Simulasi Kinerja Sel Surya 4-Junction Al0.3Ga0.7As/GaAs/InP/Ge dengan Pembatasan Daerah Serapan Radiasi Matahari.

SIMULASI KINERJA SEL SURYA
4-JUNCTION Al0.3Ga0.7As/GaAs/InP/Ge DENGAN
PEMBATASAN DAERAH SERAPAN RADIASI MATAHARI

ENI SEPTI WAHYUNI

DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014

PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Simulasi Kinerja Sel
Surya 4-Junction Al0.3Ga0.7As/GaAs/InP/Ge dengan Pembatasan Daerah Serapan
Radiasi Matahari 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 disertasi ini.

Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, April 2014
Eni Septi Wahyuni
NIM G74100054

ABSTRAK
ENI SEPTI WAHYUNI. Simulasi Kinerja Sel Surya 4-Junction
Al0.3Ga0.7As/GaAs/InP/Ge dengan Pembatasan Daerah Serapan Radiasi Matahari.
Dibimbing oleh TONY IBNU SUMARYADA dan HERIYANTO SYAFUTRA.
Perkembangan sel surya saat ini sangat pesat, ditunjukkan oleh semakin
tinggi nilai efisiensi yang diperoleh. Salah satu jenis sel surya yang memiliki
tingkat efisiensi yang tinggi tersebut adalah sel surya multi-junction yang
memiliki beberapa lapisan sel surya. Pada penelitian ini telah dibuat simulasi
struktur sel surya 4-junction Al0.3Ga0.7As/GaAs/InP/Ge menggunakan program
PC1Dv5.9 dalam dua model. Model 1 merupakan sel surya dengan arus Isc
berbeda dan Model 2 yang memiliki nilai arus Isc yang sama pada semua lapisan.
Setiap model disimulasikan dalam dua kondisi yang berbeda, yaitu tanpa
pembatasan (panjang gelombang 280 hingga 2500 nm) dan dengan pembatasan
daerah serapan radiasi matahari (dibatasi panjang gelombang cutoff). Model 1

menunjukan sel surya tanpa pembatasan lebih efisien (efisiensi 64.23%) daripada
sel surya dengan pembatasan spektrum (efisiensi 36.48%). Sedangkan Model 2
menunjukan nilai efesiensi yang lebih kecil dibandingkan Model 1 dengan
efisiensi sel surya tanpa pembatasan spektrum sebesar 12.75% dan dengan
pembatasan sebesar 2.81%. Seluruh simulasi dilakukan dengan menggunakan
spektrum radiasi AM1.5G.
Kata kunci: efisiensi, multi-junction, program PC1D, sel surya

ABSTRACT
ENI SEPTI WAHYUNI. Solar Cells 4-Junction Al0.3Ga0.7As/GaAs/InP/Ge
Performance Simulation with Absorption Area Restriction of Solar Radiation.
Supervised by TONY IBNU SUMARYADA and HERIYANTO SYAFUTRA.
Solar cells development increased rapidly indicated by the increasing solar
cells efficiency. One way to increase the efficiency is by using multi-junction
solar cells. In this research, 4-junction solar cells Al0.3Ga0.7As/GaAs/InP/Ge has
been designed and simulated using PC1Dv5.9 program in two different models. In
Model 1, different current is produced in each sublayer, while in Model 2 the
identical current restricted in each sublayer. Every models are simulated in two
different conditions, i.e without absorption area restriction (wavelength fron 280
to 2500 nm) and with restriction of solar radiation (restricted cutoff wavelength).

Model 1 showed that solar cells without spectrum restriction (efficiency 64.23%)
are more efficient than the one with restriction (efficiency 36.48%). Model 2
showed smaller efficiency compared to Model 1, with 12.75 % efficiency for solar
cells without spectrum restriction and 2.81% for the one with restriction. All
simulations were performed using AM1.5G radiation spectrum.
Keywords: efficiency, multi-junction, PC1D program, solar cells

SIMULASI KINERJA SEL SURYA
4-JUNCTION Al0.3Ga0.7As/GaAs/InP/Ge DENGAN
PEMBATASAN DAERAH SERAPAN RADIASI MATAHARI

ENI SEPTI WAHYUNI

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
2014

Judul Skripsi : Simulasi Kinerja Sel Surya 4-Junction Al0.3Ga0.7As/GaAs/InP/Ge
dengan Pembatasan Daerah Serapan Radiasi Matahari.
Nama
: Eni Septi Wahyuni
NIM
: G74100054

Disetujui oleh

Dr Tony Ibnu Sumaryada
Pembimbing I

Heriyanto Syafutra, MSi
Pembimbing II

Diketahui oleh

Dr Akhiruddin Maddu
Ketua Departemen

Tanggal Lulus:

PRAKATA
Alhamdulillahirabbil’alamin, puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat
Allah SWT, atas segala limpahan rahmat, taufik, dan hidayah-Nya, serta karuniaNya kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan skripsi ini. Shalawat serta
salam semoga senantiasa tercurahkan kepada junjungan nabi besar, Nabi
Muhammad SAW, keluarga, sahabat, serta umatnya.
Skripsi dengan judul “Simulasi Kinerja Sel Surya 4-Junction
Al0.3Ga0.7As/GaAs/InP/Ge dengan Pembatasan Daerah Serapan Radiasi Matahari”
ini disusun sebagai salah satu syarat kelulusan program sarjana di Departemen
Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor.
Semoga karya ini dapat bermanfaat bagi kemajuan ilmu pengetahuan dan
teknologi di Indonesia.
Penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada:
1. Kedua orang tua, Bapak Wahid Nurdin dan Ibu Acih, serta kedua adikku,

Dedi W. dan Nur Intan P. yang selalu memberikan dukungan dan kasih
sayang yang tulus.
2. Bapak Dr Tony Ibnu Sumaryada, selaku dosen pembimbing pertama yang
senantiasa selalu sabar membimbing, memberikan wawasan dan nasihat
sehingga penulis mampu menyelesaikan skripsi ini.
3. Bapak Heriyanto Syafutra, MSi, selaku dosen pembimbing kedua yang
senantiasa memberikan masukan yang sangat berarti bagi penulis. Terima
kasih sudah bersedia berdiskusi dalam penyusunan skripsi ini.
4. Bapak Ardian Arief, MSi selaku pembimbing akademik yang telah
bersedia memberikan banyak masukan, saran, dan motivasi, serta
gambaran mengenai dunia perkuliahan sehingga penulis dapat mengikuti
dan menyelesaikan perkuliahan dengan lancar.
5. Made Dirgantara, SSi, yang senantiasa memberikan semangat dan
motivasi. Terima kasih atas kesabarannya mendukung penulis dalam
menghadapi kesulitan dalam perkuliahan hingga penyusunan skripsi.
Terima kasih karena selalu melakukan yang terbaik untuk penulis.
6. Seluruh dosen yang telah bersedia membagi ilmunya, Bapak M. Nur Indro,
MSc sebagai dosen penguji yang selalu memotivasi penulis dan seluruh
staff Departemen Fisika IPB, Bapak Firman yang juga sangat mendukung.
7. Teman-teman fisika 47, Roro, Jelly, Hanna, Icha dan Khalid yang selalu

penulis repotkan. Terima kasih kepada kak Robi Sobirin, SSi yang sangat
membantu penulis memahami prosedur penelitian ini. Semua pihak yang
tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah menginspirasi dan
memotivasi selama perkuliahan hingga penyusunan skripsi.
Semoga karya yang sederhana ini dapat menjadi sumbangan bagi ilmu
pengetahuan dan teknologi di Indonesia.

Bogor, April 2014
Eni Septi Wahyuni

DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL

vii

DAFTAR GAMBAR

vii

DAFTAR LAMPIRAN

viii

PENDAHULUAN

11

Latar Belakang

11

Perumusan Masalah

2

Tujuan Penelitian

2

Hipotesis

2

TINJAUAN PUSTAKA

2

Spektrum Radiasi Matahari

2

Sel Surya Multi-Junction

4

Efisiensi

6

METODE

7

Waktu dan Tempat

7

Alat

7

Studi Pustaka

7

Menentukan Material Semikonduktor

7

Simulasi Program PC1D

7

Simulasi Perhitungan Menggunakan Program Matlab R2012a

8

HASIL DAN PEMBAHASAN

8

Disain Paramater Simulasi

8

Kurva Karakteristik I-V

12

Koefisien Absorpsi

14

Spektrum Radiasi Matahari

15

Efisiensi

20

Koefisien �

21

Simpulan

23

Saran

23

SIMPULAN DAN SARAN

DAFTAR PUSTAKA

23

24

LAMPIRAN

25

RIWAYAT HIDUP

27

DAFTAR TABEL
1
2
3
4
5
6
7
8
9

Input simulasi Model 1 tanpa pembatasan daerah serapan radiasi
Output simulasi Model 1 tanpa pembatasan daerah serapan radiasi
Input simulasi Model 1 dengan pembatasan daerah serapan radiasi
Output simulasi Model 1 dengan pembatasan daerah serapan radiasi
Input simulasi Model 2 tanpa pembatasan daerah serapan radiasi
Output simulasi Model 2 tanpa pembatasan daerah serapan radiasi
Input simulasi Model 2 dengan pembatasan daerah serapan radiasi
Output simulasi Model 2 dengan pembatasan daerah serapan radiasi
Intensitas matahari yang dikonversi menjadi daya listrik pada model
tanpa pembatasan daerah serapan radiasi
10 Intensitas matahari yang dikonversi menjadi daya listrik pada model
tanpa pembatasan daerah serapan radiasi

9
9
9
9
10
10
10
11
19
20

DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18

Spektrum radiasi matahari
Contoh lapisan sel surya multi-junction
Diagram Sel Surya
Disain sel surya Model 1 tanpa pembatasan daerah serapan
Disain sel surya Model 2 tanpa pembatasan daerah serapan
Disain sel surya Model 2 dengan pembatasan daerah serapan
Kurva karaktertik I-V Model 1 tanpa pembatasan daerah serapan
Kurva karaktertik I-V Model 2 tanpa pembatasan daerah serapan
Kurva karaktertik I-V Model 1 dengan pembatasan daerah serapan
Kurva karaktertik I-V Model 2 dengan pembatasan daerah serapan
Koefisien absorpsi Al0.3Ga0.7As, GaAs, InP, dan Ge
Spektrum radiasi AM1.5G
Daerah serapan Al0.3Ga0.7As, GaAs, InP, dan Ge
Intensitas matahari yang dikonversi menjadi daya listrik pada Model
tanpa pembatasan daerah serapan radiasi
Intensitas matahari yang dikonversi menjadi daya listrik pada Model
tanpa pembatasan daerah serapan radiasi
Intensitas matahari yang dikonversi menjadi daya listrik pada Model
dengan pembatasan daerah serapan radiasi
Intensitas matahari yang dikonversi menjadi daya listrik pada Model
dengan pembatasan daerah serapan radiasi
Kurva koefisien � Model 1 tanpa pembatasan daerah serapan

3
4
5
10
11
11
12
13
13
14
14
15
16
1
16
2
17
1
18
2
19
21

19 Kurva koefisien � Model 2 tanpa pembatasan daerah serapan
20 Kurva koefisien � Model 1 dengan pembatasan daerah serapan
21 Kurva koefisien � Model 2 dengan pembatasan daerah serapan

22
22
23

DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4

Contoh tampilan layar pada simulasi PC1D
Contoh tampilan menu quick batch pada simulasi PC1D
Konstanta kisi beberapa semikonduktor
Koefisien absorpsi beberapa semikonduktor

25
25
26
26

PENDAHULUAN
Latar Belakang
Energi menunjukkan kapasitas untuk melakukan kerja. Semua yang ada di
dunia ini sangat bergantung kepada energi. Untuk itu, sangat disadari bahwa
manuasia melakukan aktivitasnya secara aktif menggunakan energi. Akan tetapi,
energi menjadi permasalah utama di dunia saat ini. Pada tahun 2013 lalu, para
menteri energi seluruh dunia mengikuti forum internasional yang membahas
mengenai masalah energi di setiap Negara. Dengan berkembangnya zaman sudah
dipastikan konsumsi energi akan semakin meningkat, sehingga mengharuskan
setiap Negara, termasuk Indonesia, membuat kebijakan yang terkait dengan
energi.1
Krisis energi di dunia memicu penemuan-penemuan baru. Salah satunya
mengenai energi terbarukan. Sumber energi terbarukan dapat dengan cepat
dipulihkan secara alami dan prosesnya berkelanjutan. Energi terbarukan
dimanfaatkan sebagai energi alternatif yang dapat menggantikan energi yang
semakin habis. Salah satu sumber energi terbarukan adalah cahaya matahari.
Cahaya matahari dapat dimanfaatkan oleh komponen sel surya dengan
mengkonversi intensitas cahaya matahari menjadi daya listrik. Sel surya secara
sederhana merupakan persambungan antara semikonduktor tipe P dan N. Bahan
semikonduktor yang biasa digunakan adalah germanium, silikon, atau gabungan
unsur-unsur golongan III dan V.2 Setiap bahan semikonduktor memiliki energi
gap yang berbeda yang dimanfaatkan untuk membentuk sel surya multi-junction.
Energi gap merupakan energi yang dibutuhkan untuk melepaskan elektron dari
pita valensi ke pita konduksi. Penyusunan sel surya multi-junction dilakukan
berdasarkan urutan besar energi gapnya. Semikonduktor yang memiliki energi gap
terbesar ditempatkan pada lapisan paling atas. Setiap semikonduktor juga
memiliki respon serapan radiasi matahari yang berbeda-beda.
Pentingnya melakukan simulasi adalah untuk menentukan struktur sel surya
yang memiliki efisiensi tinggi, sehingga dapat meningkatkan efektivitas saat
eksperimen laboratorium. Simulasi yang dilakukan pada penelitian ini
menggunakan program PC1Dv5.9 dengan struktur sel surya 4-junction.3
PC1Dv5.9 merupakan versi terbaru dari program PC1D. Material simulasi yang
digunakan adalah Al0.3Ga0.7As (Aluminium Gallium Arsenida), GaAs (Gallium
Arsenida), InP (Indium Fosfida), dan Ge (Germanium) pada spektrum radiasi Air
Mass 1.5 pada radiasi gobal (AM1.5G). Efisiensi konversi energi dari setiap
material yang digunakan dipengaruhi oleh ketebalan setiap lapisan, doping tipe N
dan tipe P, dan intensitas yang diterima oleh setiap lapisan. Simulasi dilakukan
dengan dua model, yaitu Model 1 yang menghasilkan arus short circuit berbeda
untuk memaksimalkan efisiensi dan Model 2 yang menghasilkan arus short
circuit sama dan setiap model diberi perlakuan tanpa pembatasan dan dengan
pembatasan daerah serapan radiasi matahari. Penelitian sebelumnya4 mengenai
sel surya 4-junction menggunakan material GaInP/GaAs/InGaAs/Ge
menghasilkan efisiensi sebesar 33.9%.

2
Perumusan Masalah
Perumusan masalah pada penelitian ini adalah:
Berapakah besar intensitas yang digunakan dan diteruskan oleh setiap
lapisan?
2. Bagaimana pengaruh pembatasan daerah serapan terhadap efisiensi sel
surya?
3. Bagaimana pengaruh nilai arus short circuit sama terhadap efisiensi sel
surya?
1.

Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah:
1. Merancang sel surya dengan struktur 4-junction Al0.3Ga0.7As, GaAs, InP,
dan Ge untuk memperoleh tingkat efisiensi yang tinggi menggunakan
program PC1Dv5.9 dan Matlab R2012a,
2. Membuat rancangan sel surya dengan model arus short circuit sama dan arus
short circuit berbeda, dan
3. Mengetahui pengaruh pembatasan daerah serapan pada spektrum AM1.5G
terhadap efisiensi sel surya.
Hipotesis
1.
2.

Hipotesis pada penelitian ini adalah:
Pembatasan daerah serapan radiasi akan menurunkan efisiensi sel surya.
Nilai arus short circuit sama pada setiap lapisan sel surya akan
menyebabkan efisiensi sel surya menurun.

TINJAUAN PUSTAKA
Spektrum Radiasi Matahari
Cahaya matahari merupakan cahaya polikromatik. Spektrum cahaya
polikromatik merupakan spektrum yang kontinu yang dihasilkan dari suatu zat
cair, padat, atau gas yang berpijar pada tekanan yang sangat tinggi. Jika spektrum
ada pada tekanan rendah, maka tidak akan terlihat warna-warna pada
spektrumnya. Warna pada spektrum membentuk garis-garis terang berdasarkan
karakteristik panjang gelombang. Perbedaan spektrum yang ditunjukkan oleh
Gambar 1 dijelaskan menggunakan istilah Air Mass.5

Spektrum Iradiasi (kWm-2µm-1)

3

Blackbody
AM0
AM1.5G

Panjang Gelombang (µm)
Gambar 1 Spektrum radiasi matahari.5
Air Mass adalah panjang lintasan cahaya yang melewati atmosfer, biasanya
merupakan lintasan terpendek yang mungkin. Air Mass menentukan reduksi
energi matahari yang melewati atmosfer dan yang diserap oleh udara dan berbagai
partikel di dalamnya. Air Mass didefisinikan sebagai
(1)
dengan sudut dari arah vertikal matahari. Ketika posisi matahari tepat langsung
di atas permukaan bumi ( =0), Air Mass bernilai 1.5
Spektrum standar di permukaan bumi adalah AM1.5G, di mana G untuk
global dan termasuk radiasi langsung (direct) dan radiasi difusi, atau AM1.5D
yang hanya termasuk radiasi langsung (direct). Spektrum langsung (direct) sangat
penting dalam konsentrator sel surya dengan sudut penerimaan optik yang kecil,
sedangkan spektrum global sangat penting sel surya dengan sudut penerimaan
optik yang lebih besar. Intensitas radiasi AM1.5D dapat diaproksimasi dengan
merekduksi spektrum AM0 sekitar 28%, di mana 18% absorpsi dan 10%
hamburan. Spektrum global 10% lebih tinggi dari spektrum langsung (direct).
Hasil aproksimasi menunjukkan intensitas 970 W/m2 untuk AM1.5G. Akan tetapi
standar yang biasa digunakan adalah sebesar 1 kW/m2.5
Berdasarkan sifat dualisme gelombang, cahaya matahari dapat dianggap
sebagai partikel cahaya yang dinamakan foton. Foton bergerak dengan kecepatan
cahaya (3 x 108 m/s) dengan energi sebesar hf, dengan h merupakan konstanta
Planck (6.62 x 10-23 J.s) dan f frekuensi cahaya matahari yang merupakan
perbandingan antara kecepatan cahaya (c) dengan panjang gelombang (λ).
(2)
(3)

4
Temperatur permukaan matahari berkisar 6000K. Intensitas matahari (Im)
yang diradiasikan memenuhi Persamaan (4).
,

(4)

dengan k sebagai konstanta Boltzmann (1.38 x 10-23 J/K), h sebagai tetapan
Planck (6.62 x 10-34 J s), c sebagai kecepatan cahaya (3 x 108 m/s), dan sebagai
panjang gelombang,
sebagai konstanta yang bernilai 1 untuk radiasi benda
hitam dan pada rentang nilai 0 sampai 1 untuk radiasi selain benda hitam.

Sel Surya Multi-Junction
Sel surya adalah komponen yang mengkonversi energi cahaya matahari
menjadi energi listrik. Sel surya tersusun dari bahan semikonduktor yang
memiliki energi gap yang berbeda. Berdasarkan energi gapnya, setiap lapisan
semikonduktor dapat disusun mulai dari energi gap (Eg) yang paling tinggi.
Susunan sel surya tersebut yang dinamakan dengan sel surya multi-junction. Jika
susunannya terdiri dari empat lapisan semikonduktor, maka dinamakan sel surya
4-junction, seperti terlihat pada Gambar 2. Sel surya multi-junction merupakan sel
surya paling efisien dari semua sel surya.

Al0.3Ga0.7As (Eg = 1.817 eV)
GaAs (Eg = 1.424 eV)
InP (Eg = 1.35 eV)
Ge (Eg = 0.664 eV)

Gambar 2 Contoh lapisan sel surya multi-junction
Dalam satu persambungan (single junction) terdapat persambungan P dan
N yang memiliki tiga daerah. Pertama daerah tipe P yang mayoritas pembawa
muatannya adalah hole. Kedua daerah tipe N yang mayoritas pembawa muatannya
adalah elektron. Ketiga adalah daerah deplesi (pengosongan) yang memiliki
medan listrik internal dari tipe N ke tipe P. Medan listrik pada daerah deplesi
mengakibatkan arus drift yang diimbangi oleh arus difusi (elektron yang mengalir
dari tipe N ke tipe P). Ketika foton menumbuk sel surya, maka akan terjadi
pelepasan elektron dan hole. Pelepasan pembawa muatan ini mengakibatkan
medan listrik pada daerah deplesi meningkat, mengakibatkan arus drift lebih besar
dibandingkan arus difusi sehingga secara keseluruhan dihasilkan arus drift. Arus
inilah yang kemudian dimanfaatkan sebagai arus listrik seperti pada Gambar 3.6

5

cahaya

arus

tipe n
persambungan

tipe n

aliran elektron
foton

aliran hole
Gambar 3 Diagram Sel Surya.6
Setiap persambungan dalam sel surya menyerap energi pada spektrum
cahaya yang berbeda-beda. Ketika foton menumbuk sel surya single junction,
energi foton akan diserap jika energinya lebih kecil atau sama dengan energi gap
bahan, jika sebaliknya absorpsi tidak akan terjadi. Jika energi foton lebih besar
dari energi gap, energi yang berlebih dari foton akan dilepaskan sebagai panas.
Konsep sel surya multi-junction didasarkan pada penggunaan material
semikonduktor dengan energi gap yang berbeda agar menyerap energi pada
spektrum cahaya yang berbeda-beda.7 Energi cahaya matahari yang datang pada
lapisan pertama tidak semuanya diserap. Energi tidak diserap oleh lapisan pertama
akan dimanfaatkan oleh lapisan kedua. Sama halnya seperti lapisan pertama, tidak
semua energi diserap oleh lapisan kedua. Energi yang tidak diserap akan
dimanfaatkan oleh lapisan berikutnya. Dengan demikian, energi matahari yang
datang dapat dimanfaatkan secara optimal oleh sel surya multi-junction.
Untuk mendapatkan struktur sel surya multi-junction perlu ditinjau
konstanta kisi dari setiap semikonduktor seperti yang terlihat pada Lampiran 3.6
Konstanta kisi setiap semikonduktor ditinjau dari struktur kristal yang sama. Jika
terjadi perbedaan struktur kristal di antara semikonduktor maka terjadi dislokasi
yang menyebabkan pengurangan efisiensi sel surya.
Energi gap setiap semikonduktor mempengaruhi besar intensitas cahaya
matahari yang ditransmisikan oleh lapisan paling atas untuk dimanfaatkan oleh
lapisan di bawahnya. Intensitas diteruskan (It) dipengaruhi oleh koefisien absorpsi

6
( ) dan ketebalan (x) seperti terlihat pada Persamaan (5). I0 menujukkan besar
intensitas yang datang ppada setiap lapisan.
(5)
Koefisien absorpsi dipengaruhi oleh energi pada setiap panjang gelombang
cahaya yang datang. Oleh karena itu, besar koefisien absorpsi semikonduktor akan
berbeda-beda pada setiap panjang gelombang. Untuk menentukan nilai koefisien
absorpsi dapat digunakan Persamaan (6).8
√

√

+

(m)-1,

(6)

dengan
bernilai 0.1 eV. Koefisien absorpsi beberapa semikonduktor
ditunjukkan oleh Lampiran 4.6

Efisiensi
Energi yang dipancarkan oleh cahaya matahari hanya diterima oleh
permukaan bumi sebesar 69% dari total energi yang dipancarkan. Persediaan
energi matahari yang diterima oleh permukaan bumi dapat mencapai 0.5 miliar
energi atau sekitar 1.3 x 1017 Watt. Energi matahari yang melimpah tersebut
dapat dimanfaatkan sebagai energi listrik dengan komponen sel surya. Dalam
proses konversi energi pada sel surya dipengaruhi oleh banyak faktor yang
mengurangi optimalisasi pemanfaatan sel surya. Salah satunya adalah faktor
orientasi terhadap matahari. Sudut orientasi dari sel surya sangat mempengaruhi
hasil energi maksimum. Sel surya akan menghasilkan daya maksimal ketika
posisinya tegak lurus dengan cahaya matahari, sehingga efisiensi konversi energi
matahari akan lebih besar.9
Efisiensi pada setiap lapisan sel surya (
) merupakan perbandingan antara
daya output maksimum yang dihasilkan (Pmaks) dan daya total radiasi matahari
yang diterima oleh sel surya (Pin), sedangkan efisiensi total pada sel surya (
)
merupakan perbandingan total daya maksimum dari masing-masing lapisan
(lapisan ke-1 hingga lapisan ke-n) dan daya total radiasi matahari yang diterima
oleh sel surya (Pin).
ma
in

(7)
(8)

Fill Factor merupakan faktor pengisian arus pada sel surya. Jika nilai Fill
Factor dari suatu sel surya lebih besar dari 70%, maka dapat dikatakan bahwa
kinerja dari sel surya tersebut baik. Fill Factor dapat dihitung menggunakan
Persamaan (9), dengan Voc sebagai tegangan open circuit dan Isc sebagai arus
short circuit.
Fill Factor

(9)

7

METODE
Waktu dan Tempat
Penelitian ini dilaksanakan dari bulan Agustus 2013 hingga bulan Februari
2014. Penelitian dilaksanakan di Laboratorium Fisika Teori dan Komputasi,
Departemen Fisika, Fakultas Matematikan dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut
Pertanian Bogor.

Alat
Penelitian ini penggunakan peralatan berupa alat tulis (buku tulis, pena,
pensil, dan sebagainya) dan komputer dengan memori 2 GB. Komputer dilengkapi
dengan Microsoft Office 2010, program Matlab R2012a, dan program PC1Dv5.9
sebagai simulator sel surya.

Studi Pustaka
Studi pustaka dilakukan untuk memahami konsep dasar dari perancangan
sel surya multi-junction, material semikonduktor yang digunakan, energi gap dari
material semikonduktor, parameter-parameter yang ditentukan agar memperoleh
efisiensi yang tinggi.

Menentukan Material Semikonduktor
Pada simulasi ini, setiap lapisan semikonduktor disusun berdasarkan tingkat
energi gap. Material yang memiliki nilai energi gap paling tinggi diletakkan
paling atas. Energi gap untuk Al0.3Ga0.7As, GaAs, InP, dan Ge masing-masing
1.817 eV, 1.424 eV, 1.35 eV, dan 0.664 eV. Pemilihan material berdasarkan nilai
konstanta kisi yang tidak jauh berbeda antar bahan, di mana keempat material
berada pada konstanta kisi 5.6 sampai 5.9 Å.

Simulasi Program PC1D
PC1D adalah program yang khusus digunakan untuk simulasi sel surya.
Dalam program PC1D, terdapat beberapa material yang dapat digunakan untuk
simulasi sel surya, diantaranya Al0.3Ga0.7As, GaAs, InP, Ge, dan Si. Setiap
material yang digunakan sebagai lapisan disimulasikan terpisah. Simulasi terdiri
dari dua model. Model 1 merupakan sel surya dengan arus short circuit berbeda
antar lapisan dan Model 2 arus short circuit yang sama antar lapisan. Ketebalan
optimal yang menghasilkan daya maksimum dan arus short circuit sama
ditentukan menggunakan menu quick batch. Pada menu ini, dipilih rentang
ketebalan tertentu, seperti 1 µm hingga 20 µm, sehingga dapat diketahui ketebalan
yang menghasilkan daya maksimum. Selain ketebalan, dapat ditentukan nilai

8
densitas P doping dan N doping yang menghasil daya maksimum atau arus short
circuit yang sama. Densitas doping disimulasikan pada rentang 1015 hingga 1021.
Parameter output dapat dipilih sesuai dengan kebutuhan. Pada penelitian ini,
parameter yang dipilih adalah tegangan open circuit, arus short circuit, dan daya
maksimum, sehingga diperoleh kurva karakteristik arus dan tegangan (I-V) untuk
setiap lapisan.

Simulasi Perhitungan Menggunakan Program Matlab R2012a
Matlab R2012a merupakan program yang dapat digunakan untuk
menghitung. Seperti pada penenelitian sebelumnya, program ini telah digunakan
untuk menghitung intensitas cahaya yang diserap dan diteruskan pada semua
setiap panjang gelombang spektrum radiasi matahari.10 Intensitas cahaya matahari
yang datang dapat diserap, dipantulkan, dan diteruskan oleh semikonduktor. Pada
penelitian ini, diasumsikan bahwa tidak terdapat intensitas matahari yang
dipantulkan. Simulasi perhitungan menggunakan Matlab dilakukan untuk
menghitung intensitas cahaya matahari yang diserap dan diteruskan oleh tiap
lapisan. Untuk menghitung intensitas yang diserap dan diteruskan, maka terlebih
dahulu perlu menghitung koefisien absorpsi pada setiap panjang gelombang yang
datang, sehingga didapatkan koefisien absorpsi masing-masing lapisan dan
ditampilkan dalam bentuk kurva. Intensitas cahaya matahari yang datang pada
lapisan pertama sebagian akan diserap dan dikonversi menjadi daya listrik,
sedangkan intensitas cahaya matahari yang diteruskan oleh lapisan pertama akan
diserap dan diteruskan lapisan kedua. Hal ini juga terjadi pada lapisan kedua,
ketiga dan keempat. Intensitas yang tersisa dari sel surya ini akan dilepas ke
lingkungan. Intensitas yang diserap dan diteruskan ditampilkan dalam bentuk
kurva. Besar intensitas yang diserap dan diteruskan didapatkan dengan
menghitung luas kurva menggunakan Metode Trapezoid. Dengan diperolehnya
besar intensitas yang datang dan besar intensitas yang dapat dikonversi menjadi
daya listrik, maka dapat ditentukan nilai koefisien � yang merupakan
perbandingan antara intensitas yang dikonversi menjadi daya listrik terhadap
intensitas yang datang, sehingga diperoleh koefisien � setiap panjang gelombang
pada masing-masing lapisan dan ditampilkan dalam bentuk kurva. Data yang
diperoleh simulasi PC1D dan Matlab diolah menggunakan Microsoft Excel 2010.

HASIL DAN PEMBAHASAN
Disain Paramater Simulasi
Berdasarkan persamaan 5, intensitas yang diteruskan akan menurun secara
eksponensial dengan penambahan ketebalan bahan. Setiap model sel surya yang
dirancang memiliki karakteristik struktur yang sama, yaitu lapisan paling atas
memiliki ketebalan lebih kecil dibandingkan lapisan dibawahnya. Hal ini karena
ketebalan berbanding terbalik dengan energi gap lapisan. Karena lapisan paling
atas energi gapnya paling tinggi, maka lapisan tersebut paling tipis. Hal ini juga
bertujuan agar lapisan paling atas dapat meneruskan intensitas cahaya yang tidak

9
digunakan lapisan tersebut untuk dimanfaatkan oleh lapisan yang berada di
bawahnya. Ketebalan masing-masing lapisan pada setipa model dapat dilihat pada
tabel di bawah ini.
Tabel 1 Input simulasi Model 1 tanpa pembatasan daerah serapan radiasi
Lapisan

Ketebalan
(µm)

Panjang
Gelombang (nm)

Al0.3Ga0.7As
GaAs
InP
Ge

2.286
3.51
4.122
6.694

280-2500
280-2500
280-2500
280-2500

Doping Tipe
P (cm-3)
1.00
3.00
1.00
1.00

1018
1018
1019
1017

Doping Tipe
N(cm-3)

Intensitas
W/cm2

1018
1019
1019
1017

0.09898
0.05410
0.03350
0.02960

2.05
1.02
2.00
1.20

Tabel 2 Output simulasi Model 1 tanpa pembatasan daerah serapan radiasi
Lapisan

Isc (A)

Voc (V)

Pmaks
(W)

FF (%)

Efisiensi
Sel (%)

Efisiensi
Total (%)

Al0.3Ga0.7As
GaAs
InP
Ge

0.033000
0.014700
0.004266
0.011300

1.4530
1.0030
0.9620
0.3686

0.04380
0.01300
0.00360
0.00316

91.35
88.17
87.97
75.94

44.25
24.03
10.78
10.69

64.23

Tabel 3 Input simulasi Model 1 dengan pembatasan daerah serapan radiasi
Lapisan

Ketebalan
(µm)

Panjang
Gelombang (nm)

Al0.3Ga0.7As
GaAs
InP
Ge

2.286
3.51
4.122
6.694

280-684
684-873
873-921
921-1864

Doping Tipe
P (cm-3)
1.00
3.00
1.00
1.00

1018
1018
1019
1017

Doping Tipe
N (cm-3)
2.05
1.02
2.00
1.20

1018
1019
1019
1017

Intensitas
W/cm2
0.0455
0.0204
0.0039
0.0262

Tabel 4 Output simulasi Model 1 dengan pembatasan daerah serapan radiasi
Lapisan

Isc (A)

Voc (V)

Pmaks
(W)

FF (%)

Efisiensi
Sel (%)

Al0.3Ga0.7As

0.015200

1.4330

0.01980

90.90

43.52

GaAs
InP
Ge

0.009269
0.000942
0.021600

0.9908
0.9212
0.3836

0.00810
0.00076
0.00636

88.11
88.24
76.78

39.67
19.63
24.28

Efisiensi
Total (%)

36.48

10

Al0.3Ga0.7As
2.286 µm
GaAs
3.15 µm
InP
4.122 µm

Ge
6.694 µm

Gambar 4 Disain sel surya Model 1 tanpa pembatasan daerah serapan
Tabel 5 Input simulasi Model 2 tanpa pembatasan daerah serapan radiasi
Lapisan

Ketebalan
(µm)

Panjang
Gelombang (nm)

Al0.3Ga0.7As
GaAs
InP
Ge

3.292
3.327
5.122
10.46

280-2500
280-2500
280-2500
280-2500

Doping Tipe
P (cm-3)
1.00
1.00
1.00
1.00

1019
1019
1019
1019

Doping Tipe
N (cm-3)

Intensitas
W/cm2

1019
1019
1019
1019

0.09898
0.05380
0.03350
0.02950

1.50
8.00
2.00
3.50

Tabel 6 Output simulasi Model 2 tanpa pembatasan daerah serapan radiasi
Lapisan

Isc (A)

Voc (V)

Pmaks
(W)

FF (%)

Efisiensi
Sel (%)

Efisiensi
Total (%)

Al0.3Ga0.7As
GaAs
InP
Ge

0.004262
0.004265
0.004266
0.004266

1.3280
0.9402
0.9620
0.1533

0.0051
0.0035
0.0036
0.0004

90.39
87.43
87.97
58.66

5.17
6.52
10.78
1.30

12.75

Tabel 7 Input simulasi Model 2 dengan pembatasan daerah serapan radiasi
Lapisan

Ketebalan
(µm)

Panjang
Gelombang (nm)

Al0.3Ga0.7As
GaAs
InP
Ge

3.795
3.959
4.122
22.4

280-684
684-873
873-921
921-1864

Doping Tipe
P (cm-3)
1.00
1.00
1.00
1.00

1019
1019
1019
1019

Doping Tipe
N (cm-3)
1.10
1.01
2.00
1.02

1019
1029
1019
1019

Intensitas
W/cm2
0.0455
0.0204
0.0039
0.0262

11
Tabel 8 Output simulasi Model 2 dengan pembatasan daerah serapan radiasi
Lapisan

Isc (A)

Voc (V)

Pmaks
(W)

FF (%)

Efisiensi
Sel (%)

Al0.3Ga0.7As

0.000942

1.288000

0.00110

90.31

2.41

GaAs
InP

0.000942
0.000942

0.903600
0.921200

0.00074
0.00076

87.18
88.24

3.64
19.63

Ge

0.000942

0.155400

0.00009

61.45

0.34

Efisiensi
Total (%)

2.81

Al0.3Ga0.7As
3.292 µm
GaAs
3.327 µm
InP
5.122 µm
Ge
10.46 µm

Gambar 5 Disain sel surya Model 2 tanpa pembatasan daerah serapan

Al0.3Ga0.7As
3.795 µm
GaAs
3.959 µm
InP
4.122 µm

Ge
22.4 µm

Gambar 6 Disain sel surya Model 2 dengan pembatasan daerah serapan
Selain menentukan ketebalan, dalam menu quick batch juga dapat
ditentukan nilai densitas doping tipe P dan tipe N. Pemberian doping ini bertujuan
untuk meningkatkan efisiensi konversi energi dari sel surya. Pemberian doping
menyebabkan jumlah pembawa muatan, baik elektron maupun hole, akan
bertambah, sehingga arus yang dihasilkan oleh lapisan sel surya akan lebih besar.

12
Kurva Karakteristik I-V
Setiap lapisan pada masing-masing model sel surya memiliki kurva
karakteristik I-V yang berbeda. Kurva karakteristik I-V merupakan kurva yang
menampilkan kinerja dari sel surya. Kurva ini menunjukkan sifat listrik sel surya
berdasarkan besar arus dan tegangan yang dihasilkan. Selain itu juga
mendefinisikan tegangan rangkaian terbuka (Voc) dan hubungan arus pendek
(Isc). Voc merupakan tegangan maksimum yang dapat dicapai pada saat tidak ada
arus (arus sama dengan nol) atau pada rangkaian terbuka (open-circuit). Pada
umumnya, semikonduktor dengan energi gap yang lebih tinggi akan menghasilkan
Voc yang lebih tinggi pula. Hal ini terlihat pada kurva karakteriktik I-V setiap
lapisan pada masing-masing model sel surya. Energi gap yang rendah
menyebabkan Isc dari semikonduktor menjadi tinggi.11 Akan tetapi hal ini tidak
dapat terlihat pada kurva karakteristik I-V dari keempat lapisan yang didapat. Hal
ini dikarenakan intensitas cahaya yang datang pada setiap lapisan tidak sama. Isc
merupakan arus maksimum yang dihasilkan dan diukur pada tegangan nol atau
pada hubungan pendek (short-circuit). Berdasarkan kurva karakteristik I-V, dapat
ditentukan output daya maksimum, Fill Factor, dan efisiensi konversi energi.
Karakteristik I-V sel surya Model 1 tanpa pembatasan daerah serapan
ditunjukkan oleh Gambar 15. Besar Isc mulai dari Al0.3Ga0.3Ga, GaAs, InP, dan
Ge masing-masing sebesar 0.033 A, 0.0147 A, 0.004266 A, dan 0.0113 A, dan
untuk Voc masing-masing sebesar 1.453 V, 1.003 V, 0.962 V, dan 0.3686 V.
Nilai Fill Factor yang diperoleh masing-masing lapisan sebesar 91.35%, 88.17%,
87.97%, dan 75.94%. Karena nilai Fill Factor lebih dari 70%, dapat dikatakan
kinerja sel surya ini baik. Berbeda dengan sel surya Model 2 tanpa pembatasan.
Nilai Fill Factor masing-masing lapisan sebesar 90.39%, 87.43%, 87.97%, dan
58.66%. Nilai Fill Factor untuk lapisan Ge kurang dari 70%. Dengan kata lain
kinerja lapisan ini kurang baik pada Model 2 tanpa pembatasan. Karakteristik I-V
model ini ditunjukkan oleh Gambar 16. Isc model ini sebesar 0.00426 dan Voc
masing-masing lapisan sebesar 1.328 V, 0.9402 V, 0.962 V, dan 0.1533 V.
Karena pada Model 2 Isc masing-masing lapisan sama, maka tegangan total
adalah jumlah Voc keempat lapisan tersebut yaitu sebesar 3.3835 V.
0.035
0.03

Arus (A)

0.025
0.02

Al0.3Ga0.7As
GaAs

0.015
0.01

InP

0.005

Ge

0
0

0.5

1

1.5

2

Tegangan (V)

Gambar 7 Kurva karakteristik I-V Model 1 tanpa pembatasan daerah serapan

Arus (A)

13
0.0045
0.004
0.0035
0.003
0.0025
0.002
0.0015
0.001
0.0005
0

Al0.3Ga0.7As
GaAs
InP
Ge
0

0.5

1

1.5

2

Tegangan (V)

Gambar 8 Kurva karakteristik I-V Model 2 tanpa pembatasan daerah serapan
Karakteristik I-V sel surya Model 1 dengan pembatasan daerah serapan
ditunjukkan oleh Gambar 18. Besar Isc mulai dari Al0.3Ga0.3Ga, GaAs, InP, dan
Ge masing-masing sebesar 0.0152 A, 0.009269 A, 0.000942 A, dan 0.0216 A, dan
untuk Voc masing-masing sebesar 1.433 V, 0.9908 V, 0.9212 V, dan 0.3836 V.
Nilai Fill Factor yang diperoleh masing-masing lapisan sebesar 99.90%, 88.11%,
88.24%, dan 76.78%. Karena nilai Fill Factor lebih dari 70%, dapat dikatakan
kinerja sel surya ini baik. Untuk sel surya Model 2 tanpa pembatasan, nilai Fill
Factor masing-masing lapisan sebesar 90.31%, 87.18%, 88.24%, dan 61.45%.
Nilai Fill Factor untuk lapisan Ge kurang dari 70%. Dengan kata lain kinerja
lapisan ini kurang baik pada Model 2 tanpa pembatasan. Karakteristik I-V model
ini ditunjukkan oleh Gambar 19. Isc model ini sebesar 0.000924 dan Voc masingmasing lapisan sebesar 1.288 V, 0.9036 V, 0.9212 V, dan 0.1554 V. Tegangan
total pada model ini sebesar 3.2682 V.
0.025

Arus (A)

0.02
0.015

Al0.3Ga0.7As
GaAs

0.01

InP
0.005

Ge

0
0

0.5

1

1.5

2

Tegangan (V)

Gambar 9 Kurva karakteristik I-V Model 1 dengan pembatasan daerah serapan

14
0.001

Arus (A)

0.0008
0.0006

Al0.3Ga0.7As

0.0004

GaAs
InP

0.0002
Ge
0
0

0.5

1

1.5

2

Tegangan (V)

Gambar 10 Kurva karakteristik I-V Model 2 dengan pembatasan daerah serapan

Koefisien Absorpsi

Koefisien Absorpsi (µm-1)

Koefisien absorpsi sangat mempengaruhi besar intensitas yang diteruskan
oleh setiap lapisan. Nilai koefisien absorpsi, berdasarkan persamaan 6,
dipengaruhi oleh energi gap semikonduktor. Koefisien absorpsi merupakan fungsi
dari panjang gelombang. Setiap material semikonduktor akan menyerap intensitas
dengan energi yang lebih rendah dari energi gapnya atau menyerap hingga
panjang gelombang cutoff. Oleh karena itu, setiap semikonduktor yang digunakan
akan menyerap intensitas sampai panjang gelombang yang berbeda-beda, seperti
diperlihatkan oleh Gambar 11.

Panjang Gelombang (µm)
Gambar 11 Koefisien absorpsi Al0.3Ga0.7As, GaAs, InP, dan Ge
Al0.3Ga0.7As dapat menyerap intensitas cahaya hingga panjang gelombang
684 nm, sedangkan GaAs hingga panjang gelombang 873 nm. InP dan Ge

15
masing-masing hingga panjang gelombang 921 nm, dan Ge 1864 nm. Dengan
adanya perbedaan kemampuan penyerapan antar lapisan, maka rancangan sel
surya 4-junction sangat bermanfaat untuk memaksimalkan penyerapan intensitas
yang datang.

Spektrum Radiasi Matahari

Spektrum Iradiasi (kWm-2µm-1)

Simulasi pada penelitian ini menggunakan spektrum radiasi AM1.5G
berdasarkan standar ASTM G173 yang ditunjukkan oleh Gambar 12, dengan
panjang gelombang mulai dari 280 hingga 2500 nm yang memiliki intensitas
radiasi matahari total sebesar 0.09898 W/cm2.12

Panjang Gelombang (µm)
Gambar 12 Spektrum radiasi AM1.5G
Simulasi pertama dilakukan untuk rancangan sel surya tanpa adanya
pembatasan daerah serapan radiasi matahari. Setiap lapisan dapat menyerap
intensitas yang datang pada panjang gelombang 280 hingga 2500 nm. Pada Model
1, Al0.3Ga0.7As menerima intensitas sebesar 0.09898 W/cm2 dengan ketebalan
optimal sebesar 2.286 µm. Intensitas yang diteruskan oleh Al0.3Ga0.7As sebesar
0.0541 W/cm2 yang kemudian menjadi intensitas datang bagi GaAs. GaAs
memiliki ketebalan optimal sebesar 3.51 µm dan meneruskan intensitas sebesar
0.0335 W/cm2. Intensitas yang diteruskan GaAs menjadi intensitas datang untuk
InP. InP dapat meneruskan intensitas sebesar 0.0296 W/cm2 dengan ketebalan
optimalnya sebesar 4.122 µm. Ge menerima intensitas yang diteruskan InP
dengan ketebalan optimal sebesar 6.694 µm, yang dapat meneruskan intensitas
sebesar 0.0032 W/cm2.

Spektrum Iradiasi (kWm-2µm-1)

16

Panjang Gelombang (µm)
Gambar 13 Daerah serapan Al0.3Ga0.7As, GaAs, InP, dan Ge

Spektrum Iradiasi (kWm-2µm-1)

Intensitas yang diserap oleh setiap lapisan tidak seluruhnya dijadikan daya
listrik. Gambar 13 menunjukkan daerah-daerah serapan intensitas cahaya matahari
setiap lapisan. Daerah serapan tersebut dibatasi oleh panjang gelombang cutoff.
Al0.3Ga0.7As dapat menyerap intensitas sebesar 0.04488 W/cm2 dan menghasilkan
daya sebesar 0.0438 W. GaAs menyerap intensitas sebesar 0.0206 W/cm2, tetapi
hanya menghasilkan daya sebesar 0.0130 W. Intensitas yang diserap InP sebesar
0.0040 W/cm2 dan menghasilkan daya sebesar 0.0036 W. Ge mampu menyerap
intensitas sebesar 0.0263 W/cm2, namun hanya menghasilkan daya sebesar
0.00316 W. Besar intensitas datang yang menjadi daya listrik pada Model 1 tanpa
pembatasan ditunjukan oleh Gambar 14.

Panjang Gelombang (µm)
Gambar 14 Intensitas matahari yang dikonversi menjadi daya listrik pada Model 1
tanpa pembatasan daerah serapan radiasi

17

Spektrum Iradiasi (kWm-2µm-1)

Pada simulasi Model 2 tanpa pembatasan daerah serapan, Al0.3Ga0.7As juga
menerima intensitas sebesar 0.09898 W/cm2. Arus short circuit sama disesuaikan
dengan arus short circuit terrendah yang dihasilkan pada Model 1 yaitu oleh
lapisan InP. Ketebalan Al0.3Ga0.7As diperoleh sebesar 3.292 µm dan intensitas
yang diteruskan oleh lapisan ini sebesar 0.0538 W/cm2. Pada lapisan GaAs, untuk
menghasilkan arus short circuit yang sama, diperoleh keterbalan sebesar 3.327
µm. Dengan intensitas yang datang dari lapisan pertama, GaAs meneruskan
intensitas sebesar 0.0335 W/cm2. Pada lapisan InP, ketebalan yang diperoleh
sebesar 5.122 µm. Dengan menerima intensitas dari lapisan kedua, InP
meneruskan intensitas sebesar 0.0295 W/cm2 yang diterima oleh Ge. Lapisan Ge
memiliki ketebalan sebesar 10.46 µm dan meneruskan intensitas sebesar 0.0032
W/cm2.
Karena intensitas yang diteruskan oleh lapisan 1 pada Model 2 lebih kecil
dari Model 1, menunjukkan bahwa intensitas yang diserap oleh lapisan tersebut
lebih besar, dengan perbedaan tidak terlalu signifikan. Al0.3Ga0.7As menyerap
intensitas sebesar 0.04518 W/cm2 dan hanya menghasilkan daya sebesar 0.0051
W. GaAs menyerap intensitas sebesar 0.0203 W/cm2 dan hanya menghasilkan
daya sebesar 0.0035 W. Intensitas yang diserap InP sebesar 0.0040 W/cm2 dan
menghasilkan daya sebesar 0.0036 W. Ge mampu menyerap intensitas sebesar
0.0263 W/cm2, namun hanya menghasilkan daya sebesar 0.004 W. Daya yang
dihasilkan pada Model 2 sangat berbeda dengan Model 1. Hal ini karena arus
short circuit sama yang dicapai relatif kecil, sehingga daya yang diperoleh Model
2 lebih kecil dari Model 1. Besar intensitas matahari datang yang dijadikan daya
listrik pada Model 2 tanpa pembatasan ditunjukan oleh Gambar 15.

Panjang Gelombang (µm)
Gambar 15 Intensitas matahari yang dikonversi menjadi daya listrik pada Model 2
tanpa pembatasan daerah serapan radiasi
Simulasi kedua dilakukan untuk rancangan sel surya dengan pembatasan
daerah serapan radiasi matahari. Al0.3Ga0.7As diatur untuk dapat menyerap
intensitas pada panjang gelombang 280 nm hingga panjang gelombang cutoff
yaitu 684 nm. Untuk GaAs, karena diasumsikan intensitas pada panjang

18

Spektrum Iradiasi (kWm-2µm-1)

gelombang yang lebih rendah dari 684 nm sudah diserap Al0.3Ga0.7As, maka GaAs
dapat menyerap intensitas pada panjang gelombang 684 nm hingga panjang
gelombang cutoff yaitu 873 nm. Hal ini berlaku juga untuk lapisan selanjutnya.
InP dapat menyerap intensitas pada panjang gelombang 873 hingga 921 nm dan
Ge pada panjang gelombang 921 hingga 1864 nm. Total intensitas yang datang
pada sel surya dengan pembatasan daerah serapan tidak sama dengan sel surya
tanpa pembatasan, yaitu sebesar 0.0960 W/cm2.

Panjang Gelombang (µm)
Gambar 16 Intensitas matahari yang dikonversi menjadi daya listrik pada Model 1
dengan pembatasan daerah serapan radiasi
Untuk Model 1, intensitas yang datang pada Al0.3Ga0.7As sebesar 0.0455
W/cm2. Pada Model 1 dengan pembatasan menunjukkan daya listrik yang
dihasilkan oleh Al0.3Ga0.7As lebih kecil dari Model 1 tanpa pembatasan, yaitu
sebesar 0.0198 W. Hal ini juga terjadi pada lapisan-lapisan berikutnya. Intensitas
yang datang pada lapisan GaAs sebesar 0.0204 W/cm2 dan lapisan ini
menghasilkan daya sebsesar 0.081 W. InP menerima intensitas sebesar 0.0039
W/cm2 dan menghasilkan daya sebesar 0.00076 W. Ge menerima intensitas
sebesar 0.0262 W/cm2 dan menghasilkan daya sebesar 0.00636 W. Besar
intensitas matahari datang yang dijadikan daya listrik ditunjukan oleh Gambar 16.
Pada Model 2 dengan pembatasan tidak dapat menggunakan parameter
Model 2 tanpa pembatasan. Untuk mendapatkan parameter pada arus yang sama,
semua lapisan menyesuaikan arus yang dihasilkan oleh lapisan InP pada Model 1
dengan pembatasan daerah serapan. Ketebalan yang diperoleh untuk lapisan
Al0.3Ga0.7As sebesar 3.795 µm. Intensitas yang diterima Al0.3Ga0.7As sebesar
0.0455 W/cm2 dan dengan intensitas tersebut Al0.3Ga0.7As dapat menghasilkan
daya listrik sebesar 0.0011 W. GaAs menerima intensitas sebesar 0.0204 W/cm2
dengan ketebalan sebesar 3.959 µm, lapisan ini hanya menghasilkan daya sebesar
0.00074 W. Untuk lapisan InP dan Ge masing-masing ketebalannya sebesar 4.122
dan 22.4 µm kedua lapisan ini menerima intensitas masing-masing 0.039 dan
0.0262 W/cm2 dan menghasilkan daya masing-masing sebesar 0.00076 dan
0.00009 W. Daya listrik yang dihasilkan pada Model 2 dengan pembatasan daerah

19

Spektrum Iradiasi (kWm-2µm-1)

serapan tentunya lebih kecil dari Model 1 dengan pembatasan daerah serapan,
karena penyamaan arusnya pun sangat kecil. Besar intensitas matahari datang
yang dijadikan daya listrik ditunjukan oleh Gambar 17.

Panjang Gelombang (µm)
Gambar 17 Intensitas matahari yang dikonversi menjadi daya listrik pada Model 2
dengan pembatasan daerah serapan radiasi
Intensitas matahari yang datang dan diserap, serta intensitas yang dikonversi
menjadi daya listrik (daya output) pada setiap model, baik tanpa pembatasan
maupun dengan pembatasan daerah serapan radiasi dapat dilihat pada tabel di
bawah ini.
Tabel 9 Intensitas matahari yang dikonversi menjadi daya listrik pada model
tanpa pembatasan daerah serapan radiasi
Lapisan
Al0.3Ga0.7As
GaAs
Model 1
InP
Ge
Al0.3Ga0.7As
GaAs
Model 2
InP
Ge

Intensitas datang
(W/cm2)

Intensitas yang
diserap (W/cm2)

Daya
output (W)

0.09898
0.05410
0.03350
0.02960
0.09898
0.05380
0.03350
0.02950

0.04488
0.02060
0.00390
0.02600
0.04518
0.02030
0.00400
0.02630

0.04380
0.01300
0.00360
0.00316
0.00510
0.00350
0.00360
0.00040

20
Tabel 10 Intensitas matahari yang dikonversi menjadi daya listrik pada model
tanpa pembatasan daerah serapan radiasi
Lapisan
Al0.3Ga0.7As
GaAs
Model 1
InP
Ge
Al0.3Ga0.7As
GaAs
Model 2
InP
Ge

Intensitas datang
(W/cm2)

Intensitas yang
diserap (W/cm2)

Daya
output (W)

0.0455
0.0204
0.0039
0.0262
0.0455
0.0204
0.0039
0.0262

0.0455
0.0204
0.0039
0.0262
0.0455
0.0204
0.0039
0.0262

0.01980
0.00810
0.00076
0.00636
0.00110
0.00074
0.00076
0.00009

Efisiensi
Daya maksimum yang diperoleh pada kurva karakteristik I-V dapat
digunakan untuk menentukan nilai efisiensi konversi energi. Efisiensi dihitung
dengan membandingkan intensitas cahaya yang dijadikan daya listrik dengan
intensitas yang datang pada lapisan tersebut. Untuk Model 1 tanpa pembatasan,
karena intensitas yang dijadikan daya oleh lapisan AL0.3Ga0.7As, GaAs, InP, dan
Ge masing-masing sebesar 0.0438 W, 0.0130 W, 0.0036 W, dan 0.00316 W dan
intensitas yang datang masing-masing sebesar 0.09898 W/cm2, 0.0541 W/cm2,
0.0335 W/cm2,, dan 0.0296 W/cm2, maka efsiensi setiap lapisan berturut-turut
sebesar 44.25%, 24.03%, 10.78%, dan 10.69% dengan efisiensi total sel surya
sebesar 64.23%. Untuk Model 2 tanpa pembatasan, daya yang dihasilkan masingmasing lapisan sebesar 0.0051 W, 0.0035 W, 0.0036 W, dan 0.0004 W dengan
intensitas yang datang pada lapisan berturut-turut sebesar 0.09898 W/cm2, 0.0538
W/cm2, 0.0335 W/cm2,, dan 0.0295 W/cm2, sehingga diperoleh efisiensi lapisan
sebesar 5.17% untuk AL0.3Ga0.7As, 6.52% untuk GaAs, 10.78% untuk InP, dan
1.30% untuk Ge. Efisiensi total dari sel surya model ini sebesar 12.75%. Dari data
yang diperoleh dapat diketahui bahwa untuk sel surya tanpa pembatasan panjang
gelombang ini efisiensi konversi energi disain sel surya Model 1 lebih besar
dibandingkan dengan Model 2.
Perlakuan pembatasan panjang gelombang radiasi matahari menyebabkan
nilai efisiensi menurun. Hal ini terlihat pada Model 1 dengan pembatasan,
efisiensi total sel surya yang diperoleh sebesar 36.48%. Daya yang dihasilkan oleh
lapisan Al0.3Ga0.7As, GaAs, InP, dan Ge masing-masing sebesar 0.0198 W, 0.0081
W, 0.00076 W, dan 0.00636 W. Dengan intensitas yang datang pada setiap lapisan
berturut-turut sebesar 0.0455 W/cm2, 0.0204 W/cm2, 0.0039 W/cm2,, dan 0.0262
W/cm2, diperoleh efisiensi lapisan sebesar 43.52% untuk AL0.3Ga0.7As, 39.67%
untuk GaAs, 19.63% untuk InP, dan 24.28% untuk Ge. Untuk Model 2 dengan
pembatasan panjang gelombang diperoleh efisiensi total sel surya yang sangat
kecil yaitu sebesar 2.81%. efisiensi setipa lapisan masing-masing hanya sebesar
2.41% untuk AL0.3Ga0.7As, 3.64% untuk GaAs, 19.63% untuk InP, dan 0.34%
untuk Ge. Dengan besar intensitas yang datang sama seperti Model 1 dengan

21
pembatasan, setiap lapisan pada sel surya ini menghasilkan daya lapisan berturutturut sebesar 0.0011 W, 0.00074 W, 0.00076 W, dan 0.00009 W.

Koefisien
Selain efisiensi, dari daya maksimum juga dapat ditentukan nilai koefisien
�. Koefisien � merupakan perbandingan antara radiasi yang dikonversi menjadi
daya listrik terhadap radiasi yang datang pada lapisan sel surya. Jika nilai
Koefisien � mendekati 1, maka menunjukkan intensitas yang datang lebih banyak
yang dimanfaatkan menjadi daya listrik dibandingkan dengan yang hilang.
Gambar 18 menunjukkan bahwa lapisan Ge lebih banyak intensitas yang hilang
dibandingkan dengan yang digunakan pada Model 1 tanpa pembatasan, sedangkan
untuk Model 2 tanpa pembatasan (Gambar 19) menunjukkan bahwa hanya lapisan
InP yang memiliki koefisien � mendekati 1. Untuk Model 1 dengan pembatasan
menunjukkan koefisien � pada rentang yang tidak jauh berbeda antar lapisan.
Gambar 20 menunjukkan lebih banyak intensitas yang hilang dibandingkan
dengan intensitas yang digunakan. Untuk Model 2 dengan pembatasan hanya
lapisan InP (Gambar 21) yang memiliki koefisien � mendekati 1. Koefisien �
terkait erat dengan besaran fisika yang disebut External Quantum Efficiency yang
merupakan perbandingan antara jumlah pembawa muatan yang mengalir terhadap
jumlah foton yang datang.
1
0.9
0.8
koefisien �

0.7
0.6

AL0.3Ga0.7As

0.5

GaAs

0.4
0.3

InP

0.2

Ge

0.1
0
0

500

1000

1500

2000

Panjang Gelombang (nm)

Gambar 18 Kurva koefisien � Model 1 tanpa pembatasan daerah serapan

22
1
0.9
0.8

koefisien �

0.7
0.6

AL0.3Ga0.7As

0.5

GaAs

0.4
0.3

InP

0.2

Ge

0.1
0
0

500

1000

1500

2000

Panjang Gelombang (nm)

Gambar 19 Kurva koefisien � Model 2 tanpa pembatasan daerah serapan

koefisien �

1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

Al0.3Ga0.7As
GaAs
InP
Ge

0

500

1000

1500

2000

Panjang Gelombang (nm)

Gambar 20 Kurva koefisien � Model 1 dengan pembatasan daerah serapan

23

koefisien �

1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

AL0.3Ga0.7As
GaAs
InP
Ge

0

500

1000

1500

2000

Panjang Gelombang (nm)

Gambar 21 Kurva koefisien � Model 2 dengan pembatasan daerah serapan

SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Material sel surya yang membentuk struktur multi-junction ditentukan
berdasarkan nilai konstanta kisi dan energi gap material semikonduktor.
Ketebalan lapisan sel surya dipengaruhi oleh energi gap semikonduktor yang
digunakan. Semakin besar energi gapnya, maka semakin tipis lapisan yang
digunakan. Pemberian densitas doping tipe P dan N dapat meningkatkan efisiensi
konversi energi. Sel surya Model 1 dengan arus Isc berbeda lebih efisien dibanding
sel surya Model 2 dengan arus Isc sama, dengan nilai efisiensi konversi energi
masing-masing sebesar 64.23% dan 12.75% untuk sel surya tanpa pembatasan
daerah serapan radiasi matahari spektrum AM1.5G dari panjang gelombang 280
hingga 2500 nm. Nilai Fill Factor yang didapatkan dari kurva karakteristik I-V
menunjukkan kinerja sel surya Model 1 tanpa pembatasan ini lebih baik
dibandingkan sel surya Model 2. Pembatasan daerah serapan radiasi matahari
menyebabkan efisiensi sel surya menurun. Hal ini terlihat pada Model 1 tanpa
pembatasan dan dengan pembatasan. Dengan parameter input yang sama, sel
surya tanpa pembatasan lebih efisien dengan nilai efisiensi 64.23% daripada sel
surya dengan pembatasan dengan nilai efisiensi 36.48%. Model 2 dengan
pembatasan memperoleh nilai efisiensi yang sangat kecil dibandingkan dengan
model lainnya yaitu hanya sebesar 2.81%. Koefisien � menunjukkan bahwa
model tanpa pembatasan dapat mengkonversi energi lebih banyak dibandingkan
dengan model pembatas