Perbandingan Setiap Generasi Sel Surya

Bagikan Artikel ini di:
Dye Sensitized Solar Cell - Solar Sel Generasi Ketiga

Dye Sensitized Solar Cell – Solar Sel Generasi Ketiga, bayangkan bahwa kipas berputar hanya karena cahaya lampu yangditerima oleh sel surya jenis DSSC

Sel Surya sampai saat ini sudah mencapai generasi ke tiga, apa perbedaan di setiap generasinya?

Sel surya ditemukan pada abad ke 19. Pada saat ini aplikasi sel surya sangatlah luas, dari penggunaan senter yang tidak perlu baterai hingga sebagai sumber listrik untuk pesawat ulang alik di luar angkasa. Hal ini akan terus berkembang hingga dapat menggantikan peranan energi fosil dalam memproduksi listrik. Parameter-parameter penting sejak pertama kali sel surya ditemukan adalah efisiensi, harga, kehandalan, dan daya tahan terhadap pengaruh lingkungan. Parameter tersebut pula yang menentukan daya saing penggunaan sel surya sebagai sumber energi dengan bahan bakar fosil.

Berikut video yang menjelaskan potensi sel surya

Seperti yang telah dijelaskan pada artikel sebelumnya, letak Indonesia yang dilalui oleh garis katulistiwa menyebabkan Indonesia memiliki potensi pemanfaatan sinar matahari yang sangat luar biasa besar (link). Bumi menerima energi yang luar biasa besar dari sinar matahari. Matahari, sebagai bintang, adalah reaktor tempat terjadinya reaksi fusi yang telah beroperasi sejak 4 juta tahun yang lalu. Satu menit energi yang dihasilkan dari reaksi fusi didalam matahari mampu memenuhi kebutuhan listrik seluruh umat manusia di bumi selama setahun!! Pada suatu hari, entah kapan, akan tiba masanya ketika umat manusia mampu mengolah energi sinar matahari secara maksimal sehingga daya listrik yang dihasilkan pada saat tersebut melebih daya listrik yang dikonsumsi oleh umat manusia selama 27 tahun. Faktanya adalah jumlah radiasi matahari yang sampai ke bumi selama 3 hari setara dengan energi yang disimpan oleh seluruh persediaan energi fosil. Dikarenakan potensi yang sangat besar tersebut, pada abad ke 18 ditemukan teknologi yang bernama solar thermal collector atau alat pengumpul cahaya matahari oleh saintis Swiss yang bernama Horace de Saussure.

Memproduksi energi listrik secara langsung dari energi matahari adalah penemuan selanjutnya. Teknologi ini ditemukan oleh Alexander Edmond Becquerel, teknologi yang merupakan cikal bakal dari teknologi sel surya.

Sel surya berdasarkan perkembangannya dibagi menjadi 3 generasi.

Sel surya generasi pertama adalah sel surya yang mahal untuk diproduksi dan memiliki efisiensi yang tinggi, meliputi Sel Surya Single Crystal, sel surya multi kristal. Dikarenakan generasi pertama, teknologi sel surya generasi ini adalah yang tertua dan saat ini paling banyak digunakan karena memiliki efisiensi yang tinggi. Sel surya generasi pertama dibuat pada wafer. Setiap wafernya dapat memberikan 2-3 watt. Untuk meningkatkan daya listriknya maka dibuat solar modul, yang merupakan kumpulan dari wafer yang disusun menjadi satu.

Sel surya generasi kedua adalah sel surya yang memiliki efisiensi lebih rendah tetapi lebih ekonomis, biaya yang dikeluarkan pesatuan watt yang dihasilkan lebih rendah dibandingkan sel surya generasi pertama. Selain itu lebih estetis. Lebih estetis karena tidak ada penyekat (finger) seperti sel surya generasi pertama, sehingga cocok digunakan pada kaca jendela, mobil, dan bangunan. Sel surya yang menekankan teknologi lapisan tipis (thin film), seperti a-Si thin film solar cell, CdTe solar sel dan lain-lain.  Lapisan tipis ini juga dapat ditumbuhkan pada substrat yang fleksibel hingga mencapai luas permukaan 6 m persegi.

Sel surya generasi ketiga adalah sel surya yang sangat efisien baik dari segi energi yang dihasilkan dan biaya fabrikasinya, meliputi sel surya  berbasiskan nanokristal, berbasiskan polimer, dan sel surya pewarna tersensitisasi (dye-sensitized solar cell). Generasi ketiga ini adalah sel surya yang sangat prospektif dan menjanjikan kedepannya, tetapi masih belum luas produksi secara massalnya. Pada beberapa Negara maju seperti swiss, DSSC telah diproduksi oleh perusahaan G24 (link). Sel surya generasi ketiga yang saat ini sangat banyak diteliti, karena brusaha menghasilkan sel surya yang ekonomis tetapi efisiensinya juga tinggi.Mekanisme kerja dari DSSC dapat dibaca pada artikel sebelumnya (link).

Perbandingan efisiensi dari ketiga generasi tersebut ditunjukkan oleh gambar berikut:

 

Perbandingan Efisiensi Sel Surya dari Tiga Generasi

Perbandingan Efisiensi Sel Surya dari Tiga Generasi

Perbandingan harga dan efisiensi setiap generasi ditunjukkan oleh gambar berikut:

Perbandingan harga dan efisiensi setiap generasi

Perbandingan harga dan efisiensi setiap generasi

Keunggulan (+) dan Kelemahan (-) dari setiap generasi sel surya dirangkum sebagai berikut:

  • Generasi pertama :

+ Efisiensi tinggi (>10%)

+ Sudah luas dikomersialisasi

–  Mahal

– Proses fabrikasi silicon sangat susah dan kompleks

  • Generasi Kedua

+ Memiliki koefisien absorbs matahari yang tinggi

+ Dapat diproses dalam keadaan non vacuum

+ Lebih murah dibandingkan generasi pertama

– Proses fabrikasinya menghasilkan limbah yang mencemari lingkungan

– Efisiensi lebih rendah dibandingkan geenrasi pertama

  • Generasi ketiga

+ Bahan baku mudah ditemukan

+ Proses fabrikasi yang termudah

+ Biayanya yang termurah

– Menggunakan elektrolit cair sehingga dapat menguap

– Belum dikomersialisasi secara massal

Berikut video teknologi masa depan dari sel surya

Baca juga artikel berjudul Nanomaterials for Energy Storage

Sumber :

Mohammad Tawheed Kibria, Akil Ahammed, Saad Mahmud Sony, Faisal Hossain, Shams-Ul-Islam. 2014. A Review: Comparative studies on different generation solar cells technology. Proceedings of 5th International Conference on Environmental Aspects of Bangladesh [ICEAB 2014].

Nilai Artikel Ini
Bagikan Artikel ini di:

Memodelkan Dye Sensitized Solar Cell dalam Persamaan Matematis

Bagikan Artikel ini di:
Dye Sensitized Solar Cell - Solar Sel Generasi Ketiga

Dye Sensitized Solar Cell – Solar Sel Generasi Ketiga

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,

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 (Io), hambatan seri (Rs) dan hambatan paralel (Rsh). Berikut adalah gambar dari rangkaian ekuivalenya beserta persamaan matematisnya

Rangkaian Ekuivalen DSSC

Rangkaian Ekuivalen DSSC untuk satu dioda

Arus yang dihasilkan oleh sel diatas memenuhi persamaan matematis berikut:

Persamaan matematika

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 – Voc (Volt open circuit atau volt ketika tidak ada hambatan [Voltage].

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

IO → 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:

3

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

Rsh → 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 DSSC untuk dua dioda

Rangkaian Ekuivalen DSSC untuk dua dioda

Rangkaian ekuivalen dari dye sensitized solar sel

5

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 (Voc). Pada rentang nilai tegangan dan arus, terdapat titik maksimum yang menghasilkan daya maksimum,yang disebut dengan IMPP (Arus maksimum power point) dan VMPP (Tegangan maksimum power point). Nilai IMPP dan VMPP   itulah yang dipakai untuk menghitung efisiensi DSSC.

Hasil dari penerapan pemodelan matematis adalah sebagai berikut.

6

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

Sumber :
Nilai Artikel Ini
Bagikan Artikel ini di:

Dye Sensitized Solar Cell dan Tokoh Penemunya (M. Gratzel)

Bagikan Artikel ini di:

Sudah pernah terfikirkan belum kalau letak Indonesia yang dilalui garis khatulistiwa merupakan anugrah dan karunia dari Tuhan yang tidak ternilai harganya?

Iya Indonesia sangat beruntung dilalui garis khatulistiwa, itu artinya Indonesia dilalui oleh matahari dalam setiap harinya, meskipun terkadang mendung dikala musim hujan.  Wilayah Indonesia akan selalu disinari matahari selama 10 sampai dengan 12 jam dalam sehari (Djoko Adi Widodo, 2009).  Berdasarkan data jadul, Ditjen Listrik dan Pengembangan Energi pada tahun 1997, kapasitas terpasang listrik tenaga surya di Indonesia mencapai 0,88 MW dari potensi yang tersedia 1,2 x 10^9 MW (1.200.000.000 MW), berapa persennya ya? 0,000000073 % saja yang baru dioptimalkan pada tahun 97.

Pada saat penulis kerja praktek di Pertamina Geothermal Energy Kamojang Unit IV, daya yang dihasilkan dari pembangkit unit IV adalah 60 MW. Kasarannya, berarti potensi panas bumi di Indonesia setara dengan 20.000.000 unit IV PGE Kamojang. Banyak banget kan, ada 20.000.000 pembangkit.

Kerja Praktek PGE Kamojang Unit IV

Sedangkan kapasitas solar sel? Rata-rata di Indonesia, 4,5 kWh per meter persegi  (Djoko Adi Widodo, 2009). Sehingga untuk menghasilkan 60 MW dibutuhkan 115×115 m persegi, dua kali lapangan bola! Itu baru potensi se Indonesia, bagaimana dengan potensi sedunia??

Potensi Cahaya Matahari Se Dunia

Potensi Cahaya Matahari Se Dunia (paper/jurnal tersedia di lampiran)

Uda tahu kan betapa besarnya potensi cahaya matahari, yang gratis, dan insyaAllah terus menerus ada?

Sekarang cara memanfaatnya bagaimana? Cara memanfaatkannya adalah dengan menggunakan Solar Sel.

Diantara banyaknya tipe solar sel, ada solar sel generasi pertama, kedua, dan ketiga. Generasi ketigalah yang relatif mudah dan murah dalam pembuatannya, yang bernama Dye Sensitized Solar Cell disingkat dengan DSSC, atau dalam bahasa Indonesianya adalah “Sel Surya Pewarna Tersentisasi (SSPT)”. Biasanya, solar cell konvensional (Generasi pertama dan kedua)  terbuat dari silikon. Jenis solar cell tersebut harganya mahal karena proses pembuatan yang sulit, rumit, dan jumlah bahan baku dialam yang sangat terbatas. Keadaan ini mendorong para peneliti untuk menemukan bahan baru sebagai penganti silikon yang harganya murah dan mudah didapatkan. Pada tahun 1991 ditemukan penganti solar cell silikon yang mudah pembuatannya dan biayanya murah  yaitu  ya dye sensitized solar cell oleh M. Grätzel dan O’Regan . Solar Sel seperti apakah DSSC itu? dan dimana letak keistimewannya? Yuk lihat video berikut.

Video diatas adalah video yang penulis buat dalam rangka Tugas Akhir 🙂 Menarik sekali bukan??

Dye sensitized solar cell terdiri dari molekul dye (pewarna) yang dapat berasal dari kulit manggis, dsb, semikonduktor oksida (fotoanoda) yang memiliki bandgap lebar seperti TiO2, ZnO, dll, dan kaca transparent conducting oxide (TCO) atau kaca yang memiliki hambatan disalah satu sisinya, dan elektrolit yang berasal dari Iodin. Efisiensinya bisa mencapai 16% lho untuk pewarna anorganik, dan pewarna organik mencapai 12.4% (Scientific Accomplishments and Leadership Profile M. Gratzel, 2011).

DSSC yang penulis buat bisa mencapai hampir 1 Volt lho, ini videonya.

Pengen tahu cara buatnya? ini linknya.

Membuat DSSC dengan Pewarna Manggis

Membuat DSSC dengan Pewarna Jahe Merah

DSSC dapat disetarakan dengan proses fotosintesis karena pewarna difungsikan sebagai pengumpul cahaya untuk memproduksi elektron tereksitasi (sebagai klorofil), kemudian fotoanoda menggantikan peranan karbon dioksida sebagai akseptor elektron, iodide/triiodide menggantikan air dan oksigen sebagai donor elektron, produksi oksidasi dan struktur multilayer (terdiri dari banyak lapisan fotoanoda) untuk menaikkan absorbsi cahaya dan efisiensi pengumpulan elektron.

Berikut video mekanisme kerja dari DSSC

Penjelasan secara ilmiahnya adalah sebagai berikut (kalau tidak mengerti, tinggal ketikkan kata yang tidak mengerti di Google)

Mekanisme Kimia DSSC

Mekanisme Kimia DSSC

Skema proses fotoelektrokimia pada DSSC ditunjukkan pada gambar diatas. Elektron akan tereksitasi dari tingkat Highest Occupied Molecular Orbital (HOMO) ke tingkat Lowest Unoccupied Molecular Orbital (LUMO) ketika molekul dye menyerap sejumlah foton dengan energi yang sesuai. Kemudian dye yang tereksitasi (D*) menginjeksi sebuah elektron ke pita konduksi semikonduktor (Ec) TiO2 yang tingkat energinya sedikit lebih rendah dari tingkat LUMO. Elektron tersebut bergerak melalui partikel TiO2 ke arah kaca Transparent Conductive Oxide (TCO). Kemudian elektron ditransfer melalui sirkuit eksternal ke counter elektroda. Selanjutnya elektron kembali memasuki sel dan mengurangi donor yang teroksidasi (I) dalam larutan elektrolit. Dye yang teroksidasi (D+) menerima elektron dari donor tereduksi (I3) dan dapat kembali lagi menjadi molekul awal (D).

Dengan berkembangnya DSSC, berkembang pula bidang lain seperti interfacial electron transfer dynamics,interfacing molecules and electrodes, charge transport in nanostructuredmaterials, materials and dye synthesis, dan lain sebagainya. Apa itu? Cek google jika penasaran 🙂

Prof. M. Gratzel

Dengan berkembangnya banyak bidang baru, maka penemu DSSC yang bernama Prof. Michael Gratzel dinobatkan dan masuk sebagai 50 saintis dunia ternama oleh Scientific American Magazine pada tahun 2005. Selain karyanya yang sangat luar biasa keren, sejak 1992, sudah  ada lebih dari 900 paper penelitian, 60 buku, 50 paten hingga 2011 (Scientific Accomplishments and Leadership Profile M. Gratzel, 2011). Dan karya-karyanya tersebut, telah dikutip sebanyak 82.661 kutipan! Menyebabkan Prof. M. Gratzel termasuk dalam 10 kimiawan dunia yang paling banyak dikutip karyanya.

Berikut video M. Gratzel menyampaikan materi tentang DSSC

Ini prestasi-prestasi yang telah beliau capai karena karya-karyawanya, data stop hingga 2011 (Scientific Accomplishments and Leadership Profile M. Gratzel, 2011).

2011- Wilhelm Exner Medal,Gewerbe Verband Oestereich, Vienna Austria.
2011 -Gutenberg Research Award University of Mainz, Germany
2011 -Paul Karrer Medal University of Zurich, Switzerland
2010 -Galileo Galilei Award, Padova Italy,
2010 -Millenium Technology Grand Prize, Technology Academy Finland.
2010 -City of Florence Award of the Italian Chemical Society
2009 -Balzan Prize, Balzan Foundation, Milano, Zurich.
2009 -Galvani Medal of the Italian Chemical Society.
2008 -Harvey Prize in Science and Technology, The Technion Haifa, Israel
2007 -First International Prize, Japan Society of Coordination Chemistry
2007 -Kroll endowed Chair, University of Cornell, Itaca,,USA, offered.
2006 -World Technology Award in MaterialsSan Francisco, USA
2005 -Gerischer Prize of the Electrochemical Society, Berlin, Germany
2005 -Winner, Scientific American Top 50, ranked amongst 50 leading scientists worldwide
2003-ENI-Italgas Price in Science and Environment
2002 -IBC International Award in Supramolecular Chemistry and Technology
2002 -Venture2002 McKinsey Award, Zurich, Switzerland
2001 -Havinga Lecture, Award and Medal, Leiden, The Netherlands
2001 -Faraday Medal of the Royal Society of Chemistry, United Kingdom
2000 -European Grand Prize of Innovation and Technology
1998 -Eurel Price of theEuropean Society of Electrical Engineers
1998 -Venture 98 McKinsey Award, Zurich Switzerland
1997-Calveras Award in Photovoltaics, Denver USA
1993 -Best Publication Award The American Society of Mechanical Engineers.
1992 -Grand Award,US Popular Science Magazine

Ada yang kurang dari sekian banyak prestasi yang telah diperoleh, yakni prestasi meraih penghargaan Nobel. Penghargaan Nobel dianugrahkan setiap tahun kepada mereka yang telah melakukan penelitian yang luar biasa, menemukan teknik atau peralatan yang baru atau telah melakukan kontribusi luar biasa ke masyarakat. Hal ini saat ini dianggap sebagai penghargaan tertinggi bagi mereka yang mempunyai jasa besar terhadap dunia. Kalau menurut salah satu dosen penulis, “Kalau kita telusuri riwayat para peraih nobel tidak ada yang bekerja meneliti berharap mendapatkannya. Semata ikhlas & passion.”.

Prof. M. Gratzel telah berkali-kali diprediksi sebagai peraih Nobel pada tahun 2011 dan 2012.

Prediksi Peraih Nobel Kimia Tahun 2011

Prediksi Peraih Nobel Kimia Tahun 2012

Namun ternyata prediksi tersebut masih gagal, peraih nobel kimia pada tahun 2011 adalah Dan Shechtman dengan karya “for the discovery of quasicrystals”. Dan pada tahun 2012 adalah Robert J. Lefkowitz and Brian K. Kobilka “for studies of G-protein-coupled receptors”.

Dan di tahun 2015, tahun yang dinobatkan sebagai The International Year of Light, penulis memprediksi bahwa peraih nobel bidang kimia adalah Prof. Michael Gratzel. Saat nya memperkenalkan kepada masyarakat dunia tentang energi terbarukan yang berasal dari sinar matahari !

Lampiran

Djoko Adi Widodo, 2009

Scientific Accomplishments and Leadership Profile M. Gratzel, 2011

Potensi energi matahari se dunia

Nilai Artikel Ini
Bagikan Artikel ini di: