## SIMULASI LENSA GRATING TERHADAP EFISIENSI DIFRAKSI GRATING PADA SISTEM PEMISAH CAHAYA SPEKTRAL CONCENTRATED

## PHOTOVOLTAIC/THERMAL
Yuke Hary Laksono 1* , Okasatria Novyanto 2
1 Politeknik Kota Malang, Jl Raya Tlogowaru no 3, Kec. Kedungkandang, Kota Malang, Jawa Timur
2 Pusat Riset dan Pengembangan Sumber Daya Manusia, Badan Standardisasi Nasional, Kompleks PUSPIPTEK Gedung 420, Setu, Tangerang Selatan 15314
Email: *yukelaksono@gmail.com

## ABSTRACT
A spectral beam splitting concentrated photovoltaic/thermal (SBS CPVT) system is a new technology in PV areas . In order to split the sunlight, the grating lens is used in this study. The tool of this study is G-Solver software which simulates the diffraction efficiency of visible light and infrared light of the blazed and binary grating lens.  The aim of this paper is to analyze the potential of the diffraction efficiency of grating lens when applied in SBS CPVT. The result show that binary grating, the highest diffraction efficiency for the visible light is also almost unchanged for the aspect ratio from 1.4 to 2, but the peak wavelength shift from around 360 nm to 510 nm, while, for Infrared light, the diffraction efficiency  decrease  from  aspect  ratio  1.4  to  2.  On  the  other  hand,  blazed  grating,  The  highest diffraction efficiency for the visible light is almost unchanged for the aspect ratio from 1.4 to 2, but the peak wavelengths shift from around 350 nm to 500 nm. While IR light, the diffraction efficiency decrease with the aspect ratio 1.4 to 2.
Keywords:  Binary  and  blazed  grating  lens,  diffraction  efficiency,  G-solver,  concentrated photovoltaic/ thermal

## PENDAHULUAN
Berdasarkan International  Energy  Agency (IEA) laporan energi terbarukan (ET) tahun 2017 menggarisbawahi  bahwa  kapasitas  fotovoltaik yang baru, tumbuh secara umum sekitar 50% pada tahun  2016,  yaitu  mencapai  74  GW  [1]. Penggunaan  tenaga  surya  untuk  dikonversi menjadi energi listrik, energi panas atau keduanya yaitu  listrik  dan  panas  sekaligus,  sudah  banyak dilakukan oleh para peneliti. Salah satu teknologi surya  yang  hingga  saat  ini  masih  terus dikembangkan  adalah concentrated  photovoltaic/ thermal  (CPVT)  system untuk  mengkonversi energi  matahari  menjadi  energi  listrik  dan  energi panas  secara  bersamaan  [2].  Manfaat  yang diperoleh dari sistem CPVT dibandingkan dengan sistem fotovoltaik tradisional antara lain  luasan sel surya jauh lebih kecil, efisiensi jauh lebih tingi dan dapat  menghasilkan  dua  jenis  energi  sekaligus yaitu listrik dan panas [3].
Teknologi sistem CPVT sendiri merupakan teknologi  surya yang  dikombinasikan  dari  sistem concentrated  photovolatic (CPV)  dan  sistem photovoltaic  thermal  (PVT)  [4].  Sistem  CPV menggunakan optik (lensa/cermin) untuk memfokuskan  cahaya  matahari  yang  akan dikenakan  pada  sel  surya,  sehingga  efektif  untuk mengurangi  luasan  penerima  dari  sel  surya.
Namun  penggunaan  optik  sebagai  konsentrator akan  menimbulkan  panas  yang  tinggi  pada  sel surya, sehingga memerlukan jenis sel surya khusus dan juga sistem pendinginan untuk meningkatkan efisiensinya [5].
Salah satu teknologi CPVT mutakhir yang dikembangkan  pada  lima  tahun  terakhir  adalah spectral beam splitting concentrated photovoltaic/ thermal  (SBS  CPVT) [6][3] . SBS  CPVT merupakan  teknologi  surya  yang  memanfaatkan sistem optik untuk melakukan fungsi memisahkan cahaya  tampak  dan  cahaya  infra  merah,  yang selanjutnya  memfokuskan  pada  sel  penerima cahaya  tampak  (untuk  konversi  cahya  menjadi listrik)  dan  sel  penerima  infra  merah  (untuk konversi  cahaya  menjadi  panas)  [7].  Skema konsep SBS CPVT dapat dilihat pada gambar 1.
Gambar 1. Skema konsep SBS CPVT
Ada beberapa sistem optik yang digunakan untuk  memisahkan  cahaya  tampak  dan  cahaya infra merah antara lain:  filter compound parabolic concentrator  (CPC)  [8]–[10],  lensa  fresnel [11][12]  dan  grating [13][14].  Teknik  pemisahan cahaya  tampak  dan  infra  merah  pada  pustaka  [8- 14] ditujukan mendapatkan sistem paling sederhana  dan  kompak  dalam  teknologi  CPVT. Sampai  saat  ini  teknologi  tersebut  masih  terus dikembangkan. Untuk memperkaya teknik tersebut  dalam  penelitian  ini  akan  disimulasikan grating.  Grating  adalah  elemen  optik  yang memisahkan dan melakukan difraksi sinar datang menjadi  beberapa  sinar  yang  membentuk  sudut difraksi  spesifik.  Secara  umum  grating  dibagi menjadi  dua  macam  yaitu  grating  refleksi  dan grating transmisi [15]. Grating refleksi merupakan grating  menggunakan  media  cermin,  sementara grating  transmisi  menggunakan  media  lensa. Penelitian ini menggunakan grating transmisi yang bertujuan untuk menganalisa dan membandingkan pengaruh  geometri  difraksi binary dan blazed grating terhadap spektrum energi yang dihasilkan sesuai  yang  dibutuhkan pada perangkat  penerima cahaya (sel surya).

## METODOLOGI PENELITIAN
Metode  yang  digunakan  dalam  penelitian ini  adalah  metode  simulasi.  Untuk  menentukan geometri binary grating dan blazed grating serta spektrum  energi  yang  dihasilkan  digunakan software G-solver. Software G-Solver merupakan software  yang  berbasis  implementasi  vektor menggunakan  teori rigorous  coupled  wave analysis (RCWA)  [16].  Fungsi  utama  dari  G- solver adalah untuk menghitung efisiensi difraksi pada grating iluminasi periodik dengan gelombang datar monokromatik.
Dalam  aplikasi  CPVT,  desain  grating setidaknya harus memenuhi dua kriteria. Pertama , desain  grating  harus  memiliki  efisiensi  difraksi tertinggi dalam rentang gelombang yang dipancarkan  oleh  matahari.  Spektrum  iradiasi spektra  terluas  matahari  dimiliki  oleh  panjang gelombang  yang  berkisar  antara  480  –  510  nm berdasarkan air  mass (AM  1.5)  [17]. Air  mass didefinisikan  sebagai  jarak  tempuh  cahaya matahari dalam atmosfer bumi sebagai fungsi dari sudut elevasi matahari terhadap permukaan bumi. Air mass dapat dirumuskan:
AM = 1 cos 𝜃 (1)
dimana  θ  adalah  sudut  terhadap  normal  horizon (sudut zenith ).  Umumnya  AM1.5  dengan  sudut elevasi  48 o digunakan  sebagai  standar  untuk pengukuran sistem panel surya. Besar energi untuk AM1.5 yaitu 1000 W/m 2 .
Kedua ,  desain  grating  harus  memiliki periode yang tepat untuk mencapai sudut difraksi yang sesuai. Karena pada ukuran tertentu periode dapat  menyebabkan  terjadinya  bayangan  [18], sehingga batas ukuran periode harus diperhatikan. Langkah – langkah untuk mendesain grating dapat dideskripsikan di diagram blok pada gambar 2.
Gambar 2. Diagram blok simulasi desain grating
Langkah pertama adalah pengaturan parameter  grating.  Untuk  mendesain  grating  ada beberapa parameter penting yang harus diperhatikan  antara  lain:  periode  ( Λ ),  jenis material, sudut datang ( 𝜃 𝑖 ), kedalaman ( d ) dan duty cycle ( d c ).  Dalam  penelitian  ini  besar  parameter dari    periode 𝛬 =  5 μ m,  duty  cycle d c =  0.5, material  grating  yang  digunakan  adalah  BK7. Penentuan panjang grating (L) disesuaikan dengan kebutuhan  lensa  yang  akan  digunakan.  Desain binary grating dapat diperhatikan pada gambar 3. Langkah  berikutnya  adalah  menggambar  profil grating  pada graphical  editor. Bentuk  yang diambil  pada  langkah  ini  adalah  bentuk  persegi panjang untuk binary grating dan bentuk segitiga untuk blazed grating .
(a)

## (b)
Gambar 3. Penampang melintang (a) desain binary grating , (b) desain blazed grating
Hubungan antara periode (Λ), panjang gelombang
(λ),  dan  sudut  datang  (θi)  dirumuskan  melalui persamaan:
mλ=Λ(sin θi –sin β )
(2)
dimana  m  adalah  orde  kisi  difraksi  grating,  β adalah sudut transmisi.
Ketiga langkah berikutnya yaitu grating definition , running dan result .  Besaran  dan  informasi  yang akan  digunakan  pada  sofware  G-Solver  dapat diringkas pada tabel 1.
Tabel 1. Besaran dan parameter pada desain grating Parameter Nilai Periode (𝚲) 5 μ m Sudut datang ( 𝜽 𝒊 ) 0 derajat Orde kisi (m) Orde -5 hingga +5 Duty cycle (dc) 0,5 Panjang gelombang (𝝀) 280 – 2520 nm Material grating BK 7 Substrat BK 7 Dimensi grating: P x L x H 50 x 50 x 1 mm Medium lingkungan grating Udara (n = 1) Aspect ratio 2

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Faktor penting untuk mendapatkan efisiensi difraksi  yang  optimal  adalah  penentuan  aspect ratio  (a r ).  Aspect  ratio  merupakan  perbandingan antara kedalaman grating (d)  dengan lebar grating. Orde yang diamati pada simulasi ini dibuat mulai dari rentang 0 sampai 5. Hasil simulasi ini dengan asumsi  tidak  terdapat  cacat  produksi  dalam dimensi  dan  bentuk  grating  karena  kondisi  dn teknologi  mesin  pembuat  grating  yang  berbeda akurasinya. Karena jika terjadi cacat tersebut, akan menurunkan nilai efisiensi difraksinya. Peminimalisiran cacat akan berpengaruh terhadap efisiensi  difraksi.  Untuk  memprediksi  pengaruh cacat  produksi  akan  dilakukan  pada  jurnal  yang lain dengan pendekatan matematis. Sehingga hasil simulasi simulasi ini dapat divalidasi dengan nilai lensa grating yang ada di pasaran yaitu lebih dari 75%.

## 3.1 Efisiensi Difraksi Grating
Hasil  yang  diperoleh  setelah  melakukan proses  running  pada  G-solver  diekspresikan  pada gambar  4  (a)    dan  4  (b).  Pada  grating blazed sebagaimana  gambar  4(a),  tampak  bahwa  orde  1 (garis solid warna biru) memiliki efisiensi difraksi paling  tinggi  sebesar  86,71%  pada  panjang gelombang  500  nm.  Sementara  itu,  orde  0  (garis solid  warna  merah)  cenderung  memiiki  efisiensi
difraksi yang terus naik pada panjang gelombang inframerah  (750  –  2500  nm)  dengan  kisaran efsiensi  difraksi  18,71%  -  83,13%.  Untuk  orde  2 sampai orde 5 terlihat bahwa semuanya memiliki efisiensi  di  bawah  10%  untuk  spektrum  cahaya tampak maupun spektrum inframerah.
Pada  grating binary sebagaimana  gambar 4(b),  tampak  bahwa  orde  1  dan  -1  (garis  solid warna  biru)  memiliki  efisiensi  difraksi  paling tinggi  sebesar  39,12%  pada  panjang  gelombang 1040 nm. Sementara itu, orde 0 (garis solid warna merah)  memiliki  efisiensi  difraksi  tertinggi 88,14% pada panjang gelombang  510 nm. Untuk orde  2  sampai  orde  5  terlihat  bahwa  semuanya memiliki efisiensi di bawah 10% untuk spektrum cahaya tampak maupun spektrum inframerah sama sebagaimana grating blazed .
Untuk  optimasi  dalam  aplikasi  sel  surya maka  akan  dibuat  variasi  aspect  ratio  pada rancangan  grating  mulai  dari  1,4;  1,6;  1,8  dan  2. Agar  didapatkan  efisiensi  terbaik  pada  energi terbesar  iradiasi  matahari  yaitu  pada  panjang gelombang  480-510  nm.  Hasilnya  sebagaimana ditunjukkan  pada  gambar  5(a)  dan  5(b)  yang menampilkan hanya orde 1 dan 0 untuk tiap aspect ratio.
(a)
(b)
Gambar 4. Efisiensi difraksi orde 0 sampai orde 5 pada grating (a) blazed dan (b) binary

## 3.2 Optimasi Efisiensi Difraksi Grating Dengan Aspect  Ratio
Pada  gambar  5  (a)  tampak  bahwa  grating blazed untuk orde 1 dengan aspect ratio 1,4; 1,6; 1,8  dan  2  memiliki  besar  efisiensi  difraksi  yang hampir sama yaitu berturut-turut 87,62%, 88,29%, 87,39%  dan  86,71%    pada  panjang  gelombang berturut-turut  360  nm,  410  nm,  460  nm  dan  500 nm.  Sementara  itu,  untuk  orde  0  dengan  aspect ratio  1,4;  1,6;  1,8  dan  2  memiliki  besar  efisiensi difraksi  berturut-turut    pada  panjang  gelombang 750 nm yaitu 46,97%, 37,1%, 27,58% dan 19,75% kemudian  terus  naik  hingga  panjang  gelombang 2500  nm berturut-turut  88,86%,  86,94%, 84,98% dan 83,14%.
Pada  gambar  5  (b)  tampak  bahwa  grating binary untuk orde 0 dengan aspect ratio 1,4; 1,6; 1,8  dan  2  memiliki  besar  efisiensi  difraksi  yang hampir sama yaitu berturut-turut 89,12%, 89,00%, 88,70%  dan  88,14%    pada  panjang  gelombang berturut-turut  340  nm,  400  nm,  460  nm  dan  510 nm.  Sementara  itu,  untuk  orde  +1  dengan  aspect ratio  1,4;  1,6;  1,8  dan  2  memiliki  besar  efisiensi difraksi tertinggi yang hampir sama yaitu 39,12%, tetapi  menempati  panjang  gelombang  berturut- turut 700 nm, 790 nm, 920 nm dan 1040 nm.
(a)
(b)
Gambar 5. Efisiensi difraksi dengan variasi aspect ratio 1,4 – 2 pada grating (a) blazed dan (b) binary
Efisiensi  difraksi  dari  grating  difraksi periodik dapat dihitung melalui software G-Solver dengan  analisa  numerik  dengan  pendekatan RCWA[19].  Berdasarkan  hasil  yang  didapatkan pada  gambar  4(a)  dan  4(b),  terlihat  bahwa  pada spektrum  cahaya  tampak  (400-750  nm),  grating binary dengan profil perseginya memiliki efisiensi difraksi  lebih  unggul  1,43%  yaitu  88,14%  (pada panjang gelombang 510 nm) dibandingkan dengan efisiensi difraksi grating blazed yang menggunakan profil segitiga sebagaimana gigi hiu yaitu  86,71%  pada  panjang  gelombang  500  nm. Pada gambar 5 (a) dan 5(b) tampak bahwa semakin kecil  aspect  ratio,  dapat  meningkatkan  efisiensi difraksi. Namun tetap perlu diperhatikan kebutuhan  panjang  gelombang  cahaya  tampak yang  dapat  dikonversi  menjadi  listrik  oleh  sel surya  yang  digunakan  pada  aplikasi  pembangkit listrik  tenaga  matahari.  Baik  grating binary maupun blazed dengan  periode  5  μm  dapat memiliki  efisiensi  difraksi  yang  tinggi  dengan aspect ratio paling kecil yaitu 1,8.
Pada  sel  surya  yang  menggunakan multi- junction  photovoltaic (MJPV)  seperti triple junction photovoltaic (sel InGaP, InGaAs dan Ge), maka  penggunaan  cahaya  tampak  dengan spektrum  380-780  nm  dapat  diserap  oleh  sel InGaP, spektrum cahaya merah 780-900 nm dapat diserap  oleh  sel  InGaAs,  dan  yang  terakhir spektrum  inframerah  900-1700  nm  dapat  diserap oleh sel Ge[20]. Dari hasil gambar 4 dan 5 maka potensi  penggunaan  grating  difraksi  sebagai pemecah  panjang  gelombang  berdasarkan  orde yang  ditransmisikan  pada  SBS  CPVT  sangat memungkinkan untuk diterapkan, terutama orde 0 dan orde 1.

## KESIMPULAN
Desain  grating  difraksi  telah  dibuat  dalam dua profil yaitu grating binary dan grating blazed . Grating binary merupakan  grating  dengan  profil persegi  panjang,  sementara  itu  grating blazed merupakan profil segititiga mirip gigi hiu. Kedua grating  difraksi  didesain  dengan  periode  5 𝜇 m berbahan BK.
Setelah proses simulasi menggunakan software  G-Solver  dilakukan,  didapatkan  bahwa efisiensi difraksi grating binary lebih tinggi dalam mentransmisikan  cahaya  tampak  dibandingkan dengan  efisiensi  difraksi  grating blazed pada panjang  gelombang  500  nm.  Kedua  panjang gelombang  tersebut  sesuai  dengan  rentang kemampuan  sel  surya  untuk  mengkonversi menjadi listrik.
Adapun  potensi  transmisi  spektrum  infra merah,  grating blazed memiliki  kecenderungan lebih  baik  dibandingkan  dengan  grating binary . Aspect  ratio yang  diijinkan  pada  kedua  grating adalah  antara  1,8  sampai  dengan  2,  agar  dapat memenuhi spektrum sel surya yang digunakan.

## SARAN
Agar  penerapan  grating  difraksi  dapat lebih aplikatif pada SBS CPVT, maka diperlukan penelitian lanjutan menggunakan perangkat optik baik  cermin  maupun  lensa  untuk  mengarahkan dan  mengkonsentrasikan  orde  1  dan  0  pada grating binary dan grating blazed sesuai keinginan media penerimanya (sel surya dan sel panas).

## DAFTAR PUSTAKA
[1] EIA, 2017. Annual Energy Outlook 2017 with projections to 2050, pp. 1–64.
[2] Azarian,  R.  D.,  Cuce,  E.  dan  Cuce,  P.  M. 2017. An Overview of Concentrating Photovoltaic  Thermal  (CPVT)  Collectors ,” Energy Res. J. , vol. 8, no. 1, pp. 11–21.
[3] Ju, X., Xu, C., Han, X., Du, X., Wei, G. dan Yang, Y. 2017. A review of the concentrated photovoltaic/thermal  (CPVT)  hybrid  solar systems  based  on  the  spectral  beam  splitting technology , Appl. Energy, vol. 187, pp. 534– 563.
[4] Sharaf,  O.  Z.,  dan  Orhann,  M.  F.  2015. Concentrated  photovoltaic  thermal  (CPVT) solar collector systems: Part II - Implemented systems, performance assessment, and future directions , Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 50, pp. 1566–1633.
[5] Daneshazarian, R., Cuce, E., P. M.. Cuce, dan Sher,  F.  2018. Concentrating  photovoltaic thermal  (CPVT)  collectors  and  systems: Theory, performance assessment and applications ,  Renew.  Sustain.  Energy  Rev . , vol. 81, no. July 2017, pp. 473–492.
[6] Michel,  C.,  Loicq,  J.,  Thibert,  T.  dan Habraken,  S.  2015. Optical  study  of diffraction grating/Fresnel lens combinations applied to a spectral-splitting solar concentrator  for  space  applications ,  Appl. Opt., vol. 54, no. 22, pp. 6666–73.
[7] Michel,  C.,  Loicq,  J.,  Languy,  F.  dan Habraken, S. 2014. Solar Energy Materials & Solar  Cells  Optical  study  of  a  solar concentrator for space applications based on a  diffractive/refractive  optical  combination , Sol.  Energy  Mater.  Sol.  Cells,  vol.  120,  pp. 183–190.
[8] Tien,  N.  dan  Shin,  S..  2016. A  Novel Concentrator Photovoltaic (CPV) System with the  Improvement  of  Irradiance  Uniformity
and the Capturing of Diffuse Solar Radiation , Appl. Sci . , vol. 6, no. 9, p. 251.
[9] Fern, E. F.,  Garc, A. J. dan G. P. Smestad, G. P.  2015. High Concentrator Photovoltaics.
[10] Meng, X. L. et al. , 2016. A novel absorptive/ reflective  solar  concentrator  for  heat  and electricity generation: An optical and thermal analysis ,  Energy Convers. Manag., vol. 114, pp. 142–153,.
[11] Anderson, W. G., Dussinger, P. M., Sarraf, D. B,. dan Tamanna, S. 2008. Heat pipe cooling of  concentrating  photovoltaic  cells. 33rd IEEE  Photovolatic Spec.  Conf. ,  no.  July, pp. 1–6.
[12] Shanks,  K.,  S.  Senthilarasu,  S.,  dan  Mallick, T.  K.  2016. Optics  for  concentrating photovoltaics: Trends, limits and opportunities  for  materials  and  design , Renew.  Sustain.  Energy  Rev.,  vol.  60,  pp. 394–407.
[13] Michel,  C. et  al. 2017. Waveguide  solar concentrator design with spectrally separated light, Sol. Energy, vol. 157, no. February, pp. 1005–1016.
[14] Siewert,  F. et  al. ,  2018. Gratings  for synchrotron and FEL beamlines: A project for the  manufacture  of  ultra-precise  gratings  at Helmholtz  Zentrum  Berlin ,  J.  Synchrotron Radiat., vol. 25, no. 1, pp. 91–99.
[15] Palmer,  C.  2005. Diffraction  Grating Handbook . J. Opt. Soc. Am., vol. 46, no. 1, pp. 20–23, 2005.
[16] G. Solver and D. Company, GSolver .
[17] Solar Spectral Irradiance: Air Mass 1.5. 2018 . [Online]. Available: http://rredc.nrel.gov/solar/spectra/am1.5/. [Accessed: 13-Jun-2018].
[18] Swanson,  G.  J.  1989.  B inary  Optics Technology : The Theory and Design of Multi- level  Diffractive  Optical  Elements. Contract, pp. 1–53.
[19] Okano, M., Kikuta, H., Hirai, Y., Yamamoto, K.,  dan  Yotsuya,  T.  2004. Optimization  of diffraction  grating  profiles  in  fabrication  by electron-beam  lithography .  vol.  43,  no.  27, pp. 5137–5142.
[20] Triple Junction Solar Cel l. [Online].
Available:  http://www.arima.com.tw/group1- detail.php?index_m1_id=1&index_m2_id=6 &index_id=3#parentHorizontalTab3. [Accessed: 07-Mar-2018].