Upload
addenovriansyah
View
173
Download
3
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Ade gantengkjzcxkznclknkcxnckxcxzcnzlknckncklznlkcnklnznczknkznckdnskf ZhdfisfdsfhIEFjdbfsdjf
Citation preview
Pembuatan Sel Surya Silikon : Sang PrimadonaKetika trio Bell Laboratories, Chapin, Fuller dan Pearson, menemukan sebuah fenomena p-n-
junction yang dapat mengubah radiasi sinar matahari menjadi tenaga listrik pertama kalinya
pada tahun 1954, material yang dipergunakan berupa silikon (Si). Sayangnya fenomena yang
mereka sebut sebagai ‘photocell’ kala itu masih belum menarik banyak perhatian kalangan
peneliti untuk dijadikan sebuah mata kajian serius. Dugaan penulis pribadi ialah karena saat
itu booming penelitian dalam bidang fisika zat padat (solid state physics) atau zat mampat
(condensed matter) tengah mewabah. Ditambah lagi dengan semakin terbukanya teknologi
semikonduktor dan teknologi vakum membuka industrialisasi besar-besaran produk
elektronika terutama untuk kalangan rumah tangga pada era 1950-1960-an.
Minimnya perhatian pada fenomena photocell berlangsung hingga hampir 20 tahun lamanya
sampai meletusnya krisis minyak bumi selama pecahnya perang Arab-Israel di awal tahun
1970-an akibat embargo minyak oleh negara Arab terhadap dunia Barat.
Tersentaknya dunia atas krisis minyak tersebut berimbas pada kebijakan mencari sumber-
sumber energi baru selain bersandar pada minyak bumi/energi fosil di mana ‘photocell’
menjadi salah satu sumber energi baru yang dilirik. Nama photocell yang kemudian berubah
menjadi solar cell/sel surya dengan sangat cepat menjadi salah satu topik utama penelitian di
bidang energi baru dan terbaharukan. Hal ini sangat jelas beralasan pada kemampuannya
mengubah energi sinar matahari menjadi energi listrik secara langsung dan mudah serta
sangat menjanjikan. Yang sama pentingnya ialah, munculnya topik penelitian di bidang ini
telah berhasil menyadarkan masyarakat pada masa itu bahwa energi matahari memiliki
potensi yang selama ini belum teroptimalkan dalam memenuhi kebutuhan energi dunia.
Sel surya dengan berbahan baku silikon hingga saat ini masih merupakan jenis sel surya yang
paling banyak diteliti, dikembangkan serta dipasarkan. Selain dilatarbelakangi oleh
penemuan pertama sel surya, mapannya pengetahuan akan silikon, terbuktinya kehandalan
silikon dalam aplikasi sel surya, dan jumlah cadangan silikon di perut bumi berupa pasir
silica yang berlimpah menjadi beberapa bahan pertimbangan utama. Belum ditambah oleh
dukungan infrastruktur industri semikonduktor yang memang mengambil material silikon
sebagai bahan dasar utama produk elektronika yakni microchip atau microprocessor.
Mantapnya silikon sebagai sel surya yang paling banyak diproduksi patut berterima kasih
pada dukungan industri semikonduktor tersebut. Pada masa-masa awal industrialisasi sel
surya, silikon sebagai bahan dasar sel surya merupakan bahan buangan dari industri
semikonduktor. Silikon yang tidak terpakai pada industri semikonduktor dikarenakan, misal,
kadar kemurnian silikon yang rendah, dipakai pada industri sel surya yang memang tidak
terlalu membutuhkan material silikon dengan kemurnian yang sangat tinggi. Baru pada
beberapa tahun belakangan inilah beberapa pabrik pemurnian silikon mulai memproduksi
bahan material silikon khusus untuk aplikasi sel surya dengan berkaca pada pesatnya
produksi sel surya silikon di dunia saat itu, maupun proyeksi pemasaran sel surya di masa
depan. Saat ini, sel surya jenis silikon menempati pangsa pasar sekitar 82-85% pasar sel surya
dunia.
Sebagaimana disinggung di atas, sel surya pertama memanfaatkan p-n junction silikon, yang
menjadi cara kerja fundamental sel surya jenis apapun. Silikon jenis p (p-type) disambung
dengan silikon jenis n (n-type) menghasilkan sambunagn p-n. p-type ini maksudnya silikon
dengan kelebian muatan positif (surplus hole) dan n-type merupakan material silikon
berkelebihan muatan negatif (surplus elektron). Adanya sambungan p-n ini memungkinkan
kedua muatan positif (hole) maupun negatif (elektron) dapat berpindah dan mengalir ke arah
yang berlawanan. Jika kedua ujung sambungan p-n ini dihubungkan dengan sebuah rangkaian
listrik, maka elektron dan hole dapat mengalir ke rangkaian. Sinar mataharilah (photon) yang
menggerakkan elektron dan hole tersebut menuju rangkaian tadi. (Mekanisme sel surya ini
disederhanakan demikian saja, mekanisme sel surya yang lebih detail ditulis pada
artikelMelihat prinsip kerja sel surya lebih dekat (Bagian Pertama). Gambar dibawah ini
merupakan struktur komponen dasar sel surya pada umumnya. Penulis mendapatkannya
pada link berikut.
Proses pembuatan sel surya silikon ini terbilang paling sederhana diantara semua jenis sel
surya. Meski merupakan sebuah proses dalam dunia semikonduktor yang identik dengan
proses high-tech, namun jika mencermati proses pembuatan sel surya secara lebih detil, kesan
tersebut berangsur-angsur hilang. Penulis kebetulan pernah mengunjungi sebuah pabrik –
tepatnya sebuah industri kecil-menengah- yang memproduksi sel surya di sebuah kota
industri di Korea Selatan; dari pembuatan silikon n type hingga enkapsulasi sel surya yang
siap dijual. Tidak terlampau rumit mengerjakannya, meski perlu disadari bahwa industri ini
membutuhkan investasi yang tidak kecil.
Tahapan umum pembuatan sel surya silikon :
1. Pemesanan dan spesifikasi silikon wafer yang dibutuhkan.
Pembuatan sel surya silikon ini bermula dari pemesanan silikon khusus untuk
aplikasi sel surya yang dikenal sebagai “Cz-Si wafers (Czochralski Silicon wafers) di
mana Cz merupakan proses utama pembuatan silikon wafer dari bijih silikon. Yang
disebut dengan khusus ialah silikon wafer ini telah dimodifikasi menjadi silikon p-
type dari pabrikan. Silikon wafer untuk sel surya ini berbentuk bujur sangkar
dengan sudut yang diratakan, sebagaimana ditunjukkan pada di bawah. Dimensi
silikon wafer ini ialah 10-15 cm dengan ketebalan antara 200-350 micron (0.2-0.35
mm).
2. Pembersihan permukaan silikon wafer.
Silikon wafer yang dipesan ini memiliki tipikal permukaan yang sangat kasar akibat
pemotongan atau pengerjaan selama di pabrik pembuatan wafer. Untuk itu,
permukaan silikon di etch (dikikis) dengan menggunakan larutan asam atau basa.
Cukup dengan merendam silikon wafer ke dalam larutan tersebut, maka permukaan
silikon wafer kira-kira sedalam 10 mikron akan terkikis secara merata.
3. Teksturisasi permukaan silikon wafer.
Agar silikon wafer yang dipergunakan dapat secara optimal menyerap sinar
matahari, pada umumnya permukaan silikon diberi perlakuan khusus berupa
teksturisasi dengan menggunakan larutan basa NaOH atau KOH dengan
konsentrasi, temperatur maupun lama perlakuan tertentu. Dengan mencelupkan
wafer ke dalam laruan tersebut, permukaan silikon menjadi kasar dengan tekstur
menyerupai piramida. Tekstur wafer seperti piramida ini dapat mengurangi
pemantulan sinar matahri yang dating serta meningkatkan penyerapan sinar
matahari oleh permukaan wafer.
4. Difusi fosfor dan pembuatan lapisan n-type silikon.
Fosfor dikenal luas sebagai elemen tambahan (dopant) untuk membuat
semikonduktor silikon berjenis n atau silikon n-type. Setelah proses teksturisasi,
silikon wafer ini dimasukkan ke dalam dapur pemanas bertemperatur tinggi yang
dilengkapi dengan larutan POCl3 sebagai sumber fosfor. Dengan meniupkan gas
inert nitrogen ke dalam larutan, maka uap fosfor akan keluar dan dapat dialirkan ke
dalam dapur. Suhu di dalam furnace dijaga sekitar 900-9500C sehingga uap fosfor
tersebut dapat berdifusi masuk ke dalam silikon melalui sisi sisi
permukaannya. Proses difusi biasanya dihentikan setelah 10-15 menit hinga
terbentuknya lapisan silikon n-type di permukaan silikon dengan ketebalan lapisan
sekitar 10-20 micron. Lapisan n-type ini berfungsi sebagai pelengkap sambungan p-
n pada struktur sel surya dan lapisan konduktif yang mengalirkan elektron ke
rangkaian listrik.
5. Penghilangan lapisan silikon n-type pada bagian sisi wafer.
Sebagaimana ditunjukkan pada gambar 4, lapisan silikon n-type terdapat pula di
bagian sisi wafer yang bila ini terjadi maka ia dapat menghubungkan dua
permukaan wafer. Untuk itu lapisan silikon n-type di sisi wafer perlu dihilangkan
dengan memotong lapisan tersebut atau yang lebih presisi ialah dengan
menggunakan plasma yang mengikis habis lapisan silikon n-type ini.
6. Pembuatan lapisan anti-refleksi.
Selain teksturisasi untuk memaksimumkan penyerapan sinar matahari, maka
penggunaan lapisan anti-refleksi (anti-reflection coating/ARC) di atas lapisan
silikon n-type. Lapisan ARC ini merupakan lapisan transparan/tembus cahaya yang
dapat meneruskan sinar matahari yang jatuh di permukaan wafer namun tidak
memantulkannya. Indeks refraksi lapisan ARC yang besar ini-lah yang
menyebabkan ia tidak memantulkan sinar matahari. Material untuk ARC ini
biasanya ialah TiO2 /titanium dioksida atau Magnesium Fluorida (MgF2). Teknik
pembuatannya dapat memanfaatkan teknik penguapan kimia (chemical vapor
deposition/CVD) yang mereaksikan uap senyawaan titanium atau magnesium
organik yang dicampur dengan uap air pada suhu yang relatif rendah yakni 2000C.
7. Metalisasi.
Agar dapat dihubungkan dengan kabel, silikon diberi lapisan metal yang konduktif
sehingga dapat mengalirkan elektron/hole dari sel surya. Logam yang cocok untuk
bertuas sebagai konduktor ini ialah Ag (perak). Ia memiliki sifat konduktifitas yang
tinggi, memiliki daya rekat ke silikon wafer yang sangat baik serta berdaya tahan
tinggi. Perak yang dipasang di silikon wafer sangat tipis dan pemasangannya
menggunakan metode screen printing. Pasta larutan perak dioleskan di atas sebuah
pola dengan bagian bagin tertentu yang memungkinkan pasta larutan perak
mengisi permukaan wafer. Setelah selesai dioleskan di atas wafer, dengan
pemanasan dan pengeringan 100-2000C, pasta akan mengering. Proses metalisasi
ini dikerjakan pula di bagian belakang silikon wafer.
8. Pemanasan (co-firing).
Pemanasan pada suhu yang tinggi diperlukan untuk memantapkan lapisan metal
konduktif karena masih terdapatnya residu/bahan bahan sisa organik selama
pengeringan pada suhu rendah. Pada pemasan yang lebih tinggi, perak sebagai
komponen konduktif menjadi semakin padat dan mampu mempenetrasi lapisan ARC
dan akhirnya menyentuh lapisan silikon n-type tanpa merusak lapisan ARC sendiri.
HIngga tahap ini, komponen sel surya sudah secara utuh terbuat.
9. Pengujian dan pemilihan sel.
Ini ialah tahap akhir dari pembuatan sel surya yakni menguji sel dan memeriksa
efisiensi sel maupun akititas quality control lainnya.
10. Enkapsulasi dan pembuatan modul sel.
Sebagaimana disebutkan di awal, sel surya hanya berukuran 10×10 atau 15×15
cm. Agar sel dapat dipergunakan, dan menghasilkan daya yang bias dipasarkan, sel
dirangkai menjadi sebuah modul yang lebih besar dan tersusun atas 20-30 sel.
Dalam tahap ini, proses enkapsulasi modul dengan kaca/plastik dan pemasangan
frame aluminum dikerjakan hingga siap untuk dipakai (lihat gambar modul surya di
bawah). Tanpa enkapsulasi yang berfungsi pula sebagai pelindung sel surya
terhadap lingkungan luar, sel atau modul tidak dapat dimanfaatkan secara optimal.
Sebagai penutup. Tulisan ini salah satunya saya tujukan untuk mengetahui secara
umum bagaimana proses pembuatan sel surya jenis silikon yang paling banyak
dijual di pasaran. Dan juga, atas banyaknya pertanyaan seputar bagaimana
investasi untuk membuat sel surya silikon sendiri di Indonesia. Diharapkan, ada
semacam gambaran umum mengenai kerumitan -atau justru kesederhanaan- proses
pembuatan sel surya silikon sehingga menjawab pertanyaan apakah sel surya
silikon dapat diproduksi sendiri di Indonesia, sebuah respon terhadap berita di
Kompas yang penulis kutip di Blog ini.
Suplai energi surya dari sinar matahari yang diterima oleh permukaan bumi sebenarnya sangat
luar biasa besarnya yaitu mencapai 3 x 1024 joule pertahun. Jumlah energi sebesar itu setara
dengan 10.000 kali konsumsi energi di seluruh dunia saat ini. Dengan kata lain, dengan menutup
0,1% saja permukaan bumi dengan divais solar sel yang memiliki efisiensi 10% sudah mampu
untuk menutupi kebutuhan energi di seluruh dunia saat ini. Perkembangan yang pesat dari industri
sel surya (solar sel) di mana pada tahun 2004 telah menyentuh level 1000 MW membuat banyak
kalangan semakin melirik sumber energi masa depan yang sangat menjanjikan ini.
Energi yang dikeluarkan oleh sinar matahari sebenarnya hanya diterima oleh permukaan bumi
sebesar 69% dari total energi pancaran matahari [1]. Suplai energi surya dari sinar matahari yang
diterima oleh permukaan bumi sangat luar biasa besarnya yaitu mencapai 3 x 10 joule pertahun,
energi ini setara dengan 2 x 1017 Watt [1]. Jumlah energi sebesar itu setara dengan 10.000 kali
konsumsi energi di seluruh dunia saat ini. Dengan kata lain, dengan menutup 0.1% saja
permukaan bumi dengan divais solar sel yang memiliki efisiensi 10% sudah mampu untuk
menutupi kebutuhan energi di seluruh dunia saat ini [2].
Cara kerja sel surya adalah dengan memanfaatkan teori cahaya sebagai partikel. Sebagaimana
diketahui bahwa cahaya baik yang tampak maupun yang tidak tampak memiliki dua buah sifat
yaitu dapat sebagai gelombang dan dapat sebagai partikel yang disebut dengan photon.
Penemuan ini pertama kali diungkapkan oleh Einstein pada tahun 1905. Energi yang dipancarkan
oleh sebuah cahaya dengan panjang gelombang dan frekuensi photon V dirumuskan dengan
persamaan:
E = h.c/λ
Dengan h adalah konstanta Plancks (6.62 x 10-34 J.s) dan c adalah kecepatan cahaya dalam vakum
(3.00 x 108 m/s). Persamaan di atas juga menunjukkan bahwa photon dapat dilihat sebagai sebuah
partikel energi atau sebagai gelombang dengan panjang gelombang dan frekuensi tertentu [3].
Dengan menggunakan sebuah divais semikonduktor yang memiliki permukaan yang luas dan
terdiri dari rangkaian dioda tipe p dan n, cahaya yang datang akan mampu dirubah menjadi energi
listrik.
Hingga saat ini terdapat beberapa jenis solar sel yang berhasil dikembangkan oleh para peneliti
untuk mendapatkan divais solar sel yang memiliki efisiensi yang tinggi atau untuk mendapatkan
divais solar sel yang murah dan mudah dalam pembuatannya.
Tipe pertama yang berhasil dikembangkan oleh para peneliti adalah jenis wafer (berlapis) silikon
kristal tunggal. Tipe ini dalam perkembangannya mampu menghasilkan efisiensi yang sangat
tinggi. Masalah terbesar yang dihadapi dalam pengembangan silikon kristal tunggal untuk dapat
diproduksi secara komersial adalah harga yang sangat tinggi sehingga membuat solar sel panel
yang dihasilkan menjadi tidak efisien sebagai sumber energi alternatif. Sebagian besar silikon
kristal tunggal komersial memiliki efisiensi pada kisaran 16-17%, bahkan silikon solar sel hasil
produksi SunPower memiliki efisiensi hingga 20%[www.sunpowercorp.com]. Bersama perusahaan
Shell Solar, SunPower menjadi perusahaan yang menguasai pasar silikon kristal tunggal untuk
solar sel.
Jenis solar sel yang kedua adalah tipe wafer silikon poli kristal. Saat ini, hampir sebagian besar
panel solar sel yang beredar di pasar komersial berasal dari screen printing jenis silikon poli cristal
ini. Wafer silikon poli kristal dibuat dengan cara membuat lapisan lapisan tipis dari batang silikon
dengan metode wire-sawing. Masing-masing lapisan memiliki ketebalan sekitar 250350
micrometer. Jenis solar sel tipe ini memiliki harga pembuatan yang lebih murah meskipun tingkat
efisiensinya lebih rendah jika dibandingkan dengan silikon kristal tunggal. Perusahaan yang aktif
memproduksi tipe solar sel ini adalah GT Solar, BP, Sharp, dan Kyocera Solar.
Kedua jenis silikon wafer di atas dikenal sabagai generasi pertama dari solar sel yang memiliki
ketebalan pada kisaran 180 hingga 240 mikro meter. Penelitian yang lebih dulu dan telah lama
dilakukan oleh para peneliti menjadikan solar sel berbasis silikon ini telah menjadi teknologi yang
berkembang dan banyak dikuasai oleh peneliti maupun dunia industri. Divais solar sel ini dalam
perkembangannya telah mampu mencapai usia aktif mencapai 25 tahun [1]. Modifikasi untuk
membuat lebih rendah biaya pembuatan juga dilakukan dengan membuat pita silikon (ribbon si)
yaitu dengan membuat lapisan dari cairan silikon dan membentuknya dalam struktur multi kristal.
Meskipun tipe sel surya pita silikon ini memiliki efisiensi yang lebih rendah (13-15%), tetapi biaya
produksinya bisa lebih dihemat mengingat silikon yang terbuang dengan menggunakan cairan
silikon akan lebih sedikit.
Generasi kedua solar sel adalah solar sel tipe lapisan tipis (thin film). Ide pembuatan jenis solar sel
lapisan tipis adalah untuk mengurangi biaya pembuatan solar sel mengingat tipe ini hanya
menggunakan kurang dari 1% dari bahan baku silikon jika dibandingkan dengan bahan baku untuk
tipe silikon wafer. Dengan penghematan yang tinggi pada bahun baku seperti itu membuat harga
per KwH energi yang dibangkitkan menjadi bisa lebih murah.
Metode yang paling sering dipakai dalam pembuatan silikon jenis lapisan tipis ini adalah dengan
PECVD dari gas silane dan hidrogen. Lapisan yang dibuat dengan metode ini menghasilkan silikon
yang tidak memiliki arah orientasi kristal atau yang dikenal sebagai amorphous silikon (non
kristal). Selain menggunakan material dari silikon, solar sel lapisan tipis juga dibuat dari bahan
semikonduktor lainnya yang memiliki efisiensi solar sel tinggi seperti Cadmium Telluride (Cd Te)
dan Copper Indium Gallium Selenide (CIGS).
Efisiensi tertinggi saat ini yang bisa dihasilkan oleh jenis solar sel lapisan tipis ini adalah sebesar
19,5% yang berasal dari solar sel CIGS [5]. Keunggulan lainnya dengan menggunakan tipe lapisan
tipis adalah semikonduktor sebagai lapisan solar sel bisa dideposisi pada substrat yang lentur
sehingga menghasilkan divais solar sel yang fleksibel. Kedua generasi dari solar sel ini masih
mendominasi pasaran solar sel di seluruh dunia dengan silikon kristal tunggal dan multi kristal
memiliki lebih dari 84% solar sel yang ada dipasaran (lihat Gambar 1) [4].
Gambar 1. Sebaran jenis solar sel yang berada di pasar komersial yang masih
didominasi oleh solar sel generasi pertama (World market 2001 by Technology).
Penelitian agar harga solar sel menjadi lebih murah selanjutnya memunculkan generasi ketiga dari
jenis solar sel ini yaitu tipe solar sel polimer atau disebut juga dengan solar sel organik dan tipe
solar sel foto elektrokimia. Solar sel organik dibuat dari bahan semikonduktor organik
seperti polyphenylene vinylene dan fullerene.
Berbeda dengan tipe solar sel generasi pertama dan kedua yang menjadikan pembangkitan
pasangan electron dan hole dengan datangnya photon dari sinar matahari sebagai proses
utamanya, pada solar sel generasi ketiga ini photon yang datang tidak harus menghasilkan
pasangan muatan tersebut melainkan membangkitkan exciton. Exciton inilah yang kemudian
berdifusi pada dua permukaan bahan konduktor (yang biasanya di rekatkan dengan organik
semikonduktor berada di antara dua keping konduktor) untuk menghasilkan pasangan muatan dan
akhirnya menghasilkan efek arus foto (photocurrent) [5-6].
Tipe solar sel photokimia merupakan jenis solar sel exciton yang terdiri dari sebuah lapisan partikel
nano (biasanya titanium dioksida) yang di endapkan dalam sebuah perendam (dye). Jenis ini
pertama kali diperkenalkan oleh Profesor Graetzel pada tahun 1991 sehingga jenis solar sel ini
sering juga disebut dengan Graetzel sel atau dye-sensitized solar cells (DSSC) [2].
Graetzel sel ini dilengkapi dengan pasangan redok yang diletakkan dalam sebuah elektrolit (bisa
berupa padat atau cairan). Komposisi penyusun solar sel seperti ini memungkinkan bahan baku
pembuat Graetzel sel lebih fleksibel dan bisa dibuat dengan metode yang sangat sederhana
seperti screen printing. Meskipun solar sel generasi ketiga ini masih memiliki masalah besar dalam
hal efisiensi dan usia aktif sel yang masih terlalu singkat, solar sel jenis ini akan mampu memberi
pengaruh besar dalam sepuluh tahun ke depan mengingat hargan dan proses pembuatannya yang
sangat murah.
Pertumbuhan teknologi sel surya di dunia memang menunjukkan harapan akan solar sel yang
murah dengan memiliki efisiensi yang tinggi. Sayangnya sangat sedikit peneliti di Indonesia yang
terlibat dengan hiruk pikuk perkembangan tentang teknologi sel surya ini. Sudah seharusnya
pemerintah secara jeli melihat potensi masa depan Indonesia yang kaya akan sinar matahari ini
dengan mendorong secara nyata penelitian di bidang energi surya ini.
Masalah energi tampaknya akan tetap menjadi topik yang hangat sepanjang peradaban umat
manusia. Upaya mencari sumber energi alternatif sebagai pengganti bahan bakar fosil masih tetap
ramai dibicarakan. Ada beberapa energi alam sebagai energi alternatif yang bersih, tidak
berpolusi, aman dan dengan persediaan yang tidak terbatas. Di antaranya adalah energi surya,
angin, gelombang dan perbedaan suhu air laut. Di masa yang akan datang, dengan adanya
kebutuhan energi yang makin besar, penggunaan sumber energi listrik yang beragam tampaknya
tidak bisa dihindari. Oleh sebab itu, pengkajian terhadap berbagai sumber energi baru tidak akan
pernah menjadi langkah yang sia-sia. Tulisan ini akan membahas perkembangan teknologi sel
surya dewasa ini sebagai komponen utama untuk pembangkit listrik tenaga matahari dan
prospeknya di masa depan dengan penekanan pada material pembentukan sel surya itu sendiri.
Fotovoltaik dan permasalahannya
Teknologi fotovoltaik yang mengkonversi langsung cahaya matahari menjadi energi listrik dengan
menggunakan divais semikonduktor yang disebut sel surya (solar cells) merupakan salah satu
pilihan yang menarik. Apalagi buat Indonesia yang terletak di katulistiwa dan terdiri dari banyak
kepuluan dan pegunungan yang menyulitkan penyebaran jaringan transmisi listrik. Secara umum
listrik tenaga surya ini sudah dapat diterima sebagai sumber energi alternatif. Persoalan yang ada
sekarang adalah harganya yang masih mahal dibandingkan dengan listrik yang dibangkitkan
dengan sumber energi lain, sehingga penggunaannya sekarang terbatas hanya dalam skala kecil
seperti pada barang-barang elektronik dan juga digunakan sebagai pembangkit listrik pada
daerah-daerah yang masih sulit dijangkau oleh jaringan listrik. Usaha untuk menurunkan harga
panel sel surya dapat dilakukan dengan menaikkan efisiensi (konversi) dari sel tersebut yaitu
parameter yang menyatakan prosentase dari besarnya energi listrik yang bisa dihasilkan oleh sel
surya dibandingkan dengan besarnya energi cahaya yang diterima. Usaha lain adalah perlunya
kampanye penggunaan secara massal dari sel surya ini untuk dapat meningkatkan volume
produksinya. Dengan menaikkan efisiensi dari sel surya, disamping menurunkan harga
pembuatannya, juga akan memperkecil luas permukaan modulnya untuk daya keluaran yang
sama, sehingga lebih menghemat tempat.
Teknologi Silikon dan GaAs
Pada prinsipnya, sel surya adalah identik dengan piranti semikonduktor dioda. Hanya saja dewasa
ini strukturnya menjadi sedikit lebih rumit karena perancangannya yang lebih cermat untuk
meningkatkan efisiensinya. Untuk penggunaan secara luas dalam bentuk arus bolak-balik, masih
diperlukan peralatan tambahan seperti inventer, baterei penyimpanan dan lain-lain. Kemajuan dari
penelitian akan material semikonduktor sebagai bahan inti sel surya, telah menjadi faktor kunci
bagi pengembangan teknologi ini. Dalam teknologi sel surya, terdapat berbagai pilihan
penggunaan material intinya. Kristal tunggal silikon sebagai pioner dari sel surya memang masih
menjadi pilihan sekarang karena teknologinya yang sudah mapan sehingga bisa mencapai efisiensi
lebih dari 20 ntuk skala riset. Sedangkan modul/panel sel surya kristal silikon yang sudah
diproduksi berefisiensi sekitar 12 Namun demikian, penggunaan material ini dalam bentuk
lempengan (waver) masih digolongkan mahal dan juga volume produksi lempeng silikon tidak
dapat mencukupi kebutuhan pasar bila terjadi penggunaan sel surya ini secara massal. Sehingga
untuk penggunaan secara besar-besaran harus dilakukan uasaha untuk mempertipis lapisan
silikonnya dari ketebalan sekarang yang mencapai ratusan mikron.
Material yang berifisiensi tinggi lainnya adalah dari paduan golongan unsur III-V GaAs dan InP.
Walaupun secara teoritik efisiensinya bisa mencapai 35tetapi sulitnya menumbuhkan kristal
tunggal berkualitas tinggi dari material-material di atas menyebabkan harganya tergolong sangat
mahal sehingga penggunaannya masih terbatas, terutama hanya untuk penggunaan di angkasa
luar. Ini ditunjang lagi oleh sifat material tersebut yang tahan terhadap radiasi-radiasi di angkasa
luar. Material golongan ini memang tidak dipertimbangkan untuk digunakan secara massal. Usaha
yang sedang diupayakan sekarang untuk menekan sedikit harga pembuatannya adalah
menumbuhkan lapisan GaAs di atas lempeng silikon. Namun, penggabungan dari dua material
dengan struktur berbeda ini menyebabkan timbulnya strain pada lapisan antarmukanya sehingga
menurunkan efisiensi.
Sel surya film tipis
Pilihan yang paling diharapkan saat ini untuk dapat diproduksi secara massal dengan harga yang
murah adalah sel surya yang terbuat dari film tipis (Thin film solar cells). Di antaranya ada tiga
material yang sedang dikembangkan secara intensif yaitu CuInSe2 (atau paduannya seperti CuIns2
atau CuInGaSe2 ), CdTe dan silikon amorf. Dengan tingkat efisiensi sekitar 10sel surya film tipis ini
sudah layak untuk diproduksi massal dengan harga yang dapat bersaing dengan sumber energi
listrik yang lain. Untuk ketiga material di atas hanya dibutuhkan ketebalan sekitar satu mikron
untuk membentuk sel surya yang efisien. Ini disebabkan karena daya serap cahayanya yang besar.
Sel surya film tipis CdTe telah dapat diproduksi dalam bentuk modul percobaan dengan efisiensi
sekitar 10Jadi cukup layak untuk diproduksi dalam bentuk modul percobaan dengan efisiensi
sekitar 10Jadi cukup layak untuk diproduksi secara massal. Persoalannya adalah material ini belum
dapat diterima dengan baik karena mengandung unsur cadmium. Bila rumah yang atapnya
dipasang sel surya CdTe terbakar, unsur cadmium ini akan menimbulkan polusi yang
membahayakan.
Material CuInSe2 adalah juga diharapkan dapat digunakan secara luas. Material dengan daya
absorpsi cahaya yang besar ini, secara teoritik mempunyai efisiensi 20ahkan lebih. Dalam skala
laboratorium saat ini telah dibuat efisiensi di atas 15Kesulitan dari material yang masih baru ini
adalah sukarnya mengontrol komposisi dari ketiga unsur pembentukannya terutama saat
diproduksi dalam ukuran yang besar secara massal, sehingga masih mengalami kesulitan dalam
memproduksi modul dengan kualitas yang sama. Mencari proses pembuatan yang murah dan
layak untuk produksi massal adalah masalah yang menjadi pusat perhatian untuk material
golongan ini.
Yang terakhir adalah silikon amorf. Material ini juga dikenal sebagai bahan dasar pembuatan flat
panel display untuk layar komputer atau televisi portabel. Ini dimungkinkan karena material ini
bisa ditumbuhkan dalam ukuran besar dengan lebar lebih dari satu meter. Film tipis silikon amorf
biasanya dibuat dengan menguraikan gas monosilane (SiH4 ) dalam plasma yang dibangkitkan
oleh penguat frekuensi radio (glow discharge) pada suhu yang relatif rendah (250o C). Material ini
tergolong yang paling murah di antara semua sel surya film tipis. Secara teoritik, dapat
menghasilkan efisiensi sekitar 15-16Kelemahannya adalah adanya degrasi/penurunan efisiensi
sekitar 30ari harga awal, saat pertama kali disinari walaupun pada akhirnya menjadi stabil (efek
Staebler Wronski). Panel sel surya dengan efisiensi (setelah terdegradasi) 10udah berhasil dibuat.
Walaupun nilai efisiensi tersebut sudah masuk kategori layak produksi, usaha untuk
menyempurnakan proses pembuatannya masih terus berlangsung guna menekan serendah
mungkin harga jualnya.
Ada dua hal lain yang juga sering dipertanyakan orang terhadap sel surya. Yang pertama adalah
polusi. Meskipun saat menggunakannya, sel surya tidak menyebabkan polusi tapi saat
pembuatannya (seperti industri semikonduktor lainnya) tetap menimbulkan limbah/polusi. Yang
kedua adalah adanya parameter \x{201C}energy pay-back time\x{201D} yang menyatakan
lamanya waktu yang diperlukan oleh sel surya untuk menghasilkan energi yang sama dengan
energi yang dipakai saat pembuatan sel surya itu sendiri. Terhadap dua hal di atas, sel surya film
tipis silikon amorf ternyata lebih unggul dibandingkan dengan sel surya lainnya.
Sel surya di Jepang
Negara Jepang lewat proyek Sunshine-nya dimana penulis pernah ikut terlibat selama lima tahun,
sangat menaruh minat pada material silikon amorf yang diharapkan dapat digunakan secara
massal oleh penduduknya. Sesuai dengan fleksibilitas dari silikon amorf ini yang dapat
ditumbuhkan pada substrat apa saja, saat ini sedang diteliti penumbuhan material ini di atas
plastik khusus sebagai pengganti kaca sehingga menjadi lebih ringan dan murah. Sewaktu proyek
Shunshine yang disponsori oleh MITI Jepang ini dimulai tahun 1974, harga sel surya adalah lebih
dari 20.000 yen/watt-puncak. Dewasa ini, harganya telah mencapai sekitar 300-400 yen/watt-
puncak. Diharapkan dengan usaha keras pada R&Dnya, harga 100 yen/watt akan dicapai sekitar
tahun 2000. Ini berarti ekivalen dengan harga energi listrik sebesar 10-20 yen/kWh atau sekitar 10-
20 sen dollar/kWh, harga yang bersaing dengan listrik yang dibangkitkan secara konvensional.
Pemerintah Jepang juga sudah mengeluarkan perundangan untuk memungkinkan penjualan
kelebihan listrik yang dihasilkan dari pemakai sel surya ke perusahaan listrik. Jadi buat Jepang
yang memang tidak memiliki sumber enrgi fosil yang mencukupi ini, listrik tenaga surya bukanlah
terbatas pada penggunaan yang khusus di daerah terpencil tapi merencanakan penggunaan
secara massal untuk rumah-tinggal di kota, sekolah dan fasilitas umum lainnya mulai tahun 2000
mendatang. Untuk mendukung hal ini, mulai beberapa tahun yang lalu, pemerintah Jepang
memberikan subsidi sebesar 60ari harga jualnya buat rumah-tinggal yang ingin memasang panel
sel surya dengan daya keluaran 2-3 kW. Kampanye seperti ini memang bertujuan untuk lebih
memasyarakatkan penggunaan dari sel surya sehingga diharapkan dapat menurunkan harga
pembuatannya karena produksi secara massal. Buat kita di Indonesia, pertimbangan penggunaan
sel surya seharusnya bisa menjadi lebih layak lagi, mengingat negara kita terletak di katulistiwa
yang menerima sinar matahari sepanjang tahun dan juga cukup tersedia lahan untuk
menempatkan panel sel surya bila tidak ingin diletakkan di atap rumah.
Pemilihan material yang tepat untuk produksi sel surya bukanlah suatu harga mati. Ini dikarenakan
adanya karakteristik yang berbeda-beda dari sel surya tersebut. Jadi seperti saat ini ada berbagai
jenis bahan bakar untuk kendaraan bermotor seperti premium, solar dan sebagainya, sel surya pun
nantinya akan menawarkan bermacam-macam jenis di pasaran, bergantung pada spesifikasi
kebutuhan kita masing-masing.
Di Indonesia
Untuk kita di Indonesia, walaupun memang masih ada alternatif energi yang lain, ada baiknya kita
terlibat secepatnya dalam teknologi pembuatan sel surya ini. Sel surya sebagai suatu divais
semikonduktor terkait erat dengan teknologi semikonduktor itu sendiri. Jadi pengembangan
teknologi ini bisa dijalankan bersama-sama dengan pengembangan divais-divais semikonduktor
lainnya untuk aplikasi mikroelektronika. Perbedaan besarnya adalah terletak pada dimensinya,
dimana sel surya harus difabrikasi dalam ukuran sebesar mungkin sedangkan divais
mikroelektronika menuju ke arah pengecilan. Jadi penguasaan teknologi ini akan dengan
sendirinya memudahkan penguasaan teknologi semikonduktor lainnya. Hal ini sejalan dengan
usaha pengembangan industri elektronika di Indonesia.
Secara umum, penggunaan panel photovoltaik oleh pemerintah dikoordinir oleh BPP Teknologi.
Beberapa tempat yang diketahui penulis sedang melakukan aktivitas pembuatan sel surya ini di
Indonesia adalah di Puspitek Serpong, LEN dan ITB. Usaha seperti ini diharapkan bisa menjadi
embrio bagi industri sel surya dalam negeri atau bahkan industri semikonduktor. Partisipasi seperti
ini sangat strategis, selagi teknologi ini belum jenuh dan masih dalam tahap mencari bentuk yang
optimal. Kalau hal ini tidak dilakukan sekarang, dikawatirkan kita bisa menjadi pengimpor sel surya
terbesar dikemudian hari, seperti pengalaman kita untuk bidang teknologi tinggi lainnya.
Sel surya : Struktur & Cara kerjaSel surya atau juga sering disebut fotovoltaik adalah divais yang mampu
mengkonversi langsung cahaya matahari menjadi listrik. Sel surya bisa disebut
sebagai pemeran utama untuk memaksimalkan potensi sangat besar energi cahaya
matahari yang sampai kebumi, walaupun selain dipergunakan untuk menghasilkan
listrik, energi dari matahari juga bisa dimaksimalkan energi panasnya melalui sistem
solar thermal.
Sel surya dapat dianalogikan sebagai divais dengan dua terminal atau sambungan,
dimana saat kondisi gelap atau tidak cukup cahaya berfungsi seperti dioda, dan
saat disinari dengan cahaya matahari dapat menghasilkan tegangan. Ketika disinari,
umumnya satu sel surya komersial menghasilkan tegangan dc sebesar 0,5 sampai 1
volt, dan arus short-circuit dalam skala milliampere per cm2. Besar tegangan dan
arus ini tidak cukup untuk berbagai aplikasi, sehingga umumnya sejumlah sel surya
disusun secara seri membentuk modul surya. Satu modul surya biasanya terdiri dari
28-36 sel surya, dan total menghasilkan tegangan dc sebesar 12 V dalam kondisi
penyinaran standar (Air Mass 1.5). Modul surya tersebut bisa digabungkan secara
paralel atau seri untuk memperbesar total tegangan dan arus outputnya sesuai
dengan daya yang dibutuhkan untuk aplikasi tertentu. Gambar dibawah menunjukan
ilustrasi dari modul surya.
Modul surya biasanya terdiri dari 28-36 sel surya yang dirangkai seri untuk
memperbesar total daya output. (Gambar :”The Physics of Solar Cell”, Jenny Nelson)
Struktur Sel Surya
Sesuai dengan perkembangan sains&teknologi, jenis-jenis teknologi sel surya pun
berkembang dengan berbagai inovasi. Ada yang disebut sel surya generasi satu,
dua, tiga dan empat, dengan struktur atau bagian-bagian penyusun sel yang
berbeda pula (Jenis-jenis teknologi surya akan dibahas di tulisan “Sel Surya : Jenis-
jenis teknologi”). Dalam tulisan ini akan dibahas struktur dan cara kerja dari sel
surya yang umum berada dipasaran saat ini yaitu sel surya berbasis material silikon
yang juga secara umum mencakup struktur dan cara kerja sel surya generasi
pertama (sel surya silikon) dan kedua (thin film/lapisan tipis).
Struktur dari sel surya komersial yang menggunakan material silikon sebagai
semikonduktor. (Gambar:HowStuffWorks)
Gambar diatas menunjukan ilustrasi sel surya dan juga bagian-bagiannya. Secara
umum terdiri dari :
1. Substrat/Metal backing
Substrat adalah material yang menopang seluruh komponen sel surya. Material
substrat juga harus mempunyai konduktifitas listrik yang baik karena juga berfungsi
sebagai kontak terminal positif sel surya, sehinga umumnya digunakan material
metal atau logam seperti aluminium atau molybdenum. Untuk sel surya dye-
sensitized (DSSC) dan sel surya organik, substrat juga berfungsi sebagai tempat
masuknya cahaya sehingga material yang digunakan yaitu material yang konduktif
tapi juga transparan sepertii ndium tin oxide (ITO) dan flourine doped tin oxide
(FTO).
2. Material semikonduktor
Material semikonduktor merupakan bagian inti dari sel surya yang biasanya
mempunyai tebal sampai beberapa ratus mikrometer untuk sel surya generasi
pertama (silikon), dan 1-3 mikrometer untuk sel surya lapisan tipis. Material
semikonduktor inilah yang berfungsi menyerap cahaya dari sinar matahari. Untuk
kasus gambar diatas, semikonduktor yang digunakan adalah material silikon, yang
umum diaplikasikan di industri elektronik. Sedangkan untuk sel surya lapisan tipis,
material semikonduktor yang umum digunakan dan telah masuk pasaran yaitu
contohnya material Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGS), CdTe (kadmium telluride), dan
amorphous silikon, disamping material-material semikonduktor potensial lain yang
dalam sedang dalam penelitian intensif seperti Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTS) dan Cu2O
(copper oxide).
Bagian semikonduktor tersebut terdiri dari junction atau gabungan dari dua material
semikonduktor yaitu semikonduktor tipe-p (material-material yang disebutkan
diatas) dan tipe-n (silikon tipe-n, CdS,dll) yang membentuk p-n junction. P-n
junction ini menjadi kunci dari prinsip kerja sel surya. Pengertian semikonduktor tipe-
p, tipe-n, dan juga prinsip p-n junction dan sel surya akan dibahas dibagian “cara
kerja sel surya”.
3. Kontak metal / contact grid
Selain substrat sebagai kontak positif, diatas sebagian material semikonduktor
biasanya dilapiskan material metal atau material konduktif transparan sebagai
kontak negatif.
4.Lapisan antireflektif
Refleksi cahaya harus diminimalisir agar mengoptimalkan cahaya yang terserap oleh
semikonduktor. Oleh karena itu biasanya sel surya dilapisi oleh lapisan anti-refleksi.
Material anti-refleksi ini adalah lapisan tipis material dengan besar indeks refraktif
optik antara semikonduktor dan udara yang menyebabkan cahaya dibelokkan ke
arah semikonduktor sehingga meminimumkan cahaya yang dipantulkan kembali.
5.Enkapsulasi / cover glass
Bagian ini berfungsi sebagai enkapsulasi untuk melindungi modul surya dari hujan
atau kotoran.
Cara kerja sel surya
Sel surya konvensional bekerja menggunakan prinsip p-n junction, yaitu junction
antara semikonduktor tipe-p dan tipe-n. Semikonduktor ini terdiri dari ikatan-ikatan
atom yang dimana terdapat elektron sebagai penyusun dasar. Semikonduktor tipe-n
mempunyai kelebihan elektron (muatan negatif) sedangkan semikonduktor tipe-p
mempunyai kelebihan hole (muatan positif) dalam struktur atomnya. Kondisi
kelebihan elektron dan hole tersebut bisa terjadi dengan mendoping material
dengan atom dopant. Sebagai contoh untuk mendapatkan material silikon tipe-p,
silikon didoping oleh atom boron, sedangkan untuk mendapatkan material silikon
tipe-n, silikon didoping oleh atom fosfor. Ilustrasi dibawah menggambarkan junction
semikonduktor tipe-p dan tipe-n.
Junction antara semikonduktor tipe-p (kelebihan hole) dan tipe-n (kelebihan
elektron). (Gambar : eere.energy.gov)
Peran dari p-n junction ini adalah untuk membentuk medan listrik sehingga elektron
(dan hole) bisa diekstrak oleh material kontak untuk menghasilkan listrik. Ketika
semikonduktor tipe-p dan tipe-n terkontak, maka kelebihan elektron akan bergerak
dari semikonduktor tipe-n ke tipe-p sehingga membentuk kutub positif pada
semikonduktor tipe-n, dan sebaliknya kutub negatif pada semikonduktor tipe-p.
Akibat dari aliran elektron dan hole ini maka terbentuk medan listrik yang mana
ketika cahaya matahari mengenai susuna p-n junction ini maka akan mendorong
elektron bergerak dari semikonduktor menuju kontak negatif, yang selanjutnya
dimanfaatkan sebagai listrik, dan sebaliknya hole bergerak menuju kontak positif
menunggu elektron datang, seperti diilustrasikan pada gambar dibawah.
Ilustrasi cara kerja sel surya dengan prinsip p-n junction. (Gambar : sun-nrg.org)
*Definisi dari istilah-istilah teknis diartikel ini bisa ditemukan di menu “Daftar istilah-
istilah”
Industri semikonduktor menyisakan banyak limbah-limbah silikon reclaim yang bisa dimanfaatkan kembali untuk sel surya. Silikon reclaim merupakan silikon sisa dari pembuatan wafer semikonduktor yang digunakan sebagai tester untuk mengetahui unjuk kerja wafer.
Para peneliti School of Engineering Swansea University bersama dengan Pure Wafer International di Inggris, mengembangkan sel surya murah yang menurut mereka bisa menurunkan harga listrik energi surya. Pure Wafer International merupakan perusahaan dengan core bussines industri silikon.
Sel surya yang dikembangkan Swansea University dan Pure Wafer diaplikasikan menjadi sebuah modul dengan harga yang lebih murah dan efisiensi sistem yang lebih baik.
Menurut Simon Conway dari Pure Wafer, konsorsium tersebut, yang juga melibatkan tiga industri lainnya bertujuan untuk memproduksi modul PV dengan biaya yang lebih murah serta efisiensi yang tinggi di Wales pada 2010.
FABRIKASI DAN KARAKTERISASI SEL SURYA BERBASIS CIS (CuInSe2)Ahmad Arifudin Zuhri
(Jurusan Fisika, FMIPA, Universitas Negeri surabaya)
ABSTRAKPenelitian tentang sumber energi terbarukan semakin banyak dilakukan. Salah satunya
adalah pemanfaatan energi matahari dengan alat fotovoltaik (sel surya). Pilihan yang paling diharapkan saat ini untuk dapat diproduksi secara massal dengan harga yang murah adalah sel surya yang terbuat dari film tipis (Thin film solar cells). Di antaranya yang sedang dikembangkan secara intensif yaitu CuInSe2 (CIS). Sel surya berbasis CIS merupakan sel surya yang mempunyai konduktivitas yang tinggi. Selain itu, sel surya berbasis CIS ternyata mempunyai efisiensi yang cukup besar hingga 12,2%.Kata kunci : Sel surya, CIS, efisiensi
1. PendahuluanKebutuhan energi
pada kehidupan modern terus meningkat, sehingga para peneliti terus berupaya mengembangkan sumber- sumber energi terbarukan, untuk menggantikan sumber energi konvensional yang telah mapan selama ini.
Sumber energi terbesar yang tersedia di bumi adalah energi radiasi yang berasal dari matahari berkisar 69% dari total energi pancaran matahari. Bumi menerima energi radiasi dari matahari kira-kira sebesar 2 x 1017 Watt setiap harinya. Energi sebesar itu akan sayang sekali jika tidak dimanfaatkan, sehingga diperlukan suatu alat yang mampu mengkonversi energi radiasi matahari menjadi energi listrik, diantaranya adalah sel surya[3].
Sel surya yang digunakan saat ini sebagian besar terbuat dari silikon. Persentase penggunaan bahan sel surya dewasa ini adalah 43 % silikon polikristal, 39% silikon kristal tunggal, 1 % silikon lapisan tipis, 3 % silikon dalam bentuk ribbon, sedangkan 14 % bahan selain silikon. Silikon mendominasi bahan sel surya karena
teknologi fabrikasinya memang sudah mapan. Namun demikian penelitian menggunakan bahan lain terus dilakukan hingga kini dan bahkan pada masa-masa yang akan datang[2].
Pilihan yang paling diharapkan saat ini untuk dapat diproduksi secara massal dengan harga yang murah adalah sel surya yang terbuat dari film tipis (Thin film solar cells). Di antaranya ada tiga material yang sedang dikembangkan secara intensif yaitu CuInSe2 (atau paduannya seperti CuInS2 atau CuInGaSe2 ), CdTe dan silikon amorf[9].
Dari sekian banyak macam sel surya yang dikembangkan adalah sel surya CuInSe2(CIS). Sel surya CIS banyak diteliti dan dikembangkan di negara maju karena mempunyai efisiensi yang tinggi dan dapat dibuat lapisan tipis, sehingga dapat menghemat biaya dan tempat[10].
Salah satu bagian yang penting dari sel surya CIS adalah bagian tipe N yang biasa dibuat dari bahan semikonduktor tipe N. Bahan semikonduktor tipe N yang dapat digunakan adalah bahan SnO2, CdO dan ZnO. Bahan tersebut dibuat lapisan tipis dan direposisikan pada lapisan tipis tipe P dari bahan paduan CuInSe2 (CIS). Paduan CuInSe2 (CIS) ini mempunyai konduktivitas dan serapan yang cukup tinggi, sehingga dapat meningkatkan efisiensi dari sel surya[10].
2. Tinjauan teori2.1. Sel surya fotovoltaik
Sel surya fotovoltaik merupakan suatu alat yang dapat mengubah energi sinar matahari secara langsung menjadi energi listrik. Pada asasnya sel tersebut merupakan suatu diode semikonduktor yang bekerja menurut suatu proses khusus yang dinamakan proses tidak seimbang (non-equibilirium process) dan berlandaskan efek fotovoltaik (photovoltaic effects)[3].
Prinsip kerja sel surya silikon adalah berdasarkan konsep semikonduktor p-n junction. Pada sel surya terdapat junction antara dua lapisan tipis yang terbuat dari bahan semikonduktor yang masing-masing diketahui sebagai semikonduktor jenis p ( positif ) dan
semikonduktor jenis n ( negatif )[3].
gambar 1. Struktur sel surya Silikon p-n
junction [3]
Ketika junction disinari, photon yang mempunyai energi sama atau lebih besar dari lebar pita energi material tersebut akan menyebabkan eksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi dan akan meninggalkan hole pada pita valensi. Elektron dan hole ini dapat bergerak dalam material sehingga menghasilkan pasangan elektron-hole. Apabila ditempatkan hambatan pada terminal sel surya, maka elektron dari area-n akan kembali ke area-p sehingga menyebabkan perbedaan potensial dan arus akan mengalir.
gambar 2. Skema Kerja Sel Surya Silikon [3]
2.2. CISCuInSe2 (CIS) adalah suatu semikonduktor tipe-p yang digunakan sebagai bahan sel
surya yang mempunyai efisiensi atau daya serap energi yang cukup besar di daerah 300 nm–500 nm. Adapun sifat fisis CIS, misal: berat molekul 336,28 g cm -3, densitas 5,77 dan titik didih 986 0C serta mempunyai simetri khalkopirit[5].
Sel surya CIS banyak diteliti dan dikembangkan di negara maju karena termasuk sel surya yang mempunyai efisiensi tinggi. CuInSe2 pada sel surya adalah bagian lapisan tipis tipe p. Bahan Cu merupakan bahan konduktor yang mempunyai konduktivitas yang tinggi, bahan In termasuk bahan konduktor yang biasa digunakan untuk membentuk lapisan tipis tipe p, dan bahan Se termasuk bahan semikonduktor tipe-p. Dengan memadukan ketiga unsur tadi akan diperoleh semikonduktor tipe-p yang mempunyai konduktivitas tinggi[7].
gambar 3. Struktur kristal CuInSe2 [6]
gambar 4. Diagram fase CuInSe2 [6]
3. Device sel surya
Teknik yang sering digunakan untuk deposisi semikonduktor, diantaranya adalah Bridgman, Czockralski, dan sputtering (dc dan rf). Pada dasarnya semua teknik tersebut mempunyai kelebihan. dan kekurangan masing-masing. Kelebihan dari teknik Bridgman adalah dapat menghasilkan bahan semikonduktor masif yang sangat homogen, namun karena teknik ini bekerja pada suhu yang sangat tinggi, sehingga dibutuhkan bahan (tabung kuarsa) yang cukup mahal[5].
Dalam pembuatan serbuk CuInse dengan metode Bridgman, peralatan yang digunakan meliputi: seperangkat pompa vakum, alat penghubung (sambungan), tabung kurasa, alat pemanas dan serbuk Cu,In dan Se[7].
gambar 5. susunan peralatan pembuatan paduan
CuInSe2 (Sumaryadi, 2006)
Berdasarkan penelitian Krustok[4] sel surya berbasis CIS dibuat dengan perbandingan Cu:In:Se2 adalah 1:3:5. Deposisi lapisan ini dilakukan dengan metode RF-Sputtering. Semikonduktor tipe-n yang digunakan adalah ZnO.
gambar 6. skema cross-section layer monograin CuInSe2 [4]
Sedangkan Abdullah[1] melakukan fabrikasi sel surya berbasis CIS dengan metode
Electron Beam Evaporation
gambar 7. diagram alir fabrikasi CuInSe2 dengan e-beam evaporation [1]
gambar 8. Cross-section film CuInSe2 dengan ZnS
Wei Liu[8], juga melakukan fabrikasi sel surya berbasi CIS dengan menggunakan
gambar 9. (a) cross-section CIS dan (b) penampang sel surya dari atas [8]
Hydrazine Solution Process.
4. Hasil dan pembahasanBerdasarkan penelitian Nugraha[5], sel surya CIS dikarakterisasi dengan UV-VIS.
gambar 10. grafik absorpsi CuInSe2 (a) multilayer (b) non multilayer
Dari data – data diatas maka dapat disimpulkan bahwa penggunaan CuInSe2 banyak lapisan (multilayer) akan lebih baik daripada satu lapisan (non multilayer) sebagai fungsi penyerapan (absorber) untuk digunakan pada sel surya lapisan tipis.
Dari pengujian dengan FPP bahwa untuk pengujian 3 titik kita mendapatkan bahwa lapisan tipis CuInSe2 multilayer merupakan bahan semikonduktor bertipe-p, hambatannya (1,42 ± 0,03)x102 ? dan nilai resistivitasnya (1,63 ± 0,04) ? cm.
Tabel 1. Perbandingan efisiensi solar sel CIS
Hasil Penelitian Krustok[4] dengan RF-Sputtering,
Tabel 2. Efisiensi CuInSe:ZnS pada suhu ruang dan di anneal 100 oC
Hasil penelitian Abdullah[1]
Hasil penelitian Wei Lu[8]
gambar 11. (a) karakteristik I-V (b) karakterisasi EQE
Berdasarkan uji karakterisasi EQE, sampel A (perkusor tipe I) mempunyai efisiensi 10,7% sedangkan sampel B (perkusor tipe III) mempunyai efisiensi sebesar 12,2%.
5. Kesimpulan1. Sel surya berbasis CuInSe2 merupakan sel surya yang mempunyai konduktivitas tinggi,
karena Cu dan In adalah konduktor yang sangat baik2. CIS dapat di pabrikasi dengan metode Bridgman, Czockralski, sputtering dll3. Berdasarkan penelitian (Wei Liu, 2009) sel surya berbasis CIS mempunyai efisiensi yang
cukup besar, yaitu sebesar 12,2%
6. Daftar pustaka
1. Abdullah, H. (n.d.). Effect of annealing temperature on CuInSe2/ZnS thin film solar cells fabricated by using Electron Beam
Evaporation. Selangor: Universiti Kebangsaan Malaysia.
2. Ariswan. (n.d.). Struktur dan komposisi kimia bahan semikonduktor Cd(Se,S) masif hasil preparasi dengan metode
Bridgman. Yogyakarta: Universitas Negeri Yogyakarta.
3. Ginting, D. (2011). PEMBUATAN PROTOTIPE DYE SENSITIZED SOLAR CELL DENGAN DYE KLOROFIL BAYAM
MERAH. Medan: Skripsi USU.
4. Krustok, J. (n.d.). Device characteristics of CuInSe2-based solar cells . Estonia: Tallinn University of Technology.
5. Nugraha, E. (2006). PENDEPOSISIAN SAMBUNGAN p-n CuInSe2 MULTILAYER-ZnO DENGAN METODE RF
SPUTTERING DAN KARAKTERISASINYA. Berkala MIPA.
6. Stanbery, T. A. (2001). Processing of CuInSe2-Based Solar Cells: Characterization of Deposition Processes in Terms of
Chemical Reaction Analyses. Colorado: National Renewable Energy Laboratory.
7. Sumaryadi, R. (2006). Pembuatan paduan CuInSe2 untuk sel surya CIS dengan metode bridgman. Prosiding seminar
nasional penelitian dan pengelolaan perangkat nuklir.
8. Wei Liu, D. B. (2009). 12% Efficiency CuIn( Se,S)2 Photovoltaic Device Prepared Using a Hydrazine Solution
Process. Chemistry of materials.
9. Wenas, W. W. (2004). Teknologi Sel Surya : Perkembangan Dewasa Ini dan yang Akan Datang. Energi LIPI. Retrieved
from http://www.energi.lipi.go.id.
10. Yunanto. (2006). Deposisi Lapisan Tipis ZnO Sebagai Lapisan Tipis Tipe N dan Jendela Sel Surya CuInSe2. Jurnal Sains
Materi Indonesia Indonesian Journal of Materials Science, 183 - 187.