Sekilas Tentang Sel Surya

Sel surya pada dasarnya adalah suatu elemen aktif yang mengubah cahaya matahari menjadi energi listrik. Pada umumnya satu keping sel surya mempunyai ketebalan 3 mm, tersusun atas kutub positif dan negatif yang terbuat dari irisan bahan semikonduktor. Prinsip kerja suatu sel surya dalah dengan memanfaatkan efek fotovoltaik, yaitu suatu efek yang dapat mengubah secara langsung cahaya matahari menjadi suatu energi listrik.
Prinsip ini pertama kali dikemukakan oleh Bacquere, seorang ahli fisika berkebangsaan Perancis pada tahun 1839. Material yang sering digunakan untuk membuat sel surya adalah silikon kristal, yaitu bahan yang sama yang sering digunakan untuk pembuatan jenis semikonduktor. Agar dapat digunakan sebagai bahan sel surya, silikon dimurnikan hingga membentuk suatu unsur pembentuk atom. Dengan terbentuknya sifat atom pada setiap sel dari sel surya tersebut maka terbentuk pula suatu kutub elektromagnetik yang menyebabkan efek photovoltaik tersebut.

Gambar Skematik Integrasi Sel SuryaDalam aplikasi suatu sel surya yang terintegrasi seperti pada gambar diatas biasanya diperlukan sutu accumulator untuk menyimpan energi listrik yang dihasilkan oleh sel surya tersebut pada waktu sel surya mendapatkan cahaya matahari. Sehingga dengan menyimpan energi yang dihasilkan pada waktu siang tersebut akan menghasilkan cadangan energi pada waktu tidak ada sinar matahari. Untuk setiap blok sel surya biasanya menghasilkan tegangan keluaran antara 0,7 volt hingga 1,2 volt DC pada saat menerima sinar matahari.

Aplikasi Sel Surya Sebagai Sumber Energi Alternatif

Gelombang yang timbul akibat medan listrik dan medan magnet disebut gelombang elektromagnet. Gelombang elektromagnet yang terlihat oleh pancaindera manusia adalah cahaya dengan panjang gelombang berkisar pada 300-700 nm (nanometer). Gelombang diatas panjang gelombang 700 nm adalah inframerah dan dibawah 300 nm adalah ultraviolet. Manusia telah banyak memanfaatkan energi yang terdapat pada gelombang elektomagnet sejak dahulu kala. Tapi pemahaman tentang gelombang ini sendiri baru dapat dianalisis oleh kita sekitar abad 10.

Spektrum Cahaya

Seiring perkembangan zaman, pemanfaatan gelombang elektromagnet oleh manusia semakin sering dilakukan dalam kehidupan sehari-hari sesuai dengan perkembangan pemahaman tentang gelombang ini sendiri. Nama-nama seperti Isaac Newton dengan Hypothesis of Lightnya, Christian Huygens dengan teori rambat gelombang, Faraday dengan teori elektromagnetisme, James Clerk Maxwell yang berhasil memperbaiki teori rambat gelombangnya Christian Huygens, Max Planck dengan teori kuantum, Albert Einstein dan Louis de Broglie yang menyatakan bahwa cahaya adalah bentuk partikel dan gelombang dengan teori dualitas partikel-gelombang telah memberikan kontribusi yang besar dalam memanfaatkan gelombang elektromagnet dalam kehidupan sehari-hari.

Cahaya matahari yang merupakan pancaran gelombang elektromagnet adalah salah satu contoh dari sekian banyak bentuk energi yang dapat kita rasakan di bumi dan telah kita manfaatkan sumber dayanya berabad-abad. Pemberdayaan energi cahaya matahari pada setiap zaman semakin meningkat seiring dengan pengetahuan yang kita dapatkan dan salah satunya adalah Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) yang memanfaatkan energi foton cahaya matahari menjadi energi listrik.

Indonesia sendiri, sebuah negara yang dilewati oleh garis khatulistiwa dan menerima panas matahari yang lebih banyak daripada negara lain, mempunyai potensial yang sangat besar untuk mengembangkan pembangkit listrik tenaga surya sebagai alternatif batubara dan diesel sebagai pengganti bahan bakar fosil yang bersih, tidak berpolusi, aman dan persediaannya tidak terbatas. Berbagai instalasi sel surya telah banyak dipakai walaupun hanya pada beberapa golongan masyarakat mampu.
Bahan sel surya sendiri terdiri kaca pelindung dan material adhesive transparan yang melindungi bahan sel surya dari keadaan lingkungan, material anti-refleksi untuk menyerap lebih banyak cahaya dan mengurangi jumlah cahaya yang dipantulkan, semi-konduktor P-type dan N-type (terbuat dari campuran Silikon) untuk menghasilkan medan listrik, saluran awal dan saluran akhir (tebuat dari logam tipis) untuk mengirim elektron ke perabot listrik.

Cara kerja sel surya sendiri sebenarnya identik dengan piranti semikonduktor dioda. Ketika cahaya bersentuhan dengan sel surya dan diserap oleh bahan semi-konduktor, terjadi pelepasan elektron. Apabila elektron tersebut bisa menempuh perjalanan menuju bahan semi-konduktor pada lapisan yang berbeda, terjadi perubahan sigma gaya-gaya pada bahan. Gaya tolakan antar bahan semi-konduktor, menyebabkan aliran medan listrik. Dan menyebabkan elektron dapat disalurkan ke saluran awal dan akhir untuk digunakan pada perabot listrik. Bahan dan cara kerja yang aman terhadap lingkungan menjadikan sel surya sebagai salah satu hasil teknologi pembangkit listrik yang efisien bagi sumber energi alternatif masyarakat di masa depan. Memberikan harapan kepada kita untuk mengelola alam secara lebih “alamiah”.

Sumber:
http://en.wikipedia.org/wiki/Light
http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell
en.wikipedia.org/wiki/Solar_collector

Info Penting

Pendahuluan Matahari yang setiap hari memancarkan sinarnya ke bumi dan juga ke planet-planet lain yang ada pada tatasurya kita, adalah sumber kehidupan bagi semua makhluk hidup yang ada di bumi ini. Pemancaran energi matahari yang sampai ke bumi telah berlangsung terus menerus sejak kurang lebih 5.000.000.000 tahun yang lalu dan akan terus berlangsung sampai waktu yang belum diketahui. Energi matahari yang seakan-akan tak akan habis tersebut, menarik untuk diamati karena sumber energi matahari tersebut ternyata berasal dari reaksi thermonuklir yang sangat dahsyat dan menghasilkan panas dalam orde jutaan derajat celcius. Oleh karena sumber energi matahari berasal dari reaksi thermonuklir, berarti energinya bisa berkurang dan pada akhirnya akan habis manakala reaktan yang terlibat dalam reaksi thermonuklir telah habis bereaksi. Apabila reaktan yang bereaksi telah habis, maka matahari akan padam dan ini berarti kematian bagi semua makhluk hidup yang ada di bumi ini. Tulisan ini akan membahas bagaimana reaksi thermonuklir bisa terjadi di matahari, berapa panas yang dihasilkannya dan kapan reaksi thermonuklir akan berhenti atau kapan matahari akan padam. Suhu Matahari Menurut para ahli astronomi modern yang mempelajari keberadaan bintang-bintang di jagat raya ini, matahari kita adalah salah satu bintang diantara 100.000.000 bintang yang ada pada suatu kelompok atau galaksi yang disebut dengan kelompok bintang "Milky Way". Matahari sebenarnya adalah suatu bintang yang besarnya termasuk rata-rata dibandingkan dengan ukuran bintang-bintang lainnya. Banyak bintang lainnya yang ukurannya jauh lebih besar dari pada ukuran matahari kita. Diameter matahari 1.400.000 kilometer yang berarti 100 kali diameter bumi. Gravitasi matahari lebih kuat dari pada gravitasi di bumi, yaitu 28 kali lebih kuat dari pada gravitasi bumi. Cahaya bintangpun ada yang jauh lebih terang yang berarti suhunya juga jauh lebih panas dari pada suhu matahari kita. Matahari tampak sangat besar dibandingkan dengan bintang-bintang yang tersebar di jagat raya ini karena letaknya yang relatif sangat dekat dengan bumi, yaitu sekitar 150.000.000 kilometer. Bintang yang paling dekat dengan bumi adalah bintang Alpha Centauri yang jaraknya 40.000.000.000.000 kilometer dari bumi. Bagaimana kedudukan matahari terhadap bumi dan planet-planet lainnya dalam tata surya kita dapat dilihat pada Gambar 1. Matahari sebagai dapur nuklir menghasilkan panas yang sangat amat tinggi hasil dari reaksi thermonuklir yang terjadi di matahari. Suhu pada pusat matahari (pada inti) diperkirakan mencapai lebih dari 14.000.000 ºC, sedangkan suhu permukaannya relatif dingin, yaitu sekitar 5.000 - 6.000 ºC. Struktur matahari terdiri atas beberapa bagian, yaitu yang ada di pusat disebut "inti matahari", kemudian bagian antara inti matahari sampai dengan permukaan matahari disebut "photosphere". Pada permukaan terdapat bagian yang disebut dengan "sunspots" yang tampak lebih gelap, karena suhunya memang relatif lebih dingin dibandingkan dengan bagian lain. Sunspots bersuhu sekitar 4000 ºC, lebih dingin bila dibandingkan dengan suhu pada permukaan matahari, sehingga wajar bila tampak lebih gelap kalau dilihat dengan "coronagraph". Atmosfer Matahari Atmosfir matahari terletak di atas permukaan matahari yang sebagian besar berupa gas Hidrogen. Atmosfir matahari terdiri atas 2 bagian utama, yaitu "chromospher" dan "corona". Bagian chromosphere dapat mencapai ketebalan 12.000 kilometer dari permukaan matahari, sedangkan bagian corona tampak bagaikan mahkota berwarna putih yang melingkari matahari. Corona dapat mencapai ketinggian ratusan ribu bahkan dapat sampai jutaan kilometer dari permukaan matahari. Suhu pada chromosphere dan pada corona sangat jauh berbeda. Chromosphere yang terletak pada permukaan matahari bersuhu kurang lebih 5.000 ºC, sedangkan suhu pada daerah corona dapat mencapai sekitar 10.000 - 100.000 ºC, atau bahkan dapat lebih tinggi lagi. Suhu corona yang jauh lebih panas dari pada suhu chromosphere, padahal letaknya lebih jauh dari inti matahari sempat menimbulkan pertanyaan diantara para ahli astronomi dan astrofisika. Suhu yang lebih tinggi pada bagian corona ternyata disebabkan karena adanya "kejutan gelombang yang sangat kuat" yang berasal dari gerakan turbulen photosphere yang memanaskan lapisan gas pada corona. Selain dari itu, pada permukaan chromosphere sering terjadi lidah api akibat letusan ataupun ledakan gas yang ada pada permukaan chromosphere. Letusan atau ledakan yang menimbulkan lidah api ini sering disebut dengan "prominence". Lidah api ini dapat mencapai ketinggian ratusan ribu kilometer dari permukaan chromosphere. Prominence ini dapat dilihat jelas pada saat terjadi gerhana matahari total. Peristiwa lain yang terjadi pada permukaan chromosphere adalah timbulnya filament gas akibat gerakan gas chromosphere yang panas. Filament gas ini tampak pada permukaan chromosphere sebagai sel-sel kasar yang disebut "supergranulation". Peristiwa-peristiwa tersebut di atas terjadi silih berganti yang menyebebkan timbulnya "plage" dan "flare". Plage adalah keadaan matahari pada saat panas dan bercahaya terang. Sedangkan flare adalah semburan energi tinggi dari permukaan matahari, berupa radiasi partikel sub atomik. Radiasi partikel sub atomik ini dapat sampai ke atmosfir bumi dan memicu terjadinya reaksi inti yang merupakan sumber radiaasi kosmogenis. Reaksi Thermonuklir Sudah sejak lama orang memikirkan dari mana asal energi matahari yang begitu panas dan setiap hari dipancarkan ke bumi, namun sampai saat ini belum juga habis sumber energi tersebut. Sampai dengan pertengahan abad ke 19, pada saat orang belum mengenal reaksi nuklir, orang masih menganggap bahwa energi matahari berasal dari bola api besar yang sangat panas. Kalau benar bahwa matahari berasal dari bola api besar, lantas timbul pertanyaan apa yang menjadi bahan bakar bola api tersebut? Para ilmuwan pada saat itu belum bisa menjawab dengan tepat. Mungkinkah kayu, batubara, minyak atau bahan bakar lainnya yang terdapat di matahari yang dibakar berdasarkan reaksi kimia biasa sehingga timbul bola api besar tersebut? Kalau benar bahan-bahan tersebut dibakar untuk menghasilkan energi matahari, maka berdasarkan perhitungan reaksi kimia, energi yang dihasilkan hanya dapat bertahan beberapa ribu tahun saja. Setelah itu matahari akan padam. Padahal matahari telah memancarkan energinya sejak ratusan juta bahkan orde milyard tahun yang lalu. Dengan demikian maka anggapan bahwa sumber energi matahari tersebut berasal dari kayu, batubara, minyak atau bahan bakar lainnya adalah tidak benar. Para ahli astronomi dan juga astrofisika pada saat ini telah memperkirakan bahwa unsur-unsur kimia yang ada di bumi juga terdapat di matahari. Akan tetapi sebagian besar unsur kimia yang terdapat di matahari tersebut, sekitar 80% berupa gas Hidrogen. Sedangkan unsur kedua yang banyak terdapat di matahari adalah gas Helium, kurang lebih sebanyak 19 % dari seluruh massa matahari. Sisanya yang 1 % terdiri atas unsur-unsur Oksigen, Magnesium, Nitrogen, Silikon, Karbon, Belerang, Besi, Sodium, Kalsium, Nikel serta beberapa unsur lainnya. Unsur-unsur kimia tersebut bercampur menjadi satu dalam bentuk gas sub atomik yang terdiri atas inti atom, elektron, proton, neutron dan positron. Gas sub atomik tersebut memancarkan energi yang amat sangat panas yang disebut "plasma". Energi matahari dipancarkan ke bumi dalam berbagai macam bentuk gelombang elektromagnetis, mulai dari gelombang radio yang panjang maupun yang pendek, gelombang sinar infra merah, gelombang sinar tampak, gelombang sinar ultra ungu dan gelombang sinar -x. Secara visual yang dapat ditangkap oleh indera mata adalah sinar tampak, sedangkan sinar infra merah terasa sebagai panas. Bentuk gelombang elektromagnetis lainnya hanya dapat ditangkap dengan bantuan peralatan khusus, seperti detektor nuklir berikut piranti lainnya. Pada saat matahari mengalami plage yang mengeluarkan energi amat sangat panas, kemudian diikuti terjadinya flare yaitu semburan partikel sub atomik keluar dari matahari menuju ke ruang angkasa, maka pada sistem matahari diperkirakan telah terjadi suatu reaksi thermonuklir yang sangat dahsyat. Keadaan ini diduga pertama kali pada tahun 1939 oleh seorang ahli fisika Amerika keturunan Jerman bernama Hans Bethe. Menurut Bethe, energi matahari yang amat sangat panas tersebut disebabkan oleh karena terjadi reaksi fusi atau penggabungan inti ringan menjadi inti yang lebih berat. Reaksi thermonuklir yang berupa reaksi fusi tersebut adalah penggabungan 4 inti Hidrogen menjadi inti Helium, berdasarkan persamaan reaksi inti berikut ini: (H1 + H1 -> H2 + Beta+ + v + 0,42 MeV) x 2 (H1 + H2 -> He3 + Gamma + 5,5 MeV) x 2 He3 + He3 -> He4 + 2H1 + 12,8 MeV ---------------------------------------- + H1 -> He4 + 2Beta+ + 2Gamma + 2v + 24,64 MeV Menurut Bethe, reaksi inti yang serupa reaksi fusi tersebut di atas, dapat menghasilkan energi panas yang amat sangat dahsyat. Selain dari itu, karena sebagian besar massa matahari tersebut tersusun oleh gas Hidrogen (80%) dan gas Helium (19%), maka masih ada kemungkinan terjadinya reaksi fusi lain berdasarkan reaksi rantai proton-proton sebagai berikut: H1 + H1 -> H2 + Beta+ + v H1 + H2 -> He3 + Gamma He3 + He4 -> Be7 + Gamma Be7 + Beta+ -> Li7 + Gamma + v ------------------------------------ + Li7 + H1 -> He4 + He4 Terbentuknya gas Helium berdasarkan reaksi thermonuklir tersebut di atas juga menghasilkan energi yang amat sangat panas. Kemungkinan lain, gas Helium juga dapat terbentuk melalui reaksi nuklir berikut ini : Be7 + H1 -> B8 + Gamma B8 -> Be8 + Beta+ + v Be8 -> He4 + He4 Walaupun reaksi inti tersebut di atas sudah dapat menghasilkan energi yang amat sangat panas, ternyata masih ada kemungkinan lain untuk terjadinya reaksi thermonuklir matahari yang menghasilkan energi yang jauh lebih dahsyat dan lebih panas lagi. Reaksi thermonuklir tersebut akan mengikuti reaksi inti rantai Karbon - Nitrogen sebagai berikut : C12 + H1 -> N13 + Gamma N13 -> C13 + Beta+ + v C13 + H1 -> N14 + Gamma N14 + H1 -> O15 + Gamma O15 -> N15 + Beta+ + v N15 + H1 -> C12 + He4 Reaksi ratai Karbon - Nitrogen tersebut di atas, menghasilkan panas yang jauh lebih panas dari pada reaksi rantai Proton - Proton maupun reaksi fusi Hidrogen menjadi Helium. Reaksi-reaksi thermonuklir tersebut di atas dapat terjadi di matahari dan juga di bintang-bintang yang tersebar di jagat raya ini. Reaksi thermonuklir sejauh ini dianggap sebagai sumber energi matahari maupun energi bintang. Bintang yang bersinar lebih terang dari pada matahari kita yang berarti pula bahwa suhunya jauh lebih panas, maka reaksi thermonuklir yang terjadi pada bintang tersebut pada umumnya akan mengikuti reaksi rantai Karbon - Nitrogen. Kapan Matahari Akan Padam? Pertanyaan kapan matahari akan padam adalah suatu pertanyaan yang sulit dijawab dengan pasti, apalagi kalau harus membuktikan kebenarannya. Namun sama halnya dengan keingintahuan manusia untuk mengetahui berapa umur bumi atau kapan terbentuknya bumi ini, maka para ahlipun berusaha dengan akalnya untuk memperkirakan kapan matahari akan padam. Seperti telah diterangkan di muka, bahwa matahari akan padam manakala reaksi thermonuklir di matahari telah berhenti. Apabila matahari padam, maka kehidupan di muka bumi akan berhenti. Secara empiris telah dapat dibuktikan bahwa ada bintang yang pada mulanya bersinar terang, akan tetapi kemudian sinarnya makin redup dan akhirnya padam. Keadaan ini telah direkam oleh teleskop angkasa luar hubble. Atas dasar ini maka dapat saja matahari pada suatu saat akan padam. Seorang fisikawan Jerman, Hermann von Helmholtz, pada tahun 1825 mengamati perkembangan matahari yang ternyata diameter matahari setiap tahunnya menyusut 85 m. Kalau pengamatan Helmholtz benar, maka berdasarkan perhitungan penyusutan diameter matahari, umur matahari hanya akan bertahan untuk waktu 20.000.000 sampai dengan 25.000.000 tahun sejak matahari mengalami penyusutan. Untuk kurun waktu itu, teori Helmholtz ini cukup memuaskan para ilmuwan, sebelum akhirnya digugurkan oleh teori reaksi thermonuklir yang masih bertahan sampai saat ini. Atas dasar teori thermonuklir sudah barang tentu teori Helmholtz menjadi tidak benar, karena dalam kenyataannya matahari telah bersinar sejak orde 5.000.000.000 tahun yang lalu atau bahkan lebih dari itu, suatu umur yang melebihi perkiraan Helmholtz. Reaksi thermonuklir yang dikemukakan oleh Hans Bethe seperti yang telah diuraikan di muka, sebenarnya mirip dengan reaksi kimia konvensional dalam arti bahwa reaksi masih dapat berlangsung selama masih tersedia unsur atau reaktan yang menyebabkan terjadinya proses reaksi thermonuklir tersebut. Pada reaksi thermonuklir yang terjadi di matahari, sebagai reaktan utama adalah gas Hidrogen. Para ahli astronomi dan astrofisika berpendapat bahwa dengan bertambahnya umur matahari, maka pemakaian Hidrogen untuk reaksi thermonuklir dalam rangka mendapatkan energi yang amat sangat panas makin bertambah. Pada peristiwa ini energi yang dihasilkan oleh reaksi thermonuklir juga bertambah, sehingga energi radiasi yang dipancarkan matahari juga bertambah. Hal ini berarti pula suhu atmosfir bumi akan naik dan bumi akan terasa makin panas. Apabila pendapat para ahli astronomi dan astrofisika tersebut benar, yaitu dengan bertambahnya umur matahari akan membuat persediaan gas Hidrogen pada permukaan matahari berkurang, maka jelas bahwa cepat atau lambat matahari pada akhirnya akan padam. Berdasarkan teori ini energi radiasi matahari diperkirakan masih dapat bertahan untuk jangka waktu kurang lebih 10.000.000.000 tahun lagi, setelah itu matahari padam. Contohnya adanya bintang yang pada saat ini sedang dalam proses menuju ke keadaan padam, telah dapat direkam gambarnya oleh teleskop ruang angkasa Hublle. Hal ini secara empiris menunjukkan kemungkinan yang sama dapat terjadi pada matahari kita. Namu apa yang terjadi akan terjadi sebelum waku 10.000.000.000. tahun tersebut terjadi? Secara teori dalam perjalanan menuju waktu 10.000.000.000. tersebut, suhu atmosfir bumi akan naik terus karena energi radiasi yang datang dari matahari bertambah panas. Keadaan ini akan menyebabkan es yang ada di kutub utara dan selatan akan mencair yang mengakibatkan tenggelammnya beberapa daratan atau garis pantai akan bergeser ke arah daratan. Kota-kota yang berada di pantai akan tenggelam. Ini baru merupakan bencana awal bagi kehidupan manusia di muka bumi ini. Bencana berikutnya adalah menguapnya semua air yang ada di bumi ini, karena suhu atmosfir bumi makin panas yang pada akhirnya tidak ada lagi air di muka bumi ini. Bumi yang menjadin kering kerontang tanpa air sama sekali dan suhunya yang panas menyebabkan berakhirnya kehidupan di muka bumi ini. Keadaan ini aka terjadi menjelang waktu mendekati 10.000.000.000 tahun yang akan datang. Pada saat matahari kehabisan reaktan gas Hidrogen, maka reaksi thermonuklir benar-benar akan berhenti dan ini berarti matahari padam. Matahari yang telah padam ini akan mengeci;l (menyusust) menjadi suatu planet kecil yang dingin membeku yang disebut "White dwarf" atau si kerdil putih yang bukan matahari lagi! Contoh bintang atau planet yang sudah menjadi "white dwarf" di jagat raya ini cukup banyak, salah satunya planet bintang yang pada saat ini sedang menuju kematian seperti yang direkam oleh teleskop ruang angkasa Hubble. Sekali lagi keadaan tersebut akan terjadi 10.000.000.000 tahun yang akan datang. Keterangan ini merupakan jawaban untuk pertanyaan kapan reaksi thermonuklir di matahari berhenti atau matahari padam. Daftar Acuan : Wisnu Arya Wardhana, 1996, radioekologi, Andi Offset, Yogyakarta. Wisnu Arya Wardhana, 2000, Energi Via Satelite Sebuah gagasan untuk Abab 21, Majalah Energi Edisi No. 7, Yogyakarta. Wisnu Arya Wardhana, 2000, Matahri sebagai Sumber Energi, bahan Ceramah Siaran Interaktif Khasanah Iptek, Radio Bikima, Yogyakarta Kaplan, Irving, 1979, Nuclear Physiscs, Addison Wesle Inc, London> The Sun , 1982, New Book Of Popular Science, Volume II, Grolier Inc, USA. Glasstone, Samuel, 1971, Source Book on Atomic Energy, Van Nostrand, New Jersey.

Alternatif energi masa depan

Jika kita melihat tingkat konsumsi energi di seluruh dunia saat ini, penggunaan energi diprediksikan akan meningkat sebesar 70 persen antara tahun 2000 sampai 2030. Sumber energi yang berasal dari fosil, yang saat ini menyumbang 87,7 persen dari total kebutuhan energi dunia diperkirakan akan mengalami penurunan disebabkan tidak lagi ditemukannya sumber cadangan baru. Cadangan sumber energi yang berasal dari fosil diseluruh dunia diperkirakan hanya sampai 40 tahun untuk minyak bumi, 60 tahun untuk gas alam, dan 200 tahun untuk batu bara. Kondisi keterbatasan sumber energi di tengah semakin meningkatnya kebutuhan energi dunia dari tahun ketahun (pertumbuhan konsumsi energi tahun 2004 saja sebesar 4,3 persen), serta tuntutan untuk melindungi bumi dari pemanasan global dan polusi lingkungan membuat tuntutan untuk segera mewujudkan teknologi baru bagi sumber energi yang terbaharukan. Di antara sumber energi terbaharukan yang saat ini banyak dikembangkan [seperti turbin angin, tenaga air (hydro power), energi gelombang air laut, tenaga surya, tenaga panas bumi, tenaga hidrogen, dan bio-energi], tenaga surya atau solar sel merupakan salah satu sumber yang cukup menjanjikan. Energi yang dikeluarkan oleh sinar matahari sebenarnya hanya diterima oleh permukaan bumi sebesar 69 persen dari total energi pancaran matahari. Suplai energi surya dari sinar matahari yang diterima oleh permukaan bumi sangat luar biasa besarnya yaitu mencapai 3 x 1024 joule pertahun, energi ini setara dengan 2 x 1017 Watt. Jumlah energi sebesar itu setara dengan 10.000 kali konsumsi energi di seluruh dunia saat ini. Dengan kata lain, dengan menutup 0,1 persen saja permukaan bumi dengan divais solar sel yang memiliki efisiensi 10 persen sudah mampu untuk menutupi kebutuhan energi di seluruh dunia saat ini.

Energy surya atau dalam dunia internasional lebih dikenal sebagai solar cell atau photovoltaic cell, merupakan sebuah divais semikonduktor yang memiliki permukaan yang luas dan terdiri dari rangkaian dioda tipe p dan n, yang mampu merubah energi sinar matahari menjadi energi listrik. Pengertian photovoltaic sendiri merupakan proses merubah cahaya menjadi energi listrik. Oleh karena itu bidang penelitian yang berkenaan dengan energi surya ini sering juga dikenal dengan penelitian photovoltaic. Kata photovoltaic sendiri sebenarnya berasal dari bahasa Yunani photos yang berarti cahaya dan volta yang merupakan nama ahli fisika
dari Italia yang menemukan tegangan listrik. Sehingga secara bahasa dapat diartikan sebagai cahaya dan listrik photovoltaic.

Efek photovoltaic pertama kali berhasil diidentifikasi oleh seorang ahli Fisika berkebangsaan Prancis Alexandre Edmond Becquerel pada tahun 1839. Atas prestasinya dalam menemukan fenomena photovoltaic ini, Becquerel mendapat Nobel fisikia pada tahun 1903 bersama dengan Pierre dan Marrie Currie. Baru pada tahun 1883 divais solar sel pertama kali berhasil dibuat oleh Charles Fritts. Charles Fritts saat itu membuat
semikonduktor Selenium yang dilapisi dengan lapisan emas yang sangat tipis sehingga berhasil membentuk rangkaian seperti hubungan semikonduktor tipe p dan tipe n. Pada saat itu efisiensi yang didapat baru sekitar 1 persen. Pada perkembangan berikutnya seorang peneliti bernama Russel Ohl dikenal sebagai orang pertama yang membuat paten tentang divais solar sel modern. Efisiensi divais solar sel dan harga pembuatan solar sel merupakan masalah yang paling penting untuk merealisasikan solar sel sebagai sumber energi alternatif. Efisiensi didefinisikan sebagai perbandingan antara tenaga listrik yang dihasilkan oleh divais solar sel dibandingkan dengan jumlah energi yang diterima dari pancaran sinar matahari.

Pada tengah hari yang cerah radiasi sinar matahari mampu mencapai 1000 watt permeter persegi. Jika sebuah divais semikonductor seluas satu meter persegi memiliki efisiensi 10 persen maka modul solar sel ini mampu memberikan tenaga listrik sebesar 100 watt. Saat ini modul solar sel komersial berkisar antara 5 hingga 15 persen tergantung material penyusunnya. Tipe silikon kristal merupakan jenis divais solar sel yang memiliki efisiensi tinggi meskipun biaya pembuatannya relatif lebih mahal dibandingkan jenis solar sel lainnya.
Pembangkit energi surya sebenarnya tergantung pada efisiensi mengkonversi energi dan konsentrasi sinar matahari yang masuk ke dalam sel tersebut. Professor Smalley, peraih Nobel bidang kimia atas prestasinya menemukan Fullerene, menyatakan bahwa teknologi nano menjanjikan peningkatan efisiensi dalam pembuatan sel surya antara 10 hingga 100 kali pada sel surya. Smalley menambahkan bahwa cara terbaik untuk mendapatkan energi surya secara optimal telah terbukti ketika sel surya dimanfaatkan untuk keperluan satelit ruang angkasa dan alat alat yang diletakkan di ruang angkasa. Penggunaan sel surya dengan meletakkannya di ruang angkasa dapat dengan baik dilakukan karena teknologi nano diyakini akan mampu menciptakan material yang super kuat dan ringan yang mampu bertahan di ruang angkasa dengan efisiensi yang baik.

Perkembangan yang menarik dari teknologi sel surya saat ini salah satunya adalah sel surya yang dikembangkan oleh Michael Gratzel. Gratzel memperkenalkan tipe solar sel photokimia yang merupakan jenis solar sel exciton yang terdiri dari sebuah lapisan partikel nano (biasanya titanium dioksida) yang di endapkan dalam sebuah perendam (dye). Jenis ini pertama kali diperkenalkan pada tahun 1991 oleh Gratzel, sehingga jenis solar sel ini sering juga disebut dengan sel Gratzel atau dye-sensitized solar cells (DSSC). Sel Gratzel dilengkapi dengan pasangan redoks yang diletakkan dalam sebuah elektrolit (bisa berupa padat atau cairan).
Komposisi penyusun solar sel seperti ini memungkinkan bahan baku pembuat sel Gratzel lebih fleksibel dan bisa dibuat dengan metode yang sangat sederhana seperti screen printing. Meskipun solar sel generasi ketiga ini masih memiliki masalah besar dalam hal efisiensi dan usia aktif sel yang masih terlalu singkat, solar sel jenis ini diperkirakan mampu memberi pengaruh besar dalam sepuluh tahun ke depan mengingat harga dan proses pembuatannya yang sangat murah. Indonesia sebenarnya sangat berpotensi untuk menjadikan solar sel sebagai salah satu sumber energi masa depannya mengingat posisi Indonesia pada khatulistiwa yang memungkinkan sinar matahari dapat optimal diterima di permukaan bumi di hampir seluruh Indonesia.

Berdasarkan perhitungan Mulyo Widodo, dosen Teknik Mesin ITB yang mengembangkan solar sel merk SOLARE di pasar komersial Indonesia, dalam kondisi puncak atau posisi matahari tegak lurus, sinar matahari yang jatuh di permukaan panel surya di Indonesia seluas satu meter persegi akan mampu mencapai 900 hingga 1000 Watt. Lebih jauh pakar solar sel dari Jurusan Fisika ITB Wilson Wenas menyatakan bahwa total intensitas penyinaran perharinya di Indonesia mampu mencapai 4500 watt hour per meter persegi yang membuat Indonesia tergolong kaya sumber energi matahari ini. Dengan letaknya di daerah katulistiwa, matahari di Indonesia mampu bersinar hingga 2.000 jam pertahunnya. Dengan kondisi yang sangat potensial ini sudah saatnya pemerintah dan pihak universitas membuat satu pusat penelitian solar sel agar Indonesia tidak kembali hanya sebagai pembeli divais solar sel di tengah melimpahnya sinar matahari yang diterima di bumi Indonesia.

Membuat Sel Surya

Membuat Sel Surya Sendiri

Terdapat beberapa pertanyaan dari banyak pengunjung yang sayangnya belum sempat penulis respon. Banyak cara dan bentuk pertanyaannya, namun inti kesemuanya ialah sami mawon. Pertanyaan yang pertama berkaitan dengan adanya kemungkinan membuat atau merakit sel surya sendiri atau secara mandiri. Sedangkan pertanyaan kedua ialah pemanfaatan bahan baku sekitar untuk dijadikan sel surya lebih khusus lagi untuk sel surya jenis silikon yang saat ini merajai pasar sel surya. Nah, tulisan ini akan sedikit mengupas dua pertanyaan tersebut dengan cara menggabung dua pertanyaan di atas dalam dua artikel yang terpisah; bisakah kita membuat sel surya secara mandiri dengan berbahan baku alam sekitar?

Penulis yakin manisnya janji dan indahnya mimpi yang ditawarkan oleh teklnologi sel surya untuk menyediakan listrik dalam jangka panjang telah mengundang pemikiran-pemikiran bahkan niatan untuk mengembangkan sel surya sendiri di tanah air. Bentuk fisik sel surya yang terlihat amat sederhana, mudah dipasang dan cukup mudah dibawa , mengundang anggapan mudahnya membuat sel surya. Kemudian, setelah mengetahui bahwa bahan dasar sel surya jenis silikon sejatinya ialah pasir atau tanah mengandung silika yang banyak di jumpai di tanah air, bertambah lagi anggapan umum bahwa sel surya sangat mungkin dikembangkan di tanah air yang jelas aroma bisnisnya akan cukup menyengat di masa depan.

Seorang rekan pengunjung Blog ini menulis sebuah pertanyaan seperti di bawah. Pertanyaan ini penulis ambil sebagai sebuah sampel dari beberapa pertanyaan serupa sebelumnya dan artikel ini penulis persiapkan guna menjelaskan apa dan bagaimana pengolahan silikon dari pasir silika itu, serta menimbang-nimbang apakah produksi silikon untuk sel surya dapat kita lakukan atau tidak.

Silikon terdapat banyak di bumi. Ia merupakan unsur kedua terbanyak di kulit bumi setelah oksigen. Terdapat di alam dalam bentuk pasir silika atau yang dikenal juga degan quartz dengan rumus kimia SiO₂. Tanah dimana kita pijak pun mengandung silikon. Sebagai contoh, di Indonesia penamnangan pasir silika ini dilakukan di Kalimantan Tengah dan Jawa Tengah. Di pesisir pantai selatan Jawa juga diyakini memiliki kandungan pasir silika. Silikon yang dipakai untuk keperluan semikonduktor dan sel surya diambil dari hasil pemisahan Si dan O. Saat ini, penghasil silikon terbesar di dunia ialah Cina, Amerika, Brazil, Norwegia dan Prancis. Cadangan sumber daya silika dan ketersediaan tenaga listrik yang cukup besar menjadi alasan mengapa negara-negara di atas memimpin dalam menghasilkan silikon.

Butuh listrik besar.

Tahap pertama pembuatan silikon dimulai dengan jalan memisahkan silikon dari SiO₂. Pemisahan ini dilakukan di dalam sebuah tanur (furnace) yang disuplai dengan listrik berkekuatan tinggi. Skema tanur untuk pemisahan silikon dapat dilihat di bawah ini.

Gambar 1. Skema pemisahan/pembuatan silikon dari pasir silika. Diadaptasi dari
Pasir silika dan karbon (C) secara bersamaan (gambar paling kiri) dimasukkan ke dalam tanur yang dilengkapi dengan elektroda tempat arus listrik mengalir masuk (gambar tengah). Silikon dipisahkan dengan jalan mereaksikan pasir silika dengan karbon pada suhu tinggi, yakni di atas 1900 hingga 2100 derajat celcius. Hal ini mengingat baik pasir maupun karbon merupakan dua zat padat yang mana reaksi akan berlangsung hanya pada saat mereka melebur/mencair/meleleh, ditambah lagi dengan titik leleh pasir silika yang di atas 1800 derajat Celcius. (Reaksi kimia tidak disertakan).

Tingginya suhu proses pemisahan silikon dari pasir silika membawa konsekuensi tingginya konsumsi listrik yang mutlak digunakan. Mengapa musti dengan listrik dan bukan dengan pembakaran? Pembakaran manapun tidak akan mampu mencapai suhu proses yang diperlukan untuk mereaksikan pasir silika dengan karbon, sehingga hanya dengan jalan mengalirkan aurs listrik besar-lah suhu proses ideal mampu dicapai.

Tercatat sekitar 10 hingga 30 MW (MegaWatt) listrik dibutuhkan dalam proses ini tergantung dari seberapa besar tanur yang dipakai. Tidak heran jika hanya negara-negara yang memiliki sumber daya listrik melimpah dan bersumber dari PLTN atau lainnya-lah yang dapat secara ekonomis memisahkan silikon dari pasir silika karena tenaga listrik yang dibutuhkan dalam proses ini sangatlah besar; sekitar sepersepuluh listrik yang dihasilkan oleh PLTU Muara Karang (300 MW) habis hanya untuk proses ini.

Gambar 2. PLTU Muara Karang. Sepersepuluh dari kapasitasnya yang 300 MW itu dibutuhkan untuk memisahkan silikon dari pasir silika.

Silikon yang dihasilkan dari pemisahan Si dan O pada pasir silika perlu dimurnikan kembali untuk mencapai kadar kemurnian silikon di atas 99%. Ada dua tahapan untuk memurnikan silikon hasil pemisahan pasir silika. Tahap pertama, silikon hasil pemisahan masih memiliki „pengotor“ berupa besi (Fe), aluminium (Al), kalsium (Ca) titanium (Ti) dan karbon (C) yang harus dikeluarkan. Tahapan ini dilakukan pada proses pemurnian persis setelah leburan silikon keluar dari tanur (Gambar kiri tengah). Proses ini melibatkan gas oksidatif yang dilakukan pada suhu 1700 derajat Celcius. Listrik berdaya besar masih diperlukan di tahap ini. Sampai tahapan ini, silikon yang dihasilkan disebut dengan metallurgical grade silicon dengan kadar pengotor dalam satuan bagian per sejuta (ppm, parts per million) yang sejatinya sudah cukup untuk dipergunakan untuk banyak keperluan.

Tahapan berikutnya, ialah persiapan dan pemurnian silikon untuk bahan dasar sel surya maupun semikonduktor atau yang disebut dengan semiconductor grade silicon. Tahap ini dilakukan di tempat lain yang terpisah dari proses pemisahan silikon. Untuk diketahui, silikon untuk keperluan semikonduktor membutuhkan kadar kemurnian yang sangat sangat tinggi yang berbeda dari metallurgical grade silicon. Di dunia semikonduktor, dikenal dengan „eleven-nine“ atau 11 angka 9 yang menyatakan kadar kemurnian silikon dalam persen; 99,999999999%. Silikon untuk keperluan semikonduktor harus memiliki unsur pengotor dalam satuan bagian per semilyar (ppb, parts per billion) atau bagian per setrilyun (ppt, parts per trillion). Sederhana saja, jika kadar kemurnian silikon di bawah nilai nominal tersebut, dapat dijamin bahwa sebuah prosesor atau memori komputer atau sel surya tidak dapat berjalan dengan baik.

Pemurnian silikon untuk keperluan sel surya maupun semikonduktor lain dilakukan dalam bentuk gas melalui proses yang disebut dengan proses Siemens. Silikon dari tahap pemurnian pertama (metallurgical grade silicon) direaksikan dengan gas asam klorida (HCl) untuk membuat gas silikon klorida. Proses reaksi ini dilakukan pada suhu 350 derajat Celcius.

Silikon klorida kemudian dimasukkan ke dalam reaktor Siemens (gambar di bawah) bersama-sama dengan gas hydrogen. Di dalam reaktor Siemens terdapat batangan umpan silikon (silicon feed rod) berbentuk U terbalik yang dipanaskan pada suhu 1100 derajat Celcius dan pendingin. Silikon klorida mengalami reaksi dekomposisi atau reaksi penguraian menjadi silikon pada permukaan batangan umpan silikon, dan silikon hasil penguraian ini menempel dan terendap di batangan tersebut. Semakin lama proses, semakin banyak silikon yang mengendap yang kemudian membesar menjadi silikon dengan kadar kemurnian 11 angka 9 di atas (reaksi kimia tidak disertakan).

Gambar 3. Skema diagram proses dan reaktor Siemens untuk memurnikan silikon.

Sampai di sini, silikon sudah memiliki kemurnian yang dapat dimanfaatkan untuk keperluan sel surya.

Silikon untuk sel surya

Sel surya dibuat dari silikon yang berbentuk bujur sangkar pipih dengan ukuran 5 x 5 cm atau 10 x 10 cm persegi. Ketebalan silikon ini sekitar 2 mm. Lempengan bujur sangkar pipih ini disebut dengan wafer silikon untuk sel surya. Bentuk wafer silikon sel surya berbeda dengan wafer silikon untuk semikonduktor lain (chip, prosesor komputer, RAM memori) yang berbentuk bundar pipih meski memiliki ketebalan yang sama (lihat gambar bawah).

Gambar 4. Wafer silikon untuk keperluan elektronika (bundar pipih) dan sel surya (persegi berwarna biru).

Wafer silikon ini dibuat melalui proses pembuatan wafer silikon dengan memanfaatkan silikon berkadar kemurnian tinggi sebelumnya (semiconductor grade silicon). Secara ringkas, penulis paparkan beberapa cara membuat wafer silikon untuk keperluan sel surya.

1. Wafer silikon jenis monokristal.

Mono kristal di sini berarti silikon tersebut tersusun atas satu kristal saja. Sedangkan jenis lain ialah wafer silikon polikristal yang terdiri atas banyak krstal. Wafer silikon monokristal dibuat melalui proses Czochralski (Cz) yang merupakan jantung dari proses pembuatan wafer silikon untuk semikonduktor pula. Prosesnya melibatkan peleburan silikon semiconductor grade, diikuti dengan pemasukan batang umpan silikon ke dalam leburan silikon. Ketika batang umpan ini ditarik perlahan dari leburan silikon, maka secara otomatis silikon dari leburan akan mennempel di batang umpan dan membeku sebagai satu kristal besar silikon. Suhu proses berkisar antara 1000-1200 derajat Celsius, yakni suhu di mana silikon dapat melebur/meleleh/mencair. Silikon yang telah membeku ini akhirnya dipotong-potong menghasilkan wafer dengan ketebalan sekitar 2 milimeter.

Gambar 5. Skema proses Cz untuk membuat wafer silikon. (Atas) Reaktor tempat pembuatan wafer slikon, (Tengah atas) Keadaan silikon yang tengat ditarik oleh batang pengumpan. Perhatikan warna silikon yang berpijar tanda masih dalam keadaan setengah cair/lelehan. (Tengah bawah) Ruangan pabrik pembuatan wafer silikon yang selalu terjaga kebersihannya dan seragam yang selalu dipakai pekerjanya. (Bawah) Wafer silikon yang dihasilkan (diameter 20-40 cm panjang bisa mencapai 1-2 m).

Gambar 6. Sel surya yang menggunakan bahan dasar silikon monokristal. Perhatikan warna biru yang homogen pada sel surya tersebut.

2. Wafer silikon jenis polikristal.

Wafer silikon monokristal relatif jauh lebih sulit dibuat dan lebih mahal. Silikon monokristal inilah yang digunakan untuk bahan dasar semikonduktor pada mikrochip, prosesor, transistor, memori dan sebagainya. Keadaannya yang monokristal (mengandung hanya satu kristal tunggal) membuat silikon monokristal nyaris tanpa cacat dan sangat baik tingkat hantar listrik dan panasnya. Sel surya akan bekerja dengan sangat baik dengan tingkat efisiensi yang tinggi jika menggunakan silikon jenis ini.

Namun demikian, perlu diingat bahwa isu besar sel surya ialah bagaimana menurunkan harga yang masih jauh dari jangkauan masyarakat. Penggunaan silikon monokristal jelas akan melonjakkan harga sel surya yang akhirnya justru kontraprduktif. Komunitas industri dan peneliti sel surya akhirnya berpaling ke jenis silikon yang lain yang lebih murah, lebih mudah dibuat, meski agak sedikit mengorbankan tingkat efisiensinya. Saat ini, baik silikon monokristal maupun polikristal sama sama banyak digunakan oleh masyarakat.

Gambar 7. (Atas) Salah satu contoh aktifitas peleburan material (logam, slikon, dll.) (Bawah) Sel surya berbahan baku silikon polikristal. Perhatikan warna terang gelap pada sel surya yang menandakan kristal kristal yang berbeda arah dan besarnya.

Pembuatan silikon polikristal pada intinya sama dengan mengecor logam (lihat Gambar di bawah). Semiconductor grade silicon dimasukkan ke dalam sebuah tungku atau tanur bersuhu tinggi hingga melebur/meleleh. Leburan silikon ini akhirnya dimasukkan ke dalam cetakan cor dan selanjutnya dibiarkan membeku. Persis seperti pengecoran besi, aluminium, tembaga maupun logam lainnya. Silikon yang beku kemudian dipotong-potong menjadi berukuran 5 x 5 atau 10 x 10 cm persegi dengan ketebalan kira-kira 2 mm untuk digunakan sebagai sel surya. Proses pembuatan silikon polikristal dengan cara ini merupakan proses yang paling banyak dilakukan karena sangat efektif baik dari segi ekonomis maupun teknis.

Secara umum, proses pembuatan sel surya mulai dari dari silikon dapat dilihat pada gambar di bawah ini. Proses Pembuatan Sel Surya sendiri telah diterangkan sebelumnya.

Perbandingan dengan industri besi dan baja

Sebagai penutup artikel ini, penulis mecoba membandingkan industri pengolahan silikon dengan industrui besi dan baja di tanah air. Sebagaimana kita ketahui, industri besi dan baja kita mengandalkan bahan baku dalam negeri dengan salah satu yang terbesar ialah PT Krakatau Steel (PT KS). Penulis pernah berkunjung ke PT KS beberapa tahun lalu dan melihat sendiri fasilitas yang dimilikinya, termasuk pelabuhan sendiri serta (kalau tidak salah) pembangkit listrik sendiri atau disuplai dari pembangkt listrik terdekat.

Industri pengolahan silikon hingga siap pakai untuk sel surya penulis ibaratkan sama dengan industri baja, baik dari segi kerumitan maupun investasinya. Besi mudah ditemui, diolah bahkan dijadikan kerajinan. Sudah banyak industri kecil kita yang mampu membuat sendiri alat alat dari besi maupun baja. Namun demikian, ketika hendak berbicara mengenai produksi massal yang memanfaatkan besi, maka pembuatan besi maupun baja sudah melibatkan perhitungan untung rugi ekonomisnya sejak dari penambangan bijih besi. Untuk dapat mengolah bijih besi menjadi besi, dibutuhkan invetasi besar; penambangan bijih, pemisahan bijih, peleburan, pengolahan dan sebagainya seperti apa yang dilakukan PT KS.

Sama dengan pengolahan silikon. Bahkan untuk hal ini, silikon membutuhkan investasi yang lebih besar dari pembuatan besi dan baja mengingat ada komponen ekstra dalam menjaga kebersihan dan ongkos energi yang sangat besar berbanding dengan hasil produksi. Betul bahwa pasir silika banyak terdapat di tanah air, namun demikian, untuk mengubahnya menjadi barang yang jauh berharga semisal semikonduktor atau sel surya, sangat mustahil dilakukan oleh perorangan atau industri kecil-menengah. Hal ini bukan hanya dikarenakan persoalan modal saja, melainkan secara ilmiah-alamiah, mengubah pasir silika menjadi silikon saja tidak dapat dilakukan dengan cara sembarangan atau cara yang disederhanakan.

Bidang ini harusnya diserahkan kepada pemerintah atau investor asing/besar yang berminat bermain di penyediaan bahan baku dasar sel surya atau semikonduktor.

Pada dasarnya, pembuatan sel surya tidak ubahnya pembuatan microchip yang ada di dalam peralatan elektronika semisal komputer, televisi maupun alat pemutar musik digital MP3. Banyak teknologi yang dipakai oleh sel surya mengadopsi dan mengadaptasi teknologi pembuatan microchip karena teknologi microchip sudah mapan jauh sebelum booming sel surya yang baru muncul belakangan di akhir 1980-an.

Teknologi pembuatan microchip maupun sel surya sama-sama bersandar pada konsep nanoteknologi. Yakni sebuah konsep revolusioner dalam merekayasa perilaku dan fungsi sebuah sistem pada skala molekul atau skala nanometer (berdimensi ukuran se-per-milyar meter). Sistem yang dimaksud ini dapat berupa molekul-molekul, ikatan kimia, hingga atom-atom yang menyusun sebuah produk. Yang direkayasa ialah perilaku atom atau molekul-molekulnya tadi dengan jalan menyesuaikan kondisi pembuatan atau lingkungan molekul atau atom yang dimaksud.

Gambar 1. Sebuah gambaran konsep dari Nanoteknologi. Saking kecilnya produk nanoteknologi, hingga seekor semut pun dapat turut membantu mengangkat sebuah microchip.

Sebagai contoh nyata yang umum pada dunia akademik maupun industri mikrochip ialah, kita dapat mengatur di mana sebuah molekul atau atom tersebut menempel di bagian tertentu pada komponen microchip atau sel surya, atau “memrintahkan” ia berpindah dari satu tempat ke tempat lain ketika arus listrik atau temperatur disesuaikan. Pengaturan atau perekayasaan perilaku molekul atau atom ini sangat berguna untuk menyesuaikan produk sebuah teknologi untuk keperluan sehari-hari. Hal ini terlihat jelas jika melihat kegunaan komputer dewasa ini yang semakin cepat dan poweful justru ketika ukuran prosesor-nya semakin kecil dan memori yang semakin padat. Atau kita melihat bagaimana rekayasa molekul dapat menghasilkan tanaman yang mengasilkan buah dan bibit yang berkualitas lebih unggul.

Gambar 2. Perbesaran dari bagian internal sebuah prosesor komputer/semikonduktor.

Yang kadang terlupakan, nanoteknologi tidak hanya menyentuh persoalan bagaimana membuat, namun juga bagaimana menguji dan mengamatinya, yang jelas membutuhkan alat yang sama-sama berangkat dari konsep yang sama dan dimensi ukuran yang sama. Semisal, ketika ingin mengetahui sebuah produk apakah bagus atau tidak, maka perlu melalui serentetan pengujian dan analisa yang berujung pada sebuah kesimpulan bagus atau jeleknya sebuah produk. Jika produknya memiliki ukuran satu helai rambut dibelah 1000, maka alat penguji dan pengamatnya harus mampu menjejak dengan ketelitian hingga sebesar itu pula.

Perlu penulis tegaskan, nenoteknologi ini ialah konsep yang sangat mahal, mahal dalam arti kata sebenarnya. Sangat banyak prasyarat maupun biaya yang harus dipenuhi sebelum memulai sebuah penelitian dalam skala nanoteknologi, apalagi untuk membawanya ke arah komersialisasi yang melibatkan investasi yang tidak sedikit dan kerumitan yang tinggi.

Ada syarat kebersihan ekstra jika kita hendak mengadopsi konsep nanoteknologi. Semakin kecil sebuah produk, maka jika ada kotoran atau debu saja yang menempel pada produk tersebut (yang notabene berukuran sama), maka produk nanoteknologi tersebut tidak akan berfungsi dengan baik. Sehingga, salah satu investasi ekstra jika hendak menekuni nanoteknologi ialah membangun fasilitas entah itu pabrik atau laboratorium yang sangat-sangat bersih sesuai dengan standar yang berlaku, yang disebut dengan Clean Room (lihat gambar 3 berikut).

Gambar 3. Situasi di sebuah Clean Room. Perhatikan baju khusus anti debu yang dipakai para pekerja di sebuah Clean Room.

Standar pembuatan sel surya jenis silikon melalui beberapa proses implantasi (pemasukan) atom-atom lain ke dalam material silikon yang melibatkan proses kimiawi difusi gas pada temperatur di atas 800 derajat Celcius. Proses ini apabila tidak teliti akan mengakibatkan kebocoran dan sangat berbahaya karena mempergunakan gas yang beracun bagi kesehatan. Alat yang dipergunakan sendiri jelas harus mampu membangkitkan, mengatur dan mempertahankan proses di dalam temperatur tinggi tersebut. Pembuatan sel surya sendiri melalui beberapa tahap proses yang serupa dengan proses implantasi ini dalam temperatur yang berbeda-beda. Jelas tidak boleh terdapat adanya pengotor semacam debu yang ditolerir selama proses berlangsunng karena bila ada, maka sel surya akan gagal total.

Sebenarnya. jika kita melihat alat dan proses yangterlibat dalam pembuatan sel surya secara langsung, maka kesan angker dan sakralnya proses tersebut akan hilang dengan sendirinya (lihat gambar 4 di bawah ini). Prosesnya melibatkan otomatisasi dan komputerisasi. Alatnya sendiri terbungkus rapi di dalam sebuah lemari besi berjendela kaca sehingga aman ketika dioperasikan. Hanya saja, untuk berinvestasi membeli, mempergunakan serta merawat alat tersebut, biaya yang dikeluarkan sangatlah mahal untuk ukuran kita sehingga mustahil bagi industri kecil apalagi perseorangan untuk membuat sel surya sendiri. Terlebih dalam menyediakan gas khusus yang dibutuhkan untuk implantasi atom yang tidak sembarangan dalam penanganannya.

Gambar 4. (Atas) Salah satu alat untuk melakukan proses difusi atom ke dalam silikon yang mengandalkan plasma. (Bawah) Tipikal alat pembuatan sel surya yang telah terintegrasi dan terkompuiterisasi

Kerumitan pembuatan sel surya ada pada tahap pengecekan efisiensi sel yang baru dibuat. Memeriksa apakah sel surya itu dapat berfungsi dengan baik dan dengan efisiensi yang baik membutuhkan peralatan tersendiri dan tidak sembarangan untuk sekedar dirakit. Peralatan ini mensimulasikan besarnya energi cahaya matahari dan harus dikalibrasi dengan standar tertentu. Simulasi ini harus mendekati kondisi sebenarnya penyinaran cahaya matahari. Alat yang dperlukan untuk ini ialah solar simulator yakni alat yang mensimulasikan energi cahaya matahari dan mengukur respon sel surya terhadap cahaya matahari yang akhirnya menghitung efisiensi sel surya.

Gambar 5. (Atas) Prinsip kerja sebuah Solar Simulator, (Bawah) Solar simulator yang dijual di pasaran.

Untuk meniru energi yang dipancarkan oleh matahari, Solar Simulator ini dilengkapi dengan lampu yang berisi gas Xenon yang mampu memberikan kondisi yang nyaris persis sama dengan matahari. Sel surya yang hendak diukur efisiensinya, diletakkan di bagian yang telah ditentukan. Hasil akhir dari simulasi ini ialah berapa besar efisiensi dan daya yang mampu dihasilkan oleh sebuah sel surya. Biasanya pengukuran ini dilakukan pada tahap paling akhir pembuatan sel surya.

Apa yang dapat kita dilakukan?

Penulis melihat meski sel surya tidak dapat dikembangkan secara sembarangan, ada beberapa hal yang perlu dicermati sebagai pintu masuk terlibatnya masyarakat kita turut aktif mengembangkan sel surya. Penulis urutkan dari tingkatan paling ideal hingga yang paling realistis untuk dilakukan.

1. Peleburan dan pembuatan wafer silikon

Kalau negara kita mengklaim memiliki kekayaan alam pasir silika yang dapat diolah menjadi silikon, maka ini perlu dibuktikan dengan memproduksi sendiri silikon yang diperlukan. Negara kita cukup mampu dalam mengolah bijih-bijih logam dan mustinya mampu pula mengolah pasir silika menjadi bijih silikon. Namun, jika kemampuan finansial maupun teknik bangsa kita masih kalah jauh dengan negara yang sudah maju dalam pembuatan wafer silikon monokristal untuk semikonduktor, maka cukuplah membidik pangsa pasar wafer silikon polikristal untuk sel surya yang level pembuatannya relatif lebih mudah dilakukan.

Gambar 6. pasir silika, menunggu untuk diubah menjadi sel surya.

Sejatinya, industri wafer silikon ialah sebuah industri strategis berteknologi tinggi. Posisinya sama dengan industri dirgantara, kapal laut maupun industri baja. Hal ini berkaitan dengan peran vital silikon dalam industri elektronik. Tidak ada industri elektronik manapun yang tidak membutuhkan silikon. Bila sebuah gedung dapat berdiri tegak karena memanfaatkan baja dan pesawat dapat terbang karena menggunakan aluminium, maka komputer dan alat elektronika lain dapat berfungsi karena adanya wafer silikon ini.

Apabila negara kita dapat memiliki industrri strategis di bidang ini, maka kontribusi Indonesia terhadap industri dunia menjadi sangat siginifikan. Sebagai contoh terdekat dengan penulis saat ini, Korea Selatan saat ini menjadi pemimpin dalam bidang memori RAM komputer dengan merek Samsung maupun Hynix. Meski demikian, merka tetap bersikeras membuat wafer silikon sendiri demi mengurangi ketergantungan industri memorinya dari wafer silikon buatan luar. Efek positif dari pembuatan wafer sendiri ialah tingkat kecepatan suplai bahan baku wafer serta meningkatnya sisi konpetitif dan ekonomis dari memori buatan Korea di pasar dunia.

2. Impor mesin-mesin pembuatan sel surya.

Langkah China dalam memasarkan sel surya di negaranya maupun di pasaran dunia cukup menarik untuk dicermati. Industri-industri China tidak membuat material dasar wafer silikon untuk sel surya karena mereka tahu investasinya akan sangat besar. Mereka juga tidak memiliki kemampuan dalam membuat mesin-mesin yang dipergunakan pabrik-pabrik mereka untuk membuat sel surya dalam skala besar.

Gambar 7. Mesin pembuat sel surya yang telah terintegrasi. Perlu ada investasi untuk membelinya dari luar negeri.

Hanya saja, strategi mereka ialah, mengimpor mesin-mesin pabrik dari Jerman sebagai bahagian dari investasi, serta mengimpor material silikon khusus untuk sel surya dari negaa-negara lain semisal, Jerman, Jepang dan Korea Selatan. Keunggulan komparatif upah pekerja yang murah, membuat sel-sel surya made in China saat ini bersaing di pasaran sel surya Eropa selain menjadi tuan rumah di negara sendiri tentunya. Hal ini penulis saksikan sendiri dalam ajang pameran dan konferensi ilmiah sel surya tahun 2005 di Shanghai, China. Mungkin strategi ini dalam jangka pendek bisa diterapkan di Indonesia.

3. Industri assembly.

Kerumitan pembuatan sel surya tidak terlalu ditemui pada proses enkapsulasi sel surya menjadi sebuah modul surya. Sebagai informasi, sel surya sendiri berukuran sekitar 5 x 5 atau 10 x 10 cm persegi. Sel sebesar ini hanya dapat mengkonversi cahaya matahari menjadi listrik berdaya sekitar 1 - 2 Watt saja. Untuk dapat digunakan secara praktis, seitar 30 hingga 50 buah sel surya ini dirangkaikan satu sama lain agar menghasilkan daya keluaran sekitar 50 hingga 75 Watt. Rangkaian sel surya ini disebut dengan modul surya dan modul surya-lah yang sebenarnya dijual dipasaran yang terdiri atas sekian buah sel surya (Gambar 8). Dengan menata seberapa besar kebutuhan listrik, maka tinggal dihitung saja berapa banyak modul surya yang perlu dibeli, kemudian digabung dan dirangkaikan kembali agar menghasilkan daya keluaran sesuai dengan kebutuhan listrik rumah tangga misalnya. Rangkaian modul surya ini disebut dengan panel surya.

Gambar 8. Contoh modul sel surya yang dipasarkan. Perhatikan adanya sel surya di dalam modul yang telah dirangkai dan dienkapsulasi menjadi satu susunan besar modul surya.

Sejauh yang penulis ketahui, proses enkapsulasi sel surya menjadi modul surya relatif lebih mudah dilakukan oleh industri menengah karena inti kegiatannya sama dengan proses assembly, atau merangkai sesuatu dari komponen-komponen yang sudah jadi. PT LEN, sebuah BUMN konon kabarnya sudah mampu meng-assembly sel surya menjadi modul surya yang siap dipasarkan. Melalui langkah ini. industri assembly sel surya tidak perlu berinvestasi pada penambangan, peleburan dan pembuatan wafer silikon. Jalan umum yang diambil hanyalah mengimpor sel surya yang sudah jadi, kemudian merangkainya menjadi modul dan menjualnya kembali ke pasaran.

4. Pembuatan komponen pelengkap sel surya.

Hal terakhir yang mungkin penulis sarankan ialah menekuni pembuatan komponen sel surya (disebut dengan balance of system lihat Gambar 8), semacam inverter DC ke AC, kabel-kabel, aki atau baterei, beberapa kontroler yang penulis yakin sudah cukup dikuasai industri elektronika di Indonesia. Jelas keuntungan produk Indonesia yang relatif murah mustinya dapat merajai pasar komponen untuk sel surya di tanah air. Sebagai tambahan, mungkin desain perumahan atau gedung yang siap merespon pemakaian sel surya di Indonesia dapat menjadi lahan bagus buat para arsitek.

Gambar 9. Komponen-komponen pelengkap sel surya agar dapat bekerja (Balance of System)

Antara Ilmu dan Investasi

Akhirul kalam, dengan menurunkan artikel ini, penulis agak khawatir telah menutup semangat dan cita-cita beberapa pengunjung Blog peminat sel surya yang berniat untuk mengusahakan sel surya sendiri, atau beberapa pihak yang telah melihat potensi alam Indonesia yang kaya pasir silika akan surut langkahnya untuk melirik energi alternatif lain di masa depan. Tidak kurang dari profesional, masyarakat awam hingga anggota direksi sebuah BUMN sempat menanyakan kemungkinan membuat sel surya sendiri.

Namun penulis berpegang bahwa itulah manfaat ilmu, yakni mengkaji dan meluruskan serta memberikan sebuah rekomendasi sebagai respon atas pandangan umum di tengah-tengah masyarakat mengenai sebuah produk teknologi, dalam hal ini sel surya. Sel surya sebagai produk teknologi tidak lepas dari peran investasi sebagai konsekuensi logis dari visi produksi massal sel surya guna mengatasi tantangan energi di masa depan. Tanpa investasi baik dalam tataran penelitian, pengembangan maupun produksi, hasil teknologi tidak dapat dinikmati oleh masyarakat luas melainkan teronggok di dalam lemari perpustakaan atau sekedar bahan laporan akhir atau sekedar karya ilmiah kecil.

Sebagai penutup, penulis menegaskan bahwa negara kita apalagi kita perseorangan, tidak mungkin alias mustahil membuat sel surya sendiri meski dengan menggunakan bahan-bahan alam dari bumi pertiwi tanpa investasi besar dan langkah yang serius. Mungkin pemerintah perlu segera membuat langkah nyata agar investor antuisias menanamkan modal untuk mengolah potensi silikon serta membangun iklim penelitian dan investasi di area sel surya yang kondusif. Dengan catatan, pemerintah musti sudah bervisi ke depan mempersiapkan konsep energi yang berkelanjutan, bersih dan murah