Simulasi Peranti Model Basis Sel Surya … Mara Bangun Harahap
SIMULASI PERANTI MODEL BASIS SEL SURYA p+-n-n+ (x) PENDOPINGAN TINGGI Mara Bangun Harahap Staf Pengajar Jurusan Fisika FMIPA Unimed
Abstrak: Kecepatan rekombinasi permukaan efektif SEFF model basis sel surya hubungan tinggi-rendah berdistribusi ketidakmurnian kerapatan doping fungsi pangkat telah diteliti. Model diterapkan pada hubungan nn+(x) sel surya dengan memakai masukan data eksperimen sempitan celah pita energi, waktu hidup dan mobilitas. Simulasi peranti model mengungkap: (a) kecepatan rekombinasi efektif SEFF nyata membatasi voltasi rangkaian terbuka Voc dan kerapatan arus rangkaian hubung singkat JSC sel surya kristal silikon medan permukaan p+-n-n+ (x), serta (b) sempitan celah pita energi penting dalam memanifestasi batas tersebut.
Abstract: A theoretical model of solar cell to calculate the effective surface recombination velocity (SEFF) with a power doping density profile impurity distribution was investigated. The model is applied to n-n+(x) junctions solar cell using experimental data of bandgap energy narrowing, lifetime and mobility. The model imply that (a) effective surface recombination velocity significantly limits the open circuit voltage VOC and the short circuit current density JSC of p+-n-n+ (x) back surface field crystal silicon solar cel, and (b) energy bandgap narrowing is important in the manifestation of these limitations.
I. Pendahuluan 1.1 Latar Belakang Masalah Penelitian sel surya pada dasarnya difokuskan pada dua tujuan utama: pertama, untuk memperoleh model sel surya efisiensi tinggi dengan memanfaatkan teknologi canggih; kedua, untuk memperoleh model sel surya efisiensi rendah dengan memanfaatkan teknologi produksi konsumsi massa. Tujuan manapun yang diprioritaskan, penelitian selalu dimulai dengan mengembangkan model sel surya yang akan diteliti. Pemakaian program komputer sebagai pendukung pengembangan teknologi mikroroelektronika menimbulkan dampak positip pada pengembangan desain sel surya. Program komputer dapat memperpendek siklus pengembangan, dan pada gilirannya dapat mengurangi biaya pengembangan. Dengan simulasi komputer, para pendesain model sel surya dapat mengungkap sifat fisika dari proses dan karakteristik model sel surya yang disimulasikan tersebut. Simulasi komputer dapat mengganti pengujian eksperimen yang mahal. Selain itu, simulasi komputer dapat memeriksa operasi dalam di dalam sebarang peranti dengan mempergunakan simulasi ganda (Penumalli, 1986: 2-3). Harahap (1992: 50-67) telah meneliti solusi transpor pembawa minoritas material silikon kristal yang didoping tinggi berdasarkan pada analisis yang dilakukan Verhoef et al (1990: 19-28). Penelitian yang dilakukan Harahap terutama untuk melihat efek pengikutan parameter-parameter yang belum dimasukkan Verhoef et al dalam analisis mereka. Harahap menyelesaikan masalah kontinuitas pembawa minoritas dan persamaan arus untuk daerah silikon kristal tipe N yang didoping tinggi tak uniform. Solusi yang diperoleh Harahap berbentuk persamaan arus yang bebas integral dan iterasi,
sehingga sifat fisika dapat dianalisis berdasarkan parameter-parameter yang tercakup dalam persamaan. Berdasarkan temuannya itu, Harahap (1993; 6-10) menerapkan solusi tersebut untuk memodel emiter sel surya memakai profil pendopingan fungsi eksponen. Untuk pendopingan fungsi pangkat, Sudiati et al (1993: 24-39) telah memodel emiter sel surya silikon kristal tipe N. Pada penelitan selanjutnya, Harahap (1994: 81-86) meneliti model basis sel surya memakai daerah medan permukaan belakang (Back Surface Fields: BSF) dengan pendopingan profil fungsi eksponen. Penelitian tersebut ditujukan untuk memperoleh model yang paling optimal dalam memaksimalkan voltase rangkaian terbuka sel surya. Berdasarkan uraian di atas dapat disimpulkan bahwa sejak Verhoef et al mempublikasikan hasil penelitiannya pada 1990, ada sedikitnya empat buah penelitian lain yang menganalisis lebih lanjut hasil pekerjaan Verhoef et al tersebut. Hasil penelitian lanjutan tersebut semuanya menunjukkan adanya kenaikan voltasi rangkaina terbuka sel surya, yang pada dasarnya akan menaikkan efisiensi sel surya. Namun, informasi tentang voltase rangkaian terbuka untuk model basis sel surya silikon kristal pendopingan tinggi memakai profil doping fungsi pangkat belum ada dipublikasikan pada saat penelitian ini dirancang. Dengan demikian, penelitian ini dilakukan untuk meneliti masalah penentuan model basis daerah medan permukaan belakang sel surya silikon kristal pendopingan tinggi memakai profil doping fungsi pangkat yang paling optimal dalam memaksimalkan voltase rangkaian terbuka sel surya.
43
Jurnal Sistem Teknik Industri Volume 6, No. 5 November 2005
1.2 Perumusan Masalah Penelitian ini dibatasi dengan merumuskan masalah sebagai berikut: Bagaimanakah model basis daerah permukaan belakang sel surya silikon kristal pendopingan tinggi memakai profil doping fungsi pangkat yang paling optimal dalam memaksimalkan voltase rangkaian terbuka sel surya? 1.3 Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk: (a) menganalisis hubungan kecepatan rekombinasi permukaan belakang efektif dengan kerapatan doping permukaan belakang untuk suatu ketebalan daerah pendopingan tinggi, dan (b) menganalisis hubungan voltase rangkaian terbuka terhadapa fungsi kecepatan rekombinasi permukaan belakang efektif sel surya silikon kristal pendopingan tinggi memakai profil doping fungsi pangkat. 1.4 Manfaat Penelitian Temuan penelitian diharapkan bermanfaat sebagai: (a) informasi tentang pengembangan perangkat lunak (program komputer) simulasi peranti yang berguna untuk mengganti suatu eksperimen yang mahal di bidang teknologi sel surya, dan (b) informasi tentang parameter-parameter fisis perancangan peranti sel surya sebelum fabrikasi dilakukan dan informasi tentang sel surya yang dapat dioptimasi sedininya dalam siklus pengembangan produk sel surya. II. Tinjauan Pustaka 2.1 Persamaan Transpor Pembawa Minoritas dalam Material Silikon Kristal Doping Tinggi Pada bagian ini diuraikan persamaan transpor pembawa minoritas bahan silikon kristal tipe N berdasarkan pada hasil analisis Harahap (1992), yang menghasilkan solusi umum untuk bahan tersebut. Asumsi yang diajukan dalam menentukan solusi: (a) parameter-parameter transpor hanya merupakan fungsi kedalaman (x) dalam material, sehingga transpor dapat diperlakukan dalam satu dimensi; (b) pembahasan dalam kondisi kuasi netral dan injeksi rendah, sehingga hanya diperlakukan untuk pembawa minoritas saja; dan (c) peranti yang dibahas dalam keadaan tunak. Himpunan persamaan yang harus ditentukan solusinya adalah sebagai berikut:
44
J(x) = Jdiff + Jdrift = - e D
dp +e μp dx
1 d p J+ =0 τ e dx d 1 d E = - VT ln (N) + ΔE G dx e dx -k τ (N) = K N μ (N) = M N -m N ΔE G = e f VT ln [ ] N0
(2.1) (2.2) (2.3) (2.4) (2.5) (2.6)
Pada persamaan 2.1 sampai dengan persamaan 2.6 arti simbol adalah sebagai berikut: J menyatakan kerapatan arus, yang terdiri dari jumlah kerapatan arus difusi Jdiff dan kerapatan arus hanyut Jdrift; menyatakan mobilitas hole; menyatakan waktu hidup rekombinasi hole; D menyatakan diffusitas hole; p menyatakasn kerapatan hole; N menyatkan kerapatan doping; menyatakan sempitan sela pita energi yang muncul; E menyatakan medan listrik; e menyatakan besar muatan elektron; menyatakan voltase termal, dimana K, k, M,m, N0 adalah konstanta (besarnya secara lengkap dapat dilihat pada Harahap (1992:83-85). Penurunan dan penentuan solusi himpunan persamaan di atas untuk profil doping fungsi pangkat yang akan diteraspkan dlam penelitian ini dapat dilihat pada Verhoef (1990), Verhoef dan Sinke (1990) dan Harahap (1992).
2.2 Model Basis Sel Surya p+-n-n+ (x) Pendopingan Tinggi Pada penelitian ini model sel surya diajukan berdasarkan hasil analisis literatur (Penumalli, 1986; Fichner, 1988; Verhoef, 1990; Roulston, 1990; Harahap, 1992). Model ini belum diwujudkan dalam eksperimen. Namun, menurut perkiranan peneliti dengan didukung oleh penemuan peneliti lain, model ini mempunyai keuntungan dari segi kemudahan analisis. Hal ini karena model ini mengandung persamaan trasnpor yang tidak mengandung integral lipat sehingga sifat fisisnya transparan untuk dianalisis. Dari segi permasalahan penelitianini, model yang diajukan belum pernah diteliti secara tuntas, sehingga cocok untuk diteliti lebih lanjut. Model sel surya yang memakai profil doping fungsi pangkat layak untuk diteliti, untuk memperoleh gambaran luas tentang model-model sel surya yang memakai profil doping fungsi pangkat. Model teoretik sel surya p+-n-n+ (x) serta asumsi profil doping yang diajukan dapat dilihat pada gambar di bawah ini.
Simulasi Peranti Model Basis Sel Surya … Mara Bangun Harahap
IV
III
I’
I
II n+(x)
n
P
+
NS
NE NB
NBSF (x)
Keterangan: I : Daerah muatan ruang (space charge region) antara daerah basis n dengan daerah kuasi netral medan permukaan belakang (back surface field: BSF) n+ (x); I’ : Daerah muatan ruang antar daerah emiter p+ dengan daerah basis n; II : Daerah BSF n+(x); III : Daerah basis n; IV : Daerah emiter p+; : Konsentrasi doping emiter p+ (pendopingan tinggi uniform); NE NB : Konsentrasi doping basis n (pendopingan rendah uniform) NBSF (x) : Konsentrasi doping basis BSF n+(x) (pendopingan tinggi tak uniform, profil doping fungsi pangkat); NS : Konsentrasi doping pada permukaan belakang basis BSF n+(x).
III Metode Penelitian 3.1 Sifat Penelitian Penelitian ini bersifat eksploratif. Dengan demikian dalam penelitian ini tidak diajukan hipotesis penelitian. Penelitian ini menggabungkan pendekatan fisika teoretik dan fisika komputasional dalam pengembangan fisika semikonduktor sub bidang sel surya. Parameter-parameter empiris yang disdur dari berbagai literatur dihjadikan sebagai masukan simulasi peranti. 3.2 Variabel Penelitian Dalam penelitian ini ada tiga jenis variabel, yakni: variabel bebas, variabel terikat dan variabel moderator. Variabel bebas adalah kecepatan rekombinssi pada permukaan belakang sel surya. Variabel terikat adalah beda potensisla rangkaian terbuka sel surya. Variabel moderator adalah variabel yang juga berpengaruh pada beda potensial rangkaian terbuka sel surya, tetapi pengaruhnya tidak langsung. Variabel moderator berpengaruh langsung terhadap semua parameter-parameter masukan simulasi peranti. Variabel moderator dalm penelitian ini adalah x (kedalaman dalam bahan semikonduktor). Semua parameter-parameter yang terlibat pada setiap model matematis dalam simulasi peranti bergantung pada x. 3.3 Alat/teknik Pengumpulan Data Data dikumpulkan dengan memakai metode numerik pada simulasi peranti untuk model sel surya yang dikemukakan dalam penelitian ini. Masukan-
masukan untuk simulasi peranti dengan model sel surya seperti ini adalah parameter-parameter persamaan transpor muatan minoritas. Ketelitian data yang diperoleh dengan metode numerik diketahui melalui teori ketidakpastian metode numerik yang dipakai.
3.4 Teknik Analisis Data a. Diplot (oleh komputer) hubungan antara voltase rangkaian terbuka sebagai fungsi kecepatan rekombinasi permukaan Metode numerik sebagaimana dikemukakan di atazs digunakan untuk menentukan arus dalam keadaan gelap berdasakan solusi numerik yang diterapkan pada model sel surya dalam penelitian ini. b. Besar nilai-nilai parameter-parameter tertentu yang diharapkan dapat menunjukkan pengaruh pada sifat peranti ditabelkan untuk melihat keadaan-keadaan khusus c. Dianalisis hasil simulasi peranti dengan cara membandingkannya dengan hasil simulasi peranti yang telah ditemukan penelitia lain 9 merujuk ke literatur). Analisis dilakukan berdasarkan pada teori fisika yang relevan. IV Temuan Penelitian dan Pembahasan 4.1 Temuan Penelitian Luaran simulasi peranti yang merupakan hubungan (a) SEFF terhadap NB (W) {kerapatan doping permukaan belakang) dan (b) VOC terhadap SEFF dicantumkan pada gambar 4.1 dan gambar 4.2 berikut ini; 45
Jurnal Sistem Teknik Industri Volume 6, No. 5 November 2005
Gambar 4.1 Hubungan antara SEFF dengan Kerapatan Doping Fungsi Pangkat
Gambar 4.2 Hubungan antara VOC dengan SEFF dengan Kerapatan Doping Fungsi Pangkat
46
Simulasi Peranti Model Basis Sel Surya … Mara Bangun Harahap
4.2 Pembahasan Gambar 4.1 mengungkapakan hasil perhitungan SEFF terhadap kecepatan rekombinasi permukaan belakang Sb yang berbeda-beda pada permukaan lapisan n+(x) yangmempunyai ketebalan 1 . Dapat diamati untuk Sb besar ternyata SEFF berkurang terhadap kenaikan konsentrasi.doping permukaan. Hal ini karena rekombinasi pada kontak belakang merupakan mekanisme rekombinasi utama. Pada Sb rendah (kecil0, ternyata rekombinasi pada lapisan dominan, karena itu tingkat doping menaikkan SEFF.
Gambar 4.4 Hubungan antara SEFF dengan Kerapatan Doping Fungsi Eksponen
Gambar 4.3 Hubungan antara SEFF dengan Kerapatan Doping Fungsi Eror Alamo (1981) memakai profil doping lapisan tinggi rendah yang berbeda dengan yang dipakai dalam penelitian ini (Lihat Gambar 4.3) Dapat diamati, bahwa gejala pada temuan penelitian ini (gambar 4.1) secara umum bersesuaian dengan hasil penelitian Alamo (gambar 4.3). Perbedaan kedua temuan penelitian adalah dalam nilai parameterparameter. Dapat dilihat bahwa nilai SEFF pada penelitian ini lebih rendah. Dengan demikian, secara fisika dapat ditafsirkan bahwa performan model sel surya pada penelitian ini lebih baik dari pada temuan penelitian alamo. Gambar 4.2 mengungkapakan luaran simulasi peranti penelitian ini yang menggambarkan hubungan voltase rangkaian terbuka VOC dengan SEFF. Alamo memperoleh batas atas voltse rangkaian terbuka sebesar 615 mV (lihat gambar 4.3). ternyata batas atas voltase rangkaian terbuka pada penelitian ini (gambar 4.2) lebih besar. Hal ini dapat ditafsirkan bahwa model sel surya pada penelitian ini mempunyai peluang lebih besarmencaopai efisiensi yang lebih tinggi jika diwujudkan dalam sampel dibandingkan dengan model yang didesain Alamo et al (1981).
Gambar 4.5
Hubungan antara Voc dengan SEFF dengan profil doping fungsi eksponen
47
Jurnal Sistem Teknik Industri Volume 6, No. 5 November 2005
Secara teroretik telah diketahui bahwa efisiensi sel surya dibatasi oleh rekombinasi permukaan belakang sel surya (Overstaeten dan Mertens, 1986). Berdasarkan faktor pembatas tersebut, rancangan model sel surya biasanya memakai daerah medan permukaan belakang, seperti dilakukan pada penelitian ini. Temuan penelitian ini memperbanyak informasi tentang model-model sel surya silikon kristzl yang mempunyai peluang besar untuk dipakai sebagai model sel surya efisiensi tinggi. Temuan penelitian ini mendukung temuan penelitian lain yang telah lebih dulu memakai hubungan tinggi rendah pada sisi belakang sel surya untuka menaikkan pemantulan pembawa minoritas yang dicerminkan oleh nilai kecepatan rekombinasi permukaan efektif sel surya. Ditemukan pula SEFF selalu lebih tinggi dari 100 cm/s-1 (pada penelitian ini selalu lebih tinggi dari 80 cm/s-1, lihat gambar 4.2). Secara teoretik harga SEFF hanya dapat dikurangi dengan cara mereduksi kecepatan rekombinasi permukaan belakang Sb (diungkapkan gambar 4.4 (penelitian ini) dan gambar 4.5 (hasil penelitian pembanding) Sebagai perbandingan laian, pada gambar 4.4 dan 4.5 dicantumkan hasil simulasi peranti untuk profil doping fungsi eksponen (Harahap, 19940 yang bersesuaian dengan hasil penelitianini.
V. Simpulan dan Saran Suatu model teoretis untuk menentukan kecepatan rekombinasi permukaan belakang efektif pada hubungan tinggi-rendah memakai pendopingan fungsi pangkat telah digunakan dalam mendesain sel surya medan permukaan belakang. Desain sel surya tersebut mempunyai sifat fisika yang menunjukkan kecenderungan menghasilakan SEFF (kecepatan rekombinasi permukaan belakang efektif) yang lebih kecil dibandingkan temuan penelitian lain yang memakai profil doping fungsi eror. Temuan penelitian menggmbarkan tidak adanya konsentrasi (kerapatan) ketidakmurnian permukaan yang mempunyai nilai optimum (lihat gambar 4.2. Temuan penelitian juga menggambarkan secara umum tentang desain sel surya yang memakai model teoetis kecepatan rekombinasi permukaan belakang efektif seperti yang dikembangkan pada penelitian ini mempunyai sifat yang lebih menguntungkan (lihat gambar 4.1) dan gambar (4.2) dibandingkasn temuan penelitian pembanding (lihat gambar 4.3. gambar 4.4 dan gambar 4.5. Jika model sel surya ini hendak diwujudkan dalam sampel (penelitian lanjutan), disarankan halhal berikut: 1)Hendaknya dilakukan lebih dulu penelitian tentang efek pemantulan cahaya pada permukaan emiter, karena penelitian ini belum menyinggung hal ini. 2) Agar dapat diperoleh harga VOC dalam eksperimen yang kira-kira sama dengan harga VOC pada penelitian ini, hendaknya difikirkan alat pendopingan lapisan n+(x) yang benar-benar mampu memberikan doping fungsi pangkat. 48
DAFTAR PUSTAKA Alamo, J.D. (1981). High-Low Junctions for Solar Cell Aplications. Solid state Electronics, Vol.24, hlm. 533-538. Alamo, J.D. dan Swanson, R.M. (1984). The Physics and Modeling of Heavily Doped Emitter, IEEE Tans. Electron Devices, Vol Ed-31, No, 12 hlm. 1878-1888. Fichner, W. (1988). “Process Simulation”. Dalam S.M. Sze (ed.), VLSI Technology (hlm. 422465). Singapore: McGraw-Hill International Editions. Harahap, M.B. (1992). Solusi Analitik Transpor Pembawa Minoritas Silikon Kristal yang Didoping Tak Uniform dan Aplikasinya pada Peranti Sel Surya. Tesis S2 di ITB Bandung, Tidak Dipublikasikan. Harahap, M.B. (1993). Model Emiter Sel surya n (x)+-p yang Didoping Tinggi. Makalah pada Simposium Fisika Nasional di USU medan. Tidak Dipublikasikan. Harahap, M.B. (1994). Model Komputer Sel Surya Silikon Kristal Medan Permukaan Belakang p+n-n+(x). Jurnal Penelitian Bidang Pendidikan, Vol.1, No.2, hlm. 81-86. Penumalli, B.R. (1986). “Physical Models and Numerical Methods for VLSI”. Dalam W.L. Eng (ed.), Process Simulation and Devices Modeling, (hlm.1-30). North Holland: Elsevier Science Publishers B.V. Sudiati et al (1993). Analisis Simulasi Peranti Model Emiter Sel Surya Bahan Silikon Kristal Tipe n yang Didoping Tinggi Tak Homogen. Hasil Penelitian, Dana OPF, Puslit USU Medan. Tidak Dipublikasikan. Van Overstraeten, R.J. & Mertens, R.P (1986). Physics, Technology and Use of Photovoltaics. Bristol and Boston: adam Hilger Ltd. Verhoef, L.A. (1990). Silicon Solar Cell (modelling, processing and characterization). Ph.D. Thesis (State University of Utreecht, Netherlands). Tidak Dipublikasikan. Verhoef, L.A. & Sinke, W.C. (1990). Minority Carrier Transport in Non Uniformly Doped. IEEE Trans Electron Devices, Vol. 37, hlm. 210-217.
