Memodelkan Dye Sensitized Solar Cell dalam Persamaan Matematis

Dye Sensitized Solar Cell banyak diteliti karena biaya fabrikasinya yang murah dan performanya yang terus menerus meningkat (menjadi semakin efisien).  Penelitian yang dilakukan oleh penemu DSSC yakni Prof. Michael Gratzel menyatakan bahwa efisiensi DSSC dapat mencapai 15% (Tetsuo, 2013).  Jika dibandingkan sel surya komersil (sel surya berbahan dasar silikon) yang dijual dipasarkan, efisiensi DSSC 15% telah melampaui sel surya komersil yang yang hanya 10%. Selain itu, pewarna DSSC juga mampu menyerap cahaya lampu neon, cuaca mendung, dan lingkungan dengan intensitas cahaya yang rendah, serta dapat dicetak dalam medium yang fleksibel seperti plastic dan dapat transparan. Dikarenakan banyaknya keunggulan DSSC, maka pada artikel ini akan dijabarkan mengenai pemodelan matematis DSSC.

Pembuatan model matematika DSSC sangat penting untuk pengoperasian yang menginginkan optimasi. Hal tersebut dapat dilakukan dengan menampilkan rangkaian ekuivalen DSSC dimana parameternya dihitung berdasarkan data-data pengukuran (berdasarkan eksperimen) pengujian arus dan tegangan. Perbedaan dalam pemodelan biasanya terletak pada jumlah diode (satu diode, dua diode, atau lebih), hambatan seri dan paralelnya yang terbatas atau tidak terbatas, faktor idealitas diode yang bernilai 1, 2 atau lebih. Model ini berbeda satu sama lain dalam hal prosedur penyelesaian matematikanya dan banyaknya paramater yang terlibat dalam perhitungan tegangan dan arus. Berikut adalah pemodelan matematis DSSC yang biasanya digunakan,

Daftar isi

1. Model dengan 1 dioda

Rangkaian ekuivalen yang standart untuk memodelkan sel surya atau DSSC adalah model rangkaian dengan 1 dioda (M. Belarbi, 2014), yang terdiri dari 1 dioda, sumber konstan untuk arus photo-generated (I_o), hambatan seri (R_s) dan hambatan paralel (R_sh). Berikut adalah gambar dari rangkaian ekuivalenya beserta persamaan matematisnya

Arus yang dihasilkan oleh sel diatas memenuhi persamaan matematis berikut:

Keterangan :

I → Arus yang hendak dicari nilainya sebagai akibat pemodelan, agar nilainya positif maka jangan lupa dikali dengan – (minus) [Ampere].

V → Tegangan dari DSSC yang nilainya dari 0 V – V_oc (Volt open circuit atau volt ketika tidak ada hambatan [Voltage].

I_L→ Nilainya sama dengan  Isc, diperoleh dari pengukuran yakni ketika arusnya tidak ada hambatan [Ampere].

I_O → Arus jenuh dari diode [Ampere], dihitung ketika nilai I pada persamaan diatas bernilai 0, dan V pada persamaan bernilai Voc , sehingga Io dapat dihitung dengan menyusun persamaan menjadi:

R_s → Hambatan seri, biasanya diasumsikan sangat kecil sehingga diabaikan [Ohm].

R_sh → Hambatan Shunt (atau parallel), biasanya diasumsikan sangat besar sehingga diabaikan[Ohm].

q → Muatan Elektron = 1,602.10^-19 Coulomb.

k → Konstanta Boltzman = 1,38. 10^-23 J/K

A → Faktor idealitas diode, bernilai 1 ketika proses transport elektronnya adalah difusi, sedangkan bernilai 2 ketika prosesnya adalah rekombinasi pada daerah deplesi)

T → Temperatur efektif biasanya 300 K [Kelvin].

2. Model dengan dua dioda

Model dengan dua dioda dipakai apabila terjadi rekombinasi dari pembawa minoritas, baik pada permukaan material maupun pada volume material. Diagram ekuivalen untuk model 2 dioda ditunjukkan oleh gambar berikut:

Rangkaian ekuivalen dari dye sensitized solar sel

Karena yang biasanya dipakai adalah model 1 dioda, kita bahas lebih dalam pemodelan matematis DSSC dengan 1 dioda.

Dengan meningkatnya nilai tegangan, arus mulai menurun secara eksponensial ke nilai nol dimana pada saat arus bernilai 0 maka besar tegangannya merupakan tegangan rangkaian terbuka (V_oc). Pada rentang nilai tegangan dan arus, terdapat titik maksimum yang menghasilkan daya maksimum,yang disebut dengan I_MPP (Arus maksimum power point) dan V_MPP (Tegangan maksimum power point). Nilai I_MPP dan V_MPP   itulah yang dipakai untuk menghitung efisiensi DSSC.

Hasil dari penerapan pemodelan matematis adalah sebagai berikut.

Dapat terlihat dari dua grafik diatas bahwa hasil dari pemodelan menghasilkan kurva ideal, seperti menggunakan solar simulator.

Sumber :

• Tetsuo Nozawa. 2013. http://techon.nikkeibp.co.jp/english/NEWS_EN/20130716/292380/. Nikkei Electronics. Diakses pada 11.57 WIB 4/18/2015.
• M. Belarbi, dkk. 2013. Study of the Equivalent Circuit of A Dye Sensitized Solar Cells. Advanced Energy: An International Journal (AEIJ), Vol. 1, No. 2, April 2014.