Optoelektronika adalah
cabang ilmu yang mengkaji peralatan elektronik yang berhubungan dengan cahaya dan
dianggap juga sebagai sub-bidang dari fotonika. Dalam konteks ini, cahaya yang dikaji
juga merangkumi semua spektrum cahaya dalam gelombang elektromagnetik (spektrum elektromagnetik)
seperti sinar gamma, sinar-X, ultraviolet daninframerah, yang merupakan bentuk cahaya radiasi yang
tak terlihat selain cahaya yang tampak oleh mata manusia normal (spektrum tampak).
Dalam cabang ilmu ini,
kelebihan-kelebihan yang didapati daripada pengabungan dari bidang optik dan
elektronik ini, adalah untuk dapat menghasilkan satu peralatan yang jauh lebih
baik dan bermanfaat terutama yang berkaitan dengan teknologi telekomunikasi serat optik itu
sendiri. Aspek penting dalam
bidang ini adalah bagaimana memanfaatkan sumber foton sebagai media penghantaran bit informas
Optoelektronika adalah suatu
aplikasi perangkat elektronik yang berfungsi mendeteksi dan mengontrol sumber cahaya atau dapat juga dikatakan sebagai peralatan pengubah
dari tenaga listrik ke optik atau sebaliknya. Sumber cahaya yang digunakan dalam
aplikasi ini dihasilkan diantaranya dari fotodioda injeksi dioda, LED, dan laser.
Beberapa sumber ini telah banyak digunakan pada beberapa perangkat
optoelektronik yang biasa digunakan dalam bidang telekomunikasi serat
optik.
Ada beberapa macam divais
optoelektronika diantaranya divais optoelektronika saja, yaitu sel surya dan
fotodetektor. Hal yang menjadi pertimbangan adalah penggunaan kedua
jenis divais optoelektronik ini frekuensinya cukup tinggi dibanding yang
lainnya. Prinsip fisis dari sel surya dan fotodetektor sebenarnya hampir mirip,
yaitu terjadinya pembangkitan pasangan elektron-hole melalui proses eksitasi
ketika foton menumbuk permukaan divais. Perbedaannya adalah dari panjang
gelombang foton yang dapat diserap dan berkontribusi pada proses pembangkitan
ini. Sel surya dapat menyerap spektrum energi foton dalam rentang yang cukup
lebar yaitu foton yang memiliki energi sama atau lebih besar dari
celah pita energi material pembuat sel surya. Sedangkan fotodetektor hanya akan
menyerap energi foton yang energinya di sekitar celah pita energi material
pembuatnya. Berdasarkan kajian dari berbagai literatur, berikut ini akan
dipaparkan hubungan fungsional dari karakteristik utama divais sel
surya dan fotodetektor dengan parameter-parameter fisis bahan pembuat, struktur
divais serta karakteristik setiap lapisan.
1. SEL SURYA
a. Pengertian Sel Surya
Sel
surya mengubah cahaya menjadi listrik Mereka disebut surya atas matahari atau
"sol" karena matahari merupakan sumber cahaya terkuat yang dapat
dimanfaatkan. Sel surya sering kali disebut sel photovoltaic, photovoltaic
dapat diartikan sebagai "cahaya-listrik". Sel surya atau sel PV
bergantung pada efek photovoltaic untuk menyerap energi matahari dan
menyebabkan arus mengalir
antara dua lapisan bermuatan yang
berlawanan. Sel surya biasanya berbentuk wafer bulat diameter 3 inci (7,6 cm)
dan tebal 300 mm. Bebentuk bujur sangkar atau persegi panjang.
Gambar 1 di bawah ini menunjukkan desain Sel Surya secara umum
b. Prinsip kerja sel surya
Gambar 2. Prinsip kerja sel surya
Susunan sebuah solar cell, sama dengan sebuah dioda,
terdiri dari dua lapisan yang dinamakan PN juction. PN junction itu diperoleh
dengan jalan menodai sebatang bahan semikonduktor silikon murni ( valensinya 4
) dengan impuriti yang bervalensi 3 pada bagian sebelah kiri, dan yang di
sebelah kanan dinodai dengan impuriti bervalensi 5. Sehingga pada bagian kiri
terbentuk silikon yang tidak murni lagi dan dinamakan silikon jenis P,
sedangkan yang sebelah kanan dinamakan silikon jenis N. Di dalam silikon murni terdapat
dua macam pembawa muatan listrik yang seimbang. Pembawa muatan listrik yang
positip dinamakan hole, sedangkan yang negatip dinamakan elektron. Setelah
dilakukan proses penodaan itu, di dalam silikon jenis P terbentuk hole (
pembawa muatan listrik positip ) dalam jumlah yang sangat besar dibandingkan
dengan elektronnya. Oleh karena itu di dalam silikon jenis P hole merupakan
pembawa muatan mayoritas, sedangkan elektron merupakan pembawa muatan
minoritas. Sebaliknya, di dalam silikon jenis N terbentuk elektron dalam jumlah
yang sangat besar sehingga disebut pembawa muatan mayoritas, dan hole disebut
pembawa muatan minoritas.
Di dalam batang
silikon itu terjadi pertemuan antara bagian P dan bagian N. Oleh karena itu
dinamakan PN junction. Bila sekarang, bagian P dihubungkan dengan kutub positip
dari sebuah batere, sedangkan kutub negatipnya dihubungkan dengan bagian N,
maka terjadi hubungan yang dinamakan "forward bias". Dalam
keadaan forward bias, di dalam rangkaian itu timbul arus listrik yang disebabkan
oleh kedua macam pembawa muatan. Jadi arus listrik yang mengalir di dalam PN
junction disebabkan oleh gerakan hole dan gerakan elektron. Arus listrik itu
mengalir searah dengan gerakan hole, tapi berlawanan arah dengan gerakan
elektron. Sekedar untuk lebih menjelaskan, elektron yang bergerak di dalam
bahan konduktor dapat menimbulkan energi listrik. Dan energi listrik inilah
yang disebut sebagai arus listrik yang mengalir berlawanan arah dengan gerakan
elektron. Tapi, bila bagian P dihubungkan dengan kutup negatip dari batere
dan bagian N dihubungkan dengan kutub positipnya, maka sekarang terbentuk
hubungan yang dinamakan "reverse bias". Dengan keadaan seperti ini,
maka hole ( pembawa muatan positip ) dapat tersambung langsung ke kutub
positip, sedangkan elektron juga langsung ke kutub positip. Jadi, jelas di
dalam PN junction tidak ada gerakan pembawa muatan mayoritas baik yang hole
maupun yang elektron. Sedangkan pembawa muatan minoritas (elektron) di dalam
bagian P bergerak berusaha untuk mencapai kutub positip batere. Demikian pula
pembawa muatan minoritas ( hole ) di dalam bagian N juga bergerak berusaha
mencapai kutub negatip. Karena itu, dalam keadaan reverse bias, di dalam PN
junction ada juga arus yang timbul meskipun dalam jumlah yang sangat kecil (
mikro ampere ). Arus ini sering disebut dengan reverse saturation current atau
leakage current ( arus bocor ).
Ada yang
menarik dalam keadaan reverse bias itu. Bila suhu PN juction tsb dinaikkan
ternyata dapat memperbesar arus bocor yang timbul itu. Berarti bila diberi
energi (panas), pembawa muatan minoritas di dalam PN junction bertambah banyak.
Karena cahaya itu merupakan salah satu bentuk energi, maka bila ada cahaya yang
menimpa suatu PN junction dapat juga menghasilkan energi yang cukup untuk
menghasilkan pembawa muatan. Gejala seperti ini dinamakan fotokonduktif.
Berdasarkan gejala fotokonduktif itu maka dibuat komponen elektronik fotodioda
dari PN junction itu. Dalam keadaan reverse bias, dengan memperbesar
intensitas cahaya yang menimpa fotodioda dapat meningkatkan aras arus bocornya.
Arus bocor dapat juga diperbesar dengan memperbesar tegangan batere (tegangan
reverse), tapi penambahan arus bocornya itu tidak signifikan. Bila batere dalam
rangkaian reverse bias itu dilepas dan diganti dengan beban tahanan, maka
pemberian cahaya itu dapat menimbulkan pembawa muatan baik hole maupun
elektron. Jika iluminasi cahaya itu ditingkatkan, ternyata arus yang timbul
semakin besar. Gejala seperti ini dinamakan photovoltaic. Cahaya dapat memberikan
energi yang cukup besar untuk memperbesar jumlah hole pada bagian P dan jumlah
elektron pada bagian N. Berdasarkan gejala photovoltaic ini maka dapat
diciptakan komponen elektronik photovoltaic cell. Karena biasanya matahari
sebagai sumber cahaya, maka photovoltaic cell sering juga disebut solar cell
(sel surya) atau solar energy converter.
Jadi sel surya
itu pada dasarnya sebuah foto dioda yang besar dan dirancang dengan mengacu
pada gejala photovoltaic sedemikian rupa sehingga dapat menghasilkan daya yang
sebesar mungkin. Silikon jenis P merupakan lapisan permukaan yang dibuat sangat
tipis supaya cahaya matahari dapat menembus langsung mencapai junction. Bagian
P ini diberi lapisan nikel yang berbentuk cincin, sebagai terminal keluaran
positip. Di bawah bagian P terdapat bagian jenis N yang dilapisi dengan nikel
juga sebagai terminal keluaran negatip.
Untuk
mendapatkan daya yang cukup besar diperlukan banyak sel surya. Biasanya sel-sel
surya itu sudah disusun sehingga berbentuk panel, dan dinamakan panel
photovoltaic (PV). PV sebagai sumber daya listrik pertama kali digunakan di
satelit. Kemudian dipikirkan pula PV sebagai sumber energi untuk mobil,
sehingga ada mobil listrik surya. Sekarang, di luar negeri, PV sudah mulai
digunakan sebagai atap atau dinding rumah. Bahkan Sanyo sudah membuat PV yang
semi transparan sehingga dapat digunakan sebagai pengganti kaca jendela. Sel
surya di Indonesia sudah mulai banyak dimanfaatkan, terutama sebagai energi
penerangan di malam hari. Juga sudah dilakukan uji coba untuk membuat mobil
tenaga surya. Sekarang, pemerintah sedang memikirkan untuk mengembangkan
pemanfaatan sel surya ke daerah-daerah transmigrasi.
C. Bahan Sel Surya
- Teknologi
Silikon dan GaAs
Pada prinsipnya, sel surya adalah identik
dengan piranti semikonduktor dioda. Hanya saja dewasa ini strukturnya menjadi
sedikit lebih rumit karena perancangannya yang lebih cermat untuk meningkatkan
efisiensinya. Untuk penggunaan secara luas dalam bentuk arus bolak-balik, masih
diperlukan peralatan tambahan seperti inventer, baterei penyimpanan dan
lain-lain. Kemajuan dari penelitian akan material semikonduktor sebagai bahan
inti sel surya, telah menjadi faktor kunci bagi pengembangan teknologi ini.
Dalam teknologi sel surya, terdapat berbagai pilihan penggunaan material
intinya. Kristal tunggal silikon sebagai pioner dari sel surya memang masih
menjadi pilihan sekarang karena teknologinya yang sudah mapan sehingga bisa
mencapai efisiensi lebih dari 20 % untuk skala riset. Sedangkan modul/panel sel
surya kristal silikon yang sudah diproduksi berefisiensi sekitar 12 %. Material
yang berefisiensi tinggi lainnya adalah dari paduan golongan unsur III-V GaAs
dan InP.
- Sel surya
film tipis
Sel surya yang terbuat dari film
tipis (Thin film solar cells)d i antaranya ada tiga material yang sedang
dikembangkan secara intensif yaitu CuInSe2 (atau paduannya seperti CuIns2 atau
CuInGaSe2 ), CdTe dan silikon amorf. Sel surya film tipis CdTe telah dapat
diproduksi dalam bentuk modul percobaan dengan efisiensi sekitar 10%. diterima
dengan baik karena mengandung unsur cadmium. Material CuInSe2 adalah juga
diharapkan dapat digunakan secara luas. Material dengan daya absorpsi cahaya
yang besar ini, secara teoritik mempunyai efisiensi 20% bahkan lebih. Dalam
skala laboratorium saat ini telah dibuat efisiensi di atas 15%. Yang terakhir
adalah silikon amorf. Material ini juga dikenal sebagai bahan dasar
pembuatan flat panel displayuntuk layar computer atau televisi
portabel. Ini dimungkinkan karena material ini bisa ditumbuhkan dalam ukuran
besar dengan lebar lebih dari satu meter. Film tipis silikon amorf biasanya
dibuat dengan menguraikan gas monosilane (SiH4 ) dalam plasma yang dibangkitkan
oleh penguat frekuensi radio (glow discharge) pada suhu yang relative rendah
(250o C).
- Sel Surya Bahan Organik
Berbagai jenis bahan organik telah
dapat dipergunakan untuk men-desain berbagai piranti seperti Sel Surya, sensor,
transistor, diode, reflektor sinar-X, dan lain-lain serta yang menarik adalah
prospek teknologi elektronika molekul yaitu teknologi men-desain berbagai
piranti elektronika dalam skala molekul didasarkan kepada rekayasa molekul dari
bahan organik dan kombinasi bahan organik-logam (organometallic) Banyak
bahan organik yang memungkinkan untuk dibuat Sel Surya dengan beberapa
kelebihan dan kekurangannya yang perlu untuk dikembangkan dari waktu ke waktu
sebagai contoh adalah desain Sel menggunakan bahan Metal free
Phtalocyanine (Pc),yaitu bahan organik phtalocyanine yang memiliki struktur
molekul tanpa ada ikatan logam yang dicampur dengan bahan Polyvinylacetate (PVA)
menjadi senyawa baru yang untuk mudahnya diberi istilah x-H2Pc,PVA [7].
Bahan tersebut dibuat film dan dimendapkan di atas substrat dengan cara
meratakannya menggunakan mata pisau tipis atau dengan teknik spin-coating.
Bahan x-H2Pc sendiri merupakan bahan semikonduktor jenis p,
sedangkan bahan PVA dalam desain Sel ini berfungsi sebagai
pengikat antara substrat dengan bahan x-H2Pc. Spektrum serapan
untuk perubahan panjang gelombang dari bahan x-H2Pc,PVA dengan
ketebalan 2 m m seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Dari spektrum tersebut dapat
dilihat intensitas serapan maximum cahaya tampak oleh bahan pada panjang
gelombang sekitar 670 nm.
Gambar 3.
Spektrum serapan bahan x-H2Pc,PVA terhadap perubahan panjang
gelombang
d. Prosedur Kerja Sel Surya
Sel
Surya mengkonversikan langsung cahaya menjadi listrik pada tingkat atom. Bahan
dari sel surya mempunyai kemampuan photoelectric yaitu kemampuan menyerap
energi photon dalam cahaya dan melepaskan electron bebas jika terkena sinar
matahari. Ketika elektron bebas ini ditangkap, timbul suatu arus listrik yang
dapat ditransmisikan menjadi energi listrik .
Gambar
4 Prosedur kerja sel surya
Secara
sederhana solar cell terdiri dari persambungan bahan
semikonduktor bertipe p dan n (p-n junction semiconductor) yang jika tertimpa
sinar matahari maka akan terjadi aliran electron, nah aliran electron inilah
yang disebut sebagai aliran arus listrik. Sedangkan struktur dari sel surya
seperti ditunjukkan dalam gambar di atas. Bagian utama perubah energi sinar
matahari menjadi listrik adalah absorber (penyerap), meskipun demikian,
masing-masing lapisan juga sangat berpengaruh terhadap efisiensi dari Sel
surya. Sinar matahari terdiri dari bermacam-macam jenis gelombang
elektromagnetik. Oleh karena itu absorberdisini diharapkan dapat
menyerap sebanyak mungkin solar radiation yang berasal dari cahaya matahari.
Lebih
detail lagi bisa dijelaskan sinar matahari yang terdiri dari photonphoton, jika
menimpa permukaaan bahan solar sel (absorber), akan diserap, dipantulkan
atau dilewatkan begitu dan hanya foton dengan level energi tertentu yang akan
membebaskan electron dari ikatan atomnya, sehingga mengalirlah arus listrik.
Level energi tersebut disebut energi band-gap yang
didefinisikan sebagai sejumlah energi yang dibutuhkan untuk mengeluarkan
electron dari ikatan kovalennya sehingga terjadilah aliran arus listrik. Untuk
membebaskan electron dari ikatan kovalennya, energi foton (hc) harus
sedikit lebih besar/diatas daripada energi band-gap. Jika energi
foton terlalu besar dari pada energi band-gap, maka extra energi
tersebut akan dirubah dalam bentuk panas pada solar sel. Karenanya sangatlah
penting pada sel surya untuk mengatur bahan yang dipergunakan, yaitu dengan
memodifikasi struktur molekul dari semikonduktor yang dipergunakan.
Tentu
saja agar efisiensi dari solar cell bisa tinggi maka foton
yang berasal dari sinar matahari harus bisa diserap yang sebanyak banyaknya,
kemudian memperkecil refleksi dan remombinasi serta memperbesar konduktivitas
dari bahannya. Untuk bisa membuat agar foton yang diserap dapat sebanyak
banyaknya, maka absorber harus memiliki energi band-gap dengan range yang
lebar, sehingga memungkinkan untuk bisa menyerap sinar matahari yang mempunyai
energi sangat bermacam-macam tersebut. Sebuah Sel Surya (yang terbuat dari
silikon) pada umumnya dapat
menghasilkan tegangan 0.5 volt dan
daya 1 watt. Jika ingin mendapatkan tegangan yang lebih tinggi dan daya yang
lebih besar maka sel surya akan disusun menjadi sebuah panel yang terdiri dari
puluhan bahkan ratusan sel surya.
E. Karakteristik Sel Surya
- Arus –tegangan
sel surya
Perpindahan elektron-elektron dari pita valensi ke pita konduksi
menimbulkan dua macam gerak pembawa muatan, yaitu gerak elektron-elektron pada
pita konduksi dan gerak hole (lubang) pada pita valensi dengan
arah gerak kedua pembawa muatan tersebut saling berlawanan. Total gerak pembawa
muatan tersebut menimbulkan arus listrik pada rangkaian luar yang secara
sederhana dilukiskan pada Gambar 1.
Gambar 5. Proses pembangkitan arus listrik pada sel surya
Arus keluaran (I) serta tegangan (V) yang dihasilkan ketika
sel memperoleh penyinaran merupakan karakteristik setiap sel surya.
Karakteristik ini selalu disajikan dalam bentuk kurva hubungan I dan V.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa karakterisrik sel surya
dipengaruhi oleh intensitas cahaya dan suhu permukaan sel. Kurva I-V yang
merupakan karakteritik tersebut tersaji dalam Gambar 2.
Gambar 6. Pengaruh intensitas cahaya terhadap
karakteristik arus-tegangan sel surya
Dari gambar 2 terlihat bahwa arus keluaran (I) berbanding lurus
dengan intensitas cahaya, sedangkan tegangan (V) berubah secara
logaritmik. ISCmenyatakan arus hubung singkat dan VOC menyatakan
tegangan listrik rangkaian terbuka. Arus dan tegangan maksimun terjadi pada
saat sel surya menghasilkan daya ( jumlah watt ) maksimum.
- Faktor Pengsiangan (fill factor) Sel Surya
Faktor pengisian sel surya merupakan
perbandingan antara daya keluaran maksimum terhadap daya teoritisnya atau dapat
dinyatakan sebagai berikut :
Kualitas dari sel surya biasanya
dinyatakan dengan nilai fill factor (ff) yang
menunjukkan besarnya kemampuan sel surya menyerap cahaya yang diterimanya. Atau
sering juga dinyatakan dengan nilai efisiensi (dalam percobaan ini tidak
diamati). Semakin besar nilai fill factor atau efisiensinya
maka sel tersebut semakin baik.
2. Fotodetektor
Photo
Detector adalah alat untuk mengukur intensitas cahaya .
Photo detektor dapat dibagi menjadi tiga kategori yang berbeda sesuai dengan
fungsinya sebagai:photodetectors berbasis semikonduktor, tabung
photomultiplier, dan bolometers. photodetectors
Semiconductor sejauh ini yang paling umum digunakan sehari-hari. Contohnya
adalah foto dioda yang duduk dalam sel foto untuk memantau atau Power Button
dan sensor gambar dan video yang digunakan dalam kamera digital (biasanya
dari CCD -
atau CMOS -tipe).
Karakteristik
utama dari fotodetektor antara laian adalah tingkat responsivitas,
tingkat sensitivitas, dan efisiensi kuantum (Bart J. Van Zeghbroeck, 1996).
Responsivitas fotodetektor didefinisikan sebagai rasio dari arus
pada fotodetektor terhadap daya optik yang masuk pada divais. Sensitivitas
didefinisikan sebagai daya masukan minimum yang masih dapat terdeteksi oleh
divais. Dan efisiensi kuantum didefinisikan sebagai rasio dari jumlah pasangan
elektron-hole yang menghasilkan arus listrik terhadap jumlah foton yang
menumbuk divais. Seperti halnya sel surya, fotodeterktor pun
terdiri dari berbagai struktur, seperti persambungan p-n, persambungan p-i-n,
serta persambungan M-S.
- Photodioda
Dioda
peka cahaya adalah jenis dioda yang berfungsi mendektesi cahaya. Berbeda dengan
dioda biasa, komponen elektronika ini akan mengubah menjadi arus listrik. Cahaya
yang dapat dideteksi oleh dioda peka cahaya ini mulai dari cahaya inframerah,
cahaya tampak, ultra ungu sampai dengan sinar-X. Aplikasi dioda peka cahaya
mulai dari penghitung kendaraan di jalan umum secara otomatis, pengukur cahaya
pada kamera serta beberapa peralatan dibidang medis. Alat yang mirip dengan
dioda peka adalah transistor foto (phototransistor). Transistor foto ini pada
dasarnya adalah jenis transistor bipolar yang menggunakan kontak (junction)
base-collector untuk menerima cahaya. Komponen ini mempunyai sensitivitas yang
lebih baik jika dibandingkan dengan dioda peka cahaya. Hal ini disebabkan
karena electron yang ditimbulkan oleh foton cahaya pada junction ini
diinjeksikan di bagian Base dan diperkuat di bagian kolektornya. Namun demikian,
waktu respons dari transistor foto secara umum akan lebih lambat dari pada
dioda peka cahaya.
Gambar 7
Simbol Dioda Peka Cahaya
- Prinsip kerja photodioda
Photodiodes
dibuat dari semikonduktor dengan bahan yang populer adalah silicon ( Si) atau
galium arsenida ( GaAs), dan yang lain meliputi InSb, InAs, PbSe. Material ini
menyerap cahaya dengan karakteristik panjang gelombang mencakup: 2500 Å - 11000
Å untuk silicon, 8000 Å – 20,000 Å untuk GaAs. Ketika sebuah photon (satu
satuan energi dalam cahaya) dari sumber cahaya diserap, hal tersebut
membangkitkan suatu elektron dan menghasilkan sepasang pembawa muatan tunggal,
sebuah elektron dan sebuah hole, di mana suatu hole adalah bagian dari
kisi-kisi semikonduktor yang kehilangan elektron. Arah Arus yang melalui sebuah
semikonduktor adalah kebalikan dengan gerak muatan pembawa. cara tersebut
didalam sebuah photodiode digunakan untuk mengumpulkan photon - menyebabkan
pembawa muatan (seperti arus atau tegangan) mengalir/terbentuk di bagian-bagian
elektroda.
Photodioda
digunakan sebagai penangkap gelombang cahaya yang dipancarkan oleh Infrared.
Besarnya tegangan atau arus listrik yang dihasilkan oleh photodioda tergantung
besar kecilnya radiasi yang dipancarkan oleh infrared. Panjang
gelombang yang dihasilkan oleh bahan photodioda yang berbeda terhadap pengliatan mata.
DAFTAR PUSTAKA
Tidak ada komentar:
Posting Komentar