PEMANFAATAN SECARA LANGSUNGENERGI DARI SINAR MATAHARI

(GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK)

PENDAHULUAN

Pemanfaatan secara langsung energi dalam ujud akhir

berupa energi elektrik telah menjadi pilihan dalam masyarakat

moderen yang dinamis dan menyenangkan. Salah satu bentuk

energi primer yang dapat dikonversi menjadi energi elektrik

adalah energi dari gelombang elektromagnetik sinar matahari

melalui prinsip sel fotovoltaik sebagai bentuk energi baru.

Prinsip tersebut merupakan konversi energi di dalam sistem

solar cell (sel matahari), di mana solar cell tersebut mempunyai

karakteristik arus konstan terhadap perubahan tegangan

sampai nilai batas maksimumnya.

Perolehan tegangan pada sistem solar cell berasal dari

sambungan yang diperoleh dengan menggabungkan

semikonduktor jenis n dan p . Untuk mendapatkannya dapat

dilakukan dengan pengamatan dan pengukuran langsung

terhadap sistem solar cell, sehingga karakteristiknya dapat

diujudkan dalam bentuk tabel maupun grafik. Nilai maksimum

voltage yang terbangkitkan antara daerah yang tersinari dan

tidak tersinari (daerah gelap) pada suatu kristal semikonduktor

1

dapat diupayakan dengan mengarahkan secara tegak lurus

terhadap arah datangnya sinar matahari. Karakteristik arus

konstan terhadap perubahan tegangan yang terjadi dapat

dibandingkan terhadap karakteristik hasil uji coba sebelum atau

setelah pabrikasi.

TINJAUAN PUSTAKA

Konversi fotoelektrik adalah peubahan energi dari

gelombang elektromagnetik sinar matahari menjadi energi

elektrik dan terjadi dalam sistem solar cell yang dibatasi

dengan efisiensi konversi relatif lebih rendah[1]. Konversi

fotoelektrik tersebut masih merupakan peristiwa dalam laborat

sampai pada tahun 1941 ketika Ohl menemukan efek

fotovoltaik pada sambungan dua semikonduktor jenis n dan p .

Hal yang menarik sistem tersebut terutama adalah

kemampuannya mengubah energi gelombang elektromagnetik

sinar matahari menjadi energi listrik secara langsung (directly).

Menggunakan konstanta konversi fotoelektrik sebesar 1395

watt per m2 telah dibuktikan, bahwa temperatur radiasi efektif di

permukaan matahari adalah sekitar 6000K (10800oR)[1].

Menurut hukum perpindahan panas radiasi Wiens, energi hasil

radiasi sinar matahari yang paling mungkin adalah sekitar 2,8

eV. Meskipun energi ini sangat kecil jika dibandingkan energi [1] CULP, Achie J., Prinsiples of Energy Conversion, McGraw-Hill Book Company, USA, 1981.

2

yang didapat dari reaksi nuklir, tetapi lebih dari cukup untuk

mengupas elektron valensi dari beberapa macam material.

Kesuksesan operasi solar cell mengandalkan pada kerja

sambungan n - p . Suatu sambungan n - p pertama kali

dibentuk, terdapatlah suatu proses pemuatan sementara yang

menimbulkan suatu medan listrik di sekitar sambungan.

Meskipun semikonduktor jenis n dan jenis p netral oleh dirinya

sendiri, konsentrasi elektron di material jenis n begitu tinggi,

sehingga ketika digabungkan dengan semikonduktor jenis p

beberapa elektron dari material n akan “luber” dan masuk ke

dalam lubang-lubang material p . Ini menyebabkan material n

bermuatan positif dan material p bermuatan negatif di daerah

sekitar sambungan. Proses pemuatan ini berlangsung terus

sampai medan listrik atau medan sambungan menghalangi

aliran lebih lanjut, sehingga elektron dan aliran lubang

mempunyai arah yang sama seperti ditunjukkan pada Gambar

1.

3

(a) tanpa voltage Lv (b) dengan voltage Lv

Gambar 1. Distribusi muatan pada suatu

semikonduktor sambungan jenis n - p

Foton bereaksi dengan elektron valensi di dekat sambungan p-n dan menimbulkan efek yang sama seperti yang

ditimbulkan voltage bias ke depan. Dalam hal ini Lv ialah

tegangan luar yang dibangkitkan foton. Suatu jenis sel

matahari secara skematis seperti ditunjukkan pada Gambar 2.

[1].

4

Gambar 2. Diagram skematis suatu jenis solar cell

Foton yang tidak dipantulkan mengenai permukaan sel

masuk ke lapisan terluar yang tipis dari material semikonduktor

dan diubah menjadi energi panas atau membentuk pasangan

ion yang mengikis elektron valensi atom semikonduktor. Untuk

bisa membentuk pasangan ion, foton yang datang harus

mempunyai energi yang lebih besar dari energi perangsang ( 0E

). Beberapa ion ini akan dipisahkan oleh medan listrik di

sambungan dan menaikkan aliran pembawa utama dan

5

Aliran elektron

-1,0 in

0,0001 in

0,04 in

Beban

Silikon jenis n

Silikon jenis p

Sambungan p-n

Foton energi cahayadari matahari

membentuk aliran arus seperti ditunjukkan pada Gambar 3.

[1].

Daerahsambungan Jenis - pJenis - n

Vo - VL

Eg

hv

hv

Gambar 3. Pembawa muatan yang disebabkan

penyinaran sel matahari

Suatu voltage bias ke depan ( Lv ) bekerja melewati

sambungan, menaikkan aliran pembawa utama (elektron untuk

material p dan lubang-lubang untuk material n ) lewat

sambungan seperti ditunjukkan dalam Gambar 1.(b). J (rapat

arus bersih) yang melewati sambungan dirumuskan dengan:

−= 1exp0 Tk

veJJ L

……(1), dengan: 0J = rapat arus beban jenuh

berlawanan.

Rapat arus beban jenuh-berlawanan merupakan arus yang

mengalir ketika bias-berlawanan yang besar dipakai untuk

sambungan dan arus mengalir hanya disebabkan oleh

pembawa minor (elektron untuk material n dan lubang-lubang

untuk material p ).6

Operasi sel fotoelektrik adalah sedemikian rupa, sehingga

sebagian arus yang dibangkitkan oleh efek fotoelektrik sJ

dilangsir lewat tahanan dalam sel jika tidak ada beban dalam

sama sekali. Bagian rapat arus dalam sel yang pergi melalui

beban luar adalah LJ , dan memberikan persamaan:JJJ sL −= ……(2).

Substitusi persamaan (1) ke (2) didapatkan:

−−= 1exp0 kT

evJJJ L

sL …..(3).

Untuk Lv sama dengan nol, yaitu pada kondisi hubungan

pendek, bentuk eksponensial pada jumlah terakhir mendekati

satu dan LJ = sJ , yaitu rapat arus hubung singkat. Nilai sJ

adalah fungsi fluks foton yang datang.

Suatu karakteristik arus-tegangan solar cell seperti

ditunjukkan pada Gambar 4.

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,70

10

20

30

40

50

60

70

80

Aru

s lu

ara

n (m

A)

Level iluminasi

125 mW cm2

100 mW cm2

50 mW cm2

Titik dayamaksimum

Segiempatdayamaksimum

100 Ω

Resistans beban

10 Ω

5 Ω

Tegangan luaran (V)

Gambar 4. Karakteristik arus-tegangan solar cell

7

Daya keluaran yang diperoleh dari solar cell:AJvP LL= ……(4),

dengan A = luas permukaan sel.

Substitusi persamaan (3) ke (4) memberikan:

−−= 1exp0 Tk

veJvAJvAP L

LSL …….(5). Diferensiasi persamaan

(5) terhadap Lv dan mencari nilai nol dari turunan tersebut

memberikan tegangan beban luar Lv pada nilai maksimum P :

Tk

veJ

J

Tk

ve

PL

s

PL

maks.,

0maks.,

1

1

exp

+

+= ……(6).

Nilai rapat arus hubung singkat sJ dan rapat arus jenuh

berlawanan diketahui, maka nilai PLv maks., dapat dievaluasi

dengan cara coba-coba. Keluaran daya maksimum solar cell

dapat dihitung dari:

PL

sPL

ve

Tk

JJvAP

maks.,

0maks.,maks.

1

)(

+

+⋅⋅=

……(7).

Energi fluks insiden pada sel diketahui, yaitu APin , maka

efisiensi konversi pada daya maksimum: maks.

maks.,in

0maks.,

in

maks.maks.

1

)(ηη =

+

+⋅⋅==

PL

sPLP

ve

TkP

JJvA

P

P

….(8).

Mengingat fluks masukan energi ke solar cell pada umumnya

konstan, efisiensi yang diberikan persamaan (8) juga

8

merupakan efisiensi konversi maksimum yang mungkin, seperti

telah ditunjukkan.

Efisiensi konversi solar cell juga tidak dibatasi oleh efisiensi

panas suatu siklus mesin kalor tetapi ada kerugian-kerugian

yang tidak bisa dihindari, sehingga sangat membatasi kinerja

sel. Dua kerugian utama, adalah kerugian sambungan dan

spektrum. Kerugian sambungan merupakan kerugian karena

aliran pembawa minor di dalam sambungan, bernilai -1 dengan

menggunakan persamaan (1). Meskipun aliran ini biasanya

kecil saja dibanding dengan aliran pembawa utama, tetapi tidak

bisa diabaikan. Untuk solar cell dari silikon yang dihadapkan

ke arah datangnya radiasi matahari, kerugian sambungan

mengurangi efisiensi sampai 50%. Kerugian sambungan

mengecil jika intensitas radiasi dinaikkan, karena hal ini

menaikkan secara efektif Lv seperti dalam persamaan (1).

Pada waktu menaikkan intensitas radiasi haruslah berhati-hati

benar, karena jika kenaikan temperatur T sangat tinggi, ini bisa

meniadakan kenaikan Lv .

Kerugian utama dalam solar cell ialah kerugian energi

spektrum. Kerugian ini dihubungkan dengan spektrum energi

dari foton yang datang dan energi perangsang dari material

semikonduktor. Setiap foton dengan energi insiden kurang dari

energi perangsang tidak dapat memproduksi pasangan ion dan

9

kelebihan energi akan diubah menjadi energi panas, dan

hilang. Foton yang mempunyai energi lebih besar dari energi

perangsang secara normal akan membentuk satu pasang ion

dan sisanya akan diubah menjadi panas, meskipun kelebihan

energi ini bisa menolong untuk mencegah beberapa kombinasi

ulang pasangan-pasangan ion. Untuk solar cell dari bahan

silikon, nilai energi perangsang sebesar 1,1 eV dan kerugian

spektrum untuk radiasi matahari lebih-kurang 50%.

Masih ada kerugian kecil yang berkaitan dengan

pengoperasian solar cell, termasuk diantaranya pemantulan

foton, kombinasi ulang pasangan ion sebelum mencapai

sambungan, juga kerugian karena panas Joule, terutama pada

lapisan terluar semikonduktor yang tipis. Mengacu ke semua

kerugian tersebut, efisiensi konversi maksimum suatu sel

matahari silikon yang mempunyai efisiensi konversi praktis

paling tinggi di banding sel lain, yaitu sebesar lebih-kurang 25%

(efisiensi aktualnya berkisar antara 15 dan 20%).

Solar cell mempunyai beberapa kelebihan dibanding sistem

konversi enegi matahari yang lain. Solar cell itu sederhana,

kompak, dan mempunyai perbandingan, daya terhadap berat

yang sangat tinggi. Ini membuatnya sangat menarik untuk

digunakan di luar angkasa. Solar cell tidak mempunyai bagian

yang bergerak, memungkinkan menghasilkan total konversi

10

energi sinar matahari menjadi energi listrik paling tinggi.

Secara teoritis solar cell mempunyai umur yang tak terbatas

meskipun pada kenyataannya sel ini juga menderita kerusakan

karena radiasi, terutama oleh hantaman partikal bermuatan

energi tinggi seperti elekton dalam sabuk radiasi van Allen di

sekeliling bumi. Kerusakan radiasi dalam solar cell silikon

dapat dikurangi dengan menggunakan susunan n di atas p .

Suatu masalah yang berkenaan dengan sistem konversi

energi sinar matahari terhadap bumi, bahwa sistem harus

disatukan dengan sistem penyimpan energi atau dengan jenis

sistem konversi lain untuk mencatu energi pada malam hari

atau pada siang hari yang mendung. Pesawat ruang angkasa

yang diorbitkan juga membutuhkan suatu sistem penyimpan

enegi untuk memberikan energi pada waktu pesawat angkasa

berada di balik bayangan bumi. Batere-batere penyimpan

biasa dipakai bersama sistem solar cell berdaya kecil.

11

RINGKASAN………………………..

12

Suatu voltage bias ke depan ( Lv ) bekerja melewati sambungan,

menaikkan aliran pembawa utama (elektron untuk material p dan

lubang-lubang untuk material n ) lewat sambungan seperti ditunjukkan

dalam Gambar 1.(b). J (rapat arus bersih) yang melewati sambungan

dirumuskan dengan:

−= 1exp0 Tk

veJJ L

……(1),

dengan: 0J = rapat arus beban jenuh berlawanan.

Operasi sel fotoelektrik adalah sedemikian rupa, sehingga sebagian

arus yang dibangkitkan oleh efek fotoelektrik sJ dilangsir lewat tahanan

dalam sel jika tidak ada beban dalam sama sekali. Bagian rapat arus

1

dalam sel yang pergi melalui beban luar adalah LJ , dan memberikan

persamaan:

JJJ sL −= ……(2).

Substitusi persamaan (1) ke (2) didapatkan:

−−= 1exp0 kT

evJJJ L

sL …..(3).

Untuk Lv sama dengan nol, yaitu pada kondisi hubungan pendek,

bentuk eksponensial pada jumlah terakhir mendekati satu dan LJ = sJ ,

yaitu rapat arus hubung singkat. Nilai sJ adalah fungsi fluks foton yang

datang.

2

Daya keluaran yang diperoleh dari solar cell:

AJvP LL= ……(4),

dengan A = luas permukaan sel.

Substitusi persamaan (3) ke (4) memberikan:

−−= 1exp0 Tk

veJvAJvAP L

LSL …….(5).

3

Diferensiasi persamaan (5) terhadap Lv dan mencari nilai nol dari

turunan tersebut memberikan tegangan beban luar Lv pada nilai

maksimum P :

Tk

veJ

J

Tk

ve

PL

s

PL

maks.,

0maks.,

1

1

exp

+

+= ……(6).

Nilai rapat arus hubung singkat sJ dan rapat arus jenuh berlawanan

diketahui, maka nilai PLv maks., dapat dievaluasi dengan cara coba-coba.

Keluaran daya maksimum solar cell dapat dihitung dari:

PL

sPL

ve

Tk

JJvAP

maks.,

0maks.,maks.

1

)(

+

+⋅⋅=

……(7).

4

Energi fluks insiden pada sel diketahui, yaitu APin , maka efisiensi

konversi pada daya maksimum:maks.

maks.,in

0maks.,

in

maks.maks.

1

)(ηη =

+

+⋅⋅==

PL

sPLP

ve

TkP

JJvA

P

P

..(8).

Contoh SoalUntuk kondisi dimana nilai intensitas iradiasi sinar matahari tertentu pada sel

surya (solar cell) mempunyai kerapatan arus hubung singkat adalah 2180

m

A

dan kerapatan arus jenuh berlawanan adalah 2

910.8m

A . Beroperasi pada suhu (temperature) C027 daya maksimum, tentukan luas efektif yang diperlukan untuk keluaran daya watt10 dan taksirlah efisiensi konversi jika intensitas iradiasi sinar matahari adalah 2

950m

W .

Penyelesaian: [Konstanta Fisika]: volt

joulee 1910.602,1 −= ; K

joulek 2310.381,1 −=

5

Diketahui:

2180

m

AJ S = ; 2

90 10.8

m

AJ = ; KCT 30027327270 =+== ; wattPout 10=

Untuk kondisi keluaran daya maksimum, digunakan persamaan (6):

Tk

veJ

J

Tk

ve

PL

s

PL

maks.,

0maks.,

1

1exp

+

+=

KK

joule

vvoltjoule

mA

mA

KK

joule

vvoltjoule

PL

PL

30010.381,1

10.602,11

10.8

1801

30010.381,1

10.602,1exp

23

maks.,19

29

2

23

maks.,19

⋅

+

+

=

⋅

−

−

−

−

−

300

000.111

10.5,22

300

000.11exp

maks.,

9maks.,

PL

PL

v

v

+=

( )PL

PL vv

maks.,

9

maks., 67,381

10.5,2267,38exp

+=

6

( ) ( ) Xvv PLPL ==⋅+ 9maks.,maks., 10.5,2267,38exp67,381

Dilakukan trial and error:

PLv maks., X PLv maks., X

0,3610.376,1 0,54

910.64,25

0,4710.576,8 0,537

910.71,22

0,5910.073,5 0,5369

910.62,22

0,55910.41,38 0,5368

910.53,22

Dipilih: voltv PL 5368,0maks., = .

Digunakan persamaan (7):

PL

sPL

ve

Tk

JJvAP

maks.,

0maks.,maks.

1

)(

+

+⋅⋅= yang diubah menjadi:

7

PL

sPL

ve

TkJJv

A

P

maks.,

0maks.,maks.

1

)(

+

+⋅=

.

Kemudian nilai voltv PL 5368,0maks., = disubstitusikan, maka:

( )5368,010602,130010381,1

1

)18010.8(5368,0

19

23

9maks.

−

−

−

⋅⋅⋅+

+⋅=A

P

>>> ( )2

maks. 18,92

5368,0600.11300

1

)180(5368,0

m

W

A

P =

⋅+

⋅=

Luas sel surya diperoleh:

222

maks.

10858,108410848,018,92

10cmcmm

APP

A out ≈====

8

(a )

tanpa voltage Lv (b) dengan voltage Lv

Gambar 1 Distribusi muatan pada suatu

semikonduktor sambungan jenis n - p

Aliran elektron yang samapada kedua arah

Sabuk konduksi

Jenis - pJenis - nDaerahsambungan

Vo

Aliran lubang yang samapada kedua arah

Sabuk valensi

Eg

Eo

LevelFermi

En

erg

i el

ekt

ron

E

Aliran elektronkelebihan

Sabuk konduksiJenis - pJenis - n

Vo - VL

Aliran kelebihanlubang

Sabuk valensi

Eo

LevelFermi

En

erg

i el

ekt

ron

E

Eg

Eg

Aliran elektron

-1,0 in

0,0001 in

0,04 in

Beban

Silikon jenis n

Silikon jenis p

Sambungan p-n

Foton energi cahayadari matahari

1

Gambar 2 Diagram skematis suatu jenis solar cell

Daerahsambungan Jenis - pJenis - n

Vo - VL

Eg

hv

hv

Gambar 3 Pembawa muatan yang disebabkan

penyinaran sel matahari

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,70

10

20

30

40

50

60

70

80

Aru

s lu

ara

n (m

A)

Level iluminasi

125 mW cm2

100 mW cm2

50 mW cm2

Titik dayamaksimum

Segiempatdayamaksimum

100 Ω

Resistans beban

10 Ω

5 Ω

Tegangan luaran (V)

Gambar 4 Karakteristik arus-tegangan solar cell

2

3