DISTRIBUSI PEMBAWA MUATAN PADA SEL SURYA STRUKTUR MULTI-JUNCTION DAN SINGLE-JUNCTION

Abstract

Sel surya merupakan bahan semikonduktor yang mengkonversi energi matahari menjadi energi listrik melalui proses fotovoltaik. Pada dasarnya sel surya adalah dioda yang tersusun dari bahan semikonduktor tipe-p dan tipe-n yang dapat menghasilkan arus listrik ketika diberi cahaya. Banyak penelitian yang telah dilakukan untuk meningkatkan kinerja sel surya secara optimal, diantaranya yaitu dengan mendesain sel surya yang mencakup struktur lapisan, karakteristik lapisan misal ketebalan lapisan bahan dan konsentrasi pengotor (doping), serta mempertimbangkan parameter-parameter divais. Salah satu upaya yang dikembangkan dalam rangka pengembangan struktur lapisan dari sel surya adalah melalui aplikasi struktur multi-junction dengan mengubah divais single-junction (p-n junction) menjadi p-n multi-junction. Oleh karena itu, pada penelitian ini struktur lapisan antara multi-junction dan single-junction menjadi obyek dalam penelitian. Tujuan dari penelitian ini adalah menganalisa distribusi pembawa muatan pada sel surya struktur multi-junction dan single-junction dengan variasi tegangan input. Berdasarkan hasil yang diperoleh, dianalisa pengaruh tegangan input terhadap distribusi pembawa muatan. Distribusi pembawa muatan tersebut merepresentasikan konsentrasi pembawa muatan (elektron dan hole) di dalam bahan. Distribusi pembawa muatan dari sel surya dengan struktur multi-junction dan single-junction diperoleh melalui kegiatan simulasi. Persamaan model yang digunakan adalah persamaan Poisson dan kontinuitas, yang merupakan persamaan diferensial parsial orde dua. Solusi dari kedua persamaan tersebut diperoleh dengan menggunakan metode elemen hingga. Metode elemen hingga membagi geometri divais menjadi elemen-elemen lebih kecil yang disebut mesh. Geometri struktur multi-junction dan single-junction pada dasarnya sama, yakni berbentuk persegi panjang dengan panjang 1,41 μm dan lebar 0,5 μm untuk struktur multi-junction, sedangkan untuk struktur single-junction memiliki panjang 0,7 μm dan lebar 0,5 μm. Penyelesaian persamaan Poisson dan kontinuitas serta pengaturan kondisi batas dilakukan dengan menerapkan parameter-parameter dari bahan GaAs dan Si. Pada tahapan ini dihasilkan distribusi pembawa muatan dengan warna yang berbeda untuk setiap lapisan pada masing-masing fungsi elektron dan hole. Tahap kedua adalah memvariasikan tegangan dari 0 volt sampai 0,4 volt dengan rentang 0,025 volt. Berdasarkan data konsentrasi pembawa muatan yang diperoleh pada tiga titik yaitu di titik ujung lapisan-p, di titik persambungan p-n dan di titik ujung lapisan-n untuk setiap struktur. Tahapan ini menghasilkan data konsentrasi pembawa muatan pada tiga titik yang telah ditentukan dengan beberapa variasi tegangan. Hasil yang diperoleh berupa distribusi konsentrasi elektron dan hole, untuk bahan GaAs dan Si, baik dengan struktur multi-junction maupun single-junction. Distribusi pembawa muatan untuk kedua bahan menunjukkan karakteristik yang semakin meningkat untuk konsentrasi elektron dan semakin menurun untuk konsentrasi hole, saat diamati dari ujung lapisan-p hingga lapisan-n baik pada bahan GaAs maupun Si untuk semua struktur. Konsentrasi elektron dalam hal ini semakin meningkat, sedangkan konsentrasi hole mengalami penurunan. Khusus untuk struktur multi-junction, tidak terjadi peningkatan konsentrasi elektron dari lapisan-n junction pertama menuju ke lapisan-p junction kedua. Baik bahan GaAs maupun Si, keduanya memiliki konsentrasi pembawa muatan lebih tinggi saat direkonstruksi menggunakan struktur multi-junction. Dalam hal ini dapat diasumsikan bahwa penambahan persambungan GaAs pada Si memberikan kontribusi terhadap laju perubahan fotogenerasi yang dihasilkan, sehingga jumlah pembawa muatan berubah lebih cepat di daerah lapisan-p dari divais Si. Variasi tegangan input yang diterapkan pada kedua bahan menunjukkan bahwa baik pada struktur multi-junction maupun single-junction, secara umum terjadi penurunan terhadap konsentrasi pembawa muatan. Konsentrasi pembawa muatan tertinggi didapatkan ketika tegangan 0 volt untuk bahan GaAs dan Si pada struktur multi-junction maupun single-junction. Konsentrasi pembawa muatan tersebut terus mengalami penurunan ketika tegangan yang diberikan semakin besar hingga didapatkan konsentrasi pembawa muatan terendah ketika tegangan 0,4 volt. Begitupun dengan potensial elektrostatik yang diperoleh sebanding dengan konsentrasi pembawa muatan. Hal ini menunjukkan bahwa ketika tegangan 0 volt daerah deplesi yang muncul akibat pergerakan pembawa muatan sangat kecil, sehingga elektron dan hole di dalam bahan mudah mengalir. Ketika tegangan semakin diperbesar hingga 0,4 volt mengakibatkan daerah deplesi juga semakin lebar dan menghambat aliran elektron dan hole, sehingga pembawa muatan yang dihasilkan akan berkurang.