Panel Surya (Solar Cell / PV Cell)

 

Solar Panel atau PV Module

Panel surya atau solar cell adalah alat yang berfungsi untuk mengubah energi cahaya matahari (energi foton) menjadi energi listrik dc (direct current). Konversi energi tersebut menggunakan prinsip photovoltaic effect, sehingga panel surya kerap juga disebut sebagai photovoltaic cell (PV cell).

 

Energi foton dari cahaya matahari merupakan energi radiasi atau paparan partikel atau gelombang foton (karena cahaya disifati sebagai gelombang dan partikel) yang bergerak dengan kecepatan cahaya, yaitu 3x10⁸ m/s. Besarnya energi tersebut dinyatakan dalam Persamaan Planck (Planck’s Equation), yaitu sebagai berikut:

 

E       = h x v

E       = h x (c/λ)

 

Note:

c        = v x λ

 

Dimana:

E          = Energi foton (J)

h          = Konstanta Planck = 6,626 x 10^-34 J.s

v          = Frekuensi gelombang cahaya (Hz atau s^-1)

c          = Kecepatan cahaya dalam ruang hampa = 3x10⁸ m/s

λ          = Panjang gelombang cahaya (m)

 

Prinsip Kerja Panel Surya

 

Telah kita singgung bahwasannya konversi energi foton menjadi listrik adalah menggunakan prinsip efek photovoltaic (PV effect). Efek photovoltaic adalah peristiwa terbentuknya medan listrik atau beda potensial listrik (voltase) diantara dua buah elektroda sel PV (photovoltaic cell) ketika terkena radiasi cahaya matahari. Efek ini pertama kali ditemukan oleh Henri Becquerel pada tahun 1839.

 

Untuk mempermudah memahami prinsip kerja panel surya, perhatikan gambar ilustrasi sel surya/solar cell sebelum terkena cahaya, proses pelepasan electron dan terbentuknya holes akibat energi foton, serta ilustrasi sel surya sesudah terkena radiasi cahaya matahari berikut ini:

 

Solar cell sebelum terkena cahaya matahari

Solar cell ketika terkena cahaya matahari

Ilustrasi pembentukan elektron bebas dan holes

Sel surya terdiri dari lapisan semikonduktor n-type dan p-type. Bahan semikonduktor yang sering digunakan adalah silicone. Diantara kedua lapisan tersebut terdapat lapisan penghubung yang disebut dengan istilah pn junction. Mari kita bahas satu persatu tentang ketiga lapisan tersebut.

 

Lapisan semikonduktor n-type merupakan daerah negatif dan terhubung dengan terminal positif (+) pada rangkaian output listriknya. Pembuatan n-type didapat dengan proses dopping bahan semikonduktor (misalnya silicone) dengan unsur fosfor. Lapisan ini cenderung lebih tipis dibandingkan lapisan p-type, karena terletak pada bagian atas yang terpapar cahaya dan agar radiasi matahari masuk secara optimal.

 

Sebaliknya, lapisan p-type adalah daerah positif dan terhubung dengan terminal negatif (-) pada rangkaian output listriknya. Pembuatan p-type diperoleh dengan proses dopping silicone dengan unsur boron.

 

Ketika tidak ada sinar matahari, baik lapisan n-type maupun p-type dalam kondisi netral (muatan positif dan negatif setimbang), sehingga tidak ada beda potensial antara terminal positif dan terminal negatif (tidak menghasilkan daya listrik). Namun, ketika sel surya atau pv sel terkena cahaya matahari, maka energi foton yang menabrak atom-atom semikonduktor yang netral, bila energinya cukup, maka dapat membuat electron-electron lepas dari ikatan atomnya, sehingga munculah electron-elektron yang bebas bergerak. Pada kondisi ini, lapisan pn junction berperan penting dalam pembentukan medan listrik atau beda potensial antara lapisan n-type (teminal positif) dan lapisan p-type (terminal negatif).

 

Pn junction adalah lapisan yang memisahkan antara lapisan n-type dan p-type. Lapisan ini berfungsi seperti diode, yang memungkinkan electron berpindah dari daerah p-type menuju daerah n-type ketika terkena paparan cahaya matahari, namun pada kondisi setimbang, electron tersebut tidak dapat berpindah dari daerah n-type menuju daerah p-type. Sehingga terbentuklah muatan negatif pada lapisan n-type (karena kelebihan electron), dan muatan positif pada lapisan p-type (karena kekurangan electron, atau biasa disebut juga dengan istilah terbentuknya holes, yaitu area yang ditinggalkan electron).

 

Perbedaan muatan pada lapisan n-type dan lapisan p-type tersebut menghasilkan beda potensial antara terminal positif (+) dan terminal negatif (-), sehingga bila kedua terminal ini terhubung pada suatu beban atau rangkaian listrik tertutup, maka akan menghasilkan aliran arus listrik dc, yaitu perpindahan electron dari lapisan n-type menuju p-type melalui rangkaian eksternal (karena electron tidak dapat Kembali ke lapisan p-type melalui pn junction, namun electron dapat berpindah dari p-type menembus pn junction menuju n-type selama ada radiasi cahaya matahari).

 

Dalam istilah literasi, karena n-type adalah daerah berkumpulnya electron saat terjadi penyinaran, maka n-type kerap disebut sebagai donor (pendonor electron). Sedangkan p-type adalah daerah terbentuknya holes, maka kerap disebut acceptor (penerima electron). Lalu, karena aliran daya listrik konvensinya adalah mengalir dari terminal positif menuju terminal negatif, maka terminal positif ada pada lapisan n-type, dan terminal negatif ada pada lapisan p-type (electron mengalir dari lapisan n-type menuju p-type).

 

PV Cell, PV Module dan PV Array

 

PV cell atau photovoltaic cell adalah istilah untuk penyebutan satu buah sel surya. Sedangkan PV module adalah penyebutan untuk satu lembar panel surya (solar panel), yang terdiri dari beberapa PV cell. Untuk lebih jelas, perhatikan gambar berikut ini:

 

PV cell dan PV Module

Bagian yang diberi kotak merah merupakan sebuah PV cell, sedangkan bagian keseluruhan yang diberi kotak biru adalah sebuah PV module (sebuah panel surya atau solar panel). Umumnya, tegangan satu sel surya berkisar antar 0,45 – 0,5 Vdc pada saat terkena cahaya matahari yang cerah. Kemudian, sebuah PV module umumnya merupakan rangkaian seri dari beberapa PV panel. Sebagai contoh gambar diatas, sebuah PV module dengan jumlah sel 4x9 = 36 sel surya, akan menghasilkan tegangan nominal sekitar 18Vdc (seri dari 36 buah tegangan sel sebesar 0,5Vdc).

 

PV array adalah susunan beberapa PV module, baik seri maupun parallel. Bila PV module disusun seri, maka PV array akan menghasilkan tegangan nominal yang lebih tinggi. Namun bila PV module disusun parallel, maka PV array akan menghasilkan rating arus yang lebih tinggi. Gambar dibawah ini merupakan contoh PV array yang tersusun dari 12 buah PV module yang masing masing modul terdiri dari 10x16 = 160 PV cell.

 

PV Array dari 12 Buah PV module 160 sel

Memahami Spesifikasi Solar Panel

 

Berikut adalah contoh data spesifikasi atau nameplate dari sebuah solar panel atau PV module.

 

Contoh Nameplate PV Module 300 Wp

Rated maksimum power (P_m), menyatakan daya listrik output maksimum yang dihasilkan pada saat pencahayaan optimal (cuaca cerah), dalam contoh ini yaitu 300 watt. Pada saat cahaya berkurang akibat mendung, atau terlalu pagi dan terlalu sore, maka nilai daya output akan berkurang.

 

Tolerance, menyatakan tolerasi nilai output P_m, yaitu bisa lebih 3% atau kurang 3% dari nilai 300 W.

 

Voltage at P max (V_mp), menyatakan tegangan nominal/tegangan kerja ouput pada saat pencahayaan optimal (cuaca cerah), yaitu sebesar 36,7Vdc. Pada saat cahaya berkurang akibat mendung, atau terlalu pagi dan terlalu sore, maka nilai tegangan nominal akan berkurang.

 

Current at P max (I_mp), menyatakan nilai arus listrik dc ouput pada saat pencahayaan optimal (cuaca cerah), yaitu sebesar 8,19 Adc. Pada saat cahaya berkurang akibat mendung, atau terlalu pagi dan terlalu sore, maka nilai arus output akan berkurang.

 

Oper circuit voltage (V_oc), menyatakan nilai tegangan output saat terminal output terbuka (tidak terhubung dengan beban), yaitu sebesar 44,9 Vdc.

 

Short circuit current (I_sc), menyatakan nilai arus yang mengalir saat terminal output di short (hubung singkat), yaitu sebesar 8,73 Adc.

 

Nominal operating cell temperature (NOCT), menyatakan suhu kerja optimal dari sel surya, yaitu 47 derajat celcius dengan toleransi lebih atau kurang 2 derajat celcius. Artinya, dengan suhu cahaya matahari yang mengenai solar cell sebesar 47C, konversi daya yang dihasilkan menjadi lebih efisien.

 

Demikian penjelasan kami mengenai panel surya atau solar panel atau photovoltaic cell yang dapat kami sampaikan pada artikel kali ini. Untuk pembahasan lebih lanjut, silahkan tinggalkan komentar kalian.

 

Penulis : ER

 

Share this post