PENGUKURAN KARAKTERISTIK SEL SURYASRI AWALIYAH RAHMAH (1127030066)

FISIKASAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS ISLAM NEGERISUNAN GUNUNG DJATI BANDUNG

TAHUN 2014Email : sri.awaliyah@student.uinsgd.ic.id

ABSTRAK

Dilakukan eksperimen tentang pengukuran karakteristik sel surya. Karakterisasi

sel surya dilakukan dengan mengukur tegangan dan arus sel surya untuk

beragam nilai beban output. Besaran-besaran karakteristik sel surya

dapat diperoleh dari data pasangan tegangan dan arus sel surya, dengan

nilai yang diperoleh sesuai eksperimen yang telah dilakukan. Sementara

itu, panjang gelombang juga mempengaruhi daya dalam sel surya. Daya

akan kecil ketika panjang gelombang semakin panjang dan daya akan

besar ketika panjang gelombang semakin pendek. Karakteristik sel surya

sangat ditentukan oleh intensitas cahaya yang jatuh pada permukaan sel.

Semakin banyak intensitas cahaya yang mengenai permukaan sel surya

maka arus yang dihasilkan akan semakin besar. Dalam eksperimen ini

menggunakan panel sel surya, sumber cahaya (Matahari), catu daya AC 220

volt, potensiometer, amperemeter, voltmeter dan kabel penghubung.

Eksperimen ini bertujuan untuk menghitung efisiensi sel surya, mengetahui

pengaruh panjang gelombang dalam sel surya dan intensitas cahaya

terhadap sel surya. Sel surya adalah sumber energi listrik yang

menghasilkan daya apabila disinari cahaya.

Kata kunci : Karakterisasi, Sel surya, Cahaya matahari, Tegangan, dan Arus.

PENDAHULUAN

Kebutuhan energi yang semakin tinggi seirung dengan perkembangan teknologi,

semakin membuat kita berfikir perlunya energi alternatif khususnya penggunaan energi yang

tidak habis dipakai. Salah satu pemikiran yang paling sederhana yaitu dengan memanfaatkan

energi matahari, dengan menggunakan metode sel surya. Keuntungan sel surya adalah jumlah

sumber energi cahaya matahari yang tidak terbatas, bebas polusi, dan mudah dealam

perawatan. Penggunaan sel suya tidak hanya terbatas pada sumber energi satelit, namun saat

ini sudah banyak penggunaannya sebagai sumber energi mobil dan rumah sel surya.

Berbagai kemajuan terus dicapai seiring dengan efeisiensi konversinya yang juga

terus mengalami peningkatan, hingga sel surya mulai menyentuh kehidupan manusia dan

mulai dimanfaatkan sebagai sumber energi listrik diberbagai perumahan sejak tahun 1990.

Sejak saat itu sel surya mulai menarik perhatian banyak peneliti karena sel surya diperkirakan

dapat menjadi sumber pembangkit listrik di masa mendatang dengan penggunaannya yang

sangat praktis terutama untuk suplai energi di daerah-daerah terpencil. Oleh karena itu sangat

penting sel surya ini, maka diharapkan eksperimen ini dapat menjelaskan lebih jauh tentang

karakteristik pada sel surya.

Obyek penelitian adalah cahaya matahari dan sel surya. Sasaran penelitian adalah

diperolehnya karakteristik sel surya dari energi pada cahaya matahari yang di hasilkan.

DASAR TEORI

Sel surya atau sel photovoltaic, adalah sebuah alat semikonduktor yang terdiri

dari sebuah wilayah-besar dioda p-n junction, di mana, dalam hadirnya cahaya matahari

mampu menciptakan energi listrik yang berguna. Pengubahan ini disebut efek photovoltaic.

Bidang riset berhubungan dengan sel surya dikenal sebagai photovoltaics. Sel surya memiliki

banyak aplikasi. Mereka terutama cocok untuk digunakan bila tenaga listrik dari grid tidak

tersedia, seperti di wilayah terpencil, satelit pengorbit bumi, kalkulator genggam, pompa air,

dll. Sel surya (dalam bentuk modul atau panel surya) dapat dipasang di atap gedung di mana

mereka berhubungan dengan inverter ke grid listrik dalam sebuah pengaturan net meterin

Listrik tenaga surya diperoleh dengan melalui sistem photo-voltaic. Photo-voltaic

terdiri dari photo dan voltaic. Photo berasal dari kata Yunani phos yang berarti cahaya.

Sedangkan voltaic diambil dari nama Alessandro Volta (1745 – 1827), seorang pelopor

dalam pengkajian mengenai listrik. Sehingga photo-voltaic dapat berarti listrik-cahaya.

Belakangan ini, photo-voltaic lebih sering disebut solar cell atau sel surya, karena cahaya

yang dijadikan energi listrik adalah sinar matahari.

Sel surya merupakan suatu pn junction dari silikon kristal tunggal. Dengan

menggunakan photo-electric effect dari bahan semikonduktor, sel surya dapat langsung

mengkonversi sinar matahari menjadi listrik searah (dc).

Bila sel surya itu dikenakan pada sinar matahari, maka timbul yang dinamakan

elektron dan hole. Elektron-elektron dan hole-hole yang timbul di sekitar pn junction

bergerak berturut-turut ke arah lapisan n dan ke arah lapisan p. Sehingga pada saat elektron-

elektron dan hole-hole itu melintasi pn junction, timbul beda potensial pada kedua ujung sel

surya. Jika pada kedua ujung sel surya diberi beban maka timbul arus listrik yang mengalir

melalui beban.

Sebuah sel surya tunggal dapat menghasilkan listrik searah 3 volt dan 3 ampere. Sel-

sel ini dapat dibuat dalam berbagai ukuran yang diinginkan dengan jalan menghubungkan

seri sel-sel yang sama untuk membentuk modul sel surya dengan keluaran yang diperlukan.

Sel-sel itu dikemas sedemikian rupa dengan bahan khusus sehingga modul dapat bertahan

dalam kondisi yang terjelek tanpa kehilangan efisiensinya.

Sistem sel surya pada mulanya dikembangkan untuk penggunaan pada satelit di ruang

angkasa. Perawatan atau perbaikaan di ruang angkasa itu pekerjaan sangat mahal, untuk tidak

mengatakan tidak mungkin. Oleh karena itu, semua satelit yang mengelilingi bumi

mendapatkan energi listriknya dari sistem sel surya. Sistem sel surya dapat bekerja dengan

andal untuk jangka waktu yang lama dan hampir tanpa memerlukan perawatan. Sehingga sel

surya dapat dikatakan mempunyai keandalan yang tinggi.

Sistem sel surya menggunakan energi sinar matahari untuk menghasilkan listrik,

tanpa memerlukan bahan bakar. Tanpa ada bagian yang berputar, maka sistem sel surya

hanya memerlukan sedikit perawatan. Sehingga sistem sel surya itu boleh dibilang cost

effective dan cocok untuk stasiun telekomunikasi daerah terpencil, pelampung navigasi di

tengah laut, alat pemantau permukaan air bendungan, atau untuk penerangan rumah yang

jauh dari jangkauan jaringan PLN. Biaya operasional sistem sel surya jelas rendah.

Karena tidak memerlukan bahan bakar dan tidak ada bagian yang berputar, sistem sel

surya itu bersih dan tidak bersuara. Ramah lingkungan ini sangat penting, mengingat pilihan

untuk mendapatkan energi dan penerangan itu biasanya dari generator diesel atau lampu

minyak tanah. Kalau kita semakin prihatin dengan gas rumah kaca (greenhouse gas) dan

pengaruhnya yang merusak terhadap ekosistem planet kita ini, maka energi bersih yang

diproleh dari sistem sel surya merupakan pilihan yang tepat sekali.

Sistem sel surya dapat dibangun dalam berbagai ukuran atas dasar kebutuhan

energinya. Selanjutnya sistem sel surya itu dapat dikembangkan dan ditingkatkan dengan

mudah. Misalnya, bila kebutuhan energi semakin meningkat, cukup dengan jalan

menambahkan modul sel surya, tentunya jika sumber dananya memungkinkan. Selain itu,

sistem sel surya gampang untuk dipindahkan bila dipandang perlu. Misalnya untuk

menggerakkan pompa untuk pengairan sawah.

Sistem sel surya dapat dirancang untuk penggunaan di ruang angkasa, atau

penggunaan di permukaan bumi. Sistem sel surya untuk di permukaan bumi terdiri dari

modul sel surya, kontroler pengisian (charge controller), dan aki (batere) yang maintenance

free. Modul sel surya yang digunakan dapat diperoleh dalam berbagai ukuran dan kapasitas.

Yang sering digunakan adalah modul sel surya 20 watt atau 30 watt. Modul sel surya

menghasilkan daya yang proporsional dengan luas permukaan modul yang terkena sinar

matahari. Dalam penggunaan skala agak besar, aki (batere) dalam sistem sel surya kadang-

kadang dihubungkan dengan sebuah inverter, untuk mengkonversi listrik searah (dc) menjadi

listrik bolak-balik (ac).

Sistem sel surya biasanya ditempatkan di dekat yang memerlukan listrik. Sehingga

untuk tempat-tempat yang terpencil hanya memerlukan kabel yang lebih pendek

dibandingkan jika menarik kabel dari jaringan PLN misalnya. Selain itu, jelas sistem sel

surya menjadi murah karena tidak memerlukan transformator.

Pada umumnya sel surya terbuat dari bahan semikotor. Salah satu bahan sel surya

adalah kristal silikon (c-Si). Bahan ini merupakan silikon murni (elektron valensi 4) yang

diberi pengotoran (impuriti) bervalensi 3 sehingga menjadi silikon tak murni (kekurangan

sebuah elektron). Silikon jenis ini kemudian diberi nama silikon tipe-p. sebuah silikon murni

yang diberi pengotoran bervalensi 5 (kelebihan sebuah elektron) juga menghasilkan silikon

tipe-n. Sambungan kedua jenis silikon ini akan membentuk persambungan (junction) PN.

Pada batas sambungan akan timbul sebuah celah energi atau energy gap (Eg) yang membatasi

pita valensi dengan pita konduksi.

Prinsip kerja sel surya adalah sebagai berikut: Cahaya yang jatuh pada sel surya

menghasilkan elektron yang bermuatan positif dan hole yang bermuatan negative kemudian

elektron dan hole mengalir membentuk arus listrik. Prinsip ini di kenal sebagai prinsip

photoelectric.Sel surya dapat tereksitasi karena terbuat dari semikonduktor yang mengandung

unsur silikon. Silikon ini terdiri atas dua jenis lapisan sensitif: lapisan negatif (tipe-n) dan

lapisan positif (tipe-p). Karena sel surya ini mudah pecah dan berkarat sehingga sel ini dibuat

dalam bentuk panel-panel dengan ukuran tertentu yang dilapisi plastik atau kaca bening yang

kedap air dan panel ini dikenal dengan panel surya.

METODE EKSPERIMEN

Eksperimen ini bertujuan untuk menghitung efisiensi sel surya dan menganalisa

pengaruh panjang gelombang dan perubahan intensitas cahaya matahari yang diterima

terhadap efisiensi dari sel surya.

Alat dan bahan yang digunakan diantaranya panel sel surya, sumber cahaya

(Matahari), catu daya AC 220 volt, potensiometer, amperemeter,

voltmeter dan kabel penghubung.

Pada eksperimen ini terdapat tiga kali percobaan, untuk percobaan

pertama yaitu mengukur efisiensi sel surya. Langkah pertama yaitu

menyiapkan semua bahan dan alat eksperimen kemudian menyusun

rangkaian seperti pada gambar yang terdapat pada modul. Setelah alat

dan bahan dirangkai, langkah selanjutnya yaitu mengatur potensiometer

RV sehingga tegangan pada voltmeter bernilai nol (V=0) dan arus yang

terbaca pada amperemeter sebagai Isc (arus singkat) kemudian nilai yang

diperoleh pada masing-masing alat dicatat. Kemudian potensiometer

diputar sehingga diperoleh pasangan nilai V – I. Langkah ini diulang untuk

variasi nilai V–I. Tegangan yang terbaca pada voltmeter dicatat sebagai

Voc (tegangan terbuka).

Adapun untuk percobaan kedua yaitu menganalisa Pengaruh

Panjang Gelombang. Alat yang digunakan dalam percobaan ini sama

seperti percobaan satu. Langkah selanjutnya sama seperti pada

pengukuran efisiensi sel surya kemudian sel surya ditutup menggunakan

mika berwarna (merah, kuning, biru, dll).

Sementara itu, untuk percobaan ketiga yaitu menganalisa

perubahan intensitas cahaya matahari. Langkah percobaan yang

dilakukan sama seperti percobaan satu dan dua dengan memvariasikan

ketinggian sumber cahaya terhadap sel surya.

DATA DAN ANALISIS

Tabel 1. Perhitungan Pengukuran Efisiensi Sel Surya

No R (Ω) Intensitas (W/m2)

I (Ampere) V (Volt)

Luas solar Pout (watt) Pin(watt) η (%)

1 20 K 12,8 0,00012 2,95 0,0015 0,000354 0,0192 1,843752 20 K 12,8 0,00013 2,94 0,0015 0,0003822 0,0192 1,9906253 20 K 12,8 0,00015 2,94 0,0015 0,000441 0,0192 2,296875

4 20 K 12,8 0,00016 2,93 0,0015 0,0004688 0,0192 2,441666675 20 K 12,8 0,00018 2,93 0,0015 0,0005274 0,0192 2,7468756 20 K 12,8 0,00021 2,92 0,0015 0,0006132 0,0192 3,193757 20 K 12,8 0,00024 2,91 0,0015 0,0006984 0,0192 3,63758 20 K 12,8 0,00027 2,9 0,0015 0,000783 0,0192 4,0781259 20 K 12,8 0,0003 2,89 0,0015 0,000867 0,0192 4,515625

10 20 K 12,8 0,00036 2,87 0,0015 0,0010332 0,0192 5,38125

Tabel 2. Perhitungan Pengaruh Panjang Gelombang

Mika warna merah

No R (Ω) Intensitas (W/m2)

I (Ampere) V (Volt) Luas solar Pout (watt) Pin(watt) η (%)

1 20 K 6,5 0,0001 2,61 0,0015 0,000261 0,00975 2,676923082 20 K 6,5 0,00011 2,59 0,0015 0,0002849 0,00975 2,922051283 20 K 6,5 0,00012 2,58 0,0015 0,0003096 0,00975 3,175384624 20 K 6,5 0,00013 2,54 0,0015 0,0003302 0,00975 3,386666675 20 K 6,5 0,00014 2,54 0,0015 0,0003556 0,00975 3,647179496 20 K 6,5 0,00015 2,53 0,0015 0,0003795 0,00975 3,892307697 20 K 6,5 0,00016 2,51 0,0015 0,0004016 0,00975 4,118974368 20 K 6,5 0,00017 2,49 0,0015 0,0004233 0,00975 4,341538469 20 K 6,5 0,00018 2,46 0,0015 0,0004428 0,00975 4,54153846

10 20 K 6,5 0,0002 2,42 0,0015 0,000484 0,00975 4,96410256

Mika warna biru

No R (Ω) Intensitas (W/m2)

I (Ampere) V (Volt) Luas solar Pout (watt) Pin(watt) η (%)

1 20 K 4,3 0,0001 2,74 0,0015 0,000274 0,00645 4,248062022 20 K 4,3 0,00011 2,73 0,0015 0,0003003 0,00645 4,655813953 20 K 4,3 0,00012 2,73 0,0015 0,0003276 0,00645 5,079069774 20 K 4,3 0,00013 2,72 0,0015 0,0003536 0,00645 5,482170545 20 K 4,3 0,00014 2,71 0,0015 0,0003794 0,00645 5,882170546 20 K 4,3 0,00015 2,7 0,0015 0,000405 0,00645 6,279069777 20 K 4,3 0,00016 2,7 0,0015 0,000432 0,00645 6,697674428 20 K 4,3 0,00018 2,69 0,0015 0,0004842 0,00645 7,506976749 20 K 4,3 0,00021 2,66 0,0015 0,0005586 0,00645 8,66046512

10 20 K 4,3 0,00026 2,62 0,0015 0,0006812 0,00645 10,5612403

Mika warna hijau

No R (Ω) Intensitas (W/m2)

I (Ampere) V (Volt) Luas solar Pout (watt) Pin(watt) η (%)

1 20 K 7,4 0,00011 2,86 0,0015 0,0003146 0,0111 2,834234232 20 K 7,4 0,00012 2,85 0,0015 0,000342 0,0111 3,08108108

3 20 K 7,4 0,00013 2,86 0,0015 0,0003718 0,0111 3,349549554 20 K 7,4 0,00014 2,85 0,0015 0,000399 0,0111 3,594594595 20 K 7,4 0,00016 2,85 0,0015 0,000456 0,0111 4,108108116 20 K 7,4 0,00018 2,85 0,0015 0,000513 0,0111 4,621621627 20 K 7,4 0,00019 2,84 0,0015 0,0005396 0,0111 4,861261268 20 K 7,4 0,00021 2,84 0,0015 0,0005964 0,0111 5,372972979 20 K 7,4 0,00023 2,83 0,0015 0,0006509 0,0111 5,86396396

10 20 K 7,4 0,00026 2,82 0,0015 0,0007332 0,0111 6,60540541

Tabel 3. Intensitas Cahaya Matahari

No R (Ω) h (m) Intensitas (W/m2)

I (Ampere) V (Volt) Luas solar Pout (watt) Pin(watt) η (%)

1 20 K 0,02 162,3 0,00015 3,37 0,0015 0,0005055 0,24345 0,207642 20 K 0,04 76 0,00011 3,27 0,0015 0,0003597 0,114 0,3155263 20 K 0,06 52,7 0,0001 3,21 0,0015 0,000321 0,07905 0,4060724 20 K 0,08 36,5 0,0001 3,16 0,0015 0,000316 0,05475 0,5771695 20 K 0,1 27,6 0,00009 3,11 0,0015 0,0002799 0,0414 0,6760876 20 K 0,12 21,6 0,00008 3,06 0,0015 0,0002448 0,0324 0,7555567 20 K 0,014 15,2 0,00008 2,99 0,0015 0,0002392 0,0228 1,0491238 20 K 0,0016 13,3 0,00007 2,96 0,0015 0,0002072 0,01995 1,0385969 20 K 0,0018 12,5 0,00007 2,94 0,0015 0,0002058 0,01875 1,0976

10 20 K 0,002 11,4 0,00007 2,92 0,0015 0,0002044 0,0171 1,195322

Grafik Hubungan antara arus dan voltase :

0.00006 0.00008 0.0001 0.00012 0.00014 0.000162.62.8

33.23.43.6

f(x) = 5830.93525179856 x + 2.56255395683453R² = 0.904968743660823

Grafik Hubungan Arus terhadap Tegangan

Tegangan (Volt)

Arus

(Am

pere

)

Setelah dilakukan percobaan pertama pada percobaan pertama yaitu

mengukur Efisiensi sel surya, maka hasil yang diperoleh yaitu ketika hambatan

dan intensitas cahaya konstan, arus yang diperoleh semakin kecil dan

tegangan yang dihasilkan akan semakin besar, maka efisiensi daya

dalam sel surya yang dihasilkan pun semakin besar. Hal ini dikarenakan

merupakan perbandingan daya listrik yang dihasilkan sel surya dengan

daya total foton yang masuk ke dalam sel surya. Adapun dalam intensitas

cahaya, semakin tinggi intensitas cahaya yang mengenai sel surya

sehingga makin banyak elektron atau arus yang dihasilkan. Semakin

banyak intensitas cahaya yang mengenai permukaan sel surya maka arus

yang dihasilkan akan semakin besar.

Sementara itu pada percobaan kedua, dalam percobaan untuk

mengetahui pengaruh panjang gelombang, dalam percobaan ini sel surya

ditutup dengan mika berwarna. Mika yang digunakan ada tiga macam

yaitu mika warna merah, kuning dan biru, urutan panjang gelombang menurut

literatur warna merah memiliki panjang gelombang yang paling panjang yaitu antara 620-

760nm kemudian warna kuning 570-590nm dan yang terkecil yaitu biru dengan panjang

gelombang 450-500nm. Ketika sel surya ditutup dengan masing-masing mika,

arus dan tegangan pun diperoleh hasil yang berberda yang akan

mempengaruhi daya dalam sel surya, hasil yang diperoleh yaitu panjang

gelombang mempengaruhi daya dalam sel surya. Ketika panjang

gelombang semakin tinggi, maka daya akan semakin kecil dan daya akan

besar ketika panjang gelombang semakin pendek. Sedangkan dari ketiga

mika berwarna tersebut, mika warna merah menghasilkan panjang

gelombang yang paling panjang sehingga daya yang dihasilkan pun

semakin pendek dari mika warna kuning dan warna biru. Hal ini

disebabkan karena mika warna merah lebih gelap dari mika berwarna

lainnya.

Dan pada percobaan ke tiga yaitu perubahan intensitas cahaya, dimana potensiometer

yang digunakan tetap, namun yang divariasikan hanya tinggi saja. Dari data percobaan

didapatkan hasil semakin tinggi jarak antara solar cell dengan cahaya maka daya output dan

daya inputnya akan berbanding terbalik yaitu semakin kecil. Di buat pula grafik hubungan

arus terhadap tegangan, dimana semakin besar arus maka akan semakin besar pula tegangan

yang dihasilkan.

KESIMPULAN

Karakteristik sel surya sangat ditentukan oleh intensitas cahaya

yang jatuh pada permukaan sel. Semakin banyak intensitas cahaya yang

mengenai permukaan sel surya maka arus yang dihasilkan akan semakin

besar. Sel surya adalah sumber energi listrik yang menghasilkan daya

apabila disinari cahaya. Karakterisasi sel surya dilakukan dengan

mengukur tegangan dan arus sel surya untuk beragam nilai beban output.

Besaran-besaran karakteristik sel surya dapat diperoleh dari data

pasangan tegangan dan arus sel surya, dengan nilai yang diperoleh

sesuai eksperimen yang telah dilakukan.

Sementara itu, panjang gelombang juga mempengaruhi daya dalam

sel surya. Daya akan kecil ketika panjang gelombang semakin panjang

dan daya akan besar ketika panjang gelombang semakin pendek.

DAFTAR PUSTAKA

Halliday, Resnick. 1977. Fisika Jilid 2 Edisi 3 (Terjemahan Pantur Silaban). Penerbit

Erlangga, Jakarta.

http://tehnologi-sel-surya.blogspot.com/2012_12_01_archive.html

Nuryadin, B. W,. 2014. Pengukuran Karakteristik Sel Surya. Bandung : Universitas

Islam Negeri Sunan Gunung Djati.

Sel surya : Struktur & Cara kerja https://teknologisurya.wordpress.com/dasar-

teknologi-sel-surya/prinsip-kerja-sel-surya/

http://science-alishodikin.blogspot.com/2012/06/efisiensi-sel-surya-dari-masa-ke-

masa.html

https://teknologisurya.wordpress.com/dasar-teknologi-sel-surya/prinsip-kerja-sel-

surya/