1. Pengert Pengertian ian Photovol Photovoltaic taic
Fotovoltaik (biasanya disebut juga sel surya) adalah piranti semikonduktor yang dapat merubah cahaya secara lansung menjadi menjadi arus listrik searah (DC) dengan menggunakan kristal silicon (Si) yang tipis. Sebuah kristal silindris Si diperoleh dengan cara memanaskan Si itu dengan tekanan yang diatur sehingga Si itu berubah menjadi penghantar. penghantar. Bila kristal silindris itu dipotong stebal 0! mm akan terbentuklah sel"sel silikon silikon yang tipis atau yang disebut juga dengan sel surya (#otovoltaik). (#otovoltaik). Sel"sel silikon itu dipasang dengan posisi sejajar$seri dalam sebuah panel yang terbuat dari alumunium atau baja anti karat dan dilindungi oleh kaca atau plastik. %emudian pada tiaptiap sambungan sel itu diberi sambungan listrik. Bila sel"sel itu terkena sinar matahari maka pada sambungan itu akan mengalir arus listrik. Besarnya arus$tenaga listrik itu tergantung pada jumlah energi cahaya yang mencapai silikon itu dan luas permukaan sel itu. &ada asasnya sel surya #otovoltaik merupakan suatu dioda semikonduktor yang berkerja dalam proses tak seimbang dan berdasarkan e#ek #otovoltaik. Dalam Dala m proses itu sel surya menghasilkan tegangan 0'" volt tergantung intensitas cahaya dan jenis at semikonduktor yang dipakai. Sementara itu intensitas energi yang terkandung dalam sinar matahari yang sampai ke permukaan bumi besarnya sekitar 000 *att. *att. +api +api karena daya guna konversi energi radiasi menja"di energi listrik berdasarkan e#ek #otovol"taik baru mencapai ,'- maka produksi listrik maksimal yang dihasilkan sel surya baru mencapai ,'0 *att per m,. 2. Jenis Bahan Panel Sel Surya a.
Monokristal
Sel surya yang terdiri atas p"n Junction monokristal silikon atau yang disebut juga monocrystalline PV, mempunyai PV, mempunyai kemurnian yang tinggi yaitu -. /#isiensi sel #otovoltaik jenis silikon monokristal mempunyai e#isiensi konversi yang cukup tinggi yaitu sekitar sampai 1-.
(a (a)
( b)
2ambar .(a) Sel #otovoltaik3 (b) 4odul #otovoltaik
b.
Polikristal
&olycristalline &5 atau sel surya yang bermateri polokristal dikembangkan atas alasan mahalnya materi monokristal per kilogram. /#isiensi konversi sel surya jenis silikon polikristal berkisar antara ,- hingga '-.
2ambar ,. (a) sel #otovoltaik (b) modul #otovoltaik
c.
Amorfous
Sel surya bermateri Amorphous bermateri Amorphous Silicon merupakan Silicon merupakan teknologi #otovoltaik dengan lapisan lapisan tipis atau thin film. film. %etebalannya sekitar 06m (micron) dalam bentuk modul surya. /#isiensi /#isiensi sel dengan silikon amor#ous berkisar - sampai dengan -.
2ambar ! 7 4odul surya amor#ous
3. Prinsip er!a P"#S
8pabila suatu bahan semikonduktor misalnya bahan s ilikon yang permukaannya mempunyai tipe berbeda yaitu7 tipe p dan tipe n diletakkan di ba9ah sinar matahari maka bahan silikon tersebut akan melepaskan sejumlah kecil listrik yang biasa disebut efek fotolistrik
.
:ang dimaksud e#ek #otolistrik adalah pelepasan elektron dari permukaan metal yang disebabkan penumbukan cahaya. /#ek ini merupakan proses dasar #isis dari #otovoltaik merubah energi cahaya menjadi listrik. Cahaya Cahaya mataha matahari ri terdi terdiri ri dari dari partik partikel"p el"part artike ikell yang yang disebu disebutt sebaga sebagaii #oton #oton ( photons photons)) yang mempunyai sejumlah energi yang besarnya tergantung dari panjang gelombang pada sola pada solarr spectru spectrum. m. &ada saat photon menumbuk sel #otovoltaik maka cahaya tersebut sebagian akan dipantul dipantulkan kan diserap diserap dan mungkin mungkin diterusk diteruskan an (tergantu (tergantung ng jenis sel). Cahaya Cahaya yang diserap membangkitkan listrik. &ada saat terjadinya tumbukan energi yang dikandu dikandung ng oleh photon ditrans#er pada elektron yang terdapat pada atom sel #otovoltaik yang merupakan bahan semikonduktor.
Dengan Dengan energi yang didapat didapat dari photon photon elektron melepaskan diri dari ikatan normal normal bahan bahan semiko semikond ndukt uktor or.. Dengan Dengan elektr elektron on melepa melepaska skan n diri diri dari dari ikatan ikatannya nya terbentuknya lubang atau hole pada hole pada bahan semikonduktor tersebut. 8pabila pada saat ini sel semikonduktor tersebut dihubungkan ke suatu rangkaian luar maka elektron tersebut tersebut akan menyatu menyatu kembali dengan hole nya hole nya dan menciptakan arus listrik yang mengalir dalam rangkaian yang ada. &roses konversi dari radiasi matahari ke listrik terjadi secara langsung (tanpa adanya bagian yang bergerak) sebagaimana disajikan pada gambar berikut.
2ambar ;. %onversi radiasi sinar matahari menjadi listrik
sekaran sekarang g e#isiens e#isiensii dari dari multicr multicryst ystalli alline ne silicon silicon dapat dapat mencap mencapai ai .0 .0 - sedang sedangkan kan monocrystalline dapat mencapai lebih dari 1 -. Bahkan dalam satu kon#erensi pada September ,000 perusahaan Sanyo mengumumkan bah9a mereka akan memproduksi solar cell yang mempunyai e#isiensi sebesar ,0.1 -. >ni merupakan e#isiensi yang terbesar terbesar yang pernah dicapai.+enaga dicapai.+enaga listrik yang dihasilkan dihasilkan oleh satu solar cell sangat kecil kecil maka maka bebera beberapa pa solar solar cell harus harus digabu digabungk ngkan an sehing sehingga ga terbent terbentukl uklah ah satuan satuan komponen yang disebut module. &roduk yang dikeluarkan oleh industri"industri solar cell adalah adalah dalam dalam bentuk bentuk module module ini.&a ini.&ada da applik applikasin asinya ya karena karena tenaga tenaga listrik listrik yang yang dihasilkan oleh satu module masih cukup kecil (rata"rata maksimum tenaga listrik yang dihasilkan !0 *) maka dalam peman#aatannya beberapa module digabungkan dan terbentuklah apa yang disebut array. Sebagai contoh untuk menghasilkan listrik sebesar ! k* dibutuhkan array seluas kira"kira ,0 = !0 meter persegi. Secara lebih jelas lagi deng dengan an memak memakai ai modu module le prod produk uksi si Shar Sharp p yang yang bern bernom omor or seri seri ?/"@ ?/"@!0 !08 8 yang yang mempunyai e#isiensi '.!- diperlukan luas ,!.m, untuk menghasilkan listrik sebesar !.00 !.00 k*. k*. Besar Besarny nyaa kapa kapasi sitas tas &<+S &<+S yang yang ingi ingin n dipa dipasan sang g mena menamb mbah ah luas luas area area pemasangan. $. Bagian Bagian omponen
%omponen utama sistem surya #otovoltaik adalah modul yang merupakan unit rakitan beberapa sel surya #otovoltaik. 4odul #otovoltaik tersusun dari beberapa sel #otovoltaik yang dihubungkan secara seri dan paralel. +eknologi ini cukup canggih dan keuntungan keuntungannya nya adalah harganya harganya murah bersih mudah dipasang dipasang dan dioperasikan dioperasikan dan mudah dira9at. Sedangkan kendala utama yang dihadapi dalam pengembangan energi surya #otovoltaik adalah investasi a9al yang besar dan harga per k*h listrik yang dibangkitkan relati# tinggi karena memerlukan subsistem yang terdiri atas baterai unit pengatur dan inverter sesuai dengan kebutuhannya. Cara kerja photovoltaic diperlihatkan pada gambar . &ada gambar , diperlihatkan sistem &<+S. &<+S.
2ambar . cara kerja Fotovoltaik
2ambar ,. Sistem &<+S
Panel surya/ solar cells/ solar panel: panel surya menghasilkan energi listrik tanpa biaya, dengan mengkonversikan tenaga matahari menjadi listrik. Sel silikon (disebut juga solar cells) yang disinari matahari/ surya, membuat photon yang menghasilkan arus listrik. Sebuah solar cells menghasilkan kurang lebih tegangan 0. !olt. "adi sebuah panel surya #$ !olt terdiri dari kurang lebih %& sel (untuk menghasilkan #' !olt tegangan maksimun). har harge ge cont contro roll ller er,, digu diguna naka kan n untu untuk k meng mengat atur ur peng pengat atur uran an peng pengis isia ian n bate batera rai. i. *ega *egang ngan an maks maksim imun un yang yang diha dihasi silk lkan an panel panel sury suryaa pada pada hari hari yang yang terik terik akan akan menghasilkan tegangan tinggi yang dapat merusak baterai. +nverte +nverter, r, adalah adalah perangkat perangkat elektri elektrik k yang mengkon mengkonver versika sikan n tegangan tegangan searah ( - direct current) menjadi tegangan bolak balik ( alternating current). aterai aterai,, adalah perang perangkat kat kimia kimia untuk untuk menyimp menyimpan an tenaga tenaga listrik listrik dari dari tenaga surya. surya. *anpa baterai, energi surya hanya dapat digunakan pada saat ada sinar matahari. iagram iagram instalasi instalasi pembangkit pembangkit listrik listrik tenaga tenaga surya surya ini terdiri dari dari panel panel surya, surya, charge charge controller, inverter, baterai.
ari diagram pembangkit listrik tenaga surya diatas: beberapa panel surya di paralel untuk menghasilkan arus yang lebih besar. ombiner pada gambar diatas menghubungkan kaki positi panel surya satu dengan panel surya lainnya. 1aki/ kutub negati panel satu dan lainnya juga dihubungkan. 2jung kaki positi panel surya dihubungkan ke kaki positi charge controller, dan kaki negati panel surya dihubungkan ke kaki negati charge controller. *egangan panel surya yang dihasilkan akan digunakan oleh charge controller untuk mengisi baterai. 2ntuk menghidupkan beban perangkat (alternating current) seperti *elevisi, 3adio, komputer, dll, arus baterai disupply oleh inverter. +nstalasi pembangkit listrik dengan tenaga surya membutuhkan perencanaan mengenai kebutuhan daya: "umlah pemakaian "umlah pa panel su surya "umlah baterai %. Proses konversi Pros Proses es peng pengub ubah ahan an atau atau konv konver ersi si caha cahaya ya mata mataha hari ri menj menjad adii list listri rik k ini ini dimungkinkan karena bahan material yang menyusun sel surya berupa semikonduktor. 4ebi 4ebih h tepa tepatn tnya ya tersu tersusu sun n atas atas dua jenis semikonduktor5 yakni jenis n dan dan jen jenis p. p. Semikondu Semikonduktor ktor jenis n merupakan semikonduktor yang memiliki kelebihan elektron, sehingga kelebihan muatan negati, (n ( n 6 negati). negati). Sedangkan Sedangkan semikondu semikonduktor ktor jenis p memiliki memiliki kelebihan hole, sehingga sehingga disebut dengan p ( p 6 positi) karena kelebihan muatan positi. aranya, dengan menambahkan unsur lain ke dalam semkonduktor, maka kita dapat mengontrol jenis semikonduktor tersebut, sebagaimana diilustrasikan pada gambar di ba7ah ini.
Pada Pada a7alny a7alnya, a, pembua pembuatan tan dua jenis jenis semiko semikondu ndukto ktorr ini dimaks dimaksudk udkan an untuk untuk meningkatkan tingkat konduktiitas atau tingkat kemampuan daya hantar listrik dan panas semikonduktor alami. i dalam semikonduktor alami (disebut dengan semikon semikonduk duktor tor intrins intrinsik) ik) ini, ini, elektro elektron n maupun maupun hole hole memili memiliki ki jumlah jumlah yang yang sama. sama. 1elebihan elektron atau hole dapat meningkatkan daya hantar listrik maupun panas dari sebuah semikoduktor. 8isal semikonduktor intrinsik yang dimaksud ialah silikon (Si). Semikonduktor jenis p jenis p,, biasanya dibuat dengan menambahkan unsur boron ( ), aluminum (l), gallium (9a) atau +ndium +ndium (+n) ke dalam Si. 2nsurunsur 2nsurunsur tambahan ini akan menambah jumlah jumlah hole. hole. Sedang Sedangkan kan semiko semikondu ndukto ktorr jenis jenis n dibuat dengan menambahkan nitrogen (), osor (P) atau arsen (s) ke dalam Si. ari sini, tambahan elektron dapat diperoleh. Seda Sedang ngka kan, n, Si intr intrin insi sik k send sendir irii tida tidak k meng mengan andu dung ng unsu unsurr tamb tambah ahan an.. 2sah 2sahaa menambahkan menambahkan unsur tambahan ini disebut disebut dengan dengan doping yang jumlahnya tidak lebih dari dari # ; diban ibandi din ngkan gkan denga engan n berat erat Si yang yang hen hendak dak didoping i doping . ua jenis semikonduktor n dan p dan p ini jika disatukan akan membentuk sambungan p-n sambungan p-n atau dioda pdioda pn (istilah lain menyebutnya dengan sambungan metalurgi / metallurgical junction) junction) yang dapat digambarkan sebagai berikut. #. Semiko Semikondu ndukto ktorr jenis jenis p dan n sebelum disambung.
$. Sesaat setelah dua jenis semikondukt semikonduktor or ini disambung, disambung, terjadi perpindahan perpindahan elektronelektron dari semikonduktor n menuju semikonduktor p semikonduktor p,, dan perpindahan hole dari semikonduktor p semikonduktor p menuju semikonduktor n. Perpindahan elektron maupun hole ini hanya sampai pada jarak tertentu dari batas sambungan a7al.
%.
=. aerah negati negati dan positi positi ini ini disebut dengan dengan daerah daerah deplesi deplesi (depletion (depletion region) region) ditandai dengan huru >. . aik elektron maupun maupun hole yang ada pada daerah deplesi disebut dengan pemba7a muatan minoritas (minority (minority charge carriers) carriers) karena keberadaannya di jenis semikonduktor yang berbeda. &. ikarenakan ikarenakan adanya adanya perbedaan perbedaan muatan positi positi dan negati di daerah deplesi, deplesi, maka timbul dengan sendirinya medan listrik internal E internal E dari sisi positi ke sisi negati, yang mencoba menarik kembali hole ke semikonduktor p semikonduktor p dan elektron ke semikonduktor n. 8edan listrik ini cenderung berla7anan dengan perpindahan hole maupun elektron pada a7al terjadinya daerah deplesi (nomor # di atas).
'. danya danya medan listrik listrik mengakibatka mengakibatkan n sambungan sambungan pn pn berada berada pada titik setimang , yakni saat di mana jumlah hole yang berpindah dari semikonduktor p semikonduktor p ke n dikompensasi dengan jumlah hole yang tertarik kembali kearah semikonduktor p semikonduktor p akibat medan listrik E listrik E . egitu pula dengan jumlah elektron yang berpindah dari smikonduktor n ke p ke p,, dikompensasi dengan mengalirnya kembali elektron ke semikonduktor n akibat tarikan medan listrik E listrik E . engan kata lain, medan listrik E listrik E mencegah seluruh elektron dan hole berpindah dari semikonduktor yang satu ke semiikonduktor yang lain. Pada Pada sambunga sambungan n p-n inilah proses konversi cahaya matahari menjadi listrik terja terjadi di.. 2ntu 2ntuk k kepe keperlu rluan an sel sury surya, a, semik semikon ondu dukt ktor or n berada pada lapisan atas sambungan p sambungan p yang menghadap kearah datangnya cahaya matahari, dan dibuat jauh lebih tipis tipis dari dari semiko semikondu ndukto ktorr p, p, sehingga cahaya matahari yang jatuh ke permukaan sel surya dapat terus terserap dan masuk ke daerah deplesi dan semikonduktor p. p.
1etika sambungan semikonduktor ini terkena cahaya matahari, maka elektron mendapat energi dari cahaya matahari untuk melepaskan dirinya dari semikonduktor n, daerah deplesi maupun semikonduktor. *erlepasnya elektron ini meninggalkan hole pada daerah yang ditinggalkan oleh elektron yang disebut dengan otogenerasi el ektron hole (electron-hole (electron-hole photogeneration) photogeneration) yakni, terbentuknya pasangan elektron dan hole akibat cahaya matahari.
ahaya ahaya matahari matahari dengan dengan panjang panjang gelombang gelombang (dilambang (dilambangkan kan dengan dengan simbol simbol ?lambda@ sbgn digambar atas ) yang berbeda, membuat otogenerasi pada sambungan pn berada pn berada pada bagian sambungan sa mbungan pn pn yang berbeda pula. Spektrum merah dari cahaya matahari yang memiliki panjang gelombang lebih panjang, mampu menembus daerah depl deplesi esi hing hingga ga terse tersera rap p di semik semikon ondu dukto ktorr p yang yang akhirn akhirnya ya mengha menghasilk silkan an proses proses otogenerasi di sana. Spektrum biru dengan panjang gelombang yang jauh lebih pendek hanya terserap di daerah semikonduktor n.
Selanjutnya, dikarenakan pada sambungan pn sambungan pn terdapat terdapat medan listrik E listrik E , elektron hasil hasil otoge otogener nerasi asi tertari tertarik k ke arah arah semiko semikondu ndukto ktorr n, begitu pula dengan hole yang tertarik ke arah semikonduktor p semikonduktor p.. pabila rangkaian kabel dihubungkan ke dua bagian semikonduktor, maka elektron akan mengalir melalui kabel. "ika sebuah lampu kecil dihubungkan ke kabel, lampu tersebut menyala dikarenakan mendapat arus listrik, dimana arus listrik ini timbul akibat pergerakan elektron.
Pada Pada umumny umumnya, a, untuk untuk memper memperken kenalk alkan an cara kerja kerja sel surya surya secara secara umum, umum, ilustrasi di ba7ah ini menjelaskan segalanya tentang proses konversi cahaya matahari menjadi energi listrik.
