PENGARUH KANDUNGAN In PADA LAPISAN TIPIS TCO (ZnO:In) TERHADAP TEGANGAN FOTOVOLTAIK SEL SURYA CIS Uminingsih Fakultas Sains Terapan IST AKPRIND Yunanto, dan Darsono Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan BATAN - Yogyakarta. ABSTRAK PENGARUH KANDUNGAN In PADA LAPISAN TIPIS TCO (ZnO:In) TERHADAP TEGANGAN FOTOVOLTAIK SEL SURYA CIS. Telah dilakukan variasi kandungan In pada lapisan tipis TCO (ZnO:In) pada substrat gelas dan multi lapisan tipis AgCu/CIS/ZnO menggunakan teknik DC sputering. Tujuan utama penelitian ini untuk mengetahui pengaruh kandungan In terhadap tegangan fotovoltaik sel surya CIS. Sedangkan penerlitian tersendiri TCO pada subtrat gelas untuk mendapatkan data transmitasi dan resistansi sebagai fungsi kandungan In. Pada penelitian ini TCO dibentuk dari target utama ZnO dan target pin-hole In yang ditumbuki dengan ion Ar, sehingga atom target terpercik melapisi substrat kaca dan multi lapisan tipis membentuk lapisan tipis ZnO:In. Untuk mengukur resistansi, tegangan fotovoltaik digunakan multi meter digital, transmitansi digunakan UV-Vis, struktur kristal digunakan XRD, struktur mikro dan ketebalan lapisan tipis digunakan SEM. Pengukuran TCO menunjukkan bahwa nilai transmitansi terbesar sekitar 90 % pada panjang gelombang 700-900 nm, dan nilai resistansi terkecil 2 Ω. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kandungan In pada ZnO mempengaruhi tengangan foto voltaik sel surya CIS. Pada kandungan In 7,8 % bersesuaian dengan nilai resistansi 8 Ω diperoleh tegangan foto voltaik terbesar 600 mv. Sedangkan struktur kristal lapisan tipis ZnO terorientasi pada bidang (100); (002), (200), (202), lapisan tipis In (110), lapisan tipis CuInSe 2 (200), (202), (211), (220). Morfologi permukaan ZnO:In terdistribusi cukup homogen dan ketebalan masing masing lapisan tipis yaitu ZnO:In 0,5 μm, ZnO 0,7 μm, CuInSe 2 2,5 μm, AgCu 0,7 μm. ABSTRACT THE EFFECT OF In CONTENT IN TCO (ZnO:In) TO PHOTOVOLTAIC VOLTAGE OF CIS SOLAR CELLS. The variation of In contents in TCO (ZnO:In) has been deposited on glass substrat and on multi layer thin films of AgCuCuInSe 2 /ZnO by using DC sputtering technique. The main objective of this research is to study the effect of In contents of TCO on the photovoltaic voltage of AgCu/CuInSe 2 /ZnO/ZnO:In. The preparation of TCO on the glass substart was in order to get its transmission and resistance data. In this research the TCO was made by ZnO main target and In pinhole target which were bombarded by Ar ion in DC sputtering machine, so that the target atoms were sputtered and formed thin film of ZnO:In on glass substrate and also on multi layer thin film of AgCu/CuInSe 2 /ZnO.. The resistance and photovoltaic voltage were measured by using multi meter digital, the transmitance were measured by using UV-Vis, micro structure and thickness were measured by using SEM and the crystal structure were measured by using XRD. The measurement data of TCO showed that 1
the minimum resistance is 2 Ω, and the maximum transmitance is 90 % at the wave length in the range of 700-900 nm. The experiment results showed that the In content in TCO effected to photovoltaic voltage of CIS solar cell. At the experiment conditions of the resistance of 8 Ω related to 7.8 % of In content in TCO, the experimental results showed that the photovoltaic voltage was maximum at 600 mv, while the crystal structure of ZnO thin film were oriented at the plane (100); (002), (200), (202), In thin film (110). CuInSe 2 thin film (200), (202), (211), (220). The surface morphology TCO was distributed homogenously and the thickness of the each thin films of CIS were in order of 0,5 μm for ZnO:In, of 0,7 μm for ZnO, of 2,5 μm for CuInSe 2, and of 0,7 μm for AgCu. PENDAHULUAN Sel surya adalah komponen elektronik yang terbuat dari semikonduktor yang mampu mengubah cahaya matahari menjadi tenaga listrik yang disebut efek foto voltaik. Sel surya biasanya terdiri dari beberapa bagian yaitu sambungan P-N, elektroda depan dan belakang. Ada beberaa jenis sel surya diantaranya sel surya CIS (CuInSe 2 ) yang terdiri dari beberapa lapisan tipis misalnya Mo/CuInSe 2 /ZnO/ZnO:In. Disini lapisan Mo sebagai elektroda belakang, lapisan CuInSe 2 /ZnO sebagai sambungan P-N, dan lapisan ZnO:In.sebagai elektroda depan. Pada sel surya tegangan foto voltaik yang timbul pada sambungan P-N kemudian disalurkan ke beban melalui elekroda depan dan belakang. Timbulnya tegangan foto volataik karena pada sambungan P-N dikenai cahaya matahari, sehingga timbul pasangan elekron hole pada lapisan deplesi. Cahaya matahari merupakan foton yang mempunyai energi dengan panjang gelombang 300 nm sampai 1.000 nm. Dengan energi foton ini atom pada lapisan deplesi terionisasi membentuk pasangan elektron hole (Lim, J.W.,dkk, 1997). Untuk elektroda depan biasanya digunakan bahan dari logam yang mempunyai konduktansi tinggi misalnya dari bahan Cu. Bahan ini dibuat berupa larik larik yang sangat tipis supaya cahaya matahari dapat masuk ke sambungan P-N. Larik larik yang tipis ini masih mengurangi cahaya juga yang masuk ke sambungan P-N. Larik-larik untuk elektrode depan ini juga dapat dibuat dengan jumlah yang lebih sedikit, tetapi untuk pengambilan arus tidak akan efektip di seluruh permukaan sambungan P-N. (Takahashi, K and Konagai, M., 1986). Masalah tersebut dapat diatasi dengan menggunakan elektroda depan transparan. TCO (transparent conducting oxide). Elektroda transparan mempunyai konduktansi maupun transmitansi tinggi. Elektroda transparan dibuat berupa lapisan tipis dari bahan semikonduktor yang diberi tak murnian dengan bahan konduktor. Bahan semikonduktor yang digunakan diantaranya ZnO dengan tak murnian In. Dengan demikian lapisan tipis tersebut akan mempunyai nilai konduktansi tinggi yang mendekati konduktor dan juga mempunyai nilai transmitansi tinggi. Dengan menggunakan lapisan tipis TCO, maka sebagian besar cahaya masuk dan arus dari sambugan P-N akan dapat diambil di seluruh permukaan, sehingga akan meningkatkan efisiensi dari sel surya. Disamping mempunyai kelebihan tersebut di atas, juga ada kekurangannya yaitu cahaya matahari tidak seluruhnya diteruskan, karena lapisan tipis TCO mempunyai transparansi di bawah 100 %. Walaupun mempunyai transparansi di bawah 100 %, tetapi mempunyai konduktansi yang tinggi dan dapat mengambil arus dari seluruh permukaan sambungan P-N. Dengan demikian sel surya yang menggunakan elektroda depan 2
dengan lapisan tipis TCO masih lebih baik bila dibandingkan dengan sel surya yang menggunakan elektroda dari bahan logam yang dibuat larik-larik (Nunes, P., 2002). Bahan ZnO merupakan bahan semikonduktor yang memunyai tipe konduksi tipe-n dan mempunyai konduktansi cukup tinggi, demikian juga transmitansi tinggi, sehingga bahan ZnO banyak digunakan untuk lapisan tipis jendela pada sel surya. Untuk dapat dibuat elektroda depan untuk sel surya, maka lapisan tipis harus mempunyai konduktansi dan transmitansi tinggi, dengan cara meningkatkan konduktansi dengan menambah tak murnian dari bahan koduktor misalnya In. Dengan diberi tak murnian, maka akan meningkatkan konduktansi, walaupun akan menurunkan transmitansi dari lapisan tipis yang dihasilkan. Penurunan transmitansi ini akan mengurangi cahaya yang masuk ke sambungan P-N. Untuk itu tak murnian yang diberikan sekitar 10 % dari jumlah molekul dari bahan yang dibuat. (Minami, T., dkk. 1995). Lapisan tipis yang dihasilkan untuk sel surya CIS harus mempunyai karakteristik yang serupa dengan target yang digunakan untuk membuat multi lapisan tipis sel surya. Karakteristik tersebut meliputi resistansi, transmiitansi. struktur kristal, struktur mikro. Target yang digunakan adalah ZnO, In, CuInSe 2, AgCu. Selain karakteristiknya yang serupa juga ketebalan masing masing lapisan tipis harus tertentu. Lapisan tipis elektroda depan dan lapisan tipis tipe N sebagai lapisan jendela ketebalannya cukup tipis saja sekitar 0,3 μm, lapisan tipis tipe P sebagai lapisan penyerap harus cukup tebal sekitar 2,5 μm, sedangkan lapisan tipis elektroda belakang juga cukup tipis asalkan konduktivitasnya cukup besar (Sterner, J., 2004). Untuk membuat lapisan tipis ZnO:In dan multi lapisan tipis AgCu/CuInSe 2 /ZnO digunakan teknik DC suttering. Dalam teknik DC sputtering target (bahan pelapis) ditumbuki ion Ar dalam ruang vakum, sehingga atom target terpercik melapisi substrat (bahan yang dilapisi). Jumlah percikan yang terdeposisi pada substrat tergantung dari waktu deposisi, tegangan elektroda, tekanan gas Ar, suhu substrat. Untuk membuat lapisan tipis paduan ZnO:In digunakan dua target yaitu target utama (ZnO) dan pin hole (In), sehingga atom dari dua target terpercik berpadu menjadi satu paduan pada substrat Dengan melakukan variasi kandungan In pada lapisan tipis TCO diharapkan akan diperoleh tegangan foto voltaik yang optimal (Wasa, K., dan Hayakawa, S., 1991). TATA KERJA Bahan serbuk AgCu, ZnO, In dan, serbuk paduan CuInSe 2 dibuat pelet dengan cara di press pada tekanan tertentu. Serbuk paduan CuInSe 2 dibuat menggunakan metode Bridgman (Darsono dkk., 2006). Bahan serbuk kimia AgCu, ZnO, In, Cu, Se mempunyai kemurnian diatas 99.98 %. Untuk mendapatkan data transmitansi dan koduktansi dari ZnO:In maka dilakukan penelitian tersenderi dari lapisan tipis ini sebelum dilapiskan menjadi sel surya multi lapisan tipis AgCu/CuInSe 2 /ZnO/ZnO:In. Untuk itu dibuat lapisan tipis ZnO:In pada substrat kaca preparat berukuran 10 mm x 20 mm. Sedangkan untuk membuat multi lapisan tipis dibuat substrat kaca dengan ukuran 20 mm x 60 mm. Substrat ini sebelumnya dicuci bersih menggunakan aseton yang ditempatkan pada pencuci ultrasonik. Untuk membuat lapisan tipis ZnO:In pada substrat kecil, substrat ditempatkan pada anoda dari alat DC suttering, sedangkan target utama ZnO dan pinhole In ditempatkan pada katoda dalam alat DC suttering. Gas Ar dialirkan ke dalam tabung sputtering dan diionisasikan menggunakan tegangan tinggi DC. Ion 3
Ar menumbuki atom-atom pada permukaan target dari bahan ZnO dan In. Kedua atom ZnO dan In terpercik membentuk paduan ZnO:In melapisi substrat kaca. Proses deposisi lapisan tipis ZnO:In kedua pada substrat besar dilakukan sebagai berikut: pertama deposisi lapisan tipis elektroda belakang dari bahan AgCu, kedua deposisi lapisan tipis tipe P dari paduan bahan CuInSe 2, ketiga lapisan tipis tipe N dari bahan ZnO, keempat lapisan tipis TCO dari paduan bahan ZnO:In. Multi lapisan tipis ini digunakan untuk pengamatan menggunakan SEM, XRD dan tegangan foto voltaik dengan melakukan variasi kandungan In dengan megatur jumlah pin hole In di atas target utama ZnO. Untuk deposisi multi lapisan tipis AgCu/CuInSe 2 /ZnO menggunakan parameter yang optimal pada penelitian sebelumnya. Hasil dari deposisi lapisan tipis ZnO:In pada substrat kaca diukur resistansinya digunakan ohm meter digital, sedangkan transmitansinya digunakan UV-Vis. Hasil deposisi lapisan tipis ZnO:In dengan parameter yang sama tetapi dideposisikan pada multi lapisan tipis AgCu/CuInSe 2 /ZnO diukur struktur mikro permukaan dan ketebalan lapisan tipis menggunakan SEM, strukutr kristal multi lapisan menggunakan XRD dan tegangan fotovoltaik menggunakan volt meter digital dan cahaya lampu pijar yang dikalibrasi dengan daya 100 mw/cm 2. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil percobaan pembuatan dan pengukuran lapisan tipis ZnO:In pada substrat kaca dan lapisan tipis ZnO:In pada multi lapisan tipis AgCu/CuInSe 2 /ZnO disajikan pada Gambar 1 dan 2 (untuk sampel kecil) dan Gambar 3 sampai dengan 6 (untuk sampel besar) Resistansi (Ohm) 14 12 10 8 6 4 2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Kandungan indium (%) Gambar 1: Grafik hubungan antara kandungan In dengan resistansi lapisan tipis ZnO:In Bahan ZnO merupakan bahan semi konduktor yang mempunyai celah energi 3,2 ev, sehingga nilai reisitansinya tinggi, sedangkan bahan In merupakan bahan konduktor dengan celah energi nol, sehingga nilai reistansinya juga nol. Bahan ZnO bila dibuat lapisan tipis nilai 4
resistansinya semakin tinggi, tetapi mempunyai sifat transparan. Untuk menurunkan nilai resistansi lapisan tipis ZnO supaya dapat digunakan untuk elektroda transparan ialah dengan memberi tak murnian bahan In. Semakin tinggi kandungan In resistansi lapisan tipis ZnO:In semakin menurun, hal ini disebabkan karena bahan ZnO mempunyai celah energi tinggi, sedangkan In mempunyai celah energinya nol. Dengan meningkatnya kandungan In maka lebar pita akan mengecil yang akhirnya elektron akan lebih mudah melompat ke pita konduksi, dengan demikian lapisan tipis ZnO:In reistansinya menurun. 100 In 2.8 % In 5.6 % In 8.4 % In 11.2 % In 14 % Transmitansi (%) 80 60 40 20 0 400 500 600 700 800 900 Panjang Gelombang (nm) Gambar 2: Grafik hubungan antara panjang gelombang dengan prosentase transmitansi lapisan tipis ZnO:In Gambar 2 menyajikan hubungan antara panjang gelombang dengan prosentase transmitansi lapisan tipis ZnO:In dengan prosentase kandungan In yang berbeda. Dari grafik dapat dilihat dengan meningkatnya prosentase kandungan In, maka prosentase transmitansi semakin menurun. Hal ini disebabkan karena lapisan tipis ZnO mempunyai sifat transparansi yang tinggi, sedangkan bahan In merupakan bahan konduktor yang mempunyai sifat memantulkan atau menyerap. Dengan demikian semakin tinggi kandungan In, maka semakin sulit cahaya menembus lapisan tipis ZnO:In. Pada kandungan In yang tinggi penurunan prosentase transmitansi juga tinggi, walaupun resistansinya menurun, sehingga untuk lapisan TCO yang dibuat dari lapisan tipis ZnO:In yang digunakan adalah mempunyai resistansi cukup kecil tetapi dengan transmitansi yang masih cukup besar. Gambar 3 menyajikan grafik hubungan antara kandungan In dengan tegangan fotovoltaik multi lapisan tipis AgCu/CuInSe 2 /ZnO/ZnO:In. Pada kandunagan In 2,8 % memghasilkan tegangan foto voltaik 300 mv. Untuk kandungan In 5,6 % sampai 7,4 % tegangan foto voltaik naik terus sampai maksimum 600 mv. Hal ini disebabkan karena dengan naiknya kandungan In resistansi elektroda menurun, sehingga kerugian tegangan pada elektroda depan semakin kecil. Tetapi untuk kandungan In 11,8 % dan 14 % tegangan foto voltaik menurun lagi mencapai 200 mv. Hal ini disebabkan karena semakin tinggi kandungan In resistansi lapisan tipis ZnO:In 5
menurun, tetapi transmitansi lapisan tipis ZnO:In juga menurun tajam sehingga cahaya yang masuk sambungan P-N menurun juga. Penurunan cahaya yang masuk pada sambungan P-N akan mengurangi pasangan hole dan elektron yang terbentuk. Tegangan fotovoltaik (mv) 700 600 500 400 300 200 100 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Kandungan Indium (%) Gambar 3 Grafik hubungan antara kandungan In dengan tegangan fotovoltaik Gambar 4 Foto morfologi laisan tipis ZnO:In di atas multi lapisan tipis menggunakan SEM Lapisan tipis elektroda depan yang terbuat dari lapisan tipis ZnO:In berfungsi untuk mengambil arus dari lapisan tipis tipe N. Lapisan tipis ini harus mempunyai resistansi kecil dan transmitansi tinggi, tetapi juga harus mempunyai homogenitas yang cukup baik. Dengan demikian pengambilan arus dari lapisan tipis tipe N dapat diambil dari setiap titik secara baik. Foto morfologi permukaan lapisan tipis ZnO:In di atas multi lapisan tipis 6
AgCu/CuInSe 2 /ZnO/ZnO:In disajikan pada Gambar 4. Pada gambar terlihat butiran dengan ukuran besar dan kecil yang tersusun cukup homogen. Gambar 5 Foto melintang multi lapisan tipis AgCu/CuInSe 2 /ZnO/ZnO:In pada substrat kaca Multi lapisan tipis AgCu/CuInSe 2 /ZnO/ZnO:In terdiri dari lapisan tipis elektroda depan yang harus dapat meneruskan cahaya sampai ke sambungan P-N, sehingga ketebalan nya cukup tipis saja 0,5 μm, tetapi kalau terlalu tipis resistansinya masih tinggi, sehingga ketebalannya harus mencukupi untuk mendapat resistansi rendah. Untuk lapisan tipis tipe N juga harus dapat meneruskan cahaya sampai lapisan tipe P, sehingga ketebalannya juga cukup tipis saja sekitar 0,2 μm. Berbeda dengan lapisan tipis tipe P ketebalannya harus 2 μm yang cukup untuk menyerap cahaya yang melewati lapisan elektroda depan dan lapisan tipe N. Demikian juga lapisan elektroda belakang ketebalannya cukup 0,5 μm dan pada lapisan ini tidak mempengaruhi cahaya yang lewat, sehingga dengan ketebalan tidak mempengaruhi proses pembentukan elektron dan hole. Pada Gambar 5 disajikan foto tampang lintang yang menunjukkan ketebalan masing masing lapisan tipis. Bagian gelap sebelah kiri adalah bagian pemegang sampel, kemudian lapisan tipis ZnO:In 0,5 μm, lapisan tipis ZnO 0,7 μm, lapisan tipis CuInSe 2 2,5 μm, ketebalan lapisan tipis AgCu 0,7 μm. Multi lapisan tipis yang dibuat ketebalan masing masing lapisan tipis hampir menyamai ketebalan multi lapisan tipis pada literatur. 7
AgCu ± 0,89 kosong CuInSe2 ± 2,5 substrat ZnO ± 0,71 μm ZnO:In ± 0,53 μm Gambar 6 Spektrum XRD multti lapisan tipis AgCu/CuInSe 2 /ZnO/ZnO:In. Untuk mendapatkan tegangan foto voltaik yang maksimal lapisan tipis yang terbentuk pada substrat kaca harus berbentuk kristal seperti bentuk kristal target. Gambar 6 menyajikan gambar spektrum XRD multi lapisan tipis AgCu/CuInSe 2 /ZnO/ZnO:In yang dideposisikan pada substrat kaca. Pada gambar muncul puncak yang menunjukkan pertumbuhan kristal paduan ZnO pada sudut 32,34 0, 34,84 0, 64,97 0, 77,90 0 masing masing menunjukkan pertumbuhan kristal dengan bidang (100), (002), (200), (202). Lapisan tipis paling atas adalah ZnO:In, sedangkan lapisan tipis di bawahnya lapisan tipis ZnO. Dengan demikian selain menunjukkan pertumbuhan kristal ZnO juga terlihat pertumbuhan kristal In pada sudut 38,63 0 dengan bidang (110). Lapisan tipis ketiga adalah lapisan tipis CuInSe 2 dan pada spektrum muncul pada sudut 31,44 0, 33,29 0, 36,64 0, 44,87 0. Masing masing dengan bidang (200), (202), (211), (220). Lapisan tipis AgCu paling bawah tidak menunjukkan pertumbuhan kristal, hal ini karena letaknya paling bawah sehingga pantulan sinar X sangat sedikit terdeteksi. KESIMPULAN Berdasarkan hasil karakterisasi sifat listrik, sifat optik, struktur kristal dan struktur mikro dari deposisi lapisan tipis ZnO:In, maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Bahan dari ZnO:In dapat dibuat lapisan tipis sebagai TCO menggunakan teknik DC sputtering dengan target utama ZnO dan target pinhole In. 2. Kandungan In mempengaruhi nilai resistansi, transmitansi lapisan tipis ZnO:dan tegangan fotovoltaik 3. Semakin tinggi kandungan In konduktansi meningkat tetapi transmitansi menurun, sehingga tegangan fotovoltaik akan naik, karena kerugian tegangan pada elektorda depan menurun, tetapi tegangan foto voltaik turun lagi, karena transmitansi menurun 4. Hasil karakterisasi struktur kristal lapisan dengan XRD diperoleh puncak puncak yang menunjukkan pertumbuhan polikristal pada lapisan tipis ZnO:In, lapisan tipis ZnO, lapisan tipis CuInSe 2. 5. Hasil karakterisasi struktur mikro lapisan tipis ZnO:In dengan SEM memperlihatkan bahwa butiran-butiran yang terbentuk terdistribusi cukup homogen. 8
6. Ketebalan masing masing lapisan tipis pada multi lapisan tipis AgCu/CuInSe 2 /ZnO/ZnO:In ditentukan dari elektroda depan adalah 0,5 μm, 0,7 μm, 2,5 μm dan 0,7 μm UCAPAN TERIMA KASIH Pada kesempatan ini Penulis mengucapkan terima kasih kepada Sdri.Marheni dan Sdr. J. Karmadi yang telah membantu pelaksanaan penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA Darsono, Yunanto, dan Ariswan (2006), Pembuatan Paduan CuInSe2 Menggunakan Metode Bridgman untuk Bahan Sel Surya, Prosiding Seminar Nasional Tenaga Listrik dan Mekatronik, LIPI Press, Jakarta, Indonesia. Lim, J. W, Choi, J. H, Choi, I. W (1997), "Characteristics of CuInSe2 thin film prepared by sputtering of Cu 2 Se-In 2 Se 3 target", Journal of Korean Physical Society, Vol 2, No. 30. Minami, T., Sonohara, H., Takata, S., and Fukuda, I (1995), "Low Temperature Formation of Textured ZnO Transparent Electrodes by Magnetron Sputtering", J. Vac. Sci, Technol, A 13 (3). Nunes, P., Furtunato, E., Tunelo, P., Fernando, F. B., Vilarino, P (2002), Effect of Defferent Dopant Element on The Properties of ZnO Thin Film, Pergamon, Elseiver Science Ltd. Sterner, J (2004), ALD Buffer Layer Growth and Interface Formation on Cu(In,Ga)Se 2 Solar Cell Absorbers, Acta Universitatis Upsaliensis, Uppsala.. Takahashi, K. and Konagai, M (1986), "Amorphous Silicon Solar Cells", North Oxford Academic Publishers Ltd, Tokyo. Wasa, K., Hayakawa, S (1991), Handbook of Sputter Deposition Technology, Principles, Technology and Applications, Noyes Publications, Park Ridge, USA. 9