LAPISAN TIPIS SiN UNTUK LAPISAN ANTI REFLEKSI DAN PENYEKAT UDARA PADA SEL SURYA

Transkripsi

1 Prosiding Pertemuan llmiah llmu Pengetahuan dun Teknologi Bahan 2002 Serpong, Oktober 2002 ISSN LAPISAN TIPIS SiN UNTUK LAPISAN ANTI REFLEKSI DAN PENYEKAT UDARA PADA SEL SURYA ABSTRAK Trimardji Atmono, Sudjatmoko dad Yunanto Puslitbang Teknologi Maju (P3TM)-BATAN Jl. Babarsari PO Box 1008 Yogyakarta LAPISAN TIPIS SiNUNTUK LAPISAN ANTI REFLEKSI DAN PENYEKAT UDARA PADA SEL SURYA. Telah dilakukan penelitian pembuatan lapisan tipis SiN sebagai lapisan anti refleksi dan penyekat terhadap udara untuk gel surya. Dalam hal ini diperlukan bahan lapisan SiN yang mempunyai transmitansi yang tinggi dan dapat memisahkan medium udara dengan lapisan tipis elektroda transparan ZnOAI. Pembuatan lapisan tipis SiN dilakukan dengan metode RF sputtering, target Si yang ditempatkan pata kathoda ditembaki dengan ion-ion argon. Untuk pembentukan lapisan SiN dialirkan gas nitrogen sehingga terjadi proses reaktif sputtering. Pengukuran prosentase transmitansi dilakukan dengan menggunakan UVVis. Ohm meter digital digunakan untuk mengukur tahanan lapisan tipis ZnOAl, sebelum dan sesudah diberi lapisan tipis SiN Dari basil pengukuran didapat transmitan tertinggi 98 %, peningkatan tahanan lapisan tipis ZnOAI sebesar 48 %, peningkatan tahanan lapisan tipis ZnOAl/SiN 3,4 % pata kandungan unsur Si 4,4 % dan N 2,5 %. Kata kuni : Lapisan tipis SiN, gel surya, metode RF sputtering ABSTRACT SiNTIDN FILM FOR THE ANTIREFLEXION LAYER AND AIR GAP ON THE SOLAR CELL. The researh on the prepairing of SiN-thin films tor applying as the anti reflexion layer as well as for protetion against oxidation of the solar ell has been done. The following behaviours are needed for this appliations, namely high transmittane and the apability to separate the transparent eletrode ZnOAl from medium of air. The preparation of SiN thin films are arried out by using RF- Sputtering method, target S was plaed at the athod and bombarded by Argon ions. To form the SiN layer, the Nitrogen gas was flowed to the sputter hamber, so that the reative sputtering is ourred. The measurement of the transmittane was done with the UVVis. The digital ohm-meter was used to measure the resistane of thin film ZnOAI, betore and after the sputtering of "wearing" of SiN layer. The results showed the highest transmittane of 98%. The raising of the resistane was 48%, whih ourred at the 4.4% and 2.5% ontent of Si and N, respetively. Key words: SiN thin film, solar ell, RF sputtering method PENDAHULUAN Pada tahun terakhir banyak dilakukan penelitian lapisan tipis untuk pembuatan sel surya. Sampai saat ini baru dapat dibuat sel surya yang mempunyai efisiensi masih relatif rendah. Salah satu penyebab masih rendahnya efisiensi sel surya adalah karena elektroda yang digunakan masih beropa parol (grating) yang hampir menutup sebagian permukaan bahan sernikonduktor (biasanya dati bahan silikon). Dengan dernikian sinar yang masuk tidak selurohnya diubah menjadi daya listrik, sehingga dapat meningkatkan arus padasel surya[i,2]. Lapisan tipis sel surra menggunakan susunan SiN/ZnOAI/(a-Si:H)B/a-Si/(a-Si:H)P/ Ag. Pada lapisan tipis sel surra lapisan tipis SiN berfungsi untuk penyekat terhadap udara antara udara dan ZnOAl serta berfungsi juga sebagai lapisan anti refleksi[2,3]. Lapisan tipis yang mempunyai sifat anti refleksi salah satunya adalah lapisan tipis SiN (silikon nitride). Lapisan tipis ini adalah lapisan tipis SiN. yang berasal dari senyawa an tara unsur Si dan N. Senyawa ini bernpa bahan keramik yang merupakan paduan antara semikonduktor dan unsur bukan semikonduktor maupun logam. Senyawa ini mempunyai ikatan ionik atau ikatan kovalen, sehingga sifatnya berbeda dengan semikonduktor. Biasanya bersifat isolator, belling tembus ahaya (transmitannya tinggi) dan stabil pada suhu yang tinggi. Ketahanan terhadap suhu tinggi ini disebabkan karena mempunyai ikatan ionik. Bahan keramik biasanya mempunyai strnktur kristalin, akan tetapi berlainan dengan logam. Strnktur keramik adalah sedemikian sehingga tidak benyak elektron bebasnya seperti pada umumnya sifat logam penghantar. Elektron tersebut dibagi dengan atom yang berdekatan dalam ikatan kovalen atau berpindah dari atom yang satu ke atom yang lain membentuk ikatan ion, atom terionisir danbermuatan [5]. ZnO adalah bahan semikonduktor ripe N, dalam struktur kristal ZnO terkandung atom-atom Zn dan 0 142

2 Lapisan Tipis SiN Untuk Lapisan Anti Refleksi dan Penyekat Udara Pada Sel Surya (Trimardji Atmono) yang tidak seimbang. Ketidak seimbangan akan menimbulkan konduktivitas pata ZnO. Kelebihan atom Zn (dibanding 0) dalam kristal ZnO, dimana atom Zn berfungsi sebagai donor, mengakibatkan ZnO akan bersifat sebagai konduktor.selain itu ZnO mempunyai sifat transmitan pata daerah ahaya tampak sekitar 90 %. Dengan demikian ZnO dapat digunakan sebagai TCO (Transparent Conduting Oxide) yaitu sebagai elektroda yang tembus ahaya. Tetapi ZnO-layer mempunyai kekurangan hila digunakan untuk elektroda transparan, yaitu bahwa lapisan tipis ZnO sebagai elektroda transfaran akan bereaksi dengan udara, sehingga akan menyebabkan penurunan konduktivitas ZnO, sebanding dengan lamanya waktu reaksi dengan udara (suatuketika akan terjadi kejenuhan). Hal ill akan menyebabkan sifatjatuh tegangan pata elektroda yang akhimya mengakibatkan penurunan efisiensi sel surya[2]. Untuk meningkatkan efisiensi sel surya salah satu penelitian yang dikembangkan dengan ara pemberian lapisan tipis anti retleksi yang sekaligus untuk penyekat antara lapisan tipis TCO dan dengan udara. Dengan menggunakan lapisan anti retleksi maka hampir semua sinar datang akan masuk mengenai sambungan P-N, sehingga akan menghasilkan daya yang maksimum. Untuk mendapatkan senyawa SiN atau membuat lapisan tipis SiN dilakukan dengan menampur unsur Si dan N, dimana akan terjadi senyawa SiN yang mempunyai struktur kristal yang berbeda dengan struktur kristal Si. Lapisan tipis SiN dapat dibuat dengan berbagai maam metode antara lain: teknik evaporasi, teknik CVD dan teknik sputtering. Dalam makalah ini disajikan basil penelitian tentang pembuatan lapisan tipis SiN dengan teknik sputtering. Sebagai substrat dipilih kaa yang mempunyai transmitan yang tinggi, sedangkan untuk preparasi lapisan tipis SiN dipilih target Si dengan diameter 75 mm dan gas reaktif N dengan sputter gas Argon. Selain itujuga dibahas bagaimana pengaruh ampuran unsur Si dengan N, daya RF dan jarak elektroda transmitansi, kekuatan penyekat antara TCO dengan udara dan komposisi unsur basil sputtering [5]. Tujuan dati penelitian ini adalah menyelidiki pengaruh paduan unsur, daya RF dan jarak elektroda terhadap transmitan lapisan tipis SiN dan kekuatan penyekat antara TCO dengan udara serta pengamatan komposisi unsur basil sputtering. Dengan melakukan variasi ampuran gas N, daya RF dan jarak elektroda diperoleh lapisan tipis yang mempunyai prosentase transmitansi yang tinggi dan dapat membatasi antara lapisan tipis ZnOAI dengan udara. Selanjutnya diharnpkan basil penelitian ill dapat dikembangkan untuk mendapatkan bahan lapisan tipis SiN sebagai lapisan anti refleksi dan penyekat antara TCO dengan udara yang akan meneruskan ahaya tanpa dipantulkan dan akan menurunkan konduktivitas lapisan TCO. TATA KERJA Untuk mendapatkan lapisan tipis SiN yang baik yang mempunyai sifat anti refleksi maka dalam penelitian dengan metode RF sputtering dilakukan variasi komposisi unsur Si dan N, daya RF antara 155 watt 175 watt dan jarak elektroda dati 1 m sampai 3 m. Sebagai sputter gas adalah Argon dengan kemurnian 99,9%, sedangkan sebagai gas reaktifadalah Nitrogen. Tekanan gas dan waktu deposisi dibuat tetap yaitu masing-rnasing 8,5 x 10-2 torr dan 20 menit. Untuk membuat lapisan tipis ZnOAl substrat kaa dipotong dengan ukuran 1 m x 1 m, ditempatkan pata anodal ground. Target ZnO dan Al ditempatkan pata katoda dan substrat kaa pata anoda. Sedangkan untuk membuat lapisan tipis SiN target Si dipasang pata katoda, untuk menghasilkan lapisan tipis SiN dialirkan gas N yang seara simultan diionkan dengan teganganrf. Untuk mengamati sifat refleksi, dilakukan pengukuran transmitansinya dengan menggunakan UV -Vis. Alat ini pada dasamya terdiri dari somber ahaya, monokromator, temp at uplikan, detektor ahaya, penguat tegangan dan penampil. Sumber ahaya terdiri dati lampu luutan hidrogen, panjang gelombang 150 nm sampai dengan 350 nm dan lampu wolfram, panjang gelombang 350 nm sampai om. Alat yang digunakan dapat divariasi panjang gelombangnya dati 190 nm sampai dengan 950 om. Cahaya dilewatkan pata monokromator, sehingga akan keluar ahaya dengan panjang gelombang tunggal. Monokrornator ini diputar seara perlahan sehingga akan menghasilkan ahaya yang berubah panjang gelombangnya seara perlahanlahan dan ditangkap oleh detektor rota elektrik. Keluaran dati detektor ini diperkuat dengan amplifier dad hubungan antara panjang gelombang dan transmitansi dati uplikan ditampilkan oleh komputer. Komposisi dari target pata umumnya tidak sarna dengan lapisan tipis yang dihasilkan karena proses sputtering yang kompleks dan melibatkan banyak parameter. Unsur yang terdeposisi pata substrat dianalisis dengan metode APNC. Dalam pengamatan ini atom yang terdeposisi pata substrat diiradiasi dengan neutron epat 14 MeV dati generator neutron dengan waktu tertentu Selama irradiasi neutron, sub.\"trat mengalami aktivitas peningkatan nomor massa inti atom, sehingga substrat bersifat radioaktif. Setelah berakhimya proses aktivasi, substrat yang telah bersifat radioaktif akan mengalami peluruhan dengan memanarkan sinar gamma. Tenaga sinar gamma yang dipanarkan menunjukkan nomor massa unsur substrat. Sinar gamma ini dianalisis menggunakan spektrometer garmna. BASIL DAN PEMBAHASAN Pada Garnbar 1 disajikan prosentase transrnitansi 143

3 "" -I.)'" Prosiding Pertemuan llmiah lbnu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002 Serpong, Oktober 2002 ISSN sebagai fungsi ampuran gas N. Semakin banyak ampuran gas N transmitansi lapisan tipis SiN semakin tinggi, hat ini disebabkan karena silikon merupakan zat padat yang mempunyai sifat memantulkan ahaya. Dengan bertambahnya ampuran gas N (pertambahan flow-rate) maka mean free path dati ion-ion AT dalam perjalanannya menuju target Si akan berkurang, sehingga akan mengasilkan sputter rate Si yang lebih keil. Oleh karenanya sebagian besar dati lapisan tipis SiN yang terbentuk di alas substrat terditi dari unsur N, sedangkan unsur Si semakin berkurang yang pada akhirnya efek pemantulan ahaya akan makin menurun. Penurunan efek pemantulan dati unsur Si akan semakin menaikkan transmitansi lapisan tipis SiN. Peningkatan prosentase transmitansi ini disatu pihak akan menghilangkan efek pantulan tetapi dilain pihak menurunkan daya sekat yaitu memisahkan an tara medium udara dengan lapisan yang dilindungi akan berkurang. l s "E Ii) Seres 1 Pada Gambar 2 disajikan grafik transmitansi sebagai fungsi dati daya RF (pada grafik untuk kaa tanpa lapisan tipis pada titik 0). Semakin besar daya RF maka kerapatan ion plasma akan semakin tinggi [6]. Dengan demikian.sputter-rate akan meningkat. Dengan waktu deposisi dad jarak elektroda tetap, maka basil sputtering akan semakin naik yang akhimya menambah ketebalan lapisan tipis SiN. Dengan bertamhnya ketebalan lapisan tipis SiN tersebut maka prosentase transmitannya akan menurun. Penurunan ini terutama disebabkan karena dengan bertambahnya ketebalan lapisan tipis maka refleksi dari unsur Si akan meningkat. l : '" EIn : Suatu logam mempunyai sifat memantulkan (refelektivitas) yang tergantung pata respon frekuensi jenis logamnya dan juga tergantung pata kekasaran permukaan [2,3]. Cahaya yang mengenai permukaan suatu logam akan direfleksikanjika kedalaman rata-rata dan ketidak teraturan permukaan reflektor jauh lebih keil dati pata panjang gelombang ahaya yang datang Transmitansi dari lapisan tipis SiN menurun tetapi daya sekat antara udara dengan lapisan tipis yang dilindungi yaitu ZnOAl akan semakin baik. o E(/) o "" jarak elektroda (m) Gambar 3. Prosentase transmitan sebagai fungsi jarak elektroda Pada Gambar 3 disajikan grafik hubungan antara prosentase transmitansi dengan jarak elektroda (pada grafik kaa tanpa lapisan tipis pada titik 0). Semakin dekat elektroda maka medan listrik yang dihasilkan oleh perbedaan tegangan katoda-anoda akan semakin meningkat. Peningkatan medan listrik ini akan memperbesar tenaga ion-ion Argon yang menembaki target Si. Dengan waktu deposisi, tekanan gas dan tegangan yang sarna maka akan meningkatkan derajat ionisasi dari plasma, kerapatan plasma bertambah, jumlah ion yang menembaki target akan meningkat. Peningkatan ini akan menambah ketebalan lapisan tipis SiN. Peningkatan ketebalan ini menyebabkan unsur yang memantulkan ahaya semakin banyak, sehingga prosentase transmitansinya akan menumn. Untuk jarak yang terlalu dekat maka terjadi kejenuhan, menumnkan mean-tree-path, sehingga perikan yang dihasilkan bahkan tidak bertambah (konstan). Pada akhirnya ketebalan lapisan tipis yang terbentuk juga konstan, demikian juga transmitansinya. Pada Gambar 4 disajikan grafik peningkatan tahanan ZnOAl tanpa lapisan tipis dan dengan lapisan tipis SiN sebagai fungsi waktu. Untuk lapisan tipis ZnOAl tanpa lapisan tipis pelindung SiN tahanannya semakin lama akan semakin meningkat dengan waktu. Peningkatan ini disebabkan karena pengamh oksigen yang mengenai permukaan lapisan tipis kemudian menyisip diantara atom Zn dan O. Peningkatan tahanan ini akan menapai kejenuhan karena susunan atom ZnO yang sudah penuh (bahan ZnO mempunyai sifat non stoikiometri), sehingga unsur oksigen tidak dapat lagi menyisip pada susunan atom ZnO. Untuk lapisan tipis

4 ---4.,-/ Lapisan Tipis SiN Untuk Lapisan Anti Rejleksi dan Penyekat Udara Pada Sel Surya (Trimardji Atmono) ZnO yang dideposisi dengan lapisan tipis SiN yang mempunyai transmitan keil (prosentase yang besar dati unsur Si), tahanan ZnO terlihat stabil. Hal ini disebabkan karena udara di sekitar lapisan tipis tidak mampu menembus lapisan tipis SiN dengan ketebalan yang optimal, sehingga SiN-layer mampu memisahkan antara udara dengan lapisan tipis ZnOAl. Tetapi untuk lapisan tipis SiN yang mengandung unsur N yang berlebihan (prosentase Si keil), maka udara yang mengandung oksigen masih mampu menembus lapisan tipis SiN. Dengan demikian sebagian unsur 0 dapat menembus dad menyisip pada susunan atom ZoO. Hal ini menyebabkan tahanan lapisan tipis ZnOAl akan naik dati nilai semula olun menjadi olun. Lapisan tipis SiN yang demikian ini mempunyai transmitan yang ukup tinggi, meskipun tidak bersifat sebagai penyekat yang optimal. mengandung un sur Si. Pada Gambar 5. disajikan spektrum tenaga dari Si pada substrat kaa (tanpa lapisan tipis) yaitu pada 1.763,02 key; prosentase unsur Si menapai 61 %. Untuk mengetahui prosentase lapisan tipis SiN yang terdeposisi pada substrat dibuat substrat standar dati bahan mumi dati Si. kemudian diamati aahnya. UnsurSi terletakpadatenaga 1.753,54keV dannpada 523,94 ke V Dengan membandingkan aah dari bahan standar dad lapisan tipis SiN maka dapat diketahui prosentasekandungan Si 4,4 %dann. 2,5% Spektmm dari lapisan tipis SiN disajikan pada Gambar 6. 1b1 1..S,,, *. n I.,.JAZ tji :I.,... Z,,. 1\ :ii C"tl. r TIii. ; J " ;:'::'.." J :::.. Ẹ r:... II! C II!.r:. "" / / ro :t"-'."., /C.l, I :::' ::'..:' ::.:::'.,..;' t....,,.,,.,..,....1 ;:T':i Tenaga (kev) Gamba,. 6. Spektrum dati tenaga pada unsur SiN pada.tubstrat kaa 350 KESIMPULAN Lapisan tipis SiN yang tepat untuk aplikasi ini adalah thin films yang mempunyai prosentase transmitansi tinggi tetapi mempunyai daya sekat yang baik. Untuk mendapatkan lapisan tipis yang demikian, sangat bergantung dari senyawa ampuran unsur N dad Si. Untuk mengetahui unsuryang terdeposisi pada substrat kaa maka lapisan tipis yang yang terdeposisi pada substrat kaa diamati dengan APNC.(Analisa Pengatipan Netron Cepat) Pengamatan dilakukan sebelum dad sesudah substrat kaa dideposisi dengan lapisan tipis, karena sebagian besar substrat kaa 3,,...nrRS/,.,1! 1:'0'" 2i1 I.&"j 2i1..: 1X. tzl CI.Ol $"..(" II) I : {.., r 1O1A:.; 'I.:. :.. 1;01,31 j:;',,; '' j ii;,;;',:', ":",,,,;;;,..., g.s.., """'""",:S''J'.,Z'" " "".!." '( '..,'.;, '.- """'",.,", "».":r,'-' ",." '., "'. "'".;;,,;-,,, " l_';;;t;{,'i U- Tenaga (kev) Gambar 5, Spektrum dati tenaga unsur Si pada substrat kaa tanpa lapisan tipis i Melalui proses sputtering menggunakan target Si, sputter gas Argon serta aliran gas nitrogen, telah terbentuk lapisan tipis SiN dengan proses reaktiv, yang berfungsi sebagai lapisan anti refleksi dan penyekat terhadap udara dari sel surra ZnOAl. SiN-layer yang optimal pada substrat adalah dati lapisan dengan kandungan Si dad N masing-masing sebesar 4,4 % dad 2,5 %.berat atom. Dengan naiknyakandungan unsur N, tampaknya transmitan semakin tinggi tetapi kemampuan daya sekatnya enderung menurun. Peningkatan daya RF akan menurunkan transmitan lapisan tipis dari 98 % menjadi 94 %, pertambahan jarak elektroda akan menurunkan transmitansi. Tahanan lapisan tipis ZnOAl mengalami peningkatan tahanan sebsar 48 % sedangkan ZnOAl/SiN hanya mengalami peningkatan tahanan sebesaro,6 % dari ohmmenjadi ohm. UCAPAN TERIMA KASm Penulis menguapkan terima kasih kepada Sdr. Giri Slamet yang telah membuat lapisan tipis SiN, Sdri. IT Elin Nuraini dan Sunardi SE unt1jk pengukuran APNC, serta Sdri. Endang Nawangsih AMd yang telah mengukur transmitansi. 145

5 [4]. Prosiding Pertemuan l1miah Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2002 Serpong, Oktober 2002 ISSN DAFTARPUSTAKA rl1. [2]. [3]. [5], [6J TADATSUGU MINAMI, HIDEO SONOHARA, SHINZO TAKATA, ICHIRO FUKUDA,Low temperature fomiation of textured ZnO transparent eletrodes by magnetron sputtering, J. Va. Si. Tehnol, A 13(3), (1995) H. OECHSNER Sputtering a review of some reent experimental and theoretial aspet, Appl Phys, 8 (185), (2000) K. TAKA HASffi, M. KONAGAL4morphou.s Silion Solar Cells, North Oxford Aademi, (1999). J MORT, F JONSON, Plasma Deposited Thin Film, CRC Press In. Florida, (1985). LAWRENCE H., VAN VALACK, Ilmu dan Teknologi Bahan, Penerbit Erlangga, Jakarta, (1991). V DAUDRIX, C DROZ, N WYRSC, Y ZIEGLER, X NIQUILE, A SHAH, De\'olepment of more.stable amorphous silion thin.li 1m solar ells deposisted moderately high temperatue, Institute de Mirotehnique, Universite de Neuhatel, (2000). 146