Salah satu bagian penting dalam sistem pembangkit listrik tenaga surya (PLTS) adalah panel surya atau solar panel atau photovoltaic (PV). Bagaimana listrik bisa dibangkitkan dari PV ini? Mungkin sebagian dari kita masih belum faham tentang proses tersebut. Untuk itu mari kita simak alur penjelasan berikut ini.
Karena kita membicarakan tentang listrik, mari kita pahami dulu tentang konsep aliran listrik. Aliran listrik merupakan aliran muatan yang arahnya dari potensial tinggi ke potensial rendah. Pembawa muatan ini mempunyai medan listrik positif karena ia menjauhi daerah medan listrik positif dan mendekati medan listrik negatif. Namun jika kita tinjau kembali susulan atom yang terdiri dari proton, neutron dan elektron, yang mempunyai potensi untuk bergerak dan berpindah dengan bebas adalah elektron. Sedangkan elektron bermuatan negatif yang cenderung menjauhi medan listrik negatif dan mendekati medan listrik positif. Sehingga aliran listrik pada dasarnya adalah aliran elektron yang bergerak dari potensial rendah ke potensial tinggi.
Elektron dapat terbagi menjadi dua yaitu elektron yang terikat dengan inti atom dan elektron yang tidak terikat dengan inti atom atau disebut elektron bebas. Nah, elektron bebas inilah yang sebenarnya bergerak dan menjadi pembawa muatan pada suatu penghantar. Semakin banyak elektron bebas dalam suatu penghantar maka semakin bagus bahas tersebut menghantarkan listrik. Mungkin kita masih ingat ada bahan isolator dan konduktor. Keduanya berbeda sifat kelistrikannya karena perbedaan jumlah elektron bebas. Bahan konduktor memiliki jumlah elektron bebas yang jauh lebih banyak daripada bahan isolator, sehingga bahan konduktor dapat menghantarkan listrik yang lebih baik daripada isolator. Namun selain kedua bahan tersebut ada bahan yang disebut dengan semikonduktor. Bahan ini pada suatu keadaan tertentu bersifat sebagai bahan isolator dan pada kondisi yang lain dapat bersifat sebagai bahan konduktor. Kok bisa! Berikut penjelasannya.
Elektron terluar yang masih terikat dan mengelilingi inti atom disebut dengan elektron valensi. Elektron tersebut memiliki ikatan dengan inti paling lemah dibandingkan dengan elektron yang kedudukannya lebih dekat dengan inti. Elektron valensi ini apabila mendapat tambahan sedikit energi dapat terlepas dari ikatan inti atom dan menjadi elektron bebas, sedangkan tempat kosong yang ditinggal pergi elektro disebut dengan hole. Hole merupakan pembawa muatan positif dan mempunyai kecenderungan bergerak berlawanan dengan elektron bebas. Karena jumlah elektron bebas dan hole dapat berubah, maka dimungkinkan bahan tersebut menjadi isolator atau konduktor. Bahan semikonduktor murni pada umumnya tersusun dari atom silikon atau germanium. Sedangkan semikonduktor yang ada tambahan atom valensi 5 (misal phosphor dan arsenide) akan berubah menjadi semikonduktor ekstrinsik tipe-N, dan ketika ada tambahan atom valensi 3 (misal Boron, Aluminium dan Gallium) akan berubah menjadi semikonduktor ekstrinsik tipe-P. Pada semikonduktor ekstrinsik tipe-P, jumlah hole jauh lebih banyak daripada elektron bebas, sedangkan pada semikonduktor ekstrinsik tipe-N jumlah elektron bebas jauh lebih banyak daripada hole. Bahan yang digunakan sebagai dasar panel surya adalah gabungan bahan semikonduktor ekstrinsik tipe-P dan tipe-N. Bagaimana jika kedua bahan ini disatukan, perhatikan ilustrasi dibawah ini.
Gambar 1 Penggabungan bahan tipe-P dan tipe-N
Pada tipe-P digambarkan dengan bahan yang mayoritas pembawa muatannya adalah hole, sedangkan tipe-N digambarkan dengan bahan yang mayoritas pembawa muatannya adalah elektron bebas. Ketika keduanya disatukan, maka di daerah pembatasan akan terjadi gejolak dimana elektron bebas di tipe-N akan bergerak ke tipe-P dan mengisi hole yang ada disana. Karena proses ini, maka di daerah perbatasan pembawa muatan sangat sedikit jumlahnya atau dapat dikatakan tidak ada sehingga tidak dapat dilalui arus listrik. Selain itu akibat perpindahan elektron bebas tersebut, menyebabkan bahan tipe-N yang sebelumnya netral menjadi kehilangan elektro dan menjadi bermuatan positif, sedangkan tipe-P mendapat tambahan elektron menjadi bermuatan negatif. Karena beda potensial ini maka elektron bebas yang ada di tipe-N semakin sulit untuk berpindah ke tipe-P.
Sesuatu akan terjadi ketika cahaya (foton) dengan panjang gelombang tertentu mengenai sambungan tipe-N dan tipe-P ini. Foton tersebut mampu membuat elektron di daerah sambungan berubah menjadi elektron bebas kembali. Selain menghasilkan elektron bebas, proses ini juga akan menghasilkan hole. Kemunculan elektron bebas dan hole di daerah sambungan menyebabkan proses penghantaran arus Kembali terjadi. Elektron bebas yang dihasilkan di daerah sambungan akan bergerak ke kiri, sedangkan hole yang muncul di daerah sambungan akan menarik elektron bebas lainnya di tipe-N untuk bergerak ke daerah sambungan. Proses ini terjadi selama daerah sambungan terkena cahaya. Sehingga secara kelistrikan akan terjadi aliran elektron bebas dari tipe-N ke tipe-P. Ketika bahan tersebut terhubung ke beban, maka tipe-N dan tipe-P seakan-akan menjadi sumber arus listrik. Tentu saja tegangan dan arus listrik yang dihasilkan disini sangat kecil, sehingga diperlukan kombinasi seri dan paralel untuk mendapatkan arus dan tegangan yang lebih besar. Pada akhirnya daya yang dihasilkan panel surya sangat tergantung dari jumlah sambungan tipe-P dan tipe-N yang ada. Semakin banyak sambungan tipe-P dan tipe-N yang terangkai, maka semakin besar luasan yang diperlukan dan semakin besar daya yang dihasilkan.
Demikian penjelasan tentang bagaimana terjadinya arus listrik pada bahan semikonduktor di panel surya. Semoga dapat menambah wawasan kita semua. Terima kasih, sampai bertemu di tulisan berikutnya yang masih terkait dengan sistem PLTS.
Oleh : Hendra Setiawan
