Laporan Praktikum Solar Cell - 01111540000007 PDF

Preview

Summary

JURNAL FISIKA MODERN (2017) NRP 1115100007 (1-6) 1 SOLAR CELL Sulistiyawati Dewi K., Gilang Baswara A.P., Eddy Yahya Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail: physics.gilang@gmail....

Description

JURNAL FISIKA MODERN (2017) NRP 1115100007 (1-6)

1

SOLAR CELL Sulistiyawati Dewi K., Gilang Baswara A.P., Eddy Yahya Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail: [email protected]

Abstrak— Praktikum solar cell bertujuan untuk mengetahui cara kerja sel surya, mengetahui karakteristik I-V dan P-V sel surya sebelum dan sesudah diberi sudut kemiringan, dan menyelidiki pengaruh sudut kemiringan pada sel surya terhadap daya keluarannya. Prinsip dari praktikum ini adalah Hukum Kirchoff. Hasil dari praktikum ini adalah besar arus, tegangan, dan daya ratarata saat solar cell disusun secara seri adalah sebesar 0,573 A; 36,25 V; 20,7717 Watt (untuk modul surya yang diletakkan datar) dan 0,565 A; 36,1 V; 20,3946 Watt (untuk modul surya yang diletakkan dengan sudut kemiringan 13,09o). Sedangkan hasil arus, tegangan, dan daya rata-rata saat solar cell disusun secara paralel adalah 0, 306 A; 18,71 V; 5,7278 Watt (untuk modul surya datar) dan 0,299 A; 18,67 V; 5,5826 Watt (untuk modul surya yang diletakkan dengan sudut kemiringan 13,09 o). Kata Kunci— P-N Junction, Solar Cell, Semikonduktor, Tegangan. I. PENDAHULUAN

K

ehidupan manusia saat ini tidak bisa dipisahkan dari adanya energi. Salah satu energi yang banyak digunakan saat ini adalah sumber energi yang berasal dari fosil. Sebagaimana diketahui bahwa energi yang berasal dari fosil membutuhkan waktu yang lama dalam pembentukannya. Hal tersebut menjadikan semakin langkanya sumber energi ini. Oleh karena itu, dibutuhkan sumber energi alternatif yang melimpah dan pembentukannya tidak membutuhkan waktu yang lama. Pemanfaatan energi matahari menjadi salah satu pilihan energi alternatif tersebut. Yang mana pemanfaatan energi dalam menghasilkan listrik sehingga dapat dimanfaatkan dalam kehidupan sehari-hari ini melalui bantuan solar cell. Solar cell merupakan sebuah peralatan semikonduktor yang terdiri dari dua buah wilayah besar yang dikenal dengan p-n junction, yang mampu mengubah energi cahaya matahari menjadi energi listrik. Atom adalah suatu satuan dasar materi, yang terdiri atas inti atom serta awan elektron bermuatan negatif yang mengelilinginya. Kulit atom dibagi lagi menjadi subkulit atom. Di dalam subkulit atom terdapat ruang-ruang yang disebut orbital. Di dalam orbital inilah tempat kemungkinan besar elektron ditemukan, dimana tiap orbital maksimal ditempati oleh dua elektron. Apabila elektron berpindah dari tingkat energi rendah menuju tingkat energi tinggi maka energi akan diserap untuk melakukan proses perpindahan tersebut. Elektron yang berpindah dari tingkat energi rendah menuju tingkat energi yang lebih tinggi menyebabkan elektron

tereksitasi. Akan tetapi keadaan elektron tereksitasi ini tidak stabil sehingga elektron kembali dari tingkat energi tinggi menuju tingkat energi rendah yang disertai pelepasan energi dalam bentuk radiasi [1]. Cahaya merupakan salah satu komponen penting dalam kehidupan sehari-hari. Cahaya dapat bertindak sebagai partikel, namun juga dapat bertindak sebagai gelombang. Hal ini dikarenakan cahaya memiliki sifat yang dinamakan dualisme. Cahaya menjalar sebagai deret paket energi yang berlawanan langsung dengan teori gelombang sebagai cahaya. Menurut teori gelombang, cahaya menyebar dari suatu sumber. Secara analogi, energy yang dibawa oleh cahaya tersebut terdistribusi secara kontinu ke seluruh gelombang. Namun, menurut teori partikel atau kuantum, cahaya menyebar dari suatu sumber sebagai deret konsentrasi yang berbeda pada suatu tempat tertentu. Gelombang cahaya lebih dikenal sebagai gelombang elektromagnetik yang tidak dapat merambat melalui medium. Namun, gelombang ini merambat melalui ruang hampa udara di luar angkasa dari bintangbintang menuju bumi. Yang mana memiliki kecepatan yang sama di luar angkasa ataupun jga di ruang hampa. Secara umum, gelombang elektromagnetik memiliki panjang gelombang, yakni λ= 1 meter. Namun, secara kasat mata, gelombang cahaya ini memiliki panjang gelombang sekitar 380-750 nm. Urutan besarnya gelombang cahaya ini dikenal dengan nama spektrum cahaya [2]. Cahaya matahari merupakan, bentuk radiasi elektromagnetik. Matahari mengandung hidrogen yang dirubah menjadi helium dalam setiap waktu. Gaya gravitasi mencegah terjadinya termonuklir yang sangat besar. Dimana matahari bisa menjadi suatu energi, kemudian energi tersebut merupakan suatu energi yang besar dan berada didalamnya. Energi tersebut mempunyai kapasitas yang sangat berlimpah dan jumlahnya tidak terbatas [3]. Solar cell merupakan salah satu jenis sensor cahaya photovoltaic yang mempunyai pengertian sebuah sensor yang dapat mengubah intensitas cahaya menjadi perubahan tegangan pada outputnya. Solar cell merupakan pembangkit listrik yang mampu mengkonversi sinar matahari menjadi arus listrik. Dengan adanya sinar matahari yang merupakan energi terbesar yang sifatnya berkelanjutan dengan jumlah yang sangat besar. Solar cell tidak memiliki akses suara seperti pada tenaga angin pada umumnya, sehingga dapat dipasang pada seluruh daerah dengan adanya sinar matahari dan membuat solar cell menjadi energi alternatif sumber energi [4].

JURNAL FISIKA MODERN (2017) NRP 1115100007 (1-6)

2 menghentikan aliran elektron [5].

Gambar 1. Ilustrasi cara kerja solar cell (a)

Gambar 2. (a) Pita energi dalam zat padat dapat bertumpang yang diberikan pita nalar, (b) Pita terlarang memisahkan pita energi yang tidak bertumpang. Cara kerja sel surya adalah dengan memanfaatkan cahaya matahari. Dari jenis cahaya, yaitu cahaya yang tampak maupun tidak tampak memiliki sifat sebagai gelombang dan sebagai foton. Ketika foton mengenai sel photovoltaic pada panel surya, sebagian akan ada yang diserap oleh silikon. Dan energi yang diserap akan ditransfer ke semikonduktor. Elektron yang terkena tumbukan energi foton akan terlepas dari atom dan mengalir menjadi arus listrik. Elektron akan mengalir sesuai jalur yang dikehendaki yang telah didesain pada sel photovoltaic. Penghubung logam pada bagian atas dan bawahnya akan menyalurkan aliran listrik arus DC yang akan digunakan. Secara detail, proses yang terjadi lebih rumit. Namun, yang telah dijelaskan sebelumnya telah menggambarkan secara sederhana yang terjadi pada panel surya dengan mengubah energi matahari menjadi energy listrik yang dapat bermanfaat [4]. Jika sebuah semikonduktor tipe-p didekatkan dengan semikonduktor tipe-n, maka elektron akan mengalir dari tipe-p ke tipe-n yang akan menapai kesetimbangan. Elektron yang mengalir tidak akan jauh dari sambungan karena bahan semikonduktor tidak mengkonduksi dengan baik. Diantara sambungan semikonduktor tipe p dan semikonduktor tipe n pada sebuah diode terdapat suatu daerah yang dinamakan daerah deplesi. Karena muatan yang dibawa menjadi menipis. Elektron dari pendonor tipe-n akan mengisi keadaan akseptor tipe-p. tetapi keadaan donor tidak menyediakan elektron bagi pita konduksi dan akseptor tidak menyediakan lubang untuk pita valensi. Pembuatan piranti ini dilakukan dengan mendop salah satu sisi bahan menjadi tipe-p [5]. Elektron lebih banyak memasuki bahan tipe-p, sehingga pada daerah deplesi banyak bermuatan negative yang akan menarik electron pada daerah tipe-n. jika berada dalam keadaan setimbang, tumbukan elektron yang berlebihan akan

(b) Gambar 3(a) Alat dan bahan praktikum Solar Cell dan (b) modul surya Pita energi dalam zat padat bersesuaian dengan tingkat energi sebuah atom, dan sebuah elektron dalam zat padat hanya dapat memiliki energi yang jatuh dalam pita energi ini. Berbagai pita energi dalam zat padat dapat bertumpang seperti gambar 2 (a), dalam hal ini elektron memiliki distribusi malar dari energi yang diizinkan. Dalam zat padat lain pita energi bisa tidak bertumpang seperti gambar 2 (b) dan selang diantaranya menyatakan energi yang tidak boleh dimiliki oleh elektron. Selang seperti ini disebut pita terlarang. Perilaku listrik zat padat kristalin ditentukan oleh keduanya, struktur pita energi [6]. Photovoltaic merupakan suatu sistem yang dapat mengubah energy cahaya matahari menjadi energi listrik dengan bantuan solar cell. Pada sel ketika terkena cahaya, maka akan dihasilkan pasangan elektron dan hole. Elektron akan meninggalkan sel surya dan mengalir pada rangkaian luar, sehingga timbul listrik [5]. Mekanisme kerja sel photovoltaic didasarkan atas suatu fenomena yang dikenal dengan sebutan efek photovoltaic. Efek ini dapat didefinisikan sebagai terbangkitnya suatu potensial listrik apabila terjadi ionisasi oleh radiasi terdekat suatu bulid in potential barier suatu bahan semikonduktor. Dapat dimaksudkan bahwa saat terjadi ionisasi pada se surya, maka beda potensial listrik akan timbul [5]. BAB II METODOLOGI Alat yang dibutuhkan dalam percobaan Solar Cell ini adalah dua buah solar sell yang memiliki fungsi sebagai objek yang akan praktikan cari besar tegangannya. Lux meter yang berfungsi untuk mengukur besar radiasi. Multimeter yang berfungsi sebagai pengukur tegangan dari solar cell baik saat dirangkai secara seri maupun paralel. Kabel yang berfungsi

JURNAL FISIKA MODERN (2017) NRP 1115100007 (1-6) sebagai penghubung antar komponen yang digunakan dalam percobaan ini. hambatan geser yang berfungsi untuk memberi hambatan pada rangkaian. Selain hal tersebut alat yang selanjutnya adalah penggaris 30 cm yang berfungsi untuk mengukur sudut datang matahari terhadap solar cell dengan persamaan phytagoras. Percobaan mengenai solar cell ini dilakukan menggunakan 4 variasi yaitu rangkaian disusun secara seri dengan posisi modul surya datar, rangkaian disusun secara seri dengan posisi modul surya diberi sudut kemiringan, rangkaian disusun secara paralel dengan posisi modul surya datar, rangkaian disusun secara paralel dengan posisi modul surya diberi sudut kemiringan. Modul sel surya ditempatkan pada tempat yang terkena sinar matahari. Setelah itu, modul sel surya, hambatan geser, multimeter dirangkai. Lalu lux meter diletakkan pada daerah didekat sel surya dan dicatat besar radiasinya. Solar cell dibiarkan selama 5 menit. Setelah 5 menit tegangan pada solar cell diukur menggunakan multimeter. Waktu dan keadaan saat dilakukan percobaan juga dicatat. Langkah tersebut diulangi lagi dengan menggunakan variasi rangkaian dan posisi yang lain. Setiap variasi diulangi sebanyak 10 kali. Berikut ini adalah tahapan kerja dari percobaan Solar Cell:

3 BAB III ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN

Gambar 4. Grafik hubungan daya terhadap waktu

Start

Peralatan dibawa keluar lab.Fisika

Dilakukan ditempat yang lapang Ditempatkan 2 solar cell diatas tanah yang lapang

Dirangkai 2 solar cell secara seri atau paralel dan posisi modul surya datar atau membentuk sudut

Diukur tegangan dan arus

Diambil data setiap 5 menit sebanyak 10x

Sudah pada semua variasi?

Belum finish

Gambar 3. Flowchart praktikum solar cell

Gambar 5. Grafik hubungan tegangan terhadap arus Setelah dilakukan percobaan mengenai solar cell, didapatkan data sebagaimana tersera pada lampiran. Proses terjadinya arus yang terjadi pada solar cell adalah adanya lapisan p yang tersusun mayoritas oleh hole atau dapat dikatakan bahwa lapisan ini kekurangan elektron yang dipisahkan oleh lapisan yang dinamakan lapisan p-n junction dengan lapisan n yang mayoritas penyusunnya adalah elektron. Sebagaimana diketahui bahwa lapisan p-n junction adalah lapisan dimana elektron atau hole tidak bisa melewatinya tanpa energi yang mencukupi untuk memindahkannya. Energi tersebut dalam artian energi untuk berpindah dari pita velensi ke pita konduksi dapat didapatkan dari cahaya yang mengenai permukaan solar cell. Dimana cahaya tersebut membawa foton. Apabila frekuensi dari cahaya yang mengenai melewati frekuensi ambang, maka elektron dapat berpindah dari pita valensi ke pita konduksi. Sebagaimana diketahui bahwa pita valensi adalah tempat dari elektron yang berada pada kulit terluar dari atom. Dimana elektron tersebut masih terikat dengan inti atom. Sebagaimana diketahui mengenai sifat dari atom yang selalu ingin mencapai keseimbangan baik dengan menerima atau melepaskan elektron. Sedangkan pita konduksi adalah suatu tempat dimana terdapat elektron bebas yang tidak lagi terikat oleh inti atom. Yang dapat mempengaruhi besar kecilnya atau banyak sedikitnya foton yang diberikan atau dibawa oleh cahaya adalah besar kecilnya frekuensi dari cahaya.

JURNAL FISIKA MODERN (2017) NRP 1115100007 (1-6) Pada percobaan solar cell ini proses fisis yang terjadi adalah adanya peristiwa efek fotovoltaik . sebagaimana diketahu bahwa efek fotovoltaik adalah peristiwa pengubahan energi cahaya menjadi energi listrik. Pada solar cell tersusun atas dua jenis. Semikonduktor tersebut adalah semikonduktor tipe p yang kelebihan hole atau dapat dikatakan bahwa kekurangan elektron. Semikonduktor-p dibuat dengan mendoping fase Kristal/amorf silicon dengan unsur golongan ketiga yang dilakukan pada suhu sangat rendah. Selanjutnya , ketika berada pada suhu ruangan, elektoron atom-atom silikon yang berdekatan dengan atom golongan ini akan berpindah ke atom. Hal tersebut terus terjadi, sehingga terdapat muatan positif sejumlah atom golongan ketiga yang didopingkan, dan muatan positif berupa silicon berhole in terus berdifusi. Jenis semikonduktor yang selanjutnya dalah semikonduktor tipe-n. Sebagaimana diketahui bahwa semikonduktor tipe n adalah semikonduktor yang kelebihan elektron. Semikonduktor-n adalah susunan kristal atau amorf yang didoping dengan unsur golongan kelima pada keadaan suhu yang sangat rendah. Hal tersebut berkaitan dengan teori mengenai jari-jari atom. Dimana dipilih golongan kelima yang memiliki perbedaan jari-jari atom yang tidak terlalu besar. Pada suhu ruangan atom unsur golongan kelima yang berikatan dengan atom silicon dengan satu elektron yang tersisa, pada suhu ruangan elektron ini akan lepas dan mengakibatkan atom unsur dopingan tersebut menjadi bermuatan positif sedangkan menjadikan kristal/amorf silicon menjadi memiliki elektron bebas. Saat hole sebagai penyusun utama dari semikonduktor tipe p dan elektron sebagai penyusun utama dari semikonduktor tipe n dipertemukan, terjadi diinteraksikan antar keduanya dimana hole dan elektron saling mendifusikan elektron dan hole. Elektron berdifusi dari semikonduktor-n ke semikonduktor-p, kemudian dipermukaan semikonduktor-p terjadi muatan negative karena elektron masuk kedalam atom silicon, elektron berdifusi terus hingga lapisan muatan negative ini besar, sehingga menghalangi elektron untuk berdifusi dengan medan negative yang terjadi dan elektron berhenti berdifusi. Kemudian pada semikonduktor p, hole yang terus berjalan juga berdifusi ke semikonduktor n, sehingga di permukaan semikonduktor n terjadi penumpukan muatan positif, penumpukan muatan positif, namun sama seperti kejadian pada semikonduktor n juga akan terjadi penumpukan muatan positif pada permukaan semikkonduktor n yang menghalasngi difusi muatan positif. Daerah adanya muatan positif dan negative tersebut mengakibatkan daerah deplesi yang mengakibatkan adanya barrier potensial yang menghalangi elektron bebas dan difusi hole berdifusi. Ketika cahaya matahari disinarkan, maka akan semakin bnayak terjadi hole dan elektron bebas, sehingga ketika dihubungkan dengan tegangan maka akan teradi arus listrik, begitu juga energi listrik. Daerah tersebut yang dinamakan sebagai daerah deplesi dimana energi untuk berpindah pada daerah tersebut dinamakan sebagai energi gab. Setelah dilakukan percobaan, didapatkan data nilai tegangan dan arus yang didapatkan dari waktu ke waktu semakin menurun. Hal tersebut dapat terjadi karena semakin sorenya hari dan kondisi lingkungan yang semakin redup karena tertutup awan. Kondisi tetsebut menyebabkan intensitas yang didapatkan oleh solar cell semakin kecil. Besar arus dan tegangan yang dihasilkan dari solar cell yang disusun secara

4 paralel dan seri berbeda. Berdasarkan data yang diperoleh di lampiran, terlihat bahwa besar arus dan tegangan pada rangkaian seri selalu lebih besar daripada pada rangkaian paralel. Hal ini sesuai dengan Hukum Ohm dan Hukum Kirchoff. Sudut juga mempengaruhi besar arus dan tegangan yang dihasilkan oleh modul surya. Berdasarkan data hasil praktikum (pada lampiran) terlihat bahwa modul surya akan menghasilkan arus dan tegangan yang lebih besar jika terletak tegak lurus dari sumber cahaya matahari daripada membentuk sudut kemiringan. Hal ini terjadi karena apabila permukaan sel surya tegak lurus terkena sinar matahari, maka foton yang diterima semakin banyak dan berdampak pada arus, tegangan, dan daya yang menjadi besar. Sedangkan apabila diberi kemiringan dengan arah datang sinar matahari, maka foton yang diterima semakin sedikit karena luasan permukaan sel surya yang semakin mengecil. KESIMPULAN Kesimpulan dari praktikum ini adalah besar arus, tegangan, dan daya rata-rata saat solar cell disusun secara seri adalah sebesar 0,573 A; 36,25 V; 20,7717 Watt (untuk modul surya yang diletakkan datar) dan 0,565 A; 36,1 V; 20,3946 Watt (untuk modul surya yang diletakkan dengan sudut kemiringan 13,09o). Sedangkan hasil arus, tegangan, dan daya rata-rata saat solar cell disusun secara paralel adalah 0, 306 A; 18,71 V; 5,7278 Watt (untuk modul surya datar) dan 0,299 A; 18,67 V; 5,5826 Watt (untuk modul surya yang diletakkan dengan sudut kemiringan 13,09o). Solar cell yang disusun seri menghasilkan daya yang lebih besar daripada solar cell yang disusun paralel dan solar cell yang tegak lurus dengan arah matahari menghasilkan daya yang lebih besar daripada yang membentuk kemiringan terhadap arah datang sinar matahari.

DAFTAR PUSTAKA [1] Beiser, Arthur. 1973. Concepts of Modern Physics. Tokyo: Mc-Graw Hill. [2] Blackburn, John O. 1988. Energi Terbarukan. Indonesia: Yayasan Obor. [3] Harper, Ceavin D. J. 2007. “ Solar Energy Project.” New York : McGraw Hill. [4] Green, Marten A. 1980. “Solar Cells Operating Principles, Technologi and System Applications.” USA : Prentice-Hill, Inc. [5] Young, Hugh D and Roger A. Freedman. 2000. ”Fisika Universitas Edisi 10 Jilid 1.” Jakarta : Erlangga. [6] Sears, F.W. and M.W. Zemansky. 2004. “Optika Fisika Modern.” Bandung : Binacjipta. UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih saya ucapkan kepada dosen mata kuliah Fisika Modern, Prof. Eddy Yahya yang telah membimbing dan memberikan ilmu serta pengetahuan mengenai Fisika Modern dan assisten laboratorium Fisika Modern Gilang Baswara yang telah membimbing dalam pelaksanaan praktikum Solar Cell serta teman-teman yang membantu dalam kelancaran pelaksanaan praktikum ini.

JURNAL FISIKA MODERN (2017) NRP 1115100007 (1-6) LAMPIRAN Tabel 1. Rangkaian seri dengan posisi modul surya datar Pukul Radiasi Arus Tegangan Daya Masukan (A) (V) Keluaran (Watt) 1. 09.48 109200 0,57 36,7 20,919

No.

5 Tabel 3. Rangkaian paralel dengan posisi modul surya datar No. Pukul Radiasi Arus Tegangan (V) Daya Masukan (A) Keluaran (Watt) 1. 09.50 116000 0,38 19 7,22 2.

09.53

117100

0,3

18,8

5,64

3.

09.55

119800

0,3

18,8

5,64

2.

09.52

120000

0,58

36,6

21,228

4.

09.59

120100

0,3

18,7

5,61

3.

09.54

119900

0,57

36,4

20,748

5.

10.02

119700

0,3

18,7

5,61

4.

09.58

119500

0,58

36,4

21,112

6.

10.05

119800

0,3

18,7

5,61

5.

10.02

119700

0,58

36,2

20,996

7.

10.08

119900

0,3

18.6

5,58

6.

10.04

119700

0,57

36,2

20,634

8.

...