Pengaruh Panjang Gelombang pada Sel Fotovoltaik

Sel surya bergantung pada fenomena yang dikenal sebagai efek fotovoltaik, ditemukan oleh fisikawan Prancis Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891). Ini terkait dengan efek fotolistrik, sebuah fenomena di mana elektron dikeluarkan dari bahan konduktor ketika cahaya menyinarinya. Albert Einstein (1879-1955) memenangkan Hadiah Nobel 1921 dalam fisika untuk penjelasannya tentang fenomena itu, menggunakan prinsip-prinsip kuantum yang baru pada saat itu. Berbeda dengan efek fotolistrik, efek fotovoltaik terjadi pada batas dua pelat semikonduktor, bukan pada pelat penghantar tunggal. Tidak ada elektron yang benar-benar dikeluarkan ketika cahaya bersinar. Sebaliknya, mereka menumpuk di sepanjang batas untuk menciptakan tegangan. Ketika Anda menghubungkan kedua pelat dengan kawat penghantar, arus akan mengalir di kawat.

Pencapaian besar Einstein, dan alasan mengapa ia memenangkan Hadiah Nobel, adalah untuk mengakui bahwa energi elektron yang dikeluarkan dari pelat fotolistrik bergantung – bukan pada intensitas cahaya (amplitudo), seperti yang diprediksi teori gelombang – tetapi pada frekuensi, yang merupakan kebalikan dari panjang gelombang. Semakin pendek panjang gelombang cahaya datang, semakin tinggi frekuensi cahaya dan semakin banyak energi yang dimiliki oleh elektron yang terlontar. Dengan cara yang sama, sel fotovoltaik sensitif terhadap panjang gelombang dan merespon lebih baik terhadap sinar matahari di beberapa bagian spektrum daripada yang lain. Untuk memahami mengapa, ada baiknya untuk meninjau penjelasan Einstein tentang efek fotolistrik.

Penjelasan Einstein tentang efek fotolistrik membantu membangun model kuantum cahaya. Setiap berkas cahaya, yang disebut foton, memiliki energi karakteristik yang ditentukan oleh frekuensi getarannya. Energi (E) foton diberikan oleh hukum Planck: E = hf, di mana f adalah frekuensi dan h adalah konstanta Planck (6,626 × 10⁻³⁴ joule∙sekon). Terlepas dari kenyataan bahwa foton memiliki sifat partikel, ia juga memiliki karakteristik gelombang, dan untuk gelombang apa pun, frekuensinya adalah kebalikan dari panjang gelombangnya (yang di sini dilambangkan dengan w). Jika kecepatan cahaya adalah c, maka f = c/w, dan hukum Planck dapat ditulis:

Ketika foton terjadi pada bahan konduktor, mereka bertabrakan dengan elektron dalam atom individu. Jika foton memiliki energi yang cukup, mereka melumpuhkan elektron di kulit terluar. Elektron ini kemudian bebas bersirkulasi melalui material. Bergantung pada energi foton yang datang, mereka dapat dikeluarkan dari materi sama sekali.

Menurut hukum Planck, energi foton yang datang berbanding terbalik dengan panjang gelombangnya. Radiasi panjang gelombang pendek menempati ujung spektrum ungu dan termasuk radiasi ultraviolet dan sinar gamma. Di sisi lain, radiasi panjang gelombang panjang menempati ujung merah dan termasuk radiasi infra merah, gelombang mikro dan gelombang radio.

Sinar matahari mengandung seluruh spektrum radiasi, tetapi hanya cahaya dengan panjang gelombang yang cukup pendek yang akan menghasilkan efek fotolistrik atau fotovoltaik. Ini berarti bahwa sebagian dari spektrum matahari berguna untuk menghasilkan listrik. Tidak peduli seberapa terang atau redup cahayanya. Itu hanya harus memiliki – minimal – panjang gelombang sel surya. Radiasi ultraviolet berenergi tinggi dapat menembus awan, yang berarti sel surya harus berfungsi pada hari berawan – dan memang demikian.

Sebuah foton harus memiliki nilai energi minimum untuk membangkitkan elektron yang cukup untuk menjatuhkan mereka dari orbitalnya dan memungkinkan mereka untuk bergerak bebas. Dalam bahan penghantar, energi minimum ini disebut fungsi kerja, dan berbeda untuk setiap bahan penghantar. Energi kinetik elektron yang dilepaskan oleh tumbukan dengan foton sama dengan energi foton dikurangi fungsi kerja.

Dalam sel fotovoltaik, dua bahan semikonduktor yang berbeda digabungkan untuk menciptakan apa yang oleh fisikawan disebut PN-junction. Dalam praktiknya, biasanya menggunakan bahan tunggal, seperti silikon, dan mencampurnya dengan bahan kimia yang berbeda untuk membuat sambungan ini. Misalnya, doping silikon dengan antimon menghasilkan semikonduktor tipe-N, dan doping dengan boron membuat semikonduktor tipe-P. Elektron tersingkir dari orbitnya berkumpul di dekat PN-junction dan meningkatkan tegangan melintasinya. Energi ambang untuk menjatuhkan elektron keluar dari orbitnya dan masuk ke pita konduksi dikenal sebagai celah pita. Ini mirip dengan fungsi kerja.

Untuk tegangan berkembang melintasi PN-junction sel surya. radiasi insiden harus melebihi energi celah pita. Ini berbeda untuk bahan yang berbeda. Ini adalah 1,11 elektron volt untuk silikon, yang merupakan bahan yang paling sering digunakan untuk sel surya. Satu elektron volt = 1,6 × 10^-19 joule, jadi energi celah pita adalah 1,78 × 10^-19 joule. Mengatur ulang persamaan Plank dan menyelesaikan panjang gelombang memberi tahu Anda panjang gelombang cahaya yang sesuai dengan energi ini:

Panjang gelombang cahaya tampak terjadi antara 400 dan 700 nm, sehingga panjang gelombang bandwidth untuk sel surya silikon berada dalam kisaran inframerah yang sangat dekat. Setiap radiasi dengan panjang gelombang yang lebih panjang, seperti gelombang mikro dan gelombang radio, kekurangan energi untuk menghasilkan listrik dari sel surya.

Setiap foton dengan energi lebih besar dari 1,11 eV dapat melepaskan elektron dari atom silikon dan mengirimkannya ke pita konduksi. Namun, dalam praktiknya, foton dengan panjang gelombang yang sangat pendek (dengan energi lebih dari sekitar 3 eV) mengirim elektron keluar dari pita konduksi dan membuatnya tidak dapat melakukan kerja. Ambang batas panjang gelombang atas untuk mendapatkan pekerjaan yang berguna dari efek fotolistrik di panel surya tergantung pada struktur sel surya, bahan yang digunakan dalam konstruksi dan sirkuitnya karakteristik.

Singkatnya, sel PV sensitif terhadap cahaya dari seluruh spektrum selama panjang gelombang berada di atas celah pita bahan yang digunakan untuk sel, tetapi cahaya dengan panjang gelombang yang sangat pendek terbuang sia-sia. Hal ini merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi efisiensi sel surya. Lain adalah ketebalan bahan semikonduktor. Jika foton harus melakukan perjalanan jauh melalui materi, mereka kehilangan energi melalui tumbukan dengan partikel lain dan mungkin tidak memiliki energi yang cukup untuk melepaskan elektron.

Faktor ketiga yang mempengaruhi efisiensi adalah reflektifitas sel surya. Fraksi tertentu dari cahaya datang memantul dari permukaan sel tanpa bertemu elektron. Untuk mengurangi kerugian dari reflektifitas dan meningkatkan efisiensi, produsen sel surya biasanya melapisi sel dengan bahan penyerap cahaya nonreflektif. Inilah sebabnya mengapa sel surya biasanya berwarna hitam.