SIFAT GELOMBANG DARI PARTIKEL
“Aplikasi Efek Foto Listrik Pada Sel Surya”
Disusun Untuk Memenuhi Tugas Mata Kuliah Fisika Modern
Disusun Oleh: Ahmad Ahmad Eka Destari Destariff (03111 (03111004 004086 086)) Pranata Wiguna (03111004032) Robby Katuko Melindra (03111004062) Zefrianda Pratama (03111004012) (03111004012) Zetra (03111004084) (03111004084)
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SRIWIJAYA 2013
APLIKASI EFEK FOTOLISTRIK PADA SEL SURYA
1. Latar Belakang
Kebutuhan energi semakin menjadi kebutuhan pokok setiap manusia. Tak dapat dipungkiri hingga kini permasalahan mengenai sumber daya energi masih terus berlangsung. Hal ini dipengaruhi oleh kondisi global dengan semakin bertambahnya penduduk dunia. Namun persediaan energi yang ada semakin berkurang. Jika tak segera ditangani, kemungkinan tak terhindarkan lagi adanya krisis energi. Untuk itu inovasi tentang energi alternatif, terutama dari sumber daya yang tak terbatas, amatlah diperlukan seiring perkembangan dunia ini. Salah satu alternatif yang dapat diterapkan adalah inovasi mengenai teknologi Sel Surya. Sel surya adalah suatu perangkat yang mampu mengubah energi cahaya matahari menjadi energi listrik dengan mengikuti prinsip fotovoltaik, yaitu adanya energi foton pada panjang gelombang tertentu akan mengeksitasi sebagian elektron pada suatu material ke pita energi yang lebih luar. Sedangkan menurut wikipedia sel surya adalah sebuah alat semikonduktor yang terdiri dari sebuah wilayah-besar diode p-n junction, di mana, dalam hadirnya cahaya matahari mampu menciptakan energi listrik yang berguna. Efek ini timbul terutama pada semikonduktor listrik (penghantar yang memiliki konduktivitas 104 > σ > 10-8 -1cm-1) karena elaktron dalam material terpisah dalam pita-pita energiΩ tertentu yang disebut pita konduksi dan pita valensi. Semikonduktor listrik didefinisikan sebagai suatu material yang memiliki elektron minimal pada dua pita energi yang terpisah oleh suatu pitra tanpa keberadaan elektron. Kedua pita tersebut adalah pita valensi, yang pada semikonduktor terisi hampir penuh, dan pita konduksi, yang pada semikonduktor hampir kosong, sedangkan keadaan tanpa elektron disebut celah pita. Pada suhu yang semakin tinggi, konduktivitas pada semikonduktor akan meningkat. Hal ini dapat dijelaskan bahwa elektron pada pita valensinya dapat melompat ke pita konduksi bila mendapat energi yang sama atau lebih dari enargi pada celah pita material tersebut. Matahari memancarkan energi fusi inti sebagai gelombang elektromagnet pada berbagi spektra. Spektra UV ditahan oleh lapisan atmosfer bumi, dan spektra cahaya tampak dan infra red diteruskan ke permukaan bumi. Gelombang elektromagnetik tersebut ditangkap material semikonduktor pada sel surya, maka dapat dihasilkan energi listrik yang diubah langsung dari energi cahaya matahari. Sel Surya ini juga merupakan energi alternatif yang tidak menimbulkan polusi udara CO2 maupun radioaktif (nuclear power). Prinsip dasar sel surya merupakan kebalikan dari LED (Light Emmiting 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. Foton yang jatuh pada sel surya menghasilkan elektron yang bermuatan positif dan hole yang bermuatan negatif. Elektron dan hole mengalir
membentuk arus listrik. 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-berturut kearah lapisan n dan p sehingga timbul beda potensial dan photocurrent (arus yang dihasilkan cahaya) ketika kedua muatan melintasi daerah celah p-n. (Andra W. Kusuma, 2012)
2. Definisi Efek Foto Listrik
Efek fotolistrik merupakan gejala terlepasnya elektron dari permukaan logam karena disinari gelombang elektromagnetik tertentu. Syarat terjadinya efek fotolistrik adalah: 1. panjang gelombang ambang sinar (datang) > panjang gelombang bahan 2. frekuensi sinar (f) < frekuensi ambang bahan (f o) 3. energi foton sinar (Ef ) >energi ambang bahan (W o) Beberapa hal yang perlu diperhatikan berkaitan dengan efek fotolistrik adalah: 1. elektron akan segera terlepas – tanpa perlu waktu tunda 2. Penambahan intensitas dari cahaya akan menambah jumlah elektron yang terlepas, tetapi tidak menambah besar energi kinetik 3. Cahaya merah tidak akan menyebabkan keluarnya elektron, berapapun besar intensitasnya.
4. Cahaya violet (ungu) yang lemah akan mengeluarkan sedikit elektron, tetapi besar energi kinetik maksimum akan bertambah dibandingkan untuk intensitas cahaya yang panjang gelombannya lebih besar. (E = h v) (Paarif, 2013) Efek fotolistrik adalah pengeluaran elektron dari suatu permukaan (biasanya logam) ketika dikenai, dan menyerap, radiasi elektromagnetik (seperti cahaya tampak dan radiasi ultraungu) 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 mengamati dan kemudian menunjukkan bahwa elektrode diterangi dengan sinar ultraviolet menciptakan bunga api listrik lebih mudah. Efek fotolistrik membutuhkan foton dengan energi dari beberapa electronvolts 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 di mana cahaya mempengaruhi gerakan muatan listrik termasuk efek fotokonduktif (juga dikenal sebagai fotokonduktivitas atau photoresistivity ), efek fotovoltaik , dan efek fotoelektrokimia . (Wikipedia, 2013) Hasil pengamatan terhadap gejala efek fotolistrik memunculkan sejumlah fakta yang merupakan karakteristik dari efek fotolistrik. Karakteristik itu adalah sebagai berikut. 1. hanya cahaya yang sesuai (yang memiliki frekuensi yang lebih besar dari frekuensi tertentu saja) yang memungkinkan lepasnya elektron dari pelat logam atau menyebabkan terjadi efek fotolistrik (yang ditandai dengan terdeteksinya arus listrik pada kawat). Frekuensi tertentu dari cahaya dimana elektron terlepas dari permukaan logam disebut frekuensi ambang logam. Frekuensi ini berbeda-beda untuk setiap logam dan merupakan karakteristik dari logam itu. 2. ketika cahaya yang digunakan dapat menghasilkan efek fotolistrik, penambahan intensitas cahaya dibarengi pula dengan pertambahan jumlah elektron yang terlepas dari pelat logam (yang ditandai dengan arus listrik yang bertambah besar). Tetapi, Efek fotolistrik tidak terjadi untuk cahaya dengan frekuensi yang lebih kecil dari frekuensi ambang meskipun intensitas cahaya diperbesar. 3. ketika terjadi efek fotolistrik, arus listrik terdeteksi pada rangkaian kawat segera setelah cahaya yang sesuai disinari pada pelat logam. Ini berarti hampir tidak ada selang waktu elektron terbebas dari permukaan logam setelah logam disinari cahaya. (Taufik, 2010)
3. Definisi Sel Surya
Sel surya atau sel photovoltaic, adalah sebuah alat semikonduktor yang terdiri dari sebuah wilayah-besar diode p-n junction, di mana, dalam hadirnya cahaya matahari mampu menciptakan energi listrik yang berguna. Pengubahan ini disebut efek photovoltaic. Bidang riset berhubungan dengan sel surya dikenal sebagai photovoltaics. Sel surya memiliki banyak aplikasi. Mereka terutama cocok untuk digunakan bila tenaga listrik dari grid tidak tersedia, seperti di wilayah terpencil, satelit pengorbit bumi, kalkulator genggam, pompa air, dll. Sel surya (dalam bentuk modul atau panel surya) dapat dipasang di atap gedung di mana mereka berhubungan dengan inverter ke grid listrik dalam sebuah pengaturan net metering. (Wikipedia, 2013)
Gambar Pembangkit Surya Fotovoltaik (Solar Photovoltaic Plants) Sel surya atau sel fotovoltaik adalah sebuah alat yang mengubah cahaya menjadi arus listrik dengan menggunakan efek fotolistrik. Sel surya pertama diciptakan oleh Charles Fritts pada tahun 1880. Pada tahun 1931 seorang insinyur Jerman, Dr Bruno Lange, mengembangkan sel fotovoltaik menggunakan selenida perak di tempat oksida tembaga. Meskipun sel prototipe selenium mengkonversi kurang dari 1% dari cahaya menjadi listrik, Ernst Werner von Siemens dan James Clerk Maxwell mengakui penemuan ini sangatlah penting. Setelah karya Russell Ohl pada 1940-an, peneliti Gerald Pearson, Calvin Fuller dan Daryl Chapin menciptakan sel surya silikon pada tahun 1954. Sel-sel surya awal biaya 286 USD/watt dan mencapai efisiensi dari 4,5-6%. (Pramudya NP, 2012)
4. Aplikasi Efek Foto Listrik Pada Sel Surya
Diketahui bahwasannya efek fotolistrik adalah peristiwa terlepasnya elektron dari permukaan suatu zat (logam), bila permukaan logam tersebut disinari cahaya (foton) yang memiliki energi lebih besar dari energi ambang (fungsi kerja) logam.
Efek fotolistrik ini ditemukan oleh Albert Einstein, yang menganggap bahwa cahaya (foton) yang mengenai logam bersifat sebagai partikel. Energi kinetik foto elektron yang terlepas: Ek = h f - h fo Ek maks = e Vo
hf h fo e Vo
= energi foton yang menyinari logam = Fo frekuensi ambang = fungsi kerja = energi minimum untuk melepas elektron = muatan elektron = 1.6 x 10-19C = potensial penghenti
Kemudian pada pengaplikasiannya, yaitu sel surya yang pada dasarnya adalah suatu elemen aktif yang mengubah cahaya matahari menjadi energi listrik.
Gambar fisik sell Bahan sel surya sendiri terdiri dari kaca pelindung dan material adhesive transparan yang melindungi bahan sel surya dari keadaan lingkungan, material anti-refleksi untuk menyerap lebih banyak cahaya dan mengurangi jumlah cahaya yang dipantulkan. Sel surya merupakan suatu pn junction dari silikon kristal tunggal. Dengan menggunakan photo-electric effect dari bahan semikonduktor, sel surya dapat langsung mengkonversi sinar matahari menjadi listrik searah (dc). 4.a Cara kerja Solar Sell
Bila sel surya itu dikenakan pada sinar matahari, maka timbul yang dinamakan elektron dan hole. Elektron-elektron dan hole-hole yang timbul di sekitar
pn junction bergerak berturut-turut ke arah lapisan n dan ke arah lapisan p. Sehingga pada saat elektron-elektron dan hole-hole itu melintasi pn junction, timbul beda potensial pada kedua ujung sel surya. Jika pada kedua ujung sel surya diberi beban maka timbul arus listrik yang mengalir melalui beban.Bahan dan cara kerja yang aman terhadap lingkungan menjadikan sel surya sebagai salah satu hasil teknologi pembangkit listrik yang efisien bagi sumber energi alternatif masyarakat di masa depan. 4.b Aplikasi Solar Sell
Sebelum mendisain sistem energi alternatif yang memanfaatkan sel surya, ada beberapa hal yang perlu dipertimbangkan yaitu: Pemakaian daya rata-rata selama 24 jam. • Pemakaian daya rata-rata pada malam hari (terhitung dari hilangnya sinar • matahari sampai munculnya sinar matahari yang mengenai sel surya) •
Pemakaian daya puncak
•
Berdasarkan perhitungan penulis, untuk saat ini jangan berharap biaya operasional/pemeliharan sistem sel surya ini lebih murah dari listrik PLN.
Gambar aplikasi sel surya
Gambar di atas memperlihatkan sistem energi listrik alternatif yang memanfaatkan sinar matahari. Pertimbangan-pertimbangan di atas di gunakan untuk mengetahui spesifikasi komponen yang akan di pasang pada sistem tersebut, sebab salah memilih
komponen bisa menyebabkan sitem ini tidak bekerja dengan baik (mudah rusak/tidak maksimal). Fungsi Tiap Bagian Sistem Diatas
Sell Surya Sebagai sumber energi listrik. berdasarkan pengujian penulis (pada gambar fisik sell surya yang paling besar) 1 buah sell surya pada saat sinar matahari cukup terik menghasilkan 20v-23,..v/1,9 - 2,4..A (38 - 50 watt) atau sekitar 350 Watt/ hari. Controll ON/OFF Untuk mengontrol pengisian batery dan menghubungkan batery dengan beban (inverter). Batery Untuk menyimpan energi listrik yang di hasilkan sell surya. biasanya batery yang di gunakan memiliki Ampare hour yang cukup tinggi. sebab untuk menghidupkan lampu 10 watt saja selama 1 malam (12 jam) idealnya membutuhkan batery 12V/10A.
Inverter Untuk mengubah tegangan DC 12V dari batery menjadi 220 AC. untuk hasil yang lebih baik gunakan inverter yang menghasilkan gelombang sinus.
Daftar Pustaka
Taufik. 2010. Sifat Partikel dari Cahaya Efek . http://taufihasbifisika.blogspot.com/2010/07/sifat-partikel-dari-cahayaefek.html diakses pada tanggal 13 Mei 2012. Nonamed. 2012. Sel Surya. http://teknologi.kompasiana.com/terapan/2012/11/08/sel-surya501603.html diakses pada tanggal 8 Mei 2013. Nonamed. 2012. Pembangkit Listrik Tenaga Surya. http://jendeladenngabei.blogspot.com/2012/11/pembangkit-listrik-tenagasurya-plts.html Nonamed. 2013. Efek Fotolistrik . http://id.wikipedia.org/wiki/Efek_fotolistrik diakses pada tanggal 8 Mei 2013. Nonamed. 2013. Efek Fotolistrik . http://paarif.com/efek-fotolistrik-2/ diakses pada tanggal 8 Mei 2013 Nonamed. 2013. Sel Surya. http://id.wikipedia.org/wiki/Sel_surya diakses pada tanggal 8 Mei 2013.
