1
PHYSICAL ASPECTS OF SOLAR CELL EFFICIENCY
“SELF-SHADING”
Anisa Wiranda1)
Faculty of Mathematics and Science, State University of Padang, Padang
A. PENDAHULUAN
Energi merupakan aspek kehidupan yang kini menjadi sorotan manusia di seluruh dunia. Secara garis besar energi dibagi menjadi dua macam, yaitu energi yang dapat diperbaharui dan energi yang tidak dapat diperbaharui. Sumber energi yang tidak dapat diperbaharui antara lain berasal dari fosil dan nuklir, sedangkan sumber energi yang dapat diperbaharui antara lain berasal dari panas bumi, gelombang laut, air terjun, angin, energi matahari, dan sebagainya.
Sumber energi yang tidak dapat diperbaharui, khususnya sumber energi yang berasal dari fosil, lambat laun akan ditinggalkan karena semakin lama harga sumber energi tersebut semakin mahal dikarenakan sumber energi ini semakin berkurang jumlahnya. Dampak penggunaan energi yang berasal dari fosil ini terhadap polusi udara juga mendorong orang untuk beralih dari penggunaan batubara menjadi menggunakan minyak bumi, kemudian karena minyak bumi dirasa masih menimbulkan polusi udara, maka pada awal 1950-an or1950-ang mulai untuk mem1950-anfaatk1950-an gas alam sebagai sumber energi y1950-ang berasal dari fosil. Sedangkan sumber energi yang berasal dari nuklir masih harus ditinjau lebih jauh lagi tentang dampak dari limbah radioaktifnya. Baik itu tempat pembuangannya yang harus aman untuk jangka waktu tidak ditentukan maupun kemasan untuk membuang limbah radioaktif ini harus benar-benar aman.
Sumber energi yang dapat diperbaharui berasal dari energi-energi alam yang jumlahnya bisa dikatakan tidak dapat habis karena selalu terjadi, atau bisa juga berasal dari sumber daya alam yang dapat diperbaharui contohnya saja dari tumbuh-tumbuhan yang diolah menjadi bahan bakar. Salah satu sumber energi terbaharukan yang belum dimanfaatkan dengan optimal adalah cahaya matahari. Hal ini tentu saja merupakan sebuah anugerah karena sinar matahari ini dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi alternatif dan sumber energi ini bisa dikatakan tidak akan pernah habis, tidak bersifat polusif dan gratis.
Energi matahari ini dalam penggunaannya dapat dimanfaatkan sebagai energi untuk memanaskan (solar thermal) atau sebagai energi listrik (photovoltaic). Pemakaian energi matahari sebagai photovoltaic dalam kerekayasaan sebagai sumber pembangkit energi listrik bisa dikatakan tidak menghasilkan polusi, baik polusi udara maupun polusi terhadap lingkungan sekitar. Bahan dasar dari photovoltaic adalah solar cell atau sel surya. (1)
2 Pembangkit listrik tenaga surya merupakan salah satu pembangkit tenaga listrik alternatif yang banyak dikembangkan. Sel surya (solar cell) sebagai jenis pembangkit listrik terbaharukan di masa datang akan semakin memiliki peranan penting sebagai pengganti energi fosil atau energi tak terbaharukan. Dalam aplikasinya secara konvensional panel surya memiliki banyak kekurangan terutama pada sisi efisiensi keluaran yang terbilang rendah. Hal tersebut dikarenakan perbedaan karakteristik antara panel surya dengan beban. Ada beberapa faktor yang mempengaruhi daya listrik yang dihasilkan oleh sel surya, seperti besarnya tingkat intensitas cahaya matahari, bahan pembuat solar cell, resistansi beban, bayangan atau shading, dan suhu kerja dari sel surya. Faktor ini penting untuk diperhatikan, sehingga efisiensi kinerja solar panel dapat dimaksimalkan. (2)
Pada paper ini, penulis membahas salah satu faktor yang mempengaruhi daya listrik yang dihasilkan oleh sel surya (solar cell).
B. TINJAUAN PUSTAKA
Sel Surya (Solar Cell)
Panel surya adalah alat yang terdiri dari sel surya yang mengubah cahaya menjadi listrik. Mereka disebut surya atas matahari atau "sol" karena matahari merupakan sumber cahaya terkuat yang dapat dimanfaatkan. Panel surya sering kali disebut sel photovoltaic, photovoltaic dapat diartikan sebagai "cahaya-listrik". Sel surya atau sel PV bergantung pada efek photovoltaic untuk menyerap energi matahari dan menyebabkan arus mengalir antara dua lapisan bermuatan yang berlawanan. (2)
Proses pengubahan energi matahari menjadi energi listrik ditunjukkan dalam gambar 1.
Gambar 1. Proses pengubahan energi matahari menjadi energi listrik pada sel surya (3)
Perkembangan pembuatan solar cell atau sel surya mengalami kemajuan dari berbagai jaman dan dipengaruhi oleh bahan-bahan pembuatan cell-cell tersebut. (3)
3 Bahan pembuat solar panel
Solar panel terdiri dari sel surya yang dirangkai dalam bentuk seri dan paralel. Setiap panel surya memiliki rangkaian sel berbeda-beda, dari 36 hingga 72 dan lebih. Bahan pembuat sel surya pun bermacam-macam, seperti:
1. Crystalline Si Cells
Sebagai generasi pertama, sel surya ini menggunakan material crystalline silicon (C-Si) sebagian bahan dasar dan merupakan jenis panel yang paling banyak digunakan. Variasi crystalline yang sering dijumpai adalah Monocrystalline, Polycrystalline/Multicrystalline, Ribbon silicon, dan Mono-like-multi silicon (MLM).
2. Thin Film
Sel surya ini merupakan generasi kedua dan menggunakan material yang berbeda dengan crystalline. Thin film dapat membuat panel lebih ringan dan lebih baik dalam menangkap cahaya, namun efisiensi konversi energinya masih lebih kecil dibanding crystalline. Walaupun seiring dengan perkembangan teknologi, sel jenis ini telah mampu mencapai efisiensi hingga 28,8%. Beberapa jenis sel Thin Film yang diproduksi di dunia adalah Cadmium telluride (CdTe), Copper indium gallium selenide (CIGS), Amorphous silicon (a-Si), Tandem-cell using a-Si/μc-Si, Tandem-cell using a-Si/pc-Si, Polycrystalline silicon on glass, dan Gallium arsenide (GaAs).
3. Multijunction cells
Sel surya ini menggunakan thin film sebagai material utama, yang dibentuk dalam beberapa (multiple) layer dan digabungkan menjadi satu. Sel jenis ini lebih banyak digunakan untuk aplikasi khusus, seperti satelit atau alat eksplorasi ruang angkasa. (4)
Solar cell merupakan teknologi pengkonversi energi matahari menjadi energi listrik. Solar cell terbuat dari bahan semikonduktor dengan lebar celah energi relatif kecil (±1eV). (5)
Semikonduktor adalah bahan yang memiliki struktur seperti isolator akan tetapi memiliki celah energi kecil (1 elektron volt, eV atau kurang) sehingga memungkinkan elektron bisa melompat dari pita valensi ke pita konduksi. Hal tersebut dapat dijelaskan dengan pita-pita energi seperti gambar 2. Elektron dari pita konduksi dapat meloncat ke pita valensi ketika sambungan tersebut dikenai foton dengan energi tertentu. (3)
4 Gambar 2. Struktur pita sebuah semikonduktor (3)
Cara kerja sel surya
Cara kerja sel surya adalah dengan memanfaatkan teori cahaya sebagai partikel. Sebagaimana diketahui bahwa cahaya baik yang tampak maupun yang tidak tampak memiliki dua buah sifat yaitu dapat sebagai gelombang dan dapat sebagai partikel yang disebut dengan foton. Penemuan ini pertama kali diungkapkan oleh Einstein pada tahun 1905. Energi yang dipancarkan oleh sebuah cahaya dengan panjang gelombang dan frekuensi foton dirumuskan dengan persamaan
Dengan h adalah konstanta Plancks (6.62 x 10-34 J.s) adalah kecepatan cahaya dalam vakum (3.00 x 108 m/s). Persamaan di atas juga menunjukkan bahwa foton dapat dilihat sebagai sebuah partikel energi atau sebagai gelombang dengan panjang gelombang dan frekuensi tertentu. Dengan menggunakan sebuah semikonduktor yang memiliki permukaan yang luas dan terdiri dari rangkaian dioda tipe p dan n, cahaya yang datang akan mampu dirubah menjadi energi listrik. (1)
Pada prinsipnya, sel surya adalah identik dengan piranti semikonduktor dioda. Ketika cahaya matahari bersentuhan dengan solar cell dan diserap oleh bahan semikonduktor bertipe p dan n (p-n junction semiconductor), sehingga terjadi pelepasan elektron. Apabila elektron tersebut dapat menempuh perjalanan menuju bahan semikonduktor pada lapisan yang berbeda maka akan terjadi perubahan sigma gaya-gaya pada bahan. Gaya tolakan antar bahan semikonduktor akan menyebabkan aliran medan listrik. (3)
Hanya saja dewasa ini strukturnya menjadi sedikit lebih rumit karena perancangannya yang lebih cermat untuk meningkatkan efisiennya. Untuk penggunaan secara luas dalam bentuk arus bolak-balik, masih diperlukan peralatan tambahan seperti inventer, baterai penyimpanan dan lain-lain. Kemajuan dari penelitian akan material semikonduktor sebagai bahan inti sel surya, telah menjadi faktor kunci bagi pengembangan teknologi ini. (1)
5 Sel surya bekerja dalam tiga langkah
1. Foton dalam sinar matahari memukul panel surya dan diserap oleh bahan semikonduktor, seperti silikon.
2. Elektron (bermuatan negatif) yang mengetuk lepas dari atom-atom mereka, menyebabkan perbedaan potensial listrik. Mulai saat ini mengalir melalui materi untuk membatalkan potensi dan listrik ini ditangkap. Karena komposisi khusus dari sel surya, elektron hanya diperbolehkan untuk bergerak dalam satu arah.
3. Sebuah array sel surya mengubah energi matahari menjadi jumlah yang dapat digunakan langsung saat listrik (DC).
Karakteristik sel surya
1. Panel surya memerlukan sinar matahari. Tempatkan panel sel surya pada posisi dimana tidak terhalangi oleh objek sepanjang pagi sampai sore.
2. Panel surya - solar cells menghasilkan listrik arus searah DC.
3. Untuk efisiensi yang lebih tinggi, gunakan lampu DC seperti lampu LED.
4. Instalasi kabel baru khusus untuk arus searah DC untuk perangkat berikut ini misalnya: lampu penerangan berbasis LED (Light Emiting Diode), kamera CCTV, wifi (wireless fideliity), dll. (1)
Dalam pengukuran sebuah komponen sel maupun modul surya, karakterisrik yang diperlukan adalah Kurva I-V atau hubungan arus dan tegangan, seperti yang diperlihatkan dalam gambar 3.
6 Parameter-parameter dari kurva tersebut adalah
1. Arus hubung singkat (ISC) dapat dilihat dalam kurva dan sekaligus
tegangan hubung terbuka (VOC). Arus hubung singkat dilihat pada saat
tegangan V=0 dan Tegangan hubung terbuka dilihat pada saat arus sama dengan nol (I=0).
2. Daya keluaran maksimum diperoleh dari hasil kali tegangan dan arus yang dihasilkan pada titik maksimum, seperti telihat pada kurva I‐V di atas.
3. Efisiensi (η) merupakan ratio dari daya keluaran maksimum (Pmax)
terhadap daya masukan cahaya (Pin)
4. Fill Factor adalah ratio daya keluaran maksimum (Pmax) terhadap
produk arus hubung singkat (ISC) dengan tegangan hubung terbuka
(VOC).
Fill factor ini untuk melihat penyimpangan yang terjadi dari karakteristik I‐V sebuah sel terhadap sel yang ideal. Penyimpangan yang terjadi ini diakibatkan pengaruh resistansi seri dan resistansi paralel. (7)
Intensitas Radiasi Matahari
Intensitas radiasi matahari merupakan banyaknya energi yang diterima bumi per satuan luas per satuan waktu (Wh/m2) yang nilainya berubah-ubah tergantung pada beberapa faktor, seperti letak astronomis suatu tempat terutama garis lintang lokasi, gerak semu harian, tahunan matahari, dan keadaan atmosfir bumi. Gerak semu harian matahari mempengaruhi pergantian siang dan malam sehingga mempengaruhi besar intensitas radiasi matahari yang dapat diterima oleh bumi setiap jamnya sedangkan gerak semu tahunan matahari mempengaruhi pergantian musim yang terjadi pada belahan bumi di dunia setiap tahun sehingga mempengaruhi besar intensitas radiasi matahari yang dapat diterima oleh bumi setiap bulan. Gerak semu tahunan matahari dapat dilihat pada gambar 4 berikut.
7 Gambar 4. Gerak semu tahunan matahari (5)
Radiasi matahari yang dapat diterima oleh panel surya dibagi menjadi 3 jenis, yaitu :
a. Radiasi langsung (direct radiation atau beam radiation) yaitu intensitas radiasi matahari yang langsung diterima di permukaan bumi.
b. Radiasi tersebar (diffuse radiation) yaitu radiasi matahari yang diterima di permukaan bumi karena pantulan awan dan partikel di atmosfer bumi.
c. Radiasi pantulan yaitu radiasi yang dipantulkan oleh permukaan yang berdekatan, besarnya dipengaruhi oleh reflektansi permukaan yang berdekatan. (5)
Apabila jumlah energi cahaya matahari yang diterima sel surya berkurang atau intensitas cahayanya melemah maka besar tegangan dan arus listrik yang dihasilkan juga akan menurun. Penurunan tegangan relatif lebih kecil dibandingkan penurunan arus listriknya.
Intensitas cahaya merupakan pancaran energi yang berasal dari proses thermonuklir yang terjadi di matahari, atau dapat dikatakan sumber utama untuk proses-proses fisika atmosfer yang menentukan keadaan cuaca dan iklim di atmosfer bumi. Radiasi surya memegang peranan penting dari berbagai sumber energi lain yang dimanfaatkan manusia. (3)
Self-Shading
Self-shading, seperti refleksi merupakan salah satu mekanisme kerugian yang lebih jelas dalam sel. Hal ini mengacu pada kerugian yang ditimbulkan oleh jaringan listrik di atas sel, yang memantulkan cahaya lain yang masuk ke dalam sel. Karena perlawanan maksimal untuk pergerakan
8 lateral di lapisan atas permukaan sel, harus ada banyak poin penghapusan biaya untuk meminimalkan efek resistif. Sehingga kontak listrik tidak ditempatkan jauh dari pembawa muatan. Hasilnya adalah sebua grid seperti jari geometri yang sempit pada bahan konduktif yang tersebar di permukaan depan sel. Sebagian kerugian shading yang khas adalah 8%, tetapi beberapa sel memiliki kerugian setinggi 20% dan lain-lain serendah 3% (dan kurang). Shading adalah dimana salah satu atau lebih sel silikon dari solar panel tertutup dari sinar matahari. Shading akan mengurangi pengeluaran daya dari solar cell panel. Beberapa jenis solar cell panel sangat terpengaruh oleh shading dibandingkan yang lain. Tabel di bawah ini menunjukkan efek yang sangat ekstrim pengaruh shading pada satu sel dari modul single crystalline yang tidak memiliki internal bypass diodes. Untuk mengatasi hal tersebut solar cell panel dipasang bypass diode, bypass diode untuk arus mengalir ke satu arah, mencegah arus ke silikon yang kena bayangan. (3)
Persentase dari bayangan pada satu sel
Persentase dari loss solar panel module 0% 0% 25% 55% 50% 50% 75% 66% 100% 75%
3 sel terkena bayangan 93
Tabel 1. Persentase shading mengenai permukaan panel surya (3)
Hal yang harus diperhatikan dalam pemasangan adalah solar cell panel tidak terhalang/ shading.
Keluaran listrik yang dibangkitkan sel surya juga bergantung pada efek bayangan atau shading effect, yaitu kemungkinan terhalanginya modul
9 surya akibat bayangan suatu benda yang mengakibatkan berkurangnya sinar matahari yang dapat diterima oleh modul.
Gambar 5. Karakteristik Arus-Tegangan akibat shading effect (6) Masalah yang umum timbul akibat efek bayangan antara lain
Berkurangnya luasan daya dari keluaran daya nominal, karena isolasi berkurang sehingga photo-current dari matahari pun berkurang. Arus tiap sel menurun, karena sel disusun secara seri.
Stress akibat panas yang tidak merata pada permukaan modul akan meningkatkan suhu pada sel secara dramatis, sehingga timbul overheating pada sel-sel tertentu. (6)
Perhatikan posisi peletakan solar panel. Lokasi terbaik adalah lokasi yang tidak memiliki objek penghalang yang dapat menghasilkan bayangan pada solar panel terpasang. Terutama untuk penggunaan panel tipe polycristalline, bayangan dapat mempengaruhi produksi daya keseluruhan yang dihasilkan solar panel.
Untuk kinerja solar panel terbaik, pastikan sudut terjauh dari objek disekitar lokasi pemasangan solar panel, tidak jatuh pada solar panel. Pastikan jika ada tanaman, baik yang masih kecil ataupun yang sudah tinggi, pergerakan bayangannya tidak menutupi solar panel. Pangkas dan rapikan tanaman tersebut, jika sampai bayangannya menutupi solar panel. (4)
10 Contoh pemasangan sel surya yang terhalang oleh bayangan/shading:
11 Contoh pemasangan sel surya tanpa terhalang oleh bayangan/shading:
12 Instalasi Sel Surya (Solar Cell)
Untuk instalasi listrik tenaga surya sebagai pembangkit listrik, diperlukan komponen sebagai berikut:
1. Panel surya/ solar cells/ solar panel 2. Charge controller
3. Inverter 4. Battery
13 a. Panel surya/ solar cells/ solar panel
Panel surya menghasilkan energi listrik tanpa biaya, dengan menkonversikan tenaga matahari menjadi listrik. Sel silikon (disebut juga solar cells) yang disinari matahari/ surya, membuat foton yang menghasilkan arus listrik. Sebuah solar cells menghasilkan kurang lebih tegangan 0.5 Volt. Jadi, sebuah panel surya 12 Volt terdiri dari kurang lebih 36 sel (untuk menghasilkan 17 Volt tegangan maksimum).
b. Charge controller
Digunakan untuk mengatur pengaturan pengisian baterai. Tegangan maksimum yang dihasilkan panel surya pada hari yang terik akan menghasilkan tegangan tinggi yang dapat merusak baterai.
c. Inverter
Adalah perangkat elektrik yang mengkonversikan tegangan searah (DC-direct current) menjadi tegangan bolak balik (AC-alternating current). d. Baterai
Adalah perangkat kimia untuk menyimpan tenaga listrik dari tenaga surya. Tanpa baterai, energi surya hanya dapat digunakan pada saat ada sinar matahari. (1)
14
C. KESIMPULAN
Solar cell merupakan teknologi pengkonversi energi matahari menjadi energi listrik. Solar cell terbuat dari bahan semikonduktor dengan lebar celah energi relatif kecil (±1eV).
Solar panel terdiri dari sel surya yang dirangkai dalam bentuk seri dan paralel. Setiap panel surya memiliki rangkaian sel berbeda-beda, dari 36 hingga 72 dan lebih. Bahan pembuat sel surya pun bermacam-macam, seperti:
1. Crystalline Si Cells
Variasi crystalline yang sering dijumpai adalah Monocrystalline, Polycrystalline/Multicrystalline, Ribbon silicon, dan Mono-like-multi silicon (MLM).
2. Thin Film
Beberapa jenis sel Thin Film yang diproduksi di dunia adalah Cadmium telluride (CdTe), Copper indium gallium selenide (CIGS), Amorphous silicon (a-Si), Tandem-cell using a-Si/μc-Si, Tandem-cell using a-Si/pc-Si, Polycrystalline silicon on glass, dan Gallium arsenide (GaAs).
3. Multijunction cells
Sel jenis ini lebih banyak digunakan untuk aplikasi khusus, seperti satelit atau alat eksplorasi ruang angkasa.
Karakteristik sel surya
1. Panel surya memerlukan sinar matahari. Tempatkan panel sel surya pada posisi dimana tidak terhalangi oleh objek sepanjang pagi sampai sore. 2. Panel surya - solar cells menghasilkan listrik arus searah DC.
3. Untuk efisiensi yang lebih tinggi, gunakan lampu DC seperti lampu LED. 4. Instalasi kabel baru khusus untuk arus searah DC untuk perangkat berikut
ini misalnya: lampu penerangan berbasis LED (Light Emiting Diode), kamera CCTV, wifi (wireless fideliity), dll.
Intensitas radiasi matahari merupakan banyaknya energi yang diterima bumi per satuan luas per satuan waktu (Wh/m2) yang nilainya berubah-ubah tergantung pada beberapa faktor, seperti letak astronomis suatu tempat terutama garis lintang lokasi, gerak semu harian, tahunan matahari, dan keadaan atmosfir bumi.
Shading adalah dimana salah satu atau lebih sel silikon dari solar panel tertutup dari sinar matahari. Shading akan mengurangi pengeluaran daya dari solar cell panel.
Keluaran listrik yang dibangkitkan sel surya juga bergantung pada efek bayangan atau shading effect, yaitu kemungkinan terhalanginya modul surya akibat bayangan suatu benda yang mengakibatkan berkurangnya sinar matahari yang dapat diterima oleh modul. Perhatikan posisi peletakan solar panel.
15 Lokasi terbaik adalah lokasi yang tidak memiliki objek penghalang yang dapat menghasilkan bayangan pada solar panel terpasang.
D. UCAPAN TERIMA KASIH
Terima kasih penulis sampaikan kepada Allah SWT. Selain itu penulis ingin menyampaikan terima kasih kepada pembimbing mata kuliah kimia fisika III Rahadian Z, M.Si, Ph.D yang telah memberikan bimbingan dan arahan. Serta kedua orang tua penulis yang telah memberikan semangat serta dorongan kepada penulis dalam penyelesaian paper ini.
E. REFERENSI
1. Limbong, Jonathan Martin. https://www.scribd.com/doc/90973165/Panel-Surya-Jonathan-Martin-Limbong-1006706845. (2011). Pages: 2-7.
2. Babgei, Atar Fuady. (2012). Rancang Bangun Maximum Power Point Tracker (MPPT) pada Panel Surya dengan Menggunakan Metode Fuzzy. Page: 1.
3. Sunaryo dan Joko Setiano. (2014). Analisis Daya Listrik yang Dihasilkan Panel Surya Ukuran 216 cm x 121 cm Berdasarkan Intensitas Cahaya. Pages: 1-4.
4. Janaloka. http://janaloka.com/5-faktor-yang-mempengaruhi-kinerja-solar-panel/. (2015).
5. Nugroho, Rismanto Arif. (2014). Memaksimalkan Daya Keluaran Sel Surya dengan Menggunakan Cermin Pemantul Sinar Matahari (Reflector). Page: 2.
6. Kerjasama Indonesia-Belanda. (2006-2009). Modul Pengenalan Teknologi Tenaga Surya. Pages: 44-45.
7. Pranoto, Lia Muliani. (2013). Rancangan Bangun Modul Surya Berbasis Dye-Sensitized Solar Cell. Pages: 41-42.
