logam seperti aluminium atau molybdenum. Untuk  sel surya dye-sensitized  (DSSC) dan sel surya organik, substrat juga berfungsi sebagai tempat masuknya cahaya sehingga material yang digunakan yaitu material yang konduktif tapi juga transparan sepertii ndium tin oxide (ITO) dan flourine doped tin oxide (FTO).

2.2 Material semikonduktor

Material semikonduktor merupakan bagian inti dari sel surya yang biasanya mempunyai tebal sampai beberapa ratus mikrometer untuk sel surya generasi pertama (silikon), dan 1-3 mikrometer untuk sel surya lapisan tipis. Material semikonduktor inilah yang berfungsi menyerap cahaya dari sinar matahari. Untuk kasus gambar diatas, semikonduktor yang digunakan adalah material silikon, yang umum diaplikasikan di industri elektronik. Sedangkan untuk sel surya lapisan tipis, material semikonduktor yang umum digunakan dan telah masuk pasaran yaitu contohnya material Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGS), CdTe (kadmium telluride), dan amorphous silikon, disamping material-material semikonduktor potensial lain yang dalam sedang dalam penelitian intensif seperti Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTS) dan Cu2O (copper oxide).

Bagian semikonduktor tersebut terdiri dari junction atau gabungan dari dua material semikonduktor yaitu 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 sel surya. Pengertian semikonduktor tipe-p, tipe-n, dan juga prinsip p-n junction dan sel  surya akan dibahas dibagian “cara kerja sel surya”.

2.3 Kontak metal / contact grid

Selain substrat sebagai kontak positif, diatas sebagian material semikonduktor biasanya dilapiskan material metal atau material konduktif transparan sebagai kontak negatif.

2.4 Lapisan antireflektif

Refleksi cahaya harus diminimalisir agar mengoptimalkan cahaya yang terserap oleh semikonduktor. Oleh karena itu biasanya sel 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 sehingga meminimumkan cahaya yang dipantulkan kembali.

2.5 Enkapsulasi / cover glass

Bagian ini berfungsi sebagai enkapsulasi untuk melindungi modul surya dari hujan atau kotoran.

3. Cara kerja sel surya

Sel surya konvensional bekerja menggunakan prinsip p-n junction, yaitu junction antara semikonduktor tipe-p dan tipe-n. Semikonduktor ini terdiri dari ikatan-ikatan atom yang dimana terdapat elektron sebagai penyusun dasar.  Semikonduktor tipe-n mempunyai kelebihan elektron (muatan negatif)  sedangkan semikonduktor tipe-p mempunyai kelebihan hole (muatan positif) dalam struktur atomnya.  Kondisi kelebihan elektron dan hole tersebut bisa terjadi dengan mendoping material dengan atom dopant. Sebagai 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.

Junction antara semikonduktor tipe-p (kelebihan hole) dan tipe-n (kelebihan elektron). (Gambar : eere.energy.gov)

 Peran dari p-n junction ini adalah untuk membentuk medan listrik sehingga 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 sehingga membentuk kutub positif pada semikonduktor tipe-n, dan sebaliknya kutub negatif pada  semikonduktor tipe-p. Akibat 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 selanjutnya dimanfaatkan sebagai listrik, dan sebaliknya hole bergerak menuju kontak positif menunggu elektron datang, seperti diilustrasikan pada gambar dibawah.

Ilustrasi cara kerja sel surya dengan prinsip p-n junction. (Gambar : sun-nrg.org)

4. Cara Membuat Sel Surya Sederahan

 Ada 3 contoh pembuatan Sel Surya Sederhana

4.1 Contoh Pertama

a. Lumuri lapisan Titanium Dioksida ( TiO2 ) dengan pewarna alami yang didapat dari jus buah blackberries, raspberries, biji delima  merah, Teh Hibiscus merah, Starbucks Passionfruit Tea, dsbnya.

 b. Melapisi elektroda counter :

Solar cell memerlukan plat positif dan negatif untuk berfungsi.  Elektroda positif disebut elektroda counter dan dirakit dari plat kaca yang dilapisi bahan penghantar SnO2.  Ohmmeter dapat digunakan untuk mengecek bagian

mana yang konduktif, tandanya adalah ketika digores dgn kuku jari ini adalah sisi yang kasar.  Sisi yang non konduktif ditandai dgn +.  Gunakan ujung pensil untuk menggores dan membuat lapisan tipis graphite ( catalytic carbon ) pada permukaan plat konduktif.

   c. Tambahkan elektrolit dan merakit solar cell tahap akhir

Larutan iodine berfungsi sbg elektrolit  solar cell yaitu untuk melengkapi rangkaian dan meregenerasi pelapisan.  Tempatkan plat yang telah dilumuri tadi pada meja sehingga sisi film ada di atas dan teteskan 1 atau 2 tetes dari elektrolit iodine pada bagian yang kotor dari film.  Kemudian tempatkan elektroda counter pada bagian atas dari film yang kotor sehingga sisi konduktif dari elektroda counter berada pada bagian atas dari film.  Geserkan plat kaca sehingga pinggir dari plat terlihat.  Ini akan menjadi titik kontak untuk elektroda negatif dan positif sehingga kita dapat mengukur dan mencoba solar cell tsb.

  

   d. Gunakan 2 penjepit untuk memegang kedua

elektroda bersama-sama pada ujung-ujung plat.  Tegangan output yang dihasilkan sekitar 0,43V dan 1 mA/cm2 ketika cell disinari cahaya matahari penuh melalui sisi TiO2.

        4.2 Contoh Kedua

Dengan memanfaatkan power transistor ( transistor jengkol ) jenis NPN seperti 2N3055.  Dari 1 transistor jengkol bisa menghasilkan tegangan 0,5-0,6Vdc.

Buka penutup casing transistor jengkol dengan cara menggergaji bagian yang menonjol ( yg ada tulisan type dan no kodenya ), lalu arahkan bagian yang telah terbuka ke matahari dan ukur tegangannya dengan voltmeter dengan posisi seperti gambar di bawah ini.  Kaki basis merupakan kutub negative dan kaki emitter yg dijumper dengan kaki colector merupakan kutub positif.  Arus yang dihasilkan memang sangat kecil, akan tetapi dengan menghubungkan 3 transistor jengkol secara seri akan diperoleh tegangan 1,8V dan bisa untuk mencharge 1 battery type AAA/UM4.

  

 

 

 

   

4.3 Contoh Ketiga

Dengan menggunakan cuprous oxide sebagai pengganti silicon.  Cuprous oxida atau oksida tembaga adalah satu dari material pertama yang dapat menghasilkan efek photoelectric yaitu efek cahaya menyebabkan adanya arus listrik yang mengalir di dalam material.Bahan-bahan yang digunakan adalah sbb :

a. Selembar lempengan tembaga yang tipis dengan ukuran kira-kira 15cm x 30cmb. 2 jepit buayac. Micro amperemeter yg sensitive yang dapat membaca antara 10 dan 50 micro

ampere.d. Kompor listrik dengan daya besar 1100 Watt

e. Botol plastik besar atau bisa juga menggunakan botol air mineral 2 liter yang dipotong atasnya.  Gelas dgn mulut yang besar juga bisa digunakan.

f. Garam dapur, dibutuhkan beberapa sendok makan garam dapur.g. Air kranh. Kertas amplas atau sikat kawati. Gunting untuk memotong lembaran tipis tembaga  4.3.1 Cara membuatnya adalah sbb : 

1. Potong lempengan tembaga dengan ukuran sebesar pemanas tungku kompor listrik.  Cuci tangan untuk menghilangkan noda lemak di tangan.  Kemudian cuci lembaran tembaga tsb dgn sabun untuk menghilangkan noda-noda minyak atau lemak di permukaannya.  Gunakan kertas amplas atau sikat kawat untuk membersihkan sepenuhnya permukaan lembaran tembaga sehingga noda sulfida atau sedikit korosi dapat diangkat.

2. Tempatkan lempengan tembaga yang telah dibersihkan dan dikeringkan di atas tungku pemanas dan stel kompor listriknya pada angka yg tertinggi.

 

 

   3. Pada saat lempengan  tembaga mulai panas, akan terlihat pola oksidasi yg indah yang mulai terbentuk.  Warna orange, ungu dan merah mulai menutupi permukaan tembaga.

  

     

4. Pada saat lempengan tembaganya mulai panas, warnanya akan berubah menjadi kehitaman yang merupakan lapisan cupric oxide atau oksida tembaga.  Tetapi ini bukan oksida yang kita inginkan, memperlihatkan warna merah, jingga, merah muda dan ungu dari oksida tembaga di bawah lapisannya.   5. Selanjutnya pola warna tsb akan menghilang seiring dgn pemanas yg mulai merah membara

 

 

   

   6. Ketika pemanas mulai merah membara, lempengan tembaga akan dilapisi dengan oksida tembaga hitam.  Biarkan dipanasi selama setengah jam sehingga lapisan hitamnya akan semakin tebal.  Ini penting lapisan tebal akan mengelupas dengan mudah, sementara lapisan tipis akan tetap nempel pada tembaga.

 

 

   7. Setelah setengah jam pemanasan, matikan kompor.  Biarkan lempengan tembaga panas di atas tungku mendingin perlahan-lahan. Bila mendinginkan terlalu cepat, oksida hitam akan tetap nempel di tembaga. 

     8. Pada saat tembaga mendingin, maka ia akan menciut.  Oksida tembaga hitam juga menciut, tetapi menciutnya pada rentang yang berbeda, membuat oksida tembaga hitamnya mengelupas. 

 

   9. Si Hitam kecil mengelupas keluar dari tembaga dengan gaya yg cukup untuk membuat mereka terbang beberapa inchi.  Ini berarti semakin kecil usaha pembersihannya di sekitar kompor, tetapi itu menyenangkan untuk dilihat.    10. Ketika tembaga telah mendingin sesuai dengan temperature ruangan ( kira-kira membutuhkan waktu 20 menit ), hampir sebagian besar oksida hitam akan hilang.  Gosok secara lembut dengan tangan di bawah air yg mengalir yang akan mengangkat sebagian besar  small bits.  Jangan mengangkat semua bintik hitam dengan keras menggosok atau melenturkan lempengan tembaga tipis ini.  Ini mungkin merusak lapisan lembut oksida tembaga merah yang kita perlukan untuk membuat solar cell bekerja.      11. Pemasangan selanjutnya adalah sangat sederhana dan cepat.  Potong lempengan tembaga lain yang ukurannya sama seperti yg pertama.  Tekuk kedua ujung perlahan, sehingga dapat muat masuk ke dalam botol plastik tanpa menyentuh satu sama lain.  Lapisan oksida tembaga yg menghadap ke atas di atas tungku biasanya adalah sisi yg terbaik untuk menghadap ke luar di dalam botol karena itu adalah permukaan yang terhalus dan terbersih.    12. Pasang 2 jepit buaya, satu untuk plat tembaga yg baru dan yg satunya untuk plat oksida tembaga.  Hubungkan ujung dari plat tembaga bersih dgn terminal positif dari meter.  Hubungkan ujung dari plat oksida tembaga dgn terminal negatif dari meter.    13. Sekarang campurkan sepasang sendok makan garam dapur ke dalam air panas.  Aduk air garam sampai garamnya larut.  Kemudian dengan hati-hati tuangkan air garam ke dalam botol, hati-hati jangan sampai ujung jepit buayanya basah.  Air garam tidak harus menutupi plat, tinggalkan kira-kira 1 inchi tinggi plat dari permukaan air garam tsb sehingga kita dapat menggerakkann solar cell ke sekeliling tanpa membuat jepit buayanya basah.  

 Perhatikan pada gambar di atas bahwa pada meter terbaca arus listrik sebesar 6 mikro ampere. Solar cell ini adalah battery, meskipun di dalam gelap dan biasanya menunjukkan arus listrik beberapa mikro ampere. 

  

Sedangkan gambar di atas menunjukkan solar cell dalam keadaan terik matahari.  Perhatikan bahwa meter telah menunjukkan arus listrik sekitar 33 mikro ampere.  Bahkan kadang-kadang jarumnya bisa menunjukkan sampai 50 mikro ampere, yang membuat jarum bergerak penuh ke kanan.