NAMA KELOMPOK : 1. AHMAD ALFAN SURURI (121810201025)2. ILLAVI PEBRIAN PRASETI (121810201027)3. M. AINUR ROFIQ (121810201038)

BASIC OF SOLAR CELLS

1. PENDAHULUANSel surya fotovoltaik merupakan suatu alat yang dapat mengubah energi sinar matahari secara langsung menjadi energi listrik sehingga mereka dapat berpindah secara bebas dalam semikonduktor dan akhirnya mengalir melalui beban listrik, seperti bola lampu atau mesin. Pada asasnya sel tersebut merupakan suatu diode semikonduktor yang bekerja menurut suatu proses khusus yang dinamakan proses tidak seimbang (non-equibilirium process) dan berlandaskan efek fotovoltaik (photovoltaic effects) (Kadir, 1995). Efek fotovoltaik merupakan fenomena yang menghasilkan tegangan dan arus.Pembuatan sel surya yang paling umum dengan membuat sambungan pn dari bahan semikonduktor. Sel surya bekerja atas dasar efek fotovoltaik (photovoltaic). Di area sekitar sambungan pn, cahaya matahari diserap dan di sana akan terlahir pasangan muatan listrik electron-hole. Elektron (electron) yang bermuatan negatif akan bergerak ke arah elektroda positif dan berkumpul di sana, sedangkan hole yang bermuatan positif akan berkumpul di elektroda negative. Hal ini melahirkan beda potensial di antara dua elektroda tersebut, dan dari sini melahirkan sumber energi listrik. Divais sambungan pn dalam jumlah banyak yang disambung paralel dapat menghasilkan sumber energi listrik yang besar. Sumber listrik ini sifatnya arus listrik searah "direct current" (DC), yang kemudian dapat dikonversi menjadi arus bolak-balik "alternating current" (AC). Kebanyakan sel surya saat ini dibuat dari material silikon, meskipun material lain juga dicoba agar dapat menghasilkan sel surya yang lebih hemat biaya dan ramah lingkungan.Efek fotovoltaik ini ditemukan oleh Becquerel pada tahun 1839, dimana Becquerel mendeteksi adanya tegangan foto ketika sinar matahari mengenai elektroda pada larutan elektrolit. Pada tahun 1954 peneliti di Bell Telephone menemukan untuk pertama kali sel surya silikon berbasis p-n junction dengan efisiensi 6%. Sekarang ini, sel surya silikon mendominasi pasar sel surya dengan pangsa pasar sekitar 82% dan efisiensi lab dan komersil berturut-turut yaitu 24,7% dan 15%.

2. DISKUSIa. ELEMEN OPERASI SEL SURYAGambar di bawah mengilustrasikan operasi dasar sel surya. Cahaya foton diabsorbsi oleh semikonduktor dan dalam proses ini menghasilkan pembawa muatan listrik yang disebut electron dan hole. Electron dan hole menyebar ke junction, baik pn junction seperti yang diilustrasikan pada gambar atau beberapa tipe junction yang lain dimana terdapat medan listrik internal kuat. Electron dan hole dipisahkan oleh medan dan menghasilkan tegangan listrik dan arus dalam rangkaian eksternal.

Gambar 1. muatan pembawa positif dan engatif dihasilkan dalam semikonduktor sebagai cahaya foton yang diabsorbsi. Pembawa ini, ketika dikumpulkan dengan pn junction, menghasilkan arus listrik dalam rangkaian eksternal. Di sini arus ditunjukkan oleh daya bola lampu

b. SEMIKONDUKTORSemikonduktor mempunyai konduktivitas di antara range sampai mho/cm. konduktivitas semikonduktor dapat diubah di atas range ini dengan menambahkan sejumlah kecil ketakmurnian, yang diketahui sebagai dopan, ke dalam semikonduktor. Konduktivitas semikonduktor murni cukup meningkat dengan cepat dengan kenaikan temperature. Semikonduktor mungkin menjadi elemen seperti silicon dan germanium, atau senyawa seperti cadmium Sulfida (CdS) dan gallium arsenide (GaAs) atau alloy. Gambar 2.a menunjukkan penyusunan atom silicon dalam Kristal silicon. Silicon merupakan unsur golongan IV dan setiap atom mempunyai empat electron dalam kulit terjauh. Dalam Kristal silicon setiap atom mempunyai empat atom tetangga terdekat, dengan setiap atom berbagi dua electron kovalen, sehingga melengkapi kestabilan 8 kulit electron. 1.12 eV energy diketahui sebagai energy bandgap silicon, untuk memisahkan electron dari inti dan menciptakan electron kondusi bebas. Mereka dapat berpindah secara bebas dan membawa arus listrik . Pemindahan electron dari inti meninggalkan hole. Electron dari atom terdekat dapat mengisi hole ini dan menyebabkan hole berpindah ke tempat baru. Gerak ini pada electron secara alami juga membawa arus listrik.

Gambar 2 Model sederhana semikonduktor : (a) diagram ikatan electron pada Si murni. (b) diagram tipe n Si yang didopping dengan atom yang mengandung fosfor

Pada model ikatan inti atom (atom tanpa electron valensi) ditunjukkan dengan perkumpulan dan valensi atau ikatan electron yang ditunjukkan oleh garis yang saling berhubungan pada perkumpulan. Pada kasus c-Si salah satu atom Si mempunyai empat electron valensi dan empat tetangga dekat. Setiap electron valensi sama-sama berbagi dengan tetangga terdekat. Ada delapan garis yang mengakhiri pada setiap perkumpulan. Pada suatu Kristal Si ideal pada semua electron valensi mengambil bagian untuk membentuk ikatan kovalen di antara atom Si dan maka dari itu tidak ada electron bebas dalam kisi. Situasi ini ditunjukkan pada gambar 3.3.a. gambar 3.3b menunjukkan situasi ketika ikatan kovalen rusak dan satu electron meninggalkan ikatan. Garis tunggal di antara atom pada gambar 3.3b menyatakan electron yang tetap pada ikatan yang rusak. Ketika ikatan rusak dan hole tercipta, electron valensi dari ikatan terdekat dapat berpindah ke dalam posisi yang kosong ini dan memulihkan ikatan. Akibat transfer ini pada waktu yang sama electron yang berpindah menciptakan posisi kosong pada daerah asalnya. Oleh karena merusak ikatan kovalen mendorong formasi pasangan electron-hole, dalam semikonduktor instrinsik konsentrasi electron sama dengan konsentrasi hole. Pada ada kira-kira ikatan yang rusak per dalam intrinsic c-Si. Bilangan ini kemudian memberikan juga konsentrasi hole, p dan electron, n pada intrinsic c-Si. Itu berarti bahwa pada . Konsentrasi ini disebut konsentrasi pembawa inrinsik.

Parameter semikonduktor yang menentukan bentuk dari sel surya adalah :1) Konsentrasi atom doping, yang dapat menjadi dua tipe yang berbeda; atom donor yang menyumbangkan electron bebas, , atau atom acceptor yang emnerima electron, . Konsentrasi menentukan lebar ruang daerah muatan pada junction.2) Mobilitas, dan koefisien difusi,, muatan pembawa yang mengkarakteristikkan pembawa transport yang berkaitan dengan drift dan difusi, secara berturut-turut.3) Lifetime, dan panjang difusi , kelebihan pembawa yang mengkaraktristikan proses rekombinasi.4) Band gap energy, , koefisien absorbsi dan indeks refraksi, , yang mengkaraktrikkan kemampuan semikonduktor untuk mengabsorbsi radiasi tampak dan yang lainnya.

c. PRINSIP KERJA SEL SURYASistem Kerja Sel Surya : cahaya matahari memasuki semikonduktor dan menghasilkan electron dan hole (partikel yang bermuatan negative dan partikel yang bermuatan positif), keduanya bebas untuk bergerak. Partikel ini menyebar melalui semikonduktor dan akhirnya memasuki energy barrier yang membolehkan partikel bermuatan.Prinsip kerja sel surya silikon adalah berdasarkan konsep semikonduktor p-n junction. Pada sel surya terdapat junction antara dua lapisan tipis yang terbuat dari bahan semikonduktor yang masing-masing diketahui sebagai semikonduktor jenis p ( positif) dan semikonduktor jenis n ( negatif ). Struktur sel surya konvensional silikon p-njunction dapat dilihat pada Gambar 3.

Gambar 3 Struktur sel surya Silikon p-n junction(sumber : Halme, 2002)

Semikonduktor tipe-n didapat dengan mendoping silikon dengan unsur dari golongan V sehingga terdapat kelebihan elektron valensi dibanding atom sekitar. Pada sisi lain semikonduktor tipe-p didapat dengan doping oleh golongan III sehingga elektron valensinya defisit satu dibanding atom sekitar. Ketika semikonduktor tipe-p dan tipe-n disambungkan maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari tipe-n menuju tipe-p. Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p. Batas tempat terjadinya perbedaan muatan pada p-n junction disebut dengan daerah deplesi. Adanya perbedaan muatan pada daerah deplesi akan mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi selanjutnya. Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift. Namun arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus listrik yang mengalir pada semikonduktor p-n junction. tersebut.Ketika junction disinari, photon yang mempunyai energi sama atau lebih besar dari lebar pita energi material tersebut akan menyebabkan eksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi dan akan meninggalkan hole pada pita valensi. Elektron dan hole ini dapat bergerak dalam material sehingga menghasilkan pasangan elektrohole. Apabila ditempatkan hambatan pada terminal sel surya, maka elektron dari area n akan kembali ke area-p sehingga menyebabkan perbedaan potensial dan arus akan mengalir. Skema cara kerja sel surya silikon ditunjukkan pada Gambar 4

Gambar 4 Skema kerja sel surya silicon(sumber : Halme, 2002)

Suatu membrane yang membiarkan electron terlepas dan menahan hole adalah material, yang mempunyai konduktivitas kuat untuk electron dan konduktivitas lemah untuk hole. Misalnya seperti material semikonduktor tipe n, yang mana konduktivitas elektronnya kuat daripada konduktivitas hole yang disebabkan oleh perbedaan yang besar pada konsentrasi electron dan hole. Electron dengan mudah dapat mengalir pada semikonduktor tipe n ketika mentransportasi hole yang merupakan pembawa minoritas dalam material. Keadaan yang berlawanan untuk electron dalam semikonduktor tipe p, yang merupakan contoh dari membrane hole.Supaya meminimalkan injeksi hole dari absorber ke dalam semikonduktor tipe n dan suatu energy barrier harus dikenalkan dalam pita valensi , di antara semikonduktor tipe n dan absorber. Secara ideal, ini dapat diraih dengan memilih semikonduktor tipe n yang mempunyai band gap yang lebih besar daripada absorber dan beda energy berada pada pita valensi dua material. Dengan cara yang sama, injeksi electron dari absorber ke dalam semikonduktor tipe p dapat ditahan dengan menggunakan semikonduktor tipe p dengan band gap yang lebih besar dari pada absorber dan mempunyai band off-set dalam pita konduksi , di antara absorber dan semikonduktor tipe p.Asimetri dalam struktur elektronik pada semikonduktor tipe n dan tipe p merupakan dasar yang dibutuhkan untuk konversi energy fotovoltaik. Gambar 5 menunjukkan skema digram pita suatu struktur sel surya dengan absorber dan membrane semipermeable. Quasi Fermi level untuk electron dan quasi Fermi level untuk hole, digunakan untuk mengambarkan penjelasan keadaan sel surya. Illuminated sel surya ditunjukkan oleh gambar 5 pada dua kondisi. Pertama adalah kondisi open-circuit, ketika terminal sel surya tidak terhubung satu sama lain dan makadari itu tidak ada arus listrik yang mengalir pada rangkaian eksternal. Tegangan ini ditunjukkan open-circuit voltage, dan itu merupakan parameter penting yang mengkarakteristikkan penampilan sel surya. Gambar 5.b menujukkan pita diagram sel surya dalam kondisi rangkaian singkat. Dalam kasus ini terminal sel surya merupakan circuit yang pendek dan mengalir melalui rangkaina eksternal. Arus ini ditunjukkan sebagai Short-Circuit Current

Arah arus di dalam sel Fotovoltaik

Di dalam arus sel fotovoltaik (PV) terlihat seperti arah berkebalikan, karena dengan energy surya, arus dipompa dari kutub N ke kutub P. pada generasi, arus muncul berkebalikan. Hal itu sama seperti pada battery.

Tegangan dan arus pada sel fotovoltaik (kurva I-V)

Tipe kurva I-V

Daya listrik yang dihasilkan sel surya ketika mendapat cahaya diperoleh dari kemampuan perangkat sel surya tersebut untuk memproduksi tegangan ketika diberi beban dan arus melalui beban pada waktu yang sama. Kemampuan ini direpresentasikan dalam kurva arus-tegangan (I-V) (Gambar 5).

Gambar 5 karakteristik kurva I-V pada sel surya(sumber : Halme, 2002)

Ketika sel dalam kondisi short circuit, arus maksimum atau arus short circuit dihasilkan, sedangkan pada kondisi open circuit tidak ada arus yang dapat mengalir sehingga tergangannya maksimum, disebut tegangan open circuit. Titik pada kurva I-V yang menghasilkan arus dan tegangan maksimum disebut titik daya maksimum (MPP).

REFERENCEGregg, B.A., Excitonic solar cells. Journal of Physical Chemistry B, 2003. 107(20): p. 4688 4698.Research, 2004. 19(7): p. 1924-1945.Halls, J.J. and R.H. Friend, Organic Photovoltaic devices, in Clean electricity from photovoltaics, M.D. Archer and R. Hill, Editors. 2001, Imperial College Press: London.Halme, J. 2002. Dye sensitized Nanostructured and Organic Photovoltaic Cells : Technical Review And Preeliminary Test, Master Thesis. Espoo: Helsinki University of Technology.Kadir, A. 1995. Energi : Sumber Daya, Inovasi, Tenaga Listrik, Potensi Ekonomi, Edisi kedua. Jakarta: Universitas Indonesia.369.Kreith, F. 1978. Principles of Solar Engineering. Hemisphere publishing Corporation, United States of America.1.Simon, J. and J.J. Andre, Molecular semiconductors. 1985, Berlin-Heidelberg: Springer-Verlag. 142.