A Review on Solar PV Cell

(Ulasan tentang solar PV cell)

Abstract

Photovoltaic cells provide an additional method of acquiring energy, converting sunlight directly into electricity through the use of semiconductors. Effective photovoltaic implementation is reviewed, focusing on semiconductor properties and overall photovoltaic system configuration.

Photovoltaic cell memberikan sebuah metoda tambahan dalam memperoleh energi, konversi sinar matahari langsung menjadi listrik melewati penggunaan dari bahan semikonduktor. Penggunaan photovoltaic yang efektif akan diulas, dan focus terhadap bahan semikonduktor dan seluruh sistem konfigurasi photovoltaic.

I. INTRODUCTION

Solar Cells (Photovoltaic Cells) are devices that convert solar energy to electrical energy using the field of technology known as photovoltaic’s, hence the term photovoltaic (PV) cells. Such cells are made of semiconductor materials such as silicon, whose property is to knock electrons loose when they absorb energy, in this case, solar energy. The PV cells also have one or more electric fields whose purpose is to force the loose electrons in one direction, similar to how a diode functions, hence the formation of a current. This current can then be used externally using metal contacts at the top and bottom of the PV cell as can be seen in the figure below.

Solar cells adalah merupakan perangkat yang mengubah energi matahari menjadi energi listrik dengan bidang teknologi yang disebut sebagai photovoltaic, oleh karena itu muncul istilah photovoltaic cell. Cell terbuat dari material semikonduktor berupa bahan silicon, yang mana bahan ini mengetuk elektron lepas ketika mereka menyerap energi, dalam hal ini, energi surya. PV cell juga memiliki satu atau lebih medan listrik yang mana bertujuan untuk memberi gaya terhadap elektron lepas dalam sat arah, serupa dengan fungsi diode karena cara pembentukkan arusnya. Arus ini bisa kemudian digunakan menggunakan kontak metal tambahan (elektroda) yang ada di bawah serta di atas dari PV cell yang dapat dilipat dilihat dari gambar berikut ini:

2. HOW DOES A PHOTOVOLTAIC CELL WORK

Solar Cell Materials We focus on crystalline silicon solar cells,

because: • They account for over 95% of the world market.

• Mostly of this is either multi-or mono-crystalline silicon.

A PV Cell, in circuital terms, can be modeled as a diode connected in series to a constant current source and in series to a resistance, known as the shunt resistance. However, for the sake of providing ideal simulation results, a 12V voltage source is implemented instead of this circuital design. There are six properties that describe the behavior of light shining on a PV cell as illustrated in figure 2.

Pada solar cell material yg digunakan, kita berfokus pada kristal silikon solar cell,

karena: ● Terhitung lebih dari 95% ada pada pasar dunia.

●Sebagian besar jenis ini salah satunya multi atau mono silicon kristal.

Istilah PV cell dalam rangkaian bisa di modelkan sebagai sebuah diode terhubung seri dengan sumber arus konstan dan dan terhubung seri dengan sebuah resistansi diketahui sebagai resistansi paralel. Namun, demi memberikan hasil simulasi yang ideal, sumber tegangan 12V sebagai gantainya diimplementasikan pada desain sirkuit ini. Ada enam sifat yang menggambarkan perilaku cahaya menyinari sel PV seperti digambarkan pada Gambar 2.

I. Reflection and absorption at top contact; (Pembiasan dan Penyerapan pada bagian atas kontak)

ii. Reflection at cell surface; (Pembiasan pada permukaan cell)

iii. Desired absorption; (penyerapan yang diinginkan)

iv. Reflection from rear out of cell- absorbed light only; (Pembiasan dari bagian belakang cell – hanya terjadi penyerapan cahaya )

v. Absorption after reflection; (Penyerapan setelah pembiasan)

vi. Absorption in rear contact; (Penyerapan pada bagian belakang kontak)

In a practical system, one PV cell will not be able to provide sufficient energy. Thus, several cells are grouped together to form a PV module, and several modules are grouped together to form a PV array. This combination of cells is what allows for a larger percentage of solar power to be absorbed due to a larger area of PV cells, and thus more current and voltage to be produced at the output. The solar PV array or module used has to be carefully designed to produce the right amount of power to charge the battery and also has to be designed to adhere to the charging characteristics of the battery as much as possible so as to minimize losses. Below epitomizes the formation of the PV module and array from the PV cell.

Dalam sebuah system sederhana, sebuah PV cell tidak akan mampu menyediakan energi yang cukup. Dengan demikian, beberapa cell di kelompokan bersama hingga membentuk sebuah PV module, dan beberapa module di kelompokan bersama hingga membentuk sebuah PV array. Kombinasi dari cell-cell ini adalah kemungkinan untuk menjadika persentase lebih besar dari Tenaga matahari yang diserap dikarenakan area PV cell yg besar, dan kemudian akan dihasilkan arus dan tegangan yang lebih pada output. PV solar array atau module digunakan telah dirancang dengan sebaiknya untuk memproduksi untuk mengahasilkan daya yg sesuai untuk men-charge battery dan juga dirancang untung mematuhi karakteristik charging dari baterai sebanyak mungkin untuk meminimalisir rugi-rugi. Gambar dibawah menggambarkan dari PV modul dan array dari PV cell.

A solar cell can be modeled as a current source which is parallel to a diode and an equivalent resistance. The equivalent resistance is comprised of a shunt (Rsh) and Series resistance (Rser). The series resistance factors in all the losses due to the resistive semiconductor material that the cell is made of, the resistance of the contacts, and other series losses. The shunt resistance is due to localized shorts in the silicon wafer that is the primary material of the cell.

Sebuah solar cell bisa dimodelkan sebagai sumber arus yang kemudian diparalelkan dengan sebuah diode dan resistansi ekivalen. Resistansi ekivalen ini terdiri dari R parallel (Rsh) dan R seri (Rser). Faktor resistansi seri di seluruh rugi-rugi dikarenakan resistivitas material semikonduktor pada cell yang terbentuk, resistansi pada Contacts, dan rugi-rugi seri lainnya. Resistor parallel muncul dikarenakan upaya melokalisasi (pembatas) area short (hubung singkat) pada lapisan silicon yang mana menjadi material utama pada cell.

Generally, the series resistance is very small, and the shunt resistance is very large, making these losses almost negligible. Upon observation of the IV characteristics of a commercial solar panel such as the SQ150, it can be seen that changes in irradiance bring about significant changes in the panel short circuit current but barely affect the open circuit voltage. In effect, the short circuit current is approximately proportional to the irradiance. proposes that the current source used in the solar cell model be one that is dependent on a voltage; this voltage in turn is representative of the irradiance condition. Thus, the cell’s characteristics can be made to vary with irradiance in a way that mimics the variations in the IV profile of a practical solar cell. A solar panel can be constructed out of series and parallel connections of the solar cell model given above. But, keeping in mind that the objective of the modeling process was to simply obtain a system whose IV characteristics are identical to that of a solar panel, another method was used: It was found that the open circuit voltage of the solar cell model is roughly proportional to the number of series-connected diodes that are in parallel to the short-circuit current source. Thus, by adding more diodes and increasing the short-circuit current, the characteristics of the solar cell become more and more like that of a panel. A photovoltaic panel is constructed out of several cells in series and parallel combinations. This allows a panel to output an utilizable voltage and current. The figure below illustrates the typical Current-Voltage (I-V) characteristics of a PV panel.

Umumnya, resistansi seri sangat kecil, dan resistansi parallel sangat besar, membuat rugi-rugi ini hampir bisa diabaikan. Pada pengamatan dari ke IV karakteristik dari sebuah solar panel komersial sebagai contoh SQ150, dapat dilihat bahwa perubahan radiasi membawa perubahan yang signifikan dalam arus hubung singkat panel tapi hampir tidak mempengaruhi pada tegangan sirkuit terbuka. Dalam pengaruhnya, arus hubung singkat adalah sebanding dengan radiasi tersebut. mengusulkan bahwa sumber arus digunakan dalam model solar cell sel surya menjadi bergantung terhadap tegangan; tegangan tahap ini adalah representasi dari kondisi radiasi. Kemudian karakteristik cell bisa terbentuk bervariasi dengan radiasi dengan cara meniru variasi profile IV dari sel surya sederhana. Solar cell bisa dibentuk dari hubungan seri dan parallel dari mdel solar cell yang disebut sebelumnya. Tapi mengingat bahwa tujuan dari proses pemodelan adalah untuk hanya mendapatkan sistem IV karakteristik yang identik dengan panel surya, metode lain yang dapat digunakan: menemukan bahwa tegangan rangkaian terbuka dari model sel surya kira-kira sebanding dengan jumlah diode yang terhubung seri yang sejajar dengan sumber arus hubung singkat. Kemudian dengan menambahkan beberapa diode dan meningkatkan arus hubung singkat, karakteristik solar cell menjadi lebih dan lebih seperti sebuah panel. Panel photovoltaic terbentuk dari beberapa dengan kombinasi hubungan seri dan parallel. Hal ini memungkinkan sebuah panel dengan output berupa tegangan dan arus pakai. Gambar di bawah mengilustrasikan tipe Current-Voltage (IV) karakteristik dari panel PV.

The curve shows how the current supplied by a PV panel varies with its voltage. The point of maximum power occurs at the knee of the curve and is called the maximum power point (MPP). The maximum power is given by

Pmpp = Vmpp x Impp

Berikut kurva yang menunjukkan bagaimana arus yang disuplai oleh PV panel berbeda dengan tegangannya. Titik daya maksimum terjadi pada siku ujung kurva dan dinamakan dengan Maximum Power Point (MPP).

Nilai dari Daya Maximum didapat dari persamaan:

Pmpp = Vmpp x Impp

In order for the PV panel to supply maximum power, it should supply a load of resistance (Rmpp):

Rmpp = Vmpp / Impp

If the load resistance as seen by the panel is below this value, the bias point would move to the left of the MPP, and to the right if the resistance is above this value.

Urutan dari PV panel untuk suplai daya maximum, seharusnya suplai sebuah beban dari resistansi (Rmpp):

Rmpp= Vmpp/Impp

Jika resistansi seperti yang terlihat dari panel dibawah nilai ini, point bias akan berpindah dari kiri menuju MPP nya, dan menuju ke kanan jika resistansi diatas nilai ini.

3. PHOTOVOLTAIC’S: FUNDAMENTAL ATTRACTIONS AND DRAWBACKS

Photovoltaic’s (PV): atrractions: (daya Tarik/keuntungan)

• Converts sunlight directly to electricity. (Konversi sinar matahari langsung menjadi listrik)

• Sunlight is the most abundant renewable resource (175 PW). (Sunlight adalah sumber terbaharukan (175 PW))

• Electricity is a very versatile form of energy. (Listrik merupakan bentuk dari energi sangat sebaguna)

• No moving parts, long lifetime (>20 years). ( Tidak ada bagian yang bergerak, jangka pemakaian panjang>20tahun)

Photovoltaic’s: drawbacks: (kerugian

• Sunlight is very spread out (<1 kW/m2) (sinar matahari sangat menyebar luas (<1 KW/m2))

• It is irregular and somewhat unpredictable (tidak teratur dan kemungkinan tidak terduga)

• Electricity is difficult to store (Listrik sulit untuk dijual belikan)

• So far PV cells are expensive compared to other means of power generation. (Sejauh ini PV cells sulit untuk dihubungkan atau disatukan dalam penggunaannya dengan pembangkitan daya)

4. WHY SOLAR ENERGY IS ONE OF THE KEY SOLUTIONS TO WORLD ENERGY DEMAND

The sun is the most plentiful energy source for the earth. All wind, fossil fuel, hydro and biomass energy have their origins in sunlight. Solar energy falls on the surface of the earth at a rate of 120 petawatts, (1 petawatt =1015 watt). This means all the solar energy received from the sun in one days can satisfied the whole world’s demand for more than 20 years. We are able to calculate the potential for each renewable energy source based on today’s technology. Future advances in technology will lead to higher potential for each energy source. However, the worldwide demand for energy is expected to keep increasing at 5 percent each year solar energy is the only choice that can satisfy such a huge and steadily increasing demand.

Matahari adalah sumber energi yang paling berlimpah untuk bumi. Semua bahan bakar angin, fosil, air dan energi biomassa bergantung terhadap sinar matahari. Energi matahari jatuh di permukaan bumi pada tingkat 120 petawatts, (1 petawatt = 1015 watt). Ini berarti semua energi matahari yang diterima dari matahari dalam satu hari bisa memenuhi permintaan seluruh dunia selama lebih dari 20 tahun. Kami mampu menghitung potensi untuk setiap sumber energi terbarukan berdasarkan teknologi saat ini. Kemajuan masa depan dalam teknologi akan menyebabkan potensi yang lebih tinggi untuk setiap sumber energi. Namun, permintaan di seluruh dunia untuk energi diperkirakan akan terus meningkat pada 5 persen setiap tahun, dan energi surya adalah salah satu pilihan yang dapat memuaskan permintaan besar dan terus meningkat permintaan tersebut.

There are several applications for solar energy, for instance: electricity generation, photochemical, solar propulsion, solar desalination, and room temperate control. The collection of solar energy and its transfer to electricity energy will have wide application and deep impact on our society, so it has attracted the attention of the researchers. Electricity is high grade energy. This means it can be easily transferred into other forms like mechanical energy or heat. If we are able to generate economic and plentiful electricity energy, together with the easy transportation electricity energy transmission, the electric power will increase its shares in demand sectors dramatically.

Ada beberapa aplikasi penggunaan energi surya, misalnya: pembangkit listrik, fotokimia, propulsi surya, desalinasi surya, dan kontrol suhu ruangan. Pemanfaatan energi matahari dan transfer energi listrik akan memiliki aplikasi luas dan dampak yang mendalam pada masyarakat kita, sehingga menarik perhatian para peneliti. Listrik adalah energi kelas tinggi. Ini berarti dapat dengan mudah ditransfer ke dalam bentuk lain seperti energi mekanik atau panas. Jika kita mampu menghasilkan ekonomi dan energi listrik berlimpah, bersama dengan kemudahan pentransmisian energi listrik, daya listrik akan meningkatkan sahamnya di sektor permintaan secara dramatis.

Limitations to efficiency: (keterbatasan efisiensi)

• Sunlight contains a spectrum of photons of varying energy E (Sinar matahari mengandung spektrum foton dari berbagai energi E)

–If E<band gap then the photon is useless (jika E<celah pita maka photon tidak digunakan.

–If E>band gap, then the excess energy becomes heat (jika E<celah pita maka energi yg berlebih berubah menjadi panas.)

• Optical effects: reflections, incomplete absorption, shading by contacts..

• Recombination

V. CONCLUSION

PV cells are a proven environmentally benign power source whose attractive characteristics will continue to further photovoltaic research. Because current PV systems are still highly inefficient and uncommon, they are not yet cost competitive with fossil fuel-based generators and are only regularly used where there is no nearby power source. Photovoltaic advancements in the fields of

thin film and nanocrystalline materials will continue to flourish and soon increase PV efficiency to over 50%. As efficiency increases, PV technology will attract a greater number of people, resulting in reduced cost. Because the sun delivers ten thousand times more energy than people currently consume, photovoltaic improvements will one day replace environmentally unfriendly power plants with a proven and clean energy source.

Sel PV terbukti sumber listrik ramah lingkungan dengan karakteristik menarik dan akan terus muncul penelitian lanjut photovoltaic. Karena sistem PV saat ini masih sangat tidak efisien dan jarang, mereka belum bisa bersaing dengan pembangkit berbasis bahan bakar fosil dan hanya digunakan secara teratur di mana tidak ada sumber listrik di dekatnya. Kemajuan fotovoltaik di film dan nanokristalin bahan tipis akan terus berkembang dan segera meningkatkan efisiensi PV untuk lebih dari 50%. Efisiensi meningkat, teknologi PV akan menarik lebih banyak orang, sehingga mengurangi biaya. Karena matahari memberikan sepuluh ribu kali lebih banyak energi daripada orang saat mengkonsumsi, perbaikan fotovoltaik akan suatu hari menggantikan pembangkit listrik ramah lingkungan dengan sumber energi terbukti dan bersih.

• Photovoltaic (PV) cells convert sunlight directly into electricity

• They are made of doped semiconductor arranged to give a p-n junction

• The junction creates an electric field

• Light generates electrons and holes in the semiconductor

• These are separated by the field

• A current is thereby induced when the PV cell is connected in a circuit.

• Photons in sunlight hit the solar panel and are absorbed by semiconducting materials, such as silicon.

• electrons are excited from their current molecular/atomic orbital. Once excited an electron can either dissipate the energy as heat and return to its orbital or travel through the cell until it reaches an electrode. An array of solar cells converts solar energy into a usable amount of direct current (DC) electricity.

• An inverter can convert the power to alternating current (AC).

• Foton di bawah sinar matahari mengenai panel surya dan diserap oleh bahan semikonduktor, seperti silikon.

• Elektron sangat ditarik dari mereka molekul / atom orbital. Setelah ditarik elektron menghilangkan/menghambusrkan energi dalam bentuk panas dan kembali ke orbital nya atau berjalan/berpindah melalui cell hingga mencapai elektroda. Array sel surya mengubah energi matahari menjadi jumlah yang dapat digunakan arus searah (DC) listrik.

• Inverter dapat mengkonversi kekuatan untuk arus bolak-balik (AC).