Catatan blog ini meneroka sama ada sel solar boleh berfungsi sebagai penyelesaian alternatif kepada masalah penggunaan sumber yang berlebihan dan kehabisan tenaga.
Bayangkan Bumi tanpa matahari. Bumi akan menjadi planet tandus di mana tiada kehidupan mungkin wujud. Sejak kelahiran Bumi, matahari terus menghantar sejumlah besar tenaga cahaya ke planet kita. Hampir semua kehidupan di Bumi hidup subur dengan tenaga yang disimpan melalui fotosintesis tumbuhan. Malah petroleum, sumber tenaga yang paling banyak digunakan oleh manusia, adalah hasil daripada organisma yang telah lama mati yang berubah jauh di dalam bumi selama berabad-abad. Tamadun moden memakan dan menghabiskan sumber tenaga suria yang terkumpul secara berlebihan. Jika semua sumber tenaga akan habis, di manakah manusia akan memperoleh tenaga? Bolehkah kita tidak menggunakan tenaga cahaya yang mengalir dari Matahari secara langsung walaupun pada masa ini? Jawapannya terletak pada sel solar.
Sel suria ialah peranti yang menukarkan tenaga cahaya Matahari kepada tenaga elektrik. Antaranya, sel suria silikon kini paling banyak digunakan kerana kecekapan tinggi, kos yang agak rendah dan kesederhanaan pembuatan. Struktur sel suria silikon agak mudah, hanya terdiri daripada dua jenis semikonduktor silikon yang dicantumkan. Jadi bagaimanakah semikonduktor silikon menukar cahaya kepada elektrik? Rahsianya terletak pada elektron dalam silikon. Dalam keadaan stabil, elektron terikat pada nukleus atom dan tidak boleh bergerak bebas. Walau bagaimanapun, apabila elektron menyerap tenaga dan menjadi teruja, ia mendapat keupayaan untuk bergerak dengan bebas. Elektron bertenaga ini dipanggil elektron bebas. Cahaya membawa tenaga. Apabila cahaya berlanggar dengan elektron dalam bahan, elektron menyerap tenaga ini dan menjadi elektron bebas. Elektron bebas ini kemudian bergerak di sepanjang litar elektrik, menyampaikan tenaga di mana ia diperlukan. Oleh itu, sel solar boleh dianggap sebagai sejenis pam. Cahaya matahari bertindak seperti pam, mengangkat elektron untuk mencipta arus yang melakukan kerja.
Ini menimbulkan persoalan: kerana elektron wujud dalam semua atom, bolehkah sebarang bahan menghasilkan elektrik hanya dengan menyambungkan elektrod dan mendedahkannya kepada cahaya matahari? Malangnya, tidak. Masalahnya ialah perbezaan tenaga antara elektron stabil dan elektron teruja berbeza mengikut bahan, bermakna tenaga cahaya yang boleh diserap berbeza. Dalam erti kata lain, ketinggian pam berbeza mengikut bahan. Cahaya boleh dikelaskan kepada pelbagai jenis berdasarkan tenaganya. Antaranya, cahaya inframerah dan boleh dilihat membentuk bahagian cahaya matahari yang tinggi. Oleh itu, sel suria mesti cekap menyerap cahaya inframerah dan boleh dilihat. Walau bagaimanapun, ketinggian pam dalam penebat terlalu tinggi, menghalang matahari daripada mengangkat elektron sepenuhnya ke atas. Sebaliknya, ketinggian pam dalam konduktor terlalu rendah, menyebabkan ia menyerap cahaya tenaga rendah dan bukannya cahaya inframerah dan boleh dilihat, menjadikannya sebahagian besarnya tidak berkesan. Silikon, bagaimanapun, sebagai semikonduktor, mempunyai keperluan tenaga untuk mengepam elektron yang terletak di antara konduktor dan penebat. Ini membolehkan ia menyerap cahaya inframerah dan boleh dilihat dengan berkesan. Silikon boleh dianggap sebagai pam dengan ketinggian yang betul, dipadankan dengan sempurna dengan tenaga cahaya matahari.
Jadi, bolehkah sel solar dibuat hanya daripada silikon sahaja? Malangnya, hanya mengepam elektron ke atas tidak mencukupi. Sama seperti air yang dipam ke atas tidak berguna jika ia bocor semula ke bawah sebelum mencapai penggunaan yang dimaksudkan, elektron yang menyerap tenaga dan menjadi teruja tidak berguna jika mereka tidak boleh bergerak ke dalam litar. Oleh itu, laluan yang betul diperlukan untuk mengangkut elektron yang dipam ke atas. Inilah sebabnya mengapa dua jenis semikonduktor silikon—jenis-p dan jenis-n—dicantumkan bersama.
Atom silikon mempunyai empat elektron yang mengambil bahagian dalam ikatan. Dua atom masing-masing menyumbang satu elektron untuk membentuk ikatan, dan dengan itu satu atom membentuk empat ikatan untuk mencipta kristal. Walau bagaimanapun, jika beberapa atom silikon digantikan dengan atom seperti fosforus (P), yang mempunyai lima elektron mengambil bahagian dalam ikatan, elektron tunggal yang tinggal menjadi elektron bebas yang boleh bergerak ke mana-mana. Semikonduktor dengan banyak elektron bebas sedemikian dipanggil semikonduktor jenis-n. Sebaliknya, jika beberapa atom silikon digantikan dengan atom seperti boron (B), yang menyumbang tiga elektron kepada ikatan, lubang dicipta di mana elektron hilang. Lubang ini boleh bergerak seperti zarah; membayangkan teka-teki gelongsor menjadikannya lebih mudah untuk difahami. Teka-teki slaid mempunyai satu slot kosong. Apabila kepingan teka-teki bergerak ke dalam slot ini, ruang yang ditinggalkannya menjadi kosong semula. Begitu juga, apabila elektron bersebelahan dengan lubang bergerak untuk mengisinya, lubang itu kelihatan bergerak ke ruang yang diduduki elektron. Semikonduktor dengan banyak lubang sedemikian dipanggil semikonduktor jenis-p.
Kedua-dua semikonduktor jenis-n dan jenis-p adalah neutral elektrik sendiri. Walau bagaimanapun, apabila dicantum pada satu simpang, elektron bebas daripada semikonduktor jenis-n mengisi lubang dalam semikonduktor jenis-p. Ini menyebabkan bahagian semikonduktor jenis-n membawa cas positif (+), dan bahagian semikonduktor jenis-p membawa cas negatif (-). Di persimpangan ini, apabila elektron menyerap cahaya dan menjadi teruja, elektron bebas dan lubang terpisah. Elektron bebas bercas negatif bergerak ke arah semikonduktor jenis-n, manakala lubang bercas positif bergerak ke arah semikonduktor jenis-p. Elektron yang bergerak melalui elektrod semikonduktor jenis-n bergerak ke litar luar untuk melakukan kerja, dan kemudian kembali melalui elektrod positif semikonduktor jenis-p untuk bergabung semula dengan lubang.
Matahari akan memberikan tenaga cahaya yang mencukupi tanpa gagal sehingga hari manusia binasa. Sel suria yang memanfaatkan tenaga ini untuk menghasilkan elektrik adalah benar-benar sumber tenaga impian. Kaedah untuk membuat sel suria adalah lebih mudah daripada yang difikirkan. Apa yang diperlukan ialah silikon, yang bertindak sebagai pam untuk mengeluarkan elektron, dan persimpangan pn, yang berfungsi sebagai saluran untuk memindahkan elektron ke dalam litar. Bukan sahaja sel solar silikon, tetapi semua sel solar lain hanya memerlukan pam dan saluran yang sesuai. Dengan hanya sedikit pengetahuan tentang kejuruteraan bahan, sesiapa sahaja boleh mencipta sel suria baharu yang inovatif dan menyumbang kepada keselamatan manusia.
