SEL SURYAMATA KULIAH :Dasar Sensor dan TranduserDOSEN : Dr. Soeprijanto,M.Pd.

Disusun oleh :Kelompok

1. Riki Rivanto52231441902. Lambang Sukmo Yuwono52231442183. Ferdy Rahmanto5223144231

Program Studi D3 Teknik ElektronikaFakultas TeknikUniversitas Negeri Jakarta

2015ii | Sel Surya

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kami panjatkan kehadirat ALLAH SWT yang senantiasa melimpahkan Rahmat dan Taufiq-Nya, sehingga kami dapat menyelesaikan tugas makalah yang berjudul Sensor Sel Surya ini.

Makalah ini disusun selain untuk menambah wawasan kami juga untuk memenuhi tugas mata kuliah Rangkaian Listrik yang dibimbing oleh Bpk Dr. Soeprijanto,M.Pd.

Ucapan terima kasih kami sampaikan kepada semua pihak yang telah memberikan bantuan dan dukungan dalam pembuatan makalah Sensor Sel Surya.

Dan yang terakhir, kami berharap semoga makalah ini bisa bermanfaat bagi kita semua baik pembaca maupun penyusun. Tak lupa, kritik dan saran jika ada kesalahan dalam penulisan makalah ini.

Jakarta, 25 Mei 2015

Penyusun

DAFTAR ISI

KATA PENGANTARiDAFTAR ISIiiBAB I PENDAHULUAN1.1 Latar Belakang11.2 Rumusan Masalah11.3 Maksud dan Tujuan1BAB II PEMBAHASAN2.1 Sensor Cahaya22.2 Photovoltaic22.3 Sel Surya3BAB III PENUTUP3.1 Kesimpulan14DAFTAR PUSTAKA15

BAB IPENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Sensoradalah sesuatu yang digunakan untuk mendeteksi adanya perubahan lingkungan fisik atau kimia. Variabel keluaran dari sensor yang diubah menjadi besaran listrik disebut Transduser. Pada saat ini, sensor tersebut telah dibuat dengan ukuran sangat kecil dengan orde nanometer. Ukuran yang sangat kecil ini sangat memudahkan pemakaian dan menghemat energi.

Sensor cahayaadalah komponen elektronika yang dapat memberikan perubahan besaran elektrik pada saat terjadi perubahan intensitas cahaya yang diterima olehsensor cahayatersebut. Sensor cahaya dalam kehidupan sehari-hari dapat kita temui pada penerima remote televisi dan pada lampu penerangan jalan otomatis.

Sensor cahaya tipe fotovolataik adalah sensor cahaya yang dapat memberikan perubahan tegangan pada output sensor cahaya tersebut apabila sensor tersebut menerima intensitas cahaya. Salah satucontoh sensor cahayatipe fotovoltaik adalah solar cell atau sel surya.

1.2 Rumusan Masalah

Bermula dari latar belakang masalah tersebut, kami akan mencoba menyampaikan permasalahan antara lain :1. Apa yang dimaksud sel surya?2. Bagaimana cara kerja sel surya?

1.3 Maksud dan Tujuan1. Menjelaskan tentang sel surya.2. Menjelaskan tentang cara kerja sel surya.

BAB IIPEMBAHASAN

2.1 SENSOR CAHAYASensor Cahayaadalah salah satu alat yang digunakan dalam bidang elektronika, alat ini berfungsi untuk mengubah besaran cahaya menjadi besaran listrik. Alat ini memungkinkan kita untuk melakukan pendeteksian cahaya dan kemudian untuk melakukan perubahan terhadapnya menjadi sinyal listrik dan dipakai dalam sebuah rangkaian yang memakai cahaya sebagai pemicunya. Cara kerja dari alat ini adalah mengubah energy dari foton menjadi electron, umumnya satu foton dapat membangkitkan satu elektron.

2.2 PHOTOVOLTAIC

2.2.1 Efek Photovoltaic

Photovoltaic (PV) adalah suatu sistem atau cara langsung (direct) untuk mentransfer radiasi matahari atau energi cahaya menjadi energi listrik. Sistem photovoltaic bekerja dengan prinsip efek photovoltaic. Efek photovoltaic pertama kali ditemukan oleh Henri Becquerel pada tahun 1839. Efek photovoltaic adalah fenomena dimana suatu sel photovoltaic dapat menyerap energi cahaya dan merubahnya menjadi energi listrik. Efek photovoltaic didefinisikan sebagai suatu fenomena munculnya voltase listrik akibat kontak dua elektroda yang dihubungkan dengan sistem padatan atau cairan saat diexpose di bawah energy cahaya.

Energi solar atau radiasi cahaya terdiri dari biasan foton-foton yang memiliki tingkat energi yang berbeda-beda. Perbedaan tingkat energi dari foton cahaya inilah yang akan menentukan panjang gelombang dari spektrum cahaya. Ketika foton mengenai permukaan suatu sel PV, maka foton tersebut dapat dibiaskan, diserap, ataupun diteruskan menembus sel PV. Foton yang terserap oleh sel PV inilah yang akan memicu timbulnya energi listrik.

2.2.2 Sel Photovoltaic

Sel PV adalah suatu perangkat yang mengkonversi energi radiasi matahari menjadi energi listrik. Sistem sel PV pada dasarnya terdiri dari pn junction atau ikatan antara sisi positif dan negatif di dalam sebuah sistem semikonduktor. Sel PV juga dikenal dengan nama solar cell atau sel surya. Namun, perbedaannya terletak pada sumber cahaya yang digunakan. Pada sel PV sumber cahaya lebih umum dan tidak disebutkan secara jelas. Sedangkan pada sel surya energi cahaya berasal dari radiasi sinar matahari.

2.3 SEL SURYA (SOLAR CELL)

2.3.1 Mekanisme Konversi Energi

Pada dasarnya mekanisme konversi energi cahaya terjadi akibat adanya perpindahan elektron bebas di dalam suatu atom. Konduktifitas elektron atau kemampuan transfer elektron dari suatu material terletak pada banyaknya electron valensi dari suatu material.

Sel surya pada umumnya menggunakan material semikonduktor sebagai penghasil electron bebas. Material semikonduktor adalah suatu padatan (solid) dan seperti logam, konduktifitas elektriknya juga ditentukan oleh elektron valensinya. Namun, berbeda dengan logam yang konduktifitasnya menurun dengan kenaikan temperatur, material semikonduktor konduktifitasnya akan meningkat secara significant.

Ketika foton dari suatu sumber cahaya menumbuk suatu elektron valensi dari atom semikonduktor, hal ini mengakibatkan suatu energi yang cukup besar untuk memisahkan elektron tersebut terlepas dari struktur atomnya. Elektron yang terlepas tersebut menjadi bebas bergerak di dalam bidang kristal dan electron tersebut menjadi bermuatan negatif dan berada pada daerah pita konduksi dari material semikonduktor.

Sementara itu akibat hilangnya elektron mengakibatkan terbentuknya suatu kekosongan pada struktur kristal yang disebut dengan hole dan bermuatan positif. Skema sederhana terjadinya elektron bebas pada material semikonduktor diilustrasikan pada Gambar.

Daerah semikonduktor dengan elektron bebas dan bersifat negatif bertindak sebagai donor elektron. Daerah ini disebut negatif type (n-type). Sedangkan daerah semikonduktor dengan hole, bersifat positif dan bertindak sebagai penerima (acceptor) elektron. Daerah ini disebut dengan positive type (p-type).

Ikatan dari kedua sisi positif dan negatif (p-n junction) menghasilkan energi listrik internal yang akan mendorong elektron bebas dan hole untuk bergerak ke arah yang berlawanan. Elektron akan bergerak menjauhi sisi negatif, sedangkan hole bergerak menjauhi sisi positif. Ketika p-n junction ini dihubungkan dengan sebuah beban (lampu) maka akan tercipta sebuah arus listrik.

2.3.2 Struktur Umum Sel Surya

Struktur inti dari sel surya pada umumnya terdiri dari satu atau lebih jenis material semikonduktor dengan dua daerah berbeda yaitu, daerah positif dan negatif. Dua sisi yang berlainan ini berfungsi sebagai elektroda. Untuk menghasilkan dua daerah muatan yang berbeda umumnya digunakan dopant dengan golongan periodik yang berbeda. hal ini dimaksudkan agar dopant pada daerah negatif akan berfungsi sebagai pendonor elektron, sedangkan dopant pada daerah positif akan berfungsi sebagai acceptor elektron.

Sebagai contoh, pada solar sel konvensional digunakan material silikon (golongan IV pada tabel periodik) sebagai semikonduktor. Untuk menghasilkan dua muatan yang berbeda, maka pada satu sisi diberi dopant dari golongan periodik V yang mempunyai elektron valensi lima. Hal ini mengakibatkan silikon mempunyai kelebihan elektron (n-type). Sedangkan pada sisi yang berlainan digunakan dopant dari golongan periodik III yang mengakibatkan silikon kekurangan elektron (ptype). Dikarenakan untuk membentuk suatu struktur yang stabil dibutuhkan empat elektron, maka kekurangan satu elektron akan didapat dari donor n-type [5].

Selain itu pada sel surya terdapat lapisan antirefleksi, dan substrat logam sebagai tempat mengalirnya arus dari lapisan tipe-n (elektron) dan tipe-p (hole).

2.4 Cara Kerja Sel Surya

Sebagaimana diketahui bahwa cahaya baik yang tampak maupun yang tidak tampak memiliki dua buah sifat yaitu dapat sebagai gelombang dan dapat sebagai partikel yang disebut dengan foton. Penemuan ini pertama kali diungkapkan oleh Einstein pada tahun 1905. Energi dengan frekuensi dipancarkan oleh sebuah cahaya dengan panjang gelombang fotondirumuskan dengan persamaan:E = h.c / (7)Dengan h adalah konstantaPlanck(6,62 x 10-34J.s) dan c adalah kecepatan cahaya dalam vakum (3,00 x 108m/s). Persamaan di atas juga menunjukkan bahwa foton dapat dilihat sebagai sebuah partikel energi atau sebagai gelombang dengan panjang gelombang dan frekuensi tertentu. Dengan menggunakan sebuah perangkat semikonduktor yang memiliki permukaan yang luas dan terdiri dari rangkaian dioda tipe p dan n, cahaya yang datang akan mampu dirubah menjadi energi listrik.

Proses pengubahan atau konversi cahaya matahari menjadi listrik ini dimungkinkan karena bahan material yang menyusun sel surya berupa semikonduktor. Lebih tepatnya tersusun atas dua jenis semikonduktor; yakni jenis n dan jenis p. Semikonduktor merupakan bahan dasar untuk komponen aktif dalam alat elektronika. Semikonduktor yang digunakan pada sel surya adalah semikonduktor ekstrinsik, yang dibuat dari campuran bahan semikonduktor intrinsik dengan atom unsur dari kelompok III atau kelompok V dalam susunan berkala. Semikonduktor jenis n merupakan semikonduktor yang memiliki kelebihan elektron, sehingga kelebihan muatan negatif, (n = negatif). Sedangkan semikonduktor jenis p memiliki kelebihan hole, sehingga disebut dengan p ( p = positif) karena kelebihan muatan positif. Caranya, dengan menambahkan unsur lain ke dalam semikonduktor, maka kita dapat mengontrol jenis semikonduktor tersebut, sebagaimana diilustrasikan pada gambar di bawah ini.

Gambar Semikonduktor yang ditambahkan unsur lain.

Pada awalnya, pembuatan dua jenis semikonduktor ini dimaksudkan untuk meningkatkan tingkat konduktivitas atau tingkat kemampuan daya hantar listrik dan panas semikonduktor alami. Di dalam semikonduktor alami (disebut dengan semikonduktor intrinsik) ini, elektron maupun hole memiliki jumlah yang sama. Kelebihan elektron atau hole dapat meningkatkan daya hantar listrik maupun panas dari sebuah semikoduktor.

Misalkan semikonduktor intrinsik yang dimaksud ialah Silikon (Si). Semikonduktor jenis p, biasanya dibuat dengan menambahkan unsur Boron (B), Aluminum (Al), Gallium (Ga) atau Indium (In) ke dalam Si. Unsur-unsur tambahan ini akan menambah jumlah hole. Sedangkan semikonduktor jenis n dibuat dengan menambahkan Nitrogen (N), Fosfor (P) atau Arsen (As) ke dalam Si. Dari sini, tambahan elektron dapat diperoleh. Sedangkan, Si intrinsik sendiri tidak mengandung unsur tambahan. Usaha menambahkan unsur tambahan ini disebut dengan doping yang jumlahnya tidak lebih dari 1 % dibandingkan dengan berat Si yang hendak di-doping. Dua jenis semikonduktor n dan p ini jika disatukan akan membentuk sambungan p-n atau dioda p-n (istilah lain menyebutnya dengan sambungan metalurgi/metallurgical junction) yang dapat digambarkan sebagai berikut. Semikonduktor jenis p dan n sebelum disambung.

Gambar Semikonduktor jenis p dan n

Sesaat setelah dua jenis semikonduktor ini disambung, terjadi perpindahan elektron-elektron dari semikonduktor n menuju semikonduktor p, dan perpindahan hole dari semikonduktor p menuju semikonduktor n. Perpindahan elektron maupun hole ini hanya sampai pada jarak tertentu dari batas sambungan awal.

Gambar Penyambungan semikonduktor jenis p dan n.

Elektron dari semikonduktor n bersatu dengan hole pada semikonduktor p yang mengakibatkan jumlah hole pada semikonduktor p akan berkurang. Daerah ini akhirnya berubah menjadi lebih bermuatan negatif. Pada saat yang sama. hole dari semikonduktor p bersatu dengan elektron yang ada pada semikonduktor n yang mengakibatkan jumlah elektron di daerah ini berkurang. Daerah ini akhirnya lebih bermuatan positif.

Gambar Pembentukan daerah deplesi.

Daerah negatif dan positif ini disebut dengan daerah deplesi (depletion region) ditandai dengan huruf W. Baik elektron maupun hole yang ada pada daerah deplesi disebut dengan pembawa muatan minoritas (minority charge carriers) karena keberadaannya di jenis semikonduktor yang berbeda.

Dikarenakan adanya perbedaan muatan positif dan negatif di daerah deplesi, maka timbul dengan sendirinya medan listrik internal E dari sisi positif ke sisi negatif, yang mencoba menarik kembali hole ke semikonduktor p dan elektron ke semikonduktor n. Medan listrik ini cenderung berlawanan dengan perpindahan hole maupun elektron pada awal terjadinya daerah deplesi. Dibawah pengaruh medan ini elektron dan lubang akan bergerak dalam arah berlawanan.

Gambar Munculnya medan listrik.

Adanya medan listrik mengakibatkan sambungan pn berada pada titik setimbang, yakni saat di mana jumlah hole yang berpindah dari semikonduktor p ke n dikompensasi dengan jumlah hole yang tertarik kembali kearah semikonduktor p akibat medan listrik E. Begitu pula dengan jumlah elektron yang berpindah dari smikonduktor n ke p, dikompensasi dengan mengalirnya kembali elektron ke semikonduktor n akibat tarikan medan listrik E. Dengan kata lain, medan listrik E mencegah seluruh elektron dan hole berpindah dari semikonduktor yang satu ke semikonduktor yang lain.

Pada sambungan p-n inilah proses konversi cahaya matahari menjadi listrik terjadi. Untuk keperluan sel surya, semikonduktor n berada pada lapisan atas sambungan p yang menghadap kearah datangnya cahaya matahari, dan dibuat jauh lebih tipis dari semikonduktor p, sehingga cahaya matahari yang jatuh ke permukaan sel surya dapat terus terserap dan masuk ke daerah deplesi dan semikonduktor p.

Gambar Semikonduktor jenis p dan n.

Ketika sambungan semikonduktor ini terkena cahaya matahari, maka elektron mendapat energi dari cahaya matahari untuk melepaskan dirinya dari semikonduktor n, daerah deplesi maupun semikonduktor. Terlepasnya elektron ini meninggalkan hole pada daerah yang ditinggalkan oleh elektron yang disebut dengan fotogenerasi elektron-hole (electron-hole photogeneration) yakni, terbentuknya pasangan elektron dan hole akibat cahaya matahari.

Gambar Fotogenerasi elektron-hole.

Cahaya matahari dengan panjang gelombang yang berbeda, membuat fotogenerasi pada sambungan pn berada pada bagian sambungan pn yang berbeda pula. Spektrum merah dari cahaya matahari yang memiliki panjang gelombang lebih panjang, mampu menembus daerah deplesi hingga terserap di semikonduktor p yang akhirnya menghasilkan proses fotogenerasi di sana. Spektrum biru dengan panjang gelombang yang jauh lebih pendek hanya terserap di daerah semikonduktor n. Selanjutnya, dikarenakan pada sambungan pn terdapat medan listrik E, elektron hasil fotogenerasi tertarik ke arah semikonduktor n, begitu pula dengan hole yang tertarik ke arah semikonduktor p. Apabila rangkaian kabel dihubungkan ke dua bagian semikonduktor, maka elektron akan mengalir melalui kabel. Jika sebuah lampu kecil dihubungkan ke kabel, lampu tersebut menyala dikarenakan mendapat arus listrik, dimana arus listrik ini timbul akibat pergerakan elektron.

Gambar(a) Aliran elektron pada sel. surya (b) Skema cara kerja sel surya zat warna.

Pada siang hari panel surya menerima cahaya matahari yang kemudian diubah menjadi listrik melalui proses photovoltaic. Listrik yang dihasilkan oleh panel surya dapat langsung disalurkan ke beban ataupun disimpan dalam Electric Box System (EBS), sebelum digunakan ke beban seperti lampu, radio,TV, dll. Pada malam hari, dimana panel surya tidak menghasilkan listrik. Listrik yang sudah tersimpan dalam Electric Box System (EBS) akan dapat digunakan. Untuk menyalakan peralatan listrik terutama lampu penerangan,dll. Adapun rumus untuk efisiensi konversi energinya berbentuk:

Dimana: = efisiensi konversi;V = tegangan yang dibangkitkan sel surya;I = arus sel surya; = rapat daya matahari yang jatuh pada sel surya;A = luas permukaan sel surya.

2.5 Efisiensi Sel Surya

Daya listrik yang dihasilkan oleh sel surya ketika mendapat cahaya dihitung dari kemampuan untuk memproduksi tegangan ketika diberi beban dan arus melalui beban pada waktu yang sama. Hal tersebut sebagaimana direpresentasikan dalam kurva arus-tegangan (I-V).

Efisiensi adalah sifat terpenting yang menjadi tolak ukur performa pada sebuah perangkat sel surya. Nilai efisiensi suatu sel surya dihitung dengan besarnya daya yang dihasilkan sel suya dibagi dengan daya cahaya yang datang :

= =

Dimana Voc adalah tegangan maksimum saat open-circuit, Im adalah arus maksimun saat close-circuit, dan Titik pada kurva I-V yang menghasilkan arus dan tegangan maksimum disebut titik daya maksimum (m).

Sedangkan FF adalah fill factor dengan persamaan :

FF =

BAB IIIPENUTUP

3.1 Kesimpulan

Dengan menggunakan potensi dari cahaya matahari kita dapat mengubahnya menjadi tenaga listrik, dimana matahari merupakan sumber daya alam yang tidak akan habis termakan waktu, dan juga menghemat sumber daya yang digunakan untuk mendapatkan sumber tenaga listrik sebelumnya seperti air, udara, nuklir dan lain-lain.

DAFTAR PUSTAKA

Sensor Cahaya http://zonaelektro.net/sensor-cahaya/ (diakses tanggal 23 Mei 2015)

Cara Kerja Sel Surya https://teknologisurya.wordpress.com/dasar-teknologi-sel-surya/prinsip-kerja-sel-surya/ (diakses tanggal 23 Mei 2015)

E-book Performa Sel Surya oleh Wulan Handini.