Laporan Praktikum Karakteristik Sel Surya

A. Tujuan Percobaan

  1. Memahami konsep dasar teknologi fotovoltaik.
  2. Memehami karakteristik sel surya.
  3. Menentukan daya keluaran dan factor pengisian (fill factor).

B. Alat dan Bahan Percobaan

  1. Panel sel surya.
  2. Sumber cahaya.
  3. Catu daya AC 220 volt.
  4. Light Dimmer.
  5. Potensiometer
  6. Amperemeter dan Voltmeter.
  7. Kabel Penghubung.

C. Dasar Teori

Sel surya atau sel photovoltaic, adalah sebuah alat semikonduktor yang terdiri dari sebuah wilayah-besar dioda p-n junction, di mana, dalam hadirnya cahaya matahari mampu menciptakan energi listrik yang berguna. Pengubahan ini disebut efek photovoltaic. Bidang riset berhubungan dengan sel surya dikenal sebagai photovoltaics. Sel surya memiliki banyak aplikasi. Mereka terutama cocok untuk digunakan bila tenaga listrik dari grid tidak tersedia, seperti di wilayah terpencil, satelit pengorbit bumi, kalkulator genggam, pompa air, dll. Sel surya (dalam bentuk modul atau panel surya) dapat dipasang di atap gedung di mana mereka berhubungan dengan inverter ke grid listrik dalam sebuah pengaturan net meterin



Listrik tenaga surya diperoleh dengan melalui sistem photo-voltaic. Photo-voltaic terdiri dari photo dan voltaic. Photo berasal dari kata Yunani phos yang berarti cahaya. Sedangkan voltaic diambil dari nama Alessandro Volta (1745 – 1827), seorang pelopor dalam pengkajian mengenai listrik. Sehingga photo-voltaic dapat berarti listrik-cahaya. Belakangan ini, photo-voltaic lebih sering disebut solar cell atau sel surya, karena cahaya yang dijadikan energi listrik adalah sinar matahari.

Sel surya merupakan suatu pn junction dari silikon kristal tunggal. Dengan menggunakan photo-electric effect dari bahan semikonduktor, sel surya dapat langsung mengkonversi sinar matahari menjadi listrik searah (dc).

Bila sel surya itu dikenakan pada sinar matahari, maka timbul yang dinamakan elektron dan hole. Elektron-elektron dan hole-hole yang timbul di sekitar pn junction bergerak berturut-turut ke arah lapisan n dan ke arah lapisan p. Sehingga pada saat elektron-elektron dan hole-hole itu melintasi pn junction, timbul beda potensial pada kedua ujung sel surya. Jika pada kedua ujung sel surya diberi beban maka timbul arus listrik yang mengalir melalui beban.

Sebuah sel surya tunggal dapat menghasilkan listrik searah 3 volt dan 3 ampere. Sel-sel ini dapat dibuat dalam berbagai ukuran yang diinginkan dengan jalan menghubungkan seri sel-sel yang sama untuk membentuk modul sel surya dengan keluaran yang diperlukan. Sel-sel itu dikemas sedemikian rupa dengan bahan khusus sehingga modul dapat bertahan dalam kondisi yang terjelek tanpa kehilangan efisiensinya.

Sistem sel surya pada mulanya dikembangkan untuk penggunaan pada satelit di ruang angkasa. Perawatan atau perbaikaan di ruang angkasa itu pekerjaan sangat mahal, untuk tidak mengatakan tidak mungkin. Oleh karena itu, semua satelit yang mengelilingi bumi mendapatkan energi listriknya dari sistem sel surya. Sistem sel surya dapat bekerja dengan andal untuk jangka waktu yang lama dan hampir tanpa memerlukan perawatan. Sehingga sel surya dapat dikatakan mempunyai keandalan yang tinggi.

Sistem sel surya menggunakan energi sinar matahari untuk menghasilkan listrik, tanpa memerlukan bahan bakar. Tanpa ada bagian yang berputar, maka sistem sel surya hanya memerlukan sedikit perawatan. Sehingga sistem sel surya itu boleh dibilang cost effective dan cocok untuk stasiun telekomunikasi daerah terpencil, pelampung navigasi di tengah laut, alat pemantau permukaan air bendungan, atau untuk penerangan rumah yang jauh dari jangkauan jaringan PLN. Biaya operasional sistem sel surya jelas rendah.

Karena tidak memerlukan bahan bakar dan tidak ada bagian yang berputar, sistem sel surya itu bersih dan tidak bersuara. Ramah lingkungan ini sangat penting, mengingat pilihan untuk mendapatkan energi dan penerangan itu biasanya dari generator diesel atau lampu minyak tanah. Kalau kita semakin prihatin dengan gas rumah kaca (greenhouse gas) dan pengaruhnya yang merusak terhadap ekosistem planet kita ini, maka energi bersih yang diproleh dari sistem sel surya merupakan pilihan yang tepat sekali.

Sistem sel surya dapat dibangun dalam berbagai ukuran atas dasar kebutuhan energinya. Selanjutnya sistem sel surya itu dapat dikembangkan dan ditingkatkan dengan mudah. Misalnya, bila kebutuhan energi semakin meningkat, cukup dengan jalan menambahkan modul sel surya, tentunya jika sumber dananya memungkinkan. Selain itu, sistem sel surya gampang untuk dipindahkan bila dipandang perlu. Misalnya untuk menggerakkan pompa untuk pengairan sawah.

Sistem sel surya dapat dirancang untuk penggunaan di ruang angkasa, atau penggunaan di permukaan bumi. Sistem sel surya untuk di permukaan bumi terdiri dari modul sel surya, kontroler pengisian (charge controller), dan aki (batere) yang maintenance free. Modul sel surya yang digunakan dapat diperoleh dalam berbagai ukuran dan kapasitas. Yang sering digunakan adalah modul sel surya 20 watt atau 30 watt. Modul sel surya menghasilkan daya yang proporsional dengan luas permukaan modul yang terkena sinar matahari. Dalam penggunaan skala agak besar, aki (batere) dalam sistem sel surya kadang-kadang dihubungkan dengan sebuah inverter, untuk mengkonversi listrik searah (dc) menjadi listrik bolak-balik (ac).

Sistem sel surya biasanya ditempatkan di dekat yang memerlukan listrik. Sehingga untuk tempat-tempat yang terpencil hanya memerlukan kabel yang lebih pendek dibandingkan jika menarik kabel dari jaringan PLN misalnya. Selain itu, jelas sistem sel surya menjadi murah karena tidak memerlukan transformator.

Maka kesimpulannya, keunggulan sistem sel surya itu keandalannya tinggi, biaya operasinya rendah, ramah lingkungan, berbentuk modul, dan biaya konstruksinya rendah.

Sel surya merupakan sebuah piranti yang mampu mengubah secara langsung energi cahaya menjadi energi listrik. Proses pengubahan energi ini terjadi melalui efek fotolistrik. Efek fotolistrik adalah peristiwa terpentalnya sejumlah elektron pada permukaan sebuah logam ketika disinari seberkas cahaya. Gejala efek fotolistrik dapat diterangkan melalui teori kuantum Einstein. Menurut teori kuantum Einstein, cahaya dipandang sebagai sebuah paket energi (foton) yang besar energinya bergantung pada frekuensi cahaya. Pada sel surya energi foton akan diserap oleh elektron sehingga elektron akan terpental keluar menghasilkan arus dan tegangan listrik.

Arus (I) dan tegangan (V) yang dihasilkan ketika sel memperoleh penyinaran merupakan karakteristik setiap sel surya. Karakteristik ini selalu disajikan dalam bentuk kurva hubungan I dan V.

Pada umumnya sel surya terbuat dari bahan semikotor. Salah satu bahan sel surya adalah kristal silikon (c-Si). Bahan ini merupakan silikon murni (elektron valensi 4) yang diberi pengotoran (impuriti) bervalensi 3 sehingga menjadi silikon tak murni (kekurangan sebuah elektron). Silikon jenis ini kemudian diberi nama silikon tipe-p. sebuah silikon murni yang diberi pengotoran bervalensi 5 (kelebihan sebuah elektron) juga menghasilkan silikon tipe-n. Sambungan kedua jenis silikon ini akan membentuk persambungan (junction) PN. Pada batas sambungan akan timbul sebuah celah energi atau energy gap (Eg) yang membatasi pita valensi dengan pita konduksi.

Pada semikonduktor c-Si, energi-gapnya sebesar 1,11 eV, artinya bila elektron  pada pita valensi Si memperoleh energi foton yang lebih besar dari 1,11 eV maka elektron tersebut akan mampu melewati celah energi dan berpindah menuju pita konduksi (Beaser, 1992). Perpindahan elektron-elektron ini menyebabkan terjadinya aliran elektron pada pita konduksi hingga terjadilah aliran arus listrik.

Deskripsi matematis yang merupakan syarat agar elektron berpindah dari pita valensi ke pita energi dinyatakan dalam bentuk

dengan h dan U masing-masing adalah konstanta Planck ( Js) dan frekuensi cahaya yang jatuh pada permukaan sel surya. Frekuensi ini dapat dinyatakan sebagai hubungan

untuk  C dan  λ masing-masing menyatakan laju dan panjang-gelombang cahaya.

Perpindahan elektron-elektron dari pita valensi ke pita konduksi menimbulkan dua macam gerak pemawa muatan, yaitu gerak elektron-elektron pada pita konduksi dan gerak hole (lubang) pada pita valensi dengan arah gerak kedua pembawa muatan tersebut saling berlawanan. Total gerak pembawa muatan tersebut menimbulkan arus listrik pada rangkaian luar yang secara sederhana dilukiskan pada Gambar 1.

Gambar 1. Proses pembangkitan arus listrik pada sel surya

Arus keluaran (I) serta tegangan (V) yang dihasilkan ketika sel memperoleh penyinaran merupakan karakteristik setiap sel surya. Karakteristik ini selalu disajikan dalam bentuk kurva hubungan I dan V. Hasil  penelitian menunjukkan bahwa karakterisrik sel surya dipengaruhi oleh intensitas cahaya dan suhu permukaan sel. Kurva I-V yang merupakan karakteritik tersebut tersaji dalam Gambar 2.

Dari gambar 2 terlihat bahwa arus keluaran (I) berbanding lurus dengan intensitas cahaya, sedangkan tegangan (V) berubah secara logaritmik. ISC menyatakan arus hubung singkat dan VOC menyatakan tegangan listrik rangkaian terbuka. Arus dan tegangan maksimun terjadi pada saat sel surya menghasilkan daya ( jumlah watt ) maksimum.

Rangkaian alat

Susunan rangkaian alat pada praktikum ini dapat dilihat pada Gambar 3.

Bila dirunut secara matematis berdasar konsep hukum Ohm, maka dapat ditentukan besarnya kuat arus I yang mengalir dalam rangkaian, yaitu

dengan Ess adalah ggl sel surya ketika dikenai cahaya. r adalah hambatan dalam sel surya. V adalah beda tegangan yang besarnya diatur oleh hambatan geser (Rs) dan I adalah arus keluaran sel surya.

D. Metode Analisis

Analisis data dilakukan terhadap data hasil eksperimen, yaitu pasangan data arus dan tegangan sel surya terukur. Dengan fasilitas grafik dan trendline Excel akan dapat diperoleh model persamaan yang sesuai untuk data tersebut. Perlu diperhatikan disini nilai kuadrat korelasi (R2) antara tegangan dan arus berdasarkan model persamaan yang diperoleh, haruslah cukup tinggi yaitu di atas 0,95. Apabila nilai R2 < 0,95 berarti model yang dipakai kurang menggambarkan keterkaitan (korelasi) antara tegangan dan arus sel surya.

Nilai Isc dan Voc dapat diperoleh dengan ekstrapolasi model persamaan regresi yang telah diperoleh dan cukup cocok, yaitu dengan memasukkan nilai nol pada tegangan, dan memberikan nilai nol pada arus. Misal model yang cocok adalah persamaan:

dengan x untuk tegangan dan y untuk arus. Bila nilai x = 0 akan diperoleh Isc. Penentuan Voc dilakukan bantuan fungsi roots MATLAB. Nilai Vm dan Im dapat dilakukan dengan bantuan kalkulus sebagai berikut:

Jadi dengan diperolehnya nilai xm ym yaitu Vm Im maka nilai Pm dapat diperoleh dan selanjutnya dapat dihitung ff dari persamaan (6).

Dari percobaan akan dicari nilai fiil factor untuk menetuka kualitas dari sel surya dengan persamaan:

dimana:

Vmp= tegangan dari daya maksimum

Imp= arus dari daya keluaran maksimum

Selanjutnya daya yang dihasilkan dicari dengan persamaan:

Pth = Voc.Isc (8)

dengan

Voc= tegangan rangkaian terbuka yang diperoleh ketika arus pada amperemeter bernilai nol.

Isc= arus singkat yang diperoleh ketika voltmeter bernilai nol.

E. Prosedur Percobaan

  1. Susunlah rangkaian seperti pada gambar:
  2. Aturlah potensiometer RV sehingga tegangan pada voltmeter bernilai nol (V=0). Catatlah arus yang terbaca pada amperemeter sebagai Isc (arus singkat).
  3. Putalah potensiometer sehingga diperoleh pasangan nilai V – I. ulangi langkah ini untuk berbagai nilai V – I.
  4. Aturlah potensiometer RV sehingga arus pada amperemeter bernilai nol (I=0). Catatlah tegangan yang terbaca pada voltmeter sebagai Voc (tegangan terbuka).
  5. Ulangi langkah 2-4 sebanyak 3 kali untuk berbagai intensitas cahaya dengan memutar light dimmer.

F. Data Percobaan

I Lampu Lampu Lampu Lampu
125volt,

300 mA

130volt,

310 mA

135volt,

320 mA

140volt,

330 mA

Vi (volt) Ii(µA) Vi (volt) Ii(µA) Vi (volt) Ii(µA) Vi (volt) Ii(µA)
1 0,0 5,8 0,0 6,8 0,0 9,2 0,0 11,3
2 0,0 5,8 0,0 6,7 0,1 9,1 0,1 11,2
3 0,1 5,7 0,1 6,7 0,1 9,0 0,1 11,2
4 0,1 5,7 0,1 6,6 0,2 8,9 0,2 11,2
5 0,2 5,6 0,2 6,6 0,2 8,7 0,2 11,1
6 0,2 5,5 0,2 6,6 0,3 8,7 0,3 10,8
7 0,3 5,5 0,3 6,5 0,3 8,6 0,3 10,8
8 0,3 5,5 0,3 6,4 0,4 8,5 0,4 10,6
9 0,4 5,4 0,4 6,3 0,4 8,3 0,4 10,5
10 0,4 5,4 0,4 6,2 0,5 8,3 0,5 10,5
11 0,5 5,4 0,5 6,2 0,5 8,2 0,5 10,3
12 0,5 5,4 0,5 6,1 0,6 8,2 0,6 10,2
13 0,6 5,2 0,6 6,1 0,6 8,1 0,6 10,1
14 0,6 5,1 0,6 5,9 0,7 8,0 0,7 10,0
15 0,74 5,01 0,74 5,75 0,76 7,82 0,77 9,8
16 0,79 4,97 0,79 5,68 0,81 7,75 0,82 9,6
17 0,84 4,88 0,84 5,6 0,86 7,63 0,87 9,3
18 0,8 4,8 0,8 5,5 0,9 7,5 0,9 9,2
19 0,9 4,7 0,9 5,4 0,9 7,4 0,9 9,0
20 0,9 4,7 0,9 5,2 1,0 7,2 1,0 8,7
21 1,0 4,6 1,0 5,2 1,0 7,2 1,0 8,6
22 1,0 4,5 1,0 5,0 1,1 7,0 1,1 8,3
23 1,1 4,4 1,1 4,8 1,1 6,7 1,1 7,9
24 1,1 4,3 1,1 4,7 1,2 6,4 1,2 7,2
25 1,2 4,2 1,2 4,6 1,2 6,2 1,2 7,4
26 1,2 4,1 1,2 4,4 1,3 5,7 1,3 7,1
27 1,3 3,9 1,3 4,2 1,3 5,4 1,3 6,7
28 1,4 5,0

Hasil Regresi orde 2
Sel Surya data ke-1: Pers 1. y=-0,651x^2 – 0,472x + 5,810       R^2 = 0,992
Sel Surya data ke-2: Pers 2. y =-0,882x^2 – 0,733x+ 6,862           R^2=0,997
Sel Surya data ke-3: Pers 3. y = -1,676x^2 – 0,176x + 9,009        R^2 = 0,979
Sel Surya data ke-4: Pers 4. y = -2,219x^2 + 0,263x + 11,29        R^2 = 0,993
Ekstrapolasi x y ISC (µA) VOC (V)
Pers. 1 0 25,659 25,659 2,2078
2,2078 0,000906
Pers. 2 0 27,4 27,4 2,1796
2,1796 0,000344
Pers. 3 0 33,321 33,321 2,191
2,191 0,000612
Pers. 4 0 40,907 40,907 2,103392
2,103392 1,43E-05
Sel Surya Luasan segi-4 maksimum Cek ! ISC VOC FF (%)
Vm Im Vm Im
Kurva Pers. 1 1,2487 4,205541 5,251459 1,586009 56,64994 9,27001
Kurva Pers. 2 1,2433 4,58727 5,703353 0,949149 59,72104 9,54998
Kurva Pers. 3 1,2425 6,202901 7,707104 0,809382 73,00631 10,5567
Kurva Pers. 4 1,2245 7,640787 9,356144 0,664406 86,04346 10,8737

G. Hasil dan Pembahasan

Keseluruhan data eksperimen yang diperoleh secara teoritis menghasilkan kurva yang sesuai dengan kurva karakteristik sel surya, meskipun nilai Isc dan Voc tidak dapat diukur langsung.

Regresi yang cocok adalah regresi polinomial pangkat 2 yang ternyata menghasilkan nilai R2 di atas 0,95 yang berarti persamaan hasil regresi yang diperoleh cukup baik mengkaitkan nilai tegangan dan arus sel surya.

Berdasarkan persamaan hasil regresi masing-masing, dapat ditentukan Isc dan Voc serta Vm dan Im menggunakan persamaan (7) dan fungsi roots MATLAB yang hasilnya telah disampaikan pada rangkuman. Kolom “Cek !” digunakan untuk memastikan bahwa nilai Vm apabila dimasukkan pada persamaan dPm/dxm akan menghasilkan nilai yang kecil atau nol.

Nilai ff yang diperoleh berada pada kisaran 9 % s.d. 10 %. Kenaikan nilai tersebut dikaitkan dengan makin tinggi intensitas cahaya yang mengenai sel surya, sehingga makin banyak elektron atau arus yang dihasilkan (Isc cenderung meningkat sedangan Voc cenderung tetap). Meskipun demikian nilai ff atau efisiensi tidak akan naik terus akibat kejenuhan arus terhadap intensitas paparan cahaya. Selain itu secara teoritis efisiensi tidak dapat melebihi 100%.

H. Kesimpulan

Karakteristik sel surya sangat ditentukan oleh intensitas cahaya yang jatuh pada permukaan sel. Semakin banyak intensitas cahaya yang mengenai permukaan sel surya maka arus yang dihasilkan akan semakin besar. Sel surya adalah sumber energi listrik yang menghasilkan daya apabila disinari cahaya. Karakterisasi sel surya dilakukan dengan mengukur tegangan dan arus sel surya untuk beragam nilai beban output. Besaran-besaran karakteristik sel surya dapat diperoleh dari data pasangan tegangan dan arus sel surya, dengan nilai yang diperoleh adalah seperti pada rangkuman hasil eksperimen.

I. Jawaban Pertanyaan

  1. Kualitas sel surya yang satu dengan yang lainnya dapat berbeda-beda, hal ini disebabkan oleh besarnya energi foton yang masuk / diserap oleh sel surya.
  2. Cara memperbesar potensial barrier pada sel surya adalah dengan memperbesar celah energy. Jika foton yang datang lebih kecil daripada energi maka cahaya kurang diserap dengan sempurna oleh semikonduktor.
  3. Faktor pengisian adalah perbandingan antara data keluaran maksimum terhadap daya teoritisnya atau dapat dikatakan bahwa fill factor menunjukkan besarnya kemampuan sel surya menyerap cahaya yang diterimanya.
About these ads

2 Komentar »

  1. untuk landasan teori itu mengambil dari buku mana ya?
    siapa pengarangnya?

    • poohdandan Said:

      ada dibuku panduan petunjuk praktikum fisika modern univ ahmad dahlan, buku teknologi nuklir


{ RSS feed for comments on this post} · { TrackBack URI }

Berikan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s

Ikuti

Get every new post delivered to your Inbox.

%d blogger menyukai ini: