SIMULASI KINERJA SEL SURYA 4-JUNCTION Al 0.3 Ga 0.7 As/GaAs/InP/Ge DENGAN PEMBATASAN DAERAH SERAPAN RADIASI MATAHARI ENI SEPTI WAHYUNI

Transkripsi

1 SIMULASI KINERJA SEL SURYA 4-JUNCTION Al 0.3 Ga 0.7 As/GaAs/InP/Ge DENGAN PEMBATASAN DAERAH SERAPAN RADIASI MATAHARI ENI SEPTI WAHYUNI DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014

2

3 PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Simulasi Kinerja Sel Surya 4-Junction Al 0.3 Ga 0.7 As/GaAs/InP/Ge dengan Pembatasan Daerah Serapan Radiasi Matahari adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir disertasi ini. Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor. Bogor, April 2014 Eni Septi Wahyuni NIM G

4 ABSTRAK ENI SEPTI WAHYUNI. Simulasi Kinerja Sel Surya 4-Junction Al 0.3 Ga 0.7 As/GaAs/InP/Ge dengan Pembatasan Daerah Serapan Radiasi Matahari. Dibimbing oleh TONY IBNU SUMARYADA dan HERIYANTO SYAFUTRA. Perkembangan sel surya saat ini sangat pesat, ditunjukkan oleh semakin tinggi nilai efisiensi yang diperoleh. Salah satu jenis sel surya yang memiliki tingkat efisiensi yang tinggi tersebut adalah sel surya multi-junction yang memiliki beberapa lapisan sel surya. Pada penelitian ini telah dibuat simulasi struktur sel surya 4-junction Al 0.3 Ga 0.7 As/GaAs/InP/Ge menggunakan program PC1Dv5.9 dalam dua model. Model 1 merupakan sel surya dengan arus Isc berbeda dan Model 2 yang memiliki nilai arus Isc yang sama pada semua lapisan. Setiap model disimulasikan dalam dua kondisi yang berbeda, yaitu tanpa pembatasan (panjang gelombang 280 hingga 2500 nm) dan dengan pembatasan daerah serapan radiasi matahari (dibatasi panjang gelombang cutoff). Model 1 menunjukan sel surya tanpa pembatasan lebih efisien (efisiensi 64.23%) daripada sel surya dengan pembatasan spektrum (efisiensi 36.48%). Sedangkan Model 2 menunjukan nilai efesiensi yang lebih kecil dibandingkan Model 1 dengan efisiensi sel surya tanpa pembatasan spektrum sebesar 12.75% dan dengan pembatasan sebesar 2.81%. Seluruh simulasi dilakukan dengan menggunakan spektrum radiasi AM1.5G. Kata kunci: efisiensi, multi-junction, program PC1D, sel surya ABSTRACT ENI SEPTI WAHYUNI. Solar Cells 4-Junction Al 0.3 Ga 0.7 As/GaAs/InP/Ge Performance Simulation with Absorption Area Restriction of Solar Radiation. Supervised by TONY IBNU SUMARYADA and HERIYANTO SYAFUTRA. Solar cells development increased rapidly indicated by the increasing solar cells efficiency. One way to increase the efficiency is by using multi-junction solar cells. In this research, 4-junction solar cells Al 0.3 Ga 0.7 As/GaAs/InP/Ge has been designed and simulated using PC1Dv5.9 program in two different models. In Model 1, different current is produced in each sublayer, while in Model 2 the identical current restricted in each sublayer. Every models are simulated in two different conditions, i.e without absorption area restriction (wavelength fron 280 to 2500 nm) and with restriction of solar radiation (restricted cutoff wavelength). Model 1 showed that solar cells without spectrum restriction (efficiency 64.23%) are more efficient than the one with restriction (efficiency 36.48%). Model 2 showed smaller efficiency compared to Model 1, with % efficiency for solar cells without spectrum restriction and 2.81% for the one with restriction. All simulations were performed using AM1.5G radiation spectrum. Keywords: efficiency, multi-junction, PC1D program, solar cells

5 SIMULASI KINERJA SEL SURYA 4-JUNCTION Al 0.3 Ga 0.7 As/GaAs/InP/Ge DENGAN PEMBATASAN DAERAH SERAPAN RADIASI MATAHARI ENI SEPTI WAHYUNI Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Fisika DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014

6

7 Judul Skripsi : Simulasi Kinerja Sel Surya 4-Junction Al 0.3 Ga 0.7 As/GaAs/InP/Ge dengan Pembatasan Daerah Serapan Radiasi Matahari. Nama : Eni Septi Wahyuni NIM : G Disetujui oleh Dr Tony Ibnu Sumaryada Pembimbing I Heriyanto Syafutra, MSi Pembimbing II Diketahui oleh Dr Akhiruddin Maddu Ketua Departemen Tanggal Lulus:

8 PRAKATA Alhamdulillahirabbil alamin, puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, atas segala limpahan rahmat, taufik, dan hidayah-nya, serta karunia- Nya kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan skripsi ini. Shalawat serta salam semoga senantiasa tercurahkan kepada junjungan nabi besar, Nabi Muhammad SAW, keluarga, sahabat, serta umatnya. Skripsi dengan judul Simulasi Kinerja Sel Surya 4-Junction Al 0.3 Ga 0.7 As/GaAs/InP/Ge dengan Pembatasan Daerah Serapan Radiasi Matahari ini disusun sebagai salah satu syarat kelulusan program sarjana di Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor. Semoga karya ini dapat bermanfaat bagi kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi di Indonesia. Penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada: 1. Kedua orang tua, Bapak Wahid Nurdin dan Ibu Acih, serta kedua adikku, Dedi W. dan Nur Intan P. yang selalu memberikan dukungan dan kasih sayang yang tulus. 2. Bapak Dr Tony Ibnu Sumaryada, selaku dosen pembimbing pertama yang senantiasa selalu sabar membimbing, memberikan wawasan dan nasihat sehingga penulis mampu menyelesaikan skripsi ini. 3. Bapak Heriyanto Syafutra, MSi, selaku dosen pembimbing kedua yang senantiasa memberikan masukan yang sangat berarti bagi penulis. Terima kasih sudah bersedia berdiskusi dalam penyusunan skripsi ini. 4. Bapak Ardian Arief, MSi selaku pembimbing akademik yang telah bersedia memberikan banyak masukan, saran, dan motivasi, serta gambaran mengenai dunia perkuliahan sehingga penulis dapat mengikuti dan menyelesaikan perkuliahan dengan lancar. 5. Made Dirgantara, SSi, yang senantiasa memberikan semangat dan motivasi. Terima kasih atas kesabarannya mendukung penulis dalam menghadapi kesulitan dalam perkuliahan hingga penyusunan skripsi. Terima kasih karena selalu melakukan yang terbaik untuk penulis. 6. Seluruh dosen yang telah bersedia membagi ilmunya, Bapak M. Nur Indro, MSc sebagai dosen penguji yang selalu memotivasi penulis dan seluruh staff Departemen Fisika IPB, Bapak Firman yang juga sangat mendukung. 7. Teman-teman fisika 47, Roro, Jelly, Hanna, Icha dan Khalid yang selalu penulis repotkan. Terima kasih kepada kak Robi Sobirin, SSi yang sangat membantu penulis memahami prosedur penelitian ini. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah menginspirasi dan memotivasi selama perkuliahan hingga penyusunan skripsi. Semoga karya yang sederhana ini dapat menjadi sumbangan bagi ilmu pengetahuan dan teknologi di Indonesia. Bogor, April 2014 Eni Septi Wahyuni

9 DAFTAR ISI DAFTAR TABEL vii DAFTAR GAMBAR vii DAFTAR LAMPIRAN viii PENDAHULUAN 11 Latar Belakang 11 Perumusan Masalah 2 Tujuan Penelitian 2 Hipotesis 2 TINJAUAN PUSTAKA 2 Spektrum Radiasi Matahari 2 Sel Surya Multi-Junction 4 Efisiensi 6 METODE 7 Waktu dan Tempat 7 Alat 7 Studi Pustaka 7 Menentukan Material Semikonduktor 7 Simulasi Program PC1D 7 Simulasi Perhitungan Menggunakan Program Matlab R2012a 8 HASIL DAN PEMBAHASAN 8 Disain Paramater Simulasi 8 Kurva Karakteristik I-V 12 Koefisien Absorpsi 14 Spektrum Radiasi Matahari 15 Efisiensi 20 Koefisien 21 SIMPULAN DAN SARAN 23 Simpulan 23 Saran 23 DAFTAR PUSTAKA 24

10 LAMPIRAN 25 RIWAYAT HIDUP 27 DAFTAR TABEL 1 Input simulasi Model 1 tanpa pembatasan daerah serapan radiasi 9 2 Output simulasi Model 1 tanpa pembatasan daerah serapan radiasi 9 3 Input simulasi Model 1 dengan pembatasan daerah serapan radiasi 9 4 Output simulasi Model 1 dengan pembatasan daerah serapan radiasi 9 5 Input simulasi Model 2 tanpa pembatasan daerah serapan radiasi 10 6 Output simulasi Model 2 tanpa pembatasan daerah serapan radiasi 10 7 Input simulasi Model 2 dengan pembatasan daerah serapan radiasi 10 8 Output simulasi Model 2 dengan pembatasan daerah serapan radiasi 11 9 Intensitas matahari yang dikonversi menjadi daya listrik pada model tanpa pembatasan daerah serapan radiasi Intensitas matahari yang dikonversi menjadi daya listrik pada model tanpa pembatasan daerah serapan radiasi 20 DAFTAR GAMBAR 1 Spektrum radiasi matahari 3 2 Contoh lapisan sel surya multi-junction 4 3 Diagram Sel Surya 5 4 Disain sel surya Model 1 tanpa pembatasan daerah serapan 10 5 Disain sel surya Model 2 tanpa pembatasan daerah serapan 11 6 Disain sel surya Model 2 dengan pembatasan daerah serapan 11 7 Kurva karaktertik I-V Model 1 tanpa pembatasan daerah serapan 12 8 Kurva karaktertik I-V Model 2 tanpa pembatasan daerah serapan 13 9 Kurva karaktertik I-V Model 1 dengan pembatasan daerah serapan Kurva karaktertik I-V Model 2 dengan pembatasan daerah serapan Koefisien absorpsi Al 0.3 Ga 0.7 As, GaAs, InP, dan Ge Spektrum radiasi AM1.5G Daerah serapan Al 0.3 Ga 0.7 As, GaAs, InP, dan Ge Intensitas matahari yang dikonversi menjadi daya listrik pada Model 1 tanpa pembatasan daerah serapan radiasi Intensitas matahari yang dikonversi menjadi daya listrik pada Model 2 tanpa pembatasan daerah serapan radiasi Intensitas matahari yang dikonversi menjadi daya listrik pada Model 1 dengan pembatasan daerah serapan radiasi Intensitas matahari yang dikonversi menjadi daya listrik pada Model 2 dengan pembatasan daerah serapan radiasi Kurva koefisien Model 1 tanpa pembatasan daerah serapan 21

11 19 Kurva koefisien Model 2 tanpa pembatasan daerah serapan Kurva koefisien Model 1 dengan pembatasan daerah serapan Kurva koefisien Model 2 dengan pembatasan daerah serapan 23 DAFTAR LAMPIRAN 1 Contoh tampilan layar pada simulasi PC1D 25 2 Contoh tampilan menu quick batch pada simulasi PC1D 25 3 Konstanta kisi beberapa semikonduktor 26 4 Koefisien absorpsi beberapa semikonduktor 26

12

13 PENDAHULUAN Latar Belakang Energi menunjukkan kapasitas untuk melakukan kerja. Semua yang ada di dunia ini sangat bergantung kepada energi. Untuk itu, sangat disadari bahwa manuasia melakukan aktivitasnya secara aktif menggunakan energi. Akan tetapi, energi menjadi permasalah utama di dunia saat ini. Pada tahun 2013 lalu, para menteri energi seluruh dunia mengikuti forum internasional yang membahas mengenai masalah energi di setiap Negara. Dengan berkembangnya zaman sudah dipastikan konsumsi energi akan semakin meningkat, sehingga mengharuskan setiap Negara, termasuk Indonesia, membuat kebijakan yang terkait dengan energi. 1 Krisis energi di dunia memicu penemuan-penemuan baru. Salah satunya mengenai energi terbarukan. Sumber energi terbarukan dapat dengan cepat dipulihkan secara alami dan prosesnya berkelanjutan. Energi terbarukan dimanfaatkan sebagai energi alternatif yang dapat menggantikan energi yang semakin habis. Salah satu sumber energi terbarukan adalah cahaya matahari. Cahaya matahari dapat dimanfaatkan oleh komponen sel surya dengan mengkonversi intensitas cahaya matahari menjadi daya listrik. Sel surya secara sederhana merupakan persambungan antara semikonduktor tipe P dan N. Bahan semikonduktor yang biasa digunakan adalah germanium, silikon, atau gabungan unsur-unsur golongan III dan V. 2 Setiap bahan semikonduktor memiliki energi gap yang berbeda yang dimanfaatkan untuk membentuk sel surya multi-junction. Energi gap merupakan energi yang dibutuhkan untuk melepaskan elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Penyusunan sel surya multi-junction dilakukan berdasarkan urutan besar energi gapnya. Semikonduktor yang memiliki energi gap terbesar ditempatkan pada lapisan paling atas. Setiap semikonduktor juga memiliki respon serapan radiasi matahari yang berbeda-beda. Pentingnya melakukan simulasi adalah untuk menentukan struktur sel surya yang memiliki efisiensi tinggi, sehingga dapat meningkatkan efektivitas saat eksperimen laboratorium. Simulasi yang dilakukan pada penelitian ini menggunakan program PC1Dv5.9 dengan struktur sel surya 4-junction. 3 PC1Dv5.9 merupakan versi terbaru dari program PC1D. Material simulasi yang digunakan adalah Al 0.3 Ga 0.7 As (Aluminium Gallium Arsenida), GaAs (Gallium Arsenida), InP (Indium Fosfida), dan Ge (Germanium) pada spektrum radiasi Air Mass 1.5 pada radiasi gobal (AM1.5G). Efisiensi konversi energi dari setiap material yang digunakan dipengaruhi oleh ketebalan setiap lapisan, doping tipe N dan tipe P, dan intensitas yang diterima oleh setiap lapisan. Simulasi dilakukan dengan dua model, yaitu Model 1 yang menghasilkan arus short circuit berbeda untuk memaksimalkan efisiensi dan Model 2 yang menghasilkan arus short circuit sama dan setiap model diberi perlakuan tanpa pembatasan dan dengan pembatasan daerah serapan radiasi matahari. Penelitian sebelumnya 4 mengenai sel surya 4-junction menggunakan material GaInP/GaAs/InGaAs/Ge menghasilkan efisiensi sebesar 33.9%.

14 2 Perumusan Masalah Perumusan masalah pada penelitian ini adalah: 1. Berapakah besar intensitas yang digunakan dan diteruskan oleh setiap lapisan? 2. Bagaimana pengaruh pembatasan daerah serapan terhadap efisiensi sel surya? 3. Bagaimana pengaruh nilai arus short circuit sama terhadap efisiensi sel surya? Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah: 1. Merancang sel surya dengan struktur 4-junction Al 0.3 Ga 0.7 As, GaAs, InP, dan Ge untuk memperoleh tingkat efisiensi yang tinggi menggunakan program PC1Dv5.9 dan Matlab R2012a, 2. Membuat rancangan sel surya dengan model arus short circuit sama dan arus short circuit berbeda, dan 3. Mengetahui pengaruh pembatasan daerah serapan pada spektrum AM1.5G terhadap efisiensi sel surya. Hipotesis Hipotesis pada penelitian ini adalah: 1. Pembatasan daerah serapan radiasi akan menurunkan efisiensi sel surya. 2. Nilai arus short circuit sama pada setiap lapisan sel surya akan menyebabkan efisiensi sel surya menurun. TINJAUAN PUSTAKA Spektrum Radiasi Matahari Cahaya matahari merupakan cahaya polikromatik. Spektrum cahaya polikromatik merupakan spektrum yang kontinu yang dihasilkan dari suatu zat cair, padat, atau gas yang berpijar pada tekanan yang sangat tinggi. Jika spektrum ada pada tekanan rendah, maka tidak akan terlihat warna-warna pada spektrumnya. Warna pada spektrum membentuk garis-garis terang berdasarkan karakteristik panjang gelombang. Perbedaan spektrum yang ditunjukkan oleh Gambar 1 dijelaskan menggunakan istilah Air Mass. 5

15 3 Spektrum Iradiasi (kwm -2 µm -1 ) Blackbody AM0 AM1.5G Panjang Gelombang (µm) Gambar 1 Spektrum radiasi matahari. 5 Air Mass adalah panjang lintasan cahaya yang melewati atmosfer, biasanya merupakan lintasan terpendek yang mungkin. Air Mass menentukan reduksi energi matahari yang melewati atmosfer dan yang diserap oleh udara dan berbagai partikel di dalamnya. Air Mass didefisinikan sebagai dengan sudut dari arah vertikal matahari. Ketika posisi matahari tepat langsung di atas permukaan bumi ( =0), Air Mass bernilai 1. 5 Spektrum standar di permukaan bumi adalah AM1.5G, di mana G untuk global dan termasuk radiasi langsung (direct) dan radiasi difusi, atau AM1.5D yang hanya termasuk radiasi langsung (direct). Spektrum langsung (direct) sangat penting dalam konsentrator sel surya dengan sudut penerimaan optik yang kecil, sedangkan spektrum global sangat penting sel surya dengan sudut penerimaan optik yang lebih besar. Intensitas radiasi AM1.5D dapat diaproksimasi dengan merekduksi spektrum AM0 sekitar 28%, di mana 18% absorpsi dan 10% hamburan. Spektrum global 10% lebih tinggi dari spektrum langsung (direct). Hasil aproksimasi menunjukkan intensitas 970 W/m 2 untuk AM1.5G. Akan tetapi standar yang biasa digunakan adalah sebesar 1 kw/m 2. 5 Berdasarkan sifat dualisme gelombang, cahaya matahari dapat dianggap sebagai partikel cahaya yang dinamakan foton. Foton bergerak dengan kecepatan cahaya (3 x 10 8 m/s) dengan energi sebesar hf, dengan h merupakan konstanta Planck (6.62 x J.s) dan f frekuensi cahaya matahari yang merupakan perbandingan antara kecepatan cahaya (c) dengan panjang gelombang (λ). (1) (2) (3)

16 4 Temperatur permukaan matahari berkisar 6000K. Intensitas matahari (I m ) yang diradiasikan memenuhi Persamaan (4). ( ), (4) dengan k sebagai konstanta Boltzmann (1.38 x J/K), h sebagai tetapan Planck (6.62 x J s), c sebagai kecepatan cahaya (3 x 10 8 m/s), dan sebagai panjang gelombang, sebagai konstanta yang bernilai 1 untuk radiasi benda hitam dan pada rentang nilai 0 sampai 1 untuk radiasi selain benda hitam. Sel Surya Multi-Junction Sel surya adalah komponen yang mengkonversi energi cahaya matahari menjadi energi listrik. Sel surya tersusun dari bahan semikonduktor yang memiliki energi gap yang berbeda. Berdasarkan energi gapnya, setiap lapisan semikonduktor dapat disusun mulai dari energi gap (Eg) yang paling tinggi. Susunan sel surya tersebut yang dinamakan dengan sel surya multi-junction. Jika susunannya terdiri dari empat lapisan semikonduktor, maka dinamakan sel surya 4-junction, seperti terlihat pada Gambar 2. Sel surya multi-junction merupakan sel surya paling efisien dari semua sel surya. Al 0.3 Ga 0.7 As (Eg = ev) GaAs (Eg = ev) InP (Eg = 1.35 ev) Ge (Eg = ev) Gambar 2 Contoh lapisan sel surya multi-junction Dalam satu persambungan (single junction) terdapat persambungan P dan N yang memiliki tiga daerah. Pertama daerah tipe P yang mayoritas pembawa muatannya adalah hole. Kedua daerah tipe N yang mayoritas pembawa muatannya adalah elektron. Ketiga adalah daerah deplesi (pengosongan) yang memiliki medan listrik internal dari tipe N ke tipe P. Medan listrik pada daerah deplesi mengakibatkan arus drift yang diimbangi oleh arus difusi (elektron yang mengalir dari tipe N ke tipe P). Ketika foton menumbuk sel surya, maka akan terjadi pelepasan elektron dan hole. Pelepasan pembawa muatan ini mengakibatkan medan listrik pada daerah deplesi meningkat, mengakibatkan arus drift lebih besar dibandingkan arus difusi sehingga secara keseluruhan dihasilkan arus drift. Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan sebagai arus listrik seperti pada Gambar 3. 6

17 5 cahaya arus tipe n tipe n persambungan aliran elektron foton aliran hole Gambar 3 Diagram Sel Surya. 6 Setiap persambungan dalam sel surya menyerap energi pada spektrum cahaya yang berbeda-beda. Ketika foton menumbuk sel surya single junction, energi foton akan diserap jika energinya lebih kecil atau sama dengan energi gap bahan, jika sebaliknya absorpsi tidak akan terjadi. Jika energi foton lebih besar dari energi gap, energi yang berlebih dari foton akan dilepaskan sebagai panas. Konsep sel surya multi-junction didasarkan pada penggunaan material semikonduktor dengan energi gap yang berbeda agar menyerap energi pada spektrum cahaya yang berbeda-beda. 7 Energi cahaya matahari yang datang pada lapisan pertama tidak semuanya diserap. Energi tidak diserap oleh lapisan pertama akan dimanfaatkan oleh lapisan kedua. Sama halnya seperti lapisan pertama, tidak semua energi diserap oleh lapisan kedua. Energi yang tidak diserap akan dimanfaatkan oleh lapisan berikutnya. Dengan demikian, energi matahari yang datang dapat dimanfaatkan secara optimal oleh sel surya multi-junction. Untuk mendapatkan struktur sel surya multi-junction perlu ditinjau konstanta kisi dari setiap semikonduktor seperti yang terlihat pada Lampiran 3. 6 Konstanta kisi setiap semikonduktor ditinjau dari struktur kristal yang sama. Jika terjadi perbedaan struktur kristal di antara semikonduktor maka terjadi dislokasi yang menyebabkan pengurangan efisiensi sel surya. Energi gap setiap semikonduktor mempengaruhi besar intensitas cahaya matahari yang ditransmisikan oleh lapisan paling atas untuk dimanfaatkan oleh lapisan di bawahnya. Intensitas diteruskan (I t ) dipengaruhi oleh koefisien absorpsi

18 6 ( ) dan ketebalan (x) seperti terlihat pada Persamaan (5). I 0 menujukkan besar intensitas yang datang ppada setiap lapisan. Koefisien absorpsi dipengaruhi oleh energi pada setiap panjang gelombang cahaya yang datang. Oleh karena itu, besar koefisien absorpsi semikonduktor akan berbeda-beda pada setiap panjang gelombang. Untuk menentukan nilai koefisien absorpsi dapat digunakan Persamaan (6). 8 (5) ( ) + ( ) ( m) -1, (6) dengan bernilai 0.1 ev. Koefisien absorpsi beberapa semikonduktor ditunjukkan oleh Lampiran 4. 6 Efisiensi Energi yang dipancarkan oleh cahaya matahari hanya diterima oleh permukaan bumi sebesar 69% dari total energi yang dipancarkan. Persediaan energi matahari yang diterima oleh permukaan bumi dapat mencapai 0.5 miliar energi atau sekitar 1.3 x Watt. Energi matahari yang melimpah tersebut dapat dimanfaatkan sebagai energi listrik dengan komponen sel surya. Dalam proses konversi energi pada sel surya dipengaruhi oleh banyak faktor yang mengurangi optimalisasi pemanfaatan sel surya. Salah satunya adalah faktor orientasi terhadap matahari. Sudut orientasi dari sel surya sangat mempengaruhi hasil energi maksimum. Sel surya akan menghasilkan daya maksimal ketika posisinya tegak lurus dengan cahaya matahari, sehingga efisiensi konversi energi matahari akan lebih besar. 9 Efisiensi pada setiap lapisan sel surya ( ) merupakan perbandingan antara daya output maksimum yang dihasilkan (P maks ) dan daya total radiasi matahari yang diterima oleh sel surya (P in ), sedangkan efisiensi total pada sel surya ( ) merupakan perbandingan total daya maksimum dari masing-masing lapisan (lapisan ke-1 hingga lapisan ke-n) dan daya total radiasi matahari yang diterima oleh sel surya (P in ). ma in (7) Fill Factor merupakan faktor pengisian arus pada sel surya. Jika nilai Fill Factor dari suatu sel surya lebih besar dari 70%, maka dapat dikatakan bahwa kinerja dari sel surya tersebut baik. Fill Factor dapat dihitung menggunakan Persamaan (9), dengan V oc sebagai tegangan open circuit dan I sc sebagai arus short circuit. (8) Fill Factor (9)

19 7 METODE Waktu dan Tempat Penelitian ini dilaksanakan dari bulan Agustus 2013 hingga bulan Februari Penelitian dilaksanakan di Laboratorium Fisika Teori dan Komputasi, Departemen Fisika, Fakultas Matematikan dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Alat Penelitian ini penggunakan peralatan berupa alat tulis (buku tulis, pena, pensil, dan sebagainya) dan komputer dengan memori 2 GB. Komputer dilengkapi dengan Microsoft Office 2010, program Matlab R2012a, dan program PC1Dv5.9 sebagai simulator sel surya. Studi Pustaka Studi pustaka dilakukan untuk memahami konsep dasar dari perancangan sel surya multi-junction, material semikonduktor yang digunakan, energi gap dari material semikonduktor, parameter-parameter yang ditentukan agar memperoleh efisiensi yang tinggi. Menentukan Material Semikonduktor Pada simulasi ini, setiap lapisan semikonduktor disusun berdasarkan tingkat energi gap. Material yang memiliki nilai energi gap paling tinggi diletakkan paling atas. Energi gap untuk Al 0.3 Ga 0.7 As, GaAs, InP, dan Ge masing-masing ev, ev, 1.35 ev, dan ev. Pemilihan material berdasarkan nilai konstanta kisi yang tidak jauh berbeda antar bahan, di mana keempat material berada pada konstanta kisi 5.6 sampai 5.9 Å. Simulasi Program PC1D PC1D adalah program yang khusus digunakan untuk simulasi sel surya. Dalam program PC1D, terdapat beberapa material yang dapat digunakan untuk simulasi sel surya, diantaranya Al 0.3 Ga 0.7 As, GaAs, InP, Ge, dan Si. Setiap material yang digunakan sebagai lapisan disimulasikan terpisah. Simulasi terdiri dari dua model. Model 1 merupakan sel surya dengan arus short circuit berbeda antar lapisan dan Model 2 arus short circuit yang sama antar lapisan. Ketebalan optimal yang menghasilkan daya maksimum dan arus short circuit sama ditentukan menggunakan menu quick batch. Pada menu ini, dipilih rentang ketebalan tertentu, seperti 1 µm hingga 20 µm, sehingga dapat diketahui ketebalan yang menghasilkan daya maksimum. Selain ketebalan, dapat ditentukan nilai

20 8 densitas P doping dan N doping yang menghasil daya maksimum atau arus short circuit yang sama. Densitas doping disimulasikan pada rentang hingga Parameter output dapat dipilih sesuai dengan kebutuhan. Pada penelitian ini, parameter yang dipilih adalah tegangan open circuit, arus short circuit, dan daya maksimum, sehingga diperoleh kurva karakteristik arus dan tegangan (I-V) untuk setiap lapisan. Simulasi Perhitungan Menggunakan Program Matlab R2012a Matlab R2012a merupakan program yang dapat digunakan untuk menghitung. Seperti pada penenelitian sebelumnya, program ini telah digunakan untuk menghitung intensitas cahaya yang diserap dan diteruskan pada semua setiap panjang gelombang spektrum radiasi matahari. 10 Intensitas cahaya matahari yang datang dapat diserap, dipantulkan, dan diteruskan oleh semikonduktor. Pada penelitian ini, diasumsikan bahwa tidak terdapat intensitas matahari yang dipantulkan. Simulasi perhitungan menggunakan Matlab dilakukan untuk menghitung intensitas cahaya matahari yang diserap dan diteruskan oleh tiap lapisan. Untuk menghitung intensitas yang diserap dan diteruskan, maka terlebih dahulu perlu menghitung koefisien absorpsi pada setiap panjang gelombang yang datang, sehingga didapatkan koefisien absorpsi masing-masing lapisan dan ditampilkan dalam bentuk kurva. Intensitas cahaya matahari yang datang pada lapisan pertama sebagian akan diserap dan dikonversi menjadi daya listrik, sedangkan intensitas cahaya matahari yang diteruskan oleh lapisan pertama akan diserap dan diteruskan lapisan kedua. Hal ini juga terjadi pada lapisan kedua, ketiga dan keempat. Intensitas yang tersisa dari sel surya ini akan dilepas ke lingkungan. Intensitas yang diserap dan diteruskan ditampilkan dalam bentuk kurva. Besar intensitas yang diserap dan diteruskan didapatkan dengan menghitung luas kurva menggunakan Metode Trapezoid. Dengan diperolehnya besar intensitas yang datang dan besar intensitas yang dapat dikonversi menjadi daya listrik, maka dapat ditentukan nilai koefisien yang merupakan perbandingan antara intensitas yang dikonversi menjadi daya listrik terhadap intensitas yang datang, sehingga diperoleh koefisien setiap panjang gelombang pada masing-masing lapisan dan ditampilkan dalam bentuk kurva. Data yang diperoleh simulasi PC1D dan Matlab diolah menggunakan Microsoft Excel HASIL DAN PEMBAHASAN Disain Paramater Simulasi Berdasarkan persamaan 5, intensitas yang diteruskan akan menurun secara eksponensial dengan penambahan ketebalan bahan. Setiap model sel surya yang dirancang memiliki karakteristik struktur yang sama, yaitu lapisan paling atas memiliki ketebalan lebih kecil dibandingkan lapisan dibawahnya. Hal ini karena ketebalan berbanding terbalik dengan energi gap lapisan. Karena lapisan paling atas energi gapnya paling tinggi, maka lapisan tersebut paling tipis. Hal ini juga bertujuan agar lapisan paling atas dapat meneruskan intensitas cahaya yang tidak

21 digunakan lapisan tersebut untuk dimanfaatkan oleh lapisan yang berada di bawahnya. Ketebalan masing-masing lapisan pada setipa model dapat dilihat pada tabel di bawah ini. 9 Tabel 1 Input simulasi Model 1 tanpa pembatasan daerah serapan radiasi Lapisan Ketebalan (µm) Panjang Gelombang (nm) Doping Tipe P (cm -3 ) Doping Tipe N(cm -3 ) Intensitas W/cm 2 Al 0.3 Ga 0.7 As GaAs InP Ge Tabel 2 Output simulasi Model 1 tanpa pembatasan daerah serapan radiasi Lapisan Isc (A) Voc (V) Pmaks (W) FF (%) Efisiensi Sel (%) Al 0.3 Ga 0.7 As GaAs InP Ge Efisiensi Total (%) Tabel 3 Input simulasi Model 1 dengan pembatasan daerah serapan radiasi Lapisan Ketebalan (µm) Panjang Gelombang (nm) Doping Tipe P (cm -3 ) Doping Tipe N (cm -3 ) Intensitas W/cm 2 Al 0.3 Ga 0.7 As GaAs InP Ge Tabel 4 Output simulasi Model 1 dengan pembatasan daerah serapan radiasi Lapisan Isc (A) Voc (V) Pmaks (W) FF (%) Efisiensi Sel (%) Al 0.3 Ga 0.7 As GaAs InP Ge Efisiensi Total (%) 36.48

22 10 Al 0.3Ga 0.7As µm GaAs 3.15 µm InP µm Ge µm Gambar 4 Disain sel surya Model 1 tanpa pembatasan daerah serapan Tabel 5 Input simulasi Model 2 tanpa pembatasan daerah serapan radiasi Lapisan Ketebalan (µm) Panjang Gelombang (nm) Doping Tipe P (cm -3 ) Doping Tipe N (cm -3 ) Intensitas W/cm 2 Al 0.3 Ga 0.7 As GaAs InP Ge Tabel 6 Output simulasi Model 2 tanpa pembatasan daerah serapan radiasi Lapisan Isc (A) Voc (V) Pmaks (W) FF (%) Efisiensi Sel (%) Al 0.3 Ga 0.7 As GaAs InP Ge Efisiensi Total (%) Tabel 7 Input simulasi Model 2 dengan pembatasan daerah serapan radiasi Lapisan Ketebalan (µm) Panjang Gelombang (nm) Doping Tipe P (cm -3 ) Doping Tipe N (cm -3 ) Intensitas W/cm 2 Al 0.3 Ga 0.7 As GaAs InP Ge

23 11 Tabel 8 Output simulasi Model 2 dengan pembatasan daerah serapan radiasi Lapisan Isc (A) Voc (V) Pmaks (W) FF (%) Efisiensi Sel (%) Al 0.3 Ga 0.7 As GaAs InP Ge Efisiensi Total (%) 2.81 Al 0.3Ga 0.7As µm GaAs µm InP µm Ge µm Gambar 5 Disain sel surya Model 2 tanpa pembatasan daerah serapan Al 0.3Ga 0.7As µm GaAs µm InP µm Ge 22.4 µm Gambar 6 Disain sel surya Model 2 dengan pembatasan daerah serapan Selain menentukan ketebalan, dalam menu quick batch juga dapat ditentukan nilai densitas doping tipe P dan tipe N. Pemberian doping ini bertujuan untuk meningkatkan efisiensi konversi energi dari sel surya. Pemberian doping menyebabkan jumlah pembawa muatan, baik elektron maupun hole, akan bertambah, sehingga arus yang dihasilkan oleh lapisan sel surya akan lebih besar.

24 12 Kurva Karakteristik I-V Setiap lapisan pada masing-masing model sel surya memiliki kurva karakteristik I-V yang berbeda. Kurva karakteristik I-V merupakan kurva yang menampilkan kinerja dari sel surya. Kurva ini menunjukkan sifat listrik sel surya berdasarkan besar arus dan tegangan yang dihasilkan. Selain itu juga mendefinisikan tegangan rangkaian terbuka (Voc) dan hubungan arus pendek (Isc). Voc merupakan tegangan maksimum yang dapat dicapai pada saat tidak ada arus (arus sama dengan nol) atau pada rangkaian terbuka (open-circuit). Pada umumnya, semikonduktor dengan energi gap yang lebih tinggi akan menghasilkan Voc yang lebih tinggi pula. Hal ini terlihat pada kurva karakteriktik I-V setiap lapisan pada masing-masing model sel surya. Energi gap yang rendah menyebabkan Isc dari semikonduktor menjadi tinggi. 11 Akan tetapi hal ini tidak dapat terlihat pada kurva karakteristik I-V dari keempat lapisan yang didapat. Hal ini dikarenakan intensitas cahaya yang datang pada setiap lapisan tidak sama. Isc merupakan arus maksimum yang dihasilkan dan diukur pada tegangan nol atau pada hubungan pendek (short-circuit). Berdasarkan kurva karakteristik I-V, dapat ditentukan output daya maksimum, Fill Factor, dan efisiensi konversi energi. Karakteristik I-V sel surya Model 1 tanpa pembatasan daerah serapan ditunjukkan oleh Gambar 15. Besar Isc mulai dari Al 0.3 Ga 0.3 Ga, GaAs, InP, dan Ge masing-masing sebesar A, A, A, dan A, dan untuk Voc masing-masing sebesar V, V, V, dan V. Nilai Fill Factor yang diperoleh masing-masing lapisan sebesar 91.35%, 88.17%, 87.97%, dan 75.94%. Karena nilai Fill Factor lebih dari 70%, dapat dikatakan kinerja sel surya ini baik. Berbeda dengan sel surya Model 2 tanpa pembatasan. Nilai Fill Factor masing-masing lapisan sebesar 90.39%, 87.43%, 87.97%, dan 58.66%. Nilai Fill Factor untuk lapisan Ge kurang dari 70%. Dengan kata lain kinerja lapisan ini kurang baik pada Model 2 tanpa pembatasan. Karakteristik I-V model ini ditunjukkan oleh Gambar 16. Isc model ini sebesar dan Voc masing-masing lapisan sebesar V, V, V, dan V. Karena pada Model 2 Isc masing-masing lapisan sama, maka tegangan total adalah jumlah Voc keempat lapisan tersebut yaitu sebesar V Arus (A) Al0.3Ga0.7As GaAs InP Ge Tegangan (V) Gambar 7 Kurva karakteristik I-V Model 1 tanpa pembatasan daerah serapan

25 13 Arus (A) Tegangan (V) Al0.3Ga0.7As GaAs InP Ge Gambar 8 Kurva karakteristik I-V Model 2 tanpa pembatasan daerah serapan Karakteristik I-V sel surya Model 1 dengan pembatasan daerah serapan ditunjukkan oleh Gambar 18. Besar Isc mulai dari Al 0.3 Ga 0.3 Ga, GaAs, InP, dan Ge masing-masing sebesar A, A, A, dan A, dan untuk Voc masing-masing sebesar V, V, V, dan V. Nilai Fill Factor yang diperoleh masing-masing lapisan sebesar 99.90%, 88.11%, 88.24%, dan 76.78%. Karena nilai Fill Factor lebih dari 70%, dapat dikatakan kinerja sel surya ini baik. Untuk sel surya Model 2 tanpa pembatasan, nilai Fill Factor masing-masing lapisan sebesar 90.31%, 87.18%, 88.24%, dan 61.45%. Nilai Fill Factor untuk lapisan Ge kurang dari 70%. Dengan kata lain kinerja lapisan ini kurang baik pada Model 2 tanpa pembatasan. Karakteristik I-V model ini ditunjukkan oleh Gambar 19. Isc model ini sebesar dan Voc masingmasing lapisan sebesar V, V, V, dan V. Tegangan total pada model ini sebesar V Arus (A) Al0.3Ga0.7As GaAs InP Ge Tegangan (V) Gambar 9 Kurva karakteristik I-V Model 1 dengan pembatasan daerah serapan

26 Arus (A) Tegangan (V) Al0.3Ga0.7As GaAs InP Ge Gambar 10 Kurva karakteristik I-V Model 2 dengan pembatasan daerah serapan Koefisien Absorpsi Koefisien absorpsi sangat mempengaruhi besar intensitas yang diteruskan oleh setiap lapisan. Nilai koefisien absorpsi, berdasarkan persamaan 6, dipengaruhi oleh energi gap semikonduktor. Koefisien absorpsi merupakan fungsi dari panjang gelombang. Setiap material semikonduktor akan menyerap intensitas dengan energi yang lebih rendah dari energi gapnya atau menyerap hingga panjang gelombang cutoff. Oleh karena itu, setiap semikonduktor yang digunakan akan menyerap intensitas sampai panjang gelombang yang berbeda-beda, seperti diperlihatkan oleh Gambar 11. Koefisien Absorpsi (µm -1 ) Panjang Gelombang (µm) Gambar 11 Koefisien absorpsi Al 0.3 Ga 0.7 As, GaAs, InP, dan Ge Al 0.3 Ga 0.7 As dapat menyerap intensitas cahaya hingga panjang gelombang 684 nm, sedangkan GaAs hingga panjang gelombang 873 nm. InP dan Ge

27 masing-masing hingga panjang gelombang 921 nm, dan Ge 1864 nm. Dengan adanya perbedaan kemampuan penyerapan antar lapisan, maka rancangan sel surya 4-junction sangat bermanfaat untuk memaksimalkan penyerapan intensitas yang datang. 15 Spektrum Radiasi Matahari Simulasi pada penelitian ini menggunakan spektrum radiasi AM1.5G berdasarkan standar ASTM G173 yang ditunjukkan oleh Gambar 12, dengan panjang gelombang mulai dari 280 hingga 2500 nm yang memiliki intensitas radiasi matahari total sebesar W/cm Spektrum Iradiasi (kwm -2 µm -1 ) Panjang Gelombang (µm) Gambar 12 Spektrum radiasi AM1.5G Simulasi pertama dilakukan untuk rancangan sel surya tanpa adanya pembatasan daerah serapan radiasi matahari. Setiap lapisan dapat menyerap intensitas yang datang pada panjang gelombang 280 hingga 2500 nm. Pada Model 1, Al 0.3 Ga 0.7 As menerima intensitas sebesar W/cm 2 dengan ketebalan optimal sebesar µm. Intensitas yang diteruskan oleh Al 0.3 Ga 0.7 As sebesar W/cm 2 yang kemudian menjadi intensitas datang bagi GaAs. GaAs memiliki ketebalan optimal sebesar 3.51 µm dan meneruskan intensitas sebesar W/cm 2. Intensitas yang diteruskan GaAs menjadi intensitas datang untuk InP. InP dapat meneruskan intensitas sebesar W/cm 2 dengan ketebalan optimalnya sebesar µm. Ge menerima intensitas yang diteruskan InP dengan ketebalan optimal sebesar µm, yang dapat meneruskan intensitas sebesar W/cm 2.

28 16 Panjang Gelombang (µm) Gambar 13 Daerah serapan Al 0.3 Ga 0.7 As, GaAs, InP, dan Ge Intensitas yang diserap oleh setiap lapisan tidak seluruhnya dijadikan daya listrik. Gambar 13 menunjukkan daerah-daerah serapan intensitas cahaya matahari setiap lapisan. Daerah serapan tersebut dibatasi oleh panjang gelombang cutoff. Al 0.3 Ga 0.7 As dapat menyerap intensitas sebesar W/cm 2 dan menghasilkan daya sebesar W. GaAs menyerap intensitas sebesar W/cm 2, tetapi hanya menghasilkan daya sebesar W. Intensitas yang diserap InP sebesar W/cm 2 dan menghasilkan daya sebesar W. Ge mampu menyerap intensitas sebesar W/cm 2, namun hanya menghasilkan daya sebesar W. Besar intensitas datang yang menjadi daya listrik pada Model 1 tanpa pembatasan ditunjukan oleh Gambar 14. Spektrum Iradiasi (kwm -2 µm -1 ) Spektrum Iradiasi (kwm -2 µm -1 ) Panjang Gelombang (µm) Gambar 14 Intensitas matahari yang dikonversi menjadi daya listrik pada Model 1 tanpa pembatasan daerah serapan radiasi

29 Pada simulasi Model 2 tanpa pembatasan daerah serapan, Al 0.3 Ga 0.7 As juga menerima intensitas sebesar W/cm 2. Arus short circuit sama disesuaikan dengan arus short circuit terrendah yang dihasilkan pada Model 1 yaitu oleh lapisan InP. Ketebalan Al 0.3 Ga 0.7 As diperoleh sebesar µm dan intensitas yang diteruskan oleh lapisan ini sebesar W/cm 2. Pada lapisan GaAs, untuk menghasilkan arus short circuit yang sama, diperoleh keterbalan sebesar µm. Dengan intensitas yang datang dari lapisan pertama, GaAs meneruskan intensitas sebesar W/cm 2. Pada lapisan InP, ketebalan yang diperoleh sebesar µm. Dengan menerima intensitas dari lapisan kedua, InP meneruskan intensitas sebesar W/cm 2 yang diterima oleh Ge. Lapisan Ge memiliki ketebalan sebesar µm dan meneruskan intensitas sebesar W/cm 2. Karena intensitas yang diteruskan oleh lapisan 1 pada Model 2 lebih kecil dari Model 1, menunjukkan bahwa intensitas yang diserap oleh lapisan tersebut lebih besar, dengan perbedaan tidak terlalu signifikan. Al 0.3 Ga 0.7 As menyerap intensitas sebesar W/cm 2 dan hanya menghasilkan daya sebesar W. GaAs menyerap intensitas sebesar W/cm 2 dan hanya menghasilkan daya sebesar W. Intensitas yang diserap InP sebesar W/cm 2 dan menghasilkan daya sebesar W. Ge mampu menyerap intensitas sebesar W/cm 2, namun hanya menghasilkan daya sebesar W. Daya yang dihasilkan pada Model 2 sangat berbeda dengan Model 1. Hal ini karena arus short circuit sama yang dicapai relatif kecil, sehingga daya yang diperoleh Model 2 lebih kecil dari Model 1. Besar intensitas matahari datang yang dijadikan daya listrik pada Model 2 tanpa pembatasan ditunjukan oleh Gambar Spektrum Iradiasi (kwm -2 µm -1 ) Panjang Gelombang (µm) Gambar 15 Intensitas matahari yang dikonversi menjadi daya listrik pada Model 2 tanpa pembatasan daerah serapan radiasi Simulasi kedua dilakukan untuk rancangan sel surya dengan pembatasan daerah serapan radiasi matahari. Al 0.3 Ga 0.7 As diatur untuk dapat menyerap intensitas pada panjang gelombang 280 nm hingga panjang gelombang cutoff yaitu 684 nm. Untuk GaAs, karena diasumsikan intensitas pada panjang

30 18 gelombang yang lebih rendah dari 684 nm sudah diserap Al 0.3 Ga 0.7 As, maka GaAs dapat menyerap intensitas pada panjang gelombang 684 nm hingga panjang gelombang cutoff yaitu 873 nm. Hal ini berlaku juga untuk lapisan selanjutnya. InP dapat menyerap intensitas pada panjang gelombang 873 hingga 921 nm dan Ge pada panjang gelombang 921 hingga 1864 nm. Total intensitas yang datang pada sel surya dengan pembatasan daerah serapan tidak sama dengan sel surya tanpa pembatasan, yaitu sebesar W/cm 2. Spektrum Iradiasi (kwm -2 µm -1 ) Panjang Gelombang (µm) Gambar 16 Intensitas matahari yang dikonversi menjadi daya listrik pada Model 1 dengan pembatasan daerah serapan radiasi Untuk Model 1, intensitas yang datang pada Al 0.3 Ga 0.7 As sebesar W/cm 2. Pada Model 1 dengan pembatasan menunjukkan daya listrik yang dihasilkan oleh Al 0.3 Ga 0.7 As lebih kecil dari Model 1 tanpa pembatasan, yaitu sebesar W. Hal ini juga terjadi pada lapisan-lapisan berikutnya. Intensitas yang datang pada lapisan GaAs sebesar W/cm 2 dan lapisan ini menghasilkan daya sebsesar W. InP menerima intensitas sebesar W/cm 2 dan menghasilkan daya sebesar W. Ge menerima intensitas sebesar W/cm 2 dan menghasilkan daya sebesar W. Besar intensitas matahari datang yang dijadikan daya listrik ditunjukan oleh Gambar 16. Pada Model 2 dengan pembatasan tidak dapat menggunakan parameter Model 2 tanpa pembatasan. Untuk mendapatkan parameter pada arus yang sama, semua lapisan menyesuaikan arus yang dihasilkan oleh lapisan InP pada Model 1 dengan pembatasan daerah serapan. Ketebalan yang diperoleh untuk lapisan Al 0.3 Ga 0.7 As sebesar µm. Intensitas yang diterima Al 0.3 Ga 0.7 As sebesar W/cm 2 dan dengan intensitas tersebut Al 0.3 Ga 0.7 As dapat menghasilkan daya listrik sebesar W. GaAs menerima intensitas sebesar W/cm 2 dengan ketebalan sebesar µm, lapisan ini hanya menghasilkan daya sebesar W. Untuk lapisan InP dan Ge masing-masing ketebalannya sebesar dan 22.4 µm kedua lapisan ini menerima intensitas masing-masing dan W/cm 2 dan menghasilkan daya masing-masing sebesar dan W. Daya listrik yang dihasilkan pada Model 2 dengan pembatasan daerah

31 serapan tentunya lebih kecil dari Model 1 dengan pembatasan daerah serapan, karena penyamaan arusnya pun sangat kecil. Besar intensitas matahari datang yang dijadikan daya listrik ditunjukan oleh Gambar Spektrum Iradiasi (kwm -2 µm -1 ) Panjang Gelombang (µm) Gambar 17 Intensitas matahari yang dikonversi menjadi daya listrik pada Model 2 dengan pembatasan daerah serapan radiasi Intensitas matahari yang datang dan diserap, serta intensitas yang dikonversi menjadi daya listrik (daya output) pada setiap model, baik tanpa pembatasan maupun dengan pembatasan daerah serapan radiasi dapat dilihat pada tabel di bawah ini. Tabel 9 Intensitas matahari yang dikonversi menjadi daya listrik pada model tanpa pembatasan daerah serapan radiasi Model 1 Model 2 Lapisan Intensitas datang (W/cm 2 ) Intensitas yang diserap (W/cm 2 ) Daya output (W) Al 0.3 Ga 0.7 As GaAs InP Ge Al 0.3 Ga 0.7 As GaAs InP Ge

32 20 Tabel 10 Intensitas matahari yang dikonversi menjadi daya listrik pada model tanpa pembatasan daerah serapan radiasi Model 1 Model 2 Lapisan Intensitas datang (W/cm 2 ) Intensitas yang diserap (W/cm 2 ) Daya output (W) Al 0.3 Ga 0.7 As GaAs InP Ge Al 0.3 Ga 0.7 As GaAs InP Ge Efisiensi Daya maksimum yang diperoleh pada kurva karakteristik I-V dapat digunakan untuk menentukan nilai efisiensi konversi energi. Efisiensi dihitung dengan membandingkan intensitas cahaya yang dijadikan daya listrik dengan intensitas yang datang pada lapisan tersebut. Untuk Model 1 tanpa pembatasan, karena intensitas yang dijadikan daya oleh lapisan AL 0.3 Ga 0.7 As, GaAs, InP, dan Ge masing-masing sebesar W, W, W, dan W dan intensitas yang datang masing-masing sebesar W/cm 2, W/cm 2, W/cm 2,, dan W/cm 2, maka efsiensi setiap lapisan berturut-turut sebesar 44.25%, 24.03%, 10.78%, dan 10.69% dengan efisiensi total sel surya sebesar 64.23%. Untuk Model 2 tanpa pembatasan, daya yang dihasilkan masingmasing lapisan sebesar W, W, W, dan W dengan intensitas yang datang pada lapisan berturut-turut sebesar W/cm 2, W/cm 2, W/cm 2,, dan W/cm 2, sehingga diperoleh efisiensi lapisan sebesar 5.17% untuk AL 0.3 Ga 0.7 As, 6.52% untuk GaAs, 10.78% untuk InP, dan 1.30% untuk Ge. Efisiensi total dari sel surya model ini sebesar 12.75%. Dari data yang diperoleh dapat diketahui bahwa untuk sel surya tanpa pembatasan panjang gelombang ini efisiensi konversi energi disain sel surya Model 1 lebih besar dibandingkan dengan Model 2. Perlakuan pembatasan panjang gelombang radiasi matahari menyebabkan nilai efisiensi menurun. Hal ini terlihat pada Model 1 dengan pembatasan, efisiensi total sel surya yang diperoleh sebesar 36.48%. Daya yang dihasilkan oleh lapisan Al 0.3 Ga 0.7 As, GaAs, InP, dan Ge masing-masing sebesar W, W, W, dan W. Dengan intensitas yang datang pada setiap lapisan berturut-turut sebesar W/cm 2, W/cm 2, W/cm 2,, dan W/cm 2, diperoleh efisiensi lapisan sebesar 43.52% untuk AL 0.3 Ga 0.7 As, 39.67% untuk GaAs, 19.63% untuk InP, dan 24.28% untuk Ge. Untuk Model 2 dengan pembatasan panjang gelombang diperoleh efisiensi total sel surya yang sangat kecil yaitu sebesar 2.81%. efisiensi setipa lapisan masing-masing hanya sebesar 2.41% untuk AL 0.3 Ga 0.7 As, 3.64% untuk GaAs, 19.63% untuk InP, dan 0.34% untuk Ge. Dengan besar intensitas yang datang sama seperti Model 1 dengan

33 pembatasan, setiap lapisan pada sel surya ini menghasilkan daya lapisan berturutturut sebesar W, W, W, dan W. 21 Koefisien Selain efisiensi, dari daya maksimum juga dapat ditentukan nilai koefisien. Koefisien merupakan perbandingan antara radiasi yang dikonversi menjadi daya listrik terhadap radiasi yang datang pada lapisan sel surya. Jika nilai Koefisien mendekati 1, maka menunjukkan intensitas yang datang lebih banyak yang dimanfaatkan menjadi daya listrik dibandingkan dengan yang hilang. Gambar 18 menunjukkan bahwa lapisan Ge lebih banyak intensitas yang hilang dibandingkan dengan yang digunakan pada Model 1 tanpa pembatasan, sedangkan untuk Model 2 tanpa pembatasan (Gambar 19) menunjukkan bahwa hanya lapisan InP yang memiliki koefisien mendekati 1. Untuk Model 1 dengan pembatasan menunjukkan koefisien pada rentang yang tidak jauh berbeda antar lapisan. Gambar 20 menunjukkan lebih banyak intensitas yang hilang dibandingkan dengan intensitas yang digunakan. Untuk Model 2 dengan pembatasan hanya lapisan InP (Gambar 21) yang memiliki koefisien mendekati 1. Koefisien terkait erat dengan besaran fisika yang disebut External Quantum Efficiency yang merupakan perbandingan antara jumlah pembawa muatan yang mengalir terhadap jumlah foton yang datang. koefisien β Panjang Gelombang (nm) AL0.3Ga0.7As GaAs InP Ge Gambar 18 Kurva koefisien Model 1 tanpa pembatasan daerah serapan

34 22 koefisien β Panjang Gelombang (nm) AL0.3Ga0.7As GaAs InP Ge Gambar 19 Kurva koefisien Model 2 tanpa pembatasan daerah serapan koefisien β Panjang Gelombang (nm) Al0.3Ga0.7As GaAs InP Ge Gambar 20 Kurva koefisien Model 1 dengan pembatasan daerah serapan

35 23 koefisien β Panjang Gelombang (nm) AL0.3Ga0.7As GaAs InP Ge Gambar 21 Kurva koefisien Model 2 dengan pembatasan daerah serapan SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Material sel surya yang membentuk struktur multi-junction ditentukan berdasarkan nilai konstanta kisi dan energi gap material semikonduktor. Ketebalan lapisan sel surya dipengaruhi oleh energi gap semikonduktor yang digunakan. Semakin besar energi gapnya, maka semakin tipis lapisan yang digunakan. Pemberian densitas doping tipe P dan N dapat meningkatkan efisiensi konversi energi. Sel surya Model 1 dengan arus I sc berbeda lebih efisien dibanding sel surya Model 2 dengan arus I sc sama, dengan nilai efisiensi konversi energi masing-masing sebesar 64.23% dan 12.75% untuk sel surya tanpa pembatasan daerah serapan radiasi matahari spektrum AM1.5G dari panjang gelombang 280 hingga 2500 nm. Nilai Fill Factor yang didapatkan dari kurva karakteristik I-V menunjukkan kinerja sel surya Model 1 tanpa pembatasan ini lebih baik dibandingkan sel surya Model 2. Pembatasan daerah serapan radiasi matahari menyebabkan efisiensi sel surya menurun. Hal ini terlihat pada Model 1 tanpa pembatasan dan dengan pembatasan. Dengan parameter input yang sama, sel surya tanpa pembatasan lebih efisien dengan nilai efisiensi 64.23% daripada sel surya dengan pembatasan dengan nilai efisiensi 36.48%. Model 2 dengan pembatasan memperoleh nilai efisiensi yang sangat kecil dibandingkan dengan model lainnya yaitu hanya sebesar 2.81%. Koefisien menunjukkan bahwa model tanpa pembatasan dapat mengkonversi energi lebih banyak dibandingkan dengan model pembatasan. Saran Simulasi ini sudah mendekati simulasi sesungguhnya (real simulation) dibandingkan penelitian sebelumnya 10 yang menggunakan spektrum radiasi benda

36 24 hitam, yaitu dengan digunakannya spektrum AM1.5G. Akan tetapi, beberapa keadaan masih menggunakan kondisi ideal, seperti meniadaan efek pemantulan saat cahaya matahari mengenai sel surya, tidak memperhatikan surface texturing, dan back scattering. Untuk penelitian selanjutnya diharapkan dapat menggunakan kondisi yang lebih riil agar dapat memperoleh hasil simulasi yang mendekati kondisi sesungguhnya. DAFTAR PUSTAKA 1. D. Purwanto. Jero: Hampir Semua Negara Alami Masalah Energi. [Internet]. [diunduh 2014 Januari 27]. Tersedia pada: Semua.Negara.Alami.Masalah.Energi 2. Baldomero Garcia, Jr. Indium Gallium Ditride Multijuncton Solar Cells Simulation Using Silvaco Atlas [Tesis], Naval Postgraduates School, A. Basore, D. A. Clugston, C1D Version 5: 32-Bit Solar Cell Modeling on ersonal Computers in 26 th IEEE PhotoVaic Specialists Conference, Anaheim, Sep-Oct 1997, pp L.Siyu, Q. Xiaosheng. AlGaAs/GaAs tunnel junctions in a 4-J tandem solar cell, Journal of Semiconductors Vol 32(11), (1-4) (2011). 5. Dr. Alan Doolittle. The Nature of light. pvcdrom.pveducation.org [Internet]. [diunduh 2014 Februari 14]. Tersedia pada: fsunlight.pdf 6. Enrico Reineri, Tony Yu. AlGaAs/InP/Ge High-Efficiency Solar Sel, Mater Thesis, San Jose State University, Yastrebova, Natalya V High Efficiency Multy-Junction Solar Cells: Current Status and Future potential. University of Ottawa. 8. J. M. Olson, D. J. Friedman, Sarah Kurtz, High-Efficiency III-V Multijunction Solar Cells, in Handbook of PhotoVaic Science and Engineering, edited by A. Luque, Chichester, West Sussex, United Kingdom: John Wiley & Sons, 2003, pp Hardianti, Henry Eko, Reza Satri Rinaldi. Perancangan Prototype Penjejak Cahaya Matahari Pada Aplikasi Pembangkit Listrik Tenaga Surya, Jurnal Ilmiah Forenstik, Vol 2(2), T. Sumaryada, R. Sobirin, H. Syafutra. Ideal simulation of Al 0.3 Ga 0.7 As.InP/Ge multi-junction solar cells, AIP Conference Proceedings, 1554, 162 (2013). 11. S. Blemmer Solar Electric Systems. University of Delaware. 12. K. McIntosh, M. Abbot, S. Baker-Finch. Spectrum Library. [Internet]. [diunduh 2014 Januari 27]. Tersedia pada: %20library.aspx

37 25 LAMPIRAN Lampiran 1 Contoh tampilan layar pada simulasi PC1D Lampiran 2 Contoh tampilan menu quick batch pada simulasi PC1D