BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Sel Surya (Photovoltaic)
Sel surya merupakan suatu sel yang terbuat dari semikonduktor dan
berfungsi untuk mengkonversi cahaya matahari menjadi energi listrik.Konversi
energi listrik yang dihasilkan dari iradiansi cahaya pada suatu sel semikonduktor
diketahui sebagai efek photovoltaic.Photovoltaic adalah teknologi yang berfungsi
untuk mengubah ataumengkonversi radiasi matahari menjadi energi listrik secara
langsung.Photovoltaicbiasanya dikemas dalam sebuah unit yang disebut
modul.Dalam sebuah modulsurya terdiri dari banyak sel surya yang bisa disusun
secara seri maupun paralel.Sedangkan yang dimaksud dengan surya adalah sebuah
elemen semikonduktoryang dapat mengkonversi energi surya menjadi energi
listrik atas dasar efekphotovoltaic.Solar cell mulai popular akhir-akhir ini, selain
mulai menipisnyacadangan enegi fosil dan isu global warming.energi yang
dihasilkan juga sangatmurah karena sumber energi (matahari) bisa didapatkan
secara gratis[3].
Saat tengah hari yang cerah radiasi sinar matahari mampu mencapai 1000
watt permeter persegi. Jika sebuahpiranti semikonduktor seluas satu meter persegi
memiliki efisiensi 10%, maka modul sel surya ini mampumemberikan tenaga
listrik sebesar 100 watt. Modul sel surya komersial memiliki efisiensi berkisar
antara 5% hingga15% tergantung material penyusunnya. Tipe silikon kristal
merupakan jenis piranti sel surya yang memiliki efisiensitinggi meskipun biaya
pembuatannya relatif lebih mahal dibandingkan jenis sel surya lainnya. Masalah
alternatif adalah efisiensi piranti sel surya dan hargapembuatannya.Efisiensi
didefinisikan sebagai perbandingan antara tenaga listrik yang dihasilkan oleh
piranti selsurya dibandingkan dengan jumlah energi cahaya yang diterima dari
pancaran sinar matahari.Photovoltaic sebenarnya tergantung pada efisiensi
konversi energi dan konsentrasi sinar matahari yangditerima sel tersebut
Konversi energi dari cahaya matahari menjadi energi listrik dilakukan oleh
komponen yang disebut sel photovoltaic (sel PV).Sel PV pada dasarnya
semikonduktor dioda yang memiliki sambungan P-N.Dalam semikonduktor ini
terbentuk tiga daerah berbeda, yaitu daerah tipe P, N dan pengosongan (deplesi).
Pada daerah tipe P mayoritas pembawa muatannya adalah hole, sedangkan pada
daerah tipe N mayoritas pembawa muatan adalah elektron. Daerah deplesi
memiliki medan listrik internal dengan arah dari N ke P. Saat radiasi matahari
mengenai sel surya maka akan terbentuk elektron dan hole. Karena pengaruh
medan listrik internal pada daerah deplesi maka menyebabkan hole bergerak
menuju daerah P dan elektron bergerak menuju daerah N. Perpindahan hole dan
elektron ini menghasilkan arus yang disebut arus fotodifusi. Selain itu pada daerah
deplesi dapat pula terjadi pasangan hole dan elektron karena pengaruh medan
yang sama yang akan bergerak menuju ke arah mayoritasnya, sehingga
menghasilkan arus generasi[3].
Pada aplikasinya, tenaga listrik yang dihasilkan oleh satu modul sel surya
masih cukup kecil, maka dalam pemanfaatannya beberapa modul digabungkan
dengan cara hubungan seri maupun paralel yang disebut array. Bentuk array ini
yang banyak diaplikasikan untuk pembangkit listrik tenaga surya (PLTS). Hirarki
Gambar 2.1 Hirarki Modul Sel Surya (Sel-Modul-Panel-Array) 2.1.1. Prinsip Kerja Sel Surya
Sel surya atau photovoltaic (PV) itu konsepnya sederhana yaitu mengubah
cahaya matahari menjadi energi listrik.Cahaya matahari merupakan salah satu
bentuk energi dari sumber daya alam.Sumber daya alam matahari ini sudah
banyak digunakan untuk mensuplai daya listrik di satelit komunikasi melalui solar
cell.Solar cell ini dapat menghasilkan energi listrik dalam jumlah yang tidak
terbatas langsung diambil dari matahari, tanpa ada bagian yang berputar dan tidak
memerlukan bahan bakar.Sehingga sistem solar cell sering dikatakan bersih dan
ramah lingkungan.Panel solar cell merupakan modul yang terdiri beberapa solar
cell yang digabung dalam hubungkan seri dan paralel tergantung ukuran dan
kapasitas yang diperlukan.Yang sering digunakan adalah modul solar cell 20
watt.Modul solar cell itu menghasilkan energi listrik yang proporsional dengan
silikon yang sangat kecil dengan dilapisi bahan kimia khusus untuk membentuk
dasar dari solar cell. Solar cell pada umumnya memiliki ketebalan minimum 0,3
mm yang terbuat dari irisan bahan semikonduktor dengan kutub positif dan
negatif. Tiap solar cell biasanya menghasilkan tegangan 0,5 volt. Solar cell
merupakan elemen aktif (Semikonduktor) yang memanfaatkan efek photovoltaic
untuk merubah energi surya menjadi energi listrik.Berikut adalah diagram kerja
solar cell pada gambar 2.2[4].
Gambar 2.2 Prinsip Kerja Sel Surya
Sel surya dapat dianalogikan sebagai divais dengan dua terminal atau
sambungan, dimana saat kondisi gelap atau tidak cukup cahaya berfungsi seperti
dioda, dan saat disinari dengan cahaya matahari dapat menghasilkan tegangan.
Ketika disinari, umumnya satu sel surya komersial menghasilkan tegangan dc
sebesar 0,5 sampai 1 volt, dan arus short-circuit dalam skala milliampere per cm
2.Besar tegangan dan arus ini tidak cukup untuk berbagai aplikasi, sehingga
umumnya sejumlah sel surya disusun secara seri membentuk modul surya. Satu
modul surya biasanya terdiri dari 28-36 sel surya, dan total menghasilkan
Modul surya tersebut bisa digabungkan secara paralel atau seri untuk
memperbesar total tegangan dan arus outputnya sesuai dengan daya yang
dibutuhkan untuk aplikasi tertentu. Gambar dibawah menunjukan ilustrasi dari
modul surya[4].
Gambar 2.3Modul surya biasanya terdiri dari 28-36 sel surya yang dirangkai seri untuk memperbesar total daya output.
Pada solar cell terdapat sambungan (junction) antara dua lapisan tipis yang
terbuat dari bahan semikonduktor yang masing-masing diketahui sebagai
semikonduktor jenis “P” (positif) dan semikonduktor jenis “N” (negatif).
Semikonduktor jenis negatif dibuat dari kristal silikon dan terdapat juga sejumlah
material lain (umumnya posfor) dalam batasan bahwa material tersebut dapat
memberikan suatu kelebihan elektron bebas. Elektron adalah partikel sub atom
yang bermuatan negatif, sehingga silikon paduan dalam hal ini disebut sebagai
semikonduktor jenis-N (negatif). Semikonduktor jenis-P juga terbuat dari kristal
silikon yang didalamnya terdapat sejumlah kecil materi lain (umumnya boron)
yang mana menyebabkan material tersebut kekurangan satu elektron bebas.
atau kurangnya elektron yang bermuatan listrik negatif maka silikon paduan
dalam hal ini sebagai semikonduktor jenis-P (positif).
Gambar 2.4 P-N Junction Solar Sel
Sehingga pada bagian kiri terbentuk silikon yang tidak murni lagi dan
dinamakan silikon jenis P, sedangkan yang sebelah kanan dinamakan silikon jenis
N. Didalam silikon murni terdapat dua macam pembawa muatan listrik yang
seimbang. Pembawa muatan listrik yang positip dinamakan hole, sedangkan yang
negatif dinamakan elektron. Setelah dilakukan proses penodaan itu, didalam
sangat besar dibandingkan dengan elektronnya. Oleh karena itu didalam silikon
jenis P hole merupakan pembawa muatan mayoritas, sedangkan elektron
merupakan pembawa muatan minoritas. Sebaliknya, di dalam silikon jenis N
terbentuk elektron dalam jumlah yang sangat besar sehingga disebut pembawa
muatan mayoritas dan hole disebut pembawa muatan minoritas. Didalam batang
silikon itu terjadi pertemuan antara bagian P dan N. Oleh karena itu dinamakan
PN junction.Bila sekarang, bagian P dihubungkan dengan kutub positif dari
sebuah baterai, sedangkan kutub negatifnya dihubungkan dengan bagian N, maka
terjadi hubungan yang dinamakan “forward bias”. Tapi, bila bagian positif
dihubungkan dengan kutub negatif dari baterai dan bagian negatif dihubungkan
dengan kutub positifnya, maka sekarang terbentuk hubungan yang dinamakan
“reverse bias”. Dengan keadaan seperti ini, maka hole (pembawa muatan positif)
dapat tersambung langsung ke kutub positif, sedangkan elektron juga langsung ke
kutub positif. Jadi, jelas di dalam PN junction tidak ada gerakan pembawa muatan
mayoritas baik yang hole maupun yang elektron. Sedangkan pembawa muatan
minoritas (elektron) didalam bagian P bergerak berusaha untuk mencapai kutub
positif baterai. Demikian pula pembawa muatan minoritas (hole) di dalam bagian
N juga bergerak berusaha mencapai kutub negatif. Karena itu, dalam keadaan
reverse bias, di dalam PN junction ada juga arus yang timbul meskipun dalam
jumlah yang sangat kecil (mikro ampere). Arus ini sering disebut dengan reverse
2.1.2 Rangkaian Ekivalen Sel Surya
Rangkaian ekivalen sel surya terdiri dari sebuah photocurrent (Iph),
sebuah dioda, hambatan seri (Rs) dan hambatan paralel (Rsh), seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 2.5berikut[5].
Gambar 2.5Rangkaian Ekivalen PV (Sel Surya)
Dari rangkaian di atas, light generated current atau photocurrent (Iph)
adalah arus yang dihasilkan langsung akibat penyinaran sinar matahari pada sel
surya.Arus ini bervariasi secara linear dengan radiasi matahari dan tergantung
pada suhu yang diberikan. Hambatan RSH dan RS menunjukkan hambatan intrinsik
paralel dan seri dari sel. Biasanya nilai RSH lebih besar dibandingkan Rs.
Persamaan 2.1 menjelaskan prinsip sederhana dari rangkaian ekivalen sel surya di
atas. Besarnya arus sel surya (IPV) adalah pengurangan dari arus photovoltaic(IPH),
arus dioda (ID) dan arus hambatan paralel (IRSH), yang dirumuskan sebagai
berikut.:
��� = ���− ��− ���ℎ (2.1)
Persamaan di atas dapat dijabarkan dengan persamaan berikut :
IPH = Arus yang dibangkitkan oleh sel surya (Ampere)
Dalam persamaan diatas, besarnya hambatan paralel kita asumsikan sangat
besar, sehingga persamaan untuk model arus ouput sel surya adalah [4]:
��� =��� − ������
(���+��� ��)
��� �−1� (2.3)
Dari persamaan 2.3 di atas masih terdapat beberapa parameter yang belum
diketahui.Parameter tersebut adalah arus photovoltaic (IPH), arus saturasi sel surya
(ID), hambatan seri (RS).Berikut ini adalah persamaan untuk mencari arus Iph dan
arus Is untuk memodelkan sel surya, yaitu:
• Arus saturasi reverse sel surya, IRS:
VOCR = Tegangan hubung singkat pada standard conditions
• Arus saturasi/dioda sel surya, IS:
�� =���∗ ���
Untuk parameter hambatan seri (Rs) dan ideal faktor (n), terdapat tiga
metode dalam menentukan parameter tersebut. Pertama adalah metode simplified
explicit yang merupakan metode yang disederhanakan secara eksplisit berdasarkan
pada beberapa penyederhanaan rumusan awal. Kedua adalah metode lereng
(slope) yang didasarkan pada algoritma pada perhitungan geometri.Dan ketiga
adalah metode iteratif yang sebagian didasarkan dari algoritma pada resolusi
numerik. Dalam penelitian ini, digunakan metode simplified explicit untuk
menentukan parameter Rs dan n, sebagai berikut :
Im = Arus maksimum sel surya
Vm = Tegangan maksimum sel surya
Tetapi pada tugas akhir ini penulis menggunakan photovoltaic BPSX-60w
dimana factor ideal pv itu sudah tercantum pada datasheetyaitu bernilai 2 dan
nilai RS yang bernilai 0.0045Ω. Dalam keadaan cuaca cerah, sebuah sel surya
akan menghasilkan tegangan konstan 0.5 V sampai 0.7 V (tegangan sebuah diode)
sengan arus sekitar 20mA dan jumlah energi yang diterma akan mencapai optimal
jika posisi sel surya tegak lurus terhadap sinar matahari selain itu juga tergantung
dari konstruksi sel surya itu sendiri. Ini berarti bahwa sebuah sel surya dapat
menghasilkan daya 0.6V × 20mA = 12 mW.
2.1.3. Kurva Karakteristik Sel Surya
Sel surya memiliki kurva karakteristik yang menunjukkan hubungan antara
arus dengan tegangan keluaran (kurva I-V) dan daya dengan tegangan keluaran sel
surya (kurva P-V). Kurva ini ditunjukan pada Gambar 2.6berikut[6]:
Pada saat keluaran sel surya tidak terhubung dengan beban (open cicuit)
maka tidak ada arus yang mengalir dan tegangan pada sel berada pada nilai
maksimum, disebut tegangan open circuit (Voc). Pada keadaan lain, saat keluaran
sel surya dihubung singkatkan (short cicuit) maka arus bernilai maksimum, yang
disebut arus short circuit (Isc). Selain itu terdapat nilai daya maksimum (Pmp)
yang dapat dihasilkan pada saat tegangan maksimum (Vmp) dan arus maksimum
(Imp).Titik dimana nilai arus dan tegangan pada titik yang menghasilkan daya
terbesar disebut dengan Maximum Power Point (MPP).
Tegangan Open Circuit (Voc) adalah tegangan yang dibaca pada saat arus
tidak mengalir atau bisa disebut juga arus sama dengan nol. Cara untuk mencapai
open circuit (Voc) yaitu dengan menghubungkan kutub positif dan kutub negative
modul surya dengan voltmeter, sehingga akan terlihat nilai tegangan open circuit
sel surya pada voltmeter[7].
Arus Short Circuit (Isc) adalah arus maksimal yang dihasilkan oleh modul
sel surya dengan cara menge-short-kan kutub positif dengan kutub negatif pada
modul surya. Dan nilai Isc akan terbaca pada amperemeter. Arus yang dihasilkan
modul surya dapat menentukan seberapa cepat modul tersebut mengisi sebuah
baterai.Selain itu, arus dari modul surya juga menentukan daya maksimum dari
alat yang digunakan.
Perubahan irradiance, suhu dan susunan sel surya (disusun secara seri atau
paralel) dalam modul berpengaruh terhadap parameter utama sel surya yaitu arus,
tegangan dan daya keluaran dari sel surya.Karakteristik kurva hubungan antara
arus dan tegangan (kurva I-V)serta daya dan tegangan (kurva P-V) dianalisa
modul.Pengaruh perubahan irradiance, suhu dan susunan sel surya terhadap
keluaran dari sel surya adalah sebagai berikut[8]:
a. Efek Variasi Irradiance terhadap Arus, Tegangan dan Daya
Irradiance sangat mempengaruhi besar kecilnya arus yang dihasilkan.Hal
ini berdasarkan persamaan 2.4, terlihat bahwa irradiance sel surya berbanding
lurus dengan arus yang dihasilkan.Artinya semakin berkurang irradiance yang
mengenai sel surya maka semakin berkurang arus yang dihasilkan oleh sel surya.
Gambar 2.7 di bawah menunjukkan bahwa arus short circuit mengalami
penurunan ketika irradiance yang diterima oleh selsurya berkurang. Hal ini
karena saat irradiance yang berkurang menyebabkan elektron-elektron yang
terlepas semakin sedikit sehingga arus listrik yang dihasilkan menurun.Irradiance
juga berpengaruh terhadap perubahan tegangan open circuit. Tegangan open
circuit semakin berkurang ketika irradiance dikurangi, namun perubahan yang
dihasilkan tidak signifikan atau perubahannya sangat kecil. Karena irradiance
yang mengenai sel surya mempengaruhi keluaran dari sel surya maka daya yang
dihasilkan pun terpengaruh. Daya merupakan perkalian antara arus dan tegangan,
sehingga nilai daya yang dihasilkan sel surya akan menurun saat irradiance yang
Gambar 2.7Kurva Karakteristik Akibat Variasi Irradiance Matahari
b. Efek Variasi Suhu terhadap Arus, Tegangan dan Daya
Selain jumlah irradiance yang mempengaruhi keluaran dari sel surya, suhu
juga sangat berpengaruh, yaitu semakin besar suhu maka nilai tegangan open circuit
akan semakin kecil. Hal ini disebabkan penurunan energi gap ketika suhu meningkat.
Hal ini juga diungkapkan oleh Hans Joachim Moller (1993) dengan menggunakan
persamaan berikut:
��� =�1[�� +��ln����� ] (2.9)
Dari hubungan persamaan 2.9 terlihat bahwa tegangan open cicuit berbanding
lurus dengan energi gap dari semikonduktor penyusun sel surya.Sehingga semakin
menurun energi gap maka semakinmenurun tegangan Voc. Gambar 2.8 berikut adalah
Gambar 2.8 Kurva Karakteristik Sel Surya Akibat Variasi Suhu
c. Karakteristik Pembebanan pada Sel Surya
Sel surya memiliki karakteristik pada saat pembebanan yang dipengaruhi oleh
besarnya resistansi. Karakteristik tersebut ditunjukkan pada Gambar 2.9 berikut :
Gambar 2.9 Kurva Karakteristik Pembebanan Sel Surya
Gambar 2.9 di atas menunjukkan bahwa untuk pembebanan dengan nilai
beroperasi sebagai sumber arus yang konstan atau arus short circuit. Pada sisi lain,
jika nilai resistansi besar maka sel surya beroperasi pada daerah kurva PS, dimana sel
beroperasi sebagai sumber tegangan yang konstan atau tegangan open circuit. Jika
diberikan dengan hambatan optimal ROPT, maka sel surya menghasilkan daya
maksimal dengan tegangan dan arus maksimal yaitu pada titik A.
2.1.4 Faktor Pengoperasian Solar Sel
Pengoperasian maximum Sel Surya sangat tergantung pada[9]:
a. Temperatur
Sebuah Sel Surya dapat beroperasi secara maximum jika temperatur sel
tetap pada keadaan normal (pada 25o C), kenaikan temperature yang lebih
tinggi dari temperature normal pada PV sel akan melemahkan Voc. Setiap
kenaikan temperatur Sel Surya 1o C (dari 25o C) akan mengurangi sekitar
0.4 % total tenaga yang dihasilkan atau akan melemah 2x lipat untuk
kenaikkan temperatur sel per 10oC.
b. Radiasi solar matahari (Irradiance)
Radiasi solar matahari di bumi dan berbagai lokasi bervariasi, dan sangat
tergantung keadaan spektrum solar ke bumi. Insolation solar matahari akan
banyak berpengaruh pada arus (I) dan sedikit pada tegangan.
c. Kecepatan angin bertiup
Kecepatan tiup angin disekitar lokasi PV array dapat membantu
d. Keadaan atmosfir bumi
Keadaan atmosfir bumi seperti berawan, mendung, jenis partikel debu
udara, asap, kabut dan polusi sangat menentukan hasil maximum arus
listrik dari PV.
e. Posisi letak sel surya terhadap sudut orientasi matahari
Mempertahankan sinar matahari yang jatuh ke sebuah permukaan panel
PV secara tegak lurus akan mendapatkan energi maximum 1000 W/m2
atau 1 kW/m2. Kalau sinar matahari dengan bidang PV tidak tegak lurus,
maka extra luasan bidang panel PV dibutuhkan (bidang panel PV terhadap
sun latitude yang berubah setiap jam dalam sehari). Solar Panel PV pada
Equator (latitude 0o) yang diletakkan mendatar akan menghasilkan energi
maximum, sedangkan untuk lokasi dengan latitude berbeda harus
dicarikan tilt angle yang optimum (maksimal).
2.2. PV Terubung Seri dan Paralel
Sebuah array PV adalah sekelompok modul yang elektrik terhubung baik
secara seri atau paralel. Karakteristik listrik dari array yang analog dengan modul
individu dengan daya, arus, dan tegangan dimodifikasi sesuai dengan jumlah
modul yang dihubungkan secara seri atau parallel[10]
Sebuah sel surya memiliki keterbatasan dalam menyuplai daya, sehingga
dalam aplikasi, sel surya jarang digunakan secara individual. Pada umumnya,
sel-sel yang identik dihubungkan secara seri dalam membuat sebuah modul agar
tegangan yang dihasilkan sel surya lebih besar dengan tegangan total sebesar Voc1
bila dua modul surya dirangkai secara paralel, besarnya tegangan yang dihasilkan
adalah tetap dengan arus total sebesar I1 + I2 berdasarkan hukum Kirchoff.
2.2.1. PV Terhubung Seri
Modul PV dihubungkan secara seri untuk mendapatkan tegangan output
yang lebih tinggi. Atau dengan kata lain disebut peningkatan tegangan. Tegangan
output (Vo) modul dihubungkan secara seri akan terjadi penjumlahan tegangan
yang dihasilkan oleh masing-masing modul:
�� = �1+�2+�3+�4+……. (2.10)
Cara mudah untuk memahami konsep sistem terhubung seri adalah melalui
analogi antara sistem hidrolik dan sistem listrik yang ditunjukkan pada Gambar
2.10.Dapat diamati dalam sistem hidrolik (sisi kiri), air yang jatuh dari empat kali
tinggi 12m menghasilkan empat kali tekanan air yang jatuh dari tingkat
pertama.Hal ini diumpamakan dengan 48 V bahwa sistem listrik (sisi kanan)
mencapai setelah melewati arus 2 A melalui empat modul dihubungkan secara
seri.
Penyusunan seri akan meningkatkan tegangan tetapi arus konstan.
Tegangan total yang dihasilkan adalah penjumlahan dari tegangan yang dihasilkan
oleh modul (VOC1+VOC2), hal ini sesuai dengan hukum Kirchoff. Gambar 2.11
berikut menunjukkan kurva karakteristik akibat pemasangan modul secara seri.
Gambar 2.11 Kurva Karakteristik Pemasangan PV secara seri 2.2.2. PV Terhubung Paralel
Modul PV yang terhubung secara paralel untuk mendapatkan arus yang
lebih besar. Tegangan dari modul paralel terhubung adalah sama dengan tegangan
dari modul tunggal, tetapi arus keluaran Io adalah jumlah arus dari masing-masing
unit dihubungkan secara paralel:
�� = �1+�2+�3+ I4+……. (2.11)
Dengan cara yang mirip dengan sistem yang dihubungkan secara seri,
sistem terhubung secara paralel juga dapat dibandingkan dengan sistem hidrolik,
seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.12. Dalam sistem hidrolik (teratas), air
yang jatuh dari ketinggian yang sama memberikan tekanan yang sama karena
masing-masing pompa individu, tetapi aliran ini sama dengan aliran total dari
semua pompa. Dalam sistem listrik, maka tegangan tetap konstan dan arus
Gambar 2.12 Analogi hidrolik dari sambungan listrik paralel.
Susunan paralel sel surya dalam modul menunjukkan bahwa akan
meningkatkan arus tetapi tegangan konstan seperti yang ditunjukkan pada Gambar
2.13. Arus total yang dihasilkan adalah penjumlahan dari arus yang dihasilkan
modul (I1+I2), hal ini sesuai dengan hukum Kircoff.
