...

UTS semikonduktor_analisis 3 jenis divais semikonduktor solar sel

by user

on
Category: Documents
0

views

Report

Comments

Transcript

UTS semikonduktor_analisis 3 jenis divais semikonduktor solar sel
ANALISIS PERBANDINGAN DEVICE SEMIKONDUKTOR SEL SURYA JENIS
WAFER, THIN-FILM, DAN HETERO-JUNCTION
Oleh : Praftiwi Umitri
ABSTRAK : Sinar matahari terdiri dari foton-foton yang membawa energi sebesar E = h.c/λ.
Energi tersebut diubah menjadi energi listrik melalui device semikonduktor sel surya yang
besarnya sebanding dengan jumlah elektron yang mampu digerakan dalam device
semikonduktor tersebut. Berdasarkan device semikonduktornya terdapat 3 jenis sel surya : sel
surya jenis wafer, sel surya jenis lapisan tipis (thin-film), dan sel surya jenis hetero-junction.
Ketiganya memiliki perbedaan, kelebihan maupun kekurangan masing-masing.
Sel surya merupakan pembangkit listrik
kita asumsikan dengan menutup 0,05%
yang mengonversi sinar matahari menjadi
dari area permukaan bumi (total luas
arus
sangat
permukaan bumi adalah seluas 5,1 x 108
yang
km2) dengan solar cell yang memiliki
berkelanjutan (sustainable) dan jumlahnya
efisiensi 20%, seluruh kebutuhan energi
sangat besar. Matahari merupakan sumber
yang ada di bumi dapat terpenuhi.
listrik.
Energi
menguntungkan
matahari
karena
sifatnya
energi yang diharapkan dapat mengatasi
permasalahan
kebutuhan
energi
masa
depan setelah berbagai sumber energi
konvensional berkurang jumlahnya.
Total energi matahari yang sampai di
permukaan bumi adalah 2,6 x 1024 Joule
Cara kerja sel surya adalah dengan
memanfaatkan
teori
cahaya
sebagai
partikel (dari dualisme sifat cahaya). Foton
membawa energi sebesar :
E = h.c/λ
setiap tahunnya. Energi tersebut yang bisa
dengan h adalah konstanta Plancks (6.62 x
dikonversi melalui proses fotosintesis di
10-34 J.s) dan c adalah kecepatan cahaya
seluruh permukaan bumi mencapai 2,8 x
dalam vakum (3.00 x 108 m/s).
1021 J/tahun. Sedangkan total kebutuhan
energi di seluruh dunia mencapai 10 TW
atau setara dengan 3 x 1020 J/tahun. Jika
melihat jumlah energi yang dibutuhkan
dan dibandingkan dengan energi matahari
yang tiba di permukaan bumi, maka dapat
Dengan
menggunakan
sebuah
device
semikonduktor yang memiliki permukaan
yang luas dan terdiri dari rangkaian dioda
tipe p dan n, cahaya yang datang akan
mampu diubah menjadi energi listrik yang
sebanding
dengan
laju
pembentukan
electron dan hole sebesar :
silikon
kristal tunggal dan tipe wafer
silikon poli kristal.
Wafer silikon
α koef.absobsi, N intensitas foton, dan X
jarak tempuh foton.
Device
kristal tunggal dalam
perkembangannya mampu menghasilkan
efisiensi
yang
tinggi.
Namun
untuk
memproduksi wafer silikon kristal tunggal
semikonduktor
sel
surya
secara komersial dibutuhkan harga yang
mengalami perkembangan dari waktu ke
sangat tinggi sehingga panel surya menjadi
waktu untuk mendapatkan divais sel surya
tidak
yang memiliki efisiensi tinggi serta murah
alternatif. Sebagian besar silikon kristal
dan mudah dalam pembuatannya.
tunggal komersial memiliki efisiensi pada
Silikon merupakan bahan yang terbanyak
dipakai
dalam
fabrikasi
device
semikonduktor ini. Silikon merupakan
efisien
sebagai
sumber
energi
kisaran 16-17%, bahkan wafer silikon sel
surya hasil produksi SunPower memiliki
efisiensi hingga 20%.
suatu unsur yang banyak terdapat di alam.
Saat ini hampir sebagian besar panel surya
Untuk pemakaian sebagai semikonduktor,
yang beredar di pasar komersial berasal
silikon harus dimurnikan hingga suatu
dari screen printing jenis wafer silikon poli
tingkat pemurnian yang tinggi sekali yaitu
kristal. Wafer silikon poli kristal dibuat
<1 atom pengotor/1010 atom silikon. Selain
dengan cara membuat lapisan-lapisan tipis
silikon, device semikonduktor ini juga
dari batang silikon dengan metode wire-
umum terbuat dari material aktif lain
sawing. Harga pembuatan tipe ini lebih
seperti
(GaAs),
murah namun tingkat efisiensinya lebih
Kadmium Selenium (CdSe), dan masih
rendah jika dibandingkan dengan silikon
banyak lainnya. Dengan efisiensi konversi
kristal tunggal. Perusahaan yang aktif
bervariasi mulai dari 8% sampai 40%.
memproduksi tipe sel surya ini adalah GT
Galium
Arsenida
Sel surya generasi pertama adalah jenis
Solar, BP, Sharp, dan Kyocera Solar.
wafer (berlapis) silikon. Sel surya jenis ini
Untuk proses pembuatannya, wafer silikon
memiliki ketebalan pada kisaran 180
dibuat dari cairan panasnya atau serbuk
hingga
pasir silikat yang dijadikan kristal silikon
240
mikrometer,
dan
dalam
perkembangannya telah mampu mencapai
silindris
usia aktif mencapai 25 tahun. Jenis ini
membentuk cakram-cakram atau wafer-
terbagi lagi menjadi 2 tipe yaitu tipe wafer
wafer yang kemudian wafer tersebut diberi
yang
selanjutnya
digergaji
kawat-kawat
untuk
menghubungkan
daerah-daerah N dan P. Wafer-wafer atau
yang murni (SGS). Silikon yang diperoleh
ini berupa polikristal.
sel silikon dipasang dalam sebuah panel
yang terdiri atas sebuah bingkai aluminium
atau baja tahan karat. Sel-sel itu diberi
sambungan listrik dan keseluruhannya
dilindungi oleh lapisan kaca atau plastik.
Bila sel-sel silikon terkena sinar matahari,
maka foton-foton yang jatuh sekita P-N
akan
menghasilkan
pasangan-pasangan
hole-elektron. Elektron akan cenderung
berjalan ke arah silikon tipe N dan hole
akan cenderung berjalan ke arah silikon
tipe P. Bila wilayah positif dan negatif ini
diberi sambungan listrik maka timbul arus
listrik.
Polikristalin
silikon
dipecah
menjadi
gumpalan panjang 1-3 cm dan dibersihkan
melalui
pencucian
dan
pengetsaan
menggunakan larutan kimia dalam ruang
bersih debu. Polisilikon disusun secara
teratur disuatu mangkok kuarsa untuk
suatu paket berat tertentu tergantung
kemampuan mesin. Dtambahkan bahan
dopant sesuai perhitungan sesuai resitivitas
terencana
(tinjau
kurva
resistivitas-
impuritas). Polisilikon dilelehkan menjadi
cairan
untuk
menumbuhkan
kristal
dijabarkan
tunggal, si set pada parameter set proses.
mengenai pembuatan wafer silikon sebagai
Analisis performance bisa menggunakan
devais semikonduktor sel surya. Silikon
CFD
Pada
sebuah
penelitian
grade semikonduktor diperoleh dari pasir
kuarsa
SiO2
setelah
melalui
proses
pemurnian. Proses pemurnian tersebut
dengan pemanasan silika terhadap karbon.
C(padat)+ SiO2(padat) Si (cair) + SiO(gas) + CO (gas)
Pemanasan SiO2 dengan C menghasilkan
metallurgical
grade
silicon
(MGS).
Pemurnian MGS menghasilkan siliconbearing gas dari trichlorosilane (SiHCl3).
Sel surya generasi kedua adalah jenis
lapisan tipis (thin film). Tujuan utama dari
ide pembuatan jenis ini tentunya untuk
mengurangi biaya produksi sel surya. Jenis
ini hanya menggunakan < 1% dari bahan
baku silikon untuk jenis wafer. Dengan
penghematan yang tinggi pada bahan baku
tersebut membuat harga per kWh energi
yang dibangkitkan menjadi lebih murah.
Metode yang paling sering dipakai dalam
pembuatan silikon jenis thin-film adalah
(SiHCl3)
dan
hidrogen
bereaksi
membentuk silicon grade semikonduktor
dengan PECVD atau plasma-enhanced
chemical vapor deposition dari gas silane
dan hidrogen. Lapisan yang dibuat dengan
AgGaSe2 pertama-tama masing-masing
metode ini menghasilkan silikon yang
unsur Ag, Ga dan Se dengan tingkat
tidak memiliki arah orientasi kristal atau
kemurnian 5N ditimbang sesuai dengan
yang dikenal sebagai amorphous silikon
berat
(non kristal). Metode ini diperkenalkan
kedalam suatu ampul yang terbuat dari
oleh Spear dan Lacomber pada tahun
kwarsa.
1976, dimana lapisan tipis silicon amorf
dengan tingkat kevakuman 10-3 Torr dan
terhidrogenisasi
kemudian ditutup/dilas untuk kemudian
(SiH)
ditumbuhkan
dengan doping ketidakmurnian
sel surya thin-film juga dibuat dari bahan
semikonduktor lainnya yang memiliki
efisiensi tinggi seperti Cadmium Telluride
(CdTe) dan Copper Indium Gallium
Selenide (CIGS). Efisiensi tertinggi saat
ini yang bisa dihasilkan oleh sel surya
jenis thin-film adalah sebesar 19,5% yakni
yang berbahan semikonduktor CIGS.
sebuah
mengenai
penelitian
pembuatan
Ampul
kwarsa
divakumkan
dimasukkan ke dalam tungku Bridgmann
Selain menggunakan material dari silikon,
Pada
atomnya, kemudian dimasukkan
dijabarkan
thinfilm
tegak.
Keunggulan dari jenis thin-film adalah
semikonduktornya sebagai lapisan sel
surya bisa dideposisi pada substrat yang
lentur sehingga menghasilkan divais sel
surya yang fleksibel. Namun dominasi
pasar bagi jenis thin-film masih jauh
dibawah jenis wafer yakni dengan wafer
silikon kristal tunggal dan poli kristal
mendominasi lebih dari 84% sel surya
yang ada dipasaran.
devais
Generasi ketiga dari sel surya adalah jenis
semikonduktor sel surya berbahan dasar
hetero-junction yang konsep dasarnya
polikristal
AgGaSe2.
adanya lapisan sebagai donor elektron dan
ditumbuhkan
dengan
Polikristal
tungku
lapisan sebagai akseptor elektron. Berbeda
Bridgmann tegak, dengan memanaskan
dengan tipe sel surya generasi pertama dan
sampai
kemudian
kedua yang menjadikan pembangkitan
sampai
pasangan electron dan hole dari foton sinar
temperatur kamar. Didapatkan berupa
matahari, pada sel surya jenis ini foton
ingot (batangan) dengan panjang lebih
yang datang tidak harus menghasilkan
kurang 3 cm dan diameter 13 mm.
pasangan
komposisi masing masing unsur berat %
membangkitkan exciton. Exciton inilah
adalah Ag = 29,3996 %, Ga = 36,8123 %
yang
dan Se = 30,29 % (diketahui dari refraksi
permukaan
sinar X). Untuk penumbuhan polikristal
biasanya di rekatkan dengan organik
temperatur
didinginkan
metoda
850°C
perlahan-lahan
muatan
kemudian
tersebut
berdifusi
bahan
melainkan
pada
konduktor
dua
(yang
semikonduktor berada di antara dua keping
Gelas/ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al,
konduktor) untuk menghasilkan pasangan
seperti ditunjukkan pada Gambar. Lapisan
muatan dan akhirnya menghasilkan efek
ITO berfungsi sebagai anoda, lapisan
arus foto (photocurrent).
PEDOT:PSS berfungsi sebagai injeksi
Dalam penelitian pengembangannya jenis
lubang (hole) dan lapisan Al sebagai
hetero-junction
katoda.
banyak
dikaji
dengan
Dalam
eksperimen
tersebut
bahan polimer atau sel surya organik dan
digunakan P3HT dan PCBM dengan rasio
sel surya fotoelektrokimia. Sel surya
1:1.
organik dibuat dari bahan semikonduktor
organik seperti polyphenylene vinylene
dan
fullerene.
Karena
banyak
menggunakan bahan polimer, jenis ini
terbilang
jauh
lebih
murah
namun
memiliki masalah dalam hal efisiensi
(berada dalam kisaran 10%) dan usia aktif
sel yang masih terlalu singkat. Solar sel
jenis ini akan mampu memberi pengaruh
Pada
besar dalam sepuluh tahun ke depan
polimer poli3-heksiltiofen (P3HT) sebagai
mengingat harga dan proses pembuatannya
device
yang sangat murah.
disebutkan tidak hanya jenis hetero-
Pada
sebuah
mengenai
penelitian
pembuatan
dijabarkan
heterojunction
penelitian
yang
menggunakan
semikonduktornya
tersebut,
junction yang bisa dibuat menggunakan
polimer namun juga jenis thin-film.
devais semikonduktor sel surya berbahan
polimer, yaitu dengan P3HT sebagai donor
elektron
dan
metanofuleren
(PCBM)
DAFTAR PUSTAKA
sebagai akseptornya serta lapisan titanium
http://www.esdm.go.id/berita/artikel/56-
sub-oksida (TiOX) disisipkan di antara
artikel/4034-solar-cell-sumber-energi-
lapisan aktif dan lapisan Alumunium.
terbarukan-masa-depan-
Polimer regioregular poli(3-heksiltiofen)
.html?tmpl=component&print=1&page=
(RR > 90%) dan turunan metanofuleren
PCBM diperoleh dari Sigma Aldrich, yang
digunakan langsung tanpa purifikasi. Selsurya
dibuat
dengan
struktur
www.sunpowercorp.com
JMEI Jurnal Material dan Energi Indonesia
Volume 01, Nomor 01, Tahun 2011,
Artikel: Sel Surya Polimer
Suprianto,dkk.STUDI KARAKTERISTIK
I-V SEL SURYA p-i-n SILIKON AMORF
TERHIDROGENASI (a-Si:H). 2008. ITS
http://www.license.umn.edu/Products/Organ
ic-Photovoltaic-Solar-Cells-using-GradedHeterojunction-Technology__Z09174.aspx
Laporan
Akhir
Kumulatif
Kegiatan
Program Kompetitif LIPI Tahun Anggaran
2007, Judul Penelitian Optimasi Alat
Penumbuh Kristal Tunggal Silikon Untuk
Divasi Fotonik/Elektronik.
Fly UP