Sel Volta dan Sel Elektrolit

Jembatan garam

Jembatan aram biasanya berupa tabung berbentuk U yang diisi dengan agar-agar yang dijenuhkan dengan KCl. Jembatan garam berfungsi untuk menjaga kenetralan muatan listrik pada larutan. Karena konsentrasi larutan elektrolit pada jembatan garam lebih tinggi daripada konsentrasi elektrolit di kedua bagian elektroda, maka ion negatif dari jembatan garam masuk ke salah satu setengah sel yang kelebihan muatan positif dan ion positif dari jembatan garam berdifusi ke bagian lain yang kelebihan muatan negatif.

 Dengan adanya jembatan garam terjadi aliran electron yang kontinu melalui kawat pada rangkaian luar dan aliran ion-ion melalui larutan sebagai akibat dari reaksi redoks yang spontan yang terjadi pada kedua elektroda

Jika kedua elektrolit pada sel dipisahkan sama sekali tanpa adanya jembatan garam, maka dapat dilihat bahwa aliran electron akan segera berhenti. Hal ini terjadi karena pada kedua elektroda terjadi ketidaknetralan listrik, di satu bagian  kelebihan muatan positif dan di bagian lain kelebihan muatan negatif. Dengan adanya jembatan garam dapat terjadi penetralan muatan listrik di setiap elektroda melalui difusi ion-ion, akan tetapi kedua larutan elektroda tetap dapat dijaga untuk tidak saling bercampur secara bebas, sebab kalau dibiarkan bercampur maka ion-ion Cu²⁺ akan bereaksi langsung dengan elektroda Zn, dan electron tidak akan mengalir melalui kawat pada rangkaian luar.

Penggunaan agar-agar mempunyai keuntungan, diantaranya menjaga agar larutan elektrolit di  satu bagian elektroda tidak mengalir ke bagian elektroda lainnya saat permukaan kedua larutan elektrolit di kedua elektrolit berbeda.

 Adanya jembatan garam menyebabkan adanya pertemuan cairan elektrolit. Hal ini    menyebabkan munculnya potensial perbatasan di kedua cairan, tapi potensial cairan-perbatasan (E_j) antara larutan KCl (pekat dalam agar-agar) dengan larutan encer pada setengah sel sangat kecil. Hal ini terjadi karena larutan KCl yang digunakan  pekat sehingga potensial perbatasan terutama ditentukan oleh ion-ion dari larutan tersebut, sementara ion-ion dari larutan encer  memberikan kontribusi yang dapat diabaikan terhadap potensial perbatasan.

Karena mobilitas ion K⁺ dan Cl^- dalam air hampir sama, maka ion-ion ini berdifusi keluar dari jembatan garam ke dalamlarutan encer pada kecepatan yang hampir sama dan oleh karena itu potensil perbatasannya juga sangat kecil.

Pertemuan cairan perbatasan dengan adanya jembatan garam ada dua pertemuan yakni antara KCl jenuh dengan kedua larutan encer dari setiap bagian elektroda. Hal ini akan semakin memperkecil potensial perbatasan nettonya karena adanya pengurangan sebagai akibat dari arahnya yang saling berlawanan.

SEL VOLTA

 

1. Sel Kering (Sel Leclanche)

Dikenal sebagai batu baterai. Terdiri dari katode yang berasal dari karbon(grafit) dan anode logam zink. Elektrolit yang dipakai berupa pasta campuran MnO2, serbuk karbon dan NH4Cl.
Persamaan reaksinya :
Katode : 2MnO2 + 2H+ + 2e " Mn2O3 + H2O
Anode : Zn " Zn2+ + 2e
Reaksi sel : 2MnO2 + 2H+ + Zn " Mn2O3 + H2O + Zn2

2. Sel Aki

Sel aki disebut juga sebagai sel penyimpan, karena dapat berfungsi penyimpan listrik dan pada setiap saat dapat dikeluarkan . Anodenya terbuat dari logam timbal (Pb) dan katodenya terbuat dari logam timbal yang dilapisi PbO2.

Reaksi penggunaan aki :
Anode : Pb + SO4 2- " PbSO4 + 2e
Katode : PbO2 + SO42-+ 4H++ 2e " PbSO4 + 2H2O
Reaksi sel : Pb + 2SO4 2- + PbO2 + 4H+ " 2PbSO4 + 2H2O

Reaksi Pengisian aki :
2PbSO4 + 2H2O " Pb + 2SO4 2- + PbO2 + 4H+


3. Sel Perak Oksida

Sel ini banyak digunakan untuk alroji, kalkulator dan alat elektronik.
Reaksi yang terjadi :

Anoda : Zn(s) + 2OH-(l) " Zn(OH)2(s) + 2e
Katoda : Ag2O(s) + H2O(l) + 2e " 2Ag(s) + 2OH-(aq)
Reaksi Sel : Zn(s) + Ag2O(s) + H2O(l) " Zn(OH)2(s) + 2Ag(s)

Potensial sel yang dihasilkan adalah 1,34 V

4. Sel Nikel Cadmium (Nikad)

Sel Nicad merupakan sel kering yang dapat diisi kembali (rechargable). Anodenya terbuat dari Cd dan katodenya berupa Ni2O3 (pasta). Beda potensial yang dihasilkan sebesar 1,29 V. Reaksinya dapat balik :

NiO(OH).xH2O + Cd + 2H2O → 2Ni(OH)2.yH2O + Cd(OH)2

SEL ELKTROLISIS

Elektroplating atau penyepuhan merupakan proses pelapisan permukaan logam dengan logam lain. Misalnya tembaga dilapisi dengan emas dengan menggunakan elektrolit larutan emas (AuCl3).
Emas (anoda) : Au(s) → Au3+(aq) + 3e (oksidasi)
Tembaga (katoda) : Au3+(aq) + 3e → Au(s) (reduksi)
Dari persamaan reaksi tampak pada permukaan tembaga akan terjadi reaksi reduksi Au3+(aq) + 3e → Au(s). Dengan kata lain emas Au terbentuk pada permukaan tembaga dalam bentuk lapisan tipis. Ketebalan lapisan juga dapat diatur sesuai dangan lama proses reduksi. Semakin lama maka lapisan yang terbentuk semakin tebal.
Sintesa atau pembuatan senyawa basa, cara elektrolisa merupakan teknik yang handal. Misalnya pada pembuatan logam dari garam yaitu K, Na dan Ba dari senyawa KOH, NaOH, Ba(OH)2, hasil samping dari proses ini adalah terbentuknya serta pada pembuatan gas H2, O2, dan Cl2. Seperti reaksi yang telah kita bahas. Dalam skala industri, pembuatan Cl2 dan NaOH dilakukan dengan elektrolisis larutan NaCl dengan reaksi sebagai berikut:

Proses pemurnian logam juga mengandalkan proses elektrolisa. Proses pemurnian tembaga merupakan contoh yang menarik dan mudah dilaksanakan. Pemurnian ini menggunakan elektrolit yaitu CuSO4. Pada proses ini tembaga yang kotor dipergunakan sebagai anoda, dimana zat tersebut akan mengalami oksidasi, Cu(s) → Cu2+(aq) + 2e
Reaksi oksidasi ini akan melarutkan tembaga menjadi Cu2+. Dilain pihak pada katoda terjadi reaksi reduksi Cu2+ menjadi tembaga murni. Mula-mula Cu2+berasal dari CuSO4, dan secara terus menerus digantikan oleh Cu2+ yang berasal dari pelarutan tembaga kotor. Proses reaksi redoks dalam elektrolisis larutan CuSO4 adalah :
CuSO4(aq) → Cu2+(aq) + SO42Ͳ(aq)
Katoda: Cu2+(aq) + 2e → Cu(s)
Anoda : Cu(s) → Cu2+(aq) + 2e
Pengotor tembaga umumnya terdiri dari perak, emas, dan platina. Oleh karena E0 unsur Ag, Pt dan Au > dari E0 Cu, maka ketiga logam tidak larut dan tetap berada di anoda biasanya berupa lumpur. Demikian juga jika pengotor berupa Fe atau Zn, unsur ini dapat larut namun cukup sulit tereduksi dibandingkan Cu, sehingga tidak mengganggu proses reduksi Cu.

Sel surya dan pemberdayaan masyarakat (Bagian kedua)

3. Aerator bertenaga surya (solar powered aerator)

Sudah jamak diketahui jika air yang tergenang dalam jangka waktu yang cukup lama akan membawa banyak “kemudharatan”. Baik kolam di taman belakang rumah hingga tambak ikan air tawar ketika ia dibiarkan saja tanpa mengalir, tanpa tersirkulasi, bisa jadi dapat menjadi sumber penyakit, tidak sehat serta merusak baik yang ada di dalamnya maupun lingkungan disekitarnya. Kondisi ini dapat makin diperparah dengan munculnya bakteri dan tetumbuhan yang tidak dikehendaki di permukaan air. Indikator tingkat sehatnya genangan air/kolam/tambak ikan ini biasanya ditentukan dengan kadar dissolved oxygen (DO) atau oksigen terlarut di dalam air yang menunjukkan berapa kadar oksigen yang ada di dalam air yang dinyatakan dengan miligram per liter (mg/l).

Jika kondisi kolam atau tambak ikan air tawar -misalnya- tidak terjaga akibat tidak adanya sirkulasi air, maka kadar DO akan berkurang drastis. Selain kondisi fisik kolam yang tidak memiliki sirkulasi air karena satu lain hal, tetumbuhan di permukaan air seperti alga pun dapat semakin mengurangi kadar DO ketika bermetabolisme di malam hari dengan mengkonsumsi oksigen di dari dalam air.

Ketika air tidak mengalir atau tersirkulasi, maka terdapat perbedaan suhu antara air di permukaan dengan air di bagian bawah dasar kolam akibat perbedaan serapan panas dari cahaya matahari. Dikarenakan oleh air di permukaan kolam lebih hangat sehingga lebih ringan, kedua air yang berbeda suhu tersebut tidak dapat bercampur satu sama lain. Sehingga air di bagian dasar kolam tidak mudah “bergerak” vertikal dan bersirkulasi ke permukaan begitu pula sebaliknya air di permukaan tidak dapat bersirkulasi ke bagian dasar. Terjadilah apa yang disebut dengan kekurangan oksigen (oxygen depletion) pada air di bagian dasar kolam akibat tidak tersentuh oksigen dari luar yang memicu munculnya senyawaan beracun dan membahayakan yang diproduksi oleh bakteri maupun sampah organik yang mengendap di dasar kolam. Ini akan sangat berpengaruh terhadap hasil produksi kolam ikan.

Pencegahan kondisi terburuk seperti di atas pada umumnya dilakukan dengan sistem mekanik. Yakni mensirkulasikan atau mengaduk air di kolam secara mekanik agar air di permukaan dengan air di bagian dasar bercampur secara merata yang tentunya pula menyamakan suhu air di permukaan dengan air di bagian dasar kolam. Caranya bisa dilakukan dengan sistem a la kincir air maupun dengan mengalirkan gelembung-gelembung udara ke dalam kolam agar baik air maupun oksigen dari udara dapat terdistribusi di dalam air. Usaha terakhir dengan mengalirkan gelembung-gelembung udara ke dalam air disebut dengan aerator sebagaimana diilustrasikan pada Gambar 3.

Gambar 3. Solar aerator yang terpasang di sebuah danau kecil.

Tentunya sistem aerator ini membutuhkan listrik dalam pengoperasiannya. Kendala listrik sayangnya masih ditemui terutama di daerah di mana peternak ikan air tawar/kolam/tambak merupakan daerah pedesaan yang minim akan pasokan listrik atau jauh dari jaringan kabel.

Penggiat dan kalangan industrialis sel surya agaknya menangkap peluang ini. Dengan beberapa perubahan dan penyesuaian pada sistem aerator konvensional, dicobalah aerator yang digerakkan dengan sel surya. Konsepnya tidak jauh berbeda dengan pompa air bertenaga surya, aerator bertenaga surya ini memiliki sebuah panel surya, dan dilengkapi dengan baterei sebagai cadangan listrik jika sewaktu-waktu langit menjadi gelap atau adanya keinginan untuk mempergunakan aerator pada malam hari.

Aerator ini menyedot udara dari luar dan mengalirkannya ke dalam kolam melalui pipa pengalir. Aerator bertenaga surya dapat dikonsepkan dengan dua jalan; meletakkan pompa udara di atas kolam maupun meletakkan pompa udara di dalam kolam. Dengan aerator berdaya 75-125 W, diharapkan nantinya kadar oksigen di dalam kolam dapat selalu dijaga.

4. Pengisi baterei bertenaga surya (Solar charger)

Bagi yang sering berpergian untuk segala bentuk rutinitas; pengusaha, wartawan, dokter atau mantri yang turun naik gunung-desa, nelayan yang mengandalkan GPS untuk menuntun arah pulang, hingga pendaki gunung, mungkin persoalan komunikasi dan informasi menjadi mutlak. Tidak hanya berkomunikasi untuk keperluan pekerjaan, melainkan pula untuk saat saat darurat yang tidak terduga.

Di sini tidak hanya bentuk komunikasi yang penting, namun bagaimana menjaga agar komunikasi tersebut terjamin dapat berlangsung. Sebagaimana diketahui bersama, teknologi baterei sekarang telah maju pesat; tidak hanya beterei kering karbon saja, namun juga baterei Ni-Cd (nikel kadmium) hingga baterei Li-ion yang jauh lebih rungan, lebih tahan lama dan ramah lingkungan sudah dapat dinikmati sehari-hari sebagai sumber tenaga untuk menjalankan perangkat yang mudah di bawa ke mana-mana (portable).

Dikarenakan keterbatasan baterei yang merupakan fungsi waktu dalam memberikan tenaga bagi perangkat portable, maka pengisian ulang menjadi solusi yang terbaik. Berbagai perangkat elektronik portable sejak komputer jinjing, telepon genggam, pemutar musik dijital hingga televisi portable menggunakan baterei isi ulang (rechargeable battery) . Persoalan yang hinggap kemudian ialah bagaimana ketika sumber listrik untuk pengisian ulang baterei ini yang justru menjadi kendala. Sulitnya akses untuk pengisian baterei di kala berpergian, hingga kendala teknis ketidakcocokan perangkat dengan spesifikasi litrik setempat bisa membawa kerumitan tersendiri.

Penulis sempat mengalami hal demikian di kala berpergian ke sebuah negara yang memiliki sistem instalasi listrik yang berbeda. Segala perangkat baik baterei hingga pengisi baterei (charger) telah di bawa, namun kendala teknis ketidakcocokan tegangan listrik di negara tersebut untuk pengisi yang di bawa telah menjadi sebuah pengalaman berharga bahwa ada satu celah di mana keterbatasan baterei isi ulang dan pengisinya dapat menjadi sebuah terobosan yang bermanfaat.

Terobosan yang dimaksud tidak lain ialah bagaimana menyediakan sumber listrik itu sendiri yang dapat digunakan di mana-mana sebagai sumber tenaga bagi charger untuk mengisi baterei isi ulang di atas. Jika seorang ingin mengisi baterei komputer jinjing atau telepon genggamnya dalam sebuah perjalanan, hanya dengan membuka sebuah perangkat sel surya yang terkemas sedemikian rupa, maka seluruh kebutuhan sumber listrik untuk pengisian baterei akan terpenuhi.

Gambar 4. Solar charger

Sebagai mana terpampang di Gambar 4, sumber listrik untuk pengisian baterei isi ulang ini terdiri atas satu atau dua buah sel surya mini yang ukurannya disesuaikan dengan aplikasi maupun kebutuhan pengguna. Saat ini, perangkat isi ulang untuk berbagai keperluan telah banyak tersedia di pasaran. dari pengisian baterei untuk komputer jinjing hingga kamera dijital telah diproduksi dengan hasil yang mengagumkan.

Hubungkanlah perangkat elektronik anda selama beberapa jam sambil berpergian, maka beterei perangkat anda akan selalu bertenaga. Mengingat daya tahan baterei isi ulang yang cukup lama, maka pengisian beberapa jam dikala matahari bersinar dapat memperpanjang masa pakai dari perangkat elektronik tersebut.

Cukup banyak variasi charger bertenaga surya ini. Mulai dari charger dengan sel surya terpisah hingga yang menyatu dengan charger itu sendiri, atau yang berukuran sebesar telepon genggam hingga yang berukuran sebuah komputer jinjing, pun dengan spesifikasi yang berbeda. Yang cukup unik saat ini ialah charger yang fleksibel dalam artian dapat ditekuk hingga menghemat tempat. Dengan menggunakan substrat polimer/plastik, maka sel surya tersebut dapat elastis atau melengkung sehingga cukup tahan dengan segala kondisi perlakuan penyimpanan. Pada umumnya, cukup dengan sel surya berdaya 0.5 hingga 3 Watt saja, maka hambatan dalam menemui sumber listrik untuk pengisian baterei dapat teratasi.

Murah, felksibel, ringan dan berdaya tahan lama merupakan beberapa alasan untuk memakai perangkat bertenaga surya ini.

Sel surya dan pemberdayaan masyarakat (Bagian Pertama)

Bisakah sel surya memberi pengaruh siginifikan pada aktifitas keseharian kita? Ataukah sel surya sebagai sebuah produk teknologi mampu menigkatkan taraf hidup umat manusia sebagaimana tujuan dari sains dan teknologi itu sendiri? Mengingat perannya sebagai sebuah sumber listrik atau sumber energi, apa saja yang dapat dilakukan oleh sel surya untuk menopang aktifitas jika kita mulai melepaskan diri dari ketergantungan sumber listrik konvensional semisal listrik dari perusahaan listrik yang mengambil listrik dari pembangkit listrik konvensional puila? Tulisan kali ini bertujuan mengupas secara ringkas pemanfaatan sel surya dalam mensuplai energi listrik sehari-hari, potensi aplikasinya berikut model-model produk berbasis sel surya.

Meski pada awalnya, pemanfaatan sel surya lebih banyak difokuskan pada sektor rumah tangga (lihat : Ramai-ramai membangun hunian swadaya energi) namun akhir-akhir ini beberapa aplikasi baru dari sel surya bermunculan. Aplikasi baru tersebut tidak lain berupa terobosan-terobosan produk elektronik yang memanfaatkan sel surya sebagai sumber tenaganya. Adanya terobosan atau inovasi produk yang didukung oleh sel surya diyakini didorong oleh karakteristik unik sel surya yang memilki mobilitas tinggi serta akses mudah hampir setiap sudut bumi terhadap sinar matahari, yang ujung-ujungnya membawa serta celah-celah pasar baru untuk produk inovasi teknologi.

Hanya saja, menurut pengamatan penulis, sel surya saat ini masih dalam skema peran sebagai produk komplementer dari pembangkit listrik konvensional yang sudah mapan, bukan merupakan pilihan utama itu sendiri. Kehadiran sel surya sebagai sumber listrik sejauh ini baru difokuskan untuk menutup kelemahan jaringan instalasi kabel listrik yang sering menemui hambatan dalam menjangkau daerah terpencil-pedalaman (remote area), pulau-pulau kecil dengan sedikit penghuni untuk kasus tanah air kita, pegunungan dengan minimnya jaringan listrik atau hanya merupakan bagian dari program pemberdayaan komunitas yang digiatkan oleh pemerintah atau NGO/LSM alih-alih murni pendekatan pemasaran atas dasar bisnis.

1. Pompa air bertenaga surya (solar powered water pump)

Sebagaimana namanya, pompar air yang berfungsi menyedot air dari dalam tanah ini digerakkan dengan tenaga surya. Secara fisik, fungsi maupun instalasi pompa air ini tidak ubahnya pompa air konvensional. Hanya saja, perbedaan mencolok ada pada panel surya silikon yang menggenapi sistem pompa air sebagai sumber listrik yang menggerakkan pompa, sebagaimana terlihat di Gambar 1 berikut. Konsep dari pompa air bertenaga surya ini ialah sebuah pompa yang diperuntukkan bagi daerah yang terisolasi atau jauh dari jaringan instalasi listrik. Konsep ini dirasakan efektif mengingat penggunaan secara kolektif pompa air bertenaga surya ini akan mereduksi beban biaya akibat keberadaan panel surya yang tidak murah.

Gambar 1. Contoh produk pompa air bertenaga surya.

Dibandingkan dengan pompa air dengan tenaga listrik konvensional, pompa air bertenaga surya ini menggunakan arus searah (arus DC) tidak seperti pompa konvensional yang berarus bolak balik (AC). Hal ini mengingat panel surya yang digunakan sebagai sumber listrik memiliki output arus DC dan tidak memilki pengubah arus DC-AC sebagaimana listrik yang terinstalasi di perumahan. Pada umumnya pompa air ini memerlukan panel surya dengan daya keluaran 75-100 Watt dan didukung oleh baterei 12 volt agar pompa dapat bekerja di malam hari pula. Kedalaman air yang dapat dicapai secara efektif oleh pompa ini berkisar 50-70 m dengan debit air maksimum hingga 275 liter per jam.

Konsumen dapat memilih dua jenis pompa ini, yakni pompa yang terletak di atas permukaan tanah atau pompa yang diletakkan/dipendam di bawah permukaan tanah. Kapasitas pompa beserta panel surya yang digunakan sangat tergantung dari kondisi operasi semisal kedalaman air di bawah tanah, berapa banyak debit air yang dibutuhkan serta tentu saja biaya. Penempatan pompa air bertenaga surya ini di Indonesia sudah dicoba di daerah kering minim hujan seperti di Nusa Tenggara Barat mapupun daerah Bantul DIY.

2. Kulkas bertenaga surya (Solar powered refrigerator)

Pernahkah kita membayangkan sebuah situasi ekstrim; bencana alam atau gempa yang melanda sebuah daerah, membuat daerah tersebut terisolasi dari luar baik perhubungan, telekomunikasi maupun dari instalasi listrik utama. Atau katakanlah sebuah daerah terpencil di pedalaman Sumatera atau Sulawesi yang memutuhkan tim kesehatan guna memeriksa kesehatan penduduk setempat di mana masalah listrik menjadi kendala utama. Dua situasi di atas yang berkaitan dengan penanganan pasca-bencana alam atau pemenuhan kebutuhan kesehatan penduduk merupakan salah satu pendorong ditemukannya sebuah lemari pendingin yang “portable” plus “mobile”yang dibawa oleh tim medis tanpa perlu bergantung pada ada atau tiadanya suplai listrik. Suplai listrik yang menopang beroperasinya lemari pendingin ini berasal dari sel surya pula, yang dapat dibawa dan dipasang dengan mudah (lihat Gambar 2). Sebagai sebuah peralatan medis, lemari pendingin ini berfungsi untuk menyimpan vaksin maupun obat-obatan dan makanan.

Gambar 2. Lemari pendingin bertenaga surya untuk keperluan medis di daerah terpencil.

Sistem lemari pendingin bertenaga surya ini terdiri atas empat komponen utama; yakni panel surya, baterei, lemari pendingin dan kontrol pengisian listrik (“charge controller”). Panel surya yang dipergunakan biasanya berdaya 800 Watt untuk lemari pendingin berdaya 600 Watt. Baterei cadangan yang dipergunakan memiliki 105 Ah sebanyak 6-8 buah. Konon harga sebuah sistem lemari pendingin lengkap ini ialah US$ 5000.

(Bersambung)

Efisiensi sel surya dari masa ke masa

Banyak orang bertanya mengenai efisiensi sel surya saat ini. Setidaknya mungkin ingin tahu sejauh mana sel surya saat ini mampu memenuhi kebutuhan listrik -misal- perumahan ataukah sektor lainnya. Bahkan untuk kebanyakan orang, efisiensi sebuah sel surya tidak banyak diketahui. Yang diketahui hanya sel surya dapat mengubah sinar matahari menjadi listrik yang dipakai untuk penerangan dan meggerakkan alat-alat elektronik tanpa memperhatikan bahwa sel surya bekerja di dalam batasan efisiensi, yang tidak benar-benar 100% mengubah semua sinar matahari yang jatuh ke permukaan sel menjadi listrik.

Sekilas tentang efisiensi sendiri, sel surya sebagaimana jamaknya sebuah mesin memiliki kemampuan menghasilkan sebuah produk/output (dalam hal ini listrik) dari bahan masukan/input (cahaya sinar matahari) melalui proses yang terjadi di dalamnya (efek fotoviltaik). Dikarenakan banyak faktor, tidak seluruh cahaya yang diproses di dalam sel surya mampu dikonversi menjadi energi listrik. Faktor ini dapat saja dikarenakan oleh sifat inheren semikonduktor yang dipakai sebagai sel yang tidak dapat menangkap semua spektrum cahaya tampak, hingga hambatan dari rangkaian listrik yang digunakan. Secara termodinamika, sel surya tidak ubahnya sebuah mesin Carnot dengan perilaku efisiensi yang sama.

Yang ingin disampaikan di dalam tulisan kali ini ialah catatan rekor efisiensi terbaik masing-masing jenis sel surya sakala laboratorium secara singkat yang dipublikasikan di beberapa jurnal internasional.

Sebagaimana terpampang di Gambar 1 di bawah ini, penelitian sel surya secara intensif baru dimulai sejak 1970-an meski efek fotovoltaik sudah diketahui efektif sejak tahun 1954 atau lebih jauh lagi sejak Bacquerel menemukan efek ini pertama kali di tahun 1897. Penelitian di bidang energi surya ini dipicu oleh krisis minyak di tahun 1970-an akibat embargo minyak oleh negara -negara timur tengah selama perang Arab-Israel menggelora. Di gambar yang mengilustrasikan trend peningkatan efisiensi sel surya dari tahun ke tahun tersebut, dapat pula kita melihat berbagai jenis sel surya yang tengah dikembangkan. sedikitnya ada 9 jenis sel surya dengan berbagai tipe yang ditentukan oleh jenis material yang dipergunakan sebagai penyerap sinar mataharinya (solar absorber material). Saat ini, hampir semua sel surya memiliki efisiensi minimum 12% dengan batas optimal kira-kira 39%, tergantung dari jenis sel surya yang dibuat.

Gambar 1 Efisiensi sel surya 1975 -2005 [1].

Sel surya komersil yang biasa terdapat di pasaran ialah sel surya berjenis silikon yang ditandai dengan garis biru. dengan efisiensi optimum skala laboratorium sekitar 25% yang dikembangkan oleh University of New South Wales (UNSW) Australia. Sel surya jenis ini pulalah yang ditemukan pertama kali di tahun 1954 oleh para peneliti Bell Laboratories secara tidak disengaja [2]. Tim sel surya USNW dikomandani oleh Prof. Martin Green sebagai leader-nya. Sel surya jenis silikon ini dapat dikatakan menguasai 90% pasar sel surya dunia karena teknologinya sudah cukup mapan mengingat pesatnya industri semikonduktor dewasa ini (lihat Gambar 2). Tidak terdapat catatan efisiensi baru dari jenis sel ini hingga sejak tahun 1999. Perlu diketahui, rata rata sel surya silikon yang dipasarkan (komersial) berefisiensi antara 12-15%.

Gambar 2. Pangsa pasar sel surya dunia 2001 [3]

Dewasa ini, sel surya silikon mendapat tantangan dari sel surya berjenis lapis tipis (thin film technologies) dengan tanda garis hijau. Hal ini memang sudah diproyeksikan sebelumnya mengingat stok silikon yang memang pada awalnya hanya dialokasikan untuk industri semikonduktor, bukan untuk sel surya. Sebenarnya menurut pandangan penulis, ini cukup menggelikan. Karena pada awalnya, silikon yang digunakan oleh sel surya silikon komersial hanya merupakan sebuah by product dari industri semikonduktor alias scrap. Dan ini berlangsung bertahun-tahun hingga pertengahan tahun 90-an di mana mulai muncul beberapa industri penghasil material silikon yang dikhususkan untuk mensuplai material silikon untuk industri sel surya.

Keunggulan sel surya lapis tipis terletak pada dimensinya yang jauh lepih tipis dan lebih ringan dibandingkan dengan sel surya silikon yang padat dan berat. Disamping itu, jenis material yang dipergunakan sel surya tipe ini sangat beragam dengan perhatian utama penelitian saat ini ada pada material CuInGaSe₂ (copper indium-galium diselenide) dan CdTe (cadmium tellurida). Kedua jenis material untuk sel surya ini memiliki efisiensi dalam skala laboratorium yang nyaris mencapai 20% dengan efisiensi sel surya komersil sekitar 10-12%, lebih sedikit dari sel surya jenis silikon. Ceruk pasar sel surya lapis tipis masih sangat kecil, yakni dibawah 1%. Namun dengan banyaknya penelitian yang mengeksplorasi sel surya jenis ini, ditambah dengan teknik pembuatannya yang murah, efisiensi sel diproyeksikan akan terus meningkat.

Semakin canggih teknik pembuatannya, maka semakin bagus hasil yang diperoleh. Mungkin pendapat ini dapat diterapkan pula di dalam industri sel surya. Rekor efisiensi sel surya skala laboratorium sekitar 39% telah dicapai dengan teknologi paling mutakhir, yakni sel surya “multi-junction” yang diproduksi oleh National Renewable Energy Laboratory (NREL) di bawah Departemen Energi AS. Berbeda dengan sel surya jenis lainnya yang hanya memiliki satu buah komponen yang berfungsi sebagai penyerap cahaya matahari, sel surya multijunction ini memiliki dua atau tiga lapisan komponen penyerap sinar matahari yang disusun vertikal di dalam satu sel. Material ini biasanya terdiri dari InP (Indium Phospor), InGaP (Indium Galium Phospor) dan GaP (Galium Phospor). Tingkat kerumitan pembuatan sel surya jenis ini ialah pada teknik integrasi komponen-komponen penyerap sinar matahari tersebut di dalam sebuah sel yang mutlak memperhitungkan letak dan posisi atom-atom di dalam kristal semikonducktor yang dipakai.

Keungulan dari sel surya multijunction ialah, ia dapat menyerap lebih banyak spektrum cahaya tampak yang jatuh di atas permukaannya dibanding dengan sel surya dengan satu buah komponen penyerap cahaya matahari. Ditambah dengan keberadaan cermin konsentrator yang memfokuskan cahaya matahari ke permukaan sel sehingga intensitas cahaya yang ditangkap meningkat, efisiensi akhir yang diperoleh ialah sebagaimana disebutkan di atas, kira-kira dua kali rekor efisiensi sel surya lapis tipis. Meski demikian, untuk komersialisasi, sel surya jenis ini agaknya masih menunggu waktu yang cukup lama untuk dipasarkan karena paling mahal dibandingkan jenis lainnya.

Yang cukup menarik ialah perkembangan pesat teknologi dan efisiensi sel surya DSSC (Dye sensitized solar cell) dan sel surya organik yang berbahan baku utama polimer. Sejak ditemukan di akhir tahun 90-an, perkembangannya cukup menjanjikan sebagai alternatif baru sel surya yang murah dan berefisiensi tinggi. Data tahun 2006 (tidak dicantumkan di Gambar 1) menunjukkan bahwa sel surya DSSC mencapai efisiensi skala laboratorium 11%. Dan sejak tahun 2005 sudah mulai masuk ke pasaran secara terbatas.

Mencermati trend peningkatan efisiensi sel surya skala laboratorium, kalangan energi terbaharukan memilki harapan dan optimis bahwa sel surya ke depannya mampu berkompetisi dengan jenis sumber energi terbaharukan lainnya dalam menjawab peningkatan permitaan energi dunia.

_{Rujukan :}

1. _{Lawrence L. Kazmerski, Solar photovoltaics R&D at the tipping point: A 2005 technology overview, Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena 150 (2006) 105–135.}
2. _{D.M. Chapin, C.S. Fuller, G.L. Pearson, A New Silicon p-n junction photocell for converting solar radiation into electrical power, J. Appl. Phys. 25 (1954) 676.}
3. _{Adolf Goetzberger, Christopher Hebling, Hans-Werner Schock, Photovoltaic materials, history, status and outlook, Materials Science and Engineering R 40 (2003) 1–46.}

Menakar harga sel surya

Energi surya itu gratis, tidak perlu bayar, semua orang dapat mengaksesnya tanpa perlu merogoh kocek sekedar –misal- menjemur pakaian atau ikan asin. Bisa dikatakan, tidak ada sudut di muka bumi ini yang tidak tersentuh sinar matahari. Bahkan sejatinya, ummat manusia pun tidak pernah meminta kepada Tuhan untuk dibuatkan matahari yang sinarnya sangat menentukan kehidupan di bumi, well, begitu kira-kira salah satu ustadz pernah berbicara di sebuah kesempatan pengajian. Dengan energi yang setara dengan 4 kilo-Watt hour (kWh)/meter persegi/tahun, sinar matahari ini merupakan sebuah potensi yang sangat manis apabila termanfaatkan tidak sekedar untuk menjemur ikan asin tentunya. Tentu saja persoalan menjadi lain manakala dibutuhkan sebuah perangkat untuk memanfaatkan energi surya tersebut, yang tentu saja tidak gratis.

“Saya sangat tertarik dgn pengadaan listrik tenaga surya, namun saya baca artikel-artikel di internet, harga panel surya mahal sekali, utk membangkitkan 1000 watt butuh dana kurang lebih 100 jutaan. Kebetulan juga saya tinggal di khatulistiwa, jadi sangat berguna dan tepat .

Yang ingin saya tanyakan, apakah Putra-putri bangsa ini tidak bisa bikin panel surya yang murah, seperti internet dari kaleng susu bekas, yang murah meriah. Lalu apa faktor yang menyebabkan panel surya mahal, apakah harus diimpor dari luar negeri? “

(Dari Sdr. Eddie, Dec 15, 2007 1:27 PM)

“Bp/Ibu Yth.
Saya sangat tertarik dengan energi surya terutama untuk perluan rumah tangga. Apakah bapak/ibu bisa menjelaskan ke saya hitung2an secara ekonomi untuk penyedia Listrik Surya setara dengan Daya Listrik PLN 1300 watt ? mohon pencerahannya”
Terima kasih

(Dari Sdr. Danang Sri Hadmoko, Dec 20, 2007 2:12 PM)

Email Sdr. Eddie dan Sdr. Danang melalui kolom Konsultasi di Blog ini saya ambil sebagai sebuah sampel dari banyaknya pertanyaan yang dikirimkan ke saya berkaitan dengan berapa biaya yang perlu dikeluarkan untuk penerapan sel surya di perumahan, atau singkatnya, berapa harga sel surya secara umum. Baru kali ini saya berkesempatan menulis sebuah topik khusus mengenai harga ‘barang baru’ ini.

Tulisan ini ditujukan untuk sediit banyak mengupas harga sel surya dengan memprioritaskan pada sel surya Silikon untuk aplikasi perumahan meski tidak menutup kemungkinan juga mendeskripsikan harga sel surya secara umum dan sebab-sebab apa yang mempengaruhi harga sel surya.

Dihadapkan pada sumber energi konvensional, sel surya sebagai sumber energi alternatif ini tidak akan dapat bersaing secara langsung tanpa adanya dukungan banyak faktor. Di sisi lain, terjangkaunya energi konvensional sendiri tidak lepas dari turut campurnya negara dalam mengontrol harga agar tidak terlalu mahal dan terjangkau, sebagai contoh, adanya subsidi BBM atau tarif dasar listrik (TDL) yang dihasilkan dari PLT Diesel di Indonesia.

Hal yang sama tidak ditemui pada energi terbaharukan, atau jika ada, tidaklah sebesar dukungan negara pada bahan bakar konvesional semisal minyak, baik dukungan ekonomi maupun politik. Dukungan kebijakan negara pada pengembangan sel surya di negara-negara maju (OECD) sudah dirasakan cukup mapan dengan salah satu alasan untuk mengurangi emisi CO₂ sebagai salah satu kesepakatan Protokol Kyoto. Namun di sisi lain, terdapat ketimpangan kebijakan yang sangat besar di negara-negara berkembang seperti di Indonesia yang belum memiliki langkah serupa untuk mendukung pemasaran sel surya.

Jadi, bila kita mencoba menakar harga sel surya dan terasa bahwa sel surya itu begitu mahal apabila setelah mencoba membandingkannya dengan sumber energi lain yang sudah ada, sebenarnya kurang terasa tepat karena sel surya tidak berada pada kondisi obyektif yang sama, yakni tidak disubsidi atau tidak memperoleh pertolongan yang sama dari negara. Alias, seluruh harga sel surya dan komponennya musti ditangung sendiri oleh konsumen.

Secara umum, dapat saya katakan bahwa tantangan peneliti dan pengembang sel surya di seluruh dunia dihadapkan pada dua hal utama; (1) meningkatkan efisiensi sel surya semaksimal mungkin, dan (2) menurunkan harga sel surya.

Tantangan ini tidak hanya berlaku di Indonesia saja, melainkan juga di negara-negara pelopor jenis teknologi energi terbaharukan ini. Tantangan efisiensi dipenuhi dengan aktifitas riset dan pengembangan yang tidak kunjung henti di masing masing jenis sel surya. Terdapat kecenderungan bahwa sel surya mengalami peningkatan efisiensi pada skala laboratorium, namun masih menemui kendala serius ketika dipasarkan dalam bentuk yang lebih besar, yakni modul dan panel surya. Cara lain ialah dengan menggunakan material yang lebih murah, lebih tipis dari sel surya yang dipasarkan saat ini dan sebagainya.

Sedangkan, tantangan kedua, untuk jangka pendek dicapai dengan penerapan kebijakan pemerintah masing-masing negara yang bertujuan untuk menekan harga sel surya sehingga terjangkau. Selain itu juga dipenuhi dengan meningkatkan jumlah volume produksi sel surya dunia atau memperbesar ukuran sel surya (tepatnya modul surya) sebagaimana diperlihatkan di bawah ini harga beberapa jenis sel surya utama yang tengah dipasarkan di negara-negara pelopor teknologi ini yakni Amerika, Jerman dan Jepang, sehinga harga sel surya pun dapat ditekan. Saat ini, harga sebuah sel surya internasional ada pada kisaran US$ 4-5/Watt untuk sel surya jenis poli-Silikon yang menempati pangsa pasar lebih dari 90%.

Lantas apa yang membuat sel surya terbilang mahal saat ini?

Di bawah ini ialah paparan singkat mengenai hal-hal umum yang turut berkontribusi pada harga sel surya yang pada akhirnya dibebani kepada konsumen.

1. Biaya produksi pembuatan sel surya.

Jika kita melihat proses pembuatan sel surya dengan mengambil contoh sel surya silikon yang menempati 90% pangsa pasar sel surya saat ini, maka terlihat adanya proses produksi yang melibatkan modal besar (high capital), yakni industri semikonduktor. Industri semikonduktor ini masih merupakan industri padat modal karena bersandar pada pembuatan dan penyediaan silikon, lebih tepatnya wafer silikon. Sejatinya, silikon sendiri ialah elemen terbanyak kedua di kulit bumi setelah oksigen, sehingga harganya relatif rendah.

Hanya saja, dengan kebutuhan industri semikonduktor yang meminta kadar kemurnian silikon sangat tinggi, sekitar 1 bagian per milyar (1 ppb), biaya pemrosesan silikon untuk semikonduktor menjadi berlipat-lipat. Proses pembuatan silikon sejak dari penambangan, pemurnian dan pemotongan inilah yang memilki andil sekitar 65% dari total harga sebuah sel surya. Data tahun 2004 mengenai harga silikon dunia dengan kadar tersebut kira-kira US$ 50/kg dan terus meningkat dikarenakan adanya permintaan industri semikonduktor maupun elektronik. Pemrosesan seperti pembuatan sel dan enkapsulasi sel surya masing-masing menyumbang 10 dan 25% dari total harga sel surya.

Secara kasar, saat ini, harga sebuah sel surya sekitar US$ 4-5/Watt, belum termasuk pendukungnya. Sehingga jika seorang konsumen hendak membeli sel surya dengan daya 50 Watt, maka perlu menganggarkan biaya sekitar US$ 200-250 (lihat tabel di akhir tulisan).

Agak sedikit melebar, lantas, bisakah kita membuat industri sel surya sendiri agar sel surya bisa lebih mudah terjangkau di pasar sendiri?

Pada dasarnya tentu saja hal ini sangat mungkin dengan beberapa catatan menurut opini saya.

Pertama, pembuatan silikon untuk sel surya atau semikonduktor ialah sebuah usaha padat modal yang sangat besar dari segi investasi. Dan tidak semua negara di dunia yang mampu secara teknologi melakoni pekerjaan besar ini, hanya beberapa negara saja yang mampu membuat silikon dengan kadar yang dibutuhkan maupun wafer silikon, semisal, Amerika, Jerman, Jepang dan Korea. Selain itu, industri pembuatan silikon berkadar tinggi maupun pembuatan wafer silikon ini juga menyedot tenaga listrik yang cukup besar. Namun mengingat bahan dasar silikon seperti pasir silika ini mudah ditermui di Indonesia (lihat kutipan berita Kompas di Blog ini) , dengan dukungan investor dan pemerintah, saya kira kita cukup mampu dalam hal ini. Masak calon PLTN Muria yang heboh 80 trilyun saja kita menyanggupi, membuat sebuah pabrik wafer silikon saja kurang mampu?

Kedua, jika dalam jangka pendek tujuannya ialah memasarkan sel surya sebanyak mungkin, maka kita perlu meniru langkah China dalam memasarkan sel surya di negaranya. Industri-industri China tidak membuat material dasar silikon untuk sel surya ini. Mereka juga tidak memiliki kemampuan dalam membuat mesin-mesin yang dipergunakan pabrik-pabrik mereka untuk membuat sel surya dalam skala besar.

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 merajai pasaran sel surya Eropa selain menjadi tuan rumah di negara sendiri. Hal ini saya saksikan sendiri dalam ajang PVSEC-15 di Shanghai, China. Mungkin strategi ini dalam jangka pendek bisa diterapkan di Indonesia. Namun kembali lagi, kita masih menunggu peran investor dan negara dalam hal ini.

2. Biaya perangkat dan pelayanan pendukung.

Memanfaatkan sel surya untuk keperluan apapun membutuhkan perangkat pendukung yang disebut Balance of System (BOS) yang biasanya terdiri atas baterei, inverter, biaya pemasangan serta infrasturktur (lihat gambar berikut). Di sini peran BOS sangat penting sehinga semua ini (Sel surya + BOS) disebut dengan sistem fotovoltaik. Baterei serta pegontrolnya diperlukan untuk meyimpan tenaga listrik untuk pemakaian di malam hari jika diperlukan. Inverter dibutuhkan untuk mengubah keluaran sel surya yang berarus DC menjadi AC sesuai dengan keperluan perumahan. Dan instalasi diperlukan untuk menyelaraskan bentuk (atap) rumah dengan berapa luas sel surya atau daya yang dibutuhkan agar optimal.

Gambar di bawah ini sedikit menggambarkan berapa porsi anggaran yang dibutuhkan pada saat pemasangan dan perbandingannya pada 20 tahun kemudian. Asumsi memakai 1300 Watt menggunakan baterei 35 Ah. Literatur ini menggunakan negara Meksiko sebagai contohnya.

Di sana terlihat bahwa komponen baterei yang memiliki masa pakai optimum yang terbatas (sekitar 4 tahun), memerlukan perhatian khusus terutama karena adanya penambahan biaya ekstra untuk penggantian baterei baru.

Secara perhitungan kasar, harga Sel surya + BOS ini mencapai US$ 8-10/Watt. Sehingga jika hendak menggunakan sel surya di perumahan lengkap dengan sarana pendukungnya untuk 1300 Watt atau 1.3 kW, maka biaya kasar yang perlu diperlukan kira-kira 1300 Watt x (US$ 8 – 10) = US$ 10.400 – 13.000 atau jika di-rupiah-kan sekitar Rp 98.880.000 – 117.000.000 dengan masa pakai 20 tahun lebih dan biaya tambahan untuk penggantian baterei per 4-5 tahun sekali.

Tabel di bawah merupakan simulasi perhitungan biaya yang diperlukan untuk memasang sel surya di sebuah rumah dengan kapasitas daya terpasang sebesar 50 Watt. Jika hendak memasang sel surya di rumah dengan daya 1000 Watt mirip dengan rata-rata daya terpasang pada rumah di Indonesia dari PLN, maka harga total tinggal dikalikan saja dengan 20.

Semoga bermanfaat.

Rujukan :

Antonio Luque and Steven Hegedus, Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, John Wiley and Sons, 2003.

Yasuto Maruoka, Cost effectiveness of solar modules on the international photovoltaic markets, Proceedings of 17th International Photovoltaic Science and Engineering Conference, Fukuoka, Japan, December 2-7, 2007.

Share this:

• StumbleUpon
• Digg
• 
  

Like this:

Suka

Be the first to like this post.

Tulisan ini dikirim pada pada Senin, Desember 24th, 2007 10:53 am dan di isikan dibawah Harga Sel Surya. Anda dapat meneruskan melihat respon dari tulisan ini melalui RSS 2.0 feed. r Anda dapat merespon, or trackback dari website anda.

Navigasi tulisan

« Previous Post Next Post »

• Selamat datang

  Puji syukur saya hadiratkan kepada Allah SWT.
  Blog sederhana ini berisikan pandangan, opini yang dilatarbelakangi oleh pengalaman empiris saya bergulat dengan dunia penelitian sel surya. Blog ini sengaja saya kelola selain dikarenakan oleh ketertarikan dan aktifitas saya dalam teknologi sel surya, namun juga hendak mengisi kekosongan portal yang membahas secara khusus ilmu, teknologi serta penerapan sel surya. Besar harapan saya jika nantinya informasi dari Blog ini dapat menjadi salah satu rujukan informasi sel surya di Indonesia.

• Mohon maklum…

  Dengan semakin banyaknya pertanyaan maupun komentar yang masuk, ditambah dengan kesibukan aktifitas penulis yang luar biasa, maka penulis memohon maaf yang sebesar-besarnya jika tidak dapat membalas semua komentar atau pertanyaan.. Terima kasih atas kunjungannya. Ini bisa jadi amal jariyah saya.
  Pertanyaan juga dapat diajukan langsung ke kontak email penulis seperti tertera di Personal Links di halaman ini (scroll ke bawah).
  

• Berita Sel Surya

  • High-speed method to aid search for solar energy storage catalysts
  • Metamaterials, quantum dots show promise for new technologies
  • Physicists set new record for