Berbagi pengetahuan, dari mana saja, dari siapa saja, untuk semua

Sel Termofotovoltaik: Sel Surya yang Efisien Menghasilkan Listrik dari Matahari

Sekitar 85% produksi energi listrik dunia, yang merupakan kebutuhan primer manusia, bersumber dari bahan bakar fosil yang memerlukan waktu ratusan juta tahun untuk dapat diproduksi kembali. Di sisi lain, penggunaan energi listrik yang semakin hari semakin meningkat mendorong munculnya berbagai sumber energi baru dan terbarukan seperti matahari, angin, maupun gerakan dan gelombang air.

Matahari merupakan salah satu sumber energi alternatif yang diperkirakan dapat dimanfaatkan sampai miliaran tahun ke depan. Ada dua cara yang umum digunakan untuk mengubah energi matahari menjadi energi listrik. Cara pertama adalah menggunakan energi panas yang dipancarkan oleh matahari. Cara kedua adalah dengan memanfaatkan energi yang dibawa oleh cahaya matahari, melalui partikel foton.

Energi panas matahari dapat diubah menjadi energi listrik dengan menggunakan sistem energi matahari terkonsentrasi atau concentrated solar power system (CSP system). Dalam sistem ini, panas dari matahari dikonsentrasikan untuk memanaskan air atau fluida lain yang nantinya akan menghasilkan uap dan digunakan untuk memutar turbin sehingga menghasilkan listrik.

Untuk menghasilkan listrik dengan foton, dibutuhkan perangkat khusus berupa sel fotovoltaik / photovoltaic (PV), atau yang lebih dikenal dengan nama sel surya. Sel fotovoltaik terbuat dari semikonduktor yang memiliki sambungan p-n. Sel fotovoltaik yang terkena sinar matahari akan melepaskan elektron yang nantinya akan menjadi arus listrik. Untuk dapat menghasilkan arus listrik, foton harus memiliki energi yang lebih tinggi daripada pita energi (band gap) material pembentuk sel fotovoltaik tersebut. Band gap adalah jumlah energi minimal yang diperlukan elektron pada suatu material untuk dapat tereksitasi.

Mengingat permasalahan energi dunia saat ini, pengolahan sumber energi dengan efisiensi tinggi menjadi sangat diperhitungkan. Akan tetapi, sel fotovoltaik standar yang terbuat dari bahan silikon dan memiliki satu sambungan p-n hanya dapat menghasilkan listrik dengan efisiensi maksimum sebesar 31%. Angka efisiensi ini masih sangat rendah untuk ukuran konversi energi. Hal ini dikarenakan sebagian besar cahaya matahari yang mengenai sel fotovoltaik memiliki energi lebih rendah daripada band gap sehingga tidak dapat diubah menjadi listrik. Faktor lain yang mengurangi efisiensi dari sel fotovoltaik tipe ini adalah cahaya matahari dengan energi yang lebih tinggi daripada band gap mengubah kelebihan energinya menjadi radiasi panas, bukan listrik.

Ada beberapa cara yang bisa digunakan untuk meningkatkan efisiensi dari sel fotovoltaik. Salah satunya adalah dengan menggunakan beberapa sel yang memiliki band gap yang berbeda secara bersamaan sehingga bisa menyerap seluruh energi dari cahaya matahari baik yang memiliki energi rendah maupun tinggi. Cara berikutnya adalah dengan menggunakan sistem sel termofotovoltaik / thermophotovoltaics (TPV).

Berbeda dengan sel fotovoltaik pada umumnya, sel TPV memiliki tambahan berupa absorber (penyerap) dan emitter (pemancar) yang dapat disesuaikan untuk menyerap energi dari gelombang elektromagnetik lalu memancarkannya kembali untuk diubah menjadi listrik dengan sel fotovoltaik. Fungsi dari absorber dan emitter adalah untuk mengubah panjang gelombang yang berkaitan dengan energi dari foton yang masuk sehingga sesuai dengan energi yang dapat diserap oleh sel fotovoltaik yang digunakan.

Salah satu kelebihan dari sistem ini adalah dapat menghasilkan listrik menggunakan sumber panas atau sumber radiasi elektromagnetik selain matahari. Absorber dan emitter yang digunakan bisa disesuaikan dengan sumber radiasi elektromagnetik sehingga bisa menyerap energinya dengan efisiensi tinggi dan kembali memancarkannya pada sel fotovoltaik dengan panjang gelombang yang sesuai dengan band gap sel tersebut untuk diubah menjadi listrik.

Ilustrasi sistem sel TPV.

Dengan menyesuaikan panjang gelombang dari gelombang elektromagnetik untuk dapat diserap dan diubah menjadi listrik agar sesuai dengan sel fotovoltaik yang digunakan, energi tak terpakai atau yang hilang menjadi panas dapat diminimalisir dan efisiensi dari produksi listrik yang dihasilkan oleh sel fotovoltaik dapat ditingkatkan.

Kelebihan lainnya dari sistem ini adalah tidak ada bagian yang perlu digerakkan pada saat menghasilkan listrik dan biaya pemeliharaannya akan menjadi lebih rendah jika dibandingkan dengan sistem pembangkit listrik tenaga surya lainnya yang memerlukan bagian lain untuk menggerakkan panel surya ke arah datangnya matahari. Sistem sel fotovoltaik juga dapat digunakan walaupun berukuran kecil karena efisiensi pada sistem ini tidak dipengaruhi oleh ukurannya. Sistem ini juga memiliki tingkat kepadatan energi yang tinggi apabila emitter dan sel fotovoltaik diletakkan dalam jarak dekat.

Dengan beberapa kelebihan tersebut, efisiensi konversi energi listrik teoretis sistem sel TPV mampu mencapai 85%. Banyak riset yang sedang dikerjakan di berbagai belahan dunia untuk benar-benar mencapai efisiensi teoretis tersebut yang dinilai cukup tinggi. Sistem ini juga bisa membantu meringankan permasalahan pengolahan sumber energi terbarukan yang bersih dan berefisiensi tinggi.

Bahan bacaan:

  • Peter Harder, N. Wurfel, P. 2003. Theoretical limits of thermophotovoltaic solar energy conversion.
  • Coutts, T.J. 2001. An overview of thermophotovoltaic generation of electricity.
  • Shimizu, M. 2013. Advanced energy systems using spectrally controlled thermal radiation.
  • Kohiyama, A. 2017. Solar thermophotovoltaic power generation system using spectrally controlled monolithic absorber/emitter.

Penulis:
Hanifah Winarto, mahasiswa S-1 bidang teknik mesin Tohoku University, Jepang.
Kontak: haniphobia(at)yahoo(dot)com