Pemodelan dan Fabrikasi Sel Surya Persambungan Sejenis Berbasis Material Karbon Amorf

Purwandari, Endhah (2025) Pemodelan dan Fabrikasi Sel Surya Persambungan Sejenis Berbasis Material Karbon Amorf. Doctoral thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Text 7001202003-Dissertation.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 1 April 2027. Download (6MB) | Request a copy

Abstract

Pengembangan sel fotovoltaik berbasis karbon amorf telah banyak dikembangkan sejak dikenalnya material ini sebagai bahan semikonduktor. Karbon amorf memiliki ikatan campuran antara atom karbon dengan tipe hibridisasi sp2 dan sp3. Proporsi sp² berperan dalam meningkatkan konduktivitas listrik melalui ikatan π, sementara sp³ berkontribusi pada stabilitas mekanik dan sifat isolasi material. Kombinasi karakteristik ini memungkinkan pengendalian celah pita energi (band gap) dan optimalisasi sifat optoelektronik, menjadikannya material yang potensial untuk penyerapan cahaya dan transportasi muatan. Keunggulan ini mendorong pengembangan sel PV berbasis karbon amorf dalam berbagai konfigurasi perangkat. Dengan sumber daya karbon yang melimpah, biaya sintesis yang rendah, serta kemampuan penyesuaian sifat material untuk memenuhi kebutuhan teknologi, penelitian di bidang ini menjadi sangat relevan dan krusial dalam mendukung inovasi energi terbarukan yang berkelanjutan. Salah satu sumber energi terbarukan yang saat ini sedang giat diteliti adalah pengembangan sel fotovoltaik dalam bentuk persambungan lapisan tipis berbasis karbon amorf, baik dalam keadaan murni, terdoping maupun kombinasi antara keduanya. Lapisan tipis karbon amorf (aC) berhasil dikembangkan menggunakan sumber biomassa terbarukan yang ramah lingkungan dan berbiaya rendah, seperti tempurung kelapa dan nira pohon siwalan. Dalam penelitian ini, sumber karbon dari tempurung kelapa telah digunakan sebagai komponen material tipe-p, setelah didoping dengan boron. Adapun sumber karbon dari nira pohon siwalan dimanfaatkan sebagai material intrinsik dan komponen material tipe-n setelah didoping dengan nitrogen. Analisa elemental menggunakan EDX-mapping (Energy Dispersive X-ray-mapping) menunjukkan distribusi karbon (C), boron (B), dan nitrogen (N) yang merata di permukaan film. Adapun morfologi pada bagian melintang dari sisi samping material diuji dengan menggunakan SEM (Scanning Electron Microscopy) dan menunjukkan ketebalan yang homogen. Hasil TEM (Transmission Electron Microscopy) mengungkapkan struktur lapisan jamak (multilayer) yang dilihat berdasarkan variasi tingkat kegelapan di beberapa area, dimana semakin gelap area, menunjukkan struktur yang lebih tebal. Analisis XRD (X-ray diffraction) mengonfirmasi bahwa material memiliki struktur amorf, baik pada material intrinsik maupun terdoping. Data spektroskopi Raman menunjukkan dominasi defek dengan rasio intensitas ID/IG ~0,7 untuk material terdoping dan ~0,57 untuk material intrinsik, serta indikasi grafena lapis jamak dengan nilai I2D/IG < 1. Analisis XPS juga memvalidasi keberadaan ikatan kimia antar atom. Karakteristik optik mengkonfirmasi sifat semikonduktif material karbon yang didukung oleh data pengukuran Eg, konstanta dielektrik, indeks bias, serta konduktivitas optik yang selaras dengan data konduktivitas elektronik, pada lapisan p, i, dan n. Sementara itu, analisis J-V pada struktur p-n, p-i-n dan p-i1-i2-n memperkuat potensi material ini untuk aplikasi sel surya. Simulasi menggunakan perangkat lunak AFORS-HET dilakukan untuk menganalisis parameter-parameter yang memengaruhi kinerja sel surya berbasis aC, seperti ketebalan lapisan, mobilitas pembawa muatan, dan celah energi pada lapisan p, i, dan n. Simulasi menunjukkan bahwa variasi ketebalan lapisan memengaruhi penyerapan cahaya dan transportasi muatan, sementara mobilitas pembawa muatan mempengaruhi efisiensi pengumpulan muatan pada elektroda. Celah energi bertingkat antar lapisan p, i, dan n membantu mengoptimalkan penyerapan foton sekaligus mengurangi rekombinasi muatan, yang secara signifikan meningkatkan performa perangkat. Analisis ini memberikan wawasan mendalam tentang parameter optimal untuk merancang sel surya berbasis karbon amorf yang lebih efisien. Prototipe sel surya berbasis struktur p-i-n telah difabrikasi menggunakan teknik deposisi nanospray, yang memanfaatkan nebulizer untuk menghasilkan droplet seragam di atas substrat ITO (Indium Tin Oxide). Teknik ini memungkinkan pembentukan lapisan tipis dengan ketebalan yang seragam, termasuk untuk lapisan p, i, dan n pada p-n, p-i-n dan p-i1-i2-n. Metode nanospray ini merupakan inovasi menjanjikan, karena mampu menghasilkan lapisan lebih homogen dibandingkan metode spray konvensional serta mendukung produksi skala besar dengan efisiensi biaya. Prototipe ini menunjukkan potensi besar teknik deposisi baru dalam pengembangan material karbon amorf untuk aplikasi fotovoltaik. Sel surya berbasis karbon amorf yang difabrikasi menunjukkan peningkatan performa dibandingkan penelitian sebelumnya, dengan efisiensi masing-masing sebesar 0,068%, 0,10%, dan 0,074% untuk struktur p-n, p-i-n dan p-i1-i2-n. Meskipun efisiensinya masih lebih rendah dibandingkan silikon amorf, karbon amorf memiliki konduktivitas listrik yang jauh lebih tinggi (~103 S/cm), sehingga mendukung transportasi muatan yang lebih efisien. Modifikasi struktur dan integrasi dengan material lain menawarkan peluang besar untuk lebih meningkatkan kinerja sel surya berbasis karbon amorf.
=================================================================================================================================
The development of amorphous carbon-based solar cells has gained significant attention since the material was recognized as a potential semiconductor. Amorphous carbon possesses a mixed bonding structure of sp² and sp³ hybridized carbon atoms. The sp² proportion enhances electrical conductivity through π bonds, while sp³ contributes to mechanical stability and insulating properties. This combination enables control over the energy band gap and optimization of optoelectronic properties, making it ideal for light absorption and charge transport. These advantages have driven the development of amorphous carbon-based photovoltaic (PV) cells in various device configurations. With abundant carbon resources, low synthesis costs, and the ability to tailor material properties for technological needs, research in this field remains highly relevant and crucial in supporting sustainable renewable energy innovations. Among the most actively researched areas is the development of thin-film PV cells based on amorphous carbon, both doped and undoped, or a combination of both. Thin films of amorphous carbon (aC) have been successfully developed using renewable, environmentally friendly, and cost-effective biomass sources, such as coconut shells and Palmyra sap. In this study, carbon sourced from coconut shells was used as a p-type material after being doped with boron, while carbon from Palmyra sap served as an intrinsic and n-type material after nitrogen doping. Elemental analysis through EDX-mapping (Energy Dispersive X-ray-mapping) revealed a uniform distribution of carbon (C), boron (B), and nitrogen (N) across the film's surface. The morphological examination of the cross section of the lateral aspect of the material was conducted via SEM (Scanning Electron Microscopy) and demonstrated a consistent thickness. Transmission Electron Microscopy (TEM) images indicated a multilayer structure, with darker areas corresponding to thicker layers. X-ray Diffraction (XRD) analysis confirmed the amorphous nature of both intrinsic and doped materials. Raman spectroscopy data showed a dominant defect structure with an intensity ratio of ID/IG ~0.7 for the doped material and ~0.57 for the intrinsic material, with indications of multilayer graphene with an I2D/IG ratio of less than 1. X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) further validated the chemical bonding between atoms. The optical characteristics confirm the semiconducting properties of the carbon material, supported by measurement data of Eg, dielectric constant, refractive index, and optical conductivity, which align with the electronic conductivity data in the p, i, and n layers. Meanwhile, J-V analysis of the p-n, p-i-n, and p-i1-i2-n structures further reinforces the potential of this material for solar cell applications. Simulations using AFORS-HET software were conducted to analyze parameters affecting the performance of amorphous carbon-based solar cells, such as layer thickness, carrier mobility, and energy gap in the p, i, and n layers. The simulations showed that variations in layer thickness influence light absorption and charge transport, while carrier mobility affects charge collection efficiency at the electrodes. The graded energy gap between the p, i, and n layers helps optimize photon absorption while reducing charge recombination, significantly improving device performance. These findings provide valuable insights into optimal parameters for designing more efficient amorphous carbon-based solar cells. A prototype of a p-i-n structured solar cell was fabricated using a nanospray deposition technique, which utilizes a nebulizer to generate uniform droplets onto an ITO (Indium Tin Oxide) substrate. This method enables the formation of thin films with uniform thickness across the p, i, and n layers of the p-n, p-i-n, and p-i1-i2-n structures. The nanospray technique represents a promising innovation, as it produces more homogeneous layers compared to conventional spray methods and supports large-scale production with cost efficiency. The prototype demonstrates the significant potential of this new deposition technique in advancing amorphous carbon materials for photovoltaic applications. The fabricated amorphous carbon-based solar cells exhibited improved performance compared to previous studies, with efficiencies of 0,068%, 0,10%, and 0,074% for the p-n, p-i-n, and p-i1-i2-n structures, respectively. Although the efficiency is still lower than that of amorphous silicon, amorphous carbon offers significantly higher electrical conductivity (~103 S/cm), supporting more efficient charge transport. Structural modifications and integration with other materials present substantial opportunities to further enhance the performance of amorphous carbon-based solar cells.

Item Type:	Thesis (Doctoral)
Uncontrolled Keywords:	Karbon amorf, nanospray, sel surya, biomassa, simulasi, AFORS-HET Amorphous carbon, nanospray, solar cell, biomass, simulation, AFORS-HET
Subjects:	Q Science > QC Physics > QC451 Spectroscopy Q Science > QC Physics > QC585 Dielectrics Q Science > QC Physics > QC610.3 Electric conductivity
Divisions:	Faculty of Science and Data Analytics (SCIENTICS) > Physics > 45001-(S3) PhD Thesis
Depositing User:	ENDHAH PURWANDARI
Date Deposited:	17 Feb 2025 08:32
Last Modified:	17 Feb 2025 08:32
URI:	http://repository.its.ac.id/id/eprint/118762

Actions (login required)

View Item