TEKNOLOGI YANG TERINSPIRASI DARI STRUKTUR JARINGAN TUMBUHAN

Panel surya adalah alat yang terdiri dari sel surya yang mengubah cahaya menjadi listrik. Mereka disebut surya atas Matahari atau "sol" karena Matahari merupakan sumber cahaya terkuat yang dapat dimanfaatkan. Panel surya sering kali disebut sel photovoltaic, photovoltaic dapat diartikan sebagai "cahaya-listrik". Sel surya atau sel PV bergantung pada efek photovoltaic untuk menyerap energi Matahari dan menyebabkan arus mengalir antara dua lapisan bermuatan yang berlawanan.

Jumlah penggunaan panel surya di porsi pemroduksian listrik dunia sangat kecil, tertahan oleh biaya tinggi per wattnya dibandingkan dengan bahan bakar fosil - dapat lebih tinggi sepuluh kali lipat, tergantung keadaan. Mereka telah menjadi rutin dalam beberapa aplikasi yang terbatas seperti, menjalankan "buoy" atau alat di gurun dan area terpencil lainnya, dan dalam eksperimen lainnya mereka telah digunakan untuk memberikan tenaga untuk mobil balap dalam kontes seperti Tantangan surya dunia di Australia.

Pada 2001 Jepang telah memasang kapasitas 0,6 MWp tenaga surya puncak, sementara itu Jerman memilik 0,26 MWp dan Amerika Serikat 0,16 MWp. Pada saat ini tenaga listrik surya seluruh dunia kira-kira sama dengan yang diproduksi oleh satu kincir angin bear. Di AS biaya pemasangan panel surya ini telah jatuh dari $55 per watt puncak pada 1976 menjadi $4 per watt peak di 2001.

a. sel surya 

Sel surya atau sel fotovoltaik, adalah sebuah alat semikonduktor yang terdiri dari sebuah wilayah-besar diode p-n junction, di mana, dalam hadirnya cahaya matahari mampu menciptakan energi listrik yang berguna. Pengubahan ini disebut efek photovoltaic. Bidang riset berhubungan dengan sel surya dikenal sebagai photovoltaics.

Sel surya memiliki banyak aplikasi. Mereka terutama cocok untuk digunakan bila tenaga listrik dari grid tidak tersedia, seperti di wilayah terpencil, satelit pengorbit bumi, kalkulator genggam, pompa air, dll. Sel surya (dalam bentuk modul atau panel surya) dapat dipasang di atap gedung di mana mereka berhubungan dengan inverter ke grid listrik dalam sebuah pengaturan net metering.

Banyak bahan semikonduktor yang dapat dipakai untuk membuat sel surya diantaranya Silikon, Titanium Oksida, Germanium, dll.

Sel surya atau juga sering disebut fotovoltaik adalah divais yang mampu mengkonversi langsung cahaya matahari menjadi listrik. Sel surya bisa disebut sebagai pemeran utama untuk memaksimalkan potensi sangat besar energi cahaya matahari yang sampai kebumi, walaupun selain dipergunakan untuk menghasilkan listrik, energi dari matahari juga bisa dimaksimalkan energi panasnya melalui sistem solar thermal.

Sel surya dapat dianalogikan sebagai divais dengan dua terminal atau sambungan, dimana saat kondisi gelap atau tidak cukup cahaya berfungsi seperti dioda, dan  saat disinari dengan cahaya matahari dapat menghasilkan tegangan. Ketika disinari, umumnya satu sel surya komersial menghasilkan tegangan dc sebesar 0,5 sampai 1 volt, dan arus short-circuit dalam skala  milliampere per cm2. Besar tegangan dan arus ini tidak cukup untuk berbagai aplikasi, sehingga umumnya sejumlah sel surya disusun secara seri membentuk modul surya. Satu modul surya biasanya terdiri dari 28-36 sel surya, dan total menghasilkan tegangan dc sebesar 12 V dalam kondisi penyinaran standar (Air Mass 1.5). Modul surya tersebut bisa digabungkan secara paralel atau seri untuk memperbesar total tegangan dan arus outputnya sesuai dengan daya yang dibutuhkan untuk aplikasi tertentu. Gambar dibawah menunjukan ilustrasi dari modul surya.

Modul surya biasanya terdiri dari 28-36 sel surya yang dirangkai seri untuk memperbesar total daya output. (Gambar :”The Physics of Solar Cell”, Jenny Nelson)

Struktur Sel Surya

Sesuai dengan perkembangan sains&teknologi, jenis-jenis teknologi sel surya pun berkembang dengan berbagai inovasi. Ada yang disebut sel surya generasi satu, dua, tiga dan empat, dengan struktur atau bagian-bagian penyusun sel yang berbeda pula (Jenis-jenis teknologi surya akan dibahas di tulisan “Sel Surya : Jenis-jenis teknologi”). Dalam tulisan ini akan dibahas struktur dan cara kerja dari sel surya yang umum berada dipasaran saat ini yaitu sel surya berbasis material silikon yang juga secara umum mencakup struktur dan cara kerja sel surya generasi pertama (sel surya silikon) dan kedua (thin film/lapisan tipis).

Struktur dari sel surya komersial yang menggunakan material silikon sebagai semikonduktor. (Gambar:HowStuffWorks)

Gambar diatas  menunjukan ilustrasi sel surya dan juga bagian-bagiannya. Secara umum terdiri dari :

1. Substrat/Metal backing

Substrat adalah material yang menopang seluruh komponen sel surya. Material substrat juga harus mempunyai konduktifitas listrik yang baik karena juga berfungsi sebagai kontak terminal positif sel surya, sehinga umumnya digunakan material metal atau logam seperti aluminium atau molybdenum. Untuk  sel surya dye-sensitized  (DSSC) dan sel surya organik, substrat juga berfungsi sebagai tempat masuknya cahaya sehingga material yang digunakan yaitu material yang konduktif tapi juga transparan sepertii ndium tin oxide (ITO) dan flourine doped tin oxide (FTO).

2. Material semikonduktor

Material semikonduktor merupakan bagian inti dari sel surya yang biasanya mempunyai tebal sampai beberapa ratus mikrometer untuk sel surya generasi pertama (silikon), dan 1-3 mikrometer untuk sel surya lapisan tipis. Material semikonduktor inilah yang berfungsi menyerap cahaya dari sinar matahari. Untuk kasus gambar diatas, semikonduktor yang digunakan adalah material silikon, yang umum diaplikasikan di industri elektronik. Sedangkan untuk sel surya lapisan tipis, material semikonduktor yang umum digunakan dan telah masuk pasaran yaitu contohnya material Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGS), CdTe (kadmium telluride), dan amorphous silikon, disamping material-material semikonduktor potensial lain yang dalam sedang dalam penelitian intensif seperti Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTS) dan Cu2O (copper oxide).

Bagian semikonduktor tersebut terdiri dari junction atau gabungan dari dua material semikonduktor yaitu semikonduktor tipe-p (material-material yang disebutkan diatas) dan  tipe-n (silikon tipe-n, CdS,dll)  yang membentuk p-n junction. P-n junction ini menjadi kunci dari prinsip kerja sel surya. Pengertian semikonduktor tipe-p, tipe-n, dan juga prinsip p-n junction dan sel  surya akan dibahas dibagian “cara kerja sel surya”.

3. Kontak metal / contact grid

Selain substrat sebagai kontak positif, diatas sebagian material semikonduktor biasanya dilapiskan material metal atau material konduktif transparan sebagai kontak negatif.

4.Lapisan antireflektif

Refleksi cahaya harus diminimalisir agar mengoptimalkan cahaya yang terserap oleh semikonduktor. Oleh karena itu biasanya sel surya dilapisi oleh lapisan anti-refleksi. Material anti-refleksi ini adalah lapisan tipis material dengan besar indeks refraktif optik antara semikonduktor dan udara yang menyebabkan cahaya dibelokkan ke arah semikonduktor sehingga meminimumkan cahaya yang dipantulkan kembali.

5.Enkapsulasi / cover glass

Bagian ini berfungsi sebagai enkapsulasi untuk melindungi modul surya dari hujan atau kotoran.

Cara kerja sel surya

Sel surya konvensional bekerja menggunakan prinsip p-n junction, yaitu junction antara semikonduktor tipe-p dan tipe-n. Semikonduktor ini terdiri dari ikatan-ikatan atom yang dimana terdapat elektron sebagai penyusun dasar.  Semikonduktor tipe-n mempunyai kelebihan elektron (muatan negatif)  sedangkan semikonduktor tipe-p mempunyai kelebihan hole (muatan positif) dalam struktur atomnya.  Kondisi kelebihan elektron dan hole tersebut bisa terjadi dengan mendoping material dengan atom dopant. Sebagai contoh untuk mendapatkan material silikon tipe-p, silikon didoping oleh atom boron, sedangkan untuk mendapatkan material silikon tipe-n, silikon didoping oleh atom fosfor. Ilustrasi dibawah menggambarkan junction semikonduktor tipe-p dan tipe-n.

Junction antara semikonduktor tipe-p (kelebihan hole) dan tipe-n (kelebihan elektron). (Gambar : eere.energy.gov)

 Peran dari p-n junction ini adalah untuk membentuk medan listrik sehingga elektron (dan hole) bisa diekstrak oleh material kontak untuk menghasilkan listrik. Ketika semikonduktor tipe-p dan tipe-n terkontak, maka kelebihan elektron akan bergerak dari semikonduktor tipe-n ke tipe-p sehingga membentuk kutub positif pada semikonduktor tipe-n, dan sebaliknya kutub negatif pada  semikonduktor tipe-p. Akibat dari aliran elektron dan hole ini maka terbentuk medan listrik yang mana  ketika cahaya matahari mengenai susuna p-n junction ini maka akan mendorong elektron bergerak dari semikonduktor menuju kontak negatif, yang selanjutnya dimanfaatkan sebagai listrik, dan sebaliknya hole bergerak menuju kontak positif menunggu elektron datang, seperti diilustrasikan pada gambar dibawah.

Ilustrasi cara kerja sel surya dengan prinsip p-n junction. (Gambar : sun-nrg.org)

*Definisi dari istilah-istilah teknis diartikel ini bisa ditemukan di menu “Daftar istilah-istilah” 

Sensor cahaya adalah sebuah alat yang digunakan untuk mengubah besaran cahaya menjadi besaran listrik. Prinsip kerja dari alat ini adalah mengubah energi dari foton menjadi elektron. Idealnya satu foton dapat membangkitkan satu elektron. Sensor cahaya sangat luas penggunaannya, salah satu yang paling populer adalah kamera digital. Pada saat ini sudah ada alat yang digunakan untuk mengukur cahaya yang mempunyai 1 buah foton saja.

Di bawah ini adalah jenis-jenis sensor cahaya, di antaranya:

• Detektor kimiawi, seperti pelat fotografis, dimana mmolekul silver halida dibagi menjadi sebuah atom perak metalik dan atom halogen. Pengembang fotografis menyebabkan terbaginya molekul yang berdekatkan secara sama.
• Fotoresistor atau Light Dependent Resistor (LDR) yang berubah resistansinya ketika dikenai cahaya
• Sel fotovoltaik atau sel matahari yang menghasilkan tegangan dan memberikan arus listrik ketika dikenai cahaya
• Fotodioda yang dapat beroperasi pada mode fotovoltaik maupun fotokonduktif
• Tabung fotomultiplier yang mengandung fotokatoda yang memancarkan elektron ketika dikenai cahaya, kemudian elektron-elektron tersebut akan dikuatkan dengan rantai dynode.
• Tabung cahaya yang mengandung fotokatoda yang memancarkan elektron ketika dikenai cahaya, dan umumnya bersifat sebagai fotoresistor.
• Fototransistor menggabungkan salahsatu dari metode penyensoran di atas
• Detektor optis yang berlaku seperti termometer, secara murni tanggap terhadap pengaruh panas dari radiasi yang masuk, seperti detektor piroelektrik, sel Golay, termokopel dan termistor, tetapi kedua yang terakhir kurang sensitif.
• Detektor cryogenic cuku tanggap untuk mengukur energi dari sinar-x tunggal, serta foton cahaya terlihat dan dekat dengan inframerah (Enss 2005).

Dengan memanfaatkan berbagai macam komponen elektronika, kita dapat membuat berbagai macam rangkaian yang bisa dimanfaatkan untuk berbagai keperluan. Tentu saja dalam pemanfaatan tersebut kita harus memahami betul bagaimana sifat dan cara kerja dari masing-masing komponen ini. Dalam artikel ini kita akan membahas penggunaan beberapa komponen untuk membuat rangkaian sensor cahaya. Sesuai dengan namanya, rangkaian sensor cahaya tentu saja bekerja dengan memanfaatkan cahaya dalam mempengaruhi cara kerja sebuah rangkaian. Cara settingnyapun tergantung pada penggunaan yang kita inginkan yaitu apakah rangkaian bekerja saat ada cahaya atau saat cahaya tiada. Komponen utama dalam penyusunan rangkaian sensor cahaya ini tentunya komponen yang sifat dan cara kerjanya dipengaruhi oleh cahaya juga. Ada beberapa komponen elektronika yang kerjanya dipengaruhi oleh cahaya yaitu:

1. Light Dependent Resistor (LDR)
2. Photo Dioda
3. Photo Transistor

Dengan memanfaatkan salah satu dari ketiga komponen di atas kita dapat merancang sebuah rangkaian sensor cahaya untuk berbagai keperluan seperti sensor anti maling, sensor lampu taman, sensor lampu rumah, sensor lampu mobil, atau yang lebih keren bisa dimanfaatkan untuk rangkaian yang bisa diprogram, robot dan lain lain. 

Sesuai dengan judul artikel ini kita akan membahas cara kerja rangkaian sensor cahaya menggunakan light dependent resistor (LDR). Rangkaian sensor ini bisa kita manfaatkan untuk mematikan dan menghidupkan lampu yang ada di rumah kita. Dengan demikian kita bisa menghemat tenaga (bagi yang malas) karena tak perlu lagi untuk menghidupkan lampu ketika malam sudah mulai tiba dan tak perlu repot mematikan ketika matahari pagi mulai menyapa. Berikut ini adalah gambar rangkaian dasar dari rangkaian sensor cahaya menggunakan LDR.

Pada gambar rangkaian di atas terlihat bahwa komponen yang digunakan terdiri dari beberapa komponen yaitu:

1. Sumber tegangan dc 9 volt
2. Dua buah resistor 47 kilo ohm dan 1 kilo ohm
3. Satu buah variabel resistor
4. Satu buah LDR
5. Satu buah transistor type NPN
6. Satu buah relay
7. Satu buah lampu

Rangkaian di atas akan bekerja untuk menghidupkan dan mematikan lampu yang terhubung ke listrik (PLN) secara otomatis tergantung pada kondisi cahaya yang mengenai komponen LDR. Artinya jika keadaan sudah malam, lampu akan menyala dan jika sudah pagi lampu akan padam.  Prinsip rangkaian sensor seperti ini cocok digunakan untuk lampu taman, bisa juga lampu rumah dan sekarang sudah ada juga mobil yang lampunya hidup saat malam tiba dan mati ketika siang hari. Kenapa rangkain di atas bisa bekerja demikian? Berikut ini adalah penjelasan singkat dari cara kerja rangkaian tersebut.

• Saat siang hari (saat LDR terkena cahaya) LDR akan memiliki nilai tahanan yang sangat kecil. Semakin terang cahaya yang mengenainya semakin kecil nilai tahanan yang dimilikinya (bahkan bisa diabaikan besarnya). Kondisi ini akan menyebakan arus listrik akan memilih untuk mengalir melewati LDR ini dan tidak akan melewati Resistor 1 Kilo ohm yang terhubung ke basis transistor, (ingat prinsip arus listrik itu akan lebih suka mengalir ke tempat yang tidak punya tahanan dan enggan untuk mengalir ke tempat yang tahanannya tinggi).
• Kondisi ini akan membuat Transistor tidak dapat bekerja (seperti saklar terbuka) sehingga tidak ada arus yang mengalir dari kolektor ke emitor transistor. Ini artinya tidak ada arus yang mengalir pada relay yang terpasang pada kolektor transistor.
• Karena relay tidak mendapatkan arus listrik, maka relay tidak bekerja sehingga tidak dapat menarik saklar yang akan menghubungkan arus listrik ac (PLN) ke lampu. Keadaan ini akan membuat lampu listrik taman, rumah akan padam
• Saat malam hari (saat LDR tidak terkena cahaya) LDR akan memiliki tahanan yang sangat besar sehingga tidak bisa di aliri arus listrik. Kondisi ini akan menyebabkan arus listrik memilih R2 1 kilo ohm sebagai tempat mengalir.
• Ketika arus listrik mengalir ke basis transistor (tentunya harus diatur agar tegangan basis ini besar dari tegangan kerja 0.7 volt) maka transistor akan bekerja seperti sebuah saklar tertutup. Akibatnya akan ada arus listrik mengalir dari kolektor ke emitor yang menyebabkan relay teraliri arus listrik.
• Ketika relay teraliri arus listrik, maka relay akan bekerja menarik saklar sehingga saklar tertutup dan dapat mengalirkan arus ac (PLN) ke lampu dan lampu akan menyala.

untuk lebih jelasnya tentang panel surya lihta video berikut : 

untuk lebih jelasnya tentang sensor cahaya lihat video berikut : 

sumber : 

https://id.wikipedia.org/wiki/Sel_surya

http://www.uniksharianja.com/2016/03/cara-kerja-rangkaian-sensor-cahaya-menggunakan-ldr.html

https://teknologisurya.wordpress.com/dasar-teknologi-sel-surya/prinsip-kerja-sel-surya/

https://id.wikipedia.org/wiki/Panel_surya

https://id.wikipedia.org/wiki/Sensor_cahaya