Jurnal Sains Materi Indonesia. PENUMBUHAN DAN KARAKTERISASI FILM TIPIS ZnO YANG DIDEPOSISI DENGAN TEKNIK SPIN COATING DI ATAS SUBSTRAT SILIKON

Transkripsi

1 Penumbuhan dan Karakteriai Film Tipi ZnO yang Didepoii dengan Teknik Spin Coating di Ata Subtrat Silikon Homepage: Jurnal Sain Materi Indoneia Akreditai LIPI No.: 395/D/2012 Tanggal 24 April 2012 ISSN: PENUMBUHAN DAN KARAKTERISASI FILM TIPIS ZnO YANG DIDEPOSISI DENGAN TEKNIK SPIN COATING DI ATAS SUBSTRAT SILIKON Andi Suhandi dan Yuyu R. Tayubi Program Studi Fiika FPMIPA, Univerita Pendidikan Indoneia Jl. Dr. Setiabudhi 229, Bandung Diterima: 15 Nopember 2013 Diperbaiki: 20 Januari 2014 Dietujui: 21 Pebruari 2014 ABSTRAK PENUMBUHAN DAN KARAKTERISASI FILM TIPIS ZnO YANG DIDEPOSISI DENGAN TEKNIK SPIN COATING DI ATAS SUBSTRAT SILIKON. Telah dilakukan depoii film tipi ZnO di ata ubtrat Si (001) dengan teknik pin coating, ebagai kandidat lapian anti refleki el urya ilikon. Zinc acetate dehydrate, 2-methoxyethanol dan monoethanolamine berturut-turut digunakan ebagai material daar, pelarut dan pentabil. Kekritalan film tipi ZnO hail depoii dikarakteriai menggunakan X-Ray Diffractometer (XRD). Hail karakteriai XRD menunjukkan bahwa puncak intenita pola difraki inar-x terjadi pada 2-theta ekitar 34,40 derajat, bereuaian dengan orientai bidang krital (002). Hal ini menunjukkan bahwa film tipi ZnO hail depoii memiliki orientai krital tunggal ke arah umbu-c, vertikal terhadap permukaan ilikon. Kualita kekritalan film tipi ZnO ditentukan berdaarkan nilai Full Width at Half Maximum (FWHM) puncak intenita pola difraki inar-x dan ukuran rata-rata butir krital. Nilai FWHM ditentukan dengan bantuan oftware Microcal Origin edangkan ukuran rata-rata krital dihitung dengan menggunakan formula Debye-Scherrer berdaarkan data hail karakteriai XRD. Hail perhitungan menunjukkan bahwa FWHM film tipi ZnO yang didepoii pada temperatur 700 o C nilainya relatif kecil yaitu ekitar 0,39 nm dan ukuran rata-rata kritalnya ekitar 21,33 nm. Hal ini menunjukkan bahwa dari egi kekritalan film tipi ZnO hail depoii memiliki kualita yang cukup baik. Nilai FWHM dan ukuran rata-rata butir krital film tipi ZnO nilainya berubah ketika temperatur depoii (T) diubah. Kata kunci: Film tipi ZnO, FWHM, Ukuran butir, Spin coating, Temperatur depoii ABSTRACT GROWTH AND CHARACTERISTICS OF ZnO THIN FILMS DEPOSITED BY SPIN COATING TECHNIQUE ON THE SILICON SUBSTRATE. Depoition of ZnO thin film on the ilicon (001) ubtrate by pin coating technique, a a material candidate for anti- reflection coating of ilicon olar cell have been done. Zinc acetate dehydrate, 2-methoxyethanol and monoethanolamine ued a a bae material, olvent and tabilizer, repectively. Crytallinity of depoited ZnO thin film wa characterized uing X-Ray Diffraction (XRD). The reult howed that the peak intenity of X-Ray diffraction pattern occur at 2-theta approximately degree, correponding to the orientation of the crytal plane (002). Thi indicate that the depoited ZnO thin film ha a ingle crytal orientation in c - axi direction vertical to the ilicon urface. Crytalline quality of ZnO thin film i determined by the value of FWHM (Full Width at Half Maximum) peak intenity of X-ray diffraction pattern and the average of grain ize. FWHM value determined with Microcal Origin oftware wherea the average grain ize calculated uing Debye - Scherrer formula baed on the XRD data. The reult howed that the FWHM value of ZnO thin film that wa depoited at a temperature of 700 C i relatively mall at around 0.39, and the average grain ize i about Thi reult how that the depoited ZnO thin film have a good crytalline quality. The FWHM value and the average of grain ize of the ZnO thin film change when the temperature of depoition (depoition temperature) i changed. Keyword: ZnO thin film, FWHM, Grain ize, Spin coating, Depoition temperature 133

2 Jurnal Sain Materi Indoneia Vol. 15, No. 3, April 2014, hal PENDAHULUAN Sel urya yang aat ini beredar di paaran dan banyak digunakan untuk berbagai keperluan, ebagian bear dibuat dari bahan ilikon. Bahan ini menjadi pilihan karena harganya relatif murah, erta keterediannya di alam cukup melimpah. Kendala utama yang menyebabkan penggunaan el urya ebagai umber energi aat ini maih angat terbata dan kalah kompetitif dengan umber energi lain adalah maalah rendahnya efiieni konveri energi. Rendahnya efiieni konveri telah menyebabkan harga pemaangan panel urya menjadi jauh lebih mahal dibanding dengan biaya untuk penggunaan umber energi lain. Secara teoriti, poteni efiieni konveri makimum yang dapat dicapai urya ilikon adalah ekitar 29%. Namun pada kenyataannya efiieni konveri ebear ini tidak pernah dicapai. Selama bertahun-tahun efiieni konveri el urya ilikon yang teredia dan dijual ecara komeril tidak berubah pada angka 14% hingga 15%. Keterbataan ini terjadi akibat adanya berbagai mekanime kehilangan energi foton pada aat konveri energi berlangung. Pertama, kehilangan energi foton akibat ebagian foton datang dipantulkan kembali oleh permukaan depan el urya. Kedua, kehilangan foton yang energinya di ata bandgap ilikon berubah menjadi enegi pana. Ketiga, kehilangan energi foton yang energinya di bawah bandgap ilikon yang el urya berifat tranparan terhadap foton ini tidak dikonveri menjadi energi litrik. Kemudian yang keempat, kehilangan energi akibat terjadinya rekombinai radiatif dan Auger. Energi yang hilang akibat pemantulan foton datang oleh permukaan el urya ilikon diperkirakan ekitar 3,6%, kemudian energi yang hilang akibat rekombinai pembawa muatan diperkirakan ekitar 2%, dan energi yang hilang akibat rekombinai pada kontak-kontak metal dan kerugian reitif diperkirakan ekitar 8,6%. Kuantita foton yang dipantulkan kembali oleh permukaan depan el urya ilikon cukup bear yaitu bia mencapai 35% dari keeluruhan foton yang datang [1]. Sejumlah konep untuk mereduki kehilangan terebut telah diajukan dengan tujuan meningkatkan efiieni konveri el urya ilikon hingga mendekati nilai efiieni konveri teori (29%). Salah atunya adalah konep penggunaan lapian antirefleki pada permukaan el urya untuk mereduki foton yang dipantulkan kembali ke atmofer [2]. Lapian antirefleki yang biaa digunakan pada indutri el urya berbai ilikon adalah titanium okida (TiO 2 ). TiO 2 dipilih karena harganya murah dan pelapiannya dapat dilakukan dengan teknik yang ederhana yaitu menggunakan teknik creen printing ehingga mudah diterapkan untuk indutri [3]. Namun kekurangannya bahan ini berifat racun (tokik). Sebagai alternatif eng okida (ZnO) berpoteni ebagai lapian antirefleki pada el urya ilikon karena memiliki indek bia ekitar 2, celah pita energi yang lebar yaitu antara 3,3 hingga 3,7 ev, berifat tranparan pada cahaya tampak erta memiliki ifat adhei dan kekeraan yang kuat. Kelebihan antirefleki berbahan daar ZnO dibanding TiO 2 yaitu ifat tokikitanya yang lebih rendah dan lebih mudah diperoleh di paaran dengan harga yang relatif lebih murah [4,5]. Hingga aat ini film tipi ZnO banyak dipabrikai dengan berbagai teknik/metode depoii yang komplek dan biayanya mahal, eperti teknik Chemical Vapor Depoition (CVD), Puled Laer Depoition (PLD), Molecular Beam Epitaxy (MBE), dan Sputerring [6-8]. Selain itu tahun terakhir ini telah dikembangkan teknik depoii ederhana dan berbiaya murah, eperti pray phyrolii, dip coating, creen printing dan pin coating [9-13]. Diantara teknik-teknik terebut teknik pin coating memiliki keuntungan dapat menghailkan lapian tipi dalam area yang cukup lua, adanya kemudahan dalam mengontrol tingkat doping, konentrai dan kehomogenan larutan, dan dalam proenya tidak menggunakan peralatan yang komplek dan mahal. Salah atu peryaratan film tipi untuk aplikai piranti adalah memiliki kualita kekritalan yang cukup baik. Orientai, homogenita bidang krital, dan ukuran butir krital haru memadai. Kualita kekritalan film tipi yang didepoii dengan pin coating bergantung pada kondii dan parameter depoii. Salah atu parameter depoii adalah temperatur depoii yang berperan ebagai penyedia energi pada proe pembentukan butir krital. Penelitian ini dilakukan untuk mendapatkan gambaran tentang pengaruh temperatur depoii pin coating terhadap kualita kekritalan film tipi ZnO yang didepoii di ata ubtrat ilikon. Kekritalan film tipi ZnO yang dianalii meliputi FWHM puncak intenita bidang orientai dan ukuran butir krital yang didaarkan pada data hail karakteriai XRD. Penelitian ini memaparkan hail-hail analii karakteritik kekritalan film tipi ZnO yang didepoii dengan teknik pin coating pada temperatur yang bervariai. Analii kekritalan meliputi nilai Full Width at Half Maximum (FWHM) puncak intenita bidang orientai dan ukuran butir krital. Unur kebaruan dalam penelitian ini adalah terletak pada penggunaan ubtrat krital tunggal ilikon (001). Pada penelitian-penelitian yang telah dilaporkan ebelumnya, digunakan gela dan gela Fluorine Doped Tin Oxide (FTO) ebagai ubtrat untuk depoii film tipi ZnO dengan teknik Spin coating. METODE PERCOBAAN Bahan dan Alat Bahan-bahan yang digunakan dalam depoii film tipi ZnO dengan teknik pin coating adalah zinc acetate dehydrate (Zn(CH 3 COOH) 2.2H 2 O), 2-methoxy ethanol dan monoethanolamine yang maing-maing berperan 134

3 Penumbuhan dan Karakteriai Film Tipi ZnO yang Didepoii dengan Teknik Spin Coating di Ata Subtrat Silikon ebagai material daar, pelarut dan pentabil. Sebagai ubtrat digunakan krital tunggal ilikon dengan orientai (001). Peralatan yang digunakan untuk depoii film tipi ZnO antara lain alat pin coater di laboratorium Fiika Material prodi Fiika FPMIPAUPI (Gambar 1), pengaduk magnetik, hot plate, dan furnace. Sedangkan untuk karakteriai kekritalan film tipi ZnO hail depoii digunakan alat X-Ray Diffractometer (XRD) merek Phillip analytical PW1710 dengan umber radiai Cu Kα (λ = Å). uhu 10 K/menit. Setelah mencapai uhu depoii (600 o C), uhu ditahan elama 3 jam. Setelah proe depoii eleai, temperatur furnace diturunkan kembali hingga mencapai temperatur ruang ecara perlahan-lahan. Untuk menyelidiki pengaruh temperatur depoii terhadap kualita kekritalan film tipi ZnO, temperatur depoii divariaikan pada 600 o C, 650 o C, dan 700 o C. Pengaruh temperatur depoii terhadap kualita kekritalan film tipi ZnO ditinjau dari perubahan nilai Full Width at Half Maximum (FWHM) puncak intenita difraki inar-x untuk bidang orientai tertentu dan perubahan ukuran butir krital. Nilai FWHM dihitung dengan bantuan oftware Origin, edangkan rata-rata ukuran butir krital dihitung dengan menggunakan formula Debye Scherrer eperti Peramaan (1) [14]. 0,9 D... (1) B co Cara Kerja Gambar 1. Alat pin coating Mula-mula zinc acetate dehydrate dilarutkan dalam campuran 2-methoxy ethanol dan monoethanolamine pada temperatur ruang (300 K). Sol diiapkan dengan cara melarutkan 8,23 gram (0,75 mol) zinc acetate dehydrate dengan raio molar monoethanolamine terhadap zinc acetate dehydrate ditetapkan dengan perbandingan ebear 1:1 [13]. Larutan yang dihailkan kemudian diaduk dengan menggunakan pengaduk magnetik elama 1 jam pada temperatur 333 K untuk mendapatkan larutan yang homogen, bening dan tranparan. Larutan ini yang digunakan untuk depoii lapian tipi ZnO dengan teknik pin coating di ata ubtrat krital tunggal ilikon (001). Subtrat ilikon diletakkan di ata pin coater. Satu hingga dua tete larutan diletakkan di ata ubtrat dan kemudian ubtrat diputar dengan laju putar 1500 rpm elama 30 detik hingga terbentuk lapian tipi cair. Untuk mendapatkan lapian tipi kering, lapian tipi cair terebut kemudian dipanakan pada uhu 100 o C hingga 150 o C di ata hot plate untuk menguapkan bahan pelarut. Lapian tipi kering yang dihailkan elanjutnya dipanakan lagi pada uhu 350 o C dalam furnace elama 15 menit untuk mengurai dan menghilangkan komponen organik pada lapian. Setelah itu lapian tipi yang diperoleh kemudian dipanakan pada uhu 600 o C pada furnace elama 3 jam untuk mendepoii lapian tipi ZnO di ata ubtrat ilikon. Dalam proenya furnace dinaikan uhunya ecara bertahap dari uhu ruang hingga temperatur depoii (600 o C) dengan laju kenaikan Dimana: D = Rata-rata ukuran butir krital = Panjang gelombang radiai inar-x ( nm) = Sudut difraki Bragg dan B = Nilai FWHM dalam atuan radian Kualita krital yang baik ditandai dengan nilai FWHM yang kecil dan ukuran butir yang cukup bear. HASIL DAN PEMBAHASAN Gambar 2 menunjukkan pola difraki inar X dari ampel film tipi ZnO yang didepoii pada temperatur 700 o C. Tampak bahwa puncak pola difraki pada 2 ebear 34,40 o ) Ụ 500 (A y 400 it n t e 300 In 200 Intenity (a.u) ZnO(002) Theta Si(001) Gambar 2. Pola difraki Sinar-X lapian tipi ZnO yang didepoii di ata ilikon pada temperature 700 o C. Hal ini menunjukkan bahwa film tipi ZnO yang didepoii di ata ubtrat ilikon memiliki orientai bidang krital tunggal. Puncak difraki ZnO pada 2 = 34,40 o bereuaian dengan orientai bidang krital (002) yaitu orientai epanjang umbu-c vertikal terhadap 135

4 Jurnal Sain Materi Indoneia Vol. 15, No. 3, April 2014, hal permukaan ilikon. Hail ini lebih baik dibandingkan yang diperoleh peneliti ebelumnya, yang mendapatkan orientai polikrital mekipun dominan pada bidang (002) [14]. Gambar 3 menunjukkan citra SEM morfologi permukaan dan penampang lintang film tipi ZnO yang didepoii di ata ilikon pada temperatur 700 o C. Tampak bahwa morfologi permukaan ZnO berii butiran-butiran kecil dan berpori (granular and porou character) yang merupakan karakter morfologi permukaan film ZnO. Dari citra penampang lintang, ketebalan film cukup merata ekitar 0,2 m. Gambar 3. Citra SEM morfologi permukaan dan penampang lintang film tipi ZnO/Si yang didepoii pada temperatur 700 o C. Gambar 4 menunjukkan puncak pola difraki inar-x bidang (002) untuk film tipi ZnO yang didepoii pada temperatur yang berbeda-beda. Tampak bahwa dalam rentang temperatur depoii yang digunakan, puncak intenita difraki inar-x untuk bidang (002) makin tinggi ketika temperatur depoii ditingkatkan ) ụ (a ita n te 600 In 400 Intenity (a.u) ZnO (002) 32,8 33,3 33,8 34,3 34,8 35,3 35,8 2-Teta Td = 700 o C Td = 650 o C Td = 600 o C Gambar 4. Puncak difraki XRD bidang (002) film tipi ZnO/Si yang didepoii pada temperatur yang bervariai. Berdaarkan hail perhitungan dengan menggunakan oftware Microcal Origin, diperoleh nilai FWHM untuk etiap puncak difraki inar X bidang (002) untuk etiap temperatur depoii eperti ditunjukkan pada Tabel 1. Tampak bahwa nilai FWHM puncak difraki inar X bidang (002) nilainya bertambah kecil ketika temperatur depoii ditingkatkan. Hal ini menunjukkan bahwa ketika temperatur depoii ditingkatkan maka kualita krital film tipi ZnO yang dihailkan bertambah baik. Tabel 1. Nilai FWHM ebagai fungi temperatur depoii No Sampel Nilai FWHM puncak XRD film ZnO pada Tabel 1 dapat dinyatakan dalam atuan radian. Nilai FWHM dalam radian untuk puncak difraki bidang (002) film tipi ZnO yang didepoii pada temperatur 600 o C, 650 o C, dan 700 o C berturut-turut ebear 8,72 x 10-03, 7,67 x dan 6,80 x radian. Sehingga dengan menggunakan formula Debye Scherrer dapat dihitung ukuran butir krital film tipi ZnO ebagai fungi temperatur depoii eperti ditunjukkan pada Tabel 2. Tampak bahwa ketika temperatur depoii ditingkatkan ukuran butir krital juga membear. Peningkatan ukuran butir krital film tipi ZnO ketika temperatur depoii ditingkatkan erat kaitannya dengan menurunnya poroita (ukuran pori) pada film tipi ZnO. Dalam proe depoii film tipi, temperatur memegang peranan penting, yaitu ebagai penyedia energi dalam koalii pembentulan pulau-pulau (butir) krital dari bulirbulir krital. Bulir-bulir krital yang ukurannya kecil-kecil berkoalii membentuk butir krital yang ukurannya lebih bear. Ketika temperatur depoii ditingkatkan maka uplai energi untuk koalii bulir menjadi cukup bear ehingga dengan demikian akan lebih banyak lagi bulir krital yang dapat berkoalii, yang elanjutnya ukuran butir krital yang terbentuk menjadi lebih bear. Ukuran butir krital yang diperoleh dengan teknik pin coating ini edikit lebih bear dari yang diperoleh K.A. Salman, dkk, yang berkiar 17,06 dan 17,94 nm [15], namun lebih kecil dari yang diperoleh P. Sewanthi dkk., yang berkiar antara nm [16], dan yang diperoleh K. Balachandra dkk., ekitar 43 nm [13]. KESIMPULAN Temperatur Depoii ( o C) Nilai FWHM (2-Theta) # ,50 # ,44 # ,39 Tabel 2. Ukuran butir kkrital ZnO ebagai ffungi temperatur depoii No Sampel Temperatur Depoii ( o C) Ukuran Butir Krital (nm) # ,71 # ,99 # ,33 Telah dilakukan depoii film tipi ZnO di ata ubtrat ilikon dengan menggunakan teknik pin coating dari bahan zinc acetate dehydrate, 2-methoxy ethanol dan monoethanolamine. Film tipi ZnO hail depoii memiliki orientai bidang krital tunggal pada arah (002) earah umbu-c. Kualita kekritalan film tipi ZnO bergantung pada temperatur depoii. Dalam rentang temperatur depoii yang digunakan dalam penelitian ini, emakin tinggi temperatur depoii emakin 136

5 Penumbuhan dan Karakteriai Film Tipi ZnO yang Didepoii dengan Teknik Spin Coating di Ata Subtrat Silikon baik kualita kekritalan film tipi ZnO yang dihailkan. Hal ini ditandai dengan bertambah kecilnya nilai Full Width at Half Maximum (FWHM) dan bertambah bearnya ukuran butir krital ZnO ketika temperatur depoii ditingkatkan. UCAPAN TERIMAKASIH Ucapan terimakaih diampaikan kepada penyelenggara Program BANGDOS UPI Tahun 2013 yang telah mendanai kegiatan penelitian ini melalui projek penelitian Penguatan Kompeteni. DAFTAR ACUAN [1]. S. Eglah. PHOTOVOLTAICS: Competition improve ilicon-baed olar cell. Internet: / i u e / f e a t u r e / p h o t o v o l t a i c - competitionimprove-ilicon-baed-olarcell.html [2]. Y.J. Lee, D.S. Ruby, D.W. Peter, B.B. Mckenzie, and J.W.P. Hu. ZnO Nanotructure a efficient antireflection layer in olar cell. Nano Lett., vol. 8, pp , Apr [3]. D. Chen. Anti Reflection (AR) Coating Made by Sol-gel Proce. A Review, Solar Energy Material and Solar Cell, vol. 68, pp , jun [4]. M.H. Alan, A.Y. Oral, E. Menur, A. Gul, and E. Baaran. Preparation of c-axi-oriented Zinc- Oxide Thin Film and the Study of Their Microtructure and Optical Propertie. Solar Energy Material and Solar Cell, vol. 82, pp , May [5]. T. Mizuta, T. Ihibai, T. Minemoto, H. Takakura, and Y. Hamakawa. Chemical Depoition of Zinc Oxide Thin film on Silicon Subtrat. Science Direct, Thin Solid Film, vol. 515, pp , Dec [6]. N. Nihimoto. Growth of ZnO Thin Film by Uing MOCVD with a High-Speed Rotating Dik Reactor. Journal of the Korean Phyical Society, Vol. 53, pp , Nov [7]. F.Xiua, Z.Yanga, D. Zhaoa, J. Liua, K.A. Alimb, A.A. Balandinb, M.E. Itkic, R.C. Haddonc. ZnO growth on Si with low-temperature ZnO buffer layer by ECR-aited MBE. Journal of Crytal Growth, vol. 286, pp , [8]. K. Saravanakumar. Columnar Growth of Nanocrytalline ZnO Thin Film Prepared through RF Magnetron Sputtering. Adv. Studie Theor. Phy.,Vol. 5, pp ,Apr [9]. E.Kärber, T. Raadik,T. Dedova,.Krutok, A. Mere, V. Mikli and M. Krunk. Photoluminecence of pray pyrolyi depoited ZnO nanorod. Nanocale Reearch Letter, vol. 6, pp. 1-7, Apr [10]. N. V. Kaneva, C. D. Duhkin. Preparation of nanocrytalline thin film of ZnO by ol-gel dip coating. Bulgarian Chemical Communication, Vol. 43, pp , Apr [11]. K.Haan, O.Nur and M.Willander. Screen printed ZnO UV photoconductive enor on pencil drawncircuitry over paper. Applied Phyic Letter, Vol.100, pp , May [12]. S. Ilican, Y. Caglar, M. Caglar. Preparation and characterization of ZnO thin film depoited by ol-gel pin coating method. Journal of Optoelectronic and Advanced Material, Vol. 10, pp , Oct [13]. K. Balachandra Kumar and P. Raji. Synthei and Characteritic of Nano Zinc Oxide by Sol Gel Spin Coating. Recent Reearch in Science and Technology, vol. 3, pp , [14]. D. B. Cullity. Element of X-ray Diffraction. London : Addion-Weley, [15]. K. A. Salman, K. Omar, and Z. Haan. Effective converion efficiency enhancement of olar cell uing ZnO/PS antireflection coating layer. Solar Energy vol. 86, pp , Jan [16]. P. Sewanthi, A. Claude, C. Jayanthi and A. Poiyamozhi. Intrumentation for fabricating an indigenou pin coating apparatu and growth of zinc oxide thin film and their characterization. Advance in Applied Science Reearch, vol. 3, pp ,