1

PEMANFAATAN SECARA LANGSUNG ENERGI 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 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

2

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 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. [1] CULP, Achie J., Prinsiples of Energy Conversion, McGraw-Hill Book Company, USA, 1981.

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 membentuk aliran arus seperti ditunjukkan pada Gambar 3.[1].

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

5

D aerahsam bu ng an Je nis - pJen is - n

V o - V L

E g

h v

h v

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:

6

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 ). 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 LsL

…..(3).

Untuk Lv sama dengan nol, yaitu pada kondisi hubungan pendek, bentuk eksponensial pada jumlah terakhir mendekati

7

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

Arus

luar

an (m

A)

Level iluminasi

125 mW cm2

100 mW cm2

50 mW cm2

Titik dayamaksimum

Segiempatdayamaksimum

100

Resistans beban

10

5

Tegangan luaran (V) Gambar 4. Karakteristik arus-tegangan solar cell

Daya keluaran yang diperoleh dari solar cell:

8

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 :

Tkve

JJ

Tkve

PL

sPL

maks.,0maks.,

1

1exp

……(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:

9

PL

sPL

veTk

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

)(

PL

sPLP

veTkP

JJvAP

P

….(8). Mengingat fluks masukan energi ke solar cell pada umumnya konstan, efisiensi yang diberikan persamaan (8) juga 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

10

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 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

11

yang bergerak, memungkinkan menghasilkan total konversi 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.

1

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

2

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 LsL …..(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.

3

Daya keluaran yang diperoleh dari solar cell:

AJvP LL ……(4),

dengan A = luas permukaan sel. Substitusi persamaan (3) ke (4) memberikan:

1exp0 Tk

veJvAJvAP LLSL

…….(5).

4

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

turunan tersebut memberikan tegangan beban luar Lv pada nilai

maksimum P :

Tkve

JJ

Tkve

PL

sPL

maks.,0maks.,

1

1exp

……(6).

5

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

veTk

JJvAP

maks.,

0maks.,maks.

1

)(

……(7).

Energi fluks insiden pada sel diketahui, yaitu APin

, maka efisiensi konversi pada daya maksimum:

6

maks.

maks.,in

0maks.,

in

maks.maks.

1

)(

PL

sPLP

veTkP

JJvAP

P

….(8)

.

1

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

Gambar 1. Distribusi muatan pada suatu semikonduktor

sambungan jenis n - p

Gambar 2. Diagram skematis suatu jenis solar cell

Aliran elektron yang samapada kedua arah

Sabuk konduksi

Jenis - pJenis - nDaerahsambungan

Vo

Aliran lubang yang samapada kedua arah

Sabuk valensi

Eg

EoLevelFermi

Ener

gi e

lekt

ron

E

Aliran elektronkelebihan

Sabuk konduksiJenis - pJenis - n

Vo - VL

Aliran kelebihanlubang

Sabuk valensi

EoLevelFermi

Ener

gi e

lekt

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

2

D aerahsam bungan Jen is - pJen is - n

V o - V L

E g

h v

h v

Gambar 3. Pembawa muatan yang disebabkan

penyinaran sel matahari

3

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

10

20

30

40

50

60

70

80Ar

us lu

aran

(mA)

Level iluminasi

125 mW cm2

100 mW cm2

50 mW cm2

Titik dayamaksimum

Segiempatdayamaksimum

100

Resistans beban

10

5

Tegangan luaran (V)

Gambar 4. Karakteristik arus-tegangan solar cell

4