PENGARUH VARIASI SPEKTRUM CAHAYA TAMPAK TERHADAP KARAKTERISTIK RAPAT ARUS-TEGANGAN SEL SURYA BERBASIS GALIUM ARSENIDA

Abstract

Sel surya merupakan sebuah divais optoelektronik yang dapat mengkonversi secara langsung energi matahari yang diterimanya menjadi energi listrik. Divais sel surya dapat berupa dioda semikonduktor persambungan dua buah bahan semikonduktor tipe-p dan semikonduktor tipe-n. Salah satu parameter penting dalam pembentukan arus listrik pada sel surya adalah sinar matahari. Sinar matahari terdiri atas berbagai macam panjang gelombang, diantaranya cahaya tampak, dimana saat menumbuk permukaan sel surya akan dikonversi menjadi energi listrik oleh sel surya tersebut. Energi listrik yang dihasilkan bergantung pada besarnya panjang gelombang yang menumbuk divais. Hal ini berarti panjang gelombang memiliki peranan penting dalam pembentukan arus pada sel surya, sehingga dalam penelitian ini spektrum cahaya menjadi fokus dalam penelitian. Pada penelitian ini persambungan bahan semikonduktor yang digunakan untuk divais sel surya adalah p-n heterojunction GaAs/AlxGa1-xAs dengan indeks fraksi komposisi x=4. Tujuan dari penelitian ini adalah membuat simulasi karakteristik J-V (rapat arus-tegangan) dari divais sel surya berbasis galium arsenida untuk berbagai variasi spektrum cahaya tampak yang diterima oleh sel surya tersebut. Berdasarkan hasil simulasi yang didapatkan, telah dianalisis pengaruh variasi spektrum cahaya tampak terhadap karakteristik J-V sel surya. Penelitian dilaksanakan dalam beberapa tahapan kegiatan simulasi. Pada tahap pertama dilakukan entry data yang berupa parameter divais sel surya p-n heterojunction GaAs/AlGaAs, geometri divais, panjang gelombang dari spektrum cahaya tampak () dan tegangan keluaran sel surya (VA). Geometri divais yang akan disimulasikan karakteristik J-V nya pada penelitian ini memiliki lebar 0,5 m dan ketebalan 0,7 m. Metode yang digunakan adalah metode elemen hingga sehingga geometri divais tersebut dibagi-bagi menjadi elemen-elemen yang lebih kecil yang disebut dengan mesh. Data-data yang telah di entry kemudian digunakan untuk mengatur kondisi batas serta menyelesaikan persamaan Poisson dan kontinuitas. Pada tahapan ini dihasilkan profil distribusi konsentrasi elektron dan hole dengan indikator warna untuk menunjukkan nilai dari konsentrasi pembawa muatan. Tahap kedua adalah pembuatan grafik karakteristik J-V yang memerlukan variasi tegangan keluaran (VA). Tegangan keluaran divariasi dari 0 volt sampai dengan 0,475 volt. Pada tahap ketiga, dilakukan kegiatan simulasi untuk mengetahui pengaruh variasi spektrum cahaya tampak terhadap karakteristik J-V divais sel surya dengan melakukan variasi spektrum cahaya tampak. Variasi spektrum cahaya tampak yang digunakan pada kegiatan simulasi adalah 0,50 m sampai 0,80 m dengan rentang 0,050 m. Pada tahap keempat dilakukan optimasi koefisien absorbsi cahaya dan variasi tegangan keluaran yang lebih besar untuk mendapatkan karakteristik kelistrikan yang lebih baik. Optimasi koefisien absorbsi cahaya yang diberikan sebesar 1,25 × 10 -4 cm -1 sampai dengan 2,25 × 10 -4 cm -1 dengan interval 0,25 × 10 -4 cm -1, sedangkan tegangan keluaran divariasi dari 0 volt sampai dengan 0,725 volt. Pada tahapan kelima dilakukan kembali peninjauan pengaruh variasi spektrum cahaya tampak terhadap karakteristik J-V divais sel surya dengan melakukan variasi spektrum cahaya tampak pada nilai koefisien absorbsi cahaya optimum yang dihasilkan. Perlakuan yang diberikan sama seperti pada tahap ketiga. Tahapan ini menghasilkan grafik karakteristik J-V untuk beberapa variasi panjang gelombang dan koefisien absorbsi cahaya. Berdasarkan hasil optimasi, koefisien absorbsi cahaya optimum yang digunakan untuk analisis pengaruh panjang gelombang terhadap karakteristik J-V adalah sebesar 2,25 × 10 -4 cm -1. Hasil simulasi menunjukkan bahwa konsentrasi pembawa muatan (elektron dan hole) tertinggi diperoleh pada saat divais dikenai panjang gelombang sebesar 0,50 m. Konsentrasi pembawa muatan tersebut terus menurun ketika panjang gelombang diperbesar hingga 0,80 m. Sebagaimana konsentrasi pembawa muatan, rapat arus hubung singkat (Jsc) tertinggi didapatkan ketika panjang gelombang 0,50 m diaplikasikan pada divais, yakni sebesar 39,61 mA/cm. Peningkatan panjang gelombang, yang dapat menyebabkan berkurangnya energi foton yang diserap oleh divais, menurunkan jumlah pembawa muatan dan menjadi penyebab utama menurunnya Jsc dalam bahan. Namun demikian, variasi panjang gelombang yang diterapkan dalam simulasi ini tidak menyebabkan adanya perbedaan pada tegangan rangkaian terbuka (Voc), yang bernilai tetap sebesar 0,725 volt.