Makalah Fismat Lengkap
-
Upload
wahyu-munggarana -
Category
Documents
-
view
211 -
download
6
description
Transcript of Makalah Fismat Lengkap
APLIKASI MATERIAL SEMIKONDUKTOR
UNTUK SEL SURYA, LED, DAN LASER
MAKALAH
Disusun untuk Memenuhi Salah Satu Tugas
Mata Kuliah Fisika Material Elektrik
Disusun Oleh :
Ai Fitri Silvia (1001155)
JURUSAN PENDIDIKAN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS PENDIDIKAN TEKNOLOGI DAN KEJURUAN
UNIVERSITAS PENDIDIKAN INDONESIA
2011
LEMBAR PENGESAHAN/PENERIMAAN
Makalah ini telah diterima pada hari ....................... tanggal .......................
Oleh
Dosen Mata Kuliah Fisika Material Elektrik
Dr. Hj. Budi Mulyanti, M.Si.
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT. Karena berkat rahmat
dan hidayah-Nya penulis telah mampu menyelesaikan makalah yang berjudul
“Aplikasi Material Semikonduktor Untuk Sel Surya, LED dan Laser”. Makalah
ini disusun untuk memenuhi salah satu tugas mata kuliah Fisika Material Elektrik
di Jurusan Pendidikan Teknik Elektro prodi S-1 Pendidikan Teknik Elektro
Fakultas Pendidikan Teknologi dan Kejuruan Universitas Pendidikan Indonesia
tahun 2011 (JPTE S1-PTE FPTK UPI 2011).
Salah satu perkembangan teknologi saat ini yaitu dengan adanya aplikasi
material semikonduktor dalam bentuk Sel Surya, LED dan Laser. Pada Sel Surya,
tersusun dari material semikonduktor yang dapat mengubah sinar matahari
menjadi tenaga listrik secara langsung dengan memanfaatkan p-n junction silicon.
Sel Surya tersebut dapat dimanfaatkan sebagai energy alternative.Pada LED,
terdiri dari sebuah chip bahan semikonduktor yang diisi penuh dengan
ketidakmurnian untuk menciptakan sebuah struktur yang disebut p-n junction.
Aplikasinya bisa digunakan dalam lampu penerangan jalan. Pada Laser, terdiri
dari senyawa semikonduktor gallium arsenide. Dalam aplikasinya laser memiliki
kegunaan dalam berbagai bidang, misalnya dalam bidang elektronika, yaitu
system penyimpanan memori optik dalam computer. Dengan uraian yang
komprehensif ini, diharapkan pemahaman akan aplikasi material semikonduktor
yang lebih kreatif, hemat energy, ramah lingkungan dan memiliki banyak
kegunaan.
Penulis menyadari bahwa selama penulisan makalah ini penulis banyak
mendapat bantuan dari berbagai pihak. Oleh sebab itu, penulis mengucapkan
terimakasih kepada :
1. Ibu Dr. Hj. Budi Mulyanti, M.Si. selaku dosen mata kuliah Fisika Material
Elektrik yang telah membantu penulis selama penyusunan makalah ini ;
2. Ayahanda dan ibunda tercinta Bapak H.Zenal Arifin dan Hj. Atik surtika,
atas segala bentuk kasih sayangnya, dukungan moril dan spiritual, yang
telah mendidik, mengurus dan membesarkan penulis dengan penuh rasa
cinta dan kasih sayang juga selalu menyertakan doa untuk kebahagiaan
dan kesuksesan penulis;
3. Kakak-Kakakku tersayang Iwan Kustiawan, S.Pd., MT., Elis Hernawati
A.Md., Alek Iskandar, S.T., dan D.Eva Latifah,S.Psi yang selalu
memotivasi penulis serta menyertakan do’a untuk kesukesan penulis;
4. Rekan-Rekan Elektro seangkatan yang telah memotivasi penulis untuk
penyusunan makalah ini;
5. Semua pihak yang tisak bisa penulis sebut satu per satu.
Makalah ini bukanlah karya yang sempurna karena memiliki banyak
kekurangan, baik dalam hal isi maupun sistematika dan teknik penulisannya. Oleh
sebab itu, penulis sangat mengharapkan kritik yang membangun demi
kesempurnaan makalah ini. Akhirnya semoga makalah ini bisa memberikan
manfaat bagi penulis dan bagi pembaca. Amin.
Bandung, 15 November 2011
Penulis
DAFTAR ISI
1. KATA PENGANTAR ……………………………………………………….....i
2. DAFTAR ISI …………………………………………………………………..iii
3. BAB I PENDAHULUAN……………………………………………………....1
1.1 Latar Belakang Masalah.......................................................................1
1.2 Rumusan Masalah.................................................................................1
1.3 Tujuan Makalah....................................................................................1
1.4 Kegunaan Makalah.............................................................................. 2
1.5 Prosedur Makalah................................................................................ 2
4. BAB II PEMBAHASAN……………………………………………………… 3
2.1 Aplikasi Material Semikonduktor Untuk Sel Surya............................ 3
2.2 Aplikasi Material Semikonduktor Untuk LED.................................. 12
2.3 Aplikasi Material Semikonduktor Untuk Laser................................. 19
5. BAB III SIMPULAN DAN SARAN………………………………………… 24
3.1 Simpulan............................................................................................ 24
3.2 Saran.................................................................................................. 24
6. DAFTAR PUSTAKA……………………………………………………….. .25
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
Listrik merupakan salah satu kebutuhan masyarakat yang sangat penting dan
sebagai sumber daya ekonomis yang paling utama yang dibutuhkan dalam suatu
kegiatan usaha. Dalam waktu yang akan datang kebutuhan listrik akan meningkat
seiring dengan adanya peningkatan dan perkembangan baik dari jumlah
penduduk, jumlah investasi yang semakin meningkat akan memunculkan berbagai
industri-industri baru. Penggunaan listrik merupakan factor yang penting dalam
kehidupan masyarakat, baik pada sektor rumah tangga, penerangan, komunikasi,
industri dan sebagainya.
Seiring dengan perkembangan dan kemajuan teknologi, pembangunan
teknologi industri berkaitan erat dengan tenaga listrik yang merupakan salah satu
faktor yang penting yang sangat mendukung perkembangan pembangunan
khususnya sektor industri, dalam kehidupan modern tenaga listrik merupakan
unsur mutlak untuk meningkatkan kesejahteraan masyarakat oleh karena itu
energi listrik merupakan tolak ukur kemajuan masyarakat.
Oleh karena itu perlu energi alternative sebagai sumber energi untuk tenaga
listrik . Dewasa ini teknologi baru yang mulai digunakan adalah teknologi aplikasi
dari material semikonduktor seperti Sel Surya, LED dan Laser.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang masalah diatas, penulis merumuskan rumusan
masalah sebagai berikut.
1. Bagaimana aplikasi material semikonduktor untuk sel surya (solar cell) ?
2. Bagaimana aplikasi material semikonduktor untuk LED?
3. Bagaimana aplikasi material semikonduktor untuk Laser?
1.3 Tujuan Makalah
Sejalan dengan rumusan masalah diatas, makalah ini disusun dengan
tujuan untuk mengetahui dan mendeskripsikan :
1. Aplikasi material semikonduktor untuk sel surya (solar cell)
2. Aplikasi material semikonduktor untuk LED
3. Aplikasi material semikonduktor untuk Dioda
1.4 Kegunaan Makalah
Makalah ini disusun dengan harapan memberikan kegunaan baik secara
teoritis maupun secara praktis. Secara teoritis makalah ini berguna sebagai
perkembangan kemajuan teknologi yaitu dengan mengaplikasikan material
semikondukor diantaranya sel surya, LED dan Dioda. Secara praktis makalah ini
dihgarapkab bermanfaat bagi :
1. Penulis, sebagai wahana penambah pengetahuan dan konsep keilmuan
khususnya tentang aplikasi material semikonduktor untuk Sel Surya, LED
dan Dioda.
2. Pembaca/dosen, sebagai media informasi tentang aplikasi material
semikonduktor untuk Sel Surya, LED dan Dioda.
1.5 Prosedur Makalah
Makalah ini ditulis dengan menggunakan metode deskriptif kualitatif,
yakni suatu metode yang menggambarkan suatu fenomena secara sistematis,
dengan hasil yang dinyatakan bukan dalam bentuk angka (non statistik). Teknik
pengumpulan data yang digunakan dalam proses penulisan makalah ini adalah
melalui studi literatur (literature reseach).
Penulis melakukan telaah pustaka yang berupa buku-buku teks, jurnal-
jurnal ilmiah, artikel-artikel di internet, dan sumber-sumber lain yang berkaitan
dengan rumusan masalah yang akan dibahas.
Metode analisis data yang digunakan pada penulisan makalah ini adalah
metode analisis deskriptif kualitatif, dimana analisa deskriptif kualitatif
merupakan suatu metode yang digunakan untuk mengumpulkan, mengolah, dan
menyajikan data ke dalam bentuk penyajian yang sesuai.
BAB II
PEMBAHASAN
2.1 Aplikasi Material Semikonduktor Untuk Sel Surya
Sel surya ialah sebuah alat yang tersusun dari material semikonduktor
yang dapat mengubah sinar matahari menjadi tenaga listrik secara langsung.
Sering juga dipakai istilah photovoltaic atau fotovoltaik. Sel surya pada dasarnya
terdiri atas sambungan p-n yang sama fungsinya dengan sebuah dioda (diode).
Sederhananya, ketika sinar matahari mengenai permukaan sel surya, energi yang
dibawa oleh sinar matahari ini akan diserap oleh elektron pada sambungan p-n
untuk berpindah dari bagian dioda p ke n dan untuk selanjutnya mengalir ke luar
melalui kabel yang terpasang ke sel.
Energi surya telah banyak diterapkan dalam kehidupan sehari-hari.
Beberapa diantara aplikasi tersebut antara lain :
1. Pencahayaan bertenaga surya
2. Pemanasan bertenaga surya, untuk memanaskan air, memanaskan dan
mendinginkan ruangan,
3. Desalinisasi dan desinfektisasi
4. Untuk memasak,
Ketika trio Bell Laboratories, Chapin, Fuller dan Pearson, menemukan
sebuah fenomena p-n junction yang dapat mengubah radiasi sinar matahari
menjadi tenaga listrik pertama kalinya pada tahun 1954, material yang
dipergunakan berupa silikon (Si).
Sel surya dengan berbahan baku silikon hingga saat ini masih merupakan
jenis sel surya yang paling banyak diteliti, dikembangkan serta dipasarkan. Selain
dilatarbelakangi oleh penemuan pertama sel surya, mapannya pengetahuan akan
silikon, terbuktinya kehandalan silikon dalam aplikasi sel surya, dan jumlah
cadangan silikon di perut bumi berupa pasir silica yang berlimpah menjadi
beberapa bahan pertimbangan utama. Belum ditambah oleh dukungan
infrastruktur industri semikonduktor yang memang mengambil material silikon
sebagai bahan dasar utama produk elektronika yakni microchip atau
microprocessor.
Sebagaimana disinggung di atas, sel surya pertama memanfaatkan p-
njunction silikon, yang menjadi cara kerja fundamental sel surya jenis apapun.
Silikon jenis p (p-type) disambung dengan silikon jenis n (n-type) menghasilkan
sambunagn p-n. p-type ini maksudnya silikon dengan kelebian muatan positif
(surplus hole) dan n-type merupakan material silikon berkelebihan muatan negatif
(surplus elektron). Adanya sambungan p-n ini memungkinkan kedua muatan
positif (hole) maupun negatif (elektron) dapat berpindah dan mengalir ke arah
yang berlawanan. Jika kedua ujung sambungan p-n ini dihubungkan dengan
sebuah rangkaian listrik, maka elektron dan hole dapat mengalir ke rangkaian.
Sinar mataharilah (photon) yang menggerakkan elektron dan hole tersebut menuju
rangkaian tadi. (Mekanisme sel surya ini disederhanakan demikian saja,
mekanisme sel surya yang lebih detail ditulis pada artikel Melihat prinsip kerja
sel surya lebih dekat (Bagian Pertama).
Dalam aplikasi semikonduktor untuk sel surya, tahap yang pertama
dilakukan adalah dengan pembuatan Silikon. Tahap pertama pembuatan silikon
dimulai dengan jalan memisahkan silikon dari SiO2. Pemisahan ini dilakukan di
dalam sebuah tanur (furnace) yang disuplai dengan listrik berkekuatan tinggi.
Skema tanur untuk pemisahan silikon dapat dilihat di bawah ini.
Gambar 1. Skema pemisahan/pembuatan silikon dari pasir silika.
Pasir silika dan karbon (C) secara bersamaan (gambar paling kiri)
dimasukkan ke dalam tanur yang dilengkapi dengan elektroda tempat arus listrik
mengalir masuk (gambar tengah). Silikon dipisahkan dengan jalan mereaksikan
pasir silika dengan karbon pada suhu tinggi, yakni di atas 1900 hingga 2100
derajat celcius. Hal ini mengingat baik pasir maupun karbon merupakan dua zat
padat yang mana reaksi akan berlangsung hanya pada saat mereka
melebur/mencair/meleleh, ditambah lagi dengan titik leleh pasir silika yang di atas
1800 derajat Celcius. (Reaksi kimia tidak disertakan).
Gambar 2. PLTU Muara Karang. Sepersepuluh dari kapasitasnya yang 300 MW
itu dibutuhkan untuk memisahkan silikon dari pasir silika.
Tahapan berikutnya, ialah persiapan dan pemurnian silikon untuk bahan
dasar sel surya maupun semikonduktor atau yang disebut dengan semiconductor
grade silicon. Tahap ini dilakukan di tempat lain yang terpisah dari proses
pemisahan silikon. Untuk diketahui, silikon untuk keperluan semikonduktor
membutuhkan kadar kemurnian yang sangat sangat tinggi yang berbeda
dari metallurgical grade silicon. Di dunia semikonduktor, dikenal dengan
„eleven-nine“ atau 11 angka 9 yang menyatakan kadar kemurnian silikon dalam
persen; 99,999999999%. Silikon untuk keperluan semikonduktor harus memiliki
unsur pengotor dalam satuan bagian per semilyar (ppb, parts per billion) atau
bagian per setrilyun (ppt, parts per trillion). Sederhana saja, jika kadar kemurnian
silikon di bawah nilai nominal tersebut, dapat dijamin bahwa sebuah prosesor atau
memori komputer atau sel surya tidak dapat berjalan dengan baik.
Pemurnian silikon untuk keperluan sel surya maupun semikonduktor lain
dilakukan dalam bentuk gas melalui proses yang disebut dengan proses Siemens.
Silikon dari tahap pemurnian pertama (metallurgical grade silicon) direaksikan
dengan gas asam klorida (HCl) untuk membuat gas silikon klorida. Proses reaksi
ini dilakukan pada suhu 350 derajat Celcius.
Silikon klorida kemudian dimasukkan ke dalam reaktor Siemens (gambar
di bawah) bersama-sama dengan gas hydrogen. Di dalam reaktor Siemens terdapat
batangan umpan silikon (silicon feed rod) berbentuk U terbalik yang dipanaskan
pada suhu 1100 derajat Celcius dan pendingin. Silikon klorida mengalami reaksi
dekomposisi atau reaksi penguraian menjadi silikon pada permukaan batangan
umpan silikon, dan silikon hasil penguraian ini menempel dan terendap di
batangan tersebut. Semakin lama proses, semakin banyak silikon yang mengendap
yang kemudian membesar menjadi silikon dengan kadar kemurnian 11 angka 9 di
atas (reaksi kimia tidak disertakan).
Gambar 3. Skema diagram proses dan reaktor Siemens untuk memurnikan silikon.
Sampai di sini, silikon sudah memiliki kemurnian yang dapat
dimanfaatkan untuk keperluan sel surya.
Sel surya dibuat dari silikon yang berbentuk bujur sangkar pipih dengan
ukuran 5 x 5 cm atau 10 x 10 cm persegi. Ketebalan silikon ini sekitar 2 mm.
Lempengan bujur sangkar pipih ini disebut dengan wafer silikon untuk sel surya.
Bentuk wafer silikon sel surya berbeda dengan wafer silikon untuk semikonduktor
lain (chip, prosesor komputer, RAM memori) yang berbentuk bundar pipih meski
memiliki ketebalan yang sama (lihat gambar bawah).
Gambar 4. Wafer silikon untuk keperluan elektronika (bundar pipih) dan sel surya
(persegi berwarna biru).
Wafer silikon ini dibuat melalui proses pembuatan wafer silikon dengan
memanfaatkan silikon berkadar kemurnian tinggi sebelumnya (semiconductor
grade silicon).
Secara umum, proses pembuatan sel surya mulai dari dari silikon dapat
dilihat pada gambar di bawah ini. Proses pembuatan sel surya sendiri telah
diterangkan sebelumnya.
Gambar 5. Proses pembuatan sel surya
Pada dasarnya, pembuatan sel surya tidak ubahnya pembuatan microchip
yang ada di dalam peralatan elektronika semisal komputer, televisi maupun alat
pemutar musik digital MP3. Banyak teknologi yang dipakai oleh sel surya
mengadopsi dan mengadaptasi teknologi pembuatan microchip karena teknologi
microchip sudah mapan jauh sebelum booming sel surya yang baru muncul
belakangan di akhir 1980-an.
Teknologi pembuatan microchip maupun sel surya sama-sama bersandar
pada konsep nanoteknologi. Yakni sebuah konsep revolusioner dalam merekayasa
perilaku dan fungsi sebuah sistem pada skala molekul atau skala nanometer
(berdimensi ukuran se-per-milyar meter). Sistem yang dimaksud ini dapat berupa
molekul-molekul, ikatan kimia, hingga atom-atom yang menyusun sebuah produk.
Yang direkayasa ialah perilaku atom atau molekul-molekulnya tadi dengan jalan
menyesuaikan kondisi pembuatan atau lingkungan molekul atau atom yang
dimaksud.
Standar pembuatan sel surya jenis silikon melalui beberapa proses
implantasi (pemasukan) atom-atom lain ke dalam material silikon yang
melibatkan proses kimiawi difusi gas pada temperatur di atas 800 derajat Celcius.
Proses ini apabila tidak teliti akan mengakibatkan kebocoran dan sangat
berbahaya karena mempergunakan gas yang beracun bagi kesehatan. Alat yang
dipergunakan sendiri jelas harus mampu membangkitkan, mengatur dan
mempertahankan proses di dalam temperatur tinggi tersebut. Pembuatan sel surya
sendiri melalui beberapa tahap proses yang serupa dengan proses implantasi ini
dalam temperatur yang berbeda-beda. Jelas tidak boleh terdapat adanya pengotor
semacam debu yang ditolerir selama proses berlangsunng karena bila ada, maka
sel surya akan gagal total.
Ada beberapa hal yang perlu dicermati sebagai pintu masuk terlibatnya
masyarakat kita turut aktif mengembangkan sel surya. Penulis urutkan dari
tingkatan paling ideal hingga yang paling realistis untuk dilakukan.
1. Peleburan dan pembuatan wafer silikon
Kalau negara kita mengklaim memiliki kekayaan alam pasir silika yang
dapat diolah menjadi silikon, maka ini perlu dibuktikan dengan memproduksi
sendiri silikon yang diperlukan. Negara kita cukup mampu dalam mengolah bijih-
bijih logam dan mustinya mampu pula mengolah pasir silika menjadi bijih silikon.
Namun, jika kemampuan finansial maupun teknik bangsa kita masih kalah jauh
dengan negara yang sudah maju dalam pembuatan wafer silikon monokristal
untuk semikonduktor, maka cukuplah membidik pangsa pasar wafer silikon
polikristal untuk sel surya yang level pembuatannya relatif lebih mudah
dilakukan.
Gambar 6. pasir silika, menunggu untuk diubah menjadi sel surya.
Sejatinya, industri wafer silikon ialah sebuah industri strategis
berteknologi tinggi. Posisinya sama dengan industri dirgantara, kapal laut maupun
industri baja. Hal ini berkaitan dengan peran vital silikon dalam industri
elektronik. Tidak ada industri elektronik manapun yang tidak membutuhkan
silikon. Bila sebuah gedung dapat berdiri tegak karena memanfaatkan baja dan
pesawat dapat terbang karena menggunakan aluminium, maka komputer dan alat
elektronika lain dapat berfungsi karena adanya wafer silikon ini.
Apabila negara kita dapat memiliki industrri strategis di bidang ini, maka
kontribusi Indonesia terhadap industri dunia menjadi sangat siginifikan. Sebagai
contoh terdekat dengan penulis saat ini, Korea Selatan saat ini menjadi pemimpin
dalam bidang memori RAM komputer dengan merek Samsung maupun Hynix.
Meski demikian, merka tetap bersikeras membuat wafer silikon sendiri demi
mengurangi ketergantungan industri memorinya dari wafer silikon buatan luar.
Efek positif dari pembuatan wafer sendiri ialah tingkat kecepatan suplai bahan
baku wafer serta meningkatnya sisi konpetitif dan ekonomis dari memori buatan
Korea di pasar dunia.
2. Impor mesin-mesin pembuatan sel surya.
Langkah China dalam memasarkan sel surya di negaranya maupun di
pasaran dunia cukup menarik untuk dicermati. Industri-industri China tidak
membuat material dasar wafer silikon untuk sel surya karena mereka tahu
investasinya akan sangat besar. Mereka juga tidak memiliki kemampuan dalam
membuat mesin-mesin yang dipergunakan pabrik-pabrik mereka untuk membuat
sel surya dalam skala besar.
Gambar 7. Mesin pembuat sel surya yang telah terintegrasi. Perlu ada investasi
untuk membelinya dari luar negeri.
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 bersaing di pasaran sel surya Eropa selain menjadi tuan rumah di
negara sendiri tentunya. Hal ini penulis saksikan sendiri dalam ajang pameran dan
konferensi ilmiah sel surya tahun 2005 di Shanghai, China. Mungkin strategi ini
dalam jangka pendek bisa diterapkan di Indonesia.
3. Industri assembly.
Kerumitan pembuatan sel surya tidak terlalu ditemui pada proses
enkapsulasi sel surya menjadi sebuah modul surya. Sebagai informasi, sel surya
sendiri berukuran sekitar 5 x 5 atau 10 x 10 cm persegi. Sel sebesar ini hanya
dapat mengkonversi cahaya matahari menjadi listrik berdaya sekitar 1 – 2 Watt
saja. Untuk dapat digunakan secara praktis, seitar 30 hingga 50 buah sel surya ini
dirangkaikan satu sama lain agar menghasilkan daya keluaran sekitar 50 hingga
75 Watt. Rangkaian sel surya ini disebut dengan modul surya dan modul surya-lah
yang sebenarnya dijual dipasaran yang terdiri atas sekian buah sel surya (Gambar
8). Dengan menata seberapa besar kebutuhan listrik, maka tinggal dihitung saja
berapa banyak modul surya yang perlu dibeli, kemudian digabung dan
dirangkaikan kembali agar menghasilkan daya keluaran sesuai dengan kebutuhan
listrik rumah tangga misalnya. Rangkaian modul surya ini disebut dengan panel
surya.
Gambar 8. Contoh modul sel surya yang dipasarkan. Perhatikan adanya sel surya
di dalam modul yang telah dirangkai dan dienkapsulasi menjadi satu susunan
besar modul surya.
Proses enkapsulasi sel surya menjadi modul surya relatif lebih mudah
dilakukan oleh industri menengah karena inti kegiatannya sama dengan
proses assembly, atau merangkai sesuatu dari komponen-komponen yang sudah
jadi. PT LEN, sebuah BUMN konon kabarnya sudah mampu meng-assembly sel
surya menjadi modul surya yang siap dipasarkan. Melalui langkah ini. industri
assembly sel surya tidak perlu berinvestasi pada penambangan, peleburan dan
pembuatan wafer silikon. Jalan umum yang diambil hanyalah mengimpor sel
surya yang sudah jadi, kemudian merangkainya menjadi modul dan menjualnya
kembali ke pasaran.
4. Pembuatan komponen pelengkap sel surya.
Hal terakhir yang mungkin penulis sarankan ialah menekuni pembuatan
komponen sel surya (disebut dengan balance of systemlihat Gambar 8), semacam
inverter DC ke AC, kabel-kabel, aki atau baterei, beberapa kontroler yang penulis
yakin sudah cukup dikuasai industri elektronika di Indonesia. Jelas keuntungan
produk Indonesia yang relatif murah mustinya dapat merajai pasar komponen
untuk sel surya di tanah air. Sebagai tambahan, mungkin desain perumahan atau
gedung yang siap merespon pemakaian sel surya di Indonesia dapat menjadi lahan
bagus buat para arsitek.
Gambar 9. Komponen-komponen pelengkap sel surya agar dapat bekerja (Balance
of System)
2.2 Aplikasi Material Semikonduktor untuk LED
Sebuah LED adalah sejenis dioda semikonduktor istimewa. Seperti sebuah
dioda normal, LED terdiri dari sebuah chip bahan semikonduktor yang diisi
penuh, atau di-dop, dengan ketidakmurnian untuk menciptakan sebuah struktur
yang disebut p-n junction. Pembawa-muatan - elektron dan lubang mengalir ke
junction dari elektroda dengan voltase berbeda. Ketika elektron bertemu dengan
lubang, dia jatuh ke tingkat energi yang lebih rendah, dan melepas energi dalam
bentuk photon.
Tidak seperti lampu pijar dan neon, LED mempunyai kecenderungan
polarisasi. Chip LED mempunyai kutub positif dan negatif (p-n) dan hanya akan
menyala bila diberikan arus maju. Ini dikarenakan LED terbuat dari bahan
semikonduktor yang hanya akan mengizinkan arus listrik mengalir ke satu arah
dan tidak ke arah sebaliknya. Bila LED diberikan arus terbalik, hanya akan ada
sedikit arus yang melewati chip LED. Ini menyebabkan chip LED tidak akan
mengeluarkan emisi cahaya.
Chip LED pada umumnya mempunyai tegangan rusak yang relatif rendah.
Bila diberikan tegangan beberapa volt ke arah terbalik, biasanya sifat isolator
searah LED akan jebol menyebabkan arus dapat mengalir ke arah sebaliknya.
Karakteristik chip LED pada umumnya adalah sama dengan karakteristik
dioda yang hanya memerlukan tegangan tertentu untuk dapat beroperasi. Namun
bila diberikan tegangan yang terlalu besar, LED akan rusak walaupun tegangan
yang diberikan adalah tegangan maju.
Tegangan yang diperlukan sebuah dioda untuk dapat beroperasi adalah
tegangan maju (Vf). Sirkuit LED dapat didesain dengan cara menyusun LED
dalam posisi seri maupun paralel. Bila disusun secara seri, maka yang perlu
diperhatikan adalah jumlah tegangan yang diperlukan seluruh LED dalam
rangkaian tadi. Namun bila LED diletakkan dalam keadaan paralel, maka yang
perlu diperhatikan menjadi jumlah arus yang diperlukan seluruh LED dalam
rangkaian ini.
Menyusun LED dalam rangkaian seri akan lebih sulit jika warna LED
berbeda-beda, karena tiap warna LED yang berlainan mempunyai tegangan maju
(Vf) yang berbeda. Perbedaan ini akan menyebabkan bila jumlah tegangan yang
diberikan oleh sumber daya listrik tidak cukup untuk membangkitkan chip LED,
maka beberapa LED akan tidak menyala. Sebaliknya, bila tegangan yang
diberikan terlalu besar akan berakibat kerusakan pada LED yang mempunyai
tegangan maju relatif rendah.
Pada umumnya, LED yang disusun secara seri harus mempunyai tegangan
maju yang sama atau paling tidak tak berbeda jauh supaya rangkaian LED ini
dapat bekerja secara baik. Jika LED digunakan untuk indikator pada voltase lebih
tinggi dari operasinya dirangkai seri dengan resistor untuk menyesuaikan arus
agar tidak melampaui arus maksimum LED, kalau arus maksimum terlampau
LED jadi rusak.
Pengembangan LED dimulai dengan alat inframerah dan merah dibuat
dengan gallium arsenide. Perkembagan dalam ilmu material telah memungkinkan
produksi alat dengan panjang gelombang yang lebih pendek, menghasilkan
cahaya dengan warna bervariasi.
LED konvensional terbuat dari mineral inorganik yang bervariasi,
menghasilkan warna sebagai berikut:
aluminium gallium arsenide (AlGaAs) - merah dan inframerah
gallium aluminium phosphide - hijau
gallium arsenide/phosphide (GaAsP) - merah, oranye-merah, oranye, dan
kuning
gallium nitride (GaN) - hijau, hijau murni (atau hijau emerald), dan biru
gallium phosphide (GaP) - merah, kuning, dan hijau
zinc selenide (ZnSe) - biru
indium gallium nitride (InGaN) - hijau kebiruan dan biru
indium gallium aluminium phosphide - oranye-merah, oranye, kuning, dan
hijau
silicon carbide (SiC) - biru
diamond (C) - ultraviolet
silicon (Si) - biru (dalam pengembangan)
sapphire (Al2O3) - biru
LED = light emitting diode adalah sebuah dioda yang dapat memancarkan
cahaya jika mendapat bias maju. Karakteristik LED mirip dengan dioda p-n. LED
ini sibuat dengan berbagai macam panjang gelombang sehingga dapat dibedakan
dari warnanya, umumnya adalah warna merah (~ 650 nm), hijau (~550 nm) dan
kuning (~600 nm).
Disamping ada LED yang memancarkan cahaya infra merah (~950 nm)
yang biasanya dipakai sebagai sumber cahaya pada sistem sensor, sedangkan LED
cahaya tampak dipakai untuk indikator, peraga dalam instrumen digital, dll.
Proses pembentukan pasangan elektron-hole bersifat reversibel, energi
cahaya dipancarkan pada saat terjadi rekombinasi elektron-hole. Pada Si dan Ge
umumnya rekombinasi terjadi pada cacat kristal, namun kadang-kadang dapat
juga sebuah elektron langsung terjatuh ke hole sambil memancarkan energi
cahaya, keadaan ini lebih banyak terjadi pada GaAs. Pada kondisi khusus cahaya
yang dipancarkan bersifat koheren, dan devais ini dikenal sebagai laser
semikonduktor. Ada beberapa keunggulan penggunaan LED dibandingkan dengan
lampu pijar untuk sistem elektronika, seperti:
1. LED beroperasi pada tegangan rendah dan kompatibel dengan level
tegangan logika TTL 5 volt, disamping juga butuh konsumsi daya yang
rendah sekitar ~ 20 - 30 mW.
2. berumur panjang, MTBF ~ 100.000 jam
3. konstruksi semikonduktor lebih andal dibandingkan dengan konstruksi
filamen yang mudah pecah.
4. ukurannya kecil.
5. murah
6. emisi LED hampir monokromatis dan tersedia dalam beberapa warna.
7. dapat diberi pulsa pada frekuensi tinggi
Untuk pemasangan LED perlu dibatasi arus maju yang lewat pada LED
tsb, umumnya hambatan pembatas sekitar 200 Ω. Untuk menghitung hambatan
pembatas perlu diketahui karakteristik I-V dari LED yang dipakai. Sebagai
contoh LED warna merah dari GaAsP, arus maju minimum agar cahaya dari LED
tsb tampak pada ruangan normal (diterangi dengan lampu) sekitar ~ 20 mA,
tegangan jatuh pada LED pada saat IF = 20 mA adalah VF = 1,6 volt (perlu di-
check dari data sheet LED ybs). Maka hambatan pembatasnya adalah: (dengan
tegangan supply = 5 volt)
Selanjutnya untuk mengemudikan LED dari rangkaian logika perlu juga
diberi hambatan pembatas, hal ini karena pada gerbang TTL standar dapat
menerima (sink) arus hingga 16 mA (yaitu IOL), sedangkan TTL standar hanya
dapat menyalurkan (source) arus hingga 1 mA. Kondisi ini tidak cukup terang
untuk sebagian besr aplikasi LED. Kesulitan ini dapat diatasi dengan gerbang
yang dapat di-pull-up dengan sebuah
hambatan, seperti gerbang 7410, seperti ditunjukkan pada rangkaian berikut ini.
Gambar 10, LED dikendalikan oleh gerbang NAND Peraga numerik biasanya
menggunakan sistem 7-segmen, seperti ditunjukkan pada Gambar 3, sedangkan
untuk peraga alfanumerik biasanya menggunakan matrik titik 5 x 7 atau LCD.
Peraga 7-segmen merpakan peraga yang paling umum dijumpai untuk
peraga numerik karena menggunakan IC standar dan cukup sederhana untuk
mengendalikannya, misalnya untuk menampilkan angka 2 perlu memberikan bias
maju pada segmen a, b, g, e, d. Untuk memperagakan pada peraga 7-segmen perlu
decoder, umumnya yang tersedia adalah decoder BCD ke 7-segmen, sehingga
format data input berupa format BCD. Disamping decoder perlu driver untuk
memberikan arus ke peraga minimum ~ 10 mA agar dapat menyalakan 7-segmen.
Decoder dan driver tersedia dalam satu chip IC, seperti 7447. IC 7447 digunakan
untuk peraga dengan tipe anoda bersama. Rangkaiannya ditunjukkan pada
Gambar 4.
Gambar 11, Rangkaian peraga 7-segmen
Untuk memperagakan bilangan besar misalnya ada 4 atau lebih digit
biasanya dipergunakan teknik multiplek. Dengan teknik ini hanya menggunakan
satu buah decoder/driver yang dipakai untuk men-decode nilai BCD ke peraga 7-
segmen dengan menyalakan masing-masing peraga secara bergantian. Jika
pergantian peraga tsb terjadi > 100 Hz, mata kita tidak akan merasakan
berkedipnya peraga tsb.
Salah satu aplikasi material semikonduktor untuk LED yaitu adanya lampu
jalan, lampu jalan adalah lampu yang digunakan untuk penerangan jalan dimalam
hari sehingga pejalan kaki, pesepeda dan pengendara dapat melihat dengan lebih
jelas jalan yang akan dilalui pada malam hari, sehingga dapat meningkatkan
keselamatan lalu lintas dan keamanan dari para pengguna jalan.
Ganbar 12. Lampu Jalan
Salah satu alternative sumber energi adalah dengan Menggunakan Lampu
LED jenis hi-power yang sangat terang, hemat energi dan tahan lama . Masa
pemakaian Lampu LED bisa mencapai 50.000 jam dengan sumber daya DC.
Dengan lamanya interval penggantian lampu berarti juga mengurangi frekuensi
dan menghemat biaya operasional pemeliharaan untuk ongkos jasa penggantian
bola lampunya saja. Baterai yang digunakan adalah baterai bebas perawatan
(maintenance free) jenis VRLA dan tipe Deep Cycle.Dengan menggunakan
perangkat ini, kita sudah memiliki sumber energi sendiri tanpa ketergantungan
dengan pihak lain, hemat BBM, dan ramah lingkungan. Lampu ini beroperasi
secara mandiri dan tidak memerlukan kabel jaringan antar tiang sehingga
installasinya menjadi sangat mudah, praktis, sangat ekonomis dan tentunya dapat
terhindar dari black out total jika terjadi gangguan.
Secara keseluruhan sistem ini dirancang untuk penyediaan cahaya
penerangan umum dengan sumber energi terbarukan, bebas biaya perawatan dan
berumur ekonomis lama. Dengan sistem pemasangan yang cepat dan mudah, LED
Street Light dapat menjadi solusi yang cepat dalam mengatasi kebutuhan
penerangan jalan umum.
Keunggulan:
Terang dan tahan lama
Hemat energi
Ramah lingkungan
Bebas polusi
Cepat dan mudah dalam pemasangan
Hemat biaya perawatan
Life time yang lama (lampu LED hingga 11 tahun & solar panel hingga 25
tahun)
Cocok dipasang di segala lokasi
Tersedia dengan daya mulai dari lampu dengan daya 15w (950Lm) -168w
(14.558 Lm)
KOMPONEN:
Lampu LED/CFL + Cobra Head Lamp
Charge Controller Automatic Timer
Battery SLA/VLRA Deep Cycle Free Maintenance
Battery Box
Various Brackets
Wiring Harnesses
Manual Book
2.3 Aplikasi Material Semikonduktor Untuk Laser
Sebuah laser, yang merupakan singkatan dari Light Amplifikasi oleh
Merangsang Emisi Radiasi, adalah sebuah alat yang mengubah energi menjadi
cahaya. Energi listrik atau optik digunakan untuk merangsang atom atau molekul,
yang kemudian memancarkan cahaya. Laser terdiri dari rongga, dengan cermin
datar atau bulat pada ujungnya, yang diisi dengan bahan lasable. Bahan ini dapat
bersemangat untuk keadaan semistable oleh cahaya atau mengalirkan
listrik. Materi yang dapat menjadi kristal, kaca, cair, pewarna, atau gas asalkan
bisa senang dengan cara ini.
Sebuah laser semikonduktor mengubah energi listrik menjadi cahaya. Hal
ini dimungkinkan dengan menggunakan bahan semikonduktor, yang memiliki
kemampuan untuk menghantarkan listrik adalah antara yang konduktor dan
isolator. Dengan doping semikonduktor dengan jumlah tertentu dari kotoran,
jumlah elektron bermuatan negatif atau lubang bermuatan positif dapat diubah.
Dibandingkan dengan jenis laser lainnya, laser semikonduktor yang
kompak, dapat diandalkan dan bertahan lama. Laser tersebut terdiri dari dua
komponen dasar, sebuah amplifier optik dan resonator. Penguat adalah terbuat
dari bahan semikonduktor celah pita langsung didasarkan pada baik gallium
arsenide (GaAs) atau substrat InP. Ini adalah senyawa berdasarkan Kelompok III
dan V Grup unsur dalam tabel periodik. Paduan bahan-bahan yang terbentuk ke
substrat sebagai struktur berlapis mengandung jumlah yang tepat dari bahan lain.
Kinerja dan biaya semikonduktor tergantung pada daya output, kecerahan,
dan masa operasi. Power penting karena menentukan throughput maksimum atau
laju umpan dari sebuah proses. Kecerahan tinggi, atau kemampuan untuk fokus
output laser ke tempat kecil, menentukan efisiensi daya. Seumur hidup ini penting
karena semakin lama laser berlangsung, semakin sedikit biaya untuk beroperasi,
yang terutama penting dalam aplikasi industri.
Laser semikonduktor yang paling sederhana terdiri dari emitor tunggal
yang memproduksi lebih dari satu watt daya gelombang kontinu. Untuk
meningkatkan daya, bar dan modul multibar atau tumpukan telah
dikembangkan. Sebuah bar adalah array dari 10 sampai 50 sisi-by-side laser
semikonduktor individu terintegrasi ke dalam sebuah chip tunggal dan tumpukan
adalah array dua dimensi bar ganda. Bar dapat menghasilkan 50 watt daya output
dan terakhir lebih dari 5.000 jam. Karena kekuatan tinggi seperti menghasilkan
banyak panas, sistem pendingin harus dimasukkan ke dalam desain.
Laser semikonduktor konvensional terdiri dari senyawa semikonduktor,
gallium arsenide. Bahan ini datang dalam bentuk ingot yang kemudian diproses
lebih lanjut menjadi substrat yang lapisan bahan lain yang ditambahkan. Bahan
yang digunakan untuk membentuk lapisan ini tepat ditimbang sesuai dengan
formula khusus. Bahan lainnya yang
Gambar 13. laser ganda heterostructure.
Sebuah laser ganda heterostructure digunakan untuk membuat jenis laser
termasuk logam tertentu (seng, emas, dan tembaga) sebagai aditif (dopan) atau
elektroda, dan silikon dioksida sebagai isolator.
Desain dasar dari laser semikonduktor terdiri dari "heterostructure
ganda." Ini terdiri dari beberapa lapisan yang memiliki fungsi yang
berbeda. Amplifikasi lapisan aktif atau cahaya terjepit di antara dua lapisan
cladding. Lapisan-lapisan cladding memberikan injeksi elektron ke lapisan
aktif. Karena lapisan aktif memiliki indeks bias lebih besar dari orang-orang dari
lapisan cladding, cahaya terbatas dalam lapisan aktif.
Kinerja laser dapat ditingkatkan dengan mengubah desain persimpangan
sehingga difraksi kerugian dalam rongga optik berkurang. Hal ini dimungkinkan
dengan memodifikasi bahan laser untuk mengontrol indeks bias rongga dan lebar
dari junction. Indeks bias bahan tergantung pada jenis dan kuantitas
kenajisan. Misalnya, jika bagian dari galium dalam lapisan bermuatan positif
diganti dengan aluminium, indeks bias berkurang dan sinar laser lebih baik
terbatas pada rongga optik.
Lebar persimpangan juga dapat mempengaruhi kinerja. Sebuah batas-batas
dimensi sempit arus ke satu baris sepanjang laser, meningkatkan kerapatan
arus. Output daya puncak harus dibatasi tidak lebih dari 400 watt per cm (0,4 in)
panjang persimpangan dan kepadatan saat ini untuk kurang dari 6.500 per
sentimeter kuadrat ampere di persimpangan untuk memperpanjang kehidupan
laser.
Kegunaan laser sebagai salah satu aplikasi material semikonduktor dalam
kehidupan sehari-hari, laser digunakan pada berbagai bidang. Dalam
penggunaannya, energi laser yang terpancar tiap satuan waktu dinyatakan dengan
orde dari beberapa mW(Laser yand digunakan dalam system audio laser disk)
sampai dengan beberapa MW(Laser yang digunakan untuk senjata). Besarnya
energi laser yang dipilih bergantung pada penggunaannya. Pemanfaatan sinar
laser misalnya pada bidang kedokteran, pelayanan (jasa), industri, astronomi,
fotografi, elektronika, dan komunikasi.
1. Dalam bidang kedokteran dan kesehatan, sinar laser digunakan antara lain
untuk mendiagnosis penyakit, pengobatan penyakit, dan perbaikan suatu
cacat serta penbedahan.
2. Pada bidang industri, sinar laser bermanfaat untuk pengelasan,
pemotongan lempeng baja, serta untuk pengeboran.
3. Pada bidang astronomi, sinar laser berdaya tinggi dapat digunakan untuk
mengukur jarak Bumi Bulan dengan teliti.
4. Dala bidang fotografi, laser mampu menghasilkan bayangan tiga dimensi
dari suatu benda, disebut holografi.
5. Dalam bidang elektronika, laser solid state berukuran kecil digunakan
dalam system penyimpanan memori optik dalam computer.
6. Dalam bidang komunikasi, laser berfungsi untuk memperkuat cahaya
sehingga dapat menyalurkan suara dan sinyal gambar melalui serat optik.
Terdapat beberapa jenis laser yang umum digunakan untuk perawatan
kecantikan khususnya di Indonesia, diantaranya :
1. Fractional CO2 : Laser Fractional CO2 adalah laser yang menggunakan
teknologi fractional carbon dioxide (SmartXide DOT) untuk mengatasi
masalah jaringan parut (skar) dan kerut-kerut karena penuaan kulit. Sinar
laser yang dihasilkan oleh alat ini secara akurat melakukan pengangkatan
kulit lapis perlapis dan mampu merangsang pembentukan kolagen baru
dengan cara memberi panas hanya pada kedalaman dan area kulit yang
tertimpa sinar laser (teknologi SmartXide DOT). Biasa digunakan untuk
peremajaan kulit, mencerahkan kulit serta mengatasi masalah kulit lainnya
seperti keriput, pigmentasi, tumor jinak, jerawat,kutil dan bekas luka.
2. Nd YAG : Teknik laser ini sangat baik digunakan untuk menghilangkan
bulu-bulu atau rambut yang yang tumbuh pada area-area tertentu seperti di
ketiak, area bikini, diatas bibir (kumis), di lengan dan tungkai.
3. Q Switched Nd YAG : Laser pigmen (Q-switch Nd:YAG laser) digunakan
untuk mengatasi kelainan pigmentasi pada kulit karena photoaging seperti
lentigo senilis, freckles, tanda lahir berupa bercak hitam
keabuan/kecoklatan dan juga dapat menghilangkan tattoo pada tubuh.
Adapun keunggulan laser diantaranya :
1. Hemat waktu: area perawatan lebih luas menggunakan kluster laser BTL
berdaya tinggi (hingga 1800mW),
2. Berbagai pilihan probe laser BTL (hingga 400mW) untuk lapisan jaringan
permukaan dan dalam,
3. Ensiklopedi online dengan protokol yang sudah ditetapkan sebelumnya
berdasarkan riset medis bertahun-tahun,
4. Aplikasi yang disarankan untuk berbagai bidang kedokteran (rehabilitasi,
dermatologi, ginekologi, ENT, kedokteran olahraga, dll.),
5. Layar sentuh mudah dioperasikan.
BAB III
SIMPULAN DAN SARAN
3.1 Simpulan
Berdasarkan uraian bab sebelumnya penulis dapat mengemukakan
kesimpulan sebagai berikut :
1. Salah satu perkembangan teknologi saat ini yaitu dengan adanya aplikasi
material semikonduktor dalam bentuk Sel Surya, LED dan Laser.
2. Pada Sel Surya, tersusun dari material semikonduktor yang dapat
mengubah sinar matahari menjadi tenaga listrik secara langsung dengan
memanfaatkan p-n junction silicon. Sel Surya tersebut dapat dimanfaatkan
sebagai energy alternative.
3. Pada LED, terdiri dari sebuah chip bahan semikonduktor yang diisi penuh
dengan ketidakmurnian untuk menciptakan sebuah struktur yang disebut
p-n junction. Aplikasinya bisa digunakan dalam lampu penerangan jalan.
4. Pada Laser, terdiri dari senyawa semikonduktor gallium arsenide. Dalam
aplikasinya laser memiliki kegunaan dalam berbagai bidang, misalnya
dalam bidang elektronika, yaitu system penyimpanan memori optik dalam
computer.
3.2 Saran
Sejalan dengan simpulan di atas, penulis merumuskan saran sebagai
berikut :
1. Dalam perkembangan teknologi material semikonduktor, hendaknya bisa
memiliki kegunaan yang bermanfaat dalam kehidupan sehari-hari yang
efektif dan efisien dalam pembuatannya sehingga mudah untuk
membawanya.
2. Dalam perkembangan teknologi material semikonduktor, hendaknya
memiliki kriteria hemat biaya, hemat waktu, hemat energy, ramah
lingkungan dan memiliki banyak kegunaan.
DAFTAR PUSTAKA
Zebua, Rahmat Syukur. (2011). Jenis Laser yang Digunakan Sebagai Modalitas Fisioterapi. TA Poltekes YRSU DR. RUSDI Medan : tidak diterbitkan.
Wijaya, Sastra Kusuma. (2010). Optoelektronika. Diktat Elektronika I FPMIPA UI : tidak diterbitkan.
Samadikun, Samaun. (1989).” Perkembangan Dalam Bidang Mikroelektronika dan Dampaknya pada Bidang Instrumentasi.” Makalah pada Seminar Sistem Instrumentasi dan Kontrol Berbasis Komputer ITB. Bandung.
Eric. (2008). Pembuatan Sel Surya Silikon. [Online]. Tersedia : http://energisurya.wordpress. com /2008/10/10/membuat-sel-surya-sendiri-bagian-1-pengolahan-silikon/ . [13 November 2011]
Eric. (2008). Pembuatan Energi Surya dimulai. [Online]. Tersedia : http://energisurya.wordpress.com/2008/10/10/membuat-sel-surya-sendiri-bagian-2-proses-pembuatan-sel-surya/. [13 November 2011]
Frost & Sullivan . (2008). Laser. [Online]. Tersedia : http:// www. scribd. com /doc/57085965/Laser. [13 November 2001]
Adhi. (2007). Aplikasi Sel Surya Sebagai Sumber Altrnatif. [Online]. Tersedia : http://www.forumsains.com/artikel/aplikasi-sel-surya-sebagai-sumber-energi-alternatif/. [13 November 2011]
Macintyre. (2010). Semiconductor-Laser. [Online]. Tersedia : http://translate.google.co.id/translate?hl=id&langpair=en|id&u=http://www.madehow.com/Volume-6/Semiconductor-Laser.html. [13 November 2011]
Miller. (2010). Modul 3-11 Semiconductor Lasers. [Online]. Tersedia : http://translate.google.co.id/translate?hl=id&langpair=en|id&u=http://utopia.cord.org/cm/leot/course03_mod11/mod03_11.htm. [13 November 2011]
Mattetal. (2009). Leds Light Emitting – Diodes. [Online]. Tersedia : http://translate.google.co.id/translate?hl=id&langpair=en|id&u=http://www.radio-electronics.com/info/data/semicond/leds-light-emitting-diodes/technology-tutorial.php. [13 November 2011]