Prinsip Kerja Sel Surya atau Sel Fotovoltaik

Konversi energi cahaya menjadi energi listrik didasarkan pada fenomena yang disebut efek fotovoltaik. Ketika bahan semikonduktor terkena cahaya, beberapa foton dari sinar cahaya diserap oleh kristal semikonduktor yang menyebabkan sejumlah besar elektron bebas dalam kristal. Ini adalah alasan dasar untuk menghasilkan listrik karena efek fotovoltaik. Sel fotovoltaik adalah unit dasar sistem di mana efek fotovoltaik digunakan untuk menghasilkan listrik dari energi cahaya. Silikon adalah bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan untuk membangun sel fotovoltaik. Atom silikon memiliki empat elektron valensi. Dalam kristal padat, setiap atom silikon berbagi masing-masing empat elektron valensinya dengan atom silikon terdekat lainnya, sehingga menciptakan ikatan kovalen antara mereka. Dengan cara ini, kristal silikon mendapatkan struktur jaringan tetrahedral. Ketika sinar cahaya menyerang bahan apa pun, sebagian cahaya dipantulkan, sebagian dilewatkan melalui bahan, dan sisanya diserap oleh bahan tersebut.

Hal yang sama terjadi ketika cahaya jatuh pada kristal silikon. Jika intensitas cahaya insiden cukup tinggi, jumlah foton yang cukup diserap oleh kristal dan foton-foton ini, gilirannya, menggairahkan beberapa elektron dari ikatan kovalen. Elektron-elektron yang tergairahkan ini kemudian mendapatkan energi yang cukup untuk bermigrasi dari band valensi ke band konduksi. Karena tingkat energi elektron ini berada di band konduksi, mereka meninggalkan ikatan kovalen, meninggalkan lubang di belakang setiap elektron yang dihapus. Ini disebut elektron bebas yang bergerak secara acak di dalam struktur kristal silikon. Elektron bebas dan lubang ini memiliki peran penting dalam menciptakan listrik di sel fotovoltaik. Elektron dan lubang ini masing-masing disebut elektron dan lubang yang dihasilkan oleh cahaya. Elektron dan lubang yang dihasilkan oleh cahaya ini tidak dapat menghasilkan listrik sendiri di dalam kristal silikon. Harus ada mekanisme tambahan untuk melakukan itu.

Ketika aditif pentavalen seperti fosfor ditambahkan ke silikon, empat elektron valensi setiap atom fosfor pentavalen dibagi melalui ikatan kovalen dengan empat atom silikon tetangga, dan elektron valensi kelima tidak mendapatkan kesempatan untuk membuat ikatan kovalen.

Elektron kelima ini kemudian terikat secara relatif longgar dengan atom induknya. Bahkan pada suhu ruangan, energi termal yang tersedia di dalam kristal cukup besar untuk memisahkan elektron kelima yang relatif longgar ini dari atom fosfor induknya. Saat elektron kelima yang relatif longgar ini terpisah dari atom fosfor induk, atom fosfor menjadi ion positif yang tidak bergerak. Elektron yang terlepas ini menjadi bebas tetapi tidak memiliki ikatan kovalen yang tidak lengkap atau lubang di dalam kristal untuk kembali bergabung. Elektron bebas ini yang berasal dari aditif pentavalen selalu siap untuk menghantar arus di dalam semikonduktor. Meskipun ada banyak elektron bebas, substansinya masih netral secara listrik karena jumlah ion fosfor positif yang terkunci di dalam struktur kristal persis sama dengan jumlah elektron bebas yang keluar darinya. Proses memasukkan impuritas ke dalam semikonduktor dikenal sebagai doping, dan impuritas yang diberikan disebut dopan. Dopan pentavalen yang menyumbangkan elektron kelima bebasnya ke kristal semikonduktor disebut donor. Semikonduktor yang diberi dopan oleh impuritas donor dikenal sebagai semikonduktor tipe n atau tipe negatif karena ada banyak elektron bebas yang bermuatan negatif secara alami.

Ketika bukan atom fosfor pentavalen, atom impuritas trivalen seperti boron ditambahkan ke kristal semikonduktor, jenis semikonduktor yang berlawanan akan terbentuk. Dalam hal ini, beberapa atom silikon dalam struktur kristal akan digantikan oleh atom boron, dengan kata lain, atom boron akan mengisi posisi atom silikon yang digantikan dalam struktur jaringan. Tiga elektron valensi atom boron akan berpasangan dengan elektron valensi tiga atom silikon tetangga untuk membentuk tiga ikatan kovalen lengkap. Untuk konfigurasi ini, akan ada satu atom silikon untuk setiap atom boron, di mana elektron valensi keempat tidak menemukan elektron valensi tetangga untuk menyelesaikan ikatan kovalennya yang keempat. Oleh karena itu, elektron valensi keempat dari atom-atom silikon ini tetap tidak berpasangan dan berperilaku sebagai ikatan yang tidak lengkap. Jadi, akan ada kekurangan satu elektron dalam ikatan yang tidak lengkap, dan akibatnya, ikatan yang tidak lengkap selalu menarik elektron untuk memenuhi kekurangan ini. Sebagai hasilnya, ada tempat kosong untuk elektron duduk.

Tempat kosong ini secara konseptual disebut lubang positif. Dalam semikonduktor yang diberi dopan oleh impuritas trivalen, sejumlah besar ikatan kovalen terus-menerus terputus untuk menyelesaikan ikatan kovalen lain yang tidak lengkap. Ketika satu ikatan terputus, satu lubang diciptakan di dalamnya. Ketika satu ikatan selesai, lubang di dalamnya hilang. Dengan cara ini, satu lubang tampak menghilang dan lubang tetangga lainnya muncul. Dengan demikian, lubang-lubang ini memiliki gerakan relatif di dalam kristal semikonduktor. Dari sudut pandang itu, dapat dikatakan bahwa lubang juga dapat bergerak bebas seperti elektron bebas di dalam kristal semikonduktor. Karena setiap lubang dapat menerima satu elektron, impuritas trivalen dikenal sebagai dopan penerima dan semikonduktor yang diberi dopan oleh dopan penerima dikenal sebagai semikonduktor tipe p atau semikonduktor tipe positif.

Dalam semikonduktor tipe n, utamanya elektron bebas membawa muatan negatif, dan dalam semikonduktor tipe p, utamanya lubang membawa muatan positif, oleh karena itu, elektron bebas dalam semikonduktor tipe n dan lubang bebas dalam semikonduktor tipe p disebut pembawa mayoritas dalam semikonduktor tipe n dan semikonduktor tipe p masing-masing.

Selalu ada hambatan potensial antara material tipe n dan tipe p. Hambatan potensial ini penting untuk kerja sel fotovoltaik atau sel surya. Ketika semikonduktor tipe n dan semikonduktor tipe p bersentuhan, elektron bebas dekat permukaan kontak semikonduktor tipe n mendapatkan banyak lubang tetangga dari material tipe p. Oleh karena itu, elektron bebas dalam semikonduktor tipe n dekat permukaan kontaknya melompat ke lubang tetangga material tipe p untuk rekomposisi. Tidak hanya elektron bebas, tetapi elektron valensi dari material tipe n dekat permukaan kontak juga keluar dari ikatan kovalen dan rekomposisi dengan lubang lebih dekat di semikonduktor tipe p. Seiring putusnya ikatan kovalen, akan ada sejumlah lubang yang tercipta di material tipe n dekat permukaan kontak. Oleh karena itu, dekat zona kontak, lubang di material tipe p menghilang karena rekomposisi, sementara lubang muncul di material tipe n dekat zona kontak yang sama. Ini setara dengan migrasi lubang dari tipe p ke semikonduktor tipe n. Jadi, segera setelah satu semikonduktor tipe n dan satu semikonduktor tipe p bersentuhan, elektron dari tipe n akan bermigrasi ke tipe p dan lubang dari tipe p akan bermigrasi ke tipe n. Proses ini sangat cepat tetapi tidak berlangsung selamanya. Setelah beberapa saat, akan ada lapisan muatan negatif (elektron berlebih) di semikonduktor tipe p yang berdekatan dengan kontak sepanjang permukaan kontak. Demikian pula, akan ada lapisan muatan positif (ion positif) di semikonduktor tipe n yang berdekatan dengan kontak sepanjang permukaan kontak. Ketebalan lapisan muatan negatif dan positif ini meningkat hingga batas tertentu, tetapi setelah itu, tidak ada lagi elektron yang akan bermigrasi dari semikonduktor tipe n ke tipe p. Hal ini karena, ketika elektron semikonduktor tipe n mencoba bermigrasi ke semikonduktor tipe p, ia menghadapi lapisan ion positif yang cukup tebal di semikonduktor tipe n itu sendiri di mana ia akan jatuh tanpa melewati lapisan tersebut. Demikian pula, lubang tidak akan bermigrasi lagi ke semikonduktor tipe n dari tipe p. Lubang ketika mencoba melewati lapisan negatif di semikonduktor tipe p, mereka akan rekomposisi dengan elektron dan tidak ada lagi pergerakan menuju wilayah tipe n.

Dengan kata lain, lapisan muatan negatif di sisi tipe p dan lapisan muatan positif di sisi tipe n bersama-sama membentuk penghalang yang menentang migrasi pembawa muatan dari satu sisi ke sisi lain. Demikian pula, lubang di wilayah tipe p dicegah dari masuk ke wilayah tipe n. Karena lapisan muatan positif dan negatif, akan ada medan listrik di seluruh wilayah, dan wilayah ini disebut lapisan habis.

Sekarang mari kita kembali ke kristal silikon. Ketika sinar cahaya menyerang kristal, sebagian cahaya diserap oleh kristal, dan akibatnya, beberapa elektron valensi tergairahkan dan keluar dari ikatan kovalen, menghasilkan pasangan elektron-lubang bebas.

Jika cahaya menyerang semikonduktor tipe n, elektron dari pasangan elektron-lubang yang dihasilkan oleh cahaya tidak dapat bermigrasi ke wilayah tipe p karena mereka tidak dapat melewati hambatan potensial karena tolakan medan listrik di lapisan habis. Pada saat yang sama, lubang yang dihasilkan oleh cahaya menyeberangi lapisan habis karena tarikan medan listrik di lapisan habis, di mana mereka rekomposisi dengan elektron, dan kemudian kekurangan elektron di sini diganti oleh elektron valensi dari wilayah tipe p, dan ini menghasilkan sejumlah lubang di wilayah tipe p. Dengan demikian, lubang yang dihasilkan oleh cahaya dipindahkan ke wilayah tipe p di mana mereka terjebak karena setelah mereka datang ke wilayah tipe p, mereka tidak dapat kembali ke wilayah tipe n karena tolakan hambatan potensial.

Sebagai muatan negatif (elektron yang dihasilkan oleh cahaya) terjebak di satu sisi dan muatan positif (lubang yang dihasilkan oleh cahaya) terjebak di sisi lain dari sel, akan ada perbedaan potensial antara kedua sisi sel tersebut. Perbedaan potensial ini biasanya 0,5 V. Inilah cara sel fotovoltaik atau sel surya menghasilkan perbedaan potensial.

Pernyataan: Hormati aslinya, artikel bagus layak dibagikan, jika ada pelanggaran hak cipta silakan hubungi untuk penghapusan.