Analisis Perbandingan Karakteristik Panel Surya Berdasarkan Material Penyusun dan Intensitas Cahaya
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Energi Matahari
Matahari adalah salah satu contoh dari energi terbarukan (renewable energy) dan
merupakan salah satu energi yang penting dalam kehidupan manusia. Berikut ini
adalah tabel persentase total sumber energi primer dunia pada tahun 2011.
Tabel 2.1 Persentase sumber energi primer dunia pada tahun 2011 [1]
No.
Sumber
Jumlah
1.
Minyak
31.4%
2.
Gas alami
21.3%
3.
Batubara
28.9%
4.
Nuklir
5.2%
5.
Energi terbarukan
13.2%
Tabel 2.1 memperlihatkan jumlah energi terbarukan sebesar 13.2 % dari total
energi primer dan minyak sebesar 31.4 % dari total sumber energi terbarukan
pada tahun 2011.
Gambar 2.1 Sumber energi terbarukan pada kapasitas kelistrikan dunia 2011 [1]
Gambar 2.1 memperlihatkan jumlah energi dari matahari sebesar 1.4% dari total
sumber energi terbarukan pada tahun 2011. Jumlah tertinggi yaitu pada sumber
energi dari air (hydro) sebesar 78%. Matahari menghasilkan energi dalam bentuk
radiasi. Energi dihasilkan dalam inti matahari melalui proses perpaduan antara
atom hidrogen dan helium. Bagian dari massa hidrogen dikonversi menjadi
energi. Dengan kata lain, matahari adalah reaktor fusi nuklir yang sangat besar
dengan masa hidup (umur) sekitar 4,5 x 109 tahun [2]. Karena matahari jauh dari
3
Universitas Sumatera Utara
bumi, maka hanya sebagian kecil radiasi matahari yang sampai ke permukaan
bumi. Ada beberapa jenis radiasi matahari yaitu radiasi langsung (direct
radiation), radiasi tersebar (diffuse radiation), radiasi pantulan (albedo), dan
radiasi total (total radiation) [3].
Gambar 2.2 Komponen radiasi matahari [3]
Gambar 2.2 memperlihatkan tentang peristiwa radiasi dan jenis radiasi
matahari. Intensitas radiasi matahari dari atmosfer bumi tergantung pada jarak
antara matahari dan bumi. Dalam setahun variasi jarak ini antara 1,47 x 108 km
dan 1,52 x 108 km. Sebagai hasilnya, fluktuasi intensitas radiasi matahari antara
1325 W/m2 dan 1412 W/m2. Nilai rata-rata yang dibuat sebagai ketetapan
intensitas radiasi matahari yaitu 1367 W/m2 [4]. Tingkat intensitas tersebut tidak
tercapai pada permukaan bumi. Atmosfer bumi mengurangi tingkat intensitas
tersebut melalui refleksi (pemantulan), penyerapan (oleh ozon, uap air, oksigen
dan karbon dioksida) dan penyebaran (disebabkan oleh molekul udara, partikel
debu atau polusi). Pada saat cuaca yang baik di tengah hari, tingkat intensitas
radiasi matahari dapat mencapai 1000 W/m2 pada permukaan bumi. Nilai tersebut
relatif tergantung pada lokasi. Tingkat intensitas radiasi matahari maksimum
terjadi pada saat cuaca berawan sebagian dan hari yang cerah. Radiasi matahari
secara langsung dapat diukur menggunakan pyranometer.
Gambar 2.3 Pyranometer [4]
4
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3 memperlihatkan bentuk alat ukur pyranometer. Pyranometer
adalah sensor dengan presisi tinggi yang digunakan untuk mengukur radiasi
matahari. Pada pyranometer, terdapat pelat logam hitam sebagai permukaan
penyerap dan di bawahnya terdapat elemen panas dan logam putih. Radiasi
matahari adalah energi yang berasal dari proses thermonuklir yang terjadi di
matahari. Bila densitas energi diintegrasikan sepanjang seluruh panjang
gelombang, maka energi total yang dipancarkan sebanding dengan pangkat empat
suhu absolut atau sesuai dengan hukum Stefan-Boltzmann:
(1)
Dimana G adalah energi yang diradiasikan persatuan waktu dan persatuan luas
(Watt/m2), dan
adalah konstanta Stefan-Boltzmann yang nilainya ( ) = 5,669 x
10-8 W/m2.K4. Penukaran panas netto secara radiasi termal adalah:
Watt
Dimana
(2)
adalah konstanta Stefan-Boltzmann yang nilainya ( ) = 5,669 x 10-8
W/m2.K4. A adalah luas permukaan (m2) dan T adalah temperatur derajat kelvin
pangkat empat (K4). Radiasi yang dipancarkan oleh permukaan matahari (Gs)
adalah sama dengan hasil perkalian konstanta Stefan-Boltzmann ( ) dengan
pangkat empat temperatur permukaan absolut (Ts4) dan dengan luas permukaan
(πds2) atau dengan persamaan:
Gs = π ds2 Ts4 Watt
Dimana
(3)
adalah konstanta Stefan-Boltzmann yang nilainya 5,67 x 10-8
W/(m2.K4), Ts adalah temperatur permukaan dalam satuan Kelvin, dan d s adalah
diameter matahari dalam satuan meter. Pada radiasi ke semua arah, energi yang
diradiasikan mencapai luas permukaan bola dengan matahari sebagai titik
tengahnya. Jari-jari (R) sama dengan jarak rata-rata antara matahari dan bumi.
Luas permukaan bola adalah 4πR2, dan fluks radiasi pada satu satuan luas dari
permukaan bola tersebut yang dinamakan iradiansi, menjadi sebagai berikut:
(4)
(5)
(6)
5
Universitas Sumatera Utara
2.2 Fotovoltaik
Fotovoltaik adalah peristiwa konversi langsung dari cahaya menjadi
listrik. Hal ini menggunakan material yang menyerap foton dari cahaya. Hal
tersebut dapat digunakan untuk membuat pembangkit listrik tenaga surya. Elemen
dasar dari sebuah sistem fotovoltaik adalah sel surya yang mengkonversi energi
matahari menjadi arus searah. Iradiansi adalah kuantitas yang menggambarkan
fluks radiasi matahari yang sampai pada suatu permukaan (kW/m2). Kepadatan
iradiansi dari matahari di atmosfer luar adalah 1.373 kW/m2 tetapi kepadatan
puncak hanya 1 kW/m2 saat penyinaran akhir sinar matahari pada permukaan
bumi [5]. Iradiansi mengukur energi radiasi matahari yang diterima oleh suatu
area permukaan pada waktu tertentu.
Gambar 2.4 Model rangkaian sel surya [6]
Gambar 2.4 menunjukkan model rangkaian sel surya sederhana yang terdiri dari
dua buah dioda. Sebuah sel surya tipikal terdiri dari sambungan p-n yang dibentuk
dari material semikonduktor yang mirip dioda.
Gambar 2.5 Struktur sel surya [7]
Gambar 2.5 memperlihatkan struktur sel surya yang terdiri dari beberapa elemen
seperti lapisan depan, lapisan belakang, dan lain-lain. Untuk mengetahui
pembentukan panel surya, dapat melihat gambar di bawah ini.
Gambar 2.6 Susunan dioda, sel surya dan panel surya [5]
6
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.6 menunjukkan bahwa susunan material dioda dapat membentuk sel
surya, dan susunan sel surya dapat digunakan untuk membentuk panel surya.
Untuk lebih memahami bagaimana arus dan tegangan dihasilkan dari modul PV,
maka diperlukan model rangkaian PV. Model tersebut bermanfaat untuk
digunakan pada tingkat kerumitan tertentu, dapat melakukan input ke dalam
rangkaian, melakukan simulasi dan program komputasi menggunakan perangkat
lunak seperti PSIM®, SPICE® and MATLAB/Simulink® [8]. Alasan utama
mengapa teknologi PV sedang populer adalah karena fakta bahwa teknologi PV
tidak menghasilkan emisi gas rumah kaca, tidak memiliki bagian yang berputar,
memiliki umur yang panjang dan hanya memerlukan sedikit perawatan [9]. Daya
yang dihasilkan dari sebuah panel surya tidak selalu konstan tergantung waktu
dan lingkungan. Untuk kalkulasi data panel surya, diperlukan persamaan
matematis. Berikut adalah rumus matematis yang berhubungan dengan panel
surya terkait faktor pengisian, daya keluaran, daya masukan, dan efisiensi.
(7)
(8)
(9)
(10)
Keterangan : Pout
=
Daya keluaran panel surya (W)
Pin
=
Daya masukan panel surya (W)
η
=
Efisiensi panel surya ( )
Voc
=
Tegangan rangkaian terbuka (V)
Isc
=
Arus hubung singkat (A)
G
=
Intensitas radiasi matahari (W/m2)
A
=
Luas penampang panel surya (m2)
7
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.7 Rangkaian ekivalen sederhana sel surya
Gambar 2.7 merupakan rangkaian ekivalen sederhana sel surya yang terdiri dari
sumber arus dan dioda. Persamaan umum dari arus sel surya (I) berdasarkan
tegangan sel surya (V=VD) dengan arus saturasi (IS) dan faktor diode (m) yaitu:
(11)
VT adalah tegangan termal dimana pada temperature 250C nilainya adalah VT =
25.7 mV. Magnitude dari arus saturasi (IS) adalah diantara 10-10 – 10-5 A.
Sedangkan m adalah faktor dioda dari sebuah diode ideal yang nilainya adalah 1.
Persamaan untuk nilai VT pada kondisi temperatur tertentu yaitu:
(12)
Dengan k (konstanta Boltzmann) = 1.380658 x 10-23 J/K, T (temperatur) dalam
Kelvin (oC + 273.15), dan e (charge of electron) = 1.60217733 x 10-19 Columbs.
(13)
Ketergantungan temperatur pada arus saturasi Is1 dan Is2 dengan koefisien cs1 dan
cs2 dan band gap (Eg) dapat dilihat pada persamaan berikut.
(14)
⁄
(15)
Pada rangkaian ekivalen sederhana sel surya, sebuah sumber arus dihubungkan
pararel dengan dioda. Sumber arus menggambarkan arus cahaya / photocurrent /
Iph yang tergantung pada iradiansi (E) dan koefisien temperatur (co).
(16)
Dengan menggunakan koefisien c1 dan c2 pengaruh temperatur pada photocurrent:
).E
(17)
Dari hukum pertama Kirchhoff, maka didapat persamaan arus sebagai berikut.
8
Universitas Sumatera Utara
(
)
(18)
Tegangan dari sel surya yang dihubung singkat adalah 0. Dalam hal ini arus
hubung singkat (Isc) sama dengan arus cahaya (photocurrent) Iph. Karena
photocurrent sebanding iradiansi (E), maka arus hubung singkat juga demikian.
(19)
Arus hubung singkat meningkat dengan bertambahnya temperatur. Temperatur
standar untuk kondisi arus hubung singkat yaitu biasanya T = 250C. Koefisien
temperatur αisc dari arus hubung singkat berdasarkan nilainya untuk dapat dihitung
pada nilai temperatur lain yaitu menggunakan persamaan berikut:
(20)
Untuk sel surya jenis silikon, koefisien dari arus hubung singkat adalah diantara
αisc = +10-3/oC dan αisc = +10-4/oC. Jika tegangan bernilai nol, maka persamaan
arus hubung singkat yaitu
. Jika arus sel surya adalah nol, maka sel surya
pada kondisi rangkaian terbuka. Tegangan sel akan menjadi tegangan rangkaian
terbuka (Voc). Persamaan I-V dari rangkaian ekivalen sederhana untuk nilai Voc
saat arus bernilai nol yaitu:
(21)
Atau dapat menggunakan persamaan lainnya yaitu:
(22)
Atau saat Isc lebih besar daripada Is, maka:
(23)
Karena Isc sebanding dengan iradiansi (E), maka Voc sebanding dengan:
(24)
Koefisien temperatur dari Voc mempunyai kemiripan dengan Isc. Koefisien
tersebut mempunyai tanda negatif. Untuk sel surya silikon, koefisien temperatur
diantara αvoc = -3.10-3/oC dan -5.10-3/oC. Jadi disimpulkan bahwa untuk
menyederhanakan proses, maka Iph dapat diasumsikan sama dengan Isc. Faktor
dioda m dari dioda ideal yaitu 1. Jadi, dua parameter telah diestimasi. Arus
saturasi dioda dapat dihitung sesuai persamaan sebelumnya.
9
Universitas Sumatera Utara
(
(25)
)
Sel surya memiliki kurva karakteristik (I-V dan P-V) yang memiliki titik
maksimum. Titik tersebut dinamakan titik daya maksimum (maximum power
point / MPP).
(26)
Parameter lain dari sebuah sel surya yaitu faktor pengisian (fill factor). Fill factor
adalah kriteria kualitas dari sel surya yang menggambarkan seberapa baik kurva IV sesuai dengan bentuk persegi Voc dan Isc. Nilainya selalu lebih kecil dari 1 dan
biasanya diantara 0.75 - 0.85 untuk sel surya jenis silikon kristal, serta 0.5 – 0.7
untuk sel surya jenis amorphous/thin film.
Gambar 2.8 Daya maksimum pada karakteristik arus-tegangan
Gambar 2.8 merupakan karakteristik yang menunjukkan titik daya maksimum.
Fill factor juga merupakan pembagian nilai daya maksimum terhadap tegangan
rangkaian terbuka dan arus hubung singkat. Fill factor dapat dijelaskan sebagai
hubungan antara daerah B terhadap daerah A seperti pada gambar berikut.
(27)
Gambar 2.9 Faktor pengisian pada sel surya
10
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.9 menunjukkan bentuk kurva yang terdiri dari area B dan area A yang
menggambarkan fill factor. Arus hubung singkat (Isc) dapat dikalkulasi untuk
temperatur yang diberikan (Tj), untuk variasi temperatur kecil, yaitu:
(28)
[
]
(29)
Dimana αsc adalah koefisien temperatur relatif dari arus hubung singkat (/oK) yang
diperoleh dari data sheet, Tjref adalah temperatur referensi dari sel PV (oK), Isc-Tjref
adalah arus hubung singkat pada temperatur referensi. Begitu juga dengan
tegangan rangkaian terbuka, untuk variasi temperatur kecil dapat juga dengan
persamaan:
[
]
(30)
Dimana Voc-Tjref adalah tegangan rangkaian terbuka pada temperatur referensi dan
oc
adalah koefisien temperatur relatif dari tegangan (/oK) yang didapat dari data
sheet. Bahkan, data sheet juga memberikan koefisien temperatur dari PMPP.
[
]
Dimana PMPP-Tjref adalah daya maksimum pada temperatur referensi,
(31)
mpp
adalah
o
koefisien temperatur daya maksimum relatif (/ K) yang diperoleh dari data sheet.
Berikut ini akan dijelaskan lebih detail apa saja yang mempengaruhi efisiensi sel
surya, dengan persamaan berikut.
(32)
(33)
(34)
adalah efisiensi koleksi eksternal dan
⁄
∫
(35)
adalah efisiensi koleksi internal.
adalah photocurrent maksimum yang mungkin dapat dihasilkan jika semua
photon dengan E > EG yang terbentuk dan pasangan electron-hole yang
berkumpul.
adalah arus light-generated, yang menggambarkan akan menajdi
apa arus hubung singkat jika setiap photon yang diserap dikumpulkan dan
terdistribusi ke arus hubung singkat. Eg adalah energi band gap atau energy
11
Universitas Sumatera Utara
maksimum yang dapat diekstrak dari photon yang diserap. Nilai bandgap
tergantung dari jenis material semikonduktor yang digunakan.
(36)
Efisiensi photon menghitung photon yang tidak direfleksikan, ditransmisikan, atau
tidak diserap oleh sel surya. Berikut adalah persamaan hubungan antara fill factor
dan tegangan rangkaian terbuka.
(37)
Dari persamaan diatas dapat dilihat bahwa FF bertambah secara perlahan seiring
pertambahan tegangan rangkaian terbuka. Efisiensi tegangan adalah perbandingan
tegangan rangkaian terbuka terhadap tegangan bandgap.
(38)
Secara empiris, sel surya terbaik mempunyai tegangan rangkaian terbuka 0.4V
lebih kecil daripada tegangan bandgap. Untuk silikon, ηv = 0.643. Berikut adalah
persamaan tegangan rangkaian terbuka.
(39)
Dari persamaan, dapat dilihat bahwa tegangan rangkaian terbuka berbanding lurus
dengan logaritma arus hubung singkat, dan berbanding terbalik dengan arus
saturasi. Oleh karena itu, mengurangi arus saturasi akan menambah tegangan
rangkaian terbuka.
2.3 Prinsip Kerja Fotovoltaik
Berikut akan dijelaskan bagaimana prinsip kerja dari sel surya, dimana
jenis sel surya silikon kristal sebagai contohnya. Silikon yang memiliki tingkat
kemurnian tinggi dan juga kualitas kristal yang tinggi, diperlukan untuk membuat
sel surya. Atom silikon membentuk kisi kristal yang stabil dimana masing-masing
atom silikon mempunyai empat elektron yang berikatan (elektron valensi) di kulit
terluarnya. Untuk membentuk sebuah konfigurasi elektron yang stabil di kisi
kristal, dua elektron dari dua atom yang berdekatan membentuk ikatan pasangan
elektron. Dengan membentuk ikatan pasangan elektron dengan empat elektron
yang berdekatan, silikon mencapai konfigurasi gas mulia yang stabil dengan
12
Universitas Sumatera Utara
delapan elektron terluar. Ikatan elektron ini dapat dipisahkan oleh cahaya atau
panas. Elektron tersebut kemudian bebas bergerak dan meninggalkan suatu
rongga (hole) di dalam kisi yang disebut sebagai konduktivitas intrinsik.
Gambar 2.10 Struktur kristal silikon dan konduktivitas intrinsik [4]
Gambar 2.10 merupakan kondisi struktur kristal silikon dan konduktivitas
intrinsik saat elektron bergerak. Konduktivitas intrinsik tidak dapat digunakan
untuk menghasilkan listrik. Agar material silikon dapat digunakan untuk
menghasilkan energi, pengotoran (doping) sengaja dilakukan ke dalam kisi kristal
[4]. Ini dikenal sebagai atom doping. Atom-atom ini memiliki satu elektron lebih
(fosfor) atau satu elektron kurang (boron) dari silikon di kulit elektron terluarnya.
Dengan demikian, atom doping menghasilkan 'atom pengotor' dalam kisi kristal.
Gambar 2.11 Konduksi ekstrinsik di dalam silikon dengan doping p dan n [4]
Gambar 2.11 memperlihatkan konduksi ekstrinsik di dalam silikon dengan doping
p dan n. Pada kondisi fosfor sebagai doping n, maka ada kelebihan elektron untuk
setiap atom fosfor di kisi. Elektron ini dapat bergerak dengan bebas di dalam
kristal dan oleh karena itu mengangkut muatan listrik. Dengan boron sebagai
doping p, maka ada lubang (ikatan elektron yang hilang) untuk setiap atom boron
dalam kisi. Elektron dari atom silikon tetangga (terdekat) dapat mengisi lubang
ini, menciptakan sebuah lubang (hole) baru di tempat lain. Metode konduksi
13
Universitas Sumatera Utara
berdasarkan atom doping dikenal sebagai konduksi pengotor atau konduksi
ekstrinsik. Dengan mempertimbangkan material doping p atau n, muatan bebas
tidak memiliki arah yang untuk pergerakan mereka.
Jika lapisan semikonduktor dengan doping p dan n dibawa bersama,
sebuah sambungan p-n (positif-negatif) terbentuk. Pada sambungan (junction) ini,
elektron yang berlebih dari semikonduktor n berdifusi ke dalam lapisan
semikonduktor p. Hal ini menciptakan suatu daerah dengan beberapa pembawa
muatan bebas. Wilayah ini dikenal sebagai daerah muatan ruang. Atom doping
bermuatan positif tetap di wilayah n dan atom doping bermuatan negatif tetap di
wilayah p dalam periode transisi. Medan listrik yang diciptakan berlawanan
dengan gerakan pembawa muatan, akibatnya difusi tidak berlanjut terus menerus.
Gambar 2.12 Bentuk daerah ruang muatan pada sambungan p-n [4]
Gambar 2.12 memperlihatkan bentuk daerah ruang muatan pada sambungan p-n.
Jika semikonduktor p-n (sel surya) terkena cahaya, foton diserap oleh elektron.
Energi yang masuk tersebut memecah ikatan elektron sehingga elektron yang
terlepas ditarik melalui medan listrik ke wilayah n. Lubang yang terbentuk
bermigrasi dalam arah yang berlawanan ke wilayah p. Proses ini secara
keseluruhan disebut efek fotovoltaik. Penyebaran pembawa muatan ke kontak
listrik menyebabkan tegangan timbul pada sel surya. Pada keadaan tanpa beban,
tegangan rangkaian terbuka (Voc) timbul pada sel surya. Jika rangkaian listrik
tertutup, maka arus listrik akan mengalir.
2.4 Material Sel Surya
Ada berbagai macam material semikonduktor yang dapat digunakan untuk
membuat sel surya. Material semikonduktor tersebut yang paling banyak
14
Universitas Sumatera Utara
digunakan dalam sel surya adalah silikon. Masing-masing material mempunyai
tingkat efisiensi yang berbeda. Adapun material sel surya yaitu sebagai berikut:
1. Silikon
Silikon dapat ditemukan terutama dari pasir kuarsa (SiO2) yang mengalami proses
reduksi dengan temperatur sekitar 18000C (32720F) [10]. Hasil dari proses
tersebut disebut Metallurgical-Grade Silicon (MG-Si) dengan kemurnian
mencapai 98%. Proses lain untuk mengekstraksi silikon yaitu reduksi
aluminothermic. Silikon yang digunakan oleh industri komputer disebut
Electronic-Grade Silicon (EG-Si) untuk memproduksi perangkat semikonduktor.
Tingkat kemurnian yang tinggi tersebut tidaklah diperlukan dalam produksi sel
surya namun yang digunakan yaitu Solargrade Silicon (SOG-Si). Akan tetapi
proses pemurnian diperlukan untuk memproduksi SOG-Si. Silikon dicampur
dengan Hydrogen Chloride atau Chloric Acid (HCl) dalam proses silan. Sebuah
reaksi eksotermik menghasilkan Trichlorosilane (SiHCl3) dan Hydrogen (H2).
Trichlorosilane bersifat cairan jika pada temperatur 300C. Proses Chemical
Vapour Deposition (CVD) digunakan untuk melapisi silikon. Silikon diendapkan
sebagai
batang silikon
tipis
pada
temperatur
1350°C
(2462°F).
Saat
trichlorosilane dicampur dengan hidrogen dengan tingkat kemurnian yang tinggi,
maka dihasilkan batang silikon dengan kemurnian tinggi dengan diameter
mencapai 30 cm (12 inch) dan panjang mencapai 2 m (80 inch).
Silikon kristal terdiri dari 2 jenis yaitu silikon monokristal dan silikon
polikristal. Efisiensi tertinggi dari sel surya silikon adalah sekitar 25% dengan
pengaruh beberapa material semikonduktor lainnya dapat mencapai 30%, yang
tergantung pada panjang gelombang dan semikonduktor bahan.
Gambar 2.13 Struktur dan tampilan depan sel surya silikon kristal [10]
Gambar 2.13 merupakan gambar struktur dan tampilan depan sel surya silikon
kristal. Material silikon kristal telah membuat hampir 90% perkembangan sel
15
Universitas Sumatera Utara
surya dibelahan dunia. Dominasi terjadi karena teknologi silikon telah
diuntungkan oleh perkembangan sistem mikroelektronika, sementara peneliti sel
thin film harus mengembangkan peralatan manufaktur sendiri [6].
2. Thin film
Selain silikon kristal, material lain seperti thin film juga digunakan dalam
pembuatan sel surya. Thin-film solar cell (TFSC) adalah sel surya yang dibuat
dari bahan thin film. TFSC didasarkan pada bahan-bahan yang sangat menyerap
sinar matahari sehingga sel dapat dibuat menjadi sangat tipis [6]. Thin film terbuat
dari amorphous silicon, cadmium telluride (CdTe) atau copper indium diselenide
(CuInSe2 atau CIS). Karena penyerapan yang tinggi dari material ini, ketebalan
lapisan < 0,001 mm dimana secara teoritis cukup untuk mengkonversi cahaya
matahari. Material tersebut lebih tahan terhadap kontaminasi oleh atom asing.
Gambar 2.14 Perbandingan sel thin film (kiri) dan silikon kristal (kanan) [4]
Gambar 2.14 merupakan perbandingan sel thin film (kiri) dan silikon kristal
(kanan). Modul thin film dapat dihasilkan dengan menggunakan sebagian kecil
dari bahan semikonduktor yang diperlukan untuk modul kristal dan ini
menjanjikan biaya produksi yang lebih rendah dalam jangka menengah. Oleh
karena itu potensi perkembangan modul thin film sangat tinggi. Dasar untuk
membuat modul surya amorphous silicon adalah substrat, yang dalam kebanyakan
kasus adalah kaca atau metal foil. Material amorphous silicon kebanyakan
digunakan pada aplikasi kecil seperti kalkulator dan jam [10].
Gambar 2.15 Struktur modul surya amorphous silicon [10]
16
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.15 merupakan gambar struktur modul surya amorphous silicon yang
terdiri dari aluminium, silicon, dan tin oxide.
2.5 Celah Pita (Band Gap)
Celah pita adalah perbedaan energi elektron pada pita valensi dan subkulit terluar
pita konduksi. Band gap tergantung panjang gelombang radiasi matahari [1].
(40)
Dimana :
E = energi band gap (eV)
h = konstanta planck = 6,625 x 10-34 J.s
c = kecepatan cahaya = 3 x 108 m/s
= panjang gelombang (m)
1 eV = 1,6 x 10-19 J
Tabel 2.2 Nilai celah pita dari beberapa material sel PV [1]
Material
Band Gap (eV)
Material
Band Gap (eV)
Si
1.11
CuInTe2
0.90
SiC
2.60
InP
1.27
CdAs2
1.00
In2Te3
1.20
CdTe
1.44
In2O3
2.80
CdSe
1.74
Zn3P2
1.60
CdS
2.42
ZnTe
2.20
CdSnO4
2.90
ZnSe
2.60
GaAs
1.40
AlP
2.43
GaP
2.24
AlSb
1.63
Cu2S
1.80
As2Se3
1.60
CuO
2.00
Sb2Se3
1.20
Cu2Se
1.40
Ge
0.67
CuInS2
1.50
Se
1.60
CuInSe2
1.01
Tabel 2.2 adalah daftar material dengan disertai nilai celah pita atau band gap.
17
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.16 Efisiensi berdasarkan nilai celah pita semikonduktor [6]
Gambar 2.16 menunjukkan efisiensi maksimum yaitu 48% terhadap nilai celah
pita (Eg) sebesar 1.1 eV, mendekati nilai celah pita silikon meskipun nilai celah
pita diantara 1.0 dan 1.6 eV memiliki efisiensi yang sebanding.
2.6 Karakteristik Sel Surya
Karakteristik sel PV secara umum direpresentasikan oleh kurva arus vs
tegangan (I-V) dan daya vs tegangan (P-V). Kurva karakteristik I-V bergantung
pada beberapa hal, salah satunya yaitu tingkat intensitas cahaya. Rata-rata nilai
intensitas cahaya pada batas luar atmosfer bumi adalah sekitar 1.366 kW/m 2. Pada
permukaan bumi, standar tes kondisi untuk tingkat intensitas cahaya yaitu sebesar
1 kW/m2 (berdasarkan tipe spektrum AM1.5) dan temperatur sel yaitu 250C [11].
Gambar 2.17 Kurva karakteristik I-V dan P-V dengan titik daya maksimum [10]
Gambar 2.17 memperlihatkan kurva karakteristik I-V dan P-V dengan titik daya
maksimum.
Gambar 2.18 Pengaruh intensitas cahaya pada kurva karakteristik I-V [8]
18
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.18 memperlihatkan pengaruh intensitas cahaya pada kurva karakteristik
I-V. Kita mencatat bahwa Isc bertambah secara linear terhadap iradiansi dan
bahwa Voc bertambah dengan sedikit.
2.7 Powersim (PSIM)
Powersim adalah perangkat yang digunakan untuk simulasi dalam bidang
teknik elektro dan perancangan peralatan untuk penelitian dan perkembangan
produk seperti catu daya, motor listrik, konversi daya dan sistem kontrol [12].
Beberapa contoh modul yang ada di perangkat PSIM yaitu penggerak motor,
kontrol digital, energi terbarukan, motor control design suite rangkaian
perancangan kontrol motor, dan lain-lain. Modul energi terbarukan terdiri dari
modul surya dan angin. PSIM menyediakan dua model PV yaitu:
1.
Model Fungsional yaitu model sederhana dan mudah digunakan.
2.
Model Fisik yaitu model yang memperhitungkan efek dari intensitas cahaya
dan suhu. Model fisik ini memungkinkan pengguna untuk memasukkan
parameter yang lebih rinci dari data sel surya.
19
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Energi Matahari
Matahari adalah salah satu contoh dari energi terbarukan (renewable energy) dan
merupakan salah satu energi yang penting dalam kehidupan manusia. Berikut ini
adalah tabel persentase total sumber energi primer dunia pada tahun 2011.
Tabel 2.1 Persentase sumber energi primer dunia pada tahun 2011 [1]
No.
Sumber
Jumlah
1.
Minyak
31.4%
2.
Gas alami
21.3%
3.
Batubara
28.9%
4.
Nuklir
5.2%
5.
Energi terbarukan
13.2%
Tabel 2.1 memperlihatkan jumlah energi terbarukan sebesar 13.2 % dari total
energi primer dan minyak sebesar 31.4 % dari total sumber energi terbarukan
pada tahun 2011.
Gambar 2.1 Sumber energi terbarukan pada kapasitas kelistrikan dunia 2011 [1]
Gambar 2.1 memperlihatkan jumlah energi dari matahari sebesar 1.4% dari total
sumber energi terbarukan pada tahun 2011. Jumlah tertinggi yaitu pada sumber
energi dari air (hydro) sebesar 78%. Matahari menghasilkan energi dalam bentuk
radiasi. Energi dihasilkan dalam inti matahari melalui proses perpaduan antara
atom hidrogen dan helium. Bagian dari massa hidrogen dikonversi menjadi
energi. Dengan kata lain, matahari adalah reaktor fusi nuklir yang sangat besar
dengan masa hidup (umur) sekitar 4,5 x 109 tahun [2]. Karena matahari jauh dari
3
Universitas Sumatera Utara
bumi, maka hanya sebagian kecil radiasi matahari yang sampai ke permukaan
bumi. Ada beberapa jenis radiasi matahari yaitu radiasi langsung (direct
radiation), radiasi tersebar (diffuse radiation), radiasi pantulan (albedo), dan
radiasi total (total radiation) [3].
Gambar 2.2 Komponen radiasi matahari [3]
Gambar 2.2 memperlihatkan tentang peristiwa radiasi dan jenis radiasi
matahari. Intensitas radiasi matahari dari atmosfer bumi tergantung pada jarak
antara matahari dan bumi. Dalam setahun variasi jarak ini antara 1,47 x 108 km
dan 1,52 x 108 km. Sebagai hasilnya, fluktuasi intensitas radiasi matahari antara
1325 W/m2 dan 1412 W/m2. Nilai rata-rata yang dibuat sebagai ketetapan
intensitas radiasi matahari yaitu 1367 W/m2 [4]. Tingkat intensitas tersebut tidak
tercapai pada permukaan bumi. Atmosfer bumi mengurangi tingkat intensitas
tersebut melalui refleksi (pemantulan), penyerapan (oleh ozon, uap air, oksigen
dan karbon dioksida) dan penyebaran (disebabkan oleh molekul udara, partikel
debu atau polusi). Pada saat cuaca yang baik di tengah hari, tingkat intensitas
radiasi matahari dapat mencapai 1000 W/m2 pada permukaan bumi. Nilai tersebut
relatif tergantung pada lokasi. Tingkat intensitas radiasi matahari maksimum
terjadi pada saat cuaca berawan sebagian dan hari yang cerah. Radiasi matahari
secara langsung dapat diukur menggunakan pyranometer.
Gambar 2.3 Pyranometer [4]
4
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3 memperlihatkan bentuk alat ukur pyranometer. Pyranometer
adalah sensor dengan presisi tinggi yang digunakan untuk mengukur radiasi
matahari. Pada pyranometer, terdapat pelat logam hitam sebagai permukaan
penyerap dan di bawahnya terdapat elemen panas dan logam putih. Radiasi
matahari adalah energi yang berasal dari proses thermonuklir yang terjadi di
matahari. Bila densitas energi diintegrasikan sepanjang seluruh panjang
gelombang, maka energi total yang dipancarkan sebanding dengan pangkat empat
suhu absolut atau sesuai dengan hukum Stefan-Boltzmann:
(1)
Dimana G adalah energi yang diradiasikan persatuan waktu dan persatuan luas
(Watt/m2), dan
adalah konstanta Stefan-Boltzmann yang nilainya ( ) = 5,669 x
10-8 W/m2.K4. Penukaran panas netto secara radiasi termal adalah:
Watt
Dimana
(2)
adalah konstanta Stefan-Boltzmann yang nilainya ( ) = 5,669 x 10-8
W/m2.K4. A adalah luas permukaan (m2) dan T adalah temperatur derajat kelvin
pangkat empat (K4). Radiasi yang dipancarkan oleh permukaan matahari (Gs)
adalah sama dengan hasil perkalian konstanta Stefan-Boltzmann ( ) dengan
pangkat empat temperatur permukaan absolut (Ts4) dan dengan luas permukaan
(πds2) atau dengan persamaan:
Gs = π ds2 Ts4 Watt
Dimana
(3)
adalah konstanta Stefan-Boltzmann yang nilainya 5,67 x 10-8
W/(m2.K4), Ts adalah temperatur permukaan dalam satuan Kelvin, dan d s adalah
diameter matahari dalam satuan meter. Pada radiasi ke semua arah, energi yang
diradiasikan mencapai luas permukaan bola dengan matahari sebagai titik
tengahnya. Jari-jari (R) sama dengan jarak rata-rata antara matahari dan bumi.
Luas permukaan bola adalah 4πR2, dan fluks radiasi pada satu satuan luas dari
permukaan bola tersebut yang dinamakan iradiansi, menjadi sebagai berikut:
(4)
(5)
(6)
5
Universitas Sumatera Utara
2.2 Fotovoltaik
Fotovoltaik adalah peristiwa konversi langsung dari cahaya menjadi
listrik. Hal ini menggunakan material yang menyerap foton dari cahaya. Hal
tersebut dapat digunakan untuk membuat pembangkit listrik tenaga surya. Elemen
dasar dari sebuah sistem fotovoltaik adalah sel surya yang mengkonversi energi
matahari menjadi arus searah. Iradiansi adalah kuantitas yang menggambarkan
fluks radiasi matahari yang sampai pada suatu permukaan (kW/m2). Kepadatan
iradiansi dari matahari di atmosfer luar adalah 1.373 kW/m2 tetapi kepadatan
puncak hanya 1 kW/m2 saat penyinaran akhir sinar matahari pada permukaan
bumi [5]. Iradiansi mengukur energi radiasi matahari yang diterima oleh suatu
area permukaan pada waktu tertentu.
Gambar 2.4 Model rangkaian sel surya [6]
Gambar 2.4 menunjukkan model rangkaian sel surya sederhana yang terdiri dari
dua buah dioda. Sebuah sel surya tipikal terdiri dari sambungan p-n yang dibentuk
dari material semikonduktor yang mirip dioda.
Gambar 2.5 Struktur sel surya [7]
Gambar 2.5 memperlihatkan struktur sel surya yang terdiri dari beberapa elemen
seperti lapisan depan, lapisan belakang, dan lain-lain. Untuk mengetahui
pembentukan panel surya, dapat melihat gambar di bawah ini.
Gambar 2.6 Susunan dioda, sel surya dan panel surya [5]
6
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.6 menunjukkan bahwa susunan material dioda dapat membentuk sel
surya, dan susunan sel surya dapat digunakan untuk membentuk panel surya.
Untuk lebih memahami bagaimana arus dan tegangan dihasilkan dari modul PV,
maka diperlukan model rangkaian PV. Model tersebut bermanfaat untuk
digunakan pada tingkat kerumitan tertentu, dapat melakukan input ke dalam
rangkaian, melakukan simulasi dan program komputasi menggunakan perangkat
lunak seperti PSIM®, SPICE® and MATLAB/Simulink® [8]. Alasan utama
mengapa teknologi PV sedang populer adalah karena fakta bahwa teknologi PV
tidak menghasilkan emisi gas rumah kaca, tidak memiliki bagian yang berputar,
memiliki umur yang panjang dan hanya memerlukan sedikit perawatan [9]. Daya
yang dihasilkan dari sebuah panel surya tidak selalu konstan tergantung waktu
dan lingkungan. Untuk kalkulasi data panel surya, diperlukan persamaan
matematis. Berikut adalah rumus matematis yang berhubungan dengan panel
surya terkait faktor pengisian, daya keluaran, daya masukan, dan efisiensi.
(7)
(8)
(9)
(10)
Keterangan : Pout
=
Daya keluaran panel surya (W)
Pin
=
Daya masukan panel surya (W)
η
=
Efisiensi panel surya ( )
Voc
=
Tegangan rangkaian terbuka (V)
Isc
=
Arus hubung singkat (A)
G
=
Intensitas radiasi matahari (W/m2)
A
=
Luas penampang panel surya (m2)
7
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.7 Rangkaian ekivalen sederhana sel surya
Gambar 2.7 merupakan rangkaian ekivalen sederhana sel surya yang terdiri dari
sumber arus dan dioda. Persamaan umum dari arus sel surya (I) berdasarkan
tegangan sel surya (V=VD) dengan arus saturasi (IS) dan faktor diode (m) yaitu:
(11)
VT adalah tegangan termal dimana pada temperature 250C nilainya adalah VT =
25.7 mV. Magnitude dari arus saturasi (IS) adalah diantara 10-10 – 10-5 A.
Sedangkan m adalah faktor dioda dari sebuah diode ideal yang nilainya adalah 1.
Persamaan untuk nilai VT pada kondisi temperatur tertentu yaitu:
(12)
Dengan k (konstanta Boltzmann) = 1.380658 x 10-23 J/K, T (temperatur) dalam
Kelvin (oC + 273.15), dan e (charge of electron) = 1.60217733 x 10-19 Columbs.
(13)
Ketergantungan temperatur pada arus saturasi Is1 dan Is2 dengan koefisien cs1 dan
cs2 dan band gap (Eg) dapat dilihat pada persamaan berikut.
(14)
⁄
(15)
Pada rangkaian ekivalen sederhana sel surya, sebuah sumber arus dihubungkan
pararel dengan dioda. Sumber arus menggambarkan arus cahaya / photocurrent /
Iph yang tergantung pada iradiansi (E) dan koefisien temperatur (co).
(16)
Dengan menggunakan koefisien c1 dan c2 pengaruh temperatur pada photocurrent:
).E
(17)
Dari hukum pertama Kirchhoff, maka didapat persamaan arus sebagai berikut.
8
Universitas Sumatera Utara
(
)
(18)
Tegangan dari sel surya yang dihubung singkat adalah 0. Dalam hal ini arus
hubung singkat (Isc) sama dengan arus cahaya (photocurrent) Iph. Karena
photocurrent sebanding iradiansi (E), maka arus hubung singkat juga demikian.
(19)
Arus hubung singkat meningkat dengan bertambahnya temperatur. Temperatur
standar untuk kondisi arus hubung singkat yaitu biasanya T = 250C. Koefisien
temperatur αisc dari arus hubung singkat berdasarkan nilainya untuk dapat dihitung
pada nilai temperatur lain yaitu menggunakan persamaan berikut:
(20)
Untuk sel surya jenis silikon, koefisien dari arus hubung singkat adalah diantara
αisc = +10-3/oC dan αisc = +10-4/oC. Jika tegangan bernilai nol, maka persamaan
arus hubung singkat yaitu
. Jika arus sel surya adalah nol, maka sel surya
pada kondisi rangkaian terbuka. Tegangan sel akan menjadi tegangan rangkaian
terbuka (Voc). Persamaan I-V dari rangkaian ekivalen sederhana untuk nilai Voc
saat arus bernilai nol yaitu:
(21)
Atau dapat menggunakan persamaan lainnya yaitu:
(22)
Atau saat Isc lebih besar daripada Is, maka:
(23)
Karena Isc sebanding dengan iradiansi (E), maka Voc sebanding dengan:
(24)
Koefisien temperatur dari Voc mempunyai kemiripan dengan Isc. Koefisien
tersebut mempunyai tanda negatif. Untuk sel surya silikon, koefisien temperatur
diantara αvoc = -3.10-3/oC dan -5.10-3/oC. Jadi disimpulkan bahwa untuk
menyederhanakan proses, maka Iph dapat diasumsikan sama dengan Isc. Faktor
dioda m dari dioda ideal yaitu 1. Jadi, dua parameter telah diestimasi. Arus
saturasi dioda dapat dihitung sesuai persamaan sebelumnya.
9
Universitas Sumatera Utara
(
(25)
)
Sel surya memiliki kurva karakteristik (I-V dan P-V) yang memiliki titik
maksimum. Titik tersebut dinamakan titik daya maksimum (maximum power
point / MPP).
(26)
Parameter lain dari sebuah sel surya yaitu faktor pengisian (fill factor). Fill factor
adalah kriteria kualitas dari sel surya yang menggambarkan seberapa baik kurva IV sesuai dengan bentuk persegi Voc dan Isc. Nilainya selalu lebih kecil dari 1 dan
biasanya diantara 0.75 - 0.85 untuk sel surya jenis silikon kristal, serta 0.5 – 0.7
untuk sel surya jenis amorphous/thin film.
Gambar 2.8 Daya maksimum pada karakteristik arus-tegangan
Gambar 2.8 merupakan karakteristik yang menunjukkan titik daya maksimum.
Fill factor juga merupakan pembagian nilai daya maksimum terhadap tegangan
rangkaian terbuka dan arus hubung singkat. Fill factor dapat dijelaskan sebagai
hubungan antara daerah B terhadap daerah A seperti pada gambar berikut.
(27)
Gambar 2.9 Faktor pengisian pada sel surya
10
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.9 menunjukkan bentuk kurva yang terdiri dari area B dan area A yang
menggambarkan fill factor. Arus hubung singkat (Isc) dapat dikalkulasi untuk
temperatur yang diberikan (Tj), untuk variasi temperatur kecil, yaitu:
(28)
[
]
(29)
Dimana αsc adalah koefisien temperatur relatif dari arus hubung singkat (/oK) yang
diperoleh dari data sheet, Tjref adalah temperatur referensi dari sel PV (oK), Isc-Tjref
adalah arus hubung singkat pada temperatur referensi. Begitu juga dengan
tegangan rangkaian terbuka, untuk variasi temperatur kecil dapat juga dengan
persamaan:
[
]
(30)
Dimana Voc-Tjref adalah tegangan rangkaian terbuka pada temperatur referensi dan
oc
adalah koefisien temperatur relatif dari tegangan (/oK) yang didapat dari data
sheet. Bahkan, data sheet juga memberikan koefisien temperatur dari PMPP.
[
]
Dimana PMPP-Tjref adalah daya maksimum pada temperatur referensi,
(31)
mpp
adalah
o
koefisien temperatur daya maksimum relatif (/ K) yang diperoleh dari data sheet.
Berikut ini akan dijelaskan lebih detail apa saja yang mempengaruhi efisiensi sel
surya, dengan persamaan berikut.
(32)
(33)
(34)
adalah efisiensi koleksi eksternal dan
⁄
∫
(35)
adalah efisiensi koleksi internal.
adalah photocurrent maksimum yang mungkin dapat dihasilkan jika semua
photon dengan E > EG yang terbentuk dan pasangan electron-hole yang
berkumpul.
adalah arus light-generated, yang menggambarkan akan menajdi
apa arus hubung singkat jika setiap photon yang diserap dikumpulkan dan
terdistribusi ke arus hubung singkat. Eg adalah energi band gap atau energy
11
Universitas Sumatera Utara
maksimum yang dapat diekstrak dari photon yang diserap. Nilai bandgap
tergantung dari jenis material semikonduktor yang digunakan.
(36)
Efisiensi photon menghitung photon yang tidak direfleksikan, ditransmisikan, atau
tidak diserap oleh sel surya. Berikut adalah persamaan hubungan antara fill factor
dan tegangan rangkaian terbuka.
(37)
Dari persamaan diatas dapat dilihat bahwa FF bertambah secara perlahan seiring
pertambahan tegangan rangkaian terbuka. Efisiensi tegangan adalah perbandingan
tegangan rangkaian terbuka terhadap tegangan bandgap.
(38)
Secara empiris, sel surya terbaik mempunyai tegangan rangkaian terbuka 0.4V
lebih kecil daripada tegangan bandgap. Untuk silikon, ηv = 0.643. Berikut adalah
persamaan tegangan rangkaian terbuka.
(39)
Dari persamaan, dapat dilihat bahwa tegangan rangkaian terbuka berbanding lurus
dengan logaritma arus hubung singkat, dan berbanding terbalik dengan arus
saturasi. Oleh karena itu, mengurangi arus saturasi akan menambah tegangan
rangkaian terbuka.
2.3 Prinsip Kerja Fotovoltaik
Berikut akan dijelaskan bagaimana prinsip kerja dari sel surya, dimana
jenis sel surya silikon kristal sebagai contohnya. Silikon yang memiliki tingkat
kemurnian tinggi dan juga kualitas kristal yang tinggi, diperlukan untuk membuat
sel surya. Atom silikon membentuk kisi kristal yang stabil dimana masing-masing
atom silikon mempunyai empat elektron yang berikatan (elektron valensi) di kulit
terluarnya. Untuk membentuk sebuah konfigurasi elektron yang stabil di kisi
kristal, dua elektron dari dua atom yang berdekatan membentuk ikatan pasangan
elektron. Dengan membentuk ikatan pasangan elektron dengan empat elektron
yang berdekatan, silikon mencapai konfigurasi gas mulia yang stabil dengan
12
Universitas Sumatera Utara
delapan elektron terluar. Ikatan elektron ini dapat dipisahkan oleh cahaya atau
panas. Elektron tersebut kemudian bebas bergerak dan meninggalkan suatu
rongga (hole) di dalam kisi yang disebut sebagai konduktivitas intrinsik.
Gambar 2.10 Struktur kristal silikon dan konduktivitas intrinsik [4]
Gambar 2.10 merupakan kondisi struktur kristal silikon dan konduktivitas
intrinsik saat elektron bergerak. Konduktivitas intrinsik tidak dapat digunakan
untuk menghasilkan listrik. Agar material silikon dapat digunakan untuk
menghasilkan energi, pengotoran (doping) sengaja dilakukan ke dalam kisi kristal
[4]. Ini dikenal sebagai atom doping. Atom-atom ini memiliki satu elektron lebih
(fosfor) atau satu elektron kurang (boron) dari silikon di kulit elektron terluarnya.
Dengan demikian, atom doping menghasilkan 'atom pengotor' dalam kisi kristal.
Gambar 2.11 Konduksi ekstrinsik di dalam silikon dengan doping p dan n [4]
Gambar 2.11 memperlihatkan konduksi ekstrinsik di dalam silikon dengan doping
p dan n. Pada kondisi fosfor sebagai doping n, maka ada kelebihan elektron untuk
setiap atom fosfor di kisi. Elektron ini dapat bergerak dengan bebas di dalam
kristal dan oleh karena itu mengangkut muatan listrik. Dengan boron sebagai
doping p, maka ada lubang (ikatan elektron yang hilang) untuk setiap atom boron
dalam kisi. Elektron dari atom silikon tetangga (terdekat) dapat mengisi lubang
ini, menciptakan sebuah lubang (hole) baru di tempat lain. Metode konduksi
13
Universitas Sumatera Utara
berdasarkan atom doping dikenal sebagai konduksi pengotor atau konduksi
ekstrinsik. Dengan mempertimbangkan material doping p atau n, muatan bebas
tidak memiliki arah yang untuk pergerakan mereka.
Jika lapisan semikonduktor dengan doping p dan n dibawa bersama,
sebuah sambungan p-n (positif-negatif) terbentuk. Pada sambungan (junction) ini,
elektron yang berlebih dari semikonduktor n berdifusi ke dalam lapisan
semikonduktor p. Hal ini menciptakan suatu daerah dengan beberapa pembawa
muatan bebas. Wilayah ini dikenal sebagai daerah muatan ruang. Atom doping
bermuatan positif tetap di wilayah n dan atom doping bermuatan negatif tetap di
wilayah p dalam periode transisi. Medan listrik yang diciptakan berlawanan
dengan gerakan pembawa muatan, akibatnya difusi tidak berlanjut terus menerus.
Gambar 2.12 Bentuk daerah ruang muatan pada sambungan p-n [4]
Gambar 2.12 memperlihatkan bentuk daerah ruang muatan pada sambungan p-n.
Jika semikonduktor p-n (sel surya) terkena cahaya, foton diserap oleh elektron.
Energi yang masuk tersebut memecah ikatan elektron sehingga elektron yang
terlepas ditarik melalui medan listrik ke wilayah n. Lubang yang terbentuk
bermigrasi dalam arah yang berlawanan ke wilayah p. Proses ini secara
keseluruhan disebut efek fotovoltaik. Penyebaran pembawa muatan ke kontak
listrik menyebabkan tegangan timbul pada sel surya. Pada keadaan tanpa beban,
tegangan rangkaian terbuka (Voc) timbul pada sel surya. Jika rangkaian listrik
tertutup, maka arus listrik akan mengalir.
2.4 Material Sel Surya
Ada berbagai macam material semikonduktor yang dapat digunakan untuk
membuat sel surya. Material semikonduktor tersebut yang paling banyak
14
Universitas Sumatera Utara
digunakan dalam sel surya adalah silikon. Masing-masing material mempunyai
tingkat efisiensi yang berbeda. Adapun material sel surya yaitu sebagai berikut:
1. Silikon
Silikon dapat ditemukan terutama dari pasir kuarsa (SiO2) yang mengalami proses
reduksi dengan temperatur sekitar 18000C (32720F) [10]. Hasil dari proses
tersebut disebut Metallurgical-Grade Silicon (MG-Si) dengan kemurnian
mencapai 98%. Proses lain untuk mengekstraksi silikon yaitu reduksi
aluminothermic. Silikon yang digunakan oleh industri komputer disebut
Electronic-Grade Silicon (EG-Si) untuk memproduksi perangkat semikonduktor.
Tingkat kemurnian yang tinggi tersebut tidaklah diperlukan dalam produksi sel
surya namun yang digunakan yaitu Solargrade Silicon (SOG-Si). Akan tetapi
proses pemurnian diperlukan untuk memproduksi SOG-Si. Silikon dicampur
dengan Hydrogen Chloride atau Chloric Acid (HCl) dalam proses silan. Sebuah
reaksi eksotermik menghasilkan Trichlorosilane (SiHCl3) dan Hydrogen (H2).
Trichlorosilane bersifat cairan jika pada temperatur 300C. Proses Chemical
Vapour Deposition (CVD) digunakan untuk melapisi silikon. Silikon diendapkan
sebagai
batang silikon
tipis
pada
temperatur
1350°C
(2462°F).
Saat
trichlorosilane dicampur dengan hidrogen dengan tingkat kemurnian yang tinggi,
maka dihasilkan batang silikon dengan kemurnian tinggi dengan diameter
mencapai 30 cm (12 inch) dan panjang mencapai 2 m (80 inch).
Silikon kristal terdiri dari 2 jenis yaitu silikon monokristal dan silikon
polikristal. Efisiensi tertinggi dari sel surya silikon adalah sekitar 25% dengan
pengaruh beberapa material semikonduktor lainnya dapat mencapai 30%, yang
tergantung pada panjang gelombang dan semikonduktor bahan.
Gambar 2.13 Struktur dan tampilan depan sel surya silikon kristal [10]
Gambar 2.13 merupakan gambar struktur dan tampilan depan sel surya silikon
kristal. Material silikon kristal telah membuat hampir 90% perkembangan sel
15
Universitas Sumatera Utara
surya dibelahan dunia. Dominasi terjadi karena teknologi silikon telah
diuntungkan oleh perkembangan sistem mikroelektronika, sementara peneliti sel
thin film harus mengembangkan peralatan manufaktur sendiri [6].
2. Thin film
Selain silikon kristal, material lain seperti thin film juga digunakan dalam
pembuatan sel surya. Thin-film solar cell (TFSC) adalah sel surya yang dibuat
dari bahan thin film. TFSC didasarkan pada bahan-bahan yang sangat menyerap
sinar matahari sehingga sel dapat dibuat menjadi sangat tipis [6]. Thin film terbuat
dari amorphous silicon, cadmium telluride (CdTe) atau copper indium diselenide
(CuInSe2 atau CIS). Karena penyerapan yang tinggi dari material ini, ketebalan
lapisan < 0,001 mm dimana secara teoritis cukup untuk mengkonversi cahaya
matahari. Material tersebut lebih tahan terhadap kontaminasi oleh atom asing.
Gambar 2.14 Perbandingan sel thin film (kiri) dan silikon kristal (kanan) [4]
Gambar 2.14 merupakan perbandingan sel thin film (kiri) dan silikon kristal
(kanan). Modul thin film dapat dihasilkan dengan menggunakan sebagian kecil
dari bahan semikonduktor yang diperlukan untuk modul kristal dan ini
menjanjikan biaya produksi yang lebih rendah dalam jangka menengah. Oleh
karena itu potensi perkembangan modul thin film sangat tinggi. Dasar untuk
membuat modul surya amorphous silicon adalah substrat, yang dalam kebanyakan
kasus adalah kaca atau metal foil. Material amorphous silicon kebanyakan
digunakan pada aplikasi kecil seperti kalkulator dan jam [10].
Gambar 2.15 Struktur modul surya amorphous silicon [10]
16
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.15 merupakan gambar struktur modul surya amorphous silicon yang
terdiri dari aluminium, silicon, dan tin oxide.
2.5 Celah Pita (Band Gap)
Celah pita adalah perbedaan energi elektron pada pita valensi dan subkulit terluar
pita konduksi. Band gap tergantung panjang gelombang radiasi matahari [1].
(40)
Dimana :
E = energi band gap (eV)
h = konstanta planck = 6,625 x 10-34 J.s
c = kecepatan cahaya = 3 x 108 m/s
= panjang gelombang (m)
1 eV = 1,6 x 10-19 J
Tabel 2.2 Nilai celah pita dari beberapa material sel PV [1]
Material
Band Gap (eV)
Material
Band Gap (eV)
Si
1.11
CuInTe2
0.90
SiC
2.60
InP
1.27
CdAs2
1.00
In2Te3
1.20
CdTe
1.44
In2O3
2.80
CdSe
1.74
Zn3P2
1.60
CdS
2.42
ZnTe
2.20
CdSnO4
2.90
ZnSe
2.60
GaAs
1.40
AlP
2.43
GaP
2.24
AlSb
1.63
Cu2S
1.80
As2Se3
1.60
CuO
2.00
Sb2Se3
1.20
Cu2Se
1.40
Ge
0.67
CuInS2
1.50
Se
1.60
CuInSe2
1.01
Tabel 2.2 adalah daftar material dengan disertai nilai celah pita atau band gap.
17
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.16 Efisiensi berdasarkan nilai celah pita semikonduktor [6]
Gambar 2.16 menunjukkan efisiensi maksimum yaitu 48% terhadap nilai celah
pita (Eg) sebesar 1.1 eV, mendekati nilai celah pita silikon meskipun nilai celah
pita diantara 1.0 dan 1.6 eV memiliki efisiensi yang sebanding.
2.6 Karakteristik Sel Surya
Karakteristik sel PV secara umum direpresentasikan oleh kurva arus vs
tegangan (I-V) dan daya vs tegangan (P-V). Kurva karakteristik I-V bergantung
pada beberapa hal, salah satunya yaitu tingkat intensitas cahaya. Rata-rata nilai
intensitas cahaya pada batas luar atmosfer bumi adalah sekitar 1.366 kW/m 2. Pada
permukaan bumi, standar tes kondisi untuk tingkat intensitas cahaya yaitu sebesar
1 kW/m2 (berdasarkan tipe spektrum AM1.5) dan temperatur sel yaitu 250C [11].
Gambar 2.17 Kurva karakteristik I-V dan P-V dengan titik daya maksimum [10]
Gambar 2.17 memperlihatkan kurva karakteristik I-V dan P-V dengan titik daya
maksimum.
Gambar 2.18 Pengaruh intensitas cahaya pada kurva karakteristik I-V [8]
18
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.18 memperlihatkan pengaruh intensitas cahaya pada kurva karakteristik
I-V. Kita mencatat bahwa Isc bertambah secara linear terhadap iradiansi dan
bahwa Voc bertambah dengan sedikit.
2.7 Powersim (PSIM)
Powersim adalah perangkat yang digunakan untuk simulasi dalam bidang
teknik elektro dan perancangan peralatan untuk penelitian dan perkembangan
produk seperti catu daya, motor listrik, konversi daya dan sistem kontrol [12].
Beberapa contoh modul yang ada di perangkat PSIM yaitu penggerak motor,
kontrol digital, energi terbarukan, motor control design suite rangkaian
perancangan kontrol motor, dan lain-lain. Modul energi terbarukan terdiri dari
modul surya dan angin. PSIM menyediakan dua model PV yaitu:
1.
Model Fungsional yaitu model sederhana dan mudah digunakan.
2.
Model Fisik yaitu model yang memperhitungkan efek dari intensitas cahaya
dan suhu. Model fisik ini memungkinkan pengguna untuk memasukkan
parameter yang lebih rinci dari data sel surya.
19
Universitas Sumatera Utara