Pemodelan Sel Surya Silikon Kristal Pendopingan Tinggi

Media Publikasi Karya Ilmiah Teknik Kimia

5(1) Januari 2006: 38 – 42 ISSN 1412-7814

Pemodelan Sel Surya Silikon Kristal Pendopingan Tinggi

Mara Bangun Harahap

Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Negeri Medan

Abstract

The general analytical solution for minority-carrier transport in nonuniformly doped quasi neutral silicon region was discussed. Three bipolar-device configuration (1. a drift-field solar cell; 2. a high/low junction back surface field (BSF) solar cell; 3. a heavily doped emitter of solar cell) in which a nonuniform doping density plays a role are analysed with the analitical solution.

Keywords: a heavily nonuniformly doped; a drift-field solar cell; a high/low junction back surface field (BSF) solar cell; a heavily doped emitter of solar cell.

Pendahuluan

Pada awal abad kedua puluh satu, diperkirakan cadangan minyak bumi di Indonesia sudah banyak berkurang. Kelihatannya sudah saatnya sekarang ini mencari sumber-sumber daya energi baru non minyak bumi. Sumber daya energi yang sudah dibahas para fisikawan secara teoretik dan mungkin sudah dihasilkan dalam bentuk sampel di laboratorium tetapi belum diwujudkan secara produksi massa di Indonesia adalah sel surya. Sumber daya energi yang dapat diperbarui ini diharapkan dapat diproduksi secara massal di Indonesia, ketika cadangan minyak bumi sudah menipis dan mahal. Para peneliti yang tertarik meneliti sel surya diharapkan mengembangkan berbagai model sel surya efisiensi cukup tinggi dan berpeluang cukup murah untuk diproduksi secara massal.

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 mikroroelektronika 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 di dalam sembarang peranti dengan mempergunakan simulasi ganda (Penumalli, 1986: 2-3).

Suatu peranti photo voltaic yang dirancang untuk keperluan di atas harus dapat menyerap cahaya secara efisien dalam lapisan semikonduktor yang aktif dan memberikan daya listrik di beban luar dengan kehilangan-kehilangan dalam yang minimum. Pada dasarnya model-model sel

Mara Bangun Harahap / Jurnal Teknologi Proses 5(1) Januari 2006 : 38 – 42

39

surya telah banyak dikembangkan para peneliti, baik model sel surya berbahan silikon amorf maupun sel surya berbahan silikon kristal. Dalam tulisan ini hanya dibahas pemodelan sel surya kristal silikon pendopingan tinggi. Model sel surya kristal pendopingan tinggi mempunyai efisiensi yang jauh lebih tinggi dari pada model sel surya silikon amorf. Persoalannya adalah: biaya memproduksi sel surya silikon kristal jauh lebih mahal dari pada memproduksi sel surya silikon amorf. Namun, mengingat perkembangan teknologi semikonduktor yang demikian cepat dan dibantu dengan pemakaian komputer yang juga makin canggih dalam memodel sel surya, diharapkan masalah biaya produksi sel surya silikon kristal secara massal dapat ditekan.

Transpor Pembawa Minoritas dalam Bahan Semikonduktor

Didoping Tinggi Tak Uniform

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 + e μp (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 μ (N) = M N (5) G T 0 N ΔE 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;

ΔE

_Gmenyatakan sempitan sela pita energi yang muncul; E menyatakan medan listrik; e menyatakan besar muatan elektron;

T

kT

V =

e

menyatakan voltase termal, di

mana K, k, M, m, N0 adalah konstanta

(besarnya secara lengkap dapat dilihat pada Harahap (1992:83-85). Penurunan dan penentuan solusi himpunan persamaan di atas secara lengkap untuk profil doping fungsi pangkat dan fungsi eksponen dapat dilihat pada Verhoef (1990), Verhoef dan Sinke (1990) dan Harahap (1992).

Pemodelan Sel Surya

Banyak model sel surya silikon kristal pendopingan tinggi yang sudah diajukan para peneliti pada waktu lalu, yang sebagian besar ditujukan untuk menjelaskan hasil eksperimen dan sebagian lagi sebagai model murni yang diajukan untuk diwujudkan melalui eksperimen di laboratorium. Model terakhir ini sebagian sudah diwujudkan dan sebagian lagi belum diwujudkan di laboratorium karena ternyata terbukti tidak efisien atau orang tidak tertarik mewujudkannya karena model lain lebih praktis diwujudkan dari segi efisiensi.

Dalam tulisan ini dianalisis tiga model sel surya: dua model dikembangkan berdasarkan asumsi yang bertentangan dengan asumsi tradisional, yakni ketidaktergantungan waktu hidup dan mobilitas pada kerapatan doping menjadi invalid, tetapi penyempitan sela pita energi ikut diperhitungkan sebagai faktor penentu.

1. Model Sel Surya Medan Hanyut (Drift Field)

Suatu sel surya silikon kristal medan hanyut p+_{-n(x) terdiri dari suatu emiter tipe p}

yang didoping tinggi pada bagian depan dan suatu basis tipe n dengan ketebalan W. Diasumsikan kerapatan doping pada x=0 (tepi daerah muatan ujung (the space charge

region: SCR) pada sisi basis) adalah N(0)

dan naik secara eksponensial terhadap x ke N(W) pada x = W.

Penurunan dan penentuan solusi himpunan persamaan (1) sampai dengan (6) untuk syarat batas model sel surya silikon kristal medan hanyut pendopingan tinggi secara lengkap untuk profil doping fungsi pangkat dan fungsi eksponen dapat dilihat pada Verhoef (1990), Verhoef dan Sinke (1990) dan Harahap (1992).

2. Model Sel Surya Medan Permukaan Belakang

Pada bagian ini dikemukakan hubungan tinggi/rendah bagian belakang dari basis suatu sel surya p+_-n-n+ _{silikon kristal (lihat} gambar 2).

Basis tipe n yang didoping homogen dibatasi pada x = 0 oleh suatu daerah n+ _(x),

dengan kerapatan doping menaik terhadap posisi secara eksponensial. Pada akhir daerah ini dengan ketebalan W suatu antar muka dipasang dengan karakter mempunyai kelajuan rekombinasi permukaan S. Penurunan dan penentuan solusi himpunan persamaan (1) sampai dengan (6) untuk syarat batas model sel surya silikon kristal medan permukaan belakang pendopingan tinggi secara lengkap untuk profil doping fungsi pangkat dan fungsi eksponen dapat dilihat pada Verhoef (1990), Verhoef dan Sinke (1990) dan Harahap (1992).

GAMBAR 1: Model Sel Surya Silikon Kristal Medan Hanyut

GAMBAR 2: Model Sel Surya Silikon Kristal Medan Permukaan Belakang

0

W

basis n

n

+

(x)

medan permukaan belakang

logam

5.1018 _cm-3 1017 _cm-3

p

+ x = R x = 0 x = W

emiter di bagian depan basis

n

SCR

5.1018 _cm-3

1017 _cm-3 kontak ohmik

Mara Bangun Harahap / Jurnal Teknologi Proses 5(1) Januari 2006 : 38 – 42

41

GAMBAR 3: Model Sel Surya Silikon Kristal Dioda n+(x)/p

3. Model Sel Surya Dioda n+(x)/p

Pada bagian ini diterapkan solusi persamaan (1) sampai (6) untuk menentukan arus emiter model sel surya dioda n+_(x)/p

(lihat gambar 3) pada arus jenuh keadaan gelap dan pengaruh kerapatan donor emiter pada kerapatan minoritas hole dalam daerah emiter. Posisi x = 0 pada batas daerah deplesi bagian sisi emiter. Dianggap profil doping adalah fungsi pangkat terhadap posisi.

Penurunan dan penentuan solusi himpunan persamaan (1) sampai dengan (6) untuk syarat batas model sel surya silikon kristal dioda n+_{(x)/p pendopingan tinggi}

secara lengkap untuk profil doping fungsi pangkat dan fungsi eksponen dapat dilihat pada Verhoef (1990), Verhoef dan Sinke (1990) dan Harahap (1992).

Pembahasan

Harahap (1992: 50-67) telah meneliti solusi transpor pembawa minoritas material silikon kristal yang didoping tinggi berdasarkan pada analisis yang dilakukan Verhoef et al (1990: 19-28). Penelitian yang dilakukan Harahap terutama untuk melihat efek pengikutan parameter-parameter yang belum dimasukkan Verhoef et al dalam analisis mereka. Harahap menyelesaikan masalah kontinuitas pembawa minoritas dan

persamaan arus untuk daerah silikon kristal tipe N yang didoping tinggi tak uniform. Solusi yang diperoleh Harahap berbentuk persamaan arus yang bebas integral dan iterasi, sehingga sifat fisika dapat dianalisis berdasarkan 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: 24-39) telah memodel emiter sel surya silikon kristal tipe N. Pada penelitan selanjutnya, Harahap (1994: 81-86) meneliti model basis sel surya memakai daerah medan permukaan belakang

(Back Surface Fields: BSF) dengan

pendopingan profil fungsi eksponen. Penelitian tersebut ditujukan untuk memperoleh model yang paling optimal dalam memaksimalkan voltase rangkaian terbuka sel surya.

Berdasarkan uraian di atas dapat disimpulkan bahwa sejak Verhoef et al mempublikasikan hasil penelitiannya pada 1990, ada sedikitnya empat buah penelitian lain yang menganalisis lebih lanjut hasil pekerjaan Verhoef et al tersebut. Hasil penelitian lanjutan tersebut semuanya menunjukkan adanya kenaikan voltasi rangkaina terbuka sel surya, yang pada dasarnya akan menaikkan efisiensi sel surya.

basis p

emiter

n

+

(x)

logam

5.1018 _cm-3 1017 _cm-3

0

W

Tiga buah model sel surya silikon kristal pendopingan tinggi diajukan dalam tulisan ini. Berdasarkan hasil analisis Verhoef (1990), Verhoef dan Sinke (1990) dan Harahap (1992) diperoleh model sel surya yang cukup menjanjikan dari segi efisiensi untuk diwujudkan di laboratorium.

Jika model-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 Verhoef (1990), Verhoef dan Sinke (1990) dan Harahap (1992) belum menyinggung hal ini. 2) Agar dapat diperoleh harga VOC dalam

eksperimen yang kira-kira sama dengan harga VOC pada penelitian Verhoef (1990),

Verhoef dan Sinke (1990) dan Harahap (1992) hendaknya difikirkan alat pendopingan lapisan n+_{(x) yang benar-benar}

mampu memberikan doping fungsi pangkat dan fungsi eksponensial.

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.

Harahap, M.B. (1993). Model Emiter Sel surya n

(x)+-p yang Didoping Tinggi. Makalah

pada Simposium Fisika Nasional di USU medan. Tidak Dipublikasikan.

Harahap, M.B. (1994). Model Komputer Sel

Surya Silikon Kristal Medan Permukaan Belakang p+-n-n+(x). Jurnal Penelitian

Bidang Pendidikan, Vol.1, No.2, hlm. 81-86.

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. Sudiati et al (1993). Analisis Simulasi Peranti

Model Emiter Sel Surya Bahan Silikon Kristal Tipe n yang Didoping Tinggi Tak Homogen. Hasil Penelitian, Dana OPF,

Puslit USU Medan. Tidak Dipublikasikan. Verhoef, L.A. (1990). Silicon Solar Cell

(modelling, processing and characterization). Ph.D. Thesis (State

University of Utreecht, Netherlands). Tidak Dipublikasikan.

Verhoef, L.A. & Sinke, W.C. (1990). Minority

Carrier Transport in Non Uniformly Doped. IEEE Trans Electron Devices, Vol.