IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.2. Karakteristik Film Tipis CdS
4.2.1 Proses Deposisi Film CdS
Metode Chemical Bath Deposistion (CBD) merupakan metode pendeposisian yang relatif sederhana dari berbagai metode pendeposisian yang telah banyak digunakan. Metode ini bertujuan untuk mendapatkan film tipis yang homogen dengan komposisi sampel yag dihasilkan dapat dikontrol sesuai dengan keinginan. Secara khusus CBD secara luas digunakan untuk menghasilkan film tipis CdS dengan kualitas film yang baik. Metode CBD yang digunakan menghasilkan permukaan film dengan kristalinitas yang lebih rendah jika dibandingkan dengan metode pendeposisian yang lain. Namun film yang
dihasilkan memperlihatkan morfologi dan konduktifitas yang baik seperti tingkat kekasaran film dan densitas pinhole (kekosongan) jika dibandingkan dengan film yang dihasilkan dengan menggunakan metode pendeposisian yang lain.
Dalam penelitian ini, metode CBD digunakan untuk menumbuhkan film tipis CdS dengan menggunakan cadmium klorida (CdCl2) sebagai sumber ion cadmium (II) (Cd2+) dan thiourea sebagai sumber ion sulfur (S2-). Selain itu, amonium (NH4OH) digunakan sebagai larutan buffer untuk mempertahankan pH selama pendeposisian dilakukan dan untuk mengontrol kecepatan reaksi.Selain itu, konsentrasi NH4OH juga dapat mempengaruhi seberapa banyak CdCl2 yang terhidrolisis dalam air. Sedangkan TEA digunakan agar larutan yang dihasilkan tidak cepat mengendap.
Film CdS yang dibuat dengan menggunakan metode Chemical Bath Deposition (CBD) memiliki stoikiometri yang tinggi dan menunjukkan resistansi dark yang tinggi pula. Selain itu, metode ini dipilih agar menghasilkan film yang lebih transparan karena dalam penelitian ini CdS digunakan sebagai window layer sehingga cahaya matahari yang jatuh pada film tipis ini dapat menembus lapisan di bawahnya. Kondisi penumbuhan CdS pada ITO telah dioptimasi baik dalam hal temperatur deposisi, lama deposisi dan kecepatan putarnya. Pada saat awal, dilakukan deposisi pada suhu 30oC selama 30 menit dengan kecepatan putar 300 rpm. Pada saat deposisi ini hanya dimasukkan sumber ion Cd dan S-nya saja. Setelah itu, deposisi dilanjutkan dengan penambahan amonim hidroksida dan TEA. Deposisi ini dilakukan selama 2 jam pada temperatur 70o
Tahapan pembentukan CdS terbagi dalam 3 tahapan yaitu tahap awal proses nucleation center, pembentukan ion per ion (mekanisme heterogen) dan pembentukan cluster per cluster (mekanisme homogen) (Mahdi et al. 2009). Proses nucleation center merupakan proses pembentukan ion Cadmium dan ion sulfur baik itu pada permukaan substrat maupun dalam larutan bath. Pembentukan CdS ion per ion menghasilkan CdS dengan morfologi yang sangat baik
C dengan kecepatan putar yang sama. Setelah beberapa saat, larutannya berubah warna menjadi kekuning-kuningan. Teknik deposisi yang digunakan ini, diadopsi dari metode yang dilakukan oleh Eitssayem et al. (2005) dengan melakukan sedikit modifikasi terhadap konsentrasi bahan yang digunakan.
dibandingkan jika yang terjadi adalah cluster per cluster. Mekanisme ion per ion ini terjadi pada pH sekitar 12. Sedangkan cluster per cluster terjadi dalam larutan dengan pH sekitar 10,5 bahkan pada pH 10, tidak ada CdS yang menempel pada permukaan substrat namun hanya membentuk koloid dalam larutan bath dan khususnya pada substrat yang menyebabkan terbentuknya film dengan derajat kristalinitas yang rendah (Pentia et al. 2000).
Dalam penelitian ini, terlihat pembentukan CdS dengan mekanisme homogen yang ditandai dengan banyaknya terdapat endapan yang menunjukkan terbentuknya koloid dalam larutan bath yang berwarna kekuning-kuningan. Akibatnya akan mempengaruhi struktur kistal CdS yang terbentuk dimana jika dibandingkan kedua mekanisme pembentukan CdS tersebut di atas, maka dapat disimpulkan bahwa dari segi struktur CdS yang dihasilkan akan lebih baik dibanding jika terjadi makanisme homogen. Kristalinitas CdS yang dihasilkan oleh mekanisme heterogen lebih baik jika dibandingkan dengan mekanisme homogen.
Lama deposisi dan temperatur deposisi mempengaruhi karakteristik fisik CdS yang dihasilkan. Jika deposisi dilakukan selama kurang dari 2 jam maka film yang dihasilkan sangat tipis. Sebaliknya jika deposisi dilakukan selama lebih dari 2 jam maka film yang dihasilkan akan semakin tebal. Film yang tebal tidak cocok digunakan sebagai window layer dalam sel surya karena cahaya matahari yang mengenai sel surya tidak akan menembus sampai pada junction. Oleh karena itu, dalam penelitian ini digunakan pendeposisian selama 2 jam. Berkaitan dengan dua mekanisme yang dijelaskan sebelumnya, jika deposisi dilakukan dalam jangka waktu yang lama maka semakin banyak cluster CdS yang menempel pada permukaan sampel sehingga akan menghasilkan morfologi film yang kurang baik.
Di samping itu, temperatur deposisi dilakukan pada suhu 70oC. Jika deposisi dilakukan pada suhu di bawah 70oC maka butuh waktu yang sangat lama untuk menumbuhkan film pada substrat kaca ITO. Selain itu, film yang dihasilkan akan sangat tipis akibat terbentuknya cluster-cluster pada permukaan sampel. Ketika suhu deposisi dinaikkan di atas 100oC maka film yang dihasilkan tidak merata dan banyak terbentuk koloid pada larutan bath yang kadang menempel pada permukaan film CdS.
Mekanisme pembentukan CdS tergantung pada prekursor yang digunakan dalam pembentukan CdS. Baik itu pemilihan sumber ion cadmium (Cd2+) maupun sumber ion sulfurnya (S2-).
Pembentukan CdS dengan menggunakan metode CBD, dapat dibuat dalam larutan yang bersifat basa dan harus terjadi hidrolisis thiourea di dalamnya. Pembentukan CdS dalam penelitian ini digunakan NH4OH yang berperan sebagai sumber basa dan agen pengkompleks untuk ion cadmium. Pembentukan ion kompleks diawali dengan terbentuknya Cd(OH)2 yang berupa endapan dengan reaksi sebagai berikut
CdCl2 + 2NH4OH → Cd(OH)2 + 2NH4Cl
Endapan Cd(OH)2 yang berwarna putih dapat bereaksi dengan larutan amonia sehingga dapat terbentuk ion kompleks [Cd(NH3)4]2+ dengan reaksi:
Cd(OH)2 + 4NH4OH → [Cd(NH3)4](OH)2 + 4H2O
Ion kompleks yang terjadi [Cd(NH3)4](OH)2 memiliki atom pusat Cadmium dan ligan [(NH3)4(OH)2]. Endapan Cd(OH)2 yang terjadi memiliki pH sekitar 8 dan ketika senyawa ini bereaksi dengan amonia maka pHnya berubah sekitar 11. Ion kompleks [Cd(NH3)4](OH)2 dapat terurai kembali menjadi
[Cd(NH3)4](OH)2 → [Cd(NH3)4]2+ + 2OH-
Selanjutnya dalam larutan terjadi dekomposisi ion kompleks tetramine [Cd(NH3)4]2+ sesuai dengan reaksi berikut ini
[Cd(NH3)4]2+ → Cd2+ + 4NH3
Sedangkan hirolisis thiourea itu sendiri terjadi dalam larutan yang bersifat basa dimana terjadi generasi ion S2- :
(NH2)2CS + 2OH- → S2- + CN2H2 + H2O
Ion cadmium yang dihasilkan dari dekomposisi ion kompleks tetramin selanjutnya bereaksi dengan ion S2- untuk membentuk CdS sebagai berikut.
Cd2+ + S2-
CdS secara luas digunakan sebagai material window pada sel surya karena memiliki bandgap yang lebar (2,42 eV), bersifat fotokonduktifitas, dan memiliki afinitas elektron yang tinggi. Sifat transparan film CdS juga yang mendukung digunakannya CdS sebagai material sel surya. Gap energi CdS dapat berubah-
ubah sesuai dengan prekursor yang digunakan dan dapat pula dilakukan dengan penambahan doping dari golongan IIIA dalam sistem periodik unsur.
Secara umum, CdS memiliki dua fase yaitu fase kubik yang merupakan fase metastabil dan fase heksagonal yang merupakan fase yang stabil pada temperatur ruang. Selain itu dalam beberapa literatur menunjukkan struktur CdS yang lainnya yaitu orthorombik (Jafari et al. 2010). Proses annealing secara khusus dapat mengubah fase CdS dari kubik menjadi heksagonal. Jika film dipanasi pada suhu di atas 300 oC, maka fase CdS akan mengalami fase transisi dari fase kubik menjadi fase heksagonal. Namun tidak semua fase kubik berubah menjadi fase heksagonal tetapi hanya sebagian saja (Mahdi et al. 2009).
Jika garam cadmium (CdSO4) digunakan sebagai prekursor, maka film yang terbentuk strukturnya kubik dan heksagonal dan pemanasan film CdS pada suhu 450 oC selama 2 jam tidak mempengaruhi struktur kristal CdS. Penelitian lainnya menemukan bahwa film CdS dengan fase kubik berubah menjadi fase heksagonal jika diannealing pada temperatur 300 oC selama 30 menit dengan disertai dengan pembentukan cadmiun oksida (CdO). Annealing pada suhu 350o