MODUL 8

KARAKTERISASI SEL SURYA

Pipit Fitriani, Dewi Kusuma Pratiwi, Siti Nurhasanah, Fanni Suyuti, Iwan Nurfahrudin, Ahmad Sidik10209105, 10209106, 10209067, 10209077, 10209047, 10209059

Program studi Fisika, Institut Teknologi Bandung, IndonesiaE-mail: pipitfitriani09@gmail.com

Asisten : (Muhammad Fauzi Sahdan/ 10208004)Tanggal praktikum: (16-04-2012)

Abstrak

Sel surya merupakan divais yang dapat mengubah foton yang diserapnya menjadi energi listrik. Pada praktikum kali ini dapat dilihat karakteristik dari sel surya dalam keadaan gelap dan keadaan terang. Pada keadaan terang dilakukan dengan memvariasikan intensitas cahaya yang diberikan pada sel surya. Didapat hubungan dari tegangan dan arus yang linear pada saat pengecekan sistem. Untuk percobaan di keadaan terang, dapat dilihat pengaruh intensitas pada karakteristik sel surya. menjadi energi listrik.

Kata-kata Kunci: rapat arus, tegangan, sel surya

I. Pendahuluan

Pada praktikum karakteristik sel surya ini bertujuan untuk :

a. Memahami karakteristik rapat arus terhadap tegangan sel surya.

b. Menentukan efisiensi sel surya.c. Mengetahui pengaruh intensitas cahaya

yang diberikan terhadap efisiensi sel surya.

d. Mampu membedakan perbedaan prinsip kerja dan karakteristik sel surya organik dengan sel surya anorganik.

Salah satu dari pengukuran dasar untuk menentukan karakteristik sel surya adalah pengukuran arus – tegangan (I – V). Oleh karena arus bergantung pada luas daerah aktif dari sel surya, maka lebih berguna untuk mengukur rapat arus (J – V) dibandingkan dengan mengukur arus saja. Beberapa parameter yang penting yang digunakan untuk mengkarakterisasi sel surya dapat diperoleh dari kurva J - V adalah rapat arus hubung singkat, tegangan rangkaian terbuka, fill factor, dan efisiensi konversi daya.

Karakteristik J – V dalam keadaan gelap

Dalam keadaan gelap, sel surya heterojunction berkelakuan seperti sebuah dioda semikonduktor. Jika arus seri diberikan pada divais, maka arus akan mengalir melewati divais dan deretannya. Ada dua macam arus didalam divais semikonduktor, salah satunya adalah arus hanyut (drift current) yang disebabkan oleh medan listrik didalam material. Arus yang satunya lagi adalah arus difusi (diffusion current) yang disebabkan oleh variasi spasial dari konsentrasi muatan di dalam material. Secara eksperimen, persamaan arus dari sel surya dalam kedaan arus gelap diberikan oleh :

J=J 0[exp( qVnk BT )−1](1)

Karakteristik J – V dalam keadaan disinari

Ketika semikonduktor disinari dibawah cahaya, maka akan dihasilkan muatan dari penyerapan foton. Jumlah muatan yang dihasilkan sebanding

dengan intensitas cahaya yang diberikan. Arus total di dalam sel surya adalah sebagai berikut :

J=J 0[exp( qVnkT )−1]−J L (2)

Gambar 1. Kurva rapat asrus terhadap tegangan

Dari kurva ini, dapat ditemukan beberapa parameter; rapat arus hubung singkat (Jsc), tegangan rangkaian terbuka (Voc), fill factor (FF) dan efisiensi konversi daya (η ). Ketika kondisi hubung singkat diberikan, V = 0, maka tingkat Fermi dari elektroda kontak mengalami penyesuaian (aligned). Ketika divais diberikan tegangan, pada suatu titik, tidak ada arus yang terukur. Titik ini disebut tegangan rangkaian terbuka (Voc). Tegangan rangkaian terbuka diperoleh pada J = 0, maka dari persamaan

V OC=nkTqln( J SCJ0 +1) (3)

Ketika sel surya bekerja pada sebuah keadaan dimana diberikan daya keluaran maksimum (Pmax), rapat arus dan tegangan pada titik tersebut disebut Jmpp dan Vmpp, dimana mpp menyatakan titik daya maksimum (maximum power point). Rasio Pmax terhadap hasil kali antara Voc dan Jsc

didefinisikan sebagai fill factor (FF), yaitu sebagai berikuit :

FF=Jmpp ∙V mpp

Jsc ∙V oc

(4)

Fill factor mengukur kualitas sel surya. Fill factor yang lebih tinggi menyatakan daya keluaran maksimum lebih dekat kepada nilai maksimum yang dapat dicapai untuk sel surya ideal. Secara

grafik, fill factor (FF) adalah ukuran dari ‘kekotakan’ (squareness) dari kurva J-V sebuah sel surya.

Parameter yang terakhir, tetapi merupakan parameter yang paling penting adalah efisiensi konversi daya (PCE/η). PCE dari sel surya didefinisikan sebagai perbandingan antara daya keluaran maksimum (Pmax) terhadap daya total dari cahaya datang (Plight). Efisiensi pada umumnya digunakan untuk membandingkan performa sel surya.

η=PmaxPlig h t

=J sc ∙V oc ∙FF

Plig h t

(5)

II. Metode Percobaan

Pengecekan Sistem Pertama, software Labview dibuka untuk melakukan pengukuran I-V. Lalu, range tegangan diatur dari tegangan -0,2 V hingga 0,6 V dengan step penambahan tegangan yang diberikan sebesar 0,02 V. Setelah itu, klip positif dan negatif dihubungkan ke dalam resistor, lalu sumber tegangan dinyalakan. Lalu, pada software Labview dilakukan perintah operate menyimpan data tegangan terhadap arus. Data yang diperoleh lalu disimpan di dalam Excel.

Pengukuran IV Solar Sel dalam Keadaan Gelap

Pertama, kutub positif dihubungkan dengan logam Ag pada sel surya, sedangkan kutub negatif dihubungkan dengan ITO. Setelah itu, lampu ruangan dimatikan untuk memulai proses karakterisasi. Pada software labview, dilakukan pengambilan data dengan besar tegangan dan step tegangan yang sama dengan percobaan sebelumnya n. Data yang diperoleh lalu disimpan di dalam Excel.

Pengukuran IV Solar Sel dalam Keadaan Disinari (daya bervariasi)

Untuk melakukan pengukuran karakteristik IV solar sel organic dalam keadaan disinari, perlu diberikan keadaan cahaya melalui lampu, untuk mengukur daya, digunakan power meter, diambil nilai daya di lima titik dengan posisi sel surya

ditengah arah lampu untuk setiap daya tertentu lalu dirata-ratakan nilai daya nya, setiap keadaan daya lampu tertentu dilakukan pengukuran arus, dan dilakukan 5 kali pengambilan data dengan daya yang berbeda-beda.

III. Data dan Pengolahan Data

Pengecekan Sistem

Untuk pengecekan sistem digunakan resistor. Setelah itu data yang diperoleh diplot menjadi kurva arus terhadap tegangan seperti ini

-0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4

-0.0015-0.001

-0.00050

0.00050.001

0.00150.002

0.0025

f(x) = 0.00083685070891 ln(x) + 0.002578064277R² = 0.921593036501273

Resistor

Gambar 2. Kurva arus terhadap tegangan pada resistor

Pengukuran I-V Solar sel dalam keadaan gelap

Pengukuran I-V solar sel pertama dilakukan pada keadaan gelap dan diperoleh data arus dan tegangan. Dari data tersebut kemudian dicari nilai rapat arus dengan A=6mm2

Tabel 1. Data tegangan, arus, dan rapat arus hasil pengukuran pada kondisi gelap.

V (Volt) I (A)

J (A/m2)

V (Volt) I (A)

J (A/m2)

-0.2 -5E-07 -0.08 0.22 2.6E-06 0.433-0.2 -1E-06 -0.17 0.24 3.1E-06 0.517-0.2 -8E-07 -0.13 0.26 3.8E-06 0.633-0.1 -7E-07 -0.12 0.28 4.6E-06 0.767-0.1 -5E-07 -0.08 0.3 5.6E-06 0.933-0.1 -4E-07 -0.07 0.32 6.6E-06 1.1-0.1 -3E-07 -0.05 0.34 7.8E-06 1.3-0.1 -2E-07 -0.03 0.36 7.9E-06 1.317-0 -2E-07 -0.03 0.38 1.1E-05 1.833

-0 0 0 0.4 1.3E-05 2.1670 0 0 0.42 1.5E-05 2.55

0.02 1E-07 0.017 0.44 1.8E-05 30.04 1E-07 0.017 0.52 3.5E-05 5.8330.06 3E-07 0.05 0.54 4.1E-05 6.8670.08 5E-07 0.083 0.56 5.1E-05 8.5170.1 7E-07 0.117 0.58 7.1E-05 11.85

0.12 9E-07 0.15 0.6 8.7E-05 14.530.16 1.4E-06 0.233 0.46 2.1E-05 3.5330.18 1.7E-06 0.283 0.48 2.5E-05 4.1670.2 2.1E-06 0.35 0.5 3E-05 4.933

Gambar 3. Kurva rapat arus thd tegangan solar sel pada keadaan gelap

Dari data tabel 1, nilai rapat arus J diplot terhadap tegangan (V) dengan menggunakan persamaan (4) yang dibuat persamaan umumnya menjadi y=aebv+c (6)

Sehingga diperoleh nilai kontanta a,b,c, dan juga didapatkan nilai R-square 0.994.

Pengukuran I-V Solar sel dalam keadaan disinari

Pada pengukuran dalam kondisi disinari dilakukan pengukuran pada daya yang bervariasi. Diperoleh data tegangan dan arus untuk masing-masing daya (data terlampir) selanjutnya nilai rapat arus ditentukan untuk diplot kurva rapat arus terhadap tegangan dengan menggunakan fitting persamaan (8), dan diperoleh gambar kurva masing-masing daya seperti di bawah ini

Gambar 4. Kurva rapat arus thd tegangan solar sel pada keadaan disinari untuk daya 1 dengan

R-square: 0.9988

Gambar 5. Kurva rapat arus thd tegangan solar sel pada keadaan disinari untuk daya 2 dengan

R-square: 0.9917

Gambar 6. Kurva rapat arus thd tegangan solar sel pada keadaan disinari untuk daya 3 dengan

R-square: 0.9974

Gambar 7. Kurva rapat arus thd tegangan solar sel pada keadaan disinari untuk daya 4 dengan

R-square: 0.9492

Gambar 8. Kurva rapat arus thd tegangan solar sel pada keadaan disinari untuk daya 5 dengan

R-square: 0.9933

Tabel 2. Nilai konstanta dari setiap kurva untuk daya yang bervariasi

a b cDaya 1 14.98 3.466 -16.12Daya 2 1.147 3.135 -1.64Daya 3 2.599 3.738 -1.93Daya 4 157 1.5974 -149.4Daya 5 338.2 1.428 -340.9

Tabel 3. Nilai Jsc, Voc, Pmax, dan Pmpp yang diperoleh dari setiap kurva untuk daya yang bervariasi

Jsc Voc Pmax Pmpp

Daya 1 -1.14-

0.02120.024

10.0116

7

Daya 2-

0.493 -0.1140.056

20.1066

7

Daya 3 0.6690.0796

20.053

3 0.07

Daya 4 7.60.0310

60.236

1 0.0023Daya 5 -2.7 - 0.015 0.002

0.0056

Tabel 4. Nilai yang diperoleh dari setiap kurva untuk daya yang bervariasi

FF Prata-rata Pin EfisiensiDaya 1 0.48363 0.001238 0.00248 4.712036Daya 2 1.89709 0.002298 0.0046 23.20866Daya 3 1.31422 0.00288 0.00576 12.15278Daya 4 0.00974 0.003202 0.0064 0.359151Daya 5 0.13302 0.0052 0.0104 0.192308

IV. Pembahasan

Pada gambar 2 memperlihatkan hubungan arus terhapat tegangan. Kurva yang didapat berupa kurva linear. Hal ini menunjukan bahwa arus berbanding lurus dengan tegangan. Semakin besar tegangan yang diberikan akan menghasilkan arus yang semakin besar pula. Untuk percobaan ketiga, yaitu dengan memvariasikan daya yang diberikan terdapat perbedaan dari setiap daya yang diberikan. Setiap kurva dari masing-masing intensitas memperlihatkan nilai JSC dan VOC yang berbeda-beda karena untuk mencari nilai JSC dan VOC

menggunakan persamaan garis dimana persamaan garis setiap kurva yg berbeda dayanya memiliki konstanta yang berbeda pula.

Nilai efisiensi dari masing-masing intensitas juga berbeda-beda. Efisiensi dari solar sel dapat turun ataupun naik bergantung daya yang diberikan. Jika daya yang terlalu besar dari daya optimum, maka efisiensi dapat terjadi penurunan. Hal ini dikarenakan dengan daya yang tinggi menyebabkan sel surya mengalami pemanasan yang berlebihan sehingga efisiensinya turun. Jika daya yang diberikan lebih kecil dari daya optimum.

Perbedaan antara sel surya organik dan anorganik adalah pada sel surya organic ketika disinari akan terbentuk exciton atau pasangan electron dan hole di dalam materialnya sedangkan pada anorganik akibat disinari menyebabkan adanya produksi electron dan hole bebas pada tiap elektrode. Selain itu pada sel surya organic, exciton tersebut harus mencapai elektroda terlebih dahulu sebelum dapat mengalir menjadi arus.

V. Kesimpulan

- Dengan parameter berupa rapat arus dan tegangan, dapat memperlihatkan karakteristik dari sel surya.

- Pada percobaan kali ini efisiensi bergantung pada daya yang diberikan. Jika terlalu kecil atau terlalu besar dari daya optimum, maka akan terjadi penurunan efiseinsi.

VI. Pustaka

[1]http://www.ittc.ku.edu/~jstiles/312/handouts/Drift%20Current.pdf (tanggal akses 19 April 2012 pukul 20.30 WIB)

[2 http://repetit.dk/files/projects/p4.pdf (tanggal akses 19 April 2012 pukul 23.00 WIB)