Efisiensi sel surya dari masa ke masa

Banyak orang bertanya mengenai efisiensi sel surya saat ini. Setidaknya mungkin ingin tahu sejauh mana sel surya saat ini mampu memenuhi kebutuhan listrik -misal- perumahan ataukah sektor lainnya. Bahkan untuk kebanyakan orang, efisiensi sebuah sel surya tidak banyak diketahui. Yang diketahui hanya sel surya dapat mengubah sinar matahari menjadi listrik yang dipakai untuk penerangan dan meggerakkan alat-alat elektronik tanpa memperhatikan bahwa sel surya bekerja di dalam batasan efisiensi, yang tidak benar-benar 100% mengubah semua sinar matahari yang jatuh ke permukaan sel menjadi listrik.

Sekilas tentang efisiensi sendiri, sel surya sebagaimana jamaknya sebuah mesin memiliki kemampuan menghasilkan sebuah produk/output (dalam hal ini listrik) dari bahan masukan/input (cahaya sinar matahari) melalui proses yang terjadi di dalamnya (efek fotoviltaik). Dikarenakan banyak faktor, tidak seluruh cahaya yang diproses di dalam sel surya mampu dikonversi menjadi energi listrik. Faktor ini dapat saja dikarenakan oleh sifat inheren semikonduktor yang dipakai sebagai sel yang tidak dapat menangkap semua spektrum cahaya tampak, hingga hambatan dari rangkaian listrik yang digunakan. Secara termodinamika, sel surya tidak ubahnya sebuah mesin Carnot dengan perilaku efisiensi yang sama.

Yang ingin disampaikan di dalam tulisan kali ini ialah catatan rekor efisiensi terbaik masing-masing jenis sel surya sakala laboratorium secara singkat yang dipublikasikan di beberapa jurnal internasional.

Sebagaimana terpampang di Gambar 1 di bawah ini, penelitian sel surya secara intensif baru dimulai sejak 1970-an meski efek fotovoltaik sudah diketahui efektif sejak tahun 1954 atau lebih jauh lagi sejak Bacquerel menemukan efek ini pertama kali di tahun 1897. Penelitian di bidang energi surya ini dipicu oleh krisis minyak di tahun 1970-an akibat embargo minyak oleh negara -negara timur tengah selama perang Arab-Israel menggelora. Di gambar yang mengilustrasikan trend peningkatan efisiensi sel surya dari tahun ke tahun tersebut, dapat pula kita melihat berbagai jenis sel surya yang tengah dikembangkan. sedikitnya ada 9 jenis sel surya dengan berbagai tipe yang ditentukan oleh jenis material yang dipergunakan sebagai penyerap sinar mataharinya (solar absorber material). Saat ini, hampir semua sel surya memiliki efisiensi minimum 12% dengan batas optimal kira-kira 39%, tergantung dari jenis sel surya yang dibuat.

Gambar 1 Efisiensi sel surya 1975 -2005 [1].

Sel surya komersil yang biasa terdapat di pasaran ialah sel surya berjenis silikon yang ditandai dengan garis biru. dengan efisiensi optimum skala laboratorium sekitar 25% yang dikembangkan oleh University of New South Wales (UNSW) Australia. Sel surya jenis ini pulalah yang ditemukan pertama kali di tahun 1954 oleh para peneliti Bell Laboratories secara tidak disengaja [2]. Tim sel surya USNW dikomandani oleh Prof. Martin Green sebagai leader-nya. Sel surya jenis silikon ini dapat dikatakan menguasai 90% pasar sel surya dunia karena teknologinya sudah cukup mapan mengingat pesatnya industri semikonduktor dewasa ini (lihat Gambar 2). Tidak terdapat catatan efisiensi baru dari jenis sel ini hingga sejak tahun 1999. Perlu diketahui, rata rata sel surya silikon yang dipasarkan (komersial) berefisiensi antara 12-15%.

Gambar 2. Pangsa pasar sel surya dunia 2001 [3]

 

Dewasa ini, sel surya silikon mendapat tantangan dari sel surya berjenis lapis tipis (thin film technologies) dengan tanda garis hijau. Hal ini memang sudah diproyeksikan sebelumnya mengingat stok silikon yang memang pada awalnya hanya dialokasikan untuk industri semikonduktor, bukan untuk sel surya. Sebenarnya menurut pandangan penulis, ini cukup menggelikan. Karena pada awalnya, silikon yang digunakan oleh sel surya silikon komersial hanya merupakan sebuah by product dari industri semikonduktor alias scrap. Dan ini berlangsung bertahun-tahun hingga pertengahan tahun 90-an di mana mulai muncul beberapa industri penghasil material silikon yang dikhususkan untuk mensuplai material silikon untuk industri sel surya.

 

Keunggulan sel surya lapis tipis terletak pada dimensinya yang jauh lepih tipis dan lebih ringan dibandingkan dengan sel surya silikon yang padat dan berat. Disamping itu, jenis material yang dipergunakan sel surya tipe ini sangat beragam dengan perhatian utama penelitian saat ini ada pada material CuInGaSe₂ (copper indium-galium diselenide) dan CdTe (cadmium tellurida). Kedua jenis material untuk sel surya ini memiliki efisiensi dalam skala laboratorium yang nyaris mencapai 20% dengan efisiensi sel surya komersil sekitar 10-12%, lebih sedikit dari sel surya jenis silikon. Ceruk pasar sel surya lapis tipis masih sangat kecil, yakni dibawah 1%. Namun dengan banyaknya penelitian yang mengeksplorasi sel surya jenis ini, ditambah dengan teknik pembuatannya yang murah, efisiensi sel diproyeksikan akan terus meningkat.

Semakin canggih teknik pembuatannya, maka semakin bagus hasil yang diperoleh. Mungkin pendapat ini dapat diterapkan pula di dalam industri sel surya. Rekor efisiensi sel surya skala laboratorium sekitar 39% telah dicapai dengan teknologi paling mutakhir, yakni sel surya “multi-junction” yang diproduksi oleh National Renewable Energy Laboratory (NREL) di bawah Departemen Energi AS. Berbeda dengan sel surya jenis lainnya yang hanya memiliki satu buah komponen yang berfungsi sebagai penyerap cahaya matahari, sel surya multijunction ini memiliki dua atau tiga lapisan komponen penyerap sinar matahari yang disusun vertikal di dalam satu sel. Material ini biasanya terdiri dari InP (Indium Phospor), InGaP (Indium Galium Phospor) dan GaP (Galium Phospor). Tingkat kerumitan pembuatan sel surya jenis ini ialah pada teknik integrasi komponen-komponen penyerap sinar matahari tersebut di dalam sebuah sel yang mutlak memperhitungkan letak dan posisi atom-atom di dalam kristal semikonducktor yang dipakai.

Keungulan dari sel surya multijunction ialah, ia dapat menyerap lebih banyak spektrum cahaya tampak yang jatuh di atas permukaannya dibanding dengan sel surya dengan satu buah komponen penyerap cahaya matahari. Ditambah dengan keberadaan cermin konsentrator yang memfokuskan cahaya matahari ke permukaan sel sehingga intensitas cahaya yang ditangkap meningkat, efisiensi akhir yang diperoleh ialah sebagaimana disebutkan di atas, kira-kira dua kali rekor efisiensi sel surya lapis tipis. Meski demikian, untuk komersialisasi, sel surya jenis ini agaknya masih menunggu waktu yang cukup lama untuk dipasarkan karena paling mahal dibandingkan jenis lainnya.

Yang cukup menarik ialah perkembangan pesat teknologi dan efisiensi sel surya DSSC (Dye sensitized solar cell) dan sel surya organik yang berbahan baku utama polimer. Sejak ditemukan di akhir tahun 90-an, perkembangannya cukup menjanjikan sebagai alternatif baru sel surya yang murah dan berefisiensi tinggi. Data tahun 2006 (tidak dicantumkan di Gambar 1) menunjukkan bahwa sel surya DSSC mencapai efisiensi skala laboratorium 11%. Dan sejak tahun 2005 sudah mulai masuk ke pasaran secara terbatas.

Mencermati trend peningkatan efisiensi sel surya skala laboratorium, kalangan energi terbaharukan memilki harapan dan optimis bahwa sel surya ke depannya mampu berkompetisi dengan jenis sumber energi terbaharukan lainnya dalam menjawab peningkatan permitaan energi dunia.

_{Rujukan :}

1. _{Lawrence L. Kazmerski, Solar photovoltaics R&D at the tipping point: A 2005 technology overview, Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena 150 (2006) 105–135.}

2. _{D.M. Chapin, C.S. Fuller, G.L. Pearson, A New Silicon p-n junction photocell for converting solar radiation into electrical power, J. Appl. Phys. 25 (1954) 676.}

3. _{Adolf Goetzberger, Christopher Hebling, Hans-Werner Schock, Photovoltaic materials, history, status and outlook, Materials Science and Engineering R 40 (2003) 1–46.}