Physical Aspects of Solar Cell Efficiency Light With Too Little Or Too Much Energy Rifani Magrissa Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Padang, Padang
Tinjauan Pustaka 1. Sel Surya Sel surya merupakan salah satu produk teknologi fotovoltaik yang dikembangkan pada bahan semikonduktor (silikon multikristal, monokristal, dan amorf) yang mampu menyerang gelombang elektromagnetik dan konversi energi cahaya (photon) menjadi energi listrik secara langsung. Prinsip sel surya merupakan kebalikan dari LED (Light Emitting Diode) yang mengubah energi listrik menjadi cahaya atau boleh dikatakan identik dengan sebuah dioda cahaya (photodioda) sambung p-n (p-n junction) dengan cahaya energi (band gap) E, Ev. Ketika energi foton yang datang lebih besar dari celah energi ini maka foton akan diserap oleh semikonduktor untuk membentuk pasangan electron-hole sebagai pembawa muatan (carrier). Selanjutnya elektron dan hole bergerak berturut-turut ke arah lapisan n dan p sehingga timbul beda potensial dan photocurrent (arus yang dihasilkan oleh cahaya) ketika kedua muatan melintasi daerah sambung p-n.
Gambar 1. Skema Sel Surya yang mengalami Penyinaran [3] Pada sel surya dibutuhkan material yang dapat menangkap matahari dan energi tersebut digunakan untuk memberikan energi ke elektron agar dapat berpindah dari gapnya kepita konduksi dan kemudian dapat berpindah ke rangkaian luar.
1
Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan elektron dan hole pada semikonduktor tersebut. Lepasnya pambawa muatan tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi. Adanya kelebihan muatan ini akan mengakibatkan muatan ini bergerak karena adanya medan listrik pada daerah deplesi. Pada keadaan ini, arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift, yaitu arus yang dihasilkan karena kemunculan medan listrik. Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya sambungan p-n sebagai arus listrik. Sel surya merupakan suatu devais semikonduktor yang dapat menghasilkan listrik jika diberikan sejumlah energi cahaya. Proses penghasilan energi listrik itu diawali dengan proses pemutusan ikatan elektron pada atom-atom yang tersusun dalam kristal semikonduktor ketika diberikan sejumlah energi (hf). Salah satu bahan semikonduktor yang biasa digunakan sebagai sel surya adalah kristal silikon. Panel surya adalah alat yang terdiri dari sel surya yang mengubah cahaya menjadi listrik. Mereka disebut surya atas matahari atau "sol" karena matahari merupakan sumber cahaya terkuat yang dapat dimanfaatkan. Panel surya sering kali disebut sel photovoltaic, photovoltaic dapat diartikan sebagai "cahaya-listrik". Sel surya atau sel PV bergantung pada efek photovoltaic untuk menyerap energi matahari dan menyebabkan arus mengalir antara dua lapisan bermuatan yang berlawanan. Cara kerja sel surya sendiri sebenarnya identik dengan piranti semikonduktor dioda. Ketika cahaya bersentuhan dengan sel surya dan diserap oleh bahan semi-konduktor, terjadi pelepasan elektron. Apabila elektron tersebut bisa menempuh perjalanan menuju bahan semikonduktor pada lapisan yang berbeda, terjadi perubahan sigma gaya-gaya pada bahan. Gaya tolakan antar bahan semi-konduktor, menyebabkan aliran medan listrik. Dan menyebabkan elektron dapat disalurkan ke saluran awal dan akhir untuk digunakan pada perabot listrik. Prinsip kerja sel surya yaitu cahaya yang jatuh pada sel surya menghasilkan elektron yang bermuatan positif dan hole yang bermuatan negatif. Elektron dan hole mengalir membentuk arus listrik. Sel surya merupakan sebuah piranti yang mampu mengubah secara langsung energi cahaya menjadi energi listrik. Proses pengubahan energi ini terjadi melalui efek fotolistrik. Absorpsi cahaya oleh sel-sel organik menyebabkan sebuah keadaan eksitasi yang dikenal sebagai exciton atau pasangan elektron-lubang (electron-hole). Elektron dan lubang terpisah satu sama lain dan dibawa melalui molekul donor dan akseptor ke elektroda, menghasilkan sebuah arus listrik (photocurrent). Proses konversi cahaya secara langsung menjadi listrik ini dikenal sebagai fotovoltaik dan harus dioptimasi untuk sel-sel surya organik agar menjadi efisien. Banyak upaya yang telah dilakukan untuk mencari molekul
2
donor dan akseptor yang cocok dan pengaturannya pada sebuah permukaan elektroda yang berskala nanometer. [3] Pada saat sumber cahaya tiba-tiba dimatikan, maka konsentrasi masing-masing elektron dan hole akan kembali pada saat awal dimana belum diberi cahaya. Proses kembalinya konsentrasi masing-masing elektron dan hole pada keadaan semula ini dikenal sebagai proses rekombinasi. Jadi pada sel surya tidak akan ada penyimpanan energi, energi akan hilang begitu terjadi proses rekombinasi. Besarnya energi cahaya yang dapat diserap oleh sel surya adalah bergantung terhadap besarnya energi foton dari sumber cahaya. Besar energi cahaya yang mungkin dapat diserap oleh sel surya. [5]
E = hf ....( 1 ) Sampai saat ini modul sel surya komersial memiliki efisiensi berkisar antara 5 hingga 15 persen tergantung material penyusunnya. Tipe silikon kristal merupakan jenis piranti sel surya yang memiliki efisiensi tinggi meskipun biaya pembuatannya relatif lebih mahal dibandingkan jenis sel surya lainnya. Tipe modul sel surya inilah yang banyak beredar di pasaran. [3]
2. Efek Fotovoltaik Menurut bahasa, kata Fotovoltaik berasal dari bahasa Yunani photos yang berarti cahaya dan volta yang merupakan nama ahli fisika dari Italia yang menemukan tegangan listrik. Secara sederhana dapat diartikan sebagai listrik dari cahaya. Fotovoltaik merupakan sebuah proses untuk mengubah energi cahaya menjadi energi listrik. Proses ini bisa dikatakan kebalikan dari penciptaan laser. Efek Fotovoltaik pertama kali berhasil diidentifikasi oleh seorang ahli Fisika berkebangsaan Prancis Alexandre Edmond Becquerel pada tahun 1839. Baru pada tahun 1876, William Grylls Adams bersama muridnya, Richard Evans Day menemukan bahwa material padat selenium dapat menghasilkan listrik ketika terkena paparan sinar. Dari percobaan tersebut, meskipun bisa dibilang gagal karena selenium belum mampu mengonversi listrik dalam jumlah yang diinginkan, namun hal itu mampu membuktikan bahwa listrik bisa dihasilkan dari material padat tanpa harus ada pemanasan ataupun bagian yang bergerak. Tahun 1883, Charles Fritz mencoba melakukan penelitian dengan melapisi semikonduktor selenium dengan lapisan emas yang sangat tipis. Fotovoltaik yang dibuatnya menghasilkan efisiensi kurang dari 1 %.
3
Perkembangan berikutnya yang berhubungan dengan ini adalah penemuan Albert Einstein tentang efek fotolistrik pada tahun 1904. Tahun 1927, Fotovoltaik dengan tipe yang baru dirancang menggunakan tembaga dan semikonduktor copper oxide. Namun kombinasi ini juga hanya bisa menghasilkan efisiensi kurang dari 1 %. Pada tahun 1941, seorang peneliti bernama Russel Ohl berhasil mengembangkan teknologi sel surya dan dikenal sebagai orang pertama yang membuat paten peranti solar cell modern. Bahan yang digunakan adalah silicon dan mampu menghasilkan efisiensi berkisar 4%. Barulah kemudian di tahun 1954, Bell Laboratories berhasil mengembangkannya hingga mencapai efisiensi 6% dan akhirnya 11%. Pada tengah hari yang cerah radiasi sinar matahari mampu mencapai 1000 watt permeter persegi. Jika sebuah piranti semikonduktor seluas satu meter persegi memiliki efisiensi 10 persen, maka modul sel surya ini mampu memberikan tenaga listrik sebesar 100 watt. Efek fotolistrik ini terjadi pada suatu sel yang terbuat dari bahan semikonduktor. Karena sifatnya, sel ini kemudian disebut sebagai sel fotovoltaik (photovoltaic cell) atau sering juga disebut sebagai sel surya (solar cell). Sel fotovoltaik merupakan komponen terkecil di dalam sistem energi surya fotovoltaik (SESF). Sinar matahari yang menimpa permukaan sel diubah secara langsung menjadi listrik sebagai akibat terjadinya pergerakan pasangan electron-hole, sebagaimana digambarkan pada skema dibawah ini. Teknologi sel fotovoltaik yang tersedia dewasa ini masih didominasi oleh jenis sel dengan teknologi kristal, baik mono- maupun poli-kristal, khususnya dari bahan dasar silikon. [3]
Gambar 2. Sel Fotovoltaik [3]
3. Efek Fotolistrik Efek fotolistrik adalah pengeluaran elektron dari suatu permukaan (biasanya logam) ketika dikenai, dan menyerap radiasi elektromagnetik (seperti cahaya tampak dan radiasi ultraviolet) yang berada di atas frekuensi ambang tergantung pada jenis permukaan. Istilah lama untuk efek fotolistrik adalah efek Hertz (yang saat ini tidak digunakan lagi). Hertz 4
mengamati dan kemudian menunjukkan bahwa elektroda diterangi dengan sinar ultraviolet menciptakan bunga api listrik lebih mudah. Efek fotolistrik merupakan peristiwa terpentalnya sejumlah elektron pada permukaan sebuah logam ketika disinari seberkas cahaya 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. Efek fotolistrik membutuhkan foton dengan energi dari beberapa elektron volt sampai lebih dari 1 MeV unsur yang nomor atomnya tinggi. Studi efek fotolistrik menyebabkan langkah-langkah penting dalam memahami sifat kuantum cahaya, elektron dan mempengaruhi pembentukan konsep dualitas gelombang partikel. Fenomena dimana cahaya mempengaruhi gerakan muatan listrik termasuk efek fotokonduktif (juga dikenal sebagai fotokonduktivitas atau photoresistivity, efek fotovoltaik, dan efek fotoelektrokimia. Foton dari sinar memiliki energi karakteristik yang ditentukan oleh frekuensi cahaya. Dalam proses photoemission, jika elektron dalam beberapa bahan menyerap energi dari satu foton dan dengan demikian memiliki lebih banyak energi daripada fungsi kerja (energi ikat elektron) dari materi, itu dikeluarkan. Jika energi foton terlalu rendah, elektron tidak bisa keluar dari materi. Peningkatan intensitas sinar meningkatkan jumlah foton dalam berkas cahaya, dan dengan demikian meningkatkan jumlah elektron tetapi tidak meningkatkan energi setiap elektron yang dimiliki. Energi dari elektron yang dipancarkan tidak tergantung pada intensitas cahaya yang masuk, tetapi hanya pada energi atau frekuensi foton individual. Ini adalah interaksi antara foton dan elektron terluar. Elektron dapat menyerap energi dari foton ketika disinari. Semua energi dari satu foton harus diserap dan digunakan untuk membebaskan satu elektron dari atom yang mengikat, atau energi dipancarkan kembali. Jika energi foton diserap, sebagian energi membebaskan elektron dari atom, dan sisanya dikontribusi untuk energi listrik kinetik elektron sebagai partikel bebas. Hukum emisi fotolistrik: 1. Untuk logam dan radiasi tertentu, jumlah fotoelektron yang dikeluarkan berbanding lurus dengan intensitas cahaya yang digunakan. 2. Untuk logam tertentu, terdapat frekuensi minimum radiasi, di bawah frekuensi ini fotoelektron tidak bisa dipancarkan. 3. Di atas frekuensi tersebut, energi kinetik yang dipancarkan fotoelektron tidak bergantung pada intensitas cahaya, namun bergantung pada frekuensi cahaya. 4. Perbedaan waktu dari radiasi dan pemancaran fotoelektron sangat kecil, kurang dari 10-9 detik. [6]
5
4. Efisiensi Pada Sel Surya Efisiensi umumnya digunakan sebagai parameter untuk membandingkan kinerja dari satu sel surya terhadap sel surya yang lainnya. Efisiensi didefinisikan sebagai perbandingan energi yang keluar dari sel surya dengan energi yang masuk dari matahari. Efisiensi bergantung kepada spektrum dan intensitas dari cahaya matahari dan temperatur dari sel surya. [4] Efisiensi keluaran maksimum (ղ) didefinisikan sebagai persentase daya keluaran optimum terhadap energi cahaya yang digunakan, yang dituliskan sebagai:
Ղ= Ղ=
𝐏𝐨𝐮𝐭 𝐏𝐢𝐧
=
𝐏𝐨𝐮𝐭 𝐏𝐢𝐧
𝐱 𝟏𝟎𝟎% ....( 2 )
𝐕𝐦𝐚𝐱 𝐱 𝐈𝐦𝐚𝐱 𝐈 (𝐭)𝐱 𝐀
=
𝐅𝐅 𝐱 𝐕𝐨𝐜 𝐱 𝐈𝐬𝐜 𝐈 (𝐭)𝐱 𝐀
....( 3 )
Keterangan: Ղ
: Efisiensi sel solar
Pout
: Daya keluar
Pin
: Daya masuk
Vmax
: Tegangan maksimum
Imax
: Arus maksimum
Voc
: Open circuit voltage
Isc
: Short circuit current
I (t)
: Intensitas cahaya
A
: Luas permukaan dari sel solar
FF
:
Fill factor
Selain efisiensi, karakteristik yang lainnya adalah faktor pengisi (fill factor,FF). Fill factor (FF) merupakan nilai rasio tegangan dan arus pada keadaan daya maksimum dan tegangan open circuit. [5]
6
5. Intensitas Cahaya Efek perubahan intensitas cahaya matahari terjadi apabila jumlah energi cahaya matahari yang diterima sel surya berkurang atau intensitas cahayanya melemah, maka besar tegangan dan arus listrik yang dihasilkan juga akan menurun. [3] Intensitas cahaya matahari memiliki pengaruh yang penting baik pada arus short circuit, tegangan open circuit, fill factor, efisiensi, dan hambatan seri maupun hambatan shunt. Intensitas cahaya dinyatakan dalam jumlah matahari, dimana satu matahari sesuai dengan standar iluminasi pada AM 1,5 atau 1 kW/m2. Arus short circuit secara langsung berhubungan dengan jumlah foton yang diserap oleh material semikonduktor dan kemudian sebanding dengan nilai intensitas cahaya, sedangkan dengan tegangan circuit matahari mungkin dapat berbeda setiap hari, hal ini menyebabkan energi yang masuk ke solar cell juga akan berubah-ubah, bervariasi antara 0 sampai 1 kW/m2. Pada cahaya yang rendah, efek resistansi shunt akan bertambah. Berkurangnya intensitas cahaya menyebabkan arus yang melewati solar cell berkurang dan nilai resistansi seri hampir sama nilai resistansi shuntnya. [5]
Grafik 1. Efek Perubahan Intensitas Cahaya [5] Pada thin film solar cell, pengumpulan arus yang berasal dari cahaya akan berkurang pada intensitas yang tinggi, dengan daerah iluminasi kecil. Hal ini disebabkan pada intensitas yang tinggi ada batasan tertentu yang disebabkan resistansi seri dan bertambahnya losses tegangan yang bergantung pada pengumpulan carrier. Pada salah satu sumber disebutkan, pada eksperimen menggunakan lampu pijar yang dilakukan untuk mencari hubungan antara
7
intensitas cahaya dan efisiensi, didapat kesimpulan bahwa efisiensi semakin berkurang ketika nilai intensitas lampu pijar bertambah. [1]
6. Luxmeter
Gambar 3. Luxmeter [1] Luxmeter adalah alat yang biasa digunakan untuk mengukur intensitas cahaya. Luxmeter digunakan yang terlihat seperti gambar di atas adalah alat digital. Alat ini mempunyai tiga skala yaitu untuk 1000 lux, 10.000 lux, dan 100.000 lux. Dalam kondisi gelap seperti pada sore menjelang matahari terbenam, skala yang dipakai dapat menggunakan 1000 lux, untuk kondisi seperti pada pagi hari atau pada saat ada awan yang menutupi matahari biasa menggunakan skala 10.000 lux, dan untuk kondisi panas dapat digunakan skala 100.000 lux. [1]
7. Energi Cahaya Ada beberapa hal yang membatasi harga efisiensi sel, salah satunya adalah cahaya. Kehilangan efisiensi dihubungkan dengan cahaya yang mempunyai tidak cukup energi atau mempunyai energi yang tinggi. Cahaya matahari mempunyai spektrum yang bervariasi. Cahaya yang sampai ke bumi, mempunyai intensitas yang berbeda pada spektrum dari panjang gelombang. Kehilangan efisiensi dihubungkan dengan efek dari cahaya dengan energi sangat kecil atau energi yang sangat besar menghasilkan dari bagaimana cahaya dengan panjang gelombang yang bervariasi berinteraksi dengan solar sel. Cahaya yang masuk ke solar sel, dapat: a. Masuk ke dalam dan melewati solar sel. b. Di absorbsi, meningkatkan panas dalam bentuk vibrasi atom.
8
c. Pemisahan suatu elektron dari ikatan atomnya menghasilkan pasangan elektron hole. d. Menghasilkan suatu pasangan elektron hole tetapi apabila mempunyai kelebihan energi, maka akan menjadi panas.
Gambar 4. Cahaya Memasuki Solar Sel [2] Pada energi yang spesifik untuk bahan dan struktur atomnya, cahaya dapat membebaskan elektron dari ikatan atomnya. Pemisahan suatu elektron dari ikatan atomnya menghasilkan pasangan elektron hole tidak hanya menyebabkan ikatan mengalami vibrasi. Perbedaan bahan solar sel mempunyai perbedaan karakteristik energi yang mana elektron dibebaskan (disebut elektron hole). Silikon mempunyai energi 1,1 volt elektron. Galium Arsenida dan bahan sel lainnya yaitu 1,4 volt elektron. Untuk bahan sel lainnya mempunyai karakteristik energi dari 1-2,6 volt elektron. Energi ini disebut material’s band gap energy. Semenjak spektrum matahari mempunyai energi dan intensitas yang beragam, kunci untuk mencocokkan suatu bahan dengan karakteristik energi band gap dengan spektrum, sehingga jumlah maksimum energi dalam spektrum matahari jatuh tepat di atas karakteristik energi. Pada (Gambar 5) memperlihatkan bagaimana variasi dari efisiensi dengan energi yang dibutuhkan untuk menghasilkan suatu pasangan elektron hole. Catatan, bahwa energi yang dibutuhkan untuk membebaskan elektron dalam galium arsenida yaitu 1,4 volt elektron,
9
hampir bertepatan dengan efisiensi tertinggi dihubungkan dengan spektrum;silikon pada 1,1 volt elektron, hanya berada di bawah efisiensi tertinggi.
Gambar 5. Efisiensi maksimum yang dihitung sebagai fungsi dari energi yang dibutuhkan untuk elektron bebas [2] Estimasi dari efisiensi mengasumsikan efek “menghasilkan suatu pasangan elektron hole tetapi apabila mempunyai kelebihan energi, maka akan menjadi panas”, dimana cahaya dengan energi yang lebih baik dibandingkan yang dibutuhkan untuk elektron bebas hole generation suatu elektron tetapi jika energinya berlebih, maka akan memproduksi panas. Produksi dari pasangan elektron hole merupakan esensial untuk proses dalam solar sel. Tanpa itu, tidak adanya tegangan yang dapat dihasilkan dan tidak ada arus yan dialirkan. Dengan demikian, interaksi yang tidak tepat dari cahaya dengan material sel akan menghabiskan sekitar 55% energi dari sinar matahari. Ini merupakan alasan yang paling besar kenapa solar sel konvensional tidak memproduksi listrik dengan energi yang seimbang yang berasal dari sinar matahari yang menyinari sel. Untuk perbandingan, berkaitan dengan berapa banyak solar sel yang akan digunakan jika spektrum matahari mengandung hanya satu gelombang (monokromatik) dan tepatnya dicocokkan untuk energi yang dibutuhkan sel untuk menghasilkan pasangan elektron hole. [2]
10
Gambar 6. Kehilangan Efisiensi pada Solar Sel [6]
11
Referensi [1] Aditiyawan, Eki. (2010), Studi Karakteristik Pencatuan Solar Sel Terhadap Kapasitas Penyimpanan Energi Baterai, SKRIPSI, Jakarta, Universitas Indonesia, Hal 10-11. [2] Hersch, Paul dan Kenneth Zweibel. (1982), Photovoltaic Principles and Methods, Washington DC, U.S. Government Printing Office, Hal 17-19. [3] Purnama Sari, Ajeng. (2014), Pengukuran Karakteristik Sel Surya, Bandung, UIN Sunan Gunung Djati. [4] PV Education, http://www.PVEducation.org, “Efficiency”. [5] Sidopekso, Satwiko dan Anita Eka Febtiwiyanti. (2010), Studi Peningkatan Output Modul Surya dengan Menggunakan Reflektor, Jakarta, UNJ. [6] Wikipedia, http://www.wikipedia.org, “Efek Fotolistrik”. [7] Zimmerman, Frank. (2013), Photovoltaic Energy Conversion, USA, Hal 21.
12
