Tenaga Surya Mencerahkan Dengan Teknologi Film Tipis


Matahari meledakkan Bumi dengan energi yang cukup dalam satu jam — 4, 3 x 10 20 joule — untuk menyediakan semua kebutuhan energi manusia selama setahun (4, 1 x 10 20 joule), menurut fisikawan Steven Chu, direktur Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley. Pertanyaannya adalah bagaimana memanfaatkannya secara paling efektif. Se

Matahari meledakkan Bumi dengan energi yang cukup dalam satu jam — 4, 3 x 10 20 joule — untuk menyediakan semua kebutuhan energi manusia selama setahun (4, 1 x 10 20 joule), menurut fisikawan Steven Chu, direktur Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley. Pertanyaannya adalah bagaimana memanfaatkannya secara paling efektif. Sel surya film tipis mungkin jawabannya: Satu baru-baru ini mengkonversi 19, 9 persen dari sinar matahari yang menabraknya menjadi listrik, melebihi jumlah yang dikonversi menjadi daya oleh photovoltaics silikon tradisional yang diproduksi secara massal dan menawarkan potensi untuk melepaskan sumber energi terbarukan ini.
Harga untuk silikon tingkat tinggi (yang dapat menghasilkan listrik dari sinar matahari) melonjak pada tahun 2004 sebagai tanggapan terhadap meningkatnya permintaan, mencapai setinggi $ 500 per kilogram (2, 2 pon) tahun ini. Masukkan sel surya film tipis — perangkat yang menggunakan lapisan halus bahan semikonduktor, seperti silikon, tembaga indium gallium selenide atau cadmium telluride, untuk memanen listrik dari sinar matahari dengan biaya yang sangat murah.
"Keuntungan mendasar dari film tipis datang dalam bentuk jumlah bahan yang Anda butuhkan, " kata insinyur listrik Jeff Britt, kepala petugas teknologi dari produsen film tipis Global Solar Energy di Tucson, Ariz. "Ini adalah semikonduktor bandgap langsung. Anda bisa bertahan dengan satu atau dua mikron dan masih menyerap 98 persen sinar matahari. " (Dengan kata lain, dibutuhkan setidaknya 100 kali lebih sedikit bahan film tipis untuk menyerap jumlah sinar matahari yang sama dengan sel photovoltaic silikon tradisional.)
Global Solar menggunakan teknologi yang dikenal sebagai tembaga indium gallium selenide (CIGS) untuk membuat sel surya film tipis. Perusahaan ini telah memasok pengisi daya portabel untuk medan militer dan luar ruangan AS, terutama untuk komunikasi dan perangkat elektronik kecil lainnya yang ditenagai oleh sel-sel tersebut. Pada bulan Maret, perusahaan membuka pabrik baru di Tucson, di mana ia berencana untuk memproduksi sel surya CIGS film tipis yang cukup untuk menghasilkan 40 megawatt listrik tahun depan — cukup untuk memberi daya sekitar 15.000 rumah Amerika rata-rata; pihaknya berharap untuk meningkatkan jus menjadi 100 megawatt pada 2010 sebagai respons terhadap apa yang diprediksi akan menjadi pasar yang berkembang.
"Kami fokus pada pembangkit listrik terestrial berbiaya rendah, " kata Britt. "Ini ditujukan untuk array berbasis-darat skala besar." Dengan kata lain, jenis pertanian surya yang sebelumnya didominasi oleh photovoltaics silikon tradisional sekarang digunakan untuk menghasilkan listrik dari sinar matahari di negara-negara seperti Arizona dan California.
Global Solar tidak sendirian. Sejumlah perusahaan, termasuk HelioVolt, Nanosolar, dan lainnya, menggunakan teknologi CIGS dalam upaya untuk memotong biaya produksi sel fotovoltaik. Tetapi ada tantangan lain. "Rintangan pertama adalah biaya, " kata ilmuwan material BJ Stanbery, CEO HelioVolt di Austin, Tex., Yang sedang dalam proses membuka pabrik sel surya CIGS pertamanya. "Yang kedua adalah efisiensi [berapa banyak sinar matahari dapat dikonversi menjadi daya] dan yang ketiga adalah keandalan, [yang berarti] masa pakai perangkat."
Para peneliti di Laboratorium Energi Terbarukan Nasional Departemen Energi AS (DoE) telah berhasil memproduksi sel CIGS yang dapat mengubah hampir 20 persen sinar matahari yang jatuh pada mereka menjadi listrik. Tetapi produsen mencatat bahwa produksi massal mengurangi efisiensinya karena proses kimia tidak mudah dikendalikan pada jalur perakitan industri.
"Benchtop adalah hal yang hebat untuk diukur karena ia memberi tahu Anda tentang potensi teknologi. Namun, Anda tidak tahu apa-apa tentang apa yang dibuat atau dibuat orang, " kata Paul Wormser, direktur senior pengembangan produk untuk Energi Matahari. Solutions Group di produsen elektronik Sharp Electronics, yang berkantor pusat di Osaka, Jepang. "Pada saat Anda mulai berproduksi, Anda akan mendapatkan sekitar setengah dari efisiensi yang ditunjukkan di laboratorium dalam kondisi sempurna.
Tajam memasangkan silikon amorf (lapisan halus dari silikon yang disusun secara acak) dengan lapisan silikon kristalin (yang atomnya berada dalam kisi yang lebih terstruktur) untuk membuat sel film tipisnya. Mereka berencana untuk meningkatkan kapasitas produksi di pabriknya di Katsuragi, Jepang, untuk memproduksi cukup sel untuk menghasilkan 160 megawatt listrik pada bulan Oktober — dan membawa total hasil tahunan ke sel yang cukup untuk menghasilkan 1.000 megawatt pada 2010 dengan membangun pabrik lain di Sakai, Jepang.
Dia membantah spekulasi bahwa sel surya film tipis pada akhirnya akan membunuh akhir phtotvoltaics silikon kristalin tradisional, mencatat bahwa mereka dirancang untuk melengkapi, bukan menggantikan, standar lama. "Rumor kematian kristal sangat dibesar-besarkan, " kata Wormser. "Kami melihat film tipis sebagai pelengkap kristalin dan konsentrator."
Tetapi Wormser mengatakan bahwa sel-sel film tipis memiliki potensi untuk menghasilkan lebih banyak daya dari waktu ke waktu daripada teknologi yang lebih lama, karena mereka melawan panas matahari dengan lebih baik dan menghasilkan lebih banyak daya ketika suhu melonjak.
Namun, daya tahan mungkin menjadi masalah. Akibatnya, sel film tipis yang ditujukan untuk array besar menggunakan silikon tingkat rendah (baca: kaca) untuk melindungi lapisan fotovoltaik yang halus. Sebagai contoh, First Solar, Inc yang berbasis di Tempe, Ariz, yang mempekerjakan cadmium telluride dalam sel surya film tipisnya, menjual modul-modulnya yang dibungkus dalam kaca baik untuk susunan besar atau atap rumah. "Keanggunan bisnis surya adalah Anda membuat produk dan hanya menghasilkan daya selama 20 hingga 25 tahun, " kata presiden perusahaan, Bruce Sohn.
Selain menawarkan modul surya dengan harga $ 1, 25 per pop (dibandingkan dengan setidaknya dua kali lipat per modul untuk fotovoltaik tradisional), First Solar juga telah melembagakan proses daur ulang mereka di akhir kehidupan aktif mereka.
"Kaca dapat dikembalikan ke industri kaca. Logam dapat diganti dan diberikan kembali kepada kami dalam bentuk senyawa cadmium telluride. Bahkan kawat dapat digunakan kembali, " kata Sohn. "Kami benar-benar dapat mendaur ulang lebih dari 90 persen dari berat produk saat ini dalam siklus hidup berkelanjutan yang ramah lingkungan."
Faktanya, sel surya cadmium telluride saat ini adalah perangkat yang paling ramah lingkungan, meskipun mereka menggunakan logam berat beracun, terutama karena mereka membutuhkan energi paling sedikit - biasanya disediakan dengan membakar bahan bakar fosil - untuk memproduksi, kata insinyur lingkungan Vasilis Fthenakis, ilmuwan senior di Pusat Penelitian Lingkungan Fotovoltaik Nasional Laboratorium Brookhaven di Upton, NY, dan Universitas Columbia.
Namun, cadmium telluride hanya menguasai sekitar 30 persen pasar film tipis, menurut statistik DoE, dibandingkan dengan sel silikon amorf (seperti yang diproduksi oleh Sharp dan ECD Ovonics), yang menyumbang lebih dari 60 persen; Sel CIGS hanya membentuk sekitar 1 persen dari pasar ini.
Tetapi CIGS memiliki efisiensi paling potensial (mengubah sebanyak 25 persen dari sinar matahari yang masuk ke listrik) dari salah satu teknologi film tipis serta sel fotovoltaik tradisional, kata Stanovolt's Heliberry. Würth Solar di Jerman memiliki sel-sel seperti yang diproduksi secara massal yang dapat mengkonversi sebanyak 13 persen sinar matahari, menurut Lawrence Kazmerski, direktur Pusat Nasional Fotovoltaik DoE di Golden, Colo.
Semua teknologi film tipis juga menawarkan potensi di mana-mana. Yaitu, kata Sharp's Wormser, "Anda memiliki kesempatan dengan film tipis untuk membuat apa yang orang sebut sebagai modul fotovoltaik semitransparan menggantikan jendela pada sebuah bangunan. Ini memungkinkan Anda untuk melihat keluar melalui jendela, tetapi dari luar itu terlihat seperti kaca berwarna. "
Sel surya film tipis dapat digunakan dalam aplikasi yang lebih fleksibel, seperti yang disebut sirap matahari, bahan atap yang berfungsi ganda sebagai generator listrik. "Ini akan melayani tujuan menjaga unsur-unsur, tetapi juga akan menghasilkan daya untuk Anda, " kata Global Solar's Britt. Ini juga menghilangkan biaya yang signifikan - biasanya setidaknya dua kali lipat harga modul yang diberikan - menambahkan sistem fotovoltaik surya untuk bangunan yang sudah ada.
Bentuk-bentuk alternatif pembangkit listrik — atau semacam penyimpanan energi yang efisien, seperti baterai yang lebih baik — akan diperlukan pada saat-saat ketika matahari tidak bersinar. Tetapi sel surya film tipis menjanjikan untuk memanfaatkan tenaga matahari dengan cara yang efisien dan berkelanjutan — dan menggantikan pembakaran sinar matahari yang terfosilisasi untuk energi yang berkontribusi terhadap perubahan iklim - menyebabkan karbon dioksida ke atmosfer.
"Menggabungkan efisiensi tertinggi, biaya terendah dan teknologi film tipis yang paling dapat diandalkan langsung ke bahan bangunan akan menjadi awal dari revolusi tenaga surya, " kata Stanbery dari HelioVolt. "Saya khawatir bahwa saya tidak akan hidup untuk melihat hari ketika matahari menjadi bagian penting secara ekonomis dari campuran energi kita, tapi saya pikir kita pada akhirnya menuju ke jalan yang terjadi. Yang terbaik belum datang."