STUDI EFEK FOTOVOLTAIK BAHAN Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 YANG DIDADAH GALIUM (BSGT) DI ATAS SUBSTRAT Si (100) TIPE-N. Abraham Marwan

Transkripsi

1 STUDI EFEK FOTOVOLTAIK BAHAN Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 YANG DIDADAH GALIUM (BSGT) DI ATAS SUBSTRAT Si (100) TIPE-N Abraham Marwan DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2007

2 Abraham Marwan. STUDI EFEK FOTOVOLTAIK BAHAN Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 YANG DIDADAH GALIUM (BSGT) DI ATAS SUBSTRAT Si (100) TIPE-N. Dibimbing oleh Irzaman dan Ardian Arief. Abstrak Telah dilakukan penumbuhan film tipis Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 (BST) yang didadah galium oksida 5% dan 10% dipreparasi di atas substrat silikon (100) tipe-n menggunakan metode chemical solution deposition (CSD). Film tipis dideposisikan dalam lima kali pelapisan dengan metode spin coating pada kecepatan putar 3000 rpm selama 30 detik. Annealing dilakukan pada temperatur 850 C, 900 C, dan 950 C selama 15 jam pada masing-masing film tipis terdeposisi. Karakterisasi resistansi dan konduktivitas menggunakan rangkaian aplikasi Op Amp: Resistance, karakterisasi efek fotovoltaik menggunakan rangkaian aplikasi Op Amp: Current to Voltage Converter, dan pengukuran arus-tegangan sel surya menggunakan rangkaian karakterisasi sel surya yang terdiri dari ampermeter, voltmeter, dan potensiometer. Hasil karakterisasi resistansi dan konduktivitas listrik didapatkan bahwa nilai konduktivitas listrik film tipis yang digunakan sekitar 30 S/m, hal tersebut mengindikasikan bahwa film tipis yang digunakan merupakan bahan semikonduktor. Hasil karakterisasi efek fotovoltaik menunjukkan adanya arus dan tegangan yang dihasilkan dari sel fotovoltaik berstruktur metal-ferroelektrik-semikonduktor. Nilai arus yang dihasilkan sel fotovoltaik sebesar 5,467 μa merupakan nilai optimal sel fotovoltaik BST tanpa bahan pendadah galium dengan suhu annealing 900 C pada kondisi pengukuran di ruang gelap. Hasil karakterisasi arus dan tegangan sel surya berstruktur Al/Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 /n-si dan Al/Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 -Ga 2 O 3 /n-si menunjukkan kemampuan material ferroelektrik membentuk kurva arus-tegangan sel surya. Efisiensi konversi sel fotovoltaik yang diperoleh memiliki orde maksimum sebesar 10-4 % dan minimum 10-7 %. Kata Kunci : BSGT, annealing, konduktivitas listrik, fotovoltaik, arus-tegangan sel surya

3 STUDI EFEK FOTOVOLTAIK BAHAN Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 YANG DIDADAH GALIUM (BSGT) DI ATAS SUBSTRAT Si TIPE-N Skripsi Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor Oleh : Abraham Marwan G DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2007

4 RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 1 September 1982 dari pasangan Bapak M. Trisno Samsoe dan Ibu Robiha Jasin. Penulis merupakan putra ketiga dari tiga bersaudara. Tahun 2001 penulis lulus dari SMU Lab School Jakarta dan pada tahun yang sama diterima di Universitas Lampung. Namum pada tahun kedua di universitas tersebut, penulis mengikuti Seleksi Penerimaan Mahasiswa Baru kembali dan diterima di Institut Pertanian Bogor, Program Studi Fisika, Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Selama mengikuti perkuliahan, penulis pernah aktif sebagai Staff Departemen Informasi dan Komunikasi Badan eksekutif Mahasiswa FMIPA (BEM FMIPA) periode , Staff Departemen Sosial dan Komunikasi Badan eksekutif Mahasiswa FMIPA (BEM FMIPA) periode Penulis pernah menjadi asisten Fisika Umum pada tahun , asisten Matematika Dasar dan Kalkulus pada tahun Penulis juga pernah mengikuti pelatihan CISCO NETWORKING ACADEMY dan ESQ.

5 Judul : Studi Efek Fotovoltaik Bahan Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 yang Didadah Galium (BSGT) di atas substrat Si (100) tipe-n Nama : Abraham Marwan NRP : G Menyetujui, Pembimbing I Pembimbing II Dr. Irzaman NIP Ardian Arief, M.Si NIP Mengetahui, Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Instutut Pertanian Bogor Prof. Dr. Ir. Yonny Koesmaryono, MS. NIP Tanggal Lulus:

6 PRAKATA Assalamualaikum Wr. Wb. Alhamdulillahhirobbil alamin, puji dan syukur penulis persembahkan kepada Allah SWT sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul Studi Efek Fotovoltaik Bahan Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 yang Didadah Galium (BSGT) di atas substrat Si (100) tipe-n sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains (S.Si) pada Departemen Fisika. Sholawat serta salam semoga senantiasa tercurah kepada junjungan kita Nabi Muhammad SAW beserta para sahabat, keluarga dan ummatnya hingga akhir zaman Pada kesempatan ini penulis gunakan untuk mengucapkan terima kasih dan memberikan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada Bapak Dr. Irzaman dan Bapak Ardian Arief M.Si. atas waktu yang telah diberikan untuk membimbing, memotivasi, dan memberikan masukan atau saran yang sangat berharga. Kepada Bapak Dr. Akhiruddin Maddu dan Bapak M. Nur Indro, M.Sc selaku dosen penguji yang banyak memberikan saran-saran yang bermanfaat untuk masa depan. Kepada kedua orang tua tercinta yang telah banyak berkorban dan mendidik dengan segala daya dan upaya. Kepada Kakak-kakak tersayang (Kak Hannah dan Kak Rini beserta semua keluarganya), kepada adik-adikku terhebat ( Kak Chacha dan Rakha) serta seluruh family penulis di manapun berada. Seluruh staff dan dosen Fisika khususnya dan IPB pada umumnya. Rekanrekan fisika 40 (G hingga G ). Teman-teman satu satu jurusan (fisika 39, fisika 41, dan fisika 42). Seluruh teman-teman seperjuangan di BEM FMIPA (Fajri Supertrainer, Wapres Jaya, Mr. Usman, dan teman teman lain dari berbagai departemen di FMIPA). Serta kepada seluruh pihak yang mendukung dan membantu penulis untuk menyelesaikan penulisan skripsi ini yang tak mungkin penulis sebutkan one by one (maaf, halamannya terbatas). Penulis menyadari akan keterbatasan yang dimiliki, untuk itu segala kritik dan saran sangat dibutuhkan guna mencapai hasil yang lebih baik. Wassalamualaikum Wr. Wb. Bogor, April 2007 Abraham Marwan

7 DAFTAR ISI Halaman DAFTAR GAMBAR. viii DAFTAR TABEL. ix DAFTAR LAMPIRAN ix PENDAHULUAN Tujuan Penelitian. 1 TINJAUAN PUSTAKA Bahan Barium Stronsium Titanat (BST). 1 Bahan Pendadah Galium.. 2 Metode Chemical Solution Deposition. 2 Efek Fotovoltaik 2 Resistansi dan Konduktivitas Listrik. 3 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya. 4 Arus Sirkuit Singkat (I sc ). 4 Potensial Sirkuit Terbuka (V oc ) 4 Fill Factor 4 Efisiensi Konversi. 4 BAHAN DAN METODE Tempat dan Waktu Penelitian.. 5 Bahan dan Alat.. 5 Persiapan Substrat 5 Pembuatan Larutan BST dan BSGT. 5 Proses Penumbuhan Film Tipis. 6 Pembuatan Sel Fotovoltaik. 6 Karakterisasi Resistansi dan Konduktivitas Listrik Film Tipis BSGT 7 Karakterisasi Efek Fotovoltaik. 7 Karakterisasi Arus dan Tegangan Sel Surya 8 HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Karakterisasi Resistansi dan Konduktivitas Listrik 8 Hasil Karakterisasi Efek Fotovoltaik. 9 Hasil Karakterisasi Arus dan Tegangan Prototipe Sel Surya 10 Karakterisasi arus-tegangan film tipis BSGT yang dipreparasi pada suhu annealing 850 C 10 Karakterisasi arus-tegangan film tipis BSGT yang dipreparasi pada suhu annealing 900 C.. 11 Karakterisasi arus-tegangan film tipis BSGT yang dipreparasi pada suhu annealing 950 C.. 12 KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan 14 Saran.. 14 DAFTAR PUSTAKA 14 LAMPIRAN.. 16

8 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1. Struktur Ba 0,5 Sr 0,5 TiO Gambar 2.2. Alat Spin Coating. 2 Gambar 2.3. Absorpsi cahaya oleh sel surya... 3 Gambar 2.4. Difusi electron dan arus untuk memproduksi arus (photocurrent). 3 Gambar 2.5. Spektrum konduktivitas listrik dan resistivitas material 3 Gambar 2.6. Penentuan arus maksimum, tegangan maksimum, dan daya maksimum. 5 Gambar 3.1. Diagram alir penelitian.. 5 Gambar 3.2. Proses annealing. 6 Gambar 3.3. Prototipe Sel Fotovoltaik.. 6 Gambar 3.4. Rangkaian karakterisasi resistansi dan konduktivitas listrik film tipis BSGT. 7 Gambar 3.5. Rangkaian karakterisasi efek Fotovoltaik.. 7 Gambar 3.6. Rangkaian karakterisasi arus-tegangan sel surya.. 8 Gambar 4.1. Hasil Pengukuran resistansi film tipis BST, BSGT 5%, dan BSGT 10% berstruktur metal-ferroelektrik-metal 8 Gambar 4.2. Hasil Pengukuran konduktivitas listrik film tipis BST, BSGT 5%, dan BSGT 10% berstruktur metal-ferroelektrik-metal... 8 Gambar 4.3. Hasil Pengukuran arus sel fotovoltaik berstruktur metal-ferroelektrik-metal. 9 Gambar 4.4. Kurva rapat arus-tegangan prototype sel surya BST 0% dengan suhu annealing 850 C. 11 Gambar 4.5. Kurva rapat arus-tegangan prototype sel surya BSGT 5% dengan suhu annealing 850 C. 11 Gambar 4.6. Kurva rapat arus-tegangan prototype sel surya BSGT 10% dengan suhu annealing 850 C. 11 Gambar 4.7. Kurva rapat arus-tegangan prototype sel surya BST 0% dengan suhu annealing 900 C. 12 Gambar 4.8. Kurva rapat arus-tegangan prototype sel surya BSGT 5% dengan suhu annealing 900 C. 12 Gambar 4.9. Kurva rapat arus-tegangan prototype sel surya BSGT 10% dengan suhu annealing 900 C 12 Gambar Kurva rapat arus-tegangan prototype sel surya BST 0% dengan suhu annealing 950 C 13

9 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1. Variasi efek pada material ferroelektrik. 3 Tabel 4.1. Hasil karakterisasi arus-tegangan prototipe sel surya BST 0%, BSGT 5%, dan BSGT 10% pada suhu annealing 850 C dengan sumber cahaya lampu 400 W 11 Tabel 4.2. Hasil karakterisasi arus-tegangan prototipe sel surya BST 0%, BSGT 5%, dan BSGT 10% pada suhu annealing 900 C dengan sumber cahaya lampu 400 W 12 Tabel 4.3. Hasil karakterisasi arus-tegangan prototipe sel surya BST 0%, BSGT 5%, dan BSGT 10% pada suhu annealing 950 C dengan sumber cahaya lampu 400 W 13 DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Hasil pengukuran resistansi dan konduktivitas listrik sel fotovoltaik. 17 Lampiran 2. Hasil pengukuran arus-tegangan sel fotovoltaik Lampiran 3. Data pengukuran arus-tegangan sel fotovoltaik BST 0% pada suhu annealing 850 C 19 Lampiran 4. Data pengukuran arus-tegangan sel fotovoltaik BSGT 5% pada suhu annealing 850 C 19 Lampiran 5. Data pengukuran arus-tegangan sel fotovoltaik BSGT 10% pada suhu annealing 850 C 20 Lampiran 6. Data pengukuran arus-tegangan sel fotovoltaik BST 0% pada suhu annealing 900 C Lampiran 7. Data pengukuran arus-tegangan sel fotovoltaik BSGT 5% pada suhu annealing 900 C. 21 Lampiran 8. Data pengukuran arus-tegangan sel fotovoltaik BSGT 10% pada suhu annealing 900 C. 21 Lampiran 9. Data pengukuran arus-tegangan sel fotovoltaik BST 0% pada suhu annealing 950 C. 22

10 PENDAHULUAN Film tipis ferroelektrik banyak digunakan dalam aplikasi untuk piranti elektrooptik dan elektronik. Beberapa material film tipis ferroelektrik yang penting antara lain Ba x Sr 1-x TiO 3, PbTiO 3, Pb(Zr x Ti x- 1)O 3, SrBiTaO 3, Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 )O 3 dan Bi 4 Ti 3 O 12. Aplikasi-aplikasi film tipis ferroelektrik menggunakan sifat dielektrik, pyroelektrik, dan elektrooptik yang khas dari bahan ferroelektrik. Sebagian dari aplikasi elektronik yang paling utama dari film tipis ferroelektrik di antaranya: non-volatile memori yang menggunakan kemampuan polarisasi (polarizability) yang tinggi, kapasitor film tipis yang menggunakan sifat dielektrik, dan sensor pyroelektrik yang menggunakan perubahan konstanta dielektrik karena suhu dan aktuator piezoelektrik yang menggunakan efek piezoelektrik yang tersusun perovskite banyak mendapat perhatian karena memiliki kemungkinan untuk menggantikan memori berbasis material SiO 2 yang sekarang digunakan sebagai Ferroelectric Random Acces Memory (FRAM) [1]. Di antara material film tipis ferroelektrik yang disebutkan di atas, Ba x Sr 1-x TiO 3 (BST) banyak digunakan sebagai FRAM karena memiliki konstanta dielektrik yang tinggi dan kapasitas penyimpanan muatan yang tinggi (high charge storage capacity) [1]. Suatu ferroelektrik RAM, jika bahan itu memiliki nilai polarisasi sekitar 10μC.cm -2 maka ia mampu menghasilkan muatan sebanyak elektron per cm -2 untuk proses pembacaan memori [2]. BST juga dipilih karena pembuatannya dapat dilakukan di laboratoruim dengan peralatan yang sederhana dan belum ada kelompok yang meneliti bahan BST dengan didadah seperti pada penelitian ini secara sistematik. Pada penelitian ini dilakukan pembuatan film tipis BST yang didadah dengan galium oksida (Ga 2 O 3 ) dengan metode chemical solution deposition (CSD) yang kemudian diuji sifat fotovoltaik dan karakterisasi awal sifat sel suryanya. Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah menguji dan mempelajari sifat fotovoltaik film tipis, melakukan penumbuhan film tipis dari bahan Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 yang didadah galium (BSGT) di atas substrat Si (100) tipe-n dengan metode chemical solution deposition (CSD). Menganalisis karakterisasi sifat listrik dari film tipis, dan mempelajari karakteristik awal prototipe sel surya. TINJAUAN PUSTAKA Bahan Barium Stronsium Titanat (BST) Film tipis Ba x Sr 1-x TiO 3 (BST) merupakan material ferroelektrik yang banyak diaplikasikan menjadi sebuah piranti karena variasi karakteristik yang dimilikinya. Antara lain aplikasi FRAM karena memiliki konstanta dielektrik dan kapasitas penyimpanan muatan yang tinggi (high charge storage capacity) [1], aplikasi Dynamic Random Acces Memory (DRAM) dan Non-Volatile Random Acces Memory (NVRAM) karena kebocoran arus yang rendah (low leakage current) [3]. Beberapa penelitian juga berpendapat kalau BST memiliki potensi untuk mengganti lapisan tipis SiO 2 pada sirkuit metal oxide semiconductor (MOS) di masa depan. Namun konstanta dielektrik yang dimiliki lapisan tipis BST jauh lebih rendah dibandingkan dengan bentuk bulknya hal ini berkaitan dengan struktur mikro butir yang baik, tingkat tekanan yang tinggi, kekosongan oksigen, formasi lapisan interfacial, dan oksidasi pada bottom electrode atau Si [4]. Struktur BST dapat dilihat pada gambar 2.1. Ion barium (Ba 2+ ) terletak di ujung rusuk kubus, ion titanium (Ti 4+ ) terletak pada diagonal ruang sedangkan ion oksigen terletak pada diagonal bidang unit sel yang berbentuk kubus. Film tipis BST dapat dibuat dengan berbagai teknik diantaranya proses sol gel [3], chemical solution deposition, sputtering, laser ablasi, dan metal oxide chemical vapour deposition [5]. Gambar 2.1. Struktur Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 (a) Polarisasi ke atas (b) Polarisasi kebawah.