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 semisetengah
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
positifhole, dengan
atom pengotornya disebut atom akseptor dan
semikonduktor tipe-n yang kelebihan pembawa
muatan negatifelektron,
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
Sintesis larutan prekursor dari BST dilakukan dengan mereaksikan bahan-
bahan dasar pembuatnya menggunakan reaksi kimia seperti berikut.
7
BaCH
3
COO
2
+ SrCH
3
COO
2
+ TiC
12
O
4
H
28
+ O
2
Ba
x
Sr
1-x
TiO
3
+ H
2
O + CO
2
Dengan BaCH
3
COO
2
adalah barium asetat, SrCH
3
COO
2
adalah stronsium asetat, dan TiC
12
O
4
H
28
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 h 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
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
�. 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
� [
] P
si
adalah polarisasi spontan, ε adalah
permitivitas ruang hampa, c
p
dalah kalor jenis pada tekanan tetap, C adalah
konstanta curie, Xm adalah electric displacement pada nilai maksimumnya,
dan X adalah electric displacement awal.
Untuk nilai heating rates dan resistansi R yang besar berlaku x
1 sehingga nilai X
dapat dianggap nol, Xm 1
nilainya dan
adalah .
Sehingga Persamaan 1 tersebut berubah menjadi Persamaan 2 dengan kondisinya
ialah maksimum.
16
� Lalu karena nilai efisiensi sebuah sel
surya ferroelektrik ini dipengaruhi nilai electric
displacement X
, maka
hubungan antara efisiensi � dan electric
displacement X dapat dilihat pada
Persamaan 3.
16
� �
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 �
m
terhadap X .
16
e
-
e
-
e
-
e
-
e
-
Foton h
Level Valensi
Level Konduksi
Gambar 1. Proses perpindahan elektron dari level valensi ke level konduksi.
yang menghubungkan �
dengan X untuk
material LiTaO
3
kurva 1
,
Triglycine SulphateTGS kurva 2, dan NaNO
2
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 P
max
daya maksimum, FF fill factor, V
oc
potensial sirkuit terbuka, dan I
sc
arus sirkuit singkat. Daya maksimum P
max
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 P
max
dengan perkalian V
oc
dan I
sc
.
Nilai ini dirumuskan dalam Persamaan 5.
14
Arus sirkuit singkat I
sc
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 V
oc
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
�, 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.
� 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
BAB III METODOLOGI
Kategori