JURNAL FISIKA MODERN PHOTOVOLTAIC

Abstrak— Telah dilakukan percobaan photovoltaic yang bertujuan untuk mengetahui fenomena photovoltaic pada solar cell, mengetahui pengaruh intensitas cahaya lampu, lebar solar cell, dan panjang gelombang cahaya terhadap daya output solar cell. Pada percobaan ini, dilakukan pengukuran arus output serta tegangan output. Untuk mengukur arus, multimeter disusun seri dengan solar cell, sedangkan untuk mengukur tegangan, multimeter disusun paralel dengan solar cell. Dari percobaan photovoltaic ini dapat disimpulkan bahwa fenomena pada solar cell yaitu cahaya jatuh pada permukaan solar cell yang terbuat dari semikonduktor, membawa energi foton. Energi foton ini ditransfer ke elektron sehingga elektron tereksitasi dan terjadi aliran arus dalam semikonduktor. Semakin besar intensitas cahaya maka daya output solar cell juga akan semakin besar dan semakin lebar solar cell maka daya output solar cell juga semakin besar. Serta semakin panjang gelombang cahaya, semakin besar daya output solar cell, hal ini bertoak belakang dengan teori yang masih berlaku bila panjang gelombang cahaya semakin besar maka daya output solar cell akan semakin kecil.

Kata Kunci—Photovoltaic, solar cell, panjang gelombang cahaya, intensitas cahaya.

I. PENDAHULUAN

nergi banyak sekali bentuknya di alam ini , dan dibagi menjadi energi terbarukan dan energi tak terbarukan,

mayoritas energi yang banyak digunakan adalah energi tak terbarukan misal batubara , migas yang lama-kelamaan akan habis maka perlu penggunaan sistem energi terbarukan slah satunya yakni energi listrik yang dibangkitkan dari energi cahaya dengan bantuan solar cell. Solar sel tersusun dari unit terkecilnya yakni sel, lalu kumpulan sel membentuk modul, kumpulan modul membentuk area. Pada sel terjadi peristiwa ketika terkena cahaya maka dihasilkan pasangan elektron dan hole. Elektron meninggalkan sel surya dan mengalir pada rangkaian luar sehingga timbul arus listrik[3][4]. Untuk lebih jelasnya, ketika solar cell mendapat sinar matahari, maka energi yang diserap sebesar h.v atau biasanya energi ini disebut dengan foton. Ketika foton diserap, energi foton ditransfer ke elektron di dalam sebuah atom dari solar cell (semikonduktor).Dengan energi baru tersebut, elektron dapat berpindah dari posisi normal di dalam atom sehingga menjadi bagian arus di dalam sebuah rangkaian listrik[2]. Pada solar cell ini biasanya digunakan N-Si sebagai kutub negatif dan P-Si sebagai kutub positif. Apabila kutub positif dan negatif dihubungkan dengan voltmeter, maka akan terlihat adanya beda potensial dan bila dihubungkan dengan beban, maka akan mengalir arus listrik.[3]

E

Semikonduktor merupakan bahan utama pembentuk solar cell. Semikonduktor memiliki sifat-sifat penghantar yang

berada diantara isolator dan konduktor. Semikonduktor yang belum mendapatkan pengotoran (doping) disebut semikonduktor instinsik (murni). Beberapa semikonduktor yang terdoping disebut semikonduktor ekstrinsik, dan mendasari perangkat-perangkat semikonduktor. Jika pembawa muatan utamanya adalah elektron, material tersebut dinamakan semikonduktor tipe-n (dari kata “negatif”); sedangkan jika lubang yang bertindak sebagai pembawa muatannya, maka material tersebut dinamakan semikonduktor tipe-p (dari kata “positif”)[1].

Karakteristik solar cell, pada dasarnya solar cell adalah suatu dioda dengan daerah luas permukaan yang lebih lebar. Dari gambar 1.1 menunjukkan bahwa kurva dari arus (I) dan tegangan (V) sebagai suatu dioda dalam 2 kondisi, yaitu pada saat kondisi (i) dimana sel surya terkena iradiasi dan kondisi(ii) pada saat tidak terkena iradiasi.[2]

Gambar 1.1 Hubungan I-V pada suatu karakteristik solar cell

Daya yang dihasilkan oleh solar cell sangat dipengaruhi oleh besarnya kuat sinar yang diterima oleh sel solar cell. Gambar 1.2 memperlihatkan pengaruh kuat sinar terhadap daya yang dihasilkan.[4]

Gambar 1.2 Pengaruh Kuat Penyinaran Terhadap Daya Solar cell

PhotovoltaicLatifatul Hidayah, Budiana, Setyawan Abdillah, friska Ayu F.

Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut TeknologiSepuluh Nopember

Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111E-mail: latifaya58@yahoo.com

1

Lampu dihidupkan

Arus listrik di ukur

Tegangan diukur

Solar cell sudah dipakai semua?

Filter sudah dipakai semua?

Finish

Start

Filter warna dipasang

Penentuan Vinput pada power supply

Peralatan dirangkai

Ganti ukuran solar cell

Ganti filter warna

JURNAL FISIKA MODERN PHOTOVOLTAIC

II.METODE

Langkah – langkah yang harus dilakukan untuk melaksanakan praktikum ini yaitu, disiapkan peralatan-peralatan yang diperlukan dalam praktikum ini yaitu solar cell sebanyak dua buah dengan ukuran yang berbeda yaitu 2.5 cm x 5.2 cm dengan luas 13 cm2 dan 5.2 cm x 5.2 cm dengan luas 27.04 cm2, circuit diagram, lighting module, base unit, filter warna (merah, kuning, biru), multimeter, power supply, test lead black, dan test lead red. Setelah peralatan disiapkan, percobaan ini terdiri dari dua pengamatan, yaitu pengukuran arus dan pengukuran tegangan. Untuk pengukuran arus, rangkaian disusun seri (antara multimeter dengan solar cell), sedangkan untuk pengukuran tegangan, rangkaian disusun paralel (antara multimeter dengan solar cell). Kemudian sebelum dilakukan pengambilan data, power supply dikalibrasi terlebih dahulu dengan menggunakan multimeter agar sesuai dengan tegangan input yang diinginkan. Dalam praktikum ini, digunanakan variasi Vinput sebesar 1.587V, 2.222V, 3.225V, 4.06V . Sumber cahaya yang digunakan disini ialah lampu polikromatik sejumlah 4 buah dengan daya sebesar 2.5watt tiap lampunya .

Pada pengukuran arus, multimeter dirangkai seri dengan solar cell seperti pada Gambar 1.

Gambar 1. Rangkaian seri multimeter-solar cell

Percobaan dilakukan sebanyak 3 kali pengulangan dengan menggunakan filter warna merah yang ditaruh di atas solar cel. Sehingga didapatkan nilai Iout nya. Demikian percobaan diulangi dengan menggunakan variasi warna filter (merah, kuning, biru) dan juga lebar solar cell yang berbeda pula. Sedangkan pada pengukuran tegangan, multimeter dirangkai parallel dengan solar cell seperti pada Gambar 2 di bawah.

Gambar 2. Rangkaian paralel multimeter-solar cell

Kemudian dengan menggunakan langkah sama dengan pengukuran arus, pengukuran tegangan dilakukan yaitu dengan melakukan pengulangan percobaan sebanyak 3 kali, dengan menggunakan filter warna yang tersedia dan solar cell yang berbeda ukuran. Kemudian didapatkan nilai Vout nya.Flow chart percobaan photovoltaic:

Gambar 3. Flowchart

III. HASIL DAN PEMBAHASAN

Setelah percobaan selesai dilakukan, maka didapatkan data nilai Ioutput dan Voutput yang digunakan untuk mendapatkan nilai daya melalui perhitungan. Berikut adalah tabel data nilai Poutput

(daya output) yang dihasilkan oleh solar cell yang bebeda.

Tabel 1. Daya (P) yang dihasilkan oleh solar cell kecil

2

JURNAL FISIKA MODERN PHOTOVOLTAIC

No. Filter warna

Vin (v)

Vout (v)

Iout (A)

Pout(watt)

1 Merah 1.587

0.423 0.003 0.0013

2 Kuning 1.587

0.411 0.0027 0.001

3 Biru 1.587

0.406 0.002 0.00081

4 Merah 2.222

0.468 0.011 0.005

5 Kuning 2.222

0.457 0.008 0.0036

6 Biru 2.222

0.453 0.007 0.0031

7 merah 3.225

0.504 0.03 0.0154

8 kuning 3.225

0.4963

0.024 0.012

9 biru 3.225

0.4896

0.021 0.01

10 merah 4.06 0.522 0.052 0.02711 kuning 4.06 0.514 0.0403 0.0207

12 biru 4.06 0.508 0.035 0.0178

Tabel 2. Daya yang dihasilkan oleh solar 2 (besar)

No.Filter warna

Vin (v)

Vout (v)

Iout (A)

Pout(watt)

1 merah 1.587 0.3675 0.006 0.0022

2 kuning 1.587 0.3492 0.005 0.00174

3 biru 1.587 0.342 0.004 0.00137

4 merah 2.222 0.441 0.019 0.0084

5 kuning 2.222 0.4223 0.015 0.00633

6 biru 2.222 0.414 0.013 0.00538

7 merah 3.225 0.494 0.052 0.0257

8 kuning 3.225 0.482 0.04 0.019

9 biru 3.225 0.474 0.035 0.016610 merah 4.06 0.5163 0.091 0.046911 kuning 4.06 0.506 0.07 0.035

12 biru 4.06 0.498 0.061 0.0303Dari data – data yang diperoleh di atas, dapat dianalisis

bahwa ,pada percobaan ini digunakan tegangan sumber yang berbeda-beda, yaitu 1.587 V, 2.222V, 3.225V, dan 4.06V. Dari Tegangan input yang berbeda – beda ini, didapatkan nilai dari arus output dan tegangan output yang nantinya akan digunakan untuk menghitung daya. Perhitungan daya dilakukan dengan menggunakan rumus :

P=V /I ..................................................(1)

Daya yang dihitung di sini adalah daya output, jadi yang diunakan adalan Voutput dan Ioutput. Daya pada lampu yang digunakan adalah 2.5 watt. Daya lampu ini digunakan untuk menghitung intensitas cahaya lampu. Intensitas cahaya dihitung menggunakan persamaan:

I=P/ A ...................................................(2)

Dan pada percobaan kali ini, digunakan lampu sebanyak empat buah yang masing – masing memiliki daya 2.5 watt, maka daya total lampu adalah sebesar 10 watt. Sedangkan untuk luas dari solar cell yaitu yaitu 2.5 cm x 5.2 cm dengan luas 13 cm2 dan 5.2 cm x 5.2 cm dengan luas 27.04 cm2 . Besar intensitas cahaya lampu pada solar cell kecil yaitu 7692.30 C sedangkan untuk intensitas cahaya lampu pada solar cell besar yaitu 3698.22 C. Kembali pada tujuan praktikum ini yaitu untuk mengetahui fenomena photovoltaic pada solar cell, mengetahui pengaruh intensitas cahaya lampu, lebar solar cell, dan panjang gelombang cahaya terhadap daya output solar cell.

Pada tujuan yang pertama yaitu mengenai fenomena photovoltaic pada solar cell, dapat dijelaskan bahwa terjadinya aliran arus dapat dijelaskan dengan menggunakan prinsip bahan semikonduktor, dikarenakan pada solar cell menggunakan bahan semikonduktor. Proses terjadinya arus pada solar cell yaitu, ketika cahaya mengenai permukaan solar cell, maka cahaya akan mengenai pita valensi pada bahan semikonduktor, dimana pada pita valensi tersebut, terdapat elektron – elektron. Pada daerah lain terdapat pita konduksi, yaitu daerah yang banyak terdapat hole (muatan positif/proton). Diantara pita valensi dan pita konduksi terdapat celah yang disebut gap. Pada bahan semikonduktor, gap/celah tersebut lebarnya diantara konduktor dan isolator, jadi hal ini yang menyebabkan bahan semikonduktor memiliki sifat konduktor atau bahkan isolator . Sedangkan kalau pada konduktor celahnya sangat sempit bahkan tidak ada (sehingga mudah menghantarkan arus) , sedangkan pada isolator, celahnya sangat lebar (sehingga sulit bahkan tidak bisa menghantarkan arus). Pada pita valensi, elektron – elektron mendapatkan energi yang cukup besar dari cahaya lampu yang disebut energi foton. Karena energi yang dimiliki oleh elektron sudah cukup besar, maka elektron dapat berpindah dari pita valensi ke pita konduksi, demikian seterusnya hingga terjadilah arus.

Kemudian untuk tujuan yang kedua yaitu mengenai pengaruh intensitas cahaya terhadap daya output dapat dilihat perbandingannya pada tabel data. Intensitas pada dasarnya berbanding terbalik dengan luas solar cell, melihat pada persamaan (2). Ketika luas solar cell lebih kecil, maka intensitas cahayanya lebih besar begitu pula sebaliknya. Pada solar cell kecil, dengan mengunakan penyinaran lampu yang sama, daya yang dihasilkan lebih kecil dibandingkan dengan daya output pada solar cell yang besar. Pada dasarnya, besarnya arus bergantung pada intensitas cahayanya. Semakin banyak intensitas cahaya yang masuk semakin banyak pula energi foton yang diserap yang mengakibatkan semakin banyak elektron yang berpindah, sehingga arus yang dihasilkan juga semakin besar. Variasi yang dilakukan pada praktikum ini juga pada luasan solar cell. Dengan membandingkan data daya output solar cell pada tabel 1

3

JURNAL FISIKA MODERN PHOTOVOLTAIC

dengan tabel 2, menunjukkan bahwa daya output solar cell dengan luas yang besar, lebih besar dari pada solar cell dengan luasan yang kecil. Sedangkan variasi filter warna bertujuan untuk membedakan panjang gelombang cahaya. Panjang gelombang merah 620-750, kuning 570-590 nm, nm biru 450-495 nm. Prinsip filter warna disini seperti saringan pada tahu. Jadi, cahaya polikromatis tiba mengenai permukaan filter warna, kemudian cahaya polikromatis terfiltrasi sehingga hanya ada satu panjang gelombang yang bisa tersaring. Dan itulah yang disebut cahaya monokromatis.Berdasarkan data pada tabel 1 dan tabel 2, semakin besar panjang gelombang semakin besar pula daya output solar cell. Data ini bertolak belakang dengan teori. Berdasarkan teori, semakin besar panjang gelombang, energinya semakin kecil dan daya output solar cell juga semakin kecil. Sehingga pada percobaan kali ini, belum bisa membuktikan kebenaran teori tersebut.

Untuk mempermudah pembacaan data pada tabel, dibuatlah grafik hubungan Vinput dengan Poutput seperti pada gambar di bawah ini:

1 2 3 4 50

0.01

0.02

0.03

f(x) = 0.00851496041066381 x − 0.0137328260323094R² = 0.908677541678513

grafik Pout terhadap Vin

grafik Pout terhadap VinLinear (grafik Pout terhadap Vin)

Pout

Vin

Gambar 1. Grafik daya output solar cell 1 (kecil)

1 2 3 4 50

0.010.020.030.040.05

f(x) = 0.0145140654091016 x − 0.0236017437454767R² = 0.896566359602811

grafik Pout terhadap Vin

grafik Pout terhadap VinLinear (grafik Pout terhadap Vin)

Pout

Vin

Gambar 2. Grafik daya output solar cell (besar)

Dari tampilan grafik di atas dapat disimpulkan bahwa semakin besar tegangan yang masuk, maka daya yang dihasilkan pun semakin besar.

IV. KESIMPULAN

Dari percobaan photovoltaic yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa fenomena pada solar cell yaitu cahaya jatuh pada permukaan solar cell yang terbuat dari semikonduktor, membawa energi foton. Energi foton ini ditransfer ke elektron sehingga elektron tereksitasi dan terjadi aliran arus dalam semikonduktor. Semakin besar intensitas cahaya maka daya output solar cell juga akan semakin besar dan semakin lebar solar cell maka daya output solar cell juga semakin besar. Serta semakin panjang gelombang cahaya, semakin besar daya output solar cell, hal ini bertoak belakang dengan teori yang masih berlaku bila panjang gelombang cahaya semakin besar maka daya output solar cell akan semakin kecil.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepada asisten laboratorium fisika modern, Budiana, Setyawan Abdillah, dan Friska Ayu F. selaku asisten dalam percobaan photovoltaic, yang telah bersedia membantu baik sebelum maupun pada saat percobaan hingga jurnal ini dapat terselesaikan. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada rekan – rekan satu kelompok atas kerja samanya dalam melaksanakan praktikum ini, serta seluruh pihak yan telah membantu dalan penyelesaian jurnal ini.

DAFTAR PUSTAKA[1] Savin, Gautreau, “Schaum’s Outline of Theory and Problem of Modern

Physics, second edition” Erlangga, Jakarta, pp.258, 2006.[2] S.Kessler Dipl.Ing.ETH, R Nutzi Dipl.Ing.HTL. 1995.

Photovoltaik, Malang: VEDC. [3] Antonio, Handbook of Photovoltaic Science and

Engineering.chichester:wiley ltd,2011.[4] Donald, Semiconductor Physics and Devices.North America:Mc

grawhill,2003.

4