Analisis Perhitungan Efisiensi Sel Surya Berbasis A-Si:H dalam Penentuan

## Temperatur Filamen Optimum Bahan
Efficiency Calculation Analysis of A-Si:H Solar Cells for Determination of Optimum Filament Temperature in Material Deposition
Endhah Purwandari 1,2*) dan Toto Winata 1
1) Laboratorium Fisika Material dan Elektronika Departemen Fisika ITB,
2) Staf Pengajar Jurusan Fisika FMIPA Universitas Jember
*) Email:  endhahfisika@yahoo.co.id

## Abstract
Solar cell efficiency as a function of the energy gap has been simulated by calculating the output current characteristics of the devices based on the distribution of charge carriers, obtained from the solution of the Poisson equation and the Continuity equation. The hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) based solar cell, has simulated in the form of one-dimensional single junction p/i/n. The junction  structure  of  a-SiC:H/a-Si:H/a-Si:H  designed  have  the  thickness  of  0,015 μm/0,550 μm/0,030 μm , respectively. For simulation, the energy gap has considered constant in the p and n layers, whereas the i layer varies according to the empirical data of energy gap obtained from the deposition  parameters  of  filament  temperature.  Simulations  performed  using  the  finite  element method  supported  by  FEMLAB  software.  Based  on  simulation  results,  obtained  the  highest efficiency  of  9.35%  corresponds  to  the  lowest  energy  gap  data  of  1.706  eV  for  layer  i.  This appropriates  to  the  filament  temperature  of  800 o C  and  subsequently  used  as  the  optimum deposition parameters of the material.
Keyword: Energy gap, efficiency, FEM, solar cell, hydrogenated amorphous silicon

## PENDAHULUAN
Penggambaran  kinerja  sel  surya,  pada umumnya  ditekankan  pada  karakteristik  dari arus  keluaran  yang  dihasilkan.  Secara  teoritis, tidak  mudah  memprediksi  karakteristik  dari kinerja  sebuah  bahan  mengingat  kompleksitas sifat-sifat  material  penyusunnya.  Hal  ini menyebabkan pemodelan terhadap karakteristik sebuah  divais  banyak  mengabaikan  beberapa parameter  pada  saat  mengkaji  sebuah  bagian dari  bahan.  Christoffel  dkk.  (2002)  telah meninjau  pengaruh  ukuran  butir  kristal terhadap  kinerja  sel  surya  melalui  pemodelan terhadap sel surya berbasis lapisan tipis silikon polikristal.  Munculnya inefficiency dari  sel surya akibat temperatur operasional telah dikaji secara  teoretis  melalui  pemodelan  terhadap triple junction berbasis  InGaP/GaAs/Ge (Sanders,  2007).  Dalam  struktur  1  dimensi, Usman  (2006)  telah  mensimulasikan  distribusi pembawa  muatan  di  bawah  variasi  energi  gap lapisan  i  dari  sel  surya  berbasis  silikon  amorf terhidrogenasi  (a-Si:H)  persambungan  tunggal p-i-n.
Nilai  energi  gap  yang  dimiliki  oleh  sebuah bahan  semikonduktor  merupakan  salah  satu parameter  yang  menentukan  sifat  kelistrikan dari  bahan.  Karakteristik  ini  telah  digunakan untuk  mensimulasikan  efisiensi  dari  bahan silikon  amorf  yang  diaplikasikan  sebagai  sel surya.  Kabir  dkk.  (2009)  dalam  simulasinya mendapatkan  energi  gap  optimum  dari  lapisan p,  yang  dapat  menghasilkan  efisiensi  tertinggi pada  sel  surya  persambungan  tunggal,  ganda dan  lapis  tiga  dari  struktur  p-i-n  sel  surya berbasis amorf silikon terhidrogenasi. Perhitungan  efisiensi  sel  surya  sebagai  fungsi dari  energi  gap  pada  bahan  yang  sama,  telah disimulasikan  dengan  membuat  model  yang menghubungkan  tekanan  deposisi  bahan dengan energi gap yang dihasilkan (Purwandari & Winata, 2012). Dalam hal ini, hasil simulasi dapat  digunakan  untuk  menentukan  tekanan deposisi optimum berdasarkan efisiensi tertinggi yang diperoleh dari hasil perhitungan. Salah  satu  parameter  yang  menentukan dalam  proses  deposisi  bahan  silikon  amorf, menggunakan  teknik  VHF-PECVD  yang dikembangkan  dengan  menambahkan hot  wire cell ,  adalah  temperatur  dari  filamen  pemanas.
Berangkat  dari  kegiatan  optimasi  yang  telah dilakukan  terhadap  tekanan  deposisi  dari chamber (Purwandari & Winata, 2012), dalam teknik  penumbuhan  berbasis  HWC-VHF- PECVD,  metode  simulasi  dapat  diterapkan untuk menentukan temperatur filamen optimum  berbasis  data  energi  gap  yang bersesuaian dengan data temperatur filamen. Di dalam  artikel  ini,  akan  dideskripsikan  hasil kegiatan  simulasi  perhitungan  efisiensi  divais sel surya berbasis silikon amorf terhidrogenasi. Hasil perhitungan selanjutnya dapat digunakan untuk menentukan temperatur filamen pemanas optimum  dari  sistem  pada  teknik  penumbuhan berbasis HWC-VHF-PECVD.

## METODE
Divais sel surya dimodelkan sebagai persambungan  tunggal  p/i/n  dalam  bentuk  1 dimensi. Stuktur penyusun lapisan p/i/n adalah bahan  semikonduktor  berbasis  a-SiC:H/a- Si:H/a-Si:H  dengan  ketebalan  masing-masing adalah   0,015   μm/0,550   μm/0,030   μm (Purwandari  &  Winata,  2012),  seperti  yang ditunjukkan  pada  Gambar  1.  Adapun  nilai energi gap yang disimulasikan untuk lapisan p adalah  2,36  eV  (Persson  &  Lindefelt,  1997) dan  lapisan  n  adalah  1,7  eV  (Takahashi  & Konagai,  1986).  Sedangkan  variasi  energi  gap pada  lapisan  i  berada  dalam  rentang  1,70  eV – 1,81 eV.
Gambar  1.  Geometri  1  dimensi  dari  divais  sel surya  dalam  bentuk  persambungan tunggal  p/i/n  dengan  ketebalan masing-masing adalah 0,015 μm/0,550  μm/0,030  μm  (Purwandari
& Winata, 2012).
Variasi energi gap pada lapisan i bersesuaian dengan  data  temperatur  filamen  dalam  proses deposisi  bahan  pada  rentang  0 o C-800 o C (Usman,  2006).  Untuk  mempertajam  data simulasi,  dilakukan  tahap  interpolasi  terhadap data  energi  gap,  sehingga  diperoleh  rentang
energi  gap  yang  cukup  detail  seperti  yang ditunjukkan  oleh  grafik  pada  Gambar  2.  Data energi  gap diperoleh dari data  celah pita optik bahan  silikon  amorf  yang  ditumbuhkan menggunakan teknik
HWC-VHF-PECVD
(Usman, 2006).
Temperatur Filamen (oC) 0 200 400 600 800 1000 En erg i Gap ( eV) 1.70 1.72 1.74 1.76 1.78 1.80 1.82
Gambar  2.  Interpolasi  data  energi  gap  sebagai fungsi dari temperatur filament.
Model  geometri pada  Gambar 1 selanjutnya digunakan untuk menghitung distribusi pembawa  muatan  baik  elektron  maupun hole . Dalam  hal  ini,  distribusi  pembawa  muatan diperoleh  dengan  menyelesaikan  persamaan dasar  semikonduktor.  Persamaan  tersebut berupa  persamaan  Poisson  dan  persamaan Kontinuitas yang termodifikasi akibat memperhitungkan rapat pembawa muatan pada daerah  cacat  terlokalisasi  dan  menuliskannya sebagai  fungsi  dari  parameter  energi  gap (Purwandari  &  Winata,  2012).  Oleh  karena silikon  amorf  memiliki  struktur  energi direct transition ,  maka  energi  gap  dapat  dihitung sebagai  selisih  antara  dua  keadaan  energi dalam  pita  energi  (energi  konduksi  dan  energi valensi).  Adapun  faktor  fotogenerasi  yang dapat  membangkitkan  adanya  fotoelektron, yang memberikan kontribusi terhadap distribusi pembawa muatan, hanya
diperhitungkan  pada  komponen  lapisan  i. Secara  keseluruhan,  solusi  kedua  persamaan semikonduktor  tersebut  diselesaikan  dengan menggunakan  pendekatan  metode  elemen hingga, berbantukan software FEMLAB. Beberapa  parameter  input,  bersesuaian dengan  persamaan  semikonduktor yang digunakan, merujuk pada penelitian sebelumnya  dengan  mengubah  rentang  energi gap  pada  daerah  lapisan  i  (Purwandari  & Winata, 2012). Oleh karena memiliki 4 daerah persambungan  dengan  keadaan  potensial  yang berbeda,  maka  perhitungan  tegangan  output divais  menggunakan  penetapan  syarat  batas.
Untuk  daerah  persambungan  lapisan  p  dan  n dengan  kontak  luar,  potensial  elektrostatik bahan  dihitung  dari  penjumlahan  tegangan eksternal  dan  persamaan  logaritmik  energi yang bersesuaian dengan perubahan konsentrasi  dopan  (Usman,  2006).  Untuk daerah  persambungan  lapisan  p  dan  n  dengan lapisan  i,  diasumsikan  besarnya  arus  yang melewati  persambungan  sama  dengan  arus yang
mengalir
pada
daerah dekat persambungan  (syarat  kontinuitas).  Adapun syarat  batas  Neumann  diaplikasikan  pada daerah permukaan
divais yang tidak berhubungan  dengan  kontak  luar  (Danielson, 2000).
Dengan  menghitung  total  arus  I  dari  divais pada  variasi  tegangan  V  tertentu,  maka  plot grafik  karakteristik  I-V  akan  memberikan informasi  tentang  nilai  rapat  arus  hubung singkat  J SC dan  tegangan  rangkaian  terbuka V OC .  Adapun  efisiensi  dari  divais  dihitung berdasarkan persamaan (1),
Efisiensi = J sc .  V oc .  FF 34 x 10 -3 . 100% (1)
dengan  FF  ( fill  factor )  merupakan  faktor pengisi
yang ditentukan berdasarkan persamaan (2),
𝐹𝐹 = V m .  I m V oc .  I sc (2) (2)
dengan V m dan I m masing-masing  adalah tegangan  dan  arus  yang  memberikan  titik operasi maksimum (Usman, 2006).

## HASIL dan PEMBAHASAN
Solusi  dari  persamaan  Poisson  dan  persamaan Kontinuitas adalah distribusi pembawa muatan hole dan  elektron,  untuk  variasi  tegangan eksternal  simulasi  0  V – 0,5  V  dan  variasi energi  gap  pada  lapisan  i.  Berdasarkan  solusi tersebut, diperoleh data rapat arus keluaran dari divais  yang dihitung pada  ujung  lapisan p dan lapisan  n.  Sebagai  fungsi  dari  energi  gap, perhitungan  efisiensi  sel  surya  ditunjukkan pada Gambar 2.
Seiring  dengan  adanya  kenaikan  energi  gap dari  bahan,  efisiensi  dari  sel  surya  mengalami penurunan.  Hasil  simulasi  tersebut  memiliki kesamaan  dengan  penelitian  sebelumnya (Purwandari  &  Winata,  2012).  Berdasarkan
grafik tersebut, profil kebergantungan efisiensi terhadap  temperatur  filament  dalam  proses deposisi dapat dianalisis. Gambar 3 menunjukkan  grafik  hubungan  antara  efisiensi dan temperatur filamen.
Energi Gap (eV) 1.70 1.72 1.74 1.76 1.78 1.80 1.82 Ef isi en si ( %) 3 4 5 6 7 8 9 10
Gambar 2. Efisiensi sel surya fungsi energi gap
Temperatur Filamen (oC) 0 200 400 600 800 1000 Ef isi en si ( %) 3 4 5 6 7 8 9 10
Gambar  3.  Grafik  perhitungan  efisiensi  sel surya  berbasis  a-Si:H  sebagai fungsi  temperatur  filament  dalam proses deposisi bahan. Berdasarkan grafik pada Gambar 3,
meningkatnya  temperatur  dari  filamen,  pada teknik  deposisi  menggunakan  metode  HWC-
VHF-PECVD, menyebabkan kenaikan efisiensi dari  sel  surya  pada  interval  100 o C-400 o C  dan interval  600 o C-800 o C.  Sementara  itu,  dalam interval  temperatur  tersebut,  nilai  energi  gap menurun  seperti  yang  ditunjukkan  pada Gambar 1.  Dari sini dapat diamati bahwasanya kenaikan temperatur filamen, yang mengindikasikan  adanya    penurunan  nilai energi gap (Usman, 2006), dapat meningkatkan efisiensi dari sel  surya. Berdasarkan penelitian Usman  (2006),  penambahan  filamen  pemanas (Hot  Wire  Cell)  dalam  sistem  gas  masukan VHF-PECVD dimaksudkan
untuk
mempercepat  proses  dekomposisi  dari  gas
sehingga  diharapkan  dapat  meningkatkan  laju deposisi dan memperbaiki struktur lapisan dari bahan  yang  akan  ditumbuhkan.  Salah  satu indikasi  yang  dapat  diperlihatkan  dari  adanya perbaikan struktur lapisan yang mengarah pada sifat  kelistrikan  yang  baik  adalah  penurunan nilai  energi  gap  yang  dimiliki  oleh  bahan. Dengan demikian, hasil simulasi bisa dijadikan salah  satu  metode  optimasi  dalam  proses deposisi bahan, dalam hal ini berkaitan dengan temperatur  filamen  pemanas  dari  sistem. Dengan  memperhatikan  data  perhitungan efisiensi  pada  Gambar  3,  temperatur  filamen tertinggi  yaitu 800 o C  memberikan efisiensi sel surya  terbesar  sebesar  9,35%.  Nilai  ini bersesuaian  dengan  data  energi  gap  terendah, yang  diperoleh  pada  saat  bahan  ditumbuhkan pada  temperatur  filamen  pemanas  tertinggi, yakni sebesar 1,706 eV.

## KESIMPULAN
Efisiensi  sel  surya  persambungan  p-i-n, berbasis  bahan  amorf  silikon  terhidrogenasi, untuk  setiap  variasi  data  energi  gap  pada lapisan  i  dari  divais,  telah  diperoleh  dengan memanfaatkan  metode  pendekatan  elemen hingga  di  dalam  menyelesaikan  persamaan Poisson  dan  persamaan  Kontinuitas  pembawa muatan. Berdasarkan hasil simulasi, penurunan nilai energi gap,  yang diperoleh akibat  adanya kenaikan  temperatur  filamen,  menunjukkan peningkatan  efisiensi  dari  sel  surya.  Data perhitungan  yang  menunjukkan  efisiensi  sel surya  tertinggi  sebesar  9,35%,  selanjutnya menjadi  titik  optimum  dari  penggunaan temperatur  filamen,  yakni  sebesar  800 o C.
Temperatur
optimum yang diperoleh bersesuaian  dengan  energi  gap  terendah  dari bahan, yakni sebesar 1,706 eV.

## DAFTAR PUSTAKA
Christoffel  E,  Rusu  M,  Zerga  A,  Bourdais  S, Noel  S,  and  Slaoui,  A.  (2002):  Two- Dimensional  Modeling  of  The  Fine- grained  Polyshristalline  SiliconThin  Film Solar  Cells, Thin  Solid  Film , 403-403 , 258-262. Danielsson,  E.  2000. FEMLAB  Model  Library for  Semiconductor  Device  Model ,  The Royal Institute of Institute, Stockholm.
Kabir MI, Nowshad Amin, Zaharim A, Sopian K. 2009. Effect of Energy Bandgap of the Amorphous  Silicon-Carbide  (a-SiC:H) Layers On A Si-Multijunction Solar Cells from  Numerical  Analysis, Proc.8 th WSEAS  Int.  Conf.  on  NON-LINEAR ANALYSIS,  NON-LINEAR  SYSTEMS  & CHAOS.
Persson  CU.,  &  Lindefelt,  1997.  Dependence of  Energy  Gaps  and  Effectively  Masses on  Atomic  Positions  in  Hexagonal  SiC,
J.Apply. Phys . 86 , 11, 5036-5039. Purwandari  E,  dan  Winata  T.  2012,  Optimasi
Tekanan Deposisi dalam Simulasi
Efisiensi  Sel  Surya  Berbasis  Material  a- Si:H, Jurnal Gradien Vol. 8(1), 716-721. Sanders  MH.  2007. Modeling  of  Operating Temperature  Performance  of  Triple Junction   Solar   Cells   Using   Silvaco’s ATLAS. [Tesis yang tidak dipublikasikan,
Naval  Postgradute  School  ,California] http://www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a47 4503.pdf [25 Juni 2013].
Takahashi  K,  and  Konagai  M.  1986.
Amorphous  Silicon  Solar  Cells ,  North Oxford Academic Pub. Ltd., London. Usman  I.  2006. Penumbuhan  Lapisan  Tipis Silikon  Amorf  Terhidrogenasi  Dengan
Teknik HWC-VHF-PECVD dan
Aplikasinya  Pada  Sel  Surya ,  [Disertasi yang tidak dipublikasi,  Institut Teknologi Bandung, Bandung].