PENGARUH DAYA PLASMA PADA STRUKTUR MIKRO DAN SIFAT OPTIK FILM TIPIS CdTe YANG DITUMBUHKAN DENGAN DC MAGNETRON SPUTTERING

Transkripsi

1 134 Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIV HFI Jateng & DIY, Semarang 10 April 2010 hal PENGARUH DAYA PLASMA PADA STRUKTUR MIKRO DAN SIFAT OPTIK FILM TIPIS CdTe YANG DITUMBUHKAN DENGAN DC MAGNETRON SPUTTERING Sugianto, Nathan Hendarto, Putut Marwoto, Edy Wibowo Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Semarang INTISARI Cadmium telluride (CdTe) mempunyai koefisien absorpsi cukup tinggi (α > 1x10 4 cm -1 ) dan mempunyai direct band-gap 1,5 ev, sehingga berpotensi untuk pembuatan sel surya. Film tipis CdTe telah ditumbuhkan dengan metode dc magnetron sputtering. Film CdTe ditumbuhkan di atas substrat corning glass pada suhu 250 o C dengan daya plasma 25 W, 30W dan 35 watt. Hasil karakterisasi film dengan XRD menunjukkan bahwa penambahan daya plasma pada penumbuhan film tipis CdTe tidak menimbulkan adanya perubahan struktur kristal yang signifikan. Struktur kristal ketiga film bersifat polikristal dan berstruktur cubic dengan puncak difraksi dominan pada orientasi (111). Citra SEM memperlihatkan bahwa penambahan daya plasma mempengaruhi mekanisme pertumbuhan yang mengakibatkan terbentuknya butiran-butiran dengan ukuran butir (grain size) yang lebih besar. Film tipis CdTe yang ditumbuhkan pada daya plasma 30 W dan 35 W mampu mengabsorpsi seluruh spektrum cahaya tampak pada rentang panjang gelombang lebih rendah dari 800 nm, mempunyai energi gap Eg 1,50 ev dan koefisien absorpsi (α) 4,40 x 10 4 cm -1. Keywords: Film tipis CdTe, daya plasma, struktur mikro dan sifat optik I. PENDAHULUAN Energi mempunyai peranan penting dalam berbagai aspek kehidupan. Penggunaan energi saat ini meningkat pesat sejalan dengan perkembangan jaman. Saat ini masih bergantung pada sumber energi yang tidak dapat diperbaharui seperti hasil-hasil tambang, padahal jumlahnya terbatas dan suatu saat akan habis. Selain itu penggunaan sumber energi dari hasil tambang tersebut menimbulkan banyak dampak negatif terhadap lingkungan. Oleh karena itu perlu dipikirkan sumber energi lain sebagai energi alternatif yang jumlahnya tak terbatas dan tidak sekali habis (dapat diperbaharui) serta ramah lingkungan. Banyak sekali potensi energi yang dapat diperbaharui seperti biomassa, panas bumi, energi surya, energi air, energi angin dan energi samudera yang sampai saat ini belum banyak dimanfaatkan. Energi matahari yang melimpah ruah, jumlahnya tak terbatas, aman dan ramah lingkungan merupakan pilihan yang tepat untuk dijadikan sebagai energi alternatif. Teknologi fotovoltaik yang mengkonversi langsung cahaya matahari menjadi energi listrik dengan menggunakan sel surya (solar cells) merupakan salah satu pilihan yang menarik. Selama ini semikonduktor yang banyak digunakan untuk pembuatan sel surya adalah kristal tunggal silikon. Permasalahannya, untuk menghasilkan semikonduktor kristal tunggal silikon dibutuhkan silikon murni sehingga biaya produksinya cukup tinggi. Material semikonduktor nonsilikon yang sedang dikembangkan secara intensif untuk lapisan sel surya diantaranya adalah material paduan CuInGaSe 2, silikon amorf, dan CdTe (Gupta et al, 2006). CuInGaSe 2 berharga lebih mahal karena jumlah indium yang terbatas, selain itu pengontrolan komposisi dari unsur pembentuknya relatif sulit sehingga masih mengalami kendala dalam memproduksi modul atau panel dengan kualitas yang baik. Silikon amorf walaupun jumlahnya cukup banyak tetapi lambat untuk ditumbuhkan serta memiliki efisiensi yang relatif rendah. Cadmium telluride (CdTe) memiliki koefisien absorpsi yang tinggi (α > 1x10 4 cm -1 ) dan mempunyai direct band-gap (1,50 ev) yang secara teoritis sangat potensial untuk pembuatan sel surya. Film CdTe dengan tebal 1 µm mampu mengabsorpsi sekitar 90% foton yang energinya lebih tinggi dari band gap (Gupta et al, 2006). Film tipis CdTe diproduksi dari material polikristalin sehingga lebih murah pembuatannya. Dengan berbagai kelebihan tersebut, maka CdTe berpotensi untuk pembuatan sel surya (Candless & Sites, 2003). Metode yang digunakan untuk menumbuhkan film tipis, diantaranya chemical vapor deposition (CVD), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), sputtering, spray pyrolysis (Sudjatmoko, 2003), close-spaced sublimation (CSS), vapor-transport deposition (VTD), physical-vapor deposition (PV), molecular beam epitaxy (MBE), electro deposition (Candless & Sites, 2003), dan rf magnetron sputtering (Compaan et al, 2004). Pada umumnya masing-masing metode tersebut mempunyai kelebihan dan kekurangan. Metode yang digunakan untuk mendeposisi lapisan tipis CdTe dalam penelitian ini adalah dc magnetron sputtering. Deposisi film tipis CdTe dengan metode dc magnetron sputtering menarik untuk dikaji dan diteliti karena beaya operasinya jauh lebih murah dibandingkan

2 Sugianto, dkk / Pengaruh Daya Plasma Pada Struktur Mikro Dan Sifat Optik Film Tipis CdTe Yang 135 metode lainnya. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui bagaimana struktur mikro dan sifat optik film tipis CdTe yang ditumbuhkan di atas substrat corning glass dengan metode dc magnetron sputtering pada daya plasma berbeda. II. METODE PENELITIAN Secara garis besar penelitian ini mencakup tiga tahap yaitu: (i) preparasi substrat dan pembuatan target, (ii) deposisi film tipis CdTe dengan metode dc magnetron sputtering, (iii) karakterisasi film dilanjutkan analisis data hasil karakterisasi. Bahan yang digunakan untuk membuat target adalah serbuk CdTe dengan kemurnian %. Serbuk CdTe dituang dalam cetakan dan dipres secara hidrolis. Target berbentuk pelet disintering pada temperatur 700 o C selama satu jam. Substrat yang digunakan adalah corning glass. Substrat dicuci dalam ultrasonic bath dengan menggunakan aseton selama 10 menit dilanjutkan dengan menggunakan metanol selama 5 menit. Selanjutnya substrat dibilas dengan DI water. Substrat dikeringkan dengan menyemprotkan gas nitrogen. Penumbuhan film tipis dengan metode dc magnetron sputtering telah dijelaskan pada penelitian sebelumnya (Sugianto et al, 2007). Film tipis CdTe ditumbuhkan selama dua jam yang menghasilkan ketebalan sekitar 0,4 µm. Analisis XRD dilakukan untuk karakterisasi struktur kristal dan orientasi bidang kristal film tipis. Analisis SEM digunakan untuk mengetahui struktur mikro pada film tipis berupa tampang permukaan (surface). Karakterisasi sifat optik dilakukan dengan menggunakan spektrometer UV-vis. Pada penelitian ini dikaji struktur mikro dan sifat optik film tipis CdTe yang ditumbuhkan di atas substrat corning glass dengan variasi daya plasma (25 W, 30 W dan 35 W). Film ditumbuhkan dengan temperatur substrat konstan yaitu 250 o C dengan laju aliran argon pada tekanan reaktor sekitar 500 mt. III. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil difraktogram XRD film CdTe yang ditumbuhkan dengan daya plasma 25 W, 30 W dan 35 W ditunjukkan pada Gambar 1. Puncak difraksi diidentifikasi dominan pada arah bidang (111) dan disertai beberapa puncak lain dengan orientasi bidang (100), (220), (103) dan (311) yang mengindikasikan bahwa film tipis CdTe yang terdeposisi di atas corning glass memiliki struktur polikristal. Hasil ini menunjukkan bahwa film tipis CdTe yang ditumbuhkan mempunyai arah orientasi kristal yang bersesuaian dengan orientasi kristal dari material CdTe berstruktur kubik dengan kisi kristal fcc (face center cubic). Film yang ditumbuhkan dengan daya plasma 25 W, 30 W dan 35 W teramati mempunyai puncak difraksi tertinggi berturut-turut pada 2θ adalah 23,819 o ; 23,835 o dan 23,819 o. Hasil perhitungan menunjukkan besarnya konstanta kisi a dari film CdTe berturut-turut adalah 6,465 Å, 6,461 Å dan 6,465 Å. Variasi daya pada saat penumbuhan film tipis CdTe tidak berpengaruh secara signifikan terhadap besarnya konstanta kisi film yang dihasilkan. Gambar 1. XRD film tipis CdTe yang ditumbuhkan dengan daya plasma 25, 30 dan 35 watt. Gambar 2 menunjukkan nilai FWHM (full wide at half maximum) film tipis CdTe yang ditumbuhkan di atas corning glass. Semakin kecil nilai FWHM semakin baik kualitas kristal tersebut (Suryanarayana et al, 1998). Hasil karakterisasi XRD diketahui bahwa film yang ditumbuhkan pada

3 136 Sugianto, dkk / Pengaruh Daya Plasma Pada Struktur Mikro Dan Sifat Optik Film Tipis CdTe Yang daya plasma 25 W, 30 W dan 35 W mempunyai nilai FWHM puncak (111) berturut-turut sebesar 0,187 o ; 0,257 o dan 0,268 o. Penambahan daya menyebabkan bertambahnya FWHM puncak (111) yang mengindikasikan bahwa homogenitas film menurun. Hal ini disebabkan pada penumbuhan dengan daya tinggi meningkatkan mobilitas ion-ion tersputer sehingga laju penumbuhan meningkat dan cenderung menghasilkan kristal yang kurang homogen dan cenderung menghasilkan film dengan struktur polikristalin W, 250 o C Intensitas (cps) W, 250 o C 35 W, 250 o C 0 22,50 23,00 23,50 24,00 24,50 25,00 25,50 2θ ( o ) Gambar 2. Nilai FWHM puncak (111) film tipis CdTe yang ditumbuhkan dengan daya plasma 25 W, 30 W dan 35 W. a b c Gambar 3. Citra SEM film tipis CdTe yang ditumbuhkan dengan daya plasma (a) 25 W; (b) 30 W dan (c) 35 W pada perbesaran kali. Struktur mikro lapisan tipis sangat bergantung pada kinematika penumbuhan yang dipengaruhi oleh temperatur substrat, sifat kimia dan gas lingkungan (Wasa et al, 1992). Hasil karakterisasi menggunakan SEM dapat diketahui pengaruh daya plasma terhadap morfologi permukaan film. Gambar 3 memperlihatkan citra SEM permukaan film tipis CdTe yang ditumbuhkan dengan daya plasma 25 W, 30 W dan 35 W. Hasil analisis SEM menunjukkan bahwa penambahan daya plasma pada deposisi film tipis CdTe dengan metode dc magnetron sputtering mempengaruhi orientasi pertumbuhan nukleus. Selain itu juga mengakibatkan terbentuknya butiran-butiran dengan ukuran butir (grain size) yang lebih besar. Film yang ditumbuhkan pada daya plasma yang lebih tinggi memiliki ukuran butiran yang lebih besar dengan morfologi permukaan tidak rata (kasar). Penambahan daya plasma saat penumbuhan menyebabkan bertambahnya energi kinetik dan momentum atom-atom target yang menuju substrat sehingga meningkatkan mobilitas permukaan. Mobilitas permukaan yang tinggi dapat menyebabkan terbentuknya lapisan tipis dengan ukuran butiran lebih besar (Sudjatmoko, 2003). Kemampuan absorpsi film tipis CdTe dianalisis dengan menggunakan spektrometer UV-vis. Hasil karakterisasi dinyatakan dalam grafik hubungan antara kuadrat koefesien absorpsi dan energi foton. Film tipis CdTe dapat digunakan sebagai bahan sel surya yang baik jika film dapat mengabsorpsi seluruh spektrum cahaya tampak. Besarnya energi gap Eg dari film CdTe dapat ditentukan dengan

4 Sugianto, dkk / Pengaruh Daya Plasma Pada Struktur Mikro Dan Sifat Optik Film Tipis CdTe Yang 137 ekstrapolasi linier terhadap sumbu energi foton. Gambar 4 memperlihatkan grafik kuadrat koefesien absorpsi terhadap energi foton. Besarnya energi gap Eg dan koefisien absorpsi (α) film tipis CdTe disajikan pada Tabel 1. Tabel 1. Energi gap dan koefisien absorpsi film tipis CdTe. Sampel Eg (ev) α (cm -1 ) A (250 o, 25 W) 3,50 1,37 x 10 4 B (250 o, 30 W) 1,50 4,20 x 10 4 C (250 o, 35 W) 1,45 4,41 x 10 4 Film yang ditumbuhkan pada daya plasma 25 W hanya mampu mengabsorbsi cahaya pada energi lebih besar 3,50 ev atau pada daerah panjang gelombang lebih rendah dari 350 nm. Sedangkan film yang ditumbuhkan pada daya 30 W dan 35 W mampu mengabsorpsi spektrum cahaya pada energi lebih besar 1,50 ev atau pada daerah rentang cahaya tampak. Dalam aplikasi sel surya, yang terpenting film tersebut memiliki koefisien absorpsi tinggi yang mampu mengabsopsi cahaya yang datang pada permukaan sel surya (Gupta et al, 2006) dan diharapkan mampu menyerap seluruh spektrum cahaya tampak dari matahari (Contreras et al, 2002). Ini artinya film tipis CdTe yang ditumbuhkan dengan daya plasma 25 W hanya mampu mengabsopsi cahaya pada panjang gelombang lebih kecil 350 nm sehingga kurang sesuai untuk digunakan sebagai lapisan absorpber dalam pembuatan lapisan sel surya. Dari Gambar 4b dan 4c terlihat bahwa film yang ditumbuhkan pada daya plasma 30 W dan 35 W mempunyai kemampuan mengabsorpsi spektrum cahaya pada rentang energi foton lebih besar 1,50 ev atau panjang gelombang sekitar 800 nm ke bawah. Ini berarti film yang telah ditumbuhkan mampu mengabsorpsi seluruh spektrum cahaya tampak sehingga sesuai untuk pembuatan thin film solar cells. Hasil tersebut sesuai dengan hasil penelitian Contreras et al (2002) yang juga dihasilkan film tipis CdTe dengan kemampuan mengabsorpsi spektrum cahaya pada rentang energi lebih besar 1,50 ev. Gambar 4. Grafik kuadrat koefisien absorpsi terhadap energi foton film CdTe yang ditumbuhkan pada daya plasma 25 W, 30 W dan 35 W. IV. KESIMPULAN DAN SARAN Film tipis CdTe telah ditumbuhkan di atas substrat corning glass dengan metode dc magnetron sputtering. Film CdTe mempunyai struktur polikristal dengan puncak difraksi dominan pada orientasi (111). Struktur kristal film CdTe adalah cubic dengan kisi kristal fcc dan mempunyai tetapan kisi yang relatif sama sebesar 6,46 Å. Penambahan daya plasma saat deposisi tidak mempengaruhi struktur kristal film CdTe, akan tetapi mempengaruhi ukuran butiran kristal dan sifat optiknya. Semakin tinggi daya plasma ukuran butiran menjadi lebih besar dan mampu menyerap cahaya pada daerah energi lebih

5 138 Sugianto, dkk / Pengaruh Daya Plasma Pada Struktur Mikro Dan Sifat Optik Film Tipis CdTe Yang besar dari 1,50 ev. Film tipis CdTe yang ditumbuhkan dengan daya plasma 30W dan 35 W mampu mengabsorpsi seluruh spektrum cahaya tampak. Film CdTe yang ditumbuhkan dengan dc magnetron sputtering berpotensi untuk dikembangkan sebagai bahan sel surya. V. UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terimakasih disampaikan kepada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Semarang yang telah membiayai penelitian ini melalui Dana DIPA UNNES No / /XIII/2008, MA VI. DAFTAR PUSTAKA Candless, Mc. B.E. & Sites, J.R Cadmium Telluride Solar cell. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. New York: John Wiley Compaan, A.D., Gupta, A., Lee S., Wang S., Drayton J High Efficiency Magnetron Sputtered CdS/CdTe Solar Cells. Solar Energy. 77: Contreras, H.H., Contreras P.G., Aguilar,H.J., Morales, A.A., Vidal, L.J., Vigil, G.O., CdS and CdTe Large Area Thin Films Processed by Radio-frequency Planar Magnetron Sputtering. Thin Solid Film : Gupta, A., Parikh, V., Compaan, A.D., High Efficiency Ultra-thin Sputtered CdTe Solar Cells. Solar Energy Mater. & Solar Cells. 90: Sudjatmoko Aplikasi Teknologi Sputtering untuk Pembuatan Sel Surya Lapisan Tipis (Workshop Sputtering untuk Rekayasa Permukaan Bahan). Yogyakarta: Puslitbang Teknologi Maju BATAN Sugianto. Sunarno. Putut. M Penumbuhan Film Tipis Al x Ga 1-x N di atas Substrat Si(111) dengan Metode DC Magnetron Sputtering. Proseding Seminar Nasional 4 rd KENTINGAN PHYSICS FORUM. Jurusan Fisika: Universitas Sebelas Maret Surakarta Suryanarayana, C & Norton, M.G X-Ray Diffraction A Practical Approach. New York: Plenum Press Wasa, K & Hayakawa, S Hand Book of Sputtering Deposition Technology Principles, Technology and Application. Park Ridge, New Jersey: USA Noyes Publication