Proses Produksi Sel Surya Silikon

Proses Produksi Sel Surya Silikon

Rhidiyan Waroko

0806331935

Departemen Teknik Metalurgi dan Material

Fakultas Teknik Universitas Indonesia

Outline

• Pendahuluan

• Mekanisme Kerja• Mekanisme Kerja

• Proses Produksi• Metallurgical Silicon Production

• Poly-crystalline Silicon Production

• Silicon Wafers• Silicon Wafers

• Solar Cells

• Referensi

Pendahuluan

Pemerintah berusaha untuk mencari sumber

energi terbarukan untuk mengganti peran

sumber energi yang tidak terbarukan.sumber energi yang tidak terbarukan.

Matahari memancarkan energi yangMatahari memancarkan energi yang

sangat besar ke bumi (3 × 1024

Estimasi yang ada sekarang bahwa jika 0.1%

permukaan bumi ditutupi solar sel, maka

efisiensi penyerapan energi matahari sekitar

10% dan akan cukup untuk memenuhi

kebutuhan energi (Gratzel, 2003, 2005).sangat besar ke bumi (3 × 10

J/year). Energi sebesar itu dapat

mengatasi masalah kebutuhan energi

saat ini dan masa depan.

Energi matahari sangat besar, memiliki

intensitas 1000 W/m2

Masalahnya, ongkos produksi energi terbarukan ini sangat tinggi, yaitu sekitar $1.20 per

peak Watt.

Pendahuluan

Langkah utama, mengembangkan teknologi untuk meningkatkanLangkah utama, mengembangkan teknologi untuk meningkatkan

efisiensi. Secara teori, efisiensi tertinggi yang dapat dicapai adalah sekitar

30% (Shockley & Queisser, 1961).

Akumulasi kapasitas solar sel di dunia mencapai 2.54 GW pada 2006;

89.9% menggunakan mono atau multi-crystalline silicon wafer

technology, 7.4% menggunakan thin film silicon, and 2.6%

menggunakan direct wafering (Neuhaus & Munzer, 2007).

Material Silikon Memiliki Propertis:

� Disimbolkan dengan Si

Mekanisme Kerja Sel Surya

� Disimbolkan dengan Si

� Memiliki konfigurasi elektron [Ne]3s2 3p2

� Unsur silikon memiliki nomor atom 14

� Berat molekul 28.086

� Radius molekul 117 pm

� Melting point di 1425o C� Melting point di 1425o C

� Boiling point di 3245o C

� Memiliki bilangan oksidasi 2,4 dan -4

�Semikonduktor dibagi 2 yaitu:

a. Semikonduktor Intrinsik


a. Semikonduktor Intrinsik

� Semikonduktor murni yaitu silikon

atau germanium

� Kedua unsur tersebut memilki gab

energy, yaitu 1,1 eV untuk silikon

dan 0,7 eV untuk germanium

� Pada daerah yang ditempati� Pada daerah yang ditempati

elektron, akan menjadi muatan

negatif.

� Kedua muatan itu akan

berkontribusi terjadinya aliran

listrik pada semikonduktor

b. Semikonduktor Ekstrinsik

� Bahan semikonduktor murni tidak dapat


� Bahan semikonduktor murni tidak dapat

menghantarkan arus listrik dengan baik karena

keterbatasan jumlah elektron bebas dan hole-nya.

� Oleh sebab itu, pemodifikasian semikonduktor

diperlukan yaitu dengan menambahkan unsur lain.

Hal ini akan meningkatkan jumlah pembawa arus.

� Jenis semikonduktor ekstrinsik ada 2, yaitu:� Jenis semikonduktor ekstrinsik ada 2, yaitu:

� Tipe N

� Tipe P

Tipe N

�Dengan menambahkan unsur



pentavalen (golongan 5A). Yaitu :

arsenic (As), bismuth (Bi) dan

antimony(Sb).

�Tiap pentavalen berikatan kovalen

dengan 4 atom silikon, sehingga

terdapat 1 elektron pentavalenterdapat 1 elektron pentavalen

yang lepas.

�Elektron tersebut menjadi

pembawa mayoritas.

Tipe P




trivalen (golongan 3A). Yaitu:

boron(b), indium (In) dan gallium

(Ga)

�Tiap trivalen berikatan secara

kovalen dengan 4 atom siliko,

sehingga ada 1 hole yang terbuat.sehingga ada 1 hole yang terbuat.

�Hole tersebut menjadi pembawa

mayoritas

�Daerah pertemuan P dan N, disebut pn junction.

�Elektron pada daerah N akan tertarik ke arah P


�Elektron pada daerah N akan tertarik ke arah Pdan jatuh di hole, sehingga daerah di kiri N akanmenjadi positif dan daerah di kanan P akanmenjadi daerah negatif.


Proses Produksi

Metallurgical Silicon Production

• Produksi silikon dimulai dengan carbothermic reduction dari silicates dengan• Produksi silikon dimulai dengan carbothermic reduction dari silicates dengan

electric arc furnace.

• Pada `proses ini menggunakan energi listrik yang besar untuk memutus ikatan

silicon–oxygen bond pada SiO2 dengan reaksi endothermic dengan carbon.

Lelehan Si-metal akan berada dibawah furnace sedangkan CO2 dan partikel halus

SiO2 akan hilang terbawa flu-gas.

Metallurgical Silicon ProductionPenggunaan bio-reaktor dipilih karena memiliki complex dynamics tetapi relative optimal

untuk input proses yang sedikit.

Bahan baku berupa (SiO2), carbon, dan

woodchips digunakan untuk filler,

dimasukkan dari atas furnace. Electricity

disuplai dari tiga electroda yang

menyediakan energy untuk menghasilkan

temperatur tinggi untuk melelehkan silikon

dan membuat reaksi dengan karbon

membenrtuk COg, SiOg dan Sil.

Tiga tahapan reaksi yang terjadi dalamTiga tahapan reaksi yang terjadi dalam

furnace adalah

2C(s) + SiO(g) = SiC(s) + CO(g) (R1)

Si + SiO2 = 2SiO(g) (R2)

SiC(s) + SiO(g) = 2Si(l) + CO(g) (R3)

Poly-crystalline Silicon Production

• Poly-silicon kebanyakkan diproduksi dengan pyrolysis TCS dengan reactors yang

biasa disebut Bell atau Siemens reactors.

• Highly pure poly-silicon cocok untuk solar cells dan microelectronics dan di• Highly pure poly-silicon cocok untuk solar cells dan microelectronics dan di

produksi dengan dua langkah. Langkah pertama, MG-Si bereaksi dengan HCl to

membentuk variasi chlorosilanes, termasuk tri-chlorosilane (TCS). TCS memiliki

boiling point pada 31.8 ◦ C maka dapat dimurnikan dengan distilasi


• Terjadi dua proses alternatif. Pertama,

MG-Si bereaksi dengan HCl untuk

membentuk chlorosilanes, termasuk tri-membentuk chlorosilanes, termasuk tri-

chlorosilane (TCS). TCS memiliki boiling

point pada 31.8 ◦ C maka dapat

dimurnikan dengan distilasi :

Si + 3HCl → HSiCl3 + H2

• Setealh permurnian dengan distilasi,

silikon murni diproduksi dengan

dekomposisi thermal pada 1150◦ C :

2HSiCl → Si + 2HCl + SiCl2HSiCl3 → Si + 2HCl + SiCl4

• Proses lain yaitu mengubah trichlorosilane

(TCS) menjadi silane dengan

disproportionation. silane

terdekomposisi sebagai berikut:

SiH4 → Si + 2H2


• Pyrolysis process telah

dirancang untuk menampungdirancang untuk menampung

volume produksi poly-silicon

yang tinggi. Reaksi

pemisahan dan kompleks

termasuk simple distillation

telah digunakan untuk

reduce energy.

• Rute alternatif untuk produksi• Rute alternatif untuk produksi

silikon solar sel telah

dilakukan. Misalnya leaching,

pirometalurgi dan kristalisasi

dari slag alumunium.

Silicon Wafers

• Langkah berikutnya, memproduksi thin wafers of siliconyang memiliki propertis ketebalan 200–350 mm danresistivitas 1 W/cm. Teknologi saat ini mampu memotongresistivitas 1 W/cm. Teknologi saat ini mampu memotongsilikon hingga ketebalan 180 mm. Wafer tipismenguntungkan karena kebutuhan material yang semakinsedikit, namun tidak bisa terlalu tipis juga karena silikonsangat brittle dan akan sulit untuk diproses. Kebanyakkanproses wafering yang digunakan adalah dengan melelehkandan re-solidifying silikon murni.

• Proses Czochralski (CZ) memproduksi single crystallinesilicon rods/ingots dengan metode slowly pulling out arotating seed crystal dari wadah lelehan.

Silicon Wafers

• The CZ process membuthkan energi tinggi karenalelehan harus ditahan pada temperatur tinggi, kira-kiraselama dua hari untuk menghasilkan ingot singlelelehan harus ditahan pada temperatur tinggi, kira-kiraselama dua hari untuk menghasilkan ingot singlesilikon.

• Salah satu kekurangan dari CZ and Bridgman processesadalah menggunakan kawat untuk memotong silikon.Kawat yang digunakan memiliki ketabalan yang hampirsama dengan ketebalan wafer silikon yang dihasilkansehingga dapat menghasilkan 50% material hilang.sehingga dapat menghasilkan 50% material hilang.

• Masalah utama untuk menemukan metode produksiwafer lain adalah masalah kemurnian dan efisiensiyang lebih tinggi dibanding dengan CZ process.

Silicon Wafers

The edge-defined film fed growth (EFG) process

•Menggunakan grafit untuk

The string ribbon process

•Menghasilkan multi-

the ribbon growth on substrate (RGS) process

•Silikon ditempatkan di•Menggunakan grafit untukdie sebagai parameter ketebalan sheet silikon

•Dapat mensimulasikanmodel proses secara 3D dengan menghitug efekdari elektromagnetik danthermal.

•Menghasilkan multi-crystalline silicon strips dengan menekan high-temperature resistant wires ke dalam molten silicon

•Seperti EFG, proses string ribbon menggunakansedikti dibandingkanmetode wafer lain.

• Namun, menghasilkanefisiensi solar sel yang rendah, sekitar 14% dari

•Silikon ditempatkan disubstrate yang bergerak, misalkan plat alumina yang dilapisi oleh silikon nitrit.

•Silikon dimasukkan dalamkeadaan serbuk laludilelehkan diatas substrat, atau metode lain dengandilelehkan dulu barudiletakkan diatas substrat.

•Lelehan silikon akandidinginkan secara

efisiensi solar sel yang rendah, sekitar 14% dariproses industri. Dalamlaboratorium mencapai18%.

•Lelehan silikon akandidinginkan secaraperlahan dan membentuksheet sebelum kemudianditempatkan di belt.

•Salah satu keuntungannyayaitu mampu untukmencapai produksi besardengan biaya rendah.

Silicon Wafers

• Metode lain adalah the Pilkington float glass (PFG) process dengan

membuat flat glass.

• Dapat dibagi menjadi beberapa segmen, yaitu:

Langkahpertama,

lelehkan bahanLelehan

dialirkan ke tin Silikon akanmengapung

Silikondidinginkan

sampaiviskositas yang

Anealing secaraperlahan untukmenghilangkan

lelehkan bahanbaku hingga

2200 ◦F.

dialirkan ke tin bath.

mengapungdiatas

viskositas yang cukup untuk di

pulling

menghilangkanstress sisa

Silicon Wafers

• Produksi dari metode tersebut mencapai 600 ton dari silikon flat per hari.

Ketebalan 2 mm dan lebar 3 m.

Solar Cells

• Tahap berikutnya adalah pembuatan solar sel.

Langkah pertama, wafer harus direaksikanLangkah pertama, wafer harus direaksikan

dengan zat kimia untuk meningkatkan

propertis optik dan elektrik. Silikon,

merupakan elemen group 4, di doping

dengan elemen group 3 dan 5 seperti boron,

phospor, untuk menghasilkan positif danphospor, untuk menghasilkan positif dan

negatif junction sebagai media elektron

mengalir.

Solar Cells

• Proses dopping electron untuk meningkatkankonduktivitas bahan semikonduktor.konduktivitas bahan semikonduktor.

• Dopant yang biasa digunakan:

– Tipe N: arsenic (As), bismuth (Bi) dan antimony (Sb)

– Tipe P: boron (B), indium (In) dan gallium (Ga)

• Metode dopping:• Metode dopping:

– Difusi

– Implantasi ionik

Difusi Implantasi ionik

Solar Cells

Memasukkan wafer ke dalam

tungku pembakaran,

kemudian gas doping masuk

melewati permukaan.

Atom doping dimasukkan ke

dalam silikon menggunakan

berkas elektron (electron

beam).

-

Memungkinkan untuk

menempatkan atom pada

kedalaman tertentu.

Lebih rumit Lebih sederhana

Lebih murah Lebih mahal

Solar Cells

Proses photomasking untuk memindahkan pola

pada wafer

Solar Cells

• Deposisi Logam digunakan• Deposisi Logam digunakan

untuk meletakkan sebuah

lapisan logam pada permukaan

wafer (memodifikasi

permukaannya).

• Teknik yang biasa digunakkan• Teknik yang biasa digunakkan

adalah sputtering.

Solar Cells

• Proses Etsa untuk menghilangkan lapisan tertentu pada pola sirkuit yang

ditentukan pada proses photomasking.

• Teknik etsa:

– Etsa basah: menggunakan zat kimia

– Etsa kering atau plasma: menggunakan gas terionisasi

Solar Cells

Pemeriksaan wafer terdiri dari dua tes yang berbeda:

• Uji parametric proses: uji ini dilakukan pada beberapa sampel dan • Uji parametric proses: uji ini dilakukan pada beberapa sampel dan

memeriksa proses pembuatan wafer itu sendiri.

• Uji pemeriksaan wafer: uji ini memverifikasi fungsi dari produk jadi dan

fungsinya.

• Cetakan buruk secara otomatis akan ditandai dengan titik hitam sehingga

dapat dipisahkan dari cetakan yang baik.

Referensi

• S. Ranjan, S. Balaji, Rocco A. Panella, B. Erik

Ydstie.”Review : Silicon solar cell production”.Ydstie.”Review : Silicon solar cell production”.

Computers and Chemical Engineering 35

(2011) 1439– 1453

Proses Produksi Sel Surya Silikon

Documents