Pembuatan Film Tipis Cu2ZnSnS4 sebagai Lapisan Penyerap Cahaya pada Sel Surya Menggunakan Metode Elektrodeposisi

PEMBUATAN FILM TIPIS Cu2ZnSnS4 SEBAGAI

LAPISAN PENYERAP CAHAYA PADA SEL SURYA

MENGGUNAKAN METODE ELEKTRODEPOSISI

HENDRI FIRMANSYAH

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 Pembuatan Film Tipis Cu2ZnSnS4 sebagai Lapisan Penyerap Cahaya pada Sel Surya Menggunakan

Metode Elektrodeposisi 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.

Bogor, Februari 2014 Hendri Firmansyah

ABSTRAK

HENDRI FIRMANSYAH. Pembuatan Film Tipis Cu2ZnSnS4 sebagai Lapisan

Penyerap Cahaya pada Sel Surya Menggunakan Metode Elektrodeposisi. Dibimbing oleh SRI SUGIARTI dan AHMAD SJAHRIZA.

Film tipis Cu2ZnSnS4 (CZTS) merupakan bahan alternatif semikonduktor

sebagai lapisan penyerap cahaya pada sel surya. CZTS dapat menggantikan senyawa silikon yang biasa digunakan sebagai bahan penyusun semikonduktor komersial. Kelebihan CZTS sebagai lapisan penyerap cahaya ialah ketersediaan bahan yang berlimpah di alam dan nilai koefisien absorpsi yang tinggi. Lapisan penyerap dibuat dengan menggunakan metode elektrodeposisi pada substrat kaca ITO. Film dideposisi pada tegangan –1.05 V menggunakan potensiometer pada suhu kamar selama 30, 45, dan 60 menit. Setelah itu, film dikeraskan pada suhu yang berbeda, 180 ºC dan 500 °C, selama 45 menit sambil dialiri gas N2/H2S. Berdasarkan hasil analisis difraksi sinar X, bentuk polikristalin film tipis CZTS yang terbentuk adalah kristal kesterit. Hasil tersebut diperoleh setelah CZTS dikeraskan pada suhu 500 °C sambil dialiri gas H2S/N2. Nilai energi celah pita

dari sampel CZTS diperoleh sebesar 2.2 eV dan ketebalan film 1.228_–6.366 µm. Sampel film tipis CZTS dengan waktu elektrodeposisi 45 menit pada suhu pengerasan 500 °C menunjukkan hasil terbaik dan sesuai dengan kriteria film tipis CZTS yang digunakan sebagai lapisan penyerap pada sel surya.

Kata kunci: elektrodeposisi, film tipis CZTS, kaca ITO, semikonduktor

ABSTRACT

HENDRI FIRMANSYAH. Fabrication of Cu2ZnSnS4 Thin Film as A Light

Absorber Layer on Solar Cells Using Electrodeposition Method. Supervised by SRI SUGIARTI and AHMAD SJAHRIZA.

Thin film of Cu2ZnSnS4 (CZTS) is an alternative semiconductor used as

light absorber layer on solar cell. CZTS can replace silicon that commonly used as commercial semiconductor. The advantage of using CZTS as absorber layer is due to the abundance of its chemical composer on earth, and its high value of absorption coefficient. The absorber layer was made by using electrodeposition method on ITO glass substrates. The films were deposited at room temperature using potentiostatic mode with a potential of _–1.05 V for 30, 45, and 60 minutes. After that, the films were annealed at two different temperatures, 180 ºC and 500 °C, for 45 minutes in N2/H2S atmosphere. Based on X-ray diffraction analysis,

the polycrystalline thin film obtained fall into kesterite crystal phase. This type of crystal was obtained when the CZTS was annealed at 500 °C in H2S/N2

Skripsi

sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains

pada

Departemen Kimia

PEMBUATAN FILM TIPIS Cu2ZnSnS4 SEBAGAI

LAPISAN PENYERAP CAHAYA PADA SEL SURYA

MENGGUNAKAN METODE ELEKTRODEPOSISI

HENDRI FIRMANSYAH

DEPARTEMEN KIMIA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR

Judul Skripsi : Pembuatan Film Tipis Cu2ZnSnS4 sebagai Lapisan Penyerap

Cahaya pada Sel Surya Menggunakan Metode Elektrodeposisi Nama : Hendri Firmansyah

NIM : G44090023

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 kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas rahmat dan karunia-Nya yang berlimpah penulis dapat menyelesaikan laporan hasil penelitian yang berjudul Pembuatan Film Tipis Cu2ZnSnS4 sebagai Lapisan Penyerap Cahaya

pada Sel Surya Menggunakan Metode Elektrodeposisi yang dilaksanakan sejak bulan April sampai Desember 2013.

Penulis mengucapkan terima kasih kepada Ibu Sri Sugiarti, PhD selaku pembimbing pertama dan Bapak Drs Ahmad Sjahriza selaku pembimbing kedua atas bimbingan dan dukungan yang telah diberikan kepada penulis. Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada orang tua penulis atas doa, dukungan, dan pengertiannya. Pihak yang telah berkontribusi dalam memberikan masukan teknis, antara lain Staf Kependidikan Laboratorium Kimia Anorganik, yaitu Bapak Syawal, Bapak Mulyana, Bapak Sunarca, serta teman satu tim penelitian, yaitu Trijun, Sarah, Indri, dan Shinta.

Semoga laporan hasil penelitian ini dapat bermanfaat.

Bogor, Februari 2014

DAFTAR ISI

DAFTAR TABEL viii

DAFTAR GAMBAR viii

DAFTAR LAMPIRAN viii

PENDAHULUAN 1

METODE 2

Alat dan Bahan 2

Pembersihan Substrat Kaca ITO 500 Ω (Reith 2012) 3

Elektrodeposisi Film (Modifikasi Pawar 2012) 3

Proses Pengerasan Film Tipis CZTS 3

Analisis Struktur Kristal dengan XRD 4

Analisis Morfologi dengan SEM 4

Analisis Energi Celah Pita dengan Spektrofotometer UV-Vis 4

Analisis Unsur Logam dengan AAS 5

HASIL DAN PEMBAHASAN 5

Kaca ITO 500 Ω sebagai Substrat CZTS 5

Elektrodeposisi 6

Proses Pengerasan (Annealing) 7

Struktur Kristal Menurut Hasil XRD 8

Morfologi Berdasarkan Foto SEM 11

Energi Celah Pita Hasil Pengukuran dengan Spektrofotometer UV-Vis 12

Hasil Analisis Unsur Logam dengan AAS 13

SIMPULAN DAN SARAN 14

Simpulan 14

Saran 14

DAFTAR PUSTAKA 15

LAMPIRAN 16

DAFTAR TABEL

1 Suhu pengerasan dan waktu elektrodeposisi pada sampel CZTS 4

2 Puncak 2θ dan nilai hkl CZTS JCPDS 26-0575 (Pawar 2010) 10

3 Hasil analisis spektrum XRD menggunakan program Match 2 10 4 Ukuran ketebalan film sampel CZTS hasil analisis SEM 12 5 Hasil analisis energi celah pita dengan spektrofotometer UV-Vis 13

6 Hasil analisis unsur logam dengan AAS 14

DAFTAR GAMBAR

1 Kaca ITO 5

2 Film CZTS hasil pengerasan pada suhu 500 ºC 7

3 Film CZTS hasil pengerasan pada suhu 180 ºC 8

4 Spektrum XRD sampel CZTS 8

5 Spektrum data XRD hasil analisis program Match 2 pada sampel C45T 9 6 Literatur spektrum XRD pada CZTS JCPDS 26-0575 (Pawar 2010) 9

7 Foto hasil analisis SEM sampel C45T 12

DAFTAR LAMPIRAN

1 Bagan alir penelitian 16

2 Difraktogram XRD 17

3 Difraktogram hasil analisis XRD menggunakan program Match 2 19 4 Hasil analisis XRD menggunakan program Match 2 21

5 Hasil analisis SEM 23

PENDAHULUAN

Beberapa tahun terakhir, pengembangan sumber daya energi terbarukan telah mendapatkan perhatian khusus dari para ilmuwan dunia. Hal ini terjadi karena permintaan energi secara global diperkirakan akan meningkat sekitar 50% dalam 25 tahun ke depan. Gas alam diperkirakan akan habis pada tahun 2047, minyak bumi pada tahun 2080, dan batu bara pada tahun 2180. Krisis energi ini disebabkan oleh eksploitasi energi fosil secara besar-besaran dan tidak sebanding dengan waktu yang diperlukan untuk pembentukannya (Hasan 2012). Saat ini, lebih dari 80% sumber energi di dunia berupa bahan bakar fosil seperti batu bara, minyak bumi, dan gas alam. Bahan bakar fosil tersebut akan menimbulkan permasalahan seperti efek rumah kaca dan pemanasan global sebagai akibat dari emisi gas karbon dioksida (CO2) selama proses pembakaran. Bahan bakar fosil

tersebut juga semakin mahal dan sumbernya kian terbatas. Permasalahan energi ini tentunya harus segera ditangani dengan memanfaatkan sumber daya energi alternatif yang terbarukan. Salah satu sumber daya energi terbarukan yang sangat

potensial untuk dikembangkan ialah energi matahari. Jika dibandingkan dengan energi yang berasal dari bahan bakar fosil, energi matahari memiliki keunggulan seperti sumber yang berlimpah dan bebas dari polusi sehingga ramah lingkungan (Piebalgs 2009).

Energi matahari dapat dimanfaatkan dengan menggunakan alat sel surya. Perangkat alat sel surya dilengkapi dengan semikonduktor yang memiliki permukaan luas dan dirangkai membentuk diode tipe-p dan tipe-n. Perbedaan muatan elektron antara semikonduktor tipe-p dan tipe-n membuat sel surya mampu mengubah energi matahari menjadi energi listrik (William 2006). Sel surya yang lazim digunakan untuk mengubah energi matahari menjadi energi listrik menggunakan bahan penyusun semikonduktor dari senyawa dengan kemurnian tinggi seperti kristal silikon. Persyaratan silikon sebagai semikonduktor ialah memiliki tebal lapisan penyerap sekitar 100 µm dan diproses pada suhu yang sangat tinggi (> 600 ºC). Hal ini menyebabkan sel surya berbahan dasar silikon cukup mahal harganya. Selain itu, semikonduktor berbasis silikon juga masih memiliki nilai efisiensi konversi daya yang rendah (Sarswat 2013). Alternatif silikon sebagai bahan semikonduktor adalah semikonduktor film tipis. Semikonduktor film tipis berukuran sekitar 1 µm dan di dalamnya terkandung bahan seperti kadmium telurida (CdTe) dan tembaga indium galium diselenida (CIGS). Koefisien penyerapan bahan semikonduktor ini 100 kali lebih tinggi, ketebalannya 100 kali lebih tipis daripada silikon kristal, dan dapat menyerap jumlah energi yang setara dengan semikonduktor berbahan silikon, tetapi dengan biaya yang lebih murah (Wang 2011).

Sel surya berbahan semikonduktor film lapis tipis seperti CIGS dan CdTe telah mencapai efisiensi konversi daya yang cukup tinggi, yaitu sebesar 15_–20%. Akan tetapi, bahan yang digunakan untuk pembuatannya bersifat racun dan tidak ramah lingkungan seperti kadmium, indium, dan telurium (Khare 2012). Salah satu alternatif bahan lain untuk pembuatan semikonduktor film tipis ialah Cu2ZnSnS4 (CZTS). CZTS terbuat dari bahan seperti tembaga, zink, timah, dan

2

sebesar 1.5_–2.7 eV (Pawar 2010), nilai yang ideal untuk mengubah sejumlah energi dari spektrum matahari menjadi energi listrik. CZTS juga memiliki nilai koefisien penyerapan yang tinggi, yaitu sekitar 104 cm-1 pada daerah spektrum sinar tampak dan hanya membutuhkan tebal lapisan beberapa mikron saja untuk menyerap semua foton dengan energi di atas celah pitanya. Ito (1988) melaporkan efek fotovoltaik pada heterodiode yang terdiri atas oksida timah kadmium dan film CZTS menghasilkan tegangan 165 mV pada rangkaian terbuka. Setelah itu, Friedlmeier et al. (1997) membuat film tipis CZTS dengan lapisan jendela CdS/ZnO menggunakan metode penguapan termal dalam kondisi vakum dan diperoleh nilai efisiensi konversi daya sebesar 2.3% dengan tegangan mencapai 570 mV pada rangkaian terbuka. Katagiri (2003) membuat semikonduktor dengan nilai efisiensi daya sebesar 5.45% dengan struktur perangkat elektrolisis ZnO: Al/CdS/CZTS/Mo/SLG, ketiganya diacu dalam (Jun 2011). Selanjutnya Todorov (2010) membuat CZTS (S, Se) dengan efisiensi konversi daya sebesar 9.7% menggunakan substrat kaca dengan metode evaporasi termal (Todorov 2010).

Film tipis CZTS dapat dibuat dengan menggunakan 2 metode, yaitu proses berbasis vakum yang meliputi gemercikan dan evaporasi serta proses berbasis larutan non-vakum, yang meliputi elektrodeposisi, pirolisis semprot, chemical bath deposition (CBD), dan pendekatan berbasis tinta (Lin 2012). Metode elektrodeposisi digunakan dalam pembuatan film tipis CZTS pada penelitian ini. Metode ini dipilih karena biayanya relatif murah dan metodenya lebih sederhana dibandingkan dengan metode yang lain.

Berdasarkan latar belakang di atas, penelitian ini bertujuan membuat dan mencirikan semikonduktor film tipis CZTS pada kaca indium timah oksida (ITO) 500 _Ω menggunakan metode elektrodeposisi dengan ragam waktu 30, 45, dan 60 menit. Proses pengerasan film (annealing) dilakukan pada suhu 180 dan 500 ºC. Pencirian meliputi identifikasi sifat struktur kristal, ketebalan film, dan nilai energi celah pita.

METODE

Alat dan Bahan

Alat-alat yang digunakan adalah peralatan kaca, penangas ultrasonik, lempeng pemanas, potensiometer, difraktometer sinar-X (XRD) Shimadzu XRD-7000 Maxima, mikroskop elektron pemayaran (SEM) Zeiss EVO 50, spektrofotometer ultraviolet-tampak (UV-Vis) Ganesys 10, serta spektrometer serapan atom (AAS) untuk logam Cu dan Zn 7000 dan untuk logam Sn AA-6300.

Bahan-bahan yang digunakan adalah larutan CuSO4·5H2O 0.02 M,

ZnSO4·7H2O 0.02 M, SnSO4 0.01 M, Na2S2O3·5H2O 0.02 M, trinatrium sitrat

(C6H5Na3O7·2H2O)0.1 M, asam tartarat (C4H6O6)0.1 M, HNO3 3 M, H2SO4 96%,

air bebas-ion, gas N2, gas H2S, elektrode Ag/AgCl, elektrode Pt, dan substrat kaca

3

Metode

Film tipis CZTS dibuat dengan menggunakan substra_{t kaca ITO 500 Ω} dengan beberapa tahapan, yaitu pembersihan substrat, elektrodeposisi, dan pengerasan film (annealing). Proses analisis film tipis CZTS meliputi analisis energi celah pita dengan spektrofotometer UV-Vis, analisis jenis kristal dengan XRD, analisis morfologi dengan SEM, dan analisis unsur logam dengan AAS. Bagan alir penelitian ditunjukkan pada Lampiran 1.

Pembersihan Substrat Kaca ITO 500 Ω (Reith 2012)

Substrat kaca ITO _{500 Ω} dibersihkan terlebih dahulu dengan cara direndam dengan larutan detergen selama 12 jam pada suhu 120 °C dengan menggunakan lempeng pemanas. Setelah itu, kaca ITO dibersihkan dengan cara direndam dalam alat sonikasi yang berisi air bebas-ion selama 10 menit, kemudian berturut-turut aseton selama 10 menit, iso-propanol selama 10 menit, dan terakhir dengan menggunakan air bebas-ion selama 10 menit. Kaca ITO kemudian dikeringkan dengan aliran gas nitrogen agar kondisi permukaannya menjadi lembam. Kaca ITO yang sudah dialiri gas nitrogen kemudian disimpan di dalam wadah yang kering dan bersih.

Elektrodeposisi Film (Modifikasi Pawar 2012)

Proses elektrodeposisi dilakukan dengan menggunakan instrumen potensiometer. Larutan elektrolit yang berisi 20 mL CuSO4 0.02 M, 10 mL ZnSO4

0.02 M, 20 mL SnSO4 0.01 M, 40 mL Na2S2O3 0.02 M, 15 mL C6H5Na3O7 0.1 M

dan 1 mL C4H6O6 0.1 M disiapkan dalam sebuah gelas piala. pH larutan elektrolit

tersebut diatur hingga nilainya 4.5, untuk digunakan dalam proses elektrodeposisi. Elektrode kerja yang digunakan ialah substrat kaca ITO 500 Ω, elektrode pembanding Ag/AgCl, dan elektrode pembantu Pt. Elektrode-elektrode tersebut direndam dalam larutan elektrolit, kemudian proses elektrodeposisi berjalan dalam mode linear sweep stripping voltametry dengan kondisi awal –950 mV, akhir – 110 mV, selang 1 V, kecepatan 10 kHz, dan laju 25 mV/s. Tegangan yang digunakan selama proses elektrodeposisi sebesar _–1.05 V pada suhu ruang 28 ºC dengan ragam waktu elektrodeposisi selama 30, 45, dan 60 menit. Setelah proses elektrodeposisi selesai dilakukan, kaca ITO akan terlapisi oleh campuran logam dan akan berubah warna yang semula bening menjadi lebih gelap. Film tipis CZTS yang terbentuk dialiri gas nitrogen, lalu disimpan dalam wadah kering dan bersih.

Proses Pengerasan Film Tipis CZTS

4

memulai proses pengerasan, peralatan disiapkan terlebih dahulu seperti tabung kaca, selang baja, tabung gas nitrogen, dan gas H2S. Seluruh film tipis CZTS hasil

elektrodeposisi dimasukkan ke dalam tabung kaca yang tersambung dengan tabung gas nitrogen dan gas H2S. Proses pengerasan kemudian dilakukan selama

45 menit bersamaan dengan dialirkannya gas nitrogen dan gas H2S. Sampel film

tipis CZTS yang sudah dipanaskan pada suhu 180 ºC diberi kode sesuai lamanya waktu elektrodeposisi, yaitu C30H, C45H, dan C60H, sedangkan sampel film tipis CZTS yang sudah dipanaskan pada suhu 500 ºC diberi kode C30T, C45T, dan C60T (Tabel 1).

Tabel 1 Suhu pengerasan dan waktu elektrodeposisi pada sampel CZTS Suhu pengerasan (°C) Lama elektrodeposisi (menit) Kode sampel CZTS

180 30 C30H

Analisis Struktur Kristal dengan XRD

Sampel film tipis CZTS dianalisis strukturnya dengan menggunakan XRD, Panjang gelombang sinar _Kα yang digunakan sebesar 1.54056 Å, dan sudut 2_θ diprediksi dari 20° sampai 80°.

Analisis Morfologi dengan SEM

Sampel film tipis CZTS dimasukkan ke dalam wadah sampel dengan perekat ganda tanpa dilapisi logam emas pada keadaan vakum. Sampel kemudian diamati menggunakan SEM dengan tegangan 10 kV.

Analisis Energi Celah Pita dengan Spektrofotometer UV-Vis

Analisis dilakukan pada kisaran panjang gelombang 250_–800 nm. Sampel film tipis CZTS dimasukkan ke dalam wadah sampel, kemudian diukur nilai transmitansnya. Nilai persen transmitans (% T) kemudian diubah ke absorbans (A), yang selanjutnya digunakan untuk menghitung nilai koefisien absorpsi (α). Setelah itu, nilai energi dasar (Eg) dihitung. Selanjutnya dibuat kurva hubungan antara (α2_{) dengan nilai energi dasar (hv). Berdasarkan kurva tersebut, nilai energi}

celah pita dapat ditentukan dari perpotongan garis lurus yang melalui titik belok kurva dengan sumbu x.

5

Keterangan :

A = absorbans

α = koefisien absorpsi (cm-1) T = transmitans (%)

d = tebal sampel (nm)

h = tetapan Planck (6.626 × 10-34 Js)

c = kecepatan cahaya ( )

 = panjang gelombang (nm)

Eg = energi dasar (Joule atau eV) (Lin 2012)

Analisis Unsur Logam dengan AAS

Sampel film tipis CZTS dilarutkan dalam 25 mL larutan HNO3 3 M.

Larutan sampel kemudian dianalisis unsur logam Cu, Zn, dan Sn menggunakan AAS.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Kaca ITO 500 Ω sebagai Substrat CZTS

Film tipis Cu2ZnSnS4 (CZTS) dapat dibuat pada berbagai macam jenis

substrat. Substrat yang lazim digunakan pada pembuatan CZTS pada umumnya ialah kaca oksida konduktif transparan (TCO). Jenis-jenis TCO di antaranya ITO, fluor oksida timah (FTO), oksida alumunium seng (AZO) dan ZnO. Jenis TCO yang digunakan pada penelitian ini ialah kaca ITO (Gambar 1). Pengukuran nilai hambatan listrik dengan ohmmeter menunjukkan bahwa kaca ITO yang digunakan memiliki nilai hambatan listrik rerata sekitar 505 _Ω. Alasan utama menggunakan kaca ITO sebagai substrat dalam pembuatan CZTS, yaitu sifat konduktif, kerapatan yang tinggi, sifat transparansi optik yang baik, struktur yang kuat, tahan terhadap cuaca panas (suhu di atas 500 °C), struktur yang halus, dan dapat meneruskan gelombang cahaya UV-Vis (Xia 2012).

6

Nilai hambatan listrik dari substrat ITO berpengaruh pada nilai arus listrik yang kelak akan dihasilkan. Semakin kecil nilai hambatan, akan semakin besar arus yang dihasilkan. Ketebalan dan besarnya konsentrasi ITO akan berpengaruh pada nilai konduktivitas dan transparansi. Semakin tinggi nilai konsentrasi dan ketebalan ITO, nilai konduktivitas akan semakin meningkat, tetapi jika nilai konsentrasi dan ketebalan terlampau besar, maka transparansi kaca ITO akan menurun. Hal tersebut menyebabkan kaca ITO tampak lebih gelap dan sulit untuk ditembus oleh cahaya UV-Vis.

Sebelum dilapisi dengan logam dari larutan elektrolit pada saat elektrodeposisi, kaca ITO terlebih dahulu dibersihkan dengan menggunakan larutan detergen selama 12 jam pada suhu 120 °C. Hal tersebut bertujuan agar kaca ITO bersih dan bebas dari pengotor. Proses pembuatan CZTS memang harus dilakukan dalam keadaan bersih dan steril. Sedikit saja kotoran pada kaca ITO mungkin menyebabkan logam-logam seperti Cu, Zn, dan Sn tidak akan menempel pada substrat kaca ITO. Perendaman kaca dengan menggunakan aseton bertujuan melarutkan berbagai macam senyawa pengotor yang bersifat polar maupun nopolar. Perendaman dalam iso-propanol bertujuan membunuh bakteri atau jamur yang mungkin terdapat dalam kaca, sedangkan perendaman dengan air bebas-ion mencegah kaca bereaksi dengan ion-ion positif yang mungkin ada pada saat elektrodeposisi, sehingga kaca dapat terlapisi dengan baik oleh logam-logam dalam larutan elektrolit. Air bebas-ion lazim digunakan dalam pembuatan perangkat semikonduktor karena dapat melindungi perangkat semikonduktor dari gangguan ion-ion positif seperti natrium, kalium, dan magnesium.

Elektrodeposisi

Elektrodeposisi merupakan salah satu cara yang dapat digunakan untuk pembuatan CZTS. Dalam penelitian ini, digunakan metode elektrodeposisi karena memiliki banyak keunggulan dibandingkan dengan metode yang lain (gemercik, evaporasi, pirolisis semprot, dan pulsed laser), seperti dapat dilakukan pada suhu kamar, peralatan yang digunakan cukup sederhana, biaya lebih murah, dan prosesnya berjalan cukup cepat. Dalam metode elektrodeposisi, kaca ITO dielektrolisis dengan bantuan elektrode Pt dan elektrode Ag/AgCl di dalam wadah berisi larutan elektrolit yang mengandung unsur Cu, Zn, Sn, dan S. Ragam waktu elektrodeposisi ialah 30, 45, dan 60 menit dengan tegangan –1.05 V pada suhu kamar sekitar 28 ºC menggunakan potensiometer.

7 menempel pada kaca ITO, kemudian tereduksi dan membentuk padatan film. Padatan film terbentuk jika nilai potensial elektrode lebih kecil daripada nilai potensial reduksi senyawa logam yang akan dideposisi, yaitu Cu, Zn, dan Sn. Potensial reduksi yang digunakan pada saat elektrodeposisi ialah _–1.05 V, lebih rendah dibandingkan dengan nilai potensial reduksi logam Cu, Zn, dan Sn. Oleh karena itu ketiga logam tersebut dapat menempel pada substrat kaca ITO. Nilai potensial reduksi suatu senyawa juga akan memengaruhi kemampuan banyaknya logam yang dapat terdeposisi pada suatu substrat.

Cu2+(aq) + 2e– Cu(s) E°= +0.34 V

Film hasil elektrodeposisi dikeraskan dengan cara memanaskan sampel film ke suhu 180 °C (menggunakan lempeng pemanas) dan 500 °C (menggunakan tanur). Proses pengerasan film sangat penting dalam pembentukan struktur kristal pada film CZTS. Proses kristalisasi akan berlangsung jika suhu pengerasan sekitar 350–500 °C. Kisaran suhu tersebut akan memperkuat ikatan logam dengan substrat sehingga permukaan substrat menjadi lebih halus dan transparan. Sebaliknya, suhu pengerasan di bawah 350 °C tidak menimbulkan proses kristalisasi, sehingga terbentuk struktur amorf, logam tidak terikat kuat dengan substrat, dan memungkinkan masuknya oksigen atau udara bebas yang dapat membentuk senyawa lain yang tidak diinginkan. Hasil pengerasan film pada suhu 500 °_{C (Gambar 2) menunjukkan bahwa film di permukaan substrat kaca lebih} transparan dan lebih kuat dibandingkan film hasil pengerasan pada suhu 180 °C (Gambar 3). Hal tersebut ditunjukkan oleh gelapnya lapisan film di permukaan substrat hasil pengerasan pada suhu 180 °C. Kekuatan film ditunjukkan oleh mudah atau tidaknya butiran endapan logam terlepas dari permukaan kaca ITO. Hasil pengerasan pada suhu 500 °C menunjukkan butiran endapan CZTS yang lebih rapat dibandingkan dengan hasil pengerasan pada suhu 180 °C, maka dapat disimpulkan bahwa daya ikatnya dengan substrat juga lebih baik. Proses pengerasan juga memengaruhi terjadinya proses sulfurisasi pada film yang akan terbentuk.

(a) (b) (c)

8

(a) (b) (c)

Gambar 3 Film CZTS hasil pengerasan pada suhu 180 ºC dengan waktu elektrodeposisi (a) 30, (b) 45, dan (c) 60 menit

Struktur Kristal Menurut Hasil XRD

Analisis struktur kristal pada awalnya dilakukan pada film yang sudah dielektrodeposisi, tetapi belum diberi perlakuan pengerasan. Spektrum XRD memperlihatkan bahwa film yang belum diperkeras tidak memiliki puncak serapan yang mengindikasikan adanya senyawa CZTS (Gambar 4a). Hal ini menunjukkan bahwa film yang belum diperkeras belum membentuk kristal, tetapi masih memiliki struktur yang amorf. Hal ini sesuai dengan teori yang menyatakan bahwa proses pengerasan sangat memengaruhi pembentukan kristal pada film (Pawar 2010).

(a)

(b)

9 Ragam suhu pengerasan 180 dan 500 °C dimaksudkan untuk mengetahui suhu efektif pembentukan struktur kristal CZTS. Berdasarkan hasil analisis spektrum XRD sampel C45T (Gambar 4b) menggunakan program Match 2 (Gambar 5), senyawa CZTS terbentuk pada film hasil pengerasan pada suhu 500 °C. Hal ini ditunjukkan oleh intensitas puncak tertinggi (112) dengan nilai 2θ

pada 29°, kemudian puncak (220) dengan nilai 2θ pada 47°, yang sesuai dengan data literatur JCPDS 26-0575 (Gambar 6 dan Tabel 2). Jenis struktur kristal CZTS yang terbentuk ialah kesterit, dengan sistem kristal tetragonal. Selain itu, terdapat pula fase senyawa lain di dalam film hasil pengerasan seperti Cu2S, ZnS, dan SnS.

Jenis kristal untuk fase Cu2S ialah kalkosit dengan sistem kristal monoklin, jenis

kristal ZnS ialah wurzit dengan sistem kristal heksagonal, dan jenis kristal SnS ialah herzenbergit dengan sistem kristal ortorombik. Persentase senyawa yang terbentuk paling banyak pada setiap film secara berturut-turut ialah senyawa Cu2S,

SnS, ZnS, dan Cu2ZnSnS4 (Tabel 3).

Gambar 5 Spektrum data XRD hasil analisis program Match 2 pada sampel C45T

10

Tabel 2 _{Puncak 2θ dan nilai} hkl CZTS JCPDS 26-0575 (Pawar 2010) 2_θ (°) _hkl

Tabel 3 Hasil analisis spektrum XRD menggunakan program Match 2

Sampel Senyawa Nama Kristal Jumlah (%)

C30H

Menurut mekanisme reaksi pembentukan senyawa Cu2ZnSnS4, senyawa

yang terbentuk pertama kali adalah Cu2S. Senyawa ini mudah terbentuk, bahkan

tanpa proses pengerasan sekalipun, karena suhu pembentukannya di bawah 100 °C. Setelah senyawa Cu2S terbentuk, berikutnya senyawa ZnS akan terbentuk disusul

pembentukan senyawa SnS2. Senyawa Cu2S yang sudah terbentuk di awal

kemudian akan bereaksi dengan senyawa SnS2 membentuk senyawa Cu2SnS3

yang selanjutnya akan bereaksi dengan senyawa ZnS membentuk senyawa Cu2ZnSnS4 (CZTS) pada suhu pembentukan optimum lebih dari 350 °C. Berikut

merupakan mekanisme pembentukan senyawa Cu2ZnSnS4 disertai suhu

11 mungkin disebabkan oleh reaksi pembentukan senyawa Cu2ZnSnS4 saat

elektrodeposisi yang tidak berjalan dengan baik. Faktor lingkungan yang kurang optimum selama proses pengerasan seperti kurang banyaknya gas H2S yang

dihasilkan pada saat proses pengerasan film juga berpengaruh.

Berdasarkan spektrum XRD pada sampel film (Lampiran 2) serta analisisnya dengan program Match 2 (Lampiran 3 dan 4), suhu optimum pegerasan untuk membentuk senyawa Cu2ZnSnS4 adalah 500 °C. Suhu pengerasan

180 °C kurang begitu baik dalam membentuk senyawa Cu₂ZnSnS₄. Persentase senyawa Cu2ZnSnS4 yang terbentuk pada suhu pengerasan 500 °C lebih besar

dibandingkan dengan 180 °C (Tabel 3). Lamanya waktu elektrodeposisi juga berpengaruh pada pembentukan senyawa. Waktu elektrodeposisi selama 45 menit menghasilkan senyawa CZTS lebih banyak daripada 30 dan 60 menit. Hal tersebut sesuai dengan literatur yang menyebutkan bahwa jika waktu elektrodeposisi kurang dari 45 menit, material logam belum mampu terbentuk atau terlapisi dengan baik pada lapisan substrat kaca ITO. Sementara itu, jika waktu elektrodeposisi lebih dari 50 menit, maka akan terbentuk serbuk pada material yang tertempel pada substrat. Kondisi tersebut akan membuat hasil pelapisan logam menjadi lebih rapuh dan mudah terurai (Reith 2012).

Morfologi Berdasarkan Foto SEM

12

Tabel 4 Ukuran ketebalan film sampel CZTS hasil analisis SEM Sampel Tebal Film

(µm)

C30H 3.089

C45H 6.366

C60H 1.950

C30T 3.332

C45T 3.352

C60T 1.228

Gambar 7 Foto hasil analisis SEM sampel C45T

Energi Celah Pita Hasil Pengukuran dengan Spektrofotometer UV-Vis

Energi celah pita ialah energi yang dibutuhkan untuk mengeksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Suatu material akan digolongkan sebagai semikonduktor CZTS jika memiliki nilai energi celah pita 1.5–2.7 eV, dan nilai koefisien absorpsi sekitar 104 cm-1 (Pawar 2010). Jika energi celah pita lebih dari 5.0 eV, maka materi tersebut tergolong insulator. Nilai energi celah pita yang terukur akan digunakan sebagai acuan nilai efisiensi sel surya dalam mengubah energi matahari menjadi energi listrik spektrofotometer UV-Vis pada kisaran panjang gelombang 250–800 nm. Sampel film tipis CZTS dimasukkan ke dalam wadah sampel, diukur nilai persen transmitansnya (% T), kemudian dikonversi menjadi nilai absorbans (A). Nilai A tersebut digunakan untuk menghitung nilai koefisien absorpsi (α). Setelah itu dicari nilai energi dasarnya (Eg). Selanjutnya dibuat grafik hubungan _(α2_{) dengan nilai (hv). Berdasarkan kurva tersebut, nilai}

energi celah pita dapat ditentukan dari persinggungan garis dengan titik belok kurva (Lampiran 6).

13 CZTS berada pada kisaran 1.5_–2.7 eV. Sedangkan pada sampel CZTS lainnya diperoleh energi celah pita 3.8–4.0 eV. Nilai tersebut diperkirakan energi celah pita senyawa ZnS. Hal ini didukung oleh literatur yang menyebutkan bahwa nilai energi celah pita ZnS sekitar 3.58 eV (Markvart 2008). Semakin kecil nilai energi celah pita suatu materi, maka akan semakin mudah materi tersebut mengkonversi energi matahari menjadi energi listrik. Hal ini berkaitan dengan kemudahan elektron bereksitasi dari pita valensi menuju pita konduksi. Nilai koefisien absorpsi yang diperoleh pada sampel CZTS 2.74×103_–9.48×103 cm-1. Nilai koefisien absorpsi yang paling mendekati literatur ialah nilai koefisein absorpsi sampel C60H, sebesar 9.48×103 cm-1. Sedangkan koefisein absorpsi literatur, yaitu sebesar 1.0×104 _cm-1_{. Semakin besar nilai koefisien absorpsi maka energi}

listrik yang dihasilkan akan semakin baik karena materi lebih mudah untuk menyerap energi matahari. Jika energi matahari banyak terserap, elektron akan lebih mudah tereksitasi ke pita konduksi dan akhirnya akan membuat aliran p-n junction, yang nantinya akan menimbulkan arus listrik.

Tabel 5 Hasil analisis energi celah pita dengan spektrofotometer UV-Vis Sampel Koefisien absorpsi

Hasil Analisis Unsur Logam dengan AAS

Analisis kandungan unsur logam pada film CZTS bertujuan memastikan film CZTS tersebut mengandung unsur-unsur logam penyusun senyawa Cu2ZnSnS4. Analisis AAS dilakukan dengan cara sampel film tipis CZTS

dilarutkan dengan larutan HNO3 3 M sebanyak 25 mL. Tujuan penggunaan HNO3

3 M untuk melarutkan logam Cu, Zn, dan Sn yang terdapat dalam film CZTS. Sampel yang sudah dilarutkan HN03 kemudian dianalisis unsur logam Cu, Zn, dan

Sn menggunakan AAS. Berdasarkan hasil analisis AAS, sampel film hasil pengerasan suhu 180 dan 500 °C menunjukkan unsur Sn tinggi nilai konsentrasinya dibandingkan unsur Cu dan Zn (Tabel 5). Berdasarkan hasil AAS dapat dipastikan bahwa unsur logam penyusun senyawa Cu2ZnSnS4 seperti Cu, Zn,

dan Sn memang terdapat di dalam sampel film tersebut.

14

Tabel 6 Hasil analisis unsur logam dengan AAS Sampel Bobot _(mg)

[Cu]

(ppm) (ppm) [Zn] (ppm) [Sn]

Terukur Terkoreksi Terukur Terkoreksi Terukur Terkoreksi Blanko 0.0000 -0.0389 0.0000 -0.0450 0.0000 -0.6000 0.0000

Film CZTS yang terbentuk dari hasil pengerasan suhu 500 °C dengan waktu elektrodeposisi 45 menit memiliki kriteria sifat fisik dan optik yang paling baik dibandingkan sampel CZTS hasil pengerasan suhu 180 °C dengan waktu elektrodeposisi 30, 45, dan 60 menit. Struktur kristal film CZTS yang didapat dari hasil analisis XRD, yaitu kesterit dengan sistem kristal tetragonal dan puncak tertinggi pada (112) dan (204). Ukuran tebal film yang didapat berdasarkan hasil analisis SEM sekitar 1.228_–6.366 µm. Hasil uji spektrofotometer UV-Vis menunjukkan nilai energi celah pita terbaik yang didapat, yaitu pada sampel C45T 2.2 eV. Nilai koefisien absorpsi sebesar yang diperoleh 2.74×103–9.48×103 cm-1. Uji AAS menunjukkan konsentrasi unsur logam yang paling besar pada

semua sampel film CZTS, yaitu logam Sn. Film CZTS yang terbentuk sudah sesuai dengan kriteria lapisan penyerap cahaya pada sel surya umumnya.

Saran

Film CZTS yang didapat belum seutuhnya berada pada satu fase Cu2ZnSnS4,

masih banyak terdapat fase sekunder yang dominan seperti Cu2S, ZnS, dan SnS.

15

DAFTAR PUSTAKA

Aissaoui O, Mehdaoui S, Bechiri L, Benabdeslem M, Benslim N, Amara A, Mahdjoubi L, Nouet G. 2007. Syntheis and material properties of Cu-III-VI2

chalcopyrite thin films. J Phys D 40: 5663-5665. doi: 10.1016/j.physd.2007.01.005.

Hasan Z, Rani E. 2012. Rancang bangun konversi energi surya menjadi energi listrik dengan model elevated solar tower. Jurnal Neutrino 2: 154-155. Jun Z. 2011. Characterization of Cu2ZnSnS4 thin films prepared by sulfurization

of simultaneously evaporated alloy films. BATR 5: 51-53.

Khare A. 2012. Synthesis and characterization of copper zinc tin sulfide (CZTS) nanoparticles and thin films [disertasi]. Twin Cities: University of Minnesota.

Lin X, Kavalakkatt J, Kornhuber K, Levcenko S, Martha C, 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, Luis C. 2008. Practical Handbook Photovoltaics: Fundamentals and Applications. San Diego: Elsevier Science.

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.

Piebalgs A, Potocnik J. 2009. Photovoltaic Solar Energy: Development and Current Research. Hamburg: European Communities.

Reith P, Gerben H. 2012. Investigating electrodeposition to grow CATS thin film for solar cell applicatipons [disertasi]. Twin Cities: University of Minnesota.

Sarswat PK. 2012. Alternative methods to fabricate and evaluate copper zinc tin sulfide based absorber layers on transparent conducting electrodes [disertasi]. Utah: The University of Utah.

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.

Wang H. 2011. Progress in thin film solar cells based on Cu2ZnSnS4.International

Journal of Photo Energy 1: 1-10. doi: 10.1155/IJP/2011/43213.

William H, John A. 2006. Elektromagnetika. Irham, penerjemah. Jakarta: Erlangga. Terjemahan dari: Engineering Electromagnetics.

16

Lampiran 1 Bagan alir penelitian

Pembersihan kaca ITO 500 _Ω

Analisis XRD, SEM, spektrofotometer UV-Vis, dan AAS

Elektrodeposisi film selama 30, 45, dan 60 menit

Pembuatan larutan elektrolit

Proses pengerasan pada suhu 180 dan 500 °C

Film amorf

17 Lampiran 2 Difraktogram XRD

Difraktogram XRD C60H

Difraktogram XRD C60T

18

Lanjutan Lampiran 2

Difraktogram XRD C45T

Difraktogram XRD C30H

19 Lampiran 3 Difraktogram hasil analisis XRD menggunakan program Match 2

Difraktogram XRD C30H

Difraktogram XRD C30T

20

Lanjutan Lampiran 3

Difraktogram XRD C45T

Difraktogram XRD C60H

22

23 Lampiran 5 Hasil analisis SEM

\

C30H C30T

C45H C45T

24

Lampiran 6 Hasil analisis energi celah pita

25 Lanjutan Lampiran 6

Energi celah pita C45T 0,00E+00

2,00E+09 4,00E+09 6,00E+09 8,00E+09 1,00E+10

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

α

2 (

cm

-2)

26

RIWAYAT HIDUP