Prinsip Kerja Photovoltaic

 

1. Prinsip Kerja Fotovoltaik konvensional dan Ferroelektrik

Fotovoltaik adalah suatu sistem atau cara langsung untuk mentranfer radiasi matahari atau energi cahaya menjadi listrik. Prinsip kerja fotovoltaik konvensional dan ferroelektik ditunjukkan pada Gambar .

Prinsip kerja (a) fotovoltaik konvensional (b,c) ferroelektrik fotovoltaik

Fotovoltaik konvensional bekerja menggunakan prinsip persambungan p-n seperti pada Gambar. Cahaya yang datang dengan panjang gelombang tertentu yang mengenai daerah persambungan p-n sel surya menyebabkan absorpsi foton oleh bahan semikonduktor. Energi foton cukup untuk menghasilkan pasangan elektron-hole atau disebut eksiton di daerah deplesi. Medan listrik di daerah deplesi mendorong elektron dan hole keluar dari daerah deplesi. Keluarnya elektron dan hole dari daerah deplesi menyebabkan konsentrasi elektron di N dan hole di P menjadi tinggi sehingga perbedaan potensial akan berkembang. Jika dihubungkan dengan muatan apapun di antara sisi tersebut maka elektron akan mengalir melalui muatan. Elektroda pada Gambar 2.4a adalah konduktor yang melalui arus listrik yang berfungsi untuk menghantar arus listrik. Buttom elektroda adalah katode yang berperan sebagai terminal negataif, sedangkan top elektroda adalah anoda yang berperan sebagai terminal positif.

Feroelektrik PV dicirikan oleh polarisasi spontan di bawah suhu Curie. Dalam kasus feroelektrik PV, tidak diperlukan persimpangan p-n, dan pemisahan muatan dapat berasal dari polarisasi karena feroelektrikitas. Material yang digunakan untuk pembuatan Feroelektrik PV BFO adalah substrat semikonduktor dan material ferroelektrik BFO. Proses konversi energi dibantu oleh dua elektroda yaitu top elektroda dan buttonelektroda yang berperan sebagai anoda dan katoda seperti pada Gambar. Arus digerakkan oleh polarisasi feroelektrik yang diinduksi medan listrik internal. Absorpsi foton oleh suatu material semikonduktor menyebabkan transisi elektronik dari pita valensi ke pita konduksi. Akibat dari transisi ini adalah terbentuknya hole pada pita valensi dan electron pada pita konduksi, karna muatannya berlawanan maka terjadi interaksi coloumb antara keduanya. Pasangan hole-elektron ini disebut eksiton. Eksiton dapat tereksitasi jika dikenai foton yang sesuai dengan energinya.

2. Sel Surya

Sel surya atau Photovoltaic cell merupakan sebuah peralatan yang mampu mengkonversi energi matahari menjadi energi listrik. Pada prinsipnya, proses konversi energi fotovoltaik terdiri dari eksitasi elektron akibat adanya peristiwa absorbsi cahaya dan pemisahan muatan. Daerah semikonduktor dengan elektron bebas dan bersifat negatif bertindak sebagai donor elektron. Sel surya menggunakan suatu material semikonduktor seperti logam sebagai penghasil elektron bebas. Daerah ini disebut tipe n, daerah semikonduktor dengan hole positif dan bertindak sebagai penerima elektron di sebut tipe p. Ikatan dari kedua sisi p-n junction menghasilkan energi listrik internal yang mendorong elektron bebas dan hole bergerak kearah berlawanan. Elektron yang bergerak menjauhi sisi negatif, sedangkan hole bergerak menjauhi sisi positif dihubungkan dengan sebuah beban, maka akan tercipta arus listrik. Energi listrik yang dihasilkan dari sel surya dapat diketahui melalui hubungan singkat, tegangan rangkaian terbuka dan daya maksimum serta nilai fill factor . Hasil tegangan perangkat sel surya akan di pengaruhi oleh sifat dari bahan semikonduktor tipe -p, tipe -n dan difusi konstan. Oleh karena itu, bahan semikonduktor memiliki peranan yang sangat penting dalam membantu proses penyerapan energi matahari. 

3. Radiasi Matahari

Energi matahari menjadi salah satu bagian terpenting dalam kehidupan manusia. Selain berfungsi untuk menyinari jagat raya, matahari juga sangat berperan secara signifikan disetiap proses pertumbuhan dan perkembangan makhluk hidup. Pancaran energi dari matahari ke bumi sangat besar yaitu 1 x 1024 J tiap tahunnya atau sekitar 10.000 kali dari konsumsi populasi global saat ini. Intensitas energi matahari ketika mencapai permukaan bumi berjumlah sebesar 1000  pada keadaan air Mass 1,5 dalam keadaan cuaca cerah dan tegak lurus sinar matahari. Gambar spektrum radiasi matahari ditunjukkan pada Gambar

Gambar 2.1 Spektrum Radiasi Matahari

Energi matahari dipancarkan hingga mencapai kepermukaan bumi dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Gelombang elektromagnetik yang sampai kepermukaan bumi terbagi menjadi tiga sinar, yaitu sinar ultraviolet berada pada rentang panjang gelombang 300 nm – 400 nm, spektrum cahaya tampak berada pada rentang panjang gelombang 400 nm – 800 nm dan spektrum sinar infra merah yang cukup lebar berada pada rentang panjang gelombang 700 nm – 2500 nm. Spektrum panjang gelombang dan radiasi energi tersaji dalam Tabel.

Spektrum Panjang Gelombang dan Energi Radiasi, serta Warna

Asli dan Warna Komplementer 

 

Spektrum Sinar Tampak
Panjang gelombang (nm)	Warna asli	Warna komplementer	Energi foton
400-435	Ungu	Kuning-hijau	3,09-2,84
435-480	Biru	Kuning	2,84-2,58
480-490	Hijau-biru	Jingga	2,58-2,52
490-500	Biru-hijau	Merah	2,52-2,47
500-560	Hijau	Ungu	2,47-2,21
560-580	Kuning-hijau	Ungu	2,21-2,13
580-595	Kuning	Biru	2,13-2,08
595-610	Orange	Hijau-biru	2,08-2,03
610-750	Merah	Biru-hijau	2,03-1,65

4. Prinsip Kerja PLTPV (Pembangkit Listrik Photovoltaik)

    PLTPv merupakan pembangkit listrik menggunakan sel surya (photovoltaic, PV) untuk merubah sinar matahari menjadi energi listrik.

• Panel surya mengubah sinar matahari menjadi listrik DC
• Solar charge controller (SCC) mengatur listrik DC untuk disimpan di baterai
• Baterai memiliki sejumlah kapasitas daya untuk menghidupkan beban listrik
• Inverter mengubah listrik DC menjadi AC
• Beban dapat berupa listrik DC ataupun listrik AC
• Sel Surya diproduksi dari bahan semikonduktor yaitu silikon yang berperan sebagai insulator pada temperatur rendah dan sebagai konduktor bila ada energi dan panas. Sebuah Silikon Sel Surya adalah sebuah diode yang terbentuk dari lapisan atas silikon tipe n (silicon doping of “phosphorous”), dan lapisan bawah silikon tipe p (silicon doping of “boron”)
• Elektron-elektron bebas terbentuk dari milion photon atau benturan atom pada lapisan penghubung (junction= 0.2-0.5 micron) menyebabkan terjadinya aliran listrik.

5.  Pengukuran Solar PV

Keterangan

Isc = short-circuit current

Vsc = open-circuit voltage 

Vm = voltage maximum power

Im = current maximum power 

Pm = Power maximum-output dari PV array (watt)

• Pada grafik I-V yang menggambarkan keadaan sebuah Sel Surya beroperasi secara normal. Sel Surya akan menghasilkan energi maximum jika nilai Vm dan Im juga maximum.;
• Sedangkan Isc adalah arus listrik maximum pada nilai volt = nol; Isc berbanding langsung dengan tersedianya sinar matahari.
• Voc adalah volt maximum pada nilai arus nol; Voc naik secara logaritma dengan peningkatan sinar matahari, karakter ini yang memungkinkan Sel Surya untuk mengisi accu.

Pengoperasian maximum Sel Surya sangat tergantung pada : 

1. ambient air temperature
2. radiasi solar matahari (insolation) 
3. kecepatan angin bertiup 
4. keadaan atmosfir bumi 
5. orientasi panel atau array PV 
6. posisi letak sel surya (array) terhadap matahari (tilt angle )

6.   Ambient Air Temperature and Insolation

Gambar effect of cell temperature on voltage Sumber: Steven J. Strong, The Solar Electric House. P.58

Gambar effect of insolation intensity on current (I) Sumber: Steven J. Strong, The Solar Electric House. P.58

• Sebuah Sel Surya dapat beroperasi secara maximum jika temperatur sel tetap normal (pada 250C), kenaikan temperatur lebih tinggi dari temperatur normal pada PV sel akan melemahkan voltage (Voc).
• Setiap kenaikan temperatur Sel Surya 10C (dari 250C) akan berkurang sekitar 0,4% pada total tenaga yang dihasilkan atau akan melemah 2x lipat untuk kenaikkan temperatur Sel per 100C.
• Radiasi matahari di bumi dan berbagai lokasi bervariasi dan sangat tergantung keadaan spektrum solar ke bumi. Insolation solar matahari akan banyak berpengaruh pada current (I) sedikit pada volt.
• Kecepatan tiup angin disekitar lokasi PV array dapat membantu mendinginkan permukaan temperatur kaca-kaca PV array.
• Keadaan atmosfir bumi berawan, mendung, jenis partikel debu udara, asap, uap air udara (Rh), kabut dan polusi sangat menentukan hasil maximum arus listrik dari deretan PV.