SOLAR CELL : Pertimbangan Pemilihan Material Bahan

Industri Sel Surya telah mengalami peningkatan yang signifikan dalam sepuluh tahun terakhir.  Selama sepuluh tahun terakhir tercatat konsumsi silikon, salah satu bahan pembuatnya, mencapai dua kali lebih banyak dari konsumsi industri semikonduktor.  Hal ini tidak lepas dari semakin majunya penelitian dalam bidang sel surya.
Sel surya sendiri didesain untuk mengubah cahaya yang diterimanya menjadi energi listrik, tanpa menggunakan reaksi kimia atau memindahkan bagian-bagiannya[1].  Sejak ditemukan pertama kali oleh ilmuwan fisika dari Prancis Antoine-Cesar Becquerel pada tahun 1839, penelitian mengenai sel surya hampir selalu berkutat dengan bagaimana cara meningkatkan efisiensinya.

Bahan	Efisiensi di Laboratorium	Efisiensi dalam Produksi
Monocrystalline Silicone	24%	14% - 17%
Polycrystalline Silicone	18%	13% - 15%
Amorphous Silicone	13%	5% - 7%

Gambar 1 Tabel Perbandingan Efisiensi Sel Surya

 Gambar 2 Grafik Efisiensi dengan Band Gaps

Sebelum lebih jauh membahas mengenai pemilihan bahan untuk mendesain sel surya agar terjadi peningkatan efisiensinya, sebenarnya bagaimana sel surya bekerja?
Sel surya terdiri dari beberapa jenis bahan semikonduktor.  Bahan semikonduktor sendiri merupakan bahan yang dapat mengantarkan arus listrik saat disuplai dengan cahaya atau panas, tetapi pada suhu rendah akan beroperasi sebagai insulator.  Pada saat ini 95 persen dari sel surya di dunia dibuat dengan menggunakan Sillikon (Si).  Selain sebagai bahan terbanyak kedua di bumi, dalam proses pengolahannya silikon tidak akan merugikan lingkungan.  Dengan "hanya" mendopingnya dengan bahan material lain (bahan bermuatan positif atau negatif), silikon dapat digunakan untuk memproduksi sel surya. Dua layer silikon yang telah di doping berbeda akan digabungkan dan menghasilkan p-n junction, seperti tampak pada gambar 3.
 

Gambar 3 Model Sel Surya tipe crystalline

Pada junction akan timbul medan listrik, karena adanya perbedaan muatan carrier di kedua layer yang dihasilkan oleh cahaya.  Jika rangkaian yang melibatkan p-n junction tersebut adalah rangkaian tertutup, arus akan dapat mengalir.  Besarnya arus dan tegangan yang dihasilkan tergantung dari jenis bahan semikonduktor yang digunakan, silikon kira-kira dapat menghasilkan 2 A per 100c m² saat diradiasi dengan 1000 W/m².  Untuk jelasnya dapat dilihat pada gambar 4.

Gambar4 Grafik arus-tegangan pada sel surya

Keluaran (tegangan dan arus) dari sel surya sangat dipengaruhi oleh temperatur.  Temperatur sel yang lebih tinggi akan menyebabkan keluaran yang lebih rendah, sehingga akan menurunkan efisiensi.  Level efisiensi sendiri adalah berapa besarnya jumlah radiasi cahaya yang diubah menjadi energi listrik.

Batas Natural Efisiensi

Meskipun penelitian-penelitian yang sampai saat ini dilakukan adalah berkutat dengan cara meningkatkan efisiensi sel surya, ada batas natural efisiensi yang tidak bisa dilanggar.  Tidak bisa dipungkiri bahwa, perbedaan material yang digunakan atau kombinasi material hanya cocok untuk range spektrum cahaya tertentu.  Ada range spectrum tertentu yang tidak dapat digunakan karena foton tidak mempunyai energi yang cukup untuk mengaktifkan muatan carrier.  Sejumlah energy foton tersebut akan berubah menjadi energy panas, dibandingkan menjadi energy listrik.  Disamping itu, ada rugi-rugi optik seperti timbulnya bayangan pada permukaan sel atau pemantulan cahaya matahari yang dating di permukaan sel.  Rugi-rugi karena resistansi elektrik di semikonduktor dan koneksi kabel juga termasuk salah satu diantara beberapa hal yang telah disebutkan diatas yang dapat membatasi efisiensi pemanfaatan sel surya secara natural.  Yang tidak bisa dihindari juga adalah pengaruh gangguan kontaminasi material, efek permukaan (surface effect) dan kerusakan Kristal (crystal defect).  Sehingga karena pengaruh-pengaruh tersebut, secara teoritikal, efisiensi maksimal dari sel surya yang berbahan kristal silikon 28% (seperti pada gambar 2).

Pemilihan Material Bahan[1]

Syarat utama suatu sel surya dikatakan baik adalah mempunyai efisiensi tinggi, murah dan dapat diandalkan.  Banyak konfigurasi material bahan yang telah diajukan dan didemonstrasikan dengan tingkat kesuksesan yang tinggi.  Akan tetapi, untuk mendapatkan hasil yang maksimum baik dari segi efisiensi; harga dan kehandalan, masih banyak tantangan yang harus dipecahkan sampai dengan saat ini.  Meskipun demikian, ada beberapa kriteria dasar yang harus diperhatikan dalam setiap penyusunan bahan material untuk pembuatan sel surya, sebagai berikut:

1. Stuktur permukaan didesain untuk mengurangi rugi-rugi refleksi, sebagai contohnya konstruksi permukaan sel berbentuk piramida sehingga cahaya yang dating akan mengenai permukaan beberapa kali.  Material yang dapat digunakan dalam desain piramida ini diantaranya gallium arsenide (GaAs), cadmium telluride (CdTe) atau copper indium selenide (CuInSe2).
2. Tandem atau Stacked Cells, dengan tujuan agar dapat digunakan pada spektrum radiasi lebar.
3. MIS Inversion Layer Cells, medan listrik di dalam sel tidak diproduksi oleh p-n junction, tetapi oleh junction thin oxide layer di semikonduktor.
4. Gratzel cells, merupakan electrochemical liquid sel dengan titanium oxide sebagai electrolytes dan dye untuk meningkatkan penyerapan cahaya.

Beberapa konfigurasi material yang sering digunakan dalam pembuatan sel surya adalah sebagai berikut,

1. Solar sel Kristal-Si

Sel surya dibuat dari silikon yang berbentuk bujur sangkar pipih dengan ukuran 5 x 5 cm atau 10 x 10 cm persegi. Ketebalan silikon ini sekitar 2 mm. Lempengan bujur sangkar pipih ini disebut dengan wafer silikon untuk sel surya. Bentuk wafer silikon sel surya berbeda dengan wafer silikon untuk semikonduktor lain (chip, prosesor komputer, RAM memori) yang berbentuk bundar pipih meski memiliki ketebalan yang sama, dapat dilihat pada gambar 5.

Gambar 5 Wafer Silikon untuk Keperluan elektronika (bundar pipih) dan sel surya (persegi)

Wafer silikon ini dibuat melalui proses pembuatan wafer silikon dengan memanfaatkan silikon berkadar kemurnian tinggi sebelumnya (semiconductor grade silicon). Secara ringkas, penulis paparkan beberapa cara membuat wafer silikon untuk keperluan sel surya.
a. Wafer silikon jenis monokristal.
Mono kristal di sini berarti silikon tersebut tersusun atas satu kristal saja. Sedangkan jenis lain ialah wafer silikon polikristal yang terdiri atas banyak krstal. Wafer silikon monokristal dibuat melalui proses Czochralski (Cz) yang merupakan jantung dari proses pembuatan wafer silikon untuk semikonduktor pula. Prosesnya melibatkan peleburan silikon semiconductor grade, diikuti dengan pemasukan batang umpan silikon ke dalam leburan silikon. Ketika batang umpan ini ditarik perlahan dari leburan silikon, maka secara otomatis silikon dari leburan akan mennempel di batang umpan dan membeku sebagai satu kristal besar silikon. Suhu proses berkisar antara 1000-1200 derajat Celsius, yakni suhu di mana silikon dapat melebur/meleleh/mencair.  Silikon yang telah membeku ini akhirnya dipotong-potong menghasilkan wafer dengan ketebalan sekitar 2 milimeter.

Gambar 6 Reaktor tempat Pembuatan Wafer Silikon

Gambar 7 Keadaan Silikon yang tengah ditarik oleh batang pengumpan

Gambar 8 Ruangan Pabrik Pembuatan Wafer Silikon

Gambar 9 Wafer Silikon yang dihasilkan

Gambar 10 Sel Surya yang menggunakan bahan dasar silikon monokristal

b. Wafer silikon jenis polikristal.
Wafer silikon monokristal relatif jauh lebih sulit dibuat dan lebih mahal. Silikon monokristal inilah yang digunakan untuk bahan dasar semikonduktor pada mikrochip, prosesor, transistor, memori dan sebagainya. Keadaannya yang monokristal (mengandung hanya satu kristal tunggal) membuat silikon monokristal nyaris tanpa cacat dan sangat baik tingkat hantar listrik dan panasnya. Sel surya akan bekerja dengan sangat baik dengan tingkat efisiensi yang tinggi jika menggunakan silikon jenis ini.
Namun demikian, perlu diingat bahwa isu besar sel surya ialah bagaimana menurunkan harga yang masih jauh dari jangkauan masyarakat. Penggunaan silikon monokristal jelas akan melonjakkan harga sel surya yang akhirnya justru kontraprduktif. Komunitas industri dan peneliti sel surya akhirnya berpaling ke jenis silikon yang lain yang lebih murah, lebih mudah dibuat, meski agak sedikit mengorbankan tingkat efisiensinya. Saat ini, baik silikon monokristal maupun polikristal sama sama banyak digunakan oleh masyarakat.

Gambar 11 Contoh aktifitas Peleburan Material

Gambar 12 Sel Surya Berbahan Baku Silikon Polikristal

Pembuatan silikon polikristal pada intinya sama dengan mengecor logam (lihat Gambar di bawah). Semiconductor grade silicon dimasukkan ke dalam sebuah tungku atau tanur bersuhu tinggi hingga melebur/meleleh. Leburan silikon ini akhirnya dimasukkan ke dalam cetakan cor dan selanjutnya dibiarkan membeku. Persis seperti pengecoran besi, aluminium, tembaga maupun logam lainnya. Silikon yang beku kemudian dipotong-potong menjadi berukuran 5 x 5 atau 10 x 10 cm persegi dengan ketebalan kira-kira 2 mm untuk digunakan sebagai sel surya.  Proses pembuatan silikon polikristal dengan cara ini merupakan proses yang paling banyak dilakukan karena sangat efektif baik dari segi ekonomis maupun teknis.
Secara umum, proses pembuatan sel surya mulai dari dari silikon dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

Gambar 13 Skema Proses Pembuatan Sel Surya

2. Schottky-Barrier dan MIS Solar Cells

Seperti halnya karakteristik diode schottky yang ada, metal harus cukup tebal dan mengijinkan sejumlah cahaya mencapai semikonduktor.  Cahaya dengan panjang gelombang pendek masuk ke semikonduktor akan diserap di dalam daerah deplesinya.  Sedangkan cahaya dengan panjang gelombang panjang akan diserap di daerah netral, menghasilkan pasangan elektron-hole seperti dalam p-n junction.  Dalam hal ini, untuk aplikasi sel surya, eksitasi carrier dari metal ke semikonduktor berkontribusi kurang dari 1 persen dari total photocurrent sehingga diabaikan.
Keuntungan dari penggunaan schottky-barrier adalah (1) proses pembuatannyanya berlangsung pada temperatur rendah karena tidak ada difusi temperatur tinggi atau annealing yang dibutuhkan; (2) dapat disatukan dengan polikristalin dan sel surya thin-film; (3) mempunyai resistansi radiasi besar dikarenakan medan listrik yang tinggi dekat dengan permukaan; dan (4) mempunyai arus keluaran besar dan respons spektral yang baik karena daerah deplesi pada permukaan semikonduktor dapat mengurangi pengaruh low-lifetime dan kecepatan rekombinasi dekat dengan permukaan secara signifikan.
Dua kontribusi utama dari photocurrent berasal dari daerah deplesi dan daerah netral di subsrat.  Besarnya arus yang berasal dari daerah deplesi atau yang sering disebut sebagai daerah p-n junction dirumuskan,

Sedangkan arus yang berasal dari daerah subsrat dirumuskan,

Total photocurrent adalah penjumlahan persamaan (1) dan (2) tersebut.
Karakteristik I-V Schottky-barrier dibawah pengaruh iluminasi sendiri dirumuskan,

dimana n adalah faktor ideal, A** konstanta efektif Richardson dan qB adalah panjang barriernya.
Dalam MIS (Metal-insulator-semikonduktor) untuk keperluan sel surya, insulating layer disisipkan diantara permukaan metal dan semikonduktor.  Keuntungannya, medan listrik yang berada di permukaan semikonduktor akan berada pada arah yang sama dengan minority carrier yang dihasilkan oleh cahaya dengan gelombang pendek.  Kerapatan arus saturasi adalah sama dengan schottky barrier dengan penambangan istilah tunneling,


Voc sel surya akan meningkat dengan meningkatnya ketebalan oxide.  Akan tetapi, jika ketebalan  dinaikkan, arus hubung singkat akan turun yang mengakibatkan penurunan efisiensi.  Ketebalan oxide maksimum untuk MIS sel kira-kira 2 nm.
Hetero-junction Solar Cell
Solar sel dengan heterojunction semikonduktor memiliki kinerja yang lebih tinggi karena kemampuannya untuk menyerap bagian yang lebih besar dari spectrum matahari lebih efektif.  Spectrum sinar matahari memiliki rentang panjang gelombang elektromagnetik yang lebar dari ultraviolet hingga inframerah (0.2 sampai  3 µm ).  Sinar matahari yang sampai ke bumi melemah akibat uap air,  penyerapan ozon, debu dan aerosol yang terkandung dalam atmosfer. Pengaruh atmosfer pada sinar matahari tersebut dikuantifikasi oleh tingkat massa udara (AM). Gambar 1 menunjukkan spectrum matahari yang sampai ke permukaan bumi dengan berbagai kondisi AM.

Gambar 14 Spektrum Sinar Matahari dalam Berbagai Kondisi AM

Ketika sel surya single gap menerima spektrum matahari, foton dengan energi yang lebih rendah dari energi gap tidak akan berkontribusi pada keluaran sel. Energi yang lebih besar dari gap akan menghasilkan muatan listrik pada keluaran sel dan kelebihan energi akan diubah menjadi panas. Oleh karena itu heterojunction solar cell akan meningkatkan efisiensi dengan memanfatkan seluruh energi yang diterima, dengan meminimalisasi terjadinya pemanasan pada solar cell. Material disusun mulai dari tingkat energi gap yang paling tinggi hingga yang terendah. Dalam heterostructure, band gap yang lebih lebar dari material yang digunakan dapat berfungsi sebagai optical window pada sel surya. Optimalisasi ketebalan subcell dapat mengoptimalkan efisiensi sel surya.
Saat ini, triple junction solar cell telah diproduksi dengan tingkat efisiensi mencapai mendekati 39%. Untuk mencapai efisiensi tertinggi, sifat material yang digunakan dalam heterojunction solar cell harus dioptimalisasi untuk meningkatkan efisiensi penyerapan dan mengubah sebanyak mungkin fluks sinar matahari yang diterima. Dalam heterostructure, band gap yang lebih lebar dari material yang digunakan dapat berfungsi sebagai optical window pada sel surya [1].  Salah satu kesulitan dengan divais ini adalah untuk mengevaluasi kinerja disain baru. Pemodelan berbasis fisik telah dilakukan untuk heterostructure divais GaInP/GaAS, namun saat ini kebanyakan pemodelan senyawa III-V heterostructure solar cell  yang lebih kompleks (>2 junction) hanya didasarkan pada perhitungan keseimbangan secara detail. Perhitungan ini tidak secara inheren menyajikan semua informasi tentang kinerja yang sesungguhnya dari struktur sel yang diamati. Sebagai contoh, berdasarkan pada perhitungan keseimbangan detail, penambahan subsel selalu meningkatkan kinerja sel. Padahal, kualitas subsel yang buruk dapat menurunkan kinerja divais heterostruktur secara menyeluruh.
Penggunaan GaAs sebagai substrat sangat mahal. Material lain yang dapat digunakan adalah Ge dengan thermal expansion mismatch 0,27%. Penggunaan Silikon sebagai substrat lebih menguntungkan dari segi ekonomis, namun expansion mismatchnya mencapai 4%.
Teknologi untuk penumbuhan lapisan dapat menggunakan LPE, MOCVD, atau MBE. MBE memiliki kelebihan dalam penumbuhan semikonduktor pada area yang lebar dengan lapisan yang sangat tipis, keseragaman dan kualitas kristal yang sangat tinggi, dan profile doping yang seragam. Kekurangannya, MBE harus dilakukan pada tingkat vakum yang sangat tinggi sehingga MBE seringnya dilakukan hanya pada riset dan laboratorium.
Sumber :

1. S.M. Sze, Kwok K. Ng, 2007, Physics of Semiconductor Devices, California : John Wiley & Sons.
2. Garry Ham, Development of a Plated Nicked Seed Layer for Front Side Metallization of Silicon Solar Cells, Massachusetts : Dow Electronics Material.
3. G.Allardyce, The Commercial Application of Light Induced Electroplating for Improving the Efficiency of Crystalline Silicon Solar Cells, Berkheim : Germany.
4. Matt Moynihan, An Overview of Wet Chemistry Processing for the Manufacture of Silicon Solar Cells, Massachusetts : Dow Electronics Material. Raymond Chan, Wafer Cleaning and its Effect on Subsequent Texturing Process, Massachusetts : Dow Electronics Material.
5. Supachok Thainoi, dkk, 2009,  n-GaAlAs on p-GaAs heterostructure solar cells grown by molecular beam epitaxy, Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, Chulalongkorn University, Thailand
6. Adolf Goetzberger, dkk., 1998, Crystalline Silicon Solar Cells, John Wiley & Sons Ltd, England
7. Melissa J. Griggs, dkk., 2006,  p-n Junction Heterostructure Device Physics Model of a Four Junction Solar Cell, Proc. of SPIE Vol. 6339 63390D-1, California Institute of Technology , California.

sumber: coretancempluk.wordpress.com