USULAN PROGRAM KREATIVITAS MAHASISWA JUD
USULAN PROGRAM KREATIVITAS MAHASISWA
JUDUL PROGRAM
PENINGKATAN KINERJA SOLAR CELL CNT-ZnO NANO MATERIAL
(DYE-SENSITIZED SOLAR CELL) DENGAN AUTO SCANNING POSISI
MATAHARI 3 DIMENSI
Bidang Kegiatan:
PKM-KC
Diusulkan Oleh:
ANDRI WIBOWO
(NIM. 21060110120059/ Angkatan 2010)
GLAR DONIA DENI
(NIM. 24030111130067/ Angkatan 2011)
KASTO WIJOYO T. G.
(NIM.24040210060014/ Angkatan 2010)
UNIVERSITAS DIPONEGORO
SEMARANG
2012
DAFTAR ISI
Halaman Judul..........................................................................................................i
Halaman Pengesahan...............................................................................................ii
Daftar Isi dan Gambar.............................................................................................iii
Latar Belakang............................................................................……….................1
Rumusan Masalah....................................................................................................2
Tujuan......................................................................................................................2
Luaran yang Diharapkan..........................................................................................3
Kegunaan............................................................................................... .................3
Tinjauan Pustaka............................................................................................. ........3
Metode Pelaksanaan.................................................................................................7
Jadwal Kegiatan.......................................................................................................8
Rancangan Biaya......................................................................................................9
Daftar Pustaka..........................................................................................................9
Lampiran................................................................................................................10
iii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1. Standar Spektrum Radiasi Surya...........................................................4
Gambar 2. Struktur Sel Surya Silikon pn-junction..................................................5
Gambar 3. Cara kerja Sel Surya Silikon.................................................................5
Gambar 4. Status PV(fotovoltaik) yang terinstall sampai tahun 2003...................7
Gambar 5.RangkaianSitemControl.........................................................................8
Gambar 6. Desain DSSC.......................................................................................15
Gambar 7. Desain Auto Scanning........................................................................15
iv
A.
JUDUL
“Peningkatan Kinerja Solar Cell CNT-ZnO Nano Merial (Dye-sensitized Solar Cell)
dengan Auto Scanning Posisi Matahari 3 Dimensi”
B.
LATARBELAKANG MASALAH
Sebagai negara tropis, limpahan cahaya matahari di Indonesia sangat melimpah.
Potensinya energi surya di Indoenesia yaitu sekitar 4,8 kWh/m2/hari. Namun berdasarkan
data dari Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral Indonesia, tahun 2005 kapasitas
panel surya yang terpasang di Indonesia baru 8 MW. Nilai ini masih sangat kecil bila
dibandingkan potensi tersebut. Padahal pemanfaatan energi surya misalnya dalam benuk
Solar Home System untuk daerah-daerah terpencil merupakan solusi andal untuk
elektrifikasi desa-desa tersebut. Karena bagaimanapun tingkat elektrifikasi suatu bangsa
menentukan derajat pengetahuan suatu bangsa, karena dengan listrik akan membuka jalan
akses kepada masyrakat global dimana lintas informasi dan ilmu pengetahuan berjalan
dengan sangat cepat.
Tetapi seiring dengan perkembangan nanoteknologi, dominasi tersebut bertahap
mulai tergantikan dengan hadirnya sel surya generasi terbaru, yaitu dye-sensitized solar
cell (DSSC). DSSC merupakan salah satu kandidat potensial sel surya generasi
mendatang, hal ini dikarenakan tidak memerlukan material dengan kemurnian tinggi
sehingga biaya proses produksinya yang relatif rendah. Berbeda dengan sel surya
konvensional dimana semua proses melibatkan material silicon itu sendiri, pada DSSC
absorbsi cahaya dan separasi muatan listrik terjadi pada proses yang terpisah. Absorbsi
cahaya dilakukan oleh molekul dye dan separasi muatan oleh inorganik semikonduktor
nanokristal yang mempunyai bandgap lebar.
Indonesia terletak didaerah sekitar khatulistiwa. Oleh karena itu secara geografis,
posisi matahari setiap saat akan berubah. Matahari dapat menyinari bumi pada waktu
siang hari. Secara umum matahari akan terbit dari timur kebarat dalam hitungan detik,
menit dan jam. Serta matahari akan cenderung bergeser ke selatan dan utara dalam sela
waktu beberapa bulan. Melihat permasalahan diatas maka sangat diperlukan suatu alat
yang mampu mengatur arah sel surya (Solar-Cell) agar selalu menghasilkan keluaran
tegangan yang maksimal pada setiap jamnya. Dari hal diatas Penulis mencoba
merealisasikan alat yang dapat mengatur bagaimana arah sel surya selalu mengikuti
pergeseran dari sumber cahaya dan selalu menghadap tegak lurus dengan matahari
menggunakan sistem auto scanning matahari. Diharapkan dengan diaturnya arah sel
surya akan selalu dihasilkan keluaran tegangan dari sel surya itu maksimal. Untuk
memaksimalkan energy matahari pada DSSC tersebut, sistem ini didukung piranti
elektronik yang cerdas dan hemat energy serta sensor dan tranduser yang akurat. Dengan
demikian enegi matahari akan dimanfaatkan DSSC secara maksimum.
1
C.
PERUMUSAN MASALAH
DSSC sangat potensial untuk dikembangkan di Indonesia karena dalam proses
produksinya tidak memerlukan fasilitas clean room yang selalu menjadi hambatan
terbesar untuk mengembangkan sel surya silikon di Indonesia, selain itu produksinya
relatif mudah.
Posisi matahari sangat menentukan hasil keluaran dari solar cell. Sinar matahari
akan diterima secara maksimal jika menyinari solar cell secara tegak lurus. Selama ini
solar cell dilatakkan pada satu arah dengan sudut kearah matahari pada saat posisi
didaerah khatulistiwa. Pada posisi demikian hasil keluaran solar cell tidak optimal pada
waktu tertentu.
DSSC komersial dengan menggunakan dye sintetis yaitu jenis ruthenium complex
sebagai dye telah mencapai efisiensi 10%, namun ketersedian dan harganya yang mahal
tidak memungkinkan untuk pengembangan penelitian ini sehingga pada penelitian ini
akan digunakan ZnO dengan Dye N3 yang lebih mudah didapat dan harganya lebih
murah. Perbandingan harga ZnO dengan TiO2 sekitar 1:10, sehingga memperbesar
peluang solar cell untuk digunakan masyarakat pada semua kalangan. Serta untuk
mengoptimalkan kinerja solar cell akan ditambahkan bahan CNT nano material pada
silikon. Dikarenakan CNT merupakan material yang berbentuk tabung yang berukuran
nano, sehingga akan menghasilkan jumlah muatan listrik yang lebih banyak dan daya
keluaran solar cell akan meningkat. Sedangkan untuk memaksimalkan fotovoltaik
digunankan auto scanning 3D untuk menjaga luas permukaan pencahayaan matahari.
D.
TUJUAN
Tujuan karya ini yaitu,
1.
2.
3.
E.
Desain dan fabrikasi prototipe dye-sensitized solar cell (DSSC) dengan menggunakan
material-material yang bisa diperoleh dari limbah-limbah di Indonesia.
Pembuatan kerangka dan mekanis auto sacanning yang mampu bergerak secara 3
dimensi mengikuti arah gerak matahari.
Pembuatan sistem kontrol electric dengan mendeteksi intensitas cahaya matahari
maksimal dengan mengatur posisi soolar cell sesuai arah pencahayaan matahari.
LUARAN YANG DIHARAPKAN
Luaran yang diharapkan dari penelitian yang berjudul “Peningkatan Kinerja Solar
Cell CNT-ZnO Nano Merial (Dye-sensitized Solar Cell) dengan Auto Scanning Posisi
Matahari 3 Dimensi” ini adalah terciptanya sebuah prototipe Solar Cell dengan auto
scanning yang mampu menangkap sinar matahari lebih efektif dan efisian, juga Lebih
2
memasyarakatkan DSSC teknologi nano dan auto scanning posisi matahari sebagai
alternatif sel surya yang murah dan power full.
F.
KEGUNAAN
Kegunaan dari karya ini yaitu,
1.
2.
G.
Menjadi alternatif pembangkit listrik solar cell yang murah, efektif, perfoma tinggi dan
bebas polusi.
Menyediakan perangkat yang mampu mengoptimalkan pemanfaatan energi matahari
dengan sistem control otomatis, yang mampu mendeteksi intensitass cahaya matahari dan
mengtur posisi solar cell sehingga menambah/ meningkatkan kinerja solar cell.
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Energi Surya
Energi surya adalah radiasi yang diproduksi oleh reaksi fusi nuklir pada inti
matahari. Matahari mensuplai hampir semua panas dan cahaya yang diterima bumi untu
digunakan makhluk hidup. Energi surya sampai kebumi dalam bentuk paket-paket energi
yang disebut foton.
Dalam kaitannya dengan sel surya, perangkat yang mengkonversi radiasi sinar
matahari menjadi listrik, terdapat dua paramater dalam energi surya yang paling penting :
pertama intensitas radiasi, yaitu jumlah daya matahari yang datang kepada permukaan per
luas area, dan karakteristik spektrum cahaya matahari. Intensitas radiasi matahari diluar
atmosfer bumi disebut konstanta surya, yaitu sebesar 1365 W/m2. Setelah disaring oleh
atmosfer bumi, beberapa sepktrum cahaya hilang, dan intensitas puncak radiasi menjadi
sekitar 1000W/m2. Nilai ini adalah tipikal intensitas radiasi pada keadaan permukaan
tegak lurus sinar matahari dan pada keadaan cerah. Sebagai contoh apabila seseorang
mengikuti pergerakan matahari dalam delapan jam, maka rata-rata intensitas radiasi surya
yang diterima per hari kira-kira 1000 (8/24) = 333 W/m2. Pada permukaan yang diam,
nilai tipikal pada keadaan cerah yaitu antara 180-270 W/m2. Data energi surya untuk
kepentingan ekonomis umumnya direpresentasikan dalam unit insolation. Hubungan
antara rata-rata intensitas radiasi dan insolation dirumuskan dengan persamaan[1],
3
Sebagai contoh untuk intensitas radiasi 250 W/m2, nilai insolation yaitu 6
kWh/hari/m2.
Radiasi surya dipancarkan dari fotoshpere matahari pada temperatur 6000K, yang
memberikan distribusi spektrumnya mirip dengan distribusi spektrum black body.
Dengan melalui atmosfer bumi, radiasi surya diatenuasikan oleh berbagai partikel
diantaranya molekul udara, aerosol, partikel debu, dll sehingga menghasilkan spektrum
seperti ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Standar Spektrum Radiasi Surya.
2.2. Sel Surya
2.2.1. Umum
Sel surya atau fotovoltaik adalah perangkat yang mengkonversi radiasi sinar
matahari menjadi energi listrik. Efek fotovoltaik ini ditemukan oleh Becquerel pada tahun
1839, dimana Becquerel mendeteksi adanya tegangan foto ketika sinar matahari
mengenai elektroda pada larutan elektrolit. Pada tahun 1954 peneliti di Bell Telephone
menemukan untuk pertama kali sel surya silikon berbasis p-n junction dengan efisiensi
6%. Sekarang ini, sel surya silikon mendominasi pasar sel surya dengan pangsa pasar
sekitar 82% dan efisiensi lab dan komersil berturut-turut yaitu 24,7% dan 15%[2][3].
2.2.2. Prinsip Kerja Sel Surya Konvensional Silikon
Prinsip kerja sel surya silikon adalah berdasarkan konsep semikonduktir p-n
junction. Sel terdiri dari lapisan semikonduktor doping-n dan doping-p yang membentuk
p-n junction, lapisan antirefleksi, dan substrat logam sebagai tempat mengalirnya arus
dari lapisan tipe-n (elektron) dan tipe-p (hole).
4
Gambar 2. Struktur Sel Surya Silikon pn-junction.[4]
Semikonduktor tipe-n didapat dengan mendoping silikon dengan unsur dari
golongan V sehingga terdapat kelebihan elektron valensi dibanding atom sekitar. Pada
sisi lain semikonduktor tipe-p didapat dengan doping oleh golongan III sehingga elektron
valensinya defisit satu dibanding atom sekitar. Ketika dua tipe material tersebut
mengalami kontak maka kelebihan elektron dari tipe-n berdifusi pada tipe-p. Sehingga
area doping-n akan bermuatan positif sedangkan area doping-p akan bermuatan negatif.
Medan elektrik yan terjadi antara keduanya mendorong elektron kembali ke daerah-n dan
hole ke daerah-p. Pada proses ini terlah terbentuk p-n junction. Dengan menambahkan
kontak logam pada area p dan n maka telah terbentuk dioda.
Gambar 3. Cara kerja Sel Surya Silikon
Ketka junction disinari, photon yang mempunyai energi sama atau lebih besar dari
lebar pita energi materia tersebut akan menyebabkan eksitasi elektron dari pita valensi ke
5
pita konduksi dan akan meninggalkan hole pada pita valensi. Elektron dan hole ini dapat
bergerak dalam material sehingga menghasilkan pasangan elektron-hole. Apabila
ditempatkan hambatan pada terminal sel surya, maka elektron dari area-n akan kembali
ke area-p sehingga menyebabkan perbedaan potensial dan arus akan mengalir. Skema
cara kerja sel surya silikon ditunjukkan pada Gambar 3.
2.2.3. Pasar Fotovoltaik Dunia
Pada tahun 2006, industri fotovoltaik dunia telah mencapai 1.744 MW,
mengalami kenaikan 19% dibandingkan tahun sebelumnya[5]. Sedangkan dibandingkan
tahun 2003, telah mengalami kenaikan lebih dari 2 kali lipat seperti terlihat pada Gambar
2..
Sedangkan produksi sel surya dunia telah mencapai angka 2.204 MW tahun 2006,
meningkat dari 1,656 MW tahun sebelumnya. Perusahaan Jepang masih mendominasi
produksi sel surya global dengan menguasai 40% sel surya yan beredar didunia saat ini,
turun dari tahun sebelumnya yaitu 46%. Hal ini menunjukkan bahwa pasar sel surya
dunia semakin kompetitif dan terus mengalami kenaikan pasar yang signifikan.
Membuktikan bahwa kebutuhan sel surya dunia akan terus meningkat dan implikasinya
akan menurunkan harga dari modul surya itu sendiri.
Gambar 4. (Status PV(fotovoltaik) yang terinstall sampai tahun 2003 beserta tipe
sel suryanya
H.
METODE PELAKSANAAN
1. Tempat dan Waktu Penelitian
Waktu yang dibutuhkan untuk pembuatan alat dan penelitian ini adalah 5 bulan. Kegiatan
dilakukan di tiga tempat, yaitu :
1. Laboratorium Kimia Universitas Diponegoro
2. Laboratorium Fisika Material Universitas Diponegoro
3. Laboratorium Teknik Kimia Universitas Diponegoro
6
4. Laboratorium Energi LIstrik Elektro Universitas Diponegoro
5. Laboratorium Instrumentasi dan Elektronika Universitas Diponegoro
2. Variabel Penelitian
Variabel tetap yang digunakan dalam penelitian ini :
1. Bahan baku material(CNT,ZnO, Si)
2. Kerangka dan sistem mekanis auto scanning
3. Sistem kontrol elektronik auto scanning
Variabel tidak tetap yang digunakan dalam penelitian ini :
1.
Cahaya Matahari untuk fotovoltaik )
3. Prosedur penelitian
Prosedur penelitian yang akan dilaksanakan dibagi menjadi 3 bagian yang dapat
dikerjakan secara bersamaan :
1. Pembuatan solar cell
2. Pembuatan kerangka dan mekanis auto scanning
3. Pembuatan sistem kontrol auto scanning
Mulai
Pembuatan material
DSSC
Pembuatan kerangka dan
mekanis auto scanning
Pembuatan sistem control
auto scanning(sudah jadi)
Pengujian Material DSSC
Asembly kerangka & mekanis
Asembly sistem control
Fabrikasi DSSC
Pengujian Mekanis
Pengujian sistem control
Pengujian DSSC
Finishing kerangka dan mekanis
Finishing sistem control
Asembly DSSC auto scanning keseluruhan
Pengujian solar cell
selesai
7
4. Hasil Sementara
Sitem kontrol telah dibuat hardware, tinggal sinkronisasi saja dengan sistem mekanis.
Setelah itu bisa diprogram dan uji coba. Dengan hasil jadi sitem kontrol sebagai berikut
ini :
Gambar 5. rangkaian sistem kontrol
Dengan demikian maka untuk pekerjaan poembuatan sitem kontrol tinggal ke tahap
asembly dan pengujian saja.
I.
JADWAL KEGIATAN
Proyek penelitian ini dilaksanakan selama 5 bulan dengan rincian sebagai berikut:
Tabel 1. Jadwal kegiatan program
No Uraian Tahap
1
2
Bulan 1
1 2 3 4
Bulan 2
Bulan 3
Bulan 4
Bulan 5
1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
Pembuatan
DSSC
Pembuatan
Sistem Mekanis
8
3
Pembuatan
sistem Control
4
Pengujian Solar
Cell
J. RANCANGAN BIAYA
Tabel 2. Rancangan biaya
No Keperluan
1.
2.
3.
4.
5.
6.
K.
Bahan
CNT
Silika
Kaca Fiber
ZnO
Elektroda Konduktor
Pembuatan Auto Scanning
Bahan Lain-lain pendukung
Alat pendukung
Spryer
Kompresor
Alat Press
Macam-maccam Gelas Ukur
Solder
Timah
Alat Lain-lain
Biaya Transportasi
Biaya Pengujian
Pengujian ZnO
Pengujian absorsi Dye
Pengujian efisiensi DSSC
Penyusunan Laporan
Publikasi dan dokumentasi
Total
keterangan
Jumlah pengeluaran
1 Kg
1 Kg
1 Lembar
1 liter
1 lembar
1 unit
General
Rp. 1.200.000,00
Rp. 450.000,00
Rp. 600.000,00
Rp. 150.000,00
Rp. 400.000,00
Rp. 1.440.000,00
Rp. 200.000,00
General
General
General
Pirex
General
General
General
Perjalanan
Rp. 170.000,00
Rp. 1.740.000,00
Rp. 2.500.000,00
Rp. 480.000,00
Rp. 130.000,00
Rp. 98.000,00
Rp. 200.000,00
Rp. 400.000,00
Di laboratorium
Di laboratorium
Di laboratorium
Printing
Percekatakan
Rp. 450.000,00
Rp. 600.000,00
Rp. 300.000,00
Rp. 120.000,00
Rp. 150.000,00
Rp. 11.778.000,00
DAFTAR PUSTAKA
Greg P. Smestad, 2002, “Optoelectronics of Solar Cells”, SPIE PRESS.
9
Green, M. A., 2001, “Solar Cell Efficiency Tables (Version 18)”, Prog. Photovolt. Res. Appl.,
9, 287-93
Shah, A., et al., 1999, “Photovoltaic Technology: The Case for Thin-Film Solar Cells”,
Science, 30 July, 285, 692-8.
J. Halme, 2002, “Dye sensitized Nanostructured and Organic Photovoltaic Cells : technical
review and preeliminary test”, Master Thesis of Helsinki University of
Technology..
Annual World Solar Photovoltaic Industry Report, Marketbuzz 2007 report.
Global Market: Current & Next Generation Solar Cell & Related Material Market Outlooks,
Research
and Markets reports.
G. Phani, G. Tulloch, D. Vittorio, dan I. Skyrabin, 2001, “Titania solar cells: new photovoltaic
technology”, Renewable Energy.
R. Sastrawan, 2006, “Photovoltaic modules of dye solar cells”, Disertasi University of
Freiburg.
Kalyanasundaram, K., Grätzel, M., 1998, “Applications of functionalized transition metal
complexes in photonic and optoelectronic devices”, Coordination Chemistry Reviews, \
177, 347-414.
H. Zhang, J.F. Banfield, 2000, “Understanding Polymorphic Phase Transformation Behavior
during Growth of Nanocrystalline Aggregates: Insights from TiO2 “, J Phys Chem B,
vol. 104, pp. 3481..
Wolfbauer, G., et al., 2001, “A channel flow cell system specifically designed to test the
efficiency of redox shuttles in dye sensitized solar cells”, Solar Energy Materials &
Solar Cells, 70, 85-101.
Jian Zhan, Peng Sun, Shan Jiang, Xiaohang Sun, “An investigation of the performance of dyesensitized
nanocrystalline solar cell with anthocyanin dye and ruthenium dye as the
sensitizers”, 2006,
Roskilde University Project.
L. LAMPIRAN
Lampiran 1 : Biodata Ketua
1.
2.
3.
4.
Nama
Tempat/ Tanggal Lahir
NIM
Fakultas/ Universitas
:
:
:
:
Andri Wibowo
Tangerang, 11 Juni 1992
21060110120059
Fakultas Teknik/ Universitas Diponegoro
10
11
12
2. Tempat, tanggal lahir
:
Yogakarta, 21 November 1972
3. NIP
: 19721121 199802 1 001
4. NIDN
: 0021117203
5. Pangkat/Golongan : Penata Tk I/ III-C
6. Jabatan fungsional :
Lektor
7. Fakultas
: Sains dan Matematika
8. Jurusan
: Fisika
9. Laboratorium
: Elektronika dan Instrumentasi
10. Kepakaran
: Fisika Komputasi dan Material
11. Alamat Kantor
: Jl. Prof. H. Soedharto, SH. Tembalang Semarang
Telp. (024) 70790933, Fax. (024) 7680822
12. Alamat Rumah : Jl. Bukit Kelapa Gading IIIAN-25 Bukit Kencana Jaya Semarang
Telp. (024) 76484271
HP. 082129945550
13. Email
: [email protected]
[email protected]
14. Pendidikan Bergelar
Jenjang
Pendidika
Nama
Institusi
Pendidikan
:
Tahun
Lulus
Judul Skripsi/Tesis/Disertasi
S1
UNDIP
1997
Animasi dan Analisa Grafik
Renogram 4 Probe
S2
ITB
2002
Identifikasi Kualitas Susu dengan
Spektroskopi Cahaya Tampak
Menggunakan Jaringan Syaraf Tirua
S3
UTM
2012
Simulation and Modeling of Curve
Channel Metal Oxide Semiconducto
Field Effect Transistor
15. Pelatihan
13
No
Nama Pelatihan
Nama Institusi Penyelenggara
Tahun
1
Media Komunikasi
LPP UNDIP
2004
2
LABVIEW workshop
Monash University, Malaysia
2009
3
Workshop on Journal Publications
UTM, Malaysia
2009
4
Thesis Writing In English For
UTM, Malaysia
Postgraduates
Short Course On Introduction To
Finite
Element
Method
For UTM, Malaysia
Engineering Applications
5
6
Training Course on Mathematica V7
2009
2010
UTM, Malaysia
2010
16. Pengalaman Penelitian
No
1
Judul Penelitian
Rancang Bangun Sistem Pengukur Tingkat Tekanan Suara Berbasis
Komputer
Tahun
2
Rancang Bangun Sistem Pengaturan Intensitas Cahaya Berbasis Komputer
2001
3
Rancang Bangun Sistem Spektroskopi Cahaya Tampak untuk Penentuan
2002
Komposisi Susu Sapi
Rancang Bangun Sistem Spektroskopi Cahaya Tampak dan Identifikasi
2003
Kualitas Minyak Pala Menggunakan Jaringan Syaraf Tiruan
Rancang Bangun Monokromator Dengan Pemilihan Panjang Gelombang
2004
Secara Otomatis Menggunakan Mikrokontroler AT89S51
Rancang Bangun Peralatan Spektroskopi Inframerah untuk Penentuan
2005
Kualitas Susu Sapi Menggunakan Jaringan Syaraf Tiruan
Identifikasi Suatu Unsur berdasarkan Spektrum Emisi Menggunakan Jaringan
2006
Syaraf Tiruan
Semarang 30, Oktober 2012
4
5
6
7
1998
Dr. Jatmiko Endro Suseno, M.Si
14
Lampiran 3.
Gambaran umum teknologi :
Gambar 6. Desain DSSC
Gambar7. desain Auto Scanning
15
JUDUL PROGRAM
PENINGKATAN KINERJA SOLAR CELL CNT-ZnO NANO MATERIAL
(DYE-SENSITIZED SOLAR CELL) DENGAN AUTO SCANNING POSISI
MATAHARI 3 DIMENSI
Bidang Kegiatan:
PKM-KC
Diusulkan Oleh:
ANDRI WIBOWO
(NIM. 21060110120059/ Angkatan 2010)
GLAR DONIA DENI
(NIM. 24030111130067/ Angkatan 2011)
KASTO WIJOYO T. G.
(NIM.24040210060014/ Angkatan 2010)
UNIVERSITAS DIPONEGORO
SEMARANG
2012
DAFTAR ISI
Halaman Judul..........................................................................................................i
Halaman Pengesahan...............................................................................................ii
Daftar Isi dan Gambar.............................................................................................iii
Latar Belakang............................................................................……….................1
Rumusan Masalah....................................................................................................2
Tujuan......................................................................................................................2
Luaran yang Diharapkan..........................................................................................3
Kegunaan............................................................................................... .................3
Tinjauan Pustaka............................................................................................. ........3
Metode Pelaksanaan.................................................................................................7
Jadwal Kegiatan.......................................................................................................8
Rancangan Biaya......................................................................................................9
Daftar Pustaka..........................................................................................................9
Lampiran................................................................................................................10
iii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1. Standar Spektrum Radiasi Surya...........................................................4
Gambar 2. Struktur Sel Surya Silikon pn-junction..................................................5
Gambar 3. Cara kerja Sel Surya Silikon.................................................................5
Gambar 4. Status PV(fotovoltaik) yang terinstall sampai tahun 2003...................7
Gambar 5.RangkaianSitemControl.........................................................................8
Gambar 6. Desain DSSC.......................................................................................15
Gambar 7. Desain Auto Scanning........................................................................15
iv
A.
JUDUL
“Peningkatan Kinerja Solar Cell CNT-ZnO Nano Merial (Dye-sensitized Solar Cell)
dengan Auto Scanning Posisi Matahari 3 Dimensi”
B.
LATARBELAKANG MASALAH
Sebagai negara tropis, limpahan cahaya matahari di Indonesia sangat melimpah.
Potensinya energi surya di Indoenesia yaitu sekitar 4,8 kWh/m2/hari. Namun berdasarkan
data dari Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral Indonesia, tahun 2005 kapasitas
panel surya yang terpasang di Indonesia baru 8 MW. Nilai ini masih sangat kecil bila
dibandingkan potensi tersebut. Padahal pemanfaatan energi surya misalnya dalam benuk
Solar Home System untuk daerah-daerah terpencil merupakan solusi andal untuk
elektrifikasi desa-desa tersebut. Karena bagaimanapun tingkat elektrifikasi suatu bangsa
menentukan derajat pengetahuan suatu bangsa, karena dengan listrik akan membuka jalan
akses kepada masyrakat global dimana lintas informasi dan ilmu pengetahuan berjalan
dengan sangat cepat.
Tetapi seiring dengan perkembangan nanoteknologi, dominasi tersebut bertahap
mulai tergantikan dengan hadirnya sel surya generasi terbaru, yaitu dye-sensitized solar
cell (DSSC). DSSC merupakan salah satu kandidat potensial sel surya generasi
mendatang, hal ini dikarenakan tidak memerlukan material dengan kemurnian tinggi
sehingga biaya proses produksinya yang relatif rendah. Berbeda dengan sel surya
konvensional dimana semua proses melibatkan material silicon itu sendiri, pada DSSC
absorbsi cahaya dan separasi muatan listrik terjadi pada proses yang terpisah. Absorbsi
cahaya dilakukan oleh molekul dye dan separasi muatan oleh inorganik semikonduktor
nanokristal yang mempunyai bandgap lebar.
Indonesia terletak didaerah sekitar khatulistiwa. Oleh karena itu secara geografis,
posisi matahari setiap saat akan berubah. Matahari dapat menyinari bumi pada waktu
siang hari. Secara umum matahari akan terbit dari timur kebarat dalam hitungan detik,
menit dan jam. Serta matahari akan cenderung bergeser ke selatan dan utara dalam sela
waktu beberapa bulan. Melihat permasalahan diatas maka sangat diperlukan suatu alat
yang mampu mengatur arah sel surya (Solar-Cell) agar selalu menghasilkan keluaran
tegangan yang maksimal pada setiap jamnya. Dari hal diatas Penulis mencoba
merealisasikan alat yang dapat mengatur bagaimana arah sel surya selalu mengikuti
pergeseran dari sumber cahaya dan selalu menghadap tegak lurus dengan matahari
menggunakan sistem auto scanning matahari. Diharapkan dengan diaturnya arah sel
surya akan selalu dihasilkan keluaran tegangan dari sel surya itu maksimal. Untuk
memaksimalkan energy matahari pada DSSC tersebut, sistem ini didukung piranti
elektronik yang cerdas dan hemat energy serta sensor dan tranduser yang akurat. Dengan
demikian enegi matahari akan dimanfaatkan DSSC secara maksimum.
1
C.
PERUMUSAN MASALAH
DSSC sangat potensial untuk dikembangkan di Indonesia karena dalam proses
produksinya tidak memerlukan fasilitas clean room yang selalu menjadi hambatan
terbesar untuk mengembangkan sel surya silikon di Indonesia, selain itu produksinya
relatif mudah.
Posisi matahari sangat menentukan hasil keluaran dari solar cell. Sinar matahari
akan diterima secara maksimal jika menyinari solar cell secara tegak lurus. Selama ini
solar cell dilatakkan pada satu arah dengan sudut kearah matahari pada saat posisi
didaerah khatulistiwa. Pada posisi demikian hasil keluaran solar cell tidak optimal pada
waktu tertentu.
DSSC komersial dengan menggunakan dye sintetis yaitu jenis ruthenium complex
sebagai dye telah mencapai efisiensi 10%, namun ketersedian dan harganya yang mahal
tidak memungkinkan untuk pengembangan penelitian ini sehingga pada penelitian ini
akan digunakan ZnO dengan Dye N3 yang lebih mudah didapat dan harganya lebih
murah. Perbandingan harga ZnO dengan TiO2 sekitar 1:10, sehingga memperbesar
peluang solar cell untuk digunakan masyarakat pada semua kalangan. Serta untuk
mengoptimalkan kinerja solar cell akan ditambahkan bahan CNT nano material pada
silikon. Dikarenakan CNT merupakan material yang berbentuk tabung yang berukuran
nano, sehingga akan menghasilkan jumlah muatan listrik yang lebih banyak dan daya
keluaran solar cell akan meningkat. Sedangkan untuk memaksimalkan fotovoltaik
digunankan auto scanning 3D untuk menjaga luas permukaan pencahayaan matahari.
D.
TUJUAN
Tujuan karya ini yaitu,
1.
2.
3.
E.
Desain dan fabrikasi prototipe dye-sensitized solar cell (DSSC) dengan menggunakan
material-material yang bisa diperoleh dari limbah-limbah di Indonesia.
Pembuatan kerangka dan mekanis auto sacanning yang mampu bergerak secara 3
dimensi mengikuti arah gerak matahari.
Pembuatan sistem kontrol electric dengan mendeteksi intensitas cahaya matahari
maksimal dengan mengatur posisi soolar cell sesuai arah pencahayaan matahari.
LUARAN YANG DIHARAPKAN
Luaran yang diharapkan dari penelitian yang berjudul “Peningkatan Kinerja Solar
Cell CNT-ZnO Nano Merial (Dye-sensitized Solar Cell) dengan Auto Scanning Posisi
Matahari 3 Dimensi” ini adalah terciptanya sebuah prototipe Solar Cell dengan auto
scanning yang mampu menangkap sinar matahari lebih efektif dan efisian, juga Lebih
2
memasyarakatkan DSSC teknologi nano dan auto scanning posisi matahari sebagai
alternatif sel surya yang murah dan power full.
F.
KEGUNAAN
Kegunaan dari karya ini yaitu,
1.
2.
G.
Menjadi alternatif pembangkit listrik solar cell yang murah, efektif, perfoma tinggi dan
bebas polusi.
Menyediakan perangkat yang mampu mengoptimalkan pemanfaatan energi matahari
dengan sistem control otomatis, yang mampu mendeteksi intensitass cahaya matahari dan
mengtur posisi solar cell sehingga menambah/ meningkatkan kinerja solar cell.
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Energi Surya
Energi surya adalah radiasi yang diproduksi oleh reaksi fusi nuklir pada inti
matahari. Matahari mensuplai hampir semua panas dan cahaya yang diterima bumi untu
digunakan makhluk hidup. Energi surya sampai kebumi dalam bentuk paket-paket energi
yang disebut foton.
Dalam kaitannya dengan sel surya, perangkat yang mengkonversi radiasi sinar
matahari menjadi listrik, terdapat dua paramater dalam energi surya yang paling penting :
pertama intensitas radiasi, yaitu jumlah daya matahari yang datang kepada permukaan per
luas area, dan karakteristik spektrum cahaya matahari. Intensitas radiasi matahari diluar
atmosfer bumi disebut konstanta surya, yaitu sebesar 1365 W/m2. Setelah disaring oleh
atmosfer bumi, beberapa sepktrum cahaya hilang, dan intensitas puncak radiasi menjadi
sekitar 1000W/m2. Nilai ini adalah tipikal intensitas radiasi pada keadaan permukaan
tegak lurus sinar matahari dan pada keadaan cerah. Sebagai contoh apabila seseorang
mengikuti pergerakan matahari dalam delapan jam, maka rata-rata intensitas radiasi surya
yang diterima per hari kira-kira 1000 (8/24) = 333 W/m2. Pada permukaan yang diam,
nilai tipikal pada keadaan cerah yaitu antara 180-270 W/m2. Data energi surya untuk
kepentingan ekonomis umumnya direpresentasikan dalam unit insolation. Hubungan
antara rata-rata intensitas radiasi dan insolation dirumuskan dengan persamaan[1],
3
Sebagai contoh untuk intensitas radiasi 250 W/m2, nilai insolation yaitu 6
kWh/hari/m2.
Radiasi surya dipancarkan dari fotoshpere matahari pada temperatur 6000K, yang
memberikan distribusi spektrumnya mirip dengan distribusi spektrum black body.
Dengan melalui atmosfer bumi, radiasi surya diatenuasikan oleh berbagai partikel
diantaranya molekul udara, aerosol, partikel debu, dll sehingga menghasilkan spektrum
seperti ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Standar Spektrum Radiasi Surya.
2.2. Sel Surya
2.2.1. Umum
Sel surya atau fotovoltaik adalah perangkat yang mengkonversi radiasi sinar
matahari menjadi energi listrik. Efek fotovoltaik ini ditemukan oleh Becquerel pada tahun
1839, dimana Becquerel mendeteksi adanya tegangan foto ketika sinar matahari
mengenai elektroda pada larutan elektrolit. Pada tahun 1954 peneliti di Bell Telephone
menemukan untuk pertama kali sel surya silikon berbasis p-n junction dengan efisiensi
6%. Sekarang ini, sel surya silikon mendominasi pasar sel surya dengan pangsa pasar
sekitar 82% dan efisiensi lab dan komersil berturut-turut yaitu 24,7% dan 15%[2][3].
2.2.2. Prinsip Kerja Sel Surya Konvensional Silikon
Prinsip kerja sel surya silikon adalah berdasarkan konsep semikonduktir p-n
junction. Sel terdiri dari lapisan semikonduktor doping-n dan doping-p yang membentuk
p-n junction, lapisan antirefleksi, dan substrat logam sebagai tempat mengalirnya arus
dari lapisan tipe-n (elektron) dan tipe-p (hole).
4
Gambar 2. Struktur Sel Surya Silikon pn-junction.[4]
Semikonduktor tipe-n didapat dengan mendoping silikon dengan unsur dari
golongan V sehingga terdapat kelebihan elektron valensi dibanding atom sekitar. Pada
sisi lain semikonduktor tipe-p didapat dengan doping oleh golongan III sehingga elektron
valensinya defisit satu dibanding atom sekitar. Ketika dua tipe material tersebut
mengalami kontak maka kelebihan elektron dari tipe-n berdifusi pada tipe-p. Sehingga
area doping-n akan bermuatan positif sedangkan area doping-p akan bermuatan negatif.
Medan elektrik yan terjadi antara keduanya mendorong elektron kembali ke daerah-n dan
hole ke daerah-p. Pada proses ini terlah terbentuk p-n junction. Dengan menambahkan
kontak logam pada area p dan n maka telah terbentuk dioda.
Gambar 3. Cara kerja Sel Surya Silikon
Ketka junction disinari, photon yang mempunyai energi sama atau lebih besar dari
lebar pita energi materia tersebut akan menyebabkan eksitasi elektron dari pita valensi ke
5
pita konduksi dan akan meninggalkan hole pada pita valensi. Elektron dan hole ini dapat
bergerak dalam material sehingga menghasilkan pasangan elektron-hole. Apabila
ditempatkan hambatan pada terminal sel surya, maka elektron dari area-n akan kembali
ke area-p sehingga menyebabkan perbedaan potensial dan arus akan mengalir. Skema
cara kerja sel surya silikon ditunjukkan pada Gambar 3.
2.2.3. Pasar Fotovoltaik Dunia
Pada tahun 2006, industri fotovoltaik dunia telah mencapai 1.744 MW,
mengalami kenaikan 19% dibandingkan tahun sebelumnya[5]. Sedangkan dibandingkan
tahun 2003, telah mengalami kenaikan lebih dari 2 kali lipat seperti terlihat pada Gambar
2..
Sedangkan produksi sel surya dunia telah mencapai angka 2.204 MW tahun 2006,
meningkat dari 1,656 MW tahun sebelumnya. Perusahaan Jepang masih mendominasi
produksi sel surya global dengan menguasai 40% sel surya yan beredar didunia saat ini,
turun dari tahun sebelumnya yaitu 46%. Hal ini menunjukkan bahwa pasar sel surya
dunia semakin kompetitif dan terus mengalami kenaikan pasar yang signifikan.
Membuktikan bahwa kebutuhan sel surya dunia akan terus meningkat dan implikasinya
akan menurunkan harga dari modul surya itu sendiri.
Gambar 4. (Status PV(fotovoltaik) yang terinstall sampai tahun 2003 beserta tipe
sel suryanya
H.
METODE PELAKSANAAN
1. Tempat dan Waktu Penelitian
Waktu yang dibutuhkan untuk pembuatan alat dan penelitian ini adalah 5 bulan. Kegiatan
dilakukan di tiga tempat, yaitu :
1. Laboratorium Kimia Universitas Diponegoro
2. Laboratorium Fisika Material Universitas Diponegoro
3. Laboratorium Teknik Kimia Universitas Diponegoro
6
4. Laboratorium Energi LIstrik Elektro Universitas Diponegoro
5. Laboratorium Instrumentasi dan Elektronika Universitas Diponegoro
2. Variabel Penelitian
Variabel tetap yang digunakan dalam penelitian ini :
1. Bahan baku material(CNT,ZnO, Si)
2. Kerangka dan sistem mekanis auto scanning
3. Sistem kontrol elektronik auto scanning
Variabel tidak tetap yang digunakan dalam penelitian ini :
1.
Cahaya Matahari untuk fotovoltaik )
3. Prosedur penelitian
Prosedur penelitian yang akan dilaksanakan dibagi menjadi 3 bagian yang dapat
dikerjakan secara bersamaan :
1. Pembuatan solar cell
2. Pembuatan kerangka dan mekanis auto scanning
3. Pembuatan sistem kontrol auto scanning
Mulai
Pembuatan material
DSSC
Pembuatan kerangka dan
mekanis auto scanning
Pembuatan sistem control
auto scanning(sudah jadi)
Pengujian Material DSSC
Asembly kerangka & mekanis
Asembly sistem control
Fabrikasi DSSC
Pengujian Mekanis
Pengujian sistem control
Pengujian DSSC
Finishing kerangka dan mekanis
Finishing sistem control
Asembly DSSC auto scanning keseluruhan
Pengujian solar cell
selesai
7
4. Hasil Sementara
Sitem kontrol telah dibuat hardware, tinggal sinkronisasi saja dengan sistem mekanis.
Setelah itu bisa diprogram dan uji coba. Dengan hasil jadi sitem kontrol sebagai berikut
ini :
Gambar 5. rangkaian sistem kontrol
Dengan demikian maka untuk pekerjaan poembuatan sitem kontrol tinggal ke tahap
asembly dan pengujian saja.
I.
JADWAL KEGIATAN
Proyek penelitian ini dilaksanakan selama 5 bulan dengan rincian sebagai berikut:
Tabel 1. Jadwal kegiatan program
No Uraian Tahap
1
2
Bulan 1
1 2 3 4
Bulan 2
Bulan 3
Bulan 4
Bulan 5
1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
Pembuatan
DSSC
Pembuatan
Sistem Mekanis
8
3
Pembuatan
sistem Control
4
Pengujian Solar
Cell
J. RANCANGAN BIAYA
Tabel 2. Rancangan biaya
No Keperluan
1.
2.
3.
4.
5.
6.
K.
Bahan
CNT
Silika
Kaca Fiber
ZnO
Elektroda Konduktor
Pembuatan Auto Scanning
Bahan Lain-lain pendukung
Alat pendukung
Spryer
Kompresor
Alat Press
Macam-maccam Gelas Ukur
Solder
Timah
Alat Lain-lain
Biaya Transportasi
Biaya Pengujian
Pengujian ZnO
Pengujian absorsi Dye
Pengujian efisiensi DSSC
Penyusunan Laporan
Publikasi dan dokumentasi
Total
keterangan
Jumlah pengeluaran
1 Kg
1 Kg
1 Lembar
1 liter
1 lembar
1 unit
General
Rp. 1.200.000,00
Rp. 450.000,00
Rp. 600.000,00
Rp. 150.000,00
Rp. 400.000,00
Rp. 1.440.000,00
Rp. 200.000,00
General
General
General
Pirex
General
General
General
Perjalanan
Rp. 170.000,00
Rp. 1.740.000,00
Rp. 2.500.000,00
Rp. 480.000,00
Rp. 130.000,00
Rp. 98.000,00
Rp. 200.000,00
Rp. 400.000,00
Di laboratorium
Di laboratorium
Di laboratorium
Printing
Percekatakan
Rp. 450.000,00
Rp. 600.000,00
Rp. 300.000,00
Rp. 120.000,00
Rp. 150.000,00
Rp. 11.778.000,00
DAFTAR PUSTAKA
Greg P. Smestad, 2002, “Optoelectronics of Solar Cells”, SPIE PRESS.
9
Green, M. A., 2001, “Solar Cell Efficiency Tables (Version 18)”, Prog. Photovolt. Res. Appl.,
9, 287-93
Shah, A., et al., 1999, “Photovoltaic Technology: The Case for Thin-Film Solar Cells”,
Science, 30 July, 285, 692-8.
J. Halme, 2002, “Dye sensitized Nanostructured and Organic Photovoltaic Cells : technical
review and preeliminary test”, Master Thesis of Helsinki University of
Technology..
Annual World Solar Photovoltaic Industry Report, Marketbuzz 2007 report.
Global Market: Current & Next Generation Solar Cell & Related Material Market Outlooks,
Research
and Markets reports.
G. Phani, G. Tulloch, D. Vittorio, dan I. Skyrabin, 2001, “Titania solar cells: new photovoltaic
technology”, Renewable Energy.
R. Sastrawan, 2006, “Photovoltaic modules of dye solar cells”, Disertasi University of
Freiburg.
Kalyanasundaram, K., Grätzel, M., 1998, “Applications of functionalized transition metal
complexes in photonic and optoelectronic devices”, Coordination Chemistry Reviews, \
177, 347-414.
H. Zhang, J.F. Banfield, 2000, “Understanding Polymorphic Phase Transformation Behavior
during Growth of Nanocrystalline Aggregates: Insights from TiO2 “, J Phys Chem B,
vol. 104, pp. 3481..
Wolfbauer, G., et al., 2001, “A channel flow cell system specifically designed to test the
efficiency of redox shuttles in dye sensitized solar cells”, Solar Energy Materials &
Solar Cells, 70, 85-101.
Jian Zhan, Peng Sun, Shan Jiang, Xiaohang Sun, “An investigation of the performance of dyesensitized
nanocrystalline solar cell with anthocyanin dye and ruthenium dye as the
sensitizers”, 2006,
Roskilde University Project.
L. LAMPIRAN
Lampiran 1 : Biodata Ketua
1.
2.
3.
4.
Nama
Tempat/ Tanggal Lahir
NIM
Fakultas/ Universitas
:
:
:
:
Andri Wibowo
Tangerang, 11 Juni 1992
21060110120059
Fakultas Teknik/ Universitas Diponegoro
10
11
12
2. Tempat, tanggal lahir
:
Yogakarta, 21 November 1972
3. NIP
: 19721121 199802 1 001
4. NIDN
: 0021117203
5. Pangkat/Golongan : Penata Tk I/ III-C
6. Jabatan fungsional :
Lektor
7. Fakultas
: Sains dan Matematika
8. Jurusan
: Fisika
9. Laboratorium
: Elektronika dan Instrumentasi
10. Kepakaran
: Fisika Komputasi dan Material
11. Alamat Kantor
: Jl. Prof. H. Soedharto, SH. Tembalang Semarang
Telp. (024) 70790933, Fax. (024) 7680822
12. Alamat Rumah : Jl. Bukit Kelapa Gading IIIAN-25 Bukit Kencana Jaya Semarang
Telp. (024) 76484271
HP. 082129945550
13. Email
: [email protected]
[email protected]
14. Pendidikan Bergelar
Jenjang
Pendidika
Nama
Institusi
Pendidikan
:
Tahun
Lulus
Judul Skripsi/Tesis/Disertasi
S1
UNDIP
1997
Animasi dan Analisa Grafik
Renogram 4 Probe
S2
ITB
2002
Identifikasi Kualitas Susu dengan
Spektroskopi Cahaya Tampak
Menggunakan Jaringan Syaraf Tirua
S3
UTM
2012
Simulation and Modeling of Curve
Channel Metal Oxide Semiconducto
Field Effect Transistor
15. Pelatihan
13
No
Nama Pelatihan
Nama Institusi Penyelenggara
Tahun
1
Media Komunikasi
LPP UNDIP
2004
2
LABVIEW workshop
Monash University, Malaysia
2009
3
Workshop on Journal Publications
UTM, Malaysia
2009
4
Thesis Writing In English For
UTM, Malaysia
Postgraduates
Short Course On Introduction To
Finite
Element
Method
For UTM, Malaysia
Engineering Applications
5
6
Training Course on Mathematica V7
2009
2010
UTM, Malaysia
2010
16. Pengalaman Penelitian
No
1
Judul Penelitian
Rancang Bangun Sistem Pengukur Tingkat Tekanan Suara Berbasis
Komputer
Tahun
2
Rancang Bangun Sistem Pengaturan Intensitas Cahaya Berbasis Komputer
2001
3
Rancang Bangun Sistem Spektroskopi Cahaya Tampak untuk Penentuan
2002
Komposisi Susu Sapi
Rancang Bangun Sistem Spektroskopi Cahaya Tampak dan Identifikasi
2003
Kualitas Minyak Pala Menggunakan Jaringan Syaraf Tiruan
Rancang Bangun Monokromator Dengan Pemilihan Panjang Gelombang
2004
Secara Otomatis Menggunakan Mikrokontroler AT89S51
Rancang Bangun Peralatan Spektroskopi Inframerah untuk Penentuan
2005
Kualitas Susu Sapi Menggunakan Jaringan Syaraf Tiruan
Identifikasi Suatu Unsur berdasarkan Spektrum Emisi Menggunakan Jaringan
2006
Syaraf Tiruan
Semarang 30, Oktober 2012
4
5
6
7
1998
Dr. Jatmiko Endro Suseno, M.Si
14
Lampiran 3.
Gambaran umum teknologi :
Gambar 6. Desain DSSC
Gambar7. desain Auto Scanning
15