Materi elektrokimia (pengertian dan prinsip kerja sel surya dalam mengubah energi matahari menjadi energi listrik)

Teoriilmukimia - Sel surya atau solar cell adalah elemen aktif yang mengubah energi cahaya menjadi energi listrik. Sel surya terbuat dari bahan semikonduktor dengan kutub positif dan negatif. Apabila cahaya mengenai permukaan sel surya maka akan timbul perbedaan tegangan. Untuk mendapatkan daya yang lebih besar sel surya dapat dihubungkan secara seri atau paralel tergantung sifat penggunaannya (Deb dkk., 1998). Gambar 1 menunjukkan rangkain listrik untuk pengukuran sel surya.

Cara kerja sel surya adalah dengan memanfaatkan teori cahaya sebagai partikel. Sebagaimana diketahui bahwa cahaya baik yang tampak maupun yang tidak tampak memiliki dua sifat yaitu sebagai gelombang dan partikel yang disebut dengan foton (Deb dkk., 1998).

Energi yang dipancarkan oleh cahaya dengan panjang gelombang λ dan frekuensi foton υ dirumuskan dengan persamaan :

E = h . υ = h c/λ ………………………........................... (1)

h = konstanta Planck (6.62 x 10^-34 J.s)

            c = kecepatan cahaya dalam ruang hampa (3.00 x 10⁸ m/s)

Gambar 1. Rangkaian listrik sel surya

Sistem sel surya fotoelektrokimia memanfaatkan fenomena (efek) persambungan bahan semikonduktor dengan elektrolit, proses transfer pasangan elektron negatif (e-) dan hole positif (h+) antara bahan semikonduktor dan elektrolit yang dibangkitkan melalui penyerapan (absorpsi) energi cahaya. Pasangan elektron negatif (e-) dan hole positif (h+) ini berperan dalam terjadinya reaksi redoks (reduksi-oksidasi) dalam sel elektrokimia.

Bahan semikonduktor yang banyak digunakan pada sistem sel surya ini adalah bahan yang memiliki celah pita energi yang lebih lebar seperti TiO2, ZnO dan WO3 (Gunlazuardi, 2001).

 1.      Macam-macam Sel Surya

1.1  Sel surya generasi pertama

Generasi pertama dari sel surya adalah jenis wafer (berlapis) silikon kristal tunggal (jenis solar sel yang pertama), memiliki efisiensi yang sangat besar tetapi biaya produksi sangat tinggi sehingga tidak komersil untuk digunakan sebagai sumber energi alternatif. Jenis sel surya yang kedua adalah jenis wafer silikon poli kristal. Masing-masing lapisan memiliki ketebalan sekitar 250 mikrometer. Jenis sel surya tipe ini pembuatannya lebih murah meskipun tingkat efisiensinya lebih rendah jika dibandingkan dengan silikon kristal tunggal (West, 2003).

1.2  Sel surya generasi kedua

Sel surya generasi kedua adalah jenis lapisan tipis (thin film). Ide pembuatan jenis sel surya lapisan tipis adalah untuk mengurangi biaya pembuatan sel surya mengingat jenis ini hanya menggunakan kurang dari 1% dari bahan baku silikon jika dibandingkan dengan bahan baku untuk jenis silikon wafer. Dengan penghematan yang tinggi pada bahan baku  membuat harga per KwH energi yang dibangkitkan menjadi lebih murah (West, 2003).

1.3  Sel surya generasi ketiga

Generasi ketiga dari jenis sel surya ini yaitu tipe solar sel polimer atau disebut juga dengan sel surya organik dan tipe sel surya fotoelektrokimia. Sel surya organik dibuat dari bahan semikonduktor organik seperti polivinilen, vinilena dan fulerena. Tipe sel surya fotoelektrokimia terdiri dari sebuah lapisan nanopartikel (biasanya titanium dioksida) yang dilapiskan pada kaca substrat dan direndam dalam dye. Jenis ini pertama kali diperkenalkan oleh Profesor Gratzel pada tahun 1991 sehingga jenis solar sel ini sering juga disebut dengan sel Gratzel atau dye-sensitized solar cells (DSSC) (Smestad dan Gratzel, 1998).

2.       Kinerja Sel Surya

Daya listrik yang dihasilkan sel surya ketika mendapat cahaya matahari diperoleh dari kemampuan perangkat sel surya mengubah energi matahari menjadi energi listrik untuk menghasilkan tegangan dan arus. Ketika sel dalam  kondisi rangkaian pendek (short circuit,) arus maksimum atau arus short circuit (I_SC) dihasilkan, sedangkan pada kondisi rangkaian terbuka (open circuit) tidak ada arus yang dapat mengalir sehingga tegangannya maksimum, disebut tegangan  rangkaian terbuka (V_OC).

Gambar 2.  Karakteristik kurva I-V pada sel surya

Gambar 2 menunjukkan karakteristik kurva arus-tegangan sel surya.Titik pada kurva arus terhadap tegangan yang menghasilkan arus dan tegangan maksimum disebut titik daya maksimum (MPP). Karaktersitik penting dari sel surya yaitu faktor pengisian (fill factor/FF), dengan persamaan,

………………………........................ (2)

dengan menggunakan faktor pengisian maka daya maksimum dari sel surya didapat dari persamaan:

P_MAX = V_oc.I_sc.FF             ………………………......................... (3)  

sehingga efisiensi sel surya yang didefinisikan sebagai daya yang dihasilkan dari sel dibagi dengan daya dari cahaya yang datang:

           

            ………………………....................... (4)

Nilai efisiensi ini yang menjadi ukuran dalam menentukan kualitas kinerja sel surya (Septina dkk., 2007).

 3.       Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)

Dye Sensitized Solar Cell (DSSC), sejak pertama kali ditemukan oleh Michael Gratzel pada tahun 1991, telah menjadi salah satu topik penelitian yang dilakukan intensif oleh peneliti di seluruh dunia. DSSC bahkan disebut juga terobosan pertama dalam teknologi sel surya sejak sel surya silikon.

Berbeda dengan sel surya konvensional, DSSC adalah sel surya fotoelektrokimia yang menggunakan elektrolit sebagai medium pengangkut muatan. Selain elektrolit, DSSC terbagi menjadi beberapa bagian yang terdiri dari nanopori TiO₂, molekul zat warna (dye) yang teradsorpsi di permukaan TiO₂ dan katalis yang semuanya diendapkan di antara dua kaca berpenghantar.

Bagian atas dan bawah sel surya merupakan kaca yang sudah dilapisi oleh oksida berpenghantar transparan yang sering disebut TCO (oksida berpenghantar yang transparan), yang berfungsi sebagai elektroda dan elektroda perlawanan. Kaca TCO elektroda perlawanan dilapisi katalis untuk mempercepat reaksi redoks dengan elektrolit. Pasangan redoks yang umum dipakai yaitu I^-/I₃^- (iodida/triiodida). Permukaan elektroda dilapisi TiO₂ nanopori tempat zat warna teradsorpsi di pori TiO₂. Zat warna yang umum digunakan yaitu jenis  kompleks ruthenium (Phani dkk., 2001).

4.      Cara Kerja Sel Surya

Skema kerja  DSSC ditunjukkan oleh gambar 4. Pada dasarnya prinsip kerja DSSC merupakan reaksi transfer elektron. Proses pertama dimulai dengan terjadinya eksitasi elektron molekul zat warna akibat penyerapan foton. Elektron tereksitasi dari keadaan dasar (D) ke keadaan tereksitasi  (D^*).

Elektron dari keadaan tereksitasi kemudian langsung terinjeksi menuju pita konduksi (E_CB) titania sehingga molekul zat warna teroksidasi (D⁺). Dengan adanya elektron penyumbang dari elektrolit (I^-) maka molekul zat warna kembali ke keadaan awalnya (ground state) dan mencegah penangkapan elektron kembali  oleh zat warna yang teroksidasi.

TiO₂|D + hυ      à       TiO₂|D*              ..…………………………....... (5)

TiO₂|D^*               à  TiO₂|D⁺ + e^-  ……………………………….. (6)      

TiO₂|D⁺ +  3/2I^- à           TiO₂|D + ½I₃^- …………………….. (7)

½I₃^- + e^-  à            3/2I^-  ………………………………............ (8)

              I₃^- + 2e^-          à        3I^- …………………………………............. (9)

Gambar 4. Skema prinsip kerja DSSC

Setelah mencapai elektroda TCO, elektron mengalir menuju elektroda perlawanan melalui rangkaian luar. Dengan adanya katalis pada elektroda perlawanan, elektron diterima oleh elektrolit sehingga hole positif (h+) yang terbentuk pada elektrolit (I3-), akibat donor elektron pada proses sebelumnya, berekombinasi dengan elektron membentuk iodida (I-). Iodida ini digunakan untuk menyumbangkan elektron pada zat warna yang teroksidasi, sehingga terbentuk perputaran gerakan elektron. Melalui siklus ini terjadi pengubahan langsung dari cahaya matahari menjadi listrik (Phani dkk., 2001).