7/23/2019 Paper Light with too little or too much energy.docx
http://slidepdf.com/reader/full/paper-light-with-too-little-or-too-much-energydocx 1/12
Physical Aspects of Solar Cell Efficiency
Light With Too Little Or Too Much Energy
Rifani Magrissa
Jurusan Kimia !a"ultas Matemati"a #an $lmu Pengetahuan Alam
%ni&ersitas 'egeri Pa#ang Pa#ang
Tin(auan Pusta"a
)* Sel Surya
Sel surya merupakan salah satu produk teknologi fotovoltaik yang dikembangkan
pada bahan semikonduktor (silikon multikristal, monokristal, dan amorf) yang mampu
menyerang gelombang elektromagnetik dan konversi energi cahaya ( photon) menjadi
energi listrik secara langsung. Prinsip sel surya merupakan kebalikan dari LE ( Light
Emitting Diode) yang mengubah energi listrik menjadi cahaya atau boleh dikatakan identik
dengan sebuah dioda cahaya ( photodioda) sambung p!n (p!n junction) dengan cahaya
energi (band gap) E, Ev. "etika energi foton yang datang lebih besar dari celah energi ini
maka foton akan diserap oleh semikonduktor untuk membentuk pasangan electron-hole
sebagai pemba#a muatan (carrier ). Selanjutnya elektron dan hole bergerak berturut!turut
ke arah lapisan n dan p sehingga timbul beda potensial dan photocurrent (arus yang
dihasilkan oleh cahaya) ketika kedua muatan melintasi daerah sambung p!n.
+am,ar )* S"ema Sel Surya yang mengalami Penyinaran -./
Pada sel surya dibutuhkan material yang dapat menangkap matahari dan energi
tersebut digunakan untuk memberikan energi ke elektron agar dapat berpindah dari gapnya
kepita konduksi dan kemudian dapat berpindah ke rangkaian luar.
1
7/23/2019 Paper Light with too little or too much energy.docx
http://slidepdf.com/reader/full/paper-light-with-too-little-or-too-much-energydocx 2/12
"etika semikonduktor sambungan p!n disinari maka akan terjadi pelepasan elektron
dan hole pada semikonduktor tersebut. Lepasnya pamba#a muatan tersebut mengakibatkan
penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi. $danya kelebihan muatan ini akan
mengakibatkan muatan ini bergerak karena adanya medan listrik pada daerah deplesi. Pada
keadaan ini, arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara keseluruhan
dihasilkan arus berupa arus drift , yaitu arus yang dihasilkan karena kemunculan medan
listrik. $rus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya sambungan p!n sebagai arus
listrik.
Sel surya merupakan suatu devais semikonduktor yang dapat menghasilkan listrik
jika diberikan sejumlah energi cahaya. Proses penghasilan energi listrik itu dia#ali dengan
proses pemutusan ikatan elektron pada atom!atom yang tersusun dalam kristal
semikonduktor ketika diberikan sejumlah energi (hf ). Salah satu bahan semikonduktor yang
biasa digunakan sebagai sel surya adalah kristal silikon.
Panel surya adalah alat yang terdiri dari sel surya yang mengubah cahaya menjadi
listrik. %ereka disebut surya atas matahari atau &sol& karena matahari merupakan sumber
cahaya terkuat yang dapat dimanfaatkan. Panel surya sering kali disebut sel photovoltaic,
photovoltaic dapat diartikan sebagai &cahaya!listrik&. Sel surya atau sel P' bergantung pada
efek photovoltaic untuk menyerap energi matahari dan menyebabkan arus mengalir antara
dua lapisan bermuatan yang berla#anan.
ara kerja sel surya sendiri sebenarnya identik dengan piranti semikonduktor dioda.
"etika cahaya bersentuhan dengan sel surya dan diserap oleh bahan semi!konduktor, terjadi
pelepasan elektron. $pabila elektron tersebut bisa menempuh perjalanan menuju bahan
semi!konduktor pada lapisan yang berbeda, terjadi perubahan sigma gaya!gaya pada bahan.
aya tolakan antar bahan semi!konduktor, menyebabkan aliran medan listrik. an
menyebabkan elektron dapat disalurkan ke saluran a#al dan akhir untuk digunakan pada
perabot listrik.
Prinsip kerja sel surya yaitu cahaya yang jatuh pada sel surya menghasilkan elektron
yang bermuatan positif dan hole yang bermuatan negatif. Elektron dan hole mengalir
membentuk arus listrik. Sel surya merupakan sebuah piranti yang mampu mengubah secara
langsung energi cahaya menjadi energi listrik. Proses pengubahan energi ini terjadi melalui
efek fotolistrik.
$bsorpsi cahaya oleh sel!sel organik menyebabkan sebuah keadaan eksitasi yang
dikenal sebagai exciton atau pasangan elektron!lubang (electron!hole). Elektron dan lubang
terpisah satu sama lain dan diba#a melalui molekul donor dan akseptor ke elektroda,
menghasilkan sebuah arus listrik (photocurrent). Proses konversi cahaya secara langsung
menjadi listrik ini dikenal sebagai fotovoltaik dan harus dioptimasi untuk sel!sel surya
2
7/23/2019 Paper Light with too little or too much energy.docx
http://slidepdf.com/reader/full/paper-light-with-too-little-or-too-much-energydocx 3/12
organik agar menjadi efisien. *anyak upaya yang telah dilakukan untuk mencari molekul
donor dan akseptor yang cocok dan pengaturannya pada sebuah permukaan elektroda yang
berskala nanometer. +-
Pada saat sumber cahaya tiba!tiba dimatikan, maka konsentrasi masing!masingelektron dan hole akan kembali pada saat a#al dimana belum diberi cahaya. Proses
kembalinya konsentrasi masing!masing elektron dan hole pada keadaan semula ini dikenal
sebagai proses rekombinasi. adi pada sel surya tidak akan ada penyimpanan energi, energi
akan hilang begitu terjadi proses rekombinasi.
*esarnya energi cahaya yang dapat diserap oleh sel surya adalah bergantung
terhadap besarnya energi foton dari sumber cahaya. *esar energi cahaya yang mungkin
dapat diserap oleh sel surya. +/-
E = hf ....( 0 )
Sampai saat ini modul sel surya komersial memiliki efisiensi berkisar antara /
hingga 0/ persen tergantung material penyusunnya. 1ipe silikon kristal merupakan jenis
piranti sel surya yang memiliki efisiensi tinggi meskipun biaya pembuatannya relatif lebih
mahal dibandingkan jenis sel surya lainnya. 1ipe modul sel surya inilah yang banyak
beredar di pasaran. +-
0* Efe" !oto&oltai"
%enurut bahasa, kata 2otovoltaik berasal dari bahasa 3unani photos yang berarticahaya dan volta yang merupakan nama ahli fisika dari 4talia yang menemukan tegangan
listrik. Secara sederhana dapat diartikan sebagai listrik dari cahaya. 2otovoltaik merupakan
sebuah proses untuk mengubah energi cahaya menjadi energi listrik. Proses ini bisa
dikatakan kebalikan dari penciptaan laser.
Efek 2otovoltaik pertama kali berhasil diidentifikasi oleh seorang ahli 2isika
berkebangsaan Prancis $le5andre Edmond *ec6uerel pada tahun 078. *aru pada tahun
079:, ;illiam rylls $dams bersama muridnya, <ichard Evans ay menemukan bah#a
material padat selenium dapat menghasilkan listrik ketika terkena paparan sinar. ari
percobaan tersebut, meskipun bisa dibilang gagal karena selenium belum mampu
mengonversi listrik dalam jumlah yang diinginkan, namun hal itu mampu membuktikan
bah#a listrik bisa dihasilkan dari material padat tanpa harus ada pemanasan ataupun bagian
yang bergerak. 1ahun 077, harles 2rit= mencoba melakukan penelitian dengan melapisi
semikonduktor selenium dengan lapisan emas yang sangat tipis. 2otovoltaik yang
dibuatnya menghasilkan efisiensi kurang dari 0 >.
3
7/23/2019 Paper Light with too little or too much energy.docx
http://slidepdf.com/reader/full/paper-light-with-too-little-or-too-much-energydocx 4/12
Perkembangan berikutnya yang berhubungan dengan ini adalah penemuan $lbert
Einstein tentang efek fotolistrik pada tahun 08?@. 1ahun 08A9, 2otovoltaik dengan tipe
yang baru dirancang menggunakan tembaga dan semikonduktor copper o5ide. Bamun
kombinasi ini juga hanya bisa menghasilkan efisiensi kurang dari 0 >. Pada tahun 08@0,
seorang peneliti bernama <ussel Chl berhasil mengembangkan teknologi sel surya dan
dikenal sebagai orang pertama yang membuat paten peranti solar cell modern. *ahan yang
digunakan adalah silicon dan mampu menghasilkan efisiensi berkisar @>. *arulah
kemudian di tahun 08/@, *ell Laboratories berhasil mengembangkannya hingga mencapai
efisiensi :> dan akhirnya 00>. Pada tengah hari yang cerah radiasi sinar matahari mampu
mencapai 0??? #att permeter persegi. ika sebuah piranti semikonduktor seluas satu meter
persegi memiliki efisiensi 0? persen, maka modul sel surya ini mampu memberikan tenaga
listrik sebesar 0?? #att.
Efek fotolistrik ini terjadi pada suatu sel yang terbuat dari bahan semikonduktor.
"arena sifatnya, sel ini kemudian disebut sebagai sel fotovoltaik ( photovoltaic cell ) atausering juga disebut sebagai sel surya ( solar cell ). Sel fotovoltaik merupakan komponen
terkecil di dalam sistem energi surya fotovoltaik (SES2). Sinar matahari yang menimpa
permukaan sel diubah secara langsung menjadi listrik sebagai akibat terjadinya pergerakan
pasangan electron-hole, sebagaimana digambarkan pada skema diba#ah ini. 1eknologi sel
fotovoltaik yang tersedia de#asa ini masih didominasi oleh jenis sel dengan teknologi
kristal, baik mono! maupun poli!kristal, khususnya dari bahan dasar silikon. +-
+am,ar 0* Sel !oto&oltai" -./
.* Efe" !otolistri"
Efek fotolistrik adalah pengeluaran elektron dari suatu permukaan (biasanya logam)
ketika dikenai, dan menyerap radiasi elektromagnetik (seperti cahaya tampak dan radiasi
ultraviolet) yang berada di atas frekuensi ambang tergantung pada jenis permukaan. 4stilah
4
7/23/2019 Paper Light with too little or too much energy.docx
http://slidepdf.com/reader/full/paper-light-with-too-little-or-too-much-energydocx 5/12
lama untuk efek fotolistrik adalah efek Hertz (yang saat ini tidak digunakan lagi). Dert=
mengamati dan kemudian menunjukkan bah#a elektroda diterangi dengan sinar ultraviolet
menciptakan bunga api listrik lebih mudah.
Efek fotolistrik merupakan peristi#a terpentalnya sejumlah elektron pada permukaan sebuah logam ketika disinari seberkas cahaya yang besar energinya bergantung
pada frekuensi cahaya. Pada sel surya energi foton akan diserap oleh elektron sehingga
elektron akan terpental keluar menghasilkan arus dan tegangan listrik.
Efek fotolistrik membutuhkan foton dengan energi dari beberapa elektron volt
sampai lebih dari 0 %e' unsur yang nomor atomnya tinggi. Studi efek fotolistrik
menyebabkan langkah!langkah penting dalam memahami sifat kuantum cahaya, elektron
dan mempengaruhi pembentukan konsep dualitas gelombang partikel. 2enomena dimana
cahaya mempengaruhi gerakan muatan listrik termasuk efek fotokonduktif (juga dikenal
sebagai fotokonduktivitas atau photoresistivity, efek fotovoltaik, dan efek fotoelektrokimia.
2oton dari sinar memiliki energi karakteristik yang ditentukan oleh frekuensi
cahaya. alam proses photoemission, jika elektron dalam beberapa bahan menyerap energi
dari satu foton dan dengan demikian memiliki lebih banyak energi daripada fungsi kerja
(energi ikat elektron) dari materi, itu dikeluarkan. ika energi foton terlalu rendah, elektron
tidak bisa keluar dari materi. Peningkatan intensitas sinar meningkatkan jumlah foton
dalam berkas cahaya, dan dengan demikian meningkatkan jumlah elektron tetapi tidak
meningkatkan energi setiap elektron yang dimiliki. Energi dari elektron yang dipancarkan
tidak tergantung pada intensitas cahaya yang masuk, tetapi hanya pada energi atau
frekuensi foton individual. 4ni adalah interaksi antara foton dan elektron terluar.
Elektron dapat menyerap energi dari foton ketika disinari. Semua energi dari satu
foton harus diserap dan digunakan untuk membebaskan satu elektron dari atom yang
mengikat, atau energi dipancarkan kembali. ika energi foton diserap, sebagian energi
membebaskan elektron dari atom, dan sisanya dikontribusi untuk energi listrik kinetik
elektron sebagai partikel bebas.
Dukum emisi fotolistrik
0. Fntuk logam dan radiasi tertentu, jumlah fotoelektron yang dikeluarkan
berbanding lurus dengan intensitas cahaya yang digunakan.
A. Fntuk logam tertentu, terdapat frekuensi minimum radiasi, di ba#ah
frekuensi ini fotoelektron tidak bisa dipancarkan.
. i atas frekuensi tersebut, energi kinetik yang dipancarkan fotoelektron tidak
bergantung pada intensitas cahaya, namun bergantung pada frekuensi cahaya.
@. Perbedaan #aktu dari radiasi dan pemancaran fotoelektron sangat kecil,
kurang dari 0?!8 detik. +:-
5
7/23/2019 Paper Light with too little or too much energy.docx
http://slidepdf.com/reader/full/paper-light-with-too-little-or-too-much-energydocx 6/12
1* Efisiensi Pa#a Sel Surya
Efisiensi umumnya digunakan sebagai parameter untuk membandingkan kinerja
dari satu sel surya terhadap sel surya yang lainnya. Efisiensi didefinisikan sebagai perbandingan energi yang keluar dari sel surya dengan energi yang masuk dari matahari.
Efisiensi bergantung kepada spektrum dan intensitas dari cahaya matahari dan temperatur
dari sel surya. +@-
Efisiensi keluaran maksimum ( ղ ) didefinisikan sebagai persentase daya
keluaran optimum terhadap energi cahaya yang digunakan, yang dituliskan sebagai
2Ղ P
out
P¿
x100 ****3 4 5
Ղ= P
out
P¿
=V
max x I
max
I ( t ) x A =
FF x V oc
x I sc
I (t ) x A ****3 4 5
Keterangan6
Ղ Efisiensi sel solar
Pout aya keluar
Pin aya masuk
'ma5 1egangan maksimum
4ma5 $rus maksimum
'oc pen circuit voltage
4sc !hort circuit current
4 (t) 4ntensitas cahaya
$ Luas permukaan dari sel solar
22 "ill factor
Selain efisiensi, karakteristik yang lainnya adalah faktor pengisi ( fill factor,22). "ill factor
(22) merupakan nilai rasio tegangan dan arus pada keadaan daya maksimum dan tegangan
open circuit# +/-
6
7/23/2019 Paper Light with too little or too much energy.docx
http://slidepdf.com/reader/full/paper-light-with-too-little-or-too-much-energydocx 7/12
7* $ntensitas Cahaya
Efek perubahan intensitas cahaya matahari terjadi apabila jumlah energi cahaya
matahari yang diterima sel surya berkurang atau intensitas cahayanya melemah, maka besar
tegangan dan arus listrik yang dihasilkan juga akan menurun. +-
4ntensitas cahaya matahari memiliki pengaruh yang penting baik pada arus short
circuit , tegangan open circuit, fill factor, efisiensi, dan hambatan seri maupun hambatan
shunt# 4ntensitas cahaya dinyatakan dalam jumlah matahari, dimana satu matahari sesuai
dengan standar iluminasi pada $% 0,/ atau 0 k;Gm A. $rus short circuit secara langsung
berhubungan dengan jumlah foton yang diserap oleh material semikonduktor dan kemudian
sebanding dengan nilai intensitas cahaya, sedangkan dengan tegangan circuit mataharimungkin dapat berbeda setiap hari, hal ini menyebabkan energi yang masuk ke solar cell
juga akan berubah!ubah, bervariasi antara ? sampai 0 k;GmA. Pada cahaya yang rendah,
efek resistansi shunt akan bertambah. *erkurangnya intensitas cahaya menyebabkan arus
yang mele#ati solar cell berkurang dan nilai resistansi seri hampir sama nilai resistansi
shunt nya. +/-
+rafi" )* Efe" Peru,ahan $ntensitas Cahaya -7/
Pada thin film solar cell, pengumpulan arus yang berasal dari cahaya akan
berkurang pada intensitas yang tinggi, dengan daerah iluminasi kecil. Dal ini disebabkan
pada intensitas yang tinggi ada batasan tertentu yang disebabkan resistansi seri dan
7
7/23/2019 Paper Light with too little or too much energy.docx
http://slidepdf.com/reader/full/paper-light-with-too-little-or-too-much-energydocx 8/12
bertambahnya losses tegangan yang bergantung pada pengumpulan carrier . Pada salah satu
sumber disebutkan, pada eksperimen menggunakan lampu pijar yang dilakukan untuk
mencari hubungan antara intensitas cahaya dan efisiensi, didapat kesimpulan bah#a
efisiensi semakin berkurang ketika nilai intensitas lampu pijar bertambah. +0-
8* Lu9meter
+am,ar .* Lu9meter -)/
Lu5meter adalah alat yang biasa digunakan untuk mengukur intensitas cahaya.
Lu5meter digunakan yang terlihat seperti gambar di atas adalah alat digital. $lat ini
mempunyai tiga skala yaitu untuk 0??? lu5, 0?.??? lu5, dan 0??.??? lu5. alam kondisi
gelap seperti pada sore menjelang matahari terbenam, skala yang dipakai dapat
menggunakan 0??? lu5, untuk kondisi seperti pada pagi hari atau pada saat ada a#an yang
menutupi matahari biasa menggunakan skala 0?.??? lu5, dan untuk kondisi panas dapat
digunakan skala 0??.??? lu5. +0-
:* Energi Cahaya
$da beberapa hal yang membatasi harga efisiensi sel, salah satunya adalah cahaya.
"ehilangan efisiensi dihubungkan dengan cahaya yang mempunyai tidak cukup energi atau
mempunyai energi yang tinggi. ahaya matahari mempunyai spektrum yang bervariasi.
ahaya yang sampai ke bumi, mempunyai intensitas yang berbeda pada spektrum dari
panjang gelombang. "ehilangan efisiensi dihubungkan dengan efek dari cahaya dengan
energi sangat kecil atau energi yang sangat besar menghasilkan dari bagaimana cahaya
dengan panjang gelombang yang bervariasi berinteraksi dengan solar sel.
ahaya yang masuk ke solar sel, dapat
a. %asuk ke dalam dan mele#ati solar sel.
8
7/23/2019 Paper Light with too little or too much energy.docx
http://slidepdf.com/reader/full/paper-light-with-too-little-or-too-much-energydocx 9/12
b. i absorbsi, meningkatkan panas dalam bentuk vibrasi atom.c. Pemisahan suatu elektron dari ikatan atomnya menghasilkan pasangan
elektron hole#
d. %enghasilkan suatu pasangan elektron hole tetapi apabila mempunyai
kelebihan energi, maka akan menjadi panas.
+am,ar 1* Cahaya Memasu"i Solar Sel -0/
Pada energi yang spesifik untuk bahan dan struktur atomnya, cahaya dapatmembebaskan elektron dari ikatan atomnya. Pemisahan suatu elektron dari ikatan atomnya
menghasilkan pasangan elektron hole tidak hanya menyebabkan ikatan mengalami vibrasi.
Perbedaan bahan solar sel mempunyai perbedaan karakteristik energi yang mana elektron
dibebaskan (disebut elektron hole).
Silikon mempunyai energi 0,0 volt elektron. alium $rsenida dan bahan sel lainnya
yaitu 0,@ volt elektron. Fntuk bahan sel lainnya mempunyai karakteristik energi dari 0!A,:
volt elektron. Energi ini disebut material$s band gap energy.
Semenjak spektrum matahari mempunyai energi dan intensitas yang beragam, kunci
untuk mencocokkan suatu bahan dengan karakteristik energi band gap dengan spektrum,
sehingga jumlah maksimum energi dalam spektrum matahari jatuh tepat di atas
karakteristik energi. Pada (ambar /) memperlihatkan bagaimana variasi dari efisiensi
dengan energi yang dibutuhkan untuk menghasilkan suatu pasangan elektron hole. atatan,
bah#a energi yang dibutuhkan untuk membebaskan elektron dalam galium arsenida yaitu
9
7/23/2019 Paper Light with too little or too much energy.docx
http://slidepdf.com/reader/full/paper-light-with-too-little-or-too-much-energydocx 10/12
0,@ volt elektron, hampir bertepatan dengan efisiensi tertinggi dihubungkan dengan
spektrumHsilikon pada 0,0 volt elektron, hanya berada di ba#ah efisiensi tertinggi.
+am,ar 7* Efisiensi ma"simum yang #ihitung se,agai fungsi #ari energi yang
#i,utuh"an untu" ele"tron ,e,as -0/
Estimasi dari efisiensi mengasumsikan efek Imenghasilkan suatu pasangan elektron
hole tetapi apabila mempunyai kelebihan energi, maka akan menjadi panasJ, dimana
cahaya dengan energi yang lebih baik dibandingkan yang dibutuhkan untuk elektron bebas
hole generation suatu elektron tetapi jika energinya berlebih, maka akan memproduksi
panas.
Produksi dari pasangan elektron hole merupakan esensial untuk proses dalam solar
sel. 1anpa itu, tidak adanya tegangan yang dapat dihasilkan dan tidak ada arus yan
dialirkan. engan demikian, interaksi yang tidak tepat dari cahaya dengan material sel akan
menghabiskan sekitar //> energi dari sinar matahari. 4ni merupakan alasan yang paling
besar kenapa solar sel konvensional tidak memproduksi listrik dengan energi yang
seimbang yang berasal dari sinar matahari yang menyinari sel. Fntuk perbandingan,
berkaitan dengan berapa banyak solar sel yang akan digunakan jika spektrum matahari
mengandung hanya satu gelombang (monokromatik) dan tepatnya dicocokkan untuk energi
yang dibutuhkan sel untuk menghasilkan pasangan elektron hole# +A-
10
7/23/2019 Paper Light with too little or too much energy.docx
http://slidepdf.com/reader/full/paper-light-with-too-little-or-too-much-energydocx 11/12
+am,ar 8* Kehilangan Efisiensi pa#a Solar Sel -8/
11
7/23/2019 Paper Light with too little or too much energy.docx
http://slidepdf.com/reader/full/paper-light-with-too-little-or-too-much-energydocx 12/12
Referensi
%&' $ditiya#an, Eki. (A?0?), !tudi (arakteristik )encatuan !olar !el *erhadap (apasitas
)enyimpanan Energi +aterai, !()!, akarta, Fniversitas 4ndonesia, Dal 0?!00.
%.' Dersch, Paul dan "enneth K#eibel. (087A), )hotovoltaic )rinciples and /ethods,;ashington , F.S. overnment Printing Cffice, Dal 09!08.
%0' Purnama Sari, $jeng. (A?0@), )engukuran (arakteristik !el !urya, *andung, F4B
Sunan unung jati.
%1' P' Education, httpGG###.P'Education.org, 2Efficiency3#
%4' Sidopekso, Sat#iko dan $nita Eka 2ebti#iyanti# (A?0?), !tudi )eningkatan utput
/odul !urya dengan /enggunakan eflektor , akarta, FB.
%5' ;ikipedia, httpGG###.#ikipedia.org, I Efek "otolistrik3#%6' Kimmerman, 2rank. (A?0), )hotovoltaic Energy 7onversion, FS$, Dal A0.
12