BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Kebutuhan terhadap energi untuk menjalankan kehidupan sehari-hari membuat
manusia mencari sumber-sumber energi lain yang bisa dimanfaatkan. Sumber energi
konvensional berbasis minyak, batubara dan gas alam telah terbukti sebagai penggerak
efektif bagi kemajuan ekonomi namun sekaligus merusak lingkungan dan kesehatan
manusia.
1
Masalah ini bisa diatasi apabila manusia memanfaatkan secara optimal
sumberdaya alam lainnya yang bisa dieksploitasi terus menerus namun bisa
diperbaharui. Angin, arus laut, panas bumi, dan sinar matahari adalah sumber daya alam
yang bagus untuk masalah ini, terutama sinar matahari. Saat sinar matahari mengenai
lapisan terluar atmosfir bumi, bumi menerima intensitas sebesar 1368 Wm
2
. Rasio ini disebut dengan konstanta surya.
2
Untuk memanfaatkan energi tersebut digunakanlah
sel surya sebagai piranti pemanen energi. Sel surya adalah piranti yang terbuat
dari bahan
semikonduktor, yang
mengkonversi energi cahaya menjadi energi listrik secara langsung.
3
Keterbatasan dalam segi jumlah dan harga bahan baku sel surya,
merupakan salah
satu hambatan
pengembangan piranti ini. Sebagai salah satu solusi
dari masalah
tersebut adalah
penggunaan bahan organik alami yang lebih banyak dari segi sumber dan lebih murah dari
segi harga daripada bahan sel surya konvensional.
Sel surya hybrid merupakan variasi sel surya yang terdiri dari gabungan bahan
organik dan bahan anorganik. Karena menggunakan dua bahan yang berbeda, sel
surya tersebut akan memiliki sifat unik dari masing-masing bahan tersebut. Bahan yang
digunakan adalah titanium dioksida TiO
2
sebagai bahan
anorganiknya dan
polyphenylene vinylene PPV sebagai bahan organiknya.
TiO
2
adalah semikonduktor serbaguna yang dapat digunakan sebagai fotokatalis,
sensor gas, dan sel surya.
4
Ketika TiO
2
disinari cahaya dengan panjang gelombang antara 100
– 400 nm, elektron akan tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi,
meninggalkan hole pada pita valensi. PPV merupakan polimer konduktif yang unggul
kemampuannya dalam pembentukan film dan dapat memiliki sifat elektroluminesensi.
5, 6
1.2 Tujuan
1. Membuat sel surya hybrid dari bahan TiO
2
dan PPV 2. Melakukan karakterisasi XRD, optik,
dan sifat arus-tegangan I-V terhadap sel surya
1.3 Perumusan Masalah
Apakah sel surya dapat dibuat dengan menggunakan TiO
2
dan PPV? Bagaimanakah karakteristik optik dan arus-
tegangan dari sel surya tersebut? Berapa besarkah efisiensi konversi energi dari
keluaran yang dihasilkan?
1.4 Hipotesis
Sel surya TiO
2
dengan dye PPV 0,5 dapat menghasilkan daya yang lebih besar
daripada dengan dye PPV 0,25 .
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Sel Surya p-n
Sel surya adalah suatu piranti yang mengkonversi energi cahaya menjadi energi
listrik. Pada umumnya sel surya dibuat dari bahan semikonduktor anorganik, seperti
silikon mono kristalin atau multi kristalin.
8
Sel surya konvensional seperti ini dapat menyerap
cahaya matahari lebih dari 24 .
7
Efisiensi yang telah dicapai oleh sel surya berbahan
dasar material anorganik sekitar 10-20 .
7
Sel surya konvensional pada umumnya disusun
dari persambungan semikonduktor tipe-p dan tipe-n p-n junction. Hal terpenting pada sel
surya p-n adalah adanya pemisahan muatan, yaitu hole dan elektron akibat penyinaran oleh
cahaya. Adanya persambungan antara kedua tipe
semikonduktor ini
menyebabkan terbentuknya potensial pada persambungan
dan difusi muatan.
8
Difusi muatan terjadi karena adanya gradien konsentrasi muatan
pembawa antara semikonduktor tipe-p dan tipe-n. Difusi hole dari semikonduktor tipe-p
Gambar 2. Pita energi saat keseimbangan termal pada p-n junction
8
. menuju tipe-n, sedangkan elektron dari
semikonduktor tipe-n menuju tipe-p. Difusi hole dan elektron tidak terjadi
terus menerus,
karena ketika
hole meninggalkan tipe-p dan hilang di dalam tipe-
n akibat rekombinasi, maka sebuah akseptor akan diionisasikan menjadi negatif di daerah
tipe-p yang membentuk muatan ruang negatif. Hal yang sama terjadi pada elektron yang
meninggalkan muatan ruang positif pada daerah tipe-n, sehingga membangkitkan
medan listrik yang berasal dari ruang muatan postif menuju ruang muatan negatif Gambar
1.
9
Medan listrik ini akan menghambat difusi hole
dan elektron. Aliran-aliran muatan pembawa ini akan berhenti setelah terdapat
keseimbangan antara aliran difusi dan aliran drift
.
7
Keseimbangan ini ditandai oleh adanya kesamaan antara level Fermi tipe-p dan tipe-n
Gambar 2. Pada keadaan seimbang, di dalam p-n
junction terbentuk
1. daerah tipe-p netral: daerah dengan jumlah hole sama dengan jumlah
akseptor. 2. daerah muatan ruang tipe-p: daerah
diionisasikannya akseptor negatif. 3. daerah muatan ruang tipe-n: daerah
diionisasikannya donor positif 4. daerah tipe-n netral: daerah dengan
jumlah donor sama dengan jumlah elektron.
10
potensial
internal pada daerah deplesi dapat dipengaruhi oleh tegangan eksternal
yang dipasang pada sisi-p dan sisi-n. Pemasangan tegangan bias positif pada sisi
tipe-p dan negatif pada sisi tipe-n akan menurunkan potensial internal pada daerah
deplesi Gambar 3a. Keadaan ini disebut bias maju V
F
.
8
Pemasangan bias maju akan menurunkan arus drift, tetapi dapat menaikkan
disfusi elektron dari tipe-n ke tipe-p dan difusi hole
dari tipe-p ke tipe-n. Rapat arus total J yang mengalir pada saat
persambungan p-n di bias maju adalah pertambahan rapat arus difusi pada sisi-n J
n
dengan rapat arus difusi pada sisi-p J
p
.
1
kT qV
n p
F
e J
J J
J
1
J adalah rapat arus saturasi, k adalah
konstanta Boltzman, q adalah muatan dan T adalah suhu mutlak.
Pemasangan bias negatif pada sisi-p dan positif pada sisi-n akan menaikkan
potensial internal pada daerah deplesi Gambar 3 b. Keadaan ini disebut bias
Gambar 1. Proses pembentukan p-n junction, -
ion akseptor, ○ hole, + ion donor, ● elektron.
9
Medan
listrik
Daerah
netral
Daerah
netral
Daerah
deplesi
a
b
Gambar 3. a Pita energi saat dibias maju, b Pita energi saat dibias mundur.
8
mundur V
R
. Rapat arus yang mengalir pada saat bias mundur adalah
2
arus pembawa pada p-n junction dipengarui
oleh penyinaran
cahaya. Penyinaran cahaya pada persambungan p-n
akan membentuk pasangan elektron-hole yang memiliki energi lebih besar dari pada celah
energi.
7
Pembentukan pasangan elektron-hole terjadi di daerah difusi dengan panjang L
p
untuk difusi hole dan L
n
untuk difusi elektron. Pasangan elektron-hole ini akan berkontribusi
terhadap arus foto. Jumlah pasangan elektron- hole
dipengaruhi intensitas cahaya yang datang. Pasangan elektron-hole akan berpisah
karena medan listrik yang ada pada daerah deplesi. Adanya pemisahan muatan pada
daerah deplesi, akan menghasilkan aliran arus dari sisi-n ke sisi-p ketika sisi-p dan sisi-n
dihungkan dengan kawat luar Gambar 4.
Penyinaran p-n
junction pada
rangkaian terbuka
akan menyebabkan
pemisahan muatan pembawa.
7
Pemisahan muatan pembawa ini akan menghasilkan beda
potensial. Diagram pita energi p-n junction pada saat dihubung singkat short-circuited
dan arus rangkaian terbuka open-circuited current
ditunjukkan pada Gambar 5a dan 5b. Arus yang mengalir pada saat sisi-p
dan sisi-n dihubungkan seperti rangkaian tertutup disebut arus short-circuit I
sc
yang nilainya sama dengan arus foto I
L
jika hambatan seri series resistance sama dengan
nol. Ketika sisi-p dan sisi-n diisolasi, elektron bergerak menuju sisi-n dan hole menuju sisi-p.
Elektron dan hole akan berkumpul pada kedua sisi, sehingga menghasilkan tegangan.
8
Tegangan tersebut dianamakan tegangan open-circuit V
oc
. Kurva karakteristik arus- tegangan p-n junction saat disinari cahaya dan
saat dalam keadaan gelap tidak menerima cahaya ditunjukkan pada Gambar 6.
Arus yang
mengalir pada
persambungan p-n ketika disinari cahaya adalah:
sc nkT
qV
I e
I I
1
3
1
kT qV
R
e J
J
a
b
Gambar 5. Pita energi p-n junction saat
disinari cahaya, a short-
circuited dan b open-circuited
current.
8
Gambar 4. Aliran muatan
pembawa persambungan p-n saat disinari
cahaya dalam
rangkaian tertutup.
8
Gambar 6. Karakteristik arus-tegangan I-V saat gelap dan disinari cahaya.
8
Ketika rangkaian terbuka I = 0, sehingga tegangannya adalah:
1 ln
I I
q nkT
V
sc oc
4
Fill factor merupakan parameter fotovoltaik
sel surya yang dapat dijadikan penentu baik dan buruknya sel. Fill factor dapat dicari
dengan menggunakan persamaan:
sc oc
m m
I V
I V
FF
5
V
m
I
m
adalah daya maksimum sel. Efisiensi konversi pada sel surya
didefinisikan sebagai rasio daya output maksimum yang dihasilkan terhadap daya
total dari intensitas cahaya yang diterima P
In
.
In SC
OC In
m m
P FF
I V
P I
V
6
2.2 Sel Fotoelektrokimia
Kategori