PREPARASI LAPISAN TIPIS SAMBUNGAN p-n ZnO DAN CuInSe MENGGUNAKAN PENYANGGA LAPISAN CdS UNTUK APLIKASI SEL SURYA

Transkripsi

1 , dkk. ISSN PREPARASI LAPISAN TIPIS SAMBUNGAN p-n ZnO DAN CuInSe MENGGUNAKAN PENYANGGA LAPISAN CdS UNTUK APLIKASI SEL SURYA PTAPB Badan Tenaga Nuklir Nasional Agung B.S.U, Messa Monika Sari F.MIPA Jurusan Fisika UGM-Yogyakarta ABSTRAK PREPARASI LAPISAN TIPIS SAMBUNGAN p-n ZnO DAN CuInSe DENGAN PENYANGGA LAPISAN CdS UNTUK APLIKASI SEL SURYA. Telah dilakukan preparasi lapisan tipis p-n junction CuInSe 2 - CdS ZnO multilayer dengan metode RF sputtering dan karakterisasinya serta pengukuran tegangan dan arus. Untuk penumbuhan kristal CuInSe 2 digunakan metode Bridgman sampai pada suhu 600 C. Preparasi dilakukan dengan empat variasi ketebalan lapisan buffer CdS pada tekanan argon 3, mbar, tegangan self bias 1000 V, dan daya RF mencapai 200 W. Tegangan anoda ambang sebesar -75 V diberikan pada proses preparasi untuk mengoptimalkan sifat masing-masing lapisan. Dari pengamatan XRD memperlihatkan bahwa kristal CuInSe 2 memiliki struktur tetragonal khalkopirit dengan parameter kisi a = Å dan c = 11,6032 Å, sedangkan lapisan tipis CdS mempunyai struktur heksagonal dengan parameter kisi a = 4,1439 Å dan c = 6,72 Å. Karakterisasi dengan FPP menunjukkan bahwa CdS adalah semikonduktor tipe-n. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa system p-n junction mampu memberikan efek fotovoltaik optimal dengan tegangan sekitar 100 mv dan arus 0,99 µa pada lapisan tipis dengan ketebalan CdS (38 65) 10 2 Å. ABSTRACT PREPARATION OF THIN FILM P-N JUNCTION ZnO-CuInSe USING BUFFER CdS FOR THE APPLICATION AS SOLAR CELL. It has been carried out the preparation of thin film of CuInSe 2 /CdS/ZnO multilayer p-n junction by RF sputtering method and their characterizations and also measurement of photovoltaic voltages and currents. The growth of CuInSe 2 crystals was done by Bridgman method until 600 C in temperature. Preparations were carried out for four thickness variations of CdS buffer thin film at the argon s pressure around mbar, self bias voltage at 1000 V and RF s power at 200W. Floating anode voltage at about -75 V was given in preparation process to improve characteristic of each thin film. Observing by XRD shows that CuInSe 2 crystal has a chalcopyrite tetragonal structure with lattice parameters a = Å and c = 11,6032 Å, whereas CdS thin film has an hexagonal structure with lattice parameters a = 4,1439 Å and c = 6,72 Å. On the other hand, FPP characterization indicates that CdS is an n-type semiconductor. The result of measurement of p-n junction system, having CdS thin film of (38 65) 10 2 Å, is able to produce optimum photovoltaic effect of 101 mv as well as 0,99 µa of current. Kata kunci: p-n junction CuInSe 2 - CdS - ZnO multilayer, efek fotovoltaik, lapisan tipis sel surya. PENDAHULUAN T eknologi dan aplikasi lapisan tipis telah menjangkau banyak bidang. Salah satunya pada bidang energi, teknologi lapisan tipis dikembangkan untuk pembuatan sel surya. Dalam hal ini, energi baru dan terbarukan mulai mendapat perhatian sejak terjadinya krisis energi dunia pada tahun 1970-an. Beberapa energi alternatif yang bersih, tidak berpolusi, aman, alami, dan persediaannya tidak terbatas diantaranya adalah energi surya, angin, air laut dan lain-lain menjadi suatu pilihan yang tepat. Saat ini sedang dikembangkan teknologi sel surya dengan teknik lapisan tipis yang berbasis pada efek fotovoltaik sebagai salah satu sumber tenaga listrik yang murah, bebas polusi udara maupun radioaktif. Efek fotovoltaik adalah gejala pengubahan energi cahaya menjadi energi listrik, akibat adanya arus yang mengalir pada p-n junction. Tegangan dan arus listrik inilah yang dapat digunakan sebagai sumber energi listrik. Lapisan tipis dapat dibuat dari bahan organik, anorganik, metal maupun campuran metal organik yang memiliki sifat-sifat konduktor, isolator

2 154 ISSN , dkk. maupun semikonduktor. Di Indonesia sendiri kebanyakan sel surya yang dibuat menggunakan bahan anorganik. Hal ini dikarenakan bahan anorganik mudah diperoleh di Indonesia dengan harga yang relatif murah mengingat sumber alam yang ada cukup melimpah tapi belum dioptimalkan penggunaannya. Pembuatan lapisan tipis yang sedang intensif dilakukan di kalangan industri dan penelitian menggunakan bahan silikon amorf, CdTe dan CuInSe 2 (CIS) atau paduannya seperti CuInS 2 dan CuInGaSe 2. Parameter desain lapisan ZnO dan CuInSe yang penting adalah: Mudah dibuat karena bahan-bahan dasar berupa serbuk, mudah diperoleh di pasaran lokal. Memiliki sifat semikonduktor tipe-n (untuk ZnO) dan tipe-p (untuk CuInSe). Memiliki struktur tetragonal khalkopirit (untuk CuInSe 2 ). Tegangan fotovoltaik yang cukup besar (beberapa ratus mv). Arus fotovoltaik yang cukup besar (beberapa ma). CuInSe 2 yang dapat dipakai sebagai basis absorber lapisan tipis sel surya dan bahan ini yang dipilih untuk dibuat dalam penelitian ini. Hal ini dikarenakan material CuInSe 2 mempunyai daya serap yang cukup besar dan secara teoritik memiliki efisiensi diatas 20%. Dalam penelitian ini pembuatan kristal CuInSe 2 dilakukan dengan menggunakan metode Bridgman sampai pada suhu 600 C, karena pada suhu tersebut kualitas kristal yang dihasilkan cukup baik. Hal ini diketahui melalui pengamatan struktur kristalnya dengan menggunakan XRD. Lapisan tipis sel surya berbasis CuInSe 2 (CIS) merupakan sistem sambungan p-n yang dapat menghasilkan efek fotovoltaik. Sistem sambungan p-n (p-n junction) adalah sambungan antara semikonduktor tipe-p yang berfungsi sebagai absorber dengan semikonduktor tipe-n yang berfungsi sebagai lapisan jendela atau TCO (Transparent Conducting Oxide). Sedangkan lapisan buffer dideposisikan di antara absorber dan TCO yang bertujuan untuk meningkatkan efisiensi kinerja sel surya. Proses deposisi menggunakan Metode RF sputtering dengan frekuensi radio pada MHz. Penggunaan frekuensi radio ini akan mendasari timbulnya tegangan bias yang merupakan tegangan negatif dan berarus searah [1]. Pada penelitian ini dilakukan empat variasi ketebalan lapisan buffer CdS. Batasan desain dari lapisan CdS yang penting adalah : Memiliki struktur kristal heksagonal. Menghasilkan arus listrik dalam orde beberapa µa, tegangan sekitar 200 mv. Setiap ion argon akan mampu menghasilkan partikel CdS yang terdeposisi di atas substrat. Pada lapisan CdS yang menghasilkan efek fotovoltaik tertinggi dilakukan pengamatan XRD (X-Ray Diffraction) untuk mengetahui struktur kristalnya sedangkan SEM (Scanning Electron Microscopy) untuk mengamati struktur morfologi. Uji FPP (Four Point Probe) dilakukan guna menguji tipe konduksinya. Pada penelitian ini dilakukan pembuatan dan pengukuran tegangan dan arus fotovoltaik sistem p- n junction ZnO/CdS/CuInSe, dengan CdS sebagai buffer, dengan parameter desain dan batasan desain seperti disebutkan di atas, sebagai uji kinerja sistem lapisan tipis untuk memberikan kontribusi pada pengembangan solar cell thin film. TATA KERJA DAN PERCOBAAN Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari perangkat preparasi, yaitu pembuatan target CIS dengan metode Bridgman, perangkat deposisi lapisan tipis dengan sistem RF sputtering. Pengukuran arus dengan nanometer Kithley serta tegangan dengan Digital Multimeter. Karakterisasi dilakukan dengan menggunakan XRD, FPP, dan SEM. Penumbuhan kristal CuInSe dilakukan dengan melelehkan bahan-bahan yang telah dimurnikan dalam tabung kuarsa yang telah divakumkan. Setelah kristal CIS terbentuk dilakukan karakterisasi XRD untuk mengetahui struktur kristalnya. Sedangkan proses deposisi lapisan tipis sel surya menggunakan metode RF sputtering. Deposisi lapisan tipis pertama adalah lapisan tipis Mo di atas substrat kaca (yang telah dibersihkan dengan ultrasonic cleaner ) pada tekanan argon 3, mbar selama 20 menit. Setelah terbentuk lapisan Mo, masker dipasang di atasnya sebagai kontak. Proses selanjutnya adalah pendeposisian lapisan CIS di atas Mo pada tekanan yang sama selama 20 menit. Target yang digunakan sesuai dengan lapisan yang ingin dibuat. Semua pendeposisian lapisan ditambahkan tegangan anoda ambang sebesar -75 V kecuali pada deposisi Mo. Tegangan anoda ambang diberikan setelah diperoleh tekanan yang diinginkan. Pada pendeposisian lapisan CdS di atas lapisan CIS dilakukan variasi ketebalan lapisan yang didasarkan pada lamanya

3 , dkk. ISSN waktu sputtering, sebanyak empat variasi waktu yaitu 20 menit, 30 menit, 40 menit dan 50 menit pada tekanan argon 3, mbar. Di atas lapisan CdS dideposisikan lapisan ZnO multilayer. ZnO multilayer dibuat dengan cara mendeposisikan lapisan ZnO pada tiga variasi tekanan gas argon yaitu tekanan 3, mbar, mbar, dan mbar. Pada proses deposisi ZnO multilayer ditambahkan gas hidrogen namun tetap menjaga kestabilan tekanan. Langkah terakhir pendeposisian adalah lapisan ZnOAl pada tekanan 3, selama 25 menit. Hasil yang diperoleh adalah empat buah lapisan tipis sel surya dengan empat variasi ketebalan lapisan buffer CdS. Selanjutnya dilakukan pengukuran arus dan tegangan efek fotovoltaik yang dapat dihasilkan sel surya. Perlu dilakukan pula karakterisasi lapisan CdS (terdeposisi diatas CIS) yang menghasilkan efek fotovoltaik tertinggi dengan menggunakan karakterisasi FPP (tipe konduksi), XRD (struktur kristal) dan SEM (cross section). HASIL DAN PEMBAHASAN Pengamatan Struktur Kristal CuInSe 2 dengan XRD Pengamatan XRD (X-Ray Diffraction) digunakan untuk mengetahui struktur kristal yang terbentuk pada massif hasil pemanasan CuInSe 2. Hasil XRD berupa difraktogram ditunjukkan oleh Gambar 1. Difraktogram di atas memperlihatkan enam belas puncak difraksi dengan tiga puncak terkuat yaitu puncak kedua (2θ = 26,7780), kedelapan (2θ = 44,3474) dan kesepuluh (2θ = 52,5028). Keenam belas puncak yang diperoleh dibandingkan dengan data standar JCPDS [5] sehingga diketahui nilai-nilai indeks miller (hkl) pada puncak-puncak difraksi yang terbentuk [2]. Setelah dibandingkan dengan JCPDS ternyata terdapat tujuh puncak hasil XRD yang bersesuaian dengan JCPDS. Dengan menggunakan nilai hkl, diperoleh tetapan kisi a = Å dan c = 11,6032 Å, sehingga perbandingan c/a = 2,0100. Menurut Rockett dan Birmire [4], konstanta kisi CuInSe 2 adalah a 0 = 5,789 Å dan c 0 = 11,62 Å. Dari perhitungan di atas, diperoleh kesimpulan bahwa hasil preparasi bahan dengan menggunakan metode Bridgman ini adalah CuInSe 2 yang memiliki struktur kristal tetragonal khalkopirit. Hasil ini sesuai dengan batasan desain. Pengamatan Struktur Lapisan CdS dengan XRD Pengamatan XRD ini dilakukan pada Lapisan CdS yang memiliki ketebalan Å. Difraktogram hubungan intensitas dengan 2θ lapisan CdS (Gambar 2) memperlihatkan tiga puncak tertinggi pada puncak keenam belas (2θ = 27,1341), keempat belas (2θ = 24,4200) dan kelima belas (2θ = 25,5200). Gambar 1. Difraktogram bahan/target material CuInSe 2.

4 156 ISSN , dkk. Gambar 2. Difraktogram lapisan CdS. Dari tiga puluh tiga puncak hasil XRD setelah dibandingkan dengan JCPDS ternyata terdapat tiga puncak yang bersesuaian dengan JCPDS. Dengan memperoleh nilai hkl dari perbandingan hasil penelitian dengan JCPDS maka melalui perhitungan diperoleh tetapan kisi a = 4,1439 Å c = 6,72 Å. Banyak sudut difraksi yang terbentuk dari hasil penelitian mengalami pergeseran dengan data JCPDS. Hal ini kemungkinan disebabkan karena CdS yang diamati berbentuk lapisan, bukan serbuk, sedangkan data pada JCPDS berlaku pada bahan serbuk (powder). Disamping itu serbuk memiliki sifat yang berbeda dengan lapisan tipis. Bentuk molekul CdS adalah heksagonal dengan tetapan kisi a = 4,136 Å dan c = 6,713 Å. Dari nilai tetapan kisi yang diperoleh, maka lapisan tersebut adalah CdS yang mempunyai struktur kristal heksagonal [5], sesuai dengan batasan desain yang telah dikemukakan pada bab Pendahuluan. Pengamatan SEM pada lapisan CdS Struktur morfologi lapisan tipis dapat diketahui dengan SEM (Scan Electron Microscopy). Hasil karakterisasi berupa foto permukaan dan penampang lintang (cross section), seperti ditunjukkan pada Gambar 3a dan 3b.. Hasil dari SEM berupa gambar morfologi permukaan lapisan dan juga tampang lintang (cross section) yang memperlihatkan pola gelap-terang dan beberapa ukuran butiran. Ukuran butiran (grain size) rata-rata dapat diperoleh dengan menggunakan Corel Draw 11, diperoleh sebesar (1,0-1,4) 10 4 Å. Gambar 3. (a) Foto permukaan lapisan CdS dengan perbesaran 20000, Foto cross section lapisan CdSpada perbesaran (b)

5 , dkk. ISSN Dari Gambar 3(a) terlihat permukaan lapisan CdS tidak sama terang. Hal ini mengindikasikan bahwa lapisan tipis CdS tidak begitu homogen. Ketidakhomogenan lapisan ini dapat disebabkan karena adanya lonjakan parameter sputtering pada awal dan akhir proses sputtering, jarak elektroda (18 mm) terlalu dekat, vakum yang kurang tinggi, ataupun kemungkinan adanya unsur-unsur lain yang ikut ter-sputter. Gambar 3(b) memperlihatkan cross section lapisan CdS. Ketebalan lapisan CIS dan CdS ditunjukkan oleh garis vertikal yang berwarna lebih gelap. Dengan menggunakan Corel draw 11 diperoleh ketebalan lapisan CdS sebesar 0,38 µm dan ketebalan lapisan CIS sebesar 0,8 µm. Lapisan CIS ternyata lebih tebal daripada lapisan CdS walaupun waktu sputtering CdS lebih lama. Hal ini berarti target CdS lebih sukar melepaskan partikelpartikelnya, tenaga ikatnya lebih besar, sehingga tidak setiap ion argon bisa menghasilkan partikel CdS, maka akan mengakibatkan jumlah partikel yang terdeposisi (sputter yield) juga lebih sedikit. Pengamatan FPP Lapisan CdS Karakterisasi FPP (Four Point Probe) dilakukan untuk menguji tipe konduktivitas pada lapisan tipis. Hasil pengukuran FPP menunjukkan bahwa seluruh lapisan tipis CdS yang dibuat dengan teknik sputtering pada penelitian ini adalah merupakan semikonduktor tipe-n. Pengukuran Arus dan Tegangan fotovoltaik Gambar 4 menunjukkan grafik arus versus ketebalan. Arus maksimal sebesar 0,99µA dihasilkan oleh lapisan CdS dengan ketebalan Å, dan arus minimal 0,46 µa dihasilkan lapisan CdS dengan ketebalan Å. Ketebalan CdS Å mampu memberikan arus listrik yang lebih tinggi. Hal ini berarti menunjukkan kesebandingan antara tegangan dan arus yang dihasilkan. Arus yang diharapkan adalah dalam orde beberapa µa. Kemungkinan penyebabnya adalah pengotor (impurity) yang terkandung dalam lapisan. Pada pengukuran tegangan, diperoleh tegangan maksimal sebesar 101 mv dihasilkan oleh sel surya dengan ketebalan lapisan CdS Å. Sedangkan tegangan minimal sebesar 71 mv dihasilkan oleh sel surya dengan ketebalan lapisan CdS sekitar Å. Hal ini menunjukkan bahwa pada ketebalan Å fungsi CdS sebagai buffer tidak optimal. Dari Gambar 4 dapat dilihat arus lebih tinggi dihasilkan oleh lapisan CdS dengan ketebalan (38-65) 10 2 Å. CdS-thin film sebagai buffer dengan ketebalan dalam range tersebut lebih besar menghasilkan efek fotovoltaik. Dari hasil pengukuran tegangan dan arus, ternyata lapisan buffer CdS dapat meningkatkan efek fotovoltaik dalam p-n junction. Lapisan CdS pada ketebalan (38-65) 10 2 Å memberikan efek fotovoltaik yang cukup tinggi. Lapisan tipis sel surya dengan sistem p-n junction CuInSe 2 ZnO multilayer dengan parameter sputtering yang sama menghasilkan tegangan sebesar 12,2 mv dan arus 0,92 µa. Hal ini mengindikasikan bahwa lapisan buffer CdS berpengaruh terhadap besarnya efek fotovoltaik yang dihasilkan. Deposisi lapisan buffer CdS diantara CIS dan ZnO multilayer selain mencegah terjadinya interdifusi Cu, In atau Se ke ZnO multilayer ternyata juga mampu meningkatkan efek fotovoltaik [3,4]. Arus (10-2 mikroampere) Grafik Arus versus Ketebalan Ketebalan (10 2 Angstrom) Gambar 4. Grafik Arus fotovoltaik sebagai fungsi ketebalan.

6 158 ISSN , dkk. Performance lapisan tipis sel surya yang dihasilkan dalam penelitian ini juga dipengaruhi oleh bagian-bagian dari sel surya, antara lain pada lapisan absorber CIS yang terdeposisi tidak optimal dalam menyerap foton, lapisan ZnO multilayer telah teroksidasi, kontak Mo yang terlalu rendah dalam merefleksikan cahaya dan elektroda ZnOAl yang kurang optimal mentransmitansikan cahaya yang masuk. Faktor-faktor lain selama proses sputtering seperti kebersihan chamber, substrat dan groundshielding, pengaturan tekanan gas argon, tingkat kevakuman kebersihan target, proses pengukuran yang menggunakan jepit, dan homogenitas juga sangat berpengaruh bagi performance lapisan yang dihasilkan. KESIMPULAN Dengan metode Bridgman untuk penumbuhan kristal CuInSe 2, memberikan hasil material target dengan struktur tetragonal khalkopirit dengan parameter kisi a = Å dan c = 11,6032 Å, perbandingan c/a = 2,0100. Melalui metoda RFsputtering, material target tersebut menghasilkan lapisan tipis semikonduktor CIS tipe p Lapisan CdS yang dideposisi diatas lapisan CuInSe 2 merupakan semikonduktor tipe-n, mempunyai struktur heksagonal dengan parameter kisi a = 4,1439 Å dan c = 6,72 Å, merupakan buffer yang berfungsi terutama untuk memperbesar efek fotovoltaik serta menghindari diffusi unsur-unsur In, Se dan oksigen. Lapisan buffer CdS tersebut dengan ketebalan (38-65) 10 2 Å yang terdeposisi diantara lapisan CuInSe 2 dan lapisan ZnO multilayer dapat menghasilkan tegangan sampai 101 mv dan arus 0,99 µa. Sistem p-n junction CuInSe 2 - CdS - ZnO multilayer yang dihasilkan dengan menggunakan metode RF Sputtering dapat diaplikasikan sebagai sel surya. Besarnya efek fotovoltaik yang dihasilkan oleh sistem p-n junction tergantung pada beberapa parameter sputtering, diantaranya ketebalan lapisan dan sifat dari tiap-tiap lapisan pembentuk sel surya. Sesuai dengan parameter desain dan batasan desain, beberapa target dari penelitian ini bisa tercapai secara kualitatif. Namun secara kuantitatif (besarnya arus dan tegangan fotovoltaik) masih belum terpenuhi, sehingga masih perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk bisa mencapai hasil optimal. DAFTAR PUSTAKA 1. ATMONO, T.M., Lapisan Tipis dan Aplikasinya Untuk Sensor Magnet Dan Sensor Gas, P3TM BATAN, Yogyakarta, ENARWATI, Studi Awal Preparasi Bahan Semikonduktor CuInSe 2 Dengan Metode Bridgman, Skripsi, Universitas Negeri, Yogyakarta, RAMANATHAN, K., HASOON, et. al., Surface Treatment of CuInGaSe 2 Thin Films and Its Effect on the Photovoltaic Properties of Solar Cells, Journal, 13 th ICTMC, ROCKETT, A., BIRMIRE, R.W., CuInSe 2 for Photovoltaic Application, Jurnal, University of Illionois, TANYA JAWAB Widarto Apakah pengaruh ketebalan preparasi terhadap lapisan tipis. Faktor apa anda membuat 4 variasi ketebalan tersebut? Ketebalan lapisan sangat menentukan parameter penting sel surya, yaitu I sc, V oc, fill factor dan efisiensi karena sifat-sifat internal (gap energi, Fermi level, depletion layer) dipengaruhi oleh ketebalan lapisan semikonduktor (dan juga buffer) CIS-Cds-ZnO yang membentuk P-N junction. Tentu saja lebih banyak (>4) akan menghasilkan data yang lebih akurat. Akan dilakukan pada penelitian berikutnya. Y. Sardjono Penelitian Bapak metode sputtering untuk lapisan tipis sel surya, mohon komentar yaitu kapan/ target aplikasi sel surya yang Bapak teliti. Kira-kira target harga sel surya tersebut berapa rupiah/kwh. Belum bisa menentukan, tergantung dari dana penelitian yang disediakan, dan juga SDM (peneliti) yang mau bekerja sama dengan penuh motivasi dan dibantu oleh mahasiswa yang dinamis.

7 , dkk. ISSN Maaf, belum bisa memperkirakan. Bambang Supardiyono Apakah data/grafik sudah smoothing (grafik arus vs ketebalan CdS)? Kalau belum, bagaimana menentukan puncaknya. Memang belum dilakukan smoothing pada grafik arus vs ketebalan CdS. Puncaknya ditentukan berdasarkan hasil pengukuran, arus dan tegangan fotovoltaik maksimal, I sc dan V oc.