Prosidin Pertemuan Ilmiah Sains Materi /SSN /4/ PENGARUH ANILING P ADA TYPE SEMIKONDUKTOR POLIKRISTAL CuInSe21. Achmad Arslan2 dan Budiarto2

Prosidin Pertemuan Ilmiah Sains Materi /SSN /4/0- 2897

PENGARUH ANILING

P ADA TYPE SEMIKONDUKTOR

POLIKRISTAL

CuInSe21

,,=

Achmad Arslan2 dan Budiarto2

ABSTRAK

PENGARUH ANILING PAOA TYPE SEMIKONOUKTOR OARI POLIKRISTAL CuInSe2 :Telah dilakukan pengendalian type simikonduktor dengan aniling pada beberapa temperatur karena polikristal CuInSe2- Bahan ini memiliki koefisien serapan optik sebesar 10s cm-1 Bahan ini (CuInSeJ tidak memiliki keseragaman jenis (p dan n) sehingga untuk heterojunction perlu dilakukan pengendalian tipe. Berdasarkan basil pengukuran nilai resistivitas didapat yang terbaik pada temperatur aniling 500.C yang ditahan selama 3 jam dengan nialai resistivitas adalah 0,00594 :t 0,00356 Oem-i. Sedangkan untuk kehomogenan tipe-p, yang terbaik diperoleh pada temperatur 500.C yang ditahan selama 1,2 dan 3 jam.

ABSTRACT

INFLUENCE OF ANNEALLING TO THE SEMICONDUCTOR TYPE OF POLYCRYSTAL CuInSe2: The controlling type of semiconductor has been carried out by annealing at several temperature. This material has the optical absorption coefficient 10s cm-l. This material has not homogeneity in type of semiconductor (p and n), therefore make heterojunction type solar cell, the controlling of type semiconductor is needed. According to the measurement, the best figure of the resistivity is found at annealing temperature of 500°C which is held in 3 hour with the resistivity value is 0,00594 :!: 0,00356 .ocm-l. While for homogeneity p-type, the best condition is reached at annealing temperature of 5000C, which are held as long as I, 2 and 3 hour.

KEY WORD

Annealing, Semiconductor, Polycrystal

PENDAHULUAN

CuInSe2 dilakukan perlakuan panas (aniling) dengan

waktu 1, 2 dan 3 jam pacta temperatur 300, 400 dan 500°C. Ada 2 macam struktur gel surya yang paling

sederhana, yaitu: homojunction, hubungan p-n dari bahan semikonduktor yang sarna dan heterojunction, hubungan p-n dari dua bahan semikonduktor yang berbeda.

Tabell. sifat-sifat fisika bahan Nama unsur Berat atom

Cu

In

Se

63,546

~

78,96 Titik lebur

~

1083,4

~

217,0 Grup perio dik I llB VIB Copper indium diselinide (CuInSez)

CIS

telah

menjadi

bahan

semikonduktor yang penting pada saat ini terutama

penggunaanya sebagai bahan penyerap sinar

matahari pada sel surya. CIS memiliki koefisien serapan optik 105 cm-l, inijauh lebih baik dari bahan semikonduktor lainya seperti silikon, sehingga memungkinkan digunakanya sebagai bahan dasar sel surya lapisan tipis.

CIS memiliki energy gap 1,02 eV (direct gap) mendekati nilai optimum band gap sehingga berpeluang besar sebagai bahan sel surya berefisien tinggi. Keuntungan lainya dari bahan CIS Polikristal CuInSe2 merupakan salah satu bahan

semikonduktor yang dapat digunakan sebagai bahan dasar sel surra. Bahan ini memiliki koefisien serapan optik «:1) sebesar 105cm-l, inijauh lebih baik dengan bahan semikonduktor pendahulunya yaitu

silikon dengan koefisien serapan optik 104 cm-1.

[1-2] Selain itu CuInSe2 juga memiliki daya tahan yang baik terhadap radiasi matahari. Namun begitu polikristal untuk sel surra dari bahan CIS (CuInSeJ memiliki keseragaman jenis (p dan n) sehingga

untuk heterojunction perlu diperlakukan

pengendalian tipe siemikonduktor.

Prinsip dari penumbuhan atau pembuatan polikristal CuInSe2 adalah pencairan bahan-bahan utama yaitu Cu, In clan Se yang kemudian diikuti dengan pendinginan pada temperatur kamar.

Tujuan penelitian ini adalah

mempelajari proses penumbuhan polikristal CuInSe2

clan upaya memperbaiki sifat listrik dengan

melakukan aniling dan penelitian ini dilakukan di LSDE-BPPT dan di PPSM Serpong.

Pada penelitian ini dilakukan

punumbuhan polikristal CuInSe2 dengan komposisi 1: 1:2 yang menggunakan single zona temperatur furnace pada kondisi operasi yangtetap.

Analisa mengenai sifat listrik bahan hanya dilakukan terhadap tahanan (resistivitas). Untuk memperbaiki sifat listrik bahan polikristal

1 Dipresentasikan pada Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1997 2 Pusat Penelitian Sains Materi -BA TAN

Prosidin Pertemuan fImiah Sains Materi /SSN /4/0 -2897

Sifat CuInSe2 atau CIS sangat

tergantung pada komposisi elemenya, CIS akan bersifat semikonduktor tipe-p dengan resistivitas rendah (0,001 -10 ohm.cm) apabila kelebihan unsur Cu dan akan bersifat semikonduktor tipe-n dengan resisitivitas rendah atau bersifat semikonduktor tipe-p dengan resistivitas tinggi (100 > 1000 ohm.cm) apabila kelebihan unsur In (gambar 2).

dapat dibuat sel surya berjenis homojunction dan heterojunction.

CulnSez merupakan kelompok dari

ternary compound I-III-IV. Bahan ini membentuk

kristal yang dikenal sebagai struktur Chalcopyrite

(merupakan gabungan dari 2 buah struktur zinc

blende) (gambar la)(5].

Seperti terlihat pada diagram phasa (Gambar lb), titik cair bahan ini berada pada temperatur 987°C, transformasi rase solid-state terjadi pada temperatur 810°C dan 665°C. Pada

temepratur 810°C struktUr CIS adalah

spalerite(2,3,9].

METODOLOGI PENELITIAN

Langkah-langkah pelaksanaan penelitian ini adalah sebagai berikut :

o~

.CII

0 s.

Penumbuhan polikristal CIS:

Peleburan Cu, In daD Se dilakukan pada temperatur daD waktu yang berbeda-beda dengan uraian sebagai

berikut :

.Temperatur tungku dinaikan sampai 200°C

dengan kenaikan loC/2menit

.Temperatur tungku dijaga pada 200°C selama

24 jam.

.Temperatur tungku dinaikan kembali hingga

500°C dengan kenaikan 100°C/jam

.Temperatur dinaikan sampai IIOO°C dengan

kenaikan 200°C/jam daD di jaga temperatumya selama 24 jam.

.Temperatur diturunkan dengan cara mematikan

kontrol pemanas.

(a)

Aniling :

Tabung kaca yang telah diberi pemanas (heater) ditutup lalu diaktitkan sesuai dengan temperatur yang diinginkan. Sampel dilitekan diatas termokopel diantara pemanas dalam tabung kaca daD kemudian ditutup. Sam pel diambil setelah lama waktu aniling yang diinginkan lalu didinginkan pada temperatur

kamar. Sampel diukur nilai resistivitas dan

kehomogenan tipenya dengan menggunakan alat Four Point Probe.

HASIL PENELITIAN

Hasil Penumbuhan Polikristal CuInSe2

Polikristal CuInSe2, dihasilkan dari proses peleburan bahan-bahan Cu, In dan Se di dalarn ampul yang

dimasukan pada furnace. Hasil penumbuhan

polikristal sangat memuaskan dimana secara visual terlihat ingot yang solid dan tidak melekat pada ampul.

Gambar l.(a )Struktur kristal CIS (b). Diagram Phase CIS

Pros;d;nJ! Pertemuan I/m;ah Sa;ns Mater; /SSN /4/0- 2897

Se/M > 1

~

'¥

i-Cu/ln > 1 Cu/ln < 1 tipe-p, R rendah tipe-p,R medium

tipe-n, R tinggi

Se/M<l

~

~

~

Cu/ln > 1 Cu/ln < I

tipe-p,R rendah tipe-p,R tinggi

atau

tipe-n, R rendah Gambar 2. Hubungan antata tasio unsur dengan tipe clan resistivitas

I'"

.8.

III

.88

2..

Gambar 3. Grafik proses penumbuhan polikristal CulnSe2

CulnSe2 1000 800

-:;-.Ii

In !S °in c: Q)

-

_c: 600 400 200 0 a C') Ln 0 ~ on~ 0N II)N Ii)<'> 0V 10~ LC)0 10 10 0to 0()CD 0 r--29

Gambar 5. Pola difraksi sinar X (XRD) untuk polikristal CulnSez

I42d (122)dapat diketahui parameter

kisinya, yaitu :

a = b = 5,8436 A; = 11,4529 A ; cia = 1,9599 A

Hasil analisa X -Ray Difraktometer

Dari pengukuran difraksi sianar-x

untuk pengamatan rasa yang terbentuk dari sam pel (polikristal CulnSez ) setelah dilakukan penumbuhan dapat dilihat pada gambar pola difraksi dibawah ini: Dari hasil analisa Rietveld[12] pola difraksi sinar x diperoleh data hitungan dengan input grup ruang

Hasil Analisa SEM

Oari analisa un sur menggunakan EDX komposisi bahan terhadap tiga posisi ingot, yaitu atas, bawah

dan tengah dengan mempergunakan Scanning

Prosidin Pertemuan Ilmiah Sains Materi ISSN 1410 -2897

Tabel 2.Analisa unsur CIS hasil SEM-WDX

Oari data diatas, ditunjukan komposisi

bahan pacta ingot cukup homogen. Hal ini

membuktikan bahwa prosedur dari pembuatan polikristal yang dilaksanakan pacta penelitian ini cukup memadai.

Analisa Four Point Probe

Hasil analisa sampel dengan

menggunakan four point probe sebelum dilakukan

ani ling akan memperlihatkan tire yang tidak

homogen clan nilai tahanan cukup besar. Hal ini dapat dilihat dari data hasil percobaan dibawah ini :

Kemudian dilakukan ani ling dengan menggunakan variabel temperatur clan waktu, hasilnya dapat dilihat dengan menggunakan Four Point Probe sebagai berikut:

PEMBAHASAN

Temperatur yang digunakan dalam proses penumbuhan polikristal adalah 200°C, 500°C clan I 100°C. Proses pada temperatur 200°C dengan kenaiakan }OC/2 menit bertujuan untuk melelehkan In clan Se. Lambatnya kenaikan suhu pada proses ini diharapkan suhu menyebar merata pada bagian ingot sehingga tidak akan timbul energi panas yang mengakibatkan reaksi eksotermal dari komponen Se yang dapat menimbulkan ledakan. Ledakan ini dapat dikatakan berbahaya karena Se akan mengeluarkan gas beracun. Selanjutnya dipanaskan sampai I 100°C dengan kenaiakan 200°C/jam bertujuan untuk melelehkan Cu. Pada pemanasan sampai I 100°C ada peristiwa penggoyangan ampul yang bertujuan untuk

menghasilkan campuran yang homogen antara Cu, In dan Se sehingga menghasilkan struktur kristal Chalcopyrite CIS yang diharapkan.

Hasil uji SEM dapat terlihat dalam % berat, bahwa sam pel ingot bagian atas dengan komposisi Cu, In dan Se adalah 19,429:t 0,900 ; 32,390:t 1,790 dan 48,165:t 0,390, bagian tengah adalah 19,150:t 0,620; 28,810:t 1,780 dan 47,94Q:t

0,170 serta bagian bawah adalah 17,000:t I ,500;

30,590:t 0,070 dan 47,200:t 0,560 Dan yang terakhir dilakukan analisa bahan untuk mencari nilai resistivitasnya serta tipe bahan dengan menggunakan alat four point probe. Pengujian ini dilakukan dalam dua tahap yaitu sebelum dan sesudah aniling. Hasil uji sebelum aniling nilai resistivitas rata-rata daD tipenya adalah sebagai berikut 0, I 898:t 0,1760 .0. cm-1 dan tipenya tidak homogen, sam pel tengah nilai

resistivitinya adalah 0, 113:t 0,049 .0. cm-1 dan

tipenya tidak homogen, sedang sampel bagian bawah nilai resistivitasnya 0,4794:t 0,777.0. cm-1 daD tidak homogen (data lihat tabeI3).

Hal ini disebabkan karena pada Waktu pengkristalan terjadi, adanya bagian-bagian tertentu

yang mengkristal terlebih dahulu sehingga

menyebabkan tipe dan nilai resistivitnya bervariasi sepanjang ingot. Proses aniling pada penelitian ini dimaksudkan untuk mengurangi nilai resistivitas dan menjadikan tipe kristal yang homogen, dimana ke homogenan tipe (menjadi tipe p semua) tergantung daTi banyaknya pengurangan unsur Se. Untuk kurangnya nilai resistivitas disebabkan karena perbesaran butiran kristal sehingga kontak antara butiran akan semakin baik atau besar.

Hasil uji setelah aniling yang paling baik adalah pada temperatur 500°C selama 3 jam. Pada temperatur daD waktu ini didapat tipe yang homogen dengan nilai resistivitas kecil yaitu 0,00594 :t 0,00356 .0. cm-l, resistivitas kecil dapat diartikan sebagai nilai konduktivitas yang besar sehingga daya hantar bahan semakin baik.

Tabel 3. Hasil pengukuran resistivitas clan tipe semikonduktor dari CIS sebelum aniling

Prosidin Pertemuan Ilmiah Sains Materi /SSN /4/0 -2897

Tabel 4. Hasil pengukuran resistivitas dan tipe semikonduktor dari CIS bagian tengah dengan ani ling

Sampel Temperatur 300°Cdan waktu I jam Temperatur 300°C dan __waktu 2jam

Temperatur 300°C dan

waktu 3 jam

P (.0. em-I) 0,082 0,066 0,0044 0,143

0,166

0,1002 ::!:: 0,0580

Tipe

p

n-p

n-p

p

n-p

tidak-homogen

p (0, em-i)

0,06

0,053

0,037

0,] ]5

0,]43

0,08]6

:t 0,0257

Tipe

p

n-p

n

p

n-p

tidak-homogen p (0 cm-l) 0,051

0,034

0,0.19 0,077 0,088 I0,0538 :t 0,1062

Tipe

p

n-p

p

p

n-p

tidak-~omogen

No:

I.

2.

3.

4.

5.

Rata-rata

Tabel 5. Hasil pengukuran resistivitas clan tipe semikonduktor daTi CIS bagian atas dengan aniling

Sampel Temperatur 400°C clan

waktu l jam Temperatur 400°C dan waktu 2 jam

Temperatur 400°C dan

waktu 3 jam

p(Q cm.l)

0,071

0,082

0,094

0,096

0,194

0,1074

:t 0,0290

No

Tipe

p

p

p

p

n-p

tidak-homogen

P (.0. cm-')

Tipe

p

p

n p p

homogen

i P (0 cm-l)II 0,036I 0,042 i 0,045 0,049 i 0,108 i ---::' i 0,056

I~~

Tipe

p

p

p

p

p

homogen

0,058

0,063

0,066

0,075

0,138

0,08

:1:0,029

2.

3.

4.

5. Rata-rata

Tabel 6. Hasil pengukuran resistivitas dan tire semikonduktor daTi CIS bagian bawahdengan aniling

KESIMPULAN

Dari basil penelitian ini dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut :

1. Temperatur proses dalam penumbuhan

polikristal adalah 200°C, 500°C clan II OO°C.

2. Dari basil analisa dengan menggunakan SEM

dapat dilihat komposisi daTi Cu, In clan Se dalam % berat. Dimana Cu bagian atas sebesar 19,429; bagian tengah sebesar 19,150; bagian bawah sebesar 17,000. Untuk In bagian atas sebesar 32,390; bagian tengah 28,810; bagian

4

bawah sebesar 30,590; dan untuk Se bagian atas sebesar 48,165; bagian tengah sebesar 47,940; bagian bawah sebesar47,200.

Aniling dalam penelitian ini untuk mendapatkan nilai resistivitas yang kecil daD tipe yang homogen (tipe-p) daD penguapan Se pada

perisitiwa aniling sangat mempengaruhi

kehomogenan tipe semikonduktor dar polikristal

CIS.

Berdasarkan basil pengukuran nilai resistivitas didapat yang terbaik pada temperatur 500°C selama 3 jam dengan nialai resistivitas adalah

Prosidin Pertemuan lImiah.\'ains Materi ISSN 1410 .2897

0,00594 :t 0,00356 Ocm-J. Sedangkan untuk kehomogenan tire yang terbaik pada temperatur 500°C yang ditahan selama ], 2 clan 3 jam.

UCAPAN TERIMA KASIH

Ucapan terima kasih ditujukan kepada

Dr. Martin Djamin atas sampel-sampel CuInSe2, Sdr.

Suhairy, Sdr. Indarto serta Sdr. Agus Sunardi dari Balai Tekno Fisika, PPSM, BA TAN, atas bantuan dalam penelitian ini.

DAFTARPUSTAKA

[1] PAULET,

J.,CHAMBRON,J.

and

UNTERREINER,R. 1980. "J Appl. Phys".,v.

55, (1980) 738.

[2] OZOLIN'ZH, G.V., GORYUNOVA, G.A, and

LEVIN'SH,L.N., ,. Kristallografiya", 8(2),

(1963)272.

[3} FEARHELLEY,M.L., " Solar Cell", 16 ,

(1986),91-100.

[4] NEUMAN, H. and TOMLINSON, R.D., " Solar

Cell", 28, (1986)301.

[5] CHAMPNESS, C.H., Non-Stochiometri in

semiconductors,

(1992) ,119-124.

[6] LANDIS, A.G. and HEPP, A.F., Proceeding of

European Space Power Conference,

lorence,

Italy, (1991)517.

[7] DJAMIN,

M.,

Prosiding

Pengkajian,

Pengembangan, dan Penerapan Teknologi

Konversi don Konservasi

Energi Volume

I,

OPT-LSDE BPPT, Serpong,

(1994) 75.

[8] TOMLINSON, R.D., Materials Research

Society,

(1987) 177.

[9] PARKES, J.,

TOMLINSON R.D.

and

HAMPSHIRE M.J., Journal Appl. Crystallogr.,6,

(1983)414.

[IO]GARANDET, J. P. , et al., .J Cryst. Growth.,

96(1

989),pp.

888-898.

[I I] LOFERSKI, J. J. .J. Appl, Phys. 27(7), (1956)

77.

[12] KNIGHT, K.S., Mat. Res. Bull., V.27, (1992),

pp 161-167.