Penentuan Parameter-Parameter Karakteritik Sel Surya untuk Kondii Gelap dan Kondii Penyinaran dari Kurva Karakteritik Aru-Tegangan (-) A. Suhandi, Y. R. Tayubi, Hikmat, A. Eliyana Juruan Pendidikan Fiika FPMPA UP, Jl. DR. Setiabudhi No. 229 Bandung (40154) Abtract A ytematic procedure to obtain the main parameter which characterize a commercial olar cell, both in dark condition (erie and hunt reitance and recombination and diffuion aturation current) and alo under illumination (hort circuit current, open circuit voltage and fill factor) are preented in thi paper. All the meaurement needed are made with imple and inexpenive apparatu and the calculation are traightforward. PENADAHULUAN Sel urya merupakan alah atu piranti elektronik yang dapat mengubah ecara langung energi radiai matahari menjadi energi litrik. Sel urya merupakan umber energi yang tidak akan pernah habi, elama matahari memancarkan inarnya ke bumi. Diperkirakan bahwa el urya akan menjadi umber pembangkit litrik andalan di maa datang karena penggunaannya yang angat prakti terutama untuk uplai energi di daerah-daerah terpencil yang ulit terjangkau oleh PLN. Selain itu, umber energi ini ramah lingkungan karena dalam proe konverinya tidak menghailkan polutan ama ekali. Penelitian tentang el urya di berbagai belahan dunia maih teru dilakukan hingga aat ini. Salah atu item peralatan yang angat diperlukan dalam kegiatan riet terkait pengembangan el urya adalah item pengukur karakteritik el urya dan proedur penentuan parameter-parameter karakteritik el urya berdaarkan datadata hail pengukuran yang didapatnya. Melalui penelitian ini telah dilakukan pengembangan item pengukur parameter-parameter karaketritik el urya beerta 1
proedur penentuan paramter-parameter karakteritik el urya baik dalam kondii penyinaran maupun dalam kondii tanpa penyinaran. Sebenarnya beberapa item pengukuran erupa telah dikembangkan oleh beberapa kelompok peneliti (Kammer et. al., 1997, Muoy et. al., 1981, Mialhe et. al., 1983, dan Khoury et. al., 1984), akan tetapi item-item ini tidak dapat ecara langung dapat menentukan parameter-parameter karakteritik el urya dari data hail pengukuran, ehingga dinilai kurang prakti. Dalam artikel ini dipaparkan tentang contoh penentuan parameter-parameter karakteritik el urya baik untuk keadaan tanpa penyinaran maupun dalam keadaan penyinaran dengan proedur yang dikembangkan berdaarkan data-data yang diperoleh dari hail pengukuran dengan menggunakan item pengukur yang telah dikembangkan. Sebagai contoh pengukuran, telah digunakan el urya komerial berbai bahan ilicon amorf. DASAR TEOR 1. Karakteritik - dalam Kondii Gelap Hubungan aru-tegangan untuk uatu el urya Silikon dapat ditulikan eperti berikut : (Wolf et. al., 1977) ( R ) q( R ) R q = + 0R exp + 0D exp (1) Rh 2kT kt Dimana 0R dan 0D menyatakan aru rekombinai dan aru aturai difui. Semua imbol yang lainnya merupakan imbol-imbol untuk bearan yang biaa digunakan. j R D R j Rh Gambar 1. Rangkaian ekivalen untuk el urya Silikon 2
Peramaan (1) dapat diimulaikan dengan ebuah rangkaian eperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. dan berturut-turut menyatakan tegangan dan aru litrik ekternal yang diukur, j dan j berturut-turut menyatakan aru perambungan dan tegangan jatuh perambungan. Dari Peramanan (1) atau dari Gambar 1, dapat diidentifikai empat mekanime penting yang menentukan karakteritik - uatu el urya, yaitu ; hambatan eri (R ) yang membatai aru litrik pada nilai tertentu, hambatan hunt (R h ), aru rekombinai ( R ), dan aru difui ( D ). Untuk mendapatkan emua nilai parameter yang tercakup dalam Peramaan (1), perlu dilakukan uatu pendekatan bergantung pada nilai tegangan. 2. Nilai-Nilai Pada Kondii Tegangan Tinggi Dalam rentang nilai tegangan tinggi, dapat dimaukan kedalam perhitungan uatu nilai tertentu untuk parameter-parameter yang dicakup dalam Peramaan (1), ehingga hubungan - dapat ditulikan eperti berikut : ( R ) q = 0 D exp (2) kt Akibat pengaruh R, dan j memiliki nilai yang berbeda. Dengan kata lain dalam rentang ini nilai = j, memberikan nilai hunt angat kecil ehingga dapat diabaikan. Nilai R dapat ditentukan dengan mengikuti proedur yang dinyatakan oleh Fuch et. al., 1986 eperti berikut : untuk dua paangan data ekperimen yang berturutan, Peramaan (2) dapat diuun kembali ehingga didapatkan hubungan : Y = kt N + 1 + N 1 N + 1 = + ln N + 1 N N + 1 ( / ) qr R ln( / ) N N kt 1 = + X (3) qr R Teknik pencocokan kuadrat terkecil dari variabel Y terhadap variabel X dapat dilakukan dengan menggunakan emua titik ekperimen yang diukur pada tegangan 3
yang lebih tinggi untuk mendapatkan nilai R. Sekali R dapat ditentukan, maka nilai j dapat dihitung melalui peramaan : = (4) j R Jika Peramaan (4) diubtituikan ke Peramaan (1), dan pengaruh R di elimininai, akan didapatkan uatu peramaan dengan variabel-variabel yang terpiah eperti berikut : ( R ) q( R ) j q = + 0R exp + 0D exp Rh 2kT kt (5) 3. Nilai-Nilai Pada Kondii Tegangan Rendah menjadi : Untuk rentang nilai tegangan rendah, peramaan (1) dapat diederhanakan j (6) R h yakni bentuk karkteritik - yang terutama diebabkan oleh pengaruh R h. Dari kemiringan kurva linier terhadap, dapat ditentukan nilai R h. Setelah nilai R h, dapat ditentukan, pengaruhnya terhadap karakteritik - dapat dieliminai melalui peramaan : = / R (7) j Dengan cara menubtitui peramaan (4) dan (7) ke dalam peramaan (1), diperoleh peramaan kurva karakteritik - untuk nilai-nilai perambungan eperti berikut : j h ( R ) q( R ) q j = 0R exp + 0D exp (8) 2kT kt Selanjutnya plot kurva j terhadap j dapat digunakan untuk menentukan 0R dan 0D. 4
4. Karakteritik - pada Kondii Diinari Sze, 1981) Di bawah kondii penyinaran, karakteriatik - el urya menjadi : (S. M. R ( R ) q( R ) q = + 0 R exp 1 + 0D exp 1 L (9) Rh 2kT kt dimana L adalah aru litrik yang dibangkitkan cahaya, nilainya tidak bergantung pada tegangan. Dengan formula ini, karakteritik - el urya pada kondii ini tampak mirip dengan karakteritik - pada kondii gelap, tetapi ditranlai ke kuadran empat. Parameter-parameter utama yang dapat ditentukan dari perilaku el urya aat diinari adalah oc (open circuit voltage = tegangan rangkaian terbuka), c (hort circuit current = aru hubung ingkat), FF (Fill Factor = Faktor Pengiian el urya), dan η (converion efficiency = efiieni konveri). Nilai Fill Factor ditentukan melalui Peramaan : (Moller, 1993) m m FF = (10) Dimana m dan m adalah aru dan tegangan litrik pada titik kerja optimum, yaitu yang menghailkan daya keluaran makimum. Sedangkan efiieni konveri (η) dihitung melalui peramaan : (Moller, 1993) c oc FFoc c η = 100% (11) P Dengan P in adalah daya input cahaya lampu yang digunakan. in EKSPERMEN Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah ekperimen, dengan menggunakan rangkaian elektronik eperti ditunjukkan pada Gambar 2.a dan 2.b. 5
A A hv a b Gambar 2. Rangkaian yang akan dipergunakan untuk (a) mengukur karakteritik pada kondii gelap, (b) mengukur karakteritik pada aat diinari Gambar 3. Rancangan item pengukur karkteritik el urya yang akan dibuat Untuk kepentingan pengukuran karakteritik - el urya baik dalam keadaan diinari maupun tanpa diinari, telah dikembangkan uatu item peralatan ederhana. Rancangan item pengukuran parameter karakteritik el urya yang dibuat dan digunakan ditunjukkan pada Gambar 3. Sitem pengukur ini dibuat dari bahan alumunium dengan ukuran (15x15x30)cm 3 dan dihubungkan dengan uatu rangkaian elektronik. Pada bagian ata ditempatkan lampu untuk mengukur karakteritik - dalam keadaan diberi penyinaran. Lampu yang digunakan adalah 6
lampu tipe XENOPHOT 64653 dengan intenita 77.75 mw/cm 2. Sedangkan el urya yang digunakan adalah el urya berbai ilikon amorf bereri KSC 30763 dengan ukuran (3,4x1,5)cm 2. HASL DAN PEMBAHASAN 1. Karakteritik - el urya dalam kondii tanpa penyinaran Gambar 4 menunjukkan karakteritik - el urya Silikon dalam kondii tanpa penyinaran. Dari grafik terebut pengaruh dari kedua reitani, R S dan R Sh dapat dilihat dengan jela. Dengan mengikuti proedur analii yang telah dipaparkan pada bagian teori dan ekperimen, nilai R dapat ditentukan pada tegangan lebih bear dari 2,5, dan nilai R h dapat ditentukan pada tegangan lebih rendah dari 1,75. Nilai-nilai R dan R h terebut adalah 9,01x10 2 Ω dan 5,71x10 6 Ω ecara berturut-turut. 1E-3 1E-4 1E-5 Aru (A) 1E-6 1E-7 1E-8 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Tegangan () Gambar 4. Kurva karakteritik - el urya dalam keadaan tanpa penyinaran 7
1E-4 1E-5 1E-6 1E-7 (A) 1E-8 1E-9 1E-10 1E-11 1E-12 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 j () Gambar 5. Kurva karakteritik terhadap j, yang menunjukan nilai aru aturai difui (warna kuning), aru aturai rekombinai (warna biru), dan hambatan hunt (warna magenta). Dengan menggunakan nilai-nilai R dan R h ini pada peramaan (4) dan (7), nilainilai untuk paangan data j, j yang berkaitan dapat diperoleh eperti ditunjukkan pada Gambar 5. Jika dilakukan pencocokan pada kurva terebut mengikuti peramaan (8), maka pada pencocokan optimum, diperoleh nilai aru aturai rekombinai ( OR ) ebear 1,162 x 10-9 A, dan nilai aru aturai difui ( OD ) ebear dan 1,157 x 10-12 A. Nilai-nilai yang diperoleh ini memiliki tingkat kecocokan yang tinggi dengan nilai-nilai teoriti untuk aru-aru aturai ini (10-9 A ~ 10-12 A) untuk el urya Silikon (Wolf, et al., 1977). 2. Karakteritik - el urya dalam kondii diinari Kurva karakteritik - el urya di bawah penyinaran berdaarkan hail pengukuran ditunjukan pada Gambar 6. Berdaarkan Gambar terebut diperoleh aru hubung ingkat ( c ) dan tegangan rangkaian terbuka ( oc ) berturut-turut ebear 15,580270 ma dan 2,9353183. Sedangkan m dan m maing-maing adalah tegangan dan aru pada titik operai optimum. Nilai m m diperoleh dari luaan 8
makimum dibawah kurva - eperti ditunjukan pada Gambar 6. Berdaarkan hail perhitungan diperoleh nilai m m ebear 27,40464 mw. Nilai fill factor (FF) dan efiieni (η) elanjutnya ditentukan dari peramaan (10) dan (11). 16 14 12 10 Aru (ma) 8 6 m m 4 2 0 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 Tegangan () Gambar 4.5. Kurva karakteritik - el urya dalam keadaan penyinaran Nilai fill factor (FF) yang merupakan perbandingan daya makimum ( m m ) yang dihailkan el urya terhadap perkalian c dan oc diperoleh ebear 0,5992, dan nilai efiieni konveri ebear 7,193%. Bearan nilai efiieni el urya yang diperoleh ini dinilai layak untuk el urya berbai bahan ilikon amorf, berdaarkan penelitian-penelitian yang telah dilakukan pada ilikon amorf, efiieni yang terukur berkiar (6-9)% (Khan, 2008). Hail-hail ini ecara tidak langung menunjukkan bahwa item peralatan yang dikembangkan erta proedur penentuan parameter-parameter karakteritik el urya yang telah digunakan cukup baik dan berpoteni untuk dipergunakan ebagai item pengukuran untuk kegiatan praktikum maupun penelitian yang terkait dengan karakteriai el urya. 9
KESMPULAN Telah dipaparkan proedur penentuan parameter-parameter karakteritik el urya dalam keadaan tanpa penyinaran dan keadaan dengan penyinaran dari karakteritik Aru-Tegangan (-). Pengukuran karakteritik - dilakukan dengan menggunakan item peralatan yang ederhana dan tidak mahal hail pengembangan endiri. Parameter-parameter karakteritik el urya Silikon yang diperoleh berdaarkan hail pengukuran dalam keadaan tanpa penyinaran adalah R = 9,01x10 2 Ω, R h = 5,71x10 6 Ω, OR = 1,162 x 10-9 A, dan OD = 1,157 x 10-12 A. Sedangkan dari karakteritik - dalam kondii penyinaran diperoleh nilai-nilai SC = 15,580270 ma, OC = 2,9353183, FF = 0,5992, dan η = 7,193 %. Nilai-nilai ini angat mendekati nilai-nilai paremeter karakteritik el urya Silikon amorf. Hal ini menunjukkan bahwa item peralatan pengukuran yang dikembangkan memiliki poteni yang cukup baik untuk digunakan ebagai alat praktikum maupun alat riet. DAFTAR PUSTAKA Fuch, D., Sigmund, H., 1986, Analyi of The Current-oltage Characteritic of Solar Cell, Solid State Electron., 29, 791-795. Martil, G. Gonzalez Diaz, 1992, Determination of the Dark and illuminated Characteritic Parameter of a Solar Cell from - Characteritic, Eur. J. Phy, 13, 193-197. Kammer, D. W., Ludington, M. A., 1977, Laboratory Ekperiment With Silicon Solar Cell, Am. J. Phy., 45, 602-605 Khoury, A., Charle, J. P., Charette, J., Fielx, M., Mialhe, P., 1984, Solar Cell : A Laboratory Experiment of The Temperature Dependence of The Open-Circuit oltage, Am. J. Phy., 52, 449-451 Muoy, Y. H., Charle, J. P., Abdelkarim, M., 1981, Reliable and Economical Circuit - Charcterization Solar Cell, Am. J. Phy., 49, 508-509 Mialhe, P., Charette J., 1983, Experimental Analyi of - Characteritic of Solar Cell, Am. J. Phy., 51, 68-70 Moller, H. J., 1993, Semiconductor for Solar Cell, Artech Houe nc, London. Sze, S. M., 1981, Phyic of Semiconductor Device, New York, Wiley 10
Wolf, M., Noel, G. T., Stirn, R. J., 1977, nvetigation of The Double Exponential in The Current-oltage Characteritic of Silicon Solar Cell, EEE Tran. Electron. Dev., ED-24, 419-428 11