Metode Penentuan Parameter Kelistrikan Sel Surya Organik Single Heterojunction

Transkripsi

1 Metode Penentuan Parameter Kelitrikan Sel Surya Organik Single Heterojunction Setianto 1*, Awad H.S. 1, Kuwat T. 2, M.F. oyid 2 1 Departemen Fiika-FMIPA, Univerita Padjadjaran l. aya atinangor KM. 21, Sumedang uruan Fiika Univerita Gadjah Mada Bulakumur BLS 21,Yogyakarta etianto@phy.unpad.ac.id Abtrak - Telah dilakukan tudi untuk menentukan parameter kelitrikan el urya organik ingle heterojunction, yang meliputi hambatan eri ( ) dan paralel ( h), rapat aru aturai ( ), rapat aru penyinaran ( L) erta faktor idealita dioda (n). Parameter-parameter terebut elanjutnya digunakan untuk menentukan efiieni konveri daya el urya organik. Untuk makud terebut digunakan metoda kombinai antara Levenberg- Marquadt, pengali Lagrange dan Newton-hapon (LMLN). Metode ini merupakan metode regrei tak linier. Sehingga untuk mendapatkan efiieni konveri daya diperlukan data pengukuran rapat aru-tegangan (-V). Dari hail kajian ini diperoleh bahwa nilai parameter kelitrikan dan n maih jauh nilai dari ideal. Hal ini ebagai alah atu penyebab nilai efiieni konveri daya el urya organik menjadi rendah, yakni untuk yang bertruktur donor-akeptor-ag (SDA-Ag) ebear 0,86%. Kata kunci : el urya organik, donor, akeptor, efiieni konveri daya, metode LMLN 1. Pendahuluan Melalui proe fotovoltaik, menggunakan peranti yang dinamakan el urya ( olar cell ) konveri energi urya ke energi litrik terjadi ecara langung. Energi litrik urya telah dimanfaatkan di tempat terpencil dan mampu beraing untuk pemakaian waktu yang lama. Sekarang ini, bahan-bahan aktif yang digunakan untuk pembuatan el urya ebagian bear beraal dari bahan anorganik, eperti ilikon (Si) Gallium-Arenide(GaA), Cadmium- Telluride(CdTe), dan Cadmium-Selenide(CdS). Efiieni daya untuk el urya ini bervariai dari 8 29 % [1]. Tetapi ekarang ini terdapat keulitan untuk menjual energi terebut, ebab terlalu mahal. Pendekatan lain adalah el urya yang dibuat dari material yang eluruhnya baru, yaitu dari bahan organik eperti polimer dan molekul terkonjugai. Material terkonjugai adalah bahan organik yang terdiri dari ikatan tunggal-rangkap yang bertukar-tukar atau elang-eling. Pemilihan ini dikarenakan bahan organik lebih mudah dalam pembuatannya dan relatif lebih murah. Perkembangan peranti el urya organik baru-baru ini mulai diarahkan pada riet tentang upaya meningkatkan efiieni daya dan performani bahan emikonduktor organik ebagai pilihan alternatif elain bahan emikonduktor anorganik yang ering digunakan.[1] Keadaan optimal akan dicapai jika dalam aplikainya memberikan nilai-nilai variabel eperti aru ( I ) dan tegangan ( V ) yang relevan. Selain itu memiliki efiini daya yang tinggi. Perkembangan terakhir penelitian el urya organik, ecara ekperimen telah mencapai efiieni daya ekitar 4 %. [2]. Nilai efiieni daya ini maih rendah dibandingkan dengan el urya anorganik. Untuk memahami dan menjelakan rendahnya efiieni daya el urya bahan organik terebut, maka perlu dilakukan uatu penelitian tentang analii numerik parameter el urya organik ingle heterojunction. Manfaat yang dapat diperoleh dari hail penelitian ini adalah : mengetahui beberapa parameter kelitrikan yang berpengaruh pada efiieni daya el urya organik ingle-heterojunction ebagai daar untuk mengevaluai dan memperbaiki kinerja item yang lebih baik, memberikan uatu metoda numerik baru yaitu kombinai antara metode TELKA, Vol.3, No.1, Mei 2017, pp. 28~35 28

2 TELKA: urnal Telekomunikai, Elektronika, Komputai, dan Kontrol 29 Levenberg-Marquadt, Pengali Lagrange dan Newton-aphon untuk menghitung daya makimum (P mak ) el urya organik. 2. Sel Surya Organik Sel urya organik biaanya terbuat dari lapian tipi yang terbuat dari material organik yang berada diantara dua lapian elektroda. Elektroda pertama (katoda) dibuat dari logam yang memiliki fungi kerja yang rendah, ehingga dekat dengan tingkat energi LUMO(Lowet Unocupied Molecular Orbital) yang dioperaikan ebagai tempat mauknya elektron yang bergerak memauki pita konduki dari material organik. Elektroda yang kedua (anoda) memiliki fungi kerja yang lebih tinggi ehingga dekat dengan tingkat energi HOMO(Highet Occupied Molecular Orbital) yang dioperaikan ebagai tempat mauknya hole yang bergerak memauki pita valeni dari materialorganik. Lapian yang ering digunakan ebagai anoda adalah Indium Tin Oxide (ITO) [Burroughe, 1990]. Sedangkan elektroda negatif (katoda) biaanya terbuat dari Alumunium (Al), Perak (Ag), Ema (Au) atau Calcium (Ca). Sel urya organik umumnya terdiri dari uatu lapian aktif yang diiipkan pada ubtrat tertutup antara elektroda tranparan dan elektroda logam. Ada beberapa macam truktur el urya organik, yaitu : Sel Surya Lapian Tunggal, Sel Surya Lapian Ganda dan Sel Surya Blend 2.1. Mekanime Konveri Energi Sel Surya Organik Mekanime konveri energi dari cahaya ke litrik el urya terebut dijelakan ebagai berikut [3]: ITO Donor Akeptor Ag/Au/Al Gambar 1. Struktur el urya organik jeniingle-heterojunction 1. Penyerapan Foton. Sekitar 30 %. 2. Difui Ekiton. Kemungkinannya terletak pada daerah dekat tepi material kedua yang jarak difuinya minimal euai dengan ketebalan lapian. ika tidak, ekiton akan berkombinai kembali. 3. Pemiahan Muatan. Kemungkinan terjadinya terletak pada material emikonduktor organik atau elektroda logam. 4. Tranportai Muatan. Tranportai muatan ditimbulkan oleh kombinai kembali muatan epanjang perjalanan menuju elektroda jika material itu ebagai media tranportai baik oleh elektron maupun hole. 5. Pengumpulan Muatan. Elektroda logam kemungkinan juga telah membentuk kontak penghalang dengan material emikonduktor organik edemikian rupa ehingga muatan tidak bia langung mencapai elektroda logam.

3 TELKA: urnal Telekomunikai, Elektronika, Komputai, dan Kontrol Karakteritik Sel Surya Organik Vm (a) Voc (b) m c Daya Makimum ( Pmak ) Gambar 2. Kurva karakteritik aru tegangan el urya ideal. (a). Keadaan gelap (b). Keadaan diinari apat aru kontak ( c ) adalah aru yang muncul pada aat tegangannya nol, ini merupakan fungi dari kekuatan penyinaran G. Muatan berjalan karena perbedaan potenial internal yang epadan dengan V oc. Tegangan rangkaian terbuka terukur ketika aru dalam el urya adalah nol, dan hampir bereuaian dengan pita valeni dan pita konduki. Nilai m dan V m ditentukan dalam rangka memakimalkan daya. Ini merupakan daya makimum (P mak) yang dihailkan oleh el urya. Faktor iian (FF) adalah perbandingan daya makimum terhadap aru kontak dan tegangan rangkaian terbuka : FF = P mak / c x V oc (1) Efiieni daya fotovoltaik () digambarkan ebagai perbandingan daya litrik makimum terhadap kekuatan daya maukan dikalikan lua permukaan modul: = P max/p in (2) Hail konveri ini merupakan parameter kunci produktivita el urya dan ini haru dievaluai ecara hati-hati. 3. Model Sel Surya Organik angkaian etara ebuah el urya riil ditunjukkan pada gambar 3 [4] :

4 TELKA: urnal Telekomunikai, Elektronika, Komputai, dan Kontrol 31 L D h V L Gambar. 3. angkaian penyetara el urya riil. V ( V ) exp L nv 1 T (3) h dengan : L : rapat aru penyinaran (ma/cm 2 ) : rapat aru dioda panjar mundur (A/cm 2 ) n : faktor ideal dioda, n = V T : tegangan termal ; V T = 25,7mV pada uhu 25 C. k : kontanta Boltzmann k = 1, K -1 T : uhu mutlak; [T] = K (Kelvin) 0 K =- 273,15 C e : muatan elektron; e = 1, Coulomb : hambatan eri (Ohm) : hambatan hunt (Ohm) h 3.1. Penentuan Parameter Sel Surya (, h dan ) Dengan menggunakan model el urya riil yang telah diberikan pada bagian ebelumnya yaitu : V V L nv ( ) exp 1 T (4) h Penentuan parameter el urya (, h dan ) dilakukan dengan cara mendiferenialkan peramaan (4) terhadap tegangan ( d/dv ) ehingga diperoleh: dv d VOC dv d nv t 1 e VOC nvt h (6) SC (5)

5 TELKA: urnal Telekomunikai, Elektronika, Komputai, dan Kontrol 32 SC 1 (1 e c nvt h e V ) Voc nvt oc h (7) Peramaan daya diberikan ebagai : P(,V a) = V. = (V a + ). (8) Dengan menggunakan metoda pengali Lagrange akan diperoleh peramaan untuk tegangan makimum (V m) : Vm Vm nv V t m e V nvt m h nv V t V e 1 m nv 2 2 t 1 e nvt h Peramaan (4) yang merupakan fungi impliit akan menjadi fungi ekpliit dan ditulikan ebagai : V / nv V t ( e 1) L SH (10) V / nvt 1 e nv SH t m h j L (9) Sedangkan untuk menghitung turunan-turunan dari fungi ekpliit diata terhadap koefiien-koefiien (,, h, L dan n) akan digunakan bantuan komputer dengan menggunakan program MAPLE veri V. Menggunakan peramaan dita, penentuan parameter-parameter model el urya riil (,, h, L dan n) dapat dilakukan dengan metode pencocokan kurva Levenberg- Marquardt dengan bentuk peramaan : = ( Z T Z + I ) -1 Z T g (11) Dengan menggunakan metoda Newton-hapon yang dituli ebagai berikut : x n+1 = x n - f ( xn ) ' f ( x ) n (12) Peramaan (12) diebut rumu iterai Newton-hapon yang menyatakan bahwa x n+1 dapat dicari dari x n atau uatu titik dapat dicari dari titik ebelumnya. Pada penelitian ini, parameterparameter el urya organik (, h,, L dan n ) ditentukan dengan menggunakan metoda Levenberg-Marquardt, ehingga nilai V m dan m yang berkaitan dengan daya makimum el urya eperti diungkapkan pada peramaan (10) atau (11) dapat ditentukan dengan metode Newton- hapon ini. Selanjutnya metode ini dinamakan dengan metode LMLN

6 TELKA: urnal Telekomunikai, Elektronika, Komputai, dan Kontrol Hail dan Pembahaan Struktur maing-maing el urya diberikan pada gambar 4 : Gambar 4. Struktur el urya organik Tabel 1. Hail Perhitungan Parameter Sel Surya SDA-Ag ecara Ekperimen, Analitik dan Numerik Parameter Ekperimen Analitik Numerik V oc (Volt) 0,49-0, c (ma/cm 2 ) 1,77-1,76829 ITO CuPc PTCBI Ag Sel Surya SDA-Ag (Ohm) 48 7,6 9,5 h (Ohm) ) - 1,419 1,1 N - - 2,6 L (ma/cm 2 ) - - 1,7758 FF 0,56-0,5948 Efiieni Daya ( %) 0,81% - 0,8633%

7 TELKA: urnal Telekomunikai, Elektronika, Komputai, dan Kontrol 34 Gambar 5. Kurva -V Sel Surya SDA-Ag 4.1. Pembahaan Sel Surya Organik SDA-Ag Nilai parameter h, dan ecara analitik dan komputai hampir mendekati keamaan. Sedangkan untuk ekperimen nilai parameter cukup bear diebabkan oleh faktor koreki yang tidak digunakan dalam perhitungan. Secara grafi atau kurva pengukuran aru-tegangan, dan h menentukan kelengkungan kurva. Sedangkan dalam piranti el urya, akan mempengaruhi kinerja el urya karena berkaitan erat dengan efiieni daya. Sel Surya akan memiliki efiieni daya yang tinggi jika nilai kecil mendekati nol dan nilai h angat bear. apat aru aturai kedua el urya cukup bear, hal ini diebabkan oleh bearnya parameter n (ideality factor). Idealnya nilai kontanta n mendekati 1. Dilihat dari efiieni daya (), el urya SDA-Ag memiliki efiieni ebear % dan 0.81% ecara numerik dan ekperimen 5. Keimpulan Berdaarkan dari hail perhitungan, dapat diimpulkan bahwa : a. Dengan menggunakan metoda numerik yang telah dikembangkan dalam penelitian ini (kombinai antara Levenberg-Marquadt, Pengali Lagrange dan Newton-hapon) elanjutnya diebut ebagai metode LMLN, parameter-parameter, h,, L, n, FF el urya organik dan efiieni daya () yang berkaitan dengan kinerja item dapat ditentukan ecara lengkap. b. Nilai parameter, h,, L dan n untuk el urya organik SDA-Ag (ITO/CuPc/PTCBI/Ag) adalah 9,5 Ohm ; 2322 Ohm ; 1,1 ma ; 1,77 madan 2,6.Parameter-parameter terebut menghailkan faktor iian (FF) ebear 0,59 dan efiieni daya ebear 0,86 %. c. Sel urya organik SDA-Ag lebih baik dibandingkan SDA-Au karena memiliki parameter yang lebih baik ehingga efiieni dayanya lebih bear yaitu untuk SDA-Ag ebear 0,86 % dan SDA-Au ebear 0,74 %. endahnya efiieni daya el urya organik ini dipengaruhi oleh bearnya nilai parameter,, dan n yang maih jauh dari keadaan el urya ideal. d. Sel urya ideal adalah el urya yang memiliki nilai parameter : mendekati 0, h angat bear mendekati takhingga, dalam orde 10-9 A A dan faktor ideal n mendekati 1. e. Nilai ecara ekperimen dan analitik mempunyai perbedaan yang cukup bear yaitu ebear 48 Ohm edangkan ecara analitik ebear 7,6 Ohm dan ecara numerik 9,5 Ohm. Hal ini dikarenakan pada perhitungan ecara ekperimen tidak menambahkan faktor koreki eperti pada perhitungan ecara analitik yaitu pada peramaan (III.4).

8 TELKA: urnal Telekomunikai, Elektronika, Komputai, dan Kontrol 35 f. Sel urya organik SDA-Al yang teruun ata (ITO/PANI/PPV/Al) maih memiliki performani yang rendah dibandingkan dengan SDA-Ag dan SDA-Al dikarenakan rendahnya nilai rapat aru penyinaran ( L) yaitu ekitar 0,304 A/cm Saran Dari hail perhitungan yang telah diperoleh ini diarankan : a. Mengembangkan metode LMLN ini untuk el urya riil erial, yaitu dengan menambahkan dioda ecara eri pada model. Hal ini berkaitan dengan item el urya double heterojunction. b. Mengkaji lebih dalam lagi (ecara mikrokopik) bearan-bearan apa aja yang terkandung di dalam parameter, dan n. Karena hal ini akan menghailkan kinerja piranti el urya organik yang layak pakai. c. Menggunakan alat ukur yang lebih teliti dan memadai untuk pengukuran data aru-tegangan (I-V) peranti el urya SDA-Al. Daftar Putaka [1]. eroen van Duren Polymer : Fullerene Bulk-Heterojunction Solar Cell., Techniche Univeriteit Eindhoven [2]. Brabec C.., Sariciftci N.S., Hummelen.C., Advanced Functional Material, [3]. Kuwat Triyana Heterojunction Organic Photovoltaic Device Baed On Phthalocyaninine and Perylene. Diertation, Graduate School of Engineering Science Kyuhu Univerity [4]. Gow. A., Manning C. D Development Of A Photovoltaic Array Model For Ue In Power-Electronic Simulation Studie. IEE Proceeding on Electric Power Application, vol. 146, no. 2, pp