FABRIKASI SEL SURYA BERBASIS a-si:h LAPISAN INTRINSIK GANDA (P-ix-iy-N) DENGAN PECVD DAN ANALISIS EFISIENSINYA

TESIS SF142502 FABRIKASI SEL SURYA BERBASIS a-Si:H LAPISAN INTRINSIK GANDA (P-ix-iy-N) DENGAN PECVD DAN ANALISIS EFISIENSINYA

Soni Prayogi NRP 1115201006

Dosen Pembimbing Prof. Dr. Darminto, M.Sc

PROGRAM MAGISTER BIDANG KEAHLIAN FISIKA MATERIAL DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2017

1

TESIS SF142502

FABRIKASI SEL SURYA BERBASIS a-Si:H LAPISAN INTRINSIK GANDA (P-ix-iy-N) DENGAN PECVD DAN ANALISIS EFISIENSINYA

SONI PRAYOGI NRP 1115 201 006

DOSEN PEMBIMBING Prof. Dr. Darminto, M.Sc

PROGRAM MAGISTER BIDANG KEAHLIAN FISIKA MATERIAL DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2017 2

“Halaman ini sengaja dikosongkan”

3

TESIS SF142502

FABRICATION OF SOLAR CELLS BASED ON a-Si:H LAYER OF INTRINSIC DOUBLE (P-iX-iY-N) WITH PECVD AND EFFICIENCY ANALYSIS

SONI PRAYOGI 1115 201 006

Supervisor Prof. Dr. Darminto, M.Sc

MAGISTER PROGRAM MATERIAL PHYSICS PHYSICS DEPARTMENT FACULTY OF MATHEMATICS AND NATURAL SCIENCES SEPULUH NOPEMBER INSTITUTE OF TECHNOLOGY SURABAYA 2017 4


5

6


7

FABRIKASI SEL SURYA BERBASIS a-Si:H LAPISAN INTRINSIK GANDA (P-iX-iY-N) DENGAN PECVD DAN ANALISIS EFISIENSINYA Nama : SONI PRAYOGI NRP : 1115201006 Pembimbing : Prof. Dr. Darminto, M.Sc

ABSTRAK Tujuan utama pada penelitian ini adalah memfabrikasi sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H dengan menggunakan PECVD. Sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H ditumbuhkan di atas substrat glass Indium Tin Oxide (ITO). Untuk mendapatkan lapisan intrinsik ganda dilakukan dengan pengenceran plasma silan oleh hidrogen, dengan rasio perbandingan hidrogen dan silan, R=H2/SiH4 bervariasi, sementara untuk lapisan ekstrinsik tipe-n dan tipe-n dibuat tetap untuk masing-masing sampel. Kemudian pada sampel dilapisan logam pada bagian belakang yang berperan sebagai kontak listrik dan reflector cahaya. Selanjutnya pada masingmasing sampel dikarakterisasi atau dicari sifat fisik yaitu morfologi ketebalan, sifat optik yaitu bandgap, sifat listik yaitu konduktivitas listrik dan karakterisasi I-V sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H dengan sun simulator dan cahaya matahari. Dari pengukuran konduktivitas listrik dari masing-masing sampel terlihat bahwa, fotorespon (ph/pd) lapisan ekstrinsik yang merupakan rasio konduktivitas terang terhadap konduktivitas gelap menunjukkan nilai yang tidak lebih dari 101, sedangkan fotorespon (ph/pd) lapisan instrinsik dapat mencapai 105. Berdasarkan karakterisasi I-V sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H yang diperoleh dalam penelitian ini, mendapatkan efisiensi konversi yang cukup baik (8,86%). Kata Kunci: Sel Surya a-Si:H, Lapisan ganda, Energi gap, Effisiensi, PECVD.

8


9

FABRICATION OF SOLAR CELLS BASED ON a-Si:H OF INTRINSIC DOUBLE (P-iX-iY-N) LAYERS BY PECVD AND THEIR EFFICIENCY ANALYSIS By Students Identity Number Supervisor

: SONI PRAYOGI : 1115201006 : Prof. Dr. Darminto, M.Sc

ABSTRACT The main purpose of this research is to fabricate double intrinsic layer (P-ix-iy-N) a-Si:H solar cells by using PECVD. The double intrinsic (P-ix-iy-N) a-Si:H layer was grown on the glass substrates of indium tin oxide (ITO). To produce the double intrinsic layers were achieved by employing a plasma of silane diluted with hydrogen, having various ratio of R=H2/SiH4. Meanwhile, the extrinsic layer of n-type and p-type were made constant for each sample. Sample were then characterized covering properties of, surface morphology, thickness, bandgap, electrical conductivity and I-V curves (photovoltaic performance) by using a sun simulator and sunlight. It was obtained that the photo-response (ph/pd) of the extrinsic layer is around 10, while that of instrinsic one can reach about 105. Further, based on the I-V measurement, the highest efficiency of the (P-ix-iy-N) a-Si:H solar cells is 8.86%.

Keywords: Solar cells a-Si:H, Double layers, Bandgap, Efficiency, PECVD.

10


11

KATA PENGANTAR Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala limpahan rahmat, karunia, dan ridha-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis dengan judul “Fabrikasi Sel Surya Berbasis a-Si:H Lapisan Intrinsik Ganda (P-ix-iy-N) dengan PECVD dan Analisis Efisiensinya”. Tesis ini disusun dalam rangka memenuhi salah satu syarat untuk mencapai gelar Magister Fisika pada Program Pascasarjana FMIPA Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya. Penyusunan tesis ini tidak lepas dari dukungan dan bantuan baik moril maupun materil selama proses penelitian dan penulisannya yang datang dari berbagai pihak, untuk itu dengan segenap kerendahan hati penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Ibu dan ayah tercinta atas doa dan restu, serta dukungan yang tak hentihentinya diberikan sehingga tesis ini dapat selesai tepat waktu dan terlaksana dengan baik. 2. Bapak Prof. Darminto M.Sc., selaku dosen pembimbing dan sekaligus dosen wali yang dengan sabar telah memberikan bimbingan, dukungan dan waktu selama proses penelitian dan penyusunan laporan. 3. Bapak Dr. M. Zainuri, M.Si serta Dr. Malik Anjelh Baqiah. selaku penguji yang telah memberikan masukan dan saran untuk menjadikan tesis ini lebih baik. 4. Ketua program studi Pascasarjana Fisika Bapak Prof. Ir. Eddy Yahya, M.Sc., Ph.D dan Sekretaris program studi Pascasarjana Fisika Bapak Dr. Mashuri, M.Si. 5. Seluruh Dosen program Pascasarjana Fisika khusunya dosen fisika material yang telah memberikan ilmunya kepada penulis selama penulis belajar di Magister Fisika ITS Surabaya. 6. Semua staf Tata Usaha dan karyawan laboratorium Fisika Zat Padat dan 12

Karakterisasi

Material

dilingkungan

program

studi

Fisika

yang

memberikan dukungan serta bantuan kepada penulis. 7. Bapak Akhida, S.T., selaku operator Lab. PECVD Sel surya di LPPM ITS yang telah banyak meluangkan waktu dan memberikan bantuan selama pengerjaan sampel. 8. Keluarga besar penulis di Aceh yang selalu memberikan doa dan dukungan selama proses pengerjaan tesis. 9. Keluarga besar Tim Riset Sel Surya departement fisika, FMIPA Institut Teknologi Sepuluh November (ITS) Surabaya. 10. Semua pihak yang berperan dalam proses pengerjaan tesis ini yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.

Penulis hanya dapat berdoa semoga mereka mendapatkan balasan kebaikan yang berlipat ganda, Amiin. Untuk menjadikan tulisan ini lebih baik dan dapat bermanfaat khususnya untuk penelitian selanjutnya, penulis mengharapkan saran dan kritik yang membangun dari para pembaca.

Surabaya, April 2017

Penulis

13

DAFTAR ISI Judul Penelitian…………………………………………………………………

i

Lembar Pengesahan…………………………………………………………….

v

Abstrak…………………………………………………………………………..

vii

Kata Pengantar…………………………………………………………………. xi Daftar Isi………………………………………………………………………… xiii Daftar Gambar………………………………………………………………….

xv

Daftar Tabel…………………………………………………………………….. xvii BAB I PENDAHULUAN……………………………………………………….

1

1.1.Latar Belakang……………………………………………………….

1

1.2.Rumusan Masalah……………………………………………………

2

1.3.Tujuan Penelitian…………………………………………………….

3

1.4.Batasan Masalah……………………………………………………..

3

1.5.Sistematika Penulisan………………………………………………..

4

BAB II KAJIAN PUSTAKA…………………………………………………...

5

2.1. Silikon Amorf Terhidrogenasi (a-Si:H)…………………………..…

5

2.2. Sifat Optik a-Si:H……………………………………………..……

7

2.3. Konduktivitas Listrik a-Si:H………………………………………..

8

2.4. Rekayasa Penangkapan Spektrum Cahaya………………………….

10

2.5. Sistem Sel Surya Multijunction…………………………………….

12

2.6. Karakterisasi I-V Sel Surya…………………………………………

14

2.6.1. Karakterisasi I-V dengan Sun Simulator…………………

14

2.6.2. Karakterisasi I-V dengan Sinar Matahari………………… 15 BAB III METODELOGI PENELITIAN…………………………………..…

17

1.1.Diagram Alur Penelitian…………………………………………….

17

1.2.Alat dan Bahan………………………………………………………

18

1.3.Persiapan Sampel…………………………………………………… 14

18

1.4.Proses Deposisi……………………………………………………..

19

1.5.Metalisasi Kontak Belakang………………………………………..

21

1.6.Metode Analisis Data……………………………………………….

22

1.6.1. Karakterisasi Kedalaman Tekstur Permukaan Lapisan…….

22

1.6.2. Karakterisasi Absorpsi, Transmitansi dan Energi Gap Lapisan…………………………………………

23

1.6.3. Karakterisasi I-V Sel Surya dengan Sun Simulator Dan Sinar Matahari………………………………………… BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN………………………………........... 4.1. Deposisi Sampel Sel Surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H………………………………………………….. 4.2. Analisis Struktur Sel Surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H………………………………………………….. 4.2.1. Ketebalan dan Morfologi Sampel………………………. 4.2.2. Sifat Optik Sampel………………………………………. 4.2.3. Sifat Listrik Sampel……………………………………… 4.3. Karakterisasi I-V Sel Surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H………………………………………………….. 4.3.1. Karakterisasi dengan Sun Simulator…………………….. 4.3.2. Karakterisasi dengan Sinar Matahari………….……..….

23 24 24 25 25 28 30 33 34 36

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN…………………………………..….. 5.1. Kesimpulan……………………………………………………….. 5.2. Saran………………………………………………………………. DAFTAR PUSTAKA………………………………………….………………

43 43 44 45

LAMPIRAN…………………………………………………………………...

48

BIOGRAFI PENULIS………………………………………………………..

56

15

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Struktur atom silicon, Kristal tunggal, Amorf terhidrogenasi……… 5 Gambar 2.2. Density of state dari Silikon amorf terhidrogenasi (a-Si:H) yang memperlihatkan band tail state dan dangling bond………….. 6 Gambar 2.3. Pengaruh pencairan hidrogen (R) dan tebal lapisan (db) pada fase material Si:H……………………………………………. 6 Gambar 2.4. Koefisien absorpsi sebagai fungsi energy foton dan Tauc’s Plot untuk optical band gap………………………………………….…. 7 Gambar 2.5. Hubungan antara doping dengan konduktivitas………………….... 9 Gambar 2.6. Penurunan efisiensi dalam sel surya single junction.……………… 10 Gambar 2.7. Spektrum cahaya matahari di permukaan bumi (AM1).…………… 11 Gambar 2.8. Spektrum matahari AM1.5 dan bagian-bagian dari spectrum, yang secara teori, dapat digunakan oleh sel surya Si dan sel surya Ga0.35In0.65P/Ga0.83In0.17As/Ge……………….……….…. 12 Gambar 2.9. Teknik splitting spectrum cahaya matahari……………………….. 12 Gambar 2.10. Diagram skematik system sel surya multijunction………………..

13

Gambar 2.11. Rancangan sistem pengukur karkteristik sel surya……………….. 14 Gambar 2.12. Spektrum cahaya berbagai jenis bola lampu……………………… 15 Gambar 3.1. Diagram alur penelitian……………………………………………

17

Gambar 3.2. Urutan persiapan proses preparasi/deposisi sampel……………….

19

Gambar 3.3. Rancangan skematik sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) berbasis a-Si:H…………………………………………………….

19

Gambar 3.4. Rencana deposisi dan karakterisasi sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H………………………………………………….

20

Gambar 3.5. Metode penentuan tebal lapisan menggunakan AFM…………….

22

Gambar 4.1. Morfologi permukaaan dan ketebalan tipe-p a-Si:H……………….. 26 Gambar 4.2. Morfologi permukaaan dan ketebalan tipe-n a-Si:H……………….. 26 16

Gambar 4.3. Morfologi permukaaan dan ketebalan tipe-i1 a-Si:H………………. 26 Gambar 4.4. Morfologi permukaaan dan ketebalan tipe-i2 a-Si:H………………. 27 Gambar 4.5. Morfologi permukaaan dan ketebalan tipe-i3 a-Si:H………………. 27 Gambar 4.6. Optimasi ketebalan sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H…………………………………………………. 27 Gambar 4.7. Data panjang gelombang terhadap transmitansi pada lapisan intrinsik dan ekstrinsik…………………………………………….. 28 Gambar 4.8. Nilai Eg menggunakan metode Tauc’s Plot pada lapisan intrinsik dan ekstrinsik……………………………………………………… 29 Gambar 4.9. Pengukuran Eg dengan dengan menggunakan perbandingan ln σ terhadap 1/T…………………………………………………… 30 Gambar 4.10. Optimasi Energi gap (Eg) sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H………………………………………………….. 30 Gambar 4.11. Rangkaian metode empat titik (four point probe)………………… 31 Gambar 4.12. Rancangan sistem Sun Simulator…………………………………

34

Gambar 4.13. Grafik Efisiensi Sampel pengukuran dengan Sun Simulator ..…… 35 Gambar 4.14. Grafik Efisiensi Sampel berdasarkan perbedaan ketebalan lapisan intrinsik pengukuran dengan Sun Simulator ………..…… 36 Gambar 4.15. Rangkaian listrik untuk sistem pengukuran karakterisasi I-V sel surya………………………………………………..…….. 37 Gambar 4.16. Grafik Efisiensi Sampel pengukuran dengan Sinar Matahari.……. 38 Gambar 4.17. Grafik Efisiensi Sampel berdasarkan perbedaan ketebalan lapisan intrinsik pengukuran dengan Sinar Matahari…………….

39

Gambar 4.18. Ilustrasi perbedaan distribusi potensial pada sel surya a-Si:H dengan lapisan-i yang tipis dan yang tebal……………………….

41

Gambar 4.19. Ilustrasi pengaruh Rs dan Rsh terhadap karakteristik sel surya berbasis a-Si:H…………………………………………. 17

42

DAFTAR TABEL Tabel 4.1. Hasil pengukuran konduktivitas listrik lapisan intrinsik dan lapisan ekstrinsik pada kondisi terang………………………………………… 32 Tabel 4.2. Hasil pengukuran konduktivitas listrik lapisan intrinsik dan lapisan ekstrinsik pada kondisi gelap…………………………………………. 33 Tabel 4.3. Karakterisasi I-V sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H dengan Sun Simulator………………………………………………… 35 Tabel 4.4. Karakterisasi I-V sel surya lapisan intrinsik ganda (P-i1-i3-N) a-Si:H perbedaan ketebalan lapisan intrinsik dengan Sun Simulator………… 36 Tabel 4.5. Karakterisasi I-V sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H dengan Sinar Matahari………………………………………………... 37 Tabel 4.6. Karakterisasi I-V sel surya lapisan intrinsik ganda (P-i1-i3-N) a-Si:H perbedaan ketebalan lapisan intrinsik dengan Sinar Matahari………… 38

18


19

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang Sel surya merupakan salah satu piranti elektronik yang dapat mengkonversi langsung energi radiasi matahari menjadi energi listrik. Sel surya merupakan sumber energi yang tidak pernah habis, selama matahari memancarkan sinarnya ke bumi. Berbagai kemajuan terus dicapai seiring dengan efisiensi konversinya yang juga terus mengalami peningkatan, hingga sel surya mulai menyentuh kehidupan manusia dan mulai dimanfaatkan sebagai sumber energi listrik diberbagai perumahan sejak tahun 1990. Sejak saat itu, sel surya mulai menarik perhatian banyak peneliti karena sel surya diperkirakan dapat menjadi kandidat sumber pembangkit listrik di masa datang dengan penggunaannya yang sangat praktis terutama untuk suplai energi di daerah-daerah terpencil. Selain itu, sumber energi ini ramah lingkungan karena dalam proses konversinya tidak menghasilkan polutan sama sekali[1]. Secara umum listrik tenaga surya ini sudah dapat diterima sebagai sumber energi alternatif. Persoalan yang ada sekarang adalah harganya yang masih mahal dibandingkan dengan listrik yang dibangkitkan dengan sumber energy lain, sehingga penggunaannya terbatas hanya dalam skala kecil seperti pada barang-barang elektronik dan juga digunakan sebagai pembangkit listrik pada daerah- daerah yang masih sulit dijangkau oleh jaringan listrik.[2] Tiga hal mendasar persoalan yang ada pada sel surya terutama silikon amorf terhidrogenasi adalah efisiensi yang masih rendah, efek Staebler-Wronski (SWE), dan harga yang masih mahal[3]. Efisiensi sel surya yang berbasis silikon amorf terhidrogenasi (a-Si:H) masih sekitar 13,4 %, masih lebih kecil dibandingkan dengan efisiensi silikon kristal dan beberapa efisiensi sel surya yang lain. Selain itu, perhatian 20

utama pada sel surya silikon amorf adalah lebar pita energi terlarang[4]. Untuk sel surya, lebar pita energi terlarang yang terlalu besar mengakibatkan jumlah spektrum energi yang hilang karena transmisi akan menjadi besar. Sedangkan jika lebar pita energi terlarang terlalu kecil mengakibatkan energi yang hilang selama eksitasi elektron akan menjadi besar. Untuk menaikkan efisiensi sel surya sangat bergantung kepada bagaimana sistem sel surya untuk dapat mengkonsumsi energi surya secara maksimal. Secara teori, sejumlah lapisan yang berbeda dapat ditumpuk di atas lapisan yang lain. Cahaya yang tidak diserap oleh lapisan diatas ditransmisikan ke lapisan kedua dari celah pita energi yang lebih kecil. Penelitian dan pengembangan system sel surya multijunction (multi p-n atau multi p-i-n) telah banyak dilakukan oleh para peneliti. Salah satunya Kavita Surana, yang dalam penelitiannya melaporkan tentang pengembangan sistem sel surya multijunction, dengan konsep nano teknologi kuantum dot[5]. Sebaliknya penelitian dan pengembangan sel surya double lapisan intrinsik (i) belum banyak yang melaporkan. Lapisan-i sel surya p-i-n berbasis a-Si:H memegang peran paling penting untuk memanfaatkan energi surya untuk mengeksitasi elektron. Penelitian dan pengembangan sel surya double lapisan intrinsik (i) diharapkan akan berkontribusi pada peningkatan efisiensi, karena energi matahari akan bisa diabsorpsi secara lebih maksimal. Tentu saja harapan ini masih perlu analisis yang lebih mendalam lagi berkaitan dengan struktur atom/molekul, tebal layer, kristalinitas, localised state, celah pita energi, morfologi masing-masing layer, dan sambungan antar layer (interface). Efisiensi dan stabilitas sel surya p-i-n berbasis a-Si:H, juga sangat ditentukan oleh kualitas material layer penyusun lapisan-i. Ini semua berkaitan dengan ketepatan penentuan besar parameter deposisi dalam PECVD.

21

1.2. Rumusan Masalah Permasalahan yang akan dikaji adalah: 1. Bagaimana pengaruh ketebalan dan energi gap sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H terhadap serapan intensitas matahari. 2. Bagaimana peranan lapisan intrinsik terhadap efisiensi gap sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H. 3. Bagaimana karakteristik I-V sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H dengan pengukuran paramater-parameter tegangan rangkaian terbuka (Voc), arus hubung singkat (Isc), fill factor (FF), dan efisiensi (η) karakteristik sel surya menggunakan Sun Simulator maupun dalam keadaan penyinaran sinar matahari.

1.3. Tujuan Penelitian Tujuan dalam penelitian ini adalah: 1. Fabrikasi sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H dengan menggunakan PECVD. 2. Mengetahui peranan lapisan intrinsik pada sel surya terhadap efisiensi sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H. 3. Mengetahui karakteristik I-V sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) aSi:H dengan pengukuran paramater-parameter tegangan rangkaian terbuka (Voc), arus hubung singkat (Isc), fill factor (FF), dan efisiensi (η) karakteristik sel surya menggunakan Sun Simulator maupun dalam keadaan penyinaran sinar matahari.

22

1.4. Batasan Masalah Sebagai batasan dalam penelitian ini yaitu: 1. Deposisi lapisan hanya dilakukan untuk pengembangan sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H menggunakan substrat ITO berukuran 10x10 cm2 dengan ketebalan 1,1 mm. 2. Penelitian ini difokuskan pada fabrikasi dan karakterisasi sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H untuk mendapatkan besaran efisiensinya. 3. Penelitian ini dibatasi pada penentuan parameter-parameter karakteristik sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H dengan sistem pengukuran menggunakan Sun Simulator dan dalam keadaaan penyinaran sinar matahari.

1.5. Sistematika Penulisan Penulisan tesis ini terdiri dari abstrak yang berisi gambaran umum dari penelitian ini. Bab I, pendahuluan yang berisi latar belakang, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, serta sistematika penulisan. Bab II, tinjauan pustaka berisi tentang dasar-dasar teori yang digunakan sebagai acuan dari penelitian. Bab III, metodologi penelitian berisi tentang metode-metode kerja yang mendukung penelitian ini. Bab IV, berisi tentang uraian kerja yang mendukung penelitian ini. Bab V, kesimpulan dan saran berisi kesimpulan penelitian dan saran untuk penelitian kedepannya.

23

BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1. Silikon amorf terhidrogenasi (a-Si:H) Dalam silikon kristal, setiap atom silikon terikat secara kovalen dengan empat atom tetangga. Panjang semua ikatan adalah sama dan semua sudut antar ikatan juga sama. Hal ini mengakibatkan suatu susunan atom dengan ‘long-range order’. Dalam lapisan tipis silikon amorf, terjadi deviasi pada panjang dan sudut ikatan, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.1. Deviasi sudut ikatan dan panjang ikatan antara atom tetangga mengakibatkan state terlokalisasi di tepi pita konduksi dan tepi pita valensi, ini dikenal sebagai band tail state, ditunjukkan pada Gambar 2.2. Defect utama pada keadaan ini adalah dangling bond. Dangling bond adalah ikatan yang memiliki elektrontidak berpasangan pada atom silikon. Dangling bond bermuatan positif (D+ ) berada di dekat pita konduksi, bermuatan negatif (D− ) berada di dekat pita valensi, dan bermuatan netral (D0 ) ditengah celah pita energi. State (D− ) ditempati 2 elektron, state (D+ ) tidak ada elektron, dan state (D0 ) ditempati 1 elektron. Dengan memasukkan hidrogen ke dalam jaringan atom silikon amorf, dangling bond dipasivasi ketika atom hidrogen membentuk ikatan dengan dangling bond atom silikon. Dengan cara ini, kerapatan defect dalam silikon amorf menjadi berkurang, sehingga membuat material menjadi lebih berguna untuk aplikasi fotovoltaik dan optoelektronik. Bahan amorf tidak sepenuhnya tidak teratur, tetapi bahan amorf mempunyai “short range order”.

24

Gambar 2.1. Struktur atom silikon: (a) Kristal tunggal, (b) Amorf terhidrogenasi[6]

Gambar 2.2. Density of state dari Silikon amorf terhidrogenasi (a-Si:H) yang memperlihatkan band tail state dan dangling bond[7] [8] Pencairan hidrogen R=[H2/SiH4], yaitu penambahan hidrogen (H2) pada gas silan (SiH4) saat deposisi a-Si:H menggunakan PECVD dapat mempengaruhi dan mengubah berbagai sifat dan struktur a-Si:H. Pada pencairan moderat, yaitu besarnya pencairan hidrogen R yang tidak mengakibatkan terbentuknya fase mikrokristal, dapat mempengaruhi kerapatan, kandungan hidrogen, celah pita energi (Eg), menaikkan konduktivitas, dan mereduksi SWE. Dan pada pencairan yang lebih tinggi akan terbentuk struktur mikrokristal. Gambar 2.3 menunjukkan pengaruh pencairan R dan tebal lapisan pada pembentuka fase material a-Si:H.

25

Gambar 2.3. Pengaruh pencairan hidrogen (R) dan tebal lapisan (db) pada fase material Si:H [9] 2.2.Sifat Optik a-Si:H Sifat optik a-Si:H biasanya ditandai dengan adanya koefisien absorpsi dan nilai optik energi gap nya. Gambar 2.4 menunjukkkan koefisien absorpsi dari a-Si:H yang difabrikasi di Delft University of Technology sebagai fungsi dari energi foton. Sedangkan koefisisen c-Si ditampilkan untuk referensi. Dari gambar tersebut menunjukkan bahwa a-Si:H menyerap hampir 100 kali lebih dari c-Si di bagian cahaya tampak pada spektrum matahari. Peningkatan nilai absorpsi disebabkan oleh gangguan dalam struktur atom dari a-Si:H. Ini menunjukkan bahwa tebal lapisan a-Si:H sebesar 1μm cukup untuk menyerap 90% dari energi cahaya matahari. Namun, dalam prakteknya ketebalan a-Si;H sel surya besar dari H sendiri kurang dari 0,5μm yang mana 100 kali lebih kecil dari ketebalan sel silikon kristal tunggal.[10]

26

Gambar 2.4. (a) Koefisien absorpsi sebagai fungsi energy foton (b) Tauc’s Plot

untuk optical band gap

Menghitung optical band gap dapat menggunakan metode Tauc’s Plot[11]. Hukum Tauc’s dapat ditulis: (α h ν)1/2=B (hν - Eopt)

(2.1)

Dimana α adalah koefisien absorpsi, h konstanta planck, ν frekuensi cahaya Eopt adalah optical band gap. 2.3.Konduktivitas Listrik a-Si:H Konduktivitas listrik semikonduktor amorf (σA) teragantung pada pembawa muatan (NA) dan mobilitas pembawa muatan (μA), dengan rumus sebagai berikut: σA = NA e μA

(2.2)

Dalam semikonduktor amorf, rapat pembawa muatannya sangat kecil, dikarenakan elektron mengikat sangat kuat pada intinya masing-masing. Tidak adanya kisi periodik menyebabkan mobilitas pembawa muatan juga kecil. Sehingga,

27

konduktivitas semikonduktor amorf pada suhu kamar secara umum sangat renah, yaitu sekitar 10-7 (Ωcm)-1.[12] [13] Proses hidrogenisasi pada a-Si:H dilakukan dengan mengunakan reaktor plasma yang dilengkapi dengan pembangkit medan listrikyang ditimbulkan oleh daya RF. Didalam proses ini, elektron dan molekul-molekul hidrogen didalam reaktor plasma akan mengalami tumbukan secara lenting maupun tidak lenting karena pengaruh adanya medan listrik.[14] Adanya peristiwa ionisasi dan disosiasi akibat tumbukan tak lenting, menyebabkan atom-atom hidrogen, akan menuju permukaan lapisan a-Si. Dengan adanya atom-atom hidrogen yang mengalir ke permukaan akan mengakibatkan reaksi radikal. Reaksi radikal tersebut tergantung pada beberapa faktor yaitu daya RF dan suhu substrat.

Gambar 2.5. Hubungan antara doping dengan konduktivitas[15] Selanjutnya a-Si:H yang telah terbentuk memiliki sifat yang mirip dengan silikon kristal, sehingga dihasilkan bahan semikonduktor dengan besar konduktivias antara 10-11 sampai 10-2 (Ωcm)-1.

28

Di dalam semikonduktor ekstrinsik kosentrasi elektron pada pita energi konduksi (n) sama dengan konsentrasi lubang pada pita energi valensi (p) sehingga: 3

𝒏𝒊 = 𝒑𝒊 =

2𝜋𝑘 𝑇 2 2 ( ℎ2𝐵 )

3

(𝑚𝑒∗ 𝑚ℎ∗ )4 − 𝑒 −𝐸𝑔/(2𝑘𝐵 𝑇)

(2.3)

dengan indeks i menyatakan”intrinsik”, h adalah tetapan Planck, me dan mh berturutturut adalah massa effektif elektron dan lubang serta Eg adalah celah energi. Konduktivitas listrik (σ) semikonduktor intrinsik berkaitan dengan mobilitas elektron (μe) dan mobilitas lubang (μh) yang ungkapannya dapat dinyatakan sebagai: 𝝈 = 𝑒(𝑛𝜇𝑒 + 𝑝𝜇ℎ ) = 𝑒𝑛𝑖 (𝜇𝑒 + 𝜇ℎ )

(2.4)

Pers (2) menunjukkan bahwa konduktivitas bergantung pada kosentrasi pembawa muatan instrinsik. Selanjutnya, karena kosentrasi instrinsik dipengaruhi oleh suhu maka σ dapat dinyatakan dalam persamaan 3

𝝈 = 2𝑒(𝜇𝑒 + 𝜇ℎ )

2𝜋𝑘 𝑇 2 ( ℎ2𝐵 )

3

(𝑚𝑒∗ 𝑚ℎ∗ )4 − 𝑒 −𝐸𝑔 /(2𝑘𝐵 𝑇)

(2.5)

Walaupun mobilitas lubang dan elektron sendiri bergantung pada suhu namun ketergantungan konduktivitas pada suhu didominasi oleh faktor eksponensial exp (−Eg/(2kBT) sehingga: 𝝈 = 𝝈𝟎 𝑒 −𝐸𝑔/(2𝑘𝐵 𝑇)

(2.6)

Dengan σ0 adalah tetapan kesebandingan. Pengambilan nilai logaritma alamiah kedua ruas pers (4) memberikan: 𝐸𝑔

1

𝒍𝒏𝝈 = 𝒍𝒏𝝈𝟎 − (2𝑘 ) 𝑇 𝐵

29

(2.7)

Yang berarti bahwa pengukuran konduktivitas pada berbagai suhu akan menghasilkan grafik ln σ versus 1/T. Lebar celah energi Eg dapat ditentukan dari kemiringan (slope) grafik tersebut. 2.4. Rekayasa penangkapan spektrum surya Beberapa faktor utama yang mempengaruhi rendahnya efisiensi silikon bulk untuk sel surya konvensional adalah (1) below Eg loss atau recombination loss, (2) lattice thermalization loss, yang dalam satu sambungan sel surya ditunjukkan pada Gambar 2.6.

Gambar 2.6. Penurunan efisiensi dalam sel surya single junction[5] [3] Spektrum matahari terdiri dari cahaya dengan panjang gelombang sekitar 1003000 nm (energi foton 12,4 eV – 0,41 eV). Kisaran ini termasuk radiasi inframerah, cahaya tampak dan sinar ultraviolet. Lebih dari 90% dari radiasi matahari yang mencapai permukaan bumi adalah cahaya tampak dan radiasi dekat inframerah, dengan kisaran panjang gelombang sekitar 350 sampai 500 nm (energy foton 3,540,83 eV), ditunjukkan pada Gambar 2.7.

30

Gambar 2.7. Spektrum cahaya matahari di permukaan bumi (AM1.5)[16] [17] Gambar 2.8 menunjukkan bahwa efisiensi meningkat jika menggunakan material dengan lebar celah energi yang berbeda, seperti misalnya penggunaan secara teoritis

spectrum

matahari

oleh

sel

surya

kristal

Si

dan

sel

surya

Ga0.35In0.65P/Ga0.83In0.17As/Ge. Secara teori, sejumlah lapisan yang berbeda dapat ditumpuk di atas satu dengan yang lain. Cahaya yang tidak diserap oleh sel diatas ditransmisikan ke sel kedua dari celah pita energi yang lebih kecil di bawahnya. Sel surya dengan enam celah pita energy secara teori memiliki batas maksimum efisiensi sekitar 57%, yang diilustrasikan pada Gambar 2.9. Dalam sel surya multijunction, termalisasi oleh hot carrier tereduksi melalui penggunaan material celah pita energy yang tinggi untuk bagian atas p-n junction.

31

(a)

(b)

Gambar 2.8. Spektrum matahari AM1.5 dan bagian-bagian dari spectrum, yang secara teori, dapat digunakan oleh (a) sel surya Si dan (b) sel surya Ga0.35In0.65P/Ga0.83In0.17As/Ge[16] [18]

Gambar 2.9. Teknik splitting spectrum cahaya matahari[19] [20] 2.5. Sistem Sel Surya Multijuction Untuk menaikkan efisiensi sel surya sangat bergantung kepada bagaimana sistem sel surya untuk dapat ‘mengkonsumsi’ energi surya secara maksimal. Secara 32

teori, sejumlah lapisan yang berbeda dapat ditumpuk di atas lapisan yang lain[21]. Cahaya yang tidak diserap oleh lapisan diatas ditransmisikan ke lapisan kedua dari celah pita energi yang lebih kecil. Penelitian dan pengembangan system sel surya multijunction (multi p-n atau multi p-i-n) telah banyak dilakukan oleh para peneliti. Diantaranya

Kavita

Surana,

yang dalam

disertasinya

melaporkan

tentang

pengembangan system sel surya multijunction, dengan konsep nano teknologi kuantum dot. Sedangkan Guha, et al, melaporkan pengembangan sistem sel surya multijunction (multi p-i-n), dengan lapisan intrinsik (i) a-Si:H, nc-Si:H, dan alloy (a-SiGe-H), seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.10.[5]

Gambar 2.10. Diagram skematik system sel surya multijunction [18] (a) Struktur 2-junction dengan lapisan-i a-Si:H dan nc-Si:H, (b) Struktur 3-junction dengan lapisan-i a-Si:H, a-Si:H dan nc-Si:H, (c) Struktur 3-junction dengan lapisan-i a-Si:H, a-SiGe:H dan nc-Si:H, dan (d) Struktur 3-junction dengan lapisan-i a-Si:H, nc-Si:H dan nc-Si:H. 33

Lapisan-i sel surya p-i-n berbasis a-Si:H memegang peran paling penting untuk memanfaatkan energi surya untuk mengeksitasi elektron. Penelitian dan pengembangan lapisan-i dari singlelayer kedalam lapisan-i multilayer memberikan kontribusi pada peningkatan efisiensi, karena energi matahari akan bisa diabsorpsi secara lebih maksimal. Analisis yang lebih mendalam berkaitan dengan struktur atom/molekul, tebal layer, kristalinitas, localised state, celah pita energi, morfologi masing-masing layer, dan sambungan antar layer (interface). Efisiensi dan stabilitas sel surya p-i-n berbasis a-Si:H, juga sangat ditentukan oleh kualitas material layer penyusun lapisan-i. Ini semua berkaitan dengan ketepatan penentuan besar parameter deposisi dalam PECVD.

2.6.Karakteristik I-V Sel Surya 2.6.1. Karakterisasi I-V dengan Sun Simulator Pengukuran karakteristik I-V sel surya baik dalam keadaan disinari maupun tanpa disinari, telah dikembangkan suatu sistem peralatan sederhana. Rancangan sistem pengukuran parameter karakteristik sel surya yang digunakan ditunjukkan pada Gambar 2.11. Sistem pengukur ini dibuat dari bahan alumunium dengan ukuran (15x15x30) cm3 dan dihubungkan dengan suatu rangkaian elektronik. Pada bagian atas ditempatkan lampu untuk mengukur karakteristik I-V dalam keadaan diberi penyinaran.

34

Gambar 2.11. Rancangan sistem pengukur karkteristik sel surya Lampu yang digunakan adalah lampu Halogen Bulm. Dipilihnya lampu Halogen Bulm karena spektrum cahayanya yang hampir mendekati spektrum cahaya matahari. Berikut beberapa spektrum cahaya berbagai jenis bola lampu diperlihatkan pada gambar 2.12.[22]

35

Gambar 2.12. Spektrum cahaya berbagai jenis bola lampu

2.6.2. Karakterisasi I-V dengan Sinar Matahari Di bawah kondisi penyinaran, karakterisatik I-V sel surya: 𝑰=

𝑽−𝑰𝑹𝒔 𝑹𝒔𝒉

𝒒(𝑽−𝑰𝑹𝒔 )

𝒒(𝑽−𝑰𝑹𝒔 )

𝟐𝒌𝑻

𝒌𝑻

+ 𝑰𝟎𝑹 (𝒆𝒙𝒑 (

) − 𝟏) + 𝑰𝟎𝑫 (𝒆𝒙𝒑 (

) − 𝟏)

(2.8)

Dimana IL adalah arus listrik yang dibangkitkan cahaya, nilainya tidak bergantung pada tegangan. Dengan formula ini, karakteristik I-V sel surya pada kondisi ini tampak mirip dengan karakteristik I-V pada kondisi gelap, tetapi ditranslasi ke kuadran empat.[23] 36

Parameter-parameter utama yang dapat ditentukan dari perilaku sel surya saat disinari adalah Voc (open circuit voltage = tegangan rangkaian terbuka), Isc (short circuit current = arus hubung singkat), FF (Fill Factor = Faktor Pengisian sel surya), dan  (conversion efficiency = efisiensi konversi)[24]. Nilai Fill Factor ditentukan melalui persamaan:

𝑭𝑭 =

𝑰𝒎 𝑽𝒎 𝑰𝒔𝒄 𝑽𝒐𝒄

=

𝑷𝒎

(2.9)

𝑰𝒔𝒄 𝑽𝒐𝒄

Dimana Im dan Vm adalah arus dan tegangan listrik pada titik kerja optimum, yaitu yang menghasilkan daya keluaran maksimum. Sedangkan efisiensi konversi () dihitung melalui persamaan:

𝜼=

𝑷𝒎 𝑷𝒊𝒏

=

𝑭𝑭𝑽𝒐𝒄 𝑰𝒔𝒄 𝑷𝒊𝒏

𝒙 𝟏𝟎𝟎%

(2.10)

37

BAB III METODELOGI PENELITIAN Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen. Berikut ini diuraikan peralatan dan bahan yang digunakan beserta cara kerja penelitiannya. 3.1.Diagram Alur Penelitian Secara garis besar terdapat 8 (delapan) tahap dalam penelitian ini yang dapat dilihat pada diagram alur penelitian. Persiapan Substrat (ITO) (1,1 mm. 10 x10 𝑐𝑚2 )

Deposisi sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N)

a-Si:H

Dengan PECVD

Deposisi Kontak Belakang sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H

Dengan EVAPORATOR

Karakterisasi sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H

Dengan Sinar Matahari (𝑉𝑂𝐶 , 𝐼𝑆𝐶 , 𝐹𝐹 & 𝜂)

Dengan Sun Simulator (𝑉𝑂𝐶 , 𝐼𝑆𝐶 , 𝐹𝐹 & 𝜂)

Analisa & Pembahasan

Kesimpulan Gambar 3.1. Diagram alur penelitian 38

3.2. Alat dan Bahan Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian ini: 1. RF-PECVD (Radio Frequency - Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition). 2. Alat pemotong substrat. 3. Ultrasonic cleaner: alat pembersih kotoran pada sampel. 4. Hairdryer: pengering sampel. 5. Spektrometri ultraviolet-visible (UV-Vis): untuk menentukan lebar celah pita energi. 6. Atomic Force Microscopy (AFM): untuk mengamati morfologi permukaan lapisan. 7. Four Point Probe: untuk mengukur konduktivitas listrik. 8. Evaporator: untuk memetalisasi kontak belakang sel surya. 9. Sun Solarimeter 10. Substrat (glass ITO/Indium Tin Oxide) 11. Kawat dan Boat Tungsten 12. Logam aluminium

3.3. Persiapan Sampel Kaca ITO (Indium Tin Oxide) digunakan sebagai substrat untuk mendeposisikan sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H. Untuk membersihkan kotoran yang kemungkinan menempel pada permukaan sampel, substrat dibersihkan dengan alkohol didalam ultrasonic cleaner selama 15 menit, kemudian dibilas dengan diwater dengan menggunakan ultrasonic cleaner yang sama. Setelah itu dikeringkan dengan hairdryer atau disemprot (dibilas) dengan nitrogen. Langkah selengkapnya persiapan sebelum preparasi sampel adalah sebagai berikut:

39

Gambar 3.2. Urutan persiapan proses preparasi/deposisi sampel

3.4. Proses Deposisi Deposisi sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H dilakukan dengan menggunakan metode RF-PECVD. Untuk mendapatkan lapisan intrinsik ganda dilakukan dengan pengenceran plasma silan oleh hidrogen, dengan rasio perbandingan hidrogen dan silan, R=H2/SiH4 bervariasi. Struktur sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H, seperti yang terlihat pada Gambar 3.3, akan dideposisi dengan menggunakan parameter deposisi yang representatif untuk menghasilkan lapisan tipis yang bias mengabsorpsi secara maksimal spektrum energi surya. Parameter deposisi yang ditentukan diharapkan juga untuk menghasilkan kualitas efisiensi sel surya yang lebih baik.

40

Gambar 3.3. Rancangan skematik sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) berbasis a-Si:H Skema selengkapnya rencana kerja deposisi sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H dan karakterisasinya ditunjukkan pada Gambar 3.4. Untuk mengetahui kualitas (optimasi) dari sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H yang dihasilkan akan dilakukan karakterisasi dengan menggunakan berbagai teknik karakterisasi, yaitu: 

Karakterisasi morfologi permukaan (AFM). 



Karakterisasi Konduktivitas Listrik.



Karakterisasi absorpsi, transmitansi, dan energy gap (UV-Vis).



Karakterisasi I-V sel surya (Sun Solarimeter dan Sinar Matahari).

41

 Gambar 3.4. Rencana deposisi dan karakterisasi sel surya lapisan intrinsik ganda

(P-ix-iy-N) a-Si:H

3.5.etalisasi Kontak Belakang Metalisasi adalah pemberian lapisan logam pada bagian belakang sel surya berbasis a-Si:H yang berperan sebagai kontak listrik dan reflector cahaya. Dalam penelitian ini, lapisan logam yang dipergunakan adalah aluminium, yang dilapiskan melalui teknik evaporasi di Research Center ITS. Proses evaporasi dilakukan dalam ruang (chamber) yang divakumkan. Logam aluminium dipanaskan melalui suatu

42

filament yang berbentuk spiral tungsten diatas suhu melting pointnya yaitu untuk (Al=660,37o C) hingga mencair dan selanjutnya menguap. Uap hasil evaporasi kemudian terkondensasi di permukaan lapisan a-Si:H. Parameter kontak belakang Al dengan konduktivitas σAl = 3,8 x 107 Ωm. Metalisasi logam aluminium memerlukan waktu sekitar 5-6 menit. Prosedur deposisi dari Operating Manual, “Thermal Evaporation Metalization System”, MVSystem Inc, sebagai berikut: a. Menyalakan Power 220 V, 7 A. b. Menempatkan tombol vacuum valve control (handle control) pada posisi Vent. c. Menyalakan Mech Pump kemudian mengecek tekanan dengan menekan putaran pada posisi foreline (tekanan paling tidak di atas 50 mTorr). d. Menyalakan Diffuse Pump kemudian memasukkan sampel pada “access panel” dengan membuka jar penutup. e. Menempatkan tombol vacuum valve control (handle control) pada posisi Rough (didapatkan tekanan sekitar 100 mTorr) f. Memutar tombol vacuum valve control pada posisi HI VAC ketika monitor menunjukan tekanan kurang dari 100 mTorr dan memastikan ion gauge range selector pada kisaran 10-4. g. Menyalakan ion gauge filament dengan menekan tombol dan memutarnya sampai lampu indikatornya menyala. h. Memastikan tekanan kevakuman hingga kurang lebih 5 x 10-6 Torr. i. Memutar tombol Evapatrol perlahan-lahan hingga material meleleh seluruhnya. j. Menurunkan tombol Evapatrol pada posisi nol setelah seluruhnya material meleleh. 43

Kontak belakang hasil metalisasi berukuran 10 x 10 cm untuk setiap kontak belakang. 3.6.etode Analisis Data Secara umum analisis akan dilakukan secara kualitatif dan kuantitatif untuk mengetahui kualitas dari sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H yang dihasilkan dalam proses deposisi. Sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H akan dikarakterisasi dan dianalisis dengan menggunakan teknik karakterisasi yang terdiri dari: 3.6.1. Karakterisasi Kedalaman Tekstur Permukaan Lapisan Kedalaman morfologi permukaan dan tebal lapisan dikarakterisasi dengan menggunakan AFM (Gambar 3.5). Perangkat utama sebuah AFM adalah sebuah tip yang sangat tajam yang ditempatkan di ujung cantilever[25]. Cantilever beserta tip digerakkan sepanjang permukaan lapisan yang diamati untuk memberikan informasi kedalaman tekstur (morfologi) permukaan benda.

Gambar 3.5. Metode penentuan tebal lapisan menggunakan AFM 3.6.2. Karakterisasi absorpsi, transmitansi, dan energy gap lapisan Untuk menentukan lebar celah pita energi dilakukan dengan mengamati 44

absorpsivitas atau transmitansi lapisan menggunakan spektrometri ultraviolet-visible (UV-Vis). Alat yang digunakan adalah spectrometer UV-Vis, di Laboratorium Fisika Material, Jurusan Fisika, Fakultas MIPA ITS. Dengan menggunakan metode Tauc’s Plot, besarnya energy gap masing-masing layer pada lapisan intrinsik ditentukan. 3.6.3. Karakterisasi I-V Sel Surya dengan Sun Simulator dan Sinar Matahari Pengolahan dan analisis data hasil pengukuran parameter-parameter karakteristik sel surya dalam keadaan penyinaran dilakukan melalui langkah-langkah sebagai berikut: 1) Memplot kurva karakteristik Arus terhadap Tegangan (I-V) sel surya dari data hasil pengukuran. 2) Menentukan Voc, Isc, dan VmIm dari kurva karakteristik I-V. Pada saat resistor variabel (trimpot) bernilai nol, ampermeter menunjukan nilai Isc dan tegangan yang terbaca pada voltmeter bernilai nol. Besarnya arus semakin berkurang dengan meningkatnya nilai resistor, hal ini mengakibatkan tegangan perlahan-lahan naik. Sampai keadaan dimana resistor mencapai harga mendekati tak hingga, besarnya arus nol dan tegangan mencapai nilai Voc. Sedangkan Vm dan Im masing-masing adalah tegangan dan arus pada titik operasi optimum. 3) Menentukan faktor pengisian (FF) dan efisiensi () sel surya. FF merupakan besaran tak berdimensi yang menyatakan perbandingan daya maksimum yang dihasilkan sel surya terhadap perkalian Isc dan Voc. Sedangkan efisiensi () sel surya didefinisikan sebagai persentase daya keluaran optimum terhadap daya input cahaya yang digunakan per satuan luas sel surya.

45

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Penelitian ini diawali dengan mendeposisi sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H pada Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD).[26] Sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H ditumbuhkan di atas substrat glass Indium Tin Oxide (ITO), kemudian pada sampel dilapisan logam pada bagian belakang yang berperan sebagai kontak listrik dan reflector cahaya. Selanjutnya pada masingmasing sampel dikarakterisasi atau dicari sifat fisik yaitu morfologi ketebalan, sifat optik yaitu bandgap, sifat listik yaitu konduktivitas listrik dan karakterisasi I-V sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H dengan sun simulator dan cahaya matahari. 4.1 Deposisi Sampel Sel Surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H Deposisi sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H dilakukan dengan menggunakan metode RF-PECVD. Untuk mendapatkan lapisan intrinsik ganda dilakukan dengan pengenceran plasma silan oleh hidrogen, dengan rasio perbandingan hidrogen dan silan, R=H2/SiH4 bervariasi, sementara untuk lapisan ekstrinsik tipe-n dan tipe-n dibuat tetap untuk masing-masing sampel. Hasil yang diharapkan dari eksperimen ini yaitu lapisan berwarna biru kehitaman yang merata seperti gambar masing-masing sampel pada lampiran. Lapisan tersebut dianggap homogen, sebagai indikasinya yaitu warna biru kehitaman yang merata. Hasil deposisi lapisan a-Si:H dari eksperimen dapat dijelaskan melalui tahaptahap deposisi, yaitu pada hasil deposisi jenis yang kedua, debu (dust) sangat mungkin terbentuk selama tahap kedua deposisi. Pada permukaan, debu-debu menghasilkan kekosongan (voids) yang besar. Debu-debu saat mencapai permukaan tidak bisa bergerak bebas sehingga tampak dari gambar sampel kedua tersebut bahwa sangat besar terbentuknya ruang kosong (voids). Hal tersebut yang mengakibatkan pada jenis 46

kedua muncul adanya bintik-bintik pada lapisan sebagai ruang kosong (voids). Dengan kejadian tersebut, maka peluang terbentuknya hasil deposisi jenis kedua sangat besar. Hasil deposisi jenis yang ketiga, sangat mungkin terjadi melalui tahap ketiga pada proses deposisi. Pada tahap ketiga dari persamaan reaksi yang kedua, setelah cluster Si-H berdifusi kemudian terjadi cross-link sehingga molekul H2 terjebak didalam lapisan. Pada tahap yang terakhir, stress dan strain yang besar menghasilkan permukaan yang lemah. Ikatan yang lemah pada permukaan sangat mudah terputus (break down) dengan adanya energi aktivasi[27]. Terputusnya ikatan antar Si akan terjadi terlepasnya atom H ke udara bebas. Kejadian seperti ini tampak pada hasil deposisi pada jenis ketiga. Setelah deposisi selesai, terjadi seperti ranting yang terus tumbuh dan hasil akhir lapisan a-Si:H terlepas dari subtrat seperti yang terlihat pada gambar sampel ketiga. 4.2 Analisis Struktur Sel Surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H 4.2.1

Ketebalan dan Morfologi Sampel

Pengukuran ketebalan dan morfologi sampel menggunakan Atomic Force Microscopy (AFM) yang akan mengkarakterisasi material dengan menggunakan gaya atom antar tip dan substrat. AFM terdiri atas beberapa perangkat seperti tip, cantilever, sensor piezoelektrik dan photodetector. Selama proses karakterisasi material, tip bergerak sepanjang permukaan material uji, sehingga menyebabkan kemiringan cantilever berubah-ubah. Kemiringan cantilever dideteksi oleh photodetector. Sinar laser yang diberikan ke cantilever diterima oleh detector yang dideteksi sebagai kemiringan cantilever[28]. Pengukuran atau scanning diambil pada daerah perbatasan lapisan dan substrat (tidak ada lapisan). Perubahan kemiringan ini memberikan informasi kedalaman. Scanning pada daerah perbatasan ini didapatkan informasi perbedaan ketinggian atau kedalaman yang menyatakan ketebalan dari lapisan tipis yang terbentuk. 47

Hasil dari pegukuran menggunakan AFM (Atomic Force Microscopy), untuk masing-masing tiap lapisan tipe-p, tipe-n, tipe-i1, tipe-i2 dan tipe i3 seperti pada gambar dibawah ini.

Gambar.4.1. Morfologi permukaaan dan ketebalan tipe-p a-Si:H.

Gambar.4.2. Morfologi permukaaan dan ketebalan tipe-n a-Si:H.

48

Gambar.4.3. Morfologi permukaaan dan ketebalan tipe-i1 a-Si:H.

Gambar.4.4. Morfologi permukaaan dan ketebalan tipe-i2 a-Si:H.

Gambar 4.5. Morfologi permukaaan dan ketebalan tipe-i3 a-Si:H.

49

Pada struktur sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H estimasi ketebalan dari sel surya yang optimum dapat dilihat pada gambar 4.6.

Gambar 4.6. Optimasi ketebalan sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H Dari

hasil

pengukuran

dengan

AFM

(Atomic

Force

Microscopy),

memperlihatkan untuk tiap-tiap lapisan sudah memenuhi dalam upaya pengoptimasian ketebalan pada sampel sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H. 4.2.2

Sifat Optik Sampel

Salah satu sifat optik dari lapisan tipis yaitu lebar celah pita energi (bandgap). Bandgap dengan menentukan siat-sifat dari semikonduktor diantaranya mobilitas pembawa muatan, kerapatan pembawa muatan dan spektrum absorpsi. Dalam menentukan lebar celah pita energi, maka sampel lapisan tipis disinari dengan gelombang elektromagnetik (foton dengan energi tertentu) sehingga elektron menyerap energi foton tersebut. Besar energi foton ini harus cukup untuk bisa membuat elektron meloncat (berpindah) menuju tingkat energi yang lebih tinggi yaitu elektron berpindah dari pita valensi ke pita konduksi. Pengukuran bandgap dilakukan dengan menggunakan spektrometer UV-Vis dengan energi foton yang berbeda mulai dari panjang gelombang 200 nm hingga 800 nm sehingga dapat diketahui absorbansi maupun transmitansi dari sampel lapisan tipis tersebut. Berikut hasil pengukuran menggunakan spectrometer UV-Vis pada sampel 50

lapisan intrinsik (tipe-i1, tipe-i2, tipe-i3) dan lapisan ekstrinsik (tipe-p, tipe-n) untuk data panjang gelombang terhadap transmitansi.

Gambar 4.7. Data panjang gelombang terhadap transmitansi pada (a).lapisan intrinsik dan (b).lapisan ekstrinsik. Data panjang gelombang terhadap transmitasi tersebut selanjutnya digunakan dalam penentuan bandgap dengan menggunakan metode Tauc’s Plot yaitu dengan membuat kurva hυ terhadap (αhυ)1/2, dimana hυ menyatakan energi foton dan α sebagai koefisien absorpsi. Dengan menarik garis linier kelengkungan dari energi tinggi ke energi rendah, maka didapatkan perpotongan terhadap sumbu mendatar dan diambil sebagai nilai bandgap[29]. Berikut hasil menggunakan metode Tauc’s Plot pada sampel lapisan intrinsik (tipe-i1, tipe-i2, tipe-i3) dan lapisan ekstrinsik (tipe-p, tipe-n).

51

Gambar 4.8. Nilai Eg menggunakan metode Tauc’s Plot (a). Lapisan intrinsik, dan (b). Lapisan ekstrinsik. Dengan melakukan pengukuran konduktivitas pada sampel pada tiap kenaikan temperatur suhu (T), dapat juga ditentukan nilai energi gap (Eg) dari sampel melalui pengukuran konduktivitas pada berbagai suhu yang menghasilkan grafik ln σ terhadap 1/T[30]. Diimana energi gap (Eg) dapat ditentukan dari kemiringan (slope) grafik tersebut.

Gambar 4.9. Pengukuran Eg dengan dengan menggunakan perbandingan ln σ terhadap 1/T (a). Lapisan intrinsik, dan (b). Lapisan ekstrinsik. 52

Pada struktur sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H estimasi energi gap (Eg) dari sel surya yang optimum dapat dilihat pada gambar 4.10.

Gambar 4.10. Optimasi Energi gap (Eg) sel surya lapisan intrinsik ganda (Pix-iy-N) a-Si:H Dari hasil pengukuran dengan UV-Vis dan dianalisis dengan menggunakan metode Tauc’s Plot dan dengan menggunakan perbandingan ln σ terhadap 1/T memperlihatkan untuk tiap-tiap lapisan sudah memenuhi dalam upaya pengoptimasian energi gap (Eg) pada sampel sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H. 4.2.3

Sifat Listrik Sampel

Sifat listrik dari lapisan a-Si:H dapat dikarakterisasi dari konduktivitas listriknya. Uji konduktivitas listrik pada lapisan tipis ada dua macam, yaitu konduktivitas listrik gelap dan konduktivitas listrik terang. Konduktivitas listrik terang merupakan konduktivitas listrik yang diukur saat lapisan disinari oleh cahaya, baik cahaya lampu maupun cahaya matahari secara langsung. Konduktivitas terang seharusnya diukur langsung dibawar sinar matahari pada kondisi AM 1,5. Sedangkan untuk konduktivitas listrik gelap merupakan konduktivitas listrik yang diukur pada keadaan gelap tanpa ada cahaya[31]. Pada penelitian ini, uji konduktivitas listrik dilakukan di ruangan yang terang (terdapat cahaya lampu). . Pengukuran nilai konduktivitas pada sampel adalah dengan menggunakan metode empat titik (four point probe) seperti gambar dibawah ini: 53

Gambar 4.11. Rangkaian metode empat titik (four point probe). Pada pengukuran konduktivitas listrik dengan menggunakan metode empat titik (four point probe), sampel yang akan diuji dipotong dengan ukuran 1x1 cm2. Luas sampel dibuat sekecil mungkin dengan tujuan untuk mengurangi faktor koreksi dari pengukuran yang dilakukan. Selain ukuran sampel yang dibuat sekecil mungkin, bentuk sampel juga akan mempengaruhi faktor koreksi pengukuran. Apabila bentuk sampel dibuat lingkaran maka faktor koreksi pengukuran juga harus diperhatikan. Maka pada pengukuran konduktivitas listrik dengan menggunakan metode empat titik (four point probe), bentuk luasan sampel dibuat persegi dengan ukuran 1x1 cm2 dan bukan bentuk lingkaran. Ukuran sampel sebesar 1x1 cm2 maka jarak antar probe sebesar 0.25 cm.[32] Dengan mengetahui kuat arus sebesar I pada sampel dengan tebal A akan didapatkan nilai rapat arus listrik (J). Kemudian dengan mendapatkan nilai tegangan (V) dan jarak antar probe (l), akan didapatkan nilai kuat medan litrik (E). Sehingga dari, pembagian rapat arus listrik dengan kuat medan listrik akan didapkan nilai konduktivitas listrik.

J=

𝐈 𝐀

54

;

(4.1)

E= σ=

𝑽 𝒍 𝑱 𝑬

;

(4.2)

;

(4.3)

Nilai konduktivitas didapatkan dari persamaan diatas. Dari persamaan tersebut, dapat disimpulkan bahwa besarnya nila konduktivitas listrik dari suatu sampel, dipengaruhi oleh beberapa variabel. Diantaranya adalah tegangan, tebal lapisan, jarak antar probe, serta arus yang terbaca. Dengan adanya aliran arus lisrik pada dua probe terluar maka akan didapatkan nilai Tegangan (V) dari nilai tegangan yang terukur pada dua probe yang terdalam. Sedangkan untuk tebal lapisan didapatkan dari pengukuran AFM (Atomic Force Microscopy) yang tertulis pada tabel 4.4. Tabel 4.1. Hasil pengukuran konduktivitas listrik lapisan intrinsik dan lapisan ekstrinsik pada kondisi terang. No

Sampel

Tipe-p Tipe-n

Tegangan Va-b (V) 0,647 0,461

Arus I (mA) 96,2 64,3

Konduktivitas σ -3 (x10 S/cm) 1,74 3,15

1 2 3

Tipe-i1

0,847

277,2

65,1

4

Tipe-i2

0,747

176,2

35,4

5

Tipe-i3

0,844

246,2

60,6

55

Tabel 4.2. Hasil pengukuran konduktivitas listrik lapisan intrinsik dan lapisan ekstrinsik pada kondisi gelap. No

Sampel

Tipe-p Tipe-n

Tegangan Va-b (V) 0,325 0,231

Arus I (mA) 36,2 64,3

Konduktivitas σ (x10-3 S/cm) 0,48 0,85

1 2 3

Tipe-i1

0,627

147,2

0,62

4

Tipe-i2

0,541

106,1

0,31

5

Tipe-i3

0,642

142,7

0,56

Dari tabel 4.1 dan 4.2 terlihat bahwa pada lapisan ekstrinsik konduktivitas terang tidak sigifikan meningkat dari keadaan gelap. Fotorespon (ph/pd) yang merupakan rasio konduktivitas terang terhadap konduktivitas gelap menunjukkan nilai yang tidak lebih dari 101, menandakan bahwa lapisan ekstrinsik merupakan lapisan pasif. Hal ini disebabkan karena elektron dari pita valensi yang tereksitasi oleh sinar menuju pita konduksi tidak secara signifikan menambah konsentrasi elektron di pita konduksi. Berbeda dengan lapisan intrinsik yang fotoresponnya dapat mencapai 105, elektron-elektron yang tereksitasi secara signifikan menambah konsentrasi elektron di pita konduksi sehingga diamati konduktivitas terang pada tipe intrinsik seolah melonjak drastis. 4.3 Karakterisasi I-V Sel Surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H Untuk mengetahui kinerja sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H dilakukan pengukuran karakteristik arus tegangan (I-V) pada kondisi tersinari baik

56

dengan menggunakan sun simulator maupun dibawah sinar matahari langsung. Luas penampang sel surya ganda lapisan intrinsik (P-ix-iy-N) a-Si:H adalah 1 cm2. 4.3.1

Karakterisasi dengan Sun Simulator

Rancangan Sun Simulator untuk karakteristik sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H yang digunakan ditunjukkan pada gambar 4.12. Sun Simulator ini dibuat dari bahan alumunium dengan ukuran (15x15x30) cm3 dan dihubungkan dengan suatu rangkaian elektronik. Pada bagian atas ditempatkan lampu untuk mengukur karakteristik I-V dalam keadaan diberi penyinaran. Lampu yang digunakan adalah lampu Halogen Bulm dengan intensitas cahaya 46,6 mW/cm2. Dipilihnya lampu Halogen Bulm karena spektrum cahayanya yang hampir mendekati spektrum cahaya matahari.

Gambar 4.12. Rancangan sistem Sun Simulator

Hasil karakterisasi I-V dengan Sun Simulator untuk tiga sampel yang menggunakan intensitas cahaya sama, dapat dilihat pada tabel dan grafik dibawah ini. 57

Tabel 4.3. Karakterisasi I-V sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H dengan Sun Simulator. No

Sampel

Voc

Isc

Pin

Pmaks

(mV)

(mA)

(mW)

(mW)

FF

Η (%)

1

P-i1-i2-N

140,7

0,231

366

19,05

0,58

5,20

2

P-i1-i3-N

178,2

0,288

366

31,05

0,57

8,48

3

P-i2-i3-N

150,1

0,273

366

24,62

0,60

6,73

Gambar 4.13. Grafik Efisiensi Sampel pengukuran dengan Sun Simulator Pada sampel (P-i1-i3-N) diketahui mendapatkan efisiensi yang paling besar yaitu 8,48%. Dari sini dilakukan optimasi melalui perbedaan ketebalan lapisan intrinsik pada sampel (P-i1-i3-N). Hasil karakterisasi I-V sampel (P-i1-i3-N) dengan perbedaan

58

ketebalan lapisan intrinsik dengan Sun Simulator, dapat dilihat pada tabel dan grafik dibawah ini dibawah: Tabel 4.4. Karakterisasi I-V sel surya lapisan intrinsik ganda (P-i1-i3-N) a-Si:H perbedaan ketebalan lapisan intrinsik dengan Sun Simulator. No Ketebalan

Voc

Isc

Pin

Pmaks

(mV)

(mA)

(mW)

(mW)

FF

Η (%)

1

i1 < i3

164,4

0,282

366

29,18

0,62

7,97

2

i1 = i3

178,2

0,288

366

31,05

0,57

8,48

3

i1 > i3

182,1

0,298

366

32,45

0,58

8,86

Gambar 4.14. Grafik Efisiensi Sampel berdasarkan perbedaan ketebalan lapisan intrinsik pengukuran dengan Sun Simulator.

59

4.3.2

Karakterisasi dengan Sinar Matahari

Pada proses karakterisasi I-V dengan sinar matahari langsung pada prinsipnya hampir sama dengan menggunakan Sun Simulator, tetapi yang menjadi perbedaan mendasar yaitu sumber cahaya melalui sinar matahari langsung dimana intensitas cahayanya mencapai 850 mW/cm2. Prosedur karakterisasi I-V sel surya ini, dilakukan tiga kali percobaan sesui dengan jumlah sampel. Rangkaian percobaan karakterisasi IV dengan sinar matahari seperti gambar dibawah.

Gambar. 4.15. Rangkaian listrik untuk sistem pengukuran karakterisasi I-V sel surya. Hasil karakterisasi I-V dengan Sinar Matahari untuk tiga sampel yang menggunakan intensitas cahaya sama, dapat dilihat pada tabel dibawah ini.

60

Tabel 4.5. Karakterisasi I-V sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H dengan Sinar Matahari. No

Sampel

Voc

Isc

Pin

Pmaks

(mV)

(mA)

(mW)

(mW)

FF

η (%)

1

P-i1-i2-N

244,24

0,432

1144

56,96

0,54

4,97

2

P-i1-i3-N

374,60

0,586

1144

92,49

0,43

8,25

3

P-i2-i3-N

302,80

0,511

1144

69,51

0,45

6,07

Gambar 4.16. Grafik Efisiensin Sampel pengukuran dengan Sinar Matahari. Pada sampel (P-i1-i3-N) diketahui mendapatkan efisiensi yang paling besar yaitu 8,25%. Dari sini dilakukan optimasi melalui perbedaan ketebalan lapisan intrinsik pada sampel (P-i1-i3-N). Hasil karakterisasi I-V sampel (P-i1-i3-N) dengan perbedaan ketebalan lapisan intrinsik dengan Sinar Matahari, dapat dilihat pada tabel dan grafik dibawah ini ibawah: 61

Tabel 4.6. Karakterisasi I-V sel surya lapisan intrinsik ganda (P-i1-i3-N) a-Si:H perbedaan ketebalan lapisan intrinsik dengan Sinar Matahari. No Ketebalan

Voc

Isc

Pin

Pmaks

(mV)

(mA)

(mW)

(mW)

FF

Η (%)

1

i1 < i3

341,20

0,529

1144

89,14

0,49

7,79

2

i1 = i3

374,60

0,586

1144

92,49

0,42

8,25

3

i1 > i3

381,50

0,591

1144

97,18

0,43

8,49

Gambar 4.17. Grafik Efisiensin Sampel berdasarkan perbedaan ketebalan lapisan intrinsik pengukuran dengan Sinar Matahari.

Hasil karakterisasi I-V sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H menggunakan Sun Simulator dan Sinar Matahari langsung memperlihatkan 62

pengukuran yang dihasilkan pada variasi ketebalan lapisan-i antara 400-800 nm. Pada hasil penelitian sebelumnya dengan menggunakan alat PECVD yang sama dengan struktur p-i-n menghasilkan effisiensi sebesar 5,31%. Sementara dengan melakukan optimasi dengan memvariasi energy gap dan ketebalan masing-masing tiap sampel mendapatkan nilai effisiensi sebesar 8,86%. Terjadi peningkatan effisiensi yang sangat signifikan dimana hamper 70% dari yang sudah dilakukan sebelumnya. Secara keseluruhan, sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H yang dihasilkan secara umum masih memiliki nilai fill factor (FF) yang rendah, ditunjukkan dengan daya keluaran maksimum yang masih rendah. Salah satu faktor yang menjadi penyebab rendahnya nilai fill factor (FF) sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H yang dihasilkan adalah mekanisme pembentukan persambungan yang belum sempurna sehingga menciptakan keadaan-keadaan cacat pada daerah antar lapisan (interface). Diketahui bahwa sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H yang dihasilkan memiliki lima daerah persambungan, masing-masing adalah persambungan antara substrat (ITO) dengan lapisan-p, antara lapisan-p dengan lapisan-ix, antara lapisan-ix dengan lapisan-iy ,antara lapisan-iy dengan lapisan-n, dan antara lapisan-n dengan kontak logam. Jika mekanisme persambungan antar lapisan-lapisan tersebut tidak terbentuk dengan baik maka akan menciptakan keadaan-keadaan cacat pada daerah persambungan. Cacat yang terbentuk dalam setiap persambungan juga akan memberi kontribusi yang besar terhadap peningkatan nilai hambatan seri sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H tersebut. Jika hal ini terjadi, arus yang dihasilkan oleh efek penyinaran (arus foto) akan mengalami penurunan yang cepat terhadap peningkatan tegangan bias. Meskipun demikian, semua sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H yang dihasilkan telah memperlihatkan mekanisme 63

pembentukan medan listrik internal yang cukup baik, ditunjukkan oleh nilai VOC yang cukup tinggi. Sebagaimana dijelaskan di atas bahwa lapisani divais sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H memegang peranan yang paling penting dalam pemanfaatan energi foton untuk mengeksitasi pembawa muatannya dari pita valensi ke-pita konduksi serta kekuatan medan listrik yang terbentuk antara lapisan-p dan lapisan-n. Foton akan diserap lebih banyak jika lapisan aktifnya semakin tebal sehingga laju generasi pembawa muatan meningkat. Namun demikian, lapisan-i yang lebih tebal ikut memberi kontribusi atas peningkatan hambatan seri (series resistance, Rs) akibat keadaan-keadaan terlokalisasi yang juga akan mengalami peningkatan. Di sisi yang lain, lapisan-i yang terlalu tipis akan menyebakan melemahnya medan listrik yang terbentuk antara lapisan-p dan lapisan-n. Gambar 4.18 memperlihatkan ilustrasi distribusi potensial pada sel surya a-Si:H dengan lapisan-i yang lebih tipis dan yang lebih tebal. Hal inilah yang menjadi pertimbangan utama sehingga ketebalan lapisan-i perlu dioptimasi sebelum fabrikasi sel surya dilakukan.

Gambar 4.18. Ilustrasi perbedaan distribusi potensial pada sel surya a-Si:H dengan lapisan-i yang tipis (a) dan yang tebal (b).[33] Selain hambatan seri, faktor lain yang mempengaruhi karakteristik sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H adalah nilai hambatan langsir (shunt 64

resistance, Rsh). Hambatan ini berkaitan dengan proses rekombinasi pembawa muatan dari pita konduksi ke pita valensi. Dalam sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H, rekombinasi antar pita tidak diharapkan karena akan menurunkan aliran elektron (aliran arus) dari lapisan-n ke lapisan-p[34]. Namun demikian, gejala ini tidak dapat dihindari pada sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H karena material a-Si:H memiliki keadaan-keadaan terlokalisasi pada daerah celah pita energi (bandgap) dimana keadaan ini akan memperbesar kemungkinan terjadinya rekombinasi antar pita. Oleh karena itu, sel surya ideal memiliki nilai Rsh yang sangat besar dan nilai Rs yang sangat kecil. Efek perubahan nilai Rs dan Rsh terhadap karakteristik sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H diilustrasikan pada gambar 4.19.

Gambar 4.19. Ilustrasi pengaruh Rs (a) dan Rsh (b) terhadap karakteristik sel surya berbasis a-Si:H.

65

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1.Kesimpulan Dari hasil penelitian yang berjudul “Fabrikasi Sel Surya Berbasis a-Si:H Lapisan Intrinsik Ganda (P-ix-iy-N) dengan PECVD dan Analisis Efisiensinya” dapat diperoleh kesimpulan sebagai berikut: 1. Telah berhasil dilakukan fabrikasi sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H dengan menggunakan metode RF-PECVD. 2. Berdasarkan rasio perbandingan hidrogen dan silan, R=H2/SiH4 yang bervariasi, dengan menggunakan pengujian melalui UV-Vis maupun melalui pengukuran konduktivitas pada berbagai suhu yang menghasilkan grafik ln σ terhadap 1/T didapatkan variasi energi gap untuk masing-masing lapisan intrinsik. 3. Dari pengukuran konduktivitas listrik dari masing-masing sampel terlihat bahwa, fotorespon (ph/pd) lapisan ekstrinsik yang merupakan rasio konduktivitas terang terhadap konduktivitas gelap menunjukkan nilai yang tidak lebih dari 101, sedangkan fotorespon (ph/pd) lapisan instrinsik dapat mencapai 105. Ini menandakan bahwa lapisan ekstrinsik merupakan lapisan pasif, sedangkan lapisan intrinsik merupakan lapisan aktif. 4. Berdasarkan karakterisasi I-V sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H yang diperoleh dalam penelitian ini, mendapatkan efisiensi konversi yang cukup baik (8,86%). Meskipun demikian, karakteristik I-V sel surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H yang dihasilkan dalam penelitian ini masih memperlihatkan nilai fill factor (FF) yang masih rendah. Kemungkinan paling besar yang menyebabkan rendahnya nilai fill factor 66

(FF) tersebut adalah mekanisme persambungan pada daerah-daerah antar lapisan (interface) yang belum sempurna sehingga menciptakan keadaankeadaan cacat pada daerah-daerah tersebut.

5.2. Saran Diperlukan studi yang lebih lanjut untuk mengkaji mekanisme pembentukan persambungan antar lapisan (interface) sel surya dalam kaitannya dengan karakteristik I-V yang dihasilkan.

67

DAFTAR PUSTAKA [1] S. Manan, “ENERGI MATAHARI, SUMBER ENERGI ALTERNATIF YANG EFFISIEN, HANDAL DAN RAMAH LINGKUNGAN DI INDONESIA,” Gema Teknol., 2009. [2] D. Septiadi, P. Nanlohy, M. Souissa, and F. Y. Rumlawang, “PROYEKSI POTENSI ENERGI SURYA SEBAGAI ENERGI TERBARUKAN (STUDI WILAYAH AMBON DAN SEKITARNYA),” J. Meteorol. Dan Geofis., vol. 10, no. 1, Jul. 2009. [3] S. M. de Nicolas, “a-Si : H/c-Si heterojunction solar cells : back side assessment and improvement,” phdthesis, Université Paris Sud - Paris XI, 2012. [4] K. Takahashi and M. Konagai, “Amorphous silicon solar cells,” Jan. 1986. [5] K. Surana, “Towards silicon quantum dot solar cells : comparing morphological properties and conduction phenomena in Si quantum dot single layers and multilayers,” phdthesis, Université Grenoble Alpes, 2011. [6] E. J. Cotts, “Hydrogenated amorphous silicon,” Solid State Ion., vol. 57, no. 1, p. 173, Sep. 1992. [7] J. I. Pankove, “Amorphous silicon-amorphous silicon carbide photovoltaic device,” US4109271 A, 22-Aug-1978. [8] J. Poortmans and V. Arkhipov, Thin Film Solar Cells: Fabrication, Characterization and Applications. John Wiley & Sons, 2006. [9] “Crystallized Si films by low‐temperature rapid thermal annealing of amorphous silicon,” J. Appl. Phys., vol. 65, no. 5, pp. 2069–2072, Mar. 1989. [10]K. Hattori, T. Mori, H. Okamoto, and Y. Hamakawa, “Photothermal modulation spectroscopy of multilayered structures of amorphous silicon and amorphous silicon carbide,” Phys. Rev. Lett., vol. 60, no. 9, pp. 825–827, Feb. 1988. [11]W. B. Jackson, S. M. Kelso, C. C. Tsai, J. W. Allen, and S.-J. Oh, “Energy dependence of the optical matrix element in hydrogenated amorphous and crystalline silicon,” Phys. Rev. B, vol. 31, no. 8, pp. 5187–5198, Apr. 1985. [12]P. D. Maycock, “Thermal conductivity of silicon, germanium, III–V compounds and III–V alloys,” Solid-State Electron., vol. 10, no. 3, pp. 161–168, Mar. 1967. [13]B. L. Zink, R. Pietri, and F. Hellman, “Thermal Conductivity and Specific Heat of Thin-Film Amorphous Silicon,” Phys. Rev. Lett., vol. 96, no. 5, p. 055902, Feb. 2006.

68

[14]J. L. Feldman, M. D. Kluge, P. B. Allen, and F. Wooten, “Thermal conductivity and localization in glasses: Numerical study of a model of amorphous silicon,” Phys. Rev. B, vol. 48, no. 17, pp. 12589–12602, Nov. 1993. [15]W. E. Spear and P. G. Le Comber, “Substitutional doping of amorphous silicon,” Solid State Commun., vol. 17, no. 9, pp. 1193–1196, Nov. 1975. [16]F. Dimroth and S. Kurtz, “High-Efficiency Multijunction Solar Cells,” MRS Bull., vol. 32, no. 3, pp. 230–235, Mar. 2007. [17]“Luminescence quenching in erbium‐doped hydrogenated amorphous silicon,” Appl. Phys. Lett., vol. 68, no. 1, pp. 46–48, Jan. 1996. [18]S. Guha, J. Yang, and B. Yan, “High efficiency multi-junction thin film silicon cells incorporating nanocrystalline silicon,” Sol. Energy Mater. Sol. Cells, vol. 119, pp. 1–11, Dec. 2013. [19]“Study of photoluminescence in nanocrystalline silicon/amorphous silicon multilayers,” Appl. Phys. Lett., vol. 66, no. 4, pp. 469–471, Jan. 1995. [20]P.-K. Chang, P.-T. Hsieh, C.-H. Lu, C.-H. Yeh, and M.-P. Houng, “Development of high efficiency p–i–n amorphous silicon solar cells with the p-μc-Si:H/p-aSiC:H double window layer,” Sol. Energy Mater. Sol. Cells, vol. 95, no. 9, pp. 2659–2663, Sep. 2011. [21]P. G. Le Comber and W. E. Spear, “Electronic Transport in Amorphous Silicon Films,” Phys. Rev. Lett., vol. 25, no. 8, pp. 509–511, Aug. 1970. [22]I. Martil and G. G. Diaz, “Determination of the dark and illuminated characteristic parameters of a solar cell from I-V characteristics,” Eur. J. Phys., vol. 13, no. 4, p. 193, 1992. [23]Y. H. Muoy, J. P. Charles, and M. Adbelkrim, “Reliable and economical circuit IV characterization solar cells,” Am. J. Phys., vol. 49, no. 5, pp. 508–509, May 1981. [24]P. Mialhe and J. Charette, “Experimental analysis of I–V characteristics of solar cells,” Am. J. Phys., vol. 51, no. 1, pp. 68–70, Jan. 1983. [25]“The nanostructure of hydrogenated amorphous silicon, examined by means of thermal annealing and light soaking | TU Delft Repositories.” [Online]. Available: http://repository.tudelft.nl/islandora/object/uuid:6010be83-0d7b-4595-bc399ca4b044e7fe/?collection=research. [Accessed: 05-Oct-2016]. [26]P. Roca i Cabarrocas, “Plasma enhanced chemical vapor deposition of silicon thin films for large area electronics,” Curr. Opin. Solid State Mater. Sci., vol. 6, no. 5, pp. 439–444, Oct. 2002. 69

[27]R. Swanepoel, “Determination of the thickness and optical constants of amorphous silicon,” J. Phys. [E], vol. 16, no. 12, p. 1214, 1983. [28]“Atomic force microscope lithography using amorphous silicon as a resist and advances in parallel operation,” J. Vac. Sci. Technol. B Microelectron. Nanometer Struct. Process. Meas. Phenom., vol. 13, no. 3, pp. 1380–1385, May 1995. [29]R. Biswas, A. M. Bouchard, W. A. Kamitakahara, G. S. Grest, and C. M. Soukoulis, “Vibrational Localization in Amorphous Silicon,” Phys. Rev. Lett., vol. 60, no. 22, pp. 2280–2283, May 1988. [30]D. R. Clarke, M. C. Kroll, P. D. Kirchner, R. F. Cook, and B. J. Hockey, “Amorphization and Conductivity of Silicon and Germanium Induced by Indentation,” Phys. Rev. Lett., vol. 60, no. 21, pp. 2156–2159, May 1988. [31]Y. H. Lee, R. Biswas, C. M. Soukoulis, C. Z. Wang, C. T. Chan, and K. M. Ho, “Molecular-dynamics simulation of thermal conductivity in amorphous silicon,” Phys. Rev. B, vol. 43, no. 8, pp. 6573–6580, Mar. 1991. [32]“Aluminum-induced crystallization of amorphous silicon on glass substrates above and below the eutectic temperature,” Appl. Phys. Lett., vol. 73, no. 22, pp. 3214– 3216, Nov. 1998. [33]I. Usman and T. Winata, “Pengaruh Ketebalan Lapisan Aktif terhadap Karakteristik Sel Surya Berbasis a-Si:H yang Ditumbuhkan dengan Teknik HWCVHF-PECVD,” J. Mat. Sains, vol. 13, no. 4, pp. 109–113, Dec. 2009. [34]E. Purwandari and T. Winata, “Optimasi Tekanan Deposisi dalam Simulasi Efisiensi Sel Surya Berbasis Material a-Si:H,” GRADIEN, vol. 8, no. 1, pp. 716– 721, 2012.

70

LAMPIRAN a. HASIL PENGUJIAN I-V Sel Surya lapisan intrinsik ganda (P-ix-iy-N) a-Si:H Pengukuran Dengan Sun Simulator

5 3

1

Pengukuran Dengan Sinar Matahari

71

 Karakterisasi I-V Sampel pertama (P-i1-i2-N) Sampel

Tipe

P

i1

Pertama

i2

N

Parameter Pembentuk Laju SiH4

20 sccm

Laju B2H6

2 sccm

Laju H2

40 sccm

Daya RF

5 Watt

Temperatur

210oC

Tekanan

4800 mTorr

Waktu

10 Menit

R H2/SiH4

0

Daya RF

10 Watt

Temperatur

270oC

Tekanan

2000 mTorr

Waktu

140 Menit

R H2/SiH4

16

Daya RF

10 Watt

Temperatur

270oC

Tekanan

2000 mTorr

Waktu

90 Menit

Laju SiH4

20 sccm

Laju PH4

5 sccm

Laju H2

20 sccm

Daya RF

5 Watt

Temperatur

210oC

Tekanan

5300 mTorr

Waktu

10 Menit

72

Eg

Ketebalan

2,0 eV

35 nm

1,9 eV

300 nm

1,68 eV

300 nm

2,2 eV

65 nm

Gambar

Sun Simulator Ƞ: 5.20%

Sinar Matahari Ƞ: 4.97%

 Karakterisasi I-V Sampel Kedua (P-i1-i3-N)

Sampel

Tipe

P

i1


20 sccm

Laju B2H6

2 sccm

Laju H2

40 sccm

Daya RF

5 Watt

Temperatur

210oC

Tekanan

4800 mTorr

Waktu

10 Menit

R H2/SiH4

0

Daya RF

10 Watt

Temperatur

270oC

Tekanan

2000 mTorr

Waktu

140 Menit

73

Eg

Ketebalan

2,0 eV

35 nm

1,9 eV

300 nm

Gambar

Kedua

i3

N

R H2/SiH4

36

Daya RF

5 Watt

Temperatur

250oC

Tekanan

2000 mTorr

Waktu

100 Menit

Laju SiH4

20 sccm

Laju PH4

5 sccm

Laju H2

20 sccm

Daya RF

5 Watt

Temperatur

210oC

Tekanan

5300 mTorr

Waktu

10 Menit


1,46 eV

300 nm

2,2 eV

65 nm


74

 Karakterisasi I-V Sampel Ketiga (P-i2-i3-N) Sampel

Tipe

P

i2

Ketiga

i3

N


20 sccm

Laju B2H6

2 sccm

Laju H2

40 sccm

Daya RF

5 Watt

Temperatur

210oC

Tekanan

4800 mTorr

Waktu

10 Menit

R H2/SiH4

16

Daya RF

10 Watt

Temperatur

270oC

Tekanan

2000 mTorr

Waktu

90 Menit

R H2/SiH4

36

Daya RF

5 Watt

Temperatur

250oC

Tekanan

2000 mTorr

Waktu

100 Menit

Laju SiH4

20 sccm

Laju PH4

5 sccm

Laju H2

20 sccm

Daya RF

5 Watt

Temperatur

210oC

Tekanan

5300 mTorr

Waktu

10 Menit

75

Eg

Ketebalan

2,0 eV

35 nm

1,68 eV

300 nm

1,46 eV

300 nm

2,2 eV

65 nm

Gambar



4.3.1.2 Karakterisasi I-V Sampel (P-i1-i3-N) berdasarkan ketebalan lapisan intrinsik dengan Sun Simulator Sampel

Tipe

P

i1


20 sccm

Laju B2H6

2 sccm

Laju H2

40 sccm

Daya RF

5 Watt

Temperatur

210oC

Tekanan

4800 mTorr

Waktu

10 Menit

R H2/SiH4

0

Daya RF

10 Watt

Temperatur

270oC

Tekanan

2000 mTorr

76

Eg

Ketebalan

2,0 eV

35 nm

1,9 eV

100 nm

Gambar

Waktu

40 Menit

Keempat

R H2/SiH4

36

Ketebalan

Daya RF

5 Watt

Temperatur

250oC

Tekanan

2000 mTorr

Waktu

200 Menit

Laju SiH4

20 sccm

Laju PH4

5 sccm

Laju H2

20 sccm

Daya RF

5 Watt

Temperatur

210oC

Tekanan

5300 mTorr

Waktu

10 Menit

(i1 < i3)

i3

N

Sampel

Tipe

P

i1


20 sccm

Laju B2H6

2 sccm

Laju H2

40 sccm

Daya RF

5 Watt

Temperatur

210oC

Tekanan

4800 mTorr

Waktu

10 Menit

R H2/SiH4

0

Daya RF

10 Watt

Temperatur

270oC

Tekanan

2000 mTorr

Waktu

240 Menit

77

1,46 eV

500 nm

2,2 eV

65 nm

Eg

Ketebalan

2,0 eV

35 nm

1,9 eV

500 nm

Gambar

Kelima

R H2/SiH4

36

Ketebalan

Daya RF

5 Watt

Temperatur

250oC

Tekanan

2000 mTorr

Waktu

20 Menit

Laju SiH4

20 sccm

Laju PH4

5 sccm

Laju H2

20 sccm

Daya RF

5 Watt

Temperatur

210oC

Tekanan

5300 mTorr

Waktu

10 Menit

(i1 > i3)

i3

N

1,46 eV

100 nm

2,2 eV

65 nm

SUN SIMULATOR

78

No

Ketebalan

Voc

Isc

Pin

Pmaks

(mV)

(mA)

(mW)

(mW)

FF

Η (%)

1

i1 < i3

164,4

0,282

366

29,18

0,62

7,97

2

i1 = i3

178,2

0,288

366

31,05

0,57

8,48

3

i1 > i3

182,1

0,298

366

32,45

0,58

8,86

FF

Η

SINAR MATAHARI

No

Ketebalan

Voc

Isc

Pin

Pmaks

(mV)

(mA)

(mW)

(mW)

(%)

1

i1 < i3

341,20

0,529

1144

89,14

0,49

7,79

2

i1 = i3

374,60

0,586

1144

92,49

0,42

8,25

3

i1 > i3

381,50

0,591

1144

97,18

0,43

8,49

79

b. Alat Pengujian UV-Vis

c. Alat Pengujian AFM

80

d. Pengukuran Konduktivitas (Four Point Probe)

e. Pengukuran Eg, Melalui Pengukuran Konduktivitas terhadap Suhu.

81

BIBLIOGRAFI PENULIS

Penulis dilahirkan di Aceh Timur, Aceh pada tanggal 02 Januari 1990. Penulis menempuh pendidikan formal di SD Negeri 101741 Medan (1998 - 2002), SMP Negeri Alue ie Itam Indra Makmur, Aceh Timur (2002 - 2005), SMA Negeri 1 Susoh, Aceh Barat Daya (2005 - 2008). Pendidikan Strata 1 ditempuh di Jurusan Pendidikan Fisika Universitas Syiah Kuala (Unsyiah) Banda Aceh (2008 - 2012). Selama masa kuliah, penulis aktif menjadi asisten Lab. Eksperimen, Lab. Fisika Dasar I & II, Lab Fisika Modern dan Fisika Lanjut. Penulis juga menjadi Laboran di Laboratorium Fisika selama 2 tahun sebelum melanjutkan studi ke program Magister. Kemudian selama 2 tahun penulis melanjutkan studi di program Magister Departemen Fisika FMIPA Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya dengan beasiswa pendidikan Indonesia (BPI) LPDP Magister dalam Negeri.

Penulis pada masa

perkuliahan program magister juga masih aktif di dalam kegiatan sosial, diantaranya diamanahkan menjadi Ketua departemen PSDM di Himpunan Mahasiswa Pascasarjana (HMP) ITS pada tahun 2016 dan aktivitas-aktivitas sosial lainnya.

82

FABRIKASI SEL SURYA BERBASIS a-si:h LAPISAN INTRINSIK GANDA (P-ix-iy-N) DENGAN PECVD DAN ANALISIS EFISIENSINYA

Recommend Documents