DIVAIS SOLAR SEL BERBASIS BAHAN SEMIKONDUKTOR

ANORGANIK

Makalah Ini Untuk Memenuhi Uas Mata Kuliah Struktur Zat Padat

KELOMPOK 2

AYU OKTAMA MAULANA (140310100070)

RICCA NOVIA (140310100081)

DWIKA ANDJANI 9140310100083)

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS PADJADJARAN

2013

DIVAIS SOLAR SEL BERBASIS BAHAN SEMIKONDUKTOR ANORGANIK

PENDAHULUAN

Efek photovoltaik pertama kali diperkenalkan pada tahun 1839 oleh fisikawan

Perancis Alexandre-Edmond Becquerel. Becquerel menemukan bahwa beberapa material

jenis tertentu memproduksi arus listrik dalam jumlah kecil ketika terkena cahaya. Akan

tetapi, sel surya yang pertama dibuat baru pada tahun 1883 oleh Charles Fritts, yang

melingkupi semikonduktor selenium dengan sebuah lapisan emas yang sangat tipis untuk

membentuk sambungan-sambungan. Alat tersebut hanya memiliki efisiensi 1%. Pada tahun

1941, seorang peneliti bernama Russel Ohl berhasil mengembangkan teknologi sel surya dan

dikenal sebagai orang pertama yang membuat paten piranti solar sel modern. Bahan yang

digunakan adalah semikonduktor anorganik silikon dan mampu menghasilkan efisiensi

sebesar 4%. Era sel surya modern baru dimulai setelah penemuan fenomena photovoltaik

pertama pada tahun 1954, yakni ketika tiga peneliti Bell Laboratories di Amerika Serikat

(Chapin,Fullr,dan Pearson) secara tidak sengaja menemukan bahwa sambungan dioda p-n

dari silikon mampu membangkitkan tenaga listrik ketika lampu laboratorium dinyalakan.

Pada tahun yang sama,usaha mereka telah berhasil membuat sel surya pertama dengan

efisiensi sebesar 6%. Pada akhirnya ,penelitian sel surya yang berkembang hingga saat ini

memiliki banyak jenis dan variasi teknologi pembuatannya.

PEMBAHASAN

Modul Sel Surya (Photovoltaik)

Modul Sel Surya (Photovoltaik) adalah sejumlah sel surya yang dirangkai secara seri

maupun paralel, untuk meningkatkan tegangan maupun arus yang dihasilkan sehingga cukup

untuk pemakaian sistem catu daya beban. Untuk mendapatkan keluaran energi listrik yang

maksimum maka permukaan modul surya harus selalu mengarah ke matahari. Daya listrik

yang dihasilkan photovoltaik berupa daya listrik DC yang kemudian akan dikonversikan

menjadi daya listrik AC.

Gambar 1 : Panel Sel Surya

Prinsip Kerja Sel Surya Photovoltaik

Pengkonversian sinar matahari menjadi listrik dengan panel photovoltaik, kebanyakan

menggunakan semikonduktor anorganik Poly Cristallyne Sillicon sebagai material

semikonduktor photo cell mereka . Prinsipnya sama dengan prinsip dioda p-n.Gambar di

bawah ini mengilustrasikan prinsip kerja Photovoltaik panel.

Gambar 2 : kerja prinsip kerja sel surya photovoltaik

Secara sederhana, proses pembentukan gaya gerak listrik pada sebuah sel surya

adalah sebagai berikut:

Foton dari cahaya matahari menumbuk panel surya kemudian diserap oleh material

semikonduktor seperti silikon.

Elektron (muatan negatif) terlempar keluar dari atomnya, sehingga mengalir melalui

material semikonduktor untuk menghasilkan listrik. Muatan positif yang disebut hole

(lubang) mengalir dengan arah yang berlawanan dengan elektron pada panel surya silikon.

Gabungan/susunan beberapa panel surya mengubah energi surya menjadi sumber daya

listrik DC.Yang nantinya akan disimpan dalam suatu wadah yang dinamakan baterai.

Daya listrik DC tidak dapat langsung digunakan pada rangkaian listrik rumah atau

bangunan sehingga harus mengubah daya listriknya dengan daya listrik AC. Dengan

menggunakan konverter inilah maka daya listrik DC dapat berubah menjadi daya listrik

AC sehingga sekarang dapat digunakan untuk memenuhi kebutuhan listrik.

Sambungan P-N pada Sel Surya Photovoltaik

Jika kita memiliki sepotong silikon tipe-p dan sepotong silikon tipe-n dan secara

sempurna terhubung membentuk sambungan p-n seperti diperlihatkan pada gambar berikut :

Gambar 3 : Mekanisme aliran muatan pada daerah sambungan

Sesaat setelah terjadi penyambungan, pada daerah sambungan semikonduktor akan

terjadi perubahan. Pada daerah tipe-n (yang berada pada gambar sebelah kanan)memiliki

sejumlah elektron yang akan dengan mudah terlepas dari atom induknya.Sedangkan, bagian

kiri (tipe-p),atom aseptor menarik elektron (atau menghasilkan hole). Kedua pembawa

muatan mayoritas tersebut memiliki cukup energi untuk mencapai material pada sisi lain

sambungan. Pada saat ini terjadi difusi elektron dari tipe-n ke tipe-p dan difusi lubang dari

tipe-p ke tipe-n.Proses difusi ini tidak berlangsung selamanya karena elektron yang sudah

berada di tempatnya akan menolak elektron yang datang kemudian. Proses difusi berakhir

saat tidak ada lagi elektron yang memiliki cukup energi untuk mengalir.

Kemudian perlu memperhitungkan proses selanjutnya dimana elektron dapat

menyeberangi sambungan. Daerah yang sangat tipis dekat sambungan disebut daerah

deplesi (depletion region) atau daerah transisi. Daerah ini dapat membangkitkan

pembawa muatan minoritas saat terdapat cukup energi termal untuk membangkitkan

pasangan lubang-elektron. Salah satu dari pembawa muatan minoritas ini, misalnya elektron

pada tipe-p, akan mengalami pengaruh dari proses penolakan elektron difusi dari tipe-n.

Dengan kata lain elektron minoritas ini akan ikut tertarik ke semikonduktor tipe-n. Gerakan

pembawa muatan akibat pembangkitan termal ini lebih dikenal sebagai “drift”. Situasi akan

stabil saat arus difusi sama dengan arus drift.Pada daerah sambungan/daerah diplesi yang

sangat tipis terjadi pengosongan pembawa muatan mayoritas akibat terjadinya difusi ke sisi

yang lain. Hilangnya pembawa muatan mayoritas di daerah ini meninggalkan lapisan muatan

positif di daerah tipe-n dan lapisan muatan negatif di daerah tipe-p. Karena terjadi

penumpukan muatan yang berlawanan pada masing-masing sisinya, maka terjadi perbedaan

potensial yang disebut sebagai “potensial kontak”atau “potensial penghalang”. Keadaan ini

disebut diode dalam keadaan rangkaian terbuka.

Gambar 4 : keadaan saat rangkaian terbuka

Dalam keadaan rangkaian terbuka seperti diperlihatkan pada gambar di atas, hanya

pada daerah deplesi yang terjadi penumpukan muatan pada masing-masing sisi sedangkan

daerah lainnya dalam keadaan netral. Penumpukan muatan pada daerah deplesi

mengakibatkan terjadinya medan listrik dalam arah x . Kita dapat menggunakan v dx

untuk mendapatkan distribusi potensial pada daerah deplesi dengan mengambil integral

medan listrik. Potensial kontak/potensial penghalang Vo yang terjadi akan menahan

terjadinya difusi pembawa muataan mayoritas dan memberi kesempataan terjadinya arus

driftmelalui sambungan.

Panjar Maju (Foward Bias)

Gambar 5 : Pada dioda panjar maju a) Rangkaian dasar dan b) Potensial penghalang

mengalami penurunan.

Besarnya komponen arus difusi sangat sensitif terhadap besarnya potensial

penghalang Vo . Pembawa muatan mayoritas yang memiliki energi lebih besar dari eVo

dapat melewati potensial penghalang. Jika keseimbangan potensial terganggu oleh

berkurangnya ketinggian potensial penghalang menjadi Vo-V, probabilitas pembawa muatan

mayoritas mempunyai cukup energi untuk melewati sambungan akan meningkat dengan

drastis. Sebagai akibat turunnya potensial penghalang, terjadi aliran arus lubang dari material

tipe-p ke tipe-n, demikian sebaliknya untuk elektron.

Dengan kata lain menurunnya potensial penghalang memberi kesempatan pada

pembawa muatan untuk mengalir dari daerah mayoritas ke daerah minoritas. Jika potensial

penghalang diturunkan dengan pemasangan panjar maju eksternal V seperti diperlihatkan

pada gambar di atas , arus If akan mengalir.

Panjar Mundur(Reverse Bias)

Gambar 6 : Gambar Panjar Mundur a) Rangkaian dasar dan b) Potensial penghalang

mengalami peningkatan.

Jika potensial penghalang dinaikkan menjadi Vo+Vdengan memasang panjar mundur

sebesar V (terlihat seperti gambar di atas maka probabilitas pembawa muatan mayoritas

memiliki cukup energi untuk melewati potensial penghalang akan turun secara drastis.

Jumlah pembawa muatan mayoritas yang melewati sambungan praktis turun ke nol dengan

memasang panjar mundur sebesar sekitar sepersepuluh volt.

Pada kondisi panjar mundur, terjadi aliran arus mundur (Ir) yang sangat kecil dari

pembawa muatan minoritas. Pembawa muatan minoritas hasil generasi termal didekat

sambungan akan mengalami “drift” searah medan listrik. Arus mundur akan mencapai

harga jenuh -Io pada harga panjar mundur yang rendah. Harga arus mundur dalam keadaan

normal cukup rendah dan diukur dalam (untuk germanium) dan nA (untuk silikon). Secara

ideal, arus mundur seharusnya berharga nol, sehingga harga -Io yang sangat rendah pada

silikon merupakan faktor keunggulan silikon dibandingkan germanium. Besarnya Io

berbanding lurus dengan laju generasi termal g=rni2 dimana harganya berubah secara

eksponensial terhadap perubahan temperatur.

Karakteristik Umum Sambungan Dioda P-N pada Sel Surya Photovoltaik

Saat diode berpanjar maju, probabilitas pembawa muatan mayoritas yang mempunyai

cukup energi untuk melewati potensial penghalang Vo-V akan tergantung pada faktor muatan

elektron,faktor Fudge,konstanta Boltzman,dan temperatur absolut. Jadi arus difusi yang

mengalir sebesar

I=A eV /η V T V T=kT /q

dimana VT = 25 mV pada temperatur ruang, h =1 untuk gemanium dan berharga 2 untuk

silikon. Jadi arus total yang mengalir adalah sebesar

I=−Io+ A eV /η V T

atau karena I = 0 untuk V = 0 diperoleh

I=Io (eV

ηV T−1)

Persamaan di atas merupakan karakteristik umum dioda I-V .Jika V berharga positif

dan bernilai sebesar sepersepuluh volt maka persamaan di atas menjadi

I ≈ Io eV /η V T

dan juga

ln I=ln Io+ VηV T

yaitu akan berupa garis lurus jika diplot pada kertas grafik log-linear(semi logaritma).

Sebagai gambaran karakteristik seperti dalam persamaan di atas , diukur dua jenis diode tipe

1N914 dan 1N5061. Hasil plot karakteristik I-V kedua dioda seperti terlihat pada gambar di

bawah ini. Untuk diode 1N914 (diode isyarat-kecil) terlihat mempunyai kecocokan yang

sangat baik dengan persamaan di atas, kecuali pada arus yang relatif tinggi dimana hambatan

diode memberikan penurunan sebesar IR dengan adanya kenaikan V.Untuk diode 1N5061

(diode daya 1 amp) juga mempunyai kecocokan yang sangat baik dengan persamaan di atas,

kecuali pada arus yang relatif rendah.Perhatikan bagaimana Io hanya berharga nA untuk

kedua dioda tersebut.

Gambar 7 : Karakteristik I-V diode tipe 1N914 dan 1N5061 pada skala semilogaritmik

Gambar 8 : Karakteristik I-V diode dalam skala linier

dengan skala I 10 mA (A), 1 mA (B), 0,1 mA (C) dan 10 A (D). Terlihat bahwa

tegangan “cut-in” bergeser ke kiri dan keseluruhan kurva bergeser ke kiri. Ini dapat

diharapkan terjadi jika

I 1=IoeV 1/η V T

dan

I 2=IoeV 2/η V T

maka

I 1

I 2

=e(V 1−V 2)/η V T

Persamaan di atas memperlihatkan bahwa diperlukan perubahan tegangan yang sama untuk

menaikkan arus diode n kali. Besarnya Io tergantung pada pembawa muatan hasil generasi

termal jadi sangat tergantung pada temperatur. Untuk silikon Io akan naik menjadi dua kali

lipat setiap ada kenaikan temperatur 100C.

DEVAISE SEL SURYA PHOTOVOLTAIK

Devaise sel surya terdapat tiga model bahan berdasarkan proses pembuatannya,yaitu:

1. Monocrystalline

Monocrystalline didapat dengan cara silikon murni dilelehkan kemudian dalam

proses pemadatannya dibentuk dengan cara dipancing (dengan silikon monocrystalline

yang struktur atomnya diketahui) diputar dan diangkat perlahan-lahan menjadi sebuah

gelondongan silikon. Gelondongan ini kemudian dipotong tipis-tipis (thin plates) sehingga

menjadi wafer monocrystalline photocell.

2. Polycrystalline

Polycrystalline didapat dengan cara melelehkan silikon dan menuangkannya kedalam

bejana sehingga dapat dengan mudah terbentuk wafer silikon. Dengan cara ini silikon

murni dapat diubah hampir seluruhnya kebentuk wafer silikon sehingga biayanya menjadi

lebih efektif. Sayangnya dengan cara ini selama proses pemadatan materi, struktur kristal

yang dibentuk akan menimbulkam cacat kristal pada pinggiran photocell. Sebagai akibat

dari cacat kristal ini, solar cell menjadi kurang efisien.

3. Amorphous

Amorphous didapat dengan cara mendeposisikan ke sebuah permukaan kaca atau

material substrat lainnya.Dengan cara ini diperoleh silikon dengan ketebalan 1 µm.Tipe ini

memiliki efisiensi paling rendah dan harga yang murah.Biasanya digunakan untuk

peralatan berdaya rendah,seperti jam,kalkulator saku,dan barang sejenisnya.

Analisis Kerja dan Photovoltaik Berdasarkan Aplikasi

Dilihat dari aplikasi pemakaiannya,intensitas penyerapan sinar matahari pada sel

surya photovoltaik memiliki tingkat-tingkat tertentu yang berdasarkan pada ragam

photovoltaik. Sebagai contoh,untuk photovoltaik jenis Monocrystalline. Monocrystalline

yang terbuat dari silikon murni cenderung memiliki tingkat penyerapan yang tinggi walaupun

saat itu cuaca sedang mendung. Monocrystalline tetap dapat bekerja dengan baik (masih

dapat menyerap energi dari matahari). Sementara untuk Polycrystalline dan Amorf memiliki

beberapa keadaan khusus dimana tidak seperti Monocrystalline. Contohnya : Amorf yang

digunakan pada kalkulator sebagai daya cadangan jika baterai kalkulator telah habis. Jika

dihadapkan pada sinar matahari yang terang atau tersinari oleh sinar matahari maka alat itu

dapat bekerja. Namun bila mendung ,kalkulator tersebut tidak dapat bekerja. Sedangkan

Polycrystalline lebih banyak dipakai pada daerah yang memiliki tingkat cuaca panas yang

cenderung stabil atau tempat yang musim panasnya memiliki jangka waktu yang lebih lama.

STRUKTUR SEL SURYA

Gambar 10 : struktur sel surya semikonduktor anorganik

1. Substrat/Metal backing

Substrat adalah material yang menopang seluruh komponen sel surya. Material substrat

juga harus mempunyai konduktifitas listrik yang baik karena juga berfungsi sebagai

kontak terminal positif sel surya, sehinga umumnya digunakan material metal atau logam

seperti aluminium atau molybdenum. Untuk  sel surya dye-sensitized  (DSSC) dan sel

surya organik, substrat juga berfungsi sebagai tempat masuknya cahaya sehingga material

yang digunakan yaitu material yang konduktif tapi juga transparan sepertii ndium tin oxide

(ITO) dan flourine doped tin oxide (FTO).

2. Material semikonduktor

Material semikonduktor merupakan bagian inti dari sel surya yang biasanya mempunyai

tebal sampai beberapa ratus mikrometer untuk sel surya generasi pertama (silikon), dan 1-

3 mikrometer untuk sel surya lapisan tipis. Material semikonduktor inilah yang berfungsi

menyerap cahaya dari sinar matahari. Untuk kasus gambar diatas, semikonduktor yang

digunakan adalah material silikon, yang umum diaplikasikan di industri elektronik.

Sedangkan untuk sel surya lapisan tipis, material semikonduktor yang umum digunakan

dan telah masuk pasaran yaitu contohnya material Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGS), CdTe

(kadmium telluride), dan amorphous silikon, disamping material-material semikonduktor

potensial lain yang dalam sedang dalam penelitian intensif seperti Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTS)

dan Cu2O (copper oxide). Bagian semikonduktor tersebut terdiri dari junction atau

gabungan dari dua material semikonduktor yaitu semikonduktor tipe-p (material-material

yang disebutkan diatas) dan  tipe-n (silikon tipe-n, CdS,dll)  yang membentuk p-n

junction. P-n junction ini menjadi kunci dari prinsip kerja sel surya. Pengertian

semikonduktor tipe-p, tipe-n, dan juga prinsip p-n junction dan sel  surya akan dibahas

dibagian “cara kerja sel surya”.

3. Kontak metal / contact grid

Selain substrat sebagai kontak positif, diatas sebagian material semikonduktor biasanya

dilapiskan material metal atau material konduktif transparan sebagai kontak negatif.

4. Lapisan antireflektif

Refleksi cahaya harus diminimalisir agar mengoptimalkan cahaya yang terserap oleh

semikonduktor. Oleh karena itu biasanya sel surya dilapisi oleh lapisan anti-refleksi.

Material anti-refleksi ini adalah lapisan tipis material dengan besar indeks refraktif optik

antara semikonduktor dan udara yang menyebabkan cahaya dibelokkan ke arah

semikonduktor sehingga meminimumkan cahaya yang dipantulkan kembali.

5. Enkapsulasi / cover glass

Bagian ini berfungsi sebagai enkapsulasi untuk melindungi modul surya dari hujan atau

kotoran.

DAFTAR PUSTAKA

Mintorogo. “STRATEGI APLIKASI SEL SURYA (PHOTOVOLTAIC CELLS) PADA

PERUMAHAN DAN BANGUNAN KOMERSIAL”, dalam jurnal dimensi teknik

arsitektur .Pengajar Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan Arsitektur : Universitas Kristen

Petra.

http://www.panelsurya.com/

http://www.silicon-saxony.de/set/1679/RussianMarketUpdate.pdf

http//fastq.com/-lanegarr/pvprj.html

http://www.nekomata08.weebly.com/uploads/k2_photovoltaic.doc

http://affiliate-solar-energy.prositeslab.com/id/34/advantages-of-solar-energy/

http://solarsuryaindonesia.com/info/mengenal-teknologi-solar-pv

http://www.indoenergi.com/2012/04/cara-kerja-sel-surya-fotovoltaik.html

http://www.suaramerdeka.com/harian/0509/26/ragam5.htm

DAFTAR PUSTAKA GAMBAR

Gambar 1 : http://images01.olx.co.id/ui/18/25/39/1329968070_321121639_1- Gambar--

SEL-SURYA-SEL-PHOTOVOLTAIC-PANELSURYA-MODULSURYA-PLTS.jpg

Gambar 2 : http://yefrichan.files.wordpress.com/2010/05/1445203_modules3.jpg

Gambar 3:

http://2.bp.blogspot.com/S0vEbdRc9eI/UCjT3KwEN0I/AAAAAAAAA8w/6oQz4Gr6uyg/

s1600/02.JPG

Gambar 4 : http://accurations.files.wordpress.com/2012/08/0324.jpg

Gambar 5 : http://blog.umy.ac.id/ziemo/files/2012/05/b27.jpg

Gambar 6 : http://blog.umy.ac.id/ziemo/files/2012/05/b27.jpg

Gambar 9 : http://www.inverter-china.com/blog/upload/amorphous-silicon.jpg

Gambar 10 : http://teknologisurya.wordpress.com/dasar-teknologi-sel-surya/prinsip-kerja-sel-

surya/