LAPORAN PRAKTIKUM FISIKA EKSPERIMEN II
KARAKTERISTIK ARUS DAN TEGANGAN SEL SURYA
Oleh : 1. Riyanto
H1C004006
2. M. Teguh Sutrisno
H1C004007
3. Indri Kurniasih
H1C004003
4. Gita Anggit
H1C004014
Tanggal Praktikum : 17 April 2007 Asisten : Drs. Agus Yanto M.Si
DEPARTEMEN PENDIDIKAN NASIONAL UNIVERSITAS JENDRAL SOEDIRMAN PROGRAM SARJANA MIPA PURWOKERTO 2007
KARAKTERISTIK ARUS DAN TEGANGAN SEL SURYA Oleh : Riyanto, M Teguh Sutrisno, Indri Kurniasih, Gita Anggit Abstrak Praktikum karakteristik arus dan tegangan sel surya bertujuan mendapatkan kurva karakteristik sel surya yaitu hubungan antara arus (I) dan tegangan (V) untuk berbagai intensitas cahaya. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa arus yang dihasilkan sebanding dengan intensitas cahaya yang mengenai sel surya dan dari kurva karakteristik sel surya dapat diketahui besarnya gaya gerak listrik (Ess) dari sel surya yaitu sebesar 1,75 volt dan hambatan-dalam sel surya (r) adalah 3,43 – 5,83 kΩ . Kata kunci: karakteristik sel surya, gaya gerak listrik, hambatan-dalam.
Abstract Characteristic current and voltage solar cell experiment aim to get characteristic curve of solar cell that is relation between current ( I) and voltage ( V) to various light intensity. The result indicate that proportional yielded current with light intensity which hitting of solar cell and from characteristic curve of solar cell obtained value electro motive force ( Ess) of solar cell that is equal to 1,75 volt and internal resistance of solar cell ( r) equal to 3,43 – 5,83 kΩ. Keyword: solar cell characteristic, electro motive force, internal resistance.
BAB I PEDAHULUAN
1.1 Latar Belakang 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 (Krane, 1992). 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. Hasil penelitian menunjukkan bahwa karakteristik sel surya dipengaruhi oleh intensitas cahaya dan suhu permukaan sel. Dalam praktikum ini akan akan dilakukan pengamatan untuk membuktikan ketergantungan karakteristik sel surya pada suhu kamar terhadap variasi intensitas cahaya. 1.2 Tujuan Praktikum Praktikum Karakteristik Arus dan Tegangan Sel Surya bertujuan untuk: 1.
Melakukan pengukuran karakteristik sel surya terhadap variabel
intensitas cahaya dan menggambarkannya dalam bentuk kurva hubungan I dan V. 2.
Menentukan gaya gerak listrik (ggl) yang dihasilkan dari sel surya.
3.
Menentukan hambatan dalam (r) dari sel surya.
1.3 Dasar Teori Pada umumnya sel surya terbuat dari bahan semikontor. 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 E = hυ > E g
dengan h dan υ
(1)
masing-masing adalah konstanta Planck ( 6,63 × 10 − 34 Js) dan
frekuensi cahaya yang jatuh pada permukaan sel surya. Frekuensi ini dapat dinyatakan sebagai hubungan
υ =
c λ
(2)
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 pembawa 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.
Gambar 2. Pengaruh intensitas cahaya terhadap karakteristik arus-tegangan sel surya
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.
A
Rs
V
Gambar 3. Skema susunan peralatan uji arus dan tegangan sel surya
Bila dirunut secara matematis berdasar konsep hukum Ohm, maka dapat ditentukan besarnya kuat arus I yang mengalir dalam rangkaian, yaitu I=
E SS − V r
(3)
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. Sebagai catatan, jika Rs besar, maka nilai V = Voc ≅ E ss sehingga I = 0, Rs kecil, maka nilai V = 0 sehingga I = Isc
BAB II METODE 2.1 Waktu dan Tempat Percobaan Percobaan pada tanggal 17 April 2007 di Laboratorium Fisika Eksperimen II, Jurusan Fisika Program Sarjana MIPA, Universitas Jenderal Soedirman, Purwokerto. 2.2 Alat Dan Bahan Alat dan bahan yang diperlukan dalam praktikum ini adalah:
1 Unit sel photovoltaic ( ukuran 20 mm x 20 mm )
1 Buah Metra Max 2 untuk Voltmeter
1 Buah MMD untuk Ammeter
1 Rheostat ( tahanan geser )
1 Buah lampu Philip ( 23 Watt )
Beberapa kabel penghubung .
2.3 Prosedur Kerja 1. Menyusun rangkaian seperti pada gambar 3. 2. Menempatkan lampu philip di depan sel surya pada jarak 25 cm. 3. Menyalakan lampu. 4. Mengatur tahanan geser Rs hingga diperoleh arus dan tegangan sel surya. 5. Mencatat nilai tegangan yang terbaca pada voltmeter. 6. Mencatat nilai arus yang terbaca pada ampermeter. 7. Menggambarkan kurva V terhadap I. 8. Mengulangi semua prosedur diatas untuk intensitas cahaya yang berbeda.
Diagram Alir
Mulai
Menyusun rangkaian seperti pada gambar 3
Menempatkan lampu di depan sel surya pada jarak 25 cm
Menyalakan lampu dan mengatur intensitas cahaya
Mengatur tahanan geserRs
Mencatat nilai tegangan yang terbaca pada voltmeter
Mencatat nilai arus yang terbaca pada ampermeter
Tidak
Apakah tahanan geser ( Rs) sudah maksimal?
Ya Tidak Apakah sudah dilakukan untuk 3 intensitas yang berbeda ?
Ya Selesai
BAB III
HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Hasil Praktikum
V (volt) 0 0,05 0,1 0,15
intensitas1 I (mA) 0,51 0,51 0,51 0,5
intensitas2 I (mA) 0,43 0,43 0,44 0,43
intensitas3 I (mA) 0,3 0,3 0,3 0,29
0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 1,05 1,1 1,15 1,2 1,25
0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,49 0,49 0,48 0,48 0,46 0,46 0,45 0,43 0,42 0,4 0,38 0,36 0,33 0,3 0,27
0,43 0,43 0,43 0,42 0,42 0,42 0,42 0,42 0,41 0,41 0,41 0,4 0,39 0,38 0,36 0,34 0,33 0,31 0,3 0,26 0,25
0,29 0,29 0,29 0,29 0,29 0,29 0,29 0,28 0,28 0,28 0,28 0,27 0,26 0,26 0,24 0,23 0,22
Keterangan: intensitas1 > intensitas2 > intensitas3
Kurva Karakteristik Sel Surya 0,6
Arus (mA)
0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0
0,5
1
1,5
2
Tegangan (volt) Poly. (Intensitas-1)
--- y1 = -0.241x2 + 0.1403x + 0.4915
Poly. (Intensitas-2)
--- y2 = -0.1981x2 + 0.104x + 0.4216
Poly. (Intensitas-3)
--- y3 = -0.1305x2 + 0.0642x + 0.2895
Gambar 4. Kurva karakteristik sel surya untuk berbagai intensitas cahaya
Penentuan ggl sel surya Besarnya ggl sel surya dapat diperoleh dari kurva karakteristik sel surya. Nilai ggl sel surya adalah tegangan ketika tidak ada arus yang mengalir pada rangkaian sel surya (gambar 3). Berdasarkan kurva karakteristik nilai tegangan sel surya pada saat arus sama dengan nol adalah 1,75 volt.
Penentuan hambatan-dalam sel surya Hambatan-dalam sel surya diperoleh dengan menggunakan formula, r=
Ess I sc
dengan Ess adalah ggl sel surya yaitu sebesar 1,75 volt dan Isc adalah arus keluaran sel surya ketika V = 0. Nilai Isc bergantung pada intensitas cahaya yang mengenai permukaan sel surya sehingga besarnya hambatan-dalam sel surya juga bergantung
pada intensitas cahaya. Nilai hambatan-dalam sel surya untuk berbagai tingkat intensitas cahaya diperlihatkan pada tabel berikut:
3.2 Pembahasan
Ess (volt)
Isc (mA)
r (kΩ)
intensitas1
1.75
0.51
3.43
intensitas2
1.75
0.43
4.07
intensitas3
1.75
0.30
5.83
Berdasarkan praktikum yang telah dilakukan diperoleh kurva karakteristik sel surya yaitu seperti yang ditunjukkan pada gambar 4. Kurva tersebut memperlihatkan hubungan antara arus keluaran terhadap tegangan sel surya untuk tiga intensitas cahaya yang berbeda-beda. Dari gambar 4 terlihat bahwa arus keluaran sel surya sebanding dengan intensitas cahaya yang mengenai sel surya. Semakin besar intensitas cahaya maka arus yang dihasilkan sel surya semakin besar. Arus listrik yang dihasilkan cenderung konstan dari tegangan 0 volt hingga 0.5 volt, sedangkan untuk tegangan diatas 0.5 volt arus menurun secara tajam sampai tidak ada arus yang mengalir (I = 0). Fenomena ini menunjukkan bahwa sel surya optimal digunakan pada tegangan 0.5 volt karena pada tegangan ini sel surya menghasilkan daya maksimum. Besarnya ggl sel surya (Ess) merupakan tegangan maksimum yang dihasilkan sel surya ketika sel surya disinari cahaya. Dari gambar 4 nilai ggl sel surya adalah 1,75 volt. Berdasarkan kurva tersebut nilai ggl tidak dipengaruhi oleh intensitas cahaya. Sedangkan nilai hambatan-dalam sel surya tergantung pada intensitas cahaya. Berdasarkan praktikum besarnya hambatan-dalam sel surya adalah 3,43 – 5,83 kΩ.
BAB IV KESIMPULAN
Dari praktikum yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa: 1. 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. 2. Besarnya ggl sel surya (Ess) adalah 1,75 volt. 3. Besarnya hambatan-dalam sel surya (r) adalah 3,43 – 5,83 kΩ
DAFTAR PUSTAKA Krane, Kenneth S. 1992. Fisika Modern. Jakarta: UI Press. Beaser, Arhtur. 1992. Konsep Fisika Modern. Jakarta: Erlangga. http://ec.europa.eu/research/energy/nn/nn_rt/nn_rt_pv/article_1105_en.htm http://www.solarserver.de/wissen/photovoltaik-e.html http://www.apec_vc.or.jp/feature-e/index.html
