Panel Photovoltaic

Panel Photovoltaic
Kadek Fendy Sutrisna dan I Komang Adi Aswantara

Panel Photovoltaic (PV panel) adalah sumber listrik pada sistem pembangkit listrik tenaga surya, material semikonduktor yang mengubah secara langsung energi sinar matahari menjadi energi listrik. Daya listrik yang dihasilkan PV berupa daya DC. Istilah “photovoltaic” ini telah digunakan dalam bahasa Inggris sejak tahun 1849. Tulisan ini akan membahas konversi energi, tipe, dan perkembangan dari panel photovoltaic.

Konversi Sinar Matahari ke Listrik

Sekarang ini, kebanyakan PV panel menggunakan Poly Cristallyne Silicon sebagai material semikonduktor – photocell mereka. Prinsipnya adalah sama dengan prinsip diode p-n junction. Gambar di bawah ini mengilustrasikan prinsip kerja PV panel.

Seperti yang kita ketahui atom Silikon memiliki 14 elektron yang terdistribusi pada orbit-orbit elektron kulit terluarnya. Dua kulit terdalamnya masing-masing terisi penuh dengan dua elektron dan berikutnya delapan elektron. Sementara, kulit yang lebih di luar hanya memiliki empat elektron, yang terisi hanya sebagian dari kondisi penuhnya. Akibat dari sifat atom yang cenderung untuk melengkapi elektron pada kulit terluar mereka, yang akan terjadi selanjutnya adalah pertukaran elektron atom silikon dengan atom silikon tetangga mereka yang mengakibatkan terbentuknya ikatan dengan elektron dari satu atom tetangga. Bentuk ini merupakan murni struktur cristallyn.

Jika setiap orbital kulitnya sudah terisi penuh, maka atom yang bersangkutan akan menjadi sebuah material konduktor yang baik. Agar dapat selalu berfungsi seperti ini, sebagai bahan semikonduktor, silikon biasanya dicampurkan dengan bahan tertentu (biasa disebut materi doping); Bahan campuran ini akan mengakibatkan atom silikon akan lebih mudah mencapai kondisi penuh, seperti atom dengan lebih dari empat elektron valensi, seperti fosfor yang memiliki 5 elektron valensi. Elektron bebas ini yang akan menjadi elektron yang membawa energi listrik. Ketidakmurnian ini disebut dopant.

Photocell yang memiliki p-n junction, memiliki 2 buah bahan semikonduktor, tipe-p dan tipe-n. Tipe-tipe ini dianggap sebagai bahan campuran (impurities); bergantung dari jenis dopant yang diberikan kepada cristallyn. Untuk kasus photocell, biasanya menggunakan hidrogen dan fosfor sebagai tipe-n yang ditambahkan pada cristallyn. Sementara, Boron digunakan sebagai tipe-p. Kedua tipe ini kemudian ditempatkan bersama sebagai p-n juction.

Ketika photocell dikenai sinar matahari, artinya photon dari sinar matahari akan menumbuk semikonduktor (Silikon). Ada 3 kemungkinan yang bisa terjadi ketika photon menumbuk silikon;

  1. Photon menembus silikon; biasanya terjadi pada photon dengan energi yang rendah.
  2. Photon dipantulkan oleh permukaan silikon.
  3. Photon diserap oleh permukaan silikon.

Untuk kemungkinan yang ketiga, apabila energi photon lebih tinggi dari celah pita silikon, maka energi yang diserap dari photon akan diberikan ke elektron untuk berpindah dari pita valensi ke pita konduksi, dan berikutnya akan menghasilkan satu lubang (hole), meninggalkan hole yang sebelumnya diisi oleh elektron yang lain dari beban. Sirkulasi elektron inilah yang akan mengakibatkan aliran arus dari PV panel; sehingga silikon ini bisa berfungsi sebagai material yang mampu mengkonversikan energi photon ke energi listrik.

Kebanyakan energi photon ini lebih besar dari celah pita silikon. PV panel yang ada saat ini lebih banyak mengubah perbedaan energi yang dibawa foton dan celah pita silikon menjadi panas (akibat getaran – kisi disebut fonon) daripada mengkonversikannya menjadi energi listrik. Sewaktu energi photon yang diserap melebihi band energy-nya, maka electron yang menyerap energy photon akan ber-eksitasi ke konduksi band untuk kemudian relaksasi ke level energi konduksi terendah. Energi yang dilepas inilah yang jadi losses heat.

Perbedaan Tipe Bahan photocell (monocrystalline, polycrystalline dan amorphous)

Photocell dapat dibagi menjadi 3 jenis tipe kristal, yaitu monocrystalline, polycrystalline dan amorphous. Perbedaannya ada pada proses pembuatannya. Untuk menghasilkan silikon  monocrystalline, didapat dari silikon murni yang dilelehkan kemudian dalam proses pemadatannya dibentuk dengan cara dipancing dengan silikon monocrystalline yang struktur atomnya diketahui, diputar dan diangkat perlahan-lahan menjadi sebuah gelondongan silikon. Gelondongan ini kemudian dipotong tipis-tipis (thin plates) sehingga menjadi wafer monocrystalline photocell.

Sedangkan silikon polycrystalline didapat dengan cara melelehkan silikon dan menuangkannya kedalam bejana sehingga dapat dengan mudah terbentuk wafer silikon. Dengan cara ini silikon murni dapat diubah hampir seluruhnya kebentuk wafer silikon sehingga biayanya menjadi lebih efektif. Sayangnya dengan cara ini selama proses pemadatan materi, struktur kristal yang dibentuk akan menimbulkam cacat kristal pada penggiran photocell. Sebagai akibat dari cacat kristal ini, solar cell menjadi kurang efisien.

Cara yang ketiga sedikit berbeda dengan yang lainnya, lapisan tipis silikon diperoleh dari material silikon yang di-deposisikan ke sebuah permukaan kaca atau material substrat lainnya, dengan cara ini diperoleh silikon  amorphous atau thin layer cell (dengan ketebalan 1µm). Tipe photocell ini memiliki harga yang paling murah namun juga efisiensi yang paling rendah dibandingkan dengan dua tipe lainnya. Biasanya tipe silikon amorphous digunakan untuk peralatan berdaya rendah seperti jam, kalkulator saku dan barang elektronik lainnya.

Bagaimana cara membuat sebuah modul PV?

Untuk membuat tegangan output modul PV yang sesuai dengan aplikasi yang diinginkan, sel surya tunggal dihubungan untuk membentuk unit yang lebih besar. Sel yang dihubungkan secara seri akan menghasilkan tegangan yang lebih tinggi, sementara sel surya tunggal yang dihubungkan secara paralel akan memproduksi arus listrik yang lebih besar. Sel-sel surya yang saling berhubungan biasanya tertanam dalam transparan Etil-Vinyl-Asetat, dilengkapi dengan frame aluminium atau stainless steel dan ditutup dengan kaca transparan di bagian depan.

Peringkat daya dari modul surya yang tersedia dipasaran berkisaran antara 10 dan 100 Wpeak-peak. Perlu diperhatikan bahwa data karakteristik ini diperoleh pada kondisi pengujian standar radiasi matahari 1000 W/m² pada suhu 25 ° Celcius.

Perkembangan Saat ini

Surface structuring to reduce reflection loss:

Konstruksi permukaan sel dirancang dalam struktur piramida, sehingga cahaya yang masuk menumbuk permukaan bahan semikonduktor menjadi beberapa kali lipatnya. Sebagai contoh bahan baru tersebut misalnya, gallium arsenide (GaAs), cadmium telluride (CdTe) atau tembaga selenide indium (CuInSe ²).

Tandem or stacked cells

Spektrum radiasi photon yang lebih lebar dari sebelumnya yang bisa dikonversikan menjadi energi listrik menjadi ide dasar berkembangnya teknik ini. Teknik ini diperoleh dengan cara menggunakan bahan semikonduktor yang berbeda-beda, yang memiliki karakteristik yang cocok untuk rentang spektral yang berbeda. Posisi sel pada modul diatur dengan memposisikan satu di atas yang lain.

Concentrator cells

Dengan menggunakan sistem cermin dan lensa, intensitas cahaya yang lebih tinggi akan difokuskan pada sel surya.

Grätzel cells

Sel elektrokimia cair berupa titanium dioksida digunakan sebagai elektrolit dan dye untuk meningkatkan penyerapan cahaya.

Ilustrasi mengenai struktur kristal, valensi, mengenai teori band gap dan efek doping di band gap itu, ilustrasi mengenai pergerakan elektron atau hole hasil photolistrik di dalam konfigurasi atom silikon, dan hal lainnya yang berhubungan dengan listrik dan material, penulis sangat menyarankan untuk membaca referensi 2.

Referensi

  1. Proposal EEA 2007 Team Vercy LPKEE ITB
  2. http://ibiblio.org/kuphaldt/electricCircuits/Semi/SEMI_2.html
  3. http://www.solarserver.de/wissen/photovoltaik-e.html
  4. http://www.silicon-saxony.de/set/1679/RussianMarketUpdate.pdf
  5. http://eimg.acpmagazines.com.au/apc/03_01_sand-ingot_3.jpg
  6. http://www.inverter-china.com/blog/upload/amorphous-silicon.jpg
  7. http://www.motherearthnews.com/uploadedImages/Blogs/Energy_Matters/Solar-Cell-and-Sky.jpg

About konversi

This blog is a blog made by the students of the Laboratory Of Electric Energy Conversion, ITB. This blog shall be the place for us to write our researches and projects. Feel free to read any of the contents of this.
This entry was posted in PV. Bookmark the permalink.

18 Responses to Panel Photovoltaic

  1. kus says:

    Cina juaranya nih…

  2. angin165 says:

    denger2 PT. LEN jg sudah mulai bisnis PV ini
    ada yg bisa memberi pencerahan?

    • eng says:

      maksudnya gimana win? yang aku tau LEN hanya assembling saja saat ini .. belum produksi dari awalnya …

      • angin165 says:

        iya emang dari awal assembling, maksudku perkembangannya sekarang
        kalo produksi dari awal emang aku ngga yakin sekarang sudah, industri manufaktur semikonduktor di indonesia? ada yg bisa memberi pencerahan (lagi)?

  3. kadokura says:

    Pencerahan apa win?
    kemaren sempet nonton sih video cara buat IC,,
    dari nambang silikon sampai jadi IC,,
    kira2 yaa gitu,
    dibuat dulu mono kristal silikon seperti cara yang dijelaskan diatas.
    (kalo mau baca wikipedia search aja Czochralski process and the Bridgman technique)

    Udah itu untuk dibuat p-type atau n-type, silikon harus bener2 murni 99.99999999 %, caranya gampang kok, batangan silikon itu di lewati di lilitan kumparan dialiri listrik yang sudah panas, ntar kotoran2 yang ada di gelondongan silikon otomatis lari ke pantat gelondongannya. Dipotong pantatnya dilakukan berulang2 sampai bener2 murni..

    trus batangnya di potong2 di jadiin wafer tipis(jari2nya 12 inchi kalo yang di produksi di jepang), nah trus singkat proses, IC nya di cetak di wafer itu ntar satu wafer bisa jadi 300-an lebih IC. Kalau tertarik coba aja baca magnetron sputturing process itu sih salah satu yang gw inget tekniknya dari banyak proses pembuatan,,
    Kira2 sama untuk solar cell dan lain2 buat tipe-p dan tipe-n nya..

  4. Cokor Permanen says:

    Hello gentleman,

    Salah satu kendala dalam pemanfaatan PV skala besar biasanya kan terdapat di luas lahan. Kalo ada informasi, kira-kira buat generating plant 1 MW brapa luasnya ya?

    • angin165 says:

      -den cokor
      sebenarnya tergantung efisiensi sama jenis PV yg dipakai, tapi untuk kasarnya
      (1) 1.8 – 3.2 hektar, untuk PV mono/polycrystalline
      (2) 2 – 5.4 hektar, untuk PV thin film
      cmiiw

  5. Cokor Permanen says:

    @ Kus : Heran juga ya.. Kenapa Cina punya banyak resources material2 penting yang diperlukan buat kemajuan teknologi ya.

    • Yorga says:

      Sebenarnya indonesia punya banyak mineral penting seperti halnya Cina. Misalnya Titanium, di Indonesia Titanium terdapat melimpah di pulau Batam, Belitung. Karena ringan bila dibandingkan dengan bijih timah, orang biasa menyebutnya “timah kosong” dan dianggap tidak bernilai sehingga dibuang-buang begitu saja.
      masalah pertama teknologi
      Untuk mengolah TiO2 menjadi Ti tidak mudah. TiO2 berikatan dengan ikatan ionik, sehingga untuk mereduksi dia jadi Ti harus dielektrolisis pada suhu >1100 C . Dan tentunya ini tidak murah.
      masalah kedua adalah pasar
      Industri di Indonesia, sepengetahuan saya, belum ada yang membutuhkan titanium. Sehingga menjualnya akan jadi masalah tersendiri
      nah gabungan 1 dan 2 jadi seperti masalah ayam dan telur. orang malas investasi pabrik untuk mengolah titanium karena mahal dan susah jual hasilnya. sisi lain org yg punya industri juga masih pikir2 untuk mengembangkan plant pengolah baja titanium karena pasokan titanium nya belum ada.
      dalam hal ini, menurut sy, diperlukan campur tangan pemerintah. Dan itulah yg tidak dimiliki Indonesia tapi dimiliki Cina.

  6. Through the process of collecting solar energy industry is becoming more and more solar panels and the response to air pollution, global warming and a host of other factors does not mean quality air. The building of their own solar panels is now available for almost all homeowners, then you will have an impact on our overall lifestyle.

  7. panji says:

    saya tertarik dengan teknologi PV untuk PLTS
    berapa efisiensi konversi PV yang umum digunakan ?
    di Indonesia daerah mana yang paling potensial untuk pengembangannya?

    salam

  8. dahono says:

    Efisiensi total PV yang umum digunakan sekitar 10%

  9. sasti says:

    sepengetahuan saya, efisiensi PV yang sekarang banyak digunakan di pasaran adalah sekitar 14 – 16%.
    untuk pengembangan daerah di Indonesia yang paling potensial adalah di kawasan timur indonesia, seperti NTT yang memperoleh penyinaran sekitar 5,1 kWh/m 2 /hari dengan variasi bulanan sekitar 9% dan musim kemarau berlangsung sekitar 9 – 10 bulan.
    silakan baca informasi berikut : http://esdm.go.id/news-archives/56-artikel/3347-pemanfaatan-energi-surya-di-indonesia.html

  10. golfrid says:

    Dear all,

    Pada PV satu fasa, bagaimana metode kontrol PWM inverter agar dapat mengkompensasi tegangan misal terjadi voltage sag pada PV cell tersebut sehingga diperoleh tegangan “pure sine wave”. Apakah dapat menggunakan transformasi park? atau ada metode yang lain.

    Terima kasih
    salam

  11. dahono says:

    Istilah voltage sag hanya dikenal di sisi AC bukan pada sisi PV\
    Tentu saja kita bisa mengkompensasi naik turunnya tegangan PV dengan menggunakan teknik PWM
    Secara teori, transformasi park tidak bisa dipake pada sistem satu fasa.

  12. rifki says:

    assalamualaikum ………….pak saya mau tanya pada penggunaan PV itu jika di aplikasikan pada sistem penerangan jalan umun itu lebih baik di interlock dengan sumber PLN atau tidak ?

    jika tidak di interlock bagaimana dengan supplai plc(power line cariier) sebagai optimasi sistem PJU tersebut ?

    mohon pencerahaan nya

  13. dahono says:

    Saat ini, PJU yang menggunakan solar cell tidak terhubung dengan jaringan PLN. Jadi tidak perlu interlock. Akibatnya, PLC tidak bisa dipakai.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s