Simulasi 2D Karakteristik J-V Sel Surya Berbasis Silikon Kristal Persambungan p-i-n Pada Variasi Ketebalan Lapisan-i

Abstract

Energi memiliki peranan penting dalam kehidupan manusia, karena energi merupakan unsur penunjang dalam proses pertumbuhan ekonomi. Namun, kesediaan energi semakin menipis dikarenakan kebutuhan energi semakin lama semakin meningkat yang tidak diimbangi dengan kesediaan energi fosil. Terciptanya energi fosil membutuhkan waktu yang cukup lama. Oleh karena itu, dibutuhkan suatu energi alternatif yang dapat memenuhi kebutuhan energi dalam kehidupan manusia. Salah satunya yaitu energi matahari yang dimanfaatkan dengan mendesain divais semikonduktor yang dapat mengubah langsung cahaya matahari menjadi energi listrik yang disebut sebagai sel surya. Foton dari matahari yang jatuh ke permukaan sel surya itu diserap, apabila bahan sel surya memiliki energi gap lebih besar dari pada energi foton. Silikon merupakan salah satu bahan sel surya yang memiliki kemampuan untuk menyerap foton, karena memiliki keteraturan susunan atom. Sel surya dapat disusun dalam persambungan p-i-n, dimana di dalam lapisan-i terjadi proses generasi dan rekombinasi. Semakin banyak proses generasi yang terjadi maka semakin banyak pula rapat arus yang didapatkan. Oleh karena itu, ketebalan lapisan-i dapat diatur untuk mendapatkan proses generasi yang semakin banyak pula sehingga karakteristik rapat arus-tegangan yang didapatkan semakin baik. Simulasi terkait pengaruh ketebalan lapisan-i terhadap karakteristik rapat arus-tegangan sel surya dengan persambungan p-i-n menggunakan metode elemen hingga dalam bentuk 1D telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya. Simulasi tersebut menghasilkan rapat arus dan tegangan masing-masing sebesar 0,0526 mA/cm dan 0,025 volt. Nilai tersebut merupakan nilai yang sangat kecil untuk bahan silikon kristal, impuritas yang diaplikasikan pada persamaan poisson dalam penelitian tersebut tidak sesuai dengan keadaaan setiap lapisan. Impuritas yang diinputkan pada ketiga lapisan semua sama. Berdasarkan penelitian tersebut, tidak menunjukkan kesesuaian yang baik maka pada penelitian ini dilakukan simulasi pengaruh ketebalan lapisan-i terhadap karakteristik rapat arus-tegangan sel surya berbasis silikon persambungan p-i-n dalam bentuk 2D. Variasi ketebalan lapisan-i yang dilakukan yaitu 1 μm sampai 15 μm, sedangkan lapisan-p dan lapisan-n dibuat tetap yaitu 0,4 μm. Tujuan dari penelitian tersebut adalah untuk menghasilkan profil distribusi pembawa muatan dan karakteristik rapat arus-tegangan (J-V). Kegiatan penelitian diawali dengan mengatur geometri dalam bentuk 2D dari sel surya, geometri terdiri dari tiga daerah subdomain yaitu lapisan-p, lapisan-i, dan lapisan-n. Kemudian memasukkan parameter input, parameter yang digunakan sesuai dengan bahan silikon kristal (c-Si). Tahap selanjutnya mendapatkan solusi persamaan poisson dan kontinuitas, sehingga diperoleh hasil distribusi pembawa muatan baik elektron dan hole. Distribusi pembawa muatan yang diperoleh digunakan untuk menggambarkan karakteristik rapat arus-tegangan dari perangkat sel surya. Hasil simulasi yang diperoleh berupa profil distribusi pembawa muatan dan kurva karakteristik rapat arus-tegangan. Profil distribusi yang diperoleh menunjukkan bahwa konsentrasi elektron tertinggi terletak pada lapisan-n, dengan nilai sekitar 1017 cm-1 dan konsentrasi hole tertinggi terletak pada lapisan-p, dengan nilai sekitar 1016 cm-1. Hasil tersebut bersesuaian dengan referensi dimana lapisan-p mempunyai hole sebagai pembawa muatan mayoritas dan lapisan-n mempunyai elektron sebagai pembawa muatan mayoritas. Kurva karakteristik rapat arus-tegangan (J-V) yang diperoleh pada ketebalan lapisan-i sebesar 15 μm memiliki rapat arus yang lebih tinggi dibandingkan dengan variasi ketebalan lapisan-i lainnya. Besar rapat arus dan tegangan pada ketebalan tersebut masing-masing yaitu sebesar 36,50 mA/cm dan 0,45 volt. Hal tersebut menunjukkan bahwa semakin tebal lapisan-i sel surya, maka kinerja sel surya semakin baik.