LAPORAN AKHIR PENELITIAN DOKTOR BARU DANA ITS 2020

(1)

LAPORAN AKHIR

PENELITIAN DOKTOR BARU

DANA ITS 2020

Optimasi Lapisan Tipis Karbon Amorf (a-C) Berbahan Dasar

Gula Siwalan Sebagai Sel Surya

Tim Peneliti :

Retno Asih, M.Si., Ph.D. (Fisika/FSAD)

Prof. Dr. Darminto, M.Sc. (Fisika/FSAD)

Dr. Malik Anjelh Baqiya, M.Si. (Fisika/FSAD)

DIREKTORAT RISET DAN PENGABDIAN KEPADA MASYARAKAT

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA

(2)

Daftar Isi

Daftar Isi ... i

Daftar Tabel ... ii

Daftar Gambar ... iii

Daftar Lampiran ... iv

BAB I RINGKASAN ... 1

BAB II HASIL PENELITIAN ... 2

BAB III STATUS LUARAN ... 13

BAB IV PERAN MITRA (UntukPenelitian Kerjasama Antar Perguruan Tinggi) ... 14

BAB V KENDALA PELAKSANAAN PENELITIAN ... 15

BAB VI RENCANA TAHAPAN SELANJUTNYA ... 16

BAB VII DAFTAR PUSTAKA ... 17

BAB VIII LAMPIRAN ... 18

(3)

Daftar Tabel

Hal. Tabel 2.1 Ringkasan hasil analisis spektra XPS pada lapisan a-C, a-C:N dan a-C:B

berkaitan dengan nilai energi ikat, prosentase at% dan jenis ikatan …………... 4 Tabel 2.2 Energi foton dari kemunculan eksiton pada lapisan a-C pada subtrat ITO 11 Tabel 3.1 Status luaran dari program penelitian doktor baru No: 863/PKS/ITS/2020 13

(4)

Daftar Gambar

Hal. Gambar 2.1 Pola XRD dari lapisan a-C, a-C:N dan a-C:B pada substrat kaca ITO.

Indeks Miller (hkl) menyatakan puncak XRD dari ITO ……… 2 Gambar 2.2 Spektra C1s XPS dari lapisan (a) a-C, (c) a-C:N, dan (e) a-C:B. (d)

Dekonvolusi spektrum N1s dari lapisan a-C:N dan (f) spektrum B1s dari lapisan a-C:B. Ilustrasi ikatan C-N dan C-B pada struktur grafitik

ditunjukan pada (b) ………. 3

Gambar 2.3 Morfologi (tampak atas) dari (a) lapisan ITO pada kaca (sebagai substrat) dan lapisan tebal (b) a-C, (c) a-C:N 1:5, dan a-C:B 1:5 pada substrat dari hasil pengamatan SEM serta gambaran tampak samping dan ilustrasi

susunan lapisan terkait ……….. 5

Gambar 2.4 (a) Grafik hubungan transitansi ternormalisasi terhadap panjang gelombang pada lapisan a-C, a-C:N dan a-C:B yang teramati melalui spektroskopi UV-Vis. (b) Penentuan lebar celah pita (Eg) menggunakan metode Tauc plot [6]. Data hanya ditunjukan pada rentang energi 1,2-2,4 eV untuk kejelasan 6 Gambar 2.5 Skema rapat keadaan (density of state) pada karbon amorf [5] ……… 6 Gambar 2.6 Data pengukuran dan hasil fitting (garis putus-putus) dari SE pada lapisan

ITO pada subtrat kaca berupa rasio amplitudo () dan perbedaan fase () 7 Gambar 2.7 (a) Indeks bias kompleks, (b) Reflektivitas, (c) fungsi dielektrik kompleks,

dan (d) loos-function dari lapisan ITO ………. 8 Gambar 2.8 Hasil eksperimen dan fitting (garis putus-putus) nilai  dan  dari film (a)

a-C, (b) a-C:B, dan (c) a-C:N pada substrate gelas ITO ………. 9 Gambar 2.9 Bagian riil (𝜀1) dan imajiner (𝜀2) dari konstanta dielektrik, loss-function,

dan reflektifitas lapisan ITO (substrat), a-C, a-C:B dan a-C:N pada ITO ….. 9 Gambar 2.10 (a) Spektrum konduktivitas optik () dari lapisan karbon amorf pada substrat

ITO. (b) Estimasi Spectral Weight Transfer (SWT) pada rentang energi 0,62 - 1 eV (W1), 1 - 4 eV (W2), dan 4 - 5,62 eV (W3). W= W1+ W2+ W3 10 Gambar 2.11 Gambar 2.11 Spektra C K-edge XAS dari lapisan a-C, a-C:B, dan a-C:N

pada rentang energi foton antara 282 – 290 eV ……… 11 Gambar 2.12 Skematik pita energi dari karakteristik menyerupai grafena pada lapisan

a-C, a-C:B dan a-C:N pada substrat ITO. Efek eksiton resonan juga

(5)

Daftar Lampiran

Hal.

Lampiran 1 Target daftar luaran ……… 19

Lampiran 2 Screenshot artikel ilmiah pertama ……….. 20

Lampiran 3 Screenshot artikel ilmiah kedua ………. 21

(6)

BAB I RINGKASAN

Keterbatasan fabrikasi dan biaya yang mahal dalam penggunaan silikon (Si) sebagai sel fotovoltaik mendorong dikembangkannya material semikonduktif alternatif yang lebih murah dan ramah lingkungan, diantaranya adalah bahan semikonduktor berbasis karbon. Salah satu alotrop karbon yang banyak dikembangkan sebagai lapisan tipis semikonduktif adalah karbon amorf (a-C). Keberadaan hibridisasi campuran sp2_{dan sp}3_{menjadikan a-C memiliki rentang celah pita (band} gap) yang lebar yakni antara 0,0 - 5,5 eV. a-C memiliki sifat diantara grafit dan intan yang mana sifat tersebut dapat dikontrol dengan mengatur rasio sp2/ sp3. Merujuk pada keunggulan sifat ini, berbagai metode banyak dikembangkan, termasuk dengan mensintesis a-C dari biomassa dan bioproduk. Pada usulan penelitian ini, lapisan a-C disiapkan dari bahan dasar nira siwalan (lontar) yang merupakan salah satu bioproduk lokal Indonesia. Letak geografis Indonesia yang berada di khatulistiwa mendukung dikembangkannya sel surya sebagai alternatif pemenuhan kebutuhan energi terutama di daerah-daerah yang sulit sumber listrik. Oleh karena itu, usulan penelitian ini mencoba untuk menginvestigasi parameter terbaik dalam usaha pegembangan lapisan a-C berbasis gula siwalan sebagai sel fotovoltaik. Lapisan a-C akan didoping dengan Boron (B) dan Nitrogen (N) untuk mendapatkan semikonduktor ekstrinsik tipe-p (a-C:B) dan tipe-n (a-C:N), yang selanjutnya akan digunakan untuk membuat berbagai jenis sambungan (junction) guna mendapatkan performa sel fotovoltaik yang lebih baik. Selain analisa struktur lapisan a-C menggunakan XRD, FTIR, SEM-EDS, PES dan XAS, detail analisis pada sifat optik dan listrik juga akan dilakukan menggunakan UV-Vis, spektroskopi ellipsometer dan metode four point probe. Karakteristik fotovoltaik juga diinvestigasi dengan mengamati respon perubahan arus (I) dan tegangan (V) saat dan tanpa penyinaran. Topik dari usulan penelitian ini merupakan fokusan terkini dalam pengembangan fotovoltaik generasi teknologi multi-junction berbasis bahan organik. Usulan penelitian ini juga sesuai dengan topik dan roadmap dari 3 pusat penelitian di ITS, yaitu (i) pusat penelitian material maju dan teknologi nano, (ii) pusat penelitian sains fundamental, dan (iii) pusat penelitian energi berkelanjutan. Penelitian ini juga diharapkan dapat mendorong kolaborasi internasional dengan lembaga riset semisal SLRI Thailand (untuk pengukuran PES) dan NUS Singapura (untuk pengukuran XAS dan Ellipsometer). Target luaran dari usulan penelitian ini adalah publikasi satu artikel pada jurnal international terindeks Scopus berkategori minimal Q2.

(7)

Ringkasan penelitian berisi latar belakang penelitian,tujuan dan tahapan metode penelitian, luaran yang ditargetkan, kata kunci

BAB II HASIL PENELITIAN

Lapisan karbon amorf (a-C) telah berhasil disiapkan dari biopruduk gula siwalan pada substrat kaca ITO. Gambar 2.1 menunjukan pola XRD dari lapisan tipis a-C, a-C dengan doping Nitrogen (a-C:N), dan a-C dengan doping Boron (a-C:B) pada kaca ITO. Indeks Miller (hkl) pada gambar tersebut merepresentasikan puncak XRD dari ITO [1]. Dikarenakan sifat amorfus dari a-C, tidak ada puncak XRD dari a-C yang teramati. Adanya latar belakang berupa puncak lebar antara 2 = 15-35º menunjukan karakteristik amorf dari a-C.

Gambar 2.1 Pola XRD dari lapisan a-C, a-C:N dan a-C:B pada substrat kaca ITO. Indeks Miller (hkl) menyatakan puncak XRD dari ITO.

Karbon amorf tersusun atas ikatan hibridisasi sp2 dan sp3, dimana komposisi antara keduanya sangat mempengaruhi sifat makroskopik a-C. Ketika konsentrasi sp2 lebih dominan maka a-C akan memiliki sifat menyerupai grafit, sebaliknya jika konsentrasi sp3 yang lebih besar maka a-C akan bersifat menyerupai intan [2]. Selain itu, doping nitrogen dan boron pada a-C juga menyebabkan terjadinya perubahan konfigurasi ikatan, sehingga menjadi penting untuk menganalisa jenis-jenis ikatan pada lapisan a-C. Analisa tersebut telah dilakukan dengan X-ray Photoemission Spectroscopy (XPS) pada beamline 3.2 di SLRI, Thailand. Melalui karakterisasi ini, jenis-jenis ikatan di dalam lapisan a-C dapat diidentifikasi berdasarkan energi ikatnya (binding energy). Gambar 2.2 menampilkan hasil analisis dekonvolusi dari spektrum C1s, N1s dan B1s pada lapisan a-C, a-C:N dan a-C:B dengan perbandingan mol antara a-C dan doping sebesar 1:5. Campuran hibridisasi sp2 dan sp3 teramati pada seluruh lapisan dengan estimasi at% ditunjukan pada Tabel 2.1. Terlihat bahwa ikatan C dengan hibridisasi sp2_{lebih dominan dibandingkan dengan} sp3. Terbentuknya ikatan antara C-N dan B-C juga terkonfirmasi dari spektra C1s. Spektrum N1s pada lapisan a-C:N mengkonfirmasi ternbentuknya pyrolic N yang merupakan hibridisasi sp3. Pada

(8)

pyrolic N, cincin pentagonal memiliki dua ikatan rangkap. Enam elektron membentuk lima orbital p, dimana empat orbital p ikatan rangkap dua berasal dari karbon yang menyumbang 1 elektron, serta satu orbital yang terisi penuh dari dua elektron nitrogen. Kedua elektron dari atom nitrogen tersebut terdelokalisasi ke dalam sistem  sehingga tidak ada elektron bebas [3]. Ilustrasi dari ikatan pyrolic N ditunjukan pada Gambar 2.2 (b).

Gambar 2.2 Spektra C1s XPS dari lapisan (a) a-C, (c) a-C:N, dan (e) a-C:B. (d) Dekonvolusi spektrum N1s dari lapisan a-C:N dan (f) spektrum B1s dari lapisan a-C:B. Ilustrasi ikatan C-N dan C-B pada struktur grafitik ditunjukan pada (b).

(a) (c) (e) (b) (d) (f)

(9)

Pada lapisan a-C:B, spektrum B1s mengkonfirmasi interaksi C dan B membentuk ikatan BCO2 dan BC3, dimana BCO2 lebih dominan dengan at% sekitar 70% dibandingkan dengan BC3 dengan at% berkisar 30%. Gambar 2.2 (b) mengilustrasikan beberapa kemungkinan ikatan B dan C pada lapisan grafitik C. Pada struktur BC3, ketiga elektron valensi atom boron akan berikatan dengan atom karbon. Apabila meninjau atom-atom disekitarnya, atom karbon akan membentuk ikatan rangkap sehingga membentuk ikatan π [4]. Dengan makin banyaknya struktur BC3 maka akan terjadi hibridisasi sp2 yang lebih banyak pula.

Tabel 2.1 Ringkasan hasil analisis spektra XPS pada lapisan a-C, a-C:N dan a-C:B berkaitan dengan nilai energi ikat, prosentase at% dan jenis ikatan.

Lapisan Spektra Jenis ikatan Energi ikat (eV) at%

a-C C1s C=C (sp2) C-C (sp3) C-O 283.81 285.48 286.73 69.0 15.4 15.6 a-C:N (1:5) C1s C=C (sp2) C=N (sp2₎ C-N (sp3) 284.45 285.81 287.77 35.8 54.6 9.6 N1s pyrrolic N 399.37 100 a-C:B (1:5) C1s C=C (sp2₎ C-C (sp3) B-C C=O 284.44 285.29 283.13 287.24 31.9 10.5 44.6 13.0 B1s BC3 BCO2 188.17 192.08 30.3 69.7

Mikrostruktur permukaan dan tebal lapisan dianalisa dengan SEM. Lapisan tebal yang tampak kurang rata terlihat ketika kaca ITO dilapisi dengan a-C. Gambar penampang lapisan (tampak samping) mengkonfirmasi ketebalan lapisan masing-masing dalam rentang 180, 130 dan 370 nm pada a-C, a-C:N dan a-C:B. Lapisan a-C:B memiliki rata-rata ketebalan yang lebih besar dibandingkan lapisan a-C dan a-C:N, walaupun ketiganya disiapkan dengan waktu deposisi yang sama. Analisa EDX dari gambar SEM menunjukan adanya unsur Si, In, Sn, O dan C. Konsentrasi unsur C meningkat pada lapisan karbon, sedangkan unsur lainnya relatif tetap baik sebelum maupun sesudah dideposisi karbon amorf. Prosentase berat (wt%) dari unsur C pada kaca ITO sekitar 1,3%, sedangkan pada lapisan karbon amorf meningkat menjadi 7,1%. Oksigen merupakan unsur yang paling dominan dengan konsentrasi sekitar 49 wt%.

(10)

Gambar 2.3 Morfologi (tampak atas) dari (a) lapisan ITO pada kaca (sebagai substrat) dan lapisan tebal (b) a-C, (c) a-C:N 1:5, dan a-C:B 1:5 pada substrat dari hasil pengamatan SEM serta gambaran tampak samping dan ilustrasi susunan lapisan terkait.

Analisis sifat optik lapisan dilakukan dengan spektroskopi UV-Vis dalam rentang panjang gelombang 400 – 1200 nm. Gambar 2.4 (a) menunjukan grafik hubungan antara transmitansi (ternormalisasi) dan panjang gelombang. Terlihat bahwa semua sampel dapat menyerap gelombang elektromagnetik pada rentang cahaya tampak dan sedikit inframerah. Transmitansi meningkat dengan meningkatnya panjang gelombang dan berkurang pada rentang 900-1000 nm yang dapat disebabkan karena pengaruh defek. Estimasi celah pita (band gap) dilakukan dengan metode Tauc plot sebagaimana ditunjukan pada Gambar 2.4 (b). Lapisan a-C, a-C:N dan a-C:B masing-masing memiliki celah pita sekitar 1,70; 1,58; dan 1,56 eV. Hal ini mengindikasikan bahwa penambahan doping dapat memperkecil lebar celah pita. Peningkatan hibridisasi sp2 pada lapisan C:N dan a-C:B diindikasi sebagai pemicu penyempitan celah pita ini karena adanya penambahan jumalah transisi -*. Keadaan  merupakan ikatan lemah sehingga terletak lehih dekat dengan energi Fermi dibandingkan keadaan  [5]. Struktur elektronik karbon amorf terutama tergantung pada keadaan  tersebut karena jarak energinya yang lebih rendah ke tingkat Fermi sebagaimana ditunjukan pada Gambar 2.5. Banyaknya konfirgurasi sp2 mengindikasikan terjadinya penurunan lebar pita -* yang artinya celah energinya semakin kecil. Perlu diperhatian bahwa celah energi pada seluruh lapisan berada dalam rentang material semikonduktor yaitu antara 0 hingga 3 eV.

(11)

Gambar 2.4 (a) Grafik hubungan transitansi ternormalisasi terhadap panjang gelombang pada lapisan a-C, a-C:N dan a-C:B yang teramati melalui spektroskopi UV-Vis. (b) Penentuan lebar celah pita (Eg) menggunakan metode Tauc plot [6]. Data hanya ditunjukan pada rentang energi 1,2-2,4 eV untuk kejelasan.

Gambar 2.5 Skema rapat keadaan (density of state) pada karbon amorf [5]

Konduktivitas listrik dari lapisan diukur dengan metode four-point probe, dan didapatkan besarnya sekitar 0,5 S/cm. Rentang nilai konduktivitas ini juga berad dalam rentang bahan semikonduktor yakni berkisar 10-8 – 103 S/cm [7]. Kedua nilai ini, celah energi dan konduktivitas listrik, menjadikan lapisan karbon amorf sebagai kandidat potensial untuk aplikasi sel surya.

Analisa lebih lanjut dari sifat optik dilakukan dengan menggunakan spektroskopi ellipsometer (SE). Pengukuran telah dilakukan di National University of Singapore. Gambar 2.6 menunjukan data hasil pengukuran SE pada substrat kaca ITO berupa rasio amplitudo () dan perbedaan fase () dari gelombang cahaya karena adanya perubahan polarisasi ketika mengenai material. Pengukuran dilakukan pada sudut 50, 60 dan 70º. Analisa pada subtrat ini perlu dilakukan sebelum menganalisa lapisan karbon amorf. Fitting dilakukan dengan model GenOsc yang merupakan gabungan dari fungsi Tauc-Lorentz, Gaussian, Drude (RT) dan Psemi-Tri. Hasil fitting menunjukan bahwa ketebalan lapisan ITO kurang lebih sebesar 107(1) nm dengan kekasaran sekitar 8 nm dan tingkat ketidakhomogenan berkisar 1,9%. Selain itu, estimasi nilai resistivitas dari hasil

(12)

analisis ini diperoleh sekitar 1,4(5) 10-3 .cm yang mengkonfirmasi bahwa ITO bersifat konduktif. Dari data  dan  dapat diekstrak beberapa informasi, diantaranya [8]:

❖ Indeks bias kompleks𝑛̃ = 𝑛 + 𝑖𝑘 ❖ Fungsi dielektrik kompleks, 𝜀̃ = 𝜀₁+ 𝑖𝜀₂ ❖ Loss function, −Im[𝜀−1_{(𝜔)] =} 𝜀2(𝜔)

[𝜀12(𝜔)+𝜀22(𝜔)]

❖ Reflektivitas, 𝑅(𝜔) =[𝑛(𝜔)−1]2+𝑘2(𝜔)

[𝑛(𝜔)+1]2_+𝑘2_(𝜔) ❖ Konduktivitas optik, 𝜎₁(𝜔) = 𝜀₀𝜀₂(𝜔)𝜔

dengan n merupakan indeks bias, k merupakan koefisien kepunahan yang menyatakan seberapa cepat cahaya akan hilang di dalam material,  merupakan frekuensi angular dari foton datang, dan 0 merupakan permitivitas ruang hampa yang besarnya adalah 8,85410-12 F/m.

Gambar 2.6 Data pengukuran dan hasil fitting (garis putus-putus) dari SE pada lapisan ITO pada subtrat kaca berupa rasio amplitudo () dan perbedaan fase ()

Gambar 2.7 menunjukan indeks bias kompleks, reflektivitas, fungsi dielektrik kompleks dan loss function dari lapisan ITO. Perubahan nilai 1 dari negatif menjadi positif menandakan adanya skrining elektron yang merupakan karakteristik dari metal. Perubahan nilai ini terjadi pada energi foton dengan frequency angular sebesar p. 2 bernilai nol pada rentang energi 1,5 – 3,5 eV yang mengindikasikan adanya karakteristik gap-like dan bersifat transparan. Kenaikan 2 pada energi rendah (E < 1 eV) menunjukan karakteristik Drude response pada metal, sedangkan kenaikan pada E > 4 eV menandakan adanya transisi interband. Adanya skrining elektron pada frekuensi p = 2E/h juga terlihat dari grafik loss function yang menunjukan adanya puncak pada energi foton 0,94 eV. Puncak ini menyatakan adanya plasmon pada lapisan ITO.

(13)

Hasil analisis pada lapisan ITO ini selanjutnya digunakan untuk menganalisa data SE pada lapisan karbon amorf. Berbagai informasi dari analisis SE ini juga sangat penting untuk mempelajari pembentukan eksiton yang merupakan kuasi partikel dasar dalam teknologi sel surya. Selain itu kemungkinan adanya kopling antara eksiton dengan plasmon juga dapat dipelajari.

Gambar 2.7 (a) Indeks bias kompleks, (b) Reflektivitas, (c) fungsi dielektrik kompleks, dan (d) loos-function dari lapisan ITO

Hasil pengukuran SE pada lapisan a-C, a-C:N dan a-C:B, meliputi  dan , ditunjukan pada Gambar 2.8. Hasil eksperimen difitting dengan kombinasi enam persamaan Psemi-Tri. Hasil ini kemudian diekstrak untuk mendapatkan kurva kebergantungan konstanta dielektrik, loss-function, dan reflektivitas terhadap energi foton sebagaimana ditampilkan pada Gambar 2.9. Pada kurva 𝜀₁terlihat adanya perubahan nilai dari positif ke negatif, menandakan adanya transisi pada frekuensi plasma yang merupakan karakteristik dari logam. 𝜀₁juga menunjukan penurunan tetapi masih positif pada energi sekitar 3,5 eV. Hal ini mengindikasikan munculnya plasmon korelasi (correlated plasmon) pada lapisan ITO Ketika dilapisi a-C.

(a) (b)

(14)

Gambar 2.8 Hasil eksperimen dan fitting (garis putus-putus) nilai  dan  dari film (a) C, (b) a-C:B, dan (c) a-C:N pada substrate gelas ITO.

Gambar 2.9 Bagian riil (𝜀1) dan imajiner (𝜀2) dari konstanta dielektrik, loss-function, dan reflektifitas lapisan ITO (substrat), a-C, a-C:B dan a-C:N pada ITO

(15)

Sifat logam juga terindikasi dari respon Drude pada kurva 𝜀₂. Ada tiga puncak yang teramati pada 𝜀₂ yaitu pada energy sekitar 1,3; 3,0; dan 4,6 eV. Puncak di sekitar 4,6 eV menandakan kemunculan eksiton resonan sebagaimana yang teramati pada grafena. Eksiton merupakan kuasi partikel utama yang diperlukan dalam sel surya dan teknologi fotocolataik. Keberadaan eksiton resonan juga ditandai dengan dua puncak lain di 1,3 dan 3,5 eV. Menariknya foton energi dari kemunculan resonan eksiton di sekitar 3,5 eV bergeser dengan adanya doping pada a-C. Doping N menyebabkan puncaknya teramati pada foton energi yang lebih rendah, sedangkan doping B membuat puncak ini bergeser ke energi yang lebih tinggi. Tabel 2.2 menyajikan ringkasan kemunculan puncak yang menandai adanya eksiton. 𝜀2bernilai 0 disekitar 4 eV yang menngindikasikan bahwa lapisan tipis bersifat transparan di daerah mid-deep UV. Konsisten dengan 𝜀1, tidak ada puncak yang teramati pada 𝜀₂ disekitar 3,5 eV, menunjukan hanya ada absorbsi lemah karena low plasmon loss.

Reflektivitas memiliki nilai nol disekitar 1 dan 3,5 eV, mengkonfirmasi adanya plasmon korelasi. Kurva loss-function menunjukan adanya puncak tajam di 1 eV yang merupakan karakteristik dari plasmon konvensional. Puncak lebar lain teramati di sekitar 3,5 eV, tepatnya di 3,40 eV pada a-C, 3,36 eV pada a-C:N, dan 3,54 eV pada a-C:B. Puncak ini menandakan plasmon baru yang disebut sebagai plasmon korelasi. Puncak kecil lainnya juga teramati di sekitar 1,3 eV.

Gambar 2.10 (a) Spektrum konduktivitas optik () dari lapisan karbon amorf pada substrat ITO. (b) Estimasi Spectral Weight Transfer (SWT) pada rentang energi 0,62 - 1 eV (W1), 1 - 4 eV (W2), dan 4 - 5,62 eV (W3). W= W1+ W2+ W3

Gambar 2.10 menunjukan kurva konduktivitas optik, yang dihitung dari fungsi dielektrik, dimana 𝜎₁(𝜔) = 𝜀₀𝜀₂(𝜔)𝜔. Konduktivitas optic ini memenuhi aturan f-sum (konservasi muatan) dan berkaitan dengan densitas electron total, dimana ∫ 𝜎1(𝜔)𝑑𝜔 =

𝜋𝑛𝑒2

2𝑚𝑒

∞

0 . Ini berkaitan dengan spectral weight transfer (SWT) dapat ditentukan dari persamaan W = ∫ 𝜎1(𝐸)𝑑𝐸

𝐸2

𝐸1 . SWT

sebanding dengan jumlah efektif electron yang berpartisipasi dalam transisi optikal dalam rentang energi antara E1 dan E2. Film ITO murni tanpa lapisan a-C menunjukan W3 dominan.W total

(16)

meningkat secara drastic Ketika ITO dilapisi a-C. Karena konservasi jumlah electron, W total berkurang dengan doping B pada a-C (a-C:B) dan meningkat dengan doping N pada a-C (a-C:N). Tabel 2.2 Energi foton dari kemunculan eksiton pada lapisan a-C pada subtrat ITO

Film New exciton Resonant exciton New exciton (at low E)

a-C 2.90 eV 4.62 eV

1.3 eV

a-C:N 2.82 eV 4.54 eV

a-C:B 3.10 eV 4.74 eV

Gambar 2.11 Spektra C K-edge XAS dari lapisan a-C, a-C:B, dan a-C:N pada rentang energi foton antara 282 – 290 eV.

Spektra dari x-ray absorption spekctroscopy (XAS) ditunjukan pada Gambar 2.11. Hasil ini mengkonfirmasi hasil XPS sekaligus dapat menjelaskan peningkatan intesitas kurva XPS, apakah berasal dari peningkatan kekuatan hibridisasi atau peningingkatan jumlah electron. Sebagai contoh: analisis XPS menunjukan intensitas C=C meningkat di a-C:N dan a-C:B, analisis XAS kemudian mengimplikasikan adanya peningkatan kekuatan hibridisasi C=C pada a-C:N dan peningkatan jumlah electron pada a-C:B.

Efek dari doping B dan N, yang dalam hal ini masing-masing merupakan doping hole dan electron dapat diillustrasikan pada Gambar 2.12. Keadaan baru muncul dipita konduksi Ketika a-C di doping dengan B sehingga energi Fermi (EF) bergeser ke energi yang lebih rendah. Sedangkan pada doping N, keadaan baru muncul di pita valensi dan menggeser EF ke energi yang lebih tinggi. Hal ini menunjukan bahwa doping B dan N dapat mengubah struktur pita dari karakteristik menyerupai grafena di a-C. Seperti yang diketahui, grafena murni memiliki persinggungan di level Fermi membentuk sebuah Dirac cone. Kemuncula eksiton resonan juga diilustrasikan pada Gambar 2.12 berupa pasangan elektron dan hole. Energi eksiton berubah dengan adanya doping N dan B.

(17)

Gambar 2.12 Skematik pita energi dari karakteristik menyerupai grafena pada lapisan a-C, a-C:B dan a-C:N pada substrat ITO. Efek eksiton resonan juga diilutrasikan dalam Gambar.

(18)

BAB III STATUS LUARAN

Artikel pertama yang memuat proses preparasi dan karakteristik dasar dari lapisan karbon amorf telah disusun dan disubmit ke Journal of Renewable Materials, dan saat ini sedang proses review. Secara umum, reviewer cukup memberikan respon positif atas artikel dan memberi saran untuk perbaikan artikel. Proses revisi artikel saat ini sedang kami kerjakan.

Untuk artikel kedua, saat ini kami sedang dalam tahap diskusi dengan Prof. Andrivo Rusydi dari National University of Singapore terkait analisa data SE dan penyusunan artikel. Diskusi dilakukan secara rutin setiap hari Sabtu. Sebagian data yang terkumpul telah diringkas dan disusun gambarnya untuk ditampilkan dalam artikel ilmiah sebagaimana dijabarkan pada Bab II. Analisa dan diskusi terhadap data SE dari lapisan karbon masih dalam proses. Kompleksitas atas fenomena fisika menjadi tantangan bagi kami sehingga perlu adanya diskusi panjang. Berdasarkan hasil diskusi, kami menyakini bahwa data dalam penelitian ini memiliki keterbaharuan dan signifikansi dalam pengembangan sel surya berbasis biomassa dan sepakat untuk mencoba mempublikasikan hasilnya pada jurnal dengan faktor dampak tinggi yaitu Nature series. Tentunya untuk merealisasikan hal ini diperlukan persiapan yang detail dan tambahan data untuk kelengkapan hasil. Proses penulisan artikel sedang berlangsung.

Luaran tambahan berupa artikel konferensi juga telah disusun. Satu artikel telah dipresentasikan dalam the 2nd International Conference on Condensed Matters and Advanced Materials IC2MAM 2020 dan saat ini sedang dalam proses review. Selain itu tiga artikel lain direncakan akan dipresentasikan pada konferensi International Symposium on Physics and Applications-ISPA 2020. Ketiga paper ini fokus pada kajian teoritik dan kalkulasi pada material induk yang berkaitan dengan topik riset ini. Status luaran saat ini diringkas pada Tabel 3.1.

Tabel 3.1 Status luaran dari program penelitian doktor baru No: 863/PKS/ITS/2020

Luaran wajib

No Judul artikel Jurnal Status

1 Hydrogenated amorphous carbon from palmyra sugar

Journal of Renewable Materials

Under review 2 Tunable resonant excitons and correlated

plasmons in new amorphous carbon-like for photovoltaic devices

Nature

Communications

Persiapan

Luaran tambahan

1 Interaction of hidrogen with reduced graphene oxide probed by SR technique

Materials today: proceeding

(19)

BAB IV PERAN MITRA

(Untuk Penelitian Kerjasama Antar Perguruan Tinggi)

Berisi uraian realisasi kerjasama dan realisasi kontribusi mitra, baik in-kind dan in-cash

(20)

BAB V KENDALA PELAKSANAAN PENELITIAN

Pandemi Covid-19 menjadi kendala utama dalam pelaksanaan riset terutama dalam penggunaan laboratorium dan pengujian. Variasi tipe sambungan yang akan disiapkan mejadi lebih sedikit dari pada yang dijanjikan dalam proposal, tetapi hal tersebut tidak akan mengurangi esensi dan pokok bahasan dari penelitian. Beberapa pengujian telah dilakukan sebelum masa PSBB, akan tetapi pengujian efesiensi lapisan sel surya belum bisa terselesaikan. Untuk menyelesaikan pengukuran, kami membuat merancang alat dan membeli solarmeter agar dapat melakukan pengukuran mandiri di rumah.

Spektroskopi ellipsometer (SE) merupakan alat karakterisasi baru bagi kami yang dari ITS, sehingga diperlukan cukup waktu untuk mempelajari cara pengolahan dan analisis data. Melalui riset ini, kami berkesempatan menjalin kolaborasi dengan National University of Singapore (NUS). Kolaborator kami, Prof. Andrivo Rusydi, sangat antusias membantu dan berdiskusi dengan kami terkait data SE. Diskusi telah dilakukan secara rutin setiap pekan secara daring menggunakan zoom. Kompleksitas fenomena fisis yang harus kami diskusikan juga menjadi tantangan bagi kami sehingga kami memerlukan lebih banyak waktu untuk belajar dan memahaminya.

(21)

BAB VI RENCANA TINDAK LANJUT PENELITIAN

Rencana tahapan selanjutnya untuk menyelesaikan penelitian dan mencapai luaran yang dijanjikan dijabarkan sebagai berikut:

1. Merevisi artikel pertama berjudul “Hydrogenated amorphous carbon from palmyra sugar” dan mensubmit sebelum 14 Desember 2020

2. Melanjutkan diskusi dan penulisan artikel ilmiah kedua bersama dengan Prof. Andrivo Rusydi. Artikel kedua direncanakan untuk disubmit ke Nature Communications

3. Mengeksplor kemungkinan aplikasi sel surya berbasis karbon amorf yang mungkin untuk diaplikasikan pada rentang energi infra merah (di malam hari). Hal ini dapat menjadi topik baru pada proposal penelitian berikutnya

(22)

BAB VII DAFTAR PUSTAKA

[1] E. Parsianpour, D. Raoufi, M. Roostaei, B. Sohrabi, F. Samavat, Characterization and structural property of indium tin oxide thin films, Advance in Materials Physics and Chemistry 7, 42-57 (2017)

[2] E.H. Falcao, F. Wudl, Carbon allotropes: beyond graphite and diamond, Journal of Chemical Technology & Biotechnology 82, 524-531 (2007)

[3] Tuček, J., P. Błoński, J. Ugolotti, A. K. Swain, T. Enoki, R. Zbořil, Emerging chemical strategies for imprinting magnetism in graphene and related 2D materials for spintronic and biomedical applications. Chem. Soc. Rev. 47: 3899-3990 (2018)

[4] M. Tan, J. Zhu, J. Han, W. Gao, L. Niu, J. Lu, Chemical analysis and vibrational properties of boronated tetrahedral amorphous carbon films, Diamond and related materials 16, 1739-1745 (2007)

[5] J. Robertson, Diamond-like amorphous carbon, Materials science and engineering: Reports

37, 129-281 (2002)

[6] J. Tauc, Optical properties and electronic structure of amorphous Ge and Si, Materials Research Bulletin 3: 37–46 (1968).

[7] S.M. Sze, Semiconductor devices, Physics and technology, 2nd_{ed., Wiley: New York (2002)} [8] A. Chaudhuri, K. Rubi, T.C. Asmara, X. Chi, X.J. Yu, R. Mahendiran, A. Rusydi, Quasilocal

plasmon in the insulator-metal transition in the Mott-type perovskite Eu0.3Ba0.7Ti1-xNbxO3, Physical Review B 98, 165303 (2018)

[9] Yin, X. et al. Unraveling how electronic and spin structures control macroscopic properties of manganite ultra-thin films. NPG Asia Mater. 7, 196 (2015).

[10] Van Zeghbroek, B. 2001. Principles of Semiconductor Devices. Buku online sumber http://ecee.colorado.edu (diakses pada tanggal 2 September 2019)

[11] Heitz, T., Drevillon, B., Godet, C. and Bouree, J.E., Quantitative Study of C-H Bonding in Polymerlike Amorphous Carbon Films Using in Situ Infrared Ellipsometry, Physical Review B 58(20), 13957 (1998).

[12] Robertson, J, Diamond-like Amorphous Carbon.” Materials Science and Engineering. R. Reports.37(4), 129–28 (2002)

[13] Gao, M., et al., Solar Absorber Material and System Design for Photothermal Water Vaporazation towards Clean Water and Energy Production, National University of Singapore: Energy and Enviromental Science 12, 841-864 (2018).

[14] Awang, R., Rahman, S.A., Senin, H.B. and Idris, N.H, Influence of Power and Film Thickness on The Properties of RF-PECVD Hydrogenated Amorphous Carbon Films”, AIP Conference Proceedings 909, 133–136 (2007).

[15] Battacharya, S., Hong, J., Turban, G., Determination of the structure of amorphous nitrogenated carbon films by combined Raman and x-Ray photoemission spectroscopy, Institut de Materials de Nantes: Applied Physics 83(7), 3917-3919 (1998).

(23)

BAB VIII LAMPIRAN

Lampiran berisi tabel daftar luaran (Format sesuai lampiran 1) dan bukti pendukung luaran wajib dan luaran tambahan (jika ada) sesuai dengan target capaian yang dijanjikan

(24)