STRUKTUR SEL SURYA

Print
Category: Listrik & Elektronika
Last Updated on Wednesday, 01 April 2015 Published Date Written by rugianto

STRUKTUR SEL SURYA

Oleh: Rugianto, SPd., MT.

Widyaiswara Madya PPPPTK BOE Malang

 

Abstrak

Sebuah sel surya adalah perangkat elektronik yang secara langsung mengubah sinar matahari menjadi listrik. Arus dalam sel surya, yang dikenal sebagai " light-generated current ", melibatkan proses penyerapan foton untuk membuat pasangan elektron-lubang yang dihasilkan dalam sel surya asalkan foton memiliki energi lebih besar dari band gap, dan mencegah rekombinasi ini dengan menggunakan p-n junction untuk memisahkan elektron dan lubang. "Collection Probability" menggambarkan kemungkinan bahwa pembawa dihasilkan oleh penyerapan cahaya di daerah tertentu dari perangkat akan dikumpulkan oleh p-n juntion dan karena itu berkontribusi terhadap cahaya yang dihasilkan saat ini, tetapi kemungkinan tergantung pada jarak bahwa light-generated current, dibandingkan dengan panjang difusi. "Quantum efficiency" (Q.E.) adalah rasio jumlah carriers / pembawa yang dikumpulkan oleh sel surya untuk jumlah foton energi yang diberikan pada sel surya. Efisiensi kuantum dapat diberikan baik sebagai fungsi panjang gelombang atau sebagai energi. Respon spektral secara konseptual mirip dengan efisiensi kuantum. Efisiensi kuantum memberikan jumlah elektron keluaran oleh sel surya dibandingkan dengan jumlah foton pada perangkat, sedangkan respon spektral adalah rasio arus yang dihasilkan oleh sel surya untuk daya listrik pada sel surya. Sedangkan efek fotovoltaik merupakan koleksi light-generated carriers yang menyebabkan peningkatan jumlah elektron pada sisi n-jenis p-n junction dan peningkatan serupa dalam lubang di Bahan tipe-p.

 

Kata Kunci: Struktur Sel  Surya, light-generated current, p-n junction, Collection Probability, Quantum efficiency, Respon spektral, Respon spektral`

 

Sebuah sel surya adalah perangkat elektronik yang secara langsung mengubah sinar matahari menjadi listrik. Cahaya bersinar pada sel surya menghasilkan baik arus dan tegangan untuk menghasilkan tenaga listrik. Proses ini membutuhkan pertama, bahan di mana penyerapan cahaya menimbulkan elektron ke keadaan energi yang lebih tinggi, dan kedua, gerakan ini elektron energi yang lebih tinggi dari solar cell ke sirkuit eksternal. Elektron kemudian menghilang energi dalam sirkuit eksternal dan kembali ke sel surya. Berbagai bahan dan proses yang berpotensi dapat memenuhi persyaratan untuk konversi energi fotovoltaik, tetapi dalam prakteknya hampir semua fotovoltaik konversi energi menggunakan bahan semikonduktor dalam bentuk p-n junction.

Gambar 1. Cross section of a solar cell.

Sumber: http://www.pveducation.org/pvcdrom/solar-cell-operation

 

Langkah-langkah dasar dalam pengoperasian sel surya:

• generasi pembawa cahaya yang dihasilkan;

• koleksi dihasilkan pembawa cahaya untuk menghasilkan arus;

• generasi tegangan besar di sel surya; dan

• disipasi daya dalam beban dan resistensi parasit.

Light Generated Current

Arus dalam sel surya, yang dikenal sebagai " light-generated current ", melibatkan dua proses utama. Proses pertama adalah penyerapan foton untuk membuat pasangan elektron-lubang. Pasangan elektron-lubang akan dihasilkan dalam sel surya asalkan foton memiliki energi lebih besar dari band gap. Namun, elektron (dalam bahan tipe-p), dan lubang (dalam bahan tipe-n) adalah hanya akan ada untuk jangka waktu yang sama dengan seumur hidup pembawa minoritas sebelum mereka bergabung kembali. Jika carrier recombines, maka pasangan elektron-lubang yang dihasilkan cahaya hilang dan tidak ada arus atau daya dapat dihasilkan.

Sebuah proses kedua, koleksi carriers ini dengan p-n junction, mencegah rekombinasi ini dengan menggunakan p-n junction untuk memisahkan elektron dan lubang. Carriers dipisahkan oleh aksi medan listrik yang ada di p-n junction. Jika pembawa minoritas cahaya yang dihasilkan mencapai p-n junction, itu menyapu persimpangan oleh medan listrik di junction / persimpangan, di mana ia sekarang menjadi pembawa mayoritas. Jika emitor dan basis dari sel surya yang terhubung bersama-sama (yaitu, jika sel surya – di hubung singkat), yang pembawa cahaya yang dihasilkan mengalir melalui sirkuit eksternal. Aliran yang ideal di hubung singkat ditunjukkan pada gambar di bawah.

Gambar 2. Light-generated current

Pada gambar di atas ditunjukkan bahwa aliran short circuit dari elektron dan lubang yang ideal di p-n junction. Pembawa minoritas tidak dapat menyeberangi batas semikonduktor-logam dan mencegah rekombinasi mereka harus dikumpulkan oleh junction / persimpangan jika mereka memberikan kontribusi terhadap aliran arus.

 

Collection Probability

"Collection Probability" menggambarkan kemungkinan bahwa pembawa dihasilkan oleh penyerapan cahaya di daerah tertentu dari perangkat akan dikumpulkan oleh p-n juntion dan karena itu berkontribusi terhadap cahaya yang dihasilkan saat ini, tetapi kemungkinan tergantung pada jarak bahwa light-generated current, dibandingkan dengan panjang difusi. Probabilitas Collection juga tergantung pada sifat permukaan perangkat. Probabilitas collection dari carriers yang dihasilkan di daerah deplesi adalah kesatuan sebagai pasangan elektron-lubang dengan cepat menyapu terpisah oleh medan listrik dan dikumpulkan. Jika carriers yang dihasilkan lebih dari panjang difusi jauh dari persimpangan, maka probabilitas koleksi pembawa ini cukup rendah. Demikian pula, jika carriers yang dihasilkan lebih dekat ke daerah seperti permukaan dengan rekombinasi tinggi dari persimpangan, maka carriers akan bergabung kembali. Dampak pasif permukaan dan panjang difusi pada collection probability diilustrasikan pada gambar di bawah ini.

Gambar 3. Collection probability

Collection probability dalam hubungannya dengan tingkat generasi dalam sel surya menentukan light-generated current dari solar cell. The Light-generated current ini adalah integrasi dari ketebalan perangkat seluruh tingkat generasi pada titik tertentu dalam perangkat, dikalikan dengan Collection probability. Persamaan untuk the light-generated current density (JL), dengan an arbitrary generation rate (G(x))and collection probability (CP(x)), ditunjukkan di bawah, as is the generation rate in silicon due to the AM1.5 solar spectrum:

 

 

dimana:

q          : the electronic charge;

W        : the thickness of the device;

α(λ)     : the absorption coefficient;

H0        : the number of photons at each wavelength

Profil generasi dalam spektrum silikon AM1.5. Perhatikan bahwa the carrier generation adalah yang tertinggi di permukaan sel surya, sehingga membuat perangkat fotovoltaik sangat sensitif terhadap permukaan properti.

A non-uniform collection probability akan menyebabkan ketergantungan spektral dalam the light-generated current. Misalnya, di permukaan, the collection probability lebih rendah daripada the bulk. Membandingkan tingkat generasi untuk biru, hijau dan inframerah cahaya di bawah, cahaya biru hampir sepenuhnya diserap dalam beberapa persepuluh pertama mikron dalam silikon. Oleh karena itu, jika the collection probability di permukaan depan rendah, setiap cahaya biru dalam spektrum matahari tidak memberikan kontribusi untuk light-generated current.

Gambar 4.Kontribusi untuk light-generated current

Penciptaan pasangan elektron-lubang untuk panjang gelombang cahaya yang berbeda dalam silikon. Cahaya biru dari 0,45 µm memiliki koefisien daya serap yang tinggi dari 105 cm-1 dan karena itu diserap sangat dekat dengan permukaan depan. Lampu merah di 0,8 µm dan koefisien penyerapan 103 cm-1 diserap lebih ke dalam sel. Cahaya inframerah pada 1,1 µm dengan koefisien penyerapan 103 cm-1 hampir tidak diserap karena dekat dengan celah pita silikon.

 

Quantum Efficiency

"Quantum efficiency" (Q.E.) adalah rasio jumlah carriers / pembawa yang dikumpulkan oleh sel surya untuk jumlah foton energi yang diberikan pada sel surya. Efisiensi kuantum dapat diberikan baik sebagai fungsi panjang gelombang atau sebagai energi. Jika semua foton dari panjang gelombang tertentu diserap dan pembawa minoritas yang dihasilkan dikumpulkan, maka efisiensi kuantum pada panjang gelombang tertentu adalah unity. Efisiensi kuantum untuk foton dengan energi di bawah band gap adalah nol. Kurva efisiensi kuantum untuk sel surya yang ideal ditunjukkan di bawah ini.

Gambar 5. Efisiensi kuantum

Efisiensi kuantum dari sel surya silikon. Efisiensi kuantum biasanya tidak diukur jauh di bawah 350 nm sebagai kekuatan dari AM1.5 terkandung dalam panjang gelombang rendah adalah rendah.

Sementara efisiensi kuantum idealnya memiliki bentuk persegi yang ditunjukkan di atas, efisiensi kuantum untuk sebagian besar sel surya berkurang karena efek rekombinasi. Mekanisme yang sama yang mempengaruhi the collection probability juga mempengaruhi efisiensi kuantum. Misalnya, permukaan depan pasif mempengaruhi carrier /pembawa  dihasilkan dekat permukaan, dan karena cahaya biru diserap sangat dekat dengan permukaan, tinggi rekombinasi permukaan depan akan mempengaruhi "biru" bagian dari efisiensi kuantum. Demikian pula, lampu hijau diserap dalam sebagian besar sel surya dan panjang difusi yang rendah akan mempengaruhi the collection probability dari sebagian sel surya dan mengurangi efisiensi kuantum di bagian hijau dari spektrum. Efisiensi kuantum dapat dilihat sebagai the collection probability karena profil generasi panjang gelombang tunggal, terintegrasi melalui ketebalan perangkat dan dinormalkan dengan jumlah foton.

Efisiensi kuantum "eksternal" dari sel surya silikon mencakup efek kerugian optik seperti transmisi dan refleksi. Namun, seringkali berguna untuk melihat efisiensi kuantum cahaya yang tersisa setelah cahaya yang dipantulkan dan ditransmisikan telah hilang. Efisiensi kuantum "internal" merujuk pada efisiensi dengan foton yang tidak tercermin atau dikirimkan keluar dari sel dapat menghasilkan collectable carriers. Dengan mengukur refleksi dan transmisi perangkat, kurva efisiensi kuantum eksternal dapat diperbaiki untuk mendapatkan kurva efisiensi kuantum internal.

Gambar di bawah ini menunjukkan efek pada rekombinasi permukaan dan panjang difusi pada efisiensi internal kuantum sel surya. Ketebalan emitor adalah 1 µm, ketebalan dasar adalah 300 µm, difusivitas emitor adalah 4 cm2s-1 dan difusivitas dasar adalah 27 cm2s-1. Untuk difusi dasar panjang lebih besar dari ketebalan perangkat dari 300 µm kecepatan rekombinasi permukaan belakang memiliki dampak yang besar terhadap QE. Untuk difusi rendah panjang rekombinasi pada permukaan belakang tidak berpengaruh.

Efisiensi kuantum internal. Lp adalah panjang emitor difusi (µm), Sp adalah kecepatan rekombinasi permukaan depan (cm / s), Ln adalah panjang difusi dasar (µm), Sn adalah kecepatan rekombinasi permukaan belakang (cm / s).

 

Spectral Response

Respon spektral secara konseptual mirip dengan efisiensi kuantum. Efisiensi kuantum memberikan jumlah elektron keluaran oleh sel surya dibandingkan dengan jumlah foton pada perangkat, sedangkan respon spektral adalah rasio arus yang dihasilkan oleh sel surya untuk daya listrik pada sel surya. Kurva respon spektral ditampilkan di bawah.

Gambar 6. Respon spektral

Respon spektral sel surya silikon di bawah kaca. Pada panjang gelombang pendek di bawah 400 nm kaca menyerap sebagian besar cahaya dan respon sel sangat rendah. Pada panjang gelombang antara sel mendekati ideal. Pada panjang gelombang yang panjang respon jatuh kembali ke nol. Silikon adalah band gap langsung semikonduktor sehingga tidak ada cut off tajam di panjang gelombang sesuai dengan band gap (Eg = 1,12 eV).

 

Respon spektral yang ideal terbatas pada panjangnya gelombang panjang dengan ketidakmampuan semikonduktor untuk menyerap foton dengan energi di bawah celah pita. Batas ini adalah sama seperti yang ditemui dalam kurva efisiensi kuantum. Namun, tidak seperti bentuk persegi kurva QE, respon spektral menurun pada panjang gelombang foton kecil. Pada panjang gelombang ini, setiap foton memiliki energi yang besar, dan karenanya rasio foton terhadap daya adalah berkurang. Setiap energi di atas energi celah pita tidak dimanfaatkan oleh sel surya dan bukan ke pemanasan sel surya. Ketidakmampuan untuk sepenuhnya memanfaatkan energi pada energi tinggi, dan ketidakmampuan untuk menyerap energi cahaya rendah merupakan kerugian daya yang signifikan dalam sel surya yang terdiri dari p-n junction tunggal.

Respon spektral penting karena merupakan respon spektral yang diukur dari sel surya, dan dari ini efisiensi kuantum dihitung. Efisiensi kuantum dapat ditentukan dari respon spektral dengan mengganti kekuatan cahaya pada panjang gelombang tertentu dengan fluks foton untuk panjang gelombang itu. Hal ini memberikan:

SR = (qλ / hc) x QE

 

Photovoltaic effect

Koleksi light-generated carriers tidak dengan sendirinya menimbulkan pembangkit listrik. Dalam rangka untuk menghasilkan tenaga, tegangan harus dihasilkan serta arus. Tegangan yang dihasilkan dalam sel surya dengan proses yang dikenal sebagai "efek fotovoltaik". Koleksi light-generated carriers oleh p-n junction menyebabkan gerakan elektron ke sisi tipe-n dan lubang ke sisi tipe-p junction. Dalam kondisi short circuit, tidak ada build up of charge, sebagai pembawa keluar perangkat light-generated carriers.

Namun, jika the light-generated carriers dicegah dari meninggalkan sel surya, maka koleksi light-generated carriers menyebabkan peningkatan jumlah elektron pada sisi n-jenis p-n junction dan peningkatan serupa dalam lubang di Bahan tipe-p. Pemisahan muatan menciptakan medan listrik di persimpangan yang bertentangan dengan yang sudah ada di persimpangan, sehingga mengurangi medan listrik bersih. Karena medan listrik merupakan penghalang untuk aliran maju difusi bias arus, pengurangan medan listrik meningkatkan arus difusi. Sebuah ekuilibrium baru tercapai di mana tegangan ada di p-n juntion. Arus dari solar cell adalah perbedaan antara IL dan bias maju saat ini. Dalam kondisi sirkuit terbuka, bias maju meningkat persimpangan ke titik di mana arus yang dihasilkan cahaya persis seimbang dengan maju difusi bias arus, dan arus bersih adalah nol. Tegangan yang diperlukan untuk menyebabkan dua arus ke kondisi seimbang disebut "open-circuit voltage". Gambar berikut menunjukkan pembawa arus pada kondisi arus pendek dan sirkuit terbuka.

Gambar 7. Efek fotovoltaik

Simulasi pembawa arus dalam sel surya di bawah ekuilibrium, hubungan arus pendek arus dan kondisi tegangan rangkaian terbuka. Perhatikan besaran yang berbeda dari arus melintasi persimpangan. Dalam kesetimbangan (yaitu dalam gelap) baik difusi dan melayang saat kecil. Dalam kondisi sirkuit pendek, konsentrasi pembawa minoritas di kedua sisi persimpangan meningkat dan arus pergeseran, yang tergantung pada jumlah pembawa minoritas, meningkat. Dalam kondisi sirkuit terbuka, pembawa cahaya yang dihasilkan bias maju persimpangan, sehingga meningkatkan arus difusi. Karena hanyut dan difusi saat berada di arah yang berlawanan, tidak ada arus bersih dari sel surya di sirkuit terbuka.

 

Kesimpulan:

a.    Sebuah sel surya adalah perangkat elektronik yang secara langsung mengubah sinar matahari menjadi listrik. Arus dalam sel surya, yang dikenal sebagai " light-generated current ", melibatkan proses penyerapan foton untuk membuat pasangan elektron-lubang yang dihasilkan dalam sel surya asalkan foton memiliki energi lebih besar dari band gap, dan mencegah rekombinasi ini dengan menggunakan p-n junction untuk memisahkan elektron dan lubang.

b.    "Collection Probability" menggambarkan kemungkinan bahwa pembawa dihasilkan oleh penyerapan cahaya di daerah tertentu dari perangkat akan dikumpulkan oleh p-n juntion dan karena itu berkontribusi terhadap cahaya yang dihasilkan saat ini, tetapi kemungkinan tergantung pada jarak bahwa light-generated current, dibandingkan dengan panjang difusi.

c.    "Quantum efficiency" (Q.E.) adalah rasio jumlah carriers / pembawa yang dikumpulkan oleh sel surya untuk jumlah foton energi yang diberikan pada sel surya. Efisiensi kuantum dapat diberikan baik sebagai fungsi panjang gelombang atau sebagai energi.

d.    Respon spektral secara konseptual mirip dengan efisiensi kuantum. Efisiensi kuantum memberikan jumlah elektron keluaran oleh sel surya dibandingkan dengan jumlah foton pada perangkat, sedangkan respon spektral adalah rasio arus yang dihasilkan oleh sel surya untuk daya listrik pada sel surya.

e.    Efek fotovoltaik merupakan koleksi light-generated carriers yang menyebabkan peningkatan jumlah elektron pada sisi n-jenis p-n junction dan peningkatan serupa dalam lubang di Bahan tipe-p.

 

Referensi

1.    C.T. Sah, R.N. Noyce, W. Shockley, Carrier generation and recombination in p-n junctions and p-n junction characteristics, Proc. IRE 45 (1957) 1228.

2.    http://www.pveducation.org/pvcdrom/solar-cell-operation

3.    J.E. Philips, J. Titus, D. Hofmann, Determining the voltage dependence of the light generated current in CuInSe2-based solar cells using I-V measurements made at different light intensities, Proc. 26th IEEE Photovoltaic Specialist Conf., Anaheim, 1997, pp. 463-466.

4.    L. Castan˜er, S. Silvestre, Modelling Photovoltaic Systems Using Pspice, John Wiley & Sons, Chichester, 2002.

5.    M.A. Green, Silicon Solar Cells: Advanced Principles and Practice, Centre for Photovoltaic Devices and Systems, University of New South Wales, 1995.

6.    Prof. Dr. rer. nat., emerit. Peter Würfel, 2005. Basic Structure of Solar Cells. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co.

7.    R. Brendel, H.J. Queisser, On the thickness dependence of open circuit voltages of p-n junction solar cells, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 29 (1993) 397.

8.    S.M. Sze , 1981. Physics of Semiconductor Devices, second ed., New York.

9.    S.S. Hegedus, Current-voltage analysis of a-Si and a-SiGe solar cells including voltage-dependent photocurrent collection, Prog. Photovolt: Res. Appl. 5 (1997) 151-168.

10.T. Markvart, Light harvesting for quantum solar energy conversion, Prog. Quantum Electron. 24 (2000) 107.

11.Tom Markvarta and Luis Castañerb, 2002. Principles of Solar Cell Operation

 

12.Y. Hishikawa, Y. Imura, T. Oshiro, Irradiance dependence and translation of the IV characteristics of crystalline silicon solar cells, Proc. 28th IEEE Photovoltaic Specialists Conf., Anchorage, 2000, pp. 1464-1467.

Copyright 2019. Powered by Humas. PPPPTK BOE MALANG