2nd Asian Physics Olympiad

April/18/2001
Olimpiade Fisika Asia Kedua
TAIPEI, TAIWAN
Kompetisi Eksperimen
Kamis, 26 April 2001
Waktu : 5 jam
Silahkan baca ini lebih dahulu:
1. Gunakan pena yang diberikan oleh panitia.
2. Gunakan hanya bagian depan dari lembar jawaban dan kertas yang
diberikan
3. Dalam menjawab, gunakan sesedikit mungkin uraian kalimat.
Buatlah dalam bentuk persamaan, angka dan gambar/diagram.
Nilai angka hasil perhitungan akhir harus digaris bawahi.
4. Tulis pada lembar kertas yang kosong semua hasil pengukuran dan
apapun yang kamu anggap perlu dalam menjawab pertanyaan yang
diberikan yang kamu inginkan untuk diperiksa.
5. Sangat penting untuk mencantumkan nama negara, nomor
identitas anda (Student No.) dalam kotak pada bagian atas setiap
lembar jawaban. Anda juga harus untuk menuliskan untuk setiap
soal, nomor soal (Question No.), nomor halaman tersebut (Page
No.) dan jumlah total kertas yang anda gunakan dan anda ingin
untuk dikoreksi (Total No. of pages). Juga membantu jika
menuliskan nomor pertanyaan dan label dari bagian (Section
Label) yang kamu jawab pada awal dari setiap lembar menulis.
Jika kamu menggunakan beberapa kertas coretan yang kamu tidak
ingin untuk dikoreksi, berikan tanda silang besar dan jangan
ikutkan dalam penomoran anda
6. Setelah waktu test berakhir, letakan lembar jawaban dan grafik
kamu di tempat yang diperintahkan.
-1-
April/18/2001
Karakteristik Solar Cell
Baca dulu petunjuknya sebelum kerja. Alat gampang rusak bekerja hati-hati!
I. Latar belakang
Tujuan experiment: untuk mengeksplor karakteristik dasar dari solar cell.
Solar cell dapat menyerap gelombang elektromagnetik dan mengubah energi foton
yang diserapnya menjadi energi listrik.
Bagian terbesar solar cell adalah sebuah dioda. Hubungan arus dan tegangan
pada dioda di solar cell dalam arah forward (forward bias) ketika tidak ada
cahaya yang menyinarinya adalah:
I = Io(eV – 1),
Dengan Io dan  adalah konstan.
Suatu dioda terbuat dari suatu semikonduktor dengan jurang energi (band gap)
Ec – Ev (lihat Gb. 1). Ketika energi foton yang datang lebih besar dari jurang
energi ini, foton akan diserap oleh semikonduktor untuk membentuk pasangan
electron-hole. Elektron dan hole kemudian ditarik oleh medan listrik sehingga
timbullah photocurrent (photo current bisa juga dinamakan sebagai arus yang
dihasilkan oleh cahaya). Dalam solar cell tidak hanya photocurrent yang penting,
tetapi ada beberapa parameter lain yang akan kita investigasi.
electron
Ec
(pita konduksi)
photon
Jurang energi
Ev
(pita valensi)
hole
Fig. 1
Istilah penting:
(1)
Arus short-circuit (Isc) adalah arus output dari solar cell ketika rangkaian
luar di “short” (hambatan luarnya nol).
(2)
Tegangan open-circuit (Voc) adalah tegangan output solar cell ketika
rangkaian luar terbuka (yaitu hambatan luarnya tak hingga).
(3)
Pm adalah daya output maksimum dari solar cell yaitu nilai maksimum
perkalian arus keluar solar cell dengan tegangan solar cell IV.
-2-
April/18/2001
Filling factor (FF) didefinisikan sebagai Pm/(IscVoc), yang merupakan
suatu parameter penting untuk mengevaluasi kualitas solar cell.
Karena photocurrent dihasilkan oleh penyerapan foton oleh semikonduktor,
(4)
(5)
maka spectral respons photocurrent (grafik arus photocurrent sebagai
fungsi panjang gelombang) dapat digunakan untuk menentukan jurang
energi semikonduktor. Dengan mengetahui jurang energi ini kita dapat
menentukan terbuat dari material apa semikonduktor yang kita pakai itu.
Sebuah foton dengan energi lebih besar dari jurang energi semikonduktor
(6)
dapat memberikan photocurrent (Iph) di solar cell sebesar,
I ph  
0
C
N( )d ,
Dimana N(  ) adalah jumlah electron persatuan panjang gelombang yang
dihasilkan oleh foton dengan panjang gelombang . Sedangkan  c adalah
panjang gelombang cut-off dari filter optik (lihat besarnya  c pada Gb. 2,
Gb. 3, dan Gb. 4) dan o adalah panjang gelombang terpanjang yang dapat
menghasilkan photocurrent. Disini N(  ) boleh dianggap (pendekatan)
konstan dalam jangkauan spektrum cahaya tampak. Tiap filter optik yang
diberikan dalam eksperiment ini akan membuang semua sinar dengan
panjang gelombang yang lebih pendek dari  c . Itulah sebabnya spectral
response dari Iph dengan suatu filter optik dapat disederhanakan menjadi:
Iph  (o –  c ).
(7)
Energi foton dinyatakan dengan rumus E = 1240/; satuan panjang
gelombang foton ,  adalah nm (10-9m) dan satuan E adalah eV.
II. Peralatan dan material
(1) Sebuah solar cell dimasukkan dalam kotak hitam tertutup. Didalam kotak ini
solar cell dihubungkan dengan beberapa komponen listrik membentuk suatu
(2)
(3)
(4)
rangkaian.
Dua multimeter digital
Satu set batere (1.5 V  2)
Satu hambatan geser yang presisi (range 0-5 ksemuanya harus
dimanfaatkan) (Perhatian: hanya kabel warna kuning dan hitam saja yang
dihubungkan dengan batere. Kabel warna merah dihubungkan
kerangkaian luar, tidak boleh dihubungkan langsung dengan batere,
berbahaya).
-3-
April/18/2001
(5)
Sumber cahaya lengkap dengan power supplai.
(6)
(7)
Dua polarizer (Catatan: polarizer ini kurang efektif untuk cahaya yang
panjang gelombangnya lebih pendek dari panjang gelombang cut-off dari
filter kuning).
Filter optik merah, oranye dan kuning masing-masing 1 buah (perhatikan
(8)
Gb. 2, Gb. 3, dan Gb. 4. Arti transmission pada gambar ini adalah
perbandingan intensitas cahaya yang keluar filter terhadap intensitas cahaya
masuk)
Suatu penyangga optik untuk filter optik atau polarizer (Catatan: ketika
(9)
dibutuhkan untuk eksperimen, filter optik dan polarizer dapat dipasang
bersama-sama pada penyangga yang sama).
Satu bangku optik (optical bench)
(10) Penghubung komponen-komponen listrik berupa 6 buah pegas. Ini cara
unik untuk menghubungkan kabel-kabel listrik. Bengkokkan pegas
kemudian masukkan ujung kabel-kabel yang akan dihubungkan dalam pegas
itu (lihat gambar!)
(11) Satu penggaris 45 cm
(12) Kertas grafik biasa (10 lembar), kertas semi-log (5 lembar).
(13) Dua papan penghalang cahaya.
(Catatan: Untuk menghindari kerusakan, polarizer dan filter harus diletakkan pada
jarak sejauh mungkin dari sumber cahaya).
1
Transmission
0.8
Red filter
c = 587 nm
0.6
0.4
0.2
0
400 450 500 550 600 650 700 750 800
Wavelength (nm)
Gb. 2
-4-
April/18/2001
1
Organge filter
c = 557 nm
Transmission
0.8
0.6
0.4
0.2
0
400 450 500 550 600 650 700 750 800
Wavelength (nm)
Gb. 3
1
Yellow filter
c = 470 nm
0.8
Transmission
\
0.6
0.4
0.2
0
400 450 500 550 600 650 700 750 800
Wavelength (nm)
Gb. 4
III. Langkah eksperimen:
(1) Mengukur karakteristik forward bias ( 3 poin)
Mengukur karakteristik forward bias (hati-hati jangan sampai dioda terbalik)
I sebagai fungsi V dari suatu solar cell ketika solar cell tidak disinari oleh
sumber cahaya yang diberikan.
a. Gambar diagram rangkaian listrik yang kamu gunakan.
b. Gambar kurva I sebagai fungsi V. Gambar juga hubungan I dan V untuk
menentukan nilai  dan Io. Hitung nilai  dan I0 (gunakan pendekatan
jika diperlukan).
(2) Mengukur karakteristik solar cell ( 7 poin)
Mengukur karakteristik solar cell ketika solar cell disinari oleh cahaya putih
dari sumber cahaya tanpa dirangkaikan dengan batere (Catatan: jarak antara
sumber cahaya dan kotak solar cell harus dipertahankan tetap sama yaitu
-5-
April/18/2001
30 cm seperti pada Gb. 5. Jarak yang terlalu dekat akan merusak solar cell
anda!)
Sumber cahaya
Kotak solar cell
30 cm
Bangku optik
Gb. 5
a.
b.
c.
d.
e.
f.
Gambar diagram rangkaian listrik yang Anda gunakan.
Ukur arus short-circuit (arus singkat), Isc.
Ukur tegangan open-circuit (rangkaian terbuka), Voc.
Ukur berbagai pasangan nilai I dan V dari
solar cell dengan
mengubah-ubah besar hambatan geser. Gambar kurva I sebagai fungsi
V.
Gambar grafik daya sebagai fungsi hambatan geser dan tentukan daya
output maksimum Pm dari solar cell.
Tentukan hambatan luar (hambatan beban) ketika daya ouputnya
maksimum.
g. Hitung filling factor, FF  Pm/(IscVoc)
(3)
(Pertanyaan (3) : 3.0 poin)
Anggap solar cell yang disinari oleh cahaya putih dapat dimodelkan sebagai
suatu alat yang terdiri suatu sumber arus konstan (namakan Iph) yang diparalel
dengan dioda ideal dan dengan hambatan Rsh kemudian diseri dengan
hambatan Rs,
a.
Gambar diagram rangkaian listrik yang ekivalen dengan solar sel
menurut model diatas.
b. Cari secara teoritis hubungan antara I (arus yang keluar rangkaian) dan
V(tegangan rangkaian) untuk rangkaian listrik tersebut. Nyatakan dalam
suku R sh , R s , Iph (sumber arus konstan), dan Id (arus yang melalui
dioda).
-6-
April/18/2001
c.
Anggap R sh = tak hingga dan R s = 0, cari hubungan antara I dan V,
buktikan bahwa ini dapat ditulis sebagai:
I

Voc   1n sc  1
 I0

dengan Voc adalah tegangan open-circuit, Isc adalah arus short-circuit,
dan I0,  adalah konstan yang didefinisikan pada persamaan di awal
teks.
(4)
Menentukan efek penyinaran. ( 4 poin)
a. Ukur dan gambar hubungan Isc vs. intensitas cahaya relatif
(perbandingan intensitas cahaya yang keluar dari kedua polarizer
dengan intensitas keluaran maksimum), dan tentukan kira-kira apa
hubungan matematika antara Isc dengan intensitas cahaya relatif.
b. Ukur dan gambar Voc vs. intensitas cahaya relatif, dan tentukan kirakira apa hubungan matematika antara Voc dengan intensitas cahaya
relatif.
(5)
Menentukan panjang gelombang respons solar cell. ( 3.0 poin)
a. Ukur dan gambar Isc sebagai fungsi panjang gelombang cut-off untuk
berbagai nilai intensitas cahaya relatif. Lakukan ini untuk ketiga filter
optik.
b. Perkirakan panjang gelombang terpanjang dimana solar cell masih
berfungsi secara baik.
c. Dengan mengacu pada hasil dan teori diatas tentukan jenis material
penyusun semikonduktor dalam solar cell ini (Hint: jurang energi yang
digunakan dalam semikonduktor secara umum adalah InAs: 0.36 eV,
Ge: 0.67 eV, Si: 1.1 eV, amorphous Si(a-Si : H): 1.7 eV, GaN: 3.5 eV)
-7-