paper light with too little or too much energy.docx

7/23/2019 Paper Light with too little or too much energy.docx

http://slidepdf.com/reader/full/paper-light-with-too-little-or-too-much-energydocx 1/12

Physical Aspects of Solar Cell Efficiency

Light With Too Little Or Too Much Energy

Rifani Magrissa

Jurusan Kimia !a"ultas Matemati"a #an $lmu Pengetahuan Alam

%ni&ersitas 'egeri Pa#ang Pa#ang

Tin(auan Pusta"a

)* Sel Surya

Sel surya merupakan salah satu produk teknologi fotovoltaik yang dikembangkan

pada bahan semikonduktor (silikon multikristal, monokristal, dan amorf) yang mampu

menyerang gelombang elektromagnetik dan konversi energi cahaya ( photon) menjadi

energi listrik secara langsung. Prinsip sel surya merupakan kebalikan dari LE ( Light

Emitting Diode) yang mengubah energi listrik menjadi cahaya atau boleh dikatakan identik

dengan sebuah dioda cahaya ( photodioda) sambung p!n (p!n junction) dengan cahaya

energi (band gap) E, Ev. "etika energi foton yang datang lebih besar dari celah energi ini

maka foton akan diserap oleh semikonduktor untuk membentuk pasangan electron-hole

sebagai pemba#a muatan (carrier ). Selanjutnya elektron dan hole bergerak berturut!turut

ke arah lapisan n dan p sehingga timbul beda potensial dan photocurrent (arus yang

dihasilkan oleh cahaya) ketika kedua muatan melintasi daerah sambung p!n.

+am,ar )* S"ema Sel Surya yang mengalami Penyinaran -./

Pada sel surya dibutuhkan material yang dapat menangkap matahari dan energi

tersebut digunakan untuk memberikan energi ke elektron agar dapat berpindah dari gapnya

kepita konduksi dan kemudian dapat berpindah ke rangkaian luar.

1



"etika semikonduktor sambungan p!n disinari maka akan terjadi pelepasan elektron

dan hole pada semikonduktor tersebut. Lepasnya pamba#a muatan tersebut mengakibatkan

penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi. $danya kelebihan muatan ini akan

mengakibatkan muatan ini bergerak karena adanya medan listrik pada daerah deplesi. Pada

keadaan ini, arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara keseluruhan

dihasilkan arus berupa arus drift , yaitu arus yang dihasilkan karena kemunculan medan

listrik. $rus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya sambungan p!n sebagai arus

listrik.

Sel surya merupakan suatu devais semikonduktor yang dapat menghasilkan listrik

jika diberikan sejumlah energi cahaya. Proses penghasilan energi listrik itu dia#ali dengan

proses pemutusan ikatan elektron pada atom!atom yang tersusun dalam kristal

semikonduktor ketika diberikan sejumlah energi (hf ). Salah satu bahan semikonduktor yang

biasa digunakan sebagai sel surya adalah kristal silikon.

Panel surya adalah alat yang terdiri dari sel surya yang mengubah cahaya menjadi

listrik. %ereka disebut surya atas matahari atau &sol& karena matahari merupakan sumber

cahaya terkuat yang dapat dimanfaatkan. Panel surya sering kali disebut sel photovoltaic,

photovoltaic dapat diartikan sebagai &cahaya!listrik&. Sel surya atau sel P' bergantung pada

efek photovoltaic untuk menyerap energi matahari dan menyebabkan arus mengalir antara

dua lapisan bermuatan yang berla#anan.

ara kerja sel surya sendiri sebenarnya identik dengan piranti semikonduktor dioda.

"etika cahaya bersentuhan dengan sel surya dan diserap oleh bahan semi!konduktor, terjadi

pelepasan elektron. $pabila elektron tersebut bisa menempuh perjalanan menuju bahan

semi!konduktor pada lapisan yang berbeda, terjadi perubahan sigma gaya!gaya pada bahan.

aya tolakan antar bahan semi!konduktor, menyebabkan aliran medan listrik. an

menyebabkan elektron dapat disalurkan ke saluran a#al dan akhir untuk digunakan pada

perabot listrik.

Prinsip kerja sel surya yaitu cahaya yang jatuh pada sel surya menghasilkan elektron

yang bermuatan positif dan hole yang bermuatan negatif. Elektron dan hole mengalir

membentuk arus listrik. Sel surya merupakan sebuah piranti yang mampu mengubah secara

langsung energi cahaya menjadi energi listrik. Proses pengubahan energi ini terjadi melalui

efek fotolistrik.

$bsorpsi cahaya oleh sel!sel organik menyebabkan sebuah keadaan eksitasi yang

dikenal sebagai exciton atau pasangan elektron!lubang (electron!hole). Elektron dan lubang

terpisah satu sama lain dan diba#a melalui molekul donor dan akseptor ke elektroda,

menghasilkan sebuah arus listrik (photocurrent). Proses konversi cahaya secara langsung

menjadi listrik ini dikenal sebagai fotovoltaik dan harus dioptimasi untuk sel!sel surya

2



organik agar menjadi efisien. *anyak upaya yang telah dilakukan untuk mencari molekul

donor dan akseptor yang cocok dan pengaturannya pada sebuah permukaan elektroda yang

berskala nanometer. +-

Pada saat sumber cahaya tiba!tiba dimatikan, maka konsentrasi masing!masingelektron dan hole akan kembali pada saat a#al dimana belum diberi cahaya. Proses

kembalinya konsentrasi masing!masing elektron dan hole pada keadaan semula ini dikenal

sebagai proses rekombinasi. adi pada sel surya tidak akan ada penyimpanan energi, energi

akan hilang begitu terjadi proses rekombinasi.

*esarnya energi cahaya yang dapat diserap oleh sel surya adalah bergantung

terhadap besarnya energi foton dari sumber cahaya. *esar energi cahaya yang mungkin

dapat diserap oleh sel surya. +/-

E = hf ....( 0 )

Sampai saat ini modul sel surya komersial memiliki efisiensi berkisar antara /

hingga 0/ persen tergantung material penyusunnya. 1ipe silikon kristal merupakan jenis

piranti sel surya yang memiliki efisiensi tinggi meskipun biaya pembuatannya relatif lebih

mahal dibandingkan jenis sel surya lainnya. 1ipe modul sel surya inilah yang banyak

beredar di pasaran. +-

0* Efe" !oto&oltai"

%enurut bahasa, kata 2otovoltaik berasal dari bahasa 3unani photos yang berarticahaya dan volta yang merupakan nama ahli fisika dari 4talia yang menemukan tegangan

listrik. Secara sederhana dapat diartikan sebagai listrik dari cahaya. 2otovoltaik merupakan

sebuah proses untuk mengubah energi cahaya menjadi energi listrik. Proses ini bisa

dikatakan kebalikan dari penciptaan laser.

Efek 2otovoltaik pertama kali berhasil diidentifikasi oleh seorang ahli 2isika

berkebangsaan Prancis $le5andre Edmond *ec6uerel pada tahun 078. *aru pada tahun

079:, ;illiam rylls $dams bersama muridnya, <ichard Evans ay menemukan bah#a

material padat selenium dapat menghasilkan listrik ketika terkena paparan sinar. ari

percobaan tersebut, meskipun bisa dibilang gagal karena selenium belum mampu

mengonversi listrik dalam jumlah yang diinginkan, namun hal itu mampu membuktikan

bah#a listrik bisa dihasilkan dari material padat tanpa harus ada pemanasan ataupun bagian

yang bergerak. 1ahun 077, harles 2rit= mencoba melakukan penelitian dengan melapisi

semikonduktor selenium dengan lapisan emas yang sangat tipis. 2otovoltaik yang

dibuatnya menghasilkan efisiensi kurang dari 0 >.

3



Perkembangan berikutnya yang berhubungan dengan ini adalah penemuan $lbert

Einstein tentang efek fotolistrik pada tahun 08?@. 1ahun 08A9, 2otovoltaik dengan tipe

yang baru dirancang menggunakan tembaga dan semikonduktor copper o5ide. Bamun

kombinasi ini juga hanya bisa menghasilkan efisiensi kurang dari 0 >. Pada tahun 08@0,

seorang peneliti bernama <ussel Chl berhasil mengembangkan teknologi sel surya dan

dikenal sebagai orang pertama yang membuat paten peranti solar cell modern. *ahan yang

digunakan adalah silicon dan mampu menghasilkan efisiensi berkisar @>. *arulah

kemudian di tahun 08/@, *ell Laboratories berhasil mengembangkannya hingga mencapai

efisiensi :> dan akhirnya 00>. Pada tengah hari yang cerah radiasi sinar matahari mampu

mencapai 0??? #att permeter persegi. ika sebuah piranti semikonduktor seluas satu meter

persegi memiliki efisiensi 0? persen, maka modul sel surya ini mampu memberikan tenaga

listrik sebesar 0?? #att.

Efek fotolistrik ini terjadi pada suatu sel yang terbuat dari bahan semikonduktor.

"arena sifatnya, sel ini kemudian disebut sebagai sel fotovoltaik ( photovoltaic cell ) atausering juga disebut sebagai sel surya ( solar cell ). Sel fotovoltaik merupakan komponen

terkecil di dalam sistem energi surya fotovoltaik (SES2). Sinar matahari yang menimpa

permukaan sel diubah secara langsung menjadi listrik sebagai akibat terjadinya pergerakan

pasangan electron-hole, sebagaimana digambarkan pada skema diba#ah ini. 1eknologi sel

fotovoltaik yang tersedia de#asa ini masih didominasi oleh jenis sel dengan teknologi

kristal, baik mono! maupun poli!kristal, khususnya dari bahan dasar silikon. +-

+am,ar 0* Sel !oto&oltai" -./

.* Efe" !otolistri"

Efek fotolistrik adalah pengeluaran elektron dari suatu permukaan (biasanya logam)

ketika dikenai, dan menyerap radiasi elektromagnetik (seperti cahaya tampak dan radiasi

ultraviolet) yang berada di atas frekuensi ambang tergantung pada jenis permukaan. 4stilah

4



lama untuk efek fotolistrik adalah efek Hertz (yang saat ini tidak digunakan lagi). Dert=

mengamati dan kemudian menunjukkan bah#a elektroda diterangi dengan sinar ultraviolet

menciptakan bunga api listrik lebih mudah.

Efek fotolistrik merupakan peristi#a terpentalnya sejumlah elektron pada permukaan sebuah logam ketika disinari seberkas cahaya yang besar energinya bergantung

pada frekuensi cahaya. Pada sel surya energi foton akan diserap oleh elektron sehingga

elektron akan terpental keluar menghasilkan arus dan tegangan listrik.

Efek fotolistrik membutuhkan foton dengan energi dari beberapa elektron volt

sampai lebih dari 0 %e' unsur yang nomor atomnya tinggi. Studi efek fotolistrik

menyebabkan langkah!langkah penting dalam memahami sifat kuantum cahaya, elektron

dan mempengaruhi pembentukan konsep dualitas gelombang partikel. 2enomena dimana

cahaya mempengaruhi gerakan muatan listrik termasuk efek fotokonduktif (juga dikenal

sebagai fotokonduktivitas atau photoresistivity, efek fotovoltaik, dan efek fotoelektrokimia.

2oton dari sinar memiliki energi karakteristik yang ditentukan oleh frekuensi

cahaya. alam proses photoemission, jika elektron dalam beberapa bahan menyerap energi

dari satu foton dan dengan demikian memiliki lebih banyak energi daripada fungsi kerja

(energi ikat elektron) dari materi, itu dikeluarkan. ika energi foton terlalu rendah, elektron

tidak bisa keluar dari materi. Peningkatan intensitas sinar meningkatkan jumlah foton

dalam berkas cahaya, dan dengan demikian meningkatkan jumlah elektron tetapi tidak

meningkatkan energi setiap elektron yang dimiliki. Energi dari elektron yang dipancarkan

tidak tergantung pada intensitas cahaya yang masuk, tetapi hanya pada energi atau

frekuensi foton individual. 4ni adalah interaksi antara foton dan elektron terluar.

Elektron dapat menyerap energi dari foton ketika disinari. Semua energi dari satu

foton harus diserap dan digunakan untuk membebaskan satu elektron dari atom yang

mengikat, atau energi dipancarkan kembali. ika energi foton diserap, sebagian energi

membebaskan elektron dari atom, dan sisanya dikontribusi untuk energi listrik kinetik

elektron sebagai partikel bebas.

Dukum emisi fotolistrik

0. Fntuk logam dan radiasi tertentu, jumlah fotoelektron yang dikeluarkan

berbanding lurus dengan intensitas cahaya yang digunakan.

A. Fntuk logam tertentu, terdapat frekuensi minimum radiasi, di ba#ah

frekuensi ini fotoelektron tidak bisa dipancarkan.

. i atas frekuensi tersebut, energi kinetik yang dipancarkan fotoelektron tidak

bergantung pada intensitas cahaya, namun bergantung pada frekuensi cahaya.

@. Perbedaan #aktu dari radiasi dan pemancaran fotoelektron sangat kecil,

kurang dari 0?!8 detik. +:-

5



1* Efisiensi Pa#a Sel Surya

Efisiensi umumnya digunakan sebagai parameter untuk membandingkan kinerja

dari satu sel surya terhadap sel surya yang lainnya. Efisiensi didefinisikan sebagai perbandingan energi yang keluar dari sel surya dengan energi yang masuk dari matahari.

Efisiensi bergantung kepada spektrum dan intensitas dari cahaya matahari dan temperatur

dari sel surya. +@-

Efisiensi keluaran maksimum ( ղ ) didefinisikan sebagai persentase daya

keluaran optimum terhadap energi cahaya yang digunakan, yang dituliskan sebagai

2Ղ P

out

P¿

x100 ****3 4 5

Ղ= P

out

P¿

=V

max x I

max

I ( t ) x A =

FF x V oc

x I sc

I (t ) x A ****3 4 5

Keterangan6

Ղ Efisiensi sel solar

Pout aya keluar

Pin aya masuk

'ma5 1egangan maksimum

4ma5 $rus maksimum

'oc pen circuit voltage

4sc !hort circuit current

4 (t) 4ntensitas cahaya

$ Luas permukaan dari sel solar

22 "ill factor

Selain efisiensi, karakteristik yang lainnya adalah faktor pengisi ( fill factor,22). "ill factor

(22) merupakan nilai rasio tegangan dan arus pada keadaan daya maksimum dan tegangan

open circuit# +/-

6



7* $ntensitas Cahaya

Efek perubahan intensitas cahaya matahari terjadi apabila jumlah energi cahaya

matahari yang diterima sel surya berkurang atau intensitas cahayanya melemah, maka besar

tegangan dan arus listrik yang dihasilkan juga akan menurun. +-

4ntensitas cahaya matahari memiliki pengaruh yang penting baik pada arus short

circuit , tegangan open circuit, fill factor, efisiensi, dan hambatan seri maupun hambatan

shunt# 4ntensitas cahaya dinyatakan dalam jumlah matahari, dimana satu matahari sesuai

dengan standar iluminasi pada $% 0,/ atau 0 k;Gm A. $rus short circuit secara langsung

berhubungan dengan jumlah foton yang diserap oleh material semikonduktor dan kemudian

sebanding dengan nilai intensitas cahaya, sedangkan dengan tegangan circuit mataharimungkin dapat berbeda setiap hari, hal ini menyebabkan energi yang masuk ke solar cell

juga akan berubah!ubah, bervariasi antara ? sampai 0 k;GmA. Pada cahaya yang rendah,

efek resistansi shunt akan bertambah. *erkurangnya intensitas cahaya menyebabkan arus

yang mele#ati solar cell berkurang dan nilai resistansi seri hampir sama nilai resistansi

shunt nya. +/-

+rafi" )* Efe" Peru,ahan $ntensitas Cahaya -7/

Pada thin film solar cell, pengumpulan arus yang berasal dari cahaya akan

berkurang pada intensitas yang tinggi, dengan daerah iluminasi kecil. Dal ini disebabkan

pada intensitas yang tinggi ada batasan tertentu yang disebabkan resistansi seri dan

7



bertambahnya losses tegangan yang bergantung pada pengumpulan carrier . Pada salah satu

sumber disebutkan, pada eksperimen menggunakan lampu pijar yang dilakukan untuk

mencari hubungan antara intensitas cahaya dan efisiensi, didapat kesimpulan bah#a

efisiensi semakin berkurang ketika nilai intensitas lampu pijar bertambah. +0-

8* Lu9meter

+am,ar .* Lu9meter -)/

Lu5meter adalah alat yang biasa digunakan untuk mengukur intensitas cahaya.

Lu5meter digunakan yang terlihat seperti gambar di atas adalah alat digital. $lat ini

mempunyai tiga skala yaitu untuk 0??? lu5, 0?.??? lu5, dan 0??.??? lu5. alam kondisi

gelap seperti pada sore menjelang matahari terbenam, skala yang dipakai dapat

menggunakan 0??? lu5, untuk kondisi seperti pada pagi hari atau pada saat ada a#an yang

menutupi matahari biasa menggunakan skala 0?.??? lu5, dan untuk kondisi panas dapat

digunakan skala 0??.??? lu5. +0-

:* Energi Cahaya

$da beberapa hal yang membatasi harga efisiensi sel, salah satunya adalah cahaya.

"ehilangan efisiensi dihubungkan dengan cahaya yang mempunyai tidak cukup energi atau

mempunyai energi yang tinggi. ahaya matahari mempunyai spektrum yang bervariasi.

ahaya yang sampai ke bumi, mempunyai intensitas yang berbeda pada spektrum dari

panjang gelombang. "ehilangan efisiensi dihubungkan dengan efek dari cahaya dengan

energi sangat kecil atau energi yang sangat besar menghasilkan dari bagaimana cahaya

dengan panjang gelombang yang bervariasi berinteraksi dengan solar sel.

ahaya yang masuk ke solar sel, dapat

a. %asuk ke dalam dan mele#ati solar sel.

8



b. i absorbsi, meningkatkan panas dalam bentuk vibrasi atom.c. Pemisahan suatu elektron dari ikatan atomnya menghasilkan pasangan

elektron hole#

d. %enghasilkan suatu pasangan elektron hole tetapi apabila mempunyai

kelebihan energi, maka akan menjadi panas.

+am,ar 1* Cahaya Memasu"i Solar Sel -0/

Pada energi yang spesifik untuk bahan dan struktur atomnya, cahaya dapatmembebaskan elektron dari ikatan atomnya. Pemisahan suatu elektron dari ikatan atomnya

menghasilkan pasangan elektron hole tidak hanya menyebabkan ikatan mengalami vibrasi.

Perbedaan bahan solar sel mempunyai perbedaan karakteristik energi yang mana elektron

dibebaskan (disebut elektron hole).

Silikon mempunyai energi 0,0 volt elektron. alium $rsenida dan bahan sel lainnya

yaitu 0,@ volt elektron. Fntuk bahan sel lainnya mempunyai karakteristik energi dari 0!A,:

volt elektron. Energi ini disebut material$s band gap energy.

Semenjak spektrum matahari mempunyai energi dan intensitas yang beragam, kunci

untuk mencocokkan suatu bahan dengan karakteristik energi band gap dengan spektrum,

sehingga jumlah maksimum energi dalam spektrum matahari jatuh tepat di atas

karakteristik energi. Pada (ambar /) memperlihatkan bagaimana variasi dari efisiensi

dengan energi yang dibutuhkan untuk menghasilkan suatu pasangan elektron hole. atatan,

bah#a energi yang dibutuhkan untuk membebaskan elektron dalam galium arsenida yaitu

9



0,@ volt elektron, hampir bertepatan dengan efisiensi tertinggi dihubungkan dengan

spektrumHsilikon pada 0,0 volt elektron, hanya berada di ba#ah efisiensi tertinggi.

+am,ar 7* Efisiensi ma"simum yang #ihitung se,agai fungsi #ari energi yang

#i,utuh"an untu" ele"tron ,e,as -0/

Estimasi dari efisiensi mengasumsikan efek Imenghasilkan suatu pasangan elektron

hole tetapi apabila mempunyai kelebihan energi, maka akan menjadi panasJ, dimana

cahaya dengan energi yang lebih baik dibandingkan yang dibutuhkan untuk elektron bebas

hole generation suatu elektron tetapi jika energinya berlebih, maka akan memproduksi

panas.

Produksi dari pasangan elektron hole merupakan esensial untuk proses dalam solar

sel. 1anpa itu, tidak adanya tegangan yang dapat dihasilkan dan tidak ada arus yan

dialirkan. engan demikian, interaksi yang tidak tepat dari cahaya dengan material sel akan

menghabiskan sekitar //> energi dari sinar matahari. 4ni merupakan alasan yang paling

besar kenapa solar sel konvensional tidak memproduksi listrik dengan energi yang

seimbang yang berasal dari sinar matahari yang menyinari sel. Fntuk perbandingan,

berkaitan dengan berapa banyak solar sel yang akan digunakan jika spektrum matahari

mengandung hanya satu gelombang (monokromatik) dan tepatnya dicocokkan untuk energi

yang dibutuhkan sel untuk menghasilkan pasangan elektron hole# +A-

10



+am,ar 8* Kehilangan Efisiensi pa#a Solar Sel -8/

11



Referensi

%&' $ditiya#an, Eki. (A?0?), !tudi (arakteristik )encatuan !olar !el *erhadap (apasitas

)enyimpanan Energi +aterai, !()!, akarta, Fniversitas 4ndonesia, Dal 0?!00.

%.' Dersch, Paul dan "enneth K#eibel. (087A), )hotovoltaic )rinciples and /ethods,;ashington , F.S. overnment Printing Cffice, Dal 09!08.

%0' Purnama Sari, $jeng. (A?0@), )engukuran (arakteristik !el !urya, *andung, F4B

Sunan unung jati.

%1' P' Education, httpGG###.P'Education.org, 2Efficiency3#

%4' Sidopekso, Sat#iko dan $nita Eka 2ebti#iyanti# (A?0?), !tudi )eningkatan utput

/odul !urya dengan /enggunakan eflektor , akarta, FB.

%5' ;ikipedia, httpGG###.#ikipedia.org, I Efek "otolistrik3#%6' Kimmerman, 2rank. (A?0), )hotovoltaic Energy 7onversion, FS$, Dal A0.

12

http://www.pveducation.org/

http://www.wikipedia.org/

http://www.wikipedia.org/

http://www.pveducation.org/

paper light with too little or too much energy.docx

Documents