LAPORAN PRAKTIKUM PHOTOVOLTAIC FISIKA MODERN

PHOTOVOLTAIC

Deril Ristiani Jurusan Fisika, Fakultas MIPA Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: deril.risty@gmail.com

Abstrak—Telah dilakukan percobaan photovoltaic yang bertujuan untuk mengetahui fenomena photovoltaic pada solar cell dan untuk mengetahui pengaruh intensitas cahaya lampu pijar, lebar solar cell, dan panjang gelombang cahaya terhadap daya output solar cell. Pada percobaan ini, didapatkan data nilai Vout dan Iout yang dapat digunakan untuk menentukan besar daya outputnya. Dalam percobaan ini Vout diukur dengan merangkai sollar cell secara paralel terhadap multimeter, dan untuk Iout diukur dengan merangkai seri solar cell terhadap multimeter. Dari percobaan yang telah dilakukan didapatkan pengaruh intensitas cahaya, panjang gelombang cahaya, serta lebar solar cell terhadap daya output solar cell. Dimana semakin besar intensitasnya maka daya output semakin besar, dan semakin panjang panjang gelombang maka daya outputnya semakin besar, kemudian  semakin lebar solar cell yang digunakan maka daya outputnya juga semakin besar.  Fenomena pada solar cell terjadi ketika  cahaya (foton/paket energi) mengenai permukaan solar cell yang mana solar cell tersusun dari bahan semikonduktor, energi yang telah diterima oleh cahaya ini menyebabkan elektron terlepas dari pita valensi ke pita konduksi kemudian electron yang bergerak bebas di pita konduksi sehingga menimbulkan arus listrik.

Kata Kunci— intensitas, panjang gelombang, photovoltaic, solar cell

      I. PENDAHULUAN

Matahari merupakan sumber energy utama dan dapat dimanfaatkan sebagai energy listrik dengan menggunakan sebuah sel surya dengan menerapkan system teknologi photovoltaic. Ketika sinar matahari menyinari sel maka electron-elektron dilepaskan dan mengalir ke seluruh lapisan-lapisan kimia yang ada dipermukaan sel sehingga menghasilkan arus listrik yang kecil yang dihimpun didalam konduktor logam. Sel surya ini sangat bermanfaat yaitu dapat digunakan untuk menghidupkan listrik. Oleh karena itu dilakukan percobaan ini untuk mempelajari fenomena photovoltaic pada sel surya.

Pada photovoltaic terjadi efek fotolistrik. Suatu energi dari elektron-elektron bebas oleh cahaya pada frekuensi dari suatu cahaya. Ketika peristiwa itu terjadi diketahui bahwa penyebab dari semua itu adalah elektron-elektron yang memancarkan pada saat frekuensi cahaya pada keadaan tinggi ^[7].

Suatu contoh yaitu pada percobaan fotolistrik ialah, ketika permukaan sebuah logam disinari oleh seberkas cahaya dan sejumlah elektron terpancar dari permukaannya, susunan dari percobaan ini dapat diperlihatkan pada gambar yang ada pada berikut ini :

 Gambar 1 Alat untuk mengamati fotolistrik.

Fenomena yang terjadi pada fotolistrik ini hampir sama dengan sistem kerja dari filter. Dimana jika ada sejumlah electron (foton) yang terpancar dari suatu sumber cahaya, maka filter akan menyerap cahaya foton-foton tersebut dan kemudian akan diteruskan. Kenyataan lain bahwa cahaya membawa energi teleh lebih jelas bagi orang-orang yang pernah memfokuskan sinar matahari pada sepotong kertas dan membakar lubang kertas tersebut dapat dikatakan bahwa energi yang dibawa oleh cahaya akan dapat merambat seperti pada gelombang. Karena cahaya disini dapat bersifat sebagai partikel dan juga gelombang ^[2].

Cahaya banyak sekali manfaatnya dalam kehidupan sehari-hari. Cahaya dapat dijadikan sebagai sumber energi bagi makhluk hidup. dimana energi dialam ini banyak sekali bentuknya. Ada energi terbarukan dan energi tak terbarukan. Energi yang tak terbarukan apabila digunakan terus menerus maka akan cepat habis. Untuk itu diperlukan sumber energi alternatif lain. Salah satunya yaitu energi listrik yang dibangkitkan oleh energi cahaya dengan menggunakan bantuan dari solar cell.

 Solar cell merupakan pembangkit listrik yang mampu mengkonversikan energi cahaya menjadi energi listrik. Energi matahari sesungguhnya merupakan sumber energi yang paling menjanjikan mengingat sifatnya yang berkelanjutan serta jumlahnya yang sangat besar. Solar cell tersusun dari unit terkecil yaitu sel, lalu kumpulan sel membentuk modul, dan kumpulan modul membentuk area. Solar cell juga memakai bahan semikonduktor sebagai bagian dari penyusunnya^[1][5].

Solar cell terbuat dari bahan semikonduktor yang terdiri dari tipe p dan tipe n yang ditunjukkan pada gambar 3. Dimana proses photoelectric dikenal sebagai photovoltaic. Photovoltaic adalah teknologi yang menghasilkan daya lisrik (DC) diukur dalam (Watt) dari semikonduktor ketika diterangi foton. Selama cahaya menyinari solar cell yang merupakan sel pada elemen photovoltaic, itu menghasilkan tenaga listrik. Ketika cahaya berhenti menyinari, tenaga listrikpun ikut berhenti. Solar cell tidak perlu diiisi ulang seperti pada baterai. Berikut adalah gambar solar cell^[5].

Gambar 2.  Solar Cell

Bahan semikonduktor sendiri merupakan bahan dengan konduktivitas listrik  yang berada di antara insulator (isolator) dan konduktor. ada dua macam jenis semikonduktor, yakni semikonduktor intrinsik (murni) dan jenis semikonduktor ekstrinsik (tak murni). Contoh dari semikonduktor murni adalah silikon dan germanium, silikon dan germanium merupakan 2 jenis semikonduktor yang sangat penting dalam elektronika, keduanya terletak pada kolom ke empat dalam tabel periodik dan mempunyai elektron valensi empat. Jika sebuah ikatan kovalen terputus, maka akan terjadi kekosongan atau lubang (hole) pada daerah dimana terjadi kekosongan akan terdapat kelebihan muatan positif dan daerah yang ditempati elektron bebas mempunyai kelebihan muatan negatif. Kedua muatan inilah yang nantinya dapat menimbulkan adanya aliran listrik dalam semikonduktor murni^[4].

Selain semikonduktor murni terdapat pula semikonduktor tidak murni, semikonduktor tidak murni ini merupakan semikonduktor yang telah tercampur dengan bahan pengotor yang berupa atom-atom lain yang kecil. Ada dua jenis dari semikonduktor tidak murni ini, pertama semikonduktor tipe-n yang kedua semikonduktor tipe-p. Semikonduktor tipe-n merupakan semikonduktor tidak murni karena ini dibuat dengan menambahkan sejumlah atom pengotor pentravalen (antinony, phorporus, atau arsenic) pada silikon murni. Tipe semikonduktor ini memiliki elektron bebas yang dapat digunakan sebagai penghantar listrik, dan dia menghasilakan muatan negatif dari kristal yang netral. Sedangkan untuk membuat semikonduktor tipe-p dibuat dengan menambahkan sejumlah atom kecil pengotor trivalen (almunium, boron, galium, atau indium) pada semikonduktor murni. Sedangkan tipe semikonduktor ini kelebihan muatan positif. Adapun dalam solar sell sendiri terdapat semikonduktor tipe-n dan juga tipe-p. Dimana kedua jenis semikonduktor, tipe-n dan tipe-p disambungkan (lihat Gambar 3) karena tipe-n banyak muatan negatif dan tipe-p banyak muatan positif, dari muatan yang dihasilkan keduanya inilah yang nantinya akan menghasilkan aliran listrik^[3].

Gambar 3. Skema pengoperasian Photovoltaic

Percobaan ini dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui pengaruh cahaya lampu pijar terhadap output solar sell, mengetahui pengaruh lebar solar cell terhadap daya output solar cell, mengetahui pengaruh panjang gelombang cahaya terhadap output daya solar cell. Selain itu juga bertujuan agar praktikan mampu menjelaskan fenomena photovoltaic pada solar cell. Dimana untuk menghitung daya sendiri digunakan persamaan sebagai berikut :

P = V. I .................................................................(1)

dengan P adalah daya (Watt) , V adalah tegangan (Volt) dan I adalah arus dengan satuan (Ampere).

II.  METODE

Langkah pertama yang dilakukan dalam praktikum ini yaitu disiapkan peralatan-peralatan yang diperlukan dalam praktikum ini. Alat – alat yang digunakan dalam percobaan Photovoltaic ini adalah solar cell 2,5cm x 5cm , solar cell 5cm x 5cm, Circuit diagram, Lighting module, Base unit,  filter warna merah, kuning dan biru, 2 buah multimeter, power supply , test lead black serta test lead red dan kabel. Percobaan Photovoltaic ini dibagi menjadi dua percobaan yaitu percobaan pengukuran arus dan percobaan perngukuran tegangan.

Gambar 4. Rangkaian untuk mengukur arus

Setelah dirangkai, dimana pada percobaan pertama ini solar cell dipasang seri terhadap multimeter, yang kemudian nilai tegangan (V) input ditentukan dan akan dicari nilai I outputnya. Selain itu untuk percobaan yang kedua yaitu untuk pengukuran tegangan, langkah awalnya rangkai peralatan dan bahan seperti pada gambar 5 berikut ini :

Gambar 5. Rangkaian untuk mengukur tegangan

Setelah rangkaian dirangkai, untuk mendapatkan nilai tegangannya, yaitu dipercobaan yang kedua ini, solar cell dipasang secara paralel terhadap multimeter. Dan akan didapatkan nilai V output nya.

     Dari masing-masing percobaan baik percobaan pada pengukuran arus dan pengukuran tegangan akan divariasi oleh filter warna (merah, kuning, dan biru), dimana filter ini berfungsi sebagai penyaring cahaya yang masuk. Dari data yang diperoleh yakni Vout dan Iout tersebut, maka akan dapat diukur nilai dari suatu daya output solar cell.

Untuk mempermudah dalam memahami langkah percobaan ini, digunakan flowchart seperti dibawah ini :

Gambar 6. Flowchart percobaan Photovoltaic

III. HASIL DAN PEMBAHASAN

           Dari percobaan yang telah dilakukan dapat diketahui fenomena yang terjadi pada photovoltaic. Jadi photovoltaic merupakan teknologi yang digunakan untuk merubah cahaya menjadi sumber listrik dengan menggunakan solar cell yang terdiri dari semikonduktor-n dan semikonduktor-p. Ketika sinar surya mengenai semikondiktor sel surya tersebut maka akan terbentuk hole dan elektron bebas. Dari sinilah nantinya akan terbentuk arus listrik, sehingga ketika rangkaian tersebut dihubungkan dengan photovoltaic tersebut akan memiliki nilai arus dan juga tegangan. Percobaan ini dilakukan dengan 2 variasi solar cell besar dan solar cell kecil.  

             A. Pada Solar cell kecil.

Dari percobaan yang telah dilakukan yakni dengan menggunakan solar cell kecil didapatkan nilai V output dan I output dari solar cell. Selain itu pada percobaan ini dilakukan variasi dengan menggunakan filter warna yang nantinya digunakan untuk melihat pengaruh panjang gelombang terhadap daya output solar cell, dari teori yang telah dijelaskan bahwa panjang gelombang cahaya dapat dilihat dari warna yang dipancarkannya. Untuk percobaan kali ini digunakan tiga filter warna yakni merah, kuning dan biru. Secara teori warna merah memiliki panjang gelombang yang lebih panjang kemudian kuning lalu biru. Dan dijelaskan pula dalam teori bahwa semakin panjang, panjang gelombang maka energi yang diahsilkan akan semakin kecil. Sedangkan jika semakin kecil panjang gelombang maka energi yang dihasilkan akan semakin besar. Selain itu percobaan kali ini dilakukan dengan menggunakan variasi tegangan input sebesar 1,5V;2V dan 2,3V.

     Variasi tegangan input ini dilakukan agar dapat  mengetahui pengaruh dari lebar solar cell terhadap daya output solar cell. Secara teori dijelaskan bahwa lebar dari solar cell mempengaruhi pada luas pada solar cell itu sendiri, semakin luas atau semakin lebar maka daya output yang dihasilkan pun semakin besar.Pada percobaan ini didapatkan data nilai Vout dan Iout sehingga dapat di tentukan nilai Pout dengan persamaan hukum ohm dan didapatkan seperti pada tabel di bawah ini :

Tabel 3.1 Data hasil percobaan pada solar cell kecil.

Filter	Vin (V)	Vout (mV)	Iout (mA)	P out (mW)
Merah	1.572	425	3	1275
	1.572	424	3	1272
	1.572	425	3	1275
	1.572	425	3	1275
	2.003	461	8	3688
	2.003	460	8	3680
	2.003	460	8	3680
	2.003	460	8	3680
	2.349	478	13	6214
	2.349	478	13	6214
	2.349	478	13	6214
	2.349	478	13	6214
Kuning	1.572	413	3	1239
	1.572	413	2	826
	1.572	413	3	1239
	1.572	413	3	1239
	2.003	451	6	2706
	2.003	451	6	2706
	2.003	451	6	2706
	2.003	451	6	2706
	2.349	469	10	4690
	2.349	469	10	4690
	2.349	469	10	4690
	2.349	469	10	4690
Biru	1.572	408	2	816
	1.572	408	2	816
	1.572	408	2	816
	1.572	408	2	816
	2.003	446	5	2230
	2.003	446	5	2230
	2.003	446	5	2230
	2.003	446	5	2230
	2.349	464	8	3712
	2.349	464	8	3712
	2.349	464	8	3712
	2.349	464	8	3712

Dari hasil percobaan di atas dapat diketahui bahwa semakin besar nilai Vinput yang digunakan maka akan semakin besar pula nilai Vout dan Iout, sehingga nilai daya outputnya pun juga semakin besar. Sehingga dari percobaan yang dilakukan dapat diketahui pengaruh intensitas cahaya terhadap daya output ialah semakin besar intensitas cahaya yang diguanakan maka semakin besar pula nilai daya output yang dihasilkan. Sehingga benar adanya terori di atas.

             Dari tabel 3.1 di atas untuk solar cell kecil dapat dilihat bahwa nilai  daya yang dihasilkan jika dilihat dari variasi warna, warna merah memiliki daya yang lebih besar, lalu warna kuning dan terakhir adalah warna biru. Karena energi berbanding lurus dengan daya, sedang energi berbanding terbalik dengan panjang gelombang, maka jika dilihat dari hasil di atas warna merah memiliki energi tertinggi dan memiliki panjang gelombang terkecil. Kemudian disusul warna kuning dan terakhir adalah warna biru. Jika dilihat hasil percobaan ini tidak sesuai dengan teori, karena semakin panjang panjang gelombang daya pun semakin besar, hal ini karena filter pada percobaan ini terdapat karakteristik khusus dan juga karena lampu pijar yang digunakan lebih banyak mendistribusikan panjang gelombang merah. 

            

            B. Pada Solar Cell besar.

Pada percobaan dengan menggunakan solar cell besar ini, juga akan didapatkan nilai V output dan I output dari solar cell. Selain itu pada percobaan ini juga dilakukan variasi dengan menggunakan filter warna yang nantinya digunakan untuk melihat pengaruh panjang gelombang terhadap daya output solar cell, dari teori yang telah dijelaskan bahwa panjang gelombang cahaya dapat dilihat dari warna yang dipancarkannya. Untuk percobaan kali ini digunakan tiga filter warna yakni merah, kuning dan biru. Secara teori warna merah memiliki panjang gelombang yang lebih panjang kemudian kuning lalu biru. Dan dijelaskan pula dalam teori bahwa semakin panjang, panjang gelombang maka energi yang diahsilkan akan semakin kecil. Sedangkan jika semakin kecil panjang gelombang maka energi yang dihasilkan akan semakin besar. Selain itu percobaan kali ini dilakukan dengan menggunakan variasi tegangan input sebesar 1,5V;2V dan 2,3V.

     Dilakukannya variasi tegangan input ini agar dapat  mengetahui pengaruh dari lebar solar cell terhadap daya output solar cell. Secara teori dijelaskan bahwa lebar dari solar cell mempengaruhi pada luas pada solar cell itu sendiri, semakin luas atau semakin lebar maka daya output yang dihasilkan pun semakin besar.  

     Sehingga pada percobaan ini akan diperoleh nilai dari Vout dan Iout yang nantinyaakan dapat di tentukan nilai Pout-nya dengan menggunakan rumus persamaan hukum ohm dan didapatkan hasilnya seperti pada tabel berikut dibawah ini :

Tabel 3.2 Data hasil percobaan pada solar cell besar.

Filter	Vin (V)	Vout (mV)	Iout (mA)	P out (mW)
Merah	1.572	354.8	6	2128.8
	1.572	365.3	6	2191.8
	1.572	365.2	6	2191.2
	1.572	365	6	2190
	2.003	419	14	5866
	2.003	419	14	5866
	2.003	418	14	5852
	2.003	418	14	5852
	2.349	451	22	9922
	2.349	450	22	9900
	2.349	449	22	9878
	2.349	449	22	9878
Kuning	1.572	344.7	5	1723.5
	1.572	344.2	5	1721
	1.572	344.1	5	1720.5
	1.572	344	5	1720
	2.003	400	11	4400
	2.003	401	11	4411
	2.003	401	11	4411
	2.003	401	11	4411
	2.349	431	17	7327
	2.349	431	17	7327
	2.349	431	17	7327
	2.349	430	17	7310
Biru	1.572	339.7	4	1358.8
	1.572	339.4	4	1357.6
	1.572	339.4	4	1357.6
	1.572	339.3	4	1357.2
	2.003	396.7	10	3967
	2.003	396	10	3960
	2.003	394	10	3940
	2.003	399	10	3990
	2.349	425	15	6375
	2.349	425	15	6375
	2.349	425	15	6375
	2.349	425	15	6375

        Dari data yang telah di dapatkan pada percobaan dengan menggunakan solar cell besar seperti yang tertera pada tabel diatas, dapat diketahui bahwa sama halnya saat menggunakan solar cell kecil. Dimana nilai daya yang dihasilkan untuk variasi filter warna, warna merah memiliki daya paling besar, kemudian kuning lalu biru. Dan untuk intensitas cahaya, semakin besar nilai Vin nya maka besar daya yang dihasilkan pun semakin besar.

      Sedangkan untuk mengetahui pengaruh lebar solar cell terhadap daya output solar cell ini dapat dibanding-kan antara tabel (3.1) dengan tabel (3.2), dari pembandi-ngan dua solar cell tersebut dapat dilihat bahwa semakin lebar solar cell yang digunakan maka akan menghasilkan Vout yang kecil tetapi menghasilkan Iout yang  jauh lebih besar , sehingga daya yang dihasilkan pun semakin besar. Hal ini dikarenakan semakin lebar solar cell yang digunakan maka luasan tersebut semakin besar. Pada dasarnya muatan-muatan electron yang ada pada solar cell besar lebih banyak daripada solar cell kecil karena pengaruh luasannya karena pada prinsipnya solarcell menggunakan prinsip semikonduktor yaitu ketika solar cell diberikan sinar surya maka electron-elektron dipita valensi mendapatkan energy yang cukup untuk berpindah ke pita konduksi sehingga hole pada pita konduksi terisi penuh dan jika solar cell tersebut dihubungkan dengan rangkaian listrik, muatan electron yang ada pada pita konduksi akan bergerak sehingga timbul arus . Jika solar cell yang dipakai semakin besar maka electron yang mengalir juga akan semakin banyak sehingga arus yang dihasilkan semakin besar.

     Adapun untuk mengetahui pengaruh intensitas cahaya lampu pijar, lebar solar cell dan panjang gelombang cahaya terhadap daya keluaran solar cell sesuai dengan tujuan percobaan ini dapat digunakan grafik di bawah ini dan grafik lebih lengkapnya di lampiran untuk menganalisanya.

Gambar 6. Grafik Vin terhadap Pout untuk solar cell kecil.

     Dilihat dari grafik di atas, diketahui bahwa warna merah memiliki garis yang hampir mendekati linear, sehingga dalam percobaan ini data yang didapatkan memiliki nilai error yang kecil. Sedangkan untuk warna kuning dan biru memiliki garis yang hampir linear juga, akan tetapi merah lebih jauh dibanding kuning.

     Selain itu dapat diketahui pula hubungan antara Vin dengan Pout, yang mana semakin besar nilai Vin maka makin besar pula nilai Pout nya. Hal ini berlaku untuk semua filter warna. Karena grafik menunjukkan grafik yang linier, hal ini menunjukkan bahwa hubungan antara Vin dan Pout adalah berbanding lurus.

     Sedangkan pada percobaan yang kedua yaitu dengan menggunakan solar cell besar, dapat diketahui pula hubungan antara Vin dengan Pout-nya. Dan dapat dilihat juga dari gambar grafik (7), diketahui bahwa warna merah dan kuning memiliki garis yang hampir mendekati linear, sehingga dalam percobaan ini data yang didapatkan memiliki nilai eror yang kecil. Sedangkan untuk warna  biru memiliki garis yang hampir linear juga, akan tetapi merah dan kuning lebih jauh dibanding biru, sama halnya pada solar cell kecil.

Gambar 7. Grafik solar cell besar Vin terhadap Pout.

    

     Dari grafik yang ada dapat diketahui bahwa hubungan antara Vin dengan Pout, yakni semakin besar nilai Vin yang dimasukkan maka semakin besar pula nilai Pout yang dihasilkan. Hal ini berlaku untuk semua filter warna. Seperti halnya pada solar kecil, pada solar besar juga menunjukkan arah grafik yang linier, hal ini menunjukkan bahwa hubungan antara Vin dengan Pout adalah berbanding lurus.

IV.  KESIMPULAN

Dari percobaan yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa:

1.  Photovoltaic merupakan teknologi yang digunakan untuk mengubah cahaya menjadi listrik dengan menggunakan solar cell dengan prinsip semikonduktor.

2.  Semakin besar intensitas yang digunakan, maka semakin besar pula daya outputnya.

3.  Semakin panjang panjang gelombang, maka daya outputnya juga semakin besar.

4.  Semakin lebar lebar solar cell, semakin besar pula daya outputnya.

UCAPAN TERIMA KASIH

   Penulis mengucapkan terima kasih kepada Budiana, Dita Viantyas, Friska Ayu F, Setiawan Abdillah sebagai asisten laboratorium fisika modern yang telah membimbing dalam melakukan praktikum, dan teman-teman yang telah membantu dalam melakukan praktikum.

DAFTAR PUSTAKA

[1]    Beiser, Arthur. 1987. Konsep Fisika Modern. Jakarta:Erlangga.

[2]    Giancoli, C. Douglas. 2001. FisikaJilid2EdisiKelima. Jakarta:Erlangga.

[3]    Halliday, Resnik.1999. Fisika Edisi 3 Jilid 2. Jakarta:Erlangga.

[4]    Lestie. 1978.SolarEnergy Conversion.New York: Permagon Press

[5]    Luque, Antonio. 2003. Handbook of Photovoltaic Sciences and Engineering. USA:Chichester.

[6]   Utami, Hesti.2000. Mengenal Cahaya dan Optik.  Ganesa, Jakarta Krane, Kenneth.S. 1992. Fisika Modern.Jakarta :UI Press.