Hamdani, Dadan (2021) Pemodelan Dan Simulasi Kinerja Sel Surya Struktur P-I-N Berbasis A-Si:H. Doctoral thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya.
![[thumbnail of Disertasi-Dadan H-S3 Fisika 2022.pdf]](http://repository.its.ac.id/style/images/fileicons/text.png) |
Text
Disertasi-Dadan H-S3 Fisika 2022.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 1 April 2024. Download (5MB) |
|
Text
Disertasi-Dadan H-S3 Fisika 2022.pdf Restricted to Registered users only Download (5MB) |
Abstract
Pembahasan utama dalam disertasi ini adalah melakukan validasi, kalibrasi parameter, dan optimasi sel surya melalui pendekatan model dan simulasi dalam menjelaskan beberapa perilaku yang tidak dijelaskan secara langsung dari eksperimen pada arsitektur sel surya yang berbeda, dan untuk memberikan temuan yang berguna untuk penelitian eksperimental melalui pemodelan numerik dengan menggunakan perangkat lunak AFORS-HET 1D. Simulasi numerik dalam memodelkan sel surya merupakan solusi yang digunakan untuk menganalisis struktur sel surya terbaik untuk memecahkan masalah yang terkait dengan kompleksitas analisis. Penggunaan simulasi numerik dalam penelitian sel surya untuk membantu menguji validitas struktur fisik yang diusulkan, kinerja sel surya, dan pemodelan penyesuaian output dari hasil eksperimen.
Sel surya film tipis (TF-Si) silikon amorf terhidrogenasi (a-Si:H) telah memainkan peran penting selama beberapa dekade ini sebagai lapisan penyerap intrinsik dengan lapisan yang didoping untuk menghasilkan sel surya struktur p-i-n sambungan-sejenis (homojunction) dan sambungan-berbeda (heterojunction). Validasi numerik, kalibrasi parameter, dan optimasi dilakukan pada struktur sel surya yang diperoleh dari eksperimen untuk: (i) sel surya struktur sambungan-sejenis: ITO/(p)a-Si:H/(i)a-Si:H/(n)a-Si:H/metal (Sint) and ITO/(p)a-Si:H/(i1-i2)a-Si:H/(n)a-Si:H/metal (Dint), dan (ii) struktur sambungan-berbeda: ITO/(p-p’)nc-Si:H/(i)a/Si:H/(n)a-Si:H/metal (p-i-n and p-p’-i-n), ITO/(p)a-SiOx:H/(i1-i2)a-Si:H/(n)µc-Si:H/metal, ITO/(p+/i)a-Si:H/(n)c-Si/metal. Parameter yang mempengaruhi kinerja sel dipelajari dan dianalisis, seperti fungsi kerja oksida konduktor transparan (WFTCO), konsentrasi doping (NA dan ND) lapisan -p dan -n, celah pita energi lapisan absorber, dan ketebalan lapisan -p dan -i. Selanjutnya, diagram pita energi, karakteristik rapat arus-tegangan (J-V) dalam kondisi gelap dan terang, kerapatan lubang yang terperangkap, distribusi built-in medan listrik, laju rekombinasi total, dan efisiensi kuantum dihitung dan dianalisis lebih mendalam untuk memahami pengaruhnya terhadap kinerja sel surya. Untuk struktur sambungan-sejenis disimulasikan pengaruh fungsi kerja kontak depan WFITO dan celah pita energi lapisan absorber terhadap kinerja dua struktur sel surya, yaitu struktur Sint dan struktur Dint yang difabrikasi menggunakan metode RF-PECVD. Simulasi dilakukan dengan nilai WFITO berkisar dari 4,9 hingga 5,7 eV, untuk menentukan WFITO optimal pada sel surya dengan efisiensi tinggi, dikonfirmasi dengan karakteristik J-V dalam kondisi gelap, diagram pita dalam kesetimbangan termodinamika, distribusi medan listrik bawaan, kerapatan hole terperangkap, serta efisiensi kuantum. Hasil simulasi menunjukkan bahwa parameter eksternal pada struktur Dint lebih tinggi dibandingkan dengan struktur Sint. Selanjutnya, celah pita lapisan absorber (i1 dan i2) dioptimalkan dalam upaya meningkatkan kinerja sel surya Dint. Berdasarkan hasil, struktur Dint memiliki efisiensi maksimum 10,76% (VOC = 969,8 mV, JSC = 16,03 mA/cm2, dan FF = 0,70) pada saat WFITO, celah pita lapisan i1, dan celah pita lapisan i2 masing-masing sebesar 5,7 eV, 1,82 eV, dan 1,86 eV.
Untuk menentukan simulasi sel surya film tipis a-Si:H tipe p-i-n dengan mengganti lapisan p-window dan menambah lapisan penyangga dari silikon nanokristalin terhidrogenasi (nc-Si:H) dengan celah pita energi lebar, maka diusulkan struktur p-i-n (tanpa buffer) dan p-p'-in (dengan buffer). Keberadaan lapisan buffer mempersempit band offset pada p/i sambungan-berbeda, meningkatkan medan listrik, meminimalkan kerapatan hole yang terperangkap, dan mengurangi tingkat rekombinasi total pada antarmuka p/i, serta meningkatkan respons sel pada daerah panjang gelombang pendek. Peningkatan sifat listrik dan optik sel surya sambungan-berbeda p-p’-i-n, konsentrasi dopan untuk jendela-p dan lapisan-n, celah pita lapisan-i, dan ketebalan lapisan-i dioptimalkan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa efisiensi maksimum (Eff) sel surya struktur p-p’-i-n sebesar 9,31% (VOC = 960,6 mV, JSC = 13,04 mA/cm2, FF = 74,15%) diperoleh ketika nilai NA, ND, celah pita lapisan dan ketebalan lapisan absorber masing-masing 1,0 x 1018 cm-3, 1,0 x 1019 cm-3, 1,80 eV, dan 550 nm. Selanjutnya, pengaruh konsentrasi doping lapisan-p terhadap ketinggian penghalang pada antar-muka kontak depan ITO/a-SiOx:H disimulasi dan dianalisis dengan diagram pita, distribusi medan listrik, karakteristik J-V dalam keadaan gelap dan terang, dan efisiensi kuantum eksternal dengan struktur yang diusulkan, yaitu sel surya sambungan-berbeda struktur ITO/a-SiOx:H(p)/a-Si:H(i1)/a-Si:H(i2)/µc-Si:H(n)/Ag. Hasil simulasi menunjukkan bahwa untuk memperoleh kinerja yang lebih baik, maka nilai konsentrasi doping optimum lapisan -p dan -n masing-masing pada 1,0 x 1018 cm-3 dan 1,0 x 1019 cm-3 dengan efisiensi maksimum 8,52% (JSC = 12,70 mA/cm2, VOC = 887,6 mV, FF = 75.6%). Sel surya HIT struktur p-i-n ((p+/i)a-Si:H/(n)c-Si) dipelajari. Pengaruh WFITO dan densitas cacat ikatan gantung (Ntr) dalam lapisan (p+)a-Si:H yang dioperasikan pada doping moderat dan tinggi terhadap diagram pita energi, profil pembawa dan karakteristik J–V dalam gelap dan dipelajari melalui pendekatan numerik. Ditemukan bahwa ketika fungsi kerja TCO tidak cukup tinggi untuk memastikan kontak ohmik yang baik dengan tipe-p yang didoping berat a-Si:H(p+), maka terjadi degradasi VOC disebabkan oleh penyearah penghalang Schottky pada antar muka TCO/(p+)a-Si:H.
Akhirnya, Pengaruh WFTCO, Dit, dan Ntr pada sel surya HIT (TCO/(p)a-Si:H/(i)a-Si:H/(n)c-Si/(i)a-Si:H/(n)a-Si:H/Al) dan struktur H-H (TCO/(p)a-Si:H/(p)c-Si/(n)c-Si/(i)a-Si:H/(n)a-Si:H/Al) dibandingkan dengan bantuan perangkat AFORS-HET. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa secara simulasi sel surya H-H memiliki toleransi terhadap perubahan WFTCO dan Dit dibandingkan dengan sel surya HIT yang diyakini terjadi akibat adanya efek medan pasivasi (field-effect passivation) pada sambungan-sejenis akibat kuatnya medan listrik yang memungkinkan sedikit elektron yang dapat mencapai antar-muka hetero a-Si:H/c-Si dan daerah (p)a-Si:H. pada saat WFTCO = 5.3 eV, Dit = 1.0 x 1010 cm-2, dan Ntr = 5.0 x 1018 cm-3/eV, efisiensi sel surya HIT sekitar 22.95% (VOC = 741.4 mV, JSC = 39.07 mA/cm2, FF = 79.25%) lebih kecil dibandingkan sel surya H-H sekitar 24.28% (VOC = 751.3 mV, JSC = 39.47 mA/cm2, FF = 81.89%)
=====================================================================================================
The main discussion in this dissertation is to carried out validation, parameter
calibration, and optimization of solar cells through modeling and simulation
approaches in explaining some behaviors that are not directly explained from
experiments on different solar cell architectures, and to provide useful findings for
experimental research through modeling by using well-practiced AFORS-HET 1D
software. Numerical simulation in modeling solar cells is a solution that is used to
analyze the structure of the best solar cells to solve problems related to the
complexity of the analysis. The use of numerical simulations in solar cell research
to help test the validity of the proposed physical structure, solar cell’s performance,
and modeling the output adjustment of the experimental results.
Thin-film (TF-Si) hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) solar cells has
played a crucial role therein—for decades already as intrinsic absorber layers with
doped layers to build homojunction and heterojunction solar cells p-i-n structures.
Numerical validation, parameter calibration, and sensitivity studies were carried out
on the solar cell structures obtained from experiments for (i) structural
homojunction solar cells ITO/(p)a-Si:H/(i)a-Si:H/(n)a-Si:H/metal (Sint) and
ITO/(p)a-Si:H/(i1-i2)a-Si:H/(n)a-Si:H/metal (Dint) and (ii) heterojunction: ITO/(pp’)
nc-Si:H/(i)a/Si:H/(n)a-Si:H/metal (p-i-n and p-p’-i-n), ITO/(p)a-SiOx:H/(i1-i2)a-
Si:H/(n)μc-Si:H/metal, and ITO/(p+/i)a-Si:H/(n)c-Si/metal. Various parameters that
influence cell performance have been studied, such as work function of transparent
conducting oxide (WFTCO), dopant concentration (NA and ND) of the -p and -n layers,
band gap of absorber layers, and thickness of the -p and -i layers. For this latter, the
energy band diagram, current–voltage characteristics J(V) under dark and light, the
trapped hole density, the distribution of built-in electric field, the total recombination
rate, and the quantum efficiency are calculated and analyzed in depth to understand
the effect to solar cells performances. For homojunction structures, the front work
function WFITO and absorber layer bandgap’s influences on two solar cells structure
performances, namely Sint structure and Dint structure, fabricated using RF-PECVD
method were simulated. Based on these simulations, the WFITO’s value ought to
range from 4.9 to 5.7 eV, in order to determine the optimum WFITO for high solar
cell efficiency, confirmed with the J-V dark characteristic, the band diagram in
thermodynamics equilibrium, build-in electric field distribution, trapped holes
Nama Mahasiswa : Dadan Hamdani
NRP : 01111660010010
Promotor : Prof. Dr. Darminto
Dr. Yoyok Cahyono, M.Si.
Dr. Gatut Yudoyono, MT.
x
density, as well as the quantum efficiency. The simulation results showed the Dint
structure’s external parameters are higher, compared to the Sint structure.
Furthermore, the absorber (i1 and i2) layers bandgap optimized in an effort to
improve the Dint solar cell’s performance. According to the results, the Dint structure
had a 10.76% maximum efficiency (VOC = 969.8 mV, JSC = 16.03 mA/cm2, and FF =
0.70), using WFITO, i1 layer bandgap, and i2 layer bandgap of 5.7 eV, 1.82 eV, and
1.86 eV, respectively.
The simulation of p-i-n type a-Si:H thin film solar cells by adding the p-window
and the buffer layer comprising a wide band gap hydrogenated nanocrystalline
silicon (nc-Si:H), Then the proposed structures to be investigated are p-i-n (without
buffer) and p-p’-i-n (with buffer), whereas the existence of a buffer layer narrows
the band offset at the p/i heterojunction, elevates the electric field, minimizes the
trapped hole densities, and mitigates the total recombination rate at the p/i interface,
while increasing the cell response in the short wavelength region. In an effort to
improve the electrical and the optical properties of p-p’-i-n heterojunction solar cell,
the dopant concentration for the p-window and n-layers, the i-layer bandgap, and
the i-layer thickness were optimized. The result showed that the maximum efficiency
(Eff) of p-p’ -i-n solar cell of 9.31% (VOC = 960.6 mV, JSC = 13.04 mA/cm2, FF =
74.15%) were obtained when values of NA, ND, absorber layer bandgap and
absorber layer thickness parameters: 1.0 x 1018 cm-3, 1.0 x 1019 cm-3, 1.80 eV, and
550 nm, respectively. Furthermore, various dopant concentrations of the p-type
effect to the front contact barrier height of ITO/a-SiOx:H interface were examined
with simulated and analyzed band diagram, electric field distribution, dark and light
J-V characteristics, and external quantum efficiency, for the other proposed
structure, i.e, ITO/a-SiOx:H(p)/a-Si:H(i1)/a-Si:H(i2)/μc-Si:H(n)/Ag heterojunction
solar cell. The simulation results explained that for better performances, the values
of the dopant concentration for p and n-types at 1.0 x 1018 cm-3 and 1.0 x 1019 cm-3,
respectively, should be optimized with maximum efficiency of 8.52% (JSC = 12.70
mA/cm2, VOC = 887.6 mV, FF = 75.6). The heterojunction solar cells HIT p-i-n
structure ((p+/i)a-Si:H/(n)c-Si) were investigated. The influence of the WFITO and
dangling-bond defect density (Ntr) within (p+)a-Si:H layer which operated under
moderate and heavy doped on the band diagrams, carrier profiles and J–V
characteristics in the dark and under illumination is studied by numerical approach.
It found that when the TCO work function is not high enough to ensure a good ohmic
contact with p-type heavily doped a-Si:H(p+) the VOC degradation is due to the
rectifying Schottky barrier at the TCO/a-Si:H(p+) interface.
Finally, the effects of the WFTCO, Dit, Ntr within the p-a-Si:H layer and the Na
of the p-a-Si:H layer on the performances of the H-H and HIT solar cells were
thoroughly compared using AFORS-HET software. With WFTCO = 5.3 eV, Dit = 1.0
x 1010 cm-2, and Ntr = 5.0 x 1018 cm-3/eV, the efficiency of HIT solar cell about 22.95%
(VOC = 741.4 mV, JSC = 39.07 mA/cm2, FF = 79.25%) smaller than the H-H solar
cell about 24.28% (VOC = 751.3 mV, JSC = 39.47 mA/cm2, FF = 81.89%)
| Item Type: | Thesis (Doctoral) |
|---|---|
| Uncontrolled Keywords: | AFORS-HET, WFITO, Efisiensi sel surya, optimasi, struktur p-i-n. |
| Subjects: | Q Science T Technology > TJ Mechanical engineering and machinery > TJ810.5 Solar energy T Technology > TK Electrical engineering. Electronics Nuclear engineering > TK1056 Solar power plants. Ocean thermal power plants T Technology > TK Electrical engineering. Electronics Nuclear engineering > TK2960 Dye-sensitized solar cells. Solar batteries. Solar cells |
| Divisions: | Faculty of Science and Data Analytics (SCIENTICS) > Physics > 45001-(S3) PhD Thesis |
| Depositing User: | Dadan Hamdani |
| Date Deposited: | 17 Feb 2022 09:26 |
| Last Modified: | 17 Feb 2022 09:26 |
| URI: | http://repository.its.ac.id/id/eprint/94478 |
Actions (login required)
 |
View Item |