TUGAS FISIKA TEKNIK LANJUT SEL SURYA (PHOTOVOLTAIK)N A F I' U L M A T I I N [Pick the date] 2411 201 901

SEL SURYA (PHOTOVOLTAIK)

PRINSIP KERJA Fotovoltaik adalah konversi langsung cahaya menjadi listrik pada tingkat atom. Beberapa bahan menunjukkan sebuah properti yang dikenal sebagai efek fotolistrik yang menyebabkan mereka untuk menyerap foton cahaya dan melepaskan elektron. Ketika elektron bebas ini ditangkap, dihasilkan arus listrik yang dapat digunakan sebagai listrik.

Gambar 1 Prinsip Dasar Fotovoltaik Diagram di atas menggambarkan pengoperasian dasar sel fotovoltaik, juga disebut sel surya. Sel surya terbuat dari jenis yang sama dari bahan semikonduktor, seperti silikon, yang digunakan dalam industri mikroelektronika. Untuk sel surya, wafer semikonduktor tipis diperlakukan secara khusus untuk membentuk medan listrik, di satu sisi positif dan negatif di sisi lain. Ketika energi cahaya matahari mengenai sel,elektron terlepas dari atom yang ada dalam material semikonduktor. Jika konduktor listrik yang melekat pada sisi positif dan negatif, membentuk sebuah rangkaian listrik, elektron dapat ditangkap dalam bentuk arus listrik inilah, listrik. . Listrik ini kemudian dapat digunakan untuk menyalakan sebuah beban, seperti lampu atau alat. Sejumlah sel surya secara elektrik dihubungkan satu sama lain dan dipasang pada struktur pendukung atau frame yang disebut modul fotovoltaik. Modul ini dirancang untuk pasokan listrik pada tegangan tertentu, misalnya sistem yang sudah umum, yaitu, 12 volt. Arus yang dihasilkan secara langsung tergantung pada seberapa banyak cahaya menerpa modul. Beberapa modul dapat dihubungkan bersama untuk membentuk sebuah array. Secara umum, semakin besar wilayah modul atau array, semakin banyak listrik yang akan dihasilkan. Modul fotovoltaik dan array menghasilkan listrik arus searah (dc). Modul dan array ini secara elektrik

dapat dihubungkan baik secara seri dan paralel untuk menghasilkan kombinasi tegangan dan arus yang dibutuhkan.

Gambar 2 Sususnan Cel Surya Perangkat PV yang paling umum saat ini menggunakan satu junction, atau interface. Dalam sel PV satu

junction, hanya foton yang energinya sama dengan atau lebih besar dari celah pita dari bahan sel yang dapat membebaskan elektron untuk sebuah rangkaian listrik. Dengan kata lain, respon fotovoltaik sel junction-tunggal terbatas pada bagian spektrum matahari yang energinya berada di atas band gap dari bahan yang menyerap sinar matahari dan energi foton yang lebih rendah tidak digunakan.

Gambar 3 perangkat Multijunction (kiri) dan Energi Gap (kanan)

Salah satu cara untuk menyiasati keterbatasan ini adalah dengan menggunakan dua (atau lebih) sel yang berbeda, dengan lebih dari satu band gap dan lebih dari satu sambungan/junction, untuk menghasilkan suatu tegangan. Cara ini disebut sebagai sel (juga disebut cascadeatau sel tandem. Perangkat multijunction dapat mencapai efisiensi konversi total yang lebih tinggi karena mereka bisa mengkonversi lebih banyak dari energi spektrum cahaya menjadi listrik. Seperti yang ditunjukkan di bawah ini, sebuah perangkat multijunction adalah tumpukan sel junction-tunggal dalam urutan menurun dari band gap (Eg). Sel teratas menangkap foton energi tinggi dan melewati sisa foton agar diserap oleh sel band-gap yang lebih rendah. Banyak penelitian sel multijunction pada hari ini berfokus pada gallium arsenide sebagai satu (atau semua) dari komponen sel. Sel-sel seperti telah mencapai efisiensi sekitar 35% di bawah sinar matahari yang terkonsentrasi.Material-material lain yang telah dipelajari untuk perangkatmultijunction adalahamorphous silicon dan tembaga indium diselenide.

SEJARAH Istilah fotovoltaikberasal dari bahasa Yunani (phos) yang berarti cahaya, dan volta, yang berarti listrik, dari nama fisikawan Italia Volta, setelah yang satu unit kekuatan elektro-motif, volt, diberi nama . Istilah foto-volta telah digunakan dalam bahasa Inggris sejak 1849. Efek yang fotovoltaik pertama kali diakui pada tahun 1839 oleh fisikawan Perancis AE Becquerel. Namun, tidak sampai 1883 bahwa sel surya pertama dibangun, oleh Charles Fritts, yang dilapisi selenium semikonduktor dengan lapisan yang sangat tipis emas untuk membentuk persimpangan. Perangkat ini hanya sekitar 1% efisien. Selanjutnya fisikawan Rusia Aleksandr Stoletov membangun sel surya pertama berdasarkan efek fotolistrik luar (ditemukan oleh Heinrich Hertz pada tahun 1887). Albert Einstein menjelaskan efek fotolistrik pada tahun 1905 di mana ia menerima Hadiah Nobel dalam Fisika pada tahun 1921. Era modern teknologi tenaga surya tiba pada tahun 1954 ketika Bell Laboratories, bereksperimen dengan semikonduktor, tidak sengaja menemukan bahwa doped silikon dengan pengotor tertentu sangat sensitif terhadap cahaya. Daryl Chapin, dengan Bell Labs rekan Gerald Calvin Fuller dan Pearson, menemukan perangkat praktis yang pertama untuk mengubah sinar matahari menjadi tenaga listrik yang berguna. Hal ini mengakibatkan

produksi berguna pertama solar cell dengan efisiensi konversi energi sinar matahari sekitar 6% . baterai matahari pertama kali didemonstrasikan pada tanggal 25 April 1954. Angkasa pertama untuk menggunakan panel surya adalah satelit AS Vanguard 1, diluncurkan Maret 1958 dengan sel surya yang dibuat oleh Hoffman Electronics. Tonggak ini menciptakan minat dalam memproduksi dan meluncurkan satelit komunikasi geostasioner, di mana energi matahari akan memberikan catu daya yang layak. Ini adalah perkembangan penting yang dirangsang dana dari beberapa pemerintah melakukan penelitian untuk meningkatkan sel-sel surya.

KETERKINIAN

Gambar 4 Sistem Energi Surya Fotofoltaik (SESF) Salah satu cara penyediaan energi listrik alternatif yang siap untuk diterapkan secara masal pada saat ini adalah menggunakan suatu sistem teknologi yang diperkenalkan sebagai Sistem Energi Surya Fotovoltaik (SESF) atau secara umum dikenal sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Surya Fotovoltaik (PLTS Fotovoltaik). Sebutan SESF merupakan istilah yang telah dibakukan oleh pemerintah yang digunakan untuk mengidentifikasikan suatu sistem

pembangkit energi yang memanfaatkan energi matahari dan menggunakan teknologi fotovoltaik. Dibandingkan energi listrik konvensional pada umumnya, SESF terkesan rumit, mahal dan sulit dioperasikan. Namun dari pengalaman lebih dari 15 tahun operasional di beberapa kawasan di Indonesia, SESF merupakan suatu sistem yang mudah didalam pengoperasiannya, handal, serta memerlukan biaya pemeliharaan dan operasi yang rendah menjadikan SESF mampu bersaing dengan teknologi konvensional pada sebagian besar kondisi wilayah Indonesia yang terdiri atas pulau - pulau kecil yang tidak terjangkau oleh jaringan PLN dan tergolong sebagai kawasan terpencil. Selain itu SESF merupakan suatu teknologi yang bersih dan tidak mencemari lingkungan. Beberapa kondisi yang sesuai untuk penggunaan SESF antara lain pada pemukiman desa terpencil, lokasi transmigrasi, perkebunan, nelayan dan lain sebagainya, baik untuk penerangan rumah maupun untuk fasilitas umum. Akan tetapi sesuai dengan perkembangan jaman, pada saat ini di negara-negara maju penerapan SESF telah banyak digunakan untuk suplai energi listrik di gedung-gedung dan perumahan di kota-kota besar.

KRITERIA UNJUK KERJA Komponen utama didalam suatu SESF dikenal dengan istilah modul fotovoltaik yang berfungsi mengubah radiasi matahari menjadi listrik secara langsung (direct conversion). Modul fotovoltaik dirakit dari susunan sel surya atau sel fotovoltaik yang dirangkai secara seri dan/atau paralel. Teknologi sel fotovoltaik yang banyak dikembangkan dewasa ini pada umumnya merupakan jenis teknologi kristal yang dibuat dengan bahan baku berbasis silikon. Produk akhir dari modul fotovoltaik menyerupai bentuk lembaran kaca dengan ketebalan sekitar 6 - 8 milimeter. Sinar matahari yang menimpa permukaan modul akan diubah secara langsung, tanpa adanya bagian yang bergerak, menjadi listrik sebagai akibat terjadinya pergerakan pasangan "elektron-hole" di dalamnya. Efisiensi pembangkitan energi listrik yang dihasilkan modul fotovoltaik pada skala komersial saat ini adalah sekitar 14 - 15 %. Didalam aplikasinya; modul fotovoltaik 50 Wp yang diterapkan pada daerah dengan penyinaran matahari rata-rata 5 kWh/m2.hari akan mampu menyediakan energi sebesar 200 Watt-jam/hari. Sistem yang ditawarkan pada umumnya dirancang untuk berfungsi dengan hari otonomi (hari tanpa sinar matahari) sebesar 3 hari. Energi listrik yang dihasilkan dari modul fotovoltaik berupa listrik arus searah (DC) yang dapat langsung di gunakan atau

disimpan kedalam baterai untuk dipergunakan pada saat lain ketika diperlukan dalam kondisi tidak ada cahaya matahari (dalam cuaca mendung / malam hari). Sistem penyimpanan listrik menggunakan baterai dilengkapi dengan alat pengatur baterai (battery control unit -BCU). Apabila diperlukan PLTS Fotovoltaik dapat dilengkapi inverter DC/AC yang memungkinkan penggunaan peralatan arus listrik AC (seperti sistem PLN). Mengingat konversi listrik fotovoltaik merupakan konversi langsung, maka kehandalan sistim SESF tidak perlu diragukan lagi. Berbagai penerapan dibeberapa kawasan di Indonesia telah membuktikan banyak SESF tetap berfungsi setelah masa pakai lebih dari 20 tahun. Disamping penyediaan listrik untuk lampu penerangan, SESF ini telah terbukti handal untuk berbagai penggunaan seperti : pompa dan sarana air bersih, fasilitas umum, penunjang produktivitas pertanian/perikanan, peralatan komunikasi (rural telephone, komunikasi radio, televisi, dan stasiun repeater), navigasi laut, penerbangan, serta aplikasi lainnya.

PARAMETERISASI Daya yang dihasilkan oleh solar cell adalah perkalian antaran intensitas radiasi matahari

yang diterima dengan luas area serta dihalikan pula dengan efisiensi PV module dengan persamaan:

Dimana : P : Daya yang dihasilkan oleh sel surya (Watt) Ir : Intensitas radiasi matahari (Watt/m2) A : Luas area permukaan photovoltaic module (m2) :Efisiensi yang dimiliki masing-masing sel surya