Simulasi Perancangan Sel Surya Multijunction Al0.3Ga0.7As/GaAs/Ge Menggunakan Program PC1D Dan Matlab
SIMULASI PERANCANGAN SEL SURYA
MULTIJUNCTION Al0.3Ga0.7As/GaAs/Ge MENGGUNAKAN
PROGRAM 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 by
TONY 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.
Keywords: efficiency, multijunction, solar cells design, blackbody spectrum
SIMULASI PERANCANGAN SEL SURYA
MULTIJUNCTION Al0.3Ga0.7As/GaAs/Ge MENGGUNAKAN
PROGRAM PC1D DAN MATLAB
AJENG WIDYA ROSLIA
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains
pada
Departemen Fisika
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
Pembimbing I
Heriyanto Syafutra, M.Si
Pembimbing II
Diketahui oleh
Dr Akhiruddin Maddu
Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
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
Ajeng Widya Roslia
DAFTAR ISI
DAFTAR GAMBAR
xi
DAFTAR TABEL
xi
DAFTAR LAMPIRAN
xi
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
Perumusan Masalah
Tujuan Penelitian
Manfaat Penelitian
Ruang Lingkup Penelitian
Hipotesis
1
1
1
2
2
2
TINJAUAN PUSTAKA
2
Sel Surya
Radiasi Matahari
Koefisien Absorpsi
Efisiensi
Material
Program PC1D
3
4
4
5
5
6
METODE
Waktu dan Tempat
Alat
Metode Penelitian
Diagram Alir Penelitian
HASIL DAN PEMBAHASAN
Data Hasil Simulasi
Spektrum Radiasi Matahari
Ketebalan dan Doping
Koefisien Absorbsi
Efisiensi
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Saran
6
6
6
6
8
9
9
9
11
13
14
15
15
15
DAFTAR PUSTAKA
16
LAMPIRAN
17
RIWAYAT HIDUP
18
DAFTAR GAMBAR
Ilustrasi cara kerja sel surya dengan prinsip p-n junction
Grafik efisiensi sel surya sampai tahun 2010
Kurva Blackbody Radiation
Kurva koefisien absorbsi terhadap panjang gelombang beberapa
semikonduktor
5 Spektrum radiasi benda hitam di permukaan bumi
6 Daerah serapan intensitas cahaya matahari model 1
7 Daerah serapan intensitas cahaya matahari model 2
8 Kurva I-V desain sel surya model 1
9 Kurva I-V desain sel surya model 2
10 Desain sel surya model 1
11 Desain sel surya model 1
12 Kurva koefisien absorbsi Al0.3Ga0.7As, GaAs, dan Ge terhadap panjang
gelombang
1
2
3
4
3
3
4
5
10
11
11
12
12
13
13
14
DAFTAR TABEL
1
2
3
4
Parameter input simulasi model 1
Parameter output simulasi model 1
Parameter input simulasi model 2
Parameter output simulasi model 2
9
9
9
9
DAFTAR LAMPIRAN
1 Contoh tampilan layar pada simulasi PC1D
2 Contoh tampilan menu quick batch pada simulasi PC1D
17
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.
2.
3.
Berapakah besar intensitas matahari yang sampai ke bumi?
Berapakah besar intensitas cahaya matahari yang diserap dan dilewatkan
oleh tiap lapisan pada sel surya?
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 tipep dan tipe-n. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai insulator pada temperatur
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.
Gambar 2 Grafik efisiensi sel surya sampai tahun 2010. 7 (R.R. King et al. 2009)
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
Menentukan doping dan optimasi ketebalan lapisan
2 serta menghitung intensitas transmisi lapisan 2
Output : Isc, Voc,
Pmax, kurva I-V 2
Menentukan doping dan optimasi ketebalan lapisan
3 serta menghitung intensitas transmisi lapisan 3
Output : Isc, Voc,
Pmax, kurva I-V 3
Menghitung efisiensi
dan fill factor
Selesai
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
Thickness
Io
Lapisan
2
(W/cm )
(m)
Al0.3Ga0.7As
0.1367
2.8
GaAs
0.0532
2
Ge
0.0254
10.66
Tabel 2 Parameter output simulasi Model 1
Voc
Isc
Lapisan
(V)
(mA)
Al0.3Ga0.7As
GaAs
Ge
1.488
1.104
0.3734
26.4
14.9
13.0
Tabel 3 Parameter input simulasi Model 2
Thickness
Io
Lapisan
2
(W/cm )
(m)
Al0.3Ga0.7As
0.1367
2.89
GaAs
0.0532
2.04
Ge
0.0254
10.64
Tabel 4 Parameter output simulasi Model 2
Voc
Isc
Lapisan
(V)
(mA)
Al0.3Ga0.7As
GaAs
Ge
1.357
0.9873
0.3631
13
13
13
Wavelength
(nm)
0-2500
0-2500
0-2500
P doping
(cm-3)
1 x 1016
3.02 x 1016
1 x 1016
N doping
(cm-3)
1 x 1017
1 x 1017
1 x 1017
Pmax (W)
Fill Factor
(%)
Efisiensi
(%)
0.0355
0.0148
0.0033
90.37
89.97
70.44
39.22
Wavelength
(nm)
0-2500
0-2500
0-2500
P doping
(cm-3)
1 x 1019
1 x 1019
1 x 1016
N doping
(cm-3)
1 x 1020
5 x 1020
1x 1017
Pmax (W)
Fill Factor
(%)
Efisiensi
(%)
0.0156
0.0107
0.0033
88.43
83.37
70.44
21.67
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.
Kurva I-V Simulasi model 1
Arus (mA)
30
20
AlGaAs
10
GaAs
Ge
0
0
0.5
1
1.5
2
Tegangan (V)
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.
Kurva I-V Simulasi model 2
Arus (mA)
1.50E+01
1.00E+01
AlGaAs
5.00E+00
GaAs
Ge
0.00E+00
0
0.5
1
1.5
Tegangan (V)
Gambar 9 Kurva I-V desain sel surya model 2
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
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.
1.
17
LAMPIRAN
Lampiran 1 Contoh tampilan layar pada simulasi PC1D
Lampiran 2 Contoh tampilan menu quick batch pada simulasi PC1D
18
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.
MULTIJUNCTION Al0.3Ga0.7As/GaAs/Ge MENGGUNAKAN
PROGRAM 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 by
TONY 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.
Keywords: efficiency, multijunction, solar cells design, blackbody spectrum
SIMULASI PERANCANGAN SEL SURYA
MULTIJUNCTION Al0.3Ga0.7As/GaAs/Ge MENGGUNAKAN
PROGRAM PC1D DAN MATLAB
AJENG WIDYA ROSLIA
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains
pada
Departemen Fisika
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
Pembimbing I
Heriyanto Syafutra, M.Si
Pembimbing II
Diketahui oleh
Dr Akhiruddin Maddu
Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
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
Ajeng Widya Roslia
DAFTAR ISI
DAFTAR GAMBAR
xi
DAFTAR TABEL
xi
DAFTAR LAMPIRAN
xi
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
Perumusan Masalah
Tujuan Penelitian
Manfaat Penelitian
Ruang Lingkup Penelitian
Hipotesis
1
1
1
2
2
2
TINJAUAN PUSTAKA
2
Sel Surya
Radiasi Matahari
Koefisien Absorpsi
Efisiensi
Material
Program PC1D
3
4
4
5
5
6
METODE
Waktu dan Tempat
Alat
Metode Penelitian
Diagram Alir Penelitian
HASIL DAN PEMBAHASAN
Data Hasil Simulasi
Spektrum Radiasi Matahari
Ketebalan dan Doping
Koefisien Absorbsi
Efisiensi
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Saran
6
6
6
6
8
9
9
9
11
13
14
15
15
15
DAFTAR PUSTAKA
16
LAMPIRAN
17
RIWAYAT HIDUP
18
DAFTAR GAMBAR
Ilustrasi cara kerja sel surya dengan prinsip p-n junction
Grafik efisiensi sel surya sampai tahun 2010
Kurva Blackbody Radiation
Kurva koefisien absorbsi terhadap panjang gelombang beberapa
semikonduktor
5 Spektrum radiasi benda hitam di permukaan bumi
6 Daerah serapan intensitas cahaya matahari model 1
7 Daerah serapan intensitas cahaya matahari model 2
8 Kurva I-V desain sel surya model 1
9 Kurva I-V desain sel surya model 2
10 Desain sel surya model 1
11 Desain sel surya model 1
12 Kurva koefisien absorbsi Al0.3Ga0.7As, GaAs, dan Ge terhadap panjang
gelombang
1
2
3
4
3
3
4
5
10
11
11
12
12
13
13
14
DAFTAR TABEL
1
2
3
4
Parameter input simulasi model 1
Parameter output simulasi model 1
Parameter input simulasi model 2
Parameter output simulasi model 2
9
9
9
9
DAFTAR LAMPIRAN
1 Contoh tampilan layar pada simulasi PC1D
2 Contoh tampilan menu quick batch pada simulasi PC1D
17
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.
2.
3.
Berapakah besar intensitas matahari yang sampai ke bumi?
Berapakah besar intensitas cahaya matahari yang diserap dan dilewatkan
oleh tiap lapisan pada sel surya?
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 tipep dan tipe-n. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai insulator pada temperatur
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.
Gambar 2 Grafik efisiensi sel surya sampai tahun 2010. 7 (R.R. King et al. 2009)
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
Menentukan doping dan optimasi ketebalan lapisan
2 serta menghitung intensitas transmisi lapisan 2
Output : Isc, Voc,
Pmax, kurva I-V 2
Menentukan doping dan optimasi ketebalan lapisan
3 serta menghitung intensitas transmisi lapisan 3
Output : Isc, Voc,
Pmax, kurva I-V 3
Menghitung efisiensi
dan fill factor
Selesai
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
Thickness
Io
Lapisan
2
(W/cm )
(m)
Al0.3Ga0.7As
0.1367
2.8
GaAs
0.0532
2
Ge
0.0254
10.66
Tabel 2 Parameter output simulasi Model 1
Voc
Isc
Lapisan
(V)
(mA)
Al0.3Ga0.7As
GaAs
Ge
1.488
1.104
0.3734
26.4
14.9
13.0
Tabel 3 Parameter input simulasi Model 2
Thickness
Io
Lapisan
2
(W/cm )
(m)
Al0.3Ga0.7As
0.1367
2.89
GaAs
0.0532
2.04
Ge
0.0254
10.64
Tabel 4 Parameter output simulasi Model 2
Voc
Isc
Lapisan
(V)
(mA)
Al0.3Ga0.7As
GaAs
Ge
1.357
0.9873
0.3631
13
13
13
Wavelength
(nm)
0-2500
0-2500
0-2500
P doping
(cm-3)
1 x 1016
3.02 x 1016
1 x 1016
N doping
(cm-3)
1 x 1017
1 x 1017
1 x 1017
Pmax (W)
Fill Factor
(%)
Efisiensi
(%)
0.0355
0.0148
0.0033
90.37
89.97
70.44
39.22
Wavelength
(nm)
0-2500
0-2500
0-2500
P doping
(cm-3)
1 x 1019
1 x 1019
1 x 1016
N doping
(cm-3)
1 x 1020
5 x 1020
1x 1017
Pmax (W)
Fill Factor
(%)
Efisiensi
(%)
0.0156
0.0107
0.0033
88.43
83.37
70.44
21.67
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.
Kurva I-V Simulasi model 1
Arus (mA)
30
20
AlGaAs
10
GaAs
Ge
0
0
0.5
1
1.5
2
Tegangan (V)
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.
Kurva I-V Simulasi model 2
Arus (mA)
1.50E+01
1.00E+01
AlGaAs
5.00E+00
GaAs
Ge
0.00E+00
0
0.5
1
1.5
Tegangan (V)
Gambar 9 Kurva I-V desain sel surya model 2
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
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.
1.
17
LAMPIRAN
Lampiran 1 Contoh tampilan layar pada simulasi PC1D
Lampiran 2 Contoh tampilan menu quick batch pada simulasi PC1D
18
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.