LAPORAN AWAL

FISIKA EKSPERIMEN II

SEL SURYA

Nama : Faizal

NPM : 140310100056

Partner : Anisa Fitriana

NPM : 140310100087

Jadwal Praktikum : Rabu, 31 Oktober 201, 07.30 – 10.00 WIB

Asisten :

LABORATORIUM FISIKA LANJUT

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS PADJADJARAN

2012

LEMBAR PENGESAHAN

SEL SURYA

Nama : Faizal

NPM : 140310100056

Partner : Anisa Fitriana

NPM : 140310100087

Jadwal Praktikum : Rabu, 31 Oktober 201, 07.30 – 10.00 WIB

Asisten :

Jatinangor, 31 Oktober 2012

Laporan Awal Speaken Laporan Akhir

Asisten

1. Pendahuluan

1.1. Latar Belakang

Dewasa ini penggunaan listrik sangat vital kehadiranya bagi

kehidupan sehari dengan berbagai manfaat contohnya adalah untuk

menonton tv dan kebiasaan lainya. Kebutuhan yang semakin meningkat

tersebut menyebabkan kebutuhan akan listrik akan semakin meningkat.

Sel surya merupakan sebuah alat yang memiliki kemampuam untuk

merubah energi cahaya menjadi energi listrik berdasarkan prinsip dari

bahan semikonduktor. Dimana fenomena ini dikenal dengan efek

fotovoltaik. Untuk kerja sel surya ditentukan oleh karakteristik elektrik

dari persambungan ini yang dapat dipelajari melalui diagram pita energi.

Pada eksperimen ini digunakan sambungan dioda p-n dari bahan dasar

silicon.

.

1.2. Identifikasi Masalah

Pada dasarnya dalam mempelajari modul kali ini erat kaitanya

dengan pemahaman tentang efek fotovoltaik dalam sel surya kemudian

penting juga untuk mempelajari dan menentukan karateriskik dalam suatu

sel surya dan yang sangat penting bagaimana optimalisasi konversi energi

surya menjadi energi listrik.

1.3. Tujuan Percobaan

Mempelajari efek fotovoltaik.

Menentukan karakteristik sel surya.

Optimalisasi konversi energi surya menjadi energi listrik.

2. Teori Dasar

Sel surya merupakan sebuah piranti yang memiliki kemampuam untuk

merubah energi cahaya menjadi energi listrik berdasarkan prinsip dari bahan

semikonduktor.Fenomena ini dikenal dengan efek fotovoltaik. Sel surya

adalah salah satu supply energi listrik alternatif yang memungkinkan untuk

dibawa kemana-mana. Sel surya memiliki kemampuan mengonversi cahaya

matahari menjadi energi listrik. Dengan bentuk yang kokoh dan tahan

terhadap pergerakan atau guncangan, sel surya merupakan solusi yang tepat

untuk dijadikan suatu portable charger. Sel surya menghasilkan tegangan

output dengan nilai yang berubah-ubah sesuai dengan intensitas cahaya yang

jatuh pada permukaannya. Sel surya akan menghasilkan tegangan maksimum

saat intensitas cahaya yang jatuh pada permukaan sel surya maksimal dan

akan tegangan output serta kemampuan mengalirkan arus akan turun seiring

turunnya intensitas cahaya yang jatuh pada permukaan sel surya. Perubahan

nilai tegangan ini akan menghambat sistem pengisian baterei apabila sel surya

langsung dihubungkan dengan baterei. Pada saat tegangan mencapai nilai

maksimum, arus pengisian baterei bisa melebihi arus pengisian yang

dibutuhkan, hal ini dapat memperpendek usia pemakaian baterei. Begitu juga

saat tegangan output sel surya turun, maka pengisian tidak dapat berlangsung.

Proses fotovoltaik merupakan proses yang berkaitan dengan fenomena

persambungan semikonduktor (semiconductor junction). Hal ini terjadi

apabila seberkas foton dengan energi yang memadai jatuh pada daerah deplesi

sambungan p-n.

Perubahan langsung dari energi radiasi matahari menjadi energi listrik

adalah mungkin terjadi dengan efek fotovoltaik dengan menggunakan sel

surya. Istilah fotovoltaik seringkali disingkat menjadi PV. Energi radiasi

ditransfer dengan arti photoefect secara langsung menjadi elektron-elektron

dalam kristal mereka. dengan efek fotovoltaik sebuah tegangan listrik

dihasilkan dalam pengaruh dari penyerapan radiasi ionisasi. Sel surya harus

dibedakan dari sel foto yang mana konduktivitas berubah dengan diradiasi

matahari.

Sel foto membantu sebagai tempat rahasia dalam kamera sejak

konduktivitas listrik mereka dapat secara radikal berubah dengan perubahan

intensitas yang kecil. mereka menghasilkan bagaimanapun bukan tegangan

listrik sendiri dan membutuhkan sebuah baterai untuk beroperasi.

Semikonduktor

Bahan semikonduktor adalah bahan yang bersifat setengah konduktor

karena celah energi yang dibentuk oleh struktur bahan ini lebih kecil dari

celah energi bahan isolator tetapi lebih besar dari celah energi bahan

konduktor, sehingga memungkinkan elektron berpindah dari satu atom

penyusun ke atom penyusun lain dengan perlakuan tertentu terhadap bahan

tersebut (pemberian tegangan, perubahan suhu dan sebagainya). Oleh karena

itu semikonduktor bisa bersifat setengah menghantar.

Sifat-sifat bahan semikonduktor

1. Resistansinya lebih besar dari resistansi konduktor logam, tetapi lebih

kecil dari resisitansi bahan dielektrik.

2. Mempunyai koefisien temperatur negatip. Resistansinya berkurang

terhadap kenaikan temperatur (sifat sangat penting).

3. Mempunyai elektron valensi 4. Artinya pada kulit terluar terdapat empat

elektron , setengah dari 8 elektron yang dibutuhkan untuk kondisi stabil.

Elektron pada kulit terluar digunakan bersama oleh atom yang saling

berdekatan sehingga tidak ada elektron bebas. Ikatan kimia yang terbentuk

dengan prinsip penggunaan bersama elektron pada kulis terluar disebut

Ikatan Kovalen.

Semikondutor tipe n dan tipe p

Ketika suatu kristal silikon di-doping dengan unsur golongan

kelima, misalnya arsen, maka atom-atom arsen itu akan menempati ruang

diantara atom-atom silikon yang mengakibatkan munculnya elektron

bebas pada material campuran tersebut. Elektron bebas tersebut berasal

dari kelebihan elektron yang dimiliki oleh arsen terhadap lingkungan

sekitarnya, dalam hal ini adalah silikon. Semikonduktor jenis ini kemudian

diberi nama semikonduktor tipe-n. Hal yang sebaliknya terjadi jika kristal

silikon di-doping oleh unsur golongan ketiga, misalnya boron, maka

kurangnya elektron valensi boron dibandingkan dengan silikon

mengakibatkan munculnya hole yang bermuatan positif pada

semikonduktor tersebut. Semikonduktor ini dinamakan semikonduktor

tipe-p. Adanya tambahan pembawa muatan tersebut mengakibatkan

semikonduktor ini akan lebih banyak menghasilkan pembawa muatan

ketika diberikan sejumlah energi tertentu, baik pada semikonduktor tipe-n

maupun tipe-p.

Dioda

Bentuk dioda yang sering digunakan terdiri dari semikonduktor jenis-p

dihubungkan dengan semikonduktor jenis-n.

Jika bahan semikonduktor jenis-p dihubungkan dengan bahan

semikonduktor jenis-n, maka amati gambar 1 dibawah .

Pada gambar diatas , muatan yang diberi lingkaran menyatakan ion, dan

muatan ini tetap di tempat, tidak bergerak walaupun diberi medan listrik. Tanda

+ dan – dalam kotak persegi menyatakan pembawa muatan intrinsik , yaitu yang

berasal dari ikatan kovalen pada atom siliko, yang menjadi bebas oleh karena

eksitasi termal. Pembawa muatan yang lain adalah muatan bebas , yaitu lubang

yang dihasilkan oleh atom akseptor pada bahan jenis-p, dan elektron bebas yang

berasal dari atom donor. Pembawa muatan bebas ini adalah pembawa muatan

ekstrinsik. Dan jika disambungkan ;

Elektron bebas pada bahan jenis-n akan berdifusi melalui sambungan ,

masuk ke dalam bahan jenis-p, dan terjadi rekombinasi dengan lubang-lubang

yang ada dalam bahan p. Sebaliknya juga terjadi , yaitu lubang bahan p

berdifusi masuk ke dalam bahan n, dan berrekombinasi dengan elektron dan

saling meniadakan muatan. Akibatnya , tepat pada sambungan p-n terjadi

daerah tanpa muatan bebas, yang disebut daerah pengosongan . Oleh karena

muatan negatif, maka dalam daerah pengosongan terjadi medan listrik, yang

melawan proses difusi selanjutnya. Dengan adanya medan listrik ini terjadi

beda potensial listrik antara bagian p dan bagian dalam daerah pengosongan.

Sebaran muatan, kuat medan listrik, dan potensial listrik pada sambungan p-n

Karakteristik Dioda adalah hubungan antara arus dioda dan beda

tegangan antara kedua ujung dioda. Untuk dioda sambungan p-n lengkung

karakteristiknya adalah ;

Pada tegangan maju lengkung karakteristik sebenarnya lebih condong

daripada lengkung teori , sebab hambatan oleh kebocoran arus melalui

pereduktor dalam dioda, yang dapat dibayangkan sebagai suatu hambatan Rs.

Nilai Rs kira-kira 10 .

Penyimpangan berikutnya adalah untuk tegangan mundur, lengkung

karakteristik dioda lebih condong daripada lengkung teori, sebab hambatan

oleh kebocoran arus melalui permukaan dioda. Hambatan ini dapat

dibayangkan sebagai suatu hambatan Rsh yang dipasang parallel dengan

dioda. Hambatan Rsh mempunyai 100 k atau lebih. Penyimpangan ketiga

adalah adanya kedadalan pada karakteristik mundur.

Kerja Solar cells

Untuk kerja solar sel ditentukan oleh karakteristik elektik dari persambungan

ini yang dapat dipelajari melalui pita energi seperti yang diperlihatkan pada

gambar.

Diagram pita energi sambungan p-n yang terjadi pada semikonduktor

dengan sidalamnya mengandung tingkat energi Fermi.

Pada keadaan setimbang (tanpa medan luar), tingkat energi Fermi EF

diseluruh bagian sama. Perbedaan konsentrasi elektron dan hole didaerah-p

dan daerah-n menyebabkan difusi elektron ke daerah-p dan hole ke daerah n.

Atom-atom pengotor akan membentuk daerah arus muatan terbatas (charge-

limited-current). Arus difusi dan field current offset dalam keseimbangan satu

sam lain.

Potensial difusi pada sambungan p-n tergantunng pada jumlah doping

dan berkaitan dengan perbedaan tingkat energi Fermi pada daerah p dan n

pada keadaan terpisah.

Jarak antara pita Valensi dan pita konduksi untuk silikon pada

temperatur kamar adalah E=1,1 eV dan potensial difusinya adalah 0,5 sampai

0,7 V. Jika cahaya/foton jatuh mengenai sambungan p-n akan terbentuk

pasangan elektron hole yang dipisahkan oleh rruang muatan. Elektron tertarik

kedaerah-n dan hole ke daerah p. Foton diserap tidak hnya pada smbungan p-

n. Tetapi juga didaerah-p diatasnya. Elektron yang dihasilkan adalah

minoritas didaerah itu, konsentrasinya berkurang sangat banyak karena

rekomendasi dan efisiensinya dan efisiensinya juga berkurang. Oleh karena

itu lapisan-p harus cukup tipis untuk elektron berdifusi sepanjang LE untuk

memasuki lapisan-n.

Jika g jumlah pasangan elaktron-hole yang dihasilkan persatuan luas

dan jika U tegangan yang diberikan antara sambungan p-n, akan dihasilkan

arus elektron dan hole dengan kerapan.

J = e (exp e U / kT −1) (n0 Dc t / Lc2 + p0 Dh / Lh )− e g

Dimana :

e = muatan elektron

k = konstanta Bolztman

T = temperatur

L = panjang difusi elektron dan hole

D = konstanta difusi untuk elektron dan hole

N0,P0 = konsentrasi pembawa muatan pembawa minoritas pada

keadaan setimbang

Sedangkan rapat arus yang dihubung singkat adalah :

J=−eg

Penting halnya mengenai efiensi konversi dari sel surya, karena hal ini

dapat menjelaskan seberapa baik sel surya yang digunakan. Besarnya efisensi

konversi ( η ) ini didefinisikan sebagai :

η=

Pmax

P in

x 100 %

di mana :

Pmax = Daya maksimum yang dapat dihasilkan oleh sel surya

Pin = Daya masukan ( input ) yang diterima oleh sel surya

Daya maksimum dapat dinyatakan dalam Fill Factor (FF) yang

didefinisikan sebagai :

FF =

V max . I max

V OC . I SC

x100 %

Dalam besaran ini daya maksimum menjadi

Pmax = Vmax . Imax = VOC . ISC . FF

Dengan :

VOc adalah tegnagn saat arus minimum (Tegangan terbuka)

Isc adalah arus saat tegngannya minimum (mendekati nol) (Arus

Hubung Singkat)

3. Prosedur Percobaan

3.1. Alat dan Bahan

Modul sel surya.

Multimeter digital, dua buah.

Power supply.

Sumber cahaya.

Detektor cahaya (Thermophile).

Air blower.

Perlengkapan lainnya

3.2. Prosedur

3.2.1. Menentukan intensitas cahaya.

a. Menempatkan sumber cahaya dan detektor pada jarak tertentu

(minimal 50 cm). Mengukur intensitas cahaya dengan

menggunakan Detektor Cahaya (Thermopile).

b. Memvariasikan jarak sumber cahaya dengan detektor untuk

mendapatkan titik dengan intensitas yang berbeda.

3.2.2. Menentukan arus hubung singkat dan tegangan terbuka.

a. Merangkai sel surya seperti pada gambar yang ada di modul.

b. Menempatkan sumber cahaya sedemikian rupa sehingga

seluruh permukaan panel sel surya tersinari.

c. Mengatur potensiometer/hambatan geser pada posisi resistansi

maksimum. Mencatat nilai yang ditunjukkan masing-masing

alat ukur (voltmeter dan amperemeter).

d. Menurunkan resistansi hambatan geser secara perlahan dan

mencatat nilai pembacaan pada masing-masing alat ukur untuk

setiap perubahan resistensi. Melakukan sampai nilai resistansi

mencapai harga minimum.

3.2.3. Menentukan ketergantungan arus hubung singkat dan tegangan

terbuka terhadap temperatur.

a. Meniupkan udara panas ke permukaan sel surya, mengukur

temperatur permukaan secara langsung menggunakan

thermometer.

b. Mengulangi prosedur 3.2.2.

3.2.4. Menentukan kurva karakteristik pada intensitas cahaya yang

berbeda.

a. Mengulangi prosedur 3.2.2 untuk jarak antara sumber cahaya

dan sel surya (Intensitas cahaya telah diukur pada 3.2.1.a) yang

berbeda. Melakukan untuk beberapa variasi jarak.

3.2.5. Menentukan kurva karakteristik pada kondisi lingkungan yang

berbeda.

a. Mengulangi prosedur 3.2.2 dengan :

Melakukan pendinginan dengan blower.

Tanpa melakukan pendinginan.

Melewatkan cahaya terlebih dahulu melalui pelat kaca.

3.2.6. Mengamati pengaruh panjang gelombang terhadap rapat arus.

a. Mengulangi prosedur 3.2.2 dengan :

Menggunakan sumber cahaya yang berbeda.

Melewatkan cahaya terlebih dahulu melalui filter berbagai

warna.

3.2.7. Mengamati karakteristik konversi alat di bawah pengaruh sinar

matahari langsung.

a. Mengulangi prosedur 3.2.2 dengan menggunakan sinar

matahari langsung.

4. Tugas Pendahuluan

4.1. Pelajari prinsip kerja dan sambungan P-N secara umum, bahas bagaimana

sambungan P-N dapat berfungsi sebagai dioda biasa (penyearah),

fotodioda, foto detektor, LED, dan Sel Surya P-N.

Jawab :

Prinsip kerja sel surya silikon adalah berdasarkan konsep

semikonduktor p-n junction. Sel terdiri dari lapisan semikonduktor

doping-n dan doping-p yang membentuk p-n junction, lapisan antirefleksi,

dan substrat logam sebagai tempat mengalirnya arus dari lapisan tipe-n

(elektron) dan tipe-p (hole).Semikonduktor tipe-n didapat dengan

mendoping silikon dengan unsur dari golongan V sehingga terdapat

kelebihan elektron valensi dibanding atom sekitar. Pada sisi lain

semikonduktor tipe-p didapat dengan doping oleh golongan III sehingga

elektron valensinya defisit satu dibanding atom sekitar. Ketika dua tipe

material tersebut mengalami kontak maka kelebihan elektron dari tipe-n

berdifusi pada tipe-p. Sehingga area doping-n akan bermuatan positif

sedangkan area doping-p akan bermuatan negatif. Medan elektrik yan

terjadi antara keduanya mendorong elektron kembali ke daerah-n dan hole

ke daerah-p. Pada proses ini terlah terbentuk p-n junction. Dengan

menambahkan kontak logam pada area p dan n maka telah terbentuk

dioda.

Ketika junction disinari, photon yang mempunyai energi sama atau

lebih besar dari lebar pita energi material tersebut akan menyebabkan

eksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi dan akan meninggalkan

hole pada pita valensi. Elektron dan hole ini dapat bergerak dalam

material sehingga menghasilkan pasangan elektron-hole. Apabila

ditempatkan hambatan pada terminal sel surya, maka elektron dari area-n

akan kembali ke area-p sehingga menyebabkan perbedaan potensial dan

arus akan mengalir.

4.2. Turunkan perumusan untuk menentukan daya maksimum dan efisiensi

konversi sebuah sel surya.

Jawab :

Daya maksimum dari sel surya dinyatakan dengan

PMAX = V MPP . I MPP = V OC . I SC . FF

η =PMAX

PCAHAYA

DAFTAR PUSTAKA

http://www.chem-is-try.org/artikel_kimia/kimia_material/sel-surya-organik/

http://mufari.files.wordpress.com/2009/10/semikonduktor.pdf

http://blogs_102FM ITB/Prinsip_Kerja_Sel SuryaP-N.html

http://www.tectosol.staticip.de/index_en.htm electricity yield of a solar power

system