#15HariCeritaEnergi: Kenal Lebih dekat dengan Silikon sebagai Material Sel Surya

Oleh: Arif Fajar Utomo

Halo, selamat malam semuanya! Kembali lagi dalam penulisan artikel blog keenam dalam serangkaian #15HariCeritaEnergi, kali ini saya akan mencoba untuk masuk ke dalam salah satu sub energi terbarukan yang mungkin paling dikenal, yaitu energi surya atau matahari. Namun dalam artikel pertama di bawah sub energi surya ini, saya akan membahas mengenai silikon yang paling umum untuk digunakan sebagai material sel surya. Hal ini didasarkan pada keingintahuan pribadi saya untuk mengetahui lebih lanjut tentang alasan mengapa diantara material-material lain, haruslah silikon yang paling banyak digunakan. Ikut penasaran? Check this out!

Energi surya atau matahari termasuk salah satu pembahasan yang paling populer dan mungkin salah satu yang paling familiar di Indonesia, selain karena pengaplikasian skala kecil sudah banyak dilakukan seperti yang dapat dijumpai dalam lampu lalu lintas di jalan, energi surya merupakan yang paling dirasakan oleh kita sebagai warga Indonesia yang memang berada di daerah tropis dan merasakan priviledge untuk merasakan hal ini sepanjang tahun.

Untuk mengkonversikan energi matahari menjadi energi listrik, diperlukan suatu komponen Pembangkit Listrik Tenaga Surya atau PLTS yang disebut sebagai panel surya. Panel surya terdiri dari sel-sel surya yang dapat mengkonversikan energi surya atau matahari menjadi energi listrik dengan menggunakan prinsip atau efek fotovoltaik atau photovoltaic sehingga sering juga disebut sebagai sel fotovoltaik atau panel PV.

Sel Surya - sumber: inhabitat.com

Efek dari fotovoltaik ini sebetulnya dapat dijelaskan secara singkat dan ringkas sebagai kemampuan suatu komponen yang dapat memancarkan elektron ketika sebuah cahaya terpancar ke arahnya. Setiap dari sel fotovoltaik atau PV umumnya terdiri dua material lapisan semi konduktor yang disusun berhimpitan seperti roti sandwich – salah satu material semi konduktor yang paling sering digunakan dalam sel PV ini adalah silikon, mengapa? Apakah pemilihannya ini didasarkan pada kualitas dan performa silikon sebagai sel PV? Ataukah terdapat pertimbangan lain?

Silikon ternyata tidak terpilih sebagai material yang paling banyak digunakan dalam sel PV karena kualitas optimumnya, melainkan lebih kepada fakta bahwa penggunaan silikon sebagai material semi konduktor memiliki cost yang rendah. Hal ini dikarenakan silikon merupakan material semi konduktor terbanyak di dunia dan bahkan merupakan material terbanyak kedua di Bumi setelah oksigen. Tingkat kemudahan dalam memperoleh silikon inilah yang kemudian mendasari banyaknya pemakaian silikon sebagai material semi konduktor dalam perangkat elektronik sebelum kemudian digunakan dalam sel surya. Namun apabila kita membicarakan kualitas performa dan optimasi dari penyerapan sinar matahari, silikon bukanlah material terbaik untuk hal tersebut. Sayangnya hingga saat ini, saya belum menemukan informasi paten mengenai material lain yang memiliki efisiensi penyerapan sinar matahari yang lebih baik dari silikon grade industrial – terlalu banyak artikel publikasi yang menyebutkan angka efisiensi yang berbeda sehingga saya ragu dalam menuliskan informasi tersebut saat ini untuk kemudian dibaca oleh orang lain.

Kembali dalam pembahasan mengenai panel surya, kita akan mencoba membahas bagaimana sinar matahari ini dapat diubah oleh sel PV menjadi energi listrik. Sinar matahari terdiri dari partikel-partikel yang disebut sebagai foton yang diradiasikan dari matahari. Ketika foton ini berinteraksi dengan atom silikon dari sel surya, maka foton akan mentransferkan energinya untuk melepaskan partikel elektron dari atom silikon. Elektron-elektron liar yang lepas ini tidak akan dapat dijadikan energi listrik tanpa adanya mekanisme pengarahan aliran elektron ke satu sisi yang mana dapat terjadi karena karakteristik internal dari silikon. Setelah dipelajari, atom silikon ternyata tersusun dalam struktur yang terikat secara rapat dan karena adanya kerapatan inilah menyebabkan setiap komponen silikon memiliki dua jenis bagian yang disebut tipe-n yang memiliki kelebihan elektron dan tipe-p yang kekurangan elektron. Seperti yang kemudian dapat kita prediksi lewat pemahaman hukum keseimbangan, elektron dari tipe-n akan berpindah ke tipe-p yang kemudian mengakibatkan tipe-n kehilangan elektron dan bermuatan positif sementara tipe-n menerima elektron dan bermuatan negatif. Adanya muatan positif dan negatif ini kemudian yang memicu terjadinya aliran listrik diantara sel, dan uniknya karena silikon merupakan semi konduktor, silikon juga memiliki karakteristik insulator yang menjaga aliran elektron ini akan terjadi selama foton dari sinar matahari terus berinteraksi dengannya (sumber: physics.org).

Silikon sendiri dalam penggunaannya dalam sel surya ternyata dibedakan menjadi dua jenis material yang paling umum digunakan dalam sel surya yaitu monokristalin silikon dan polikristalin silikon. Mari kita coba bahas satu persatu dari ketiga macam sel surya berbasis silikon ini.

Monokristalin Silikon

Monokristalin Silikon - sumber: Martin D. Vonka

Monokristalin silikon merupakan grade tertinggi dengan kemurnian silikon tertinggi dibandingkan dengan jenis lainnya. Disebut juga sebagai panel surya kristal tunggal silikon, tipe ini dihasilkan dengan cara: pemurnian silikon, pelelehan silikon, dan dikristalkan kembali.

Kelebihan dari jenis silikon ini adalah durasi umurnya, tingkat efisiensinya yang tinggi dalam range 15-24%, efisien pemakaian ruang yang tinggi, biaya instalasi yang lebih rendah, tidak berbahaya untuk lingkungan dan ketahanan panas yang lebih baik.
Kekurangan dari monokristalin silikon adalah biaya pembuatan yang tinggi, banyaknya silikon tersisa dalam pembuatannya, dan tingkat kerapuhan fisiknya.

Polikristalin Silikon

Polikristalin Silikon - sumber: France DC

Polikristalin silikon merupakan silikon dengan komposisi bentuk kristal yang tidak sama dan umumnya merupakan jenis silikon yang banyak digunakan dalam pemakaiannya sebagai sel surya karena dengan harganya yang lebih murah namun efisiensinya tidak jauh berbeda dengan jenis monokristalin yaitu di kisaran 12-14%.

Kelebihan dari jenis silikon ini adalah proses pembuatannya yang praktis dan efektif dalam segi biaya dengan konsekuensi efisiensi dan toleransi panasnya tidak jauh berbeda dengan monokristalin silikon.

Kekurangan dari polikristalin silikon adalah memiliki efisiensi sedikit lebih rendah dari monokristalin, efisiensi pemakaian ruang yang lebih rendah, dan memiliki estetika yang paling rendah dibandingkan yang lain karena bentuknya yang lebih tebal untuk mengakomodasi nilai efisiensinya.

(sumber: azocleantech.com)

Selain kedua jenis di atas yang umumnya dikenal pasaran, terdapat juga jenis sel surya berbasis silikon yang dimodifikasi dan direkayasa lewat pengintegrasikannya dengan material lain seperti material kaca atau material sejenis untuk meningkatkan efisiensi silikon dalam mengkonversikan energi matahari menjadi energi listrik. Adanya pengintegrasian ini dapat membuat karakteristik fisik panel surya ini menjadi lebih tipis karena dapat mengakomodasi salah satu kelemahan panel surya berbahan silikon, yaitu yang dibuat tebal agar efisiensi penyerapan cahayanya tercapai. Solar panel tipis ini kemudian banyak disebut sebagai Thin Film Solar Panel. Rekayasa dan modifikasi semacam ini banyak dilakukan untuk mengoptimumkan performa material sel surya yang ideal dalam segi performa dan cost sehingga pemanfaatan energi matahari sebagai energi terbarukan sehingga akan lebih feasible dalam pasar.

#15HariBerceritaEnergi didukung oleh Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral sebagai bentuk upaya dalam mengkampanyekan energi terbarukan dan konservasi energi.