Jurnal Teknologi Proses
Media Publikasi Karya Ilmiah Teknik Kimia
6(1) Januari 2007: 75 – 81 ISSN 1412-7814
Simulasi Peranti Model Sel Surya Medan Permukaan Belakang
Pendopingan Tinggi Fungsi Eksponensial
Mara Bangun Harahap
Jurusan Fisika FMIPA dan Prodi Pendidikan Kimia Pascasarjana Unimed
Abstrak
Kecepatan rekombinasi permukaan efektif SEFF model basis sel surya hubungan tinggi-rendah berdistribusi
ketidakmurnian kerapatan doping fungsi eksponensial telah diteliti. Model diterapkan pada hubungan n-n+(x) sel surya dengan memakai masukan data eksperimen sempitan celah pita energi, waktu hidup dan mobilitas. Simulasi peranti model mengungkap: (a) kecepatan rekombinasi efektif SEFF nyata membatasi voltasi rangkaian
terbuka Voc dan kerapatan arus rangkaian hubung singkat JSC sel surya kristal silikon medan permukaan p+-n-n+
(x), serta (b) sempitan celah pita energi penting dalam memanifestasi batas tersebut.
Kata kunci: pendopingan tinggi, simulasi peranti, solusi analitik, fungsi eksponensial, medan permukaan belakang.
Pendahuluan
Latar Belakang Masalah
Penelitian sel surya pada dasarnya difokuskan pada dua tujuan utama: pertama, untuk memperoleh model sel surya efisiensi tinggi dengan memanfaatkan teknologi canggih; kedua, untuk memperoleh model sel surya efisiensi rendah dengan memanfaatkan teknologi produksi konsumsi massa. Tujuan manapun yang diprioritaskan, penelitian selalu dimulai dengan mengembangkan model sel surya yang akan diteliti. Pemakaian program komputer sebagai pendukung pengembangan teknologi mikroelektronika menimbulkan dampak positif pada pengembangan desain sel surya. Program komputer dapat memperpendek siklus pengembangan, dan pada gilirannya dapat mengurangi biaya pengembangan. Dengan simulasi komputer, para pendesain model sel surya dapat mengungkap sifat fisika
dari proses dan karakteristik model sel surya yang disimulasikan tersebut. Simulasi komputer dapat mengganti pengujian eksperimen yang mahal. Selain itu, simulasi komputer dapat memeriksa operasi dalam di dalam sebarang peranti dengan mempergunakan simulasi ganda (Penumalli, 1986).
parameter-parameter yang tercakup dalam persamaan. Berdasarkan temuannya itu, Harahap (1993; 6-10) menerapkan solusi tersebut untuk memodel emiter sel surya memakai profil pendopingan fungsi eksponen. Untuk pendopingan fungsi pangkat, Sudiati et al. (1993) telah memodel emiter sel surya silikon kristal tipe N.
Pada tulisan ini dilaporkan hasil penelitan lanjutan tentang simulasi peranti model basis sel surya memakai daerah medan permukaan belakang (Back Surface Fields: BSF) dengan pendopingan profil fungsi eksponensial. Penelitian yang dilaporakan ini bertujuan untuk memperoleh model yang paling optimal dalam memaksimalkan voltase rangkaian terbuka sel surya.
Perumusan Masalah
Penelitian ini dibatasi dengan merumuskan masalah sebagai berikut: Bagaimanakah model basis daerah permukaan belakang sel surya silikon kristal pendopingan tinggi memakai profil doping fungsi eksponensial yang paling optimal dalam memaksimalkan voltase rangkaian terbuka sel surya?
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk: (a) menganalisis hubungan kecepatan rekombinasi permukaan belakang efektif sebagai fungsi ketebalan, dan (b) melihat pengaruh penyempitan sela pita energi terhadap hubungan kecepatan rekombinasi permukaan belakang efektif sebagai fungsi ketebalan.
Manfaat Penelitian
Temuan penelitian diharapkan bermanfaat sebagai: (a) informasi tentang pengembangan perangkat lunak (program komputer) simulasi peranti yang berguna untuk mengganti suatu eksperimen yang mahal di bidang teknologi sel surya, dan (b) informasi tentang parameter-parameter fisis perancangan peranti sel surya sebelum fabrikasi dilakukan dan informasi tentang sel surya yang dapat dioptimasi sedininya dalam siklus pengembangan produk sel surya.
Tinjauan Pustaka
Persamaan Transpor Pembawa Minoritas dalam Material Silikon Kristal Doping Tinggi
Pada bagian ini diuraikan persamaan transpor pembawa minoritas bahan silikon kristal tipe N berdasarkan pada hasil analisis Harahap (1992), yang menghasilkan solusi umum untuk bahan tersebut. Asumsi yang diajukan dalam menentukan solusi: (a) parameter-parameter transpor hanya merupakan fungsi kedalaman (x) dalam material, sehingga transpor dapat diperlakukan dalam satu dimensi; (b) pembahasan dalam kondisi kuasi netral dan injeksi rendah, sehingga hanya diperlakukan untuk pembawa minoritas saja; dan (c) peranti yang dibahas dalam keadaan tunak.
Himpunan persamaan yang harus ditentukan solusinya adalah sebagai berikut:
J(x) = Jdiff + Jdrift = - e D
dp
dx
+ eµ
p … (1)1 d
p
J +
= 0
e dx
τ
… (2)T G
d
1
d
E = - V
ln (N) +
E
dx
e dx
Δ
… (3)-k
τ
(N) = K N
… (4)-m
(N) = M N
… (5)G T
0
N
Δ
E
e f V ln [
]
N
=
… (6)Pada persamaan 1 sampai dengan persamaan 6 arti simbol adalah sebagai berikut: J menyatakan kerapatan arus, yang terdiri dari jumlah kerapatan arus difusi Jdiff dan kerapatan
arus hanyut Jdrift;
µ
menyatakan mobilitas hole; τ menyatakan waktu hidup rekombinasi hole; D menyatakan diffusitas hole; p menyatakasn kerapatan hole; N menyatkan kerapatan doping;G
Δ
E
menyatakan sempitan sela pita energi yang muncul; E menyatakan medan listrik; emenyatakan besar muatan elektron;
V =
TkT
e
dapat dilihat pada Harahap (1992:83-85). Penurunan dan penentuan solusi himpunan persamaan di atas untuk profil doping fungsi eksponensial yang akan diterapkan dlam penelitian ini dapat dilihat pada Verhoef (1990), Verhoef dan Sinke (1990) dan Harahap (1992).
Model Sel Surya Medan Permukaan Belakang Pendopingan TinggiFungsi Eksponensial
Model teoretis sel surya medan permukaan belakang pendopingan tinggi fungsi eksponensial serta asumsi profil doping yang diajukan dapat dilihat pada Gambar 1 di bawah ini. Pada penelitian ini model sel surya diajukan berdasarkan hasil analisis literatur (Penumalli, 1986; Fichner, 1988; Verhoef, 1990; Harahap, 1992; Sadovnikov & Roulston, 1997; Sze, 2002; Harahap, 2005). Model ini belum diwujudkan dalam eksperimen. Namun, menurut perkiranan peneliti dengan didukung oleh penemuan peneliti lain, model ini mempunyai keuntungan dari segi kemudahan analisis. Hal ini karena model ini mengandung persamaan trasnpor yang tidak mengandung integral lipat sehingga sifat fisisnya transparan
untuk dianalisis. Dari segi permasalahan penelitian ini, model yang diajukan belum pernah diteliti secara tuntas, sehingga cocok untuk diteliti lebih lanjut. Model sel surya yang memakai profil doping fungsi eksponensial layak untuk diteliti, untuk memperoleh gambaran luas tentang model-model sel surya yang memakai profil doping fungsi eksponensial.
Metode Penelitian
Sifat Penelitian
Penelitian ini bersifat eksploratif. Dengan demikian dalam penelitian ini tidak diajukan hipotesis penelitian. Penelitian ini menggabungkan pendekatan fisika teoretik dan fisika komputasional dalam pengembangan fisika semikonduktor sub bidang sel surya.
Parameter-parameter empiris yang disadur dari berbagai literatur dijadikan sebagai masukan simulasi peranti.
Keterangan:
I: Daerah muatan ruang (space charge region) antara daerah basis n dengan daerah kuasi netral medan permukaan belakang (back surface field: BSF) n+ (x); I’: Daerah muatan ruang antar daerah emiter p+ dengan daerah basis n; II: Daerah BSF n+(x); III: Daerah basis n; IV: Daerah emiter p+; N
[image:3.595.108.501.463.602.2]E: Konsentrasi doping emiter p+ (pendopingan tinggi uniform); NB: Konsentrasi doping basis n (pendopingan rendah uniform); NBSF (x): Konsentrasi doping basis BSF n+(x) (pendopingan tinggi tak uniform, profil doping fungsi eksponensial); NS: Konsentrasi doping pada permukaan belakang basis BSF n+(x).
GAMBAR 1: Model Sel Surya Medan Permukaan Belakang Pendopingan Tinggi Fungsi Eksponensial
I’ III I II
IV
P+ n n
+ (x)
NE
NB NBSF (x)
Variabel Penelitian
Dalam penelitian ini ada tiga jenis variabel, yakni: variabel bebas, variabel terikat dan variabel moderator. Variabel bebas adalah kecepatan rekombinssi pada permukaan belakang sel surya. Variabel terikat adalah beda potensial rangkaian terbuka sel surya. Variabel moderator adalah variabel yang juga berpengaruh pada beda potensial rangkaian terbuka sel surya, tetapi pengaruhnya tidak langsung. Variabel moderator berpengaruh langsung terhadap semua parameter-parameter masukan simulasi peranti. Variabel moderator dalm penelitian ini adalah x (kedalaman dalam bahan semikonduktor). Semua parameter-parameter yang terlibat pada setiap model matematis dalam simulasi peranti bergantung pada x.
Alat/Teknik Pengumpulan Data
Data dikumpulkan dengan memakai metode numerik pada simulasi peranti untuk model sel surya yang dikemukakan dalam penelitian ini. Masukan-masukan untuk simulasi peranti dengan model sel surya seperti ini adalah parameter-parameter persamaan transpor muatan minoritas.
Ketelitian data yang diperoleh dengan metode numerik diketahui melalui teori ketidakpastian metode numerik yang dipakai.
Teknik Analisis Data
a. Diplot (oleh komputer) hubungan antara kecepatan rekombinasi permukaan belakang efektif sebagai fungsi ketebalan.
b. Diplot (oleh komputer) pengaruh penyempitan sela pita energi terhadap hubungan kecepatan rekombinasi permukaan belakang efektif sebagai fungsi ketebalan. c. Dianalisis hasil simulasi peranti dengan cara
membandingkannya dengan hasil simulasi peranti yang telah ditemukan penelitia lain (merujuk ke literatur). Analisis dilakukan berdasarkan pada teori fisika yang relevan. (Metode numerik sebagaimana dikemukakan di atas digunakan pada a, b dan c).
Prosedur Penelitian
Tahap Pertama: Merancang Model Sel Surya Model sel surya yang dipakai adalah model ser surya yang dibagankan pada Gambar 1.
Tahap Kedua: Merumuskan Solusi Persamaan Transpor Minoritas Material Semikonduktor
Himpunan persamaan yang harus ditentukan solusinya adalah sebagai berikut:
J(x) = Jdiff + Jdrift = - e D
dp
dx
+ eµ
p ...(7)1 d
p
J +
= 0
e dx
τ
… (8)T G
d
1
d
E = - V
ln (N) +
E
dx
e dx
Δ
… (9)-k
τ
(N) = K N
… (10)-m
(N) = M N
… (11)G T
0
N
Δ
E
e f V ln [
]
N
=
… (12)Pada persamaan 7 sampai dengan persamaan 12 arti simbol adalah sebagai berikut: J menyatakan kerapatan arus, yang terdiri dari jumlah kerapatan arus difusi Jdiff dan kerapatan
arus hanyut Jdrift;
µ
menyatakan mobilitas hole; τ menyatakan waktu hidup rekombinasi hole; D menyatakan diffusitas hole; p menyatakasn kerapatan hole; N menyatkan kerapatan doping;G
Δ
E
menyatakan sempitan sela pita energi yang muncul; E menyatakan medan listrik; emenyatakan besar muatan elektron;
V =
TkT
e
menyatakan voltase termal, di mana K, k, M,m, N0 adalah konstanta (besarnya secara lengkap
dapat dilihat pada Harahap (1992:83-85).
Tahap Ketiga: Memasukkan Parameter-parameter yang akan Diolah dengan Program Komputer Simulasi.
Tahap Keempat: Tampilkan dan Analisis Hasil Simulasi.
Temuan Penelitian dan Pembahasan
Temuan Penelitian
Luaran simulasi peranti yang merupakan hubungan (a) SEFF (kecepatan rekombinasi
permukaan belakang efektif) terhadap ketebalan W dan (b) Pengaruh penyempitan sela pita energi (f = 0,75) terhadap hubungan SEFF
[image:5.595.165.420.254.409.2]sebagai fungsi ketebalan W dicantumkan pada Gambar 2 dan Gambar 3 berikut ini.
[image:5.595.171.437.477.634.2]GAMBAR 2: Hubungan antara SEFF dengan Ketebalan W
Pembahasan
Secara teroretis telah diketahui bahwa efisiensi sel surya dibatasi oleh rekombinasi permukaan belakang sel surya (Overstaeten dan Mertens, 1986). Berdasarkan faktor pembatas tersebut, rancangan model sel surya biasanya memakai daerah medan permukaan belakang, seperti dilakukan pada penelitian ini. Temuan penelitian ini memperbanyak informasi tentang model-model sel surya silikon kristal yang mempunyai peluang besar untuk dipakai sebagai model sel surya efisiensi tinggi. Temuan penelitian ini mendukung temuan penelitian lain yang telah lebih dulu memakai hubungan tinggi rendah pada sisi belakang sel surya untuk menaikkan pemantulan pembawa minoritas yang dicerminkan oleh nilai kecepatan rekombinasi permukaan efektif sel surya.
Berdasarkan Gambar 2 terungkap bahwa hasil yang diperoleh dalam penelitian ini sama dengan yang diperoleh Verhoef (1990), serta Verhoef dan Sinke (1990). Namun, pada Gambar 2 dilakukan penambahan terhadap yang ditemukan Verhoef (1990), serta Verhoef dan Sinke (1990), yakni penambahan plot untuk S = 4 cm/s, yang ternyata hasilnya menunjukkan bahwa Seff untuk S = 4 cm/s sama
besar (grafik berimpit) dibandingkan untuk s = 6 cm/s. Selanjutnya dapat dilihat bahwa Seff
menurun terhadap bertambahnya ketebalan W (daerah BSF). Pada Gambar 2 diplot pula Seff
memakai N(W) = 1018 dan N(W) = 1017 cm-3 (uniform). Hasilnya menunjukkan bahwa grafik untuk N(W) = 1017 berada di antara grafik N (W) = 1019 dengan N(W) = 1017. Lebih lanjut dapat dilihat bahwa pengaruh S untuk N(W) = 1017 dan N(W) 1018 muncul dan Seff untuk
kedua kasus ini menurun terhadap bertambahnya ketebalan W (daerah BSF).
Berdasarkan pada Gambar 3, dapat dilihat bahwa untuk N(W) terbesar (1019) ternyata Seff
paling kecil dan pengaruh S untuk setiap N(W) muncul kembali. Semua Seff menurun terhadap
ketebalan W (daerah BSF), kecuali untuk N(W) = 1019 dengan S = 4 cm/s ternyata Seff naik
terhadap ketebalan W (daerah BSF). Lebih lanjut, dapat dijelaskan bahwa Seff untuk N(W)
= 1018 paling besar, dan Seff untuk N(W) = 1017
(uniform) berada di antara Seff untuk N(W) =
1018 dengan N(W) = 1019. Seff secara
keseluruhan diperlihatkan pada Gambar 3 tersebut.
Kesimpulan dan Saran
Suatu model teoretis untuk menentukan kecepatan rekombinasi permukaan belakang efektif pada hubungan tinggi-rendah memakai pendopingan fungsi eksponensial telah digunakan dalam mendesain sel surya medan permukaan belakang. Desain sel surya tersebut mempunyai sifat fisika yang menunjukkan kecenderungan menghasilakan SEFF (kecepatan
rekombinasi permukaan belakang efektif) yang lebih kecil dibandingkan temuan penelitian lain yang memakai profil doping fungsi eror.
Jika model sel surya ini hendak diwujudkan dalam sampel (penelitian lanjutan), disarankan hal-hal berikut: 1)Hendaknya dilakukan lebih dulu penelitian tentang efek pemantulan cahaya pada permukaan emiter, karena penelitian ini belum menyinggung hal ini. 2) Agar dapat diperoleh harga VOC dalam eksperimen yang
kira-kira sama dengan harga VOC pada
penelitian ini, hendaknya dipikirkan alat pendopingan lapisan n+(x) yang benar-benar mampu memberikan doping fungsi eksponensial.
Daftar Pustaka
Fichner, W. 1988. “Process Simulation”. Dalam S.M. Sze (ed.), VLSI Technology (hlm. 422-465). Singapore: McGraw-Hill International Editions.
Harahap, M.B. 1992. Solusi Analitik Transpor Pembawa Minoritas Silikon Kristal yang Didoping Tak Uniform dan Aplikasinya pada Peranti Sel Surya. Tesis S2 di ITB Bandung. Tidak Dipublikasikan.
Penumalli, B.R. 1986. “Physical Models and Numerical Methods for VLSI”. Dalam W.L. Eng (ed.), Process Simulation and Devices Modeling, (hlm.1-30). North Holland: Elsevier Science Publishers B.V.
Sadovnikov, A.D. & Roulston, D.J. 1997. “A New Numerical Method for Quasi-Three Dimensional Small-signal Simulation of Silicon Bipolar Transistors”. Solid State Electronics. 41(1): 33-40.
Sze, S.M. 2002. Semiconductor Devices Physics and Technology. Singapore: John Wiley & Sons, Inc.
Verhoef, L.A. 1990. Silicon Solar Cell (modelling, processing and characterization). Ph.D. Thesis (State University of Utreecht, Netherlands). Tidak Dipublikasikan.
