ariefgoe.soenandjojo@gmail.com atau ariefgoe.soenandjojo@yahoo.com

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
1

2. 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
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
[1] CULP, Achie J., Prinsiples of Energy Conversion, McGraw-Hill Book Company, USA, 1981.
2

3. 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.
3

4. (a) tanpa voltage vL (b) dengan voltage vL
Gambar 1. Distribusi muatan pada suatu
semikonduktor 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

5. 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
5
Aliran elektron
0,0001 in
0,04 in
Beban
Silikon jenis n
Foton energi cahaya
dari matahari

6. membentuk aliran arus seperti ditunjukkan pada Gambar 3.
[1].
Daerah
Jenis - n sambungan Jenis - 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:
J J e vL ö
……(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 ).
÷ ÷ø
æ
ç çè
= 0 exp -1 k T
6

7. 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 L = J s - J æ0 çè
exp evL
- 1 ö kT
…..(3).
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.
÷ø
Suatu karakteristik arus-tegangan solar cell seperti
ditunjukkan pada Gambar 4.
80
70
60
50
40
30
20
Arus luaran (mA)
Level iluminasi
125 mW cm2
100 mW cm2
Titik daya
maksimum
50 mW cm2
Resistans beban
10 W
5 W
Gambar 4. Karakteristik arus-tegangan solar cell
7

8. Daya keluaran yang diperoleh dari solar cell:
P = v L J L A……(4),
dengan A = luas permukaan sel.
Substitusi persamaan (3) ke (4) memberikan:
ö
÷ ÷ø
P A v J A v J æ
e vL
ç çè
= - 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:
A × v × J +
J
L ,maks. P 0
s
= k T
……(7).
e v
L P
Energi fluks insiden pada sel diketahui, yaitu A
P
,maks.
maks.
1
( )
+
Pin , maka
efisiensi konversi pada daya maksimum:
maks.
A × v × J +
J
L P s
P k T
,maks.
in
,maks. 0
maks.
in
maks.
æ
+
1
( )
h = h
ö
÷ ÷
ø
ç ç
è
= =
L P
P
e v
P
P
….(8).
Mengingat fluks masukan energi ke solar cell pada umumnya
konstan, efisiensi yang diberikan persamaan (8) juga
8

9. 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
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
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
9

10. 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
yang bergerak, memungkinkan menghasilkan total konversi
10

11. 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 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.
11

12. RINGKASAN………………………..
12

13. 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:
J J e vL ö
……(1),
÷ ÷ø
æ
ç çè
= 0 exp -1 k T
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 rapat arus
1

14. 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:
çè
J L = J s - J æevL
0 exp - 1 ö kT
…..(3).
÷ø
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.
2

15. Daya keluaran yang diperoleh dari solar cell:
P = vL J L A……(4),
dengan A = luas permukaan sel.
Substitusi persamaan (3) ke (4) memberikan:
ö
L S L …….(5).
÷ ÷ø
P A v J A v J æ
e vL
ç çè
= - 0 exp - 1 k T
3

16. 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:
A × v × J +
J
L ,maks. P 0
s
= ……(7).
L P
e v
k T
P
,maks.
maks.
1
( )
+
4

17. Pin , maka efisiensi
Energi fluks insiden pada sel diketahui, yaitu A
konversi pada daya maksimum:
maks.
A × v × J +
J
L P s
P k T
,maks.
in
,maks. 0
maks.
in
maks.
æ
+
1
( )
h = h
ö
÷ ÷
ø
ç ç
è
= =
L P
P
e v
P
P
..(8).
Contoh Soal
Untuk kondisi dimana nilai intensitas iradiasi sinar matahari tertentu pada sel
surya (solar cell) mempunyai kerapatan arus hubung singkat adalah 2 180
A dan
m
A . Beroperasi pada suhu
kerapatan arus jenuh berlawanan adalah 8.109
2
m
(temperature) 270C daya maksimum, tentukan luas efektif yang diperlukan
untuk keluaran daya 10 watt dan taksirlah efisiensi konversi jika intensitas
iradiasi sinar matahari adalah 950
W .
2 m
Penyelesaian:
[Konstanta Fisika]: volt
e =1,602.10-19 joule ; K
k =1,381.10-23 joule
5

18. Diketahui:
J = 180
A S ; 2 2
m
J = 8.10
9
A 0 ; T =270C =27 +273=300K ; P =10
watt out m
Untuk kondisi keluaran daya maksimum, digunakan persamaan (6):
J
s
ö
,maks. 0
k T
e v
J
k T
e v
L P
L P
,maks.
1
1
exp
+
+
= ÷ ÷ø
æ
ç çè
K
A
ö çè
A
m
ö m
çè
joule
ö çè
joule
ö K
çè
v
volt
K
joule
ö çè
joule
ö K
çè
v
volt
L P
L P
1,602.10
180
-
1,381.10 300
1
8.10
1
1,602.10
-
1,381.10 300
exp
23
,maks.
19
2
9
2
23
,maks.
19
× ÷ø
æ
÷ø
æ
+
÷ø
æ
÷ø
æ
+
=
ö
÷ ÷ ÷ ÷
ø
æ
ç ç ç ç
è
× ÷ø
æ
÷ø
æ
-
-
-
11.000
9
300
1
22,5.10
11.000
300
exp
,maks.
,maks.
L P
L P
v
v
+
ö
= ÷ ÷ø
æ
ç çè
exp 38,67 22,5.10
( )
9
L P
L P v
v
,maks.
,maks. 1 +
38,67
=
6

19. ( 1 + 38,67 v ) × exp ( 38,67 v ) = 22,5.10
9 =
X L ,maks. P L ,maks. P Dilakukan trial and error:
L P v ,maks. X L P v ,maks. X
0,3 1,376.106 0,54 25,64.109
0,4 8,576.107 0,537 22,71.109
0,5 5,073.109 0,5369 22,62.109
0,55 38,41.109 0,5368 22,53.109
Dipilih: v volt L P 0,5368 ,maks. = .
Digunakan persamaan (7):
A × v × J +
J
L ,maks. P 0
s
= yang diubah menjadi:
L P
e v
k T
P
,maks.
maks.
1
( )
+
7

20. v J J
L P s
maks. ,maks. 0
k T
L P
e v
A
P
,maks.
1
( )
+
× +
= .
Kemudian nilai v volt L P 0,5368 ,maks. = disubstitusikan, maka:
-
9
= × +
0,5368 (8.10 180)
+ × ×
1 1,381 10 300
1,602 10 19
(0,5368)
23
maks.
-
-
×
A
P
P = 0,5368 ×
(180)
=
>>> ( )
W
2
maks. 92,18
1 300
11.600 0,5368
m
A
×
+
Luas sel surya diperoleh:
A = Pout = = = »
10 m cm cm
2 2 2
maks.
0,10848 1084,8 1085
92,18
A
P
8

21. a Daerah
()
Jenis - n sambungan
Jenis - p
Sabuk konduksi
Aliran elektron yang sama
pada kedua arah
Vo
Aliran lubang yang sama
pada kedua arah
Sabuk valensi
Eg
Eo
Sabuk konduksi
Jenis - n Jenis - p
tanpa voltage vL (b) dengan voltage vL
Gambar 1 Distribusi muatan pada suatu
semikonduktor sambungan jenis n- p
Level
Fermi
Energi elektron E
Aliran elektron
kelebihan
Vo - VL
Aliran kelebihan
lubang
Sabuk valensi
Eo
Level
Fermi
Energi elektron E
Eg
Eg
Sambungan p-n
Silikon jenis p
- 1,0 in
Aliran elektron
0,0001 in
0,04 in
Beban
Silikon jenis n
Foton energi cahaya
dari matahari
1

22. Gambar 2 Diagram skematis suatu jenis solar cell
Daerah
Jenis - n sambungan Jenis - p
Vo - VL
Eg
hv
hv
Gambar 3 Pembawa muatan yang disebabkan
penyinaran sel matahari
80
70
60
50
40
30
20
10
Arus luaran (mA)
Level iluminasi
125 mW cm2
100 mW cm2
Titik daya
maksimum
50 mW cm2
Segiempat
daya
maksimum
Resistans beban
10 W
5 W
Gambar 4 Karakteristik arus-tegangan solar cell
2

23. 3