Aplikasi Teknologi, Featured, Material Sains

Tekstur Sarang Tawon dan Sel Surya Silikon Kristal

17 December 2009 938 views penulis: Willy Yanto Wijaya Print This Post Print This Post

Sel surya merupakan salah satu potensi sumber energi terbaharukan yang dalam beberapa dekade ke depan akan memainkan peran yang semakin dominan. Dengan letak geografis yang berada di khatulistiwa, Indonesia sebenarnya memiliki beberapa kelebihan dalam hal pengembangan teknologi sel surya. Salah satunya adalah intensitas sinar matahari yang lebih tinggi dibanding negara-negara yang terletak jauh di lintang utara maupun selatan. Hal ini berarti efisiensi konversi energi diharapkan akan lebih tinggi. Di samping itu, Indonesia tidak memiliki permasalahan fluktuasi tahunan yang diakibatkan oleh perubahan empat musim.

Akan tetapi, masih banyak permasalahan teknis sel surya yang perlu dikaji lebih mendalam. Salah satu bidang kajian yang menarik banyak perhatian adalah mengenai energy loss (kehilangan energi) dalam panel sel surya. Salah satu sumber energy loss yang berkontribusi terhadap penurunan efisiensi yang cukup signifikan pada sel surya adalah refleksi (pemantulan). Kehilangan energi akibat refleksi cahaya datang ini dapat diatasi dengan menggunakan pelapisan Anti Reflection Coating (ARC) ataupun dengan memodifikasi tekstur permukaan sel surya. Pelapisan ARC mengurangi reflektansi hanya untuk rentang panjang gelombang tertentu, sedangkan teksturisasi permukaan dapat mengurangi reflektansi total dari range panjang gelombang (l) yang pendek hingga l yang panjang. Prinsip teksturisasi permukaan adalah menyebabkan cahaya yang datang dipantulkan berkali-kali sehingga memperbesar kesempatan foton (partikel cahaya) untuk masuk ke dalam material tersebut.

Beberapa metoda yang dilakukan untuk teksturisasi permukaan antara lain dengan menggunakan larutan alkalin, wet etching berbasis asam, ataupun teknik RIE (Reactive Ion Etching) [1-3]. Akan tetapi, karena wet etching memiliki selektivitas etching yang kurang memadai dan teknik RIE menyebabkan kenaikan biaya (cost) yang signifikan; Ibottoson, Saito, dan Momma [4-6] mengusulkan teknik dry etching menggunakan gas klorin trifluoride (ClF3). Teknik ini dapat dilakukan pada suhu ruang, mudah dikontrol, tidak menyebabkan kerusakan pada substrat serta relatif ramah lingkungan. Dalam 10 tahun terakhir ini, gas ClF3 juga telah banyak digunakan dalam pembersihan aparatus CVD (Chemical Vapor Deposition) yang terkait dengan material silikon.

Saito [7] telah melakukan dry etching ClF3 ini pada substrat silikon kristal. Hasil dari dry etching ini adalah substrat dengan tekstur permukaan menyerupai tekstur permukaan sarang tawon seperti ditunjukkan dari hasil SEM (Scanning Electron Microscopy) pada gambar 1. Dengan menggunakan pengukuran spektrometer, didapati bahwa permukaan tekstur sarang tawon ini ternyata mengurangi reflektansi secara signifikan dibanding tekstur permukaan rata (gambar 2). Substrat yang telah bertekstur sarang tawon ini kemudian dibentuk sambungan p-n melalui difusi fosfor secara termal pada suhu 1000°C. Lapisan aluminium juga dideposisi pada permukaan substrat untuk membentuk elektroda-elektroda sehingga substrat dapat berfungsi sebagai sel surya. Sel surya yang telah difabrikasi ini kemudian juga diukur spektrum reflektansinya dan dibandingkan dengan ketika masih berupa substrat (gambar 2).

image002

Gambar 1. Hasil SEM dari tekstur permukaan substrat single-crystallin, dengan waktu etching (a) 17 menit dan (b) 20 menit.

Beberapa parameter fisis lainnya yang juga diukur oleh Saito [7] yaitu respon spektral dan intensitas cahaya yang diserap. Respon spektral diperoleh dari perbandingan jumlah foton yang menumbuk sel surya tersebut dengan arus-foton yang dihasilkan. Kedua parameter fisis ini dibandingkan untuk sel surya bertekstur rata dengan sel surya tekstur sarang tawon yang ditunjukkan oleh gambar 3. Dari gambar 3a dan 3b, tampak bahwa efisiensi kuantum maupun intensitas cahaya terserap pada sel surya bertekstur sarang tawon lebih tinggi dibanding sel surya tanpa tekstur (rata).

image004

Gambar 2. Spektra Reflektansi yang terukur dari substrat single crystallin tanpa tekstur (rata) dan bertekstur sarang tawon (waktu etching 17 menit).

Karakteristik arus-tegangan untuk kedua jenis tekstur sel surya ini juga diukur di bawah penyinaran AM 1.5 dan hasilnya disarikan pada tabel 1 (Saito [7]). Dari tabel 1 tampak bahwa pada sel surya tekstur sarang tawon terjadi peningkatan rapat arus short-circuit (Jsc) yang cukup signifikan, sehingga terjadi juga peningkatan Fill Factor (FF) dan efisiensi (h) sel surya tersebut.

Dengan demikian, teksturisasi sarang tawon terhadap permukaan sel surya memberikan banyak pengaruh positif dalam parameter-parameter fisis yang terkait. Penurunan reflektansi cahaya datang; peningkatan efisiensi kuantum dan intensitas cahaya yang diserap; hingga peningkatan Jsc dan FF merupakan beberapa diantaranya. Efisiensi sel surya secara keseluruhan juga mengalami peningkatan yang sangat signifikan. Efisiensi sel surya ini dapat ditingkatkan lebih jauh lagi dengan melakukan deposisi lapisan anti-refleksi di atas tekstur sarang tawon tersebut.

image006image008

Gambar 3. Rasio respon spektral (a) dan rasio intensitas cahaya diserap (b) pada sel surya bertekstur sarang tawon dengan sel surya tanpa tekstur.

Tabel 1: Nilai karakteristik sel surya silikon single crystallin di bawah penyinaran AM 1.5

Waktu etching

Voc (V)

Jsc (mA/cm2)

FF (%)

h (%)

Tidak bertekstur

0.54

22.9

73.9

9.2

17 menit 0.55 29.6 77.8 12.7
20 menit 0.55 30.3 74.1 12.4

Referensi

[1] Zhao J, Wang A, Green MA. Proceedings of the Second World Conference and Exhibition on Photovoltaic Solar Energy Conversion, 1998.

[2] Shultz O, Emanuel G, Glunz SW, Willeke GP. Proceedings of the Third World Conference on Photovoltaic Solar Energy Conversion, 2003, pp. 1360-1363.

[3] Manshanden P, Burgers AR, Nositschuka WA, Voigt O, Weeber AW. Conference Record of 29th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 2002, pp. 324-327.

[4] Ibottoson DE, Mucha JA, Flamm DL, Cook JM. J. Appl. Phys. 56 (1984) 2939-2942.

[5] Saito Y, Yamaoka O, Yoshida A. J. Vac. Sci. Technol. B9 (1991) 2503-2506.

[6] Momma T, Ishizaki Y, Saito Y. IEICE Trans. C-II J80-C-II (1997) 412-413 (in Japanese)

[7] Saito Y, Kosuge T. Solar Energy Materials & Solar Cells 91 (2007) 1800-1804.



Daftarkan di social page berikut (klik untuk submit):



2 Comments »

  • Kanagawaman said:

    Bagaimana masa depan energi terbaharukan? Kabarnya sampai tahun 2030 masih sekitar 4% dari kebutuhan energi dunia. Suatu jumlah yang sangat kecil dibanding minyak bumi, gas alam, batubara dan nuklir. Menurut Pak Willy kapankah kira-kira energi terbaharukan ini akan menjadi signifikan dalam skema kebutuhan energi dunia?

  • Willy Yanto Wijaya (author) said:

    Terima kasih atas pertanyaan dari Pak Kanagawaman. =)

    Memang benar, hingga saat ini kontribusi renewable energy (energi terbaharukan)terhadap kebutuhan energi dunia masih sangat kecil (kecuali di beberapa negara seperti Denmark yang sudah mulai signifikan kontribusi renewable energy nya).

    Untuk menjawab pertanyaan kapan renewable energy ini akan menjadi signifikan, tidaklah mudah. Hal ini sangat bergantung pada policy (kebijakan) pengembangan energi pada tiap negara.

    Untuk kasus Indonesia, gas alam yang kita miliki diprediksi masih bisa bertahan paling tidak 50 tahun ke depan (jika menghitung data rasio resources deposit/production rate saat ini), meskipun untuk minyak bumi kita sudah mulai sempoyongan dan 15-20 tahun ke depan sudah dalam titik kritis). Untuk batubara, deposit Indonesia sangat besar, diperkiran paling tidak cukup untuk 100 tahun ke depan (dengan laju pemakaian saat ini).

    Dengan karakteristik sumber daya energi seperti ini memang membuat Indonesia relatif santai dibanding negara lain seperti Jepang yang sudah harus mengambil ancang-ancang memikirkan ketahanan energi (energy security) nya untuk beberapa dekade ke depan.

    Akan tetapi, tentunya suatu saat SDA minyak, gas, dan batubaru ini pasti akan habis, dan ketika itu terjadi, bagaimana nasib Indonesia? Apakah harus menunggu semua bahan bakar fosil ini habis baru mulai memikirkan solusinya?? Jika ingin berkelakar, bahkan pada momen seperti itu, Indonesia sudah tidak punya energi untuk berpikir dan melakukan riset =p

    Kembali ke pertanyaan Pak Kanagawa, kontribusi renewable energy untuk suplai energi dunia dalam beberapa dekade ke depan pasti akan menjadi semakin signifikan. Memang ini sangat bergantung pada level ke-ekonomis-an ketika dibandingkan dengan cost/energy dari bahan bakar fosil.

    Sel surya adalah salah satu alternatif renewable energy yang cocok untuk Indonesia jika mempertimbangkan geografis Indonesia yang berupa kepulauan, sebab sel surya memungkinkan sistem suplai energi yang localized (tersebar). Tentunya sangat tidak efisien/ ekonomis untuk membangun electricity grids (jaringan listrik) untuk menghubungkan pulau-pulau kecil yang berpopulasi kecil dan terpisah-pisah oleh laut.

    Menurut pendapat saya, ada 2 renewable energy yang berlimpah di Indonesia yang masih belum termanfaatkan dengan optimal: energi matahari dan geothermal (panas bumi).

Tuliskan komentar anda!

You must be logged in to post a comment.