Dalam catatan blog ini, kami akan meneroka potensi dan prospek masa depan teknologi sel solar sebagai penyelesaian kepada masalah pengurangan bahan api fosil.
Di peringkat global, kebanyakan permintaan tenaga bergantung kepada bahan api fosil seperti minyak, arang batu dan gas asli. Bahan api fosil ialah sumber tenaga yang terbentuk apabila sisa-sisa organisma yang hidup di Bumi berjuta-juta tahun yang lalu terurai dan termendap di bawah keadaan persekitaran tertentu. Disebabkan sifat proses pembentukannya, yang mengambil masa berjuta-juta tahun, ia diklasifikasikan sebagai sumber yang tidak boleh diperbaharui. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh penggunaan bahan api fosil yang semakin meningkat sejak Revolusi Perindustrian, sumber-sumber ini secara beransur-ansur berkurangan. Tambahan pula, penggunaan bahan api fosil yang berlebihan ini menyebabkan masalah alam sekitar yang serius, seperti pelepasan gas rumah hijau. Isu-isu ini menimbulkan ancaman kepada pembangunan mampan manusia, dan akibatnya, minat dalam pembangunan sumber tenaga alternatif semakin meningkat di seluruh dunia. Pelbagai sumber tenaga alternatif, seperti solar, angin, biojisim dan tenaga geoterma, sedang dikaji. Khususnya, tenaga solar—yang tidak dikekang oleh lokasi dan tidak menyebabkan sebarang masalah alam sekitar—semakin terkenal sebagai alternatif kepada bahan api fosil.
Sel solar ialah peranti yang menukar dan menyimpan tenaga cahaya kepada tenaga elektrik. Bateri sel kering dan bateri boleh dicas semula yang biasa kita gunakan ialah sel kimia, yang berbeza daripada sel solar. Sel kimia menjana tenaga elektrik melalui tindak balas kimia bahan dalamannya. Oleh itu, sebaik sahaja bahan yang telah disimpan terlebih dahulu habis, ia tidak lagi boleh menjana kuasa. Sebaliknya, sel solar ialah sel fizikal yang menggunakan kesan fotoelektrik, yang membolehkannya menjana kuasa selama-lamanya selagi sumber tenaga luaran—cahaya—tidak habis. Kesan fotoelektrik merujuk kepada fenomena di mana elektron dipancarkan daripada logam apabila ia terdedah kepada cahaya dengan keamatan tertentu atau lebih tinggi. Apabila elektron dipancarkan, ia dikatakan "teruja". Jika ia menyerap tenaga cahaya yang datang dan memperoleh lebih banyak tenaga daripada keadaan asalnya, ia menjadi teruja. Elektron yang teruja sedemikian boleh kembali ke kedudukan asalnya dengan memancarkan tenaga berlebihan atau melarikan diri ke lokasi lain sambil kekal dalam keadaan teruja. Elektron memilih laluan yang paling stabil dalam setiap kes; sel solar mewujudkan keadaan di mana elektron memilih pilihan yang kedua, yang membolehkannya mengalir melalui litar.
Sel solar pertama kali dibangunkan di Amerika Syarikat pada tahun 1945 dan dirujuk sebagai sel solar generasi pertama. Sel solar generasi pertama mempunyai struktur di mana semikonduktor jenis-P (positif) dan jenis-N (negatif), yang mempunyai sifat elektrik yang berbeza, digabungkan bersama. Oleh kerana sejumlah kecil bendasing (masing-masing boron dan fosforus) dicampurkan ke dalam silikon untuk menghasilkan kedua-dua semikonduktor ini, ia juga dipanggil sel solar silikon. Oleh kerana boron mengandungi 5 elektron dan fosforus mengandungi 15 elektron, semikonduktor jenis-N yang didop fosforus mempunyai lebih banyak elektron (-) daripada semikonduktor jenis-P yang didop boron. Atas sebab yang sama, semikonduktor jenis-P mengandungi lebih banyak lubang—kekosongan di mana elektron hilang—dirujuk sebagai "lubang (+)." Apabila tenaga cahaya mengenai persimpangan semikonduktor PN, elektron dipancarkan disebabkan oleh kesan fotoelektrik, meningkatkan bilangan elektron dan lubang dalam setiap semikonduktor. Elektron berlebihan dalam semikonduktor jenis-n cuba bergerak ke arah semikonduktor jenis-p, tetapi ia tidak boleh melintasi persimpangan disebabkan oleh perbezaan tenaga. Oleh itu, apabila kedua-dua jenis semikonduktor disambungkan oleh dawai, elektron berlebihan daripada semikonduktor jenis-n mengalir di sepanjang dawai ke arah semikonduktor jenis-p.
Sel solar generasi pertama mencapai kecekapan sehingga 25% dan stabil secara kimia. Sel solar generasi pertama kini menyumbang lebih 80% daripada pasaran sel solar. Walau bagaimanapun, memandangkan silikon memainkan peranan menyerap cahaya dan mengalirkan elektron, kecekapan berkurangan apabila ketulenan silikon menurun, memerlukan tahap ketepatan yang tinggi dalam proses pembuatan. Selain itu, kerana silikon berketulenan tinggi digunakan sebagai bahan mentah utama, kos pengeluaran adalah sangat tinggi. Ia juga mempunyai kelemahan iaitu tidak fleksibel dan legap, mengakibatkan daya tarikan estetik yang buruk.
Sel solar generasi kedua, yang dibangunkan untuk menangani isu-isu ini, memberi tumpuan kepada pengurangan kos pengeluaran. Memandangkan sel solar mesti dipasang pada skala besar di kawasan yang luas, kos peralatan yang lebih rendah secara langsung diterjemahkan kepada kos pengeluaran yang lebih rendah. Sel solar generasi kedua, yang dihasilkan dengan menggunakan lapisan nipis pewarna organik penyerap cahaya pada substrat bukan organik, juga dikenali sebagai sel solar filem nipis. Walaupun prinsip operasinya serupa dengan sel solar generasi pertama, penyerapan dan pengangkutan elektron tidak berlaku serentak dalam semikonduktor tetapi dipisahkan. Silikon bertindak semata-mata sebagai pembawa, manakala pewarna organik yang nipis dan tersebar luas menyerap tenaga solar. Akibatnya, kecekapan sel solar tidak bergantung pada ketulenan silikon, menghapuskan keperluan untuk silikon tulen 100% yang mahal. Tambahan pula, memandangkan sel solar generasi kedua nipis, telus dan fleksibel, ia boleh digunakan dalam tingkap bangunan, rumah hijau dan peranti elektronik kecil. Walau bagaimanapun, kerana ia nipis, kecekapannya lebih rendah daripada sel solar generasi pertama.
Sel solar generasi ketiga, yang kini menjadi subjek penyelidikan aktif, memberi tumpuan kepada peningkatan kecekapan tenaga sambil mengekalkan kelebihan sel solar generasi kedua. Sel solar yang dipekakan pewarna (DSSC), yang dibangunkan pada tahun 1991 oleh pasukan Profesor Gratzel di Institut Teknologi Persekutuan Switzerland, menggunakan nanopartikel yang sangat kecil dan polimer pewarna yang lebih kecil. Walaupun pemisahan penyerapan tenaga solar dan pengangkutan cas adalah sama seperti dalam sel solar generasi kedua, penggunaan zarah yang sangat kecil (nanopartikel dan polimer pewarna) untuk meningkatkan luas permukaan per unit isipadu menarik perhatian yang ketara. Memandangkan elektron hanya boleh bergerak melalui permukaan sentuhan antara kedua-dua zarah, sel solar yang dipekakan pewarna yang menggunakan nanopartikel dapat mencapai kecekapan tenaga yang sangat tinggi. Agensi Projek Penyelidikan Lanjutan Pertahanan AS (DARPA) membangunkan sel solar tandem hibrid dengan menggabungkan pelbagai sel solar dengan julat panjang gelombang yang berbeza. Dengan menggunakan pelbagai panjang gelombang sebagai sumber tenaga, ia meningkatkan kecekapan. Selain itu, sel solar MEG—yang kini sedang dikaji secara aktif oleh syarikat-syarikat termasuk Kolon dan Samsung—telah meningkatkan kecekapan melalui mekanisme yang menghasilkan dua atau lebih pasangan elektron-lubang daripada zarah cahaya tunggal. Dengan menyusun berbilang simpang PN, cahaya matahari yang diserap di permukaan boleh diserap dan diserap semula beberapa kali.
Walaupun kecekapannya belum cukup tinggi untuk menggantikan bahan api fosil, tidak seperti bahan api kimia yang semakin berkurangan, sumber tenaga untuk sel solar adalah tidak terhingga. Tenaga solar dianggap sebagai sumber tenaga bersih, tidak seperti bahan api fosil yang kita gunakan, dan boleh menyumbang dengan ketara kepada usaha global untuk mengurangkan pelepasan gas rumah hijau. Akibatnya, teknologi sel solar memacu inovasi dalam sektor tenaga dan dijangka memainkan peranan penting merentasi pelbagai industri. Tambahan pula, kemunculan sel solar yang beroperasi berdasarkan pelbagai prinsip dan kecekapan sel-sel ini yang sentiasa meningkat menunjukkan potensi untuk penyelidikan, pembangunan dan aplikasi praktikal selanjutnya. Tidak lama lagi kita akan melihat pelbagai sel solar yang dikomersialkan.
