1

Physical Aspects of Solar Cell Efficiency

Light With Too Little Or Too Much Energy

Rifani Magrissa

Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Negeri Padang, Padang

Tinjauan Pustaka

1. Sel Surya

Sel surya merupakan salah satu produk teknologi fotovoltaik yang dikembangkan

pada bahan semikonduktor (silikon multikristal, monokristal, dan amorf) yang mampu

menyerang gelombang elektromagnetik dan konversi energi cahaya (photon) menjadi energi

listrik secara langsung. Prinsip sel surya merupakan kebalikan dari LED (Light Emitting

Diode) yang mengubah energi listrik menjadi cahaya atau boleh dikatakan identik dengan

sebuah dioda cahaya (photodioda) sambung p-n (p-n junction) dengan cahaya energi (band

gap) E, Ev. Ketika energi foton yang datang lebih besar dari celah energi ini maka foton akan

diserap oleh semikonduktor untuk membentuk pasangan electron-hole sebagai pembawa

muatan (carrier). Selanjutnya elektron dan hole bergerak berturut-turut ke arah lapisan n dan

p sehingga timbul beda potensial dan photocurrent (arus yang dihasilkan oleh cahaya) ketika

kedua muatan melintasi daerah sambung p-n.

Gambar 1. Skema Sel Surya yang mengalami Penyinaran [3]

Pada sel surya dibutuhkan material yang dapat menangkap matahari dan energi

tersebut digunakan untuk memberikan energi ke elektron agar dapat berpindah dari gapnya

kepita konduksi dan kemudian dapat berpindah ke rangkaian luar.

2

Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan elektron

dan hole pada semikonduktor tersebut. Lepasnya pambawa muatan tersebut mengakibatkan

penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi. Adanya kelebihan muatan ini akan

mengakibatkan muatan ini bergerak karena adanya medan listrik pada daerah deplesi. Pada

keadaan ini, arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara keseluruhan dihasilkan

arus berupa arus drift, yaitu arus yang dihasilkan karena kemunculan medan listrik. Arus

inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya sambungan p-n sebagai arus listrik.

Sel surya merupakan suatu devais semikonduktor yang dapat menghasilkan listrik

jika diberikan sejumlah energi cahaya. Proses penghasilan energi listrik itu diawali dengan

proses pemutusan ikatan elektron pada atom-atom yang tersusun dalam kristal

semikonduktor ketika diberikan sejumlah energi (hf). Salah satu bahan semikonduktor yang

biasa digunakan sebagai sel surya adalah kristal silikon.

Panel surya adalah alat yang terdiri dari sel surya yang mengubah cahaya menjadi

listrik. Mereka disebut surya atas matahari atau "sol" karena matahari merupakan sumber

cahaya terkuat yang dapat dimanfaatkan. Panel surya sering kali disebut sel photovoltaic,

photovoltaic dapat diartikan sebagai "cahaya-listrik". Sel surya atau sel PV bergantung pada

efek photovoltaic untuk menyerap energi matahari dan menyebabkan arus mengalir antara

dua lapisan bermuatan yang berlawanan.

Cara kerja sel surya sendiri sebenarnya identik dengan piranti semikonduktor dioda.

Ketika cahaya bersentuhan dengan sel surya dan diserap oleh bahan semi-konduktor, terjadi

pelepasan elektron. Apabila elektron tersebut bisa menempuh perjalanan menuju bahan semi-

konduktor pada lapisan yang berbeda, terjadi perubahan sigma gaya-gaya pada bahan. Gaya

tolakan antar bahan semi-konduktor, menyebabkan aliran medan listrik. Dan menyebabkan

elektron dapat disalurkan ke saluran awal dan akhir untuk digunakan pada perabot listrik.

Prinsip kerja sel surya yaitu cahaya yang jatuh pada sel surya menghasilkan elektron

yang bermuatan positif dan hole yang bermuatan negatif. Elektron dan hole mengalir

membentuk arus listrik. Sel surya merupakan sebuah piranti yang mampu mengubah secara

langsung energi cahaya menjadi energi listrik. Proses pengubahan energi ini terjadi melalui

efek fotolistrik.

Absorpsi cahaya oleh sel-sel organik menyebabkan sebuah keadaan eksitasi yang

dikenal sebagai exciton atau pasangan elektron-lubang (electron-hole). Elektron dan lubang

terpisah satu sama lain dan dibawa melalui molekul donor dan akseptor ke elektroda,

menghasilkan sebuah arus listrik (photocurrent). Proses konversi cahaya secara langsung

menjadi listrik ini dikenal sebagai fotovoltaik dan harus dioptimasi untuk sel-sel surya

organik agar menjadi efisien. Banyak upaya yang telah dilakukan untuk mencari molekul

3

donor dan akseptor yang cocok dan pengaturannya pada sebuah permukaan elektroda yang

berskala nanometer. [3]

Pada saat sumber cahaya tiba-tiba dimatikan, maka konsentrasi masing-masing

elektron dan hole akan kembali pada saat awal dimana belum diberi cahaya. Proses

kembalinya konsentrasi masing-masing elektron dan hole pada keadaan semula ini dikenal

sebagai proses rekombinasi. Jadi pada sel surya tidak akan ada penyimpanan energi, energi

akan hilang begitu terjadi proses rekombinasi.

Besarnya energi cahaya yang dapat diserap oleh sel surya adalah bergantung terhadap

besarnya energi foton dari sumber cahaya. Besar energi cahaya yang mungkin dapat diserap

oleh sel surya. [5]

E = hf ....( 1 )

Sampai saat ini modul sel surya komersial memiliki efisiensi berkisar antara 5 hingga

15 persen tergantung material penyusunnya. Tipe silikon kristal merupakan jenis piranti sel

surya yang memiliki efisiensi tinggi meskipun biaya pembuatannya relatif lebih mahal

dibandingkan jenis sel surya lainnya. Tipe modul sel surya inilah yang banyak beredar di

pasaran. [3]

2. Efek Fotovoltaik

Menurut bahasa, kata Fotovoltaik berasal dari bahasa Yunani photos yang berarti

cahaya dan volta yang merupakan nama ahli fisika dari Italia yang menemukan tegangan

listrik. Secara sederhana dapat diartikan sebagai listrik dari cahaya. Fotovoltaik merupakan

sebuah proses untuk mengubah energi cahaya menjadi energi listrik. Proses ini bisa dikatakan

kebalikan dari penciptaan laser.

Efek Fotovoltaik pertama kali berhasil diidentifikasi oleh seorang ahli Fisika

berkebangsaan Prancis Alexandre Edmond Becquerel pada tahun 1839. Baru pada tahun

1876, William Grylls Adams bersama muridnya, Richard Evans Day menemukan bahwa

material padat selenium dapat menghasilkan listrik ketika terkena paparan sinar. Dari

percobaan tersebut, meskipun bisa dibilang gagal karena selenium belum mampu

mengonversi listrik dalam jumlah yang diinginkan, namun hal itu mampu membuktikan

bahwa listrik bisa dihasilkan dari material padat tanpa harus ada pemanasan ataupun bagian

yang bergerak. Tahun 1883, Charles Fritz mencoba melakukan penelitian dengan melapisi

semikonduktor selenium dengan lapisan emas yang sangat tipis. Fotovoltaik yang dibuatnya

menghasilkan efisiensi kurang dari 1 %.

4

Perkembangan berikutnya yang berhubungan dengan ini adalah penemuan Albert

Einstein tentang efek fotolistrik pada tahun 1904. Tahun 1927, Fotovoltaik dengan tipe yang

baru dirancang menggunakan tembaga dan semikonduktor copper oxide. Namun kombinasi

ini juga hanya bisa menghasilkan efisiensi kurang dari 1 %. Pada tahun 1941, seorang peneliti

bernama Russel Ohl berhasil mengembangkan teknologi sel surya dan dikenal sebagai orang

pertama yang membuat paten peranti solar cell modern. Bahan yang digunakan adalah silicon

dan mampu menghasilkan efisiensi berkisar 4%. Barulah kemudian di tahun 1954, Bell

Laboratories berhasil mengembangkannya hingga mencapai efisiensi 6% dan akhirnya 11%.

Pada tengah hari yang cerah radiasi sinar matahari mampu mencapai 1000 watt permeter

persegi. Jika sebuah piranti semikonduktor seluas satu meter persegi memiliki efisiensi 10

persen, maka modul sel surya ini mampu memberikan tenaga listrik sebesar 100 watt.

Efek fotolistrik ini terjadi pada suatu sel yang terbuat dari bahan semikonduktor.

Karena sifatnya, sel ini kemudian disebut sebagai sel fotovoltaik (photovoltaic cell) atau

sering juga disebut sebagai sel surya (solar cell). Sel fotovoltaik merupakan komponen

terkecil di dalam sistem energi surya fotovoltaik (SESF). Sinar matahari yang menimpa

permukaan sel diubah secara langsung menjadi listrik sebagai akibat terjadinya pergerakan

pasangan electron-hole, sebagaimana digambarkan pada skema dibawah ini. Teknologi sel

fotovoltaik yang tersedia dewasa ini masih didominasi oleh jenis sel dengan teknologi kristal,

baik mono- maupun poli-kristal, khususnya dari bahan dasar silikon. [3]

Gambar 2. Sel Fotovoltaik [3]

3. Efek Fotolistrik

Efek fotolistrik adalah pengeluaran elektron dari suatu permukaan (biasanya logam)

ketika dikenai, dan menyerap radiasi elektromagnetik (seperti cahaya tampak dan radiasi

ultraviolet) yang berada di atas frekuensi ambang tergantung pada jenis permukaan. Istilah

lama untuk efek fotolistrik adalah efek Hertz (yang saat ini tidak digunakan lagi). Hertz

5

mengamati dan kemudian menunjukkan bahwa elektroda diterangi dengan sinar ultraviolet

menciptakan bunga api listrik lebih mudah.

Efek fotolistrik merupakan peristiwa terpentalnya sejumlah elektron pada permukaan

sebuah logam ketika disinari seberkas cahaya yang besar energinya bergantung pada

frekuensi cahaya. Pada sel surya energi foton akan diserap oleh elektron sehingga elektron

akan terpental keluar menghasilkan arus dan tegangan listrik.

Efek fotolistrik membutuhkan foton dengan energi dari beberapa elektron volt sampai

lebih dari 1 MeV unsur yang nomor atomnya tinggi. Studi efek fotolistrik menyebabkan

langkah-langkah penting dalam memahami sifat kuantum cahaya, elektron dan

mempengaruhi pembentukan konsep dualitas gelombang partikel. Fenomena dimana cahaya

mempengaruhi gerakan muatan listrik termasuk efek fotokonduktif (juga dikenal sebagai

fotokonduktivitas atau photoresistivity, efek fotovoltaik, dan efek fotoelektrokimia.

Foton dari sinar memiliki energi karakteristik yang ditentukan oleh frekuensi cahaya.

Dalam proses photoemission, jika elektron dalam beberapa bahan menyerap energi dari satu

foton dan dengan demikian memiliki lebih banyak energi daripada fungsi kerja (energi ikat

elektron) dari materi, itu dikeluarkan. Jika energi foton terlalu rendah, elektron tidak bisa

keluar dari materi. Peningkatan intensitas sinar meningkatkan jumlah foton dalam berkas

cahaya, dan dengan demikian meningkatkan jumlah elektron tetapi tidak meningkatkan

energi setiap elektron yang dimiliki. Energi dari elektron yang dipancarkan tidak tergantung

pada intensitas cahaya yang masuk, tetapi hanya pada energi atau frekuensi foton individual.

Ini adalah interaksi antara foton dan elektron terluar.

Elektron dapat menyerap energi dari foton ketika disinari. Semua energi dari satu

foton harus diserap dan digunakan untuk membebaskan satu elektron dari atom yang

mengikat, atau energi dipancarkan kembali. Jika energi foton diserap, sebagian energi

membebaskan elektron dari atom, dan sisanya dikontribusi untuk energi listrik kinetik

elektron sebagai partikel bebas.

Hukum emisi fotolistrik:

1. Untuk logam dan radiasi tertentu, jumlah fotoelektron yang dikeluarkan

berbanding lurus dengan intensitas cahaya yang digunakan.

2. Untuk logam tertentu, terdapat frekuensi minimum radiasi, di bawah frekuensi

ini fotoelektron tidak bisa dipancarkan.

3. Di atas frekuensi tersebut, energi kinetik yang dipancarkan fotoelektron tidak

bergantung pada intensitas cahaya, namun bergantung pada frekuensi cahaya.

4. Perbedaan waktu dari radiasi dan pemancaran fotoelektron sangat kecil,

kurang dari 10-9 detik. [6]

6

4. Efisiensi Pada Sel Surya

Efisiensi umumnya digunakan sebagai parameter untuk membandingkan kinerja dari

satu sel surya terhadap sel surya yang lainnya. Efisiensi didefinisikan sebagai perbandingan

energi yang keluar dari sel surya dengan energi yang masuk dari matahari. Efisiensi

bergantung kepada spektrum dan intensitas dari cahaya matahari dan temperatur dari sel

surya. [4]

Efisiensi keluaran maksimum (ղ) didefinisikan sebagai persentase daya keluaran

optimum terhadap energi cahaya yang digunakan, yang dituliskan sebagai:

Ղ= 𝐏𝐨𝐮𝐭

𝐏𝐢𝐧 𝐱 𝟏𝟎𝟎% ....( 2 )

Ղ = 𝐏𝐨𝐮𝐭

𝐏𝐢𝐧=

𝐕𝐦𝐚𝐱 𝐱 𝐈𝐦𝐚𝐱

𝐈 (𝐭)𝐱 𝐀=

𝐅𝐅 𝐱 𝐕𝐨𝐜 𝐱 𝐈𝐬𝐜

𝐈 (𝐭)𝐱 𝐀 ....( 3 )

Keterangan:

Ղ : Efisiensi sel solar

Pout : Daya keluar

Pin : Daya masuk

Vmax : Tegangan maksimum

Imax : Arus maksimum

Voc : Open circuit voltage

Isc : Short circuit current

I (t) : Intensitas cahaya

A : Luas permukaan dari sel solar

FF : Fill factor

Selain efisiensi, karakteristik yang lainnya adalah faktor pengisi (fill factor,FF). Fill factor

(FF) merupakan nilai rasio tegangan dan arus pada keadaan daya maksimum dan tegangan

open circuit. [5]

7

5. Intensitas Cahaya

Efek perubahan intensitas cahaya matahari terjadi apabila jumlah energi cahaya

matahari yang diterima sel surya berkurang atau intensitas cahayanya melemah, maka besar

tegangan dan arus listrik yang dihasilkan juga akan menurun. [3]

Intensitas cahaya matahari memiliki pengaruh yang penting baik pada arus short

circuit, tegangan open circuit, fill factor, efisiensi, dan hambatan seri maupun hambatan

shunt. Intensitas cahaya dinyatakan dalam jumlah matahari, dimana satu matahari sesuai

dengan standar iluminasi pada AM 1,5 atau 1 kW/m2. Arus short circuit secara langsung

berhubungan dengan jumlah foton yang diserap oleh material semikonduktor dan kemudian

sebanding dengan nilai intensitas cahaya, sedangkan dengan tegangan circuit matahari

mungkin dapat berbeda setiap hari, hal ini menyebabkan energi yang masuk ke solar cell

juga akan berubah-ubah, bervariasi antara 0 sampai 1 kW/m2. Pada cahaya yang rendah, efek

resistansi shunt akan bertambah. Berkurangnya intensitas cahaya menyebabkan arus yang

melewati solar cell berkurang dan nilai resistansi seri hampir sama nilai resistansi shuntnya.

[5]

Grafik 1. Efek Perubahan Intensitas Cahaya [5]

Pada thin film solar cell, pengumpulan arus yang berasal dari cahaya akan berkurang

pada intensitas yang tinggi, dengan daerah iluminasi kecil. Hal ini disebabkan pada intensitas

yang tinggi ada batasan tertentu yang disebabkan resistansi seri dan bertambahnya losses

tegangan yang bergantung pada pengumpulan carrier. Pada salah satu sumber disebutkan,

pada eksperimen menggunakan lampu pijar yang dilakukan untuk mencari hubungan antara

8

intensitas cahaya dan efisiensi, didapat kesimpulan bahwa efisiensi semakin berkurang ketika

nilai intensitas lampu pijar bertambah. [1]

6. Luxmeter

Gambar 3. Luxmeter [1]

Luxmeter adalah alat yang biasa digunakan untuk mengukur intensitas cahaya.

Luxmeter digunakan yang terlihat seperti gambar di atas adalah alat digital. Alat ini

mempunyai tiga skala yaitu untuk 1000 lux, 10.000 lux, dan 100.000 lux. Dalam kondisi

gelap seperti pada sore menjelang matahari terbenam, skala yang dipakai dapat menggunakan

1000 lux, untuk kondisi seperti pada pagi hari atau pada saat ada awan yang menutupi

matahari biasa menggunakan skala 10.000 lux, dan untuk kondisi panas dapat digunakan

skala 100.000 lux. [1]

7. Energi Cahaya

Ada beberapa hal yang membatasi harga efisiensi sel, salah satunya adalah cahaya.

Kehilangan efisiensi dihubungkan dengan cahaya yang mempunyai tidak cukup energi atau

mempunyai energi yang tinggi. Cahaya matahari mempunyai spektrum yang bervariasi.

Cahaya yang sampai ke bumi, mempunyai intensitas yang berbeda pada spektrum dari

panjang gelombang. Kehilangan efisiensi dihubungkan dengan efek dari cahaya dengan

energi sangat kecil atau energi yang sangat besar menghasilkan dari bagaimana cahaya

dengan panjang gelombang yang bervariasi berinteraksi dengan solar sel.

Cahaya yang masuk ke solar sel, dapat:

a. Masuk ke dalam dan melewati solar sel.

b. Di absorbsi, meningkatkan panas dalam bentuk vibrasi atom.

9

c. Pemisahan suatu elektron dari ikatan atomnya menghasilkan pasangan

elektron hole.

d. Menghasilkan suatu pasangan elektron hole tetapi apabila mempunyai

kelebihan energi, maka akan menjadi panas.

Gambar 4. Cahaya Memasuki Solar Sel [2]

Pada energi yang spesifik untuk bahan dan struktur atomnya, cahaya dapat

membebaskan elektron dari ikatan atomnya. Pemisahan suatu elektron dari ikatan atomnya

menghasilkan pasangan elektron hole tidak hanya menyebabkan ikatan mengalami vibrasi.

Perbedaan bahan solar sel mempunyai perbedaan karakteristik energi yang mana elektron

dibebaskan (disebut elektron hole).

Silikon mempunyai energi 1,1 volt elektron. Galium Arsenida dan bahan sel lainnya

yaitu 1,4 volt elektron. Untuk bahan sel lainnya mempunyai karakteristik energi dari 1-2,6

volt elektron. Energi ini disebut material’s band gap energy.

Semenjak spektrum matahari mempunyai energi dan intensitas yang beragam, kunci

untuk mencocokkan suatu bahan dengan karakteristik energi band gap dengan spektrum,

sehingga jumlah maksimum energi dalam spektrum matahari jatuh tepat di atas karakteristik

energi. Pada (Gambar 5) memperlihatkan bagaimana variasi dari efisiensi dengan energi

yang dibutuhkan untuk menghasilkan suatu pasangan elektron hole. Catatan, bahwa energi

yang dibutuhkan untuk membebaskan elektron dalam galium arsenida yaitu 1,4 volt elektron,

10

hampir bertepatan dengan efisiensi tertinggi dihubungkan dengan spektrum;silikon pada 1,1

volt elektron, hanya berada di bawah efisiensi tertinggi.

Gambar 5. Efisiensi maksimum yang dihitung sebagai fungsi dari energi yang

dibutuhkan untuk elektron bebas [2]

Estimasi dari efisiensi mengasumsikan efek “menghasilkan suatu pasangan elektron

hole tetapi apabila mempunyai kelebihan energi, maka akan menjadi panas”, dimana cahaya

dengan energi yang lebih baik dibandingkan yang dibutuhkan untuk elektron bebas hole

generation suatu elektron tetapi jika energinya berlebih, maka akan memproduksi panas.

Produksi dari pasangan elektron hole merupakan esensial untuk proses dalam solar

sel. Tanpa itu, tidak adanya tegangan yang dapat dihasilkan dan tidak ada arus yan dialirkan.

Dengan demikian, interaksi yang tidak tepat dari cahaya dengan material sel akan

menghabiskan sekitar 55% energi dari sinar matahari. Ini merupakan alasan yang paling

besar kenapa solar sel konvensional tidak memproduksi listrik dengan energi yang seimbang

yang berasal dari sinar matahari yang menyinari sel. Untuk perbandingan, berkaitan dengan

berapa banyak solar sel yang akan digunakan jika spektrum matahari mengandung hanya

satu gelombang (monokromatik) dan tepatnya dicocokkan untuk energi yang dibutuhkan sel

untuk menghasilkan pasangan elektron hole. [2]

11

Gambar 6. Kehilangan Efisiensi pada Solar Sel [6]

12

Referensi

[1] Aditiyawan, Eki. (2010), Studi Karakteristik Pencatuan Solar Sel Terhadap Kapasitas

Penyimpanan Energi Baterai, SKRIPSI, Jakarta, Universitas Indonesia, Hal 10-11.

[2] Hersch, Paul dan Kenneth Zweibel. (1982), Photovoltaic Principles and Methods,

Washington DC, U.S. Government Printing Office, Hal 17-19.

[3] Purnama Sari, Ajeng. (2014), Pengukuran Karakteristik Sel Surya, Bandung, UIN Sunan

Gunung Djati.

[4] PV Education, http://www.PVEducation.org, “Efficiency”.

[5] Sidopekso, Satwiko dan Anita Eka Febtiwiyanti. (2010), Studi Peningkatan Output

Modul Surya dengan Menggunakan Reflektor, Jakarta, UNJ.

[6] Wikipedia, http://www.wikipedia.org, “Efek Fotolistrik”.

[7] Zimmerman, Frank. (2013), Photovoltaic Energy Conversion, USA, Hal 21.