Jurnal Informasi
Volume VI No. 2/November/2014
ANALISA KARAKTERISTIK I-V SOLAR SEL HASIL FABRIKASI MENGGUNAKAN SIMULATOR SUPREM3 DAN PC1D Pahlawan Sagala ABSTRAK Dalam percobaan ini telah dipabrikasi solar sel dari bahan poli kristal silikon menggunakan fasilitas proses yang ada di PPET-LIPI Bandung. Hasil yang diperoleh sejauh ini belum menunjukkan sesuai dengan yang diharapkan yaitu daya keluaran dan fill factor lebih rendah dibanding produk komersial. Berkenaan dengan hal tersebut perlu dilakukan analisa untuk mengetahui pameter yang mempengaruhi karakteristik I-V dari Solar Sel untuk selanjutnya dapat diperkirakan penyebabnya. Sample Solar Sel diproses dengan menggunakan teknologi penguapan H3PO3 sebagai sumber dopan jenis-n, dan dilanjutkan dengan difusi panas yang dilakukan dalam furnace sistim ban berjalan pada temperatur antara 880 0C dengan waktu difusi sekitar 4,6 menit. Paremeter listrik dari sampel kemudian diukur dengan menggunakan SPI- Sun simulator. SUPREM3 digunakan untuk memperediksi profile doping sesuai parameter proses. Profile doping hasil SUPREM3 selanjutnya menjadi masukan bagi PC1D untuk memperediksi karakteristik listrik dari Solar Sel. Selanjutnya parameter listrik hasil pengukuran digunakan pada PC1D, sehingga parameter listrik yang dominan mempengaruhi karakteristik I-V Solar Sel hasil fabrikasi dapat diketahui. Secara umum, efisiensi Solar Sel hasil fabrikasi lebih rendah sekitar 39% dibanding hasil produk komersial buatan Solarex. Dengan membandingkan hasil pengukuran terhadap hasil simulasi untuk kondisi ideal, dapat disimpulkan bahwa faktor yang dominan dalam mempengaruhi karakateristik I-V Solar Sel hasil fabrikasi adalah nilai Rs dengan kontribusi 50% terhadap penurunan efisiensi, Eff. Sedangkan reflektansi permukaan dan Rfront memberi kontribusi masing-masing sekitar 15,6% dan 10% pada penurunan efisiensi. Nilai Rsh meskipun lebih rendah dibanding hasil produk komersial tapi tidak signifikan pada penurunan efisiensi.
I.
Persiapan Sampel dan Proses Fabrikasi Substrat yang digunakan dalam percobaan ini adalah wafer poli-kristalin silikon
(Poly-Si) jenis-p dengan resistvitas, ρ ≈ 1 – 3 Ω cm dan ukuran sampel sebesar 100 cm2. Sebanyak 12 sampel disiapkan dalam percobaan ini yang masing-masing diberi label S1 hingga S12. Setelah seluruh sampel dicuci sesuai standar RCA, kemudian dilakukan texturing dengan mencelupkan sampel pada larutan HNO3/HF/CH3COOH. Selanjutnya adalah proses pembentukan pn-junction. Sebagai sumber dopan jenis n, digunakan bahan fospor dalam bentuk larutan H3PO4. Pelapisan dopan pada permukaan sampel dilakukan dengan cara penguapan larutan H3PO4 yang dipanaskan pada wadah tabung kuwarsa yang dirancang khusus untuk
45
Jurnal Informasi
Volume VI No. 2/November/2014
percobaan ini. Penggunaan H3PO3 pertama sekali digunakan oleh perusahaan Solarex dengan tujuan untuk mengurangi biaya fabrikasi Solar Sel, karena larutan H3PO3 mudah diperoleh dengan harga jauh lebih murah dibanding source lainnya. Selanjutnya
dilakukan proses difusi panas menggunakan mekanisme proses pada
umumnya di industri Solar Sel yaitu menggunakan tungku pemanas sistim ban berjalan. Temperatur tungku di set pada temperature 880 0C, dan dengan kecepatan belt 4 Ipm (Inci per menit) dan juga sesuai dengan profil tungku (lihat gambar 1) maka lamanya waktu difusi adalah sekitar 4,6 menit. Lapisan fosporsilika yang terbentuk pada permukaan sampel selama proses difusi panas senjutnya dikikis (etch) dengan cara mencelupkan pada larutan HF 10%. Langkah selanjutnya adalah pembentukan kontak metal menggunakan bahan pasta Ag untuk permukaan depan dan AgAl untuk permukaan belakang menggunakan teknologi screen printing. Pola kontak grid pada permukaan depan dibentuk menggunkan mask. Untuk mendapatkan sifat ohmic dari kontak selanjutnya dilakukan pemanasan (annealing) pada tungku pada temperatur 705 0C pada kecepatan belt 30 Ipm. Langkah terakhir dari proses fabrikasi adalah pelapisan anti replective (ARC) TiO2. Gambar adalah salah satu sampel setelah proses akhir. Temp. (oC)
880
700
5,35 Z1
18,26 Z2
5,35 Z3
Panjang (inchi)
Gambar 1. Profil Tungku. Z1 = 5,35”adalah zona ramp-up; Z2 = 18,26” adalah zona flat; Z3 = 5,35” adalah zona ramp-down.
46
Jurnal Informasi
Volume VI No. 2/November/2014
Gambar 2. Salah satu sampel Solar Sel hasil pabrikasi
II.
Hasil Percobaan dan Diskusi
Hasil Pengukuran Setelah sampel selesai diproses, selanjutnya adalah pengukuran parameter listrik dengan menggunakan SUN-Simulator buatan Spire. Dalam percobaan ini disertakan juga Solar Sel buatan Solarex sebagai pembanding. Dari 12 sampel yang diproses, beberapa sampel tidak diukur karena terjadi kerusakan selama proses dan beberapa lagi digunakan untuk proses lain. Gambar 3, memperlihatkan karakteristik I-V dari Solar Sel hasil fabrikasi dibandingkan dengan buatan solarex. Secara umum terlihat bahwa nilai arus hubung singkat, Ishort dari sample hasil fabrikasi berada dikisaran 2,4 volt hingga 2,6 volt lebih rendah dari hasil produksi Solarex disekitar 3,3 volt. Begitu juga tegangan open, Vo, hasil fabrikasi lebih rendah dengan selisih sekitar 0,03 volt. Untuk mempertegas perbedaan karakteristsk I-V Solar Sel hasil fabrikasi dengan produk komersial buatan Solarex, pada tabel 1 diperlihatkan parameter listrik hasil ekstrak dari karakteristik I-V untuk sampel S7, S8, S9, S10, S11 dan Solarex (Slx).
47
Jurnal Informasi
Volume VI No. 2/November/2014
Karakteristik I-V Hasil Pengukuran Sampel Solarex dibandingkan dengan Sample Hasil Fabrikasi 3,5
3,0
Arus (A)
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Tegangan (V)
Slx
S7
S8
S9
S 10
S 11
Gambar 3. Hasil Karakteristik I-V hasil pengukuran
Tabel 1. Parameter listrik sampel Solar Sel hasil pengukuran Parameter
unit
Slx
S7
S8
S9
S10
S11
Voc Isc Rs Rsh Pmax Vpm Ipm FF Efc
V A Ohm Ohm W V A
0,59 3,283 0,051 6,118 1,1 0,39 2,835 0,57 12,31
0,55 2,407 0,086 1,787 0,61 0,36 1,721 0,46 7,15
0,56 2,643 0,074 2,365 0,72 0,36 2,035 0,493 8,44
0,55 2,337 0,085 2,103 0,59 0,35 1,664 0,459 6,84
0,56 2,613 0,094 3,431 0,64 0,34 1,893 0,442 7,52
0,55 2,331 0,088 2,299 0,61 0,35 1,721 0,471 7,1
%
Rata Sampel
% Perbedaan
0.554 2.466 0.085 2.397 0.665 0.347 1.807 0.465 7.553
6% 25% -67% 61% 40% 11% 36% 18% 39%
Pada table 1 diperlihatkan juga porsentasi perbedaan antara besaran parameter listrik hasil fabrikasi terhadap produk komersial Solarex. Terlihat bahwa porsentasi perbedaan yang paling mencolok dari paremeter listrik adalah, Isc, Pmax, Ipm, Rs dan Efc yang masing-masing 25%, 40%, 36%, 67% dan 39%. Tanda minus pada porsentasi perbedaan nilai Rs berarti bahwa makin kecil nilai Rs makin bagus performansi Solar
48
Jurnal Informasi
Volume VI No. 2/November/2014
Sel. Paremter Rsh meski nilainya 61% tapi dampaknya tidak begitu berpengaruh terhadap performansi Solar Sel (lihat hasil simulasi).
Keterangan: Voc = tegangan open Isc = arus hubung singkat Rs = resistansi seri Rsh = resistansi shunt Pmax = daya maksimum Vpm = tegangan puncak maksimum Ipm = arus puncak maksimum FF = fill factor Efc = efisiensi
Hasil Simulasi dengan Suprem 3 dan PC1D Dewasa ini, pemodelan divais semikonduktor menggunakan program komputer telah menjadi kebutuhan dalam mendesain dan menganalisa berbagai divais semikonduktor dalam industri semikonduktor termasuk juga Solar Sel. Secara umum program komputer untuk simulasi dalam lingkup industri semikonduktor dapat dibagi dalam tiga kategori, yaitu: kategori pemodelan proses, kategori pemodelan divais dan kategori pemodelan rangkaian atau sistim. Ketiga kategori program simulasi yang disebutkan saling terkait penggunaannya dalam perancangan suatu sistim atau suatu fugsi elektronik. Program simulasi yang digunakan dalam percobaan ini adalah SUPREM versi 3 dan PC1D Ver5.8 untuk penggunaan pada personal komputer. SUPREM (Stanford University PRocess Engineering Model) telah secara luas digunakan dikalangan industri Mikroelektronik, dikembangkan pertama sekali oleh Universitas Stanford adalah merupakan
program
komputer
untuk
pemodelan
proses
pembuatan
divais
semikonduktor secara umum. Sedangkan PC1D dikembangkan oleh Universitas Iowa dan University of New South Wales adalah program komputer untuk pemodelan secara khusus Solar Sel, dan sejauh ini telah menunjukkan hasil yang cukup akurat mendekati hasil karakteristik Solar Sel komersial1.
49
Jurnal Informasi
Volume VI No. 2/November/2014
Untuk mengetahui seberapa besar pengaruh dari beberapa paremeter listrik terhadap performasi solar cell, dilakukan simulasi solar cell. Simulasi dimulai dengan perkiraan profil doping dari cell menggunakan Suprem 3 dan parameter proses seperti ditunjukkan pada gambar 1. Selanjutnya profile doping manjadi masukan bagi simulator PC1D seperti diperlihatkan diagram pada gambar 4.
SUPREM3 (Simulasi Proses)
PC1D (Simulasi Karaketristik I-V) Profil Doping
Parameter Masukan: • Jenis wafer Si dan resistivitas • Temperature dan waktu difusi • Gas lingkungan • Dll
Karakteristik I-V
Parameter Masukan: • Lifetime pembawa muatan • Resistansi shunt dan resistansi seri • Replektansi permukaan • Dll
Gambar 4. Diagram penggunaan program simulasi SUPREM3 dan PC1D
Gambar 5, memperlihatkan profil doping hasil simulasi proses Solar Sel sesuai dengan parameter proses oleh SUPREM3. Terlihat bahwa kedalam sambungan antara jenis-n dan p berada pada kedalaman 0,3 mikrometer dan resistansi sheet emitter (p) berkisar antara 30-40 Ω/□, dan merupakan yang lazim dalam proses Solar Sel komersial2.
50
Jurnal Informasi
Volume VI No. 2/November/2014
Profil Doping Hasil Simulasi untuk Tdif = 880 0C, t = 4,56 min
Konsentrasi at/cm
3
1E+20
1E+18
1E+16
1E+14 0
0,5
1
1,5
Kerdalaman (µm)
Gambar 4. Profil doping solar cell hasil simulasi menggunakan SUPREM3.
Selanjutnya profil doping seperti diperlihat gambar 4, menjadi masukan bagi PC1D untuk mendapatkan karakteristik I-V dari Solar Sel. Parameter lain yang perlu di atur dalam simulasi menggunakan PC1D antara lain adalah: Rs, Rsh, replektansi dan lain-lain. Berdasarkan parameter yang digunakan dalam simulasi ini, simulasi dibagi menjadi beberapa skenario sebagai berikut: 1. Parameter Ideal: dimana nilai paremeter seperti, Rsh sangat besar atau konduktans G = 0, resistansi series Rs = 0, faktor replektansi = 0, rekombinasi permukaan Rfron = 0. 2. Parameter Default: Rfront = 5x105 cm/s , Rs = 0,015 Ω , Rsh = 30 Ω , replektansi = 10%. Parameter default adalah parameter yang lazim dalam Solar Sel komersial. 3. Paremeter Campuran: nilai suatu paremeter hasil pengukuran atau kombinasinya menjadi parameter simulasi menggantikan parameter default simulator. Ringkasan parameter yang digunakan pada simulasi ini dapat dilihat berikut ini. sim1 : parameter sama seperti ideal kecuali Rsh = 2,397 Ω (G=0,417) sim2 : parameter sama seperti ideal kecuali Rs = 0, 083 Ω sim3 : parameter sama seperti ideal kecuali replektan 10% sim4 : parameter sama seperti ideal kecuali Rfront = 1x106 cm/s sim5 : sama seperti ideal kecuali Rs = 0,07 Ω dan Rsh = 2,397 Ω
51
Jurnal Informasi
Volume VI No. 2/November/2014
sim6 : sama seperti ideal kecuali Rs = 0,07 Ω, Rsh = 2,397 Ω dan Rfront = 1x106 sim7 : sim6 + replektansi 15%
Rfront adalah rekombinasi permukaan yang berpengaruh terhadap arus hubung singkat Is, sehingga nilai diberikan dalam sim4 dan sim6 bertujuan untuk mengetahui penyebab nilai arus hubung singkat yang rendah dari sampel. Nilai replektansi sebesar 15% pada sim7 diperoleh dari hasil pengukuran untuk ARC TiO23.
Parameter lain yang digunakan adalah sbb: • Ukuran sample adalah 10 cm x 10 cm. • Tebal wafer: 300 µm • Kedalaman Texture permukaan depan/atas: 3 µm • Rekombinasi bulk (Lifetime bulk): τn = τp = 7,208 µs • Temperatur: 25 oC • Exitasi cahaya: 1 matahari • Intensitas cahaya: 0,1 W/cm2
Karakteristik I-V hasil simulasi Gambar 5 adalah karakteristik I-V hasil simulasi dengan paremeter seperti telah diskenariokan yang dinamai sebagai sim1 hingga sim7. Pada grafik karaktersiktik I-V ini juga skenario ideal sebagai pembanding.
52
Jurnal Informasi
Volume VI No. 2/November/2014
Karakteristik I-V Hasil Simulasi 4 3,5
Arus (A)
3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Tegangan (V) ideal
sim1
sim2
sm3
sim5
sim6
sim7
default
sim4
Gambar 5. Karakteristik I-V solar Cell hasil simulasi
Tabel 2 berikut lebih memperjelas pangaruh dari tiap atau kombinasi dari beberapa parameter hasil pengukuran pada performasi solar cell.
Tabel 2 parameter simulasi dan hasil simulasi N0 ideal sim1 sim2 sim3 sim4 sim5 sim6 sim7 default
Rfront cm/s 0 0 0 0 1,E+06 0 1,E+06 1,E+06 5,E+05
Rs (Ohm) 0 0 0,083 0 0 0,083 0,083 0,083 0,015
Rsh (Ohm) ∞ 2,39 ∞ ∞ ∞ 2,39 2,39 2,39 30
Refl. % 0 0 0 15 0 0 0 15 10
Is A 3,786 3,784 3,784 3,217 3,497 3,657 3,378 2,870 3,198
Voc V 0,595 0,593 0,594 0,591 0,580 0,593 0,578 0,574 0,580
Eff. % 18,56 17,48 9,16 15,66 16,69 8,95 8,32 7,70 13,72
PP % 0,0 5,8 50,7 15,6 10,1 51,8 55,2 58,5 26,1
PP adalah porsentasi penurunan efisiensi relatip terhadap hasil simulasi kondisi ideal. Terlihat bahwa parameter Rs berkontribusi terhadap penurunan efisiensi sebesar 50,7%. Resistansi series yang cukup besar dari sampel dicurigai berasal dari kontak metal yang belum optimal (resistansi kontak tinggi) dan juga kemungkinan kontaminasi atom logam pada saat difusi temperature tinggi. Atom logam seperti besi (Fe)
53
Jurnal Informasi
Volume VI No. 2/November/2014
menyebabkan pusat rekombinasi dalam bulk Si dan menyebabkan arus bocor4. Hal ini dapat dimaklumi karena lingkungan proses dan perangkat proses yang belum memenuhi standar kebersihan seperti dipersyartakan industri semikonduktor. Parameter lain yang memberi kontribusi pada penurunan efisiensi adalah factor reflektansi dan Rfront yang masing-masing sebesar 15,6% dan 10%. Reflektansi adalah sifat permukaan Solar Sel untuk memantulkan sinar matahari yang diterimanya. Pelapisan bahan anti refleksi yang sesuai dapat menerunkan nilai reflektasi Solar Sel. Rfont berkaitan dengan rekombinasi permukaan atau arus bocor permukaan dan dapat dikurangi dengan teknologi pasipasi permukaan. Sementara Rshunt meskipun nilainya cukup rendah dibanding nilai produksi komersial akan tetapi tidak memberi kontribusi penurunan signifikan terhadap efisiensi yaitu hanya sebsar 5,8%. Dampak dari parameter pada hasil simulasi, lebih jelasnya diperlihatkan pada gambar 6 berikut. Gambar 6 menunjukkan plot karakteristi I-V hasil pengukuran sample S8, Slx (Solarex) dan hasil simulasi untuk kondisi parameter 7 (sim7) danjuga kondisi default.
Karakteristik I-V Solar cell dari Hasil Fabrikasi, Solarex dan Hasil Simulasi
3,5 3
Arus (A)
2,5 S8
2
Slx sim7
1,5
default
1 0,5 0 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Tegangan (V)
Gambar 6. Perbandingan karakteristk I-V hasil pengukuran dengan hasil simulasi untuk parameter yang hampir sama (sim7) dan dibandingkan dengan Slx dan default. Dari gambar 6 terlihat bahwa karakteristik hasil pengukuran dengan hasil simulasi (sim7) hampir sama (fit) kecuali nilai Ishort yang lebih tinggi pada hasil simulasi. Hal
54
Jurnal Informasi
Volume VI No. 2/November/2014
ini diperkirakan karena faktor koverage permukaan oleh kontak yang belum diperhitungkan dalam simulasi.
III. Kesimpulan Dari hasil percobaan ini dapat disimpulkan sebagai berikut. 1. Fabrikasi solar sel mengunakan peralatan dan lingkungan non satndar industri menghasilkan Solar Sel yang performansinya lebih rendah dari hasil produk komersial seperti buatan solarex. Efisiensi hasil fabrikasi lebih rendah 39% dibanding hasil produk komersial Solarex. 2. Dengan melakukan simulasi menggunakan SUPREM3 dan PCD1 terungkap bahwa pengaruh Rs berkontribusi 50,7% pada penurunan efisiensi relative terhadap kondisi ideal. Sedangkan reflektansi dan Rfront dan Rsh, masingmasing berkontribusi 15,6% , 10% dan 5,8%. 3. Penyebab tinnginya nilai Rs hasil percobaan ditengarai berasal dari resistansi kontak metal yang tinggi dan arus bocor karena kontaminasi atom logam berat seperti Fe. Hal ini perlu diklarifikasi lebih lanjut.
IV.
Referensi
Basore P.A., Clugston D.A. (1996) PC1D Version 4 For Windows: From Analysis to Design. In Proceedings of the 25th IEEE PVSC, pp. J. F. Nijs, J. Szlufcik, J. Poortmans, S. Sivoththaman, and R. P. Mertens, “ Advanced Manufacturing Concepts for Crystalline Silicon Solar Cell “, IEEE Trans. on E.D, vol. 46, no.10, Oct. 1999. Ika Ismet, Shobih, Erlyta Septa Rosa, A. Wahid, “Isotropic Texturing for the Application of Multicrystalline Silicon Solar Cell”, to be published in Proc. 8th Intl. Quality in Research, Jakarta, August 2005. Daniel Macdonal, Helmut Mäckel and Andrés Cuevas,” Recobination n- AND p-type Silicon Emitter Contamination witl Iron “, 4th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, Waikao, Hawai, May 2006.
55
