sel surya berbasis film semikonduktor … sel surya dapat dilakukan dengan berbagai proses dan...
TRANSCRIPT
SEL SURYA BERBASIS FILM SEMIKONDUKTOR
BaXSr(1-X)TiO3 DENGAN X= 0,5 ; 0,6 ; 0,7 ; 0,8
IRVAN RADITYA PUTRA
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2012
ABSTRAK
IRVAN RADITYA PUTRA. Sel Surya Berbasis Film Semikonduktor
BaXSr(1-X)TiO3 X = 0,5 ; 0,6 ; 0,7 ; 0,8. Dibimbing oleh Dr. Ir. Irzaman, M.Si
dan Dr. Husin Alatas, M.Si
Pembuatan sel surya dapat dilakukan dengan berbagai proses dan material.
Sel surya pada penelitian ini dibuat dengan metode sol-gel process menggunakan
material Barium Stronsium Titanat (BST) dengan rumus kimia BaxSr(1-x)TiO3 dan
dilakukan variasi nilai fraksi molnya yaitu x = 0,5 ; 0,6 ; 0,7 ; 0,8 dan variasi
terhadap ukuran dari prototipe sel suryanya. Variasi yang dilakukan menimbulkan
hasil karakterisasi yang berbeda-beda. Karakterisasi yang dilakukan ialah
karakterisasi I-V, konstanta dielektrik, konduktivitas listrik, dan fotovoltaik. Dari
hasil karakterisasi I-V diperoleh bentuk grafik I-V yang hampir sama untuk semua
sampel. Lalu dari konstanta dielektrik diperoleh hasil bahwa untuk semua sel
surya diperoleh nilai yang berbeda-beda. Sedangkan untuk karakterisasi
konduktivitas listrik dapat diketahui bahwa untuk semua sampel sel surya ketika
intensitas cahaya yang diberikan semakin besar maka konduktivitas listriknya
juga semakin besar. Terakhir untuk karakterisasi fotovoltaik didapatkan bahwa
untuk satu buah sel tidak diperoleh nilai arus dan tegangannya sehingga untuk
karakterisasi ini empat buah sel surya diparalelkan, dari hasil karakterisasi
fotovoltaik ini akan diperoleh nilai daya maksimum, fill faktor, dan efisiensi.
Untuk efisiensi ini nilainya ditentukan menggunakan hasil karakterisasi dan dari
perhitungan secara teori dari tinjauan persamaan Landau-Chalatnikov.
Kata kunci: Sel surya, Barium Stronsium Titanat (BST), karakterisasi sel surya
SEL SURYA BERBASIS FILM SEMIKONDUKTOR
BaXSr(1-X)TiO3 DENGAN X= 0,5 ; 0,6 ; 0,7 ; 0,8
IRVAN RADITYA PUTRA
Skripsi
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains pada
Departemen Fisika
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2012
Judul : Sel Surya Berbasis Film Semikonduktor BaxSr(1-x)TiO3 dengan
x = 0,5 ; 0,6 ; 0,7 ; 0,8
Nama : Irvan Raditya Putra
NIM : G74080019
Departemen : Fisika
Menyetujui
Pembimbing 1 Pembimbing 2
Dr. Ir. Irzaman, M.Si
NIP. 19630708 199512 1001
Dr. Husin Alatas, M.Si
NIP. 19710604 199802 1001
Mengetahui
Ketua Departemen Fisika
Dr. Akhiruddin Maddu
NIP: 19660907 198802 1006
Tanggal lulus:
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah
melimpahkan rahmat, karunia serta hidayah-Nya kepada penulis sehingga dapat
menyelesaikan laporan penelitian yang berjudul Sel Surya Berbasis Film
Semikonduktor BaxSr(1-x)TiO3 dengan x = 0,5 ; 0,6 ; 0,7 ; 0,8.
Hasil penelitian ini disusun agar penulis dapat menyelesaikan tugas akhir di
Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut
Pertanian Bogor. Penelitian dilaksanakan dari bulan Juli 2011 – September 2012.
Akhir kata, mudah-mudahan hasil penelitian ini dapat bermanfaat bagi
kemajuan ilmu pengetahuan dan tentunya penulis sangat mengharapkan masukan,
kritik, dan saran yang membangun dalam usaha pengembangan aplikasi material
ini.
Bogor, Desember 2012
Penulis
UCAPAN TERIMA KASIH
1. Allah SWT, Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan rahmat, hidayah,
dan ridha-Nya sehingga alhamdulillahirabbrilalamin skripsi ini dapat selesai.
2. Muhammad Salallohu alaihi wassalam rahmatan lil alamin yang telah
memberikan inspirasi dan suri tauladan yang baik kepada penulis khususnya
dan seluruh alam semesta umumnya.
3. Bapak Asep Saripudin dan Ibu Juli Astuti, sosok orang tua yang selalu
memberi kasih sayang dan motivasi lahir batin kepada penulis.
4. Adik - adik penulis yang tercinta Billy Dwi Octavianto dan Jerry Syarif.
5. Bapak Dr. Ir. Irzaman, M.Si dan Bapak Dr. Husin Alatas sebagai
Pembimbing penulis yang telah memberikan bimbingannya selama
perkuliahan, penelitian hingga sidang sarjana.
6. Bapak Drs. Muh Nur Indro, M.Sc yang telah memberikan kemudahan dalam
merevisi skripsi penulis.
7. Ibu Mersi Kurniati, M.Si yang telah memberikan saran dan kritik yang
membangun sehingga skripsi ini menjadi lebih baik dari sebelumnya.
8. Bapak Firman dan Bapak Jun atas bantuannya dalam administrasi di
departemen fisika.
9. “Anak Komplek” Hadi Ardian, Maman Rohaman, Farqan Thanzala, Andri
Gunawan, Zainal Muttaqin, Ahmad Khakim, Firmansyah, Lutfi Lestyoaji,
Roy Nizar, Fery Nurdin, Doni Kurniawan, Hening Pram.
10. Nia Sarastika, Herwandi Saputra, Khafit Pratama, dan Ella Rahmadani rekan-
rekan satu bimbingan penelitian.
11. Rekan-rekan Futsal IPB dan Soccer IPB serta coach Entis Sutisna atas
supportnya.
12. “Ranger Balebak” Hutomo Triasmoro, Jaka Ahmad Juliarta, Rahmat Hapid,
Tenri Tendi Talkanda, Muhamad Wahyu Hidayat, Muhamad Rifkyansyah.
13. Rekan-rekan tim futsal dan soccer Fisika dan Fmipa.
14. Rekan-rekan civitas akademik fisika IPB angkatan 45, 46, 47.
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Jakarta, 15 Desember 1990 dari
pasangan Asep Saripudin dan Juli Astuti. Penulis
menyelesaikan pendidikan Taman Kanak-Kanak
hingga Sekolah Menengah Pertama di Ciputat,
Tangerang Selatan yaitu TK Al-ikhlas, SD Negeri 3
Ciputat, SMP Negeri 3 Ciputat, dan menyelesaikan
pendidikan Sekolah Menengah Atas di SMA Negeri 90
Jakarta. Penulis melanjutkan pendidikannya ke jenjang
perkuliahan di Departemen Fisika Institut Pertanian Bogor (IPB). Saat ini penulis
aktif di Unit Kegiatan Mahasiswa (UKM) Sepak Bola IPB sebagai Pemain yang
aktif dalam mengikuti berbagai kejuaraan yang diikuti IPB, Unit Kegiatan
Mahasiswa (UKM) Futsal IPB sebagai Wakil Ketua pada periode 2010-2011.
Penulis juga aktif berwirausaha dalam berbagai usaha yang sudah dijalankan
disekitar kampus. Penulis meraih berbagai prestasi di bidang ilmiah, seni, dan
olahraga. Di bidang ilmiah, penulis berhasil lolos sebagai proposal yang didanai
oleh Dikti dalam kegiatan Program Kreativitas Mahasiswa (PKM) bidang
penelitian, Penulis juga terpilih proposal penelitiannya dalam acara Recognition
And Mentoring Program (RAMP) IPB, pada tahun 2012 juga penulis berhasil
menjadi mahasiswa berprestasi tingkat departemen. Di bidang seni, penulis aktif
mengikuti berbagai festival musik dibeberapa daerah. Di bidang olahraga penulis
juga aktif dan berprestasi dalam berbagai kejuaraan sepak bola atau futsal. Saat ini
penulis aktif mengajar di beberapa tempat bimbingan belajar disekitar Bogor dan
Jakarta.
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR ISI ..................................................................................................... vii
DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... viii
DAFTAR LAMPIRAN ...................................................................................... ix
DAFTAR TABEL ............................................................................................. x
BAB I. PENDAHULUAN ................................................................................. 1
Latar Belakang ......................................................................................... 1
Tujuan Penelitian ...................................................................................... 1
Rumusan Masalah..................................................................................... 1
Hipotesis................................................................................................... 1
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA ....................................................................... 2
Semikonduktor ......................................................................................... 2
Barium Stronsium Titanat ......................................................................... 2
Sel Surya .................................................................................................. 3
Efisiensi Sel Surya .................................................................................... 4
Fotokonduktivitas ..................................................................................... 5
BAB III. METODOLOGI .................................................................................. 6
Waktu dan Tempat .................................................................................... 6
Alat dan Bahan ......................................................................................... 6
Prosedur Penelitian ................................................................................... 6
Pembuatan Film BST .................................................................... 7
Persiapan Substrat (silikon tipe-p)........................................... 7
Pembuatan Larutan BST ......................................................... 7
Proses Penumbuhan Film ........................................................ 7
Proses Annealing .................................................................... 7
Pembuatan Kontak pada Sel Surya Film BST ......................... 7
Pembuatan Program Penghitungan Efisiensi .................................. 8
Karakterisasi ................................................................................. 8
Karakterisasi I-V .................................................................... 8
Karakterisasi Konduktivitas Listrik ......................................... 9
Karakterisasi Konstanta Dielektrik .......................................... 9
Karakterisasi Fotovoltaik ........................................................ 9
BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ........................................................... 10
Persiapan Substrat ..................................................................................... 10
Pembuatan Larutan BST ........................................................................... 10
Proses Penumbuhan Film .......................................................................... 10
Proses Annealing ...................................................................................... 10
Pembuatan Kontak pada Film BST ........................................................... 11
Penghitungan Nilai Efisiensi ..................................................................... 11
Karakterisasi I-V....................................................................................... 12
Karakterisasi Konduktivitas Listrik ........................................................... 14
Karakterisasi Konstanta Dielektrik ............................................................ 14
Karakterisasi Fotovoltaik ......................................................................... 16
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................. 17
Kesimpulan............................................................................................... 17
Saran ...................................................................................................... 17
DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................ 18
LAMPIRAN ...................................................................................................... 19
vii
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 1. Perbedaan sel surya dengan sumber energi lainnya.......................... 3
Tabel 2. Nilai konstanta dielektrik sampel .................................................... 15
Tabel 3. Data I-V sel surya ukuran 1x1 (x=0,5) ..................................................... 20
Tabel 4. Data I-V sel surya ukuran 1x1 (x=0,6) ..................................................... 20
Tabel 5. Data I-V sel surya ukuran 1x1 (x=0,7) ..................................................... 20
Tabel 6. Data I-V sel surya ukuran 1x1 (x=0,8) ..................................................... 21
Tabel 7. Data I-V sel surya ukuran 2x2 (x=0,5) ..................................................... 21
Tabel 8. Data I-V sel surya ukuran 2x2 (x=0,6) ..................................................... 21
Tabel 9. Data I-V sel surya ukuran 2x2 (x=0,7) ..................................................... 21
Tabel 10. Data I-V sel surya ukuran 2x2 (x=0,8) ..................................................... 22
Tabel 11. Data konduktivitas sel surya BST .................................................... 23
Tabel 12. Nilai konstanta dielektrik sampel .................................................... 25
Tabel 13. Data karakterisasi efek fotovoltaik .................................................. 27
Tabel 14. Data hasil penghitungan nilai efisiensi ............................................ 32
viii
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 1. Proses perpindahan elektron dari level valensi ke level konduksi . 4
Gambar 2. Proses perpindahan elektron dan hole .......................................... 4
Gambar 3. Grafik 𝜂m terhadap X0 ................................................................. 4
Gambar 4. Kurva hubungan arus terhadap tegangan ...................................... 5
Gambar 5. Perbedaan material berdasarkan konduktivitas listrik ................... 6
Gambar 6. Diagram alir penelitian ................................................................ 6
Gambar 7. Sel surya tampak samping ............................................................ 8
Gambar 8. Rancangan sel surya tampak atas ................................................. 8
Gambar 9. Grafik I-V dioda .......................................................................... 9
Gambar 10. Rangkaian karakterisasi konstanta dielektrik sel surya ................. 9
Gambar 11. Rangkaian pengukuran karakterisasi fotovoltaik .......................... 10
Gambar 12. Hasil proses persiapan substrat ..................................................... 10
Gambar 13. Hasil proses penumbuhan film ..................................................... 10
Gambar 14. Hasil proses annealing ................................................................. 11
Gambar 15. Hasil pembuatan kontak pada sampel ........................................... 11
Gambar 16. Grafik efisiensi terhadap Xo ........................................................ 11
Gambar 17. Hasil karakterisasi I-V sampel berukuran 1 cm x 1 cm ................. 12
Gambar 18. Hasil karakterisasi I-V sampel berukuran 2 cm x 2 cm ................. 12
Gambar 19. Hasil karakterisasi konduktivitas listrik sampel 1 cm x 1 cm ........ 13
Gambar 20. Hasil karakterisasi konduktivitas listrik sampel 2 cm x 2 cm ........ 13
Gambar 21. Sinyal awal yang muncul di osiloskop ......................................... 14
Gambar 22. Sinyal pada sampel [x = 0,5 (1cm x 1cm)] ................................... 15
Gambar 23. Sinyal pada sampel [x = 0,6 (1cm x 1cm)] ................................... 15
Gambar 24. Sinyal pada sampel [x = 0,7 (1cm x 1cm)] ................................... 15
Gambar 25. Sinyal pada sampel [x = 0,8 (1cm x 1cm)] ................................... 15
Gambar 26. Sinyal pada sampel [x = 0,5 (2cm x 2cm)] ................................... 15
Gambar 27. Sinyal pada sampel [x = 0,6 (2cm x 2cm)] ................................... 15
Gambar 28. Sinyal pada sampel [x = 0,7 (2cm x 2cm)] ................................... 15
Gambar 29. Sinyal pada sampel [x = 0,8 (2cm x 2cm)] ................................... 15
Gambar 30. Hasil fotovoltaik untuk 4 buah sel surya yang diparalelkan .......... 16
Gambar 31. Contoh salah satu sinyal yang muncul pada sel surya BST .................... 25
Gambar 32. Program penghitungan nilai efisiensi ........................................... 33
Gambar 33. Hasil perhitungan program di command window MatLab. ............ 34
Gambar 34. Hasil kerja dari program secara keseluruhan ................................ 35
ix
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran 1. Data Karakterisasi I-V ................................................................. 20
Lampiran 2. Data Konduktansi(G) dan Perhitungan Konduktivitas Listrik (σ) . 23
Lampiran 3. Data Karakterisasi Penghitungan Nilai Konstanta Dielektrik ....... 25
Lampiran 4. Data Karakterisasi Fotovoltaik .................................................... 27
Lampiran 5. Tinjauan Persamaan Penghitungan Efisiensi ................................ 29
Lampiran 6. Data Program Komputasi Penghitungan Nilai Efisiensi ............... 32
x
1
BAB I
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Akhir-akhir ini banyak penemuan yang
dihasilkan oleh para ilmuwan yang terkait
dengan teknologi pemanfaatan sumber
energi terbarukan. Salah satu penemuan
tersebut ialah sel surya (solar cell) yang
merupakan piranti elektronik yang
mengubah energi foton dari matahari
menjadi energi listrik secara langsung,
Proses pengubahan ini dikenal sebagai
efek fotovoltaik. Teknologi fotovoltaik
yang ada saat ini dapat dikatakan telah
berkembang dengan pesat karena
beberapa faktor pendorong, seperti sudah
tidak efisien dan efektifnya lagi sumber
energi seperti minyak bumi dan gas alam
yang ada saat ini dan didorong pula oleh
fakta bahwa suplai energi foton dari sinar
matahari yang diterima oleh permukaan
bumi sebenarnya sangat luar biasa yaitu
mencapai 3 x 1024
joule pertahun yang
jika dikonversi ke dalam daya besarnya
sekitar 1017
watt yang mana dengan daya
sebesar ini sama saja dengan 10.000 kali
konsumsi energi di dunia.1 Namun
pemanfaatan energi sebesar itu belum
dilakukan secara optimal sehingga energi
matahari yang luar biasa tersebut belum
bernilai lebih untuk kesejahteraan.
Pemanfaatan yang belum optimal tersebut
terjadi karena keterbatasan teknologi
konversi yang dimiki, dan saat ini hanya
beberapa negara saja yang sudah dapat
memanfaatkan sumber energi dari
matahari tersebut dengan teknologi yang
dimilikinya.2
Secara garis besar keterbatasan
pemanfaatan energi matahari tersebut
dapat disebabkan beberapa hal seperti
proses pembuatan sel surya yang sulit
karena kurangnya ilmu pengetahuan
mengenai teknologi konversi ini dan juga
karena mahalnya biaya pembuatan untuk
menghasilkan sebuah prototipe tersebut.3
Oleh karena itu diperlukan sebuah
alternatif pembuatan dengan proses yang
mudah dan murah serta mengunakan
bahan dan alat yang dapat diperoleh di
pasaran. Alternatif yang dilakukan dapat
diawali dari pemilihan bahan/material
yang cocok dan mudah diperoleh. Salah
satu yang dapat dilakukan adalah
pembuatan sel surya dalam bentuk kristal
dengan bahan/ material yang berasal dari
material ferroelektrik.3 Material
ferroelektrik terdiri dari senyawa kimia
yang kompleks dan sampai saat ini
material ini banyak sekali jenisnya,
masing-masing memiliki kelebihan dan
kekurangan yang berbeda-beda tinggal
disesuaikan dengan kebutuhan dan
ketersediaannya di pasaran.4 Beberapa
material ferroelektrik yang ada saat ini
seperti Triglycine Sulphate (TGS),
Lithium Tantalat (LiTaO3), Lithium
Niobate (LiNbO3), NaNO2, Barium
Titanat (BaTiO3), Stronsium Titanat
(SrTiO3), Barium Stronsium Titanat
(BST) dan masih banyak lagi.3
Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah
membuat prototipe sederhana sel surya
berbasis film semikonduktor BaxSr(1-
x)TiO3 dengan variasi fraksi mol
materialnya dan ukuran dimensi sel surya.
Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang
dipaparkan, maka rumusan masalah yang
diajukan dalam penelitian ini adalah:
1. Bagaimanakah pengaruh variasi fraksi
mol dari BST terhadap sifat listrik sel
surya yang meliputi konduktivitas
listrik, daya maksimum (Pmax),
efisiensi konversi (η), Fill Factor
(FF), dan nilai konstanta dielektrik?
2. Bagaimanakah pengaruh variasi
ukuran dari sel surya terhadap sifat
listriknya yang meliputi konduktivitas
listrik, daya maksimum (Pmax),
efisiensi konversi (η), Fill Factor
(FF), dan nilai konstanta dielektrik?
Hipotesis
Variasi yang dilakukan terhadap
ukuran luas sel surya dan variasi terhadap
fraksi mol dari materialnya yaitu Barium
Stronsium Titanat (BST) akan
mempengaruhi hasil keluaran dari sel
surya.
2
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Semikonduktor
Semikonduktor merupakan bahan
dengan konduktivitas listrik yang berada
diantara isolator dan konduktor, dan
memiliki energy gap (pita terlarang) yang
bernilai sekitar 1 eV.3 Disebut
semi/setengah karena semikonduktor
bukan merupakan konduktor murni atau
isolator murni. Dalam konteks material
semikonduktor, kata-kata intrinsik dan
ekstrinsik digunakan untuk menunjukan
sifat murni dan ketidakmurnian. Jadi
didalam semikonduktor intrinsik
pembawa muatan (elektron pada pita
konduksi dan hole pada pita valensi)
perlu dihasilkan oleh sebuah eksitasi
termal.5 Oleh karena itu berdasarkan
kemurniannya semikonduktor dibagi
menjadi semikonduktor intrinsik yang
merupakan semikonduktor murni yang
tidak mengalami cacat dan
semikonduktor ekstrinsik yang telah
mengalami doping oleh atom asing.
Doping dilakukan untuk meningkatkan
nilai konduktivitas listriknya.6
Ketidakmurnian pada semikonduktor
ekstrinsik ini dapat menyumbangkan
elektron maupun hole dalam pita energi,
dengan demikian konsentrasi elektron
dapat menjadi tidak sama dengan
konsentrasi hole. Namun masing-masing
bergantung pada konsentrasi dan jenis
bahan.
Sedangkan berdasarkan
strukturnya ada semikonduktor tipe-p
yang memiliki kelebihan pembawa
muatan positif/hole, dengan atom
pengotornya disebut atom akseptor dan
semikonduktor tipe-n yang kelebihan
pembawa muatan negatif/elektron,
dengan atom pengotornya disebut atom
donor.6 Semikonduktor digunakan dalam
proses pembuatan sebuah sel surya
dengan cara memanfaatkan prinsip
persambungan p-n (p-n junction).
Persambungan p-n ini merupakan
penempatan kristal tunggal
semikonduktor yang pada satu sisinya
mendapat penyuntikan atom akseptor
(kelebihan hole) dan pada sisi yang lain
mendapat penyuntikan atom donor
(kelebihan elektron). Saat ini bahan
semikonduktor yang banyak dikenal di
pasaran adalah silikon (Si), germanium
(Ge) dan Galium Arsenida (GaAs).
Namun silikon lebih banyak digunakan
setelah ditemukan cara mengekstrak
bahan ini dari alam.7
Barium Stronsium Titanat (BST) Penggunaan bahan yang tepat sebagai
komponen sel surya akan mempengaruhi
kinerja dari piranti tersebut. Salah satu
bahan yang berpengaruh terhadap
perkembangan teknologi sel surya ialah
bahan keramik. Bahan keramik ini
mempunyai sifat piezoelektrik dan
ferroelektrik.8 Barium Stronsium Titanat
(BST) merupakan material ferroelektrik
yang digunakan pada penelitian ini.
Ferroelektrik merupakan bahan dielektrik
yang mempunyai polarisasi spontan serta
mempunyai kemampuan mengubah
polarisasi internalnya dengan
menggunakan medan listrik yang sesuai.5
Keuntungan dari penggunaan BST ialah
bahan ini mudah diaplikasikan karena
dalam segi kimia maupun mekanik lebih
stabil dan mempunyai temperatur curie
yang mendekati temperatur kamar
dibandingkan material ferroelektrik
lainnya.9 BST juga memiliki energy gap
(Eg) yang bernilai sebesar 2,58 eV, hal ini
menunjukan bahwa energi foton minimal
yang diperlukan untuk mengeksitasi
elektron dari level valensi ke konduksi
adalah sebesar 2,58 eV.7
Proses pembuatan film BST dapat
dilakukan dengan beberapa metode
seperti sputtering, laser ablation, dan sol-
gel process.10
Pada penelitian ini film
BST yang digunakan dibuat dengan
menggunakan metode sol-gel process.
Secara umum pembuatan film dengan
metode sol-gel meliputi empat proses
yaitu;
(1) Sintesis larutan prekursor.
(2) Deposisi larutan prekursor pada
permukaan substrat.
(3) Pemanasan pada suhu rendah.
(4) Perlakuan panas pada temperatur
tinggi.11
3
Sintesis larutan prekursor dari BST
dilakukan dengan mereaksikan bahan-
bahan dasar pembuatnya menggunakan
reaksi kimia seperti berikut.7
Ba(CH3COO)2 + Sr(CH3COO)2 +
Ti(C12O4H28) + O2 BaxSr(1-x)TiO3 +
H2O + CO2
Dengan Ba(CH3COO)2 adalah barium
asetat, Sr(CH3COO)2 adalah stronsium
asetat, dan Ti(C12O4H28) adalah titanium
isopropoksida.
Material BST banyak dimanfaatkan
dalam berbagai piranti elektronik seperti
microwave tunable, resonator, antenna,
tunable filter, dan juga sebagai sel
surya.10
Sel Surya
Sel surya atau sel fotovoltaik
didefinisikan sebagai piranti yang
digunakan untuk mengkonversi radiasi
sinar matahari menjadi energi listrik
secara langsung.13
Dalam efek fotovoltaik
cahaya yang mengenai modul dari sel
surya bersifat sebagai partikel. Hal ini
seperti yang telah dipelajari dalam
mekanika kuantum mengenai dualisme
sifat cahaya dan sifat cahaya sebagai
partikel yang digunakan sebagai dasar
teori dari efek fotovoltaik ini. Sel surya
memiliki kelebihan dan kekurangan
sendiri jika dibandingkan dengan sumber
energi lainnya. Hal ini dapat dilihat pada
Tabel 1.
Penemuan pertama dari efek
fotovoltaik ini terjadi pada tahun 1839
oleh Edmond Bacquerel, ia menemukan
bahwa suatu material tertentu dapat
menghasilkan sejumlah kecil arus listrik
bila dikenai cahaya matahari. Prinsip
kerja semikonduktor sebagai sel surya
mirip dengan dioda sebagai pn-junction.
PN-junction (persambungan p-n) adalah
lapisan semikonduktor jenis P dan N yang
diperoleh dengan cara doping pada silikon
murni.14
Ketika sel surya menyerap foton
dengan energi (hν) lebih besar dari celah
energi (Eg) semikonduktor, elektron -
elektron tereksitasi dari level valensi ke
level konduksi dan menjadi elektron
bebas (Gambar 1).15
Karena adanya
medan elektrostatik pada persambungan
elektron-elektron tersebut akan menuju
tipe-n, sedangkan hole-hole yang
ditinggalkan pada level valensi mengalir
ke tipe-p, masing-masing menuju kontak
arus (Gambar 2). Sehingga ketika
dihubungkan dengan sebuah rangkaian
No Sumber Energi Kelebihan Kekurangan
1 Minyak
(Petroleum)
Convenient, low
pollution. Memiliki persediaan yang
terbatas, tidak dapat diperbarui.
2 Batu bara (coal) Tersedianya sumber
hidrokarbon dalam bentuk
gas & cairan yang sama
baiknya dengan bentuk
padatannya.
Menghasilkan polusi di
atmosfer, tidak dapat diperbarui.
3 Fusi Nuklir
(nuclear fussion)
Menghasilkan energi
yang sangat besar. Perlu penelitian lebih lanjut
untuk materialnya, masalah
yang dapat ditimbulkan saat
terjadi kebocoran.
4 Sel Surya (solar
photovoltaic) Bebas polusi, sumber
energi yang tidak terbatas.
Masih mahalnya biaya
pembuatan piranti sel surya.
5 Udara (wind) Bebas polusi, sumber
energi yang tidak terbatas.
Terbatas hanya pada lokasi
tertentu.
6 Biomass Persediaan yang siap
pakai, dapat
memanfaatkan sisa
buangan.
Menggunakan lahan yang dapat
ditanam, biaya yang belum
dapat ditentukan.
Tabel 1. Perbedaan sel surya dengan sumber energi lainnya.2
4
listrik maka muatan-muatan pembawa
tersebut akan mengalir dengan arah
berlawanan dan akhirnya saling
berekombinasi di dalam bahan
semikonduktor. Aliran-aliran muatan itu
lah yang menghasilkan arus listrik pada
rangkaian luar tersebut.14
Efisiensi Sel Surya
Efisiensi merupakan salah satu
kuantitas yang sangat penting dalam
sebuah pengamatan terhadap kinerja dari
sel surya. Efisiensi sel surya ini
didefinisikan sebagai kemampuan dari sel
surya untuk mengubah energi cahaya
menjadi energi listrik dalam bentuk arus
dan tegangan listrik. Nilai efisiensi ini
bergantung pada sifat absorbansi bahan
semikonduktor pada sel surya terhadap
foton yang diserapnya.15
Pada penelitian
ini nilai efisiensi yang dicari dilakukan
dengan menggunakan 2 (dua) tinjauan
yang berbeda, yang pertama
menggunakan tinjauan teori dari
persamaan Landau-Chalatnikov.16
Solusi
dari persamaan ini akan dapat
menjelaskan karakteristik (sifat-sifat) dari
sel surya ferroelektrik, yang salah satu
dari karakteristik ini adalah penghitungan
nilai efisiensi (𝜂). Dan yang kedua ialah
berdasarkan hasil eksperimen di
laboratorium. Efisiensi pengubahan energi
cahaya matahari menjadi energi listrik
dari sebuah sel surya ferroelektrik dapat
dihitung dengan menggunakan Persamaan
(1), yaitu:16
𝜂
[ (
) ]
(
)
Psi adalah polarisasi spontan, ε0 adalah
permitivitas ruang hampa, cp dalah kalor
jenis pada tekanan tetap, C adalah
konstanta curie, Xm adalah electric
displacement pada nilai maksimumnya,
dan X0 adalah electric displacement awal.
Untuk nilai heating rates dan resistansi
(R) yang besar berlaku x0 <<1 sehingga
nilai X0 dapat dianggap nol, Xm 1
nilainya dan (
) adalah
.
Sehingga Persamaan (1) tersebut berubah
menjadi Persamaan (2) dengan kondisinya
ialah maksimum.16
𝜂
Lalu karena nilai efisiensi sebuah sel
surya ferroelektrik ini dipengaruhi nilai
electric displacement (X0), maka
hubungan antara efisiensi (𝜂) dan electric
displacement (X0) dapat dilihat pada
Persamaan (3).16
𝜂
𝜂
Contoh penggunaan Persamaan (3) ini
dapat dilihat dari Gambar 3. yaitu grafik
Gambar 2. Proses perpindahan elektron
dan hole.15
(2)
(1)
(3)
Gambar 3. Grafik 𝜂m terhadap X0.16
e- e- e- e- e-
Foton
(hν)
Level
Valensi
Level
Konduksi
Gambar 1. Proses perpindahan elektron dari
level valensi ke level konduksi.
5
yang menghubungkan 𝜂 dengan X0
untuk material LiTaO3 (kurva 1),
Triglycine Sulphate/TGS (kurva 2), dan
NaNO2 (kurva 3).16
Sedangkan berdasarkan hasil
eksperimen untuk menentukan besar
efisiensi dari sel surya harus ditentukan
dahulu beberapa parameter yang
mencerminkan kinerja dari sel surya,
yaitu Pmax (daya maksimum), FF (fill
factor), Voc (potensial sirkuit terbuka),
dan Isc (arus sirkuit singkat).
Daya maksimum (Pmax) didefinisikan
sebagai luasan efektif yang didapatkan
dari kurva hubungan antara tegangan
terhadap arus sel surya (I-V).
Penghitungan besar daya maksimum yang
dapat dihasilkan oleh sebuah piranti sel
surya dapat dilakukan dengan
menggunakan rumus dalam Persamaan
(4) yaitu.14
Sementara untuk parameter Fill
Factor (FF) dapat didefinisikan
sebagai perbandingan antara daya
maksimum (Pmax) dengan perkalian
Voc dan Isc. Nilai ini dirumuskan
dalam Persamaan (5).14
Arus sirkuit singkat (Isc) adalah arus
maksimum yang dihasilkan ketika sel
surya dihubung singkat (short circuit)
ketika tidak ada potensial yang melintasi
piranti ini. Arus tersebut sama dengan
jumlah absolut dari foton yang
dikonversikan menjadi pasangan elektron-
hole.15
Potensial sirkuit terbuka (Voc) adalah
potensial maksimum yang dihasilkan pada
saat hambatannya maksimum agar
pengabaian arus yang mengalir dari sel
surya dapat terjadi dan yang terbaca
hanya perbedaan potensialnya saja.15
Dan parameter yang terakhir ialah
efisiensi (𝜂), Nilai efisiensi sel surya
adalah perbandingan dari output listrik
fotovoltaik tergenerasi dan energi dari
cahaya yang masuk. Efisiensi konversi
energi sebuah sel surya ditulis dalam
Persamaan (6).
𝜂
Penentuan Imax dan Vmax
dilakukan dengan cara mencari luas
maksimum dari kurva seperti pada
Gambar 4.
Fotokonduktivitas
Konduktivitas merupakan suatu
kuantitas yang merupakan kebalikan dari
resistivitas. Konduktivitas dibedakan
menjadi 2 (dua) yaitu konduktivitas listrik
dan konduktivitas termal.11
Suatu material
dapat dikelompokan menjadi 3 (tiga)
golongan berdasarkan dari besar nilai
konduktivitas listriknya, yaitu isolator,
semikonduktor, dan konduktor. Gambar 5
memperlihatkan perbedaan nilai
konduktivitas untuk konduktor,
semikonduktor, dan isolator.
Konduktivitas sel surya berhubungan
dengan cahaya sehingga dapat disebut
sebagai fotokonduktivitas. Ketika foton
mengenai permukaan semikonduktor,
energi dari foton ini akan mengeksitasi
elektron dari pita valensi ke pita konduksi
jika energi foton yang datang lebih besar
dari energi pita terlarangnya. Elektron
yang tereksitasi ke pita konduksi ini akan
meningkatkan pembawa muatan yang
pada akhirnya akan meningkatkan
konduktivitas listriknya.18
Persamaan
matematis yang menggambarkan besar
konduktivitas dari suatu bahan ialah.
(4)
(5)
(6)
Gambar 4. Kurva hubungan arus
tehadap tegangan.17
(7)
6
BAB III
METODOLOGI
Waktu dan Tempat
Penelitian ini dilakukan di
Laboratorium Fisika Material,
Laboratorium Biofisika, Departemen
Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam Institut Pertanian
Bogor, dan juga di Laboratorium Fisika
Material Institut Teknologi Bandung dari
bulan September 2011 sampai Februari
2012.
Alat dan Bahan
Alat yang akan digunakan pada
penelitian ini ialah isolasi, LCR meter,
masker, potensiometer, resistor, kaca
preparat, alumunium foil, tabung reaksi,
pipet, pinset, gunting, sarung tangan
karet, double tape, masker, kawat, kabel,
cawan petri, mortar, gelas ukur Iwaki 10
ml, cawan petri, neraca analitik model
BL 6100, reaktor spincoater hotplate,
stopwatch, tissue.
Bahan yang akan digunakan dalam
penelitian ini adalah barium asetat
[Ba(CH3COO)2, 99%], stronsium asetat
[Sr(CH3COO)2, 99%], titanium
isopropoksida [Ti(C12O4H28), 97.999%],
asam asetat, dye water, HF (asam
florida), etilane glykol, 2-metoksietanol,
aseton pro-analisis.
Prosedur Penelitian
Penelitian ini dilakukan mengikuti
diagram alir pada Gambar 6.
Gambar 5. Perbedaan material berdasarkan konduktivitas listrik.20
Pengolahan Data
Penulisan Laporan Akhir
I-V Konduktivitas Konstanta Dielektrik Fotovoltaik
Karakterisasi
Gagal Berhasil
MULAI
Pemotongan Substrat Silikon
Pencucian Substrat Silikon
Pembuatan Larutan BST untuk
Spin Coating
Pemasangan Kontak
Annealing
sampai
SELESAI
Gambar 6. Diagram alir penelitian.
Pembuatan Program
7
Pembuatan Film BST
Persiapan Substrat (Silikon Tipe-P)
Substrat yang digunakan pada
penelitian ini adalah silikon tipe-p.
Substrat ini merupakan tempat
penumbuhan film BST yang harus hati-
hati memegangnya, hal ini dimaksudkan
agar film BST tersebut dapat tumbuh baik
dan merata. Pada tahap pertama yang
dilakukan adalah pemotongan substrat
membentuk persegi dengan ukuran 1 cm x
1 cm dan 2 cm x 2 cm menggunakan mata
intan. Potongan substrat ini selanjutnya
dicuci melalui beberapa tahap sambil
digetarkan dengan gelombang ultrasonik
22 kHz. Tahap pertama potongan substrat
ini direndam di dalam larutan aseton pro
analisis selama 10 menit, berikutnya tahap
kedua direndam menggunakan larutan dye
water selama 10 menit juga, begitu juga
dengan tahap ketiga potongan substrat
tersebut direndam dalam larutan methanol
pro analisis selama 10 menit, tetapi pada
tahap keempat potongan substrat hanya
direndam selama 30 detik dalam larutan
asam fluoride (HF) dicampur dengan dye
water dengan perbandingan 5:1. Terakhir
yaitu tahap kelima potongan substrat
direndam dengan dye water lagi selama
10 menit. Selesai proses pencucian
potongan substrat tersebut ditimbang
untuk didapatkan massanya.
Pembuatan Larutan BST Pembuatan Film BST dilakukan
menggunakan metode sol-gel process
dengan mereaksikan barium asetat
[Ba(CH3COO)2, 99%], stronsium asetat
[Sr(CH3COO)2, 99%], titanium
isopropoksida [Ti(C12O4H28), 97,999%],
serta 2-metoksietanol sebanyak 2,5 ml
sebagai bahan pelarut. Komposisi massa
untuk barium asetat, stronsium asetat, dan
titanium isopropoksida disesuaikan
dengan masing-masing fraksi molnya
menggunakan persamaan stoikiometri
(reaksi kimia), kemudian dilakukan
penimbangan dengan menggunakan
neraca analitik untuk ketiga bahan
tersebut. Selanjutnya barium asetat dan
stronsium asetat dicampur secara
bersamaan diikuti pencampuran titanium
isopropoksida, ketiga bahan tersebut tidak
dicampur bersamaan karena titanium
isopropoksida sangat cepat membeku.
Setelah tercampur semua, larutan tersebut
ditambah dengan larutan 2-metoksietanol
sebanyak 2,5 ml. Kemudian larutan
tersebut dikocok selama satu jam dengan
menggunakan gelombang ultrasonik
menggunakan alat Bransonic 2510 dengan
frekuensi 22 kHz dan suhu 45 0C.
Proses Penumbuhan Film Proses penumbuhan film dari larutan
BST yang telah selesai dibuat dilakukan
dengan menggunakan reaktor spincoater.
Langkah pengerjaannya diawali dengan
menempelkan double tape pada bagian
tengah reaktor spincoater dan kemudian
substrat silikon diletakkan di atasnya. Hal
ini dilakukan agar potongan substrat yang
telah selesai dicuci dan ditimbang tersebut
tidak lepas ketika reaktor spincoater dinyalakan. Substrat ini selanjutnya
ditetesi larutan BST sebanyak 3 tetes.
Kemudian reaktor spincoater diputar
dengan kecepatan 3000 rpm selama 30
detik. Pengulangan penetesan dilakukan
sebanyak 3 kali untuk mendapatkan
lapisan berkala.
Proses Annealing Proses annealing pada suhu yang
berbeda akan menghasilkan karakterisasi
film yang berbeda dalam hal struktur
kristal, ketebalan, dan ukuran butir.
Proses annealing pada suhu tetap dalam
waktu yang tetap diharapkan akan
menghasilkan karakterisasi film yang baik
dalam hal struktur kristal, ketebalan dan
ukuran butir. Potongan substrat silikon
yang telah ditumbuhi lapisan film BST ini
selanjutnya dilakukan proses annealing
pada suhu 8500C dengan lama waktu 29
jam.
Pembuatan Kontak pada Film BST Setelah potongan substrat di-
annealing, proses selanjutnya adalah
pembuatan kontak. Proses ini diawali
dengan penganyaman film menggunakan
alumunium foil. Bahan kontak yang
dipilih adalah Alumunium 99,999%.
dengan cara evaporasi di atas permukaan
8
substrat Silikon tipe-p dan film BST yang
dibuat dengan memvariasikan fraksi
molnya. Proses evaporasi dilakukan di
laboratorium fisika material MOCVD
ITB. Setelah terbentuk, kontak
dihubungkan dengan kabel tembaga
halus. Gambar rancangan sel surya dapat
dilihat pada Gambar 7 dan Gambar 8.
Pembuatan Program Penghitungan
Efisiensi
Pada penelitian ini untuk penghitungan
nilai efisiensi dari sel surya BST
dilakukan dengan dua tinjauan yaitu
tinjauan pertama dari hasil praktik di lab
dan tinjauan kedua nilai efisiensi sel surya
BST ini dihitung menggunakan program
komputasi berbasis Matlab. Program ini
dibuat berdasarkan tinjauan dari
persamaan Landau-Chalatnikov dimana
nilai efisiensi yang dicari divariasikan
terhadap nilai pergeseran listrik (electric
displacement) dari sel surya. Nilai
maksimum dari penghitungan efisiensi ini
nantinya akan dibandingkan dengan nilai
efisiensi hasil praktik di lab, apakah hasil
eksperimen sesuai dengan tinjauan teori
atau tidak. Bentuk programnya seperti
berikut.
function
[ef,x,T]=efisiensi(Psi,εo,cp
,C,xi,n)
x=[];ef=[];
x(1)=xi;
T=(Psi^2)/(εo*cp*C*exp(1));
ef(1)=T
for i=1
x(i+1)=x(1)+0.2;
ef(i+1)=T/(1+x(i+1));
end
for i=2:n
x(i+1)=x(i)+0.2;
ef(i+1)=T/(1+x(i+1));
end
xlabel('Xo');
ylabel('efisiensi');
plot(x,ef)
hold on;
Dengan Psi adalah nilai polarisasi
spontan, εo adalah permitivitas ruang
hampa, cp adalah kalor jenis pada tekanan
tetap, dan C adalah nilai konstanta curie
dari material yang digunakan dalam hal
ini adalah material BST. Sedangkan xi
adalah nilai dari electric displacement
awal dan n adalah banyaknya iterasi.
Selanjutnya untuk menjalankan program
ini cukup memasukkan nilai Psi, εo, cp,
C, xi dan n lalu jalankan di command
window Matlab. Hasil dari program ini
adalah grafik yang menghubungkan nilai
efisiensi dan electric displacement dari sel
surya.
Karakterisasi
Karakterisasi I-V
Sebuah piranti elektronik memiliki
karakteristik yang berbeda-beda. Ada
yang memiliki sifat seperti resistor,
transistor, atau dioda. Karakterisasi I-V
merupakan suatu cara untuk menentukan
apakah sebuah piranti elektronik memiliki
sifat seperti resistor, transistor, atau dioda.
Karakterisasi ini dilakukan menggunakan
alat I-V meter. Sampel yang telah dibuat
diberi tegangan catu dengan perlakuan
bias mundur dan bias maju. Dari
perlakuan tersebut nantinya akan terlihat
respon arus listrik yang dihasilkan sampel
pada saat bias mundur dan maju.
Keluaran dari karakterisasi ini adalah
Kabel tembaga
halus
Substrat silikon
tipe-p
Film BST
Kontak
alumun
Gambar 7. sel surya tampak samping.
Kontak alumunium
Film BST
Substrat silikon
Kabel tembaga halus
Gambar 8. Rancangan sel surya tampak atas.
9
sebuah grafik arus terhadap tegangan,
yang mana pada penelitian ini diharapkan
grafiknya mencerminkan sifat dioda,
karena sel surya yang dibuat ini adalah
berbasis dioda dengan persambungan p-n.
Grafik I-V dioda menurut literatur dapat
dilihat pada Gambar 9.
Karakterisasi Konduktivitas Listrik
Konduktivitas listrik adalah besaran
fisik yang mencerminkan apakah suatu
material bersifat isolator, semikonduktor,
atau konduktor. Dari hasil karakterisasi
ini akan terlihat apakah sampel yang
dibuat bersifat sebagai salah satu diantara
ketiga jenis tersebut.3 Karakterisasi
konduktivitas listrik dilakukan dengan
mengukur besarnya kuantitas tersebut
menggunakan alat LCR meter.
Konduktivitas listrik sel surya film BST
diukur dengan berbagai variasi keadaan
yaitu pada kondisi gelap (0 lux), kondisi
terang dengan variasi intensitas cahaya
200 lux, 400 lux, dan 600 lux. Nilai
konduktansi yang didapatkan dari LCR
meter nantinya akan diolah untuk
mendapatkan nilai konduktivitas listrik sel
surya menggunakan Persamaan (4).
Kemudian, dari data yang diperoleh, akan
dapat ditentukan bahwa film BST yang
digunakan termasuk bahan isolator,
semikonduktor, atau konduktor setelah
hasil karakterisasi ini dibandingkan
dengan data literatur.
Karakterisasi Konstanta Dielektrik
Konstanta dielektrik merupakan suatu
konstanta/nilai dari bahan dielektrik yang
berada di sampel. Dielektrik didefinisikan
sebagai bahan isolator yang disisipkan
dalam ruang antar keping-keping sebuah
kapasitor, dielektrik ini memiliki
kekuatan yang berbeda-beda bergantung
dari bahannya. Kekuatan dielektrik adalah
kuat medan listrik maksimum yang dapat
dihasilkan dalam dielektrik sebelum
dielektrik tersebut tembus/rusak dan
mulai konduksi (menghantarkan muatan
listrik).12
Karakterisasi untuk
mendapatkan nilai konstanta dielektrik ini
dilakukan dengan menggunakan set-up
alat seperti pada Gambar 10. Function
generator sebagai pemberi sinyal dan
osiloskop untuk melihat adakah
perbedaan sinyal yang terjadi pada saat
rangkaian pengukuran tersebut
dihubungkan dengan sampel. Jika terjadi
perubahan bentuk sinyal maka sampel
yang dibuat dapat dikatakan berhasil dan
dari grafik yang muncul di osiloskop
dapat dihitung besar konstanta dielektrik
dari masing-masing sampel.
Karakterisasi Fotovoltaik
Gambar 11 adalah rangkaian untuk
karakterisasi fotovoltaik. Pada rangkaian
tersebut voltmeter digunakan untuk
mengukur tegangan dan amperemeter
untuk mengukur arus listriknya. Sebuah
sumber cahaya dengan intensitas tertentu
ditempatkan pada jarak tertentu dari
sampel sel surya sehingga cahaya
mengenai seluruh permukaan sel surya.
Posisi potensiometer mula-mula pada
nilai minimum, kemudian dinaikan
hingga mencapai titik maksimum. Nilai
pembacaan masing-masing alat ukur
dicatat pada setiap perubahan resistansi.
Dari pengukuran ini akan diperoleh data
hubungan arus terhadap tegangan
sehingga data ini kemudian digunakan
untuk menentukan daya maksimum
(Pmax), Fill Factor (FF), serta efisiensi
konversi (η) energi sel surya.
Function
generator
Sampel
Sel Surya
Osiloskop
Gambar 10. Rangkaian karakterisasi konstanta
dielektrik sel surya.
R = 10
Gambar 9. Grafik I-V dioda.10
10
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
Persiapan Substrat
Silikon murni tipe-p adalah substrat
yang digunakan pada penelitian ini.
Substrat ini dipotong berbentuk persegi
dengan ukuran 1 cm x 1 cm dan 2 cm x 2
cm menggunakan mata intan. Setelah
dipotong substrat ini kemudian dicuci
melalui 5 (lima) tahap pencucian seperti
yang telah dijelaskan pada bagian
metodologi. Hasil keseluruhan dari proses
persiapan substrat ini tentu saja adalah
silikon berukuran 1cm x 1cm dan 2cm x
2cm, dan terlihat pada silikonnya lebih
jernih seperti cermin. Tetapi karena
proses pemotongan menggunakan mata
intan, bentuk substrat silikon yang
diperoleh tidak berbentuk persegi
sempurna dan. Hasil proses persiapan
substrat ini dapat dilihat pada Gambar 12.
Pembuatan Larutan BST
Larutan BST yang digunakan pada
penelitian ini dihasilkan dari
pencampuran barium asetat, stronsium
asetat, dan titanium isopropoksida. Hasil
dari proses ini adalah larutan BST yang
memiliki warna putih dan dibawah larutan
tersebut terdapat endapan yang
merupakan sisa dari proses pencampuran.
Larutan BST yang sudah jadi ini harus
cepat digunakan karena jika tidak larutan
ini akan membeku sehingga tidak dapat
dijadikan film.
Proses Penumbuhan Film
Proses selanjutnya setelah dihasilkan
larutan BST adalah penumbuhan film
pada substrat yang digunakan. Untuk
melakukan proses penumbuhan film ini
digunakan proses spin coating yaitu
larutan BST yang telah dibuat diteteskan
pada substrat dan di spin pada kecepatan
3000 rpm. Hasil dari proses penumbuhan
film ini adalah satu per tiga dari luas
substrat silikon akan berbentuk film BST
dan sisa luasnya adalah bagian substrat
silikon murni, hal ini sesuai dengan
prinsip dasar yang digunakan dalam
pembuatan sel surya ini yaitu
persambungan p-n, dengan tipe-p nya
adalah substrat silikon murni dan tipe-n
nya adalah film BST yang ditumbuhi pada
substrat. Hasil proses penumbuhan film
BST ini dapat dilihat pada Gambar 13.
Proses Annealing
Proses annealing adalah proses
pemanasan sampel pada suhu tertentu
menggunakan furnace. Pada proses ini
substrat silikon yang telah ditumbuhi film
BST dipanaskan pada suhu 8500C selama
29 jam. Hasil dari proses annealing ini
tidak jauh berbeda dari hasil proses
penumbuhan film, hanya setelah di-
annealing film BST yang ditumbuhkan
pada substrat tampak lebih padat dan
keras secara kasat mata. Hasil proses
annealing dapat dilihat pada Gambar 14.
Pembuatan Kontak pada Film BST
Setelah sampel di-annealing proses
selanjutnya adalah pembuatan kontak.
Sebelum dipasang kontak, dilakukan
Gambar 12. Hasil proses persiapan
substrat.
Gambar 13. Hasil proses penumbuhan
film.
A
sel
surya V
R 1MΩ
Gambar 11. Rangkaian pengukuran
karakterisasi fotovoltaik.
11
proses evaporasi terlebih dahulu pada
substrat menggunakan alumunium. Pada
pemasangan kontak ini digunakan pasta
perak karena konduktivitas bahannya
lebih tinggi jika dibandingkan dengan
bahan yang lain. Proses pemasangan
kontak ini membutuhkan konsentrasi dan
harus hati-hati karena film maupun
substrat silikon murni pada sampel
tersebut tidak boleh tersentuh oleh tangan.
Hasil dari proses pemasangan kontak ini
dapat dilihat pada gambar 15.
Penghitungan Nilai Efisiensi Program komputasi penghitungan nilai
efisiensi ini hanya dapat dijalankan pada
software Matlab. Untuk menjalankannya
cukup menyalinkan baris pertama
program tersebut di bagian command
window dari Matlab dan memasukkan
nilai Psi, εo, cp, dan C yang sesuai dengan
material yang digunakan. Berdasarkan
literatur untuk BST nilai Psi nya adalah
7,66 μC/cm2, Cp = 2,5 x 10
6 J/ m
3 K
, C =
13000C = 1,573 x 10
3 K
, εo = 8,854 x 10
-
16 C
2/N cm
2.3,19
Dari program komputasi
ini hasil yang akan didapatkan adalah
berupa grafik efisiensi (𝜂) terhadap
pergeseran listrik (Xo) dari sel surya.
Hasil kinerja dari program ini dapat
dilihat pada Gambar 16. Pada grafik
tersebut terlihat nilai efisiensi untuk sel
surya dengan material NaNO2(kurva1),
LiTaO3 (kurva 2), Triglycine Sulphate
dan(kurva 4) juga Barium Stronsium
Titanat (BST) (kurva 3) yang digunakan
pada penelitian ini.
Dari grafik tersebut terlihat bahwa
nilai efisiensi untuk sel surya dengan
material BST lebih besar dari NaNO2
tetapi lebih kecil dibandingkan LiTaO3
dan TGS. Nilai efisiensi sel surya BST
berdasarkan program komputasi ini
dihasilkan nilai maksimumnya adalah
6,199474%, hasil ini jika dibandingkan
dengan praktik di lab sangat jauh berbeda.
Berdasarkan hasil lab didapat nilai
efisiensi sel surya untuk BST adalah
0,000014285%. Perbedaan hasil antara
praktik di lab dengan tinjauan teori ini
dapat disebabkan karena beberapa hal,
diantaranya yang sangat memungkinkan
ialah lapisan film BST tidak terdeposisi
secara merata pada substrat silikon pada
saat spin coating. Tidak terdeposisinya
lapisan BST secara merata akan sangat
mempengaruhi aliran difusi antara
elektron dan hole pada persambungan p-n.
Gambar 14. Hasil proses annealing. Gambar 15. Hasil pembuatan kontak
pada sampel.
Gambar 16. Grafik efisiensi terhadap Xo.
4
2
3
1
Efi
siensi
(%
)
Xo
12
Seperti yang telah diketahui bahwa arus
listrik merupakan aliran elektron tiap
satuan waktu.19
Hal ini lah yang
menyebabkan mengapa arus dan tegangan
listrik yang dihasilkan sel surya BST ini
sangat kecil, sehingga menyebabkan
efisiensi konversi energi foton dari
matahari menjadi energi listrik bernilai
tidak sesuai dengan tinjauan teori.
Seharusnya pada saat sampel telah selesai
dibuat, dilakukan karakterisasi terlebih
dahulu menggunakan Scanning Electron
Microscope (SEM) untuk memastikan
deposisi film BST telah merata sebelum
dilakukan karakterisasi lainnya.
Karakterisasi I-V
Pada karakterisasi I-V ini sampel sel
surya yang telah dibuat dihubungkan
dengan alat I-V meter secara langsung,
kemudian pada alat I-V meter tersebut
diatur besar tegangan catunya yaitu dari -
1,0 volt sampai +1,0 volt untuk sampel sel
surya yang berukuran 1 cm x 1 cm dan
untuk sampel yang berukuran 2 cm x 2
cm tegangan catu yang diberikan adalah
dari -1,0 volt sampai +1,0 volt. Hasil dari
pengujian I-V ini dapat dilihat pada
Gambar 17 untuk sampel yang berukuran
1 cm x 1 cm dan Gambar 18 untuk sampel
yang berukuran 2 cm x 2 cm.
-6.00E-04
-4.00E-04
-2.00E-04
0.00E+00
2.00E-04
4.00E-04
6.00E-04
8.00E-04
1.00E-03
-1.50E+01 -1.00E+01 -5.00E+00 0.00E+00 5.00E+00 1.00E+01 1.50E+01
Aru
s (A
)
Tegangan (V)
x=0,5
x=0,6
x=0,7
x=0,8
Gambar 18. Hasil Karakterisasi I-V sampel berukuran 2 cm x 2 cm.
-6.00E-04
-4.00E-04
-2.00E-04
0.00E+00
2.00E-04
4.00E-04
6.00E-04
8.00E-04
-1.50E+01 -1.00E+01 -5.00E+00 0.00E+00 5.00E+00 1.00E+01 1.50E+01
Aru
s (A
)
Tegangan (V)
x=0,5
x=0,6
x=0,7
x=0,8
Gambar 17. Hasil Karakterisasi I-V sampel berukuran 1 cm x 1 cm.
13
Kurva hasil pengukuran I-V meter
tersebut menunjukan hasil bias mundur
dan maju yang diberikan kepada sampel
sel surya BST dengan cara memberinya
tegangan catu. Bias mundur dilakukan
pada sampel dengan memberikan
tegangan catu yang bernilai minus sampai
nol, sedangkan bias maju dilakukan
dengan memberikan tegangan catu dari
nol sampai positif. Kedua grafik tersebut
memperlihatkan pola yang sama yaitu
pada saat bias mundur, respon arus listrik
yang dihasilkan sama-sama bernilai
negatif hingga ketika di nol respon
arusnya juga bernilai nol. Dan pada saat
bias maju respon arus listrik yang
dihasilkan sama-sama bernilai positif.
Setelah dibandingkan dengan literatur
pola bias mundur dan bias maju pada
kurva tersebut menunjukan bahwa sampel
yang dibuat baik yang berukuran 1 cm x 1
cm maupun yang berukuran 2 cm x 2 cm
sama-sama memiliki sifat dioda. Hal ini
menunjukan bahwa prinsip dasar
persambungan p-n pada sel surya tersebut
bekerja, karena persambungan p-n
merupakan dioda yang dibuat dari
penghubungan semikonduktor tipe-p dan
semikonduktor tipe-n, dimana pada
sampel sel surya BST ini yang menjadi
229.8
269.6 270.4
314.1
53.9 54.5 56.6 56.8
4.5 7.6 7.9 10.9
1.6 2.7 3.3 3.4 0
50
100
150
200
250
300
350
0 100 200 300 400 500 600 700
Ko
nd
ukt
ivit
as L
istr
ik (
S/cm
) (1
0E-
7)
Intensitas (Lux)
0,5
0,6
0,7
0,8
Gambar 20. Hasil Karakterisasi konduktivitas listrik sampel 2 cm x 2 cm.
84.9
117.6
146.5
188.2
121.3 118.6 125.01 129.1
0.8 0.81 1.9 2.2 0.6
0.97 0.99 1.56 0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 100 200 300 400 500 600 700
Ko
nd
ukt
ivit
as L
istr
ik (
S/cm
) (1
0E-
7)
Intensitas (Lux)
0,5
0,6
0,7
0,8
Gambar 19. Hasil Karakterisasi konduktivitas listrik sampel 1 cm x 1 cm.
14
semikonduktor tipe-p nya adalah silikon
murni sedangkan tipe-n nya adalah film
BST.
Karakterisasi Konduktivitas Listrik
Untuk karakterisasi konduktivitas
listrik, pengujiannya dilakukan
menggunakan LCR meter dimana sampel
sel surya BST ini diberikan perlakuan
berupa variasi intensitas penyinaran.
Variasi intensitas yang diberikan adalah
pada saat kondisi 0 lux, 200 lux, 400 lux,
dan 600 lux untuk masing-masing sampel.
Data hasil pengujian ini dapat dilihat pada
Gambar 19 dan Gambar 20.
Data awal yang diperoleh pada
karakterisasi ini ialah nilai konduktansi
(G) yang dapat dilihat pada alat LCR
meter. Selanjutnya data konduktansi ini
diolah dengan menggunakan persamaan
(3) untuk mendapatkan nilai konduktivitas
listrik. Sehingga dari nilai konduktivitas
listrik ini dapat ditentukan apakah sampel
yang dibuat ini tergolong kedalam
material semikonduktor atau bukan.
Berdasarkan hasil karakterisasi ini
terlihat bahwa ketika sampel diberikan
intensitas penyinaran yang semakin besar
maka nilai konduktivitas listrik yang
dihasilkan juga menunjukan hasil yang
semakin besar. Perubahan yang mencolok
terjadi pada sampel BST dengan fraksi
mol 0,5 baik yang berukuran 1 cm x 1 cm
maupun yang berukuran 2 cm x 2 cm.
Terlihat pada hasil karakterisasi tersebut
perubahan konduktivitas listriknya sangat
signifikan jika dibandingkan dengan
perubahan konduktivitas listrik untuk
sampel BST dengan fraksi mol yang lain.
Dari sini muncul dugaan bahwa
banyaknya kehadiran ion-ion stronsium
(Sr) yang merupakan salah satu unsur
penyusun dari material BST
mempengaruhi juga nilai konduktivitas,
karena dari hasil karakterisasi tersebut
untuk BST dengan fraksi mol 0,5 jumlah
ion-ion stronsiumnya merupakan yang
terbanyak dibandingkan dengan sampel
BST dengan fraksi mol yang lain. Selain
itu konduktivitas listrik yang dihasilkan
oleh masing-masing sampel ini juga tidak
terlepas dari beberapa faktor yang
menentukan seperti besar jarak antar
kontak dan besar luas kontak pada sampel
itu sendiri. Hal ini bisa menjadi salah satu
penyebab mengapa terjadi perbedaan nilai
konduktivitas listrik pada sampel selain
faktor lain seperti struktur mikroskopis
dari film BST itu sendiri. Hal lain yang
dapat dilihat dari hasil karakterisasi ini
ialah nilai konduktivitas listrik yang
dihasilkan semua sampel mempunyai
range dari 10-8
S/cm – 10-5
S/cm. Range
nilai ini jika dilihat pada literatur jenis
material berdasarkan konduktivitas
listriknya maka akan menunjukan bahwa
sampel BST yang dikarakterisasi ini
tergolong material semikonduktor dimana
seperti yang diketahui bahwa material
semikonduktor memiliki range nilai dari
10-8
S/cm – 103 S/cm.
20
Karakterisasi Konstanta Dielektrik
Pengujian untuk mencari nilai
konstanta dielektrik dari masing-masing
sampel dilakukan dengan menggunakan
rangkaian seperti pada Gambar 10.
Dimana sinyal datang dari function
generator dialirkan menuju sampel sel
surya BST yang kemudian diamati hasil
perubahan sinyal tersebut pada osiloskop.
Dari osiloskop tersebut akan diperoleh
data time constant yang kemudian diolah
untuk mendapatkan nilai kapasitansi dari
sampel BST tersebut. Kemudian untuk
mendapatkan nilai konstanta dielektrik
gunakan persamaan kapasitansi. Hasil
karakterisasi ini dapat dilihat pada
Gambar 21 sampai Gambar 29 dimana
kurva tersebut merupakan sinyal/
gelombang yang muncul di osiloskop
pada saat sebelum dan sesudah
dihubungkan dengan sampel.
Gambar 21. Sinyal awal yang muncul di
Osiloskop.
15
Ukuran fraksi
mol (x)
CBST
(nF)
k (konstanta
dielektrik)
1cm x 1cm
0,5 1,1 16,2
0,6 1 27,8
0,7 1 8,91
0,8 1 21,0
2cm x 2cm
0,5 1,3 16,0
0,6 1,2 4,5
0,7 1,2 6,18
0,8 1 4,15
Gambar 22. Sinyal pada sampel
[x = 0,5 (1cm x 1cm)].
Gambar 23. Sinyal pada sampel
[x = 0,6 (1 cm x 1 cm)].
Gambar 24. Sinyal pada sampel
[x = 0,7 (1cm x 1cm)].
Gambar 25. Sinyal pada sampel
[x = 0,8 (1cm x 1cm)].
Gambar 26. Sinyal pada sampel
[x = 0,5 (2 cm x 2 cm)].
Gambar 27. Sinyal pada sampel
[x = 0,6 (2 cm x 2 cm)].
Gambar 28. Sinyal pada sampel
[x = 0,7 (2 cm x 2 cm)].
Gambar 29. Sinyal pada sampel
[x = 0,8 (2 cm x 2 cm)].
Tabel 2. Nilai konstanta dielektrik sampel.
16
Dari hasil sinyal/gelombang yang
muncul di osiloskop menunjukan bahwa
bagian yang naik pada sinyal/gelombang
tersebut menunjukan bahwa sampel
sedang melakukan charge (menyimpan)
sedangkan bagian yang turun dari
sinyal/gelombang tersebut adalah kondisi
discharge. Kondisi charge-discharge ini
menunjukan bahwa sampel memiliki sifat
seperti kapasitor dengan bahan
dielektriknya sebagai penyebabnya.
Bahan dielektrik dalam sampel ini ialah
film BST itu sendiri. Dan karakterisasi
ini bertujuan untuk mendapatkan nilai
dilektrik dari sampel yang telah dibuat,
nilai konstanta dielektrik yang diperoleh
merupakan gambaran dimana material
tersebut dapat menyimpan muatan listrik
seiring dengan salah satu fungsi kapasitor
sebagai penyimpan muatan.
Dari grafik-grafik yang muncul di
osiloskop, kelengkungan pada sinyal
kotak menunjukan terjadinya aktifitas
penyimpanan muatan pada sampel BST
tersebut. Dari hasil pengujian didapatkan
bahwa nilai konstanta dielektrik dari
semua sampel yang diuji memiliki nilai
yang berkisar diantara 4,15 sampai 27,8.
Perbedaan nilai ini dapat terjadi karena
beberapa faktor seperti faktor mikroskopis
yang berasal dari struktur film BST itu
sendiri dan faktor yang berasal dari luar
yaitu karena ukuran luas film dan tebal
film BST dari masing-masing sampel.
Dari pengukuran terhadap luas film dan
tebal film didapat hasil yang tidak
homogen dalam artian masing-masing
sampel memiliki tebal dan luas film yang
berbeda-beda.
Karakterisasi Fotovoltaik
Karakterisasi fotovoltaik digunakan
untuk melihat keluaran dari sel surya yang
telah dibuat. Rangkaian untuk
karakterisasi fotovoltaik ini dapat dilihat
pada Gambar 30 dimana pada rangkaian
tersebut digunakan ampermeter dan
voltmeter untuk melihat arus dan
tegangan yang dihasilkan. Dan hasil
karakterisasi ini dapat dilihat pada grafik
I-V sel surya pada Gambar 25.
Hasil dari karakterisasi fotovoltaik
yang telah dilakukan pada prototipe sel
surya BST sesuai dengan karakterisasi sel
surya pada umumnya dimana hubungan
antara arus dan tegangannya berbanding
terbalik secara eksponensial. Artinya pada
saat pengukuran arus yang terbaca pada
ampermeter mengalami kenaikan maka
besar tegangan yang terukur di voltmeter
mengalami penurunan dan begitu pula
sebaliknya. Hasil karakterisasi ini juga
0
2E-08
4E-08
6E-08
8E-08
0.0000001
1.2E-07
1.4E-07
1.6E-07
1.8E-07
0.0000002
0.00E+00 1.00E-02 2.00E-02 3.00E-02 4.00E-02 5.00E-02
Aru
s (A
)
Tegangan (V)
karakteristik I-V
nilai maksimum
Gambar 30. Hasil fotovoltaik untuk 4 buah sel surya yang diparalelkan.
1.0E-07
2.0E-07
17
menunjukan bahwa tegangan maksimum
yang dapat dihasilkan oleh sel surya
tersebut ialah 2,6 x 10-2
volt sedangkan
arus maksimum yang dapat dihasilkan
bernilai 1,24 x 10-7
Ampere, dari data arus
dan tegangan maksimum ini dapat
diperoleh besar daya maksimum yang
dihasilkan oleh sel surya tersebut adalah
3,22 x 10-9
watt. Dari data ini dapat
diperoleh nilai Voc yang merupakan
tegangan terbesar pada rangkaian tebuka
dan Isc yang didapat ketika tegangannya
bernilai minimum yaitu 3.89 x 10-2
volt
dan 1.74 x 10-7
Ampere, dan dari data-
data ini diperolehlah nilai FF (fill factor)
sebesar 0,476. Hasil karakterisasi ini
merupakan hasil dari 4 (empat) buah sel
yang dipasang secara parallel, hal ini
dilakukan karena untuk 1 buah sel ketika
dilakukan karakterisasi tidak diperoleh
nilai pada ampermeter dan voltmeternya.
Besar arus dan tegangan yang
diperoleh dari karakterisasi fotovoltaik ini
belum memberikan hasil yang
mengejutkan, karena untuk satu buah
sampel sel surya ditargetkan dapat
menghasilkan arus yang besarnya
minimal 0,1 atau 0,01 miliampere
sedangkan teganganya ditargetkan
bernilai 1 atau 0,1 volt. Dan hasil ini
sebenarnya masih tergolong kecil untuk
ukuran sel surya. Namun dari hasil
karakterisasi fotovoltaik ini
mengindikasikan bahwa film BST yang
dideposisikan di atas substrat silikon
dapat menimbukan persambungan p-n.
Selain itu arus dan tegangan yang
dihasilkan dari efek fotovoltaik ini juga
menunjukan adanya gerak difusi dari
elektron dan hole yang memperoleh
energi foton akibat adanya penyinaran
dari sumber cahaya.
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan
Setelah dilakukan penelitian ini dapat
diambil kesimpulan bahwa pada proses
persiapan substrat, substrat silikon yang
digunakan dapat dimanfaatkan sebagai
media tumbuhnya film BST dengan baik.
Larutan BST yang terbentuk serta
pembuatan kontak pada penelitian ini juga
cukup baik karena dibuat sesuai dengan
tinjauan literatur.
Sedangkan dari proses karakterisasi
dapat disimpulkan bahwa fraksi mol
dalam pembuatan larutan BST sangat
mempengaruhi dari hasil keluaran.
Terlihat bahwa konduktivitas listrik dari
masing-masing fraksi mol BST memiliki
nilai yang berbeda-beda, dari fraksi mol
ini banyaknya unsur pembuat BST juga
memiliki pengaruh terhadap besar
konduktivitas listrik yang dihasilkan,
terlihat semakin banyaknya jumlah gram
dari stronsium pada BST memberikan
efek dengan dihasilkannya konduktivitas
yang semakin besar. Hasil ini menunjukan
bahwa pembuatan film BST yang tepat
dengan fraksi mol yang tepat akan
memberikan hasil keluaran yang optimal
dari sel surya tersebut. Pengaruh
ukuran/dimensi dari sel surya juga
menentukan hasil keluarannya. Hal ini
terlihat dari hasil karakterisasi
konduktivitas listrik yang menunjukan
bahwa semakin besar ukuran sel surya
maka hasil keluarannya juga akan
semakin besar.
Saran
Untuk penelitian lanjutan diharapkan
untuk lebih fokus dan berusaha
mengembangkan sel surya berbasis film
Barium Stronsium Titanat (BST) ini
dengan lebih mendalami teorinya terlebih
dahulu baik dari segi struktur material
BST, proses pembuatan BST yang lebih
efisien, efektif, dan tepat guna serta teori
mengenai peningkatan hasil keluaran.
Selain itu diharapkan juga untuk
memperhatikan variasi perlakuan dari
berbagai kondisi sel surya BST itu sendiri
seperti variasi luas kontak, jarak antar
kontak, dan luas perbandingan antara film
BST dengan silikon murninya. Karena
variasi perlakuan ini sepertinya
mempunyai peran yang signifikan untuk
mengembangkan hasil keluaran dari sel
surya BST itu sendiri.
18
DAFTAR PUSTAKA
1. Yuliarto, B. (2007). Teknologi Sel
Surya untuk Energi Masa Depan.
Energy Technology Research
Institute, National Institute of
Advanced Industrial Science and
Technology (AIST). Jepang
2. Fahrenbruch, A.L., Bube, R.H.
(1983). Fundamentals of Solar Cells.
UK. Academic Press Inc.
3. Hamdani, R.A., Rahmat, dan
Irzaman. (2009). Uji Konduktivitas
Listrik fIlm Tipis Ferroelektrik
LiTaO3 Didadah Niobium (LNT).
Bandung: Jurusan Pendidikan Teknik
Mesin FPTK UPI.
4. Raksa, T.Y. (2008). Mengenal
Material Ferroelektrik. Available
at<http://teguhinside.blogspot.com/2
008_03_01_archive.html>. [3
Februari 2012].
5. Lines, M.E., and Glass, A.M. (1977).
Principles and Applications of
Ferroelectrics and Related
Materials. Clarendon Press Oxford.
6. [Anonim]. (2010). Alat
Semikonduktor. Available at
<http://id.wikipedia.org/
wiki/alat_semikonduktor>. [4
Februari 2012].
7. Fuad, A. et, al. (1999). Karakterisasi
Kapasitansi Tegangan Film Tipis
Ferroelektrik Ba0,5Sr0,5TiO3 dengan
Struktur Metal-Ferroelektrik-
Semikonduktor (MFS) dan Potensi
Penerapannya pada Memori.
Proceedings, Industrial Electronic
Seminar.
8. Seo, J.Y., Park, S.W. (2004).
Chemical Mechanical Planarization
Characteristic of Ferroelektrik Film
for FRSM Application. Journal of
Korean Physical Society, Vol 45, No.
3, Page 769-772.
9. Omar, M.A. (2007). Elementary
Solid State Physics. Addison-Wesley
Publishing Company, Inc.
10. Hongwei, C. et, al (2009). Structural,
Dielectric, and Insulting Properties
of Barium Stronsium Titanate Thin
Films Grown on Various Oriented
LaAlO3 Substrate: University of
Electronic Science and Technology
of China. J of applied Physics, 105.
11. Fuad, A. , Barnawi, M. , Arifin, P.,
Kurnia, D., Bilalodin dan Awitdrus.
(1999). Karakterisasi Kapasitansi
Tegangan Film Ferroelektrik
Ba0,5Sr0,5TiO3 dengan struktur Metal-
Ferroelektrik-Semikonduktor (MFS)
dan Potensi Penerapannya pada
Memori.
12. Pia, W. (2005). Synthesis, Structure,
Determination, and Sol-Gel
Procesing of Heterometallic
Heteroleptic Alkoxide Complexes of
Late Transition Metals [doctoral
thesis]. Uppsala: Swedish University
of Agricultural Science.
13. [Anonim]. (2011). Efek fotovoltaik
Available at <http://id.wikipedia.org/
wiki/photovoltaik>. [10 Februari
2012].
14. Maddu, A. (2009). Pedoman
Praktikum Eksperimen Fisika II.
Laboratorium Fisika Lanjut, Bogor:
Departemen Fisika FMIPA, Institut
Pertanian Bogor.
15. Tyagi, M.S. (1991). Introduction to
Semiconductor Materials and
Devices, John Wiley & Sons Inc.
16. Itskovsky, M.A. (1999). Kinetics of
Ferroelectric Phase Transition:
Nonlinear Pyroelectric Effect and
Ferroelectric Solar Cell. Jpn. J,
Appl. Phys. Vol. 38(1999)pp.4812-
4817.
17. Sze, S.M. (2007). Physics of
Semiconductor Devices. John Wiley
& Sons Inc: USA.
18. Milan, J. , Lauhon, L., Allen, J.
(2005). Photoconductivity of
Semiconducting CdS Nonowires.
Spring 2 (1): 43-47.
19. Tipler, P.A. (1991). Physics for
Scientist and Engineers. Worth
Publisher Inc.
20. Kwok, K.N. (1995). Complete Guide
To Semiconductor Device. United
States of America: McGraw-Hill,
inc.
19
LAMPIRAN
20
Lampiran 1. Data Karakterisasi I-V
Tabel 4. Data I-V sel surya
ukuran 1x1 (x=0,6).
Tegangan (V) Arus (A)
-2.00E+01 -1.74E-04 -1.24E+01 -4.35E-05 -5.60E+00 1.72E-06 4.02E-01 2.96E-06 5.20E+00 3.56E-05 1.00E+01 1.35E-04 1.60E+01 2.73E-04 2.00E+01 3.55E-04
Tabel 5. Data I-V sel surya
ukuran 1x1 (x=0,7).
Tegangan (V) Arus (A)
-1.00E+01 -3.80E-04 -8.95E+00 -3.00E-04 -7.90E+00 -2.18E-04 -6.85E+00 -1.49E-04 -5.79E+00 -8.38E-05 -4.74E+00 -5.02E-05 -3.69E+00 -3.44E-05 -2.63E+00 -1.91E-05 -1.59E+00 -1.05E-05 -5.39E-01 -4.70E-06 5.21E-01 3.86E-06 1.58E+00 3.09E-05 2.63E+00 5.92E-05 3.69E+00 8.63E-05 4.74E+00 1.30E-04 5.79E+00 1.88E-04 6.84E+00 2.70E-04 7.89E+00 3.53E-04 8.95E+00 4.41E-04 1.00E+01 5.56E-04
Tabel 3. Data I-V sel surya ukuran 1x1 (x=0,5).
Tegangan (V) Arus (A)
2.00E+01 8.00E-04 1.90E+01 7.11E-04 1.80E+01 6.39E-04 1.69E+01 5.59E-04 1.59E+01 4.94E-04 1.49E+01 4.28E-04 1.38E+01 3.72E-04 1.28E+01 3.17E-04 1.18E+01 2.69E-04 1.08E+01 2.25E-04 9.75E+00 1.89E-04 8.72E+00 1.56E-04 7.69E+00 1.26E-04 6.67E+00 9.52E-05 5.64E+00 7.27E-05 4.61E+00 5.36E-05 3.59E+00 3.48E-05 2.56E+00 1.86E-05 1.56E+00 6.98E-06 5.14E-01 3.03E-06 -5.15E-01 2.06E-06 -1.54E+00 2.02E-06 -2.57E+00 1.93E-06 -3.59E+00 1.59E-06 -4.62E+00 -1.29E-06 -5.65E+00 -2.39E-06 -6.67E+00 -4.15E-06 -7.69E+00 -8.22E-06 -8.72E+00 -9.56E-06 -9.75E+00 -2.18E-05 -1.08E+01 -3.68E-05 -1.18E+01 -5.21E-05 -1.28E+01 -6.57E-05 -1.38E+01 -8.80E-05 -1.47E+01 -1.05E-04 -1.59E+01 -1.33E-04 -1.69E+01 -1.54E-04 -1.80E+01 -1.80E-04 -1.90E+01 -2.19E-04 -2.00E+01 -2.39E-04
21
Tabel 7. Data I-V sel surya
ukuran 2x2 (x=0,5).
Tegangan (V) Arus (A)
-1.00E+01 -4.10E-04 -8.00E+00 -2.71E-04 -6.00E+00 -1.74E-04 -4.00E+00 -8.74E-05 -2.00E+00 -3.30E-05 -3.26E-03 -5.79E-06 2.00E+00 5.81E-05 4.00E+00 1.54E-04 6.00E+00 2.68E-04 8.00E+00 3.90E-04 1.00E+01 4.79E-04
Tabel 9. Data I-V sel surya
ukuran 2x2 (x=0,7).
Tegangan (V) Arus (A)
-1.50E+01 -1.31E-03
-1.20E+01 -8.40E-04 -9.00E+00 -4.73E-04 -6.00E+00 -2.59E-04 -3.00E+00 -1.10E-04 -1.24E-02 4.66E-06 2.97E+00 1.05E-04 6.00E+00 3.34E-04 9.01E+00 5.86E-04 1.20E+01 1.00E-03 1.50E+01 1.36E-03
Tabel 6. Data I-V sel surya ukuran 1x1 (x=0,8).
Tegangan (V) Arus (A)
-1.00E+01 -1.59E-04 -8.01E+00 -7.09E-05 -6.01E+00 -2.44E-05 -4.00E+00 -6.32E-06 -2.00E+00 -3.98E-06 3.74E-03 -2.18E-06 2.00E+00 1.41E-05 4.01E+00 3.87E-05 6.00E+00 1.14E-04 8.00E+00 1.88E-04 1.00E+01 2.79E-04
Tabel 8. Data I-V sel surya ukuran 2x2 (x=0,6).
Tegangan (V) Arus (A)
-1.50E+01 -2.81E-04 -1.34E+01 -2.31E-04 -1.17E+01 -1.80E-04 -1.01E+01 -1.28E-04 -8.43E+00 -8.88E-05 -6.79E+00 -4.62E-05 -5.15E+00 -1.97E-05 -3.51E+00 -9.98E-06 -1.86E+00 1.18E-06 -2.19E-01 2.61E-06 1.43E+00 1.18E-05 3.07E+00 5.84E-05 4.71E+00 1.48E-04 6.36E+00 2.53E-04 8.00E+00 3.96E-04
22
Tabel 10. Data I-V sel surya
ukuran 2x2 (x=0,8).
Tegangan (V) Arus (A)
-3.00E+01 -1.87E-03 -2.79E+01 -1.76E-03 -2.58E+01 -1.53E-03 -2.37E+01 -1.32E-03 -2.16E+01 -1.12E-03 -1.95E+01 -9.34E-04 -1.74E+01 -7.77E-04 -1.53E+01 -6.45E-04 -1.32E+01 -5.31E-04 -1.11E+01 -4.46E-04 -8.97E+00 -3.67E-04 -6.85E+00 -2.88E-04 -4.75E+00 -2.08E-04 -2.64E+00 -1.20E-04 -5.47E-01 -1.28E-05 1.59E+00 8.58E-05 3.69E+00 2.39E-04 5.85E+00 4.29E-04 7.90E+00 6.34E-04 1.00E+01 8.54E-04
23
Tabel 11. Data konduktivitas sel surya BST.
Ukuran Intensitas
(Lux) Fraksi mol
Konduktansi (S)
Konduktivitas Listrik (S/cm)
1x1
0
x = 0,5 9.5171E-07 8.49741E-06
x = 0,6 8.7332E-07 1.21294E-05
x = 0,7 4.8753E-09 7.84878E-08
x = 0,8 3.0961E-09 5.69768E-08
200
x = 0,5 1.3167E-06 1.17563E-05
x = 0,6 8.5419E-07 1.18638E-05
x = 0,7 5.0266E-09 8.09236E-08
x = 0,8 5.2688E-09 9.69606E-08
400
x = 0,5 1.6411E-06 1.46527E-05
x = 0,6 9.0008E-07 1.25011E-05
x = 0,7 1.1686E-08 1.88134E-07
x = 0,8 5.3786E-09 9.89812E-08
600
x = 0,5 2.1079E-06 1.88205E-05
x = 0,6 9.2947E-07 1.29093E-05
x = 0,7 1.3532E-08 2.17853E-07
x = 0,8 8.4298E-09 1.55132E-07
2x2
0
x = 0,5 5.4175E-07 2.29833E-05
x = 0,6 5.2765E-07 5.39795E-06
x = 0,7 2.4368E-08 4.46747E-07
x = 0,8 9.973E-09 1.60855E-07
200
x = 0,5 6.3551E-07 2.6961E-05
x = 0,6 5.3293E-07 5.45197E-06
x = 0,7 4.1217E-08 7.55645E-07
x = 0,8 1.6588E-08 2.67548E-07
400
x = 0,5 6.3735E-07 2.70391E-05
x = 0,6 5.528E-07 5.65524E-06
x = 0,7 4.3503E-08 7.97555E-07
x = 0,8 2.0363E-08 3.28435E-07
600
x = 0,5 7.4031E-07 3.14071E-05
x = 0,6 5.5552E-07 5.68307E-06
x = 0,7 5.9919E-08 1.09852E-06
x = 0,8 2.0984E-08 3.38452E-07
Lampiran 2.Data Konduktansi(G) dan Penghitungan Konduktivitas Listrik(σ)
24
Untuk mendapatkan nilai konduktivitas listrik (σ) sel surya gunakan persamaan
(7) berikut.
(7)
Dengan:
σ = konduktivitas listrik (S/cm)
G = konduktansi (S)
l = jarak antar 2 kontak (cm)
A = luas penampang kontak (cm2)
Contoh pengolahan data
Sel surya ukuran 1x1 dengan fraksi mol x = 0,5 pada kondisi 0 lux dengan
data berupa:
Konduktansi (G) = 9.5171E-07 S
Luas penampang kontak (A) = 0.056 cm2
Jarak antar 2 kontak (l) = 0.5 cm
Sel surya ukuran 1x1 dengan fraksi mol x = 0,6 pada kondisi 0 lux dengan
data berupa:
Konduktansi (G) = 8.7332E-07 S
Luas penampang kontak (A) = 0.036 cm2
Jarak antar 2 kontak (l) = 0.5 cm
Sel surya ukuran 2x2 dengan fraksi mol x = 0,7 pada kondisi 400 lux
dengan data berupa:
Konduktansi (G) = 4.3503E-08 S
Luas penampang kontak (A) = 0.06 cm2
Jarak antar 2 kontak (l) = 1.1 cm
Sel surya ukuran 2x2 dengan fraksi mol x = 0,8 pada kondisi 600 lux
dengan data berupa:
Konduktansi (G) = 5.5552E-07 S
Luas penampang kontak (A) = 0.0744 cm2
Jarak antar 2 kontak (l) = 1.2 cm
Maka perhitungan nilai konduktivitas listriknya adalah:
Untuk sel surya 1x1 dengan fraksi mol x = 0,5 pada kondisi 0 lux :
( ) ( )
Dengan cara yang sama maka perhitungan nilai konduktivitas listrik untuk semua
sel surya dengan masing-masing ukuran, fraksi molnya, dan kondisi cahayanya
menggunakan cara seperti itu.
25
Lampiran 3. Data Karakterisasi Penghitungan Nilai Konstanta Dielektrik
Tabel 12. Nilai konstanta dielektrik sampel.
Ukuran fraksi mol (x) CBST (nF) k (konstanta dielektrik)
1cm x 1cm
0.5 1.1 16.2
0.6 1 27.8
0.7 1 8.91
0.8 1 21.0
2cm x 2cm
0.5 1.3 16.0
0.6 1.2 4.5
0.7 1.2 6.18
0.8 1 4.15
Perhitungan nilai konstanta dielektrik dari sampel sel surya dilakukan dengan
menggunakan persamaan (8):
(8)
Dengan:
k = konstanta dielektrik
d = Tebal film BST (m)
A = Luas kontak film BST (m2)
CBST = Nilai kapasitansi BST (F)
ε0 = Permitivitas ruang hampa (8,854 x 10-12
F/m)
Contoh pengolahan data:
Sel surya ukuran 1x1 dengan fraksi mol BSTnya x = 0,5 diperoleh hasil
karakterisasinya dalam bentuk grafik yang muncul di osiloskop seperti ini.
Diketahui data di osiloskop:
Time/div = 50 μs (berarti 1 kotak bernilai 50 μs dan 1 garis bernilai 10 μs)
Volt/ div = 1 Volt (berarti 1 kotak bernilai 1 Volt dan 1 garis bernilai 0,2 volt)
Gambar 31. Contoh salah satu sinyal yang muncul pada sel surya BST.
26
Dari sinyal gelombang tersebut diperoleh:
Vmaksnya = 2,3 volt.
0,63 Vmaks = 1,449 volt.
Dari 1,449 volt diperoleh t nya adalah 11 μs.
Maka 11 μs adalah nilai time constant nya.
( )
Setelah didapatkan nilai kapasitansi dari film BST nya maka untuk mencari nilai
konstanta dielektriknya gunakan persamaan (8).
Dengan:
d = 7.31818E-07 m
A = 0.0000056 m2
= 8,854 x 10-12 F/m
( ) ( )
( ) ( )
16.2
Dengan cara yang sama gunakan perhitungan ini untuk mendapatkan nilai
konstanta dielektrik untuk semua variasi ukuran dan variasi fraksi mol sel surya.
27
Lampiran 4. Data Karakterisasi Fotovoltaik
Tabel 13. Data karakterisasi efek fotovoltaik.
Tegangan (V) Arus (A) Daya (Watt)
3.89E-02 0 0.00E+00
3.86E-02 1.00E-09 3.86E-11
3.72E-02 2.00E-08 7.44E-10
3.40E-02 4.00E-08 1.36E-09
3.10E-02 8.00E-08 2.48E-09
2.60E-02 1.24E-07 3.22E-09
2.35E-02 1.30E-07 3.06E-09
2.14E-02 1.38E-07 2.95E-09
1.88E-02 1.48E-07 2.78E-09
1.52E-02 1.50E-07 2.28E-09
1.49E-02 1.54E-07 2.29E-09
1.07E-02 1.59E-07 1.70E-09
8.60E-03 1.60E-07 1.38E-09
6.70E-03 1.62E-07 1.09E-09
5.80E-03 1.64E-07 9.51E-10
4.40E-03 1.66E-07 7.30E-10
1.80E-03 1.70E-07 3.06E-10
3.00E-04 1.73E-07 5.19E-11
0.00E+00 1.74E-07 0.00E+00
Dari data hasil karakterisasi I-V diperoleh nilai:
Voc = 3.89E-02 volt
Isc = 1.74E-07 Ampere
Dan daya maksimum (Pmaks) dari data tersebut diperoleh sebesar 3.22E-09 Watt
Sehingga:
Imaks = 1.24E-07 Ampere
Vmaks = 2.60E-02 volt
( ) ( )
( ) ( )
28
Menentukan daya input (Pinput) dari empat buah sel surya yang diparalelkan
gunakan persamaan:
Dengan
Pinput = daya maksimum (watt)
Imaks = intensitas maksimum (Watt/cm2)
Luas film = luas film sel surya dari 4 buah sampel yang diparalelkan (cm2)
Intensitas cahaya yang digunakan adalah 55.600 lux
Dengan 1 lux = 0,0015 W/m2 = 1,5 x 10
-7 W/cm
2
Maka 55.600 lux = 55.600 x 1,5 x 10-7
W/cm2
= 8,34 x 10-3
W/cm2
Dan luas film dari 4 buah sampel yang diparalelkan adalah 2,70272 cm2
Maka Pinput dari sel surya tersebut ialah
Pinput = (8,34 x 10-3
W/cm2) x (2,70272 cm
2)
Pinput = 22,5409 x 10-3
W/cm2
Dan nilai efisiensi dari sel surya tersebut adalah
⁄
⁄
= 0,000014285 %
29
Lampiran 5. Tinjauan Persamaan Penghitungan Efisiensi
Di bawah ini adalah langkah-langkah penurunan untuk mendapatkan rumus akhir
efisiensi yang diperoleh dari tinjauan persamaan Landau-Chalatnikov.17
Dengan,
J = j S ; J adalah arus listrik, j adalah arus pyroelektrik dan S adalah luas film.
U = j R S ; U adalah tegangan listrik dan R adalah nilai hambatan rangkaian.
Dengan
Dan
(
) ( )
Dengan bentuk (
)
adalah.
( )
[ (
)
] (
)
Maka bentuk j (arus pyroelektrik) menjadi.
(
) ( )
(
) [ [ (
)
] (
)]
30
Persamaan arus pyroelektrik ini kemudian disubsitusikan ke dalam persamaan
efisiensi ( ). Namun karena dalam persamaan efisiensi arus pyroelektrik ini dalam
bentuk kuadrat maka bentuknya menjadi.
(
)
[ [ (
)
] (
)]
(
)
( ) [ (
)
]
(
)
( )
( ) ( )
[ (
)
]
(
)
Dengan
√
( ) ( )
( )
( ) ( )
[ (
)
]
(
)
( )
[ (
)
]
(
)
Dengan
Karena
dan nilainya sangat kecil sehingga dapat diabaikan maka bentuk
adalah.
( )
[ (
)
]
(
)
( )
[ (
)
]
(
)
( )
[ (
)
]
(
)
Dengan
31
( )
[ (
)
]
(
)
Karena nilai ; adalah nilai absorptivitas dari film metalik hitam maka
bentuk arus pyroelektriknya menjadi.
( )
[ (
)
]
(
)
Kemudian bentuk akhir dari arus pyroelektrik ini disubsitusikan ke dalam
persamaan efisiensi ( ) yaitu.
( )
[ (
)
]
(
)
( )
[ (
)
]
(
)
Nilai efisiensi maksimum akan diperoleh pada saat pergeseran listrik (electric
displacement) bernilai maksimum juga yaitu pada saat X = Xm.
( )
[ (
)
]
( )
Untuk heating rates yang besar dan nilai resistivitas yang besar maka berlaku
dapat dianggap diabaikan
( )
( )
Sehingga bentuk persamaan efisiensinya adalah.
( )
[ ]
( )
( )
( )
Nilai efisiensi ini terhadap electric displacement dapat dirumuskan sebagai
berikut.17
32
Lampiran 6. Data Program Komputasi Penghitungan Nilai Efisiensi
Tabel 14. Data hasil penghitungan nilai efisiensi.
Ef (%) X
6.199473507 0
5.166227923 0.2
4.428195362 0.4
3.874670942 0.6
3.444151948 0.8
3.099736754 1
2.817942503 1.2
2.583113961 1.4
2.384412887 1.6
2.214097681 1.8
2.066491169 2
Data diatas adalah tabel hasil perhitungan nilai efisiensi (ef) dan nilai pergeseran
listrik/electric displacement (x). Hasil tersebut didapat setelah program komputasi
yang dibuat dijalankan di command window Matlab seperti berikut.
[ef,x,T]=efisiensi(7.66e-06,8.854e-016,2.5,1.573e03,0,10)
Kemudian hasil dari program penghitungan tersebut berupa tabel diatas dan grafik
hubungan ef dan x secara langsung. Grafiknya dapat dilihat pada gambar 16.
Namun perlu dicatat bahwa tabel yang ditampilkan diatas adalah tabel
perhitungan nilai efisiensi untuk material BST saja, sedangkan untuk material
TGS, LiTaO3, dan NaNO2 tidak ditampilkan disini.
33
Dibawah ini adalah dokumentasi hasil pembuatan program penghitungan efisiensi
di Matlab.
Gambar 32. Program penghitungan nilai efisiensi.
34
Gambar 33. Hasil perhitungan program di command window MatLab.
35
Gambar 34. Hasil kerja dari program secara keseluruhan.