Posted by: lizenhs | June 20, 2016

SILICON BATERAI SURYA

SILICON BATERAI SURYA

Oleh: Haslizen Hoesin

Kata  Pengantar

Suatu waktu Ambo ke Bandung pakai kendaraan umum, duduk disamping ambo seorang sahabat, kami terlibat mengobrol santai mengenai lampu pinggir jalan.  Terdapat beberapa tertanyaan tidak terjawab.  Tak sengaja ditemukan Laporan Kerja Praktek Haslizen H, judul Pembuatan Silikon Solar Cell (Sel Surya Silikon) dilakukan di Lembaga Elektronika Nasional (LEN) LIPI Bandung,  Juli – Agustur 1974.  Setelah dibaca, walaupun sudah beberapa tahun yang lalu, ternyata dapat menjawab beberapa pertanyaan sahabat tersebut, tentang lampu yang sumber energinya dari energi radiasi surya. Ambo tulis dan disajikan untuk pengunjung/ pembaca Bukik Ranah Ilmu (BRI) juga menjawab pertanyaan sahabat (penumpang kendaraan Jakarta-Bandung) yang belum terjawab, mudah-mudahan sahabat tersebut membaca BRI.  Tulisan ini berisikan: Pendahuluan;  Sel Surya; Semikonduktor; Solar Baterai  (Baterai Sel Surya); Prinsip Operasi Internal;  Mekanisme Konversi Energi; Effisiensi Konversi Energi; Karakteristik;  Ketergantungan  Karakteristik Pada Orientasi, Suhu dan Waktu;  Panel Sel Surya; Kegunaan Sel; Pekerjaan Membuat Sel Surya.

Tulisan ini tentu adalah satu dari beberapa tulisan tentang Sel Surya (Solar Cell) yang tersebar pada media cetak maupun elektronik.  Paparan ini hanya tentang Sel Surya Bahan Silicon. Mudah-mudahan tulisan ini menambah wawasan anda, para pembaca Bukik Ranah Ilmu. Selamat membaca.

1.Pendahuluan. 

Arus listrik yang terjadi pada Silikon Sel Surya, karena photon yang diserap dari cahaya (energi radiasi Surya).  Photon ini akan membebaskan pasangan electron – hole didalam Silicon. Pasangan electron – hole yang terpisah, mengakibatkan timbul tegangan pada kedua terminal sel silicon dan aliran electron (arus) pada rangkaian luar Sel Silicon.

Untuk memindahkan energi radiasi Surya menjadi arus listrik yang terjadi pada silicon,adalah melalui terminal.  Oleh karena itu terminal silicon harus baik.  Artinya penyolderan terminal harus sesempurna mungkin dan suhu yang tak terlalu tinggi.

Silicon solar cell yang sudah diberi terminal dapat dipakai/dipergunakan sebagi sumber energi listrik dan/atau alat-alat control dan/atau tranduser. Sel Surya adalah peralatan yang mengubah radiasi Surya (iluminasi) [energi baru terbarukan] menjadi Energi Listrik.

  1. Sel Surya.

Sel surya (solar cel)l adalah suatu elemen aktif yang mengubah energi cahaya Surya menjadi energi listrik, dengan prinsip yang disebut efek photovoltaic.  Sel Surya terbuat dari keping (wafer) bahan semikonduktor memiliki kutub positif dan negatif, sama dengan diode, hanya permukaannya dibuat luas, supaya bisa menangkap cahaya Surya sebanyak mungkin.

  1. Semikonduktor.

Semikonduktor merupakan bagian inti dari baterai sel surya yang biasanya mempunyai tebal sampai beberapa ratus mikrometer untuk sel surya generasi pertama yaitu silikon. Material semikonduktor inilah yang berfungsi menyerap cahaya dari radiasi Surya. Untuk kasus keadaan diatas, semikonduktor yang digunakan adalah material silikon, yang umum diaplikasikan di industri elektronik. Sedangkan untuk sel surya lapisan tipis, material semikonduktor yang umum digunakan dan telah masuk pasaran diantaranya material Cu(In,Ga)(S,Se)2(CIGS), CdTe (kadmium telluride) dan amorphous silikon, disamping material semikonduktor potensial lain, yang sedang dalam penelitian intensif seperti Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTS) dan Cu2O (copper oxide).

Secara umum bagian-bagian semikonduktor terdiri dari junction atau gabungan dari dua material, yaitu semikonduktor tipe-p (material-material yang disebutkan diatas) dan  tipe-n (silikon tipe-n, CdS dll) yang membentuk p-n junction.  P-n junction inilah yang menjadi kunci dari prinsip kerja sel surya. Pengertian semikonduktor tipe-p, tipe-n, dan juga prinsip p-n junction dan sel surya inilah yang dibahas berikut ini.

Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara insulator dan konduktor.  Semikonduktor disebut juga sebagai bahan setengah penghantar listrik. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai insulator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur ruangan besifat sebagai konduktor.

Semikonduktor merupakan elemen dasar dari komponen elektronika seperti dioda, transistor dan IC (Integrated Circuit). Disebut semi atau setengah konduktor, karena bahan ini memang bukan konduktor  murni. Bahan- bahan logam seperti tembaga, besi, timah disebut sebagai konduktor yang baik sebab logam memiliki susunan atom yang sedemikian rupa, sehingga elektronnya dapat bergerak bebas. Semiconductor dapat menjadi conductor atau nonconductor tergantung dari kondisinya (hubungan antara tegangan, arus listrik, suhu dan sebagainya).

Bahan semikonduktor yang sering digunakan adalah silikon, germanium, dan gallium arsenide. Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik, karena konduktansinya yang dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa disebut pendonor elektron).

  1. Solar Baterai (Baterai Sel Surya).

Sel  Surya disebut juga Baterai Surya atau Baterai Sel Surya.  Kenapa disebut Baterai sel surya?  Karena sumber energi sel/baterai berasal dari energi radiasi Surya (illuminasi-photon).  Energi dari radiasi Surya disebut juga Energi Baru Terbarukan.  Mengenai ENERGI BARU TERBARUKAN (DIPERBAHARUI) ATAU ENERGI RAMAH LINGKUNGAN, APA ITU…..UU? https://lizenhs.wordpress.com/2014/10/13/energi-baru-terbarukan-diperbaharui-atau-energi-ramah-lingkungan-apa-itu-uu/

Kamus Besar Bahasa Indonesia, memberikan pengertian tentang Sel dan Baterai.  Sel, alat penghasil tenaga (energi) listrik dari reaksi kimia, sedangkan Baterai, alat penghimpun dan pembangkit listrik. Baterai yang umum terdapat di masyarakat sekarang adalah baterai kering dan basah (aki). Dari pengertian tersebut, Baterai Surya atau Baterai Sel Surya adalah alat penghasil energi listrik dari photon (radiasi surya) dan menghimpun tenaga listrik.

4.1. Prinsip Operasi Internal. Apabila terdapat energi pengion didaerah atau didekat atau didalam potensial barrier (pembawa) dari semikonduktor, maka didaerah ini akan timbul gaya (gaya penggerak). Gaya ini akan mengebabkan gerakan electron sebagai pembawa muatan.

Barrier potensial yang timbul, dikembangkan dari bermacam cara.  Bila didekati dari prinsip Photovoltaic Cell adalah sebagai berikut:  1). Operasi transparan dari film logam pada semiconductor, misal sell selenium Silikon.  2). Kemurnian yang dimiliki permukaan semikonduktor dari bentuk type p-n atau n-p junction.

Pada umumnya sel surya adalah kristal tunggal dan sebagai dasar semikonduktor, yaitu pendiffusian pada satu dari dua permukaan dengan film yang tipis dari bahan (logam) lain, untuk mendapatkan junction tipe p-n, atau n-p sesuai dengan yang dikehendaki.

Untuk mendapatkan p-n atau n-p junction terdapat beberapa langkah.  1). Menumbuhkan Kristal tunggal untuk mendapatkan kemurnian, misal Boron untuk tipe –p.  2). Memperoleh lapisan Kristal dengan pemotongan.  3). Membentuk p-n junction dekat permukaan dengan proses diffuse pada Kristal melalui pengendalian suhu.  4). Pemasangan kontak dengan metal didaerah p dan n dari sel.

Apabila p-n junction telah terbentuk, arus pembawa (barrier) disebabkan oleh kemurnian dari bahan, maka barrier akan bergrak melalui junction.  Pengaruh ini akan menimbulkan pergerakan elektron dari daerah -n ke daerah –p, inilah yang akan menimbulkan pembawa (barrier) potensial dan ini dasar poses konversi energi dalam sel surya.

Sinar Surya (illuminasi-photon) yang jatuh pada permukaan sel, menimbulkan effek photovoltaic pada sel.  Efek photovoltaic akan menghasilkan pasangan ekektron-hole.  Efek photovoltaic adalah akibat absorpsi dan refleksi photon (cahaya) pada permukaan sel.  Dengan kata lain sejumlah cahaya (photon), yang jatuh/mengenai permukaan sel dan menimbulkan energi dalam sel dan memaksa pasangan electron-hole melewati junction pada waktu bersamaan.

Pembebasan  muatan pembawa electron-hole dalam kristal berjalan secara diffusi atau disebabkan oleh medan listrik.  Selama perjalanan pembawa (barrier), elektron dan hole melewati junction, dapat pula terjadi bergabung (menetralkan diri).  Hanya sebagian kecil saja pembawa yang dapat mencapai daerah lapisan batas (junction).  Dengan kata lain medan pada ruang antar kedua daerah menghalangi perpindahan pembawa (barrier).

Jelaslah, bahwa yang penting adalah mengabsorsi photon dari radiasi matahari [fluk illuminsi (ϕ)] sebayak-banyaknya untuk membebaskan muatan pembawa sebanyak-banyaknya, sehingga akan menimbulkan arus listrik (electric curren) dari daerah –n ke daerah –p.

Jika pembawa semua muatan yang dibebaskan oleh absorpsi photon dan mencapai daerah space charger, maka arus photovoltaic (I) merupakan fungsi dari jumlah muatan (Q) yang dibebaskan oleh photon [energi radiasi surya (fluk illuminsi) (ϕ)].  Hal ini dapat dinyatakan sebagai berikut:  I = Q ϕ

Sebagaimana telah dikemukakan diatas bahwa teradapat kemungkinan pembawa muatan bergabung sebelum mencapai lapisan batas (junction).  Ini memungkinkan terdapat faktor π  yaitu sifat dari bahan dan jarak yang di tempuh pembawa muatan bebas ke junction.  Maka arus photovoltaic (I) adalah: I = Qπϕ

Dari paparan dan rumus diatas dapat disimpulkan, jika sel photovoltaic terkena sinar  Surya.  Muatan listrik yang berlawanan tanda berkumpul (menimbun) pada dua sisi junction  n-tipe dan p-tipe.  Perbedaan potensial kedua daerah inilah yang yang menimbulkan arus.

Apabila sel diberi beban (rangkaian luar) arus photovoltaic mengalir melalui rangkaian benan.  Arus eksternal  akan bergerak dari terminal – p menuju terminal – n.

Pada uraian diatas disebutkan bahwa yang menimbulkan arus photovoltaic itu adalah photon yang mengenai permukaan Silicon.

Photon–photon itu selain berasal dari Energi Radiasi Surya dapat juga berasal dari: Sinar Lampu; Heigh – Energy Partikel dan Medan Listrik, Suhu Sekitar Junction1. Radiasi Surya: cahaya tampak; Sinar γ;  Sinar x;  2. Sinar Lampu: Sinar Lampu pijar, dll. 3. Dalam bentuk Heigh – Energy Partikel seperti: Elektron Gan; Radiasi β; Radiasi α;  Proton;  Netron dsb. 4. Atau bisa juga diperoleh dengan: Medan Listik yang besar; Suhu yang tinggi disekitar junction.

4.2. Mekanisme Konversi Energi. Konversi energi cahaya ke energi listrik pada silicon mengikuti tiga tahap: 1). Pasangan electron-hole yang dihasilkan oleh karena absorpsi proton, 2). Pendiffusian muatan yang dibebaskan pembawa ke junction, 3). Pengumpulan pembawa muatan didaerah batas dan ditransfer pada rangkaian luar diterminal junction dari sel.

Jika photon (cahaya) jatuh pada permukaan silicon, menghasilkan energi E, bila energi E ini dapat melebihi energi gep (Eg) dalam Kristal, maka akan tumbuh (timbul) pasangan electron-hole dan pembawa muatan pasangan electron- hole akan berdifusi dalam kristal.  Apabila pembawa  muatan electron-hole mencapai daerah pembatas kosong, dia akan ditangkap oleh medan listrik dan melintasinya untuk mencapai  daerah – n atau daerah – p.  Maka pada daerah n akan berkumpul electron dan didaerah p akan berkumpul hole, jadi terjadilah pemisahan muatan listrik yang berlawanan  tanda dan menimbun pada kedua sisi junction.  Apabila ada rangkaian tertutup, photopoltaic curren akan terjadi arus pada rangkaian luar.

4.3. Effisiensi Konversi Energi. Effisiensi konversi energi dari photovoltaic cell didefinisikan sebagai perbandingan energi yang listrik yang dipasok (disuplay) oleh sel dengan energi radiasi surya (illuminasi) yang diterima permukaan sel surya.

Dari pengertian tersebut dapat diambil kesimpulan (anggapan) bahwa tidak semua photon yang menimbulkan photo-elektrik.  Penyebabnya diantaranya adalah: 1). Terdapat photon yang dipantulkan permukaan luar sel.  2). Photon yang memasuki sel tak semuanya melebihi energy gap (Eg).  Hanya photon dengan energi yang sama dan/atau melebihi Energi Gap saja yang akan membebaskan electron dan ini akan merubah kontribusi generasi dari photovoltaic curren.  3). Terdapat sebagian dari pembawa muatan yang dibebaskan bergabung kembali sebelum mencapai junction. Penjelasan penyebab timbul photo-elektrik dapat dijelaskan sebagai brikut: Perhatikan peta distribusi photon dari spektrum luminous (cahaya) kontinu.  Spektrum luminous (cahaya) yang kontinu adalah fungsi dari energy.  Pada spektrum luminous (cahaya) terlihat bahwa photon sebelah kanan energi gap (Eg) lah yang menghasilkan arus dan sebelah kiri memperlihatkan daya dari photon yang dapat membebaskan elektron.

4.4. Karakteristik. Walaupun photovoltaic- cell berbeda-beda strukturnya, sifat-sifat elektriknya mendekati sama, yaitu seperti diode silicon yang konfensional.  Artinya karakteristik forward dan revearse dari sel. yaitu kurva pemakaian sel dalam keadaan gelap, identik dengan diode semikonduktor normal dan kurva sel dalam keadaan terbuka (disinari) dengan illuminasi konstan, menyerupai photo diode yang disinari.

4.5. Ketergantungan  Karakteristik Pada Orientasi, Suhu dan Waktu. Bentuk karakteristik photovoltaic sel ditentukan oleh penyinaran.  Artinya terjadi fluk maksimal pada permukaan sel?  Dasar pemikran dimulai dari sudut berkas cahaya (β) terhadap normal permukaan sel (sebut Orientasi) sedangkan luas permukaan adalah S.  Maka luas efektif permukaan Seff  yang menerima sinar adalah  Seff = S cos β.

Bagaimana dengan SuhuSuhu berpengaruh terhadap karakteristik tegangan V. Dari kurva-kurva yang diperoleh, terlihat bahwa tegangan V berkurang karena kenaikan suhu.  Pada hal arus I naik seuai kenaikan suhu.

Suhu dari sel tidak hanya tergantung pada suhu sekeliling tetapi juga oleh sinar/matahari.  Untuk mempertahankan effisiensi konversi energi yang tinggi perlu pelepasan panas (suhu tinggi) dengan pendingin.  Hal ini dapat dilakukan dengan memberi sel bersayap atau sirip.

Pemakaian sel juga mempunyai batas waktu.  Jadi sel bekerja dengan baik sampai pada batas waktu tertentu.  Melebihi batas waktu tersebut, effisiensi sel akan berkurang.  Misal 3000 jam pada udara terbuka, maka sesudah jangka waktu tersebut, effisiensi berkurang.

  1. Panel Sel Surya

Panel Sel Surya adalah perangkat rakitan sel-sel fotovoltaic yang  mengkonversi sinar matahari menjadi listrik. Ketika memproduksi panel surya, produsen harus memastikan bahwa sel-sel surya saling terhubung secara elektrik antara satu dengan yang lain pada sistem tersebut. Sel surya juga perlu dilindungi dari kelembaban dan kerusakan mekanis karena hal ini dapat merusak efisiensi panel surya yang sangat berarti (signifikan) dan menurunkan masa pakai yang diharapkan.

Orientasi/posisi ideal panel surya harus menghadap langsung ke sinar matahari  [artinya orientasi secara pasti mempengaruhi efisiensi maksimum]. Panel surya modern memiliki perlindungan overheating yang baik dalam bentuk semen konduktif terminal. Perlindungan overheating penting, dikarenakan panel surya mengkonversi kurang dari 20% dari energi radiasi surya yang ada menjadi listrik, sementara sisanya akan terbuang sebagai panas dan tanpa perlindungan yang terjadi akibat over heating dapat menurunkan efisiensi panel surya yang  sangat berarti (signifikan).

Modul surya bisa digabungkan secara paralel atau seri untuk memperbesar total tegangan dan arus output sesuai dengan daya yang dibutuhkan untuk diaplikasikan.

  1. Kegunaan Sel

Pemakaian baterai sel surya terutama untuk perlengkapan alat-alat elektrik tegangan rendah, dapat dikatakan sebagai sumber penimbun tenaga listrik sel kering yang menguntungkan. Sel dapat  juga digunakan untuk memasok arus yang dibutuhkan saat tertentu atau pengawasan instalasi  permanen dengan konsumsi energi yang kecil, missal warning, sistem, alaram api, memasok accumulator radio, automatic swiching-on, kendaraan angkasa, kalkulator dll.

  1. Pekerjaan Pembuatan Sel Surya

Paparan pembuatan Sel Surya hanyalah selintas saja sebagai pemahaman awal kegiatan membuat Sel Surya, yaitu yang terdiri dari: Mengukur ro Silikon, Mengukur Tebal silicon, Memoles Silicon, Menghitung Kedalaman/Lama Diffusi, Menghitung Lama Proses Oksidasi, Oksidasi, Diffuse dan Membuat Kontak (Plating, Evaporasi, Photolitografy, Alloying dan Penyoldering Terminal).

 

7.1 Mengukur ro ( ρ ) Silicon. Sebelum mengukur ro (ρ ) Silicon, Silicon dilapisi satu mukanya sebagai kontak, lapisan yang dipakai  adalah  nikel (nikel plating).  Silicon yang akan dilapisi dibersihkan (direndam) terlebih dahulu dalam TCE kemudian kedalam larutan plating, dipanaskan sampai mendidih.  Setelah terjadi lapisan Nikel, muka yang lain biberi wax, kemudian dimasukan kedalam HNO3 pekat, agar muka yang lain (tidak dilapisi Wax), lapisan nikel hilang. Cuci dengan TCE.  Sesudah plating dan dibersihkan dengan TCE, diukur ro ( ρ )

7.2 Mengukur Tebal Silicon. Sebelum silicon dipoles diukur terlebih dahulu tebal Silicon untuk mengetahui berapa pengurangan ketebalan sesudah dipoles

7.3 Memoles Silikon. Memoles adalah mengasah silicon, bertujuan untuk:  Memperkecil dislokasi; Meratakan dan Mengkilatkan permukaan.  Silicon sebelum dipoles dipasang pada pemegang poles.  Pemasangan Silikon dilakukan dengan cara ditempalkan, menggunakan Parafin, Pemasangan Silicon dibuat serata mungkin.  Apabila tidak rata menyebabkan silicon akan lebih mudah retak dan pecah atau terlepas dari pemengang atau hasil poles tidak sama tebal.

7.4 Menghitung Kedalaman/Lama Diffusi. Untuk menghitung lama diffuse digunakan rumus dengan menetapkan terlebih dahulu ketebalan/kedalaman

7.5 Menghitung Lama Proses Oksidasi.  Menghitung kedalaman/lama proses oksidasi digunakan suatu rumus tertentu

7.6 Oksidasi. Oksidasi bertujuan untuk memperoleh Oksidasilikon.  Oksidasi dilakukan setelah Silikon dipoles, diukur tahanan jenisnya dan telah dihitung waktu kedalaman oksidasi.

7.7 Diffusi. Diffusi dilakukan dalam tungku, bahan diffuse B2O3.  Pendiffusian pada satu dari dua permukaan dengan film yang tipis dari bahan (logam) lain, bertujuan untuk mendapatkan junction yang sesuai dengan dikehendaki apakah tipe p-n, atau n-p.

7.8 Pembuatan Kontak

7.8.1 Plating Bagian N. Plating bertujuan untuk mendapatkan lapisan nikel yang luas menutupi bagian -n tempat pemasangan terminal.  Pada lapisan nikel ini disolderkan kawat sebagai terminal arus.

7.8.2 Evaporasi. Tujuan evaporasi adalah untuk mendapatkan kontak pada –p, bahan kontak yang dipakai adalah aluminium (al).  Sebelum dievaporasi dilakukan, silicon harus dibersihkan terlebih dahulu.

7.8.3 Photolitografy. Photolitografy bertujuan untuk membuat masker.

7.8.4 Alloying. Alloying dimaksudkan supaya pada silicon dapat menempel Al (aluminium) lebih kuat atau lebih dalam.

7.8.5 Penyoldering Terminal. Pada bagian p dan n silicon dipasang kawat sebagai terminal lempeng.  Kawat ini selanjutnya merupakan penyambung untuk beban luar.  Pemasangan kawat dengan solder jangan terlalu panas, sebab akan merusak silicon atau bias silicon pecah, karena panas yang tak merata pada lempeng.

  1. Teknologi Sel Surya

Hingga saat ini terdapat beberapa teknologi pembuatan sel surya yang berhasil dikembangkan oleh para peneliti untuk mendapatkan sel surya yang memiliki efisiensi tinggi, murah dan mudah dalam pembuatan.  Terdapat beberapa generasi teknologi dalam pengembangan Sel Surya.

  1. Generasi pertama

Teknologi pertama yang berhasil dikembangkan oleh para peneliti adalah teknologi yang menggunakan bahan silikon kristal tunggal.

Teknologi kedua adalah menggunakan wafer silikon polikristal.  Kedua jenis sel surya yang diperoleh diatas dikenal sabagai sel surya generasi pertama .

Generasi kedua

Generasi kedua adalah sel surya yang dibuat dengan teknologi lapisan tipis (thin film). Teknologi pembuatan sel surya dengan lapisan tipis ini dimaksudkan untuk mengurangi biaya pembuatan solar sel mengingat teknologi ini hanya menggunakan kurang dari 1% dari bahan baku silikon jika dibandingkan dengan bahan baku untuk tipe silikon wafer.

Generasi ketiga

Penelitian agar harga sel surya menjadi lebih murah selanjutnya memunculkan teknologi generasi ketiga yaitu teknologi pembuatan sel surya dari bahan polimer atau disebut juga dengan sel surya organik dan sel surya foto elektrokimia.  Pada solar sel generasi ketiga ini photon yang datang tidak harus menghasilkan pasangan muatan tapi membangkitkan exciton.

Solar sel generasi ketiga ini masih memiliki masalah besar dalam hal efisiensi dan usia aktif sel yang masih terlalu singkat.

Pustaka:

H, Haslizen (1975).  Pembuatan Silikon Solar Cell.  Tugas Kerja Praktek Untuk Melengkapi Syarat-syarat Kurikulum Fisika Teknik, Departemen Fisika Teknik.  Institut Teknologi Bandung.

Duffie John A. and William A. Beckman (1974).  Solar Energy Therma Processes.  John Wiley & Sons  New york.

Beberapa Pustaka Tidak Ditampilkan.


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

Categories

%d bloggers like this: