SIMULASI PERANCANGAN SEL SURYA
MULTIJUNCTION Al
0.3Ga0.7As/GaAs/Ge MENGGUNAKANPROGRAM PC1D DAN MATLAB
AJENG WIDYA ROSLIA
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR 2013
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK
CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Simulasi Perancangan Sel Surya Multijunction Al0.3Ga0.7As/GaAs/Ge Menggunakan
Program PC1D Dan Matlab adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
Bogor, Mei 2013
Ajeng Widya Roslia NIM G74090029
ABSTRAK
AJENG WIDYA ROSLIA. Simulasi Perancangan Sel Surya Multijunction Al0.3Ga0.7As/GaAs/Ge Menggunakan Program PC1D Dan Matlab. Dibimbing
oleh TONY IBNU SUMARYADA dan HERIYANTO SYAFUTRA.
Perancangan sel surya yang didasarkan pada penyusunan beberapa lapisan semikonduktor (multijunction) dengan energi gap berbeda-beda pada tiap lapisannya yang disusun berdasarkan energi gap tertinggi ke terendah dapat memaksimalkan penyerapan intensitas radiasi matahari. Pemberian doping dan penggunaan ketebalan optimum yang tepat pada suatu semikonduktor dapat memaksimalkan pengubahan daya listrik dari intensitas yang diserapnya. Besarnya intensitas yang diserap dan daya listrik yang dihasilkan pada tiap lapisan dapat meningkatkan efisiensi total sel surya. Simulasi dilakukan dengan 2 model, yaitu model 1 yang menghasilkan arus berbeda dan model 2 yang menghasilkan arus sama. Lapisan semikonduktor yang digunakan adalah Al0.3Ga0.7As, GaAs,
dan Ge. Model 1 menghasilkan arus Isc pada tiap lapisan sebesar 26.4 mA, 14.9
mA, dan 13 mA. Efisiensi total sel surya sebesar 39.2%. Sedangkan model 2 menghasilkan arus masing-masing sebesar 13 mA. Efisiensi total sel surya sebesar 21.7%. Kedua simulasi ini dilakukan menggunakan intensitas matahari sebesar 0.1367 W/cm2 berdasarkan perhitungan spektrum radiasi benda hitam pada temperatur permukaan matahari 6000K.
Kata kunci: efisiensi, multijunction, perancangan sel surya, spektrum benda hitam
ABSTRACT
AJENG WIDYA ROSLIA.
Simulation Design of Multijunction Solar Cells Al0.3Ga0.7As/GaAs/Ge Using PC1D Program and Matlab. Supervised byTONY IBNU SUMARYADA and HERIYANTO SYAFUTRA.
Solar cell design is based on the composing of semiconductor layers (multijunction) with energy gap varies in each layer are arranged from highest to lowest can maximize the absorption of solar radiation intensity. Using optimum doping and optimum thickness on semiconductor can maximize the power conversion of the intensity absorbed. Absorbed intensity and amount of electrical power generated at each layer can increase the total efficiency of solar cell. Simulations carried out with 2 models, model 1 which produce different currents and model 2 that produce the same current. Semiconductor layers used is Al0.3Ga0.7As, GaAs, and Ge. Model 1 produces currents Isc at each layer of 26.4
mA, 14.9 mA, and 13 mA and total efficiency of 39.2%. Model 2 produces constant currents of 13 mA and total efficiency of 21.7%. The entire simulations were performed using 0.1367 W/cm2 of solar intensity that obtained from calculation of black body radiation spectrum of the sun's surface at 6000K.
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains
pada
Departemen Fisika
SIMULASI PERANCANGAN SEL SURYA
MULTIJUNCTION Al
0.3Ga0.7As/GaAs/Ge MENGGUNAKANPROGRAM PC1D DAN MATLAB
AJENG WIDYA ROSLIA
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR 2013
Judul Skripsi : Simulasi Perancangan Sel Surya Multijunction
Al0.3Ga0.7As/GaAs/Ge Menggunakan Program PC1D Dan Matlab
Nama : Ajeng Widya Roslia NIM : G74090029
Disetujui oleh
Dr Tony Ibnu Sumaryada Heriyanto Syafutra, M.Si
Pembimbing I Pembimbing II
Diketahui oleh
Dr Akhiruddin Maddu Ketua Departemen
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Desember 2013 ini ialah Pemodelan Awal Sel Surya Multijunction, dengan judul Simulasi Perancangan Sel Surya Multijunction Al0.3Ga0.7As/GaAs/Ge Menggunakan Program PC1D dan
Matlab.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr Tony Ibnu Sumaryada dan Bapak Heriyanto Syafutra M.Si sebagai dosen yang membimbing penulis selama penelitian. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada ayah, ibu, seluruh keluarga, serta teman seperjuangan di Departemen Fisika Institut Pertanian Bogor terutama Fisika angkatan 46 atas segala doa dan kasih sayangnya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Mei 2013
DAFTAR ISI
DAFTAR GAMBAR xi DAFTAR TABEL xi DAFTAR LAMPIRAN xi PENDAHULUAN 1 Latar Belakang 1 Perumusan Masalah 1 Tujuan Penelitian 1 Manfaat Penelitian 2Ruang Lingkup Penelitian 2
Hipotesis 2 TINJAUAN PUSTAKA 2 Sel Surya 3 Radiasi Matahari 4 Koefisien Absorpsi 4 Efisiensi 5 Material 5 Program PC1D 6 METODE 6
Waktu dan Tempat 6
Alat 6
Metode Penelitian 6
Diagram Alir Penelitian 8
HASIL DAN PEMBAHASAN 9
Data Hasil Simulasi 9
Spektrum Radiasi Matahari 9
Ketebalan dan Doping 11
Koefisien Absorbsi 13
Efisiensi 14
SIMPULAN DAN SARAN 15
Simpulan 15
Saran 15
DAFTAR PUSTAKA 16
LAMPIRAN 17
DAFTAR GAMBAR
1 Ilustrasi cara kerja sel surya dengan prinsip p-n junction 3
2 Grafik efisiensi sel surya sampai tahun 2010 3
3 Kurva Blackbody Radiation 4
4 Kurva koefisien absorbsi terhadap panjang gelombang beberapa
semikonduktor 5
5 Spektrum radiasi benda hitam di permukaan bumi 10 6 Daerah serapan intensitas cahaya matahari model 1 11 7 Daerah serapan intensitas cahaya matahari model 2 11
8 Kurva I-V desain sel surya model 1 12
9 Kurva I-V desain sel surya model 2 12
10 Desain sel surya model 1 13
11 Desain sel surya model 1 13
12 Kurva koefisien absorbsi Al0.3Ga0.7As, GaAs, dan Ge terhadap panjang
gelombang 14
DAFTAR TABEL
1 Parameter input simulasi model 1 9
2 Parameter output simulasi model 1 9
3 Parameter input simulasi model 2 9
4 Parameter output simulasi model 2 9
DAFTAR LAMPIRAN
1 Contoh tampilan layar pada simulasi PC1D 17
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Dewasa ini, permintaan energi global terus meningkat seiring dengan perkembangan teknologi terutama di bidang transportasi dan perindustrian. Menurut beberapa riset telah terjadi peningkatan 3 kali sejak 1950 dan pemakaiannya diperkirakan telah mencapai 10.000 juta ton pertahun, mengingat semakin meningkatnya kebutuhan manusia dan teknologi yang semakin canggih yang banyak membutuhkan bahan bakar alam. Sebagian besar energi itu dihasilkan dari bahan-bahan yang tidak terbarukan seperti batubara, gas, minyak bumi dan energi nuklir. Di antara bahan-bahan tersebut minyak bumi merupakan sumber utama energi yang paling kritis. Perkiraan menyebutkan bahwa cadangan minyak bumi dunia akan habis dalam waktu 40 tahun lagi sedangkan batubara dan gas bumi diperkirakan akan habis dalam waktu 250 tahun dan 70 tahun. Selain tidak terbarukan energi berbasis fosil juga tidak ramah lingkungan karena pembakaran bahan bakar fosil menghasilkan gas CO2 yang dapat mengakibatkan
pemanasan global. Mengingat ketersediaan minyak bumi yang semakin menipis dan bahaya tersembunyi yang dimilikinya maka upaya pencarian sumber-sumber energi alternatif yang bersifat terbarukan (Renewable Energy Resources/RES) dan ramah lingkungan perlu dilakukan.
Energi terbarukan (renewable energy) adalah energi yang berasal dari sumber-sumber alamiah seperti sinar matahari, angin, hujan, geothermal dan biomassa. Sel surya (solar cell) merupakan salah satu energi terbarukan dan dapat diperbaharui karena memanfaatkan energi cahaya matahari. Selain itu, sel surya juga ramah lingkungan karena tidak menghasilkan polusi. Oleh karena itu banyak ilmuwan yang terus meneliti tentang sel surya baik dari sisi komponen pembentuk, maupun karakteristik internal dan eksternal sel surya dengan struktur one junction, double junction maupun triple junction untuk mendapatkan sel surya dengan efisiensi besar sehingga listrik yang dihasilkan pun semakin besar.1,2,3,4 Bahan utama dari sel surya adalah bahan semikonduktor , dapat berupa silikon, germanium, galium arsenida, atau gabungan unsur-unsur dari golongan III dan V.
Perumusan Masalah
1. Berapakah besar intensitas matahari yang sampai ke bumi?
2. Berapakah besar intensitas cahaya matahari yang diserap dan dilewatkan oleh tiap lapisan pada sel surya?
3. Apakah pengaruh nilai energi gap dari tiap lapisan semikonduktor terhadap efisiensi sel surya?
Tujuan Penelitian
Mempelajari dan mendisain sel surya multijunction Al0.3Ga0.7As
(Aluminium Galium Arsenida), GaAs (Galium arsenida), dan Ge (Germanium) agar mendapatkan efisiensi maksimum dengan menghitung intensitas cahaya
2
matahari yang dilewati dan diabsorpsi oleh tiap lapisan sel surya, pemberian doping yang tepat pada tiap lapisan, dan penggunaan ketebalan optimal tiap lapisan menggunakan PC1D.
Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi di bidang pengembangan energi terbarukan (renewable energy) dan dapat membantu para peneliti di bidang eksperimen dalam rangka merancang sel surya yang memiliki nilai efisiensi tinggi.
Ruang Lingkup Penelitian
Penelitian ini dilakukan dengan dua macam simulasi pemodelan sel surya , yaitu simulasi yang menghasilkan arus berbeda dan simulasi yang menghasilkan arus sama pada tiap lapisannya. Dalam simulasi ini digunakan blackbody radiation spectrum sebagai acuan penentuan nilai intensitas radiasi matahari di permukaan matahari dan di permukaan atmosfir bumi.
Hipotesis
Penggunaan Al0.3Ga0.7As, GaAs, dan Ge sebagai material penyusun sel
surya dengan penyusunan energi gap tertinggi ke yang lebih rendah diperkirakan akan meningkatkan efisiensi sel surya. Selain itu, penggunaan ketebalan optimal, dan pemberian doping yang tepat juga akan menghasilkan sel surya dengan efisiensi yang lebih tinggi.
TINJAUAN PUSTAKA
Sel Surya
Konversi energi fotovoltaik pada sel surya merupakan produksi langsung energi listrik dalam bentuk arus dan tegangan dari energi elektromagnetik (termasuk cahaya tampak, inframerah, dan ultraviolet).5 Sel surya bekerja berdasarkan prinsip p-n junction, yaitu persambungan antara semikonduktor tipe-p dan titipe-pe-n. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai insulator tipe-pada temtipe-peratur yang sangat rendah, namun pada temperatur ruang besifat sebagai konduktor. Semikonduktor tipe-n mempunyai kelebihan elektron (muatan negatif) sedangkan semikonduktor tipe-p mempunyai kelebihan hole (muatan positif) dalam struktur atomnya. Kondisi kelebihan elektron dan hole tersebut bisa terjadi dengan mendoping material dengan atom dopant.6 Pendoping adalah suatu bahan pengotor yang diterapkan pada semikonduktor dan bertujuan untuk menambah
3
ketidakmurnian (impurity) suatu semikonduktor murni (intrinsik) sehingga sifat listriknya berubah.
Peran p-n junction adalah untuk membentuk medan listrik sehingga elektron (dan hole) dapat diekstrak oleh material kontak untuk menghasilkan listrik. Ketika semikonduktor tipe-p dan tipe-n terkontak, maka kelebihan elektron akan bergerak dari semikonduktor tipe-n ke tipe-p sehingga membentuk kutub positif pada semikonduktor tipe-n, dan sebaliknya kutub negatif pada semikonduktor tipe-p. Akibat dari aliran elektron dan hole ini maka terbentuk medan listrik yang mana ketika cahaya matahari mengenai susunan p-n junction ini maka akan mendorong elektron bergerak dari semikonduktor menuju kontak negatif, yang selanjutnya dimanfaatkan sebagai listrik, dan sebaliknya hole bergerak menuju kontak positif menunggu elektron datang, seperti diilustrasikan pada gambar dibawah.
Gambar 1 Ilustrasi cara kerja sel surya dengan prinsip p-n junction (Gambar : sun-nrg.org)
Modul fotovoltaik pertama dibangun oleh Bell Laboratories pada tahun 1954. Fotovoltaik yang terbuat dari silikon mencapai efisiensi 6%. Saat ini sudah banyak dilakukan penelitian mengenai sel surya dengan peningkatan efisiensi.
4
Radiasi Matahari
Radiasi matahari merupakan gelombang elektromagnetik yang terpancar dari proses fusi nuklir pada inti matahari. Radiasi matahari yang diterima dipermukaan bumi lebih rendah dari radiasi yang diterima di atmosfer (konstanta matahari). Intensitas radiasi matahari bergantung terhadap besarnya jarak matahari ke objek. Radiasi matahari yang sampai di permukaan bumi mengalami berbagai penyimpangan, sehingga kekuatannya menuju bumi lebih kecil. Cahaya matahari adalah cahaya polikromatik (terdiri dari banyak warna). Foton dari cahaya matahari bergerak dengan energi hv (h=konstanta planck=6.62x10-34e-34 J.s dan v= frekuensi), kemudian menumbuk material yang memiliki energi gap (Eg) tertentu. Bila hv lebih besar dari Eg maka elektron akan berpindah dari pita valensi ke pita konduksi dan terbentuk arus. Arus yang timbul berlawanan dengan arah gerak elektron.
Gambar 3 Blackbody Radiation 8
Gambar di atas merupakan kurva hubungan intensitas cahaya matahari yang sampai di bumi terhadap panjang gelombang dan telah mengalami pengurangan luasan intensitas karena terserap oleh beberapa gas-gas aerosol, serta awan yang ada diatmosfer. Intensitas cahaya di permukaan matahari memenuhi persamaan planck:
(
) (1)
Distribusi intensitas cahaya di permukaan bumi didapatkan dengan melakukan perbandingan antara jari-jari matahari dan jarak antara pusat bumi dan pusat matahari, sehingga didapat persamaan:
( ) (2)
Koefisien Absorbsi
Koefisiensi absorsi merupakan respon suatu bahan terhadap radiasi matahari yang diterima. Koefisien absorbsi pada suatu lapisan merupakan fungsi dari energi gap bahan tersebut. Berikut contoh karakteristik gambar beberapa bahan semikonduktor :
5
Gambar 4 Kurva koefisien absorbsi terhadap panjang gelombang beberapa semikonduktor
Koefisien absorbsi tiap semikonduktor ditunjukkan dengan persamaan: √( ) + √ ( ) (m)-1 (3)
dengan E merupakan fungsi dari panjang gelombang foton cahaya matahari.9 Intensitas cahaya matahari yang ditransmisi semikonduktor:
(4)
dengan x merupakan ketebalan semikonduktor dan bernilai 0.1 eV.
Efisiensi
Tiga faktor yang mempengaruhi efisiensi sel surya yaitu jenis bahan, intensitas radiasi yang diterima , dan desain. Efisiensi hasil konversi pada sel surya merupakan rasio daya output maksimum yang dihasilkan terhadap daya total dari intensitas cahaya yang diterima:
(5)
Fill factor merupakan faktor pengisian arus pada sel surya.
(6)
Material yang digunakan
Aluminium Galium Arsenida (AlxGa1-xAs) merupakan semikonduktor
yang memiliki selang energi gap antara 1,42 eV (GaAs x=0) sampai 2,16 eV (AlAs x=1). Untuk penelitian ini digunakan nilai x=0.3 dengan energi gap 1.817 eV. Pada perancangan ini, Aluminium Galium Arsenida diletakkan sebagai lapisan pertama karena memiliki energi gap yang lebih besar dibanding material lain yang digunakan. Tujuannya agar intensitas cahaya matahari yang datang dapat diabsorbsi lebih banyak pada panjang gelombang pendek.
Galium Arsenida (GaAs) adalah semikonduktor yang terdiri dari Galium dan Arsenik. GaAs memiliki energi gap 1.42 eV. Galium Arsenida digunakan sebagai lapisan kedua karena memiliki energi gap di antara Al0.3Ga0.7As dan Ge.
6
Germanium adalah bahan semikonduktor yang memiliki energi gap 0.667 eV. Germanium diletakkan pada lapisan ketiga dari struktur sel surya multijunction karena memiliki energi gap yang lebih rendah dari yang lainnya.
Program PC1D
PC1D adalah suatu program komputer yang dikhususkan untuk pemodelan sel surya, yang ditulis untuk IBM-kompatibel komputer untuk memecahkan persamaan nonlinier transformasi elektron dan hole dalam perangkat kristal semikonduktor satu dimensi. PC1D memerlukan setidaknya sebuah CPU 80386 dan 80387 math coprocessor.10 Program PC1D hanya dapat mensimulasikan satu lapisan p-n junction, maka untuk pemodelan semikonduktor multijunction perlu dilakukan pemodelan terpisah dari masing-masing lapisan.
METODE
Waktu dan Tempat
Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Desember 2012 sampai bulan April 2013. Tempat penelitian dilakukan di laboratorium Fisika Teori dan Komputasi, Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor.
Alat
Penelitian ini menggunakan peralatan berupa alat tulis, laptop/ komputer dengan memori 1 GB dan menggunakan Windows 7 Ultimate. Komputer tersebut dilengkapi dengan Microsoft Office, Matlab R2008b, dan program PC1Dv5.9 sebagai simulator sel surya.
Metode Penelitian
Studi Pustaka
Studi pustaka dilakukan untuk memahami dan mempelajari konsep rancangan sel surya multijunction, jenis semikonduktor yang digunakan, koefisien absorbsi, ketebalan dan luas permukaan bahan, serta energi gap yang dibutuhkan agar mendapatkan efisiensi maksimum.
7
Simulasi Menggunakan Program PC1D Dan Matlab
Pada lapisan pertama Al0.3Ga0.7As dilakukan proses simulasi pada PC1D
dengan memberi doping yang tepat dan memasukkan beberapa parameter tertentu, melakukan pengaturan intensitas Isun (0.13674Watt/cm2) dan spektrum (black
body spectrum) dengan temperatur 5623K, lalu mencari ketebalan optimum. Hasil yang didapat berupa data Voc, Isc, dan Pmax. Dari data tersebut diolah menjadi
efisiensi konversi sel surya untuk lapisan pertama. Setelah itu, dilakukan perhitungan secara teori untuk mencari intensitas cahaya matahari yang diabsorbsi dan ditransmisikan oleh lapisan pertama menggunakan program Matlab. Begitu pula untuk lapisan kedua dan ketiga dilakukan cara yang sama.
Pada penelitian ini, diasumsikan bahwa tidak terdapat intensitas matahari yang dipantulkan, hanya terjadi absorbsi dan transmisi. Simulasi secara teori dilakukan untuk menghitung intensitas cahaya matahari yang diserap dan ditransmisikan oleh tiap lapisan menggunakan program Matlab. Intensitas cahaya matahari yang diabsorbsi oleh lapisan pertama diubah menjadi arus listrik sedangkan intensitas cahaya matahari yang ditransmisikan oleh lapisan pertama menjadi intensitas cahaya datang bagi lapisan kedua. Intensitas cahaya matahari yang diabsorbsi oleh lapisan kedua diubah menjadi arus listrik sedangkan intensitas cahaya matahari yang ditransmisikan oleh lapisan kedua menjadi intensitas cahaya datang bagi lapisan ketiga. Intensitas cahaya matahari yang diabsorbsi oleh lapisan ketiga diubah menjadi arus listrik sedangkan intensitas cahaya matahari yang ditransmisikan oleh lapisan ketiga akan dilepas ke lingkungan. Proses seperti ini menjadikan intensitas matahari yang dimanfaatkan sebagai sumber energi cahaya yang dapat diubah menjadi energi listrik semakin besar.
8
Diagram Alir Penelitian
Mulai
Menghitung spektrum radiasi benda hitam : Isun dan Iearth (intensitas awal lapisan 1)
Menentukan doping dan optimasi ketebalan lapisan 1 serta menghitung intensitas transmisi lapisan 1 Output : Isc, Voc,
Pmax, kurva I-V 1
Menghitung efisiensi dan fill factor
Selesai
Menentukan doping dan optimasi ketebalan lapisan 2 serta menghitung intensitas transmisi lapisan 2
Menentukan doping dan optimasi ketebalan lapisan 3 serta menghitung intensitas transmisi lapisan 3 Output : Isc, Voc,
Pmax, kurva I-V 3
Output : Isc, Voc,
9
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian ini digunakan beberapa parameter input (doping dan ketebalan) pada simulasi model 1 dan model 2. Parameter input dan output hasil penelitian ini tersaji dalam tabel berikut :
Tabel 1 Parameter input simulasi Model 1
Lapisan Io (W/cm2) Thickness (m) Wavelength (nm) P doping (cm-3) N doping (cm-3) Al0.3Ga0.7As 0.1367 2.8 0-2500 1 x 1016 1 x 1017 GaAs 0.0532 2 0-2500 3.02 x 1016 1 x 1017 Ge 0.0254 10.66 0-2500 1 x 1016 1 x 1017
Tabel 2 Parameter output simulasi Model 1
Lapisan Voc (V) Isc (mA) Pmax (W) Fill Factor (%) Efisiensi (%) Al0.3Ga0.7As 1.488 26.4 0.0355 90.37 39.22 GaAs 1.104 14.9 0.0148 89.97 Ge 0.3734 13.0 0.0033 70.44
Tabel 3 Parameter input simulasi Model 2
Lapisan Io (W/cm2) Thickness (m) Wavelength (nm) P doping (cm-3) N doping (cm-3) Al0.3Ga0.7As 0.1367 2.89 0-2500 1 x 1019 1 x 1020 GaAs 0.0532 2.04 0-2500 1 x 1019 5 x 1020 Ge 0.0254 10.64 0-2500 1 x 1016 1x 1017
Tabel 4 Parameter output simulasi Model 2
Lapisan Voc (V) Isc (mA) Pmax (W) Fill Factor (%) Efisiensi (%) Al0.3Ga0.7As 1.357 13 0.0156 88.43 21.67 GaAs 0.9873 13 0.0107 83.37 Ge 0.3631 13 0.0033 70.44
Spektrum Radiasi Matahari
Spektrum radiasi benda hitam bedasarkan perhitungan menggunakan Matlab pada suhu 6000K dengan rentang panjang gelombang antara 100 sampai 2500 nm, menghasilkan intensitas radiasi pada permukaan matahari sebesar 6.3695x103W/cm2, dan mengalami penurunan sampai di permukaan bumi menjadi 0.1367W/cm2, karena adanya fungsi jarak dari inti matahari ke permukaan bumi, seperti terlihat pada gambar 5. Perhitungan ini sesuai dengan referensi yang ada.
10
Gambar 5 Spektrum radiasi benda hitam di permukaan bumi
Pada simulasi perancangan sel surya, intensitas yang sampai di permukaan bumi sebesar 0.1367 W/cm2 ini menjadi intensitas awal yang masuk ke lapisan pertama Al0.3Ga0.7As pada tiap model simulasi. Pada simulasi model 1,
Al0.3Ga0.7As dengan pemberian doping tertentu dan ketebalan optimal sebesar
2,8m mentransmisikan intensitas radiasi sebesar 0.0532 W/cm2. Intensitas yang ditransmisikan Al0.3Ga0.7As ini diteruskan ke lapisan kedua GaAs dengan
ketebalan optimal 2m, sebagian diabsopsi dan sebagian ditransmisikan sebesar 0.0254W/cm2 ke lapisan ke ketiga Ge. Begitu pula pada simulasi 2, intensitas di permukaan bumi sebesar 0.1367 W/cm2 menjadi intensitas awal bagi lapisan pertama Al0.3Ga0.7As dengan ketebalan optimal 2.89m dan mentransmisikan
intensitas radiasi 0.0532 W/cm2 yang akan diteruskan ke lapisan kedua GaAs. Dengan ketebalan optimum 2.04m, GaAs mentransmisikan intensitas radiasi sebesar 0.0254W/m2 dan akan ditransmisikan ke lapisan ketiga Ge. Dapat dilihat bahwa intensitas yang ditransmisikan tiap lapisan pada simulasi model 1 dan model 2 relatif sama. Penyerapan suatu material sebanding dengan ketebalannya. Pada simulasi ini, didapatkan ketebalan optimum yang yang relative sama pada simulasi model 1 dan 2 sehingga intensitas yang diabsorbsi dan ditransmisikan juga relative sama.
Namun, intensitas yang diserap oleh tiap material tidak sepenuhnya diubah menjadi daya listrik. Pada simulasi model 1, Al0.3Ga0.7As menyerap intensitas
sebesar 0.0835W/cm2 dan hanya 0.0355 W yang diubah menjadi daya listrik. GaAs menyerap 0.0278W/cm2 dan 0.0148 W yang menjadi daya listrik. Ge menyerap 0.0230W/cm2 dan 0.0033 W yang menjadi daya listrik. Adapun pada simulasi model 2, Al0.3Ga0.7As menyerap intensitas 0.0835W/cm2 dan 0.0156 W
yang menjadi daya listrik. GaAs menyerap 0.0278W/cm2 dan 0.0107 W yang menjadi daya listrik. Ge menyerap 0.0230W/cm2 dan 0.0033 W yang menjadi daya listrik. Terbatasnya pengubahan intensitas yang diserap menjadi daya listrik ini disebabkan oleh keterbatasan semikonduktor terkait sifat intrinsiknya.
11
Gambar 6 Daerah serapan intensitas cahaya matahari model 1
Gambar 7 Daerah serapan intensitas cahaya matahari model 2
Ketebalan dan Doping
Setiap semikonduktor memiliki karakteristik berbeda-beda, baik dari besarnya energi gap dan beberapa parameter intrinstik yang mencirikan jenis suatu semikonduktor. Oleh karena itu tiap semikonduktor membutuhkan ketebalan optimum dan pemberian doping berbeda pula untuk menghasilkan daya listrik maksimalnya. Untuk menentukan berapa ketebalan optimal yang akan digunakan pada tiap lapisan sel surya dilakukan menggunakan menu quick batch pada program PC1D. Optimasi ketebalan dapat dilakukan dengan memasukkan rentang besarnya ketebalan dalam satuan mikrometer dan banyaknya jumlah data yang diinginkan, maka akan menghasilkan output berupa Isc, Voc, dan Pmax. Disini
dapat ditentukan pada ketebalan berapa yang menghasilkan daya terbesar. Ketebalan optimal yang dihasilkan pada Al0.3Ga0.7As dan GaAs pada simulasi
model 1 dan 2 hampir mirip sedangkan Ge cukup jauh perbedaannya. Hal ini karena Al0.3Ga0.7As dan GaAs berasal dari unsur yang hampir sama. Hanya pada
Al0.3Ga0.7As diberi tambahan pengotor aluminium.Setelah dilakukan optimasi
ketebalan, dilakukan pula optimasi doping. Optimasi doping juga dilakukan menggunakan menu quick batch pada program PC1D.
12
Pada simulasi model 1, Al0.3Ga0.7As dengan ketebalan optimal 2.8m
menghasilkan Isc sebesar 26.4 mA, Voc sebesar 1.488 V, dan daya sebesar
0.0355W. GaAs dengan ketebalan optimal 2m menghasilkan Isc sebesar 14.9
mA, Voc sebesar 1.104 V, dan daya sebesar 0.0148 W. Ge dengan ketebalan
optimal 10.66m menghasilkan Isc sebesar 13mA, Voc sebesar 0.3631 V, dan daya
sebesar 0.0033 W. Simulasi model satu ini menghasilkan arus berbeda antara ketiga lapisan.
Gambar 8 Kurva I-V desain sel surya model 1
Pada simulasi sel surya model 2 lebih diutamakan arus konstan maksimum daripada daya maksimum sebagai dasar penentuan doping dan ketebalan optimal. Al0.3Ga0.7As dengan ketebalan optimal 2.89 m menghasilkan Isc sebesar 13 mA,
Voc sebesar 1.357 V, dan daya sebesar 0.0156 W. GaAs dengan ketebalan optimal
2.04 m menghasilkan Isc sebesar 13 mA, Voc sebesar 0.98 V, dan daya 0.0107
mW. Ge dengan ketebalan optimal 10.64 m menghasilkan Isc sebesar 13 mA,
Voc sebesar 0.3631 V, dan daya sebesar 0.0033 W. Simulasi model 2 ini
menghasilkan arus sama yaitu 13 mA pada tiap lapisannya, namun daya total yang dihasilkan dari ketiga lapisan menurun.
Gambar 9 Kurva I-V desain sel surya model 2
0 10 20 30 0 0.5 1 1.5 2 A ru s (m A ) Tegangan (V)
Kurva I-V Simulasi model 1
AlGaAs GaAs Ge 0.00E+00 5.00E+00 1.00E+01 1.50E+01 0 0.5 1 1.5 A ru s (m A ) Tegangan (V)
Kurva I-V Simulasi model 2
AlGaAs GaAs Ge
13
Gambar 10 Desain sel surya model 1
Gambar 11 Desain sel surya model 2
Koefisien Absorbsi
Pada simulasi perancangan sel surya ini menggunakan tiga lapis bahan semikonduktor yaitu Al0.3Ga0.7As, GaAs, dan Ge. Ketiga lapisan ini memiliki
energi gap yang berbeda-beda satu sama lain. Al0.3Ga0.7As memiliki energi gap
sebesar 1.817 ev, GaAs sebesar 1.424 ev, dan Ge 0.664 ev. Penggunaan ketiga lapisan dengan energi gap berbeda-beda ini mempunyai tujuan dalam pemaksimalan intensitas radiasi yang akan diserap sel surya.
Suatu semikonduktor memiliki daerah serapan pada panjang gelombang tertentu yang bergantung pada besarnya energi gap yang dimiliki semikonduktor
14
tersebut. Semakin besar energi gap semakin besar energi hv yang dibutuhkan untuk dapat mementalkan elektron dari level valensi ke level konduksi untuk menjadi muatan bebas. Adapun panjang gelombang yang memiliki energi terbesar adalah panjang gelombang pendek, oleh karena itu Al0.3Ga0.7As lebih banyak
menyerap pada rentang panjang gelombang pendek, yaitu antara 100nm sampai 688nm. GaAs dengan energi gap yang lebih kecil dari Al0.3Ga0.7As menyerap
pada panjang gelombang yang lebih besar yaitu antara 100nm sampai 884nm. Dan Ge dengan energi gap terkecil dari dua semikonduktor lainnya menyerap panjang gelombang 100nm sampai 1910nm. Hal inilah yang menjadi dasar pemilihan semikonduktor dengan energi gap yang berbeda-beda pada rancangan sel surya.
Namun, selain adanya perbedaan energi gap dari masing-masing lapisan, yang menjadi pertimbangan dalam pemilihan jenis semikonduktor pada simulasi ini juga karena ketiga jenis semikonduktor ini memiliki struktur FCC yng relatif sama, ketiga lapisan memiliki kesesuaian ditinjau dari konstanta kisinya.
Gambar 12 Koefisien absorbsi Al0.3Ga0.7As, GaAs, dan Ge
Efisiensi
Berdasarkan data hasil yang diperoleh dari simulasi perancangan sel surya ini, pada simulasi perancangan sel surya model 1, Al0.3Ga0.7As menghasilkan daya
listrik sebesar 0.0355 W, GaAs menghasilkan daya listrik sebesar 0.0148 W, dan Ge menghasilkan daya listrik sebesar 0.0033 W, sehingga daya listrik total yang dihasilkan ketiga lapisan sebesar 0.0536 W dan efisiensi total sebesar 39.22%. Pada simulasi perancangan sel surya model 2, Al0.3Ga0.7As menghasilkan daya
listrik sebesar 0.0156 W, GaAs menghasilkan daya listrik sebesar 0.0107 W, dan Ge menghasilkan daya listrik sebesar 0.0033W, sehingga daya listrik total yang dihasilkan ketiga lapisan sebesar 0.0296 W dan efisiensi total sebesar 21.67%.
Efisiensi yang dihasilkan pada simulasi perancangan sel surya model 1 lebih besar dari efisiensi yang dihasilkan pada simulasi perancangan sel surya model 2. Hal ini karena yang menjadi tujuan pada simulasi perancangan sel surya model 1 adalah dihasilkan daya maksimum dari masing-masing lapisan sehingga arus yang dihasilkan berbeda pada tiap lapisannya. Adapun pada simulasi perancangan sel surya model 2 yang menjadi tujuan adalah dihasilkan arus
15
konstan maksimum dari ketiga lapisan, sehingga arus konstan yang dihasilkan pada lapisan Al0.3Ga0.7As dan GaAs mengikuti arus maksimum yang dapat
dihasilkan oleh Ge. Akibatnya daya yang dihasilkan pada lapisan Al0.3Ga0.7As dan
GaAs menurun karna arus yang dihasilkan lebih kecil dari simulasi model 1, sehingga efisiensi total yang dihasilkan menjadi lebih kecil dari simulasi perancangan sel surya model 1.
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Perancangan sel surya dengan model multijunction dengan energi gap yang berbeda pada tiap lapisannya dapat memaksimalkan penyerapan intensitas radiasi matahari dan meningkatkan efisiensi sel surya. Penggunaan doping dan ketebalan optimum juga sangat berpengaruh terhadap peningkatan efisiensi sel surya. Pada penelitian ini dilakukan 2 model perancangan sel surya, yaitu model 1 yang menghasilkan arus berbeda dan model 2 yang menghasilkan arus sama, keduanya menghasilkan efisiensi sel surya yang berbeda. Pada simulasi model 1 diperoleh nilai arus pada tiap lapisan sebesar 26.4, 14.9, dan 13 mA, dengan efisiensi total sel surya sebesar 39.22%. Sedangkan pada simulasi model 2 tiap lapisan menghasilkan arus sama sebesar 13 mA dengan efisiensi total sel surya sebesar 21.67%. Jika dilihat dari nilai efisiensi yang dihasilkan, model 1 lebih besar efisiennya sehingga lebih efisien dari model 2. Namun dalam perangkat elektronik model ini kurang realistis, karena jika diasumsikan sebagai suatu rangkaian tidak termasuk ke dalam rangkaian seri maupun parallel, sehingga model 1 ini hanya digunakan sebagai simulasi pembelajaran perancangan sel surya. Adapun model 2 yang menghasilkan arus sama lebih relevan dalam penerapan aplikasinya karena dapat diasumsikan sebagai rangkaian listrik seri.
Lapisan yang sangat mempengaruhi nilai efisiensi pada simulasi ini adalah lapisan 1 dan 2, yaitu Al0.3Ga0.7As dan GaAs. Hal ini dapat dilihat dari hasil daya
maksimal yang dihasilkan pada kedua model simulasi. Adapun Ge (lapisan ketiga) hanya menghasilkan daya 0.0033 W, yang hanya menghasilkan efisiensi 2.4% dari total efisiensi sel surya. Sehingga Ge kurang efisien jika digunakan sebagai bahan penyusun multijunction solar cells.
Saran
Kunci utama dalam peningkatan efisiensi sel surya adalah intensitas yang masuk sebagai intensitas awal sel surya. Semakin besar intensitas yang masuk ke tiap lapisan sel surya maka akan menghasilkan daya listrik yang semakin besar pula. Adapun penelitian ini adalah simulasi awal perancangan sel surya multijunction dan masih banyak kekurangan. Oleh karena itu, untuk selanjutnya
16
perlu dilakukan penelitian lanjut yang menggunakan intensitas besar dengan penggunaan konsentrator yang dapat memfokuskan intensitas datang yang akan masuk ke sel surya sehingga akan dihasilkan suatu piranti sel surya dengan efisiensi yang jauh lebih tinggi.
Untuk megurangi radiation loss digunakan junction yang lebih banyak, namun penggunaan bahan semikonduktornya diutamakan pada semikonduktor yang dapat menghasilkan efisiensi cukup besar dari total efisiensi sel surya.
DAFTAR PUSTAKA
1. Tool, C.J.J. et al., “ Wafer thickness, Texture and Performance of Multicrystalline Silicon Solar Cells.” European Commission’s FP5 Energi R&D programme., Neterlands, 2002..
2. R.R. King et al, “40 % efficient metamorphic GaInP/GaInAs/Ge multijunction solar cells”, Applied Physics Letter 90, 183516(1-3), 2007. 3. E. Reineri, T. Yu. “AlGaAs/InP/Ge High Efficiency Solar Cel”, Master
Thesis, San Jose State University, 2010..
4. L.Siyu, Q. Xiaosheng, “AlGaAs/GaAs tunnel junctions in a 4-J tandem solar cell,” Journal of Semiconductors, Vol 32(11). pp. 112003 (1-4), 2011. 5. Fonash J, Stephen. Solar Cell Device Physics (Second Edition). United
States of America : Elsevier, 2010.
6. Kwok K.Ng, S. M. Sze. Physics of Semiconductor Devices (Third Edition). California : John Wiley & Sons Interscience, 2007.
7. R.R. King et al., "Band-Gap-Engineered Architectures for High-Efficiency Multijunction Concentrator Solar Cells," 24th European Photovoltaic Solar Energy Conf. Hamburg, Germany, Sep. 21-25, 2009.
8. Gibson, Ursula. 2011. Characterization of ZnS: Cr Films For Intermediate Band Solar Cells. Norwegian University of Science and technology Department of Physyics.
9. J.M. Olson, D.J. Friedman, S. Kurtz, “Handbook of Photovoltaic Science and Engineering”, John Wiley & Sons, 2003..
10. Basore P.A, Clugston Donald.A., “PC1D Version 5: 32-Bit Solar Cell Modeling on Personal Computers”, 26th IEEE Photovoltiac Specialists Conference, Anaheim, Sep-Oct 1997, pp.207- 210.
17
LAMPIRAN
Lampiran 1 Contoh tampilan layar pada simulasi PC1D18
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Metro-Lampung tanggal 10 Februari 1991 dari Ayah Irawan Suprapto dan Ibu Supriyati. Penulis adalah anak kedua dari 3 bersaudara. Pada tahun 2009 penulis berhasil menyelesaikan studi di Madrasah Aliyah Husnul Khotimah Kuningan dan pada tahun yang sama penulis lulus seleksi masuk Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur Ujian Saringan Masuk IPB (USMI) dan diterima di Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Selama mengikuti perkuliahan, penulis menjadi asisten praktikum Fisika pada tahun 2011/2012 dan mengajar di salah satu homeschooling swasta di Bogor. Penulis juga pernah aktif sebagai Sekretaris Divisi Komuniksi dan Informasi Himpunan Mahasiswa Fisika (HIMAFI) IPB pada tahun 2010-2011.
