Disalin dari buku "Prinsip-prinsip Konversi Energi [Archie W. Culp, Jr.] diterjemahkan oleh Darwin Sitompul, Ir., M.Eng.

1. 1
PEMANFAATAN SECARA LANGSUNG
ENERGI DARI SINAR MATAHARI
(GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK)
PENDAHULUAN
Pemanfaatan secara langsung energi dalam ujud akhir
berupa energi elektrik telah menjadi pilihan dalam masyarakat
moderen yang dinamis dan menyenangkan. Salah satu bentuk
energi primer yang dapat dikonversi menjadi energi elektrik
adalah energi dari gelombang elektromagnetik sinar matahari
melalui prinsip sel fotovoltaik sebagai bentuk energi baru.
Prinsip tersebut merupakan konversi energi di dalam sistem
solar cell (sel matahari), di mana solar cell tersebut mempunyai
karakteristik arus konstan terhadap perubahan tegangan
sampai nilai batas maksimumnya.
Perolehan tegangan pada sistem solar cell berasal dari
sambungan yang diperoleh dengan menggabungkan
semikonduktor jenis n dan p . Untuk mendapatkannya dapat
dilakukan dengan pengamatan dan pengukuran langsung
terhadap sistem solar cell, sehingga karakteristiknya dapat
diujudkan dalam bentuk tabel maupun grafik. Nilai maksimum
voltage yang terbangkitkan antara daerah yang tersinari dan
tidak tersinari (daerah gelap) pada suatu kristal semikonduktor
dapat diupayakan dengan mengarahkan secara tegak lurus
terhadap arah datangnya sinar matahari. Karakteristik arus
konstan terhadap perubahan tegangan yang terjadi dapat
dibandingkan terhadap karakteristik hasil uji coba sebelum atau
setelah pabrikasi.
TINJAUAN PUSTAKA
Konversi fotoelektrik adalah peubahan energi dari
gelombang elektromagnetik sinar matahari menjadi energi

2. elektrik dan terjadi dalam sistem solar cell yang dibatasi
dengan efisiensi konversi relatif lebih rendah[1]. Konversi
fotoelektrik tersebut masih merupakan peristiwa dalam laborat
sampai pada tahun 1941 ketika Ohl menemukan efek
fotovoltaik pada sambungan dua semikonduktor jenis n dan p .
Hal yang menarik sistem tersebut terutama adalah
kemampuannya mengubah energi gelombang elektromagnetik
sinar matahari menjadi energi listrik secara langsung (directly).
Menggunakan konstanta konversi fotoelektrik sebesar 1395
watt per m2 telah dibuktikan, bahwa temperatur radiasi efektif
di permukaan matahari adalah sekitar 6000K (10800oR)[1].
Menurut hukum perpindahan panas radiasi Wiens, energi hasil
radiasi sinar matahari yang paling mungkin adalah sekitar 2,8
eV. Meskipun energi ini sangat kecil jika dibandingkan energi
yang didapat dari reaksi nuklir, tetapi lebih dari cukup untuk
mengupas elektron valensi dari beberapa macam material.
Kesuksesan operasi solar cell mengandalkan pada kerja
sambungan n - p . Suatu sambungan n - p pertama kali
dibentuk, terdapatlah suatu proses pemuatan sementara yang
menimbulkan suatu medan listrik di sekitar sambungan.
Meskipun semikonduktor jenis n dan jenis p netral oleh dirinya
sendiri, konsentrasi elektron di material jenis n begitu tinggi,
sehingga ketika digabungkan dengan semikonduktor jenis p
beberapa elektron dari material n akan “luber” dan masuk ke
dalam lubang-lubang material p . Ini menyebabkan material n
bermuatan positif dan material p bermuatan negatif di daerah
sekitar sambungan. Proses pemuatan ini berlangsung terus
sampai medan listrik atau medan sambungan menghalangi
aliran lebih lanjut, sehingga elektron dan aliran lubang
mempunyai arah yang sama seperti ditunjukkan pada Gambar
1.
2
[1] CULP, Achie J., Prinsiples of Energy Conversion, McGraw-Hill Book Company, USA, 1981.

3. (a) tanpa voltage vL (b) dengan voltage vL
Gambar 1. Distribusi muatan pada suatu semikonduktor
3
sambungan jenis n - p
Foton bereaksi dengan elektron valensi di dekat sambungan
p-n dan menimbulkan efek yang sama seperti yang
ditimbulkan voltage bias ke depan. Dalam hal ini vL ialah
tegangan luar yang dibangkitkan foton. Suatu jenis sel
matahari secara skematis seperti ditunjukkan pada Gambar
2.[1].

4. Sambungan p-n
Silikon jenis p
- 1,0 in
Gambar 2. Diagram skematis suatu jenis solar cell
Foton yang tidak dipantulkan mengenai permukaan sel
masuk ke lapisan terluar yang tipis dari material semikonduktor
dan diubah menjadi energi panas atau membentuk pasangan
ion yang mengikis elektron valensi atom semikonduktor. Untuk
bisa membentuk pasangan ion, foton yang datang harus
mempunyai energi yang lebih besar dari energi perangsang
(E0). Beberapa ion ini akan dipisahkan oleh medan listrik di
sambungan dan menaikkan aliran pembawa utama dan
membentuk aliran arus seperti ditunjukkan pada Gambar
3.[1].
4
Aliran elektron
0,0001 in
0,04 in
Beban
Silikon jenis n
Foton energi cahaya
dari matahari

5. 5
Daerah
Jenis - n sambu ng an Je nis - p
Vo - VL
Eg
hv
hv
Gambar 3. Pembawa muatan yang disebabkan
penyinaran sel matahari
Suatu voltage bias ke depan (vL) bekerja melewati
sambungan, menaikkan aliran pembawa utama (elektron untuk
material p dan lubang-lubang untuk material n ) lewat
sambungan seperti ditunjukkan dalam Gambar 1.(b). J
(rapat arus bersih) yang melewati sambungan dirumuskan
dengan:

6. 6

 

J J e vL
 
 0 exp  1 k T
……(1), dengan:
J0 = rapat arus beban jenuh berlawanan.
Rapat arus beban jenuh-berlawanan merupakan arus yang
mengalir ketika bias-berlawanan yang besar dipakai untuk
sambungan dan arus mengalir hanya disebabkan oleh
pembawa minor (elektron untuk material n dan lubang-lubang
untuk material p ).
Operasi sel fotoelektrik adalah sedemikian rupa, sehingga
sebagian arus yang dibangkitkan oleh efek fotoelektrik J s
dilangsir lewat tahanan dalam sel jika tidak ada beban dalam
sama sekali. Bagian rapat arus dalam sel yang pergi melalui
beban luar adalah J L , dan memberikan persamaan:
J L  J s  J ……(2).
Substitusi persamaan (1) ke (2) didapatkan:
J J J evL
L s …..(3).
  exp  1 0 kT


Untuk vL sama dengan nol, yaitu pada kondisi hubungan
pendek, bentuk eksponensial pada jumlah terakhir mendekati

7. satu dan J L = J s , yaitu rapat arus hubung singkat. Nilai
J s adalah fungsi fluks foton yang datang.
Suatu karakteristik arus-tegangan solar cell seperti
7
ditunjukkan pada Gambar 4.
Titik daya
maksimum
Resistans beban
10 
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
80
70
60
50
40
30
20
10
Arus luaran (mA)
Level iluminasi
125 mW cm2
100 mW cm2
50 mW cm2
Segiempat
daya
maksimum
100 
5 
Tegangan luaran (V)
Gambar 4. Karakteristik arus-tegangan solar cell
Daya keluaran yang diperoleh dari solar cell:

8. 8
P  vL J L A……(4),
dengan A = luas permukaan sel.
Substitusi persamaan (3) ke (4) memberikan:

 

P A v J A v J e vL
 
  0 exp  1 k T
L S L …….(5).
Diferensiasi persamaan (5) terhadap vL dan mencari nilai
nol dari turunan tersebut memberikan tegangan beban luar
vL pada nilai maksimum P:
J
s
,maks. 0
k T
e v
J
k T
e v
L P
L P
,maks.
1
1
exp



……(6)
.
Nilai rapat arus hubung singkat J s dan rapat arus jenuh
berlawanan diketahui, maka nilai vL,maks.P dapat
dievaluasi dengan cara coba-coba. Keluaran daya maksimum
solar cell dapat dihitung dari:

9. 9
A  v  J 
J
L ,maks. P 0
s
L P
e v
k T
P
,maks.
maks.
1
( )


……(7).
Pin
Energi fluks insiden pada sel diketahui, yaitu A
, maka
efisiensi konversi pada daya maksimum:
maks.
A  v  J 
J
L P s
P k T
,maks.
in
,maks. 0
maks.
in
maks.


1
( )
  

 

 

 
L P
P
e v
P
P
….(8).
Mengingat fluks masukan energi ke solar cell pada umumnya
konstan, efisiensi yang diberikan persamaan (8) juga
merupakan efisiensi konversi maksimum yang mungkin, seperti
telah ditunjukkan.
Efisiensi konversi solar cell juga tidak dibatasi oleh efisiensi
panas suatu siklus mesin kalor tetapi ada kerugian-kerugian
yang tidak bisa dihindari, sehingga sangat membatasi kinerja
sel. Dua kerugian utama, adalah kerugian sambungan dan
spektrum. Kerugian sambungan merupakan kerugian karena
aliran pembawa minor di dalam sambungan, bernilai -1 dengan
menggunakan persamaan (1). Meskipun aliran ini biasanya
kecil saja dibanding dengan aliran pembawa utama, tetapi tidak
bisa diabaikan. Untuk solar cell dari silikon yang dihadapkan ke
arah datangnya radiasi matahari, kerugian sambungan
mengurangi efisiensi sampai 50%. Kerugian sambungan
mengecil jika intensitas radiasi dinaikkan, karena hal ini

10. menaikkan secara efektif vL seperti dalam persamaan (1).
Pada waktu menaikkan intensitas radiasi haruslah berhati-hati
benar, karena jika kenaikan temperatur T sangat tinggi, ini bisa
10
meniadakan kenaikan vL.
Kerugian utama dalam solar cell ialah kerugian energi
spektrum. Kerugian ini dihubungkan dengan spektrum energi
dari foton yang datang dan energi perangsang dari material
semikonduktor. Setiap foton dengan energi insiden kurang dari
energi perangsang tidak dapat memproduksi pasangan ion dan
kelebihan energi akan diubah menjadi energi panas, dan
hilang. Foton yang mempunyai energi lebih besar dari energi
perangsang secara normal akan membentuk satu pasang ion
dan sisanya akan diubah menjadi panas, meskipun kelebihan
energi ini bisa menolong untuk mencegah beberapa kombinasi
ulang pasangan-pasangan ion. Untuk solar cell dari bahan
silikon, nilai energi perangsang sebesar 1,1 eV dan kerugian
spektrum untuk radiasi matahari lebih-kurang 50%.
Masih ada kerugian kecil yang berkaitan dengan
pengoperasian solar cell, termasuk diantaranya pemantulan
foton, kombinasi ulang pasangan ion sebelum mencapai
sambungan, juga kerugian karena panas Joule, terutama pada
lapisan terluar semikonduktor yang tipis. Mengacu ke semua
kerugian tersebut, efisiensi konversi maksimum suatu sel
matahari silikon yang mempunyai efisiensi konversi praktis
paling tinggi di banding sel lain, yaitu sebesar lebih-kurang
25% (efisiensi aktualnya berkisar antara 15 dan 20%).
Solar cell mempunyai beberapa kelebihan dibanding sistem
konversi enegi matahari yang lain. Solar cell itu sederhana,
kompak, dan mempunyai perbandingan, daya terhadap berat
yang sangat tinggi. Ini membuatnya sangat menarik untuk
digunakan di luar angkasa. Solar cell tidak mempunyai bagian

11. yang bergerak, memungkinkan menghasilkan total konversi
energi sinar matahari menjadi energi listrik paling tinggi.
Secara teoritis solar cell mempunyai umur yang tak terbatas
meskipun pada kenyataannya sel ini juga menderita kerusakan
karena radiasi, terutama oleh hantaman partikal bermuatan
energi tinggi seperti elekton dalam sabuk radiasi van Allen di
sekeliling bumi. Kerusakan radiasi dalam solar cell silikon dapat
11
dikurangi dengan menggunakan susunan n di atas p .
Suatu masalah yang berkenaan dengan sistem konversi
energi sinar matahari terhadap bumi, bahwa sistem harus
disatukan dengan sistem penyimpan energi atau dengan jenis
sistem konversi lain untuk mencatu energi pada malam hari
atau pada siang hari yang mendung. Pesawat ruang angkasa
yang diorbitkan juga membutuhkan suatu sistem penyimpan
enegi untuk memberikan energi pada waktu pesawat angkasa
berada di balik bayangan bumi. Batere-batere penyimpan
biasa dipakai bersama sistem solar cell berdaya kecil.

12. Suatu voltage bias ke depan (vL) bekerja melewati sambungan,
menaikkan aliran pembawa utama (elektron untuk material p dan
lubang-lubang untuk material n ) lewat sambungan seperti
ditunjukkan dalam Gambar 1.(b). J (rapat arus bersih) yang
melewati sambungan dirumuskan dengan:
1

 

J J e vL
 
 0 exp  1 k T
……(1),
dengan: J0 = rapat arus beban jenuh berlawanan.
Operasi sel fotoelektrik adalah sedemikian rupa, sehingga sebagian
arus yang dibangkitkan oleh efek fotoelektrik J s dilangsir lewat
tahanan dalam sel jika tidak ada beban dalam sama sekali. Bagian

13. rapat arus dalam sel yang pergi melalui beban luar adalah J L , dan
memberikan persamaan:
2
J L  J s  J ……(2).
Substitusi persamaan (1) ke (2) didapatkan:
J J J evL
L s …..(3).
  exp  1 0 kT



Untuk vL sama dengan nol, yaitu pada kondisi hubungan pendek,
bentuk eksponensial pada jumlah terakhir mendekati satu dan J L =
J s , yaitu rapat arus hubung singkat. Nilai J s adalah fungsi fluks
foton yang datang.

14. 3
Daya keluaran yang diperoleh dari solar cell:
P  vL J L A……(4),
dengan A = luas permukaan sel.
Substitusi persamaan (3) ke (4) memberikan:

 

P A v J A v J e vL
 
  0 exp  1 k T
L S L …….(5).

15. Diferensiasi persamaan (5) terhadap vL dan mencari nilai nol dari
turunan tersebut memberikan tegangan beban luar vL pada nilai
maksimum P:
4
J
s
,maks. 0
k T
e v
J
k T
e v
L P
L P
,maks.
1
1
exp



……(6).

16. Nilai rapat arus hubung singkat J s dan rapat arus jenuh berlawanan
diketahui, maka nilai vL,maks.P dapat dievaluasi dengan cara coba-coba.
5
Keluaran daya maksimum solar cell dapat dihitung dari:
A  v  J 
J
L ,maks. P 0
s
L P
e v
k T
P
,maks.
maks.
1
( )


……(7).
Pin
Energi fluks insiden pada sel diketahui, yaitu A
, maka efisiensi
konversi pada daya maksimum:

17. 6
maks.
A  v  J 
J
L P s
P k T
,maks.
in
,maks. 0
maks.
in
maks.


1
( )
  

 

 

 
L P
P
e v
P
P
….(8)
.

18. Daerah
sambungan
Jenis - n Jenis - p
Sabuk konduksi
Aliran elektronyang sama
padakeduaarah
Vo
Aliranlubangyang sama
pada keduaarah
Sabukvalensi
Eg
Eo
Level
Fermi
Sabukkonduksi
Jenis - n Jenis - p
Aliranelektron
kelebihan
Vo -VL
Alirankelebihan
lubang
Sabukvalensi
Eo
Level
Fermi
Energi elektron E
Eg
Eg
(a) tanpa voltage vL (b) dengan voltage
Energi elektron E
vL
Gambar 1. Distribusi muatan pada suatu semikonduktor
1
sambungan jenis n - p
Sambungan p-n
Silikon jenis p
Silikon jenis n
Foton energi cahaya
dari matahari
- 1,0 in
Aliran elektron
0,0001 in
0,04 in
Beban
Gambar 2. Diagram skematis suatu jenis solar cell

19. 2
D aerah
Jenis - n sambungan Jenis - p
Vo - VL
Eg
hv
hv
Gambar 3. Pembawa muatan yang disebabkan
penyinaran sel matahari

20. Titik daya
maksimum
Resistans beban
10 
0,1 0 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
3
80
70
60
50
40
30
20
10
Arus luaran (mA)
Level iluminasi
125 mW cm2
100 mW cm2
50 mW cm2
Segiempat
daya
maksimum
100 
5 
Tegangan luaran (V)
Gambar 4. Karakteristik arus-tegangan solar cell

21. 4