ELEKTRODEPOSISI
FILM TIPIS SEMIKONDUKTOR
Cu
2ZnSnS
4(CZTS) PADA SUBSTRAT KACA ITO
TRI JUNIARTI
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Elektrodeposisi Film Tipis Semikonduktor Cu2ZnSnS4 (CZTS) pada Substrat Kaca ITO adalah benar
karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
ABSTRAK
TRI JUNIARTI. Elektrodeposisi Film Tipis Semikonduktor Cu2ZnSnS4 (CZTS) pada Substrat Kaca ITO. Dibimbing oleh SRI SUGIARTI dan AHMAD SJAHRIZA.
Semikonduktor film tipis Cu2ZnSnS4 (CZTS) yang dibuat sebagai bagian penyerap cahaya pada modul sel surya disintesis dengan metode elektrodeposisi. Film tipis CZTS dielektrodeposisi pada permukaan substrat kaca yang dilapisi dengan lapis tipis indium timah oksida (ITO). Proses deposisi menggunakan potensiometer pada suhu ruang dengan tegangan 1.05 volt selama 30, 45, dan 60 menit, setelah itu film dipanaskan menggunakan 2 jenis perlakuan suhu yaitu tanur 500 ºC dan piring pemanas 180 ºC dengan cara annealing selama 45 menit yang dialiri gas N2/H2S. Hasil analisis difraktogram sinar-X menggunakan program Match 2 menunjukkan bahwa film tipis CZTS memiliki struktur kristal kesterit, dengan persentase fase CZTS yang kecil. Selain itu terdapat juga fase sekunder seperti Cu2S, ZnS, dan SnS. Film tipis CZTS yang dihasilkan memiliki ketebalan dari 1.039 sampai1.676 µm. Energi band gap CZTS dengan perlakuan annealing tanur berkisar 1.50-1.52 eV, sedangkan annealing piring pemanas tidak dapat diketahui. Nilai tersebut menunjukkan bahwa film CZTS dapat digunakan sebagai absorben sinar matahari pada sel surya. Pembentukan film kristal CZTS pada penelitian ini efektif dilakukan dengan proses annealing menggunakan tanur suhu 500 ºC dan waktu deposisi 45 menit.
Kata kunci: Cu2ZnSnS4, Elektrodeposisi, Film Tipis
ABSTRACT
TRI JUNIARTI. Electrodeposition of Semiconductor Cu2ZnSnS4 (CZTS) Thin Films on ITO Substrat. Supervised by SRI SUGIARTI and AHMAD SJAHRIZA.
Semiconductor Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin film that can be used as absorber layers on solar cell module was made via electrodeposition method. CZTS thin film was electrodeposited on the surface of a silicate glass coated with a thin layer of indium tin oxide (ITO). Deposition process was done using potentiostatic mode at room temperature with a potential of 1.05 V for 30, 45, and 60 minutes, followed with annealing the film at 2 different temperatures, 500 ºC using furnace and 180 ºC using hot plate, both treatments for 45 minutes in N2/H2S atmosphere. The X-ray difractograms were analyzed using Match 2 program and showed that the CZTS thin films had kesterit crystalline structure, with a low percentage of CZTS phase. The thin film also contained secondary phases such as Cu2S, ZnS, and SnS. The obtained CZTS thin films had a thickness between 1.039 and 1.676 µm. Absorption study showed that the band gap energy of CZTS thin films which was annealed using furnace ranged from 1.50 to 1.52 eV, whereas that annealed using the hot plate was not observed. The band gap energy value showed that CZTS thin films can be used as sunlight absorber layers on solar cell. The formation of CZTS crystal film on this investigation was effectively performed using furnace annealing process at a temperature of 500 ºC with deposition time of 45 minutes.
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains
pada
Departemen Kimia
ELEKTRODEPOSISI
FILM TIPIS SEMIKONDUKTOR
Cu
2ZnSnS
4(CZTS) PADA SUBSTRAT KACA ITO
TRI JUNIARTI
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR
Judul Skripsi : Elektrodeposisi Film Tipis Semikonduktor Cu2ZnSnS4 (CZTS)
pada Substrat Kaca ITO Nama : Tri Juniarti
NIM : G44090079
Disetujui oleh
Sri Sugiarti PhD Pembimbing I
Drs Ahmad Sjahriza Pembimbing II
Diketahui oleh
Prof Dr Dra Purwantiningsih Sugita MS Ketua Departemen
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Mei 2013 ini, dengan judul Elektrodeposisi Film Tipis Semikonduktor Cu2ZnSnS4 (CZTS) pada Substrat Kaca
ITO.
Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada Ibu Sri Sugiarti PhD selaku pembimbing pertama dan Bapak Drs Ahmad Sjahriza selaku pembimbing kedua yang telah dengan sabar memberikan arahan dan bimbingannya serta membagi ilmunya kepada penulis. Tidak lupa ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada seluruh pihak yang turut membantu dan mendukung kelancaran penulis dalam menyelesaikan penelitian dan penulisan skripsi ini, termasuk Perusahaan Pupuk Kaltim, seluruh dosen, laboran dan staf Departemen Kimia IPB, serta seluruh teman seperjuangan. Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada kedua orang tua yang selalu mendukung dan mendoakan penulis.
Semoga skripsi ini dapat bermanfaat dan menjadi sumbangan pemikiran bagi pihak yang membutuhkan, khususnya bagi penulis sehingga tujuan yang diharapkan dapat tercapai. Aamiin.
Bogor, Januari 2014
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI vii
DAFTAR TABEL viii
DAFTAR GAMBAR viii
DAFTAR LAMPIRAN viii
PENDAHULUAN 1
METODE 2
Bahan dan Alat 2
Pembersihan Pelat Kaca ITO (Reith & Gerben 2012 ) 2
Pembuatan Larutan Baku 3
Electrodeposition (Modifikasi Pawar et al. 2012) 3
Pembuatan Gas H2S 3
Proses Pengerasan (Annealing) 3
Analisis Struktur Kristal CZTS dengan Metode XRD 4
Analisis Kandungan Unsur dengan AAS 4
Morfologi dan Komposisi Film CZTS dengan Metode SEM-EDX 4 Analisis Koefisien Absorpsi dan Energi Band Gap Film CZTS 5
HASIL DAN PEMBAHASAN 5
Proses Pengerasan (Annealing) 6
Karakteristik Film CZTS dengan Metode XRD 7
Karakteristik Film CZTS dengan Metode AAS 10
Analisis Morfologi dan Ketebalan Film CZTS dengan Metode SEM 10 Analisis Energi Band Gap dan Koefisien Absorpsi Film CZTS 12
SIMPULAN DAN SARAN 14
Simpulan 14
Saran 14
DAFTAR PUSTAKA 14
DAFTAR TABEL
1 Hasil analisis pengujian XRD menggunakan program Match 2 9 2 Hasil analisis spektrometer serapan atom (AAS) 10
3 Ketebalan film CZTS 11
4 Kandungan unsur film perlakuan annealing hasil EDX 12 5 Koefisien absorpsi dan energi band gap film CZTS 13
DAFTAR GAMBAR
1 Hasil deposisi film CZTS sebelum annealing 6
2 Hasil annealing film CZTS perlakuan suhu 500 ºC di tanur 7 3 Hasil annealing film CZTS perlakuan suhu 180 ºC di piring pemanas 7
4 Difraktogram film CZTS sebelum annealing 7
5 Difraktogram film CZTS setelah annealing 8
6 Nilai indeks Miller CZTS (Pawar et. al 2010) 8
7 Hasil Analisis difraktogram XRD menggunakan program Match 2 9 8 Foto SEM film perlakuan annealing tanur (a) dan piring pemanas (b) 11 9 Hasil pengukuran ketebalan film CZTS menggunakan SEM 12
DAFTAR LAMPIRAN
1 Bagan alir penelitian 16
2 Difraktogram XRD 17
3 Hasil analisis pengujian XRD menggunakan program Match 2 19 4 Spektrum spektroskopi sinar-X dispersi energi (EDX) 25
PENDAHULUAN
Kebutuhan akan energi yang terus meningkat dan semakin menipisnya cadangan minyak bumi mengharuskan manusia untuk mencari sumber-sumber energi alternatif terbarukan. Tingkat konsumsi energi di seluruh dunia saat ini diprediksikan akan meningkat sebesar 70% antara tahun 2000 sampai 2030. Cadangan sumber energi yang berasal dari fosil diseluruh dunia diperkirakan hanya tersedia sampai 40 tahun ke depan untuk minyak bumi, 60 tahun untuk gas alam, dan 200 tahun untuk batu bara. Sumber energi yang berasal dari fosil saat ini menyumbang 87.7% kebutuhan energi global, sementara tenaga air, tenaga angin, geotermal, biomassa, dan sumber energi matahari menyumbang 12.3% (BNEF 2012).
Pengembangan sumber daya energi terbarukan telah menjadi salah satu tugas penting yang diberikan kepada para peneliti bidang ilmu pengetahuan alam. Salah satu sumber alternatif energi terbarukan yang terbaik untuk memenuhi kebutuhan energi masyarakat adalah energi surya. Energi surya merupakan sumber energi yang sifatnya berkelanjutan, jumlahnya sangat besar, dan hampir setiap lokasi di belahan dunia ini menerima sinar matahari sehingga menjadi alternatif sumber energi masa depan yang sangat menjanjikan. Sel surya juga memiliki kelebihan menjadi sumber energi praktis karena tidak membutuhkan transmisi sehingga fleksibel dipasang secara modular di setiap lokasi. Berbagai keunggulan ini, mendorong negara-negara maju untuk mengembangkan teknologi pembuatan sel surya.
Pengembangan sel surya dapat menggunakan perangkat fotovoltaik dengan biaya rendah, efisiensi tinggi, dan kurang merusak lingkungan. Sel surya yang dikembangkan para peneliti pada teknologi generasi pertama menggunakan bahan dasar silikon, di antaranya kristal tunggal, multikristal, dan lapis tipis. Teknologi ini mampu menghasilkan sel surya dengan efisiensi konversi daya yang tinggi yaitu sebesar 20%. Masalah terbesar yang dihadapi dalam pengembangan sel surya berbasis silikon kristal tunggal adalah produksi biasanya secara komersial sangat mahal sehingga membuat panel sel surya yang dihasilkan menjadi tidak efisien sebagai sumber energi alternatif (Byrne et al., 2010).
Generasi kedua adalah sel surya yang dibuat dengan teknologi lapisan tipis (thin film). Sel surya ini menggunakan lapisan tipis bahan semikonduktor seperti kadmium telurida (CdTe) dan tembaga indium galium selenida (CIGS) yang berfungsi sebagai penyerap sinar matahari. Sel surya yang dikembangkan dengan semikonduktor CdTe dan CIGS memiliki efisiensi relatif tinggi yaitu sebesar 19.5%. Keunggulan lainnya dengan teknik lapisan tipis ini adalah semikonduktor yang digunakan bisa di deposisi pada substrat yang lentur sehingga menghasilkan sel surya yang fleksibel. Masalahnya material CdTe dan CIGS belum dapat diterima dengan baik karena mengandung unsur kadmium atau selenium yang beracun dan tidak ramah lingkungan, serta unsur indium atau galium yang kelimpahannya di alam sangat sedikit menyebabkan harganya sangat mahal (Poortmans & Vladimir 2007).
2
energi band gap atau celah pita yang ideal yaitu 1.4-1.6 eV untuk mengkonversi maksimal jumlah energi dari spektrum matahari menjadi listrik (Lin et al. 2012). CZTS juga memiliki koefisien daya serap yang tinggi, yaitu lebih dari 104cm-1 daerah tampak dari spektrum elektromagnetik (Wang 2011). Semikonduktor dengan celah energi relatif kecil dan koefisien absorpsi tinggi cocok digunakan untuk sel surya.
CZTS mulai dikembangkan sebagai energi fotovoltaik pada tahun 1988 menemukan bahwa CZTS mampu mengonversi cahaya matahari menjadi energi listrik secara langsung menggunakan substrat stainless steel. Tahun 1997, Friedlmeier et al. dalam Katigiri (2005) membuat sel surya menggunakan lapisan CZTS sebagai penjerap cahaya dengan lapisan jendela n-CdS/ZnO dengan teknik evaporasi menghasilkan energi band gap sebesar 1.51 eV. Todorov et al. (2010) menghasilkan energi band gap sel surya CZTS sebesar 1.45 eV dengan teknik pembentukan melalui evaporasi suhu. Teknik deposisi film tipis semikonduktor CZTS terbagi menjadi dua, yaitu teknik berbasis vakum (evaporasi, pemercikan, pelapisan putar larutan prazat, deposisi laser, deposisi penguapan kimia) dan teknik berbasis larutan (elektrodeposisi, larutan tinta prazat, berbasis tinta nanokristal) (Khare 2012).
Penelitian ini bertujuan membuat semikonduktor film tipis Cu2ZnSnS4
(CZTS) menggunakan teknik Elektrodeposis. Teknik ini dipilih karena biaya rendah, ramah lingkungan, deposisi area yang luas, dan menggunakan peralatan yang sederhana. Langkah pembentukan film tipis CZTS dengan cara elektrodeposisi dari gabungan elektrolit yang dimasukkan dalam wadah secara bersamaan untuk membuat film (Pawar et al. 2010).
METODE
Alat-alat yang digunakan adalah peralatan gelas, piring pemanas, potentiostat, elektroda Ag/AgCl, elektroda Pt, difraktometer sinar-X (XRD) Shimadzu XRD-7000 Maxima, mikroskop elektron payaran (SEM) Zeiss EVO 50, sinar-X dispersif energi (EDX) Bruker AXS XFlash Detektor 4010, spektrofotometer UV-tampak Ganesys 10, spektrometer serapan atom (AAS) tipe AA-7000 untuk analisis logam Cu dan Zn dan tipe AA-6300 untuk analisis logam Sn.
Pembersihan Pelat Kaca ITO (Reith & Gerben 2012 )
3 lalu dipanaskan selama 12 jam dengan suhu 120 ºC. Setelah itu, kaca ITO dipindahkan ke dalam gelas piala yang berbeda dan dipapar gelombang ultrasonik selama 10 menit dengan masing-masing gelas piala berisi air bebas ion, aseton, isopropanol, dan air bebas ion. Tahap terakhir, kaca ITO dikeringkan dengan mengalirkan gas nitrogen.
Pembuatan Larutan Baku
Pembuatan larutan baku konsentrasi 0.500 M dengan cara menimbang masing-masing serbuk CuSO4.5H2O, ZnSO4.7H2O, SnSO4, Na2S2O3.5H2O,
C6H5Na3O7.2H2O, dan C4H6O6. Serbuk tersebut masing-masing dimasukkan
dalam labu takar 50 mL yang ditera dengan air bebas ion. Banyaknya pengenceran dilakukan sesuai dengan kosentrasi yang diinginkan
Elektrodeposisi (Modifikasi Pawar et al. 2012)
Pembuatan lapisan film tipis CZTS dengan menyiapakan wadah elektrolit berair yang mengandung 0.02 M CuSO4.5H2O (20 mL), 0.01 M ZnSO4.7H2O (10
mL), 0.02 M SnSO4 (10 mL), dan 0.02 M Na2S2O3.5H2O (40 mL). Agen
pengkompleks yang digunakan 0.2 M C6H5Na3O7. 2H2O (21 mL) dan 0.1 M
C4H6O6 (1 mL) dengan kondisi pH sekitar 4.5-5.0. Elektroda yang digunakan
terdiri dari: elektroda Ag/AgCl sebagai elektroda referensi, elektroda Pt sebagai elektroda inert, dan kaca ITO sebagai elektroda kerja. Deposisi film CZTS menggunakan potensiostat yang waktu deposisinya dibuat bervariasi 30, 45, dan 60 menit dengan tegangan sebesar 1.05 volt pada suhu kamar. Setelah deposisi, film tersebut dibilas dengan air bebas ion dan dikeringkan menggunakan gas nitrogen.
Pembuatan Gas H2S (Semishin 1968)
Sebanyak 5 g FeS dimasukkan dalam tabung kaca dan ditambahkan 20 mL HCl pekat. Tabung kaca ditutup dengan sumbat yang telah diberi selang pipa, gas yang terbentuk keluar dari ujung-ujung pipa.
Proses Pengerasan (Annealing)
Film yang terbentuk hasil deposisi dikeraskan dengan menggunakan 2 jenis perlakuan pemanasan yaitu menggunakan tanur dan piring pemanas. Film hasil deposisi dipotong dengan ukuran 1 cm x 2 cm. Film tersebut dimasukkan dalam rangkaian alat kaca yang dialiri gas N2 + H2S selama 45 menit dengan suhu 500
4
spektrofotometer UV-tampak. Diagram alir penelitian dapat dilihat pada Lampiran 1.
Analisis Struktur Kristal CZTS dengan Metode XRD
Difraksi sinar-X (XRD) adalah peralatan untuk menentukan struktur kristal, dengan spesifikasi berupa Shimadzu XRD-7000 Maxima yang ada di Badan Penelitian dan Pengembangan Kehutanan, Departemen Kehutanan, Bogor. Kaca film CZTS diletakkan pada penjepit contoh alumunium, kemudian diletakkan pada alat XRD dan diradiasi menggunakan Sinar X dengan Kα Cu sebesar 1.54056 Å. Sudut 2θ yang digunakan dari 20°-80°, kecepatan pemayaran sebesar 2.0000 (deg/min), dan pengambilan contoh sebesar 0.0200 (deg). Data yang didapat dari hasil pengujian XRD (Lampiran 2) adalah data antara intensitas dengan sudut 2θ. Untuk mengetahui komposisi contoh secara kualitatif dan kuantitatif dilakukan komputerisasi dengan menggunakan program Match 2. Program Match 2 memberikan informasi hasil data berupa jenis struktur kristal yang terbentuk, persentase komposisi unsur, dan indeks Miller pada Lampiran 3.
Analisis Kandungan Unsur dengan AAS
Spektroskopi serapan atom (AAS) adalah peralatan untuk menentukan kandungan unsur yang terdapat dalam contoh film. Lapisan CZTS yang menempel pada substrat ITO dilarutkan ke dalam larutan HNO3 3 M sebanyak 25 mL hingga
endapan logam terlarut semua. Larutan selanjutnya diencerkan hingga hasil pengukuran serapan contoh berada dalam rentang deret standar. Kadar logam dalam contoh dihitung dari hasil konsentrasi logam dalam contoh ukur, faktor pengenceran dan berat contoh. Alat AAS yang digunakan tipe AA-7000 untuk analisis logam Cu dan Zn terdapat di Laboratorium Bersama Kimia IPB, dan untuk analisis logam Sn alat AAS tipe AA-6300 yang digunakan terdapat di Laboratorium Terpadu Kimia IPB.
Analisis Morfologi dan Komposisi Film CZTS dengan Metode SEM-EDX
5
Analisis Koefisien Absorpsi dan Energi Band Gap Film CZTS
Penentuan nilai energi band gap dan koefisien absorpsi film dilakukan menggunakan spektrofotometer UV-tampak yang tersedia di Laboratorium Spektroskopi, Departemen Fisika IPB. Spektrum koefisien absorpsi film CZTS diukur pada panjang gelombang antara 550-800 nm dengan keadaan tekanan dan suhu atmosfer. Hasil pengukuran berupa nilai persen transmitans (%T) yang dikonversi menjadi nilai absorbans (A) untuk menghitung nilai koefisien absorpsi film (α) dan penentuan energi band gap. Rumus-rumus yang digunakan untuk menentukan nilai band gap adalah
� =−log %� probabiliti transisi pita. Penentuan nilai konstanta probabiliti transisi pita sebesar 2, jika hν dibanding α2 membentuk garis lurus ke sumbu α = 0 sehingaa dapat
diduga merupakan band gap langsung, sedangkan apabila α ≠ 0 merupakan band gap tidak langsung dengan nilai konstanta probabiliti sebesar α1/2. Nilai energi band gap diperoleh dari perpotongan garis linier yang menyinggung kurva hasil hubungan antara (�ℎ�)� dan ℎ� dengan sumbu x (Yanfeng et al. 2003).
HASIL DAN PEMBAHASAN
Film tipis Cu2ZnSnS4 (CZTS) dibentuk dengan cara deposisi dari gabungan
6
Semikonduktor film tipis CZTS dibentuk menggunakan teknik elektrodeposisi. Proses ini dilakukan dalam berbagai variasi waktu deposisi yaitu 30, 45, dan 60 menit dengan sumber tegangan sebesar 1.05 volt pada suhu kamar menggunakan potensiostat. Hasil deposisi menunjukkan bahwa semakin lama waktu deposisi yang digunakan, logam-logam yang mengendap pada substrat akan semakin banyak (Gambar 1). Hal tersebut sesuai dengan hukum Faraday yang menyatakan bahwa massa zat yang terbentuk akibat reaksi kimia pada elektroda berbanding lurus dengan jumlah listrik yang melalui larutan selama elektrolisis.
Gambar 1 Hasil deposisi film CZTS sebelum annealing
Proses Pengerasan (Annealing)
Ketahanan pelapisan (coating) film hasil deposisi sangat dipengaruhi oleh kemampuan pelapisan logam untuk menempel pada material substrat. Jika daya adesif tidak kuat maka selain pelapisan logam tidak menempel dengan baik, hal ini dapat memberi kesempatan kepada udara lembab masuk ke celah antara lapisan logam dan substrat yang menyebabkan kontaminasi. Proses pengerasan (annealing) dibutuhkan untuk membentuk ikatan pelapisan logam yang lebih kuat dengan substrat, selain itu untuk membentuk kristal CZTS sebenarnya (Pawar et.al. 2011). Film CZTS yang terbentuk dari hasil deposisi dikeraskan dengan menggunakan 2 jenis perlakuan pemanasan yaitu menggunakan tanur suhu 500 ºC, dan hot plate yang dilengkapi dengan penangas pasir suhu 180 ºC. Hal ini dilakukan dengan tujuan membandingkan seberapa efektif pembentukan kristal CZTS dengan 2 jenis perlakuan pemanasan tersebut.
7
(a) (b)
Gambar 2 Hasil film CZTS perlakuan suhu pemanasan 500 ºC di tanur (a) sebelum annealing, (b) setelah annealing
(a) (b)
Gambar 3 Hasil film CZTS perlakuan suhu pemanasan 180 ºC di piring pemanas (a) sebelum annealing, (b) setelah annealing
Karakteristik Film CZTS dengan Metode XRD
Penentuan struktur kristal dari film CZTS yang belum di annealing dan telah di annealing masing-masing dicirikan dengan XRD. Gambar 4 adalah difraktogram film CZTS sebelum annealing. Gambar tersebut menunjukkan film CZTS masih bersifat amorf sehingga perlu dilakukan proses annealing untuk membentuk kristal CZTS yang sebenarnya. Difraktogram film CZTS setelah proses annealing pada Gambar 5 dan Lampiran 2 menunjukkan bahwa telah terbentuknya kristal CZTS.
Gambar 4 Difraktogram film CZTS sebelum annealing
8
Gambar 5 Difraktogram film CZTS setelah annealing
Gambar 6 Nilai indeks Miller CZTS (Pawar et al. 2010) Menurut Pawar et al. (2010), CZTS memiliki struktur kristal kesterit dengan indeks Miller 112, 200, 220, dan 312 (Gambar 6). Hasil pengujian XRD penelitian ini dianalisis menggunakan program Match 2 dengan database ICDD 96-900-4751 sebagai referensi sehingga dapat dikonfirmasikan bahwa fase anorganik yang terbentuk merupakan puncak CZTS dengan struktur kristal kesterit dan sistem kristal tetrahedral. Nilai indeks Miller memiliki intensitas terbesar adalah (112) nilai 2θ pada 29° (Gambar 7), hasil penelitian ini sesuai dengan yang dilaporkan Pawar et al. Dari analisis tersebut, diketahui bahwa proses deposisi dengan teknik elektrodeposisi pada penelitian ini hanya menghasilkan persentase fase CZTS yang sangat kecil. Hasil analisis tersebut juga menunjukkan bahwa terdapat fase sekunder yang terdiri dari dua gabungan logam seperti Cu2S, ZnS,
dan SnS (Tabel 1). Hal ini menunjukkan bahwa proses pembentukan kristalisasi CZTS belum sepenuhnya sempurna atau sedikitnya logam CZTS yang menempel pada substrat. Menurut Wan et al. (2012), pembentukan kristal Cu2ZnSnS4 dan
fase sekunder sangat dipengaruhi oleh suhu meliputi tahap pada reaksi di bawah ini:
Menurut Hsuan (2009), tingkat kesempurnaan terjadinya reaksi kimia pembentukan kristal membutuhkan kondisi annealing suhu tinggi sekitar 550 ºC
9 dengan waktu annealing sekitar 1.5 jam. Sedikitnya kristal CZTS yang terbentuk menunjukkan bahwa suhu annealing dan lamanya waktu annealing yang digunakan masih perlu dioptimasi.
2θ (deg)
Gambar 7 Hasil Analisis difraktogram XRD menggunakan program Match 2 Tabel 1 Hasil analisis pengujian XRD menggunakan program Match 2
Kode Contoh Fase Yang Terbentuk Nama Jumlah (%)
30 menit_T
Cu2ZnSnS4 Kesterit 3.7
Cu2S Khalkosit 65.9
ZnS Wurzite-2H 12.2
SnS Herzenbergit 18.1
45 menit_T
Cu2ZnSnS4 Kesterit 6.7
Cu2S Khalkosit 66.5
ZnS Wurzite-2H 10.7
SnS Herzenbergit 16.1
60 menit_T
Cu2ZnSnS4 Kesterit 7.3
Cu2S Khalkosit 68.9
ZnS Sphalerit 7.2
SnS Herzenbergit 16.6
30 menit_H
Cu2ZnSnS4 Kesterit 2.4
Cu2S Khalkosit 54.2
ZnS Wurzite-2H 16.6
SnS Herzenbergit 26.8
45 menit_H
Cu2ZnSnS4 Kesterit 6.1
Cu2S Khalkosit 72.1
ZnS Wurzite-2H 10.6
SnS Herzenbergit 11.2
60 menit_H
Cu2ZnSnS4 Kesterit 5.0
Cu31S16 Djurleit 82.6
ZnS Wurzite-2H 6.7
SnS Herzenbergit 5.7
Keterangan: T= tanur; H= piring pemanas
10
Pada difraktogram yang dihasilkan terlihat pula puncak substrat ITO dan holder alumunium (Al) yang ditunjukkan oleh nilai 2θ ITO pada 30° dan nilai 2θ Al pada 45°, 65°, dan 77° (Lampiran 3). Hal ini menunjukkan film CZTS yang dihasilkan pada penelitian ini tipis dan transparan. Pembentukan film kristal CZTS pada penenelitian ini efektif dilakukan proses annealing menggunakan tanur dengan suhu 500 ºC.
Karakteristik Film CZTS dengan Metode AAS
Kandungan logam CZTS hasil deposisi pada substrat ITO dapat diketahui melalui analisis spektrometer serapan atom (AAS) seperti terlihat pada Tabel 2. Untuk analisis AAS lapisan logam CZTS yang menempel pada substrat ITO dilarutkan dalam HNO3 3 M hingga endapan logam terlarut semua. Asam nitrat
(HNO3) merupakan asam anorganik yang bersifat oksidator kuat sehingga mampu
melarutkan berbagai logam (Vogel 1979).
Tabel 2 Hasil analisis spektrometer serapan atom (AAS)
Kode Contoh
Bobot
Contoh Kosentrasi Cu (ppm) Kosentrasi Zn (ppm) Kosentrasi Sn (ppm) (mg) Terdeteksi Terkoreksi Terdeteksi Terkoreksi Terdeteksi Terkoreksi
Blanko 0.0000 -0.0286 0.0000 -0.0286 0.0000 -0.6300 0.0000
Keterangan: T= tanur; H= piring pemanas
Analisis kandungan unsur menggunakan AAS pada Tabel 2 menunjukkan bahwa proses pembentukan film CZTS telah berhasil, hasil ini mendukung data dari hasil analisis diftaktogram XRD. Konsentrasi unsur timah lebih dominan terbentuk pada lapisan film CZTS baik dengan perlakuan annealing menggunakan tanur dan piring pemanas. Hal ini dapat disebabkan oleh potensial reduksi dari masing-masing logam dapat mempengaruhi banyaknya logam yang membentuk ion dalam campuran larutan untuk terdeposisi ke substrat dan adanya tambahan konsentrasi Sn dari substrat ITO yang ikut meluruh. Menurut Harvey (2000), nilai potensial reduksi dari masing-masing logam pada reaksi di bawah ini:
Cu2+(aq) + 2e ⇆ Cu(s) E0= +0.34 volt
Zn2+(aq) + 2e ⇄ Zn(s) E0= -0.76 volt
Sn2+(aq) + 2e ⇆ Sn(s) E0= -0.19 volt
Morfologi dan Ketebalan Film CZTS dengan Metode SEM
11 perlakuan annealing tanur 500 ºC memperlihatkan morfologi permukaan film dengan butiran kristal yang kecil (Gambar 8a). Berdasarkan hasil uji ketebalan film yang terbentuk pada tabel 4 menunjukkan bahwa ketebalan pori-pori lapisan film bertambah seiring lamanya waktu deposisi film, ketebalan film yang terbentuk sekitar 1 µm. Hal ini berbeda dengan film hasil deposisi 45 menit dengan perlakuan annealing menggunakan piring pemanas yang dilengkapi dengan penangas pasir suhu 180 ºC menunjukkan morfologi permukaan film dengan butiran kristal yang beragam (Gambar 8b). Ketebalan film yang dihasilkan tidak rata seiring lamanya waktu deposisi dengan ketebalan film yang terbentuk sekitar 1 µm–3 µm (Tabel 3 dan Gambar 9). Hasil ini menunjukkan bahwa masih perlu lebih dilakukan optimalisasi kondisi annealing untuk mendapatkan film yang halus dan seragam. Menurut Raghu dan Kim (2012), kristal film CZTS yang baik untuk bahan penyerap sel surya seharusnya memiliki struktur pori yang halus, seragam, dan tipis dengan ukuran butiran sekitar 1-2 µm.
Tabel 3 Ketebalan film CZTS
Kode Contoh Ketebalan (µm)
30 menit_T 1.039
45 menit _T 1.349
60 menit _T 1.519
30 menit _H 1.300
45 menit _H 3.646
60 menit _H 1.676
Keterangan: T= tanur; H= piring pemanas
(a) (b)
12
Gambar 9 Hasil pengukuran ketebalan film CZTS menggunakan SEM Analisis kandungan unsur dengan menggunakan SEM-EDX (Lampiran 4) menunjukkan bahwa proses pembentukan film CZTS telah berhasil, data ini mendukung hasil analisis menggunakan XRD dan AAS. Kandungan unsur timah yang terdeteksi lebih dominan dibandingkan dengan unsur lainnya baik perlakuan annealing menggunakan tanur maupun piring pemanas yang dapat dilihat pada Tabel 4.
Tabel 4 Kandungan unsur film hasil EDX
Element Atom. C (at. %) saat Annealing
Tanur Piring pemanas
Tembaga 0.45 0.46
Seng 0.14 0.17
Timah 1.86 3.73
Sulfur 0.34 0.75
Indium 0.19 3.84
Analisis Energi Band Gap dan Koefisien Absorpsi Film CZTS
13 diperoleh berupa persen transmitan terhadap panjang gelombang, lalu dianalisis lebih lanjut dengan menghitung menggunakan persamaan hubungan antara koefisien absorpsi semikonduktor dan energi band gap.
Nilai energi band gap didefinisikan sebagai sejumlah energi yang dibutuhkan untuk mengeluarkan elektron dari pita valensi sehingga terjadi aliran arus listrik. Semakin kecil nilai energi band gap suatu material, maka akan semakin mudah untuk mentransfer energi dari pita valensi ke pita konduksi. Nilai energi band gap yang ideal berkisar dari 1.4-1.6 eV sehingga akan menghasilkan celah pita ideal untuk mengonversi maksimal jumlah energi dari spektrum matahari menjadi listrik (Pawar et al. 2010). Tabel 5 menunjukkan besarnya energi band gap yang dihasilkan dari film perlakuan annealing tanur dan piring pemanas. Dalam penelitian ini, energi band gap yang dihasilkan oleh fase kristal CZTS dengan perlakuan annealing tanur berkisar 1.50-1.52 eV. Nilai energi band gap dengan perlakuan annealing menggunakan piring pemanas tidak dapat diketahui, hal ini disebabkan karena lapisan film yang terbentuk sangat tebal dan tidak transparan mengakibatkan sinar dari spektrofotometer UV-tampak tidak dapat diteruskan menghasilkan nilai transmitan. Menurut Wang (2011), nilai energi band gap fase kristal CZTS sebesar 1.50 eV. Energi band gap fase Cu2S
sebesar 2.36 eV dan SnS sebesar 2.22 eV (Mitzi 2009). Nilai energi band gap fase ZnS sebesar 3.58 eV (Markvart & Luis 2008).
Selain energi band gap, juga dilakukan penentuan koefisien absorpsi. Koefisien absorpsi merupakan kemampuan suatu material menyerap sebanyak mungkin radiasi sinar yang berasal dari cahaya matahari. Semakin besar nilai koefisien absorpsi, maka memungkinkan untuk dapat menyerap sinar matahari yang mempunyai energi sangat bermacam-macam sehingga energi listrik yang dihasilkan akan semakin besar pula. Menurut Pawar et al. (2010), nilai koefisien absorpsi film yang baik lebih dari 104 cm-1. Nilai koefisien absorpsi yang
dihasilkan dari film perlakuan annealing tanur pada penelitian ini yaitu sebesar 5.41×103 cm-1, 8.37×103 cm-1, dan 2.03×104 cm-1.
Tabel 5 Koefisien absorpsi dan energi band gap film CZTS
Kode Contoh Koefisien absorpsi (cm-1) Eg (eV)
30 menit_T 8.37×103 1.51
45 menit _T 5.41×103 1.52
60 menit _T 2.03×104 1.50
14
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Hasil dari pengukuran karakterisasi optik difraktogram XRD yang dianalisis menggunakan program Match 2 dengan database ICDD diperoleh puncak utama arah kristal CZTS adalah (112) dengan struktur kristal kesterit, yang menunjukkan bahwa material lapisan tipis yang didapatkan sesuai dengan harapan. Film CZTS yang dibuat juga mengandung fase sekunder yang terdiri dari Cu2S, ZnS, dan SnS. Hal ini di dukung dengan data hasil analisis menggunakan
AAS, SEM, dan EDX. Film tipis CZTS yang dihasilkan memiliki ketebalan dari 1.039-1.676 µm, energi band gap CZTS dengan perlakuan annealing tanur berkisar 1.50-1.52 eV sedangkan dengan perlakuan annealing menggunakan piring pemanas tidak dapat diketahui. Dengan nilai tersebut menunjukkan bahwa film CZTS dapat digunakan sebagai absorben sinar matahari pada sel surya. Pembentukan film kristal CZTS penelitian ini efektif dilakukan pada proses annealing menggunakan tanur dengan suhu 500 ºC dengan waktu deposisi 45 menit.
Saran
Hasil yang didapat dari penelitian ini adalah material semikonduktor penjerap foton dari sinar matahari untuk aplikasi sel surya. Akan tetapi, material yang dihasilkan masih terdiri dari single junction sehingga perlu dibuat multijunction agar radiasi foton matahari yang terserap lebih banyak. Selain itu, persentase material fase primer yaitu CZTS yang dihasilkan tergolong sedikit dibandingkan dengan fase sekundernya. Oleh karena itu, perlu dilakukan optimasi suhu dan waktu saat proses annealing serta dilakukan perhitungan ukuran kristal material yang dihasilkan.
.
DAFTAR PUSTAKA
[BNEF] Bloomberg New Energy Finance. 2012. Global Trends in Renewable Energy Investment 2012. Jerman (DE): Frankfurt School-UNEP Collaborating Centre.
Byrne J, Lado K, Manu V, Ashok K, Jung M, Xilin Z, Jun T, dan Wilson R. 2010. World Solar Energy Review: Technology, Markets, and Policies. Jerman (DE): Center for Energy and Envcironmental Policy.
Harvey D. 2010. Modern Analiyitical Chemistry. Amerika Serikat (US): McGraw-Hill.
Hsuan KW. 2009. The study of Cu2ZnSnS4 thin film formation using Zn and
Cu2SnSe3 bi layers [tesis]. Taiwan (TW): National Cheng Kung University.
Katagiri H. 2005. Cu2ZnSnS4 thin film solar cells. Thin Solid Films 480: 426-432.
15 Khare A. 2012. Synthesis and characterization of copper zinc tin sulfide (CZTS) nanoparticles and thin films [disertasi]. Amerika Serikat (US): University of Minnesota.
Lin X, Kavalakkatt J, Kornhuber K, Levcenko S, Martha Ch, Steiner L, Ennaoui A. 2012. Structural and optical properties of Cu2ZnSnS4 thin film absorbers
from ZnS and Cu3SnS4 nanoparticle precursors. Thin Solid Films: 1-4. doi:
10.1016/2012.10.034
Markvart T dan Luis C. 2008. Practical Handbook Photovoltaics: Fundamentals and Applications. Amerika Serikat (US): Elsevier Science.
Mitzi D. 2009. Solution Processing of Inorganic Materials. Amerika Serikat (US): Wiley.
Pawar BS, Pawar SM, Gurav KV, Shin SW, Lee JY, Kolekar SS, dan Kim JH. 2011. Effect of annealing atmosphere on the properties of electrochemically deposited Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin films. Renewable Energy: 1-5. doi:
10.5402/2011/934575.
Pawar SM, Pawar BS, Moholkar AV, Choi DS, Yun JH, Moon JH, Kolekar SS, Kim JH. 2010. Single step electrosynthesis of Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin films
for solar cell application. Electrochimica Acta 55: 4057-4061. doi: 10.0013/2010/4686.
Pawar SM, Pawar BS, Gurav KV, Bae DW, Kwon SH, Kolekar SS, and Kim JH. 2012. Fabrication of Cu2ZnSnS4 thin film solar cell using single step
electrodeposition method. Japanese Journal of Appl Phys 51: 1-4. doi: 10.1143/JJAP.51.10NC27.
Poortmans J dan Vladimir A. 2007. Thin Film Solar Cells Fabrication, Characterization, and Application. Amerika Serikat (US): Wiley.
Raghu N dan Kim JY. 2012. C-Zn-Sn-S thin films from electrodeposited metallic precursor layers. Open Surface Sci: 19-24. doi: 1876.5319/12.
Reith P dan Gerben H. 2012. Investigating electrodeposition to grow CATS thin film for solar cell applicatipons [disertasi]. Amerika Serikat (US): University of Minnesota.
Semishin V. 1968. Laboratory Exercises in General Chemistry. Moskow: Forgotten.
Todorov T, Wang K,Gunawan O, Shin B, Chey SJ, Bojarczuk NA, Mitzi D, Guhaa S. 2010. Thermally evaporated Cu2ZnSnS4 solar cells. Appl Phys Lett 1: 97-99. doi: 10.1063/1.3499284.
Vogel. 1979. Textbook Of Macro And SemiMicro Qualitative Inorganic Analysis Ed ke-5. Amerika Serikat (US): Longman.
Wan C, Brion B, Wenbing Y, Choong H, Yang Y. 2012. Reaction pathways for the formation of Cu2ZnSnS4 (CZTS) absorber materials from liquid phase
hydrazine based precurursor inks. Energy Environmental Science 3: 1-6 doi: 10.1039/c2ee21529b.
Wang H. 2011.Progress in thin film solar cells based on Cu2ZnSnS4. International
Journal of Photoenergy: 1-10. doi: 10.1155/2011/801292.
Yanfeng G, Masuda Y, Peng Z, Yonezawa T, dan Koumoto K. 2003. Room temperature deposition of a TiO2 thin films from aqueous peroxotitanate
16
Lampiran 1 Bagan alir penelitian
Persiapan kondisi deposisi
Dibilas air bebas ion
& dikeringkan dengan gas N2
Proses
annealing
Pembersihan Pelat kacaITO Persiapan Larutan Prekursor
Chemical Bath Deposition Film
Tanur 500 oC Hotplate media pasir 180 oC
Uji XRD, SEM-EDX, AAS, dan spektrofotometer UV-tampak Film Amorf
17 Lampiran 2 Difraktogram XRD
2θ (deg)
Difraktogram XRD deposisi film 30 menit perlakuan annealing tanur
2θ (deg)
Difraktogram XRD deposisi film 45 menit perlakuan annealing tanur
2θ (deg)
Difraktogram XRD deposisi film 60 menit perlakuan annealing tanur
18
Lanjutan Lampiran 2
2θ (deg)
Difraktogram XRD deposisi film 30 menit perlakuan annealing piring pemanas
2θ (deg)
Difraktogram XRD deposisi film 45 menit perlakuan annealing piring pemanas
2θ (deg)
Difraktogram XRD deposisi film 60 menit perlakuan annealing piring pemanas
19 Lampiran 3 Hasil analisis pengujian XRD menggunakan program Match 2
20
22
Lanjutan Lampiran 3
B. Difraktogram hasil analisis pengujian XRD
Difraktogram XRD deposisi film 30 menit perlakuan annealing tanur
23 Lanjutan Lampiran 3
Difraktogram XRD deposisi film 60 menit perlakuan annealing tanur
24
Lanjutan Lampiran 3
Difraktogram XRD deposisi film 45 menit perlakuan annealing piring pemanas
25 Lampiran 4 Spektrum spektroskopi sinar-X dispersi energi (EDX)
Spektrum EDX hubungan antara keV dengan jumlah kandungan unsur film pada perlakuan annealing tanur
26
Lampiran 5 Nilai energi band gap
Kurva band gap deposisi film 30 menit perlakuan annealing tanur
Kurva band gap deposisi film 45 menit perlakuan annealing tanur
Kurva band gap deposisi film 60 menit perlakuan annealing tanur
0.0000E+00
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50
(
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50
(
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50
27
