Teori Dasar Praktikum Pengujian Karakteristik Solar Cell

Karakteristik Solar Cell

Solar Cell adalah salah satu jenis sensor cahaya photovoltaic, yaitu sensor yang dapat mengubah intensitas cahaya menjadi perubahan tegangan pada outputnya. Apabila “solar cell” menerima pancaran cahaya maka pada kedua terminal outputnya akan keluar tegangan DC sebesar 0,5 volt hingga 0,5 volt. Dalam aplikasinya solar cell lebih sering digunakan sebagai pembangkit listrik DC tenaga surya (matahari). Dalam skala kecil solar cell sering kita jumpai sebagai sumber tegangan DC pada peralatan elektronika seperti kalkulator atau jam.

Efek sel photovoltaik terjadi akibat lepasnya elektron yang disebabkan adanya cahaya yang mengenai logam. Logam-logam yang tergolong golongan 1 pada sistem periodik unsur-unsur seperti Lithium, Natrium, Kalium, dan Cessium sangat mudah melepaskan elektron valensinya. Selain karena reaksi redoks, elektron valensi logam-logam tersebut juga mudah lepas oleh adanya cahaya yang mengenai permukaan logam tersebut. Diantara logam-logam diatas Cessium adalah logam yang paling mudah melepaskan elektronnya, sehingga lazim digunakan sebagai foto detektor.

Tegangan yang dihasilan oleh sensor foto voltaik adalah sebanding dengan frekuensi gelombang cahaya (sesuai konstanta Plank E = h.f). Semakin kearah warna cahaya biru, makin tinggi tegangan yang dihasilkan. Tingginya intensitas listrik akan berpengaruh terhadap arus listrik. Bila foto voltaik diberi beban maka arus listrik dapat dihasilkan adalah tergantung dari intensitas cahaya yang mengenai permukaan semikonduktor.

Gambar 1 Proses Pembangkitan Tegangan Pada Solar Cell

1.        Jenis-Jenis Sel Surya

Dalam perkembangannya, sel surya semakin banyak memanfaatkan silikon dan bahan semikonduktor yang bervariasi sebagai bahan bakunya. Sel surya memiliki beberapa jenis, diantaranya adalah:

a.        Monocrystalline Silicon

Dari jenis panel surya yang pertama adalah Monocrystalline Silicon. Panel surya tipe ini menggunakan material silikon sebagai bahan utama penyusun sel surya. Material silikon ini diiris tipis menggunakan teknologi khusus. Dengan digunakannya teknologi inilah, kepingan sel surya yang dihasilkan akan identik satu sama lainnya dan juga memiliki kinerja tinggi.

Tipe panel surya ini menggunakan sel surya jenis crystalline tunggal yang memiliki efisiensi yang tinggi. Secara fisik, tipe panel surya ini dapat dikenali dari warna sel hitam gelap dengan model terpotong pada tiap sudutnya.

b.        Polycrystalline

Jenis panel surya ini terbuat dari beberapa batang kristal silikon yang dicairkan, setelah itu dituangkan dalam cetakan yang berbentuk persegi. Kristal silikon dalam jenis panel surya ini tidak semurni pada sel surya monocrystalline. Jadi, sel surya yang dihasilkan tidak identik antara satu sama lainnya. Efisiensinya pun lebih rendah dari monocrystalline.

c.         Galium Arsenide (GaAs)

Gallium arsenide ini merupakan sel surya pada unsur periodik III – V yang berbahan semikonduktor. Sel surya ini sangat efisien dan efektif untuk menghasilkan energi listrik sekitar 25%, dan sering diaplikasikan pada pembuatan perangkatsepert i: microwave frequency integrated circuits, monolithic microwave integrated circuits, infrared light emitting diodes, sel surya, optical windows, dan dioda laser.

d.        Thin Film Solar Cell (TFSC)

Jenis-jenis panel surya yang terakhir adalah thin film solar cell. Jenis panel surya ini dibuat dengan cara menambahkan sel surya yang tipis ke dalam sebuah lapisan dasar. Karena bentuk dari TFSC ini tipis, jadi panel surya ini sangat ringan dan fleksibel. Ketebalan lapisannya bisa diukur mulai dari nanometers hingga micrometers.

2.        Cara Kerja Panel Surya

Sel surya konvensional bekerja menggunakan prinsip p-n junction, yaitu junction antara semikonduktor tipe-p dan tipe-n. Semikonduktor ini terdiri dari ikatan-ikatan atom yang dimana terdapat elektron sebagai penyusun dasar.  Semikonduktor tipe-n mempunyai kelebihan elektron (muatan negatif)  sedangkan semikonduktor tipe-p mempunyai kelebihan hole (muatan positif) dalam struktur atomnya.  Kondisi kelebihan elektron dan hole tersebut bisa terjadi dengan mendoping material dengan atom dopant. Sebagai contoh untuk mendapatkan material silikon tipe-p, silikon didoping oleh atom boron, sedangkan untuk mendapatkan material silikon tipe-n, silikon didoping oleh atom fosfor. Ilustrasi dibawah menggambarkan junction semikonduktor tipe-p dan tipe-n.

Gambar 2 Junction antara semikonduktor tipe-p (kelebihan hole) dan tipe-n (kelebihan elektron)

Peran dari p-n junction ini adalah untuk membentuk medan listrik sehingga elektron (dan hole) bisa diekstrak oleh material kontak untuk menghasilkan listrik. Ketika semikonduktor tipe-p dan tipe-n terkontak, maka kelebihan elektron akan bergerak dari semikonduktor tipe-n ke tipe-p sehingga membentuk kutub positif pada semikonduktor tipe-n, dan sebaliknya kutub negatif pada  semikonduktor tipe-p. Akibat dari aliran elektron dan hole ini maka terbentuk medan listrik yang mana  ketika cahaya matahari mengenai susuna p-n junction ini maka akan mendorong elektron bergerak dari semikonduktor menuju kontak negatif, yang selanjutnya dimanfaatkan sebagai listrik, dan sebaliknya hole bergerak menuju kontak positif menunggu elektron datang, seperti diilustrasikan pada gambar dibawah.

Gambar 3 Ilustrasi cara kerja sel surya dengan prinsip p-n junction.

Karakteristik Aeus Tegangan Panel Surya

Sifat-sifat listrik dari panel surya biasanya diwakili oleh karakteristik arus tegangannya, yang mana disebut juga kurva I-V. Jika sebuah panel surya dihubung singkat (Vmp = 0), maka arus hubung singkat (Isc) mengalir. Pada keadaan rangkaian terbuka (Imp = 0), maka tegangan panel disebut teganganterbuka (Voc). Daya yang dihasilkan panel surya adalah sama dengan hasil kali arus dan tegangan yang dihasilkan oleh panelsurya.

P = V x I

Dengan :

P = Dayakeluaran panel (Watt)

V = Tegangankerja panel (Volt)

I = Aruskerja panel (Ampere)

Gambar 4 Kurva Arus-Tegangan Dari Sebuah Panel Surya

Apabila tegangan kerja dari panel digerakkan dari 0 sampai dengan tegangan terbukaVoc, maka keluaran daya panel surya pertama kali cenderung naik. Tetapi pada suatu tegangan kerja tertentu, daya keluaran modul menuruns ecara drastis.Tegangan kerja dan arus panel surya yang terjadi pada saat daya maksimum (Pmax) tercapai berturut-turut dinyatakan sebagai Vm dan Im. Apabila pengukuran dilakukan pada radiasi 1000 W/m2 dansuhu 25 oC, maka daya maksimum (Pmax) yang dihasilkan oleh panel disebut pula sebagai daya puncak (peak power) suatu panel surya dan dinyatakan sebagai P peak.

Pmax = Im x Vm

Dengan :

Pmax =  Daya maksimum keluaran panel (Watt)

Vm =  Tegangan kerja panel pada daya maksimum (Volt)

Im =  Arus kerja panel pada daya maksimum (Ampere)

Catatan : Pada kondisi penyinaran 1000W/m2 dan temperatur 25°C, maka Pmax = Ppeak

Kualitas fabrikasi panel surya dapat dilihat dari besaran suatu faktor yang disebut sebagai fill-factor. Pada gambar 5, daya puncak suatu panel surya dapat dibayangkan sebagai luasan hasil kali Im dan Vm. Sedangan daya maksimum ideal dari suatu panel surya adalah luasan dari hasil kali ISC dan VOC. Fill-factor daris uatu panel surya didefinisikan menurut persamaan berikut :

Gambar 5 Fill-factor

Sebagaimana disebutkan diatas, arus dari panel bergantung antara lain pada tingkat radiasi dan temperatur. Gambar 6 menunjukkan hubungan kurva I-V dari sebuah panel surya pada berbagai macam tingkat radiasi. Kurva-kurva I-V pada berbagai macam temperature sel ditunjukkan pada gambar 7.

Gambar 6 Kurva I-V Sebaga iFungsi Radiasi Matahari

Gambar 7 Kurva I-V Sebagai Fungsi Temperatur Sel

Faktor Pengoperasian Sel Surya

Pada pengoperasian sel surya pastinya terdapat komponen yang menjadi faktor X agar sel surya dapat beroperasi secara maksimal, faktor X tersebut adalah

1.      Ambien Air Temperature Sel surya dapat beroperasi secara maksimal jika temperatur sel tetap normal pada 25 derajat celsius. Kenaikan temperatur lebih tinggi dari temperatur normal pada sel surya akan melemahkan tegangan Voc.

2.      Radiasi Matahari Radiasi matahari di bumi pada lokasi yang berbeda akan bervariabel dan sangat tergantung dengan keadaan spektrum matahari ke bumi. Insolasion matahari akan banyak berpengaruh terhadap arus (I) dan sedikit terhadap tegangan (V).

3.      Atmosfir Bumi Keadaan atmosfir bumi yang berawan, mendung, jenis partikel debu udara, asap, uap air udara, kabut dan polusi sangat berpengaruh untuk menentukan hasil maksimal arus listrik dari sel surya.

4.      Tiupan Angin Kecepatan tiupan angin disekitar lokasi sel surya sangat membantu terhadap pendinginan temperatur permukaan sel surya sehingga temperatur dapat terjaga dikisaran 25 derajat celsius.

5.      Orientasi Panel Orientasi dari rangkaian panel ke arah matahari secara optimal memiliki efek yang sangat besar untuk menghasilkan energi yang maksimum. Selain arah orientasi sudut, orientasi (tiltengle) dari panel juga sangat mempengaruhi hasil energi yang maksimum. Untuk lokasi yang terletak di belahan utara latitude, maka panel sebaiknya diorientasikan ke selatan. Begitu juga yang letaknya di belahan selatan latitude, maka panel sebaiknya diorientasikan ke utara. Ketika panel diorientasikan ke barat atau ke timur sebenarnya akan tetap menghasilkan energi, namun energi yang dihasilkan tidak akan maksimal.

6.     Posisi letak sel surya terhadap matahari mempertahankan sinar matahari jatuh ke sebuah permukaan modul surya secara tegak lurus akan  memperoleh energi maksimum ± 1000 w/m2 atau 1 kw/m2. Untuk mempertahankan tegak lurusnya sinar matahari terhadap panel surya dibutuhkan pengaturan posisi modul surya, karena sun altitude akan berubah setiap jam dalam sehari.