Teori Semikonduktor pada Sel Photovoltaic (PV)

Modul photovoltaic (PV) adalah perangkat padat yang paling sering digunakan untuk mengubah energi surya langsung menjadi energi listrik tanpa campur tangan mesin panas atau peralatan berputar. Peralatan PV tidak memiliki komponen bergerak sehingga perawatan menjadi minimal dan memiliki umur yang panjang. PV menghasilkan listrik tanpa menghasilkan emisi rumah kaca atau gas lain dan operasinya hampir diam. Sistem PV dapat dibangun di hampir semua ukuran, mulai dari miliwatt ke megawatt, dan sistemnya modular yaitu lebih banyak panel dapat menjadi mudah ditambahkan untuk meningkatkan output.

Sebuah sel PV terdiri dari dua atau lebih lapisan tipis berbahan semikonduktor, silikon yang paling umum. Ketika silikon terkena cahaya, muatan listrik dihasilkan dan dapat dihantarkan oleh kontak logam sebagai arus searah. Output listrik dari satu sel kecil, sehingga banyak sel terhubung dan dienkapsulasi (biasanya tertutup kaca) untuk membentuk modul (juga disebut panel).

Teori Ikatan Energi pada Bahan Semikonduktor

Gambar 1. Skema ikatan energi pada bahan. a) Isolator, b) Konduktor, c) semikonduktor

Representasi skema dari diagram ikatan (band) energi dari tiga jenis bahan ditunjukkan pada Gambar 1. Bahan yang celah valensinya penuh dan yang ikatan konduksinya kosong memiliki celah (gap) ikatan yang sangat tinggi dan disebut isolator karena tidak ada arus yang dapat dibawa oleh elektron dalam filled band (ikatan yang terisi) dan celah energinya sangat tinggi dalam keadaan biasa, elektron valensi tidak bisa menerima energi, karena ikatan konduksi yang kosong tidak dapat diakses oleh elektron valensi. Celah ikatan dalam bahan ini lebih besar dari 3eV.

Bahan yang memiliki ikatan valensi yang relatif kosong dan memiliki beberapa elektron pada ikatan konduksi disebut konduktor. Dalam hal ini, elektron valensi dan ikatan konduksi tumpang tindih. Elektron valensi dapat menerima energi dari bidang eksternal dan pindah ke keadaan kosong yang diizinkan pada tingkat energi yang sedikit lebih tinggi dalam ikatan yang sama. Logam termasuk dalam kategori ini, dan elektron valensi dalam logam dapat dengan mudah dipancarkan di luar struktur atom dan menjadi bebas untuk menghantarkan listrik.

Bahan dengan celah valensi yang terisi sebagian memiliki celah ikatan menengah dan disebut semikonduktor. Celah ikatan pada bahan ini lebih kecil dari 3eV. Mereka memiliki struktur ikatan yang sama dengan isolator tetapi celah energinya jauh lebih sempit. Dua jenis semikonduktor yaitu yang murni disebut semikonduktor intrinsik dan yang memiliki sejumlah kecil pengotor disebut semikonduktor ekstrinsik. Dalam semikonduktor intrinsik, elektron valensi bisa terpikat dengan cara termal atau optik dan melompat celah energi yang ke dalam ikatan konduksi, di mana elektron tidak ada ikatan atom dan oleh karena itu bisa bergerak bebas melalui kristal.

p-n Junction

Silikon (Si) termasuk dalam golongan 4 dari tabel periodik unsur. Dalam semikonduktor, jika bahan yang didoping/diberi pengotor memiliki lebih banyak elektron dalam celah valensi daripada semikonduktor, bahan yang didoping disebut semikonduktor tipe-n. Semikonduktor tipe-n secara elektronik netral tetapi memiliki kelebihan elektron, yang tersedia untuk konduksi.

Dalam semikonduktor, jika bahan yang didoping memiliki elektron lebih sedikit di celah valensi dari semikonduktor, bahan yang didoping disebut semikonduktor tipe-p. Semikonduktor tipe-p netral secara elektronik tetapi memiliki lubang positif (elektron yang hilang) dalam strukturnya, yang dapat menampung kelebihan elektron.

Kedua jenis semikonduktor ditunjukkan secara skematis pada gambar 2. Keduanya Semikonduktor tipe n dan p memungkinkan elektron dan lubang bergerak lebih mudah dalam semikonduktor. Untuk silikon, energi yang dibutuhkan untuk mendapatkan elektron melintasi persimpangan p-n adalah 1,11 eV. Ini berbeda untuk setiap bahan semikonduktor.

Apa yang dijelaskan dalam paragraf sebelumnya terjadi ketika tipe-p dan n semikonduktor bergabung bersama, yaitu, membentuk persimpangan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Seperti yang dapat dilihat, ketika kedua bahan digabungkan, kelebihan elektron dari tipe-n melompat untuk mengisi lubang di tipe-p, dan lubang-lubang dari tipe-p berdifusi ke sisi tipe-n, meninggalkan sisi n persimpangan bermuatan positif dan sisi p bermuatan negatif. Muatan negatif dari sisi p membatasi pergerakan elektron tambahan dari sisi n. Namun, gerakan penambahan elektron dari sisi p lebih mudah karena muatan positif di persimpangan di sisi n. Oleh karena itu sambungan p-n berperilaku seperti dioda.

Diagram skema pita energi semikonduktor tipe-n dan tipe-p ditampilkan dalam Gambar 4. Dalam semikonduktor tipe-n, karena didoping ketidakmurnian menyumbangkan elektron tambahan untuk konduksi arus disebut donor dan tingkat energinya disebut tingkat donor. Ikatan energi tipe-n diagram ditunjukkan pada Gambar 4a , dan seperti yang dapat dilihat, level donor berada dalam ikatan terlarang. Dalam semikonduktor tipe-p, pengotor yang didoping menerima elektron tambahan. Oleh karena itu, disebut akseptor dan tingkat energinya disebut tingkat akseptor. Diagram ikatan energinya ditunjukkan pada Gambar 4b , dan seperti yang dapat dilihat, level akseptor terletak di ikatan terlarang.

Gambar 2. Skema semikonduktor tipe n dan tipe p

Gambar 4. Skema ikatan energi pada semikonduktor tipe n dan p

Photovoltaic Effect

Ketika sebuah foton memasuki bahan fotovoltaik, ia dapat dipantulkan, diserap, atau ditransmisikan. Ketika foton ini diserap oleh atom elektron valensi, energi elektron bertambah dengan jumlah energi foton. Jika, sekarang, energi foton lebih besar dari ikatan semikonduktor, elektron, yang memiliki energi berlebih, akan melompat ke ikatan konduksi, di mana ia dapat bergerak bebas. Oleh karena itu, ketika foton diserap, sebuah elektron terlepas dari atom. Elektron dapat dihapus oleh medan listrik di bagian depan dan belakang bahan fotovoltaik, dan ini tercapai dengan bantuan sambungan/pertemuan p-n. Dengan tidak adanya medan, elektron bergabung kembali dengan atom, sedangkan ketika ada medan, akan mengalir, sehingga menciptakan arus. Jika energi foton lebih kecil dari celah ikatan, elektron tidak akan memiliki cukup energi untuk melompat ke ikatan konduksi, dan kelebihan energi dikonversi menjadi energi kinetik dari elektron, yang menyebabkan peningkatan suhu. Perlu dicatat bahwa, terlepas dari intensitas energi foton relatif terhadap energi celah ikatan, hanya satu elektron dapat dibebaskan. Inilah alasan rendahnya efisiensi dari sel fotovoltaik.

Pengoperasian sel fotovoltaik ditunjukkan pada Gambar 5. Sel surya ini mengandung pertemuan semikonduktor tipe-p dan tipe-n, yaitu pertemuan p-n. Sampai batas tertentu, elektron dan lubang berdifusi melintasi batas pertemuan ini, menyetel medan listrik di seberangnya. Elektron bebas dihasilkan di lapisan n oleh aksi foton. Ketika foton sinar matahari menabrak permukaan sel surya dan diserap oleh semikonduktor, beberapa di antaranya membuat pasangan elektron dan hole. Jika pasangan ini cukup dekat dengan pertemuan p-n, medan listrik menyebabkan muatan terpisah, elektron bergerak ke sisi tipe-n dan lubang ke sisi tipe-p. Jika kedua sisi sel surya sekarang terhubung melalui suatu beban, arus listrik akan mengalir selama sinar matahari mengenai sel.