(Kurva IV) pada Sel Tunggal Polikristal Silikon - HFI DIY

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY
163
Studi Karakteristik Arus-Tegangan (Kurva I-V) pada Sel Tunggal
Polikristal Silikon serta Pemodelannya
Karina A, Satwiko S
Universitas Negeri Jakarta, Jl. Pemuda No 10, Rawamangun, Jakarta
e-mail: [email protected]
Abstrak – Sel surya merupakan salah satu sumber energi listrik terbarukan, parameter dari sel surya dapat diperoleh
melalui karakteristik arus-tegangan antara lain, arus hubungan singkat (Isc), tegangan rangkain terbuka (Voc), daya
maksimum dan nilai Fill Factor. Sel surya dapat dimodelkan sebagai sumber arus yang diparalelkan dengan diode
berdasarkan persamaan diode Schockley. Dengan menggunakan sumber cahaya dari lampu xenon serta sel tunggal
polikristal silikon diletakan dalam ruang cermin diperoleh bentuk karakteristik arus-tegangan bila dibandingan dengan hasil
pemodelan diperoleh kesamaan bentuk namun masih diperlukan analisis lebih lanjut. Dari hasil pemodelan diketahui
karakteristik sel tunggal polikristal yang digunakan dipengaruhi adanya kenaikan hambatan seri (Rs). Bentuk karakteristik
tersebut dipengaruhi adanya parameter lingkunagan yaitu iradiansi dan temperatur. Perubahan tegangan terhadap
temperatur sekitar 0.02433 V/oC saat disinari lampu xenon pada jarak 11 cm. Penggunaan blower sangat membantu dalam
menjaga kestabilan temperatur dalam ruang cermin. Dengan menggunakan sumber cahaya yang berbeda arus meningkat
sebanding dengan intensitas cahaya yang digunakan sumber lampu xenon dengan daya 100 watt dan 200 watt yang
diletakkan pada jarak 11 cm tegak lurus terhadap permukaan sel mendapatkan nilai Voc sebesar 0.397 V dan 0.500 V serta
nilai Isc 0.104 A dan 0.153 A. Nilai Fill Factor dari sel tunggal polikristal yang digunakan bernilai 0.3 hingga 0.5 dengan
sumber cahaya lampu yang berbeda. Daya keluaran maksimal didapat saat disinari lampu xenon 200 watt pada jarak 11 cm
dengan blower yaitu sebesar 0.042 watt.
Kata kunci: sel surya, karakteristik arus-tegangan, sel tunggal
I. PENDAHULUAN
Energi merupakan kebutuhan mendasar dalam kehidupan
di dunia, sehingga kebutuhan energi di dunia terus
meningkat. Untuk memenuhi kebutuhan tersebut perlu
dikembangkan berbagai energi alternatif, yaitu energi
terbarukan. Energi matahari sangat berpotensi sebagai
energi terbarukan, karena ketersediannya melimpah di alam
dan tidak akan habis. Salah satu upaya dilakukan dalam
pemanfaatan energi matahari yaitu dikembangkannya
teknologi sel surya. Teknologi sel surya merupakan
teknologi konversi, dengan mengubah energi matahari
menjadi energi listrik.
Sel surya dibedakan menjadi beberapa macam, antara lain
monokristal silikon, polikristal silikon dan amorf silikon.
Polikristal lebih banyak dipakai saat ini karena proses
pembuatannya lebih mudah dengan tingkat efisiensi yang
sedang.
Karakteristik dari sel surya dapat dilihat dari parameterparameter pada kurva IV seperti arus hubung singkat (Isc),
tegangan rangkaian terbuka (Voc) dan faktor pengisian (FF).
Dalam mengembangkan sel surya dalam penerapan praktis
maka perlu diketahui karakteristik listrik sel surya baik
secara teoritis maupun eksperimen.
II. SEL FOTOVOLTAIK
A. Model Sel fotovoltaik
Sel surya adalah sel semikonduktor sebagai sumber energi
listrik Sel surya terdiri dari sel tunggal dalam sususnan seriparalel membentuk modul/panel surya dan menjadi array
apabila terdiri dari kumpulan modul/panel surya. Ketika sel
atau modul disusun secara seri maka akan menghasilkan
arus yang sama dan teganga bertambah sedangakan dalam
susunan paralel akan menghasilkan teganagan yang sama
namun jumlah arus lebih besar. Sifat dari sel surya adalah
nonlinear, sehingga untuk memahami arus dan tegangannya
tidak mudah diungkapkan secara matematik. Untuk dapat
menjelaskan keadaan arus dan tegangan pada sel surya yang
diberi radiasi iluminasi, maka ditinjau terlebih dahulu
bentuk rangkaian pengganti sel surya.
Sel surya dapat dimodelkan sebagai sumber arus yang
diparalelkan dengan diode. Ketika tidak ada cahaya untuk
membangkitkan arus listrik, maka sel surya berjalan seperti
diode (ID). Ketika intensitas cahaya meningkat maka sel
surya berfungsi sebagai sumber energi dan arus (IL) atau
fotolistrik dapat dibangkitkan oleh sel surya tersebut [1]. Sel
surya biasanya dapat dimodelkan dengan rangkaian
pengganti satu diode [2] seperti pada Gambar 1.
Gambar 1. Rangkaian ekuivalen pada sel tunggal.
Model tersebut terdiri dari sumber arus fotolistrik (IL),
satu diode dan hambatan seri Rs dimana menggambarkan
hambatan dalam tiap sel dan koneksi antara sel. Arus yang
didapat adalah selisih antara arus fotolistrik (IL) dan arus
diode ID.
Persamaan dasar dari teori semikonduktor yang dapat
menjelaskan kurva IV secara matematik pada sel fotovoltaik
ideal adalah
 q (V + IRs ) 

 V + Rs I
I = Il − I D = I l − I 0  e nkT − 1 −
(1)
Rsh




ISSN 0853-0823
164
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY
dengan
IL
I0
q
V
I
Rs
Rsh
n
k
T
= arus akibat sel surya disinari
= arus saturasi diode (ampere)
= muatan elektron, 1,602×10-19 C
= tegangan keluaran (volt)
= arus keluaran (ampere)
= hambatan seri pada sel (Ω)
= hambatan paralel pada sel (Ω)
= faktor ideal diode (antara 1 sampai 2)
= konstanta Boltzman, 1,38 × 10-23 J/K
= temperatur sel (kelvin).
Pada persamaan (1) banyak terdapat parameter yang
nantinya mempengaruhi kurva karakteristik arus-tegangan,
antara lain temperatur mempengaruhi arus fotolistrik,
tegangan open circuit, dan arus saturasi.
I L (T ) = I L (Tref ) + α (T − Tref )
I L (Tref ) = I SC (Tref )
G
Gref
beda. Kurva IV menggambarkan sifat dari sel surya secara
lebih lengkap.
Gambar 2 menunjukkan ketika sel dihubungkan dengan
beban (R). Beban memberi hambatan sebagai garis linear
dengan garis I/V = I/R. Hal tersebut menunjukkan daya yang
didapat bergantung pada nilai resistansi. Jika R kecil maka
sel beroperasi pada daerah kurva MN, dimana sel beroperasi
sebagai sumber arus yang konstan atau arus short circuit.
Pada sisi lain, jika R besar, sel beroperasi pada daerah kurva
PS, dimana sel beroperasi sebagai sumber tegangan yang
konstan atau tegangan open-circuit. Jika dihubungkan
dengan dengan hambatan optimal Ropt berarti sel surya
menghasilkan daya maksimal dengan tegangan maksimal
dan arus maksimal [3].
(2)
(3)
I SC (Tref )
I 0 (Tref ) = qV (T )
OC ref
(4)
nkT
ref
e
−1
Voc (T) = Voc(Tref) + β(T-Tref)
dengan G iradiasi, α koefisien arus, β koefisien temperatur
tegangan, n faktor ideal diode (antara 1 sampai 2), dan I0
arus saturasi diode yang besarnya bergantung pada
temperatur [2].
Indeks ref menunjukkan keadaan STC (Standard Test
Condition) berdasarkan standar internasional IEC
(International
Electrotechnical
Commisson).
Nilai
Tref = 250C dan Gref = 1000 W/m2.
Hambatan seri Rs menunjukkan hambatan dalam setiap
sel yang dihubungkan secara seri antara sel.
Rs = −
dV
1
−
dlVOC XV
q
X v = I 0 (T1 )
e
nkT1
qVOC (T1 )
nkT1
(6)
−
1
Xv
Gambar 2. Karakteristik arus tegangan (kurva I-V)
(5)
(7)
Nilai Rs memberikan pengaruh yang lebih besar saat sel
surya beroperasi di daerah sumber tegangannya, sedangkan
hambatan paralel (Rshunt) berpengaruh saat sel surya
beroperasi di daerah sumber arus. Sel surya yang ideal
adalah yang memiliki nilai Rshunt yang sangat besar dan nilai
Rs sangat kecil ( Rs = 0 dan Rshunt= ∞).
B. Karakteristik pada Sel Fotovoltaik (Kurva IV)
Sel fotovoltaik adalah sebuah alat non-linear, sehingga
untuk memahami karakteristiknya digunakan suatu grafik.
Sifat elektrik dari sel fotovoltaik dalam menghasilkan energi
listrik dapat diamati dari karakteristik listrik sel tersebut,
yaitu berdasarkan arus dan tegangan yang dihasilkan sel
fotovoltaik pada kondisi cahaya dan beban yang berbeda-
C. Parameter pada kurva IV
Parameter yang biasa digunakan untuk menentukan
output karakteristik dari sel fotovoltaik, yaitu:
1. Arus hubungan terbuka atau short circuit current (Isc)
adalah arus keluaran maksimum dari sel surya pada
kondisi tidak ada resistansi.
2. Tegangan rangkaian terbuka atau open circuit voltage
(Voc) adalah kapasitas tegangan maksimum yang dapat
dicapai pada saat tidak adanya arus.
3. Daya maksimum (Pmax) pada gambar 2 berada pada
titik A (Vmax, Imax).
4. Faktor Pengisian atau Fill factor (FF) merupakan harga
yang mendekati konstanta
suatu sel fotovoltaik
tertentu. Perbandingan antara daya maksimum yang
didapat pada beban dan dengan perkalian Isc dan Voc.
5. Jika nilai fill factor lebih tinggi dari 0.7 maka sel
tersebut lebih baik [3].
D. Pemodelan Marcelo Gradella Villalva
Dalam perancangan simulasi fotovoltaik dibutuhkan
beberapa parameter untuk mendapatkan kurva karakteristik
yang sesuai dengan datasheet. Metode dalam pemodelan
dan simulasi oleh Marcelo Gradella Villalva (2009)
dikerjakan untuk mendapatkan parameter dari persamaan
nonlinear I×V dengan menyesuaikan tiga titik pada kurva
yaitu arus hubungan singkat (Isc), daya maksimum (Pmax)
dan tegangan rangkaian terbuka (Voc). Tiga titik tersebut
didapat dari datasheet fotovoltaik.
Metode tersebut mendapatkan fungsi arus tegangan
(kurva IV) untuk model fotovoltaik diode tunggal termasuk
pengaruh hambatan seri dan paralel dan daya maksimum
model yang disesuaikan dengan nilai sebenarnya. Dari
pemodelan tersebut dapat diketahui pengaruh parameter
ISSN 0853-0823
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY
165
lingkungan pada fungsi arus tegangan, yaitu temperatur dan
iradiansi.
III. EKSPERIMEN
Eksperimen dilakukan dalam medapatkan parameterparameter yang dihasilkan oleh sel tunggal polikristal.
Dengan membuat rangkaian pengukuran arus dan tegangan
keluaran pada sel tunggal polikristal dilengkapi dengan
cermin datar sebagai pemantul cahaya lampu xenon yang
digunakan. Lampu xenon adalah lampu polikromatik yaitu
lampu yang memiliki sinar-sinar yang dapat diuraikan atas
beberapa komponen warna yang memiliki spektrum cahaya
seperti spektrum cahaya matahari. Hasilnya kemudian
ditampilkan dalam kurva I-V. Dalam pemodelan secara teori
juga didapatkan bentuk kurva IV sehingga dapat dilakukan
perbandingan antara hasil pengukuran dengan hasil teori.
diketahui parameter model antara lain IL, Io, Rs, Rp dimana
mewakili sifat fisik dari sel tunggal polikristal. Kelima
parameter tersebut berhubungan dengan dua parameter
lingkungan yaitu iradiansi dan temperatur. Besaranya arus
yang dipengaruhi oleh temperatur yaitu arus saturasi diode
(Io) dan arus ketika sel tunggal polikristal silikon dikenai
cahaya/fotolistrik (IL).
Gambar 4. Kurva karakteristik arus tegangan sel tunggal polikristal
pada intensitas lampu yang berbeda.
blower
Parameter
TABEL 1. NILAI PARAMETER PEMODELAN SEL TUNGGAL
POLIKRISTAL
Io
IL
Rp
Rs
Gambar 3. Desain pengukuran arus-tegangan pada ruang cermin
dengan blower.
IV. HASIL
A. Pemodelan
Pada saat pengambilan data sel tunggal polikristal silikon
diletakkan di dalam ruang cermin yang tertutup. Sehingga
ketika sumber cahaya dari lampu yang digunakan tidak
dinyalakan, alat ukur tidak mendeteksi adanya pengaruh dari
cahaya lain di luar ruang cermin tersebut. Hal ini mungkin
saja karena cahaya datang tidak sampai pada permukaan sel
surya, intensitas cahaya sangat lemah dan frekuensi cahaya
tersebut sangat kecil sehingga energinya pun kecil tidak
dapat mengeksitasi elektron yang ada dalam sel tersebut.
Untuk mengamati pengaruh perubahan arus terhadap
tegangan sel tunggal polikristal silikon secara keseluruhan,
beban hambatan yang digunakan harus disesuaikan dengan
intensitas cahaya pada eksperimen ini. Semakin besar
intensitas cahaya secara proposional akan menghasilkan
arus yang besar. Karakteristik I-V yang ditunjukkan pada
Gambar 4 diamati saat sel tunggal polikristal silikon disinari
oleh sumber lampu xenon dengan daya 100 watt dan 200
watt yang diletakkan pada jarak 11 cm tegak lurus terhadap
permukaan sel.
Dalam pemodelan sel tunggal polikristal silikon ini
dianalisa dengan parameter-parameter yang dapat
mempengaruhi kinerja yang dihasilkan oleh sel tunggal
polikristal silikon tersebut. Model sederhana dari diode
tunggal digunakan untuk memperkirakan parameter elektrik
dari sel surya. Dari hasil pemodelan pada Gambar 4 dan 5
100 watt
11 cm
200 watt
11 cm
-7
7,190×10 A
0,104 A
1,554× 103Ω
1,600 Ω
4,764×10-8
0,153 A
2,334×103 Ω
0,860 Ω
Hasil pemodelan pada Gambar 5 dan Gambar 6 dari data
eksperimen didapatkan bentuk karakteristik IV sel tunggal
polikristal silikon dengan sumber cahaya lampu xenon 100
watt dan 200 watt pada kurva berwarna biru. Bila
dibandingkan dengan hasil pemodelan karakteristik I-V
yang ideal diketahui hasil eksperimen dari sel tunggal
polikristal dipengaruhi oleh hambatan seri (Rs) pada kurva IV. Rs tersebut menjadikan penurunan bentuk kurva pada saat
tegangan hampir konstan. Selain itu hambatan paralel (Rp)
sedikit berpengaruh pada bentuk kurva IV, yaitu menjadikan
penurunan pada bentuk kurva saat arus hampir konstan.
Gambar 5. Pengaruh hambatan seri pada karakteristik arustegangan dengan sumber lampu xenon 100 watt.
B. Pengaruh Temperatur Terhadap Kurva IV
Temperatur dalam eksperimen ini dikondisikan pada dua
keadaan yang berbeda yaitu dengan blower dan tanpa
ISSN 0853-0823
166
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY
blower. Dengan menggunkan rangkaian sensor pengukur
suhu LM-35, sehingga dapat mengamati keadaan
lingkungan di dalam ruang cermin. Sedangakan temperatur
dari sel tunggal polikristal diukur menggunakan
thermometer infrared.
Gambar 6. Pengaruh hambatan seri pada karakteristik arustegangan dengan sumber lampu xenon 200 watt.
Ketika pengukuran dilakukan tanpa menghidupkan
blower, suhu sekitar sel meningkat sehingga memungkinkan
suhu pada permukaan sel tersebut ikut meningkat. Namun
hal ini diatasi dengan cara menyinari lampu untuk beberapa
lama hingga kenaikan suhu akibat radiasi dari sinar lampu
xenon tersebut tidak terlalu cepat, maka dilakukan
pengukuran.
Pengukuran dengan menggunakan blower,dinilai cukup
membantu dalam menjaga kestabilan dalam ruang cermin
yaitu membuang suhu panas yang berada disekitar
permukaan sel. Suhu pada pengukuran ini lebih rendah
dibandingkan dengan pengukuruan tanpa blower. Hal ini
dapat diamati dengan besarnya perbedaan karakteristik arustegangan antara tanpa blower dan dengan blower. Pada
gambar 6 terlihat adanya pergeseran pada kurva I-V karena
adanya perbedaan suhu.
Suhu lingkungan saat pengukuran dengan blower adalah
30°C dan suhu ketika blower dimatikan 34°C. Pada grafik
diamati bahwa semakin tinggi suhu, karakteristik arustegangan pada sel tunggal polikristal bergeser. Saat
menggunakan blower didaptkan nilai Voc sebesar 0,37025 V
sedangkan tanpa blower nilai Voc sebesar 0,33725V atau
menurun sekitar 0,00825 V/oC.
V. KESIMPULAN
Setelah melakukan pengukuran terhadap arus dan
tegangan untuk mendapatkan karakteristik dari sel tunggal
polikristal silikon dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Karakteristik arus tegangan pada sel tungal polikristal
dipengaruhi oleh iradiansi dan temperatur.
2. Penggunaan blower pada ruang cermin dapat menjaga
kondisi temperatur di dalamnya, secara tidak langsung
menjaga temperatur di permukaan sel tunggal polikristal
silikon.
3. Perubahan tegangan terhadap temperatur sekitar 0,02433
V/°C saat disinari lampu xenon 200 watt pada jarak 11
cm dan sekitar 0,00825 V/°C saat disinari lampu xenon
100 watt pada jarak 23 cm.
4. Hambatan seri (Rs) sangat berpengaruh pada
karakteristik arus-tegangan sel tunggal polikristal silikon
dari hasil eksperimen ini.
5. Fill Factor dari sel tunggal polikristal yang digunakan
dalam eksperimen ini bernilai antara 0,37 hingga 0,55.
6. Daya keluaran maksimal sel tunggal polikristal silikon
saat disinari dengan sumber lampu xenon 200 watt pada
jarak 11 cm, yaitu sebesar 0,042 watt.
PUSTAKA
[1]
[2]
[3]
Fahrenbruch, Alan L. “Fundamental of Solar Cell.” New York:
Academic Press,Inc, 1983.
Lorenzo, E. “Solar Electricity Engineering of Photovoltaic System”.
Spain: Artes Graficas Gala, S.L, 1994.
Hansen, Anca D dkk. “Model for a Stand-Alone PV System.”
Roskilde: Riso National Laboratory, 2000.
Gambar 7. Pengaruh perbedaan suhu terhadap
karakteristik arus-tegangan pemodelan.
ISSN 0853-0823