SEL SURYA BERBASIS FILM SEMIKONDUKTOR BaXSr(1-X)TiO3 DENGAN X= 0,5 ; 0,6 ; 0,7 ; 0,8
IRVAN RADITYA PUTRA
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2012
ABSTRAK
IRVAN RADITYA PUTRA. Sel Surya Berbasis Film Semikonduktor BaXSr(1-X)TiO3 X = 0,5 ; 0,6 ; 0,7 ; 0,8. Dibimbing oleh Dr. Ir. Irzaman, M.Si dan Dr. Husin Alatas, M.Si Pembuatan sel surya dapat dilakukan dengan berbagai proses dan material. Sel surya pada penelitian ini dibuat dengan metode sol-gel process menggunakan material Barium Stronsium Titanat (BST) dengan rumus kimia Ba xSr(1-x)TiO3 dan dilakukan variasi nilai fraksi molnya yaitu x = 0,5 ; 0,6 ; 0,7 ; 0,8 dan variasi terhadap ukuran dari prototipe sel suryanya. Variasi yang dilakukan menimbulkan hasil karakterisasi yang berbeda-beda. Karakterisasi yang dilakukan ialah karakterisasi I-V, konstanta dielektrik, konduktivitas listrik, dan fotovoltaik. Dari hasil karakterisasi I-V diperoleh bentuk grafik I-V yang hampir sama untuk semua sampel. Lalu dari konstanta dielektrik diperoleh hasil bahwa untuk semua sel surya diperoleh nilai yang berbeda-beda. Sedangkan untuk karakterisasi konduktivitas listrik dapat diketahui bahwa untuk semua sampel sel surya ketika intensitas cahaya yang diberikan semakin besar maka konduktivitas listriknya juga semakin besar. Terakhir untuk karakterisasi fotovoltaik didapatkan bahwa untuk satu buah sel tidak diperoleh nilai arus dan tegangannya sehingga untuk karakterisasi ini empat buah sel surya diparalelkan, dari hasil karakterisasi fotovoltaik ini akan diperoleh nilai daya maksimum, fill faktor, dan efisiensi. Untuk efisiensi ini nilainya ditentukan menggunakan hasil karakterisasi dan dari perhitungan secara teori dari tinjauan persamaan Landau-Chalatnikov. Kata kunci: Sel surya, Barium Stronsium Titanat (BST), karakterisasi sel surya
SEL SURYA BERBASIS FILM SEMIKONDUKTOR BaXSr(1-X)TiO3 DENGAN X= 0,5 ; 0,6 ; 0,7 ; 0,8
IRVAN RADITYA PUTRA
Skripsi
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Fisika
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2012
Judul
: Sel Surya Berbasis Film Semikonduktor BaxSr(1-x)TiO3 dengan x = 0,5 ; 0,6 ; 0,7 ; 0,8 Nama : Irvan Raditya Putra NIM : G74080019 Departemen : Fisika
Menyetujui
Pembimbing 1
Pembimbing 2
Dr. Ir. Irzaman, M.Si NIP. 19630708 199512 1001
Dr. Husin Alatas, M.Si NIP. 19710604 199802 1001
Mengetahui Ketua Departemen Fisika
Dr. Akhiruddin Maddu NIP: 19660907 198802 1006
Tanggal lulus:
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat, karunia serta hidayah-Nya kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan laporan penelitian yang berjudul Sel Surya Berbasis Film Semikonduktor BaxSr(1-x)TiO3 dengan x = 0,5 ; 0,6 ; 0,7 ; 0,8. Hasil penelitian ini disusun agar penulis dapat menyelesaikan tugas akhir di Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor. Penelitian dilaksanakan dari bulan Juli 2011 – September 2012. Akhir kata, mudah-mudahan hasil penelitian ini dapat bermanfaat bagi kemajuan ilmu pengetahuan dan tentunya penulis sangat mengharapkan masukan, kritik, dan saran yang membangun dalam usaha pengembangan aplikasi material ini.
Bogor, Desember 2012
Penulis
UCAPAN TERIMA KASIH 1. Allah SWT, Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan rahmat, hidayah, dan ridha-Nya sehingga alhamdulillahirabbrilalamin skripsi ini dapat selesai. 2. Muhammad Salallohu alaihi wassalam rahmatan lil alamin yang telah memberikan inspirasi dan suri tauladan yang baik kepada penulis khususnya dan seluruh alam semesta umumnya. 3. Bapak Asep Saripudin dan Ibu Juli Astuti, sosok orang tua yang selalu memberi kasih sayang dan motivasi lahir batin kepada penulis. 4. Adik - adik penulis yang tercinta Billy Dwi Octavianto dan Jerry Syarif. 5. Bapak Dr. Ir. Irzaman, M.Si dan Bapak Dr. Husin Alatas sebagai Pembimbing penulis yang telah memberikan bimbingannya selama perkuliahan, penelitian hingga sidang sarjana. 6. Bapak Drs. Muh Nur Indro, M.Sc yang telah memberikan kemudahan dalam merevisi skripsi penulis. 7. Ibu Mersi Kurniati, M.Si yang telah memberikan saran dan kritik yang membangun sehingga skripsi ini menjadi lebih baik dari sebelumnya. 8. Bapak Firman dan Bapak Jun atas bantuannya dalam administrasi di departemen fisika. 9. “Anak Komplek” Hadi Ardian, Maman Rohaman, Farqan Thanzala, Andri Gunawan, Zainal Muttaqin, Ahmad Khakim, Firmansyah, Lutfi Lestyoaji, Roy Nizar, Fery Nurdin, Doni Kurniawan, Hening Pram. 10. Nia Sarastika, Herwandi Saputra, Khafit Pratama, dan Ella Rahmadani rekanrekan satu bimbingan penelitian. 11. Rekan-rekan Futsal IPB dan Soccer IPB serta coach Entis Sutisna atas supportnya. 12. “Ranger Balebak” Hutomo Triasmoro, Jaka Ahmad Juliarta, Rahmat Hapid, Tenri Tendi Talkanda, Muhamad Wahyu Hidayat, Muhamad Rifkyansyah. 13. Rekan-rekan tim futsal dan soccer Fisika dan Fmipa. 14. Rekan-rekan civitas akademik fisika IPB angkatan 45, 46, 47.
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Jakarta, 15 Desember 1990 dari pasangan Asep Saripudin dan Juli Astuti. Penulis menyelesaikan
pendidikan
Taman
Kanak-Kanak
hingga Sekolah Menengah Pertama di Ciputat, Tangerang Selatan yaitu TK Al-ikhlas, SD Negeri 3 Ciputat, SMP Negeri 3 Ciputat, dan menyelesaikan pendidikan Sekolah Menengah Atas di SMA Negeri 90 Jakarta. Penulis melanjutkan pendidikannya ke jenjang perkuliahan di Departemen Fisika Institut Pertanian Bogor (IPB). Saat ini penulis aktif di Unit Kegiatan Mahasiswa (UKM) Sepak Bola IPB sebagai Pemain yang aktif dalam mengikuti berbagai kejuaraan yang diikuti IPB, Unit Kegiatan Mahasiswa (UKM) Futsal IPB sebagai Wakil Ketua pada periode 2010-2011. Penulis juga aktif berwirausaha dalam berbagai usaha yang sudah dijalankan disekitar kampus. Penulis meraih berbagai prestasi di bidang ilmiah, seni, dan olahraga. Di bidang ilmiah, penulis berhasil lolos sebagai proposal yang didanai oleh Dikti dalam kegiatan Program Kreativitas Mahasiswa (PKM) bidang penelitian, Penulis juga terpilih proposal penelitiannya dalam acara Recognition And Mentoring Program (RAMP) IPB, pada tahun 2012 juga penulis berhasil menjadi mahasiswa berprestasi tingkat departemen. Di bidang seni, penulis aktif mengikuti berbagai festival musik dibeberapa daerah. Di bidang olahraga penulis juga aktif dan berprestasi dalam berbagai kejuaraan sepak bola atau futsal. Saat ini penulis aktif mengajar di beberapa tempat bimbingan belajar disekitar Bogor dan Jakarta.
DAFTAR ISI Halaman DAFTAR ISI ..................................................................................................... vii DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... viii DAFTAR LAMPIRAN ...................................................................................... ix DAFTAR TABEL ............................................................................................. x BAB I. PENDAHULUAN ................................................................................. 1 Latar Belakang ......................................................................................... 1 Tujuan Penelitian ...................................................................................... 1 Rumusan Masalah..................................................................................... 1 Hipotesis................................................................................................... 1 BAB II. TINJAUAN PUSTAKA ....................................................................... 2 Semikonduktor ......................................................................................... 2 Barium Stronsium Titanat ......................................................................... 2 Sel Surya .................................................................................................. 3 Efisiensi Sel Surya .................................................................................... 4 Fotokonduktivitas ..................................................................................... 5 BAB III. METODOLOGI .................................................................................. 6 Waktu dan Tempat .................................................................................... 6 Alat dan Bahan ......................................................................................... 6 Prosedur Penelitian ................................................................................... 6 Pembuatan Film BST .................................................................... 7 Persiapan Substrat (silikon tipe-p)........................................... 7 Pembuatan Larutan BST ......................................................... 7 Proses Penumbuhan Film ........................................................ 7 Proses Annealing .................................................................... 7 Pembuatan Kontak pada Sel Surya Film BST ......................... 7 Pembuatan Program Penghitungan Efisiensi .................................. 8 Karakterisasi ................................................................................. 8 Karakterisasi I-V .................................................................... 8 Karakterisasi Konduktivitas Listrik ......................................... 9 Karakterisasi Konstanta Dielektrik .......................................... 9 Karakterisasi Fotovoltaik ........................................................ 9 BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ........................................................... 10 Persiapan Substrat ..................................................................................... 10 Pembuatan Larutan BST ........................................................................... 10 Proses Penumbuhan Film .......................................................................... 10 Proses Annealing ...................................................................................... 10 Pembuatan Kontak pada Film BST ........................................................... 11 Penghitungan Nilai Efisiensi ..................................................................... 11 Karakterisasi I-V....................................................................................... 12 Karakterisasi Konduktivitas Listrik ........................................................... 14 Karakterisasi Konstanta Dielektrik ............................................................ 14 Karakterisasi Fotovoltaik ......................................................................... 16 BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................. 17 Kesimpulan............................................................................................... 17 Saran ...................................................................................................... 17 DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................ 18 LAMPIRAN ...................................................................................................... 19 vii
DAFTAR TABEL Tabel 1. Tabel 2. Tabel 3. Tabel 4. Tabel 5. Tabel 6. Tabel 7. Tabel 8. Tabel 9. Tabel 10. Tabel 11. Tabel 12. Tabel 13. Tabel 14.
Perbedaan sel surya dengan sumber energi lainnya.......................... Nilai konstanta dielektrik sampel ....................................................
Halaman 3 15
Data I-V sel surya ukuran 1x1 (x=0,5) ..................................................... Data I-V sel surya ukuran 1x1 (x=0,6) ..................................................... Data I-V sel surya ukuran 1x1 (x=0,7) ..................................................... Data I-V sel surya ukuran 1x1 (x=0,8) ..................................................... Data I-V sel surya ukuran 2x2 (x=0,5) ..................................................... Data I-V sel surya ukuran 2x2 (x=0,6) ..................................................... Data I-V sel surya ukuran 2x2 (x=0,7) ..................................................... Data I-V sel surya ukuran 2x2 (x=0,8) .....................................................
20 20 20 21 21 21 21 22
Data konduktivitas sel surya BST .................................................... Nilai konstanta dielektrik sampel .................................................... Data karakterisasi efek fotovoltaik .................................................. Data hasil penghitungan nilai efisiensi ............................................
23 25 27 32
viii
DAFTAR GAMBAR Gambar 1. Proses perpindahan elektron dari level valensi ke level konduksi . Gambar 2. Proses perpindahan elektron dan hole .......................................... Gambar 3. Grafik 𝜂m terhadap X0................................................................. Gambar 4. Kurva hubungan arus terhadap tegangan ...................................... Gambar 5. Perbedaan material berdasarkan konduktivitas listrik ................... Gambar 6. Diagram alir penelitian ................................................................ Gambar 7. Sel surya tampak samping ............................................................ Gambar 8. Rancangan sel surya tampak atas ................................................. Gambar 9. Grafik I-V dioda .......................................................................... Gambar 10. Rangkaian karakterisasi konstanta dielektrik sel surya ................. Gambar 11. Rangkaian pengukuran karakterisasi fotovoltaik .......................... Gambar 12. Hasil proses persiapan substrat ..................................................... Gambar 13. Hasil proses penumbuhan film ..................................................... Gambar 14. Hasil proses annealing ................................................................. Gambar 15. Hasil pembuatan kontak pada sampel ........................................... Gambar 16. Grafik efisiensi terhadap Xo ........................................................ Gambar 17. Hasil karakterisasi I-V sampel berukuran 1 cm x 1 cm ................. Gambar 18. Hasil karakterisasi I-V sampel berukuran 2 cm x 2 cm ................. Gambar 19. Hasil karakterisasi konduktivitas listrik sampel 1 cm x 1 cm ........ Gambar 20. Hasil karakterisasi konduktivitas listrik sampel 2 cm x 2 cm ........ Gambar 21. Sinyal awal yang muncul di osiloskop ......................................... Gambar 22. Sinyal pada sampel [x = 0,5 (1cm x 1cm)] ................................... Gambar 23. Sinyal pada sampel [x = 0,6 (1cm x 1cm)] ................................... Gambar 24. Sinyal pada sampel [x = 0,7 (1cm x 1cm)] ................................... Gambar 25. Sinyal pada sampel [x = 0,8 (1cm x 1cm)] ................................... Gambar 26. Sinyal pada sampel [x = 0,5 (2cm x 2cm)] ................................... Gambar 27. Sinyal pada sampel [x = 0,6 (2cm x 2cm)] ................................... Gambar 28. Sinyal pada sampel [x = 0,7 (2cm x 2cm)] ................................... Gambar 29. Sinyal pada sampel [x = 0,8 (2cm x 2cm)] ................................... Gambar 30. Hasil fotovoltaik untuk 4 buah sel surya yang diparalelkan .......... Gambar 31. Contoh salah satu sinyal yang muncul pada sel surya BST .................... Gambar 32. Program penghitungan nilai efisiensi ........................................... Gambar 33. Hasil perhitungan program di command window MatLab. ............ Gambar 34. Hasil kerja dari program secara keseluruhan ................................
Halaman 4 4 4 5 6 6 8 8 9 9 10 10 10 11 11 11 12 12 13 13 14 15 15 15 15 15 15 15 15 16 25
33 34 35
ix
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1. Data Karakterisasi I-V ................................................................. Lampiran 2. Data Konduktansi(G) dan Perhitungan Konduktivitas Listrik (σ). Lampiran 3. Data Karakterisasi Penghitungan Nilai Konstanta Dielektrik ....... Lampiran 4. Data Karakterisasi Fotovoltaik .................................................... Lampiran 5. Tinjauan Persamaan Penghitungan Efisiensi ................................ Lampiran 6. Data Program Komputasi Penghitungan Nilai Efisiensi ...............
Halaman 20 23 25 27 29 32
x
1
BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Akhir-akhir ini banyak penemuan yang dihasilkan oleh para ilmuwan yang terkait dengan teknologi pemanfaatan sumber energi terbarukan. Salah satu penemuan tersebut ialah sel surya (solar cell) yang merupakan piranti elektronik yang mengubah energi foton dari matahari menjadi energi listrik secara langsung, Proses pengubahan ini dikenal sebagai efek fotovoltaik. Teknologi fotovoltaik yang ada saat ini dapat dikatakan telah berkembang dengan pesat karena beberapa faktor pendorong, seperti sudah tidak efisien dan efektifnya lagi sumber energi seperti minyak bumi dan gas alam yang ada saat ini dan didorong pula oleh fakta bahwa suplai energi foton dari sinar matahari yang diterima oleh permukaan bumi sebenarnya sangat luar biasa yaitu mencapai 3 x 1024 joule pertahun yang jika dikonversi ke dalam daya besarnya sekitar 1017 watt yang mana dengan daya sebesar ini sama saja dengan 10.000 kali konsumsi energi di dunia.1 Namun pemanfaatan energi sebesar itu belum dilakukan secara optimal sehingga energi matahari yang luar biasa tersebut belum bernilai lebih untuk kesejahteraan. Pemanfaatan yang belum optimal tersebut terjadi karena keterbatasan teknologi konversi yang dimiki, dan saat ini hanya beberapa negara saja yang sudah dapat memanfaatkan sumber energi dari matahari tersebut dengan teknologi yang dimilikinya.2 Secara garis besar keterbatasan pemanfaatan energi matahari tersebut dapat disebabkan beberapa hal seperti proses pembuatan sel surya yang sulit karena kurangnya ilmu pengetahuan mengenai teknologi konversi ini dan juga karena mahalnya biaya pembuatan untuk menghasilkan sebuah prototipe tersebut.3 Oleh karena itu diperlukan sebuah alternatif pembuatan dengan proses yang mudah dan murah serta mengunakan bahan dan alat yang dapat diperoleh di pasaran. Alternatif yang dilakukan dapat
diawali dari pemilihan bahan/material yang cocok dan mudah diperoleh. Salah satu yang dapat dilakukan adalah pembuatan sel surya dalam bentuk kristal dengan bahan/ material yang berasal dari material ferroelektrik.3 Material ferroelektrik terdiri dari senyawa kimia yang kompleks dan sampai saat ini material ini banyak sekali jenisnya, masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan yang berbeda-beda tinggal disesuaikan dengan kebutuhan dan ketersediaannya di pasaran.4 Beberapa material ferroelektrik yang ada saat ini seperti Triglycine Sulphate (TGS), Lithium Tantalat (LiTaO3), Lithium Niobate (LiNbO3), NaNO2, Barium Titanat (BaTiO3), Stronsium Titanat (SrTiO3), Barium Stronsium Titanat (BST) dan masih banyak lagi.3 Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah membuat prototipe sederhana sel surya berbasis film semikonduktor BaxSr(1dengan variasi fraksi mol x)TiO3 materialnya dan ukuran dimensi sel surya. Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang yang dipaparkan, maka rumusan masalah yang diajukan dalam penelitian ini adalah: 1. Bagaimanakah pengaruh variasi fraksi mol dari BST terhadap sifat listrik sel surya yang meliputi konduktivitas listrik, daya maksimum (Pmax), efisiensi konversi (η), Fill Factor (FF), dan nilai konstanta dielektrik? 2. Bagaimanakah pengaruh variasi ukuran dari sel surya terhadap sifat listriknya yang meliputi konduktivitas listrik, daya maksimum (Pmax), efisiensi konversi (η), Fill Factor (FF), dan nilai konstanta dielektrik? Hipotesis Variasi yang dilakukan terhadap ukuran luas sel surya dan variasi terhadap fraksi mol dari materialnya yaitu Barium Stronsium Titanat (BST) akan mempengaruhi hasil keluaran dari sel surya.
2
BAB II TINJAUAN PUSTAKA Semikonduktor Semikonduktor merupakan bahan dengan konduktivitas listrik yang berada diantara isolator dan konduktor, dan memiliki energy gap (pita terlarang) yang bernilai sekitar 1 eV.3 Disebut semi/setengah karena semikonduktor bukan merupakan konduktor murni atau isolator murni. Dalam konteks material semikonduktor, kata-kata intrinsik dan ekstrinsik digunakan untuk menunjukan sifat murni dan ketidakmurnian. Jadi didalam semikonduktor intrinsik pembawa muatan (elektron pada pita konduksi dan hole pada pita valensi) perlu dihasilkan oleh sebuah eksitasi termal.5 Oleh karena itu berdasarkan kemurniannya semikonduktor dibagi menjadi semikonduktor intrinsik yang merupakan semikonduktor murni yang tidak mengalami cacat dan semikonduktor ekstrinsik yang telah mengalami doping oleh atom asing. Doping dilakukan untuk meningkatkan nilai konduktivitas listriknya. 6 Ketidakmurnian pada semikonduktor ekstrinsik ini dapat menyumbangkan elektron maupun hole dalam pita energi, dengan demikian konsentrasi elektron dapat menjadi tidak sama dengan konsentrasi hole. Namun masing-masing bergantung pada konsentrasi dan jenis bahan. Sedangkan berdasarkan strukturnya ada semikonduktor tipe-p yang memiliki kelebihan pembawa muatan positif/hole, dengan atom pengotornya disebut atom akseptor dan semikonduktor tipe-n yang kelebihan pembawa muatan negatif/elektron, dengan atom pengotornya disebut atom donor.6 Semikonduktor digunakan dalam proses pembuatan sebuah sel surya dengan cara memanfaatkan prinsip persambungan p-n (p-n junction). Persambungan p-n ini merupakan penempatan kristal tunggal semikonduktor yang pada satu sisinya mendapat penyuntikan atom akseptor (kelebihan hole) dan pada sisi yang lain
mendapat penyuntikan atom donor (kelebihan elektron). Saat ini bahan semikonduktor yang banyak dikenal di pasaran adalah silikon (Si), germanium (Ge) dan Galium Arsenida (GaAs). Namun silikon lebih banyak digunakan setelah ditemukan cara mengekstrak bahan ini dari alam.7 Barium Stronsium Titanat (BST) Penggunaan bahan yang tepat sebagai komponen sel surya akan mempengaruhi kinerja dari piranti tersebut. Salah satu bahan yang berpengaruh terhadap perkembangan teknologi sel surya ialah bahan keramik. Bahan keramik ini mempunyai sifat piezoelektrik dan ferroelektrik.8 Barium Stronsium Titanat (BST) merupakan material ferroelektrik yang digunakan pada penelitian ini. Ferroelektrik merupakan bahan dielektrik yang mempunyai polarisasi spontan serta mempunyai kemampuan mengubah polarisasi internalnya dengan menggunakan medan listrik yang sesuai.5 Keuntungan dari penggunaan BST ialah bahan ini mudah diaplikasikan karena dalam segi kimia maupun mekanik lebih stabil dan mempunyai temperatur curie yang mendekati temperatur kamar dibandingkan material ferroelektrik lainnya.9 BST juga memiliki energy gap (Eg) yang bernilai sebesar 2,58 eV, hal ini menunjukan bahwa energi foton minimal yang diperlukan untuk mengeksitasi elektron dari level valensi ke konduksi adalah sebesar 2,58 eV.7 Proses pembuatan film BST dapat dilakukan dengan beberapa metode seperti sputtering, laser ablation, dan solgel process.10 Pada penelitian ini film BST yang digunakan dibuat dengan menggunakan metode sol-gel process. Secara umum pembuatan film dengan metode sol-gel meliputi empat proses yaitu; (1) Sintesis larutan prekursor. (2) Deposisi larutan prekursor pada permukaan substrat. (3) Pemanasan pada suhu rendah. (4) Perlakuan panas pada temperatur tinggi.11
3
Tabel 1. Perbedaan sel surya dengan sumber energi lainnya.2 No
Sumber Energi
Kelebihan
1
Minyak (Petroleum)
Convenient, low pollution.
2
Batu bara (coal)
3
Fusi Nuklir (nuclear fussion)
4
Sel Surya (solar photovoltaic)
5
Udara (wind)
6
Biomass
Kekurangan
Memiliki persediaan yang terbatas, tidak dapat diperbarui. Menghasilkan polusi di Tersedianya sumber hidrokarbon dalam bentuk atmosfer, tidak dapat diperbarui. gas & cairan yang sama baiknya dengan bentuk padatannya. Menghasilkan energi Perlu penelitian lebih lanjut yang sangat besar. untuk materialnya, masalah yang dapat ditimbulkan saat terjadi kebocoran. Masih mahalnya biaya Bebas polusi, sumber energi yang tidak terbatas. pembuatan piranti sel surya. Terbatas hanya pada lokasi Bebas polusi, sumber energi yang tidak terbatas. tertentu.
Persediaan yang siap Menggunakan lahan yang dapat pakai, dapat ditanam, biaya yang belum memanfaatkan sisa dapat ditentukan. buangan. teori dari efek fotovoltaik ini. Sel surya Sintesis larutan prekursor dari BST memiliki kelebihan dan kekurangan dilakukan dengan mereaksikan bahansendiri jika dibandingkan dengan sumber bahan dasar pembuatnya menggunakan energi lainnya. Hal ini dapat dilihat pada reaksi kimia seperti berikut.7 Ba(CH3COO)2 + Sr(CH3COO)2 + Tabel 1. Ti(C12O4H28) + O2 BaxSr(1-x)TiO3 + Penemuan pertama dari efek fotovoltaik ini terjadi pada tahun 1839 H2O + CO2 Dengan Ba(CH3COO)2 adalah barium oleh Edmond Bacquerel, ia menemukan asetat, Sr(CH3COO)2 adalah stronsium bahwa suatu material tertentu dapat asetat, dan Ti(C12O4H28) adalah titanium menghasilkan sejumlah kecil arus listrik isopropoksida. bila dikenai cahaya matahari. Prinsip Material BST banyak dimanfaatkan kerja semikonduktor sebagai sel surya dalam berbagai piranti elektronik seperti mirip dengan dioda sebagai pn-junction. microwave tunable, resonator, antenna, PN-junction (persambungan p-n) adalah tunable filter, dan juga sebagai sel lapisan semikonduktor jenis P dan N yang surya.10 diperoleh dengan cara doping pada silikon murni.14 Ketika sel surya menyerap foton dengan energi (hν) lebih besar dari celah Sel Surya Sel surya atau sel fotovoltaik energi (Eg) semikonduktor, elektron didefinisikan sebagai piranti yang elektron tereksitasi dari level valensi ke level konduksi dan menjadi elektron digunakan untuk mengkonversi radiasi sinar matahari menjadi energi listrik bebas (Gambar 1).15 Karena adanya 13 medan elektrostatik pada persambungan secara langsung. Dalam efek fotovoltaik cahaya yang mengenai modul dari sel elektron-elektron tersebut akan menuju surya bersifat sebagai partikel. Hal ini tipe-n, sedangkan hole-hole yang ditinggalkan pada level valensi mengalir seperti yang telah dipelajari dalam mekanika kuantum mengenai dualisme ke tipe-p, masing-masing menuju kontak arus (Gambar 2). Sehingga ketika sifat cahaya dan sifat cahaya sebagai dihubungkan dengan sebuah rangkaian partikel yang digunakan sebagai dasar
4
Level Konduksi
Foton (hν)
e- e-
e- e- e-
Level Valensi
Gambar 1. Proses perpindahan elektron dari level valensi ke level konduksi.
menjelaskan karakteristik (sifat-sifat) dari sel surya ferroelektrik, yang salah satu dari karakteristik ini adalah penghitungan nilai efisiensi (𝜂). Dan yang kedua ialah berdasarkan hasil eksperimen di laboratorium. Efisiensi pengubahan energi cahaya matahari menjadi energi listrik dari sebuah sel surya ferroelektrik dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan (1), yaitu:16 𝜂
(
[
) ] (
)
(1)
Psi adalah polarisasi spontan, ε0 adalah permitivitas ruang hampa, cp dalah kalor jenis pada tekanan tetap, C adalah konstanta curie, Xm adalah electric displacement pada nilai maksimumnya, dan X0 adalah electric displacement awal. Untuk nilai heating rates dan resistansi (R) yang besar berlaku x0 <<1 sehingga nilai X0 dapat dianggap nol, Xm 1 nilainya Gambar 2. Proses perpindahan elektron dan hole.15 listrik maka muatan-muatan pembawa tersebut akan mengalir dengan arah berlawanan dan akhirnya saling berekombinasi di dalam bahan semikonduktor. Aliran-aliran muatan itu lah yang menghasilkan arus listrik pada rangkaian luar tersebut.14 Efisiensi Sel Surya Efisiensi merupakan salah satu kuantitas yang sangat penting dalam sebuah pengamatan terhadap kinerja dari sel surya. Efisiensi sel surya ini didefinisikan sebagai kemampuan dari sel surya untuk mengubah energi cahaya menjadi energi listrik dalam bentuk arus dan tegangan listrik. Nilai efisiensi ini bergantung pada sifat absorbansi bahan semikonduktor pada sel surya terhadap foton yang diserapnya.15 Pada penelitian ini nilai efisiensi yang dicari dilakukan dengan menggunakan 2 (dua) tinjauan yang berbeda, yang pertama menggunakan tinjauan teori dari persamaan Landau-Chalatnikov.16 Solusi dari persamaan ini akan dapat
(
dan
)
adalah
.
Sehingga Persamaan (1) tersebut berubah menjadi Persamaan (2) dengan kondisinya ialah maksimum.16 𝜂
(2)
Lalu karena nilai efisiensi sebuah sel surya ferroelektrik ini dipengaruhi nilai electric displacement (X0), maka hubungan antara efisiensi (𝜂) dan electric displacement (X0) dapat dilihat pada Persamaan (3).16 𝜂
𝜂 (3)
Contoh penggunaan Persamaan (3) ini dapat dilihat dari Gambar 3. yaitu grafik
Gambar 3. Grafik 𝜂m terhadap X0.16
5
yang menghubungkan 𝜂 dengan X0 untuk material LiTaO3 (kurva 1), Triglycine Sulphate/TGS (kurva 2), dan NaNO2 (kurva 3).16 Sedangkan berdasarkan hasil eksperimen untuk menentukan besar efisiensi dari sel surya harus ditentukan dahulu beberapa parameter yang mencerminkan kinerja dari sel surya, yaitu Pmax (daya maksimum), FF (fill factor), Voc (potensial sirkuit terbuka), dan Isc (arus sirkuit singkat). Daya maksimum (Pmax) didefinisikan sebagai luasan efektif yang didapatkan dari kurva hubungan antara tegangan terhadap arus sel surya (I-V). Penghitungan besar daya maksimum yang dapat dihasilkan oleh sebuah piranti sel surya dapat dilakukan dengan menggunakan rumus dalam Persamaan (4) yaitu.14
Gambar 4. Kurva hubungan arus tehadap tegangan.17 cahaya yang masuk. Efisiensi konversi energi sebuah sel surya ditulis dalam Persamaan (6).
𝜂
(6)
Penentuan Imax dan Vmax dilakukan dengan cara mencari luas maksimum dari kurva seperti pada Gambar 4.
(4)
Sementara untuk parameter Fill Factor (FF) dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara daya maksimum (Pmax) dengan perkalian Voc dan Isc. Nilai ini dirumuskan dalam Persamaan (5).14 (5)
Arus sirkuit singkat (Isc) adalah arus maksimum yang dihasilkan ketika sel surya dihubung singkat (short circuit) ketika tidak ada potensial yang melintasi piranti ini. Arus tersebut sama dengan jumlah absolut dari foton yang dikonversikan menjadi pasangan elektronhole.15 Potensial sirkuit terbuka (Voc) adalah potensial maksimum yang dihasilkan pada saat hambatannya maksimum agar pengabaian arus yang mengalir dari sel surya dapat terjadi dan yang terbaca hanya perbedaan potensialnya saja.15 Dan parameter yang terakhir ialah efisiensi (𝜂), Nilai efisiensi sel surya adalah perbandingan dari output listrik fotovoltaik tergenerasi dan energi dari
Fotokonduktivitas Konduktivitas merupakan suatu kuantitas yang merupakan kebalikan dari resistivitas. Konduktivitas dibedakan menjadi 2 (dua) yaitu konduktivitas listrik dan konduktivitas termal.11 Suatu material dapat dikelompokan menjadi 3 (tiga) golongan berdasarkan dari besar nilai konduktivitas listriknya, yaitu isolator, semikonduktor, dan konduktor. Gambar 5 memperlihatkan perbedaan nilai konduktivitas untuk konduktor, semikonduktor, dan isolator. Konduktivitas sel surya berhubungan dengan cahaya sehingga dapat disebut sebagai fotokonduktivitas. Ketika foton mengenai permukaan semikonduktor, energi dari foton ini akan mengeksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi jika energi foton yang datang lebih besar dari energi pita terlarangnya. Elektron yang tereksitasi ke pita konduksi ini akan meningkatkan pembawa muatan yang pada akhirnya akan meningkatkan konduktivitas listriknya.18 Persamaan matematis yang menggambarkan besar konduktivitas dari suatu bahan ialah. (7)
6
Gambar 5. Perbedaan material berdasarkan konduktivitas listrik.20
BAB III METODOLOGI
Prosedur Penelitian Penelitian ini dilakukan mengikuti diagram alir pada Gambar 6.
Waktu dan Tempat Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Fisika Material, Laboratorium Biofisika, Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor, dan juga di Laboratorium Fisika Material Institut Teknologi Bandung dari bulan September 2011 sampai Februari 2012. Alat dan Bahan Alat yang akan digunakan pada penelitian ini ialah isolasi, LCR meter, masker, potensiometer, resistor, kaca preparat, alumunium foil, tabung reaksi, pipet, pinset, gunting, sarung tangan karet, double tape, masker, kawat, kabel, cawan petri, mortar, gelas ukur Iwaki 10 ml, cawan petri, neraca analitik model BL 6100, reaktor spincoater hotplate, stopwatch, tissue. Bahan yang akan digunakan dalam penelitian ini adalah barium asetat [Ba(CH3COO)2, 99%], stronsium asetat [Sr(CH3COO)2, 99%], titanium isopropoksida [Ti(C12O4H28), 97.999%], asam asetat, dye water, HF (asam florida), etilane glykol, 2-metoksietanol, aseton pro-analisis.
MULAI
Pemotongan Substrat Silikon Pencucian Substrat Silikon Pembuatan Larutan BST untuk Spin Coating
Annealing sampai Berhasil
Gagal
Pemasangan Kontak Karakterisasi
I-V
Konduktivitas
Konstanta Dielektrik
Fotovoltaik
Pembuatan Program
Pengolahan Data Penulisan Laporan Akhir
SELESAI
Gambar 6. Diagram alir penelitian.
7
Pembuatan Film BST Persiapan Substrat (Silikon Tipe-P) Substrat yang digunakan pada penelitian ini adalah silikon tipe-p. Substrat ini merupakan tempat penumbuhan film BST yang harus hatihati memegangnya, hal ini dimaksudkan agar film BST tersebut dapat tumbuh baik dan merata. Pada tahap pertama yang dilakukan adalah pemotongan substrat membentuk persegi dengan ukuran 1 cm x 1 cm dan 2 cm x 2 cm menggunakan mata intan. Potongan substrat ini selanjutnya dicuci melalui beberapa tahap sambil digetarkan dengan gelombang ultrasonik 22 kHz. Tahap pertama potongan substrat ini direndam di dalam larutan aseton pro analisis selama 10 menit, berikutnya tahap kedua direndam menggunakan larutan dye water selama 10 menit juga, begitu juga dengan tahap ketiga potongan substrat tersebut direndam dalam larutan methanol pro analisis selama 10 menit, tetapi pada tahap keempat potongan substrat hanya direndam selama 30 detik dalam larutan asam fluoride (HF) dicampur dengan dye water dengan perbandingan 5:1. Terakhir yaitu tahap kelima potongan substrat direndam dengan dye water lagi selama 10 menit. Selesai proses pencucian potongan substrat tersebut ditimbang untuk didapatkan massanya. Pembuatan Larutan BST Pembuatan Film BST dilakukan menggunakan metode sol-gel process dengan mereaksikan barium asetat [Ba(CH3COO)2, 99%], stronsium asetat [Sr(CH3COO)2, 99%], titanium isopropoksida [Ti(C12O4H28), 97,999%], serta 2-metoksietanol sebanyak 2,5 ml sebagai bahan pelarut. Komposisi massa untuk barium asetat, stronsium asetat, dan titanium isopropoksida disesuaikan dengan masing-masing fraksi molnya menggunakan persamaan stoikiometri (reaksi kimia), kemudian dilakukan penimbangan dengan menggunakan neraca analitik untuk ketiga bahan tersebut. Selanjutnya barium asetat dan stronsium asetat dicampur secara bersamaan diikuti pencampuran titanium isopropoksida, ketiga bahan tersebut tidak
dicampur bersamaan karena titanium isopropoksida sangat cepat membeku. Setelah tercampur semua, larutan tersebut ditambah dengan larutan 2-metoksietanol sebanyak 2,5 ml. Kemudian larutan tersebut dikocok selama satu jam dengan menggunakan gelombang ultrasonik menggunakan alat Bransonic 2510 dengan frekuensi 22 kHz dan suhu 45 0C. Proses Penumbuhan Film Proses penumbuhan film dari larutan BST yang telah selesai dibuat dilakukan dengan menggunakan reaktor spincoater. Langkah pengerjaannya diawali dengan menempelkan double tape pada bagian tengah reaktor spincoater dan kemudian substrat silikon diletakkan di atasnya. Hal ini dilakukan agar potongan substrat yang telah selesai dicuci dan ditimbang tersebut tidak lepas ketika reaktor spincoater dinyalakan. Substrat ini selanjutnya ditetesi larutan BST sebanyak 3 tetes. Kemudian reaktor spincoater diputar dengan kecepatan 3000 rpm selama 30 detik. Pengulangan penetesan dilakukan sebanyak 3 kali untuk mendapatkan lapisan berkala. Proses Annealing Proses annealing pada suhu yang berbeda akan menghasilkan karakterisasi film yang berbeda dalam hal struktur kristal, ketebalan, dan ukuran butir. Proses annealing pada suhu tetap dalam waktu yang tetap diharapkan akan menghasilkan karakterisasi film yang baik dalam hal struktur kristal, ketebalan dan ukuran butir. Potongan substrat silikon yang telah ditumbuhi lapisan film BST ini selanjutnya dilakukan proses annealing pada suhu 8500C dengan lama waktu 29 jam. Pembuatan Kontak pada Film BST Setelah potongan substrat diannealing, proses selanjutnya adalah pembuatan kontak. Proses ini diawali dengan penganyaman film menggunakan alumunium foil. Bahan kontak yang dipilih adalah Alumunium 99,999%. dengan cara evaporasi di atas permukaan
8
Kabel tembaga halus Kontak alumun Film BST Substrat silikon tipe-p
Gambar 7. sel surya tampak samping.
Kabel tembaga halus
Kontak alumunium Film BST Substrat silikon
function [ef,x,T]=efisiensi(Psi,εo,cp ,C,xi,n) x=[];ef=[]; x(1)=xi; T=(Psi^2)/(εo*cp*C*exp(1)); ef(1)=T for i=1 x(i+1)=x(1)+0.2; ef(i+1)=T/(1+x(i+1)); end for i=2:n x(i+1)=x(i)+0.2; ef(i+1)=T/(1+x(i+1)); end xlabel('Xo'); ylabel('efisiensi'); plot(x,ef) hold on;
Gambar 8. Rancangan sel surya tampak atas. substrat Silikon tipe-p dan film BST yang dibuat dengan memvariasikan fraksi molnya. Proses evaporasi dilakukan di laboratorium fisika material MOCVD ITB. Setelah terbentuk, kontak dihubungkan dengan kabel tembaga halus. Gambar rancangan sel surya dapat dilihat pada Gambar 7 dan Gambar 8.
Pembuatan Program Penghitungan Efisiensi Pada penelitian ini untuk penghitungan nilai efisiensi dari sel surya BST dilakukan dengan dua tinjauan yaitu tinjauan pertama dari hasil praktik di lab dan tinjauan kedua nilai efisiensi sel surya BST ini dihitung menggunakan program komputasi berbasis Matlab. Program ini dibuat berdasarkan tinjauan dari persamaan Landau-Chalatnikov dimana nilai efisiensi yang dicari divariasikan terhadap nilai pergeseran listrik (electric displacement) dari sel surya. Nilai maksimum dari penghitungan efisiensi ini nantinya akan dibandingkan dengan nilai efisiensi hasil praktik di lab, apakah hasil eksperimen sesuai dengan tinjauan teori atau tidak. Bentuk programnya seperti berikut.
Dengan Psi adalah nilai polarisasi spontan, εo adalah permitivitas ruang hampa, cp adalah kalor jenis pada tekanan tetap, dan C adalah nilai konstanta curie dari material yang digunakan dalam hal ini adalah material BST. Sedangkan xi adalah nilai dari electric displacement awal dan n adalah banyaknya iterasi. Selanjutnya untuk menjalankan program ini cukup memasukkan nilai Psi, εo, cp, C, xi dan n lalu jalankan di command window Matlab. Hasil dari program ini adalah grafik yang menghubungkan nilai efisiensi dan electric displacement dari sel surya. Karakterisasi Karakterisasi I-V Sebuah piranti elektronik memiliki karakteristik yang berbeda-beda. Ada yang memiliki sifat seperti resistor, transistor, atau dioda. Karakterisasi I-V merupakan suatu cara untuk menentukan apakah sebuah piranti elektronik memiliki sifat seperti resistor, transistor, atau dioda. Karakterisasi ini dilakukan menggunakan alat I-V meter. Sampel yang telah dibuat diberi tegangan catu dengan perlakuan bias mundur dan bias maju. Dari perlakuan tersebut nantinya akan terlihat respon arus listrik yang dihasilkan sampel pada saat bias mundur dan maju. Keluaran dari karakterisasi ini adalah
9
Gambar 9. Grafik I-V dioda.10 sebuah grafik arus terhadap tegangan, yang mana pada penelitian ini diharapkan grafiknya mencerminkan sifat dioda, karena sel surya yang dibuat ini adalah berbasis dioda dengan persambungan p-n. Grafik I-V dioda menurut literatur dapat dilihat pada Gambar 9. Karakterisasi Konduktivitas Listrik Konduktivitas listrik adalah besaran fisik yang mencerminkan apakah suatu material bersifat isolator, semikonduktor, atau konduktor. Dari hasil karakterisasi ini akan terlihat apakah sampel yang dibuat bersifat sebagai salah satu diantara ketiga jenis tersebut.3 Karakterisasi konduktivitas listrik dilakukan dengan mengukur besarnya kuantitas tersebut menggunakan alat LCR meter. Konduktivitas listrik sel surya film BST diukur dengan berbagai variasi keadaan yaitu pada kondisi gelap (0 lux), kondisi terang dengan variasi intensitas cahaya 200 lux, 400 lux, dan 600 lux. Nilai konduktansi yang didapatkan dari LCR meter nantinya akan diolah untuk mendapatkan nilai konduktivitas listrik sel surya menggunakan Persamaan (4). Kemudian, dari data yang diperoleh, akan dapat ditentukan bahwa film BST yang digunakan termasuk bahan isolator, semikonduktor, atau konduktor setelah hasil karakterisasi ini dibandingkan dengan data literatur. Karakterisasi Konstanta Dielektrik Konstanta dielektrik merupakan suatu konstanta/nilai dari bahan dielektrik yang berada di sampel. Dielektrik didefinisikan sebagai bahan isolator yang disisipkan dalam ruang antar keping-keping sebuah
kapasitor, dielektrik ini memiliki kekuatan yang berbeda-beda bergantung dari bahannya. Kekuatan dielektrik adalah kuat medan listrik maksimum yang dapat dihasilkan dalam dielektrik sebelum dielektrik tersebut tembus/rusak dan mulai konduksi (menghantarkan muatan listrik).12 Karakterisasi untuk mendapatkan nilai konstanta dielektrik ini dilakukan dengan menggunakan set-up alat seperti pada Gambar 10. Function generator sebagai pemberi sinyal dan osiloskop untuk melihat adakah perbedaan sinyal yang terjadi pada saat rangkaian pengukuran tersebut dihubungkan dengan sampel. Jika terjadi perubahan bentuk sinyal maka sampel yang dibuat dapat dikatakan berhasil dan dari grafik yang muncul di osiloskop dapat dihitung besar konstanta dielektrik dari masing-masing sampel. Karakterisasi Fotovoltaik Gambar 11 adalah rangkaian untuk karakterisasi fotovoltaik. Pada rangkaian tersebut voltmeter digunakan untuk mengukur tegangan dan amperemeter untuk mengukur arus listriknya. Sebuah sumber cahaya dengan intensitas tertentu ditempatkan pada jarak tertentu dari sampel sel surya sehingga cahaya mengenai seluruh permukaan sel surya. Posisi potensiometer mula-mula pada nilai minimum, kemudian dinaikan hingga mencapai titik maksimum. Nilai pembacaan masing-masing alat ukur dicatat pada setiap perubahan resistansi. Dari pengukuran ini akan diperoleh data hubungan arus terhadap tegangan sehingga data ini kemudian digunakan untuk menentukan daya maksimum (Pmax), Fill Factor (FF), serta efisiensi konversi (η) energi sel surya. R = 10
Function generator
Sampel Sel Surya
Osiloskop
Gambar 10. Rangkaian karakterisasi konstanta dielektrik sel surya.
10
A
R 1MΩ
sel surya
Larutan BST yang sudah jadi ini harus cepat digunakan karena jika tidak larutan ini akan membeku sehingga tidak dapat dijadikan film.
V
Gambar 11. Rangkaian pengukuran karakterisasi fotovoltaik.
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Persiapan Substrat Silikon murni tipe-p adalah substrat yang digunakan pada penelitian ini. Substrat ini dipotong berbentuk persegi dengan ukuran 1 cm x 1 cm dan 2 cm x 2 cm menggunakan mata intan. Setelah dipotong substrat ini kemudian dicuci melalui 5 (lima) tahap pencucian seperti yang telah dijelaskan pada bagian metodologi. Hasil keseluruhan dari proses persiapan substrat ini tentu saja adalah silikon berukuran 1cm x 1cm dan 2cm x 2cm, dan terlihat pada silikonnya lebih jernih seperti cermin. Tetapi karena proses pemotongan menggunakan mata intan, bentuk substrat silikon yang diperoleh tidak berbentuk persegi sempurna dan. Hasil proses persiapan substrat ini dapat dilihat pada Gambar 12. Pembuatan Larutan BST Larutan BST yang digunakan pada penelitian ini dihasilkan dari pencampuran barium asetat, stronsium asetat, dan titanium isopropoksida. Hasil dari proses ini adalah larutan BST yang memiliki warna putih dan dibawah larutan tersebut terdapat endapan yang merupakan sisa dari proses pencampuran.
Gambar 12. Hasil proses persiapan substrat.
Proses Penumbuhan Film Proses selanjutnya setelah dihasilkan larutan BST adalah penumbuhan film pada substrat yang digunakan. Untuk melakukan proses penumbuhan film ini digunakan proses spin coating yaitu larutan BST yang telah dibuat diteteskan pada substrat dan di spin pada kecepatan 3000 rpm. Hasil dari proses penumbuhan film ini adalah satu per tiga dari luas substrat silikon akan berbentuk film BST dan sisa luasnya adalah bagian substrat silikon murni, hal ini sesuai dengan prinsip dasar yang digunakan dalam pembuatan sel surya ini yaitu persambungan p-n, dengan tipe-p nya adalah substrat silikon murni dan tipe-n nya adalah film BST yang ditumbuhi pada substrat. Hasil proses penumbuhan film BST ini dapat dilihat pada Gambar 13. Proses Annealing Proses annealing adalah proses pemanasan sampel pada suhu tertentu menggunakan furnace. Pada proses ini substrat silikon yang telah ditumbuhi film BST dipanaskan pada suhu 8500C selama 29 jam. Hasil dari proses annealing ini tidak jauh berbeda dari hasil proses penumbuhan film, hanya setelah diannealing film BST yang ditumbuhkan pada substrat tampak lebih padat dan keras secara kasat mata. Hasil proses annealing dapat dilihat pada Gambar 14. Pembuatan Kontak pada Film BST Setelah sampel di-annealing proses selanjutnya adalah pembuatan kontak. Sebelum dipasang kontak, dilakukan
Gambar 13. Hasil proses penumbuhan film.
11
Gambar 15. Hasil pembuatan kontak pada sampel.
Gambar 14. Hasil proses annealing.
Penghitungan Nilai Efisiensi Program komputasi penghitungan nilai efisiensi ini hanya dapat dijalankan pada software Matlab. Untuk menjalankannya cukup menyalinkan baris pertama program tersebut di bagian command window dari Matlab dan memasukkan nilai Psi, εo, cp, dan C yang sesuai dengan material yang digunakan. Berdasarkan literatur untuk BST nilai Psi nya adalah 7,66 μC/cm2, Cp = 2,5 x 106 J/ m3 K , C = 13000C = 1,573 x 103 K , εo = 8,854 x 1016 C2/N cm2.3,19 Dari program komputasi ini hasil yang akan didapatkan adalah berupa grafik efisiensi (𝜂) terhadap pergeseran listrik (Xo) dari sel surya. Hasil kinerja dari program ini dapat dilihat pada Gambar 16. Pada grafik tersebut terlihat nilai efisiensi untuk sel surya dengan material NaNO2(kurva1), LiTaO3 (kurva 2), Triglycine Sulphate dan(kurva 4) juga Barium Stronsium Titanat (BST) (kurva 3) yang digunakan pada penelitian ini. Dari grafik tersebut terlihat bahwa nilai efisiensi untuk sel surya dengan material BST lebih besar dari NaNO2 tetapi lebih kecil dibandingkan LiTaO3
dan TGS. Nilai efisiensi sel surya BST berdasarkan program komputasi ini dihasilkan nilai maksimumnya adalah 6,199474%, hasil ini jika dibandingkan dengan praktik di lab sangat jauh berbeda. Berdasarkan hasil lab didapat nilai efisiensi sel surya untuk BST adalah 0,000014285%. Perbedaan hasil antara praktik di lab dengan tinjauan teori ini dapat disebabkan karena beberapa hal, diantaranya yang sangat memungkinkan ialah lapisan film BST tidak terdeposisi secara merata pada substrat silikon pada saat spin coating. Tidak terdeposisinya lapisan BST secara merata akan sangat mempengaruhi aliran difusi antara elektron dan hole pada persambungan p-n.
Efisiensi (%)
proses evaporasi terlebih dahulu pada substrat menggunakan alumunium. Pada pemasangan kontak ini digunakan pasta perak karena konduktivitas bahannya lebih tinggi jika dibandingkan dengan bahan yang lain. Proses pemasangan kontak ini membutuhkan konsentrasi dan harus hati-hati karena film maupun substrat silikon murni pada sampel tersebut tidak boleh tersentuh oleh tangan. Hasil dari proses pemasangan kontak ini dapat dilihat pada gambar 15.
4
3 2
1
Xo
Gambar 16. Grafik efisiensi terhadap Xo.
12
8.00E-04 6.00E-04
Karakterisasi I-V Pada karakterisasi I-V ini sampel sel surya yang telah dibuat dihubungkan dengan alat I-V meter secara langsung, kemudian pada alat I-V meter tersebut diatur besar tegangan catunya yaitu dari 1,0 volt sampai +1,0 volt untuk sampel sel surya yang berukuran 1 cm x 1 cm dan untuk sampel yang berukuran 2 cm x 2 cm tegangan catu yang diberikan adalah dari -1,0 volt sampai +1,0 volt. Hasil dari pengujian I-V ini dapat dilihat pada Gambar 17 untuk sampel yang berukuran 1 cm x 1 cm dan Gambar 18 untuk sampel yang berukuran 2 cm x 2 cm.
Arus (A)
Seperti yang telah diketahui bahwa arus listrik merupakan aliran elektron tiap satuan waktu.19 Hal ini lah yang menyebabkan mengapa arus dan tegangan listrik yang dihasilkan sel surya BST ini sangat kecil, sehingga menyebabkan efisiensi konversi energi foton dari matahari menjadi energi listrik bernilai tidak sesuai dengan tinjauan teori. Seharusnya pada saat sampel telah selesai dibuat, dilakukan karakterisasi terlebih dahulu menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM) untuk memastikan deposisi film BST telah merata sebelum dilakukan karakterisasi lainnya.
x=0,5 x=0,6
4.00E-04
x=0,7
2.00E-04
x=0,8 0.00E+00 -1.50E+01 -1.00E+01 -5.00E+00 0.00E+00 -2.00E-04
Tegangan (V)
5.00E+00
1.00E+01
1.50E+01
-4.00E-04 -6.00E-04
Gambar 17. Hasil Karakterisasi I-V sampel berukuran 1 cm x 1 cm. Arus (A)
1.00E-03 8.00E-04
x=0,5
6.00E-04
x=0,6 4.00E-04
-1.50E+01
-1.00E+01
x=0,7
2.00E-04
x=0,8
0.00E+00 -5.00E+00 0.00E+00 -2.00E-04
Tegangan (V)
5.00E+00
1.00E+01
1.50E+01
-4.00E-04 -6.00E-04
Gambar 18. Hasil Karakterisasi I-V sampel berukuran 2 cm x 2 cm.
13
Kurva hasil pengukuran I-V meter tersebut menunjukan hasil bias mundur dan maju yang diberikan kepada sampel sel surya BST dengan cara memberinya tegangan catu. Bias mundur dilakukan pada sampel dengan memberikan tegangan catu yang bernilai minus sampai nol, sedangkan bias maju dilakukan dengan memberikan tegangan catu dari nol sampai positif. Kedua grafik tersebut memperlihatkan pola yang sama yaitu pada saat bias mundur, respon arus listrik yang dihasilkan sama-sama bernilai negatif hingga ketika di nol respon arusnya juga bernilai nol. Dan pada saat
bias maju respon arus listrik yang dihasilkan sama-sama bernilai positif. Setelah dibandingkan dengan literatur pola bias mundur dan bias maju pada kurva tersebut menunjukan bahwa sampel yang dibuat baik yang berukuran 1 cm x 1 cm maupun yang berukuran 2 cm x 2 cm sama-sama memiliki sifat dioda. Hal ini menunjukan bahwa prinsip dasar persambungan p-n pada sel surya tersebut bekerja, karena persambungan p-n merupakan dioda yang dibuat dari penghubungan semikonduktor tipe-p dan semikonduktor tipe-n, dimana pada sampel sel surya BST ini yang menjadi
Konduktivitas Listrik (S/cm) (10E-7)
200 188.2
180 160 146.5
140 120
118.6
121.3
129.1
125.01
0,5
117.6
100
0,6
84.9
80
0,7
60
0,8
40 20 0 0
0.8 0.6
100
0.97 0.81 200
300
0.99 1.9 400
500
1.56 2.2 600
700
Intensitas (Lux)
Gambar 19. Hasil Karakterisasi konduktivitas listrik sampel 1 cm x 1 cm.
Konduktivitas Listrik (S/cm) (10E-7)
350 314.1
300 270.4
269.6
250 229.8 200
0,5 0,6
150
0,7
100 50 53.9 4.5 0 1.6 0
0,8
100
54.5 7.6 2.7 200
300
56.6 7.9 3.3 400
500
56.8 10.9 3.4 600
700
Intensitas (Lux)
Gambar 20. Hasil Karakterisasi konduktivitas listrik sampel 2 cm x 2 cm.
14
semikonduktor tipe-p nya adalah silikon murni sedangkan tipe-n nya adalah film BST. Karakterisasi Konduktivitas Listrik Untuk karakterisasi konduktivitas listrik, pengujiannya dilakukan menggunakan LCR meter dimana sampel sel surya BST ini diberikan perlakuan berupa variasi intensitas penyinaran. Variasi intensitas yang diberikan adalah pada saat kondisi 0 lux, 200 lux, 400 lux, dan 600 lux untuk masing-masing sampel. Data hasil pengujian ini dapat dilihat pada Gambar 19 dan Gambar 20. Data awal yang diperoleh pada karakterisasi ini ialah nilai konduktansi (G) yang dapat dilihat pada alat LCR meter. Selanjutnya data konduktansi ini diolah dengan menggunakan persamaan (3) untuk mendapatkan nilai konduktivitas listrik. Sehingga dari nilai konduktivitas listrik ini dapat ditentukan apakah sampel yang dibuat ini tergolong kedalam material semikonduktor atau bukan. Berdasarkan hasil karakterisasi ini terlihat bahwa ketika sampel diberikan intensitas penyinaran yang semakin besar maka nilai konduktivitas listrik yang dihasilkan juga menunjukan hasil yang semakin besar. Perubahan yang mencolok terjadi pada sampel BST dengan fraksi mol 0,5 baik yang berukuran 1 cm x 1 cm maupun yang berukuran 2 cm x 2 cm. Terlihat pada hasil karakterisasi tersebut perubahan konduktivitas listriknya sangat signifikan jika dibandingkan dengan perubahan konduktivitas listrik untuk sampel BST dengan fraksi mol yang lain. Dari sini muncul dugaan bahwa banyaknya kehadiran ion-ion stronsium (Sr) yang merupakan salah satu unsur penyusun dari material BST mempengaruhi juga nilai konduktivitas, karena dari hasil karakterisasi tersebut untuk BST dengan fraksi mol 0,5 jumlah ion-ion stronsiumnya merupakan yang terbanyak dibandingkan dengan sampel BST dengan fraksi mol yang lain. Selain itu konduktivitas listrik yang dihasilkan oleh masing-masing sampel ini juga tidak terlepas dari beberapa faktor yang menentukan seperti besar jarak antar
kontak dan besar luas kontak pada sampel itu sendiri. Hal ini bisa menjadi salah satu penyebab mengapa terjadi perbedaan nilai konduktivitas listrik pada sampel selain faktor lain seperti struktur mikroskopis dari film BST itu sendiri. Hal lain yang dapat dilihat dari hasil karakterisasi ini ialah nilai konduktivitas listrik yang dihasilkan semua sampel mempunyai range dari 10-8 S/cm – 10-5 S/cm. Range nilai ini jika dilihat pada literatur jenis material berdasarkan konduktivitas listriknya maka akan menunjukan bahwa sampel BST yang dikarakterisasi ini tergolong material semikonduktor dimana seperti yang diketahui bahwa material semikonduktor memiliki range nilai dari 10-8 S/cm – 103 S/cm.20 Karakterisasi Konstanta Dielektrik Pengujian untuk mencari nilai konstanta dielektrik dari masing-masing sampel dilakukan dengan menggunakan rangkaian seperti pada Gambar 10. Dimana sinyal datang dari function generator dialirkan menuju sampel sel surya BST yang kemudian diamati hasil perubahan sinyal tersebut pada osiloskop. Dari osiloskop tersebut akan diperoleh data time constant yang kemudian diolah untuk mendapatkan nilai kapasitansi dari sampel BST tersebut. Kemudian untuk mendapatkan nilai konstanta dielektrik gunakan persamaan kapasitansi. Hasil karakterisasi ini dapat dilihat pada Gambar 21 sampai Gambar 29 dimana kurva tersebut merupakan sinyal/ gelombang yang muncul di osiloskop pada saat sebelum dan sesudah dihubungkan dengan sampel.
Gambar 21. Sinyal awal yang muncul di Osiloskop.
15
Gambar 22. Sinyal pada sampel [x = 0,5 (1cm x 1cm)].
Gambar 23. Sinyal pada sampel [x = 0,6 (1 cm x 1 cm)].
Gambar 24. Sinyal pada sampel [x = 0,7 (1cm x 1cm)].
Gambar 27. Sinyal pada sampel [x = 0,6 (2 cm x 2 cm)].
Gambar 28. Sinyal pada sampel [x = 0,7 (2 cm x 2 cm)].
Gambar 29. Sinyal pada sampel [x = 0,8 (2 cm x 2 cm)]. Tabel 2. Nilai konstanta dielektrik sampel. Ukuran
Gambar 25. Sinyal pada sampel [x = 0,8 (1cm x 1cm)].
1cm x 1cm
2cm x 2cm
Gambar 26. Sinyal pada sampel [x = 0,5 (2 cm x 2 cm)].
fraksi mol (x) 0,5 0,6 0,7 0,8 0,5 0,6 0,7 0,8
CBST (nF) 1,1 1 1 1 1,3 1,2 1,2 1
k (konstanta dielektrik) 16,2 27,8 8,91 21,0 16,0 4,5 6,18 4,15
16
Dari hasil sinyal/gelombang yang muncul di osiloskop menunjukan bahwa bagian yang naik pada sinyal/gelombang tersebut menunjukan bahwa sampel sedang melakukan charge (menyimpan) sedangkan bagian yang turun dari sinyal/gelombang tersebut adalah kondisi discharge. Kondisi charge-discharge ini menunjukan bahwa sampel memiliki sifat seperti kapasitor dengan bahan dielektriknya sebagai penyebabnya. Bahan dielektrik dalam sampel ini ialah film BST itu sendiri. Dan karakterisasi ini bertujuan untuk mendapatkan nilai dilektrik dari sampel yang telah dibuat, nilai konstanta dielektrik yang diperoleh merupakan gambaran dimana material tersebut dapat menyimpan muatan listrik seiring dengan salah satu fungsi kapasitor sebagai penyimpan muatan. Dari grafik-grafik yang muncul di osiloskop, kelengkungan pada sinyal kotak menunjukan terjadinya aktifitas penyimpanan muatan pada sampel BST tersebut. Dari hasil pengujian didapatkan bahwa nilai konstanta dielektrik dari semua sampel yang diuji memiliki nilai yang berkisar diantara 4,15 sampai 27,8. Perbedaan nilai ini dapat terjadi karena beberapa faktor seperti faktor mikroskopis yang berasal dari struktur film BST itu
sendiri dan faktor yang berasal dari luar yaitu karena ukuran luas film dan tebal film BST dari masing-masing sampel. Dari pengukuran terhadap luas film dan tebal film didapat hasil yang tidak homogen dalam artian masing-masing sampel memiliki tebal dan luas film yang berbeda-beda. Karakterisasi Fotovoltaik Karakterisasi fotovoltaik digunakan untuk melihat keluaran dari sel surya yang telah dibuat. Rangkaian untuk karakterisasi fotovoltaik ini dapat dilihat pada Gambar 30 dimana pada rangkaian tersebut digunakan ampermeter dan voltmeter untuk melihat arus dan tegangan yang dihasilkan. Dan hasil karakterisasi ini dapat dilihat pada grafik I-V sel surya pada Gambar 25. Hasil dari karakterisasi fotovoltaik yang telah dilakukan pada prototipe sel surya BST sesuai dengan karakterisasi sel surya pada umumnya dimana hubungan antara arus dan tegangannya berbanding terbalik secara eksponensial. Artinya pada saat pengukuran arus yang terbaca pada ampermeter mengalami kenaikan maka besar tegangan yang terukur di voltmeter mengalami penurunan dan begitu pula sebaliknya. Hasil karakterisasi ini juga
0.0000002 2.0E-07 1.8E-07 1.6E-07
Arus (A)
1.4E-07 1.2E-07
0.0000001 1.0E-07 8E-08 6E-08
karakteristik I-V
4E-08
nilai maksimum
2E-08 0 0.00E+00
1.00E-02
2.00E-02
3.00E-02
4.00E-02
Tegangan (V) 5.00E-02
Gambar 30. Hasil fotovoltaik untuk 4 buah sel surya yang diparalelkan.
17
menunjukan bahwa tegangan maksimum yang dapat dihasilkan oleh sel surya tersebut ialah 2,6 x 10-2 volt sedangkan arus maksimum yang dapat dihasilkan bernilai 1,24 x 10-7 Ampere, dari data arus dan tegangan maksimum ini dapat diperoleh besar daya maksimum yang dihasilkan oleh sel surya tersebut adalah 3,22 x 10-9 watt. Dari data ini dapat diperoleh nilai Voc yang merupakan tegangan terbesar pada rangkaian tebuka dan Isc yang didapat ketika tegangannya bernilai minimum yaitu 3.89 x 10-2 volt dan 1.74 x 10-7 Ampere, dan dari datadata ini diperolehlah nilai FF (fill factor) sebesar 0,476. Hasil karakterisasi ini merupakan hasil dari 4 (empat) buah sel yang dipasang secara parallel, hal ini dilakukan karena untuk 1 buah sel ketika dilakukan karakterisasi tidak diperoleh nilai pada ampermeter dan voltmeternya. Besar arus dan tegangan yang diperoleh dari karakterisasi fotovoltaik ini belum memberikan hasil yang mengejutkan, karena untuk satu buah sampel sel surya ditargetkan dapat menghasilkan arus yang besarnya minimal 0,1 atau 0,01 miliampere sedangkan teganganya ditargetkan bernilai 1 atau 0,1 volt. Dan hasil ini sebenarnya masih tergolong kecil untuk ukuran sel surya. Namun dari hasil karakterisasi fotovoltaik ini mengindikasikan bahwa film BST yang dideposisikan di atas substrat silikon dapat menimbukan persambungan p-n. Selain itu arus dan tegangan yang dihasilkan dari efek fotovoltaik ini juga menunjukan adanya gerak difusi dari elektron dan hole yang memperoleh energi foton akibat adanya penyinaran dari sumber cahaya.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Setelah dilakukan penelitian ini dapat diambil kesimpulan bahwa pada proses persiapan substrat, substrat silikon yang digunakan dapat dimanfaatkan sebagai media tumbuhnya film BST dengan baik.
Larutan BST yang terbentuk serta pembuatan kontak pada penelitian ini juga cukup baik karena dibuat sesuai dengan tinjauan literatur. Sedangkan dari proses karakterisasi dapat disimpulkan bahwa fraksi mol dalam pembuatan larutan BST sangat mempengaruhi dari hasil keluaran. Terlihat bahwa konduktivitas listrik dari masing-masing fraksi mol BST memiliki nilai yang berbeda-beda, dari fraksi mol ini banyaknya unsur pembuat BST juga memiliki pengaruh terhadap besar konduktivitas listrik yang dihasilkan, terlihat semakin banyaknya jumlah gram dari stronsium pada BST memberikan efek dengan dihasilkannya konduktivitas yang semakin besar. Hasil ini menunjukan bahwa pembuatan film BST yang tepat dengan fraksi mol yang tepat akan memberikan hasil keluaran yang optimal dari sel surya tersebut. Pengaruh ukuran/dimensi dari sel surya juga menentukan hasil keluarannya. Hal ini terlihat dari hasil karakterisasi konduktivitas listrik yang menunjukan bahwa semakin besar ukuran sel surya maka hasil keluarannya juga akan semakin besar. Saran Untuk penelitian lanjutan diharapkan untuk lebih fokus dan berusaha mengembangkan sel surya berbasis film Barium Stronsium Titanat (BST) ini dengan lebih mendalami teorinya terlebih dahulu baik dari segi struktur material BST, proses pembuatan BST yang lebih efisien, efektif, dan tepat guna serta teori mengenai peningkatan hasil keluaran. Selain itu diharapkan juga untuk memperhatikan variasi perlakuan dari berbagai kondisi sel surya BST itu sendiri seperti variasi luas kontak, jarak antar kontak, dan luas perbandingan antara film BST dengan silikon murninya. Karena variasi perlakuan ini sepertinya mempunyai peran yang signifikan untuk mengembangkan hasil keluaran dari sel surya BST itu sendiri.
18
DAFTAR PUSTAKA 1.
Yuliarto, B. (2007). Teknologi Sel Surya untuk Energi Masa Depan. Energy Technology Research Institute, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST). Jepang 2. Fahrenbruch, A.L., Bube, R.H. (1983). Fundamentals of Solar Cells. UK. Academic Press Inc. 3. Hamdani, R.A., Rahmat, dan Irzaman. (2009). Uji Konduktivitas Listrik fIlm Tipis Ferroelektrik LiTaO3 Didadah Niobium (LNT). Bandung: Jurusan Pendidikan Teknik Mesin FPTK UPI. 4. Raksa, T.Y. (2008). Mengenal Material Ferroelektrik. Available at
. [3 Februari 2012]. 5. Lines, M.E., and Glass, A.M. (1977). Principles and Applications of Ferroelectrics and Related Materials. Clarendon Press Oxford. 6. [Anonim]. (2010). Alat Semikonduktor. Available at . [4 Februari 2012]. 7. Fuad, A. et, al. (1999). Karakterisasi Kapasitansi Tegangan Film Tipis Ferroelektrik Ba0,5Sr0,5TiO3 dengan Struktur Metal-FerroelektrikSemikonduktor (MFS) dan Potensi Penerapannya pada Memori. Proceedings, Industrial Electronic Seminar. 8. Seo, J.Y., Park, S.W. (2004). Chemical Mechanical Planarization Characteristic of Ferroelektrik Film for FRSM Application. Journal of Korean Physical Society, Vol 45, No. 3, Page 769-772. 9. Omar, M.A. (2007). Elementary Solid State Physics. Addison-Wesley Publishing Company, Inc. 10. Hongwei, C. et, al (2009). Structural, Dielectric, and Insulting Properties of Barium Stronsium Titanate Thin Films Grown on Various Oriented LaAlO3 Substrate: University of
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
Electronic Science and Technology of China. J of applied Physics, 105. Fuad, A. , Barnawi, M. , Arifin, P., Kurnia, D., Bilalodin dan Awitdrus. (1999). Karakterisasi Kapasitansi Tegangan Film Ferroelektrik Ba0,5Sr0,5TiO3 dengan struktur MetalFerroelektrik-Semikonduktor (MFS) dan Potensi Penerapannya pada Memori. Pia, W. (2005). Synthesis, Structure, Determination, and Sol-Gel Procesing of Heterometallic Heteroleptic Alkoxide Complexes of Late Transition Metals [doctoral thesis]. Uppsala: Swedish University of Agricultural Science. [Anonim]. (2011). Efek fotovoltaik Available at . [10 Februari 2012]. Maddu, A. (2009). Pedoman Praktikum Eksperimen Fisika II. Laboratorium Fisika Lanjut, Bogor: Departemen Fisika FMIPA, Institut Pertanian Bogor. Tyagi, M.S. (1991). Introduction to Semiconductor Materials and Devices, John Wiley & Sons Inc. Itskovsky, M.A. (1999). Kinetics of Ferroelectric Phase Transition: Nonlinear Pyroelectric Effect and Ferroelectric Solar Cell. Jpn. J, Appl. Phys. Vol. 38(1999)pp.48124817. Sze, S.M. (2007). Physics of Semiconductor Devices. John Wiley & Sons Inc: USA. Milan, J. , Lauhon, L., Allen, J. (2005). Photoconductivity of Semiconducting CdS Nonowires. Spring 2 (1): 43-47. Tipler, P.A. (1991). Physics for Scientist and Engineers. Worth Publisher Inc. Kwok, K.N. (1995). Complete Guide To Semiconductor Device. United States of America: McGraw-Hill, inc.
19
LAMPIRAN
20
Lampiran 1. Data Karakterisasi I-V Tabel 3. Data I-V sel surya ukuran 1x1 (x=0,5). Tegangan (V) Arus (A) 2.00E+01 8.00E-04 1.90E+01 7.11E-04 1.80E+01 6.39E-04 1.69E+01 5.59E-04 1.59E+01 4.94E-04 1.49E+01 4.28E-04 1.38E+01 3.72E-04 1.28E+01 3.17E-04 1.18E+01 2.69E-04 1.08E+01 2.25E-04 9.75E+00 1.89E-04 8.72E+00 1.56E-04 7.69E+00 1.26E-04 6.67E+00 9.52E-05 5.64E+00 7.27E-05 4.61E+00 5.36E-05 3.59E+00 3.48E-05 2.56E+00 1.86E-05 1.56E+00 6.98E-06 5.14E-01 3.03E-06 -5.15E-01 2.06E-06 -1.54E+00 2.02E-06 -2.57E+00 1.93E-06 -3.59E+00 1.59E-06 -4.62E+00 -1.29E-06 -5.65E+00 -2.39E-06 -6.67E+00 -4.15E-06 -7.69E+00 -8.22E-06 -8.72E+00 -9.56E-06 -9.75E+00 -2.18E-05 -1.08E+01 -3.68E-05 -1.18E+01 -5.21E-05 -1.28E+01 -6.57E-05 -1.38E+01 -8.80E-05 -1.47E+01 -1.05E-04 -1.59E+01 -1.33E-04 -1.69E+01 -1.54E-04 -1.80E+01 -1.80E-04 -1.90E+01 -2.19E-04 -2.00E+01 -2.39E-04
Tabel 4. Data I-V sel surya ukuran 1x1 (x=0,6). Tegangan (V) Arus (A) -2.00E+01 -1.74E-04 -1.24E+01 -4.35E-05 -5.60E+00 1.72E-06 4.02E-01 2.96E-06 5.20E+00 3.56E-05 1.00E+01 1.35E-04 1.60E+01 2.73E-04 2.00E+01 3.55E-04
Tabel 5. Data I-V sel surya ukuran 1x1 (x=0,7). Tegangan (V) Arus (A) -1.00E+01 -3.80E-04 -8.95E+00 -3.00E-04 -7.90E+00 -2.18E-04 -6.85E+00 -1.49E-04 -5.79E+00 -8.38E-05 -4.74E+00 -5.02E-05 -3.69E+00 -3.44E-05 -2.63E+00 -1.91E-05 -1.59E+00 -1.05E-05 -5.39E-01 -4.70E-06 5.21E-01 3.86E-06 1.58E+00 3.09E-05 2.63E+00 5.92E-05 3.69E+00 8.63E-05 4.74E+00 1.30E-04 5.79E+00 1.88E-04 6.84E+00 2.70E-04 7.89E+00 3.53E-04 8.95E+00 4.41E-04 1.00E+01 5.56E-04
21
Tabel 6. Data I-V sel surya ukuran 1x1 (x=0,8). Tegangan (V) Arus (A) -1.00E+01 -1.59E-04 -8.01E+00 -7.09E-05 -6.01E+00 -2.44E-05 -4.00E+00 -6.32E-06 -2.00E+00 -3.98E-06 3.74E-03 -2.18E-06 2.00E+00 1.41E-05 4.01E+00 3.87E-05 6.00E+00 1.14E-04 8.00E+00 1.88E-04 1.00E+01 2.79E-04
Tabel 7. Data I-V sel surya ukuran 2x2 (x=0,5). Tegangan (V) Arus (A) -1.00E+01 -4.10E-04 -8.00E+00 -2.71E-04 -6.00E+00 -1.74E-04 -4.00E+00 -8.74E-05 -2.00E+00 -3.30E-05 -3.26E-03 -5.79E-06 2.00E+00 5.81E-05 4.00E+00 1.54E-04 6.00E+00 2.68E-04 8.00E+00 3.90E-04 1.00E+01 4.79E-04
Tabel 8. Data I-V sel surya ukuran 2x2 (x=0,6). Tegangan (V) Arus (A) -1.50E+01 -2.81E-04 -1.34E+01 -2.31E-04 -1.17E+01 -1.80E-04 -1.01E+01 -1.28E-04 -8.43E+00 -8.88E-05 -6.79E+00 -4.62E-05 -5.15E+00 -1.97E-05 -3.51E+00 -9.98E-06 -1.86E+00 1.18E-06 -2.19E-01 2.61E-06 1.43E+00 1.18E-05 3.07E+00 5.84E-05 4.71E+00 1.48E-04 6.36E+00 2.53E-04 8.00E+00 3.96E-04
Tabel 9. Data I-V sel surya ukuran 2x2 (x=0,7). Tegangan (V) Arus (A) -1.50E+01 -1.31E-03 -1.20E+01 -8.40E-04 -9.00E+00 -4.73E-04 -6.00E+00 -2.59E-04 -3.00E+00 -1.10E-04 -1.24E-02 4.66E-06 2.97E+00 1.05E-04 6.00E+00 3.34E-04 9.01E+00 5.86E-04 1.20E+01 1.00E-03 1.50E+01 1.36E-03
22
Tabel 10. Data I-V sel surya ukuran 2x2 (x=0,8). Tegangan (V) Arus (A) -3.00E+01 -1.87E-03 -2.79E+01 -1.76E-03 -2.58E+01 -1.53E-03 -2.37E+01 -1.32E-03 -2.16E+01 -1.12E-03 -1.95E+01 -9.34E-04 -1.74E+01 -7.77E-04 -1.53E+01 -6.45E-04 -1.32E+01 -5.31E-04 -1.11E+01 -4.46E-04 -8.97E+00 -3.67E-04 -6.85E+00 -2.88E-04 -4.75E+00 -2.08E-04 -2.64E+00 -1.20E-04 -5.47E-01 -1.28E-05 1.59E+00 8.58E-05 3.69E+00 2.39E-04 5.85E+00 4.29E-04 7.90E+00 6.34E-04 1.00E+01 8.54E-04
23
Lampiran 2.Data Konduktansi(G) dan Penghitungan Konduktivitas Listrik(σ) Tabel 11. Data konduktivitas sel surya BST. Intensitas Konduktansi Ukuran Fraksi mol (Lux) (S) x = 0,5 9.5171E-07 x = 0,6 8.7332E-07 0 x = 0,7 4.8753E-09 x = 0,8 3.0961E-09 x = 0,5 1.3167E-06 x = 0,6 8.5419E-07 200 x = 0,7 5.0266E-09 x = 0,8 5.2688E-09 1x1 x = 0,5 1.6411E-06 x = 0,6 9.0008E-07 400 x = 0,7 1.1686E-08 x = 0,8 5.3786E-09 x = 0,5 2.1079E-06 x = 0,6 9.2947E-07 600 x = 0,7 1.3532E-08 x = 0,8 8.4298E-09 x = 0,5 5.4175E-07 x = 0,6 5.2765E-07 0 x = 0,7 2.4368E-08 x = 0,8 9.973E-09 x = 0,5 6.3551E-07 x = 0,6 5.3293E-07 200 x = 0,7 4.1217E-08 x = 0,8 1.6588E-08 2x2 x = 0,5 6.3735E-07 x = 0,6 5.528E-07 400 x = 0,7 4.3503E-08 x = 0,8 2.0363E-08 x = 0,5 7.4031E-07 x = 0,6 5.5552E-07 600 x = 0,7 5.9919E-08 x = 0,8 2.0984E-08
Konduktivitas Listrik (S/cm) 8.49741E-06 1.21294E-05 7.84878E-08 5.69768E-08 1.17563E-05 1.18638E-05 8.09236E-08 9.69606E-08 1.46527E-05 1.25011E-05 1.88134E-07 9.89812E-08 1.88205E-05 1.29093E-05 2.17853E-07 1.55132E-07 2.29833E-05 5.39795E-06 4.46747E-07 1.60855E-07 2.6961E-05 5.45197E-06 7.55645E-07 2.67548E-07 2.70391E-05 5.65524E-06 7.97555E-07 3.28435E-07 3.14071E-05 5.68307E-06 1.09852E-06 3.38452E-07
24
Untuk mendapatkan nilai konduktivitas listrik (σ) sel surya gunakan persamaan (7) berikut. (7) Dengan: σ = konduktivitas listrik (S/cm) G = konduktansi (S) l = jarak antar 2 kontak (cm) A = luas penampang kontak (cm2) Contoh pengolahan data Sel surya ukuran 1x1 dengan fraksi mol x = 0,5 pada kondisi 0 lux dengan data berupa: Konduktansi (G) = 9.5171E-07 S Luas penampang kontak (A) = 0.056 cm2 Jarak antar 2 kontak (l) = 0.5 cm
Sel surya ukuran 1x1 dengan fraksi mol x = 0,6 pada kondisi 0 lux dengan data berupa: Konduktansi (G) = 8.7332E-07 S Luas penampang kontak (A) = 0.036 cm2 Jarak antar 2 kontak (l) = 0.5 cm
Sel surya ukuran 2x2 dengan fraksi mol x = 0,7 pada kondisi 400 lux dengan data berupa: Konduktansi (G) = 4.3503E-08 S Luas penampang kontak (A) = 0.06 cm2 Jarak antar 2 kontak (l) = 1.1 cm
Sel surya ukuran 2x2 dengan fraksi mol x = 0,8 pada kondisi 600 lux dengan data berupa: Konduktansi (G) = 5.5552E-07 S Luas penampang kontak (A) = 0.0744 cm2 Jarak antar 2 kontak (l) = 1.2 cm
Maka perhitungan nilai konduktivitas listriknya adalah: Untuk sel surya 1x1 dengan fraksi mol x = 0,5 pada kondisi 0 lux : (
) (
)
Dengan cara yang sama maka perhitungan nilai konduktivitas listrik untuk semua sel surya dengan masing-masing ukuran, fraksi molnya, dan kondisi cahayanya menggunakan cara seperti itu.
25
Lampiran 3. Data Karakterisasi Penghitungan Nilai Konstanta Dielektrik Tabel 12. Nilai konstanta dielektrik sampel. Ukuran fraksi mol (x) CBST (nF) 0.5 1.1 0.6 1 1cm x 1cm 0.7 1 0.8 1 0.5 1.3 0.6 1.2 2cm x 2cm 0.7 1.2 0.8 1
k (konstanta dielektrik) 16.2 27.8 8.91 21.0 16.0 4.5 6.18 4.15
Perhitungan nilai konstanta dielektrik dari sampel sel surya dilakukan dengan menggunakan persamaan (8): (8) Dengan: k = konstanta dielektrik d = Tebal film BST (m) A = Luas kontak film BST (m2) CBST = Nilai kapasitansi BST (F) ε0 = Permitivitas ruang hampa (8,854 x 10-12 F/m) Contoh pengolahan data: Sel surya ukuran 1x1 dengan fraksi mol BSTnya x = 0,5 diperoleh hasil karakterisasinya dalam bentuk grafik yang muncul di osiloskop seperti ini.
Gambar 31. Contoh salah satu sinyal yang muncul pada sel surya BST.
Diketahui data di osiloskop: Time/div = 50 μs (berarti 1 kotak bernilai 50 μs dan 1 garis bernilai 10 μs) Volt/ div = 1 Volt (berarti 1 kotak bernilai 1 Volt dan 1 garis bernilai 0,2 volt)
26
Dari sinyal gelombang tersebut diperoleh: Vmaksnya
= 2,3 volt.
0,63 Vmaks = 1,449 volt. Dari 1,449 volt diperoleh t nya adalah 11 μs. Maka 11 μs adalah nilai time constant nya. (
)
Setelah didapatkan nilai kapasitansi dari film BST nya maka untuk mencari nilai konstanta dielektriknya gunakan persamaan (8).
Dengan: d = 7.31818E-07 m A = 0.0000056 m2
= 8,854 x 10-12 F/m ( (
) ( )
(
) )
16.2
Dengan cara yang sama gunakan perhitungan ini untuk mendapatkan nilai konstanta dielektrik untuk semua variasi ukuran dan variasi fraksi mol sel surya.
27
Lampiran 4. Data Karakterisasi Fotovoltaik Tabel 13. Data karakterisasi efek fotovoltaik. Tegangan (V) Arus (A) Daya (Watt) 3.89E-02 0 0.00E+00 3.86E-02 1.00E-09 3.86E-11 3.72E-02 2.00E-08 7.44E-10 3.40E-02 4.00E-08 1.36E-09 3.10E-02 8.00E-08 2.48E-09 2.60E-02 1.24E-07 3.22E-09 2.35E-02 1.30E-07 3.06E-09 2.14E-02 1.38E-07 2.95E-09 1.88E-02 1.48E-07 2.78E-09 1.52E-02 1.50E-07 2.28E-09 1.49E-02 1.54E-07 2.29E-09 1.07E-02 1.59E-07 1.70E-09 8.60E-03 1.60E-07 1.38E-09 6.70E-03 1.62E-07 1.09E-09 5.80E-03 1.64E-07 9.51E-10 4.40E-03 1.66E-07 7.30E-10 1.80E-03 1.70E-07 3.06E-10 3.00E-04 1.73E-07 5.19E-11 0.00E+00 1.74E-07 0.00E+00 Dari data hasil karakterisasi I-V diperoleh nilai: Voc = 3.89E-02 volt Isc = 1.74E-07 Ampere
Dan daya maksimum (Pmaks) dari data tersebut diperoleh sebesar 3.22E-09 Watt Sehingga: Imaks
= 1.24E-07 Ampere
Vmaks = 2.60E-02 volt
( (
)( )(
) )
28
Menentukan daya input (Pinput) dari empat buah sel surya yang diparalelkan gunakan persamaan:
Dengan Pinput
= daya maksimum (watt)
Imaks
= intensitas maksimum (Watt/cm2)
Luas film = luas film sel surya dari 4 buah sampel yang diparalelkan (cm2)
Intensitas cahaya yang digunakan adalah 55.600 lux Dengan 1 lux = 0,0015 W/m2 = 1,5 x 10-7 W/cm2 Maka 55.600 lux = 55.600 x 1,5 x 10-7 W/cm2 = 8,34 x 10-3 W/cm2 Dan luas film dari 4 buah sampel yang diparalelkan adalah 2,70272 cm2
Maka Pinput dari sel surya tersebut ialah Pinput = (8,34 x 10-3 W/cm2) x (2,70272 cm2) Pinput = 22,5409 x 10-3 W/cm2
Dan nilai efisiensi dari sel surya tersebut adalah
⁄ ⁄ = 0,000014285 %
29
Lampiran 5. Tinjauan Persamaan Penghitungan Efisiensi Di bawah ini adalah langkah-langkah penurunan untuk mendapatkan rumus akhir efisiensi yang diperoleh dari tinjauan persamaan Landau-Chalatnikov.17
Dengan, J = j S ; J adalah arus listrik, j adalah arus pyroelektrik dan S adalah luas film. U = j R S ; U adalah tegangan listrik dan R adalah nilai hambatan rangkaian.
Dengan
Dan (
(
)
)
( )
Dengan bentuk
adalah. (
)
[
( ) ]( )
Maka bentuk j (arus pyroelektrik) menjadi.
( (
)[
) [
(
)
( ) ] ( )]
30
Persamaan arus pyroelektrik ini kemudian disubsitusikan ke dalam persamaan efisiensi ( ). Namun karena dalam persamaan efisiensi arus pyroelektrik ini dalam bentuk kuadrat maka bentuknya menjadi. (
) [
[
( ) ] ( )]
(
) (
) [
( ) ] ( )
( (
) ( )
) [
( ) ] ( )
Dengan √ (
)
(
) ( ) ( ) (
( )
) [
[
( ) ] ( ) ( ) ] ( )
Dengan
Karena
dan nilainya sangat kecil sehingga dapat diabaikan maka bentuk
adalah.
(
Dengan
)
(
)
(
)
[
( ) ] ( )
[
( ) ] ( )
[
( ) ] ( )
31
( Karena nilai
;
)
[
( ) ] ( )
adalah nilai absorptivitas dari film metalik hitam maka
bentuk arus pyroelektriknya menjadi. (
)
[
( ) ] ( )
Kemudian bentuk akhir dari arus pyroelektrik ini disubsitusikan ke dalam persamaan efisiensi ( ) yaitu.
(
)
[
(
)
( ) ] ( )
[
( ) ] ( )
Nilai efisiensi maksimum akan diperoleh pada saat pergeseran listrik (electric displacement) bernilai maksimum juga yaitu pada saat X = Xm. (
)
[
) ] (
(
)
Untuk heating rates yang besar dan nilai resistivitas yang besar maka berlaku dapat dianggap diabaikan
(
)
( )
Sehingga bentuk persamaan efisiensinya adalah. (
) (
[
]
( )
) ( )
Nilai efisiensi ini terhadap electric displacement dapat dirumuskan sebagai berikut.17
32
Lampiran 6. Data Program Komputasi Penghitungan Nilai Efisiensi Tabel 14. Data hasil penghitungan nilai efisiensi. Ef (%) 6.199473507 5.166227923 4.428195362 3.874670942 3.444151948 3.099736754 2.817942503 2.583113961 2.384412887 2.214097681 2.066491169
X 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
Data diatas adalah tabel hasil perhitungan nilai efisiensi (ef) dan nilai pergeseran listrik/electric displacement (x). Hasil tersebut didapat setelah program komputasi yang dibuat dijalankan di command window Matlab seperti berikut. [ef,x,T]=efisiensi(7.66e-06,8.854e-016,2.5,1.573e03,0,10)
Kemudian hasil dari program penghitungan tersebut berupa tabel diatas dan grafik hubungan ef dan x secara langsung. Grafiknya dapat dilihat pada gambar 16. Namun perlu dicatat bahwa tabel yang ditampilkan diatas adalah tabel perhitungan nilai efisiensi untuk material BST saja, sedangkan untuk material TGS, LiTaO3, dan NaNO2 tidak ditampilkan disini.
33
Dibawah ini adalah dokumentasi hasil pembuatan program penghitungan efisiensi di Matlab.
Gambar 32. Program penghitungan nilai efisiensi.
34
Gambar 33. Hasil perhitungan program di command window MatLab.
35
Gambar 34. Hasil kerja dari program secara keseluruhan.
