Performansi dan Pemilihan Material Sel surya

Performansi dari sel surya umumnya direpresentasikan dalam efisiensi. Efisiensi ini sering dijadikan acuan untuk menilai kualitas suatu sel surya dibandingkan dengan sel surya yang lain (silahkan lihat link http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg untuk perbandingan efisiensi beberapa jenis sel surya). Efisiensi didefinisikan sebagai rasio dari output energy sel surya terhadap input energy dari matahari. Besaran efisiensi ini juga bergantung dari intensitas spectrum matahari dan juga temperature dari sel surya, sehingga umumnya untuk pengukuran efisiensi dalam kondisi standar, spectrum cahaya AM 1.5 yang di simulator menggunakan dari solar simulator dan temperatur sel surya 25C digunakan pada saat pengukuran (lihak link http://teknologisurya.wordpress.com/dasar-teknologi-sel-surya/energi-surya/ untuk definisi AM 1.5).

Gambar 1. Kurva J-V sel surya (adaptasi dari ref. 1)

Untuk menentukan efisiensi, terlebih dahulu dilakukan pengukuran hubungan rapat arus-tegangan (J-V) yang membentuk kurva seperti pada gambar 1 diatas. Pengukuran biasanya dilakukan dalam kondisi tersinari dan juga kondisi tidak tersinari. Rapat arus  J_SC, tegangan open circuit V_OC, and fill factor FF adalah tiga parameter yang menentukan kualitas suatu sel surya. Rapat arus short-circuit (J_SC) dan tegangan open-circuit (V_OC) didefinisikan sebagai arus dan tegangan maksimum yang bisa di didapat dari sel surya. Daya sel surya mencapai maksimum (P_max) pada saat kondisi J_m dan V_m. Fill factor (FF) didefinisikan sebagai rasio sebagai berikut,

  Efisiensi dari sel surya adalah rasio dari daya maksimum terhadap daya input cahaya datang, P_s,

Sehingga efisiensi juga bisa direpresentasikan sebagai,

 Tabel 1 dibawah menunjukan kompilasi dari efisiensi, J_SC, V_OC, dan FF dari berbagai jenis sel surya sebagai gambaran korelasi antar berbagai parameter tersebut.

Tabel 1.  Kompilasi efisiensi, J_SC, V_OC, dan FF dari berbagai jenis sel surya (ref. 2)

 Efek resistansi terhadap kurva J-V sel surya

 Sel surya dianalogikan dalam rangkaian listrik seperti pada gambar 2, yang terdiri dari sumber arus yang menghasilkan rapat arus maksimum (Jsc), arus dalam kondisi tidak tersinari yang mengalir berlawanan arah (Jdark), resistansi seri (Rs) yang disebabkan resistansi dari komponen2 di sel surya, dan resistansi shunt (Rp) yang diakibatkan adaanya arus bocor akibat tidak sempurnanya struktur material (contohnya adanya lubang-lubang di material).

 Gambar 2.  Analogi rangkaian listrik dari sel surya

Besaran Rs dan Rp mempengaruhi nilai Jsc, Voc, atau FF, sehingga umumnya dijadikan parameter evaluasi untuk mencari tahu penyebab rendahnya performansi suatu sel surya. Secara umum sel surya yang ideal mempunyai Rs yang serendah mungkin dan Rp yang sebesar mungkin. Gambar 3 dibawah menunjukan efek besar Rs dan Rp terhadap kurva J-V sel surya.

Gambar 3. Efek resistansi seri dan shunt terhadap kurva J-V sel surya. (disimulasikan dari  website http://pveducation.org/pvcdrom/ )

 Efek pemilihan material terhadap efisiensi

Efisiensi maksimum suatu sel surya juga ditentukan oleh material apa yang digunakan sebagai material aktif sel surya tersebut. Material yang ideal harus mempunyai koefisien absorbsi cahaya yang tinggi agar cahaya yang datang bisa terserap secara signifikan, mempunyai energi gap (band gap) yang tepat untuk memaksimalkan absorbsi spektrum cahaya yang luas, dan juga harus membentuk junction p-n yang baik dengan material tipe n yang tepat.

Gambar 4. (a) Efisiensi maksimum teoritis sel surya sebagai fungsi energi gap (bandgap) material, (b) Ilustrasi energi gap (Eg) di semikonduktor dimana energi cahaya (Ecahaya) yang lebih besar dari Eg akan mengakibatkan elektron loncat dari pita valensi (VB) ke pita konduksi (CB) untuk berpartisipasi dalam konduksi.

Shockley dan Quisser pada tahun 1961 menerbitkan metoda untuk mengkalkulasi efisiensi maksimum sel surya sebagai fungsi  energi gap (bandgap) material, metoda ini umum disebut sebagai “Detailed balance” (Gambar 4a). Energi gap didefinisikan sebagai energi minimum yang dibutuhkan untuk elektron agar berpartisipasi dalam konduksi atau juga lebar energi dari pita valensi dan pita konduksi suatu material, seperti diilustrasikan di Gambar 4b. Efisiensi maksimum teoritik ini menggunakan beberapa asumsi yaitu mobilitas elektron yang berpartisipasi dalam konduksi dianggap tidak terbatas dan juga semua cahaya yang mempunyai energi diatas energi gap material tersebut akan diserap. Realitanya,  ketidaksempurnaan struktur kristal suatu material (defect), karakteristik optikal dan elektrik bawaan material tersebut, dan kurang idelanya p-n junction yang dibentuk menyebabkan efisiensi lebih rendah dari teoritis.

Referensi :

1. A. Shah, Science, 285 (1999) 692-698.

2. M.A. Green, K. Emery, Y. Hishikawa, W. Warta, E.D. Dunlop, Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 21 (2013) 827-837.

3.  http://pveducation.org/pvcdrom/

4. W. Shockley, H.J. Queisser, Journal of Applied Physics, 32 (1961) 510-519.